第66卷第1期 地理学报 Vol. 66. No. 1 2011年1月 ACTA GEOGRAPHICA SINICA Jan.. 2011 气候变化和人类活动在沙漠化过程中 相对作用评价综述 許瑞阳一,李春蕾,庄大方,潘剑君 (1.中国科学技术信息研究所,北京100038 2.新疆师范大学地理科学与旅游学院,乌鲁木齐830054 3.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101 4.南京农业大学资源与环境科学学院,南京210095) 摘要:气候变化和人类活动是导致沙漠化的两大驱动力,系统评价两者在沙漠化过程中的相对 作用对于深入理解沙漠化过程的驱动力作用机理以及开展防沙治沙工作具有重要的意义。本 研究从定性一半定量和定量研究两个方面对目前气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作 用评价方法进行了系统的梳理,认为目前的评价方法存在着主观性强、可重复操作性差、多基于 行政单元而缺乏在连续的空间域上来评价气候变化和人类活动相对作用等不足。基于对以往 研究的总结和笔者近阶段的相关研究成果,笔者认为开展气候变化和人类活动在沙漠化过程中 相对作用的评价工作关键是突破两类驱动力相对作用在连续的空间域上进行评价和表达这 瓶颈的制约,并提出了以定量研究为核心,以NPP为衡量气候变化和人类活动在沙漠化过程中 相对作用的公共指标,通过拆分“驱动力作用一沙漠化土地动态响应”这一生态过程为若干可能 情景来构建气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用评价方法的思路。此外,在进行定量 评价时,还需要考虑结果验证以及评价尺度这两个重点问题对评价结果和结论的影响。 关键词:沙漠化;气候变化;人类活动;相对作用评价 引言 沙漠化是荒漠化的主要类型,它作为极其重要的环境、经济和社会问题困扰着当今世 界,威胁着人类的生存和发展叫。中国是世界上受沙漠化影响最为严重的国家之一,根据国 家林业局的统计,截止2004年我国沙漠化土地面积达到1,739,700km2,占国土面积的 18.12%叫。沙漠化引起的土壤质量下降、土地资源减少以及沙尘暴等问题严重制约了我国 经济社会的可持续发展以及和谐社会的构建。近年来,随着全国防沙治沙工作的有效开展, 全国沙漠化土地面积较之20世纪末期有所减轻,其中科尔沁沙地、毛乌素沙地南缘等地区 明显逆转,但是整体上我国沙漠化的形势依然十分严峻P习。 深入理解沙漠化过程中驱动力的作用机理,系统评价各驱动因子在沙漠化过程中的相 对作用是有效开展沙漠化防治的基础和关键。尽管气候变化和人类活动作为沙漠化过程中 的两大驱动力已经得到了共识,但是人们更多地关心在沙漠化过程中到底哪些沙漠化过程 是气候变化造成的,而哪些是人类活动造成,也即沙漠化过程中气候变化和人类活动的相对 作用问题吗。由于气候变化和人类活动对土地沙漠化作用机制复杂,涉及影响因素多且相互 交织,因此很难在相对独立的条件下评价气候变化和人类活动在沙漠化过程中的相对作用, 使之一直成为沙漠化科学硏究的薄弱环节。近年来,国内外学者围绕沙漠化过程中气候变 收稿日期:2010-07-20,修订日期:2010-09-26 基金项目:国家自然科学基金项目(40901054)[ Foundation: National Natural Science Foundation of China,No40901054 作者简介:许端阳(1983-),男,博士,助理研究员,主要从事气候变化与沙漠化、科技政策与管理等方面的研究 E-mail: xudy @ isticaccn 68-76页
地 理 学 报 ACTA GEOGRAPHICA SINICA 第66卷 第1期 2011年1月 Vol.66, No.1 Jan., 2011 收稿日期：2010-07-20; 修订日期：2010-09-26 基金项目：国家自然科学基金项目 (40901054) [Foundation: National Natural Science Foundation of China, No.40901054] 作者简介：许端阳 (1983-), 男, 博士, 助理研究员, 主要从事气候变化与沙漠化、科技政策与管理等方面的研究。 E-mail: xudy@istic.ac.cn 68-76页 气候变化和人类活动在沙漠化过程中 相对作用评价综述 许端阳1, 4 , 李春蕾2 , 庄大方3 , 潘剑君4 (1. 中国科学技术信息研究所, 北京 100038; 2. 新疆师范大学地理科学与旅游学院, 乌鲁木齐 830054; 3. 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101; 4. 南京农业大学资源与环境科学学院, 南京 210095) 摘要：气候变化和人类活动是导致沙漠化的两大驱动力，系统评价两者在沙漠化过程中的相对 作用对于深入理解沙漠化过程的驱动力作用机理以及开展防沙治沙工作具有重要的意义。本 研究从定性—半定量和定量研究两个方面对目前气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作 用评价方法进行了系统的梳理，认为目前的评价方法存在着主观性强、可重复操作性差、多基于 行政单元而缺乏在连续的空间域上来评价气候变化和人类活动相对作用等不足。