劉燕燕, 孫桂麗,2, 吉小敏, 禹明柱, 冉亞軍
(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 林學與風景園林學院, 新疆 烏魯木齊 830052; 2.干旱區(qū)林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)技術重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830052; 3.新疆林業(yè)科學院 荒漠化研究所, 新疆 烏魯木齊 830052)
沙漠化是在干旱、半干旱和亞濕潤地區(qū)內(nèi)由于氣候變化與人類活動等因素作用下所產(chǎn)生的一種以風沙活動為主要標志的土地退化[1]。沙漠化作為當今國際社會面臨的全球性的生態(tài)—社會—經(jīng)濟問題之一,已受到全世界范圍內(nèi)的重點關注[2]。沙漠化過程不僅導致土壤結構疏松及養(yǎng)分流失、植被覆蓋和生物量降低等現(xiàn)象的發(fā)生,更造成可利用土地資源大量減少,制約著當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展[3]。國內(nèi)外學者對沙漠化問題的研究,特別是對北方干旱半干旱區(qū)的土地沙漠化問題[4-5],進行了大量的研究并取得了豐碩的研究成果,為沙漠化治理提供了重要的依據(jù)。
生態(tài)風險評估是指對生態(tài)環(huán)境遭遇某些脅迫因子影響后可能出現(xiàn)的不利后果進行的評估[6],并把評估結果作為后續(xù)處理措施的重要參考依據(jù),從而通過采取恰當?shù)拇胧p輕風險的發(fā)生,對加強區(qū)域生態(tài)安全具有重要的意義[7-8]。國內(nèi)外學者基于風險評估的原理與研究目的,通過建立的指標體系開展了不同區(qū)域的生態(tài)風險評價研究[9-11]。沙漠化風險評價是利用生態(tài)風險評估理論與沙漠化動態(tài)監(jiān)測研究相結合,構建沙漠化風險評價指標體系[12-13],識別其動態(tài)變化特征及關鍵影響因素,開展區(qū)域沙漠化風險評價。由于影響沙漠化風險因子較多,因此識別與判斷沙漠化風險主要驅動因子對區(qū)域沙漠化防治具有重要的現(xiàn)實意義[13-14]。
21世紀初期,受氣候變化和經(jīng)濟社會快速發(fā)展的影響以及資源不合理利用,博爾塔拉蒙古自治州土地沙漠化日趨嚴重[15],植被衰退、草地資源承載力和生態(tài)功能下降,區(qū)域生態(tài)安全遭到威脅,同時嚴重制約了區(qū)域的社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展[16]。目前對博爾塔拉蒙古自治州生態(tài)環(huán)境相關研究主要集中在沙漠化監(jiān)測[17]、景觀生態(tài)風險的評價[18]、荒漠植被的研究等[19],少有涉及沙漠化風險評價。因此,本研究以博爾塔拉蒙古自治州為研究對象,利用“3S”技術結合實地調(diào)研數(shù)據(jù),采用綜合指標法對博爾塔拉蒙古自治州土地沙漠化風險進行評價,并研究其空間變化特征,分析其影響因素,為博爾塔拉蒙古自治州生態(tài)保護與建設提供依據(jù)和參考。
