基于RS和GIS的玛曲高原土地沙漠化时空演变研究

胡梦珺,潘宁惠,左海玲,李向锋

西北师范大学地理与环境科学学院, 兰州 730070

基于RS和GIS的玛曲高原土地沙漠化时空演变研究

胡梦珺*,潘宁惠,左海玲,李向锋

西北师范大学地理与环境科学学院, 兰州 730070

基于RS和GIS空间分析技术,以玛曲高原多期Landsat遥感数据为主要信息源,监测分析了1977—2014年玛曲高原沙漠化土地的时空演变规律。结果表明：近40年来玛曲高原的土地沙漠化经历了迅速发展—缓慢发展—急速逆转—缓慢逆转—快速逆转的变化过程。1977—1995年玛曲高原沙漠化处于快速扩张阶段,年均扩张速率为3.01%；1995—2014年沙漠化扩张趋势出现逆转,年均逆转速率为4.14%。沙漠化土地的发展和逆转区域主要分布在东北部欧拉秀玛乡和尼玛乡黄河沿岸、东南部采日玛乡和曼日玛乡沼泽区、西南部齐哈玛乡和中部阿万仓乡黄河支流两岸。玛曲高原沙漠化土地的发展和逆转过程并非逐级递增或递减,而是在15—20年内交替出现,不同等级沙漠化土地之间的转移也存在明显的跃变。从整体来看,玛曲高原土地沙漠化呈现逆转趋势,区域生态环境得到明显改善。

玛曲高原；土地沙漠化；时空演变；转移矩阵；动态度

玛曲高原位于青藏高原东北部边缘,既是青藏高原的重要组成部分,也是黄河源头重要的水源涵养地[1- 3]。自20世纪70年代以来,随着气候的暖干化和人类活动的不断加剧,玛曲高原沙漠化土地快速扩张并逐渐发展成为青藏高原沙漠化发展的重点区域[4- 7]。沙漠化导致的草场退化是玛曲草原生态恢复与经济发展的瓶颈,对此诸多学者对玛曲高原的沙漠化土地面积变化和时空分布[8- 11]、风沙地貌类型及分布规律[12]、土地利用/覆盖变化[13-16]以及草地退化成因和治理措施[17-20]等进行了研究分析。上述研究显示对玛曲高原沙漠化土地的发展演化、驱动机制等已有一定的探讨,但考虑到沙漠化土地的演化发展存在时间尺度上的缓慢性和空间尺度上的相对集中性,因而对其进行长时间序列的监测分析有助于更好地把握区域沙漠化的演变过程及驱动机制,而目前已有研究中缺乏时间跨度较大的年份序列数据,尤其对不同等级沙漠化土地之间的相互转移也缺乏相关的研究与探讨。鉴于此,本文选取玛曲高原1977、1989、1995、2001、2006、2010和2014年的7期遥感影像数据,建立了7个时期的沙漠化土地时空数据库,并通过对7期矢量数据进行叠加分析,得到不同时段各类沙漠化土地之间的转移矩阵,以此分析了近40年来玛曲高原沙漠化土地的时空演变过程,以期把握黄河上游乃至整个黄河流域沙漠化土地的发展态势,进而为黄河上游地区沙化草地恢复及生态环境治理提供相关的科学依据和理论基础。

1 研究区概况

玛曲高原地理坐标为33°06′30″—34°30′15″N,100°45′45″—102°29′00″E,位于甘肃省甘南藏族自治州西南部,与青藏高原东端的青海、四川两省相邻。总面积10109.67 km2,境内海拔3300—4806 m,黄河从南、东、北三面绕县境而过,流程433 km,形成黄河第一弯,故称黄河首曲。在中国的大地貌单元中,玛曲高原处于第一和第二阶梯交界处,全区地貌可分为西北部高山区,中南部丘陵区和东部河岸阶地三大区。阿尼玛卿山由西向东横贯全区,西倾山绵亘于区境北部,中部分布着两大山系的山前丘陵(图1)。

