王新源，王存祿，李玉霖，王小軍，馬仲武，高斌斌，龔丞馗

(1.甘肅省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測監(jiān)督管理局,甘肅 蘭州 730020；2.中國科學院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 奈曼沙漠化研究站,甘肅 蘭州 730000；3.蘭州市城關區(qū)建設局 濱河東路園林綠化管理所,甘肅 蘭州 730000)

瑪曲縣地處青藏高原東北緣，是黃河上游重要的水源涵養(yǎng)區(qū)與補給區(qū)[1-2]，相較周邊區(qū)域，具有較高的土地生產(chǎn)力和生物多樣性水平，是穩(wěn)定與維護青藏高原和黃河上游生態(tài)系統(tǒng)的重要屏障。同時，基于其特殊的地貌和氣候特征，瑪曲縣生態(tài)系統(tǒng)脆弱且敏感，環(huán)境的微小擾動即可引起系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生顯著變化。

荒漠化是指在氣候變化和人類活動等因素綜合作用下造成的干旱、半干旱及亞濕潤地區(qū)的土地退化，其中以風為主要營力產(chǎn)生的土地退化為沙漠化[3]。20世紀70年代以來，在區(qū)域氣候變暖和人類活動逐漸加劇的背景下，瑪曲縣地表徑流減少，草地退化，濕地萎縮，沙漠化土地擴張迅速[4-6]，已成為青藏高原沙漠化發(fā)展最為迅速的區(qū)域之一。沙漠化的發(fā)展導致區(qū)域內(nèi)載畜生產(chǎn)、水土保持、物種生長繁衍等生態(tài)系統(tǒng)服務功能下降或喪失，嚴重影響當?shù)啬酥琳麄€黃河流域的生態(tài)、社會及經(jīng)濟安全[7-9]。目前，在以瑪曲縣為代表的高寒生態(tài)區(qū)，沙漠化研究已得到廣泛開展[4-9]，但就調(diào)查研究方法而言，仍多沿用高緯度低海拔干旱區(qū)的通行方案，在驅(qū)動因子選擇與數(shù)據(jù)分析方面缺乏區(qū)域特異性。鑒于此，本研究著眼于瑪曲縣特殊的高寒生態(tài)區(qū)位，針對風成荒漠化(沙漠化)的基本特性，提出適用于該區(qū)域沙漠化研究的分析方法，旨在為瑪曲縣乃至青藏高原地區(qū)沙漠化治理及生態(tài)環(huán)境恢復提供科學依據(jù)。

1 研究方向

沙漠化的本質(zhì)是土地退化，一方面呈現(xiàn)出地理景觀的變化，如地表的風蝕風積產(chǎn)物、土壤團聚體的破壞、土壤粗?；⒌乇韽搅鳒p少等[10]；另一方面表現(xiàn)為生態(tài)景觀的改變，如植被群落的逆向演替、生物多樣性減少、植被生產(chǎn)力下降等。因此，沙漠化的研究可從地理導向與生態(tài)導向兩方面入手。

2 研究數(shù)據(jù)的獲取

2.1 遙感影像數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)可以直觀地反映沙漠化的現(xiàn)狀、趨勢與變化，是研究沙漠化進展的重要途徑。獲取等分時間序列的多期遙感影像(數(shù)據(jù)源未限定，以分辨率高、衛(wèi)星型號或測定方式一致為佳)，應用ERDAS通過“多波段數(shù)據(jù)組合”及“圖像拼接”技術(shù)對瑪曲地區(qū)的遙感影像進行過濾與矯正，以利于解譯與分析?？紤]到植被生長規(guī)律與影像分辨的精確性，遙感影像時相的選擇應以夏、秋兩季為宜。普通的遙感影像多屬于地理導向研究的范疇，如Landsat TM/ETM等[2]；而經(jīng)過計算和處理的基于植被生長狀況的遙感數(shù)據(jù)則屬于生態(tài)導向研究的內(nèi)容，如LP DAAC(Land Processes Distributed Active Archive Center)數(shù)據(jù)集中的歸一化植被指數(shù)(NDVI)、葉面積指數(shù)(LAI)等[11]。

2.2 驅(qū)動指標

沙漠化是多種因子共同驅(qū)動的土地退化過程，遙感影像作為重要基礎數(shù)據(jù)，僅反映了沙漠化的果，難以表征沙漠化的因。此外，瑪曲縣地處青藏高原高寒生態(tài)區(qū)，較其他沙漠化嚴重區(qū)域，自然環(huán)境方面具有降水量較高、氣溫偏低、海拔差異較大的特點，社會經(jīng)濟方面，畜牧業(yè)是該區(qū)域的主導產(chǎn)業(yè)，農(nóng)耕經(jīng)濟比例極低[12-13]。鑒于此，合理地選取與分析引起瑪曲縣沙漠化產(chǎn)生、發(fā)展與消長的環(huán)境要素成為研究該區(qū)域生態(tài)退化內(nèi)在機理的重要方面(下文環(huán)境要素中，屬于地理導向的后面加“*”號表示，屬于生態(tài)導向的后面加“#”號表示)。

