1975—2015年都兰县沙漠化动态变化趋势研究

陈利珍，丁文广，耿怡颖，赵晨，李丹璐

（兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室，甘肃兰州 730000）

1975—2015年都兰县沙漠化动态变化趋势研究

陈利珍，丁文广，耿怡颖，赵晨，李丹璐

（兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室，甘肃兰州 730000）

利用1975年的MSS影像、1985—2015年TM/ETM影像等5个时期遥感影像为数据源，系统研究青海省都兰县1975—2015年沙漠化土地动态变化趋势。结果表明：（1）研究区各时期沙漠化面积呈波动变化，沙漠化面积在近40 a总体减少了868.12 km2；（2）1975—2015年研究区土地利用属于极缓慢变化型；（3）1975—2015年研究区沙漠化土地的空间变化以稳定型为主，其中1995—2015年间逆转型沙漠化土地变化的比例明显增加。1995—2005年逆转型所占比重为27.47%；2005—2015逆转型所占比重为31.76%。并且2005—2015年间沙漠化逆转型与明显逆转型所占比重之和是沙漠化发展型与明显发展型所占比重之和的25余倍，表明研究区此阶段沙漠化治理效果显著。

沙漠化；动态变化；都兰县

沙漠化（沙质荒漠化）是干早、半干旱及部分半湿润地区，由于人类不合理的经济活动和脆弱环境相互作用而造成土地生产力下降，土地资源丧失，地表呈现类似荒漠景观的土地退化，是荒漠化的一种最重要的类型。沙漠化由于分布广泛、危害严重、威胁人口众多，已经成为全球最严重的环境与社会经济问题之一，受到了社会各界的广泛关注[1-2]。沙漠化对环境、社会和经济产生的影响受到普遍关注[3-8]，20世纪末中国沙漠化造成的直接经济损失每年约为1 281.41亿元[9]。因此，深入研究沙漠化土地的发生、发展以及逆转过程对于阐明沙漠化形成、恢复机制，丰富沙漠化研究的理论和制定防治沙漠化的政策及措施具有重要的现实意义[10]。传统的区域风沙环境研究方法通常采用地面野外观测、站点数据和实验分析，数据的存储管理是简单的数据库或表格记载[11-12]。随着遥感技术的发展，以其观测范围广、信息量大、数据更新快和精度高等优势，利用其进行信息提取，获得沙漠化等级分类并实现沙漠化定量研究，在土地沙漠化的监测与评估中得到了广泛的应用[13-17]。此外，遥感技术与地理信息系统的结合，为沙漠化研究提供了有效的途径和方法，并进行了大量相关的研究[18-21]。本文对都兰县1975年以来的沙漠化变化进行动态分析，揭示该地区沙漠化动态的变化特征和规律，目的是给都兰县植被恢复、沙漠化治理和区域生态环境恢复与重建提供决策依据，从而实现生态环境和社会经济的可持续发展。

1 区域概况

都兰县位于青海省中部，属于海西州蒙古族藏族自治州，处于我国四大盆地之一的柴达木盆地东南。位于95°29′～99°06′E，35°15′～37°27′N之间，辖4镇4乡：夏日哈镇、香日德镇、察汗乌苏镇、宗加镇、巴隆乡、沟里乡、香加乡、热水乡，是海西州重要的农牧业县之一。县总面积为5.3×104km2，东西长约310 km，南北宽约80 km，平均海拔3100 m。截止2013年，总人口近10万人。主要以汉族为主，还有藏、蒙古、回、土等少数民族。

都兰县地处青藏高原腹地，具有独特的高原盆地气候环境，其主要特征是干燥少雨多风，冬季寒冷漫长，夏季凉爽短促，四季不分明，属典型的高原大陆性气候，太阳辐射强，太阳年辐射1577～1777 MJ/ m2。降水时空分布不均，随海拔高度增加而递减，平原区降水量在37.9～180.5mm之间，降水较少且集中在5—9月，表现出雨热同季，有利于农作物和牧草的生长[21]。气温年内变化，1月最低为-15～-10℃，7月最高为9～19.3℃，极端最低气温-39.2℃，极端最高气温33.9℃，日较差12.6℃，年较差23.9～29.7℃，且西部大于东部。该区属干旱地区，湿润系数0.21～0.35之间，年蒸发量2 049.6 mm，年日照时数约为3100 h，全年平均每日日照时数可达7～10 h。境内平均风速3.0～3.7m/s，瞬时最大风速达40m/s，平均每年有29～52 d的最大风速超过8级，年平均沙尘暴日数8～15 d，风沙危害频率38.4%[23-24]。

