遼河干流沙化特征定量評(píng)價(jià)及驅(qū)動(dòng)機(jī)制綜合分析

胡慶武

(遼寧省朝陽水文局，遼寧 朝陽 122000)

根據(jù)調(diào)查顯示，遼河河流生態(tài)系統(tǒng)退化、水土流失嚴(yán)重、生物多樣性減少、遼河干流河岸侵蝕嚴(yán)重、河道經(jīng)常斷流、河灘裸露、植被較少、土地沙化嚴(yán)重、水土流失等問題十分突出[1]。每到多風(fēng)干旱季節(jié)，大風(fēng)卷起河道內(nèi)的泥沙，揚(yáng)沙天氣隨處可見，不但影響了兩岸群眾的正常生活，而且給地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境造成了極大的影響和破壞[2]。由于干旱缺水，河道內(nèi)維持生物繁衍和灘地內(nèi)植被生長的生態(tài)水面嚴(yán)重不足，生物棲息地被破壞，生物多樣性明顯降低，水質(zhì)惡化，使遼河生態(tài)系統(tǒng)遭到極大破壞[3]。河流泥沙作為塑造河道及河口形態(tài)的重要物質(zhì)來源，也是引發(fā)河流問題的主要因素，對(duì)陸地及海洋生態(tài)安全均具有重要影響[4]。河流泥沙含量過高引發(fā)河道淤積，險(xiǎn)情加??；攜帶的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)致面源污染及水體富營養(yǎng)化等問題日益嚴(yán)峻[5]。近些年來，河流區(qū)域沙化特征取得一定研究成果[6- 15]，但由于水沙運(yùn)移規(guī)律極其復(fù)雜，且泥沙防控技術(shù)區(qū)域性差別極大，多沙河道生態(tài)修復(fù)理論與技術(shù)尚缺少系統(tǒng)研究。為此本文基于粗糙集理論按照草地、農(nóng)田、林地、濕地等遼河干流流域主要土地利用類型，構(gòu)建了不同地類以生物、土壤、氣候?yàn)橹笜?biāo)層的沙化的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)遼河干流沙化特征進(jìn)行定量評(píng)價(jià)和空間區(qū)劃，并對(duì)其驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行綜合分析。研究成果對(duì)于遼河干流生態(tài)保護(hù)具有重要參考價(jià)值。

1 遼河干流沙化特征評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

本技術(shù)基于粗糙集理論按照草地、農(nóng)田、林地、濕地等遼河干流流域主要土地利用類型，構(gòu)建了不同地類以生物、土壤、氣候?yàn)橹笜?biāo)層的沙化的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。各地類沙化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重見表1—4。

表1 草地類土地沙化程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 農(nóng)田類土地沙化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表3 林地土地沙化程度評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

表4 濕地沙化評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2 遼河干流流域沙化程度

根據(jù)各地類評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重，采用綜合指數(shù)法將歸一化的沙化指數(shù)分為無沙化(0～0.25)、輕度沙化(0.25～0.5)、中度沙化(0.5～0.75)和重度沙化(0.75～1)4種類型，利用地理信息軟件空間分析完成遼河干流流域沙化指數(shù)空間分布圖，如圖1所示，并明確各個(gè)區(qū)域的土地沙化面積和程度，見表5。