2.2.1 自然因子

依據(jù)瑪曲縣氣候與環(huán)境特點，并綜合考慮沙漠化形成的主要自然營力，選取以下指標作為瑪曲縣沙漠化的自然驅(qū)動因子。

(1)年均氣溫*#?，斍h屬于高寒生態(tài)區(qū)，熱量是植被生長發(fā)育的主導要素[14]，同時土壤溫度、土壤水分、地表徑流等重要自然要素也受氣溫變化的深刻影響，因此，氣溫是瑪曲沙漠化研究的關鍵因子。

(2)年均降水量*#。降水與土壤水分、地表徑流及地下水位密切相關，是植被生長發(fā)育的關鍵因素。

(3)干燥指數(shù)*#。干燥指數(shù)是年均蒸發(fā)量與年均降水量的比值，干燥指數(shù)反映了區(qū)域內(nèi)水分和熱量的收支狀況，是影響植被生長與物候的重要指標。

(4)年均風速*。風是沙漠化產(chǎn)生與發(fā)展的主要驅(qū)動力，塑造了沙漠中各類地貌景觀。

(5)植被蓋度#。植被蓋度是植被生長發(fā)育狀況的直觀體現(xiàn)，反映了陸地生態(tài)系統(tǒng)地表生產(chǎn)力水平[15]，能夠較好地表征土地退化水平。

(6)年均地表徑流量*。地表徑流量的多寡是區(qū)域內(nèi)降水、土壤含水量與下墊面植被生長狀況綜合作用的結(jié)果?，斍h地表水資源基本屬于黃河水系，因此，地表徑流量可用區(qū)內(nèi)黃河年徑流量代替。

(7)海拔*#。不同于高緯度低海拔的干旱沙區(qū)，瑪曲縣地形起伏較大，海拔差異顯著。海拔不同導致的水熱分異強烈影響著區(qū)域內(nèi)地理與生態(tài)景觀的塑造。

(8)樣地指標#：分為環(huán)境因子和植被生態(tài)因子兩部分，其中環(huán)境因子包括土壤溫度、土壤水分、電導率、土壤理化性質(zhì)、土壤有機碳含量等，植被生態(tài)因子以物種豐富度、株高、生物量、物種多樣性指數(shù)等為主。樣地指標反映了種群及群落尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務功能及土地生產(chǎn)力現(xiàn)狀，可直觀表征沙漠化過程對生態(tài)系統(tǒng)各組成單元的影響。

不難發(fā)現(xiàn)，大部分自然因子在空間尺度上以整個瑪曲縣為基準，時間尺度以年為單位，這主要是考慮與社會經(jīng)濟指標在統(tǒng)計尺度上的一致性。

2.2.2 社會經(jīng)濟因子

研究表明，瑪曲地區(qū)沙漠化發(fā)展和逆轉(zhuǎn)最強烈的區(qū)域多發(fā)生于人口密集區(qū)，說明沙漠化過程對人類活動的響應敏感[2]。因此，在參考相關研究后[6,16]，結(jié)合瑪曲縣實際，選取以下社會經(jīng)濟要素作為研究指標。

(1)人口總數(shù)*。人口數(shù)量是區(qū)域內(nèi)人類活動強度的宏觀把控，在給定時間內(nèi)，人口數(shù)量愈多，生態(tài)環(huán)境承載的壓力愈大。

(2)地區(qū)生產(chǎn)總值*。地區(qū)生產(chǎn)總值反映了瑪曲縣整體的經(jīng)濟發(fā)展水平，通常，經(jīng)濟發(fā)展水平越高，人類對自然資源的需求強度越大。

(3)畜牧業(yè)產(chǎn)值*#。畜牧業(yè)是瑪曲縣的主導產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)值高低與當年牲畜出欄數(shù)密切相關，側(cè)面反映了區(qū)域內(nèi)的放牧強度。

(4)大牲畜存欄數(shù)*#。在瑪曲縣，大牲畜種類以牦牛為主，其存欄數(shù)反映了當年牦牛的放牧數(shù)量及強度。

(5)羊只存欄數(shù)*#。其作用類似于大牲畜存欄數(shù)，研究證實，瑪曲縣給定區(qū)域內(nèi)同等數(shù)量的羊和大牲畜對地表植被的作用存在明顯差異[17]。

(6)生態(tài)工程年度治理面積*#。生態(tài)工程的實施是人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的正面干預，是沙漠化防治的重要手段，目前，將其作為沙漠化驅(qū)動因子進行定量分析的研究還較為缺乏，是今后恢復生態(tài)學需要關注的重要方面。

(7)禁牧輪牧面積*#。該指標與瑪曲縣的縣情和生境特征密切相關，屬于瑪曲縣生態(tài)工程的重要組分，需要單獨給予關注。

3 研究方法

瑪曲縣沙漠化調(diào)查研究的方向不同，其研究方法亦存在差異，地理導向的研究方法多以區(qū)域數(shù)據(jù)為基礎，生態(tài)導向的研究則多為定點分析，需要現(xiàn)地設置樣方取樣(表1)。

