甘肃省酒泉市土地沙漠化现状及动态分析*

马仲武，王新源， ※，王小军，丁乾平，曲 浩

(1.甘肃省生态环境监测监督管理局，兰州 730020； 2.中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃兰州 730000)

0 引言

沙漠化是干旱、半干旱及部分半湿润地区在多风干旱和疏松沙质地表条件下，由人类对土地过度开发利用和以风力吹蚀为主的自然营力等因素综合作用下引起的土地退化过程，使原非沙漠地区呈现出以风沙活动、沙丘起伏为主要标志的类似沙漠景观的地貌特征[1-2]。沙漠化由于其分布广泛，危害严重，威胁人口众多，已成为当今世界面临的重大环境问题之一，引起国际社会的广泛关注[3-4]。

甘肃省是我国受沙漠化胁迫最为严重的省份之一[5]，干旱的气候、水资源的短缺以及不合理的人类活动引起以河西走廊为代表的部分区域土地沙漠化发展迅速，生态环境趋于脆弱和严酷[6]。近年来，针对甘肃省境内土地沙漠化动态变化与分析的研究已有不少，但主要集中于石羊河流域的民勤绿洲[7-9]、黑河中上游的张掖地区[10-11]以及黄河上游的甘南高原[12-13]，而关于酒泉市土地沙漠化现状及动态分析的研究还较为欠缺。酒泉市地处甘肃省西北部，干旱少雨，水热条件恶劣，生态环境脆弱[14]，是全省沙漠化最严重的区域之一。酒泉市同时也是河西走廊的重要节点城市和“一带一路”经济带的重要黄金通道城市，具有较高的政治经济地位。此外，酒泉市域范围内保存有世界文化遗产莫高窟、全国重点文物保护单位玉门关在内的多处重要历史文化遗迹。因此，掌握该地区沙漠化土地现状及发展趋势，明确驱动沙漠化正逆演替的关键因素，对区域内沙漠化防治与生态恢复、经济社会有序持续发展乃至历史文化遗迹的保存延续均具有重要意义。鉴于此，研究采用遥感(Remote Sensing)技术和人工现地调查相结合的方法，对酒泉市沙漠化现状、动态变化规律及分布特征进行了监测和分析，旨在为该地区沙漠化防治和生态恢复与重建提供理论依据。

图1 2009年酒泉市沙漠化土地类型分布

1 研究区概况

酒泉市位于甘肃省西北部，介于北纬38°19′～42°47′、东经92°45′～100°15′之间，面积19.2万km2，占甘肃省总面积的42.0%，是甘肃省面积最大的市。酒泉市南接青海，西邻新疆，北接内蒙古并与蒙古国接壤。地势由东南向西北倾斜，地貌特征复杂多样，北部为马鬃山丘陵区，南部属祁连山西麓，中部有河西走廊疏勒河谷地； 马鬃山山地风高沙大，形成典型的戈壁景观； 中部河西走廊疏勒河谷地地势平坦、光热充足； 南部祁连山山体巨大，海拔较高，部分山区终年积雪形成特有的冰川地貌。酒泉市大部属典型的大陆性温带干旱区气候，年日照时数3 033～3 317h，年平均气温3.9～9.3℃，多年平均降水量86mm，年蒸发量2 000～4 000mm，年日照时数3 000h以上，平均无霜期118～159d。常住人口110.83万人， 2013年，全市生产总值达到642.7亿元，财政收入85.44亿元。据2009年酒泉市土地沙漠化监测结果，酒泉市沙漠化土地面积960.41万hm2(图1)。

2 数据影像资料及研究方法

2.1 数据资料

数据源采用甘肃省第五次荒漠化和沙化监测遥感影像数据，主要包括2013年SPOT5 2.5m高分影像、2013年资源一号与资源三号影像(成像季相选择在植被生物量较大的6～9月份)。同时收集覆盖全市1： 5万最新地形图、土地利用详查图、森林分布图和土壤分布图等数据资料用以信息提取和完善，对沙漠化动态变化采用文献资料收集与气象数据统计[15]相结合的方法进行分析。

