巴丹吉林沙漠范圍與界線位置的地理學(xué)研究

1關(guān)于巴丹吉林沙漠面積與兩大具體范圍的研究巴丹吉林沙漠位于中國(guó)北部的阿拉森地區(qū)。由于沙山的巨大體積和眾多湖泊，他受到了很多關(guān)注。為了形成和發(fā)展，建立和發(fā)展沙山和聲音沙群的形成機(jī)制，以及沙湖的水循環(huán)，沙湖對(duì)鄰近地區(qū)自然環(huán)境和人類活動(dòng)的影響一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的研究重點(diǎn)。但長(zhǎng)期以來(lái),由于對(duì)沙漠含義的理解不同、統(tǒng)計(jì)和量算使用的方法各異、數(shù)據(jù)年代不等、地圖精度不一,以及近幾十年來(lái)沙漠邊緣地區(qū)沙漠化發(fā)生發(fā)展等因素,導(dǎo)致對(duì)巴丹吉林沙漠確切范圍的認(rèn)識(shí)和理解存在差異,對(duì)其面積大小屬于我國(guó)第三大沙漠還是第二大沙漠尚存頗多分歧。朱震達(dá)等、中德聯(lián)合考察隊(duì)、鐘德才等先后對(duì)巴丹吉林沙漠做了考察研究,均概述了沙漠范圍,但系統(tǒng)全面精確的分析沙漠范圍的工作尚缺,對(duì)沙漠范圍的認(rèn)識(shí)仍存在差異,特別是對(duì)巴丹吉林沙漠南界、東界的界定。表1所列的已有文獻(xiàn)資料中關(guān)于巴丹吉林沙漠面積與古爾班通古特沙漠面積數(shù)據(jù)說(shuō)明對(duì)于古爾班通古特沙漠是否為中國(guó)第二大沙漠的問(wèn)題尚存分歧。隨著巴丹吉林沙漠科學(xué)研究的不斷深入,一個(gè)具有科學(xué)共識(shí)的、較高精度的巴丹吉林沙漠范圍與面積成為科學(xué)研究、環(huán)境保護(hù)及社會(huì)發(fā)展研究等諸方面的最基礎(chǔ)地理信息和重要需求之一,而已繪制的一系列沙漠地貌圖、現(xiàn)有高分辨率的衛(wèi)星影像以及相關(guān)的信息技術(shù)方法,使深入探討這個(gè)問(wèn)題成為可能。為此,蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院聯(lián)合甘肅省治沙研究所等單位,于2009年8、9月間專門(mén)組織科考隊(duì)環(huán)繞、穿越巴丹吉林沙漠開(kāi)展科學(xué)考察,取得了包括風(fēng)沙地貌、湖泊水文、生物資源及巴丹吉林沙漠人類活動(dòng)史等方面的大量科學(xué)資料。本文根據(jù)巴丹吉林沙漠相關(guān)領(lǐng)域研究的新成果和野外考察取得的相關(guān)數(shù)據(jù)資料,從地理學(xué)角度研究了確定巴丹吉林沙漠范圍與界線的原則與涉及的問(wèn)題,結(jié)合RS、GIS、GPS技術(shù)方法對(duì)巴丹吉林沙漠范圍與界線位置重新進(jìn)行了精確的定位和定量分析。2沙山及沙漠化土地類型從地理學(xué)角度講,巴丹吉林沙漠是一個(gè)地貌單元。所以,將沙漠含義與沙漠及其周邊地區(qū)風(fēng)沙地貌類型作為確定巴丹吉林沙漠范圍與邊界的依據(jù),符合學(xué)科要求與界定。關(guān)于沙漠含義,朱震達(dá)等指出:沙漠系指干旱地區(qū)地表為大片沙丘覆蓋的沙質(zhì)荒漠,也包括了沙漠化土地和半干旱地區(qū)的沙地。鐘德才從廣義和狹義兩方面對(duì)沙漠做出定義:廣義的沙漠就是荒漠,其外延組成成分較多,包括礫漠、巖漠、泥漠、鹽漠和沙漠等;狹義的沙漠,就是地面完全被大片沙丘(或沙)覆蓋、缺乏流水、植被稀少的地區(qū),是荒漠的一種,即沙質(zhì)荒漠;同時(shí)指出“沙漠”的真正內(nèi)涵應(yīng)是它的狹義概念。