丝绸之路经济带沿线典型地区荒漠化动态变化遥感监测

刘玉贞， 阿里木江·卡斯木， 阿布都米吉提·阿布力克木

(新疆师范大学，地理科学与旅游学院, 830054, 乌鲁木齐)

丝绸之路经济带沿线典型地区荒漠化动态变化遥感监测

刘玉贞， 阿里木江·卡斯木†， 阿布都米吉提·阿布力克木

(新疆师范大学，地理科学与旅游学院, 830054, 乌鲁木齐)

在高强度人类活动影响下，“丝绸之路经济带”的资源环境面临严峻问题与挑战，而对研究区的荒漠化动态变化进行遥感监测可为荒漠化的防治和治理提供理论基础和数据支持。以2000—2014年的250 m分辨率MOD13Q1为数据源，利用归一化植被指数和决策树分类进行荒漠化程度划分，得到丝绸之路经济带荒漠化土地动态变化和转移面积矩阵。结果表明：2000—2014年研究区荒漠化土地面积增加，其荒漠化土地增长量为98 912.26 km2和增长率为0.11%。其中，非荒漠化向荒漠化共转移308 289.73 km2，大于荒漠化向非荒漠化的转移面积266 497.67 km2。在空间分布上，中亚荒漠化土地由西南的严重荒漠化向东北的轻度荒漠化逐渐减轻，且向哈萨克斯坦北部地区不断推移；中国的荒漠化土地多集中分布在塔里木、吐鲁番和柴达木三大盆地中，且以宁夏陕西甘肃北部地区的减少为主。总体上，丝绸之路经济带沿线地区总荒漠化面积增加，程度趋于严重，荒漠化问题日益突出。

丝绸之路经济带； 荒漠化； 遥感监测； MODIS； 植被覆盖度

近年来，荒漠化已成为当今全球和中国可持续发展所面临的重大生态环境问题之一。“荒漠化”是指由于气候变异和人类活动在内的各种因素引起的干旱、半干旱和亚湿润地区土地退化的一种现象[1]。“丝绸之路经济带”是在古丝绸之路概念上形成的一个新的经济发展区域，横跨亚、欧、非3个大陆69 个国家(地区)，东西连接太平洋、波罗地海和大西洋。其沿线地区尤其是第二亚欧大陆桥中段生态环境十分脆弱，荒漠化问题突出。截至2014年，我国荒漠化土地面积约261.16万km2，占国土面积的27.20%。当前对干旱地区荒漠化的研究很多，例如：韩旭等[2]分析研究中亚地区1989—2009年荒漠化的发展趋势；刘爱霞[3]对中国及中亚整个地区1995—2001年的荒漠化动态变化进行深度分析；鄢雪英等[4]在参考已有的荒漠化监测方法上确立荒漠化监测范围并探究其动态变化。目前荒漠化监测的方法在不断革新，手段较多[5-6]。国外早在20世纪70年代就利用遥感技术进行荒漠化监测[7-8]，且多采用NOAA卫星AVHRR数据，而MODIS数据具有较高时间分辨率的优点，适合大尺度、周期性的研究[9]。目前关于丝绸之路沿线地区整体生态环境格局与分异规律的研究成果较少，且多从探究丝路文明兴衰演替原因角度介入生态环境和自然灾害研究[10-12]；因此，本文分析了2000—2014年丝绸之路经济带沿线典型地区荒漠化的变化趋势，这对绿洲调控与建设可持续的丝绸之路经济带具有重要战略意义。