基于对以往 研究的总结和笔者近阶段的相关研究成果，笔者认为开展气候变化和人类活动在沙漠化过程中 相对作用的评价工作关键是突破两类驱动力相对作用在连续的空间域上进行评价和表达这一 瓶颈的制约，并提出了以定量研究为核心，以NPP为衡量气候变化和人类活动在沙漠化过程中 相对作用的公共指标，通过拆分“驱动力作用—沙漠化土地动态响应”这一生态过程为若干可能 情景来构建气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用评价方法的思路。此外，在进行定量 评价时，还需要考虑结果验证以及评价尺度这两个重点问题对评价结果和结论的影响。 关键词：沙漠化；气候变化；人类活动；相对作用评价 1 引言 沙漠化是荒漠化的主要类型，它作为极其重要的环境、经济和社会问题困扰着当今世 界，威胁着人类的生存和发展[1] 。中国是世界上受沙漠化影响最为严重的国家之一，根据国 家林业局的统计，截止 2004 年我国沙漠化土地面积达到 1,739,700 km2 ，占国土面积的 18.12%[2] 。沙漠化引起的土壤质量下降、土地资源减少以及沙尘暴等问题严重制约了我国 经济社会的可持续发展以及和谐社会的构建。近年来，随着全国防沙治沙工作的有效开展， 全国沙漠化土地面积较之20世纪末期有所减轻，其中科尔沁沙地、毛乌素沙地南缘等地区 明显逆转，但是整体上我国沙漠化的形势依然十分严峻[2-3] 。 深入理解沙漠化过程中驱动力的作用机理，系统评价各驱动因子在沙漠化过程中的相 对作用是有效开展沙漠化防治的基础和关键。尽管气候变化和人类活动作为沙漠化过程中 的两大驱动力已经得到了共识，但是人们更多地关心在沙漠化过程中到底哪些沙漠化过程 是气候变化造成的，而哪些是人类活动造成，也即沙漠化过程中气候变化和人类活动的相对 作用问题[4] 。由于气候变化和人类活动对土地沙漠化作用机制复杂，涉及影响因素多且相互 交织，因此很难在相对独立的条件下评价气候变化和人类活动在沙漠化过程中的相对作用， 使之一直成为沙漠化科学研究的薄弱环节。近年来，国内外学者围绕沙漠化过程中气候变
许端阳等:气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用评价综述 化和人类活动相对作用评价问题开展了大量的研究,取得了丰富的成果。本研究通过对 国内外相关研究进行梳理,分析气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用评价硏究的 进展及存在的问题,并结合笔者近期的相关研究成果提出研究思路,旨在为沙漠化驱动机制 的理论研究和防沙治沙工作的开展提供借鉴。 2气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用评价硏究进展 21气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用的定性一半定量评价 气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用评价从方法论上主要分为定性一半定 量和定量评价两种类型。定性一半定量评价方法是指在已知特定一段时期沙漠化动态的基 础上,根据气候因子和人类活动因子(或者是反映气候变化作用和人类活动作用的一些综合 指标)的变化趋势并结合专家经验进行分析,进而判定区域沙漠化过程中气候变化和人类活 动的作用。许多学者利用定性一半定量的评价方法对我国重点沙区近50年来沙漠化过程 中气候变化和人类活动的相对作用进行了评价,如王涛等根据近40年来科尔沁地区气候 和人类活动因子的特征和变化趋势,定性分析了该地区沙漠化过程中气候变化和人类活动 的相对作用,认为人类活动是研究区沙漠化过程中更加活跃的确定因子,体现在土地利用方 式的转变和强度的增加导致对自然植被的破坏而加速沙漠化进程旳;高小红等在研究了 1986-2000年间陕北长城沿线地区沙漠化动态的基础上,认为近14年来该地区沙漠化逆转 的主因是人类采取了一系列治沙措施和国家政策向导。在定性一半定量研究中引入假设 分析能很好地从侧面来辅助专家决策, Zheng等对额济纳地区过去40年沙漠化过程中气候 变化和人类活动相对作用进行分析时,假设只考虑气候变化因素,反映沙漠化动态的两个指 标一净初级生产力( Net Primary Production,NPP)和植被投影盖度( Foliage Projective Cover, FPC)的变化趋势(其中NPP表现为NPP=0.0119Year-22672;FPC表现为FPC= 0.1109Year-171.84)表明了气候变化有利于沙漠化的逆转,因此认为气候变化并不是该地区 沙漠化发展的主因門。定性研究方法也常用于大尺度上的沙漠化驱动力作用评价,如Wang 等在分析上世纪50年代到2000年间中国北方地区的降雨、蒸散、温度、起沙风速率、输沙势 以及人口、牲畜数量、造林面积变化规律的基础上,结合近50年来我国北方沙漠化的变化特 征,系统研究了我国近50年来沙漠化动态与气候变化和人类活动的关系,认为人类活动(包 括三北防护林工程)对于中国北方沙漠化逆转的作用被明显高估。 