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  中国水土保持科学   2024, Vol. 22 Issue (3): 93-99.  DOI: 10.16843/j.sswc.2022002
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引用本文 

王军川, 逄红, 王瑞霞, 马国栋, 靳磊, 张萍. 基于GEE和Canoco的沙丘移动速率及其内外控制因子贡献率分析[J]. 中国水土保持科学, 2024, 22(3): 93-99. DOI: 10.16843/j.sswc.2022002.
WANG Junchuan, PANG Hong, WANG Ruixia, MA Guodong, JIN Lei, ZHANG Ping. Analysis of dune movement rate and contribution rates of internal and external factors based on Google Earth Engine and Canoco[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2024, 22(3): 93-99. DOI: 10.16843/j.sswc.2022002.

项目名称

国家自然科学基金“灌丛沙丘衰亡的地貌- 生态过程研究”(42071015)

第一作者简介

王军川(1993—), 男, 硕士研究生。主要研究方向：水土保持与荒漠化防治。E-mail：wjc093716@163.com

通信作者简介

张萍(1981—)，女，博士，教授。主要研究方向：水土保持与荒漠化防治。E-mail：zp2009@mail.bnu.edu.cn

文章历史

收稿日期：2022-01-05
修回日期：2022-08-30
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
基于GEE和Canoco的沙丘移动速率及其内外控制因子贡献率分析
王军川 1,2, 逄红 3, 王瑞霞 4, 马国栋 4, 靳磊 1, 张萍 1     
1. 宁夏大学林业与草业学院，750021，银川;
2. 海原县自然资源局，755200，宁夏海原;
3. 内蒙古自治区水利科学研究院，010050，呼和浩特;
4. 宁夏灵武白芨滩国家级自然保护区管理局，751400，宁夏灵武
收稿日期：2022-01-05; 修回日期：2022-08-30
项目名称：国家自然科学基金“灌丛沙丘衰亡的地貌- 生态过程研究”(42071015)
第一作者简介：王军川(1993—), 男, 硕士研究生。主要研究方向：水土保持与荒漠化防治。E-mail：wjc093716@163.com
通信作者简介：张萍(1981—)，女，博士，教授。主要研究方向：水土保持与荒漠化防治。E-mail：zp2009@mail.bnu.edu.cn
摘要：环境因子控制沙丘移动速率的研究多集中于定性分析和一对一定量分析层面。基于高分辨率遥感影像分析2008—2021年间宁夏白芨滩流动沙丘在7个时段的移动速率，利用GEE获取研究区各时段的多个环境因子数值，再采用Canoco的冗余分析揭示各环境因子对沙丘移动速率的贡献率。结果表明：1)2008—2021年间，流动沙丘脊线数逐步减少而脊线平均长度递增，沙丘在移动中发生合并，沙丘移动速率分5个阶段稳步下降，每个阶段的降速在0.22~0.28 m/a间，13 a间共下降约1 m/a；2)内控因子沙丘高度和宽度与移动速率均呈极显著线性负相关关系，缺陷密度与其呈极显著线性正相关关系(P＜0.01)；外控因子合成输沙势(RDP)、植被覆盖度、累积降水量、平均地温(LST)、平均气温对沙丘移动的贡献率分别为78.7%、6.7%、3.9%、2.7%和2.6%，RDP是控制白芨滩流动沙丘近13年来移动速率的主要外因，但对比2个时段发现季节性冻结期内LST是控制沙丘移动的另一关键因子。
关键词：沙丘移动    合成输沙势    环境因子    贡献率    
Analysis of dune movement rate and contribution rates of internal and external factors based on Google Earth Engine and Canoco
WANG Junchuan 1,2, PANG Hong 3, WANG Ruixia 4, MA Guodong 4, JIN Lei 1, ZHANG Ping 1     
1. College of Forestry and Prataculture, Ningxia University, 750021, Yinchuan, China;
2. Haiyuan Natural Resources Bureau, 755200, Haiyuan, Ningxia, China;
3. Inner Mongolia Water Conservancy Research Institute, 010050, Hohhot, China;
4. Ningxia Lingwu Baijitan National Nature Reserve Administration, 751400, Lingwu, Ningxia, China
Abstract: [Background] Ningxia Lingwu Baijitan National Nature Reserve (NLBNNR) is adjacent to the east coast of the middle and upper Yellow River in China, and the minimum distance from the Yellow River to it is only 5 km, while there are a large number of moving dunes in the Nature Reserve. Accurate analysis of the moving rate and its control factors of the dunes in Baijitan has a guiding role in the management measures to reduce the amount of quicksand into the Yellow River. However, the current qualitative analysis and one-to-one quantitative analysis methods limit the accurate determination of the control factors of dune moving. [Methods] Three sample plots with triangular distribution and an area of 300 m×300 m were selected in the moving sandy land in Baijitan National Nature Reserve. Based on high-resolution remote sensing images, the geomorphological characteristic parameters and dune morphology parameters, and the moving rate of dunes in eight periods from 2008 to 2021 were analyzed. Based on Google Earth Engine(GEE), several environmental factors(resultant drift potential(RDP), fraction vegetation cover(FVC)、accumulation precipitation, average land surface temperature(LST), average air temperature) value in each period of the study area were obtained, and then redundancy analysis(RDA) was used to reveal the contribution rate of each environmental factor to the moving rate of dunes. [Results] From 2008 to 2021, the ridge-line number of mobile dune gradually decreased, whereas the average length of ridge-line increased, which implied the dunes merged during the movement in NLBNNR. The moving rates of dunes steadily decreased in five stages, with 5.62 m/a in the first stage and 4.64 m/a in the last stage. The decreasing rate in each stage was 0.22 m/a to 0.28 m/a, with a total decrease of about 1 m/a in 13 a. The control factors of the moving rate of dunes were divided into internal factors and external factors. The height, width and defect density of the dunes were the internal control factors. The height and width of the dunes had extremely significant linear negative correlation with the moving rate, and the defect density was significant positively correlated with the moving rate (P < 0.01). The contribution rates of RDP, FVC, cumulative precipitation, average LST and average air temperature to dune movement were 78.7%, 6.7%, 3.9%, 2.7% and 2.6%, respectively, indicating that only RDP was the external control factor of dune movement. [Conclusions] The number of moving dunes decreased, while the volume of single dune increased, and the moving rate of dunes dropped in five steps from 2008 to 2021 in the Nature Reserve. The main external factor controlling the moving rate of dunes was RDP in Baijitan in the past 13 years, but LST was found to be another key factor controlling dune moving during the seasonal freezing period.
Keywords: dune movement    resultant drift potential    environmental factors    contribution rate    

