游宇馳，李志威,*，黃草,，曾杭,

1. 長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2. 青海大學(xué)三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016；3. 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410114；4. 水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003

1990—2016年若爾蓋高原荒漠化時(shí)空變化分析

游宇馳1，李志威1,2*，黃草1,3，曾杭1,4

1. 長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2. 青海大學(xué)三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016；3. 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410114；4. 水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003

近幾十年若爾蓋高原的荒漠化呈明顯增長趨勢，威脅著當(dāng)?shù)夭菰鷳B(tài)環(huán)境。為獲取并定量分析若爾蓋高原荒漠化的最新動(dòng)態(tài)及趨勢，探討不同區(qū)域的荒漠化變化機(jī)制，利用ENVI和ArcGIS對多時(shí)相Landsat遙感數(shù)據(jù)（1990—2016年）進(jìn)行處理。通過計(jì)算NDVI和Albedo，建立荒漠化指數(shù)（DDI）模型，開展若爾蓋高原荒漠化等級劃分以及時(shí)空分布特征的定量評估及分析。研究表明，1990—2016年荒漠化面積以2.17 km2·a-1速率呈增加趨勢，1990—2004年主要以輕度和重度荒漠化的面積增加為主，其增幅分別為1.27 km2·a-1和1.36 km2·a-1；2004—2011年荒漠化整體呈逆轉(zhuǎn)趨勢，7年間荒漠化總面積減少33.44%，其中輕度荒漠化減少速率最快，為2 km2·a-1；2011—2016年荒漠化又趨于嚴(yán)重，總面積增加幅度達(dá)58.43%，仍以輕度和重度荒漠化為主，增長幅度分別為2.59 km2·a-1和4.04 km2·a-1?；哪目臻g分布及擴(kuò)張范圍為：采日瑪鄉(xiāng)北部的成片泥炭沼澤的邊緣處、河流附近的河漫灘與江心洲、阿西鄉(xiāng)西南方向泥炭沼澤范圍、若爾蓋縣西北方向沿泥炭沼澤邊緣、阿西鄉(xiāng)南部及西南方向相距12.8～18.0 km區(qū)域?；哪蛑紊炒胧┑淖饔冒l(fā)生短期逆轉(zhuǎn)，但總體上仍呈擴(kuò)張趨勢，其內(nèi)因是河流地貌過程及其地表以下分布疏松易破碎的堆積物和粒徑細(xì)的湖相沉積物，外因是氣候變化和溝渠排水引起濕地萎縮退化，以及高強(qiáng)度的人類活動(dòng)（如過度放牧）對地表植被的破壞。

若爾蓋高原；荒漠化；荒漠化差值指數(shù)；濕地萎縮；人類活動(dòng)

土地荒漠化是在人類活動(dòng)干擾和自然外力的作用下，陸地表面植被破壞后，形成不同程度的裸露沙化地表，并進(jìn)一步擴(kuò)大或形成新的荒漠土地，直接威脅人類的生存環(huán)境并影響社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。中國干旱半干旱區(qū)多發(fā)生荒漠化或沙化（Lu et al.，2013；Yu et al.，2016），然而擁有較充沛降雨量的若爾蓋高原仍出現(xiàn)荒漠化（Dong et al.，2010），這一現(xiàn)象近十幾年引起了一定的關(guān)注（涂軍，1990；徐剛等，2007；Hu et al.，2015；Yu et al.，2017）。若爾蓋高原作為中國重要濕地和草原生態(tài)系統(tǒng)，其對區(qū)域的生物多樣性、水文循環(huán)、碳循環(huán)、水資源保障等方面具有重要的作用，直接影響著黃河上游水源涵養(yǎng)、生態(tài)保護(hù)以及區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。然而，近幾十年由于自然因素與人類活動(dòng)的雙重影響，若爾蓋高原發(fā)生了顯著的濕地萎縮、草地退化及荒漠化等嚴(yán)重生態(tài)問題。其中，荒漠化的發(fā)展速度和荒漠化的逆轉(zhuǎn)速度極不協(xié)調(diào)的現(xiàn)狀是該地區(qū)出現(xiàn)的新環(huán)境問題，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境構(gòu)成了極大的潛在威脅。已有研究表明（徐剛等，2007；Lehmkuhl等，1997），若爾蓋高原荒漠化早在20世紀(jì)70年代就已出現(xiàn)（Lehmkuhl等，1997），在1980—2010年進(jìn)入初期發(fā)展階段（Hu et al.，2015），主要發(fā)生在黃河、黑河和白河兩岸河谷以及沼澤邊緣的退化地帶，并且正以一定的速度和程度擴(kuò)大和惡化。涂軍（1990）總結(jié)得出若爾蓋草原區(qū)分布著四大條帶狀沙地，王文麗等（2008）發(fā)現(xiàn)沙地變化趨勢及空間分布具有階段性及地帶性規(guī)律，Dong et al.（2010）研究表明沙地面積以每年4.07%的速率擴(kuò)張且主要以中輕度沙漠化為主。若爾蓋荒漠化成因一般歸為降雨、氣溫等氣候要素，過度放牧，挖溝排水，草原鼠害等原因（Guo et al.，2013；Hu et al.，2017；Sun et al.，2017）。