從上述對(duì)沙漠含義的解釋可以看出,氣候因素、地貌類型是定義沙漠的主要表征,而地貌類型又可間接反映氣候特征。因此,沙漠地區(qū)風(fēng)沙地貌類型是確定巴丹吉林沙漠范圍與邊界的重要依據(jù)。前人對(duì)巴丹吉林沙漠風(fēng)沙地貌類型的研究,將巴丹吉林沙漠及其毗鄰地區(qū)劃分為:沙漠(沙山及高大沙丘,中、高沙丘,低矮沙丘,灌叢沙堆,平沙地)、戈壁(沖積、洪積、淤積平原,風(fēng)蝕地,礫石、碎石平地)、山地丘陵(高山,中山,低山,丘陵)、水域(湖泊,現(xiàn)代干枯湖盆,沼澤地,鹽堿地)、其它(植被,居民地等)等類型。本文以上述沙漠含義及沙漠地區(qū)風(fēng)沙地貌類型為依據(jù),結(jié)合野外考查和室內(nèi)分析,以風(fēng)沙地貌類型為主,并結(jié)合巴丹吉林沙漠特點(diǎn),將其劃分為沙山及高大沙丘、沙丘地、平沙地和沙漠化土地4種沙漠地貌類型。(1)沙山及高大沙丘:指相對(duì)高度在100~400m之間的沙山和相對(duì)高度大于30m的沙丘。沙山主要在沙漠東南部,其分布均勻密集有規(guī)律;高大沙丘主要分布在沙山周邊及沙漠西北部。其特征為:地表大部分地區(qū)為沙粒覆蓋,在沙山及高大沙丘迎風(fēng)背風(fēng)坡均有少量沙生植物分布,植被蓋度小于5%,沙山東南側(cè)多伴有湖泊或現(xiàn)代干枯湖盆。(2)沙丘地:指相對(duì)高度在30m以下的沙丘及丘間地。其特征為:地表以流動(dòng)沙丘為主,常見(jiàn)新月型沙丘及沙丘鏈,丘間地中常有少量一年生沙生植物分布,植被蓋度小于10%。(3)平沙地:指相對(duì)高度在1m以下的沙丘、沙堆及沙地。其特征為:地表以固定沙丘、灌叢沙堆為主,伴有少量粗沙、礫石分布,其間流沙、吹揚(yáng)灌叢沙堆與風(fēng)蝕、風(fēng)積地相結(jié)合分布,植被以沙生灌叢為主,植被蓋度為10%~20%。(4)沙漠化土地:指風(fēng)沙活動(dòng)嚴(yán)重的沙漠邊緣地區(qū)。其特征為:地表以片狀流沙、吹揚(yáng)灌叢沙堆、風(fēng)蝕、風(fēng)積地為主,伴有少量流動(dòng)沙丘分布,植被以沙生灌叢、草本為主,植被蓋度20%~50%。3多模式應(yīng)用在南海多砂計(jì)算上的應(yīng)用參考全國(guó)沙漠面積調(diào)查方法、沙漠及沙漠化評(píng)價(jià)方法[14,15,16,17,18,19],利用高分辨率衛(wèi)星遙感影像,通過(guò)野外考察與室內(nèi)分析,建立定性、定量解譯標(biāo)志,人機(jī)交互確定沙漠范圍與面積。3.1景觀影像的成像本研究所用的主要數(shù)據(jù)為全球陸地覆蓋設(shè)施中心———地球科學(xué)數(shù)據(jù)交換站點(diǎn)(GLCF-ESDI)提供的攝于2001-2002年的12景Landsat7-ETM+L2G級(jí)遙感影像,影像已經(jīng)過(guò)幾何校正,軌道號(hào)(Path/Row)分別為131/31、131/32、131/33、132/31、132/32、132/33、133/31、133/32、133/33、134/31、134/32以及134/33,影像的成像季相選擇在地表植被生物量較大的7-9月份。另外選取15景攝于2008年的CBERS-02B高空間分辨率HR影像、沙漠及毗鄰地區(qū)30mDEM數(shù)據(jù)(由ASTER影像獲得),用于局部地區(qū)的補(bǔ)充解譯。采用Albers等積投影對(duì)所有影像數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換。