22气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用的定量评价 近年来,随着数学模型方法及相关思想在地学和生态学中的广泛应用,越来越多的学者 开始尝试用数学模型方法定量地来评价气候变化和人类活动在沙漠化过程中的相对作用, 并在此方面取得了较大的进展(如表1所示)。纵观近年来气候变化和人类活动在沙漠化过 程相对作用的定量研究,其研究方法可以分为四类:一是基于回归模型的评价方法;二是基 于主成分分析的评价方法;三是基于无人为干扰与实际情况比较的评价方法;四是基于公共 指标的评价方法。 2.21基于回归模型的评价方法基于回归模型的评价方法是利用数学上的回归统计模 型,来建立沙漠化过程与其各种气候或人类活动因子之间的相关关系,进而分析其各自的相 对作用。如徐小玲等采用简单的线性回归模型来分析人口增幅、垦殖指数、年均林业产 值和造林面积等人文因素对陕北沙区沙漠化的影响,除垦殖指数与沙漠化指数呈负相关外 (Y=0.036X+06687),其余因子均与沙漠化指数呈正相关;孙丹峰利用多元逐步回归模 型,并选取沙漠年变率(Rate)为因变量,选取粮食作物播种面积年变率(AGr)、单位面积羊 头数年变率(ASh)等为自变量,研究了19881997年间民勤地区社会经济驱动力对荒漠化的 影响,得出不同地区的回归模型(如牧区为Rate=014+229Ash;坝区灌区为Rate=1.01+
1期 许端阳 等：气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用评价综述 化和人类活动相对作用评价问题开展了大量的研究，取得了丰富的成果[5-31] 。本研究通过对 国内外相关研究进行梳理，分析气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用评价研究的 进展及存在的问题，并结合笔者近期的相关研究成果提出研究思路，旨在为沙漠化驱动机制 的理论研究和防沙治沙工作的开展提供借鉴。 2 气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用评价研究进展 2.1 气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用的定性—半定量评价 气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用评价从方法论上主要分为定性—半定 量和定量评价两种类型。定性—半定量评价方法是指在已知特定一段时期沙漠化动态的基 础上，根据气候因子和人类活动因子 (或者是反映气候变化作用和人类活动作用的一些综合 指标) 的变化趋势并结合专家经验进行分析，进而判定区域沙漠化过程中气候变化和人类活 动的作用。许多学者利用定性—半定量的评价方法对我国重点沙区近50年来沙漠化过程 中气候变化和人类活动的相对作用进行了评价[5-8] ，如王涛等根据近40年来科尔沁地区气候 和人类活动因子的特征和变化趋势，定性分析了该地区沙漠化过程中气候变化和人类活动 的相对作用，认为人类活动是研究区沙漠化过程中更加活跃的确定因子，体现在土地利用方 式的转变和强度的增加导致对自然植被的破坏而加速沙漠化进程[5] ；高小红等在研究了 1986-2000年间陕北长城沿线地区沙漠化动态的基础上，认为近14年来该地区沙漠化逆转 的主因是人类采取了一系列治沙措施和国家政策向导[6] 。在定性—半定量研究中引入假设 分析能很好地从侧面来辅助专家决策，Zheng等对额济纳地区过去40年沙漠化过程中气候 变化和人类活动相对作用进行分析时，假设只考虑气候变化因素，反映沙漠化动态的两个指 标—净初级生产力 (Net Primary Production, NPP)和植被投影盖度 (Foliage Projective Cover, FPC) 的 变 化 趋 势 ( 其 中 NPP 表 现 为 NPP = 0.0119Year-22.672；FPC 表 现 为 FPC = 0.1109Year-171.84) 表明了气候变化有利于沙漠化的逆转，因此认为气候变化并不是该地区 沙漠化发展的主因[9] 。定性研究方法也常用于大尺度上的沙漠化驱动力作用评价，如Wang 等在分析上世纪50年代到2000年间中国北方地区的降雨、蒸散、温度、起沙风速率、输沙势 以及人口、牲畜数量、造林面积变化规律的基础上，结合近50年来我国北方沙漠化的变化特 征，系统研究了我国近50年来沙漠化动态与气候变化和人类活动的关系，认为人类活动 (包 括三北防护林工程) 对于中国北方沙漠化逆转的作用被明显高估[10-11] 。 2.2 气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用的定量评价 近年来，随着数学模型方法及相关思想在地学和生态学中的广泛应用，越来越多的学者 开始尝试用数学模型方法定量地来评价气候变化和人类活动在沙漠化过程中的相对作用， 并在此方面取得了较大的进展 (如表1所示)。纵观近年来气候变化和人类活动在沙漠化过 程相对作用的定量研究，其研究方法可以分为四类：一是基于回归模型的评价方法；二是基 于主成分分析的评价方法；三是基于无人为干扰与实际情况比较的评价方法；四是基于公共 指标的评价方法。 2.2.1 基于回归模型的评价方法 基于回归模型的评价方法是利用数学上的回归统计模 型，来建立沙漠化过程与其各种气候或人类活动因子之间的相关关系，进而分析其各自的相 对作用[12-14] 。如徐小玲等采用简单的线性回归模型来分析人口增幅、垦殖指数、年均林业产 值和造林面积等人文因素对陕北沙区沙漠化的影响，除垦殖指数与沙漠化指数呈负相关外 (Y = -0.036X + 0.6687)，其余因子均与沙漠化指数呈正相关[12] ；孙丹峰利用多元逐步回归模 型，并选取沙漠年变率 (Rate) 为因变量，选取粮食作物播种面积年变率 (AGr)、单位面积羊 头数年变率 (ASh) 等为自变量，研究了1988-1997年间民勤地区社会经济驱动力对荒漠化的 影响，得出不同地区的回归模型 (如牧区为Rate = 0.14 + 22.9Ash；坝区灌区为Rate = 1.01 + 69
