張曉虹, 何有華, 胡彥婷

(1.甘肅省水土保持科學研究所, 甘肅 蘭州 730020; 2.甘肅農業(yè)大學 林學院, 甘肅 蘭州 730070)

干旱風沙區(qū)因有水庫的調蓄作用，才有了綠洲的繁榮與可持續(xù)發(fā)展，保護水庫免遭風沙填埋危害是保護綠洲的重要任務之一[1]。對水庫周邊或庫區(qū)生態(tài)過程及生態(tài)設計的研究方面，目前研究區(qū)域主要集中在以水力侵蝕為主的非干旱地區(qū)，研究內容主要圍繞水庫建設前后人類活動對庫區(qū)生態(tài)過程的影響或庫區(qū)景觀設計方面進行[2-5]，但在以風力侵蝕為主的干旱地區(qū)，水庫多鑲嵌于綠洲與荒漠邊緣的生態(tài)環(huán)境中，尤其處于山前洪積扇下游以泉水為水源的水庫，有其特殊的植物群落結構[6-7]、地下水文循環(huán)過程和嚴酷而脆弱的生態(tài)環(huán)境，與非干旱地區(qū)的庫區(qū)生態(tài)過程有不同的驅動機制及其反應敏感性[8]。研究干旱風沙地區(qū)水庫邊緣植被演變及風力侵蝕強度變化，旨在評價水庫邊緣生態(tài)環(huán)境現狀，判斷其荒漠化正逆向演替趨勢，分析生態(tài)過程中的主要驅動力，探索水庫風沙危害防治有效途徑。

利用遙感影像工具，研究干旱地區(qū)植被覆蓋度及水土流失強度變化的技術日趨成熟，且有一系列研究成果問世[9-14]。風力侵蝕主要受植被指數、土壤可蝕性、風速等影響，主要的人為因素之一是放牧對侵蝕的驅動，致使風力侵蝕存在空間異質性[15]。周緒[16]以RS，GIS為平臺，分析了干旱區(qū)地下水位降幅對天然植被退化過程的影響。呂利利等[17]運用網格法研究了瓜州縣1986—2015年綠洲變化，總體上整個瓜州縣的綠洲分布呈增長的趨勢，但瓜州縣橋子綠洲的面積呈下降趨勢，從1986年66.70 km2退縮為2015年19.07 km2，退縮最嚴重的階段是2005—2010年。基于上述成果，本研究選取瓜州縣的橋子庫群，研究基于Landsat影像，采用像元二分模型，分析庫群周邊植被與風力侵蝕變化，從而進一步探析動態(tài)變化的歸因。研究組曾對瓜州縣橋子水庫群的風沙危害和生態(tài)環(huán)境影響進行了初步研究[18]，該區(qū)域草地嚴重退化、濕地銳減、風沙淤積危害十分嚴重，庫群有效庫容縮減，調蓄效率下降，風力侵蝕使生態(tài)環(huán)境進一步惡化[19]。因此，本文重點對水庫邊緣植被覆蓋度和風力侵蝕的動態(tài)變化及其成因進行分析，以期為干旱風沙區(qū)庫區(qū)風沙防治提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然生態(tài)環(huán)境

研究區(qū)位于甘肅省河西走廊瓜州縣橋子庫區(qū)，距瓜州縣城約67 km，地處昌馬沖洪積扇邊緣，踏實盆地東部，為綠洲細土平原和南戈壁洪積礫石傾斜平原的接合部位，在榆林河灌區(qū)的下游。區(qū)域內橋子東壩、祁家壩、水磨壩及沙窩壩等水庫都以泉水為水源，是橋子灌區(qū)內調蓄泉水灌溉綠洲的唯一水利調蓄設施。以橋子庫群周邊70.90 km2的范圍為研究對象，地理坐標為96°12′18″—96°19′05″E，40°17′38″—40°23′56″N，區(qū)域內含有水面、耕地、沙丘、戈壁、草地、林地、沼澤等多種土地類型。

