近32年三江源地区土地沙化特征及驱动力分析
路云阁, 刘晓, 张振德
中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083

第一作者简介: 路云阁(1976-),男,博士,高级工程师,主要从事遥感地质调查、地表格局与变化过程等研究。

摘要

利用1975年MSS、2000年ETM+和2007年CBERS-02B共3期影像数据开展三江源地区土地沙化遥感调查监测,在此基础上重点分析了32 a来三江源地区土地沙化时空变化特征及其驱动力因素。三江源土地沙化总体表现为先增加后减少的过程,沙化土地主要分布于海拔相对较高的平缓高原面上的盆地内,且具有沿河、沿交通线分布的特点。2000年以前,气候暖干化和人为活动加剧造成了土地沙化日益严重,表现为总量在增加、程度在加重、空间分布变化频繁; 2000年以后,气候暖湿化是土地沙化趋于改善的最主要因素。

关键词: 土地沙化; 气候变化; 遥感; 三江源
中图分类号:TP79 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2010)增刊-0072-05
An Analysis of Characteristics and Driving Forces of Land Desertification in Sanjiangyuan Region
LU Yun-ge, LIU Xiao, ZHANG Zhen-de
China Aero Geophsical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China
Abstract

Based on the MSS(1975), ETM+(2000) and CBERS-02b(2007) images, the authors conducted monitoring of land desertification in Sanjiangyuan region with the emphasis placed on the characteristics and driving force of land desertification variation. Desertification land is mainly distributed in the flat plateau, close to the river and roads. The area of desertification land increased obviously between 1975 and 2000, especially in the Yellow River headwaters area, because of the warming and drying as well as the disturbance of human activities such as panning and overgrazing. In addition to the increasing desertification area, the degrading level was aggravated and the changes in spatial distribution were frequent. After 2000, the Sanjiangyuan Reserve Area was set up with the purpose of reducing the impact of human activities as much as possible. On the other hand, the precipitation was increasing. Since then, land desertification in Sanjiangyuan region has tended to be improved.

Keyword: Land desertification; Climate change; Remote sensing; Sanjiangyuan region
0 引言

三江源地区是长江、黄河和澜沧江3大河流的发源地, 位于青海省南部, 地处青藏高原腹地。该区是我国最大的产水区, 年产水总量425.9亿m3, 占青海省水资源总量的67.7%[1], 同时也是黄河、长江和澜沧江上游最主要的水源涵养区, 黄河总水量的49%、长江总水量的25%、澜沧江总水量的15%[2], 均来自于三江源。近几十年来, 由于不合理的人类活动和气候变化的共同影响[3, 4], 三江源地区出现了许多生态和环境问题, 如冰川退缩、河湖萎缩、湿地面积减少、冻土环境和地表植被退化造成土地沙化等, 并对长江、黄河和澜沧江中下游地区生态与环境带来不利影响[5, 6, 7]。例如, 龙羊峡附近已经出现一定规模的新月形沙丘链, 而青海省境内年输入黄河的泥沙量近年来达到了8 814万t, 输入长江的泥沙量达1232万t, 输入澜沧江的泥沙量至少已有500万t[2]。对于三江源地区土地沙化的监测与防治, 需要引起足够的重视。本文利用三江源地区1975~2007年间的3期土地沙化遥感监测数据, 对该区32 a来沙化土地的时空变化特征展开分析, 并从自然与人为两个因素探讨了不同时段土地沙化的驱动力因素。

1 研究区概况

三江源地区北起昆仑山, 南至唐古拉山, 西侧为可可西里山, 大致界于北纬31° 11'~35° 46', 东经90° 32'~100° 21'之间, 对于三江源的精准范围目前尚无统一标准。参阅相关研究成果及文献[5, 8], 本着自然、完整、合理的原则, 以地貌景观为依据, 利用ArcGIS水文分析模块, 通过数字高程模型确定流域的分水岭, 然后提取得到三江源的分布范围(图1)。

图1 三江源分布范围

三江源地区总面积26.4万km2, 其中长江源区15.7万km2, 黄河源区5.2万km2, 澜沧江源区5.5万km2。三江源地区平均海拔4 600 m, 年均气温-5.6℃~3.8℃, 年降水量变化较大, 介于200~800 mm之间。三江源地区有我国最为集中、面积最大的湿地, 自东南向西北依次分布着针叶林、灌丛、高寒草甸、高寒草原与高山稀疏植被等植被类型。