遙感影像因其覆蓋范圍廣、信息豐富、多時(shí)相性等特點(diǎn)，20世紀(jì)70年代便開始被廣泛應(yīng)用于荒漠化的監(jiān)測與評估（朱震達(dá)等，1994；王一謀，1989）。此后，隨著遙感影像數(shù)據(jù)的豐富，處理方法和技術(shù)的發(fā)展與成熟，土地荒漠化的遙感定量研究得到快速發(fā)展，主要采用遙感數(shù)據(jù)解譯、植被覆蓋、土壤濕度等方法，利用荒漠化與地表生物物理特征之間的關(guān)系建立荒漠化遙感監(jiān)測模型（徐夢珍等，2017；馬宗義，2013）。近些年，荒漠化的遙感監(jiān)測發(fā)展趨勢特點(diǎn)為多空間尺度、多時(shí)相以及綜合多指標(biāo)化定量分析。其中，通過構(gòu)造各種反映荒漠化特點(diǎn)及程度的指標(biāo)是遙感荒漠化研究的熱點(diǎn)之一（官雨薇，2015；李亞云等，2009），比如利用植被覆蓋度（杜子濤等，2009）、降水利用率（Veron et al.，2010）、土壤濕度（羅君等，2013）、地表反照率（曾永年等，2006）、地表溫度（曾永年等，2007）等單個(gè)指標(biāo)或綜合指標(biāo)構(gòu)建荒漠化監(jiān)測模型（曾永年等，2005）。由于地表植被情況與地表反照率之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系，且在不同荒漠化程度的表現(xiàn)不同（朱震達(dá)等，1994；Li et al.，2000），因此“反照率（Albedo）-植被指數(shù)（NDVI）”模型常被用于劃分荒漠化程度，因其簡單便捷、易于獲取的特點(diǎn)而被應(yīng)用于荒漠化時(shí)空分布與動(dòng)態(tài)變化的定量監(jiān)測與研究（馬宗義，2013；曾永年等，2006；潘竟虎等，2010；毋兆鵬等，2014；任艷群等，2014），這對若爾蓋高原的沙漠化提取及分析具有參考價(jià)值。

針對若爾蓋高原荒漠化問題的研究，目前較缺少多時(shí)相遙感影像分析、荒漠化最新動(dòng)態(tài)及趨勢分析。本文以若爾蓋高原研究區(qū)域，利用多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)，通過ENVI軟件技術(shù)處理分析Albedo-NDVI定量指標(biāo)，計(jì)算荒漠化差值指數(shù)（DDI），從而獲取1990—2016年若爾蓋高原荒漠化時(shí)空變化規(guī)律，并在前人的研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討不同區(qū)域的荒漠化變化特征與形成機(jī)制，為若爾蓋高原生態(tài)環(huán)境的修復(fù)與治理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

若爾蓋高原位于青藏高原東北部的黃河源區(qū)（圖1），主要包括四川省阿壩藏族羌族自治州的若爾蓋縣、紅原縣和甘肅省的瑪曲縣等，面積22716 km2。本區(qū)濕潤寒冷，長冷短暖，年平均降水量560～860 mm，降雨頻率大但強(qiáng)度小，50%～80%的雨量集中在5—8月，年平均氣溫只有0.6～1.2 ℃，且年平均相對濕度達(dá)到 64%～73%，年蒸散發(fā)量1260～1290 mm（柴岫，1965）2-3,9。圖 1表明若爾蓋高原的地形地貌可概括為 2個(gè)類型：（1）以北部若爾蓋縣為中心的平坦高原地勢，該區(qū)分布若爾蓋高原主要泥炭沼澤和河谷；（2）以紅原縣為中心的西南部的丘狀高原地勢，該區(qū)地勢相對較高，多分布著丘陵和寬谷。若爾蓋高原的地表特征以河流沉積物、風(fēng)成沉積物和湖相沉積物等為主。本地區(qū)地貌的主要特征為河谷階地、低山丘陵和寬谷。河谷階地主要分布在黑河與白河的中下游且成片的泥炭沼澤。低山丘陵主要分布在若爾蓋高原的外圍，尤其是黑河和白河的上游，且寬谷與丘陵相間出現(xiàn)（柴岫，1965）2-3,9。

圖1 （a）若爾蓋高原地理位置（b）若爾蓋高原的DEMFig. 1 (a) Location of the Zoige Plateau (b) DEM of the Zoige Plateau

本地區(qū)主要支流黑河和白河均由南向北分別匯入黃河。黑河流域中下游地區(qū)，支流較少而閉流、伏流寬谷較多，地勢較白河更為平坦，多分布著高原沼澤土，且沉積物的細(xì)顆粒含量高，排水能力差，地表長時(shí)間積水。白河流域支流少，河谷比降略大，沉積物顆粒粗，其排水狀況比黑河流域要好，因此泥炭沼澤濕地分布也相對較少（柴岫，1965）2-3,9。社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的統(tǒng)計(jì)資料表明，紅原縣自建縣至2005年，人口從500多人增長到3.9萬人，若爾蓋縣則從幾千人擴(kuò)張到7萬多人口。與此同時(shí)，人類活動(dòng)越發(fā)頻繁，自然資源消耗量增長，開溝排水以開辟草場，發(fā)展畜牧業(yè)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1990—2016年遙感影像采用地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http://www.gscloud.cn）提供的TM和OLI數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的時(shí)間、條帶號等信息如表1所示。因若爾蓋高原大部分區(qū)域位于行列號為（131，37）的影像中，故表1中遙感影像時(shí)間以該幅影像時(shí)間為主。遙感影像選取的月份均為7—10月，該時(shí)段植被生長良好，裸露的荒漠土地的光譜反射率特征在遙感影像可得到充分的顯示，與周圍地表覆蓋的類型差異較大，易于區(qū)分荒漠化和非荒漠化區(qū)域。由于研究區(qū)域面積較大，為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，所下載數(shù)據(jù)的云量均保持在20%以下，若爾蓋高原主要范圍選擇的數(shù)據(jù)基本為無云狀態(tài)，部分?jǐn)?shù)據(jù)選取同一季節(jié)或者相鄰年份相同時(shí)像的影像鑲嵌而成。