1 研究区概况

本文中的丝绸之路经济带沿线典型地区仅包括中国西北5省(新疆、青海、陕西、甘肃、宁夏)和中亚5国(乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦、土库曼斯坦、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦)。地理位置E 46°45′～111°15′，N 31°39′～52°33′，总面积约700万km2。其地处欧亚大陆腹地，远离海洋，气候干燥，气温日较差、年较差较大，大多属于干旱、半干旱气候类型区。年降水量从东部400 mm减少到西部200 mm，咸海及中亚西部年降水量仅75～100 mm。西北5省植被覆盖低，地形以高原、盆地为主，还包括戈壁、绿洲、冰川等地貌类型，其中塔里木盆地、准噶尔盆地、柴达木盆地、黄土高原区等都是荒漠的重要分布区。中亚5国多以分布在里海到天山山地之间的草原和荒漠、半荒漠土地为主，其中还分布着中亚面积最大的克孜勒库姆沙漠和卡拉库姆沙漠[13]。哈萨克斯坦领土面积的60%均为荒漠和半荒漠；乌兹别克斯坦国土面积中的3/4分布着草地、沙漠及半沙漠；土库曼斯坦国土面积的80%为沙漠覆盖；塔吉克斯坦和吉尔吉斯斯坦属高山国家，因而荒漠土地较少[14-15]。

2 材料与方法

本研究所使用的MODIS数据是来自于美国的NASA网站所提供的MOD13Q1级产品(http:∥ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html)，该数据可描述陆地表面的生物物理特征及进程，包括初级生产和荒漠化等领域[16]。归一化植被指数(NDVI)可对地表植被覆盖的变化趋势产生一定的影响[17]。笔者选取植被长势最好的7月份为研究时段，时间范围为2000、2005、2010、2014年的第193天，时间分辨率为16d，空间分辨率250m×250m。全区覆盖h20v03、h20v04、h21v03、h21v04、h21v05、h21v06、h22v03、h22v04、h22v05、h22v06、h23v03、h23v04、h23v05、h24v04、h24v05、h25v04、h25v05、h26v04、h26v05、h27v05共20个区域，80幅影像。其他辅助数据包括研究区边界矢量图等。

笔者利用ENVI 5.1软件进行图像镶嵌、投影转换等处理，采用Band Math工具计算NDVI和植被覆盖度(VC)并通过决策树方法进行分级。最后，基于行政边界矢量数据获取研究区荒漠化分布图，再根据像元数统计荒漠化土地面积及其变化数据。

2.1 植被指数的选取

植被指数是代表植被覆盖和长势状况等的重要指示因子，可从侧面反映绿色植被生长状况和分布[18]。而归一化植被指数对植物生长状态及空间分布较为敏感，可作为监测和探究荒漠化程度的标准之一，为植被覆盖度等生态参数提供估量和探究。其计算公式为

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)。

(1)

式中：NIR为近红外波段，R为红波段，NDVI值在-1和1之间。

2.2 植被覆盖度的计算

植被覆盖度是由植被冠层的垂直投影面积与土地总面积之比所得，可反映植被状况[19]。通过多年卫星遥感图像分析，可对荒漠化过程和植被状况进行有效监测[20]。而NDVI与植被盖度具有较强的正相关关系，由此本文利用归一化植被指数估算植被覆盖度：

VC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)。

(2)

式中：NDVI为所求像元的植被指数；NDVImin为影像内最小植被指数，一般为裸地像元的最小值；NDVImax为影像内最大植被指数，一般为纯植被覆盖像元的最大值。

2.3 植被覆盖度的分级

一个地区的荒漠化程度与植被覆盖率有直接的负相关关系，荒漠化程度越高，植被盖度越低。笔者参考现有的荒漠化土地划分标准与方法[21-23]，结合丝绸之路经济带沿线地区荒漠化生态特点和成因，将研究区土地荒漠化程度划分为以下5个分级(表1)。

表1 荒漠化等级及其所代表地理景观特征表现

3 结果与分析

3.1 荒漠化土地的分布状况

在采用ENVI 5.1图像处理软件的决策树分类功能基础之上对研究区进行荒漠化程度分级，最后得到4期的丝绸之路经济带沿线地区的荒漠化分布图(图1)。

图1 2000、2005、2010和2014年丝绸之路经济带沿线典型地区荒漠化分布图Fig.1 Desertification distribution map along the Silk Road Economic Zone in 2000, 2005, 2010, and 2014

由图1可知：中亚地区不同程度荒漠化土地由西南的严重、重度荒漠化向东北部轻度荒漠化呈递减的条带状分布，且不断向哈萨克斯坦的北部地区推移；中国西北荒漠化程度则由西向东部依次减弱并呈带状分布，严重荒漠化土地占比较大，集中分布在塔里木、吐鲁番和柴达木3大盆地中，并以宁夏、甘肃和陕西的北部地区荒漠化土地的减少为主要变化区域。