研究區(qū)地形平坦開闊，東北側沙丘較多，高低不平，西側相對平坦，總體地勢由東南向西北傾斜，海拔為1 331～1374 m。地處荒漠內陸，屬典型的大陸性荒漠干旱氣候，氣候主要表現為風大沙多、降水少(年均降水量為47.7 mm)，降水季節(jié)變化明顯，主要集中于5—8月，蒸發(fā)量大(年均蒸發(fā)量為3 040.6 mm)、日照時數長(3 260 h)、晝夜溫差大、夏季酷熱(最高氣溫達42.8 ℃)及冬季嚴寒(最低氣溫為-29.3 ℃)等特征。年均氣溫為8.8 ℃，無霜期134～157 d，屬極干旱區(qū)，干燥度達16.8。年均風速為3.7 m/s，各月平均風速春季最大，為4.2～4.5 m/s，平均9～10 d，約占全年大風總日數的40%，夏季次之，冬季和秋季最少，歷年最多風向為東風，其次為西風。土壤主要為棕漠土、灰棕漠土、荒漠化草甸土、鹽土及風沙土等。植被屬西北溫帶荒漠區(qū)—溫帶半灌木、灌木荒漠帶，以旱生、超旱生灌木、半灌木和鹽生、旱生肉質半灌木為主，原生植被可分為風蝕荒漠戈壁植被：沙拐棗(Calligonummongolicum)、梭梭(Haloxylonammodendron)、紅砂(Reaumuriasoongarica)等超旱生的植物；綠洲邊緣沙丘植被：檉柳(Tamarixchinensis)、白刺(Nitrariatangutorum)等沙生植被；綠洲內部鹽生植被：鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、芨芨草(Achnatherumsplendens)等。灌區(qū)人工植被主要有沙棗(Elaeagnusangustifolia)、檉柳、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)等。庫區(qū)周邊荒漠化嚴重，土壤侵蝕類型主要是風力侵蝕，并有輕微的水力侵蝕，其平均侵蝕模數約為8 000 t/(km2·a)[20]。

1.2 風沙防治現狀

橋子庫群周邊沙源廣，面積大，現有的檉柳等植被，零星分布，攔沙能力弱，風力侵蝕強度大，庫群受到風沙吹蝕、淤積的危害日益嚴重，其危害直接表現為壓埋泉眼，侵占庫容，水庫調蓄功能下降，沙化耕地，惡化生存環(huán)境，影響農業(yè)生產等，治理難度大。當地干部群眾圍繞保護綠洲家園抗御風沙災害，實施人工礫石埋壓流沙、設置沙障、擋沙墻、建設農田防護林網等措施，使綠洲灌區(qū)農業(yè)生產條件有了較明顯的改善。但因水土保持工作起步較晚，需治理范圍廣、難度較大，受經費、人力等限制，該區(qū)域治理尚未構成全面的防護體系。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

選取研究區(qū)中分辨率Landsat影像，分辨率為30 m，基于地理空間數據云平臺獲取橋子庫群30 m分辨率的數字高程模型(DEM)數據，2006年7月、2011年8月Landsat 5TM的7個波段，2018年7月Landsat 8OLI的11個波段數據，對3期影像進行輻射定標、大氣校正。輻射定標是進行數字量化值DN與輻射亮度轉換，本研究采用FLAASH大氣校正方法，主要是用于去除水蒸氣、氣溶膠效應，校正鄰近效應[21-22]。2006—2018年平均溫度、年降水量、相對濕度數據來源于中國氣象數據網http:∥data.cma.cn/。

2.2 研究方法

2.2.1 歸一化植被指數 歸一化植被指數(NDVI)是檢測植被長勢、植被覆蓋度和營養(yǎng)成分等的主要參數之一，用于測定植被生長狀況、修正輻射誤差等，反映了區(qū)域內植被的分布狀況。其計算方法為[22-23]：

式中：NDVI為歸一化植被指數; NIR為近紅外波段; RED為紅光波段。

2.2.2 植被覆蓋度 基于像元二分模型原理提取橋子庫群邊緣的植被覆蓋度，運用植被指數轉化法對植被覆蓋度進行估算，其計算方法為[24-25]：

式中：F為植被覆蓋度; NDVI為像元的植被指數; NDVImax，NDVImin分別為區(qū)域內NDVI的最大值與最小值(NDVImax≠NDVImin),通常選取累計概率為95%與5%時的NDVI值。

2.2.3 風力侵蝕強度分級 基于ENVI，ArcGIS等技術平臺，將上述提取的植被覆蓋度依據《土壤侵蝕分類分級標準(SL190-2007)》風力侵蝕的強度分級標準進行空間分析，其結果詳見表1。