2 数据来源及处理

本研究以1975年MSS影像、1985年、1995年、2005年以及2015年TM影像为信息源，数据主要来源于http://glovis.usgs.gov/、http://www.gscloud.cn/。由于所选取遥感影像的季相影响着沙漠化监测的效果，因此选取NDVI值高的夏秋季遥感影像以及选影像含云量小于10%。同时选取研究区植被图、土地利用图、1:10万地形图、DEM等辅助数据，在ENVI5.0和ArcGIS10.2软件的支持下，结合典型区（训练区）野外考察进行图像目视解译，解译了1975—2015年都兰县沙漠化土地分布，得到5 a的都兰县的沙漠化土地面积数据，进而也得到了土地沙漠化动态变化信息。本次沙漠化土地的解译是以微机为硬件支持平台，对图像分别进行波段合成、图像增强和几何校正处理，波段合成采用TM4（红）、TM3（绿）、TM2（蓝）3个波段进行标准假彩色合成，对于MSS影像采取7、5、4波段进行合成，这样的波段组合对植被生长状况反映比较明显，视觉效果较好，有利于沙漠化土地的识别。解译时，同时结合土地利用数据和Google Earth影像，将多重信息进行空间配准比较，依据已建立的解译标志，按照1:10万比例尺制图综合标准，应用地学综合分析法和相关分析法判定沙漠化土地的边界和属性，生成的沙漠化土地类型线划界经查错修改后建立拓扑关系。然后利用ArcGIS叠加分析模块对不同时期的沙漠化数据进行叠置分析，从而得到研究区沙漠化土地动态变化信息，最后进行各类沙漠化土地的面积量算汇总。沙漠化遥感解译工作完成后，为了保证解译结果的正确率，项目组成员于2015年9月对沙漠化解译结果进行了野外验证，通过对随机抽取的25个样点与解译结果进行对比分析，解译精度为93.67%，基本满足研究要求。

参考《国家科技支撑计划》项目“气候变化对沙漠化影响与风险评估技术”所制定的“中国北方土地沙漠化遥感监测分类体系”，在王涛[25]等研究的基础上，本研究根据沙漠化的程度，将沙漠化土地分为轻度、中度、重度沙漠化3个等级，其余土地统一划分为非沙漠化（表1）。

表1 都兰县土地沙漠化遥感监测分类系统

3 都兰县沙漠化时空动态变化特征

3.1 时空分布特征

从图1、图2可知，1975年都兰县沙漠化总面积为34 654.77 km2，其中轻度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化分别为7 255.99 km2、14 019.72 km2、13 379.06 km2，分别占沙漠化总面积的20%、39%、37%。此时，都兰县沙漠化土地以中度沙漠化和重度沙漠化为主，主要分布在都兰县的西北部和中部。1985年都兰县沙漠化地理分布与1975年相似，沙漠化总面积为35 312.59 km2，其中轻度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化分别为6 623.28 km2、15 310.25 km2、13 379.06 km2，分别占沙漠化总面积的18%、42%、37%。1995年都兰县沙漠化总面积为34 859.07 km2，其中轻度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化面积分别为7 462.02 km2、9 769.68 km2、17 627.37 km2，分别占沙漠化总面积的21%、27%、49%。此时，都兰县沙漠化土地以重度沙漠化为主，主要分布在都兰县的西北部、西部、中部以及南部一角。2005年都兰县沙漠化总面积为35 349.62 km2，其中轻度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化分别为11 718.19 km2、13 846.28 km2、9 785.15 km2，分别占沙漠化总面积的32%、38%、27%。此时，都兰县沙漠化土地以轻度沙漠化和中度沙漠化为主，主要分布在都兰县的南部和中部。2015年都兰县沙漠化总面积为33 786.65 km2，其中轻度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化分别为17 373.80 km2、9 452.83 km2、6 960.02 km2，分别占沙漠化总面积的48%、26%、19%。此时，都兰县沙漠化土地以轻度沙漠化为主，主要分布在都兰县的南部、中部和东部地区。

图1 都兰县不同时期沙漠化分布

3.2 土地利用动态度

沙漠化动态度是反映单位时间内沙漠化土地变化程度，即年增长率的指标[27]。它能反映土地沙漠化的稳定程度和发展速率的大小，其值越小，表明在研究期间沙漠化土地越稳定，反之，沙漠化土地越不稳定，沙漠化土地之间发展速率就大。

（1）单一土地利用类型动态度。表达的是某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况，其表达式[27]为：