表1 遙感影像的基本信息Table1 Basic information of remote sensing images

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

遙感影像處理主要應(yīng)用 ENVI 5.1圖像處理軟件，對表1中數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程具體包括輻射定標(biāo)、FLASSH大氣校正、影像鑲嵌和裁剪等。曾永年等（2006）發(fā)現(xiàn)Albedo-NDVI構(gòu)成的特征空間中可以將各種地物類別明顯直觀地進(jìn)行反映和區(qū)分。為了得到Albedo-NDVI特征空間，利用ENVI中的Band Math對歸一化植被指數(shù) NDVI和反照率 Albedo（Liang，2001）進(jìn)行計(jì)算，即：

式（1）中，NIR和RED分別為近紅外波段和可見光紅波段。ρTM1～ρTM7分別表示Landsat數(shù)據(jù)中的波段1到波段7。

利用Compute Statistics工具獲取指數(shù)的最大最小值，并用Band Math工具將指數(shù)進(jìn)行歸一化處理，即：

式（3）和式（4）中，NDVI和Albedo分別為遙感影像中每個(gè)像元中的NDVI值和 Albedo值，NDVImin和NDVImax為計(jì)算得到NDVI的最小值與最大值，Albedomin和Albedomax同理。

2.2 Albedo-NDVI 空間下的荒漠化分級

Albedo-NDVI之間存在著顯著的負(fù)相關(guān)性（曾永年等，2006），其空間分布特征可明確表現(xiàn)生態(tài)與物理因素驅(qū)動(dòng)下的土地覆蓋和物理變量的變化規(guī)律。綜合植被指數(shù)與地表反照率對荒漠化程度的信息反映，并結(jié)合研究區(qū)荒漠化實(shí)際情況選擇合理的荒漠化指數(shù)，便可提取并區(qū)分出不同程度的荒漠化土地，從而定量分析研究荒漠化時(shí)空分布規(guī)律與動(dòng)態(tài)變化機(jī)制。地表反照率越強(qiáng)，植被覆蓋度越低，則表示荒漠化程度越高。圖2可很好地表示這種強(qiáng)弱高低關(guān)系，即Albedo-NDVI空間分布代表著不同土地覆蓋程度，A點(diǎn)表征高反照率低植被率的裸地，B點(diǎn)表征低反照率低植被率的多水裸地，C點(diǎn)表征較高反照率高植被率的植被覆蓋地表，D點(diǎn)表征多水高植被率的全覆蓋地表。

圖2 Albedo-NDVI空間特征Fig. 2 Albedo-Vegetation feature space

因此，利用ENVI的AOI工具建立1000個(gè)隨機(jī)點(diǎn)數(shù)據(jù)，獲取每個(gè)隨機(jī)點(diǎn)對應(yīng)的歸一化后的Albedo和NDVI值，并在Excel中對兩者點(diǎn)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸分析，得到線性回歸方程，獲取參數(shù)a，即：

并 ENVI中進(jìn)一步計(jì)算得到荒漠化分級指數(shù)DDI，即：

自然斷裂法（Natural break）是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)Jenk最優(yōu)化法得出分界點(diǎn)，能夠使各分組方差之和最小，該法再結(jié)合實(shí)地調(diào)查、資料收集與谷歌遙感影像數(shù)據(jù)將DDI值劃分為3個(gè)等級，即輕度荒漠化、中度荒漠化、重度荒漠化，可反映區(qū)域土地荒漠化的過程（潘竟虎等，2010；毋兆鵬等，2014）。其中，輕度荒漠化植被蓋度為 31%～50%，中度荒漠化植被蓋度為11%～30%，重度荒漠化植被蓋度低于10%（潘竟虎等，2010）。并在ArcMap 10.1軟件中對1990—2016年的DDI值進(jìn)行分級統(tǒng)計(jì)，即表2所示的1990年分級指標(biāo)，同時(shí)對各等級荒漠化面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

表2 1990荒漠化分級指標(biāo)Table 2 Gradation indices of desertification in 1990

3 結(jié)果與分析

3.1 荒漠化時(shí)空分布

1990—2016年，若爾蓋高原的荒漠化總面積和不同等級的荒漠化面積均呈增加趨勢，而且增長速度也呈加快趨勢。表3表明，1990—2004年荒漠化面積大幅增加，且主要以輕度和重度荒漠化的增加為主，其年增幅分別為1.27 km2和1.36 km2，而中度荒漠化增長速率為0.99 km2?a-1。2004—2011年，荒漠化整體呈逆轉(zhuǎn)趨勢，7年間荒漠化總面積減少了 33.44%，其中輕度荒漠化減少速率最快，為 2 km2?a-1，而重度荒漠化面積下降速率相對較慢，只有1.30 km2?a-1。2011—2016年時(shí)期，荒漠化又趨于嚴(yán)重，總面積增加幅度達(dá)到58.43%，以輕度和重度荒漠化為主，增長幅度分別為 2.59 km2·a-1和 4.04 km2·a-1。