表1 研究區(qū)風力侵蝕的強度分級

3 結果與分析

3.1 動態(tài)變化分析

3.1.1 NDVI變化分析 歸一化植被指數的變化范圍為[-1,1]，在沙漠、水體等區(qū)域NDVI值較低甚至為負值。由圖1可知，2006和2011年NDVI均為0.81達最大，2018年NDVI為0.80達最大。2006，2011，2018年NDVI的年變化均值依次為0.14,0.11和0.30，從2006—2018年研究區(qū)歸一化植被指數呈先減后增的趨勢，但2018年的NDVI值高于2006年，NDVI的累積比例可劃分為3個階段：基本不變階段，NDVI的年均變化分別為-0.05，-0.06，-0.06；快速增加階段，NDVI的年均變化分別為0.22,0.19,0.20；增長緩慢階段，NDVI的年均變化分別為0.62,0.63,0.60。

圖1 研究區(qū)NDVI的累計比例

3.1.2 植被覆蓋度時空變化 植被是影響侵蝕的重要因素之一[26]，增加干旱風沙區(qū)的植被覆蓋度可有效的防風固沙。使用像元二分模型提取研究區(qū)2006，2011，2018年植被覆蓋度。由圖2可知，不同年份植被覆蓋度呈先減后增的趨勢，2006，2011，2018年植被覆蓋度分別為0.15,0.13和0.35，位于中覆蓋度、中低覆蓋度范圍，橋子水庫邊緣植被呈現先退化后恢復的趨勢，雖然2018年植被出現恢復的趨勢，但覆蓋度處在中覆蓋度范圍，植被覆蓋度仍較低。從2006，2011，2018年植被覆蓋度的變化情況來看(圖2)，2006年植被覆蓋度為0的比例為44.69%，在(0.0,0.3]范圍內比例最大，且高低起伏變化較大，在較高覆蓋度范圍(覆蓋度在0.3以上)比例較??；2011年覆蓋度為0的比例為46.28%，高于2006年，變化規(guī)律具有低覆蓋度高百分比，高覆蓋度低百分比的特征，在覆蓋度低于0.25時，百分比均值為0.56%；2018年覆蓋度為0的比例僅為3.20%，與2006和2011年相比明顯下降，2018年覆蓋度比例可劃分為3個階段，[0.00,0.15]比例增加，(0.15,0.35]比例變化較平穩(wěn)，>0.35的比例呈下降趨勢，但覆蓋度高于0.15的比例均高于2006和2011年。

圖2 研究區(qū)不同年份植被覆蓋度變化

由表2可知，2006—2018年總體上植被低覆蓋度面積呈下降趨勢，中低覆蓋度呈先增后減趨勢，中、較高、高覆蓋度呈先減后增趨勢。中低覆蓋度以下呈先增后減的趨勢，而中覆蓋度以上呈先減后增的趨勢，其中時段2006—2011年植被中覆蓋度以上的減少趨勢高于2011—2018年。中低覆蓋度以下面積由2006年的68.17%增為2011年的71.32%，降為2018年的50.47%，2006—2011年覆蓋度變化為3.14%，2011—2018年覆蓋度變化為-20.84%，說明中低覆蓋度在2006—2011年比例增加，在2011—2018年比例減少更明顯；中覆蓋度以上由2006年31.82%降為28.69%，增為2018年的49.53%，2006—2011年覆蓋度變化為-3.15%，2011—2018年覆蓋度變化為20.85%，說明中覆蓋度以上在2006—2011年比例減少，在2011—2018年的比例增加顯著。其中，中低覆蓋度(<30%)以下的類型占整個橋子庫群的比例最大，3期比例均超過了50%。

由圖3可以看出，研究區(qū)植被空間分布整體上繞橋子庫群邊緣聚集生長，其他區(qū)域零星分布，在研究時間尺度內，水庫邊緣的植被呈先減后增的趨勢，有生長遠離水庫的趨勢，中低覆蓋區(qū)植被有先退化后恢復的趨勢。2006—2011年植被覆蓋度降低，中覆蓋度以上植被明顯減少，天然植被退化較明顯，此時段與瓜州橋子綠洲面積退縮的時段相對應[17]，2011—2018年植被緩慢恢復，說明2006—2011年橋子庫群周邊環(huán)境變化劇烈，2011—2018年植被呈現恢復趨勢，分析植被覆蓋度有所增高的原因可能是以下幾個因素的疊加： ①與近幾年保護區(qū)的圍欄封育發(fā)揮功效有關； ②周邊開展了人工治沙，人工植被增加； ③近幾年以來降雨量有所增加； ④影像的影響，2006和2011年影像為Landsat TM數據，2018年為Landsat OLI數據，不同的影像提取的植被覆蓋度會有一定的差異。