严重、重度荒漠化土地多分布在里海中部沿岸到咸海以东的地区、土库曼斯坦南部、新疆塔里木盆地和吐鲁番盆地以及青海柴达木盆地，2014年期间，咸海大面积萎缩，形成新的荒漠化土地，但咸海以东地区的严重荒漠化土地有所减缓；中、轻度荒漠化主要分布在哈萨克斯坦中、北部地区、中国与中亚相接壤的沿线地区、青海中东部以及甘肃东部沿线地区。

3.2 荒漠化土地的面积变化

从表2可知，2000—2014年研究区荒漠化土地

面积总体呈增加趋势，面积由659万6 979.88 km2增加到669万5 892.14 km2，增加量为9万8 912.26 km2和年增长率为0.11%，荒漠化面积增加主要是以中亚的严重和重度荒漠化土地的转入为主。2000—2005年，严重荒漠化土地面积由204万6 611.19 km2缩减至166万4 618.69 km2，减少幅度较大，重度、中度荒漠化土地面积则有所增加，增长率分别为2.56%和2.21%；200—2010年，严重荒漠化较重度、轻度荒漠化土地而言增幅较大，年增长率为0.33%，中度荒漠化面积略有减少，总荒漠化面积仍有增加；2010—2014年，严重荒漠化面积持续增加，年增长率为3%，而重度、中度、轻度荒漠化程度减轻，总荒漠化程度呈好转趋势。

表2 丝绸之路经济带荒漠化程度面积

3.3 荒漠化土地时空变化

由表3和图2可知，荒漠化土地主要向中度、重度荒漠化转移占比较大，转移面积为62万4 262.73 km2、60万0 342.57 km2。其中，中度荒漠化土地主要由重度、轻度荒漠化土地向其转移，而重度荒漠化的土地主要由严重、中度荒漠化土地的向其转移；分析不同荒漠化程度间的相互转移可得，中度、轻度荒漠化向严重、重度荒漠化转移31万9 105.04 km2，而严重、重度荒漠化土地向中度、轻度荒漠化土地转移26万5 078.83 km2；分析荒漠化、非荒漠化两者的转移可得，荒漠化向非荒漠化共转移26万6 497.67 km2，而非荒漠化向荒漠化则共转移30万8 289.73 km2。这表明荒漠化面积有所增加，生态环境呈恶化趋势。

2000—2014年荒漠化稳定地区主要分布在塔里木盆地、准噶尔盆地、哈萨克斯坦南部地区和与其接壤的乌兹别克斯坦北部地区；哈萨克斯坦北部沿线地区、中亚与中国接壤的中部沿线地区从轻度荒漠化到严重、重度和中度荒漠化的转移较多；咸海地区从水域到严重、重度荒漠化的变化显著；宁夏、陕西的中北部地区，甘肃的东部边缘地区的严重荒漠化到重度、中度荒漠化，重度荒漠化到中度、轻度荒漠化转移较多，荒漠化恶化现象显著。

图2 2000—2014年荒漠化动态变化图Fig.2 Dynamic change map of desertification during the year 2000—2014

4 讨论与结论

本文利用MOD13Q1数据对丝绸之路经济带沿线典型地区的荒漠化信息进行提取，统计2000、2005、2010和2014年的荒漠化动态变化情况，通过分析不同时期和不同荒漠化程度的土地面积得出其分布特点和规律，不仅为今后荒漠化的相关研究提供借鉴和参考，还对该地区荒漠化的治理提供合理的依据。丝绸之路经济带沿线地区荒漠化的形成是多种复杂的要素导致的，而研究表明，人类不合理的经济和社会活动与脆弱的自然条件耦合是土地荒漠化发生并扩展的主要原因。

