吐鲁番市荒漠化风险动态变化及驱动力分析

孙桂丽， 李 雪， 刘燕燕， 郑佳翔， 马 婧， 冉亚军

（1.新疆农业大学林学与风景园林学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.干旱区林业生态与产业技术重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052）

荒漠化是目前最为严重的生态问题之一［1］，荒漠化的肆虐严重影响到人类的生存环境和社会经济发展［2］。据联合国粮农组织和环境规划署的资料统计，当前全球约1/5人口受荒漠化危害影响，约1/3的陆地面积受不同程度的荒漠化威胁［3-4］。荒漠化不仅导致生态环境恶化，使人们可利用的生态资源减少，同时它加剧了贫富差距，不断侵蚀着生态、生产、生活空间，严重危及到社会经济发展和生态安全［5］。

当前，我国干旱、半干旱地区是荒漠化问题最为严重地区，众多学者开展了大量相关研究［5］，如张建香等［6］利用RS 和GIS 技术，构建黄土高原荒漠化风险体系，探究不同区域荒漠化风险的主要形成原因；努尔麦麦提·如孜等［7］基于RS 和GIS 技术，用植被覆盖度作为荒漠化评价指标，分析新疆和田地区荒漠化时空特征；李雨薇等［8］以锡林郭勒草原为研究区域，利用集对分析法、自然风险指数法构建荒漠化风险评价体系，对荒漠化灾害风险开展动态评估，但有关吐鲁番市的荒漠化研究主要集中在荒漠化土地分类、绿洲-荒漠生态系统交错带环境演变、荒漠化演变趋势等相关研究［9-11］，有关荒漠化风险的研究鲜有涉及。吐鲁番市地处极端干旱区，植被稀疏，风沙灾害频繁，属于典型的荒漠区，生态环境极其脆弱，荒漠面积占吐鲁番市总面积的46.87%［9-10］。同时，该区为全国重点的特色旅游胜地和知名瓜果之乡，随着经济的高速发展，保护生态环境，使得支柱产业能够良性可持续的发展刻不容缓。因此，本文采用3S技术，对不同时期吐鲁番市的土地利用数据、自然环境、气候和社会经济数据进行收集、整理、分析，建立吐鲁番市荒漠化风险评价模型，分析区域荒漠化风险分布范围和变化规律，为未来吐鲁番市的荒漠化治理与防控提供理论依据，为改善区域生态环境提供科学参考。

1 研究区概况

吐鲁番市位于新疆维吾尔自治区中东部，地理位置87°50′～91°10′E，42°30′～43°20′N，下辖高昌区、鄯善县、托克逊县（图1），西南与巴音郭楞蒙古自治州相接，东邻哈密，北隔天山与乌鲁木齐市及昌吉回族自治州接壤［10-11］。吐鲁番市地形复杂，三面高山环绕，中部低洼，是一个典型的封闭式盆地。北部为天山支脉博格达山，西面为喀拉乌山，中部火焰山将吐鲁番盆地一分为二，盆地内的艾丁湖其最低点-155 m，是吐鲁番市最低点，也是我国内陆最低洼地［12-14］。吐鲁番市属于暖温带大陆性干旱荒漠气候，风力强、气温高、昼夜温差大、日照时间长、降水少，因此得名“风库”、“火州”［15-16］。不同的地形、气候条件形成了独特的植被和土壤条件，植被种类多为耐旱、耐寒植物，而戈壁滩上大多寸草不生［17-18］。

图1 研究区概况图Fig.1 Overview map of the study area

2 数据与方法

2.1 数据来源

土地利用数据来自云地理监测平台(http://www.dsac.cn/)，将吐鲁番市的土地利用数据划分为“生活空间”、“生态空间”、“生产空间”。气象数据包括降水量、平均气温、起沙风天数、平均风速4 个气象数据。下垫面数据包括植被覆盖度、生境质量指数、坡度、坡向。社会经济数据包括人口密度、牲畜数量、第一产业GDP。数据来源与处理见表1。

表1 数据来源与数据处理Tab.1 Data source and data processing

2.2 研究方法

（1）生境质量指数

根据吐鲁番市的土地分类二级矢量数据计算生境质量指数［19-20］，公式如下：

式中：Abio为县级生境质量归一化系数（参考值为511.264）；βi为第i类土地结构类型的权重系数，各土地类型权重为林地0.35、草地0.21、水域0.28、耕地0.11、建设用地0.04、未利用地0.01；Mi为区域内某类土地类型的面积；Z为吐鲁番市各县区域的面积。