式中，K为研究时段内某一土地利用类型动态度；Ua、Ub分别为研究期初及研究期末某一种土地利用类型的数量（面积），T为研究时段长，当T的时段设定为年时，K的值就是该研究区某种土地利用类型年变化率。

（2）综合土地利用动态度。它表达的是某研究区一定时间范围内土地利用的数量变化情况，其表达式为：

式中，K为综合土地利用的动态度；LUi为监测起始时间第i类土地利用类型面积；LUi-j为监测时段内第i类土地利用类型转为非i类上地利用类型面积的绝对值；T为监测时段长度，当T的时段设定为年时，K的值就是该研究区土地利用年变化率[27]。

图2 都兰县1975—2015年土地沙漠化程度

刘纪远[25]提出，按照土地利用动态度（%）的大小，可将中国土地利用的时间动态特征划分为4种利用类型：

（1）土地利用急剧变化型，动态度21%～24%；

（2）土地利用快速变化型，动态度13%～20%；

（3）土地利用慢速变化型，动态度4%～12%；

（4）土地利用极缓慢变化型，动态度0～3%。

从表2可知，在1975—2015年间，非沙漠化土地动态度最大的是2005—2015年，动态度为20.27%，表明此阶段非沙漠化土地面积是正变化，有增长趋势，增长量为1 561.87 km2。1975—1985年和1995—2005年的动态度为分别为-4.50%、-3.95%，说明这2个时期非沙漠化的面积在减少，减少量分别为657.82 km2、503.74 km2。1985—1995年，动态度为5.86%，此阶段非沙漠化面积在增加，增加量为471.01 km2。轻度沙漠化在1985—2015年，动态度都是正的，此阶段轻度沙漠化的面积在增加，动态度最大的是1995—2005年，其动态度为5.70%。1975—1985年轻度沙漠化的动态度为-0.87%。中度沙漠化土地动态度在1975—1985年和1995—2005年都为正，表明在这两个时间段中度沙漠化的面积是增加的。重度沙漠化土地变化以2005年为转折点，2005年之前重度沙漠化土地面积变化有增长趋势，而在2005年之后有减少趋势。总体来说，1975—2015年间，研究区内非沙漠化和轻度沙漠化的面积分别增加了871.32 km2、10 117.81 km2，中度沙漠化和重度沙漠化的面积分别减少了4 566.89 km2、6 419.04 km2。不同时期内研究区综合土地利用动态度分别为0.27%，1.85%，2.11%和1.69%，表明在1975—2015年期间研究区土地利用变化极为缓慢，而1995—2005年相比其他3个时期的土地综合利用度要高。

表2 1975—2015年都兰县沙漠化土地动态度

3.3 空间动态变化特征

3.3.1 空间动态变化分布

图3 1975—2015年都兰县土地沙漠化动态变化分布

从图3和表3可知，1975—1985年都兰县土地沙漠化发展缓慢，发展型的沙漠化土地面积为1 948.36 km2，占沙漠化土地动态变化面积的5.39%，主要零星散布在都兰县的中部和东部地区；其余的为稳定型。1985—1995年都兰县沙漠化程度有发展也有逆转，发展型的沙漠化面积为6 770.81 km2，占沙漠化土地动态变化面积的18.75%，逆转型的面积为5 101.56 km2，占沙漠化土地动态变化面积的14.12%。其中发展型的散布在中部和集中分布在南部一角，逆转型的散布在中部和东部地区。1995—2005年都兰县土地沙漠化以稳定型和逆转型为主，其中逆转型的面积为9 920.69 km2，占沙漠化土地动态变化面积的27.47%，主要分布在都兰县的中部和东部地区；明显逆转的面积为2 193.21 km2，主要分布在南部一角。2005—2015年都兰县沙漠化程度持续好转，逆转型沙漠化土地面积为11 471.10 km2，占沙漠化土地动态变化面积的31.76%，主要分布在都兰县中部和东部地区。

表3 都兰县不同时期沙漠化发展趋势统计

3.3.2 转移矩阵

据解译得到的沙漠化结果，利用ArcGIS空间叠加分析模块对解译得到的5期沙漠化数据进行叠加计算，分别得到1975—1985年、1985—1995年、1995—2005年、2005—2015年4个时段的沙漠化土地转移矩阵（面积比例转移矩阵中，比例值为转移面积与该类别初期面积总量的比值）。