地理学报 66卷 表1气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用定量评价方法 Tab. I Quantitative methods for assessing the relative role of climate change and human activity in desertification 定量评价研究 关键指标 模型公式结果 文献出处 方法类型。区域 归陕北 人口增幅《1)、垦殖指数《2)、年均Y=1.0437X140.2836 徐小玲等, 模型的 沙区林业产值《3)、年均造林面积a4)、Y=-0.036X2+0.6687 评价方法 沙漠化指数Y) Y=0.0008X3-.2555 Y=0.0275X4-.2619 粮食作物播种面积年变率AG)、单 漠化指数年变率 孙丹峰 民勤位面积羊头数年变率ASh)、单位面 0.14+229Ash 积农村人口在变率APo)等10个社 区荒漠化指数年变率 会经济指标 Rate=1.01+1.37AGr 甘肃疏降雨量、年均风速、大风日数、人口、与荒漠化面积的相关性分析(相关系章予舒等 勒河流耕地面积 R风速=0.45 R人口=0.84 主成分青海共降水量、大风日数、农牧业人口、牲人为因素贡献率465%:自然因素贡 和盆地畜总数、耕地面积 献率246% 0 评价方法甘肃民农村人口、耕地面积、牲畜数量、大1956-2004年人类活动贡献率56.33%: M metal 勤 风日数、降雨量、温度等14个指标19812004年人类活动贡献率6619%200707 海南岛温度、降雨量、风速、牲畜数量、耕人类活动的贡献率为41%:气候变化 Lieta 西部地面积、人口、造林面积等13个指标的贡献率为23.7% 基于无人为内蒙古流沙面积《)、植被盖度() =83.57e 干扰与实际奈曼旗 1987-991年自然因素的贡献率为 情况比较的 63.59% 评价方法 South NDVINPP,降雨量 W esselsetal A frica 2007如 NDVL降雨 基于公共青海贵风速),植被盖度(C),牲畜践踏Q=exp(4.97334+1.3211TR) 张春来等 指标的 南草原率R),樵采破坏率0R),耕地土滥牧、滥樵、滥垦对沙漠化发展的贡2005 评价方法 壤粗糙度￠0),风蚀率Q) 献率分别为54.78%、466%和40.56% LPHG DVM模型 Z ika et al 1.37AGr),并判别出不同地区荒漠化过程中关键驱动因素的相对作用吗。 222基于主成分分析的评价方法基于主成分分析的评价方法是利用主成分或因子分析 的方法来研究沙漠化过程中各种驱动力因子的贡献。这类方法主要是利用了主成分分析这 数据压缩技术,将多个驱动因子变量转化为几个少数的综合指标,同时又保留了大部分的 信息,并将各个主成分对总方差的贡献率作为驱动力对沙漠化的贡献率。董玉祥最早将 该方法用于定量研究沙漠化驱动力的贡献率上,后来又有许多学者基于该方法在不同的 沙漠化地区进行了驱动力作用定量评价研究,使之成为目前较为多用的一种方法。如张 登山对青海共和盆地沙漠化影响因子进行主成分分析得出,人为因素(包括人口、牲畜数量 耕地面积)的贡献率为465%,自然因素(降雨量、大风日数)的贡献率为246%,人为一自然 因素的共同作用对沙漠化的贡献率为149%; Maet al对民勤地区沙漠化过程中驱动力作 用进行主成分分析时,认为在1956-2004年间人类活动是沙漠化的主因,其贡献率占 5633%,而这一特征在1981-2004年间更加明显,人类活动的贡献率达到66.19%。 2.23基于无人为干扰与实际情况比较的评价方法基于无人为干扰与实际情况比较的评 价方法是利用模拟无人为干扰下的沙漠化发展情况与实际沙漠化情况的差异来确定人类活 动的影响,从而间接估计气候变化的影响。国内学者李振山等利用这种研究思路,选取输沙