（2）指标标准化

荒漠化风险评价指标包括正向和负向指标，正向指标指该指标值越大，荒漠化风险越低，反之亦然，植被覆盖度、生境质量指数、降水量、第一产业GDP为正指标。起沙风日数、平均气温、平均风速、坡度、坡向、人口密度、牲畜数量为负指标。正负向指标处理方法［21-22］见公式（2）和公式（3）：

式中：Fi为评价指标i的标准化值；fi为评价指标i的原始值；fmax、fmin分别为评价指标i的最大值和最小值。

（3）荒漠化风险综合评估

荒漠化风险［23-24］计算公式如下：

式中：R为荒漠化风险指数；Fi为第i种指标的标准化值；Wi为第i种指标所占权重。其中，R值越大表示风险指数越低；R值越小表示风险性指数越高。

荒漠化风险转移矩阵［25-26］，用以分析荒漠化风险的转移方向和转移面积，计算公式如下：

式中：Sij为土地类型i转变为类型j的概率；n为地类数目。

荒漠化风险多度指数、重要度指数［26-27］计算公式如下：

式中：Dij为i区域j类型荒漠化风险的多度指数；Nij为i区域j类型荒漠化风险的斑块数；N为各研究区域全部风险类型的斑块数；IVij为i区域j类型荒漠化风险的重要度指数；Bij为i区域j类型荒漠化风险的面积占i区域总面积的百分比。多度指数越高，说明该风险等级分布越广泛，斑块数量较多，但并不能说明其面积大小，反之亦然；重要度指数越高，说明该风险等级影响越大，占据的主导地位越高，反之亦然。

（4）荒漠化风险驱动力分析

荒漠化风险驱动力采用地理探测器模型进行分析，包括因子探测和交互作用探测［28-30］，具体计算公式如下：

地理探测器驱动力分析的交互作用探测用以识别不同评价指标之间的相互作用，即评价指标X1和X2共同作用时对荒漠化风险Y的影响情况。其方法为先分别计算2 个评价指标（X1、X2）对荒漠化风险（Y）的q值，即q（X1）和q（X2）；然后再分别计算该评价指标交互作用时的q值，即q（X1ΩX2）；最后将q（X1）和q（X2）之和与q（X1ΩX2）进行比较，根据q值的大小结果可分为非线性增强、单因子非线性减弱、双因子增强、独立和非线性增强5种情况。

2.3 荒漠化风险评价指标确定

总结分析前人的研究［2,4,6-8,24,26］，同时依据研究区域的实际情况，选择气候因素（降水量、平均气温、起沙风天数、平均风速），下垫面因素（坡度、坡向、植被覆盖度、生境质量指数），社会因素（人口密度、牲畜数量、第一产业GDP）作为研究区域荒漠化风险评价的影响指标。其确定依据如下：

由于吐鲁番市属于大陆性干旱荒漠气候，降水量少，气温高是该地的显著性气候特点［9-10］，降水量和平均气温两者是相辅相成的，降水量少平均气温高，则该地的空气干燥、土壤含水量少，植被的生长环境恶劣，将会造成部分植物生长不良甚至其环境不适宜部分植物生长，植被覆盖度较低则会影响该地的防风治沙效果［4,8］。吐鲁番市频繁发生8级以上的大风，且更大风力的天气也偶有发生。而由于该地的土壤质地干燥，大风天气时其风速很容易带动地表的细小颗粒造成风沙危害，进而加重荒漠化风险状况。因此，结合吐鲁番市当地的气候状况选取荒漠化风险评价的气候因素指标。

植被覆盖度是衡量荒漠化程度的一个重要指标，植被覆盖越高，该地的荒漠化越轻，其荒漠化风险也就越小，反之亦然［5,8］。生境质量指数是根据生态环境状况评价技术规范标准进行计算用以衡量其土地利用程度，其越高，表明该地的生态状况越好，其荒漠化风险也就越小，反之同理［8,24］。吐鲁番市的地貌特点是四面环山，中部横亘火焰山，北面山脉坡度较为陡峭，南面山脉较为平缓［11-13］。不同的坡度、坡向，其光照强弱、风力大小、自然环境状况差异都会很大，这些在很大程度上都会影响荒漠化风险程度。

荒漠化的发生受社会因素制约很大，比如人口增长过快挤压生态空间、在注重经济增长的同时忽略对自然环境的破坏［1-2,7］，这都会影响荒漠化风险的严重程度。吐鲁番市的经济发展主要依赖于第一产业［10,14-16］，若第一产业面积不断增长不仅可增加人们的经济收入，同时也表明该地的荒漠化状况在向好改变，土地质量在不断增加，荒漠化风险程度也就越轻。牲畜对土壤植被的啃食严重影响到一个地区的荒漠化风险程度，若牲畜数量过多放牧地点过于集中，则该地的植被状况会较差，严控牲畜数量有助于减轻荒漠化风险程度。通过层次分析法获得各指标因子权重如表2所示。