表2 研究區(qū)植被覆蓋度變化統(tǒng)計結果

圖3 研究區(qū)2006-2018年植被覆蓋度變化

3.1.3 風力侵蝕變化 在干旱風沙區(qū)，植被覆蓋度與風力侵蝕緊密相關，植被覆蓋度越高風力侵蝕越小，植被覆蓋度越低侵蝕愈嚴重。由表3可知，在研究時間尺度內，侵蝕強度為中度以下的侵蝕面積呈先減后增的趨勢，由2006年的22.36 km2減為2011年的20.19 km2，增為2018年34.30 km2。2006—2011年侵蝕面積變化為-2.17 km2，2011—2018年侵蝕面積變化為14.11 km2；強烈侵蝕面積先增后減，由2006年的28.67 km2增為2011年的32.52 km2，減為2018年的26.46 km2,2006—2011年侵蝕變化為3.85 km2，2011—2018年侵蝕變化為-6.06 km2；極強烈侵蝕面積持續(xù)減少，由2006年的19.23 km2減為2018年的8.50 km2，2006—2011年、2011—2018年侵蝕變化分別為-1.55和-9.18 km2。強烈以上侵蝕面積由2006年的47.90 km2到2011年的50.20 km2降為2018年的34.96 km2，強烈以上侵蝕面積比例仍較大，若不注意防治很容易引起植被的退化，因此，明確植被覆蓋度和風力侵蝕變化的成因分析顯得尤為重要。

表3 研究區(qū)2006-2018年風力侵蝕面積變化統(tǒng)計

由圖4可知，研究區(qū)風力侵蝕的空間分布整體上西北方向侵蝕較弱，東南、東北方向侵蝕較強，在研究時間尺度內，水庫邊緣的侵蝕出現先加重后減弱的趨勢，2018年植被雖有恢復，但恢復進度相對較慢；極強烈侵蝕區(qū)在東南、東北方向的面積明顯減小，2018年的減幅大于2011年，由流動沙丘、沙地轉為半固定沙丘、沙地，說明時段2006—2011年侵蝕較2011—2018年嚴重，與上述研究植被覆蓋度退縮時段相對應。

圖4 研究區(qū)2006-2018年風力侵蝕空間分布

3.2 植被覆蓋及風力侵蝕變化成因分析

植被覆蓋及土壤侵蝕變化的影響因素有自然因素和人為因素。

3.2.1 自然因素 在自然因素中最主要的是氣候因素。當地干旱多風和冷熱劇變的氣候特點不利于自然植被的生長，使沙質地表疏松裸露，遇有起沙風速時，極易產生沙塵，形成各類風蝕、風積地貌。由2006—2018年氣象數據可知，研究區(qū)所在酒泉地區(qū)年均氣溫呈升高趨勢[27]，相對濕度呈下降趨勢，降水量波動減少，尤其近幾年氣溫升高，降水量增加明顯(圖5)，這在一定程度上促進了植被的增加。但鑒于當地極干旱的氣候類型，降雨條件的變化只是植被變化的主要驅動因素之一，同時地下水位的變化也是地表天然植被變化的重要動因。

圖5 研究區(qū)年均溫、年降水量及相對濕度變化

研究區(qū)處于山前礫石沖洪積和細土沖積平原交界的潛水溢出帶，地表水主要依賴于洪積扇邊緣的出漏泉水，泉水的來源一部分為上游集雨面積上的降雨入滲地下補給，另一部分以疏勒河古河床潛流及祁連山融雪潛流補給。由于上游補給量的持續(xù)減少等原因，已出現地下水水位下降、泉水線后移、泉水溢出量減小、沼澤萎縮等生態(tài)環(huán)境惡化趨勢[28-29]。1980—2004年，因地下水下降，橋子片區(qū)泉水溢出量平均每年減少5.57×105m3，其中生態(tài)耗水量平均每年減少3.34×105m3。由機井普查資料調查到的水位埋深中可知，橋子灌溉區(qū)水位下降速率為0.064 m/s，地下水位逐年下降。在橋子水庫周邊地下水位較淺的低平區(qū)域廣泛分布著芨芨草群落，芨芨草是主要的建群種，植株生長高大茂密，平均蓋度曾達60%～70%。而近幾年從現場調查看，水庫邊緣原來豐茂的芨芨草灘已明顯衰退，草叢生長不良，高度降低，分蘗少，地表呈現一個個枯死老桿組成的凸起草墩，蓋度降低，小于30%左右，芨芨草作為地下水指示植物[30]，也明示了當地地下水位的下降情況。研究區(qū)內南部有小片胡楊林殘林，也由于地下水位的降低，植株稀疏、低矮衰弱，退化呈叢狀。地下水位的下降，泉水溢出量的減少，造成了庫區(qū)周邊濕生植物和對地下水依賴性較強的植物枯死；而近幾年降雨量接近常年同期略偏多，為豐水年，同時，氣溫也接近常年同期略偏高，熱量較為充足，水熱條件利于荒漠區(qū)植被夏季生長，使荒漠旱生植被的覆蓋度有所增加，植被群落結構發(fā)生了變化。