表3 荒漠化程度的分級面積Table 3 Graded area of desertification km2

圖3所示為野外考察發(fā)現(xiàn)的不同荒漠化程度的情況，圖4表明，1966—2016年荒漠化面積的增加趨勢非常明顯，由1966年的24.14 km2（魏振海等，2010）擴(kuò)張到2016年的110.71 km2，這50年間荒漠化面積增加了86.57 km2，增長了358.96%，增長速度為 1.73 km2?a-1，相比 1966—2006 年間 1.81 km2?a-1的增加速度略有減緩。

圖4 1966—2016年荒漠化面積變化Fig. 4 Change of desertification area in 1966—2016

圖3 不同程度的荒漠化Fig. 3 Photos of different degrees of desertification in the Zoige Plateau（a）輕度（b）中度（c）重度（拍攝于2012年7月）(a) slight (b) moderate (c) serirous (Photos in July, 2012)

從空間分布來看，荒漠化的分布范圍可分為 4類型（圖5），（1）從采日瑪鄉(xiāng)到瑪曲縣并沿黃河干流的西岸，主要分布在泥炭沼澤濕地周圍以及河谷地帶?；哪酁槠郀睿渲羞B續(xù)的最大一塊荒漠化形狀規(guī)模達(dá)5.4 km×3.5 km。（2）從瓦切鎮(zhèn)經(jīng)唐克鄉(xiāng)到轄曼鄉(xiāng)之間沿白河支流的東岸，這部分荒漠化有流體狀、片斑狀或斑點(diǎn)狀，大部分走向?yàn)橛蓶|南向西北方向擴(kuò)散，且荒漠化連續(xù)性由連續(xù)到破碎。（3）從若爾蓋縣到瑪曲縣方向在黑河與黃河之間的區(qū)域，該區(qū)域也分布著大范圍的泥炭沼澤，地勢較平坦，荒漠化主要為相互獨(dú)立的小面積的橢圓形或長條形。（4）從若爾蓋縣到嫩哇鄉(xiāng)并沿黑河?xùn)|岸零散分布，與其他類型不同的是，這部分范圍內(nèi)在1990年并沒有成形的荒漠化痕跡，為近期新增荒漠化區(qū)域，分別在若爾蓋南部沿黑河?xùn)|岸呈三角結(jié)構(gòu)、阿西鄉(xiāng)西南方向呈長條狀以及嫩哇鄉(xiāng)東南方向零散分布的小斑塊。本文提取的若爾蓋沙漠化空間分布與前人研究基本一致（魏振海等，2010；Hu et al.，2015；Yu et al.，2017），即荒漠化主要分布于黃河兩岸、沼澤邊緣處以及河谷地帶。

圖5 1990—2016年荒漠化空間分布Fig. 5 Spatial pattern of desertification in 1990—2016

重度荒漠化主要分布在黃河第一彎的北岸泥炭沼澤邊緣處，以及從若爾蓋縣到黑河、黃河交匯處的泥炭沼澤區(qū)，在研究時(shí)段內(nèi)這2個(gè)局部均處于重度荒漠化狀態(tài)，其他部分的重度荒漠化則分布較少或沒有。中輕度荒漠化在荒漠化區(qū)域均有分布，其空間結(jié)構(gòu)為以重度荒漠化為中心向周圍發(fā)散，瓦切鎮(zhèn)到唐克鄉(xiāng)沿白河?xùn)|岸處的荒漠化早期以重中度荒漠化為主，而2000年后以中輕度荒漠化為主。阿西鄉(xiāng)西南方向的荒漠化出現(xiàn)于 1994年并以中重度荒漠化為主，2000年荒漠化程度有所減緩并以中輕度荒漠化為主，此后則又有一定程度的惡化。

3.2 荒漠化擴(kuò)展特征

圖6所示為1990年和2016年荒漠化面積變化的空間分布，表明荒漠化面積和范圍發(fā)生了明顯的增加和擴(kuò)張現(xiàn)象，增加率達(dá)103.77%，以輕度和中度荒漠化面積增加為主，分別為 114.63%和115.89%，而重度荒漠化面積增加了84.73%?；哪目臻g擴(kuò)張?zhí)卣髦饕憩F(xiàn)為兩個(gè)方面：（1）大部分荒漠化分布范圍在 1990年的基礎(chǔ)上都有一定程度的向外擴(kuò)張、變大的趨勢，圖6中增加的荒漠化斑塊的中間為空白，這種斑塊表示已有的荒漠化范圍向外擴(kuò)張；（2）a～e在1990年并無荒漠化現(xiàn)象，之后則逐漸轉(zhuǎn)化為荒漠化。其中，a位于采日瑪鄉(xiāng)北部的成片泥炭沼澤的邊緣處，呈零散分布的小斑塊；c在阿西鄉(xiāng)西南方向泥炭沼澤處，呈長條狀或斑塊狀；d則主要在若爾蓋縣的西北方向沿泥炭沼澤邊緣，呈斑塊狀密集分布；e在阿西鄉(xiāng)南部及西南方向相距12.8～18.0 km處零散分布著斑塊狀荒漠化。b代表著分布在河流附近的河漫灘與江心洲逐步荒漠化，主要分布在從黃河與白河交界處一直延伸到黃河與黑河交界處，以及黑河下游部分。圖7所示為河流岸邊已顯露的大片河漫灘，布滿了碎石沙礫且植被稀少。a和c～e均分布在泥炭沼澤濕地周圍及河谷地帶。

