Quantitative Analysis of Dynamic Changes of Desertification Land in Zoige County from 2009 to 2014 Based on GIS

若尔盖县位于四川省北部，平均海拔3 500 m，是黄河、长江两大河流的水源涵养地之一，被誉为“中华民族的水塔”“高原之肾”。若尔盖县纯牧区面积占全县面积的69%，是沙化土地的主要分布区，地质母岩多为三迭系砂岩、板岩、灰岩和第四纪的松散堆积物，其形成的土壤含沙量高。若尔盖县沙区属大陆性季风高原气候区，气候寒冷干燥，长冬无夏，日照强烈，温差大，年均气温0.7 ℃ ，无绝对无霜期，年均日照2 389 h；年均降雨量656.8 mm，年均蒸发量1 232 mm，年均湿度69%；平均风速2.4 m·s⁻¹，最大风速40 m·s⁻¹，年大风日数50d，年沙尘日数6d。若尔盖县沙化监测区涉及辖曼镇（含辖曼牧场）、麦溪乡、唐克镇（含白河牧场）、嫩哇乡、班佑乡、阿西乡、达扎寺镇共7个乡（镇），32个村，45078人。

（1）沙化监测数据来源2009年和2014年若尔盖县全国沙化监测数据；（2）土壤数据来源于中国科学院南京土壤研究所中国土壤科学数据库，目前该数据库共分出12个土纲，61个土类，227个亚类，本次研究区内的土壤类型名称均采用该分类系统下的土壤亚类名称。（3）主要河流、行政区图层来源于BIGMAP中最新矢量图层。

（1）数据预处理。全部在Arcgis10.2软件中进行，所有图层及栅格数据都需校正为大地2000坐标系，采用投影坐标系。由于2009年和2014年若尔盖县全国沙化监测数据，分别基于北京54和西安80坐标系，因此通过无偏移天地图卫星影像将两期沙化数据校正到大地2000坐标系，重新计算面积（因需要空间分析，必须在统一坐标系下重新计算面积，因此校正后面积与校正前面积略微出入是正常的）；为便于动态分析和建立沙化土地转移矩阵，需统一监测范围，将两期沙化图层进行“合并”“融合”，形成两期沙化数据的监测范围图层，再将两期沙化图层分别与监测范围图层“标识”，并将未“标识”图斑沙化类型属性赋值为“有明显沙化趋势土地”，形成两期沙化监测校正数据图层。

（2）研究方法。①在Arcgis10.2中，运用“度量地理分布”模块对两期沙化监测数据进行“平均中心”和“分布方向”分析，定量分析空间分布特征。②根据已有研究成果^[3,6,8,9,17]，若尔盖县沙化分布及成因与黄河、黑河、白河的河道分布以及土壤类型和条件密切相关，在Arcgis10.2中，分别对两期沙化监测数据采用“多环缓冲区”对河流进行缓冲分析，缓冲距离分别设为2 km，4 km，6 km，8 km，10 km，再通过“空间分析”模块中工具提取各类缓冲区中的沙化面积图斑。③在Arcgis10.2对中两期沙化土地程度图进行叠加分析对获得的交集图层属性表并计算其面积，分析提取沙化土地类型转移矩阵。④将预处理中得到的两期沙化监测校正数据图层与土壤数据“相交”，提取沙化土地所属土壤。⑤根据沙地面积占比结合专家经验，选择沙化程度、与河流的不同距离、土壤类型三个指标作为区划的因子指标，将沙化图斑中的沙化程度、与河流的不同距离的缓冲区、土壤类型3个图层栅格化，并对3个指标分别赋予不同权重（见表1），其中：沙化程度的权重是依据沙化程度由低到重依次增加；与河流不同距离的权重，主要依据两期沙化土地在不同距离内的沙化面积占总沙化面积的比重综合考虑；土壤类型权重，主要依据沙化土地在不同土壤类型中的占比综合考虑。再将3个栅格化了图层的栅格值分别乘以各自指标的权重，再乘以100进行整数化，然后进行栅格加法运算后，进行重分类，经多次试验，重分类为4类效果最好（重分类像元值区别分别为：重点防治区300~338，一般防治区339~352，普通防护区353~370，潜在防护区371~468），分区特征明显，与沙化分布实际结合较好，再将栅格转化为矢量图层，获得若尔盖沙化防治分区图层。