4.1 自然因素

丝绸之路经济带沿线典型地区位于亚欧大陆腹地，距离大洋遥远，是造成该地区降水稀少、气候干燥的首要原因。在干旱、半干旱地区，气温升高造成极强的蒸发量，导致土壤水分散失加快、地表植被稀少，从而引起局部地区沙化。而中国西北干旱区气候脆弱性和全球变暖改变了区域水量平衡和水资源分布进而加重当地的干旱化程度和脆弱的生态环境[24]。

4.2 人类活动

20世纪70—90年代末，人口急增并对自然资源的无限索取导致荒漠化土地的发展。而植被格局是研究生态系统结构和防治水土流失的关键[25]。近年来，农田垦和大片森林、草地破坏，加之超载放牧造成土壤侵蚀严重。例如，近20年哈萨克斯坦森林面积减少11.3万hm2，年减少率为0.17%，而新疆约有80%的草场存在不同程度的退化。水资源的利用不合理，使得咸海、巴尔喀什湖等大面积干涸，发展成为新的沙源地。新疆的许多内陆河流也遭到不同程度的破坏。例如孔雀河和玛纳斯湖，现已全部枯竭形成荒漠；新疆最大的塔里木河年径流量达449.8亿m3，现中游仅余9.5亿m3，减少81%，使得下游河流断流。

表3 2000—2014年荒漠化地区转移面积矩阵

丝绸之路经济带是建立在生态文明复兴上的经济带、文明带，荒漠化会阻碍该地区发达的农牧业乃至丝绸之路经济带战略的实施。今后，该地区的生态防治应朝着荒漠化防治的方向推进，这不仅是响应“建设丝绸之路经济带”号召，更是社会可持续发展的迫切之需。

[1] 李香云,王立新,章予舒,等.西北干旱区土地荒漠化中人类活动作用及其指标选择[J].地理科学, 2004,24(1):68. LI Xiangyun, WANG Lixin, ZHANG Yushu, et al. Analysis of roles of human activities in land desertification in arid area of Northwest China[J].Scientia Geographica Sinica,2004,24(1):68.

[2] 韩旭,孙一权,冯仲科,等.基于NOAA/AVHRR的中亚地区荒漠化动态变化监测[J].测绘科学,2012,37(5):69. HAN Xu, SUN Yiquan, FENG Zhongke, et al. Monitoring on dynamic change of desertification in Central Asia based on NOAA/AVHRR data[J].Science of Surveying and Mapping,2012,37(5):69.

[3] 刘爱霞.中国及中亚地区荒漠化遥感监测研究[D].北京:中国科学院遥感应用研究所,2004. LIU Aixia. Remote sensing monitoring of desertification in China and Central Asia[D].Beijing: Institute of Remote Sensing Applications Chinese Academy of Sciences,2004.

[4] 鄢雪英,丁建丽,张喆,等.中亚土库曼斯坦典型绿洲荒漠化动态遥感监测[J].自然灾害学报,2014,23(2):103. YAN Xueying, DING Jianli, ZHANG Zhe, et al. Dynamic remote sensing monitoring of desertification of a typical oasis in Turkmenistan of Central Asia[J].Journal of Natural Disasters,2014,23(2):103.

[5] 赵英时.遥感应用分析原理与方法[M].北京:高等教育出版社,1998:360. ZHAO Yingshi. The application principle and methods of remote sensing[M]. Beiing: Higher Education Press,1998:360.

[6] 蒋德明,李雪华,武健伟,等.科尔沁沙地乌兰敖都地区荒漠化动态监测[J].干旱区研究,2008,25(6):877. JIANG Deming, LI Xuehua, WU Jianwei, et al. Dynamic monitoring of desertification in the Ulan’aodu region in Horqin sand land[J].Arid Zone Research,2008,25(6):877.

[7] VALLE H F, ELISSALDE N O, GAGLIARDINI D A, et al. Status of desertification in the Patagonian region: Assessment and mapping from satellite imagery[J].Arid Soil Research and Rehabilitation,1998,22(12):95.

[8] MICHAEL S, NIAMB M. Handbook for the field assessment of land degradation[M].UK and USA: Earthscan Publications Ltd,2001.