圖6 1990年和2016年荒漠化面積變化的空間分布Fig. 6 Spatial distribution of desertification area change from 1990 and 2016

圖7 出露的河漫灘（拍攝于2012年7月）Fig. 7 Exposed floodplain and bars (Photo in July, 2012)

4 討論

對于若爾蓋荒漠化或沙漠化的研究，盡管選取的研究時(shí)段和研究方法不同，但得到的結(jié)論均為荒漠化面積呈逐年增加趨勢（徐剛等，2007；李斌，2008；Dong et al.，2010；魏振海等，2010）。1997年北部沙丘東西分布最長達(dá)30 km（Lehmkuhl等，1997），而目前最長范圍已擴(kuò)張至40 km?？傮w而言，若爾蓋高原荒漠化正在以一定的速度和程度擴(kuò)大并惡化，對此大多學(xué)者均從氣候要素與人類活動(dòng)的宏觀角度分析、闡述荒漠化進(jìn)程，下文將從地質(zhì)地貌、水文、社會(huì)經(jīng)濟(jì)與沙漠化治理進(jìn)行探討，以期從內(nèi)因和外因兩個(gè)角度闡明若爾蓋沙漠化的變化特征及形成機(jī)制。

4.1 地質(zhì)地貌因素

若爾蓋高原外圍是高低起伏的丘陵，內(nèi)部是平坦的河谷平原以及交錯(cuò)的河系，以沼澤濕地、河流和草地植被為主要土地覆蓋類型。沼澤濕地的地質(zhì)構(gòu)成主要為第四系沼澤有機(jī)質(zhì)松散堆積物、河相和湖相沉積物以及風(fēng)積物。草地下覆的地質(zhì)情況主要是三疊系板巖、砂巖、粉砂巖，沉積物以黏性低、疏松易解體的砂土和粉砂土為主（Dewey et al.，1988；Lehmkuhl等，1997）。河流周邊存在著以河相沉積物為主的河漫灘和江心洲。圖6中b處的荒漠化主要是出露的河漫灘，類似這種荒漠化情況，沿干流河道出現(xiàn)很多。河流在枯水期徑流量少，河道兩側(cè)、階地及裸露河床表面松散易碎的沙質(zhì)黃土、砂巖及水相沉積中的細(xì)粒物質(zhì)易被風(fēng)吹動(dòng)遷移，因此干涸的河道是荒漠化的沙質(zhì)來源之一（Dewey et al.，1988；Lehmkuhl等，1997）。圖 8所示為 2016年荒漠化區(qū)域的高程情況，其平均高程達(dá) 3465 m，在荒漠化范圍內(nèi)，西北部的高程較低，位于平原上的泥炭沼澤以及河流兩岸，這部分荒漠化的組成物質(zhì)主要為黃色細(xì)沙和細(xì)沙質(zhì)黃土，其他荒漠化區(qū)域地勢相對高些，分布在泥炭沼澤邊緣或丘狀高原及斜坡，土壤為砂質(zhì)土和砂壤土（Lehmkuhl等，1997）。

圖8 若爾蓋高原荒漠化區(qū)域地勢變化Fig. 8 DEM of desertification area in the Zoige Plateau

此外，河流地貌的變化也是荒漠化擴(kuò)張及沙土來源之一。若爾蓋高原黃河干流及其支流白河、黑河的大部分河段，圴在發(fā)生河流溯源侵蝕，在縱向、橫向及長度延伸上都有擴(kuò)張。據(jù)研究，黑河上游的干流與支流河道下切深度可達(dá)0.5～3 m，溯源侵蝕速率達(dá)0.7～17.1 m?a-1，河道細(xì)溝不斷被切穿并易造成河岸崩塌，持續(xù)向兩側(cè)展寬并向前延伸，造成緊密構(gòu)造的泥炭濕地破碎化、松散化，導(dǎo)致地表植被破碎退化，從而更加促進(jìn)溝道下切及溯源侵蝕，其下伏細(xì)砂層和粉砂層極易暴露出表層，被水流沖刷形成沙源及沙化（Lehmkuhl等，1997；徐剛等，2007；Li et al.，2015）。同時(shí)，由于黃河、白河及黑河的古河道曾發(fā)生過多次不同強(qiáng)度的改道或裁彎，從而形成了不同程度退化的舊河床及河道，河床沙灘出露面積由 1986年的184.62 km2發(fā)展到 2000年的80.68 km2（徐剛等，2007）。例如，黃河河道多次變遷，除了留下很多牛軛湖，也在古河道處留下深厚的沙質(zhì)沉積物（Sun，1987；魏振海等，2010）。這些河湖相沉積物中含有的大量的風(fēng)動(dòng)泥沙，在風(fēng)力、水力以及人工植被破壞等作用下，匯聚成活動(dòng)沙丘或逐漸演變成半固定、固定沙丘，然而這些風(fēng)動(dòng)沙仍可能在外力作用下再次被擾動(dòng)而造成荒漠化（徐夢珍等，2017）。

若爾蓋高原主要為各種風(fēng)相、水相沉積物等，泥炭沼澤或草地等表層一旦被破壞或侵蝕，極易疏松崩解，導(dǎo)致沙層裸露進(jìn)而轉(zhuǎn)化為荒漠化的沙源，在各種外力作用下快速荒漠化并擴(kuò)大。因此，若爾蓋高原的地質(zhì)地貌特點(diǎn)是荒漠化的內(nèi)在原因，是荒漠化擴(kuò)張的物質(zhì)基礎(chǔ)。