地 理 学 报 66卷 1.37AGr)，并判别出不同地区荒漠化过程中关键驱动因素的相对作用[13] 。 2.2.2 基于主成分分析的评价方法 基于主成分分析的评价方法是利用主成分或因子分析 的方法来研究沙漠化过程中各种驱动力因子的贡献。这类方法主要是利用了主成分分析这 一数据压缩技术，将多个驱动因子变量转化为几个少数的综合指标，同时又保留了大部分的 信息，并将各个主成分对总方差的贡献率作为驱动力对沙漠化的贡献率[15-18] 。董玉祥最早将 该方法用于定量研究沙漠化驱动力的贡献率上[15] ，后来又有许多学者基于该方法在不同的 沙漠化地区进行了驱动力作用定量评价研究，使之成为目前较为多用的一种方法[16-18] 。如张 登山对青海共和盆地沙漠化影响因子进行主成分分析得出，人为因素 (包括人口、牲畜数量、 耕地面积)的贡献率为46.5%，自然因素 (降雨量、大风日数) 的贡献率为24.6%，人为—自然 因素的共同作用对沙漠化的贡献率为14.9%[16] ；Ma et al对民勤地区沙漠化过程中驱动力作 用进行主成分分析时，认为在 1956-2004 年间人类活动是沙漠化的主因，其贡献率占 56.33%，而这一特征在1981-2004年间更加明显，人类活动的贡献率达到66.19%[17] 。 2.2.3 基于无人为干扰与实际情况比较的评价方法 基于无人为干扰与实际情况比较的评 价方法是利用模拟无人为干扰下的沙漠化发展情况与实际沙漠化情况的差异来确定人类活 动的影响，从而间接估计气候变化的影响。国内学者李振山等利用这种研究思路，选取输沙 表1 气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用定量评价方法 Tab. 1 Quantitative methods for assessing the relative role of climate change and human activity in desertification 定量评价 方法类型 研究 区域 关键指标 模型公式/结果 文献出处 陕北 沙区 人口增幅 (X1)、垦殖指数 (X2)、年均 林业产值 (X3)、年均造林面积 (X4)、 沙漠化指数 (Y) Y=1.0437X1-0.2836 Y=-0.036X2+0.6687 Y=0.0008X3-0.2555 Y=0.0275X4-0.2619 徐小玲等, 2005[12] 甘肃 民勤 粮食作物播种面积 (年变率 AGr)、单 位面积羊头数 (年变率 ASh)、单位面 积农村人口 (年变率 APo)等 10个社 会经济指标 牧区荒漠化指数年变率 Rate=0.14+22.9Ash 坝区灌区荒漠化指数年变率 Rate=1.01+1.37AGr 孙丹峰, 2005[13] 基于回归 模型的 评价方法 甘 肃 疏 勒 河 流 域 降雨量、年均风速、大风日数、人口、 耕地面积 与荒漠化面积的相关性分析 (相关系 数 R) R风速 =0.45 R人口 =0.84 R耕地面积 =0.58 章予舒等, 2003[14] 青 海 共 和盆地 降水量、大风日数、农牧业人口、牲 畜总数、耕地面积 人为因素贡献率 46.5%；自然因素贡 献率 24.6% 张登山, 2000[16] 甘 肃 民 勤 农村人口、耕地面积、牲畜数量、大 风日数、降雨量、温度等 14个指标 1956-2004年人类活动贡献率 56.33%； 1981-2004年人类活动贡献率 66.19% Maetal, 2007[17] 基于主成分 分析的 评价方法 海 南 岛 西部 温度、降雨量、风速、牲畜数量、耕 地面积、人口、造林面积等 13个指标 人类活动的贡献率为 41%；气候变化 的贡献率为 23.7% Lietal, 2007[18] 内 蒙 古 奈曼旗 流沙面积 (x)、植被盖度 (y) y=83.57e-0.0378x 1987-1991年自然因素的贡献率为 63.59% 李振山等, 2006[19] South Africa NDVI,NPP,降雨量 Wesselsetal, 2007[21]、 2008[25]； 基于无人为 干扰与实际 情况比较的 评价方法 Sahel NDVI,降雨 Herrmannet al,2005[23] 青 海 贵 南草原 风速 (U),植被盖度 (VC),牲畜践踏 率 (TR),樵采破坏率 (DR),耕地土 壤粗糙度 (Z0),风蚀率 (Q) Q=exp(-4.97334+1.3211TR) 滥牧、滥樵、滥垦对沙漠化发展的贡 献率分别为 54.78%、4.66%和 40.56% 张春来等, 2005[26] 基于公共 指标的 评价方法 全球 NPP LPJ-GDVM 模型 Zikaetal, 2007[31] 70
许端阳等:气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用评价综述 量和生物量这两个指标建立自然因素作用下的沙漠化预测模型,并结合沙漠化实际监测资 料,建立了现代草地沙漠化过程中自然因素贡献率的确定方法,从而也可以间接推算人为因 素在沙漠化中的贡献率。该方法在内蒙古奈曼旗沙漠化驱动力作用评价中的结果表明 1987-1991年自然因素对沙漠化起主导作用,贡献率达到6359%。国外的相关研究则更多 地关注土地退化或荒漠化过程中植被的变化,从而间接分析气候变化和人类活动的相对影 响。 Evans等在沙漠化地区利用不同降雨时期的累积降雨量与最大归一化植被指数 ( Normalized Difference vegetation Index,NDVI)之间的良好的线性关系建立预测方程,用该 方程预测的植被结果就是理论上完全由气候因素(特别是降雨)引起的植被生长变化,而这 个预测值与实际值的偏差(残差),就归因为人类活动引起的植被变化。在此研究思路的 基础上,有相关研究针对南非、叙利亚沙漠化草原以及非洲 Sahel地区的荒漠化过程中的气 候变化和人类活动作用问题做了较为详细的分析P。