近20年祁连山地区土地荒漠化时空演变分析
——以张掖市为例

■ 程东林/王 雯,2/何 坤/刘芳堉

（1.甘肃省自然资源规划研究院西部生态脆弱区土地利用研究中心，兰州 730000；2.北京师范大学防沙治沙教育部工程研究中心，北京 100875）

0 引言

土地荒漠化作为严峻的生态环境问题之一，是人类不合理活动与脆弱的生态环境相互作用下，形成以风沙活动为主要标志的土地退化过程[1]。根据第五次全国荒漠化和沙化监测结果，全国荒漠化土地面积达261.16万km2,占到了全国土地总面积的27.2%[2]。土地荒漠化严重影响着干旱地区生态环境和社会经济的发展，威胁着人类的生存和发展[3-5]，国内外学者高度关注这一问题。因此，对土地荒漠化进行动态监测，全面掌握土地荒漠化的变化规律，探明土地荒漠化过程中驱动力的作用机理，对有效开展土地荒漠化的防范和治理具有至关重要的意义。

目前，土地荒漠化已经成为学者们研究的重要课题，且在土地荒漠化识别和监测方面的研究已取得了明显进展。在土地荒漠化监测方法方面，从早期的构建荒漠化综合评价指标体系[6]、遥感影像目视解译[7-8]逐渐发展为以遥感为技术手段，利用植被指数[9]、光谱特征[10]，以及构建Albedo-NDVI特征空间[11]的方法多元监测土地荒漠化的动态变化。在开展土地荒漠化监测时，学者们发现自然环境与人类活动是影响土地荒漠化的重要驱动力。如：胡云峰等[12]发现自然条件、人类活动干扰是土地荒漠化的重要影响因素。刘英等[13]通过对黄土高原地区土地荒漠化进行遥感分析，发现荒漠化与降水量和气温密切相关。然而目前学者关注的重点仅是对土地荒漠化面积变化和空间位置分布等动态变化的监测，对长时间序列的土地荒漠化变化过程中，多种因素共同作用下土地荒漠化的驱动机制关注较为薄弱。祁连山地区位于高寒山区和干旱荒漠区过渡带，土地荒漠化问题十分突出。而我国土地荒漠化研究主要集在北方干旱半干旱地区[14-15]和喀斯特地区[16]的森林和草地系统的研究上[17-19]，对于祁连山地区土地荒漠化问题的研究还相对较少。

祁连山地区是青藏高原前缘地区之一，是中国“两屏三带”生态安全战略格局中的关键区域，也是河西走廊绿洲城市的生命之源。祁连山地区土地荒漠化问题关乎中国西北地区乃至全国生态安全。基于此，本文基于2000—2020年遥感数据，以甘肃省张掖市为例，对祁连山地区土地荒漠化进行长时间序列监测，以归一化植被指数指标表征土地荒漠化，揭示土地荒漠化时空格局演变特征，并运用地理加权回归模型识别土地荒漠化变化驱动机制，藉此为土地荒漠化问题研究提供新方法，同时也期望能为祁连山地区防护土地荒漠化，改善和恢复生态环境提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

张掖市位于我国西北地区、甘肃省西北部、河西走廊中段，地处97°20′～102°12′E，37°28′～39°57′N，是我国西部地区重要的生态安全屏障；属冷温带干旱和祁连山高寒带半干旱半湿润两种气候类型，年平均气温4.1～8.3℃，年平均降水量112.3～354.0mm。2020年，张掖市下辖1区5县，人口为113万人；土地总面积约4.2万km2。张掖市拥有祁连山和黑河湿地两个国家级自然保护区，祁连山国家级自然保护区76%的面积在张掖市境内，因此，以张掖市为例研究祁连山地区土地荒漠化具有代表性。

1.2 数据来源及处理

本文选取了遥感、土地利用、地形、气象和社会经济等多源数据。其中，2000、2005、2010、2015、2020年的遥感影像数据来源于资源环境数据云平台（http://www.resdc.cn），空间分辨率为1km。气象数据来自中国气象数据网(http://data.cma.cn)，利用Matlab编写程序，计算年均气温和降水量气象站点数据。30m分辨率的数字高程模型(DEM)数据主要来源于中国科学院资源环境科学数据平台(http://www.resdc.cn)，在ArcGIS10.2中利用重分类和按掩膜提取等工具，对数据进行处理。社会经济数据来源于相应年份的《甘肃省统计年鉴》和《张掖市统计年鉴》。人工造林和放牧活动等数据从国家林业和草原局网站(http://www.forestry.gov.cn/)收集整理获取，主要用于分析人类活动的影响。

