張建香, 張多勇, 劉萬(wàn)鋒, 胡愛(ài)萍, 王 東, 胡劍橋

(1.隴東學(xué)院 土木工程學(xué)院, 甘肅 慶陽(yáng) 745000; 2.甘肅省高校黃土的工程性質(zhì)及工程應(yīng)用省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅慶陽(yáng) 745000; 3.慶陽(yáng)市荒漠化防治研究中心, 甘肅 慶陽(yáng) 745000)

基于ESAI的黃土高原荒漠化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

張建香1,2, 張多勇3, 劉萬(wàn)鋒1,2, 胡愛(ài)萍1, 王 東1, 胡劍橋1

(1.隴東學(xué)院 土木工程學(xué)院, 甘肅 慶陽(yáng) 745000; 2.甘肅省高校黃土的工程性質(zhì)及工程應(yīng)用省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅慶陽(yáng) 745000; 3.慶陽(yáng)市荒漠化防治研究中心, 甘肅 慶陽(yáng) 745000)

[目的] 對(duì)黃土高原荒漠化風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，為黃土高原生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)、建設(shè)和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。 [方法] 通過(guò)收集黃土高原的地形、氣候、植被、土壤以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面的數(shù)據(jù)，借助RS和GIS平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)黃土高原荒漠化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的空間化和數(shù)字化，在此基礎(chǔ)上分析荒漠化的成因，構(gòu)建荒漠化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立基于環(huán)境敏感性區(qū)指標(biāo)(ESAI)的荒漠化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，分析荒漠化風(fēng)險(xiǎn)程度的空間格局，探索黃土高原不同區(qū)域荒漠化形成的主要原因。 [結(jié)果] (1) 基于土壤、氣候、植被3種要素的環(huán)境敏感區(qū)生物物理指標(biāo)顯示：黃土高原大約1/4的區(qū)域(25.2%)為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，屬于嚴(yán)重荒漠化，幾乎2/3的區(qū)域(62.8%)是輕微荒漠化，11.5%的地區(qū)為潛在荒漠化，只有0.5%的地區(qū)無(wú)荒漠化現(xiàn)象； (2) 加入人類(lèi)誘發(fā)因素后，改變了黃土高原荒漠化風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的原有格局。其中，極低、低度和極高度敏感區(qū)減少了5.6%，1.1%和3.8%；與此同時(shí)，較低和較高度敏感區(qū)增加了4.4%和4.5%。 [結(jié)論] (1) 該模型能很好地說(shuō)明黃土高原荒漠化風(fēng)險(xiǎn)的空間分布格局，其荒漠化程度由西北向東南地區(qū)逐漸減弱； (2) 人類(lèi)活動(dòng)已經(jīng)在一定程度上打破了長(zhǎng)期穩(wěn)定的自然生態(tài)系統(tǒng)，并且縮小了不同程度荒漠化之間的差距。

荒漠化; 環(huán)境敏感區(qū)指標(biāo)(ESAI); 地理信息系統(tǒng)(GIS); 黃土高原

文獻(xiàn)參數(shù)： 張建香, 張多勇, 劉萬(wàn)鋒, 等.基于ESAI的黃土高原荒漠化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].水土保持通報(bào)，2017,37(2)：339-344.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.051； Zhang Jianxiang, Zhang Duoyong, Liu Wanfeng, et al. ESAI Based Assessment of Desertification Risk in Loess Plateau[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：339-344.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.051