[9] 屈创,马金辉,夏燕秋,等.基于MODIS数据的石羊河流域地表温度空间分布[J].干旱区地理,2014,37(1):125. QU Chuang, MA Jinhui, XIA Qiuyan, et al. Spatial distribution of land surface temperature retrieved from MODIS data in Shiyang River Basin[J].Arid Land Geography,2014,37(1):125.

[10] 王勋陵.我国境内丝绸之路生态环境的变化[J].西北大学学报(自然科学版),1999,29(3)：250. WANG Xunling. Changes of ecological environment at the Silk Road in China[J].Journal of Northwest University(Natural Science Edition),1999,29(3):250.

[11] 杜忠潮.中国近两千多年来气候变迁的东西分异及对丝绸之路兴衰的影响[J].干旱区地理,1996,19(3):50. DU Zhongchao. Influence of the east-west difference of climatic changes since recent 2000 years on the rise and decline of the Silk Road in China[J].Arid Land Geography,1996,19(3):50.

[12] 潘晓玲,马映军,高炜,等.中国西部干旱区生态环境演变过程[J].中国沙漠,2004,24(6):663. PAN Xiaoling, MA Yingjun, GAO Wei, et al. Eco-environmental evolution in arid area of West China[J].Journal of Desert Research,2004,24(6):663.

[13] 阿里木江·卡斯木,唐兵,安瓦尔·买买提明,等.近50年来中亚五国城市化发展特征研究[J].干旱区资源与环境,2013,27(1):21. Alimujiang KASIMU,TANG Bing, Anwaer MAIMAITIMING, et al. Study on the urbanization development characteristics of Central Asia(1960-2009)[J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2003,27(1):21.

[14] BORMIK V N. Changes in the water-level and hydrological balance of the Aral Sea. In: Micklin P P, Williams W D, eds. The Aral Sea Basin[M].Berlin-Heidelberg:Springer-Verlag,1996:25.

[15] UNEP. World atlas of desertification [M].London:Arnold,1992:68.

[16] 李春兰,朝鲁门,包玉海,等.21世纪初期气候波动下浑善达克沙地荒漠化动态变化分析[J].干旱区地理,2015,38(3):556. LI Chunlan, CHAO Lumeng, BAO Yuhai, et al. Dynamic changes of desertification in the Hunshandake desert under the climate fluctuation in early 21st century[J].Arid Land Geography,2015,38(3):556.

[17] 王兆礼,陈晓宏,李艳.珠江流域植被覆盖时空变化分析[J].生态科学,2006,25(4):303. WANG Zhaoli, CHEN Xiaohong, LI Yan. Spatio-temporal changes of NDVI in the Pearl River Basin[J].Ecologic Science2006,25(4):303.

[18] 郭铌.植被指数及其研究进展[J].干旱气象,2003,21(4):71. GUO Ni. Vegetation index and its advances[J].Arid Meteorology,2003,21(4):71.

[19] 顾祝军,曾志远.遥感植被盖度研究[J].水土保持研究,2005,12(2):18. GU Zhujun, ZENG Zhiyuan. Overview of researches on vegetation coverage in remote sensing[J].Research of Soil and Water Conservation,2005,12(2):18.

[20] KASIMU A, HU Li, ISHIYAMA T, et al. Desertification monitoring in region of Ebinur Lake in Xinjiang based on MODIS and NOAA satellite data and GIS [J]. Journal of Aird Land Studies, 2007, 17(4):167.

[21] 何磊,王超,别强,等.利用MOD13Q1产品监测肯尼亚2001—2010年荒漠化动态[J].中国沙漠,2013,33(1):46. HE Lei, WANG Chao, BIE Qiang, et al. Monitoring of desertification dynamic in Kenya during 2001-2010 using MOD13Q1 data[J].Journal of Desert Research,2013,33(1):46.

[22] 边振,张克斌.我国荒漠化评价研究综述[J].中国水土保持科学,2010,8(1):105. BIAN Zhen, ZHANG Kebin. Review of the research on desertification assessment in China[J].Science of Soil and Water Conservation,2010,8(1):105.

