甘肃民勤连古城国家级自然保护区土地荒漠化特征分析

马静，单立山，孙学刚，赵秀兰，闫好原，张有佳，胡生新,曾新德

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃民勤连古城国家自然保护区，甘肃 民勤 733300)

荒漠化是指由自然和人为等多种因素造成的在干旱、半干旱地区及亚湿润干旱区的土地退化过程[1].由于其分布广泛、危害严重，且受其威胁人口众多，已成为当今全球范围内面临的重大环境-社会-经济问题，引起了国际社会的广泛关注[2].我国是世界上荒漠化最严重的国家之一，根据第五次全国荒漠化监测数据，目前，全国荒漠化土地面积为261.16万km2，约占国土面积的27.20%.甘肃省地处我国西北荒漠区，其荒漠化土地面积为19.50万km2，占全省土地总面积的45.8%，荒漠化严重威胁着该区群众的生存，阻碍资源、环境和社会经济的可持续利用与发展[3].因此，及时准确地对发生荒漠化的土地进行评价，掌握其发生的机理，分析其影响因素，对我们有效地治理土地荒漠化具有重要意义.

甘肃民勤连古城国家级自然保护区位于甘肃民勤县境内的荒漠区域内，属重要荒漠生态系统和典型荒漠野生动植物分布区，具有地带典型性、生物多样性、稀有物种的特殊性、自然生态的完整性等特征，生态质量较高，具有较高的学术和科研价值[4-6].保护区呈半环状屏障着民勤绿洲，在风沙线前沿，扼守住民勤绿洲和河西走廊的腰部，生态区位十分重要.了解保护区荒漠化现状及发展动态，进行科学土地荒漠化防治对减少和防治沙尘暴危害及遏制腾格里和巴丹吉林两大沙漠合拢具有重要的战略意义[7-8].作为我国面积最大的荒漠生态类型国家级自然保护区，在以往研究过程中，许多学者就植物、动物及保护区自然资源概况已做了大量研究[9-14].然而，保护区最主要的一个特征是地处腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠的交汇处，土地荒漠化十分严重，荒漠化的发生和发展对保护区植物和动物的生存、分布产生较大影响[15].近年来，由于保护区所处生态区域长期的干旱缺水，风沙侵袭，加之石羊河上游来水量逐年减少和地下水严重超采，土地荒漠化不断扩展，生态环境日趋恶劣，荒漠化程度日趋严重[16]，这种变化对保护区自然资源产生了深刻的影响.而以往我们主要重视的是对植物、动物资源的保护，而忽略了荒漠化问题的研究，特别是缺乏遥感影像分析整个保护区荒漠化最新现状及动态的资料，影响到保护区管理者对稀有荒漠珍贵植物和动物资源的有效保护.因此，本研究以整个保护区为研究区域，利用最新遥感数据，通过几何精校正和增强处理，在建立解译标志的基础上，利用GIS软件ArcView 3.2对荒漠化类型和程度进行目视判读，并对地面进行了抽样调查，从而获得了保护区最新荒漠化概况，这为保护区更好地保护其生物资源和防治该区土地退化，治理荒漠化危害，维护生态安全提供了基础数据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃民勤县境内的荒漠区域内，东北被腾格里沙漠包围，西北有巴丹吉林沙漠环绕，北、西、南三面蔽着民勤绿洲，地理坐标N 38°10′08″～39°09′10″，E 102°30′00″～103°57′40″，总面积389 882.5 hm2，南北宽约90 km，东西长6.5～125 km.研究区气候属温带大陆性极干旱气候，干旱少雨，蒸发强烈.年均降水量113 mm，全年降水不均匀，变率大，多集中在7～9月；5～6月蒸发最剧烈，年均蒸发量2 644 mm，是降水量的24倍；年均气温7.4 ℃，最热为7月，平均气温22.4 ℃，最冷为1月，平均气温-10.3 ℃，极端高温38.1 ℃，极端低温-28.8 ℃，≥10 ℃积温为3 248.8 ℃.年平均风速2.3 m/s，以西北风、西北偏西风为主[11].