1977年聯(lián)合國(guó)荒漠化會(huì)議召開(kāi)以后，“荒漠化”作為一個(gè)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題被世界所公認(rèn)。1991年9月，聯(lián)合國(guó)環(huán)境署在日內(nèi)瓦召開(kāi)了荒漠化防治第8次顧問(wèn)會(huì)議，對(duì)世界荒漠化防治作了全面研究。近年來(lái)，學(xué)術(shù)界主要傾向于荒漠化的演變過(guò)程、荒漠化驅(qū)動(dòng)機(jī)制、荒漠化監(jiān)測(cè)與評(píng)估及其指標(biāo)體系的建立等方面的研究，地理信息系統(tǒng)技術(shù)在荒漠化研究中被廣泛應(yīng)用[1]。盡管如此，目前研究尚存在諸多問(wèn)題，荒漠化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法尚待進(jìn)一步深化。第一，在研究深度上，應(yīng)將傳統(tǒng)的小尺度、靜態(tài)的定性調(diào)查描述轉(zhuǎn)向定位、定量地對(duì)荒漠化格局、過(guò)程及內(nèi)在機(jī)制進(jìn)行宏觀、動(dòng)態(tài)及具有輔助決策作用的系統(tǒng)研究；第二，在研究方式上，應(yīng)更加注重學(xué)科的聯(lián)合和滲透，同時(shí)應(yīng)結(jié)合野外定點(diǎn)觀測(cè)、遙感監(jiān)測(cè)和GPS/GIS應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)荒漠化的動(dòng)態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)[2]；第三，為研究土地退化程度，Kosmas教授[3]于1999年提出了環(huán)境敏感區(qū)法(environmentally sensitive areas, ESAs)，該方法考慮了土壤、氣候、植被、土地管理等質(zhì)量指標(biāo)，但隨著人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的干擾日益加大，ESAs方法中的各項(xiàng)指標(biāo)已不能充分反映環(huán)境質(zhì)量的高低。為此，本研究以中國(guó)典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)黃土高原為研究對(duì)象，在ESAs方法的基礎(chǔ)上，綜合地形、氣候、植被、土壤、人口、經(jīng)濟(jì)等多種生物—物理方面的環(huán)境質(zhì)量影響因素，建立基于環(huán)境敏感性評(píng)估指標(biāo)的黃土高原區(qū)荒漠化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型ESAI(environmental sensitive areas index)[4-5]，研究黃土高原不同程度荒漠化的空間分布格局，探索不同區(qū)域影響荒漠化的主要原因，進(jìn)而為黃土高原生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)、建設(shè)和保護(hù)提供科學(xué)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原坐落在中國(guó)大陸的中北部，位于黃河流域的中游地帶(33°41′—41°16′N(xiāo)，100°52′—114°33′E)，跨陜、甘、青、晉、寧、豫、內(nèi)蒙古7個(gè)省(區(qū))，東起太行山，西至烏鞘嶺—日月山，南達(dá)秦嶺，北至陰山，東西長(zhǎng)約1 300 km，南北寬約800 km，總面積約6.23×105km2，平均海拔1 500～2 000 m[6-7]。黃土高原具有典型的大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱潮濕。年平均溫度由西北(4.3 ℃)向東南(14.3 ℃)逐漸遞增。多年平均降水量約為460 mm，且降水量的年際變化較大[8]。黃土高原被深厚的黃土層覆蓋，大部分地區(qū)黃土厚度達(dá)100 m，已成世界黃土層最厚、分布最廣泛、最典型的黃土地貌。同時(shí)，由于該地區(qū)植被稀少，而黃土土質(zhì)疏松，且暴雨多集中在夏秋兩季，地形起伏大，極易出現(xiàn)水土流失，導(dǎo)致黃土高原成為全球生態(tài)退化最嚴(yán)重的地區(qū)之一[9-10]。

