綠洲土地退化的生態(tài)機制與治理

綠洲土地退化的生態(tài)機制與治理

0農(nóng)業(yè)土地與土地綠洲土地退化直接影響到綠洲生態(tài)環(huán)境的棲息地，對綠洲的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。這是綠茶生態(tài)系統(tǒng)的中心問題之一。人類活動對綠洲生態(tài)系統(tǒng)的干擾和影響是導(dǎo)致綠洲區(qū)域環(huán)境變化的一個主要原因,農(nóng)田綠洲土地退化則是人類活動對綠洲作用的直接表現(xiàn)。土地退化的發(fā)生主要有兩方面引起,一方面是自然環(huán)境的變化造成的土地退化,這種過程一般發(fā)生在較大尺度上的氣候環(huán)境變化,影響的面積大,時間周期長,另一方面是人為活動引起的,這種影響一般表現(xiàn)在較小尺度上,發(fā)生的頻率高,運轉(zhuǎn)周期短。干旱區(qū)農(nóng)業(yè)綠洲是一個與荒漠并存的特殊景觀,是干旱區(qū)最重要的景觀之一。雖然綠洲面積僅為中國干旱區(qū)總面積的4%~5%,卻集中了區(qū)域人口的90%,和95%的經(jīng)濟,綠洲不僅是人類活動最集中的地區(qū),同時也是人類干擾最為強烈的地區(qū)。綠洲土地退化是自然因素與人類活動共同作用的結(jié)果,其主要表征是土壤貧瘠化與土壤鹽漬化程度加重造成土地生產(chǎn)潛力衰退、單位面積生物產(chǎn)量降低及生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞等,這些表征的最終的結(jié)果則是加速土地的退化。荒漠-綠洲過渡帶是綠洲生態(tài)系統(tǒng)與荒漠生態(tài)系統(tǒng)的連接地帶,其生境脆弱、敏感,易變,是綠洲生態(tài)系統(tǒng)與荒漠生態(tài)系統(tǒng)間物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換及信息傳遞的場所,并且為能量、物質(zhì)、信息交換最頻繁的界面區(qū)域。同時,綠洲荒漠過渡帶在干旱區(qū)處于重要地位,綠洲的變遷和綠洲農(nóng)田的未來擴展都是從荒漠綠洲過渡帶開始,它不僅維系著綠洲農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展和內(nèi)部穩(wěn)定,保護綠洲免受風沙危害,并且為綠洲農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的天然屏障,而且在綠洲經(jīng)濟發(fā)展上起到很大的貢獻作用。保持綠洲農(nóng)區(qū)的穩(wěn)定和安全,最重要的就是保持過渡帶的穩(wěn)定性,防止綠洲內(nèi)部的土地貧瘠化與次生鹽漬化的發(fā)生。綠洲的退化過程通常比其逆過程要快得多,一個在1~3年退化的生態(tài)系統(tǒng)要恢復(fù)其原來的生態(tài)狀態(tài)至少需要長達15~20年的時間治理。本文以荒漠綠洲過渡帶典型農(nóng)業(yè)綠洲——新疆阜康市阜北農(nóng)場為研究區(qū),綜合考慮農(nóng)業(yè)綠洲土地開發(fā)過程中土地利用類型與土壤綜合質(zhì)量,運用地統(tǒng)計方法,結(jié)合地理信息系統(tǒng),探討土地利用過程中,綠洲土地退化動態(tài)特征,為荒漠綠洲過渡帶農(nóng)業(yè)綠洲土地管理提供依據(jù)。1研究領(lǐng)域和方法1.1研究區(qū)地貌背景研究區(qū)位于天山北麓三工河流域下游阜北農(nóng)業(yè)綠洲區(qū)(圖1),準葛爾盆地南緣(87°47′30″~88°01′15″E,44°17′30″~44°22′30″N),北接古爾班通古特沙漠,行政區(qū)劃在新疆昌吉州阜康市境內(nèi),為典型的荒漠綠洲過渡帶。研究區(qū)始建于1960年,為人工新綠洲,地勢東南高西北底,縱坡一般2‰~2.5‰,高程454.3~485.4m,相對高差31.1m,東西長19.2km,南北寬平均8.8km,總面積約169km2。