圖像的幾何校正、投影轉(zhuǎn)換均借助ERDASIMAGINE9.2圖像處理軟件完成。3.2地表景觀特征調(diào)查與評(píng)價(jià)2009年8-9月間,作者環(huán)繞并穿越巴丹吉林沙漠進(jìn)行實(shí)地考察(圖1),按照考察點(diǎn)位空間分布均一性、考察路線實(shí)際可達(dá)性及考察區(qū)域典型性的原則,重點(diǎn)調(diào)查了沙漠邊界區(qū)域9個(gè)點(diǎn)位的地表景觀特征,通過(guò)記錄、攝影方法,建立了9個(gè)先驗(yàn)樣區(qū),其衛(wèi)星影像與實(shí)地地物參照關(guān)系如表2所示。3.3內(nèi)部分析和數(shù)據(jù)解釋3.3.1光譜特征曲線在影像上分別確定沙山及高大沙丘、沙丘地、平沙地、沙漠化土地4種沙漠地貌類型,其中沙山及高大沙丘分布在沙漠腹地,其他3種類型在9個(gè)先驗(yàn)樣區(qū)確定。每種類型分別隨機(jī)選取10個(gè)點(diǎn)采集其數(shù)字值(DN),以平均值繪制光譜特征曲線(圖2)。從圖2可以看出,ETM+影像的7個(gè)波段中,沙山及高大沙丘的DN值最高,沙漠化土地最低,反映了從沙漠邊緣到腹地地表反射能量(或輻射能量)逐漸增加的趨勢(shì);熱紅外波段(第6波段)的DN值最高,而近紅外波段(第4波段)呈現(xiàn)波谷,反映出沙漠地表在熱紅外波段有很強(qiáng)的熱輻射特性,在近紅外波段有很強(qiáng)的吸收特性。因此在劃分沙漠與其他地物以及區(qū)別沙漠不同地貌類型時(shí),可以運(yùn)用波段間差值比值的方法提取地物信息。3.3.2解譯補(bǔ)充指標(biāo)設(shè)計(jì)在ETM+7、4、2彩色合成影像上,以先驗(yàn)樣區(qū)為基礎(chǔ),綜合考慮地表景觀特征、影像形態(tài)、色調(diào)、紋理特征,建立目視解譯定性分類標(biāo)志;根據(jù)影像DN值反映的沙漠光譜特征,選擇反映不同沙漠地貌類型沙丘高低大小、沙面特征狀況的歸一化沙漠指數(shù)(NDDI)、反映沙漠化土地自然屬性和生態(tài)狀況的植被覆蓋度(FVC)、對(duì)植被狀況敏感的修正土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)(MSAVI),建立解譯補(bǔ)充指標(biāo)量化系統(tǒng);并結(jié)合沙漠外圍風(fēng)流場(chǎng)與立體影像,對(duì)解譯進(jìn)行補(bǔ)充分析。(1)定性標(biāo)志(表3)(2)定量指標(biāo)(1)歸一化沙漠指數(shù)(NDDI)根據(jù)歸一化植被指數(shù)(NDVI)原理,利用沙漠在熱紅外波段的強(qiáng)輻射性和在近紅外波段的強(qiáng)吸收性,建立了歸一化沙漠指數(shù):(2)植被覆蓋度(FVC):根據(jù)歸一化植被指數(shù)(NDVI)計(jì)算植被覆蓋度:(3)修正的土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)(MSAVI):MSAVI=NIR+0.5-姨(NIR+0.5)2-2(NIR-R)(4)式中:R、NIR、TIR分別表示ETM+影像第3、4、6波段的DN值。在ERDASIMAGINE軟件中分別根據(jù)式(1)、(2)、(3)、(4)建立模型反演三種指標(biāo)數(shù)據(jù)。