表1 瑪曲縣不同導向沙漠化調(diào)查分析方法比較

3.1 野外調(diào)查與遙感影像處理

3.1.1 地理導向

基于地理導向的野外調(diào)查與遙感影像處理主要包括以下方面：根據(jù)沙漠化發(fā)展階段[18]與遙感影像光譜特征，結(jié)合地理與遙感知識，對瑪曲縣影像進行解譯，之后在現(xiàn)地做核定和調(diào)研，確保解譯精度達到0.95的置信水平。地理導向研究的關鍵是建立解譯標志庫，進而準確求算出不同沙漠化階段區(qū)域的面積，而隨著時間梯度的變化，不同沙漠化階段間存在轉(zhuǎn)化與替代，這種轉(zhuǎn)化與替代可應用ArcGIS疊加分析做定量化處理，建立沙漠化土地類型/程度轉(zhuǎn)移矩陣，從而能夠直觀地認識不同時期沙漠化土地變化的現(xiàn)狀與趨勢。

3.1.2 生態(tài)導向

在瑪曲縣，基于生態(tài)導向的沙漠化野外調(diào)查應遵循統(tǒng)計學分析規(guī)律，在典型土地利用類型區(qū)(如高寒草甸、高寒草原、濕地)設置采樣點，采集植被蓋度、物種豐富度、植被地上生物量等生物學指標。遙感數(shù)據(jù)應采集NDVI、凈初級生產(chǎn)力(NPP)等經(jīng)過處理的能夠反映地表植被生長發(fā)育狀況的指標。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 地理導向數(shù)據(jù)分析方法

地理導向研究的數(shù)據(jù)在空間尺度上多以整個縣域為準，時間尺度則以年為單位。因此，本研究中的自然因子里，除植被蓋度、樣地指標和海拔外，均可作為地理導向研究的環(huán)境因子進行收集。目前，主成分分析法、通徑分析法和灰色關聯(lián)度分析法等方法能夠較好地刻畫沙漠化過程，測度年際和區(qū)域尺度下各環(huán)境因子的作用強度。這其中，主成分分析法是通過降維的方式將多個指標轉(zhuǎn)化為幾個綜合指標的多元統(tǒng)計方法，適用于驅(qū)動要素繁多且數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布的情況[19]；通徑分析法能直觀地反映變量間的相互關系與作用路徑，利于分析驅(qū)動要素對沙漠化的作用方向(促進或抑制)[20]；而灰色關聯(lián)度分析法可以對系統(tǒng)發(fā)展的狀態(tài)進行定量刻畫與對比，能夠反映不同驅(qū)動要素對沙漠化的貢獻程度[21]。

3.2.2 生態(tài)導向數(shù)據(jù)分析方法

不同于地理導向，生態(tài)導向研究數(shù)據(jù)在空間尺度上存在差異性，作為響應變量的NDVI、NPP等要素多為遙感柵格數(shù)據(jù)，是基于像元尺度的數(shù)據(jù)集，而作為驅(qū)動要素的生態(tài)學指標(來自于定點樣地)和氣象數(shù)據(jù)(來自于瑪曲縣內(nèi)及周邊的氣象臺站)多屬于點要素。鑒于此，應采用ArcGIS對驅(qū)動要素進行反距離權(quán)重(IDW)插值分析，獲得氣象因子和生態(tài)指標的柵格數(shù)據(jù)，之后進行投影轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)掩膜，提取出與響應變量坐標和分辨率一致的柵格數(shù)據(jù)。在此基礎上，應用柵格計算器進行相關分析，獲得像元尺度上驅(qū)動要素對響應變量的作用強度。此外，在時間尺度上，生態(tài)導向數(shù)據(jù)通常以旬變化、月變化或者季度變化為基準重復測量。

4 結(jié) 論

綜上可見，瑪曲縣沙漠化調(diào)查分析的研究方案可分為地理導向和生態(tài)導向兩大類。在研究尺度上，地理導向呈現(xiàn)出區(qū)域化和年際性的特征，利于在宏觀層面上掌握沙漠化發(fā)展趨勢；生態(tài)導向在空間上多為點數(shù)據(jù)，時間以年內(nèi)或月變化為主，更適合小尺度、短時間序列的精細化分析。具體而言，當研究目的側(cè)重于沙漠化面積的增減、程度的變化、發(fā)展趨勢，以及地貌景觀變化特征時，應選取地理導向的分析方法；而當研究目的著眼于沙漠化過程中生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的一些變化，如物種的生長、繁衍與遷移，物種多樣性，以及地表生產(chǎn)力水平等，則以選取生態(tài)導向的研究方案為佳。因此，對于以瑪曲縣為代表的高寒生態(tài)系統(tǒng)，沙漠化研究方案的確定取決于科研人員具體的研究目的與需求。