1.3 研究方法

1.3.1 时间序列重构方法

由于遥感影像获取时受云和大气的影响很大，需对NDVI时序数据进行降噪和平滑处理，利用S-G滤波法对NDVI数据进行时间序列重构去除噪声[20]，首先在曲线重构过程中采用Spike Method剔除原始NDVI曲线的无效点，然后在原始NDVI数据上构建窗口，最后通过对原始NDVI时序数据窗口平滑实现对整条曲线的拟合[21-22]。参考吉珍霞等[23]人的研究和反复测试，设置窗口大小为3，有理多项式次数为3。公式为：

式中，Yj为拟合之后的序列数据，Yj+1为原始序列数据，Ci为滤波系数，N为滑动窗口的大小(2m+1)，m为1/2的滑动窗口，i为年期影像。

1.3.2 植被覆盖度

归一化植被指数指标用于表征土地荒漠化的变化程度，由于植被指数与植被覆盖度有较好的相关性，可以用归一化植被指数（NDVI）来计算植被覆盖度。根据像元二分模型理论，可以认为一个像元的NDVI值是由绿色植被部分贡献的信息与无植被覆盖部分贡献的信息组合而成，植被覆盖度可根据以下公式获得：

式中，NDVI表示归一化植被指数，NIR表示近红外波段的反射率，RED表示红波段的反射率。

式中，FC表示植被覆盖度，NDVIveg表示纯植被像元的NDVI值，NDVIsoil表示完全无植被覆盖像元的NDVI值。

1.3.3 土地荒漠化动态分析

土地荒漠化的动态变化采用净变化率（LDR）表征土地荒漠化面积总量的变化，反映土地荒漠化面积的增减趋势。公式为：

式中，LDRi代表第i个单元土地荒漠化面积变化的净变化率，Dni和Dmi分别代表研究基期和末期第i个研究单元的土地荒漠化面积。

1.3.4 地理加权回归模型

GWR模型是在普通线性回归模型的回归参数中嵌入数据的地理空间位置[24]，模型公式为：

式中，（ui，vi）为第i个采样点的坐标；βk（ui，vi）是第i个采样点的第k个回归参数，x为地理位置的函数；ε为采样点i的随机误差。

2 结果与分析

2.1 张掖市土地荒漠化时空格局

2.1.1 荒漠化土地面积变化特征

采用土壤风蚀调查法，结合植被覆盖度和沙化土地状况来评估土地荒漠化程度，将土地荒漠化程度分为轻度、中度、重度与极重度四个级别，非荒漠化区土地荒漠化等级为无。其中：将植被盖度＞50%，基本无风沙流活动的土地定义为轻度荒漠化；将30%≤植被盖度≤50%，风沙流活动不明显的土地定义为中度荒漠化；将10%≤植被盖度＜30%，风沙流动明显或流沙纹理明显可见的土地，或植被覆盖度≥风沙流动的风蚀残丘、风蚀劣地及戈壁，定义为重度荒漠化；将植被覆盖度＜10%，几乎无植被或者有少量植被的沙化土地定义为极重度荒漠化。

由表1可知，2000—2020年张掖市土地荒漠化面积整体呈现下降趋势，土地荒漠化面积由2000年的39676.09km2下降至2020年的38121.1km2，20年间共减少1554.99km2，年均减少77.75km2。研究期内，极重度荒漠化面积变化最为明显，减少面积为6095.17km2，所占比例由31.28%下降至15.86%，土地荒漠化动态变化率为-49%；其次为轻度荒漠化面积，共增加2280.63km2，所占比例由24.18%增加至29.56%，土地荒漠化动态变化率为24%；重度荒漠化面积略微上升，共增加191.70km2，所占比例由30.37%上增加至30.54%；中度荒漠化和未荒漠化面积分别增加2067.85km2和1955.33km2，土地荒漠化动态变化率分别为38%和725%。

表1 张掖市不同时期荒漠化土地面积变化

2000—2005年，张掖市极重度荒漠化土地面积呈现迅速减少趋势，研究期内共减少1804.75km2，土地荒漠化动态变化率为-14%，重度荒漠化、中度荒漠化、轻度荒漠化和未荒漠化面积呈现增加趋势，分别增加了659.9km2、455.12km2、497.36km2和363.91km2，土地荒漠化动态变化率分别为5%、8%、5%和135%。

2005—2010年，张掖市极重度荒漠化和重度荒漠化土地面积呈现减少趋势，5年间减少面积分别为1651.04km2和22.99km2，土地荒漠化动态变化率分别为-15%和0%；中度荒漠化、轻度荒漠化和未荒漠化土地面积分别呈增加趋势，面积分别增加489.81km2、824.79km2和617.14km2，土地荒漠化动态变化率分别为8%、8%和97%。