博爾塔拉蒙古自治州(簡稱博州),位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部,準噶爾盆地西緣(44°02′—45°23′N,79°53′—83°53′E),地處亞歐大陸腹地,州境西、南、北三面山,中間是谷地平原,西部較窄,東部開闊,最高海拔4 575 m。博州屬于北溫帶干旱荒漠區(qū),為典型的大陸性干旱荒漠氣候,以風沙大,干旱少雨,氣溫變化劇烈為特征,多年平均氣溫為6.05 ℃,年均降水量為181 mm,年均蒸發(fā)量為1 562.4 mm,無霜期169 d。研究區(qū)由于特殊的地理位置和地形地貌,境內(nèi)分布著多種荒漠類型,荒漠生物種群多樣,是中國內(nèi)陸荒漠中為數(shù)不多的荒漠物種集中分布區(qū)[16],且境內(nèi)土壤分布種類較豐富,主要以灰棕漠土、棕鈣土、栗鈣土為主,受荒漠化以及西風環(huán)流以及蒙古高壓和西伯利亞冷空氣的影響[20],部分土壤已演變?yōu)轱L沙土,區(qū)域生態(tài)環(huán)境極不穩(wěn)定,沙漠化對博州的生態(tài)安全構成了極大威脅,嚴重影響區(qū)域社會經(jīng)濟的正常發(fā)展。
2.1.1 遙感影像數(shù)據(jù) 土地利用類型數(shù)據(jù)來自美國地質調(diào)查局( http∥:earth explorer.usgs.gov /),選取博州2000,2010,2020年7—8月植被生長茂盛期的3期空間分辨率為30 m的遙感影像以Landsat 8 OLI為主,并以Landsat4—5 TM作為補充,云量均小于3%,在ENVI 5.3和ArcGIS 10.5軟件的支持下,以實際調(diào)研研究區(qū)內(nèi)土地利用實際情況為基礎,對遙感影像進行輻射校正和幾何校正等預處理,采用監(jiān)督分類的方法,參考中國科學院土地利用/覆被分類標準進行分類。采用最大值合成法(maximum value composition,MVC)獲得每個年度植被生長季的NDVI最大值,通過像元二分模型計算植被覆蓋度[21]。數(shù)據(jù)中高程(DEM)數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)提供的ASTER GDEM 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)。坡度數(shù)據(jù)以高程數(shù)據(jù)的基礎,通過運用ArcGIS 10.5中Spatial Analyst工具箱下的坡度函數(shù)計算所得。
2.1.2 統(tǒng)計數(shù)據(jù) 氣象數(shù)據(jù)為 2000—2020年博州及周邊氣象站的逐日數(shù)據(jù),包括風速及降雨量,來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)( http:∥cdc.cma.gov.cn)以及周邊氣象站;牲畜數(shù)量、第一產(chǎn)業(yè)GDP、人口密度、耕地面積均來自于博爾塔拉蒙古自治州統(tǒng)計年鑒(2000—2020),在ArcGIS 10.5軟件的支持下,采用反距離權重法(IDW)進行插值處理,其空間坐標系及像元大小均與遙感影像數(shù)據(jù)相一致,通過自然斷點法進行分級[22]。
沙漠化風險的評價主要是為了客觀直接地反映研究區(qū)土地沙漠化風險等級的變化,更好地監(jiān)測沙漠化風險等級在時間和空間上的動態(tài)演變[23]。受氣候變化以及人為因素的影響,博州沙漠化風險發(fā)展的現(xiàn)狀顯然也有著顯著差異。在選取評價指標時,根據(jù)研究區(qū)自然環(huán)境特征,結合博州土地沙漠化風險現(xiàn)狀及其特征,同時考慮到指標的準確性和代表性,在氣候因素、地形地貌、植被、社會因素4個方面選取了9個指標,構成了博州沙漠化風險等級評價指標體系(表1),利用層次分析法獲得各個指標因子的權重值進行沙漠化風險評價。
表1 沙漠化風險評價指標體系及權重