由表4知，在转入方向上，1975—1985年，1985年，轻度沙漠化的来源是657.82 km2的非沙漠化的发展；中度沙漠化的来源是1 290.53 km2的轻度沙漠化的发展。在转出方向上，1975—1985年，1975年，非沙漠化的面积有54.93%保持不变，45.02%发展为轻度沙漠化；轻度沙漠化的面积有82.21%保持不变，17.79%发展为中度沙漠化；中度沙漠化和重度沙漠化的面积保持不变。

表4 1975—1985年都兰县沙漠化面积转移矩阵和比例转移矩阵

由表5知，在转入方向上，1985—1995年，1995年，轻度沙漠化的主要来源是3 198.23 km2的中度沙漠化的逆转；中度沙漠化的主要来源是1 542.63 km2的轻度沙漠化的发展和1 261.78 km2的重度沙漠化的逆转；重度沙漠化的来源主要是4 940.29 km2的中度沙漠化的发展。转出方向上，1985—1995年，1985年，非沙漠化的面积有40.56%保持不变，35.84%发展为轻度沙漠化；轻度沙漠化的面积有55.75%保持不变，23.29%发展为中度沙漠化；中度沙漠化的面积有45.02%保持不变，20.89%逆转为轻度沙漠化，32.26%发展为重度沙漠化；重度沙漠化的面积有88.22%保持不变。

表5 1985—1995年都兰县沙漠化面积转移矩阵和比例转移矩阵

由表6知，在转入方向上，1995—2005年，2005年，轻度沙漠化的主要来源是3 542.34 km2的中度沙漠化和1 937.34 km2的重度沙漠化的逆转；中度沙漠化的主要来源是1 779.67 km2的轻度沙漠化的发展和6 163.52 km2的重度沙漠化的逆转；重度沙漠化的主要来源是347.65 km2的中度沙漠化的发展。在转出方向上，1995—2005年，1995年，非沙漠化的面积有23.46%保持不变，65.36%发展为轻度沙漠化；轻度沙漠化的面积有72.42%保持不变，23.85%发展为中度沙漠化；中度沙漠化的面积有59.29%保持不变，36.25%逆转为轻度沙漠化；重度沙漠化的面积有53.01%保持不变，34.97%逆转为中度沙漠化。

表6 1995—2005年都兰县沙漠化面积转移矩阵和比例转移矩阵

由表7知，在转入方向上，2005—2015年，2015年，轻度沙漠化的主要来源是7 261.83 km2的中度沙漠化的逆转；中度沙漠化的主要来源是2 735.13 km2的重度沙漠化的逆转；重度沙漠化的主要来源是83.58 km2的中度沙漠化和68.66 km2的轻度沙漠化的发展。在转出方向上，2005—2015年，2005年，非沙漠化的面积有81.83%保持不变，8.91%发展为重度沙漠化；轻度沙漠化的面积有85.28%保持不变，12.57%逆转为非沙漠化；中度沙漠化的面积有46.76%保持不变，52.45%逆转为轻度沙漠化；重度沙漠化的面积有69.44%保持不变，27.95%逆转为中度沙漠化。

表7 2005—2015年都兰县沙漠化面积转移矩阵和比例转移矩阵

4 沙漠化变化的主要影响因子讨论

沙漠化形成的驱动因素既有气候因素又有人为因素。其中气温和降水量是影响沙漠化的气候因素的主要因子。从《海西年鉴》以及专家、学者对全国及都兰县近40 a降水和气温变化的研究[22，29-34]，得出：都兰县20世纪60—90年代，各年代平均气温为2.6、2.9、3.0、3.6℃，21世纪以来都兰县气温经历了逐渐下降后上升的过程，总体有相对较小的上升趋势。1971—1980年间，降水量偏少，为178.7 mm；1981—1990年间，降水量增加，为207.9mm；1991—2000年间，降水量稍微偏少，为195.2 mm，21世纪以来，降水量总体呈增加趋势。气温上升降水量增加，气候表现为暖湿倾向，有利于沙漠化逆转；气温上升降水量减少，气候变为暖干倾向，将加速沙漠化发展。由此可知，1975—1985年都兰县气候表现为暖湿倾向，而这一时期沙漠化有轻微发展，与气候变化不一致，可能与人类过度的不合理活动超过了气候因素的作用有关；1985—1995年气候表现为暖干倾向，而这一时期沙漠化发展迅速，二者变化相符；1995年以后气候总体向暖湿方向发展，而这一时期沙漠化逆转明显，与气候变化相符。虽然1985年以后气候变化的方向与沙漠化变化的方向一致，但仅以气温和降水两个气候因子并不足以说明气候因素在沙漠化过程中占主导地位。