1.2 荒漠化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

為適應(yīng)綜合地形、氣候、植被、土壤、人口、經(jīng)濟(jì)等多種環(huán)境質(zhì)量因素，在環(huán)境敏感區(qū)法(ESAs)基礎(chǔ)上，提出基于環(huán)境敏感區(qū)指標(biāo)的黃土高原荒漠化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，建立對(duì)黃土高原不同區(qū)域荒漠化的評(píng)價(jià)機(jī)制。模型包含5組指標(biāo)，即：土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)、氣候質(zhì)量指數(shù)(CQI)、植被質(zhì)量指數(shù)(VQI)、土地利用與管理質(zhì)量指數(shù)(LU-MQI)和人類(lèi)脅迫指數(shù)(HPI)。其中，土壤質(zhì)量指數(shù)SQI的計(jì)算包含成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地、碎石含量、土壤深度、排水條件和坡度等要素；氣候質(zhì)量指數(shù)CQI，主要通過(guò)降水、干旱指數(shù)、坡向和降雨侵蝕力等指標(biāo)得出；植被質(zhì)量指數(shù)VQI包含植被覆蓋度、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性、土壤侵蝕保護(hù)和植被耐旱性等要素；土地利用與管理質(zhì)量指數(shù)LU-MQI，主要通過(guò)耕地、草地、林地和灌叢的面積以及水土保持措施的重點(diǎn)區(qū)域計(jì)算得出；人類(lèi)脅迫指數(shù)HPI主要根據(jù)人口數(shù)量、人口密度和農(nóng)業(yè)人口所占比重來(lái)確定[11]。與Gad 等[12]2008年提出的荒漠化敏感指數(shù)模型(DSI)相比，ESAI模型包含了兩項(xiàng)新的指標(biāo)，即土地利用與管理質(zhì)量指數(shù)和人類(lèi)脅迫指數(shù)，而DSI模型可以描述為包含土壤、氣候和植被等生物物理要素的環(huán)境敏感區(qū)指標(biāo)(ESAI_SCV)：

ESAI_SCV=(SQI·CQI·VQI)1/3

(1)

據(jù)此，基于環(huán)境敏感區(qū)指數(shù)(ESAI)的黃土高原荒漠化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型可以表示為：

ESAI=(SQI·CQI·VQI·LU_MQI·HPI)1/5

(2)

為了反映土地退化的程度，我們把ESAI模型按照敏感程度由高到低依次分為8類(lèi)：極高、高度、較高、較低、低度、極低、潛在敏感和不敏感。

其中，SQI(土壤質(zhì)量指數(shù))是在原來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型ESI[13]的基礎(chǔ)上估算出來(lái)的，該模型考慮了母巖(PM)、土壤質(zhì)地(ST)、碎石(RF)、土壤深度(SD)、排水條件(Drainage)和坡度(Slope)等6個(gè)影響因子(公式3)：

SQI=(PM·ST·RF·SD·Drainage·Slope)1/6

(3)

其中，母巖(PM)中酸性巖母質(zhì)(含石英、正長(zhǎng)石、白云母等淺色礦物)的抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，而基性和超基性巖母質(zhì)(含角閃石、輝石、黑云母等深色礦物)的抗風(fēng)化能力較弱。土壤質(zhì)地(ST)是土壤顆粒的粗細(xì)狀況，顆粒越粗，往往地表越貧瘠，對(duì)應(yīng)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)程度也比較高，反之亦然。土壤中碎石含量(RF)的多少會(huì)影響土壤受侵蝕的程度，當(dāng)土體中存在中等風(fēng)化程度變質(zhì)巖碎石時(shí)，影響了坡面土體蓄水能力與產(chǎn)流方式，同一雨量下,雨強(qiáng)小且歷時(shí)長(zhǎng)的降雨徑流系數(shù)可能?。粚?duì)于存在風(fēng)化程度高的沉積巖碎屑的土體，坡上土體易在沉積巖層或土巖界面形成壤中流，在坡下則有利于徑流入滲；對(duì)于橢圓卵石存在的土體，坡上易形成壤中流,坡下淺層土體易蓄積水量[14]。土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI)的其余3項(xiàng)因素與土壤的環(huán)境質(zhì)量關(guān)系表現(xiàn)為：當(dāng)土壤深度越大，排水條件越好，坡度越小時(shí)，土壤的環(huán)境質(zhì)量則越高。

CQI(氣候質(zhì)量指數(shù))是由年平均降水量P、坡向(Aspect)、干旱指數(shù)BGI(Bagnouls-Gaussen aridity index)[15](公式5)和通用土壤流失方程(USLE)中的降雨侵蝕力因子(R)[16]共同決定的(公式4)。