自然景觀屬歐亞大陸中部溫帶荒漠氣候類型,夏季炎熱干燥,冬季嚴寒,降水稀少,蒸發(fā)量大,每年6~7月,常受干熱風危害。年均氣溫6.6~7℃,農(nóng)作物生長期平均氣溫在20℃以上,無霜期170~175d,結(jié)凍期140d。年降水量88~246mm之間,年均降水量152mm,土壤類型主要有灰漠土、潮土和鹽土,農(nóng)作物主要有棉花、小麥、酒花和葡萄,以棉花、葡萄為主。墾前植被主要為荒漠梭梭+紅柳灌叢和荒漠草原,現(xiàn)墾為耕地、林地和居民地等多種土地利用方式,原始植被僅有部分保留。1.2學習方法1.2.1景觀類型劃分1)耕地利用數(shù)據(jù)耕地利用數(shù)據(jù)來自于當?shù)亟y(tǒng)計部門,由于新綠洲的開發(fā)時間相對較短,對綠洲耕地的統(tǒng)計資料記載比較全面,從而為耕地利用特征研究提供基礎(chǔ)信息。2)土地利用類型數(shù)據(jù)將研究區(qū)1983年和1999年1∶10000土地利用現(xiàn)狀圖,經(jīng)過幾何校正和數(shù)字化,在地理信息系統(tǒng)(GIS)支持下產(chǎn)生景觀類型圖。2005年景觀類型數(shù)據(jù)來自于spot影像數(shù)據(jù)(2004年6月12日,分辨率10m×10m),在ERDASIMAGINE8.6支持下進行幾何糾正和多波段融合,結(jié)合區(qū)域1∶10000條田規(guī)劃圖以及條田檔案資料,并經(jīng)現(xiàn)場GPS定位調(diào)查,目視解譯遙感影像,獲取當前景觀類型數(shù)據(jù)。根據(jù)研究區(qū)景觀特征,將研究區(qū)景觀類型劃分為耕地、園地、灌木林地、荒草地、鹽堿地、居民地和人工林地。在景觀格局軟件FRAGSTATS3.3支持下,求得不同時期景觀類型面積和面積百分比。3)土壤數(shù)據(jù)根據(jù)全國第二次土壤普查資料,阜北農(nóng)場土壤(1983年土壤詳查)共分3個土類,7個亞類,17個土屬,25個土種。1983年全國第二次土壤普查資料,包括1∶10000土壤類型資料,采樣點0~20cm土壤分析資料,分析內(nèi)容包括有機質(zhì)、總鹽、速效N、速效P、速效K、pH值、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42+,樣點共有86個,根據(jù)數(shù)據(jù)記載位置,參考研究區(qū)1983年1∶10000土地利用類型圖、條田檔案資料,采用GPS對樣點進行定位;1999年區(qū)域土壤0~20cm土層有機質(zhì)、總鹽、速效N、速效P、速效K、pH值、全鹽含量分析資料(新疆農(nóng)科院分析中心),樣點為153個,樣點位置結(jié)合1999年1∶10000區(qū)域條田規(guī)劃及種植結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀圖,采用GPS對樣點進行定位;2005年9月對全區(qū)域不同土地利用類型、種植結(jié)構(gòu)類型和土壤類型,全區(qū)域采樣,采樣深度為土壤表層0~20cm,樣點位置用全球定位系統(tǒng)(GPS)空間定位,并且對土壤樣品進行有機質(zhì)、速效N、速效P、速效K、總鹽和pH值分析(新疆生態(tài)地理研究所分析中心),有162個樣點。在ArcGIS的GeostatisticalAnalyst地統(tǒng)計模塊支持下,采用普通克立格插值法(OrdinaryKriging)進行空間樣點插值,得到3期(1983年、1999年、2005年)區(qū)域土地退化的空間分布圖,同時進行圖件的交叉檢驗,以此來控制差值圖的精度,使3期非均衡樣點在空間上具有一定的可比性,然后進行不同時段的數(shù)字化差值圖疊加(1983+1999、1999+2005),結(jié)合土地利用圖再進行疊加運算,分析區(qū)域土地退化動態(tài)特征與土壤類型和土地利用的關(guān)系。