如 Herrmann等对比分析了非洲 Sahel地区1982-2003年的植被变化的实际情况与基于降雨量预测的情况,认为降雨是这段 时期植被恢复的主要原因,但是从残差的变化趋势也可以判断出人类活动对沙漠化的逆转 和植被的恢复也有一定的贡献門。 224基于公共指标的评价方法基于公共指标的评价方法是将沙漠化过程中各个因子对 沙漠化的影响统一到一个可比的指标上,从而确定其各自的相对作用。国内张春来等以青 海贵南草原沙漠化的驱动因子为研究对象,利用风洞模拟实验和Cs示踪技术,将该地区的 风速变化、植被变化、牲畜践踏(滥牧)、樵采破坏(滥樵)和草地开垦(滥垦)等五个主要影响 子对沙漠化现状及发展的影响用其各自对风蚀速率的影响建立方程,从而确定这五个影 响因子的相对作用,其中滥牧、滥樵、滥垦对沙漠化发展的贡献率分别为54.78%、466%和 40.56%,人类活动是近40年来该地区沙漠化发展的根本原因。在国外的相关研究中,NPP 常作为指标来衡量气候变化和人类活动对生态系统的影响特别是近年来 HANPP( Human Appropriation of Net Primary Production, HANPP)指标和方法多用于衡量人类活动对净初级 生产力的作用,并在沙漠化过程中人类活动作用研究中进行了初步的尝试,如 Zika et al 利用 HANPP方法研究了人类活动引起的沙漠化造成的净初级生产力的减少,以NPP的变 化作为指标衡量人类活动对沙漠化的影响凹。 3气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用评价方法问题分析 3.1定性一半定量评价方法问题分析 随着沙漠化驱动机制研究的日益深入,评价气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对 作用的方法也日趋丰富和成熟。然而作者通过对以往评价方法进行深入分析,发现其中还 存在着一定的问题。气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用的定性一半定量研究在 基于已有驱动因子历年变化数据的基础上虽然充分发挥了专家的综合判断作用,但由于主 观性较强的原因使得不同研究者在使用这类评价方法来研究同一地区沙漠化过程中气候变 化和人类活动的相对作用时所得的结果可能不尽相同;另一方面,当在较大空间尺度下进行 评价时,如针对整个中国北方地区沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作用进行评价时 利用定性一半定量评价方法不仅工作量巨大,而且不同区域的评价结果之间还缺乏可比性。 3.2定量评价方法问题分析 定性一半定量评价方法存在的种种问题使得沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作 用这一科学问题的评价方法必然走向定量研究。然而通过对目前相关定量研究方法进行分 析,发现其中也存在一定的问题。回归模型法多把沙漠化过程及其驱动因子作用看作为简 单的线性关系,然而沙漠化土地生态系统作为陆地生态系统的一部分,其开放性、耗散结构 特征以及对外界响应的非线性特征决定了驱动因子与沙漠化过程之间的关系是不能简单的
1期 许端阳 等：气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用评价综述 量和生物量这两个指标建立自然因素作用下的沙漠化预测模型，并结合沙漠化实际监测资 料，建立了现代草地沙漠化过程中自然因素贡献率的确定方法，从而也可以间接推算人为因 素在沙漠化中的贡献率。该方法在内蒙古奈曼旗沙漠化驱动力作用评价中的结果表明， 1987-1991年自然因素对沙漠化起主导作用，贡献率达到63.59%[19] 。国外的相关研究则更多 地关注土地退化或荒漠化过程中植被的变化，从而间接分析气候变化和人类活动的相对影 响。Evans 等在沙漠化地区利用不同降雨时期的累积降雨量与最大归一化植被指数 (Normalized Difference Vegetation Index, NDVI) 之间的良好的线性关系建立预测方程，用该 方程预测的植被结果就是理论上完全由气候因素 (特别是降雨) 引起的植被生长变化，而这 个预测值与实际值的偏差 (残差)，就归因为人类活动引起的植被变化[20] 。在此研究思路的 基础上，有相关研究针对南非、叙利亚沙漠化草原以及非洲Sahel地区的荒漠化过程中的气 候变化和人类活动作用问题做了较为详细的分析[21-25] 。如 Herrmann 等对比分析了非洲 Sahel地区1982-2003年的植被变化的实际情况与基于降雨量预测的情况，认为降雨是这段 时期植被恢复的主要原因，但是从残差的变化趋势也可以判断出人类活动对沙漠化的逆转 和植被的恢复也有一定的贡献[23] 。 2.2.4 基于公共指标的评价方法 基于公共指标的评价方法是将沙漠化过程中各个因子对 沙漠化的影响统一到一个可比的指标上，从而确定其各自的相对作用。国内张春来等以青 海贵南草原沙漠化的驱动因子为研究对象，利用风洞模拟实验和137Cs示踪技术，将该地区的 风速变化、植被变化、牲畜践踏 (滥牧)、樵采破坏 (滥樵) 和草地开垦 (滥垦) 等五个主要影响 因子对沙漠化现状及发展的影响用其各自对风蚀速率的影响建立方程，从而确定这五个影 响因子的相对作用，其中滥牧、滥樵、滥垦对沙漠化发展的贡献率分别为54.78%、4.66%和 40.56%，人类活动是近40年来该地区沙漠化发展的根本原因[26] 。