4.2 水文因素

若爾蓋高原氣候寒冷潮濕，彎曲河流眾多，泥炭濕地和河流濕地廣布。因此，水文是該區(qū)濕地生態(tài)環(huán)境最重要的因子（劉厚田，1996）。從水文循環(huán)過程來看，影響著該區(qū)水量情況主要水文因素有降雨、蒸發(fā)、下滲以及徑流等環(huán)節(jié)。降雨和蒸發(fā)分別是若爾蓋高原水量的輸入和輸出，通過分析對比近幾十年若爾蓋高原的氣候變化，發(fā)現(xiàn)若爾蓋氣候呈暖干化趨勢，降水量變化趨勢為-17.19 mm?10 a-1，氣溫以0.52 ℃?10 a-1的變化速率呈顯著升高趨勢，且若爾蓋縣和瑪曲縣的夏秋季節(jié)氣溫升高速率均大于紅原縣（Li et al.，2015 ），而全球平均速率只有 0.03～0.06 ℃?10 a-1（Hu et al.，2015），瑪曲和若爾蓋縣的風(fēng)速每10年減小速率分別為0.1 m?s-1和0.04 m?s-1（李曉英等，2015）。降雨、氣溫以及風(fēng)速的變化又影響著蒸發(fā)量的變化，研究表明，若爾蓋濕地蒸發(fā)量近幾十年來呈略微上升趨勢（Li et al.，2014）。因此，微小變化趨勢的氣候要素減少了該地區(qū)的地表水分或?qū)υ搮^(qū)域的地表蒸發(fā)蒸騰的增量影響并不強(qiáng)烈（Hu et al.，2012；Li et al.，2015；Yu et al.，2017）。

除氣候變化可引起若爾蓋高原的水文變化外，還有河道、湖泊及人工溝渠的輸水情況。若爾蓋高原主要分布著黃河、黑河、白河等河流以及花湖、興措湖、哈丘錯(cuò)干湖等湖泊。位于黃河干流的瑪曲水文站流量和水位變化直接決定白河與黑河的河道水位，白河與黑河的河道水位又控制著整個(gè)濕地的地下水水位。1981—2002年白河與黑河的徑流量變化趨勢為-0.398×0.8m3·a-1和-0.514×108m3·a-1（Li et al.，2015），因此若爾蓋高原內(nèi)的徑流量正呈下降趨勢，并降低了地下水位，引起河漫灘和江心洲出露，湖泊干涸也很嚴(yán)重。1975—2001年僅26年區(qū)內(nèi)的湖泊面積便萎縮了34.48%，而荒漠化面積增長了351.81%（高潔，2006）。魏振海等（2010）利用遙感解譯發(fā)現(xiàn)若爾蓋高原非牛軛湖湖泊數(shù)量從1966年的36個(gè)減少到2006年的18個(gè)，湖泊干涸后裸露的湖底受風(fēng)蝕作用就地起沙。在脆弱敏感的若爾蓋區(qū)域，地表水是沼澤濕地發(fā)育、維持的重要?jiǎng)恿Γú襻叮?965）2-3,9，除了自然河道及湖泊的水量下降之外，泥炭沼澤區(qū)域的人工溝渠排水輸干對荒漠化形成的影響更大且更直接。早在 1955年，當(dāng)?shù)貫殚_辟草場和發(fā)展牧業(yè)，在泥炭濕地范圍內(nèi)實(shí)施了大規(guī)模的人工開溝排水工程，若爾蓋縣和紅原縣累計(jì)開挖排水溝700多條，總長度超過1000 km。溝渠開挖所影響的沼澤面積達(dá)2000 km2，排水疏干脅迫下嚴(yán)重退化沼澤面積達(dá)648.3 km2，約占沼澤總面積的27%（Li et al.，2015）。人工溝渠直接改變了該區(qū)的水系分布及其水文連通性，并排走了大量的地表水，導(dǎo)致泥炭沼澤脫水，發(fā)生侵蝕、坍塌、裂縫及斑塊化。沼澤疏干后土壤逐漸裸露變干，就地起沙，引起濕地萎縮及局部沙漠化（Kvarner et al.，2008；Dong e t al.，2010）。

總之，若爾蓋高原的水文條件并不樂觀，氣候呈暖干化趨勢，河流徑流量趨于減少，湖泊干涸，地下水位下降，以“水源涵養(yǎng)地”著稱的泥炭濕地和草地處于嚴(yán)重脫水狀態(tài)。因此，該區(qū)的荒漠化逐年擴(kuò)張并多分布于泥炭沼澤及河流湖泊周圍。