表2 吐鲁番市荒漠化风险评价指标体系Tab.2 Evaluation index system of desertification risk in Turpan City

3 结果与分析

3.1 吐鲁番市荒漠化风险评价

3.1.1吐鲁番市荒漠化时空分布 利用荒漠化风险公式（4）计算得到吐鲁番市荒漠化风险（图2）。在ArcGIS 中通过利用重分类将吐鲁番市的风险值（321.42×10-3～737.39×10-3）采用自然断点法划分为5个等级：极高风险、高度风险、中度风险、低度风险、极低风险。

图2 吐鲁番市荒漠化风险分布Fig.2 Desertification risk distributions of Turpan City

图2 可以看出，吐鲁番市的荒漠化风险分布差异明显。2000—2018 年吐鲁番市的荒漠化风险主要以极高风险和高度风险等级为主，中度风险和低度风险等级为辅，极低风险等级分布较少。2000年吐鲁番市极高风险等级主要分布在西部托克逊县的库米什镇、伊拉湖镇、阿乐惠镇和鄯善县的中部和南部；高度风险等级分布较为广泛，在托克逊县和鄯善县的大部分地区均有分布；中度风险等级主要分布在高度风险和低度风险等级的交界地带；低度风险和极低风险等级主要分布在高昌区。至2005 年，托克逊县的荒漠化风险等级明显降低，高昌区和鄯善县荒漠化风险等级升高。2010、2015年荒漠化风险等级整体与2005年相比变化幅度较小，但极低风险等级面积增加，风险等级有所降低。2018 年吐鲁番市托克逊县的极高风险等级面积略微增加，主要增长地为托克逊县的博斯坦乡和库米什镇。

综上分析，吐鲁番市的荒漠化风险呈现局部变差整体向好的趋势，极高风险等级的面积在吐鲁番市东部鄯善县显著增加，其原因可能是东部鄯善县大部分土地是未利用地，该地域植被稀疏，地表覆盖程度较差，风沙危害现象频繁发生，气候干旱再配以恶劣的地形条件均会导致荒漠化风险加重。同时极高风险区面积总体在吐鲁番市西部托克逊县显著减少，其原因在于托克逊县是一个农业和畜牧业紧密结合的典型农业区，当草地畜牧严重再加之气候干旱和草地缺水等均会导致地被环境变差，而实施草原生态保护机制，划分禁牧区，控制牲畜数量，使生物多样性增加，草原生态得到明显改善，对荒漠化风险降低有一定影响［31-33］。

3.1.2吐鲁番市荒漠化风险面积转移 通过公式（5）计算得出研究时段内吐鲁番市的荒漠化风险面积转移变化（表3）。2000—2005年吐鲁番市的荒漠化风险呈上升趋势，主要表现为荒漠化极低风险面积减少，向低度风险等级转移；极高风险和高度风险等级相互转移，但正向转移较多，主要在鄯善县；总体来看，2000—2005 年极低风险等级面积减少，极高、高度、中度风险面积增加，荒漠化风险等级上升。这一时期，吐鲁番市的牲畜数量大幅度增加，受干旱气候，超载放牧，草场生态压力加大，区域环境恶化等的影响，可能是导致其荒漠化风险加重的原因。2005—2010 年吐鲁番市的荒漠化风险呈下降趋势，主要表现为极高风险面积减少，主要向高度风险等级转移；低度风险等级面积减少，主要向极低风险面积转移；中度风险等级面积减少，主要是向低度风险等级转移。

表3 2000—2018年吐鲁番市荒漠化风险面积转移矩阵Tab.3 Desertification risk area transfer matrix in Turpan City from 2000 to 2018 /km2

2010—2015 年吐鲁番市的荒漠化风险等级表现出上升趋势，主要表现为相邻风险等级相互转化，但是高度风险等级向极高风险等级转移面积较多；低度风险等级、中度风险等级面积减少，主要向较高风险等级转移。综合来看，2010—2015年荒漠化风险等级增加，极高风险等级、高度风险等级、中度风险等级面积增加。2015—2018 年吐鲁番市的荒漠化风险等级略增加，风险等级趋于稳定。近年来托克逊县的养殖场数量不断增多，天然草地压力增大，导致部分草场退化，这也许是荒漠化风险等级上升的原因之一［33-34］。