2 数据及方法
2.1 数据及预处理

遥感数据主要基于1975年左右的MSS、2000年ETM+和2007年CBERS-02B的3期影像, 尽量选择时相为6~10月之间的, 其中MSS数据较难保证时相统一。在此基础上通过遥感解译与信息提取, 获得三江源3期土地沙化数据。研究区26个站点的逐年气象数据来自于中国气象局, DEM来自于USGS的90 m分辨率SRTM数据, 道路、河流等来自于中国1:100万基础地理信息数据。所有数据采用统一的投影及坐标系统, 便于统计和空间分析。

2.2 主要方法

2.2.1 土地沙化遥感解译

首先利用遥感影像波段组合及图像增强处理技术突出土地沙化信息; 然后根据风积地表形态所占比例及植被覆盖度等主要信息确定影像图斑的土地沙化程度, 建立轻度、中度、重度土地沙化典型遥感解译标志。对比野外实地考察记录, 采用人工解译并辅以少量自动信息提取, 经局部抽检和全面检核获得三江源地区3期沙化土地分布遥感监测数据。

2.2.2 空间插值与分析

首先, 在ArcGIS下通过普通克里金法, 对研究区26个气象站点的年均温度和年降水数据进行插值, 生成工作区年均温和年降水栅格图; 然后利用ArcGIS的distance、recalss、zonal等空间分析与统计功能提取必要的信息, 在此基础上分析统计沙化土地时空变化特征及与气候等因子的相关性等。

3 结果与分析
3.1 沙化土地空间分布的基本特征

2007年三江源沙化土地面积2.7万km2, 占三江源地区总面积的10.2%, 其中轻度沙化、中度沙化和重度沙化土地面积分别为1.21、1.44和0.05万km2, 占土地沙化总面积的45%、52%和2%, 如表1所示。三江源3期沙化土地空间分布如图2所示。

表1 三江源1975~2007年沙化土地面积 (万km2)

图2 三江源沙化土地空间分布

从地貌上看, 大体上以巴颜喀拉山口到称多县一线(图2(d)中的红线)为界, 可将三江源地区分为两个部分。该界线的北西方向上以平缓的高原面为主, 盆地(同时也是汇水区)分布面积大, 盆地内作为沙源的第四系松散堆积物丰富。三江源地区的沙化土地基本分布于此, 且主要分布在长江源区。该界线的南东方向为高原面向下游的过渡地带, 因高原隆起造成水系切割深度加大, 地形起伏明显, 第四系不发育, 土地沙化现象不明显。

地质地貌因素制约着三江源地区土地沙化的总体分布格局, 决定了在什么样的地质地貌背景上能够发生土地沙化现象。因高原隆起的差异性造成了三江源地区两个不同的地貌单元— — 平缓的高原面和切割发育的隆起过渡带。沙化土地基本分布在海拔相对较高的平缓高原面上的盆地内, 且为就地起沙, 盆地内第四系松散堆积物提供了丰富的沙源。而土地沙化发生、发展的过程和规模则主要受外部条件的控制, 例如气候变化与人为活动的影响。

三江源沙化土地空间分布另一个比较明显的特征就是沿河、沿线(道路)分布。以2007年沙化土地为例(1975年和2000年沙化土地分布情况与其类似), 统计了道路和河流周边的每5 km范围内沙化土地的分布数据, 见图3

图3 2007年三江源沙化土地距离道路与河流的分布数量

河流两侧0~5 km范围内的沙化土地面积占全部沙化土地面积的比例达到了51%, 随着离河流距离的增加, 土地沙化现象逐渐减轻。这表明河流相物质是三江源地区土地沙化的最主要物质来源。土地沙化沿河分布的原因主要有两方面, 首先是气候变化的影响, 近几十年来, 三江源地区气候暖干化使得冰川退缩、冻土活动上限下降和地表蒸发加强, 地面的河川径流量减少以及季节性差异加大, 进而河漫滩沙源物质广泛出露提供了沙源, 风力作用以及人为活动造成土地沙化现象的发生; 其次是受人为活动的影响, 例如淘金以及放牧活动等[9]

沙化土地距离道路的分布情况与距离河流的情况相似, 离道路0~5 km范围内的沙化土地面积比例为46%, 充分表明人为活动等外部扰动因素也是造成三江源地区土地沙化的主要原因之一。距离道路20 km外土地沙化面积比例较大, 原因可能是当道路距离河流较远时, 河流两侧土地沙化面积比重大造成的。

3.2 沙化土地时空变化特征

近32 a三江源地区沙化土地面积增加了0.27万km2, 从过程上看, 表现为先增加后减少。3个源区中, 长江源区、黄河源区和澜沧江源区沙化土地的变化情况也有不同。长江源区土地沙化面积最大, 占三江源沙化土地总面积的72%, 同澜沧江源区一样, 沙化土地面积变化不大; 黄河源区是三江源沙化土地面积增加最明显的地区, 如表2所示。