2010—2015年，张掖市极重度荒漠化和未荒漠化土地面积呈迅速增加趋势，两类土地面积分别增加365.27km2和494.07km2，土地荒漠化动态变化率分别为4%和39%。重度荒漠化、中度荒漠化和轻度荒漠化面积都呈减少趋势，减少面积分别为433.23km2、461.23km2和119.17km2，土地荒漠化动态变化率分别为-3%、-7%和-1%。变化的主要原因是研究期内张掖市人口增加了约2.03万人，耕地面积增加了38.22hm2，建设用地面积增加了59.5hm2，社会经济发展带动耕地与建设用地的规模不断扩大，人为扰动使得生态环境恶化，使得极重度荒漠化程度加剧。

2015—2020年，张掖市极重度荒漠化和重度荒漠化土地面积呈现迅速减少趋势，两类荒漠化土地面积分别减少3004.65km2和11.98km2，而中度荒漠化、轻度荒漠化和未荒漠化土地面积呈现增加趋势，三种类型共增加3142.04km2。可见这一时期祁连山地区土地荒漠化程度不断减轻，主要原因是近几年连续实施的三北防护林、退耕还林、退牧还草等一系列工程，以及先后启动实施的小流域治理、水土流失治理、天然林保护和自然保护区建设工程等一系列重点治理项目，对区域生态恢复与建设起到积极作用。

2.1.2 荒漠化土地空间变化特征

通过荒漠化土地空间变化特征来看，张掖市土地荒漠化类型主要以重度荒漠化为主，占到研究区总面积的30%左右。四种类型的土地荒漠化面积大小依次为：重度荒漠化＞轻度荒漠化＞中度荒漠化＞极重度荒漠化。从空间分布情况来看，不同类型的荒漠化土地在研究区有不同空间分布，极重度荒漠化土地主要分布在研究区的北部，在张掖市高台县和肃南裕固族自治县境内集中分布；重度和中度荒漠化主要分布在研究区西部及中部地区；轻度和未荒漠化在研究区中部和南部镶嵌分布。

2.1.3 土地荒漠化类型转换特征分析

表2反映了2000—2020年张掖市土地荒漠化类型转换情况，通过对2000年与2020年两期数据进行叠加分析，得到研究区土地荒漠化转移矩阵。可以看出，研究期内各类型荒漠化土地均存在相互转化，相互转化的面积占到张掖市总面积的44.44%，各类型土地荒漠化面积净转化量由高到低依次为：极重度荒漠化＞轻度荒漠化＞中度荒漠化＞未荒漠化＞重度荒漠化。其中，极重度荒漠化是主要转出者，净转出量为6406.7km2，主要转为重度荒漠化，转换比例占转出量的87.93%；轻度荒漠化和中度荒漠化是主要的转入者，净转入量分别为2229.19km2和2078.2km2，主要接受了中度荒漠化和重度荒漠化转入。

表2 2000—2020年张掖市土地荒漠化类型转换 单位：km2

研究期内，荒漠化转移类型主要表现为极重度荒漠化→重度荒漠化→中度荒漠化→轻度荒漠化→未荒漠化的转化模式。极重度向重度、重度向中度、中度向轻度、轻度向未荒漠化的转化面积分别为：5717.52km2、4820.32km2、3136.76km2和1875.17km2。极重度荒漠化和重度荒漠化转化为其他类型的面积占到总转出面积的69.07%，其他类型的面积转化为重度荒漠化和中度荒漠化面积占到总转入面积的63.58%。这说明受自然和人为共同影响，张掖市不同类型荒漠化之间发生了较大规模的转换，而且是向着好的方向发生转变，这也从另一侧面反映了张掖市生态环境保护理念和各类生态建设与基础设施建设不断增强，荒漠化治理取得了显著成效。

从各类土地荒漠化类型转移的空间分布上来看，极重度荒漠化转化为重度荒漠化主要分布在研究区的北部和中部，在西部地区也有少量分布，而重度荒漠化转化为中度荒漠化在研究区西部、中部和东部都有一定量的分布，重度荒漠化转化为轻度荒漠化和未荒漠化主要集中在研究区的中部和东南部。