3.1.3吐鲁番市荒漠化风险多度指数和重要度指数 根据公式（6）、（7）计算出吐鲁番市不同县市的荒漠化风险多度指数和重要度指数（表4、图3）。

图3 吐鲁番市荒漠化风险等级的重要度指数Fig.3 Multi-importance index of desertification risk grade in Turpan City

从表4 可知，各地区的多度指数差异较大。2000—2018年，高昌区多度指数最高的分别为中度风险、低度风险、极低风险，说明高昌区内中度、低度、极低风险分布最为广泛。其中，2000—2018 年高昌区极高风险多度指数为0，表明高昌区的荒漠化风险程度较轻，生态环境较好；2010 年中度风险的多度指数最高，说明高昌区中度风险在这段时间内最为分散，2005、2015、2018年低度风险的多度指数最高，说明这段时间低度风险在高昌区内斑块数最多，最为分散；在西部大开发的战略大背景下，研究区内通过调整产业结构，发展节水农业建设，促进水资源的合理配置，使得高昌区的生态环境得以维持一个良好的状态［32-33］。2000—2018年鄯善县多度指数最高的是高度风险，最高时可达66.67%，但其多度指数呈现先增后减态势，到2018年鄯善县高度风险的多度指数减少为37.01%，这说明在鄯善县高度风险分布最为广泛，鄯善县的极高风险多度指数在逐年下降，中度、低度、极低风险的多度指数在逐年上升，这三者的分布广泛程度在逐渐增加，极高风险的分布越发集中。2000—2015 年托克逊县多度指数最高的是高度风险和中度风险，说明其斑块数最多，分布较为分散。到了2018年多度指数最高的是极高风险和中度风险，极高风险在托克逊县的分布区域有所扩大。2000—2015 年极高风险多度指数呈逐年下降态势，极低风险和低度风险的多度指数变化不大，较为稳定。

由图3 可知，2000—2018 年吐鲁番市各区县的重要度指数都发生显著变化。高昌区的极高、高度风险重要度指数始终较小，中度、低度风险的重要度指数变化较小，极低风险的重要度指数2005年发生明显下降，2010—2018年又增长至一个稳定的状态，高昌区荒漠化风险程度始终是以低度风险和中度风险为主。2000—2018 年鄯善县的极低、低度、中度风险的重要度指数始终维持一个较为稳定的态势，且指数值较小。鄯善县荒漠化风险始终是极高风险和高度风险占据主导地位，这与其境内库姆塔格沙漠存在，导致其生态环境较为恶劣有密切关系，但2000—2018年高度风险的重要度指数明显下降。2000—2015 年托克逊县的重要度指数变化最为显著，极高风险的重要度指数逐年下降，且下降比例较大，中度风险在逐年增长，增长较为明显；2018 年极高风险和高度风险的重要度指数有上升的迹象；托克逊县的荒漠化风险情况正在发生变化，极高风险占据主导地位的情况在逐渐改善。

3.2 荒漠化风险驱动力分析

3.2.1单因子探测分析 通过地理探测器评估各评价因子与吐鲁番市荒漠化风险的相关性（表5）。结果表明：各评价因子的相关性指数（q值）并不太高，按照从大到小的排序为起沙风天数>第一产业GDP>降水量>生境质量指数>牲畜数量>平均气温>坡度>平均风速>人口密度>植被覆盖度>坡向。由此可知，吐鲁番市的荒漠化风险分布涉及的影响因素较多，并不存在单一因子主导其风险分布的变化。起沙风天数、第一产业GDP、降水量、生境质量指数、牲畜数量、平均气温6 个因子的q值均大于0.1，对吐鲁番市2000—2018 年荒漠化风险的分布变化影响最大。人口密度、植被覆盖度、坡向对吐鲁番市的荒漠化风险的解释程度较低。

3.2.2多因子交互探测分析 交互探测表明吐鲁番市荒漠化风险各个影响因子相互交互作用类型主要为双因子增强和非线性增强2 种类型，说明了两两因子交互产生的影响均大于单因子对荒漠化风险的影响。其中，因子交互作用影响最大的双因子增强关系有10 对（表6），非线性增强的有20 对（表7）。从交互产生的作用大小来看，起沙风天数与第一产业GDP的交互指数最大，对荒漠化风险的分布变化具有最强影响，其次为起沙风天数∩降水量、起沙风天数∩生境质量指数、降水量∩第一产业GDP、起沙风天数∩牲畜数量、起沙风天数∩平均气温；而人口密度与牲畜数量、生境质量指数的交互值最低。同时，在因子交互作用中，坡度、起沙风天数、降水量与其他因子发生交互作用后对吐鲁番市荒漠化风险的影响性加大。