表5 遼河干流流域各縣市沙化面積

圖1 遼河干流流域土地沙化指數(shù)分布圖

遼河干流流域土壤沙化程度以輕度和中度為主，且呈現(xiàn)出較強(qiáng)的地域分布。其中，輕度沙化面積為13202.11 km2，占干流流域面積的42.67 %，中度沙化面積為4537.32 km2，占干流流域面積的14.67 %，重度沙化面積為280.05 km2，占總面積的0.91%；從地域分布看，遼河上游地區(qū)的東部地區(qū)、遼河中游的饒陽河、柳河及養(yǎng)息牧河流域內(nèi)無明顯沙化，而在遼河中上游和遼河下游地區(qū)沙化嚴(yán)重。從土壤沙化各縣市分布看，遼河上游東部地區(qū)，包括西豐、開原和清源地區(qū)，該地區(qū)以山地為主，土壤無沙化或輕度沙化；遼河流域北部地區(qū)，包括昌圖、彰武、康平3縣市的沙化面積大，沙化程度較輕。其中3個(gè)縣市中輕度沙化面積共6617.68 km2，約占遼河干流流域面積的21.39 %；遼河中游地區(qū)包括鐵嶺、法庫、鐵法3個(gè)縣市，這地區(qū)沙化分布面積廣，沙化程度嚴(yán)重，其中，鐵法縣全部為中度沙化面積，法庫縣中度沙化面積1245.99 km2，占該縣總面積的52.98%，重度沙化面積為125.29 km2，占該縣總面積的5.53 %，是遼河中游沙化最嚴(yán)重地區(qū)；遼河中下游沙化的遼中和黑山縣沙化分布面積廣，土壤均為輕度、中度沙化。其中黑山縣位于繞陽河流域，中度沙化面積288.3 km2，約占該縣面積40 %。遼河下游的盤山、大洼縣也是遼河干流流域沙化最嚴(yán)重地區(qū)，其中盤山縣土壤全部為中度沙化，大洼縣重度沙化面積135.88 km2，占該縣總面積的20.22 %，其余為中度沙化區(qū)域。遼河干流流域西部阜新是遼河干流流域沙化分布區(qū)域之一。阜新地區(qū)中度、重度沙化地區(qū)為499.22 km2，約占該區(qū)域面積的20 %。

3 沙化驅(qū)動(dòng)機(jī)制綜合分析

3.1 自然因素驅(qū)動(dòng)分析

為了進(jìn)一步確定遼河干流流域土壤沙化的氣象驅(qū)動(dòng)因素，有必要對(duì)各氣象變化的突變方式進(jìn)行進(jìn)一步分析，從而確定遼河流域影響土壤沙化的氣候因素。根據(jù)遼河干流土壤沙化中度、重度區(qū)域分布范圍，選取了彰武氣象站的氣象數(shù)據(jù)，包括降水、風(fēng)速等因素，利用Mann-Kendall突變檢測法對(duì)氣象和水文數(shù)據(jù)的年際變化做突變檢測，計(jì)算出各氣象、水文因素的突變年份，利用突變年對(duì)氣象、水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，并基于因子分析的方法，選擇了具有代表性的遼西彰武的遼河干流沙化區(qū)，探討遼河干流流域土壤沙化的成因。綜合彰武地區(qū)降水量、最大降水量、降水日數(shù)、最大風(fēng)速、平均風(fēng)速、平均氣溫等氣候和水文因子MK趨勢檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，突變點(diǎn)集中在1982年左右和1998年左右時(shí)段，因此將50年氣候因素分成3個(gè)時(shí)間段，分別不同時(shí)間段做因子分析，以確定土地沙化氣候驅(qū)動(dòng)因素。

利用SPSS對(duì)氣象指標(biāo)進(jìn)行因子分析，為了消除量綱可能帶來的影響，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后將氣象數(shù)據(jù)分為3組，分別對(duì)3組數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO和Bartlett球形度檢驗(yàn)，得出，KMO值分別為0.587、0.560、0.532。 Bartlett球形度檢驗(yàn)均為0.000，從上述結(jié)果可以看出，彰武地區(qū)氣象數(shù)據(jù)比較適合因子分析，見表6。