SQI=(P·Aspect·BGI·R)1/4

(4)

降水量(P)是衡量區(qū)域氣候的重要標(biāo)志，但不是唯一的：氣溫會(huì)影響當(dāng)?shù)氐恼羯⒘?，故需要結(jié)合降水和氣溫2個(gè)要素來(lái)反映區(qū)域的干旱程度；由于不同坡向(Aspect)的植被種類(lèi)不同，使得熱量和水分交換在時(shí)間和空間上存在顯著差異，多項(xiàng)研究表明，陽(yáng)坡具有更南地區(qū)的氣候特點(diǎn)，而陰坡則具有更北地區(qū)的氣候特點(diǎn)。因此坡向也成為反映氣候質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。

(5)

式中：ti——月平均氣溫(i=1～12)；pi——月平均降雨量；k——系數(shù)，表示一年中各月降雨量在數(shù)值上小于兩倍氣溫時(shí)月份的個(gè)數(shù)。

VQI(植被質(zhì)量指數(shù))根據(jù)植被覆蓋度(VC)，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性(FR)，土壤侵蝕保護(hù)(SEP)和植物耐旱性(VRD)等要素估算得出(公式6)，而后三者都是依據(jù)植被類(lèi)型直接進(jìn)行量化的[16]，其中：就火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性(FR)來(lái)說(shuō)，果園和作物相比草地、灌木和落葉林等植被發(fā)生火災(zāi)的可能性較小，而針葉林發(fā)生火災(zāi)的可能性最大；對(duì)土壤侵蝕保護(hù)(SEP)能力而言，由強(qiáng)到弱依次是針葉林、灌叢、草原、落葉林、果園和農(nóng)作物；植物的耐旱性(VRD)最強(qiáng)的是針葉林和落葉林，果園和草原的次之，農(nóng)作物的耐旱性最差。

VQI=(VC·FR·SEP·VRD)1/4

(6)

LU_MQI(土地利用與管理質(zhì)量指數(shù))包含土地利用(LUI)和土地管理政策(MQI)2種指標(biāo)(公式7)。而土地利用指標(biāo)(LUI)又分為作物用地(CLUI)、牧場(chǎng)用地(PLUI)和森林用地(FLUI)3種指標(biāo)(公式8)。其中，CLUI(作物用地)是綜合農(nóng)作物的耕作強(qiáng)度、灌溉強(qiáng)度、農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度、農(nóng)用化肥使用數(shù)量以及植被保護(hù)產(chǎn)品的使用等5項(xiàng)指標(biāo)得到的；PLUI(牧場(chǎng)用地)考慮了整個(gè)研究區(qū)內(nèi)牧業(yè)用地的面積和牲畜頭數(shù)；FLUI(森林用地)是通過(guò)森林覆蓋度估算得出的。MQI表示對(duì)土地的保護(hù)，主要通過(guò)退耕還林、修建梯田和淤地壩等水土保持措施[17]估算出來(lái)的。

LU_MQI=(LUI·MQI)1/2

(7)

LUI=(CLUI·PLUI·FLUI)1/3

(8)

人類(lèi)脅迫指數(shù)(HPI)表示人類(lèi)對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。由于黃土高原地區(qū)相比中國(guó)其他地區(qū)游客數(shù)量較少，沒(méi)有考慮原有HPI指標(biāo)中旅游業(yè)對(duì)土地退化的影響。因此，將ANPA的人類(lèi)脅迫指數(shù)(HPI)[18]進(jìn)行了修訂(公式9)。

HPI=(PD·RP·EA)1/3

(9)

式中：PD——人口密度； RP——年底常住人口； EA——農(nóng)業(yè)人口。

1.3 數(shù)據(jù)采集和等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)查閱數(shù)據(jù)庫(kù)和基層調(diào)研，我們獲取了一系列的自然地理和社會(huì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，主要有地形、氣候、土壤、植被等遙感數(shù)據(jù)，人口、經(jīng)濟(jì)等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及政策方面的歷史資料等(表1)。