表6 主要因子的双因子增强结果Tab.6 Two-factor enhancement results of main factors

表7 主要因子的非线性增强结果Tab.7 Non-linear enhancement results of main factors

因子交互作用对吐鲁番市荒漠化风险影响的显著性检验结果（表8）。结果显示坡度与起沙风天数，平均风速与起沙风天数、降水量、第一产业GDP，起沙风天数与植被覆盖度、人口密度，降水量与人口密度、人口密度与第一产业GDP、牲畜数量、生境质量指数产生的交互作用对吐鲁番市的荒漠化风险分布具有显著性作用。而除起沙风天数外，坡度与其他因子，除植被覆盖度、人口密度外，起沙风天数与其他因子，除人口密度外，降水量与其他因子，平均气温与人口密度、第一产业GDP、牲畜数量、生境质量指数产生的交互作用对吐鲁番市的荒漠化风险分布所产生的影响不显著。

表8 各因子交互作用显著性检验Tab.8 Significance test of each index interaction

4 讨论

本研究从气候因素、下垫面因素和社会经济因素3个方面选取11个指标，利用加权综合评分法和层次分析法构建吐鲁番市荒漠化风险评价体系，对吐鲁番市的荒漠化风险情况进行时空分析。结合面积变化和时空分布，吐鲁番市荒漠化风险状况总体呈现局部变差整体向好的趋势，局部变差主要是东部鄯善县的极高风险面积增加，这也直接影响吐鲁番市整体荒漠化风险情况，西部托克逊县极高风险范围基本控制至较小范围内，面积缩减明显，中部高昌区荒漠化风险程度基本稳定。

近18 a，研究区域东部荒漠化风险程度加重，是自然和人为2 个因素共同作用的结果，该区域地处极度干旱地区，水资源极度短缺，再加之过量开采，土地盐碱化加重［35-36］。同时该地区以沙漠、裸地、盐碱地等未利用地为主，有机质含量较低，不利于植物生长，物种多样性贫乏，植被稀疏，在张锦春［36］的研究中也验证了这一点。而西部和中部荒漠化风险朝着向好的态势稳定发展，吐鲁番市西部托克逊县愈加注重天然草场的生态保护，实行划分禁牧区、封山育草、加大人工种植优质草料的力度，草原生态恢复明显加快。同时又注重实施保护性耕作技术，2011 年托克逊县共新建保护性耕作示范田667 hm2，有利于荒漠化风险降低。高昌区的产业结构调整，系统性的发展高效节水农业，增加绿洲面积，也正在逐步改善区域内的荒漠化风险程度。

本研究利用叠加处理法分析不同空间类型的荒漠化风险程度和利用地理探测器分析荒漠化风险的驱动力因素。根据地理探测器的综合因子和交互作用探测可知，起沙风天数、第一产业GDP、降水量、生境质量指数、牲畜数量、平均气温是导致吐鲁番市荒漠化风险空间差异的主要因素。吐鲁番市属于暖温带大陆性干旱荒漠气候，蒸发量大，降水稀少，适宜的气温和降水使北部和西部的植被覆盖度较好，绿地面积呈现片状、团状分布，东部区域紧邻沙漠，生态状况有利于植被和农作物的生长，气温偏低则不利于植物的正常发育，气温偏高、降水稀少、风沙频繁更易造成旱灾，导致荒漠化风险加重，这与张国龙、熊鹰等［37-38］的研究结果一致。吐鲁番市西部通过围栏封育、计划放牧、加强人工草地的种植力度等措施促进牧草产业发展，同时因托克逊县的草地缺水面积大，其天然草地缺水面积占草地总面积的58.5%，高强度放牧加之气候干旱、水资源缺乏如此造成一个恶性循环［39-41］，都会影响其荒漠化风险程度。

5 结论

（1）吐鲁番市荒漠化风险面积变化较大，呈现出局部变差整体向好的总体趋势。吐鲁番市东部鄯善县的极高风险面积增加；西部托克逊县的极高风险范围得到控制，面积明显缩小；中部高昌区的极低风险面积减少，低度风险较为稳定。

（2）吐鲁番市各县市的多度指数和重要度指数变化基本保持一致的变化态势，以鄯善县的多度指数和托克逊县的重要度指数变化显著。

（3）单因子检测结果表明起沙风天数、第一产业GDP、降水量、生境质量指数、牲畜数量、平均气温6 个指标因子对吐鲁番市2000—2018 年荒漠化风险变化的驱动力影响较大。在两两指标交互作用中，起沙风天数与第一产业GDP、降水量、生境质量指数、平均气温、牲畜数量的相互作用是促使吐鲁番市荒漠化风险的主要驱动力。