辽河干流沙化特征定量评价及驱动机制综合分析

胡庆武

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)

根据调查显示，辽河河流生态系统退化、水土流失严重、生物多样性减少、辽河干流河岸侵蚀严重、河道经常断流、河滩裸露、植被较少、土地沙化严重、水土流失等问题十分突出[1]。每到多风干旱季节，大风卷起河道内的泥沙，扬沙天气随处可见，不但影响了两岸群众的正常生活，而且给地区经济发展和生态环境造成了极大的影响和破坏[2]。由于干旱缺水，河道内维持生物繁衍和滩地内植被生长的生态水面严重不足，生物栖息地被破坏，生物多样性明显降低，水质恶化，使辽河生态系统遭到极大破坏[3]。河流泥沙作为塑造河道及河口形态的重要物质来源，也是引发河流问题的主要因素，对陆地及海洋生态安全均具有重要影响[4]。河流泥沙含量过高引发河道淤积，险情加剧；携带的氮磷等营养物质导致面源污染及水体富营养化等问题日益严峻[5]。近些年来，河流区域沙化特征取得一定研究成果[6- 15]，但由于水沙运移规律极其复杂，且泥沙防控技术区域性差别极大，多沙河道生态修复理论与技术尚缺少系统研究。为此本文基于粗糙集理论按照草地、农田、林地、湿地等辽河干流流域主要土地利用类型，构建了不同地类以生物、土壤、气候为指标层的沙化的评价指标体系，对辽河干流沙化特征进行定量评价和空间区划，并对其驱动机制进行综合分析。研究成果对于辽河干流生态保护具有重要参考价值。

1 辽河干流沙化特征评价指标体系构建

本技术基于粗糙集理论按照草地、农田、林地、湿地等辽河干流流域主要土地利用类型，构建了不同地类以生物、土壤、气候为指标层的沙化的评价指标体系。各地类沙化评价指标体系及权重见表1—4。

表1 草地类土地沙化程度评价指标体系

表2 农田类土地沙化评价指标体系

表3 林地土地沙化程度评价指标权重

表4 湿地沙化评价指标权重

2 辽河干流流域沙化程度

根据各地类评价指标体系及权重，采用综合指数法将归一化的沙化指数分为无沙化(0～0.25)、轻度沙化(0.25～0.5)、中度沙化(0.5～0.75)和重度沙化(0.75～1)4种类型，利用地理信息软件空间分析完成辽河干流流域沙化指数空间分布图，如图1所示，并明确各个区域的土地沙化面积和程度，见表5。

表5 辽河干流流域各县市沙化面积

图1 辽河干流流域土地沙化指数分布图

辽河干流流域土壤沙化程度以轻度和中度为主，且呈现出较强的地域分布。其中，轻度沙化面积为13202.11 km2，占干流流域面积的42.67 %，中度沙化面积为4537.32 km2，占干流流域面积的14.67 %，重度沙化面积为280.05 km2，占总面积的0.91%；从地域分布看，辽河上游地区的东部地区、辽河中游的饶阳河、柳河及养息牧河流域内无明显沙化，而在辽河中上游和辽河下游地区沙化严重。从土壤沙化各县市分布看，辽河上游东部地区，包括西丰、开原和清源地区，该地区以山地为主，土壤无沙化或轻度沙化；辽河流域北部地区，包括昌图、彰武、康平3县市的沙化面积大，沙化程度较轻。其中3个县市中轻度沙化面积共6617.68 km2，约占辽河干流流域面积的21.39 %；辽河中游地区包括铁岭、法库、铁法3个县市，这地区沙化分布面积广，沙化程度严重，其中，铁法县全部为中度沙化面积，法库县中度沙化面积1245.99 km2，占该县总面积的52.98%，重度沙化面积为125.29 km2，占该县总面积的5.53 %，是辽河中游沙化最严重地区；辽河中下游沙化的辽中和黑山县沙化分布面积广，土壤均为轻度、中度沙化。其中黑山县位于绕阳河流域，中度沙化面积288.3 km2，约占该县面积40 %。辽河下游的盘山、大洼县也是辽河干流流域沙化最严重地区，其中盘山县土壤全部为中度沙化，大洼县重度沙化面积135.88 km2，占该县总面积的20.22 %，其余为中度沙化区域。辽河干流流域西部阜新是辽河干流流域沙化分布区域之一。阜新地区中度、重度沙化地区为499.22 km2，约占该区域面积的20 %。