所有這些數(shù)據(jù)都是為了建立基于ESAI的荒漠化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。不同數(shù)據(jù)或圖層的創(chuàng)建都是為了構(gòu)建5種環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(SQI，CQI，VQI，LU_MQI和HPI)，而這些質(zhì)量指數(shù)都是借助GIS平臺(tái)計(jì)算的。每個(gè)環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)中不同變量的量化主要依據(jù)Ferrara等[15]2005年提出的方案。為了對(duì)量化以后的環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行等級(jí)劃分，參考意大利學(xué)者Ladisa[1]的劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合黃土高原的實(shí)際情況，最終確定了ESAI模型中各項(xiàng)指標(biāo)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表1 ESAI模型中相關(guān)數(shù)據(jù)及其來(lái)源

表2 ESAI模型各項(xiàng)指標(biāo)的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同環(huán)境質(zhì)量指數(shù)分析

由于受各種自然條件和人類(lèi)活動(dòng)的影響，所以荒漠化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。通過(guò)ESAI模型對(duì)黃土高原荒漠化風(fēng)險(xiǎn)各指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如附圖9a—9e所示(SQI，CQI，VQI，LU_MQI和HPI)。

2.1.1 土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI) 附圖9a表明，黃土高原1/2以上的土壤為中等質(zhì)量(52.5%)，接近1/2(44.2%)的為高品質(zhì)土壤，而低質(zhì)量土壤僅占了3.3%。其中，高質(zhì)量區(qū)主要分布在黃土高原的中心地段。分布如此廣泛的高質(zhì)量土壤是因?yàn)辄S土高原土層深厚，被稱(chēng)為世界上黃土層最厚的地方，在人類(lèi)頻繁的黃土高原活動(dòng)作用下黃土巖石被改造成為土壤，多數(shù)地區(qū)有效土壤厚度達(dá)100 cm。對(duì)于小面積的低質(zhì)量土壤，主要是由于其土層較淺，地表貧瘠且土壤排水條件較差。

2.1.2 氣候質(zhì)量指數(shù)(CQI) 通過(guò)對(duì)全國(guó)61個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，并經(jīng)過(guò)一系列的計(jì)算得到氣候質(zhì)量指數(shù)，并進(jìn)行氣候質(zhì)量等級(jí)劃分(附圖9b)。附圖9b表明，氣候質(zhì)量呈東南向西北遞減的趨勢(shì)，同時(shí)在寧夏—蘭州—海原—定邊—綏德—河曲—呼和浩特等地區(qū)存在一條明顯的界限。其中，低質(zhì)量氣候區(qū)主要分布在邊界以北(23.7%)，高質(zhì)量氣候區(qū)主要分布在編輯以南(29.8%)，而中等質(zhì)量氣候區(qū)鑲嵌分布在以上兩者之間(46.5%)。這種空間格局和黃土高原年平均降水量的分布格局基本一致，但因考慮了氣溫要素，使得氣候質(zhì)量的空間差距進(jìn)一步縮小；另外，不同的坡向?qū)е陆邓蜔崃恐匦路峙?，使整個(gè)氣候質(zhì)量在微觀尺度上也表現(xiàn)出空間差異性。

2.1.3 植被質(zhì)量指數(shù)(VQI) 植被質(zhì)量指數(shù)顯示，不到1/5的黃土高原地區(qū)植被質(zhì)量較高(19.0%)，將近1/2的地區(qū)是中等質(zhì)量(42.1%)，大約38.0%的區(qū)域植被質(zhì)量較差(附圖9c)。高質(zhì)量植被區(qū)位于黃土高原東南部，主要由分布在秦嶺，子午嶺和太行山北部的高植被覆蓋率的森林決定。由于黃土高原整體的植被覆蓋度較低，大部分地區(qū)都屬于中等或低植被質(zhì)量區(qū)，尤其是以草地為主的內(nèi)蒙古河套平原。另外，從東南向西北的過(guò)渡地帶由于分布了大量的農(nóng)作物，其脆弱的植被類(lèi)型無(wú)論從耐旱性或是保護(hù)地表不被侵蝕等方面都比較差，因此，導(dǎo)致了大面積低植被質(zhì)量區(qū)域的分布。