2.2 土地荒漠化的响应机制分析

2.2.1 土地荒漠化影响因子

在影响沙漠化的气候条件中，气温、降水和风力状况与沙漠化的关系最为密切[25-26]。从图1中可以看出，近20年，张掖市年降水量为（230±126）mm，在时间序列上呈现先增加后减少再增加的波动变化趋势，年平均降水量为176.21mm；年平均气温为（14.8±6.7）℃，在时间序列上呈现波动增长趋势；与年平均降水和气温相比，张掖市年平均风速则呈现波动上升趋势，2016年后年平均风速有明显降缓趋势。

图1 2000—2020年张掖市土地荒漠化自然驱动因子变化情况

人口数量、牲畜数量、耕地面积和荒（沙）地造林面积等人类活动很大程度上影响着土地荒漠化的程度。从图2中可以看出，近20年中张掖市人口数量经历了“先增加后减少再增加”的过程，人口数量由2000年的125.77万人减少至2020年的123.76万人，净减少人数为2.01万人，年均人口净减少率为0.16%。而牲畜数量呈现单一增加趋势，研究期内牲畜数量共增加46.34万只，年均增加2.317万只。耕地数量也呈现缓慢增加趋势，20年间共增加1680km2，年均增长率为8.9%。荒（沙）地造林面积也呈现波动增加趋势，研究期内共增加2250km2，年均增加1130km2。尤其是2010年以后，荒（沙）地造林面积增加趋势较为明显。

图2 2000—2020年张掖市土地荒漠化人类活动驱动因子变化情况

2.2.2 土地荒漠化驱动力分析

选择年降水量、年平均气温、年平均风速、牲畜量、耕地面积、人口数量、荒（沙）地植树造林面积等7个指标，分析各驱动因子与土地荒漠化之间的关系。在线性回归分析前，对解释变量之间是否存在多重共线性的问题进行了检验，从检验结果看，本文所选取的指标中最大的方差膨胀系数为1.574，容差值为0.635，在可以接受的范围内，所以模型的检验结果并不支持变量之间存在多重共线性问题。

在ArcGIS10.2中，利用地理加权回归工具进行回归分析。从地理加权回归模型估计结果可以看出模型的Bandwidth为6.37km，Residual Squares值为1.193，说明该估计结果比较接近观测值。模型估计结果中R2为0.895，对R2进行校正，得到R2Adjusted值为0.821，可以看出GWR模型的拟合度较好。利用空间自相关检验对GWR模型的残差值进行分析，可以看出莫兰指数值为0.14，P值为0.007，残差在空间上呈随机分布状态。基于分析可知，模型的可信度较高，具有统计学上的意义。

从分析结果可以看出，张掖市土地荒漠化程度与年平均降水量总体呈现显著负相关关系，相关系数基本在-0.89～0之间分布，可知降水量越高，土地荒漠化程度越低；而土地荒漠化程度与年平均气温总体呈现显著正相关关系，相关系数基本在0～0.99之间分布，可知年平均气温越高，土地荒漠化程度越高。在空间分布上看，张掖市中部和北部地区由于气温、降水等自然条件较差，年降水量较少，年均气温较高，蒸发量较大，植被覆盖度较低，加之风速不断变大，导致该地区土地荒漠化程度较高；同时，由于该地区土地利用类型以沙地为主，气温不断升高，降水量显著减少，不良的气候变化使得蒸发量不断增大，地下水位也随之下降，导致该地区盐质的荒漠化土地逐渐转变成为沙质的荒漠化土地。这说明张掖市中部和北部地区土地荒漠化的主要驱动因素为自然作用，人为因素作用不大。而张掖市南部地区由于气温、降水、地形等自然条件较好，植被覆盖度较高，局部气温升高，降水量减少难以引起大面积的土地荒漠化。该地区土地利用类型主要以草地和林地为主，土地荒漠化程度较低。从以上分析可以看出，土地荒漠化的基础条件是干旱半干旱的气候环境，气候变化是土地荒漠化的重要驱动因素。