3.2.2 人為因素 除自然因素外，人類活動對植被覆蓋有正向和負向兩方面作用，人類的發(fā)展及其生產生活對環(huán)境的干擾和破壞，如地下水超采、過度放牧、超生態(tài)負荷擴大綠洲面積、不合理的種植業(yè)結構和耕作方式等不當的人為活動造成了天然植被的破壞，局部侵蝕和土地沙化加速。與此相對，封育造林治沙等治理保護行為對植被覆蓋的增加有積極的影響。

(1) 超生態(tài)負荷擴大綠洲面積。近30 a間，瓜州縣域范圍內總體綠洲擴張顯著[16]，耕地增加(圖6)，人口增長快、開墾面積大，農業(yè)資源開發(fā)規(guī)模擴大，地下水過度開采，但植被保護滯后、生態(tài)用水減少，超過了原本脆弱生態(tài)系統(tǒng)的承載力，還存在土地撂荒或棄耕問題等，造成天然荒漠植被退化，草原面積減少，土地沙化，新的沙源地不斷增加。而以地下水為水源支撐的橋子綠洲卻持續(xù)萎縮，間接說明了周邊土地荒漠化的發(fā)展給研究區(qū)造成影響，庫群邊緣植被退化、沙源地增加、風沙淤積危害嚴重，庫群有效庫容縮減，調蓄效率下降。

(2) 不合理的種植業(yè)結構和耕作方式。受短期經濟利益的驅動，粗放經營，如對耕地投入的有機肥越來越少，耕作層肥力下降，以及不合理的灌溉制度等，破壞了土壤結構，加速土地的鹽堿化、劣質化和荒漠化，在干旱多風的氣候條件下使土壤風蝕急劇增加。

(3) 人口快速增長和社會經濟的需求，加大了土地資源利用的壓力。早些年的超載過牧、無序采樵、亂挖鎖陽甘草等人類活動破壞原有自然植被和原地表鹽生結皮，加劇風蝕強度。近幾年，在草原保護等政策影響下，當地對荒漠草場采取了大范圍的圍欄封育措施，同時水務部門在庫邊的沙區(qū)也開展了人工固沙造林，治理初見成效，對植被覆蓋度的增加有貢獻。

注：耕地和牲畜數據來源于《甘肅農村年鑒》。

4 結 論

(1) 本研究基于Landsat影像對干旱風沙區(qū)的植被使用像元二分模型進行計算，并運用定性與定量相結合的方法研究橋子庫群邊緣植被和風力侵蝕狀況。在研究時間尺度內，研究區(qū)植被低覆蓋度面積下降，中低覆蓋度先增后減，中、較高、高覆蓋度先減后增。由流動沙丘、沙地轉為半固定沙丘、沙地，時段2006—2011年侵蝕較2011—2018年嚴重。

(2) 研究區(qū)植被覆蓋和風力侵蝕變化的主要原因有自然和人為因素，地下水補給量減少、水位降低、超生態(tài)負荷擴大綠洲、不合理的種植業(yè)結構和耕作方式及畜牧業(yè)發(fā)展等加速了天然植被退化和土地沙化進程，而采取的草場封育、固沙造林等治理和修復措施能在一定程度上延緩這一進程。

(3) 為維護綠洲持久穩(wěn)定，建議嚴格控制或限制規(guī)模化耗水農耕生產，采取短期搶救性措施和預防保護治理措施，進行生態(tài)引水，搶救性補充水源，促進天然植被恢復，輔助人工植被，禁墾禁牧、調整產業(yè)結構，優(yōu)化灌溉制度、發(fā)展節(jié)水農業(yè)，保證生態(tài)用水等，水利、農業(yè)、生態(tài)環(huán)境、自然資源等多部門協(xié)同，改善干旱風沙區(qū)生態(tài)環(huán)境，保證灌區(qū)農業(yè)生產及社會經濟的可持續(xù)發(fā)展。