2.1.4 土地利用與管理質(zhì)量指數(shù)(LU_MQI) 有關(guān)土地利用與管理質(zhì)量的高低，主要通過(guò)縣域尺度上耕地面積、放牧面積和造林面積等進(jìn)行估算(附圖9d)。土地利用和管理質(zhì)量指數(shù)顯示：黃土高原幾乎1/2的區(qū)域(48.3%)處于高水平甚至極高水平，主要分布在黃土高原中部由東北向西南延伸的廣闊地帶。因?yàn)樵搮^(qū)域是中國(guó)科學(xué)院(CAS)劃分的水土保持重點(diǎn)區(qū)域，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，實(shí)施了大規(guī)模的坡改梯、淤地壩等水土保持工程措施以及大量的植樹(shù)造林、退耕還林還草生態(tài)措施。研究結(jié)果顯示，中等質(zhì)量占36.1%，與高質(zhì)量區(qū)所占比例較為接近，主要分布在黃土高原的東南部渭河平原一帶，另外在隴中、青東、山西和蒙北均有分布。只有12.2%的低質(zhì)量集中分布在內(nèi)蒙古鄂托克旗，鄂托克前旗和烏審旗等區(qū)域，該區(qū)域分布了大面積的荒漠用地，其次是牧業(yè)用地，但因單位牧草地面積上的載畜量較大極易造成土地退化。鑒于此，在加強(qiáng)水土保持重點(diǎn)區(qū)域的土地利用管理的同時(shí)，也必須重視黃土高原其他地區(qū)尤其是內(nèi)蒙古地區(qū)的土地管理工作。

2.1.5 人類(lèi)脅迫指數(shù)(HPI) 人類(lèi)脅迫指數(shù)等級(jí)圖中顯示，黃土高原近1/2區(qū)域(46.2%)受人類(lèi)干擾程度較弱，39.8%屬于中等脅迫，只有約14.0%為高度脅迫(附圖9e)。黃土高原幾乎涵蓋了整個(gè)黃河流域，流域良好的土壤和水分條件，形成了黃土高原幾千年的農(nóng)耕文化，農(nóng)業(yè)人口比重較大，同時(shí)也產(chǎn)生了撂荒制、壓青休閑制、粗放輪作制、保護(hù)性耕作制等多種耕作制度。因此，人口密度、農(nóng)業(yè)人口數(shù)量的空間差異性以及農(nóng)業(yè)耕作制度的多樣化共同決定了黃土高原HPI的空間分布格局。

2.2 黃土高原荒漠化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.2.1 基于生物物理要素的黃土高原荒漠化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 土壤、氣候和植被決定了黃土高原荒漠化風(fēng)險(xiǎn)程度的基本格局，為此，我們綜合SQI，CQI和VQI 3種環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)，得到環(huán)境敏感區(qū)生物物理指標(biāo)ESAI_SCV，但該指標(biāo)僅表示黃土高原荒漠化的生物物理因素。ESAI_SCV等級(jí)圖顯示：黃土高原大約1/4的區(qū)域(25.2%)為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，屬于嚴(yán)重荒漠化，幾乎2/3的區(qū)域(62.8%)是輕微荒漠化，11.5%的地區(qū)為潛在荒漠化，只有0.5%的地區(qū)無(wú)荒漠化現(xiàn)象(附圖9f)。總體來(lái)看，黃土高原荒漠化程度在西北地區(qū)顯著高于東南地區(qū)。其中，內(nèi)蒙古杭錦旗是荒漠化嚴(yán)重的地方，其次是陜西省的榆林市。相比之下，陜西、山西的許多縣市都是荒漠化的低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，主要表現(xiàn)為微弱或潛在沙漠化。黃土高原位于中國(guó)半濕潤(rùn)氣候區(qū)與半干旱干旱氣候區(qū)的過(guò)渡帶，既是氣候變化的敏感區(qū)，又是環(huán)境脆弱區(qū)。根據(jù)《聯(lián)合防治荒漠化公約》對(duì)荒漠化的定義，干旱半干旱和亞濕潤(rùn)地區(qū)是荒漠化發(fā)生的源地，在全球變暖的大背景下，干旱半干旱區(qū)的氣候變化是影響荒漠化的一個(gè)重要原因。植被和土壤相互影響，且兩者都在不同的氣候條件下表現(xiàn)出空間異質(zhì)性。