4.3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素

隨著若爾蓋區(qū)域人口的增長及經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類對當(dāng)?shù)刈匀毁Y源的需求量隨之增大，人口增長導(dǎo)致過度放牧，加重濕地排水和草地退化的壓力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，若爾蓋高原 1978—2010年的人口總數(shù)凈增長了80.4%，牲畜數(shù)量由153萬上升到215萬，增長了40.5%（Hu et al.，2015）。至2005年，該區(qū)的牛羊數(shù)量增長速度已超過草地的承載能力，紅原縣、阿壩縣和若爾蓋縣均過度放牧（Dong et al.，2010）。調(diào)查研究表明（李曉英等，2015），牛羊啃食踐踏草地且常磨蹭高于 30 cm的陡坎，Lehmkuhl 等（1997）野外觀測到在高山草甸上分布著因牛羊啃食、踐踏及棲息而造成的面積大小不等的裸地，其總面積占坡地面積的5%。Dong et al.（2010）通過實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)牲畜對草地的啃食和踐踏非常嚴(yán)重，而荒漠化的發(fā)生區(qū)域之一是過度放牧的草場。因此，超載的牲畜量使草地的利用過度并造成破壞，從而發(fā)生草地退化并難以恢復(fù)，為荒漠化提供發(fā)生與發(fā)展的條件（李曉英等，2015）。由圖4可知，在阿西鄉(xiāng)-瑪曲縣沿黑河區(qū)域是荒漠化密集分布區(qū)之一，這里分布著阿西牧場和黑河牧場兩大牧場，可認(rèn)為畜牧養(yǎng)殖是該區(qū)域發(fā)生荒漠化的關(guān)鍵因素之一。此外，鼠害也是草地進(jìn)一步荒漠化的重要原因（Dong et al.，2010）。該區(qū)害鼠不喜歡潮濕的土壤和繁茂的植被而喜干旱平地，對土層具有很強(qiáng)的挖掘破壞能力，導(dǎo)致植被死亡、土壤松散破碎。若爾蓋縣政府官網(wǎng)縣情概況公告表明（www.ruoergai.gov.cn），若爾蓋高原鼠蟲害分布面積高達(dá)5300 km2，占可利用草原面積的81.9%，危害面積達(dá) 3000 km2，每年因鼠蟲危害損失牧草約1.2×108kg，每年直接經(jīng)濟(jì)損失 0.24億元（www.ruoergai.gov.cn）。圖9所示為害鼠（旱獺）挖洞刨出的土堆，其將地表破壞后使土壤裸露，從而為風(fēng)沙運(yùn)移活動(dòng)提供沙物質(zhì)。

圖9 旱獺挖洞（拍攝于2012年7月）Fig. 9 Tarabagan and its holes in grassland (Photo in July, 2012)

4.4 荒漠化的治理措施

若爾蓋濕地是黃河上游的重要“蓄水池”，也是中國五大牧區(qū)之一。自20世紀(jì)50年代挖溝排水工程之后，該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題逐漸顯露并惡化，目前正面臨著濕地萎縮、草地退化、河湖減少等生態(tài)危機(jī)。國家及當(dāng)?shù)卣畯?0世紀(jì)90年代便開始實(shí)施一系列濕地與草地的保護(hù)、生態(tài)恢復(fù)等對策和措施。

早在 1992年若爾蓋縣便對阿西鄉(xiāng)沙化草地進(jìn)行了沙漠化治理試驗(yàn)，治理面積達(dá)0.67 km2（胡光印等，2011）。隨后 1993年轄曼鄉(xiāng)被列為全國治沙工程試點(diǎn)示范基地，在沙丘上種植了面積超過0.3 km2的高山柳固沙林（張曉云等，2005）。1994年若爾蓋濕地被設(shè)立為國家濕地自然保護(hù)區(qū)（Hu et al.，2015），陸續(xù)對放牧、溝渠排水、草地退化等實(shí)行了一系列生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)措施。1996年瑪曲縣推行草場產(chǎn)權(quán)制度改革，當(dāng)?shù)卣瞥隽恕安輬龉?，承包到戶，有償使用，自主?jīng)營，三十年不變”的草場管理政策，并于 1999年基本完成（胡光印等，2011）。2000年左右，若爾蓋濕地采取對部分排水溝渠填堵為主的恢復(fù)工程（蒲珉鍇等，2010），使得部分沼澤得以恢復(fù)，但是絕大部分的人工溝渠系統(tǒng)仍在發(fā)揮排水作用。通過Google Earth可見，在瓦切鎮(zhèn)北部一處大片荒漠化區(qū)域有封沙育草的措施（圖10），能夠發(fā)揮一定固沙作用。

圖10 瓦切鎮(zhèn)北部荒漠區(qū)工程措施——封沙育草（2010年9月Google Earth影像）Fig. 10 Fix sand and plant grass in northern desertification of Waqie Town (Image in September 2010 by Google Earth)

大多數(shù)若爾蓋高原荒漠化研究的結(jié)果均表明，該區(qū)的荒漠化進(jìn)程仍然呈擴(kuò)張趨勢，只是在其中某個(gè)時(shí)間段內(nèi)或者局部區(qū)域內(nèi)荒漠化有一定改善。比如胡光印等（2011）在 2007—2008年考察發(fā)現(xiàn)對退化的草場進(jìn)行圍欄封育1～2年后，草場可恢復(fù)到非常高的植被覆蓋度，沙化草地封育5年左右即可完全恢復(fù)自然狀況。魏振海等（2010）認(rèn)為由于當(dāng)?shù)卣畬Ψ郎持紊车闹匾?，?2001—2006年間沙丘僅增長1.42 km2。本研究表明，2004—2011年荒漠化趨勢發(fā)生逆轉(zhuǎn)，這說明這段時(shí)間內(nèi)的防沙治沙措施短期內(nèi)發(fā)揮了一定的作用，使得荒漠化擴(kuò)張速率減緩甚至逆轉(zhuǎn)。但總體來說，若爾蓋高原荒漠化面積、空間分布以及程度的變化規(guī)律仍呈明顯的增加趨勢，且荒漠化土地更加破碎化，分布形態(tài)復(fù)雜（胡光印等，2011），這說明該區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境并未得到改善，荒漠化現(xiàn)象仍以一定的速度擴(kuò)張。Jiang et al.（2017）也認(rèn)為若爾蓋高原生態(tài)退化正在惡化。因此，以上這些治理沙漠化或濕地恢復(fù)的生物及工程措施的效果還有待進(jìn)一步監(jiān)測，繼續(xù)在若爾蓋高原強(qiáng)化局部沙漠化治理措施是必要的。