人类活动是研究荒漠化发生、发展的主要内容，它不仅在阐释荒漠化成因和荒漠化综合整治中有重要的理论意义，而且在人地关系和土地利用研究中也成为一个主要的评判因素[25]。从张掖市土地荒漠化与人口数量、牲畜数量、耕地面积、荒（沙）地造林面积间的相关关系中可以看出，人口数量与土地荒漠化间的相关系数在-0.19～0之间分布，牲畜数量与土地荒漠化间的相关系数在-0.44～0之间分布，耕地面积与土地荒漠化间的相关系数在-0.39～-0.03之间分布，说明人口数量、牲畜数量、耕地面积对土地荒漠化程度具有负向影响作用。荒（沙）地造林面积与土地荒漠化间的相关系数在0～0.67之间分布，说明荒（沙）地造林面积对土地荒漠化程度具有正向影响作用。近20年间，张掖市人口数量“先增后减”，人口净减少2.01万人，而牲畜数量和耕地面积呈现逐年增加趋势。耕地面积的增加加大了土地资源的压力，加之人为活动频繁、牲畜超载，形成地区农林镶嵌、林牧交错的现象，林农、林牧矛盾突出，社区关系不协调，林地不断受到蚕食和侵占，许多灌木林地和疏林地由于过度放牧而逐渐退化，天然更新差，加之生态环境脆弱，加大了土地荒漠化的程度。但是随着人口数量的减少，人类活动对生态环境扰动有所减少，土地荒漠化的程度也随之减轻[27-28]。随着荒（沙）地造林面积的增加，对于改善张掖市土地荒漠化状况具有很重要作用，这主要与国家封山植树和退耕还林政策有很大关系。退耕还林还草工程实施以来，张掖市林地面积呈现显著增加的趋势，近20年间，张掖市荒（沙）地造林面积共增加2250km2，年均增加112.5km2，林地面积显著增加使得沙区边缘植被覆盖度进一步增加，荒漠化土地显著减少，生态环境质量明显改善，有效遏制了土地荒漠化的发展。

3 结论

本文基于近20年遥感数据，对祁连山地区土地荒漠化进行长时间序列监测，以归一化植被指数作为土地荒漠化评价的主要指标，揭示土地荒漠化时空格局演变特征，并运用地理加权回归模型识别土地荒漠化变化驱动机制。通过研究，得出以下结论：

(1)研究期内张掖市土地荒漠化面积整体呈现下降趋势，近20年间土地荒漠化面积共减少1554.99km2，年均减少77.75km2。极重度荒漠化面积减少趋势最为明显，共减少6095.17km2。张掖市荒漠化土地总体呈现“北高南低、西高东低”的分布特征。研究区北部地区主要以极重度荒漠化为主，西部及中部地区以重度和中度荒漠化为主，轻度和未荒漠化在研究区中部和南部镶嵌分布。

(2)各研究时段内各类型土地荒漠化转换相对稳定，其净转化量由高到低依次为极重度荒漠化、轻度荒漠化、中度荒漠化、未荒漠化和重度荒漠化，极重度荒漠化以转为重度荒漠化为主，轻度荒漠化和中度荒漠化以转入为主。极重度荒漠化→重度荒漠化→中度荒漠化→轻度荒漠化→未荒漠化的转化模式为土地荒漠化转移的主要类型。

(3)从时间与空间两个角度分析土地荒漠化的驱动因子，可知土地荒漠化的形成是自然因素与人类活动因素共同驱动的结果。气温、降水等内部驱动因素是土地荒漠化最重要的影响因素，也是最根本的影响因素。人口数量、牲畜数量、耕地面积、荒（沙）地造林面积是土地荒漠化最直接的影响因素。

(4)研究期内，以张掖市为代表的祁连山地区土地荒漠化的形势在整体上向着好的方向发展，退耕还林、退牧还草等一系列政策与治理项目对区域生态恢复和建设，以及遏制土地荒漠化具有重要作用。

4 讨论

不同的影响因素相互关联、相互制约，共同构成祁连山地区土地荒漠化变化的背景条件。2000—2020年，研究区土地荒漠化面积整体呈现下降趋势，正处于生态恢复状态，土地荒漠化的动态变化基本稳定，荒漠化过程未发生明显变化。在研究区北部地区，土地荒漠化变化较为活跃。从演变过程来看，年降水量较少、年均气温较高、蒸发量较大、植被覆盖度较低，加之风速不断变大，是导致该地区土地荒漠化程度较高的主要原因，也是造成荒漠化土地形成的共性原因，这与万炜、刘英等[29-32]研究结果相一致。近年来，采取三北防护林、退耕还林、退牧还草等一系列政策，以及先后启动实施的小流域治理、水土流失治理、天然林保护和自然保护区建设等工程，对有效减轻土地荒漠化具有重要作用。值得关注的是，人类活动对生态环境的扰动是土地荒漠化形成的另一重要原因。

总体来看，祁连山地区土地荒漠化程度仍处于较高水平，荒漠化土地的治理仍有很长的路要走。为了避免土地荒漠化加剧，该地区需要保持警惕，除保持当前行之有效的治理措施外，还应进一步采取措施遏制土地荒漠化。死亡植被亦能很好表征土地荒漠化信息，本文选用植被覆盖度作为土地荒漠化的评价指标，未获取死亡植被数据，故对研究结果的准确性会产生一定的影响。