2.2.2 黃土高原荒漠化風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià) 為了制定黃土高原荒漠化防治的有效措施，還需要考慮人類(lèi)活動(dòng)對(duì)荒漠化的影響。因此，將土地利用與管理和人類(lèi)脅迫等社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)同土壤、氣候、植被等生物物理指標(biāo)相結(jié)合，最終建立了荒漠化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的環(huán)境敏感性評(píng)估指標(biāo)(ESAI)(附圖9g)。列入人類(lèi)誘發(fā)因素后，改變了黃土高原荒漠化風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的原有格局。其中，極低、低度和極高度敏感區(qū)減少了5.6%，1.1%和3.8%；與此同時(shí)，較低和較高度敏感區(qū)增加了4.4%和4.5%(附圖9h，表3)。結(jié)合黃土高原環(huán)境敏感區(qū)生物物理指標(biāo)ESAI_SCV(附圖9f)和環(huán)境敏感區(qū)指標(biāo)ESAI(附圖9g)發(fā)現(xiàn)，在黃土高原的西北部的大部分地區(qū)，荒漠化風(fēng)險(xiǎn)程度在考慮人類(lèi)指標(biāo)后明顯降低，但在黃土高原東南部人口相對(duì)較稠密的地區(qū)，荒漠化風(fēng)險(xiǎn)程度略有增加。以上結(jié)果表明，一方面，人類(lèi)活動(dòng)縮小了不同程度荒漠化之間的差距，說(shuō)明人類(lèi)實(shí)施的水土保持措施(植樹(shù)造林、封山禁牧生態(tài)措施、坡改梯和淤地壩工程措施等)在荒漠化防治過(guò)程中已經(jīng)發(fā)揮作用；另一方面，較高的人口壓力和農(nóng)業(yè)人口比重可能加強(qiáng)荒漠化的風(fēng)險(xiǎn)程度，在黃土高原西北部?jī)?nèi)蒙古地區(qū)人口稀少，因人類(lèi)活動(dòng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響較低，相反，在黃土高原地區(qū)其他城市(如：蘭州、西安、寶雞、咸陽(yáng)、洛陽(yáng)等地區(qū))的人口壓力較大，人類(lèi)對(duì)環(huán)境的過(guò)渡索取導(dǎo)致了荒漠化風(fēng)險(xiǎn)程度加劇。因此，在人類(lèi)活動(dòng)的影響下，ESAI與ESAI-SCV比較，形成了ESAI的新格局。

表3 ESAI和ESAI_SCV之間的差異

3 結(jié) 論

(1) 基于土壤、氣候、植被3種要素的環(huán)境敏感區(qū)生物物理指標(biāo)(ESAI_SCV)決定了黃土高原荒漠化風(fēng)險(xiǎn)程度的基本格局。其中，土壤因素在某種程度上降低了黃土高原中部的荒漠化風(fēng)險(xiǎn)程度，氣候因素決定了黃土高原荒漠化風(fēng)險(xiǎn)程度由東南向西北遞減的趨勢(shì)；植被是指示荒漠化風(fēng)險(xiǎn)程度最顯著的指標(biāo)，因?yàn)橹脖毁|(zhì)量指數(shù)圖和環(huán)境敏感區(qū)指標(biāo)圖之間具有相似的空間分布模式。