在国外的相关研究中，NPP 常作为指标来衡量气候变化和人类活动对生态系统的影响，特别是近年来HANPP (Human Appropriation of Net Primary Production, HANPP) 指标和方法多用于衡量人类活动对净初级 生产力的作用[27-30] ，并在沙漠化过程中人类活动作用研究中进行了初步的尝试，如Zika et al 利用HANPP方法研究了人类活动引起的沙漠化造成的净初级生产力的减少，以NPP的变 化作为指标衡量人类活动对沙漠化的影响[31] 。 3 气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用评价方法问题分析 3.1 定性—半定量评价方法问题分析 随着沙漠化驱动机制研究的日益深入，评价气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对 作用的方法也日趋丰富和成熟。然而作者通过对以往评价方法进行深入分析，发现其中还 存在着一定的问题。气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用的定性—半定量研究在 基于已有驱动因子历年变化数据的基础上虽然充分发挥了专家的综合判断作用，但由于主 观性较强的原因使得不同研究者在使用这类评价方法来研究同一地区沙漠化过程中气候变 化和人类活动的相对作用时所得的结果可能不尽相同；另一方面，当在较大空间尺度下进行 评价时，如针对整个中国北方地区沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作用进行评价时， 利用定性—半定量评价方法不仅工作量巨大，而且不同区域的评价结果之间还缺乏可比性。 3.2 定量评价方法问题分析 定性—半定量评价方法存在的种种问题使得沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作 用这一科学问题的评价方法必然走向定量研究。然而通过对目前相关定量研究方法进行分 析，发现其中也存在一定的问题。回归模型法多把沙漠化过程及其驱动因子作用看作为简 单的线性关系，然而沙漠化土地生态系统作为陆地生态系统的一部分，其开放性、耗散结构 特征以及对外界响应的非线性特征决定了驱动因子与沙漠化过程之间的关系是不能简单的 71
地理学报 66卷 用线性回归模型模拟的。与此同时,在这些利用线性回归模型的研究中,作为因变量的沙漠 化变化数据往往是针对研究区的整体沙漠化变化特征,而不能评价空间上的沙漠化发生发 展及其驱动因子作用的差异,因此很难准确地描述沙漠化驱动过程。对于主成分分析或因 子分析法,虽然其有坚实的数学基础,但是在其模型中只对驱动因子进行分析,而沙漠化变 化数据作为一个重要变量却没有在这一方法中参与模型的运算。同时,该方法同样把区域 作为整体来研究,而不考虑区域内部沙漠化过程的空间差异,而且在用模型系数解释实际生 态问题上存在较大的人为影响。 第三种和第四种定量评价方法为研究沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作用提供 了新的研究思路,然而其各自的方法尚都不完善,急需进行改进。李振山等虽然在区分自 然、人文因素对沙漠化影响的基础上确定了其各自的贡献率,但未能将贡献率在空间上进行 表达,忽略了驱动力作用的空间差异。这种问题也同样存在于第一和第二种方法。王涛认 为,提取和建立沙漠化过程响应气候变化和人为干扰的判据指标与量化方法,是解决评价驱 动力作用的关键。只有将气候变化和人类活动对沙漠化的影响统一到一个可比的层面,才 能实现其相对作用的定量研究。第四种方法虽做了一些尝试,如张春来等的研究,但是该 研究采用的风洞模拟实验和"Cs示踪技术很难在较大的空间尺度下应用,而且可重复性不 强;同时,该研究所用的一些因子的数据也是基于区域的平均水平,因此研究结果只反映区 域的整体状况,未能在连续的空间域上对驱动力的相对作用进行硏究和表达,忽略了驱动力 作用在区域内部空间上的差异。通过以上分析,气候变化和人类活动在沙漠化过程中的相 对作用如何在连续的空间域上进行评价和表达成为其研究方法需要突破的重要瓶颈。 4气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用的评价思路 4.1评价的基本思路 通过对目前气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用评价研究方法的梳理及对其 中存在的问题进行分析,笔者认为必须以定量评价为基本思路,通过拆分“驱动力作用一沙 漠化土地动态响应”这一生态过程的基本模式,在综合提升第三、第四种定量评价方法的基 础上,从以下三个方面入手来建立沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作用的定量评价 方法:①以一定时期内沙漠化动态为基础,反推气候变化和人类活动在此过程中的相对作 用;②选取一种可以衡量气候变化和人类活动相对作用且可以通过遥感定量反演(以使评 价方法能够适用于较大空间范围,并且使评价结果可以在空间上进行连续表达)的公共指 标;③建立该时期内沙漠化动态与衡量气候变化和人类活动相对作用的指标的变化趋势之 间的关系,并以此为基础进行定量评价。