為了反映博州不同區(qū)域的沙漠化風險程度,在參照前人[17,24-25]對沙漠化監(jiān)測、及沙漠化風險研究成果以及野外實際調(diào)研的基礎上,針對上述9個指標進行土地沙漠化風險的單因素等級評價,將各指標因子對沙漠化風險的影響程度劃分為低風險、中度風險、高度風險、極高風險4個評價等級,形成了具有明確分級標準的土地沙漠化風險評價指標體系(表2)。采用多指標加權綜合指數(shù)法,對博州沙漠化風險等級現(xiàn)狀程度進行綜合評價。
表2 沙漠化風險指標體系分級標準
層次分析法是一種將定性和定量等多項指標相結合的多準則評價方法[23],并且在風險評價中得到了廣泛的應用[26-27]。根據(jù)實地調(diào)研研究區(qū)實際情況,將9個指標因子進行比較判斷定量化,建立判斷矩陣。
(1)
利用方根法計算各指標的相對權重,計算公式如下:
(2)
一致性檢驗:檢驗判斷矩陣求出的權值是否合理,檢驗公式為:
CR=CI/RI
(3)
式中:RI是隨機性一致指標均值,CI是判斷矩陣的一致性標志,具體計算如下式:
(4)
當CR<0.1時,認為判斷矩陣檢驗通過;否則,對矩陣進行某些調(diào)整。驗證顯示,一致性檢驗結果CR=0.045<0.1,檢驗合格,通過一致性檢驗。
沙漠化風險評價,是一個較為復雜的綜合分析、評判過程,其涉及的因子多、面廣,本文采用“綜合指數(shù)法”對其進行評價[28],可以有效的反映各指標因子在沙漠化風險評價中的地位和作用,沙漠化風險指數(shù)分級標準見表3。
(5)
式中:P表示沙漠化風險指數(shù);Xi表示第i個指標的權重值;Yij表示第i列j行的等級值;n表示評價因子,n≤9;X值在[0~1]區(qū)間內(nèi),X值越大,則對土地沙化風險越高,Y等級值為[1,2,3,4],Y值越大,沙化風險越嚴重。
表3 沙漠化風險等級
沙漠化土地重心遷移模型是運用ArcGIS軟件繪制出不同時期下不同風險程度沙漠化土地的重心坐標,根據(jù)重心坐標能夠更加直觀地反映出每個時期的沙漠化風險遷移方向及遷移的距離及空間動態(tài)變化規(guī)律,本研究對2000,2010,2020年不同時期沙漠化風險4種等級進行重心計算,重心坐標的運算方式如下[29]:
(6)
(7)
式中:Xt為在第t年時某一種沙漠化風險等級的經(jīng)度;Yt為在第t年時某種沙漠化風險等級的緯度;n為第t年時的某一種沙漠化風險等級區(qū)域的斑塊數(shù);Cti為第t年第i種沙漠化風險等級區(qū)域的面積;Xt是第i個斑塊在沙漠化風險等級當中的經(jīng)度坐標;Yi是第i個斑塊在沙漠化風險等級當中的緯度坐標。
根據(jù)不同沙漠化風險等級區(qū)域面積的所占比例(表4)可以看出,2000—2020年中度風險面積所占比例最高,占區(qū)域總面積的40%以上,在2000年,極高風險區(qū)域面積較高,占總面積的25.44%,到2010年,沙漠化風險逐漸減輕,極高風險區(qū)域面積減少到19.55%,共減少1 465.11 km2,主要是由于人為加強生態(tài)保護,封育后草地覆蓋度增加,部分戈壁、沙地等未利用地得到有效的改良,降低了沙漠化風險。高度風險和中度風險區(qū)域面積變化不明顯,低風險區(qū)域面積增加;至2020年,沙漠化風險變化趨勢較為顯著,極高風險區(qū)域面積持續(xù)減少,較2010年減少了6.82%,共1 659.19 km2,其中277.91 km2的未利用地得到有效的改善,降低了沙漠化風險,平均每年16.59 km2的極高風險區(qū)域得到有效的治理;低風險區(qū)域面積由2000年13.49%增加到23.25%,整體上增加了2 424.76 km2,部分建設用地、高覆蓋草地的增加,降低了沙漠化風險;中度風險由2000年43.99%減少到42.47%,共減少379.38 km2,變化范圍不明顯。
表4 2000,2010,2020年沙漠化風險等級區(qū)域面積及比例