玛曲高原年平均降水量为564 mm,主要集中在5—9月；年平均蒸发量为1347.3 mm,相对湿度62%；年平均气温1.2℃,最冷月(1月)平均温度-8.7℃,最热月(7月)平均温度11.3℃,活动积温253.6℃,无霜期仅20 d左右。全年日照时数2613.9 h,平均风速2.5 m/s,最大风速36 m/s,全年大风日数77.1 d(8级以上)。玛曲高原植被以高寒草甸为主,其中天然草地9106 km2,占全区总面积的90.01%,整体植被景观有向高寒荒漠化景观演变的趋势[21]。土壤类型较多,以亚高山草甸土分布面积最广。

图1 研究区位置图Fig.1 The location of the studied region

2 数据与方法

2.1 数据来源及处理

根据遥感影像的可获取性和植被生长的季相,本研究选取轨道号为131/36- 37、132/36- 37的玛曲高原7期陆地卫星影像各两景(表1),利用ERDAS经过“多波段数据组合”和“图像拼接”技术得到玛曲高原的遥感影像并对其进行辐射纠正。以经过精纠正的遥感影像为参考影像,采用432标准假彩色合成,从地形图上选取控制点,选择二次多项式重采样方法对其进行校正,校正精度控制在0.5个像元之内,地面分辨率控制在30 m×30 m。遥感影像的季相选择极大地影响沙漠化土地的监测效果,7—9月是玛曲高原植被覆盖度最好的季节,沙漠化土地在影像上也比较容易区分,因此,在选取影像时,除1989年无夏季数据及2014年夏季影像云量过大影响目视解译外,其他年份均选取7—9月的影像作为数据源。

表1 玛曲高原土地沙漠化变化监测多期数据源

2.2 建立玛曲高原沙漠化土地解译标志

根据不同程度沙漠化土地的空间分布特征与假彩色合成影像的光谱特征,结合地学知识和野外调研建立了玛曲高原沙漠化土地的解译影像标志库(表2)。

表2 玛曲高原4、3、2波段RGB合成TM影像沙漠化土地解译标志

2.3 研究方法

在ERDAS和ArcGIS软件的支持下,结合光谱直接分类法和实地调查,通过目视解译对7期遥感影像参照表2中的解译标志提取沙漠化土地信息(1989和2014年沙漠化土地信息根据相邻年份解译信息对照类比提取),建立沙漠化土地数据库。利用ArcGIS 9.3在对矢量化的7期数据分别进行叠加分析的基础上进行属性数据统计,得到近40年来6个时段不同等级沙漠化土地之间以及与其他地类之间的转移数据,建立土地类型转移矩阵,以此来分析近40年来玛曲高原沙漠化土地的转移方向和转移量,进而恢复沙漠化土地的时空演化过程。

3 结果分析

对所获取的玛曲高原7期遥感影像进行解译整理后建立了不同土地利用类型时空变化数据库(图2,表3, 图3),以此为依据分析探讨玛曲高原沙漠化土地的动态变化。

3.1 近40 a来玛曲高原沙漠化土地的时空演变

3.1.1 沙漠化土地面积的时间变化

动态度是用来反映单位时间内不同土地利用类型面积的变化幅度与变化速率以及区域土地利用变化中类型差异的常用指标[22- 24],沙漠化土地作为一种土地类型,其动态度可反映研究期内沙漠化土地的变化程度,其模型公式如下：

式中,K为研究时段内某类型沙漠化土地的动态度；Ua、Ub分别为研究期初及研究期末某一种沙漠化土地类型的数量；T为研究时段长,当T为年时,K的值就是该研究区域某种沙漠化土地类型年变化率。对玛曲高原沙漠化土地的动态度进行计算,得到各时段沙化土地总体和各等级的动态度(图2)。

资料表明,20世纪60年代以前玛曲高原没有土地沙漠化现象,60年代开始出现零星沙漠化土地和小沙丘[18]。由表3可知,到1977年,玛曲高原沙漠化土地总面积达45091hm2,极重度、重度、中度、轻度和潜在沙漠化土地分别占沙化土地总面积的1.70%、5.10%、6.44%、15.22%和71.53%。1977—1989年,玛曲高原沙漠化土地面积快速增加,净增量为24054.6hm2,年均扩展速率达4.45%；就不同程度沙漠化土地而言,极重度、重度、中度、轻度和潜在沙漠化土地面积均呈现不同程度的增长,占净增量的比重分别为2.14%、5.13%、9.94%、13.95%和68.82%；动态度分别为6.1%、4.88%、7.44%、4.44%和4.67%,可见中度和极重度沙漠化土地在该时期沙漠化土地的扩张中起主导作用；1989—1995年,沙漠化扩张速度较前一阶段明显减缓,沙漠化土地面积增加了341.8hm2,年均扩张速率为0.08%；其中,极重度、重度和中度沙漠化土地发生逆转,动态度分别为-0.8%、-0.34%和-0.08%；而轻度沙漠化土地面积增加了4328.9hm2,动态度为7.06%。表明在该时期沙漠化土地的扩张在程度上有较为明显的减弱趋势,沙漠化土地较前一时段表现出主要向轻度沙漠化土地转移。