1.2.2土地利用類型的優(yōu)化:“點”的空間分析在參考國內(nèi)外對土地退化指數(shù)研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合土壤類型與土地利用類型,建立了樣點土地退化指數(shù)(PDI),來表述土壤質(zhì)量狀況。樣點土地退化指數(shù)是指在某種土壤類型下,以某種土地利用類型中的某種屬性測定樣點的均值為基準,計算樣點與基準樣點均值間的差異,再將各個屬性的差異加權(quán)平均,即為樣點土地退化指數(shù),以百分數(shù)表示。具體公式如下式中PDI——樣點土地退化指數(shù);p1′,p2′,……,pn′——同一土壤類型中,基準土地利用類型下樣點土壤屬性1,屬性2,到屬性n的均值;p1,p2,……,pn——同一土壤類型下,不同土地利用類型中樣點各屬性值。樣點土地退化指數(shù)可以是正數(shù)也可以是負數(shù),相對于基準土壤類型中土地利用類型下的屬性樣點均值而言,正數(shù)說明土地不僅沒有退化,而且質(zhì)量還有所提高,數(shù)值越大,樣點位置土地質(zhì)量越高;負數(shù)表明土地退化,數(shù)值越小,退化程度越重。本研究中,根據(jù)現(xiàn)有資料,為使各時期土地退化指數(shù)計算能保持在相同因素水平,選取土壤屬性的選擇包括有機質(zhì)、速效N、速效P、速效K、總鹽,結(jié)合區(qū)域土壤類型,計算土地退化指數(shù)。在同一土壤類型下,以荒漠灌叢樣點均值為基準值,來進行樣點不同土地利用類型中土地退化指數(shù)的計算。區(qū)域土地退化指數(shù)空間分析采用了地統(tǒng)計學方法,地統(tǒng)計方法是在傳統(tǒng)統(tǒng)計學基礎(chǔ)上發(fā)展起來的空間分析方法,在地質(zhì)學、土壤學和生態(tài)學等學科領(lǐng)域方面得到了較為廣泛的運用,此方法不僅能夠有效揭示屬性變量在空間上的分布變異特征,而且能夠有效解釋空間格局對生態(tài)過程與功能的影響。對于空間格局的分析,在地統(tǒng)計學中,變異函數(shù)是基本的方法,為區(qū)域變量z(xi)和z(xi+h)增量平方的數(shù)學期望,即區(qū)域化變量的方差。其通式為式中V(h)——變異函數(shù);h——步長,即為了減少各樣點組合對的空間距離個數(shù)而對其進行分類的樣點空間間隔距離;N(h)——間隔距離為h時的樣點對數(shù);z(xi),z(xi+h)——變量Z在空間位置xi和xi+h上的取值。2結(jié)果與分析2.1土地利用類型的景觀格局變化由研究區(qū)耕地利用結(jié)構(gòu)(圖2)可以看出20世紀70年代以前區(qū)域土地大面積開發(fā),耕地的面積逐年增加,耕地的利用率也隨之提高;20世紀70年代以后區(qū)域出現(xiàn)大面積土地撂荒和復(fù)墾現(xiàn)象,主要表現(xiàn)在耕地的總面積出現(xiàn)減少和增加,并且耕地利用率也出現(xiàn)一定的變動。同時20世紀70年代~2000年間耕地總面積呈現(xiàn)緩慢增加,變幅較小,區(qū)域土地僅遭到小范圍的墾殖,墾殖面積較小;2000年以后,耕地的利用率有所提高,近兩年又出現(xiàn)大面積的土地開墾。適耕土地在20世紀70~80年代有一定的波動,相比70年代要少,耕地利用率先減小后增加,但耕地總面積平穩(wěn)增加,表明區(qū)域處于適度土地利用階段。從20世紀80年代初到90年代后期,適耕土地面積大量的減少,由原來的5207hm2,減少到3650hm2,適耕土地的減少率達30%,耕地利用率減少了24.7%。2000年以后,適耕土地利用率有所提高,同時耕地面積呈現(xiàn)增加趨勢,表明研究區(qū)土地開墾利用程度加大。根據(jù)耕地墾殖狀況可以將區(qū)域土地開發(fā)分為4個階段,20世紀70年代前,區(qū)域過渡土地開發(fā)階段,20世紀70~80年代適度土地利用階段,1980~2000年土地撂荒階段,2000年以后為土地開發(fā)綜合治理階段。