1.2 数据来源与方法

1.2.1 资料来源 本研究原始数据来源于2014年开展的甘肃省第五次荒漠化和沙化普查以及监测报告，所采用的是 2012～2013年6～9月拍摄的TM(空间分辨率28.28 m)和ETM(空间分辨率15 m)多光谱遥感数据.该时段植被生长良好，裸露的荒漠土地的光谱反射率特征在遥感影像可得到充分的显示，与周围地表覆盖的类型差异较大，易于区分荒漠化和非荒漠化区域[17].

1.2.2 荒漠化类型的划分 参考“全国沙化和荒漠化监测技术规定”中荒漠化分类、分级方案，根据甘肃省第五次荒漠化与沙化监测技术规程及保护区荒漠化发生的地表物质成分的差别、外动力条件及地表景观综合特征，荒漠化分为风蚀荒漠化、水蚀荒漠化和盐渍化荒漠化3类[18-20]，荒漠化类型的判读和解释标志是根据表1各种荒漠化特征和甘肃省荒漠化与沙化监测多年来建立的不同地区、不同时相遥感影像的解译标志库进行判读和解释的[16].

1.2.3 荒漠化程度划分 根据全国荒漠化和沙化监测技术规定，将荒漠化程度划分为非荒漠化、轻度荒漠化、中度荒漠化、重度荒漠化和极重度荒漠化5种类型[21].本研究根据遥感影像与地面调查研究方式和土地利用类型来确定荒漠化程度，具体方法为：使用多个评价指标的“多因子数量化评价法”，定性与定量相结合，调查各指标定量值或定性值，据此确定各指标的评分值；用各指标的评分值之和确定荒漠化程度,即依据荒漠化程度 (现状 )指标的分级评价标准确定荒漠化程度等级[22].其中，“多因子数量化评价方法”是选取图斑号、土地利用类型、面积、荒漠化类型、荒漠化程度、植被总盖度、覆沙厚度、土壤质地、地表形态、作物产量下降率、有效土层厚度、治理措施、荒漠化人为因素、土地利用类型变化原因等17项因子做详细的调查，采用多个评价指标，对各指标尽量进行定量调查，不能定量的，调查其定性值，根据调查结果确定各指标的评分值；计算出各指标的评分值总和，由此确定土地荒漠化程度[16].

表1 荒漠化类型及特征

本次在按土地利用类型具体对荒漠化程度进行评价时，首先依据全国土地利用分类系统和甘肃省荒漠化与沙化监测技术规程[18]，将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、未利用地.土地利用类型为耕地的风蚀、水蚀和盐渍化土地，采用现地调查方法确定荒漠化程度.其中水蚀、风蚀耕地评价指标由有效土层厚度和坡度调查评价因子定量化进行评价，盐渍化耕地评价指标采用土壤含盐量、盐碱斑占地面积、作物缺苗率、产量下降率和土壤改良难度等半定量化指标进行评价.耕地以外其他土地利用类型的风蚀、水蚀、盐渍化土地采用遥感和地面调查两种方法确定荒漠化程度.其中风蚀荒漠化程度按照植被盖度、土壤质地或砾石含量、覆沙厚度、地表形态等指标评价；水蚀荒漠化程度按照植被盖度、坡度、侵蚀沟面积比例等指标评价；盐渍化荒漠化程度按照土壤含盐量、盐碱斑占地率、耐盐碱植物数量、植被盖度等指标评价[22].