從空間分布上看,博州沙漠化風險區(qū)域分布差異較為明顯(圖1)。在2000年博州沙漠化風險區(qū)分布中,中度風險和極高風險區(qū)面積占比較大,其中極高風險區(qū)主要分布于阿拉山口市、艾比湖國家自然保護區(qū)、托托鎮(zhèn),精河縣烏郎旦達蓋村、基布克拉村以及溫泉縣西部和溫泉縣安格里格鎮(zhèn)的東部均有分布;中度風險分布較為廣泛,在博樂市和溫泉縣大部分地區(qū)均有分布;高度風險主要分布在精河縣、溫泉縣極高風險和中度風險的過渡地帶;低風險主要分布于博樂市。2000—2010年博州沙漠化風險分布變化幅度較小。至2010年,溫泉縣極高風險大面積轉化為高度風險區(qū),低風險區(qū)域面積顯著增加,精河縣基布克拉村、烏郎旦達蓋村極高風險區(qū)面積均有減少。2020年博州沙漠化風險空間分布變化較為顯著,其中精河縣托托鎮(zhèn)、基布克拉村、烏郎旦達蓋村以及艾比湖國家自然保護區(qū)極高風險區(qū)域面積均有減少,主要分布于烏郎旦達蓋沙漠,艾比湖國家自然保護區(qū)以及阿拉山口市。博樂市和溫泉縣低風險面積均有所增加,呈片狀分布。
圖1 2000—2020年博爾塔拉蒙古自治州沙漠化風險等級
2000—2020年期間,可以明顯看出極高風險區(qū)域均主要集中在博州的東部,尤其是東北部風險較高,其原因在于該區(qū)域位于中國四大風口之一的阿拉山口,大部分土地是荒漠區(qū)、未利用地,植被稀疏,地表植被覆蓋程度較低,受大風的影響,艾比湖湖底逐漸裸露,沙源面積擴大,造成其下游的精河平原甚至其西面的博樂市受到大風影響,導致風沙災害頻繁發(fā)生,沙漠化風險顯著增加。高度風險區(qū)域分布范圍較廣,主要分布于東南部精河縣牧場及西部地區(qū)溫泉縣牧場,由于牲畜數(shù)量的快速增加,過度啃食草場,致使植被高度降低、蓋度減小及牲畜踐踏,在一定程度上加劇了土地沙漠化風險。中度風險和低風險主要集中在博樂市及溫泉縣,由于人口數(shù)量的增長,耕地面積、建筑用地的急劇增加,這是導致該區(qū)域中度風險區(qū)域面積減少,低風險面積增加的主要原因。
綜上所述,近20 a來博州極高風險、中度風險區(qū)域面積逐漸減少,高度風險、低風險區(qū)域面積逐漸增加,說明博州沙漠化風險正在逐漸減輕,表明博州土地沙化治理與防護效果較顯著。但是,高度風險等級與極高風險等級區(qū)域面積所占比例依然較高,未來還可能發(fā)生存在部分風險逆轉,對于城市化、建筑用地等不合理的土地利用等方式都可能會加劇沙漠化風險程度。
根據(jù)博州沙漠化風險轉移矩陣(表5)可知,2000—2010年期間,博州沙漠化風險呈現(xiàn)降低趨勢,主要表現(xiàn)為極高風險向高度風險區(qū)轉移,轉移面積為1 592.67 km2,高度風險向中度風險轉移,轉移面積為1 516.39 km2,主要是由于在人為干擾下,部分未利用土地經(jīng)過有效治理得到很大改善,其中戈壁轉移1 655.76 km2,未利用土地大面積減少,低,中覆蓋草地大面積增加,導致高風險逐級向低風險轉移。中度風險向低風險轉移,轉移面積為1 629.66 km2,由于退耕還林還草等措施,使綠洲面積增加,降低了沙漠化風險。至2020年,極高風險和中度風險區(qū)域面積逐漸減少,高度風險和低度風險區(qū)域面積逐漸增加。高度風險面積的增加主要由極高風險逆轉而來,共轉移1 673.25 km2,占高度風險轉化面積所有來源的31.2%,其中主要是位于艾比湖國家自然保護區(qū)、精河縣托托鎮(zhèn)大面積鹽堿地、戈壁、裸巖石質地等未利用地的地表植被蓋度顯著增加,以及艾比湖國家自然保護區(qū)部分鹽堿地通過注水等濕地生態(tài)恢復措施將其轉化為水域,使湖體濕地面積增加,降低了沙漠化風險。低風險面積大部分來源是中度風險轉化,中度風險轉化面積為1 440.83 km2,所占來源比例的25%,主要是由于精河縣、博樂市部分耕地逐漸轉化為經(jīng)濟林、高覆蓋草地,使低風險區(qū)域范圍逐漸擴大。