2.2 研究方法

2.2.1 遥感图像处理与解译标志

应用多波段遥感数据融合方法[16-17]，对各期影像按不同波段进行假色彩合成[3]，采用高斯一克吕格投影进行几何精校正，从而获得有利于沙漠化信息提取和识别的基础影像。之后，依据不同程度沙漠化土地空间分布格局与光谱变化特征[12]，结合现地调查因子(植被、土壤、地形地貌和土地利用信息等)，建立沙漠化土地解译标志。在此基础上，根据现地调查获得的沙漠化土地解译标志与遥感影像，综合2009年沙漠化监测结果等辅助信息，采用人—机交互判读的方式(以SPOT5高分影像为主，资源一号、三号影像为补充参考)，通过ArcGIS9.3软件对沙漠化信息进行判读和提取，进而获得可供分析的矢量化数据。最后，为了核定解译工作的准确性，研究组于2014年9月5～29日对野外部分区域进行核查，随机选取200个地块与解译结果进行对比，发现其解译精度达96.5%，符合统计学要求，说明通过计算机软件分析获取的沙漠化土地面积、类型、程度和分布数据真实可靠。

2.2.2 沙漠化土地分类

以甘肃省2014年沙漠化监测技术细则(简称《细则》)[18]为依据，通过现地调查，综合风蚀强度、植被盖度、地貌特征及人类干预等多种因素，将沙漠化土地类型划分为流动沙地(丘)、半固定沙地(丘)、固定沙地(丘)、露沙地、沙漠化耕地、非生物治沙工程地、风蚀残丘、风蚀劣地和戈壁9种类型。之后将9种沙漠化土地类型与对应遥感影像的色调、纹理、形状和分布等特征作对比分析，从而建立准确的解译标志。

同时依照《细则》[18]将土地沙漠化程度划分为轻度、中度、重度、极重度4个等级，并通过现地调查后建立对应的遥感解译标志(表1)。

表1 酒泉市不同程度沙漠化土地景观特征与解译标志

2.2.3 年变化率

年变化率反映了研究期内沙漠化土地的变化情况。朱震达等[11]通过计算沙漠化的年增长率来度量沙漠化发展状况，计算公式为：

(1)

式(1)中，R为沙漠化土地年变化率；n为测算相隔年限；D为测算终结年沙漠化土地面积；A为测算起始年沙漠化土地面积。

3 沙漠化土地分布现状与变化特征

3.1 沙漠化土地类型分布现状与变化特征

3.1.1 沙漠化土地类型分布现状

根据2014年最新监测结果，酒泉市现有沙漠化土地面积956.34万hm2。其中，流动沙地(丘)115.90万hm2，占沙漠化土地面积的12.12%； 半固定沙地(丘)102.13万hm2，占沙漠化土地面积的10.68%； 固定沙地(丘)95.09万hm2，占沙漠化土地面积的9.94%； 风蚀劣地11.73万hm2，占沙漠化土地面积的1.23%； 戈壁625.66万hm2，占沙漠化土地面积的65.42%； 露沙地、沙漠化耕地、非生物治沙工程地和风蚀残丘5.84万hm2，占沙漠化土地面积的0.61%(表2)。

表2 酒泉市沙漠化土地类型现状

沙漠化类型流动沙地半固定沙地固定沙地风蚀劣地戈壁其他类型面积(万hm2)11590102139509117362566584占沙漠化土地面积比(%)121210689941236542061