(2) 黃土高原南部荒漠化風(fēng)險(xiǎn)程度較高，這主要?dú)w因于較大的人口密度和人類(lèi)作用于土地的程度，而在北部黃土溝壑區(qū)由于實(shí)施了水土保持工程措施和生態(tài)措施，大幅度地降低了荒漠化風(fēng)險(xiǎn)程度。因此，在加強(qiáng)荒漠化防治工程的同時(shí)，還需要控制人口數(shù)量來(lái)降低人口壓力，才能最終減弱荒漠化風(fēng)險(xiǎn)程度。

(3) 通過(guò)對(duì)比ESAI和ESAI_SCV兩種荒漠化風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，一方面，包含人類(lèi)社會(huì)的生態(tài)系統(tǒng)比自然生態(tài)系統(tǒng)更加多變；另一方面，人類(lèi)活動(dòng)縮小了不同程度荒漠化之間的差距。因此，我們應(yīng)該時(shí)刻關(guān)注人類(lèi)活動(dòng)對(duì)黃土高原荒漠化的影響，及時(shí)制定包括人類(lèi)活動(dòng)因素在內(nèi)的積極有效的荒漠化防治措施。

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ESAI Based Assessment of Desertification Risk in Loess Plateau

ZHANG Jianxiang1,2, ZHANG Duoyong3, LIU Wanfeng1,2, HU Aiping1, WANG Dong1, Hu Jianqiao1

(1.CollegeofCivilEngineering,LongdongUniversity,Qingyang,Gansu745000,China; 2.ProvincialKeyLaboratoryofLoessEngineeringPropertiesandApplicationsinGansuProvinceUniversities,Qingyang,Gansu745000,China; 3.ResearchCenterofDesertificationPreventionatQingyanCity,Qingyang,Gansu745000,China)

[Objective] The risk of desertification was evaluated in Loess Plateau to provide scientific basis for the restoration, construction and protection of ecological environment. [Methods] Data of landform, climate, vegetation, soil and other socio-economic data were collected. Spatialization and digitalization were conducted using GIS and remote sensing. Upon which, desertification reasons were analyzed, and evaluation indices and risk assessment model were framed based on index of environmentally sensitive areas. [Results] (1) According to the bio-physical index in the framed model, under the scenario only considering natural factors as soil, climate and vegetation, 25.2% of Loess Plateau was determined as high desertification risk area, where desertification was worst; 62.8% and 11.5% of Loess Plateau were determined as moderate and potential desertification risk areas; only 0.5% was considered having no risk. (2) If both natural factors and human interference were considered, risk area changed: coverages of extreme low, low and extreme high risk levels decreased by 5.6%，1.1% and 3.8%, respectively; whereas, coverages of lower and higher risk levels increased by 4.4% and 4.5%. [Conclusion] (1) The ESAI model can well explain the spatial distribution pattern of desertification risk of Loess Plateau, and the degree of desertification is gradually weakened from the northwest to the southeast. (2) Human activities have upset the long-term evolved stability of the natural eco-system to some extent, and have narrowed the gap between different risk levels of desertification.

desertification; environmental sensitive areas index(ESAI); geographic information systems(GIS); Loess Plateau

2016-03-25

2016-07-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“清代同治以來(lái)黃土高原馬蓮河流域荒漠化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與防治研究”(31460090); 2015年甘肅省社科規(guī)劃項(xiàng)目(YB095); 甘肅省社科規(guī)劃項(xiàng)目(14YB108)； 西峰區(qū)科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目(XK2016-06); 慶陽(yáng)市科技局青年科技基金項(xiàng)目(ZJ2014-08)； 甘肅省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目(YB093)

張建香(1987—),女(漢族),甘肅省華池縣人,碩士,講師,主要從事遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail:zhangjianxiang_67@163.com。

張多勇(1966—),男(漢族)，甘肅省華池縣人,博士,教授,主要從事歷史地理研究。E-mail:bbbjjj2@163.com。

A

1000-288X(2017)02-0339-06

TP79， X171.1