通過(guò)將矢量化得到的影像上多個(gè)先驗(yàn)樣區(qū)沙漠各類型矢量數(shù)據(jù)與三種指標(biāo)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加對(duì)比分析(圖3),統(tǒng)計(jì)沙漠各類型三種指標(biāo)值范圍,根據(jù)統(tǒng)計(jì)的沙漠各類型絕大部分像元的數(shù)值,建立了目視解譯補(bǔ)充指標(biāo)量化系統(tǒng)(表4)。(3)立體影像補(bǔ)充分析進(jìn)一步借助巴丹吉林沙漠風(fēng)流場(chǎng)與地形變化特征,在立體影像上判斷沙漠?dāng)U張的趨勢(shì)與特點(diǎn)。3.3.3研究區(qū)的解譯分類以影像為背景,根據(jù)目視解譯定性分類標(biāo)志、目視解譯補(bǔ)充指標(biāo)量化系統(tǒng)以及立體影像補(bǔ)充分析方法,運(yùn)用ArcGIS軟件Editor模塊進(jìn)行目視解譯,得到研究區(qū)的解譯分類圖。由于研究區(qū)涉及范圍廣,野外考察驗(yàn)證工作難度較大,因此結(jié)合野外考察記錄,選擇兩個(gè)CBERS-HR影像覆蓋良好的區(qū)域,將ETM+影像與CBERS-HR影像兩者的解譯結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,假定CBERS-HR影像解譯結(jié)果為真,驗(yàn)證ETM+影像的解譯精度,得出的平均精度在95%以上。將上述解譯結(jié)果與《巴丹吉林高大沙山典型區(qū)景觀圖》、《巴丹吉林沙漠及鄰近地區(qū)地貌圖》進(jìn)行比較,也表明本文解譯準(zhǔn)確。4結(jié)果與分析4.1沙漠化的土壤類型根據(jù)上文解譯計(jì)算,可詳細(xì)確定巴丹吉林沙漠的地理范圍。以下通過(guò)ETM+影像解譯分類圖(圖4)對(duì)沙漠邊界具體位置作一簡(jiǎn)要說(shuō)明。(1)南側(cè)在長(zhǎng)年盛行風(fēng)作用下,沙丘向西南方向推移,已至黑河正義峽出山口東岸(99°23′18″E)和合黎山北側(cè)。在合黎山東側(cè),沙丘向南偏西方向推移,形成一條狀沙丘帶,至高臺(tái)縣東側(cè)(39°13′38″N)。另在合黎山南側(cè)山前洪積平原形成一小片沙地(至39°32′56″N);在北大山南側(cè)、龍首山北側(cè)有3片沙漠化土地,其最南端至39°15′50″N;在黑山頭西側(cè)亦有1片沙漠化土地。因此認(rèn)為沙漠南側(cè)應(yīng)以合黎山、北大山、黑山頭為界。古爾班通古特沙漠和巴丹吉林沙漠相比,前者以固定沙丘為主,后者以流動(dòng)沙丘為主。氣候變化與人類活動(dòng)是沙漠演化與沙漠化過(guò)程的主要影響因素,不同的沙丘類型導(dǎo)致沙漠正逆演化過(guò)程產(chǎn)生差異。研究表明,溫度和降水量在干旱區(qū)流動(dòng)、固定和半固定沙丘是非常重要的氣候因子,溫度增高蒸發(fā)量增大干旱危害加劇,導(dǎo)致沙漠化易發(fā)和其進(jìn)程的加速,而降水增加使沙漠向逆過(guò)程發(fā)展。近50a西北干旱區(qū)氣溫都升高,雖然降水量有增加趨勢(shì),但巴丹吉林沙漠區(qū)蒸發(fā)量增大,導(dǎo)致沙漠化的易發(fā)和其進(jìn)程的加速,而古爾班通古特沙漠區(qū)是西北干旱區(qū)唯一蒸發(fā)量減少的區(qū)域,有利于沙漠化進(jìn)程的減緩甚至發(fā)生逆轉(zhuǎn)。從解譯結(jié)果和上述分析均可看出,巴丹吉林沙漠面積大于古爾班通古特沙漠面積,應(yīng)系我國(guó)僅次于塔克拉瑪干沙漠的第二大沙漠。5沙漠范圍與面積從地理學(xué)角度研究了確定巴丹吉林沙漠范圍與界線的原則與涉及的問(wèn)題,利用遙感影像結(jié)合野外考察與室內(nèi)解譯分析,對(duì)巴丹吉林沙漠范圍與界線位置重新進(jìn)行了精確定位和定量分析。