1.2.4 研究方法 通过几何精校正和增强处理，在建立解译标志的基础上，利用GIS软件ArcView 3.2对荒漠化程度进行目视判读且划分图斑.图斑最小区划面积为0.4 hm2，现状地物短边区划长度不小于10 m.图斑区划面积最大不超过200 hm2.图斑边界线的走向和形状要与影像特征相符，允许误差不应超过1个象元.以乡为单位，按从上到下、从左到右顺序对图斑进行连续编号.所有图斑要建立面状拓扑关系，图斑不能重叠或遗漏，且不可为复合图斑.随后对区划的图斑进行抽样调查，具体核实调查气候类型、地貌类型、小地形、面积、土地利用类型、荒漠化类型、荒漠化程度、植被种类、植被高度、植被总盖度、植被生长状况、土壤类型、土壤质地、土壤砾石含量、覆沙厚度、沙丘高度、有效土层厚度、作物产量下降率、作物缺苗率、坡度、侵蚀沟面积比例、盐碱斑占地率、治理措施、退化植被种类、退化植被盖度比例、土地利用变化原因等因子[18].依据现场调查核实情况对解译的所有图斑属性进行了修正.

土地利用类型判读和解释以保护区边界为基础，用ARCEDIT直接进行屏幕解译，勾绘各种土地利用类型并编码；影像再经过缨帽转换(Tasseled Cap)和3×3低通滤波(Low Frequency)处理，结合1∶5万地形图，进行屏幕解译，依次勾绘各种土地类型，同时依次编码.解译完毕后，输出草图，应用GPS定位，在野外进行实地核对，对于分类欠准确的地方进行修正，然后进行修边，建立拓扑关系，最后形成两时相的土地利用现状图[23]，并进行面积统计、结果比较分析和成图输出.

2 结果与分析

2.1 荒漠化类型特征

从表2可以看出，保护区荒漠化土地总面积386 413.61 hm2，占整个保护区土地总面积的99.11%.荒漠化类型表现为风蚀荒漠化和盐渍荒漠化两种，其中以风蚀荒漠化为主，风蚀荒漠化土地面积为383 692.68 hm2，占保护区荒漠化土地总面积的99.30%；盐渍荒漠化土地面积相对较少，其面积2 720.93 hm2，只占保护区荒漠化土地总面积的0.70%.

表2 保护区荒漠化类型及面积比例

2.2 荒漠化程度特征

从表3可以看出，保护区极重度荒漠化所占比重最大，面积为148 218.05 hm2，占保护区荒漠化土地面积的38.36%；重度荒漠化土地面积次之，面积为103 697.98 hm2，占保护区荒漠化土地面积的26.84%；中度荒漠化土地面积为92 815.19 hm2，占保护区荒漠化土地面积的24.02%；轻度面积为41 682.39 hm2，占保护区荒漠化土地面积的10.79%.

不同土地荒漠化程度在荒漠类型所占的比例有所不同，风蚀荒漠化以极重度荒漠和重度为主，占风蚀荒漠化土地总面积的65.59%；而盐渍荒漠化以中度荒漠化土地为主，占盐渍化荒漠土地总面积的83.31%.可见，保护区风蚀荒漠化占有比重大，且发生程度较重；而盐渍化荒漠化占有比例小，且发生的程度相对较轻.

2.3 不同土地利用类型荒漠化特征

从表4可以看出，不同土地利用类型所占荒漠化土地面积有所差异，其中林地占有的荒漠化面积较大，为保护区荒漠化土地面积的46.63%；其次是未利用地，为保护区荒漠化土地面积的42.93%；草地和耕地占有的荒漠化面积较小，分别只占保护区荒漠化土地面积的10.00%、0.44%，表明近年来因保护区地下水位下降，植被退化严重，林地荒漠化日趋严重.从表4中还可以看出，两种荒漠化类型在各类土地类型中占有比例有所差异，风蚀荒漠化主要分布于林地和未利用土地，面积达343 558.65 hm2，占整个风蚀荒漠化土地的89.54%；而盐渍荒漠土地主要集中于林地，面积为2 319.45 hm2，其面积占整个盐渍荒漠化土地的85.24%，其主要原因可能是，近年来保护区大量人工造林过程中，因灌溉其蒸发相对较大，在强烈的蒸发下，其地下盐带到了地表，造成林地土壤盐渍化相对严重[24-25].