在以上三点中,第一点表示了评价方法的基本流 程,第二、三点是建立评价方法的关键与重点,即选取公共指标和建立沙漠化动态与气候变 化和人类活动综合作用之间的关系。 4.2公共指标的选取 公共指标的选取是建立评价方法的关键,需要综合考虑以下几个方面:①该指标能够 指示沙漠化动态,是沙漠化变化过程中的核心指标,具有明确的生态意义;②该指标不仅能 够反映气候变化的相对作用,也能够反映人类活动的相对作用,即利用该指标能将气候变化 和人类活动统一到一个可比的层面上;③该指标能够通过遥感进行定量反演,进而实现空 间上的连续表达并与沙漠化动态信息相对应。综合以上几点,结合以往的相关研究,笔 者认为净初级生产力(NPP)可以作为衡量气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用的 公共指标。首先,NPP作为沙漠化土地生态系统的核心指标,能综合反映气候变化和人类活 动对沙漠化的影响;其次,可以通过潜在NPP(无人为干扰的、只有气候作用的NPP)与实际 NPP之间的差值来衡量以土地利用方式和强度变化为主要特征的人类活动造成的NPP降
地 理 学 报 66卷 用线性回归模型模拟的。与此同时，在这些利用线性回归模型的研究中，作为因变量的沙漠 化变化数据往往是针对研究区的整体沙漠化变化特征，而不能评价空间上的沙漠化发生发 展及其驱动因子作用的差异，因此很难准确地描述沙漠化驱动过程。对于主成分分析或因 子分析法，虽然其有坚实的数学基础，但是在其模型中只对驱动因子进行分析，而沙漠化变 化数据作为一个重要变量却没有在这一方法中参与模型的运算。同时，该方法同样把区域 作为整体来研究，而不考虑区域内部沙漠化过程的空间差异，而且在用模型系数解释实际生 态问题上存在较大的人为影响。 第三种和第四种定量评价方法为研究沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作用提供 了新的研究思路，然而其各自的方法尚都不完善，急需进行改进。李振山等虽然在区分自 然、人文因素对沙漠化影响的基础上确定了其各自的贡献率，但未能将贡献率在空间上进行 表达，忽略了驱动力作用的空间差异。这种问题也同样存在于第一和第二种方法。王涛认 为，提取和建立沙漠化过程响应气候变化和人为干扰的判据指标与量化方法，是解决评价驱 动力作用的关键。只有将气候变化和人类活动对沙漠化的影响统一到一个可比的层面，才 能实现其相对作用的定量研究[4] 。第四种方法虽做了一些尝试，如张春来等的研究，但是该 研究采用的风洞模拟实验和137Cs示踪技术很难在较大的空间尺度下应用，而且可重复性不 强；同时，该研究所用的一些因子的数据也是基于区域的平均水平，因此研究结果只反映区 域的整体状况，未能在连续的空间域上对驱动力的相对作用进行研究和表达，忽略了驱动力 作用在区域内部空间上的差异。通过以上分析，气候变化和人类活动在沙漠化过程中的相 对作用如何在连续的空间域上进行评价和表达成为其研究方法需要突破的重要瓶颈。 4 气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用的评价思路 4.1 评价的基本思路 通过对目前气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用评价研究方法的梳理及对其 中存在的问题进行分析，笔者认为必须以定量评价为基本思路，通过拆分“驱动力作用—沙 漠化土地动态响应”这一生态过程的基本模式，在综合提升第三、第四种定量评价方法的基 础上，从以下三个方面入手来建立沙漠化过程中气候变化和人类活动相对作用的定量评价 方法：① 以一定时期内沙漠化动态为基础，反推气候变化和人类活动在此过程中的相对作 用；② 选取一种可以衡量气候变化和人类活动相对作用且可以通过遥感定量反演 (以使评 价方法能够适用于较大空间范围，并且使评价结果可以在空间上进行连续表达) 的公共指 标；③ 建立该时期内沙漠化动态与衡量气候变化和人类活动相对作用的指标的变化趋势之 间的关系，并以此为基础进行定量评价。在以上三点中，第一点表示了评价方法的基本流 程，第二、三点是建立评价方法的关键与重点，即选取公共指标和建立沙漠化动态与气候变 化和人类活动综合作用之间的关系。 4.2 公共指标的选取 公共指标的选取是建立评价方法的关键，需要综合考虑以下几个方面：① 该指标能够 指示沙漠化动态，是沙漠化变化过程中的核心指标，具有明确的生态意义；② 该指标不仅能 够反映气候变化的相对作用，也能够反映人类活动的相对作用，即利用该指标能将气候变化 和人类活动统一到一个可比的层面上；③ 该指标能够通过遥感进行定量反演，进而实现空 间上的连续表达并与沙漠化动态信息相对应。综合以上几点，结合以往的相关研究[9, 25, 32] ，笔 者认为净初级生产力 (NPP) 可以作为衡量气候变化和人类活动在沙漠化过程中相对作用的 公共指标。首先，NPP作为沙漠化土地生态系统的核心指标，能综合反映气候变化和人类活 动对沙漠化的影响；其次，可以通过潜在NPP (无人为干扰的、只有气候作用的NPP)与实际 NPP之间的差值来衡量以土地利用方式和强度变化为主要特征的人类活动造成的NPP降 72