得出以下結(jié)論:(1)在行政區(qū)域上,巴丹吉林沙漠范圍涉及內(nèi)蒙古自治區(qū)、甘肅省2個(gè)省、自治區(qū),阿拉善右旗、額濟(jì)納旗、金塔縣、高臺(tái)縣、臨澤縣、甘州區(qū)、民勤縣7個(gè)旗、縣、區(qū);在自然地域上,巴丹吉林沙漠位于合黎山、北大山、黑山頭之北,雅布賴鹽湖、雅布賴山之西北,宗乃山、省道S218公路之西,拐子湖、古居延澤之南,弱水東岸至古日乃湖、黑河正義峽出山口之東。(2)巴丹吉林沙漠橫跨5個(gè)經(jīng)度,東西長(zhǎng)約442km,縱貫3個(gè)緯度,南北寬約354km,范圍為39°04′15″N~42°12′23″N,99°23′18″E~104°34′02″E,面積為5.2162萬(wàn)km2,應(yīng)系我國(guó)僅次于塔克拉瑪干沙漠的第二大沙漠。本文對(duì)巴丹吉林沙漠范圍與面積的分析,主要以Landsat7-ETM+數(shù)據(jù)為信息源,由于數(shù)據(jù)獲取時(shí)間限制,結(jié)果只能反映2002年沙漠范圍與面積大小。利用時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)對(duì)巴丹吉林沙漠時(shí)空演化特征分析,揭示氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)沙漠正逆過(guò)程及沙漠邊緣地區(qū)沙漠化的影響有待于進(jìn)一步研究。(2)東南側(cè)在長(zhǎng)年盛行風(fēng)作用下,沙丘沿雅布賴山西端向東南方向推移,已在雅布賴山、雅布賴鹽場(chǎng)之西端,伸出一沙丘帶,延伸至39°04′15″N;沙粒越過(guò)雅布賴山,已在其東南側(cè)至馬蓮泉山東北側(cè),形成沙丘帶、沙地和沙漠化土地,延伸至39°07′49″N。部分吹揚(yáng)流沙甚至與民勤綠洲相接。此段應(yīng)以雅布賴山、雅布賴鹽湖、民勤綠洲北側(cè)為界。(3)東側(cè)在巴丹吉林沙漠與騰格里沙漠連接處,根據(jù)量化指標(biāo)、風(fēng)向、地勢(shì)特征綜合確定兩大沙漠的邊界。在長(zhǎng)年盛行風(fēng)作用下,巴丹吉林沙漠沙丘在雅布賴山東側(cè)地勢(shì)較低處向東南方向推移,在39°56′56″N處及其附近,地表植被蓋度、MSAVI值與其南北區(qū)域相比達(dá)到最大,且為雅布賴山海拔較高處,故將此劃為兩大沙漠交界處。在宗乃山東南側(cè),巴丹吉林沙漠與亞瑪雷克沙漠完全會(huì)合,在自然地理上難以確定二者界線。因此認(rèn)為或以省道S218為界(104°34′02″E),較為合理。(4)北側(cè)拐子湖現(xiàn)代干涸盆地植被蓋度較高,有固定沙丘、灌叢沙堆分布。其北側(cè)為風(fēng)蝕地、礫石、碎石平地等組成的戈壁,是沙漠北側(cè)的天然界線。在沙漠西北側(cè),沙丘在盛行風(fēng)作用下沿古居延澤西端(101°36′E)向西北方向推移,直至額濟(jì)納旗城東南,與黑河下游河岸胡楊林相接,部分沙丘甚至向北推移至東居延海附近(42°12′23″N),或向西推移至黑城遺址周圍(101°06′21″E),由此認(rèn)為此范圍內(nèi)的沙丘地、平沙地亦應(yīng)劃為巴丹吉林沙漠。(5)西側(cè)黑河下游弱水東岸至古日乃湖現(xiàn)代干涸湖盆之間,為風(fēng)蝕地、礫石、碎石平地等組成的戈壁,古日乃湖植被覆蓋度較高,是沙漠西側(cè)的界線(約101°25′E)。4.2沙漠化土地及相關(guān)機(jī)構(gòu)表5為巴丹吉林沙漠地