图2 1977—2014年玛曲高原沙漠化土地类型动态度Fig.2 Dynamic degrees of different classes of desertification land types in Maqu Plateau during 1977—2014

1995之后,沙漠化扩张趋势出现逆转。1995—2001年,玛曲高原沙漠化土地面积减少了27891.8 hm2,年均缩减速率为6.69%。其中,中度、轻度和潜在沙漠化土地面积减少量占总逆转量的比重分别为1.19%、11.06%和26.58%,动态度分别为-1.05%、-3.53%和-2.75%,土地沙漠化逆转趋势明显,逆转以轻度和潜在沙漠化为主。2001—2006年,沙漠化土地面积减少了14655.4 hm2,年均缩减速率较上一时期明显加快,达7.05%；沙漠化的逆转以潜在沙漠化为主,逆转面积占转化总面积的93.97%,动态度为-11.91%。在该阶段,极重度和潜在沙漠化土地的动态度与前一时段相比降幅较大(图2),表明极重度和潜在沙漠化土地在该时期沙漠化土地的演化中起主导作用。2006—2010年,沙漠化土地面积减少了3573.5 hm2,年均缩减速率较上一时期明显降低,为3.32%；就不同程度沙漠化土地而言,极重度、重度、中度和轻度沙漠化土地面积均呈现不同程度的减少,减少量占转化总面积的比重分别为16.58%、34.10%、71.29%和1.69%,动态度分别为-10.91%、-5.40%、-12.18%和-0.28%,可知在该时段沙漠化土地显示了与前一时期同样的变化方向。其中,极重度、重度和中度沙漠化土地的动态度降幅较大,表明该时段沙漠化程度明显下降,土地沙漠化逆转明显。2010—2014年,沙漠化面积减少了8517.3 hm2,年均缩减速率为9.11%,土地沙漠化呈现急速逆转趋势。极重度、重度、中度、轻度和潜在沙漠化土地逆转面积占总逆转量的比重分别为1.95%、3.13%、13.37%、32.35%和50.47%,动态度分别为-5.42%、-1.51%、-10.61%、-12.99%和-10.43%,表明该时段各类型沙化土地均呈现不同程度的逆转,沙漠化土地逆转趋势持续明显。

表3 近40年来玛曲高原不同程度沙漠化土地面积变化/hm2

+表示增量；-表示减量

综上可知,1977—2014年,玛曲高原沙漠化土地在不同阶段呈现出不同的发展势态,总体表现为快速发展—缓慢发展—急速逆转—缓慢逆转—快速逆转的变化过程。

3.1.2 沙漠化土地面积的空间变化

由图3可看出,近40年来玛曲高原的沙漠化土地主要分布在黄河沿岸、东南部沼泽区和西南部黄河以南地区,沙漠化土地扩张的程度和方向在不同时期有着明显的差别。

1995年之前,玛曲高原沙漠化土地的分布区域呈扩张态势。1977年沙漠化土地以不连续斑块状分布在东北部欧拉秀玛乡和尼玛乡黄河沿岸以及东南部采日玛乡和曼日玛乡沼泽区；1989年,东南部采日玛乡和曼日玛乡沙漠化土地面积迅速扩展成不完全连续片状,西南部齐哈玛乡发现有条带状轻度和潜在沙化土地分布,东北部黄河沿岸沙化土地面积较前期明显减小,以斑点状镶嵌在黄河两岸；1995年,沙漠化扩张区域主要分布在玛曲高原中部阿万仓乡黄河支流两岸,东南部采日玛乡和曼日玛乡沙化面积较前一时期明显减小,呈小面积斑块状和条带状分布。