表3 保护区土地荒漠化程度

表4 不同类型土地荒漠化概况

从表5可以看出，不同土地利用类型发生荒漠化的程度不同，其中耕地以中度荒漠化所占比重最大，面积为1 498.84 hm2，占耕地荒漠化面积的87.42%；林地主要是中度和重度荒漠化土地，其面积分别为77 505.32、61 585.42 hm2，分别占林地荒漠化面积的43.01%、34.18%；草地以重度荒漠化所占比重最大，面积为24 416.73 hm2，占草地荒漠化面积的63.20%；未利用地以极重度荒漠化为主，面积为148 095.6 hm2，占未利用地荒漠化面积的89.28%.从表5还可以看出，不同程度荒漠化土地在不同土地利用类型中占有的比重不同，其中轻度、中度、重度荒漠化均在林业用地中占的比重最大，分别占该荒漠化程度土地面积的98.32%、85.51%、59.39%；极重度荒漠化土地基本集中分布于未利用土地，其面积占到该荒漠化程度土地面积的99.92%.

表5 不同土地类型荒漠化程度概况

2.4 荒漠化土地空间分布特征

从图1(a)可以看出，保护区西北受巴丹吉林沙漠环绕主要以风蚀荒漠化为主，东北以及保护区南部的南湖乡受腾格里沙漠影响，也是以风侵蚀为主.盐渍化荒漠化土地主要分布在黄岭的东北部以及南部，主要为盐碱地.非荒漠化土地主要分布于花园乡西部山区及勤锋和红崖山东南绿洲及荒漠过渡带，在荒漠与绿洲过渡带上零星分布.

从图1(b)可以看出，因保护区受西北风的影响，荒漠化程度由民勤绿洲内部向外(西北)呈递增趋势，极重度荒漠化土地占有的比重最大，且主要分布于保护区南部的南湖乡、西北和北部的花儿园和三角城、东北的黄岭西部，主要为沙地和戈壁；轻度荒漠化土地主要位于勤锋、红崖山和连古城靠近绿洲的边缘呈带状分布，以林地为主；重度和中度风蚀荒漠化土地位于极重度和轻度荒漠化土地之间，其中重度荒漠化主要分布于花园乡东北部及三角城的北部及黄玲的西北部，在连古城西南部呈块状分布；中度荒漠化主要分布在红崖山和勤峰保护区.