[23] 木热提江·阿不拉,张晓萍,陈利利,等.基于GIMMS NDVI的黄土高原地区荒漠化时空特征分析[J].中国水土保持科学,2015,13(3):24. Murat ABLA,ZHANG Xiaoping ,CHEN Lili, et al. Spatial-temporal distribution of desertification on the Loess Plateau using the GIMMS NDVI data[J].Science of Soil and Water Conservation,2015,13(3):24.

[24] 毕超,单楠,毕华兴.西北极端干旱区近54年降水量和温度变化趋势[J].中国水土保持科学,2015,13(3):90. BI Chao, SHAN Nan, BI Huaxing. Variation trends of temperature and precipitation in extremely arid region of northwestern China in recent 54 years[J].Science of Soil and Water Conservation,2015,13(3):90.

[25] 张军,贾春蓉,李鹏,等.陕西省丹江流域NDVI分布及其与土地利用的关系[J].中国水土保持科学,2016,14(2):67. ZHANG Jun, JIA Chunrong, LI Peng, et al. NDVI spatial distribution and its correlation with land-use in Dan River Watershed of Shaanxi Province[J].Science of Soil and Water Conservation,2016,14(2):67.

Remote sensing monitoring of dynamic change of desertification in typical areas along the Silk Road Economic Zone

LIU Yuzhen, Alimujiang KASIMU, Abudumijiti ABULIKEMU

(Institute of Geographical Sciences，Xinjiang Normal University, 830054, Urumqi, China)

[Background] Under the influence of high intensive human activities, resources and environment of “Silk Road Economic Zone” is facing severe problems and challenges. The ecological environment is very fragile along this region, especially in the middle part of the Second Eurasian Continental Bridge. Desert and Gobi area accounts for the greater proportion in this region, and desertification problems are very serious. The development and maturity of remote sensing technology may provide strong support for the analysis of the dynamic change of desertification.[Methods] MOD13Q1 with 250 m resolution from 2000 to 2014 were used as data sources, and normalized difference vegetation index method was applied to estimate vegetation coverage, and decision tree classification method of vegetation coverage was to classify desertification degree, then the dynamic change and transfer matrix of land desertification in Silk Road Economic Zone were obtained. [Results] The desertification land in the study area increased from 2000 to 2014, in which the growth amount of desertification land was 98 912.26 km2and the annual growth rate was 0.11%. Among them, the total area of none desertification transferred to desertification was 308 289.73 km2, which was larger than that of desertification transferred to none desertification and the area was 266 497.67 km2. In spatial distribution, the desertification degree in Central Asia gradually reduced from extremely severe desertification in southwest to light desertification in northeast, and this desertification trend was moving towards the north part of Kazakhstan constantly. Land desertification in China was mostly concentrated in Turpan, Tarim and Qaidam Basin, but the area of desertification in the northern part of Ningxia, Shaanxi, Gansu was reducing. [Conclusion] On the whole, the total desertification area along the Silk Road Economic Zone is increasing, and the desertification degree trends to more severe. The desertification problem is becoming more and more serious. By monitoring and analyzing the dynamic changes of desertification along the Silk Road Economic Zone using remote sensing during 2000—2014, this study provides a theoretical basis and data support for regulation and construction of sustainable development of the oasis in Silk Road Economic Zone.

Silk Road Economic Zone; desertification; remote sensing monitoring; MODIS; vegetation coverage

2016-11-03

2017-04-02

项目名称： 国家自然科学基金“‘一带一路’新疆段城镇景观格局变化及生态安全评价”(41661037)，“环塔里木盆地城市用地空间扩展动态监测及模拟研究”( 41361043)；新疆师范大学地理学博士点支撑学科资助项目“丝绸之路经济带荒漠化变化分析——以沿线典型区域为例”(XJNU-DL-201607)

刘玉贞(1992—)，女，硕士研究生。主要研究方向：资源环境遥感。E-mail：277358274@qq.com

†通信作者简介： 阿里木江·卡斯木(1976—)，男，教授，博士。主要研究方向：环境遥感监测与应用。E-mail：Alimkasim@gmail.com

X87

A

2096-2673(2017)02-0001-08

10.16843/j.sswc.2017.02.001