由表5可見,2000—2020年期間,博州沙漠化風險呈現(xiàn)穩(wěn)定降低趨勢,轉移面積最多的風險等級為極高風險轉移為高度風險,轉移面積為2 910.02 km2,占總面積的12%,低風險區(qū)轉移面積最少,主要向中度風險轉移,共轉移239.82 km2,中度風險主要向低風險轉移,轉移面積為2 609.22 km2,向高度風險面積轉移395.96 km2,高度風險逐漸向中度風險轉移,共轉移2 085.44 km2。分析表明,2000—2020年博州低風險面積呈明顯增加趨勢,極高風險區(qū)面積降低較為明顯,而高度風險區(qū)面積略有增加,中度風險區(qū)面積略有減少,總體呈綠洲生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定、荒漠生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱的態(tài)勢。
綜上分析,博州在研究時段內(nèi)沙漠化風險之間主要是極高風險與高度風險兩種風險程度之間的轉化,同時極高風險與高度風險也在向中度風險與低風險等級轉移,面積也在逐漸地分散,沙漠化風險程度在逐漸降低。
表5 2000—2020年博爾塔拉蒙古自治州沙漠化風險轉移矩陣 km2
為了更好地監(jiān)測博州沙漠化風險等級區(qū)域的變化趨勢,基于ArcGIS軟件平臺的重心遷移模型對2000—2020年不同風險等級的中心坐標進行處理運算,并利用經(jīng)緯網(wǎng)更明顯地反映出偏移的方向(圖2)。從圖2中可以看出,極高風險區(qū)域重心主要集中于研究區(qū)域的中東部博樂市及精河縣,高度風險區(qū)與中度風險區(qū)重心均分布在研究區(qū)的中部博樂市與精河縣交界處,低風險區(qū)重心主要集中于研究區(qū)的中西部溫泉縣。
圖2 2000—2020年博爾塔拉蒙古自治州沙漠風險等級重心遷移
由圖2可以看出,2000—2010年期間極高風險重心向東南方向遷移了39.00 km,2010—2020期間又向東北方向遷移了15.12 km,從3個時間段來看,極高風險重心整體上向精河縣東部遷移了54.12 km,呈現(xiàn)逐漸向東北部艾比湖地區(qū)遷移的趨勢;高度風險重心2000年位于博樂市緊鄰精河縣,在2000—2010年期間向東南方向遷移了23.27 km,2010—2020年又向東北方向遷移了9.99 km??梢钥闯?,高度風險重心整體上逐漸向精河縣遷移,共遷移了33.03 km。隨著時間的變化極高風險、高度風險往東部精河縣,東北方向艾比湖地區(qū)移動尤為明顯。中度風險與低風險的重心分布較為集中,偏移變化范圍不大。在各種風險等級當中,高度風險與極高風險的重心遷移尤為明顯,主要原因高度風險與極高風險在逐漸轉化為其他風險,從而導致高度風險與極高風險的所占面積比例的變化。
綜上分析,極高風險與高度風險重心逐漸向東、東北方向移動,這可能與近年來,精河縣注重防沙固沙經(jīng)濟林樹種的養(yǎng)護管理,如枸杞、桑樹、葡萄等,以及開墾荒地改良未利用地土壤特性等措施,增加地面的植被覆蓋度,提高經(jīng)濟的同時,改善了生態(tài)環(huán)境效益,同時增強了防沙治沙的效果,沙漠化風險也在逐漸減弱,總體上朝東北方向艾比湖地區(qū)逐漸退縮。艾比湖由于處于阿拉山口,風沙天氣頻繁發(fā)生,氣候呈現(xiàn)出暖干化現(xiàn)象,土壤濕度下降、地表蒸發(fā)量大,導致地表植被退化、枯萎,為風力侵蝕地表創(chuàng)造了有利條件,加上人類活動影響,從而導致了沙漠化風險的進一步發(fā)展[30-31]。盡管阿拉山口在近20 a來都屬于沙漠化極高風險區(qū),但是由于大力種植防風固沙樹種,設置草方格等增加地表粗糙度,增加綠地面積等一系列生態(tài)修復措施,年大風日數(shù)從1977年的188 d,2004年79 d[32]減少到2020年的35 d,風速逐漸受到控制,生態(tài)環(huán)境逐步得到改善,沙漠化風險等級也在逐漸降低。