都兰县沙漠化的变化与人类社会经济活动有着密切的联系。资料显示[33-36]，建国以来随着柴达木盆地的开发，都兰县人口不断增加，对燃料和粮、肉、奶、蛋等的需求剧增以及超载放牧，导致滥砍滥垦滥牧等不合理的经营活动，固沙植物遭到严重破坏，进而加剧了沙漠化的发生和发展。20世纪90年代以后，都兰县作为“三北”防护林重点县，积极推进各项人工造林与封山育林措施。在此基础上，2000—2005年间实施了宗巴滩风沙育林工程、香日德农田绿洲防护林工程、退耕还林（草）工程和林业防沙治沙工程，这些工程的实施很好地促进了绿洲及绿洲外围植被覆盖度的提高。同时，当地政府在封山封滩禁牧实施过程中制定了合理的措施，加强了法律法规的宣传，广泛开展全民义务植树活动，进一步加快了植被的恢复和生长。加上同一时期气候的暖湿作用，二者共同促进了沙漠化的逆转。综上所述，虽然不同时期降水量变幅较大，但由于绝对值较小，并不能从根本上主导沙漠化的变化趋势，且结合20世纪以来都兰县沙漠化治理状况，可得出沙漠化的发展和逆转主要是由人为因素造成的，同时气候因素也起到了重要的推动作用。

5 结论

在遥感技术和地理信息系统技术的支持下，以都兰县为研究区，运用遥感影像专题对都兰县1975—2015年沙漠化土地时空变化特征进行系统研究表明：（1）都兰县沙漠化主要分布在北部和中部，1975—2015年沙漠化面积处于动态变化之中，其中1975—1985年沙漠化面积增加了657.82 km2，1985—1995年沙漠化面积减少了453.52 km2，1995—2005年沙漠化面积增加了490.56 km2，2005—2015年沙漠化面积减少了1 562.98 km2。总体来说，过去40 a研究区沙漠化面积总体减少了868.12 km2；（2）土地利用动态度可定量描述区域土地利用变化的速度，它对比较土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用变化趋势都具有积极的作用。都兰县1975—2015年属于土地利用极缓慢变化型；（3）1975—2015年研究区沙漠化土地变化以稳定型为主，其中1995—2015年间逆转型沙漠化土地变化的比例明显增加。1995—2005年间逆转型沙漠化土地变化主要是由中度沙漠化逆转为轻度沙漠化、重度沙漠化逆转为中度沙漠得来，2005—2015年间逆转型沙漠化土地变化主要是由轻度沙漠化逆转为非沙漠化、中度沙漠化逆转为轻度沙漠化以及重度沙漠化逆转为中度沙漠化得来。而且2005—2015年间沙漠化逆转型和明显逆转型所占比例超过发展型和明显发展型比例的25倍，表明研究区此阶段沙漠化治理效果显著。

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Dynamic Change Trend of Desertification in Dulan County During 1975-2015

CHNE Lizhen，DINGWenguang，GENG Yiying，ZHAO Chen，LIDanlu
（Key Laboratory ofWestern China's Environmental Systems（Ministry of Education），College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China）

Based on the MSS,TM and ETM images in the Dulan County,Gansu during the 1975-2015,we investigated the dynamic change trend of desertification using the RS,GIS,landscape ecology and mathematical statistics and othermethods.The results revealed that：（1）Desertification area was fluctuant in every period in Dulan County.The total desertification area decreased by 868.12 km2over the past 40 years；（2）The land use reserved a slow changing trend from 1975 to 2015；（3）During the period from 1975 to 2015,spatial change of desertification was stable,and the proportion of reversible type of desertification land change increased significantly from 1995 to 2015.During 1995-2005,the proportion of reversible type was 27.47%,which increased 31.76% during 2005-2015.In addition,the desertification reversion ratewasmore than 25 times of the total expansion area from 2005 to 2015,showing that the effect of desertification control in the current stage was remarkable.

desertification；dynamic change；Dulan County

P941.73

A

1002-0799（2016）05-0064-08

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.05.010

2016-03-02；

2016-04-11

国家科技支撑计划课题（2012BAC19B09）资助。

陈利珍（1989-），女，硕士研究生，主要从事气候变化下的土地利用的研究。E-mail：chenlzh2014@lzu.cn

丁文广（1963-），男（回族），教授，主要从事气候变化应对方面的研究。E-mail：wgding@lzu.edu.cn

陈利珍，丁文广，耿怡颖，等.1975—2015年都兰县沙漠化动态变化趋势研究[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（5）：64-71.