全局莫兰指数能有效判断空间数据在分布中是否呈现随机、聚集、分散特征，根据两期监测图斑的全局莫兰指数分析（见表2），均呈聚集分布（z 得分均大于0，且P值均小于0.01），说明研究区内沙化图斑分布不是随机分布，空间异质性明显。通过对两期监测图斑的沙化程度进行高低聚类分类分析，高值聚类明显（z 得分均大于临界值2.58），表明沙化程度高的图斑在空间上呈现聚集分布（z 得分均大于临界值2.58）。

高低聚类的方法（Getis-Ord General G），能有效判断高值或者低值其中一方是否发生聚类。空间分布方向性分析是指区域相关属性在空间分布上的轮廓和主导方向，具有因其直观性与有效性。标准差椭圆法是分析空间分布方向性特征的经典方法之一，可从全局的、空间的角度定量解释指定要素空间分布的中心性、展布性、方向性的空间形态整体特征。根据图1可知，两期沙化分布方向基本相同，与研究区主要河流（黄河、黑河、白河）流向基本一致。由表2可知，2014年的分布中心点较2009年向西位移了443 m，向北位移了4475 m。由于2014年沙化面积（不含明显沙化趋势面积）较2009年增加了5550.68 hm²，说明了沙化趋势在向西北方向扩展，在向黄河和黑河区域扩展趋势明显。

Figure 1.  Spatial distribution characteristic map of desertified land in the study area

若尔盖县沙化土地的重要原因之一是主河道（黄河、黑河、白河）的沉沙积累^[2,3,9,17]，由表3可知，两期沙化土地沿河道周边分布趋势明显，在2009年时：河道2 km范围内包括了40.89%的明显沙化趋势的土地，32.50%的沙化土；河道6 km范围内包括了70.57%的明显沙化趋势的土地，61.34%的沙化土；河道10 km范围内包括了90.85%的明显沙化趋势的土地，86.76%的沙化土；在2014年时：河道2 km范围内包括了40.08%的明显沙化趋势的土地，33.18%的沙化土；河道6 km范围内包括了70.57%的明显沙化趋势的土地，61.34%的沙化土；河道10 km范围内包括了73.87%的明显沙化趋势的土地，88.86%的沙化土。

若尔盖县土地沙化重要原因之一就是特殊的土壤条件，以及开挖排水沟对沼泽的破坏^[2,3,9,17]，由表4可知，沙化土地主要涉及黑毡土、草甸土、泥炭沼泽土、沼泽土、低位泥炭土、草甸沼泽土，其中以黑毡土、草甸土、泥炭沼泽土比重最大。在2009年时：有明显沙化趋势的土地中有80.34%涉及黑毡土、草甸土、泥炭沼泽土，沙化土地中有88.42%涉及上述3类土壤。在2014年时：有明显沙化趋势的土地中有88.39%涉及黑毡土、草甸土、泥炭沼泽土，沙化土地中有86.99%涉及上述3类土壤。

由表5可知，两期沙化土地均以轻度沙地为主，所占比重分别达76.40%和80.81%。2009—2014年研究区沙化土地总体呈扩展的趋势，沙化土地总面积（不含明显沙化趋势）较2009年增加了5550.68 hm²，主要原因是有明显沙化趋势土地转化为轻度沙地以及中度沙地通过治理演变成轻度沙地。

2014年较2009年轻度面积增加7661.25 hm²，主要是由有明显沙化趋势土地转化，以及中度、重度、积重度沙化好转而来，说明有明显沙化趋势土地在进一步向沙化演变；2009年极重度沙地和中度沙地减少明显，分别减少了1 442.41 hm²、5119.03 hm²，减少比重达25.01%、75.58%，主要得益于5年间对中度和极重度沙地的持续治理。2014年重度沙地面积8935.23 hm²，较2009年增加了近1倍，其动态构成来源：74.65%来源于沙化程度更轻的沙地和有明显沙化趋势的土地恶化，11.21%为极重度沙地好转，14.14%为原重度沙地，说明局部地块沙化严重趋势仍然存在。各类沙化土地在两期内动态变化转化情况见表5。