從人為開墾新綠洲,到現(xiàn)在幾十年中,由于開荒造田、交通、放牧等人類活動的影響,許多土地產(chǎn)生了退化,而且被轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田、居民建設(shè)用地等多種土地利用方式,從土地利用類型的景觀空間格局分布和景觀類型面積變化看,研究區(qū)景觀多樣性和景觀破碎化(圖3)是主要特點之一,景觀基質(zhì)主要以荒漠為背景,耕地、灌木林地、居民地等景觀斑塊要素為鑲嵌體的農(nóng)業(yè)綠洲景觀。同時由表1可以看出,1983~2005年間草地和灌木林地自然景觀類型面積持續(xù)減少,所占區(qū)域景觀組份的比例降低,尤其是草地由1983年的33.2%減少到2005年的16.96%,鹽堿地的面積呈現(xiàn)增加趨勢,所占景觀面積比例升高,相比1983年鹽堿地的比例,2005年提高了1.93%,而人工林地和園地的人工景觀比例提高,表明區(qū)域景觀改變的人為影響程度加劇,同時研究區(qū)土地出現(xiàn)開墾與撂荒現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為耕地比重的增加(由1983年的35.63%增加到1999年的40.02%)與減少(由1999年的40.02%減少到2005年的33.58%)。由此可以看出人為活動對區(qū)域景觀的改變是區(qū)域景觀多樣性的增加和景觀破碎化程度的加劇的主要動因。2.2數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗對于采用變異函數(shù)法,首先的要求是數(shù)據(jù)要符合正態(tài)分布,否則可能出現(xiàn)比例效應(yīng),在SPSS11.5a軟件中的統(tǒng)計分析模塊中采用Kolmogorov-Smirnov法,檢驗各時期土地退化數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布。通過對1983、1999和2005年3期樣本的統(tǒng)計分析及其正態(tài)檢驗(表2),結(jié)果表明:1983、1999和2005年3期樣本的均值和變異系數(shù)都較小,正態(tài)分布的K-S檢驗的統(tǒng)計描述的結(jié)果,符合正態(tài)分布。描述性統(tǒng)計與正態(tài)分布檢驗的結(jié)果,完全滿足變異函數(shù)的要求。2.3土地退化指數(shù)空間相關(guān)分析變異函數(shù)在空間變化特征方面,通過其隨機性一面反應(yīng)區(qū)域化變量的結(jié)構(gòu)性,區(qū)域化變量的結(jié)構(gòu)分析是以變異函數(shù)模型為基礎(chǔ),是變異函數(shù)主要功能之一。根據(jù)變異函數(shù)公式分別計算1983、1999和2005年3期樣本的變異函數(shù)值,經(jīng)過理論模型的最優(yōu)擬合結(jié)果,符合球形模型。決定系數(shù)均大于0.8,而殘差平方和較小(0.0005、0.0001和0.0001),接近于0,F檢驗在a=0.01水平達到極顯著(表3),表明所建立的擬合理論模型具有實際應(yīng)用價值,擬合得到的球形模型能夠很好地反映土地退化指數(shù)的空間結(jié)構(gòu)特征。地統(tǒng)計學理論認為,描述景觀空間異質(zhì)性的變量Z可分解成兩部分,即自相關(guān)部分(SHA)和隨機部分(SHR),SHA和SHR可通過變異函數(shù)分析而定量化。由空間自相關(guān)部分引起的空間異質(zhì)性SHA屬于由變異函數(shù)r(h)定義的空間相關(guān)變程a的范圍之內(nèi),在尺度上對應(yīng)于中尺度。由隨機部分引起的空間異質(zhì)性SHR出現(xiàn)在小尺度上,可以認為是小于分辨率尺度上的變異總和,它可由塊金值C0表示。如塊金值較大,則表明較小尺度上的某種生態(tài)過程是不容忽視的。結(jié)構(gòu)系數(shù)C表示由結(jié)構(gòu)性因素所引起的變異分量,基臺值C0+C表示系統(tǒng)內(nèi)的總變異。