由图2分析可得，酒泉市沙漠化土地类型主要包括流动沙地(丘)、半固定沙地(丘)、固定沙地(丘)和戈壁4种，面积占比达总沙漠化土地面积的98.16%。其具体分布格局为，流动沙地(丘)主要分布于敦煌市西南部库姆塔格沙漠、敦煌绿洲南部的鸣沙山地区、 金塔县东南部巴丹吉林沙漠和环绿洲外围、 阿克塞县东南缘大哈勒腾河南岸、 肃北县盐池湾镇东南部等。半固定沙地(丘)、固定沙地(丘)多集中于肃北县和敦煌市境内、包括疏勒河两岸的天然绿洲、人工绿洲(城镇、农田等)与流动沙丘或戈壁的过渡区域。戈壁主要分布于南、北两山至绿洲的缓冲区域，此外在祁连山北侧冲积扇内，马鬃山以北也有分布。风蚀劣地多分布在瓜州县和阿克塞县境内，占全市风蚀劣地总面积的99.62%。露沙地、沙漠化耕地、风蚀残丘和非生物治沙工程地在酒泉市呈零星分布，仅占全市沙漠化土地面积的0.61%。

3.1.2 沙漠化土地类型变化特征

研究表明(表3)，相较2009年的监测数据，酒泉市土地沙漠化总面积减少4.07万hm2，年变化率-0.08%。其中流动沙地(丘)减少10.48万hm2，年变化率-1.72%； 半固定沙地(丘)增加6.27万hm2，年变化率1.27%； 固定沙地(丘)增加2.82万hm2，年变化率0.60%； 风蚀劣地减少2.22万hm2，年变化率-3.41%； 戈壁减少3.89万hm2，年变化率-0.12%； 露沙地增加1.07万hm2，年变化率68.41%； 沙漠化耕地增加0.48万hm2，年变化率35.34%； 风蚀残丘增加1.94万hm2，年变化率14.19%； 非生物治沙工程地减少0.05万hm2，年变化率-8.74%。分析可知，酒泉市境内主要沙漠化土地类型中，流动沙地(丘)面积呈递减趋势，半固定沙地(丘)和固定沙地(丘)面积趋于增加，而戈壁面积变化轻微，基本处于动态平衡状态，意味着酒泉市沙漠化土地生境状况向利于物种生存和定居的方向发展，沙漠化土地面积处于缓慢下降过程。

表3 酒泉市沙漠化土地类型动态变化

沙漠化土地类型沙漠化总面积流动沙地半固定沙地固定沙地风蚀劣地戈壁其他类型面积变化(万hm2)-407-1048627282-222-389343年变化率(%)-008-172127060-341-0121939

表4 酒泉市土地沙漠化程度现状

沙漠化程度轻中重极重面积(万hm2)3378122402049059527占沙漠化总面积比(%)353128021436224

3.2 沙漠化程度现状与变化特征

3.2.1 沙漠化程度分布现状

2014年的监测数据发现(表4)，轻度沙漠化土地33.78万hm2，占沙漠化面积的3.53%； 中度沙漠化土地122.40万hm2，占沙漠化面积的12.80%； 重度沙漠化土地204.90万hm2，占沙漠化面积的21.43%； 极重度沙漠化土地595.27万hm2，占沙漠化面积的62.24%。不同沙漠化发展阶段的比例特征说明了酒泉市土地沙漠化程度以重度和极重度为主。

图2 酒泉市沙漠化土地类型分布现状 图3 酒泉市土地沙漠化程度现状

由图3分析可得，轻度沙漠化土地主要分布于疏勒河两岸及人口聚集的绿洲区，区内植被盖度较高，土壤生态服务功能相对健全，是酒泉市土地生产力最高的区域； 中度沙漠化土地主要位于肃北县和敦煌市境内，呈斑块状分布格局； 重度沙漠化土地主要分布于肃北北山(马鬃山)以北区域、玉门市西北部和金塔县西北部，主要的沙漠化类型为半固定沙丘和戈壁； 极重度沙漠化土地主要为流动沙丘(地)和戈壁，多分布于敦煌市西南部库姆塔格沙漠，敦煌绿洲南部的鸣沙山地区以及南、北两山至绿洲的缓冲区域内，具有面积大、延伸广、集中连片的分布特征。