1995年之后,玛曲高原沙漠化土地扩张势态发生逆转。2001年沙漠化土地面积较前20 a明显减小,东北部欧拉秀玛乡和欧拉乡、东南部采日玛乡和曼日玛乡沼泽区以及尼玛乡南部沙化面积均发生不同程度的缩小；2006年,东南部采日玛乡和曼日玛乡沼泽区沙化面积进一步缩小,呈零星斑块和斑点状分布；2010年沙漠化逆转速率与前一时期相比明显下降,逆转的沙漠化土地主要分布在玛曲高原中部阿万仓乡黄河支流两岸；2014年玛曲县城北部尼玛乡和齐哈玛乡沙化面积减小明显,东南部采日玛乡和曼日玛乡沼泽区潜在沙漠化土地面积快速减小。

图3 1977—2014年玛曲高原沙漠化土地空间分布Fig.3 Spatial-temporal change maps of desertification land in Maqu Plateau during 1977—2014

3.2 沙漠化土地的转移分析

转移矩阵可全面而又具体地刻画区域各种土地利用变化的结构特征与各种地类的转移方向,便于了解研究期初各土地利用类型流失去向以及研究期末各土地利用类型的来源与构成[25-29]。运用ArcGIS对7期矢量图层进行叠加分析,得到玛曲高原1977—1989年、1989—1995年、1995—2001年、2001—2006年、2006—2010年和2010—2014年6个时段不同等级沙漠化土地之间以及与其他地类之间的转移矩阵(表4)。

由表4可看出,1977—1989年,由非沙漠化土地转变为沙漠化土地的面积为51966.7 hm2,占非沙漠化土地面积的5.68%。沙漠化土地中有61.81%转化为非沙漠化土地,转移面积为27865.8 hm2。在该阶段,不同等级沙漠化土地之间的转移表现为：极重度沙漠化土地基本没有发生转移变化；重度、中度、轻度和潜在沙漠化土地转移比重分别为25.05%、40.58%、24.02%和2.85%,且转移比例最大的土地类型分别对应为中度、重度、中度和轻度沙漠化土地。可见,该阶段玛曲高原沙漠化扩张速度加快,处于快速发展阶段。

1989—1995年,由非沙漠化土地转变为沙漠化土地的面积为27527.4 hm2,占非沙漠化土地面积的3.09%。沙漠化土地中有39.42%转化为非沙漠化土地,转移面积为27259.6 hm2。在该阶段,不同等级沙漠化土地之间的转移表现为：极重度、重度、中度、轻度和潜在沙漠化土地转移比重分别为11.97%、3.11%、6.6%、13.08%和4.63%,且转移比例最大的土地类型除轻度沙漠化转移为潜在沙漠化外其他均为轻度沙漠化土地。表明在该阶段,玛曲高原土地沙漠化的发展速度较前一阶段明显放缓,处于缓慢发展阶段。

1995—2001年,由非沙漠化土地转变为沙漠化土地的面积为4363.5 hm2,占非沙漠化土地面积的0.49%。沙漠化土地中有44.71%转化为非沙漠化土地,转移面积为31065.4 hm2。在该阶段,不同等级沙漠化土地之间的转移表现为：极重度、重度、中度和轻度沙漠化土地转移比重分别为18.97%、14.63%、14.19%和10.75%,且转移比例最大的土地类型分别对应为重度、极重度、重度和潜在沙漠化土地；潜在沙漠化土地基本没有发生转移变化。由此可知,在该阶段玛曲高原沙漠化土地逆转明显,也表明该区域沙漠化土地在治理措施合理的条件下恢复的潜力较大,速度也会很快。

2001—2006年,由非沙漠化土地转变为沙漠化土地的面积为1834.9 hm2,占非沙漠化土地面积的0.2%。沙漠化土地中有40.44%转化为非沙漠化土地,转移面积为16822.7 hm2。在该阶段,不同等级沙漠化土地之间的转移表现为：中度和轻度沙漠化土地转移比重分别为3.37%和8.85%,且转移比例最大的土地类型分别对应为重度和中度沙漠化土地；其他沙漠化土地基本没有发生转移变化,该现象印证了沙漠化发展的正逆过程在时间上是交替出现的,正逆过程的演替可始于其中的任何阶段[30]。