塊金值與基臺值的比值(C0/C0+C)可以表明空間相關(guān)程度,若該比值<25%,說明具有強烈的空間相關(guān)性;若該比值在25%~75%之間,則說明具有中等強度的空間相關(guān)性;若該比值>75%,則說明空間相關(guān)性較弱。在研究區(qū)域上,土地退化指數(shù)在空間上具有中等強度的空間相關(guān)性,并且在不同時段的空間分布上具有明顯差異,1983年土地退化指數(shù)由隨機因素引起的空間異質(zhì)性SHR占總空間異致性的64.3%,而由空間自相關(guān)引起的空間異質(zhì)性SHA占總空間異質(zhì)性的35.7%,1999~2005年由隨機因素引起的空間異質(zhì)性SHR占總空間異致性的比重減小,而由空間自相關(guān)引起的空間異質(zhì)性SHA增加,歸結(jié)于隨機性因素如灌溉、施肥、土地利用、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等人為活動使得土地退化指數(shù)空間相關(guān)性增強。變程在研究尺度上相對較小,均包含在研究區(qū)范圍(東西:19.2km,南北:8.8km)之內(nèi),在研究尺度上具有有效性。2.4不同類型土地的人為活動及其對土壤質(zhì)量的影響通過對3期樣點的PDI進行Kriging插值獲得區(qū)域土地退化分布圖(圖4),由圖4可以看出,研究區(qū)土地退化主要分布在北部靠近沙漠區(qū),越往綠洲內(nèi)部,土壤質(zhì)量狀況越好。同時由表4可以看出,從1983到2005年,灰漠土退化面積增加了527.37hm2,而鹽土和潮土退化面積減少,其中鹽土退化面積減少3053.93hm2,潮土減少1712.41hm2,說明人為活動對區(qū)域土地的作用一方面表現(xiàn)為土壤質(zhì)量的下降,而另一方面表現(xiàn)為土壤質(zhì)量的提高,不同的土壤類型表現(xiàn)不同,即人為對潮土和鹽土的利用趨于土壤質(zhì)量提高,而灰漠土則趨于土壤質(zhì)量下降?？傮w上看,研究區(qū)土地退化的面積減少,由1983年的8624.96hm2減少到2005年的4385.98hm2,相對土地退化面積減少了49.15%,說明人為活動在改善區(qū)域土壤的結(jié)構(gòu)起到積極的作用。2.5土地質(zhì)量提高土地退化指數(shù)分布圖進行疊加,結(jié)合1999年和2005年的景觀類型圖,分別計算土地退化指數(shù)景觀中的分布(表5,表6)。從區(qū)域土地退化指數(shù)在各景觀類型中的疊加分布上看,土地質(zhì)量的提高主要發(fā)生在土地退化指數(shù)0以下區(qū)域,有10382.8hm2土地質(zhì)量提高,其中1999~2005年7年間比1983~1999年7年間,土地質(zhì)量提高的面積少690.96hm2;自1983年以來,耕地和園地土地質(zhì)量提高的面積達2095.38hm2,鹽堿地和人工林地土地質(zhì)量提高的面積為679.8hm2,主要是由于人為對潮土和鹽土的利用改良(表4),在很大程度上改善了土壤結(jié)構(gòu),提高了土地生產(chǎn)力,而進一步退化面積僅為34.51hm2。土地質(zhì)量的下降,土地退化程度的加重主要表現(xiàn)在土地退化指數(shù)0以上的區(qū)域,進一步退化面積為5301.8hm2,其中表現(xiàn)最明顯的為耕地和草地,土地質(zhì)量提高的面積為3558.29hm2。由此可以看出區(qū)域土地利用過程中,一方面加速了土地貧瘠化作用,土地質(zhì)量下降,另一方面對土地質(zhì)量又起到一定的改善作用,土地質(zhì)量提高,在一定程度上具有很大的不合理性。3土地退化指數(shù)與灌木林地1)本文運用地統(tǒng)計學原理,結(jié)合土壤類型與區(qū)域景觀類型,以荒漠綠洲過渡帶農(nóng)業(yè)綠洲土地退化的動態(tài)過程為突破口,重點研究了綠洲土地開發(fā)過程中土壤質(zhì)量特征,以便于更好了解在景觀格局改變的狀態(tài)下,土地退化的演變過程。研究區(qū)為荒漠綠洲過渡帶的典型農(nóng)業(yè)區(qū),景觀基質(zhì)主要以荒漠為背景,耕地、灌木林地、居民地等景觀斑塊要素為鑲嵌