表5 酒泉市土地沙漠化程度动态变化

沙漠化程度轻度中度重度极重度面积变化(万hm2)8841444-787-1947年变化率(%)626254-075-064

3.2.2 沙漠化程度变化特征

对比2014年和2009年两期数据可得(表5)，轻度沙漠化土地面积增加8.84万hm2，年变化率6.26%，中度沙漠化土地面积增加14.44 万hm2，年变化率2.54%，重度沙漠化土地面积减少7.87万hm2，年变化率-0.75%，极重度沙漠化土地面积减少19.47万hm2，年变化率-0.64%。酒泉市沙漠化程度呈现出由极重度和重度向中度与轻度演变的动态规律，由于极重度和重度沙漠化土地的面积基数远大于轻度和中度沙漠化土地，致使不同沙漠化程度土地间呈现出的转化比率差异较大。

4 沙漠化土地变化原因分析

研究证实，酒泉市沙漠化土地面积在近5年内(2009～2014年)呈缓慢减少的变化特征，而王小军等[19]通过影像判读与现地调查，发现酒泉市沙漠化土地面积2004～2009年间整体递减。综合可见，自2004年起，在长达10年的时间梯度内，酒泉市沙漠化演替处于逆转阶段，沙漠化土地面积趋于减少，沙漠化程度逐步降低。

4.1 自然因素

水分是塑造和构建沙漠化土地植被群落结构与分布格局的主导要素[20]，而植被的生长分布状况是表征沙漠化程度的重要因子[21]，因此，土壤水分含量在很大程度上影响着沙漠化的演替方向。在沙漠化地区，降水和地表径流是土壤水分的主要补给源[22]，对此，分析近年来(2010～2014年)酒泉市降水量和主要河流径流量的变化特征(表6)，有助于解读该区域沙漠化土地面积总体减少，沙漠化程度趋于降低的客观事实。

分析可得(表6)， 2010～2014年间酒泉市降水呈波动变化特征，整体表现出先增加后下降的规律， 2010年降水量最高，达148.5mm， 2014年最低，仅76.5mm，但5年间有3年降水量处于正距平状态，且所有年份累计距平均为正值，表明该阶段降水量相对较多，很大程度上提高了土壤水分有效性，有利于植被的定居繁衍。

表6 2010～2014年酒泉市降水量变化特征 mm

酒泉市主要的水系包括黑河水系和疏勒河水系，其中黑河的补给来源中，降水占70.2%，属于典型的降水补给性河流[15]。水文数据显示，黑河来水自2005年起多以丰水年为主，且李卓仑等[23]通过研究黑河径流与气象因子的响应关系，得出黑河径流在未来短期内仍处于增加趋势。疏勒河方面，类似于黑河水系， 2007年来径流量总体处于偏丰状态[24]，且蓝永超等[25]对近50年疏勒河流域山区的气候变化及其对出山径流的影响研究显示，流域近年来有连续降水量增加、径流量偏丰的趋势。

综上发现，近年来(2009～2014年)，得益于酒泉市降水量和主要河流径流量持续处于偏丰状态，区域内生态系统普遍面临的水分胁迫状态得到缓解，改善了植被特别是对浅层土壤水分有较高依赖性的一年生草本植物的生存环境，一定程度上遏制了沙漠化的加剧与扩张。