3 讨论

本研究发现甘肃民勤连古城国家级自然保护区荒漠化土地面积较大，占保护区土地总面积的99.11%；且以风蚀荒漠化为主，占保护区荒漠化土地总面积的99.30%，这可能的原因是：一方面与民勤连古城国家级自然保护区特殊的地理位置有关.该保护区处在巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠的包围之中，地形狭长，地势平坦，三面环沙，尤其是北部的巴丹吉林沙漠，为进入保护区的风沙流提供了大量的沙源[26].另一方面与该区的气候有关.风是风蚀荒漠化形成的外营力，对风蚀荒漠化的形成和发展以及风沙地貌的形成起着重要的驱动作用.根据保护区气象数据显示，该区地处行星风系西风带和蒙古高压带南部边缘，常年盛行西北风，在强大的西北风作用下，巴丹吉林沙漠顺风而进，构成了对保护区的严重威胁.以全年总风力统计，年均风速多在3.0 m/s以上，风季风速在4.0 m/s以上，甚至达到6～10 m/s，每年超过临界起沙风(≥ 5 m/s)的日数200～300 d，8级以上大风日数20～30 d，其中春季8级(17.2 m/s)以上大风占全年大风日数的40%～70%，多年年平均8级以上大风日数为25 d，最多年份(1959年)可达63 d[27].可见，在这种强劲频繁的风力环境下，保护区土壤的风蚀、风积十分严重，成为保护区风蚀荒漠化发生发展最重要的环境因素之一.再一方面松散的沙质地表物质为保护区风蚀荒漠化的发展提供了丰富的物质资源.根据李得禄等[28]研究显示，保护区以此疏松沉积物为主要母质，形成了保护区含沙量丰富的地表土壤，主要为灰棕漠土、风沙土等，这些土壤沙层厚，肥力差，有机质含量0.197 5%，全磷0.116%，全氮0.007 9%，含盐量0.146%，pH值7.5～8，沙粒含量70%以上；质地松散，内聚力差，最易遭到和引起风蚀[29].因此，保护区第四纪松散沉积物地表具有极强的不稳定性，极易风蚀起沙，为风蚀荒漠化发生发展提供了丰富的物质基础.且保护区植被类型为荒漠灌木、荒漠半灌木小半灌木、荒漠化草甸，植被盖度低，均为破碎的岛屿状分布，使区内多数含沙地表直接处于裸露和半裸露的状态，特别是冬春植物枯萎季节，大面积地表直接暴露于大风作用之下，为风力直接作用于沙质地表提供了有利条件，使地表沙物质极易受风力吹扬[13]，形成风蚀荒漠化类型.

图1 保护区土地荒漠化程度分布图Figure 1 Distribution of land desertification degree in protected areas

本研究还发现保护区荒漠化发生的程度较重，以极重度和重度为主，两者占保护区荒漠化土地面积的65.20%，且两种荒漠化类型发生的程度有所不同，风蚀荒漠化发生程度较重，以极重度和重度荒漠化为主，而盐渍化荒漠化发生的程度相对较轻，以中度荒漠化为主.其主要的原因是：对水资源的不合理开发加重了保护区土地荒漠化.井学辉[26]研究指出石羊河作为民勤县内唯一的地表水源，也作为民勤连古城国家级自然保护区唯一水源，随着武威绿洲灌溉面积成倍发展，加上工业用水，耗用了石羊河的大部分水源，导致石羊河流入民勤绿洲及保护区的水量逐年减少，因此使得该区风蚀荒漠化程度日趋严重.以及人为的滥垦、樵采和过度放牧也是导致保护区荒漠化程度较严重的一个主要原因.根据调查发现，民勤县1998～2003年人为开荒、弃耕的耕地面积分别增加了2 063.73、1 952.48 hm2，增加率分别为1.97%、1.86%[30]，形成了开荒-弃耕-沙化-开荒的恶性循环，也使荒漠化程度日趋严重.根据有关资料显示1985～1995年当地农民乱挖乱采，破坏天然植被0.8×104hm2[31].这种没有节制的滥樵行为，破坏原生植被，使本来就缺乏植被保护的沙质地表进一步裸露，更加剧了风力对地表的直接吹蚀作用，士壤风蚀加剧并造成固定沙丘的活化.

4 结论

甘肃民勤连古城国家级自然保护区土地荒漠化特征为：1)荒漠化类型表现为风蚀荒漠化和盐渍荒漠化两种形式，以风蚀荒漠化为主，占保护区荒漠化土地总面积的99.30%.2)保护区荒漠化发生的程度较重，以极重度和重度为主，两者占保护区荒漠化土地面积的65.20%，两种荒漠化类型发生的程度有所不同，风蚀荒漠化发生程度较重，以极重度和重度荒漠化为主，而盐渍化荒漠化发生的程度相对较轻，以中度荒漠化为主.3)保护区不同的土地利用类型占有的荒漠化土地面积有所不同，其中林地用地和未利用土地占有的荒漠化土地面积最大，以风蚀荒漠化为主；不同土地利用类型发生荒漠化的程度不同，林地和耕地荒漠化程度以中度为主，草地以重度为主，未利用地以极重度为主.