本研究從沙漠化風險的時空分布、風險轉移以及風險遷移3個方面對博州沙漠化風險進行分析,博州沙漠化風險總體呈現(xiàn)下降的趨勢。部分高度風險、極高風險沙漠化土地得到有效的治理改善。整體來看,2000—2020年研究區(qū)內(nèi)沙漠化風險整體呈現(xiàn)改善狀況,但未來風險還可能存在部分逆轉趨勢。一方面因為在城市擴張過程中,人口數(shù)量的增長導致建設用地急劇增加,耕地、林地等植被景觀破碎化程度增加,可能會造成植被退化,進一步加劇沙漠化風險。另一方面在全球氣候變暖的環(huán)境下,研究區(qū)西高東低的地勢特點,氣溫由西向東逐漸升高,并且蒸發(fā)量遠遠大于降水量,導致生態(tài)用水嚴重不足,對地表植被生長保護及水資源開發(fā)利用均有不利影響,也可能導致沙漠化風險程度加深。從局部來看,極高風險主要分布于阿拉山口艾比湖地區(qū),與現(xiàn)有成果相比[33-36],艾比湖地區(qū)沙漠化現(xiàn)狀及空間分布與上述研究成果一致。根據(jù)前人研究[37-38]顯示,氣候變化和不合理的人類活動共同導致了艾比湖地區(qū)的沙漠化風險程度的加劇。自2000年以來,為遏制沙漠化進一步發(fā)展,博州陸續(xù)開展退耕還林還草、封育禁牧,濕地生態(tài)修復等一系列沙化土地綜合治理政策[30,39],生態(tài)環(huán)境受到修復,地表植被蓋度增加,極高風險與高度風險向中度風險與低度風險等級逐步遷移,沙漠化風險逐漸減輕。中度風險與低風險等級在空間變化上所涉及的范圍邊緣變化不明顯,在這兩種沙漠化風險中包含了建設用地以及水域等土地利用類型,這一類的土地利用類型在一定情況下改善了周邊人類所生存的環(huán)境狀況并帶動了經(jīng)濟的發(fā)展,與此同時人們的防沙治沙的理念也在增強,興起了許多對沙漠化有一定治理作用的沙產(chǎn)業(yè),這些產(chǎn)業(yè)在自身發(fā)展的同時對沙漠化發(fā)生了潛移默化的影響。
(1) 時空分布。博州土地沙漠化風險等級區(qū)域分布較為集中,以東部區(qū)域的沙漠化風險程度高于西部地區(qū),研究時段內(nèi)東北部阿拉山口艾比湖地區(qū)一直處于極高風險區(qū)域,東部精河縣部分區(qū)域極高風險范圍得到控制,面積明顯縮小,區(qū)域內(nèi)以高度風險分布為主,西部溫泉縣極高風險、高風險區(qū)域逐漸過渡為高風險及中度、低風險,中部博樂市低風險面積增加,沙漠化風險逐漸趨于穩(wěn)定。
(2) 風險轉移。博州沙漠化風險總體上呈現(xiàn)穩(wěn)定逆轉的變化趨勢,變化趨勢較為明顯。主要是以極高風險向高度風險轉移,高度風險向中度風險轉移,中度風險向低風險轉移的方式呈現(xiàn),其中極高風險面積共減少3 160.30 km2,平均每年125 km2的極高風險區(qū)域得到有效治理,大面積未利用地逐漸轉化為耕地、草地及建設用地,極高風險區(qū)域范圍逐漸衰退,低風險區(qū)域范圍逐漸擴張,面積也在逐漸地分散。表明博州沙漠化治理成效顯著。
(3) 風險遷移。沙漠化風險土地重心由東向西依次是極高風險區(qū)、高度風險區(qū)、中度風險區(qū)、低風險區(qū)。高度風險與極高風險重心主要分布在博樂市與精河縣交界處并且逐漸向精河縣東部遷移,中度風險、低風險主要分布在研究區(qū)中部博樂市同精河縣、溫泉縣交界處,變化趨勢不明顯。通過重心遷移模型對土地沙漠化風險等級的分析,可以更好地監(jiān)測并進行及時控制。