4.2 人为因素

(1)生态工程

“十二五”期间，酒泉市陆续实施了重点公益林补偿、“三北防护林”四期工程、退耕还林(草)等重点林业生态工程，截止2014年，酒泉市纳入中央和省级财政补偿的公益林面积达48.20万hm2。2013年起，通过在敦煌市、金塔县、玉门市实施沙漠化土地封禁保护补助试点工程，共完成固沙压沙585.1hm2，减轻了人类活动对脆弱生态系统的不利影响，有效缓解了区域内土地沙漠化。同时在酒泉市境内的敦煌阳关、金塔拦河湾、玉门青山和阿克塞库姆塔格设立4个国家级沙漠公园，这些公园在提高区域内生物多样性水平、维持沙漠生态系统功能稳定性方面具有积极作用，同时有助于增强公众的生态安全意识。此外，疏勒河流域生态移民、敦煌莫高窟崖顶风沙治理以及河西走廊农业综合开发等工程的实施，亦对沙漠化的防治有所裨益。这些生态工程是人类对酒泉市境内严重退化生态系统(沙漠化)的有序合理干预，改善了下垫面的生境状况，促进了沙生植被的生长、发育和繁衍，提高了生态系统的整体生产力，其直观变化主要通过植被盖度的显著增加来反映，而植被盖度是表征沙漠化程度的关键生态因子。说明生态工程以及政策的实施对沙漠化的遏制作用开始显现。

(2)节水型社会建设和关井压田工程实施

解决酒泉市缺水问题，核心是提高用水效率，建设节水型社会[26]。2009年起，酒泉市通过积极推广以滴灌、管灌、垄膜沟灌等为主的节水灌溉措施，使生产、生活乃至生态用水达到集约化利用的目的。截止2014年，已累计推广高新节水工程面积1.60万hm2，累计压减传统耕地0.34万hm2，关闭机井318眼，治理重点风沙口0.23万hm2，综合治理沙漠化土地面积1.00万hm2。节水型社会的建设和关井压田在一定程度上缓解了沙漠化的进程。

(3)基础设施建设

人类活动是推动沙漠化加剧的主要因素，但在特定条件下，人类活动能够在一定程度上遏制沙漠化的加剧。随着社会经济的发展，酒泉市加大了基础设施建设力度，各类公共交通设施，以及以1 000万kW风电、100万kW光电为主体的清洁能源基地的大规模建设[27]，使大量沙漠化土地转变为非沙漠化土地。虽然这些工程建设面积有限，且未从根本上改变区域的气候条件，但这种土地利用类型的改变，仍然是短期内减少沙漠化土地面积的重要途径。

5 讨论与结论

5.1 讨论

研究表明， 2009年以来，酒泉市土地沙漠化呈“双缩减”的动态特征，即土地沙漠化面积呈减少趋势，沙漠化程度呈减轻态势。但应当看到，至2014年，酒泉市土地沙漠化面积仍处于较高水平，达956.34万hm2，年减少率仅为0.08%，土地沙漠化形势依旧严峻，沙漠化防治仍是今后较长时间内酒泉市生态建设的核心工作。基于遥感技术的酒泉市沙漠化土地现状与动态分析，在目视解译过程中存在一定误差，通过现地验证与核实发现，这一误差在统计学允许范围内，因此，利用遥感技术来判定沙漠化土地现状和演变趋势是合理可靠的。该研究有助于酒泉市土地沙漠化时空动态数据库的建立，为当地土地沙漠化的防治提供科学依据和决策支持，但由于数据的收集和提取过程较为粗糙，导致定性指标较多，定量化分析相对欠缺。对此，在今后研究中，在制定指标和提取数据时，应充分考虑其解释力度和有效性，以更加精确地量化沙漠化土地的动态规律。

5.2 结论

(1)酒泉市现有沙漠化土地面积956.34万hm2，沙漠化土地类型主要以流动沙地(丘)、半固定沙地(丘)、固定沙地(丘)和戈壁为主，其面积占到沙漠化土地总面积的98.16%。酒泉市土地沙漠化程度以重度、极重度为主，面积为800.14万hm2，占沙漠化土地总面积的83.67%。

(2)与2009年监测数据对比，酒泉市沙漠化土地面积减少4.07万hm2，年变化率-0.08%。沙漠化土地面积呈整体减少的动态变化。重度、极重度沙漠化土地面积年变化率分别为-0.75%和-0.64%，沙漠化程度呈减轻趋势。

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