基于Arcgis空间分析模块定量分析沙化土地的时空动态变化特征，将研究区划分为4个区（见图2），其中：（1）重点防治区。面积73759.21 hm²，占区域总面积11.45%，该区域是沙化分布最为集中区域，该区域沙化土地总面积占全县沙化总面积85.3%，防治策略以治为主以防为辅，优先开展各类生态治理。（2）一般防治区。面积86095.48 hm²，占区域总面积13.37%，主要沿黄河、黑河、白河沿线分布，该区域沙化土地总面积占全县沙化总面积10.10%，该区域是沙化面积相对较小，由于特殊地质地貌，区内非沙地和明显沙化趋势土地的沙化风险最大，防治策略以防为主以治为辅，适宜开展各类管护和生态治理。（3）普通防护区。面积249329.97 hm²，占区域总面积38.71%，研究区分布广泛，该区域沙化土地小（占全县沙化总面积4.20%）、程度轻，但由于其土壤类型主要是草甸土和黑毡土以及前期受到破坏的泥炭沼泽土，加之部分区域与重点防治区和一般防治区镶嵌分布，因此该区域防治策略为以防为主，加强管护，开展封沙育草。（4）潜在防护区。面积234928.49 hm²，占区域总面积36.47%，研究区分布广泛，该区域基本无沙化土地（占全县沙化总面积0.40%），是沙化风险最小的区域，因此该区域防治策略以防为主，可进行一般性管护，控制牛羊数量。

Figure 2.  Spatial distribution of desertification control zone map in Zoige county

（1）研究区内沙化分布呈聚集分布，空间异质性明显，并且沙化分布主要集中在黑毡土、草甸土、泥炭沼泽土3类土壤上，说明了土壤类型是沙化发生的重要诱导因子。泥炭沼泽土上的沙化主要原因之一由于上世纪开沟排水、疏干沼泽、泥炭资源不合理开采，以及草地超载和全球气候变化 ^[2]，此类区域应积极开展填沟堵渠，实施以草定畜，开展恢复湿地。

（2）两期监测图斑的沙化程度高值聚类明显，表明沙化程度高的图斑在空间上呈现聚集分布，这些沙化程度高的聚集分布区域可能是多种自然和人为因素共同作用的“交汇点”，在以后对这些“聚集分布区”“交汇点”作用机制研究，将有助于深入揭示若尔盖县沙化驱动机制。

（3）两期沙化分布方向基本相同，2014年的分布中心点较2009年向西位移了443 m，向北位移了4 475 m，说明了沙化趋势在向西北方向扩展，向黄河和黑河区域扩展趋势明显。两期沙化土地沿河道周边分布趋势也十分明显，定量分析发现在河道6 km范围内包括了约70%的有明显沙化趋势的土地，以及60%的沙化土地。主要原因之一是该区域经历古河道多次改道，河道堆积区特有的地质地貌、气候特点使该区域具有沙化的潜质^[3-23]，该区域应通过沙化治理、轮牧休牧、以草定畜等方式，重点加强对草皮层的保护与恢复，防止沉积的粉沙翻露出地表，形成新的沙源。

（4）两期沙化土地均以轻度沙地为主，所占比重分别达76.40%和80.81%，说明若尔盖县土地沙化还处于初始阶段，正是沙化治理的有利时期，目前已有很多成功的治理技术^[18-22]，为沙化治理提供了保障。得益于5年间对中度和极重度沙地的持续治理，中度和极重度面积减少明显，但由轻度和重度面积明显增加。一方面最严重的沙化土地在减少，另一方面轻度沙化土地在增加，主要原因之一是过牧普遍存在以及降水小且分布不均^[8]综合作用的结果，后续治理需要加大治理力度，推行以草定畜。

（5）根据沙地面积相关占比结合专家经验，选择沙化程度、与河流的不同距离、土壤类型三个指标作为区划的因子指标分别赋予权重后，进行相关GIS空间处理，将研究区划分为：重点防治区、一般防治区、普通防护区、潜在防护区。进行相关GIS空间处理相对于传统区划方法，可为沙化治理提供更宏观、更直观、更精准的判断和决策手段。