2006—2010年,由非沙漠化土地转变为沙漠化土地的面积为2146.0 hm2,占非沙漠化土地面积的0.23%。 沙漠化土地中有50.29%转化为非沙漠化土地,转移面积为13549.3 hm2。

表4 1977—2014年玛曲高原不同等级沙漠化土地与其他地类的相互转移/%

表中横坐标表示k+1时期,纵坐标表示k时期;百分数表示k时期i等级沙漠化土地转移为k+1时期j等级沙漠化土地的比例

在该阶段,不同等级沙漠化土地之间的转移表现为：极重度和轻度沙漠化土地转移比重分别为31.96%和62.40%,且转移比例最大的土地类型分别对应为重度和潜在沙漠化土地；其他沙漠化土地基本没有发生转移变化,表明在该阶段玛曲高原沙漠化土地逆转速度较前一时期明显加快。

2010—2014年,由非沙漠化土地转变为沙漠化土地的面积为1779.6 hm2,占非沙漠化土地面积的0.19%。沙漠化土地中有44.56%转化为非沙漠化土地,转移面积为10411.8 hm2。在该阶段,不同等级沙漠化土地之间的转移表现为：极重度、重度、中度和轻度沙漠化土地转移比重分别为21.79%、17.98%、41.25%和19.5%,转移比例最大的土地类型分别对应为重度、中度、重度和潜在沙漠化土地；潜在沙漠化土地基本没有发生转移变化。可见,在该阶段,玛曲高原沙漠化扩张态势逆转明显,极重度和重度沙漠化土地得到了有效控制。

4 结论与讨论

近40年来玛曲高原沙漠化土地在不同时期呈现出不同的发展态势,总体表现为迅速发展—缓慢发展—急速逆转—缓慢逆转—快速逆转的变化过程。

1977—1995年玛曲高原沙漠化土地处于快速扩张阶段。1977年沙漠化土地面积为45091 hm2,18 a沙漠化土地面积增加了24396.4 hm2,年均扩张速率为3.01%。1995—2014年,沙漠化扩张趋势出现逆转。1995年玛曲高原沙漠化土地面积为69487.4 hm2,19 a沙漠化土地面积减少了54638 hm2,年均逆转速率为4.14%。可见,玛曲高原沙漠化土地逆转速度快于其扩张速度。研究表明[8,14],1975—2000年玛曲高原沙漠化土地迅速发展；2000—2005年沙漠化扩张态势出现逆转。本文研究结果与上述研究结果整体变化趋势基本一致,但也略有偏差,究其原因,除对沙漠化土地的分类标准不同外,主要是由于研究时段划分上的不一致。沙漠化的发展演化存在着时间尺度上的缓慢性和正逆过程出现上的交替性,因而对其进行实时跟踪监测以及长时间序列研究仍是探讨沙漠化演化内在规律的重要方面。

玛曲高原沙漠化土地的发展和逆转区域主要分布在东北部欧拉秀玛乡和尼玛乡黄河沿岸、东南部采日玛乡和曼日玛乡沼泽区、西南部齐哈玛乡和中部阿万仓乡黄河支流两岸。从总体空间变化来看,沙漠化的发展和逆转多发生在人口相对密集地区,表明该区域沙漠化的发展与逆转对人类活动的反应敏感。玛曲高原沙漠化土地的演化是在气候干湿交替扰动下,人类活动强度在敏感脆弱的高寒生态系统中辗转变化的产物。全球变暖大自然背景下气候的暖干化是玛曲高原土地沙漠化扩张的前提和基础,持续且不合理的人类活动会扰乱生态平衡,使得土地沙漠化扩展速率加快；反之,在气温和降水趋于稳定、风速减缓的自然条件下,土地沙漠化则出现逆转趋势,而在环境承载能力内的合理人口数量和牲畜数量以及政府政策的扶持将影响土地沙漠化发生逆转的速度。

玛曲高原土地沙漠化的发展和逆转过程并非逐级递增或递减,而是在15—20 a的时间段内交替出现。在沙漠化发展的不同阶段,不同等级沙漠化土地之间的转移也存在明显的跃变,表明该区域沙漠化土地在治理措施合理的条件下恢复的潜力很大,速度也会很快；相反,该区域的其他地类在人类活动干扰和一定的自然条件下也有可能演变为沙漠化土地,因此,要加大对天然草场的保护,防止非沙漠化土地的退化。