表6 各時(shí)段變量公因子方差表

特征值和貢獻(xiàn)率表7—8給出了每個(gè)成分的特征值、貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率，按照特征值大于85%條件，對(duì)3個(gè)時(shí)間段均選取了3個(gè)主因子，對(duì)各主因子進(jìn)行因子旋轉(zhuǎn)，得旋轉(zhuǎn)后的因子載荷表。1964—1982時(shí)段內(nèi)，日降水量和平均氣溫的載荷較大，說明在這一時(shí)間段內(nèi)，土壤的沙化主要受降水和氣溫影響，1983—1998以及1999—2018兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，第1主因子的平均風(fēng)速的載荷最大，分別為-0.604和0.597，說明在三北防護(hù)林建設(shè)之前，影響彰武地區(qū)土壤沙化的主要?dú)庀笠蜃訛榻涤旰蜌鉁?，建設(shè)三北防護(hù)林后，風(fēng)速成為土壤沙化的主要影響因子，因此可以確定，彰武地區(qū)的主要沙化主導(dǎo)因子為風(fēng)速。將此地區(qū)定義為風(fēng)蝕沙化區(qū)。

表7 特征值貢獻(xiàn)率表

表8 旋轉(zhuǎn)后的因子載荷表

3.2 人為因素驅(qū)動(dòng)分析

對(duì)遼河干流沙化區(qū)人為驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析，探討人為因素與其沙化土地面積的關(guān)聯(lián)度及貢獻(xiàn)率進(jìn)行定量分析，分析結(jié)果見表9。

表9 主要人為因素與沙化土地總面積的關(guān)聯(lián)度及相對(duì)貢獻(xiàn)率

從遼河干流沙化人為影響因素分析可看出，人口數(shù)量關(guān)聯(lián)度高于因素，關(guān)聯(lián)度及相對(duì)貢獻(xiàn)率分別為0.735和29.735%，國內(nèi)生產(chǎn)總值的關(guān)聯(lián)度和相對(duì)貢獻(xiàn)率最低。遼河干流人口數(shù)量一直呈現(xiàn)遞增變化，進(jìn)入2012年后人口增速有所減緩。人口數(shù)量變化對(duì)耕地面積和牲畜數(shù)量均有所影響，生態(tài)環(huán)境退還的主因在于人口的快速增長。此外遼干河流作為農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，糧食需求隨著人口遞增不斷加大，使得荒地開墾以及放牧的比例不斷提升，從而降低植被覆蓋程度，也使得土壤水保和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的影響和破壞。而細(xì)小顆粒由于植被保護(hù)和水分的丟失，使得其風(fēng)蝕、水蝕程度有所加大。此外由于牲畜啃食破壞土壤結(jié)構(gòu)，使得土壤結(jié)構(gòu)很難在較短的時(shí)間內(nèi)得到還原，地表穩(wěn)定性由于植被保護(hù)的能力的降低，使得風(fēng)蝕、水蝕的沙化特征越加明顯。

4 結(jié)語

(1)遼河干流流域土壤沙化程度以輕度和中度為主，且呈現(xiàn)出較強(qiáng)的地域分布，其中中度和重度沙化面積占干流流域面積比例分別為14.67 %和0.91%。遼河下游的盤山、大洼縣也是遼河干流流域沙化最嚴(yán)重地區(qū)，建議重點(diǎn)加強(qiáng)盤山和大洼縣的生態(tài)修復(fù)措施，減低其沙化程度。

(2)風(fēng)速是遼河干流土壤沙化的主要影響自然因素，此外大規(guī)模的開荒，導(dǎo)致遼河干流草地、林地面積迅速降低，土壤保水能力降低，蒸發(fā)量加大，使得土壤水分迅速流失，加速了遼河干流風(fēng)蝕、水蝕的影響，因此建議加大遼河干流尤其是風(fēng)蝕、水蝕等沙化特征區(qū)域水保措施，優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)。

(3)河流沙化影響因素應(yīng)是綜合的，在后續(xù)研究還應(yīng)對(duì)人為和自然影響因素進(jìn)行分離研究，定量分析兩個(gè)因素對(duì)遼河干流沙化的影響度。