表2 长江、黄河、澜沧江源区1975~2007年间沙化土地面积(万km2)

土地沙化程度变化可分为程度不变、加重和改善3种情况。所谓加重是指非沙化土地变为沙化土地以及土地沙化程度由轻及重的变化过程, 改善与此相反。三江源地区土地沙化程度变化情况如图4所示。

图4 三江源土地沙化程度变化

对照图4表1, 1975~2000年期间, 沙化土地总面积增加, 其中中度和重度沙化土地面积增加, 轻度沙化土地面积减少; 而程度加重的面积远大于改善的面积, 且绝对数量都非常大。这表明该时段内, 三江源土地沙化时空变化的特点可概括为总量在增加、程度在加重、空间分布变化非常频繁。2000~2007年期间, 三江源土地沙化时空变化的特点与前期正好相反, 即总量在减少、程度在改善、空间分布趋于稳定, 程度加重的面积远小于改善的面积, 且绝对数量也远远小于前期。

2000年8月三江源自然保护区的建立以及随后采取的全面封禁措施对于控制源区土地沙化的进一步发展起到了非常明显的效果, 2000年左右是三江源土地沙化变化过程的拐点。

3.3 沙化土地时空变化的驱动力分析

引起三江源地区沙化土地时空变化的主要驱动力因素包括气候变化和人为活动影响两个方面。

气温和降水是反映气候变化最重要的两个指标。近32 a来, 三江源地区气温和降水变化的背景情况如图5图6所示。以2000年为分界点, 前后两个时段的三江源气候变化具有不同的表现形式。2000年以前, 三江源区气候以暖干化的趋势为主, 尤其是黄河源区更为明显。例如, 1975~2000年间, 黄河源区和长江源区的年均温分别增加了0.81℃和0.17℃, 降水分别减少了17 mm和11 mm。2000年以后, 三江源全区整体增温更为明显, 全区平均增温0.85℃, 但与前期不同的是年降水也有明显增加, 呈现暖湿化的变化趋势, 例如黄河源区和长江源区年降水量增加了48 mm和38 mm。

图5 三江源年均气温变化

图6 三江源年降水变化

人为活动往往经由道路开展, 因此可以利用道路周边土地沙化的变化情况来反映人为活动的影响。即距离道路越远, 人类活动的影响越轻, 反之亦反。1975~2000年间, 源区道路5 km范围内的沙化土地面积增加最为明显, 并且随着距离增加, 沙化土地面积增幅减少, 表明这一时段人为活动因素是导致土地沙化的主要驱动力之一。2000年三江源自然保护区建立, 采取了非常严厉的封禁措施, 人为活动对土地沙化的驱动作用基本可以忽略。对应的沙化土地面积开始减少, 且距离道路一定距离以外的地方恢复的更为明显。如图7

图7 1975~2007年间三江源沙化土地距离道路的面积变化

以上分析表明, 2000年以前, 在气候暖干化和人为活动的共同作用下, 三江源地区土地沙化经历了一个快速的发展变化过程, 尤其是在黄河源区表现更为明显。2000年以后, 随着自然保护区的建立, 人为活动的影响被降到最低, 土地沙化过程更多的受自然因素的影响, 暖湿化的气候背景有利于土地沙化的改善。

4 结论

(1)2007年三江源地区沙化土地面积2.7万km2, 占三江源地区总面积的10.2%。32 a来沙化土地增加了0.27万km2, 表现为先增加后减少的过程。长江源区沙化土地分布面积最大, 占三江源沙化土地总面积的72%; 黄河源区沙化土地面积增幅最大, 32 a增加了1倍多; 澜沧江源区土地沙化基本保持稳定。

(2)在宏观格局上, 沙化土地受地质地貌因素的制约, 主要分布于海拔相对较高的平缓高原面上的盆地内。在微观尺度上, 沙化土地具有沿河、沿交通线分布的特点, 前者表明高原盆地内的河床、河漫滩相物质是土地沙化的最主要沙源, 且为就地起沙; 后者表明人为活动等外部扰动因素是造成三江源地区土地沙化的主要原因之一。

(3)2000年左右是三江源土地沙化变化过程的拐点。2000年以前, 三江源土地沙化时空变化的特点可概括为总量在增加、程度在加重、空间分布变化非常频繁。2000年以后, 三江源土地沙化总量在减少、程度在改善、空间分布趋于稳定。

(4)2000年以前, 自然因素和人为因素是土地沙化的共同驱动力, 在暖干化的气候变化背景下, 由于人类扰动的加剧造成了土地沙化日益严重; 2000年以后, 随着自然保护区的建立, 人为因素被限制到最小, 自然因素是最主要的驱动力, 在暖湿化的气候变化背景下, 土地沙化趋于改善。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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