致谢：兰州大学田丽慧博士对影像解译给予指导,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所逯军峰研究员对提供1977年遥感影像给予支持，高峰甘肃中心马超工程师对影像处理给予帮助，特此致谢。

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Spatio-temporal change in desertification of the Maqu Plateau based on RS and GIS

HU Mengjun*, PAN Ninghui, ZUO Hailing, LI Xiangfeng

CollegeofGeographyandEnvironmentalScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China

The Maqu plateau, an important part of the Qinghai-Tibet plateau, is the main water conservation area in the upper reaches of the Yellow River. In recent years, under the influence of natural environmental and human activities, the ecologically sensitive Maqu plateau area has experienced environmental problems such as glacier retreat, permafrost degradation, aeolian desertification, and grassland degradation. The Maqu plateau is one of the largest pasture lands in Asia, with a rangeland area of 8.58×107hm2. In the past decade, the eco-environmental problems of the Qinghai-Tibetan plateau have received increasing attention owing to global warming and intensifying regional development. The aim of this study was to quantify the developmental processes in these region, as well as any changes in the spatial distribution of land desertification. We used remote sensing (RS) and geographic information system (GIS) technologies, and applied multi-temporal Landsat imagery to investigate the spatio-temporal development of land desertification in the Maqu Plateau during 1977—2014. The remote-sensing data used in this study include: Landsat multi-spectral scanner images from 1977; Thematic Mapper images from 1989, 1995, 2006, and 2014; and Enhanced Thematic Mapper images from 2001 and 2010. We mainly selected images recorded between June and October, because aeolian desertified lands are more easily recognized during this period of greater vegetation growth. Our results indicated that the area of desertified land in the Maqu plateau had experienced five main phases: rapid development, where the area of aeolian desertified land increased at a rate of 2004.6 hm2/a between 1977 and 1989; slow development, where it increased at a rate of 57 hm2/a between 1989 and 1995; rapid reverse, where it decreased at a rate of 3868 hm2/a between 1995 and 2006; slow reverse, where it decreased at a rate of 893.4 hm2/a between 2006 and 2010; and, fast reverse, where it decreased at a rate of 2129.3 hm2/a between 2010 and 2014. The area of desertified land expanded rapidly between 1977 and 1995, with an average growth rate of 3.01% per year. An obvious decrease in the area of desertified land was observed from 1995 to 2014, with an average reversal rate of 4.14% per year. The areas affected by the development and reversal of aeolian desertification were mainly distributed alongside the Yellow River, including near the Oulaxiuma and Nima villages of the northeastern region, the marshlands of the Cairuma and Manrima villages in the southeastern region, and the riversides of tributaries to the Yellow River near the Qihama and Awancang villages of the southwestern region. We found that the spatial distribution of aeolian desertification changed significantly over time, with fragmentation of the desertified land increasing rapidly between 1977 and 1995. Aeolian desertification in the Maqu Plateau has not been progressive, but instead, it has been an alternating process of development and reversal approximately every 15 to 20 years. There was an abrupt change in the desertification level of lands in different levels of the plateau. Overall, we found that the trend of aeolian desertification in the Maqu plateau had been reversed and the local environment had improved since 1995.

Maqu plateau; aeolian desertification; spatio-temporal change; transition matrix; dynamic degree

国家自然科学基金项目(41161036, 41171018)；甘肃省自然科学基金项目(1010RJZA016)；西北师范大学青年教师科研能力提升计划(NWNU-LKON- 10- 34)

2015- 09- 11;

日期:2016- 06- 14

10.5846/stxb201509111881

*通讯作者Corresponding author.E-mail: lele200466@163.com

胡梦珺,潘宁惠,左海玲,李向锋.基于RS和GIS的玛曲高原土地沙漠化时空演变研究.生态学报,2017,37(3):922- 931.

Hu M J, Pan N H, Zuo H L, Li X F.Spatio-temporal change in desertification of the Maqu Plateau based on RS and GIS.Acta Ecologica Sinica,2017,37(3):922- 931.