3 沙化驱动机制综合分析

3.1 自然因素驱动分析

为了进一步确定辽河干流流域土壤沙化的气象驱动因素，有必要对各气象变化的突变方式进行进一步分析，从而确定辽河流域影响土壤沙化的气候因素。根据辽河干流土壤沙化中度、重度区域分布范围，选取了彰武气象站的气象数据，包括降水、风速等因素，利用Mann-Kendall突变检测法对气象和水文数据的年际变化做突变检测，计算出各气象、水文因素的突变年份，利用突变年对气象、水文数据进行分段，并基于因子分析的方法，选择了具有代表性的辽西彰武的辽河干流沙化区，探讨辽河干流流域土壤沙化的成因。综合彰武地区降水量、最大降水量、降水日数、最大风速、平均风速、平均气温等气候和水文因子MK趋势检验分析发现，突变点集中在1982年左右和1998年左右时段，因此将50年气候因素分成3个时间段，分别不同时间段做因子分析，以确定土地沙化气候驱动因素。

利用SPSS对气象指标进行因子分析，为了消除量纲可能带来的影响，需要对原始数据进行标准化处理，然后将气象数据分为3组，分别对3组数据进行KMO和Bartlett球形度检验，得出，KMO值分别为0.587、0.560、0.532。 Bartlett球形度检验均为0.000，从上述结果可以看出，彰武地区气象数据比较适合因子分析，见表6。

表6 各时段变量公因子方差表

特征值和贡献率表7—8给出了每个成分的特征值、贡献率及累积贡献率，按照特征值大于85%条件，对3个时间段均选取了3个主因子，对各主因子进行因子旋转，得旋转后的因子载荷表。1964—1982时段内，日降水量和平均气温的载荷较大，说明在这一时间段内，土壤的沙化主要受降水和气温影响，1983—1998以及1999—2018两个时间段内，第1主因子的平均风速的载荷最大，分别为-0.604和0.597，说明在三北防护林建设之前，影响彰武地区土壤沙化的主要气象因子为降雨和气温，建设三北防护林后，风速成为土壤沙化的主要影响因子，因此可以确定，彰武地区的主要沙化主导因子为风速。将此地区定义为风蚀沙化区。

表7 特征值贡献率表

表8 旋转后的因子载荷表

3.2 人为因素驱动分析

对辽河干流沙化区人为驱动因素进行分析，探讨人为因素与其沙化土地面积的关联度及贡献率进行定量分析，分析结果见表9。

表9 主要人为因素与沙化土地总面积的关联度及相对贡献率

从辽河干流沙化人为影响因素分析可看出，人口数量关联度高于因素，关联度及相对贡献率分别为0.735和29.735%，国内生产总值的关联度和相对贡献率最低。辽河干流人口数量一直呈现递增变化，进入2012年后人口增速有所减缓。人口数量变化对耕地面积和牲畜数量均有所影响，生态环境退还的主因在于人口的快速增长。此外辽干河流作为农业主产区，粮食需求随着人口递增不断加大，使得荒地开垦以及放牧的比例不断提升，从而降低植被覆盖程度，也使得土壤水保和结构产生不同程度的影响和破坏。而细小颗粒由于植被保护和水分的丢失，使得其风蚀、水蚀程度有所加大。此外由于牲畜啃食破坏土壤结构，使得土壤结构很难在较短的时间内得到还原，地表稳定性由于植被保护的能力的降低，使得风蚀、水蚀的沙化特征越加明显。

4 结语

(1)辽河干流流域土壤沙化程度以轻度和中度为主，且呈现出较强的地域分布，其中中度和重度沙化面积占干流流域面积比例分别为14.67 %和0.91%。辽河下游的盘山、大洼县也是辽河干流流域沙化最严重地区，建议重点加强盘山和大洼县的生态修复措施，减低其沙化程度。

(2)风速是辽河干流土壤沙化的主要影响自然因素，此外大规模的开荒，导致辽河干流草地、林地面积迅速降低，土壤保水能力降低，蒸发量加大，使得土壤水分迅速流失，加速了辽河干流风蚀、水蚀的影响，因此建议加大辽河干流尤其是风蚀、水蚀等沙化特征区域水保措施，优化农业种植结构。

(3)河流沙化影响因素应是综合的，在后续研究还应对人为和自然影响因素进行分离研究，定量分析两个因素对辽河干流沙化的影响度。