5 結(jié)論

（1）若爾蓋高原1990—2016年荒漠化面積變化趨勢分為3個(gè)階段：1990—2004年呈增加趨勢，2004—2011年趨于減少，2011—2016年再次呈增加趨勢，整體以2.17 km2·a-1的速率呈上升趨勢；荒漠化主要分布在泥炭沼澤退化邊緣、河流湖泊周圍以及牧場附近。重度荒漠化主要分布在黃河第一彎的北岸泥炭沼澤邊緣處以及從若爾蓋縣到黑河黃河交匯處的泥炭沼澤區(qū)。

（2）若爾蓋高原荒漠化的形成與擴(kuò)張內(nèi)因是該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造均為疏松易破碎或穩(wěn)定性差的堆積物和沉積物，一旦地表植被被破壞而裸露則便成為沙源并快速演變?yōu)榛哪恋?。外因是由于氣候變化和區(qū)域排水導(dǎo)致水文條件不足，以及人類活動(dòng)（過度放牧）、鼠害對地表植被的破壞。最為主要的因素是若爾蓋高原的濕地與草地涵養(yǎng)的水量不斷流失，導(dǎo)致荒漠化進(jìn)一步擴(kuò)張，其中人工溝渠排水是最為快速直接的外力因素。

（3）自 1994年開始的各種沙漠化治理與植被恢復(fù)措施，在短期產(chǎn)生了一定的改善作用，但后期效果并不顯著甚至出現(xiàn)反彈。對此，應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域荒漠化的產(chǎn)生、擴(kuò)張規(guī)律及機(jī)制，采用有針對性的圍欄禁牧、生態(tài)修復(fù)或工程治理等措施。

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Spatial-temporal Evolution Characteristics of Land Desertification in the Zoige Plateau in 1990—2016

YOU Yuchi1, LI Zhiwei1,2, HUANG Cao1,3, ZENG Hang1,4
1. School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;
2. State Key Laboratory of Plateau Ecology and Agriculture, Qinghai University, Xining 810016, China;
3. Key Laboratory of Water-Sediment Sciences and Water Disaster prevention of Hunan Province, Changsha 410114, China;
4. Key Laboratory of Yellow River Sedimentation of the Ministry of Water Resources, Zhengzhou 450003, China

In recent decades, the desertification of the Zoige Plateau showed a significant growth trend, which is threatening the grassland ecological environment. Using ENVI and ArcGIS processing the Landsat (1990—2016) is to quantify the trend of desertification in Zoige Plateau, as well as desertification causes in different regions. Based on indexes of NDVI and Albedo, the classification of desertification grade was built to obtain the temporal and spatial distribution of desertification and desertification gradation. Results showed that the area of desertification increased at the rate of 2.17 km2·a-1in 1990—2016. From 1990 to 2004, the main change was the area of mild and severe desertification and the change rate was 1.27 km2·a-1and 1.36 km2·a-1, respectively.From 2006 to 2011, the changing trend of desertification was reversal, and the total area of desertification decreased by 33.44% in 7 years, with slight desertification decreasing at the fastest rate of 2 km2·a-1. The total area of desertification increased by 58.43% in the period of 2011—2016, with mild and severe desertification increasing by 2.59 km2·a-1and 4.04 km2·a-1. The spatial distribution and expansion of desertification was as follows: the edge of the peat swamp around the northern part of Cairima township, the river floodplain and mid-channel bars along the river, the peat swamp on southwest of A’xi township, along the edge of the peat swamp in northwest of Zoige County, about 12.8～18 km away from the southern and southwestern direction of A’xi township. Due to desertification controlling measures, desertification occurred changeover in the short term, while it still showed rising tendency overall. The internal causes of desertification expansion in the region are that there are the loose and fragile deposits and fine lake sediments below the ground surface. External causes is wetland shrinkage and degradation caused by climate change and excavated ditch drainage, as well as intensive human activity (e.g., over-grazing) on surface vegetation deterioration.

Zoige Plateau; desertification; desertification difference index; wetland shrinkage; human activity

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.10.05

P931.3; X144

A

1674-5906（2017）10-1671-10

游宇馳, 李志威, 黃草, 曾杭. 2017. 1990—2016年若爾蓋高原荒漠化時(shí)空變化分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 26(10):1671-1680.

YOU Yuchi, LI Zhiwei, HUANG Cao, ZENG Hang. 2017. Spatial-temporal evolution characteristics of land desertification in the Zoige Plateau in 1990—2016 [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(10): 1671-1680.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（91547112）；省部共建三江源生態(tài)和高原農(nóng)牧業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究項(xiàng)目（2017-KF-01）；青海省科技廳項(xiàng)目（2016-ZJ-Y01）；黃河水利科學(xué)研究院院所長基金項(xiàng)目（HKY-JBYW-2016-03）

游宇馳（1993年生），女，碩士研究生，主要從事高原濕地演變研究。E-mail: 18711017497@163.com

*通信作者：李志威（1984年生），男，副研究員，博士，主要從事河流動(dòng)力學(xué)與高原濕地研究。E-mail: lzhiwei2009@163.com

2017-08-27