沙丘移动是风沙活动的主要表现形式，也是判断当地生态环境改善与否的重要指标[1]。有关沙丘移动[2-7]、沙丘形态变化[8-11]和沙丘演变的影响因素[1-3, 11-13]研究，均揭示沙丘动态变化是一种多因素主导下的复杂地貌演变过程。影响沙丘移动的因素有沙丘自身的内在因素和外部环境的外在因素。内在因素包括沙丘高度、宽度、底面积、体积、沙粒机械组成、沙粒含水量等，特别是沙丘移动速率和沙丘高度呈明显负相关关系[5, 14]。沙丘外在因素主要指风、气温、降水量、植被等。众多学者认为沙丘移动速率密切依赖于风速大小[5-6, 14-16]，通过野外观测、遥感影像监测等手段证实风在沙丘移动和沙丘形态演变过程中均扮演至关重要的角色[6, 15-17]；植被覆盖度(fractional vegetation coverage, FVC)是影响沙丘移动的又一关键因素[1, 12-13, 18]，相关研究[12]均证明FVC越高，沙丘移动速度越小；移动速率还受气温影响，气温升高会导致沙粒干燥度增加，从而导致沙丘移动速率增大；降水量通过影响沙粒的黏聚性以及团聚能力从而控制沙丘移动[14]；此外，地表温度也是一个季节性影响因子，在冬季地温降至0 ℃以下，沙丘上部湿沙层冻结，可影响地表流沙的可蚀性从而降低风蚀[19]，由此影响沙丘的移动和形态演变。

综上，沙丘移动是多因素作用结果，某一时段内各因子的同时作用最终决定该时段沙丘的移动速率，但以往欠缺系统分析各影响因子对特定时段内沙丘移动的贡献率，从而难以判断沙丘移动的关键控制因子。鉴于此，笔者选择灵武市白芨滩国家级自然保护区流动和半固定沙丘，应用高分辨率遥感影像计算多年间沙丘的移动速率，利用软件Canoco 5.0定量分析该区域各环境因素对沙丘移动速度的贡献率，以期为今后深入认识外界环境因子对沙丘移动的作用以及荒漠化防治工作提供理论依据和科学指导。

1 研究区概况

白芨滩国家级自然保护区地处毛乌素沙地西南部的宁夏灵武市境内(图 1)，2000年4月被国务院确定为国家级自然保护区(E 106°20′22″~106°37′19″, N 37°49′05″~38°20′54″)，平均海拔1 200 m以上，总面积748.43 km2[20]。

图 1 研究区示意图 Fig. 1 Location of the study area

白芨滩自然保护区属大陆性季风气候，主导风向冬季为西北风，夏季为东南风，气候特点四季分明、春迟秋早、干旱少雨、蒸发量大、温差较大、日照充足、风沙天气较多，多年平均气温10.40 ℃，多年年均降水量200 mm左右，全年日照时间3 011 h[20]，多年平均蒸发量近2 000 mm，多年年均风速2.5 m/s。

研究区位于自然保护区中部，面积270 km2。区域内沙丘广泛分布，沙丘类型主要为新月形沙丘链或格状沙丘，地貌景观以自然的流动沙丘和人工种植柠条等固沙灌木后形成的固定半固定沙丘交错构成。生长的植被为多年人工治沙直接或间接成果，常见的有柠条(Caragana korshinskii)、沙芥(Pugionium cornutum)、沙米(Agriophyllum squarrosum)、花棒(Corethrodendron scoparium)、沙拐枣(Calligonum mongolicum)等。

2 数据与方法

笔者测量沙丘移动速率的遥感影像来自于软件91卫图助手，8期影像的拍摄时间见表 1，所有影像的空间分辨率均为0.47 m。各时段的植被盖度、平均气温、平均地温、累积降水量数据均来自谷歌地球引擎(Google Earth Engine，GEE)，其中FVC利用像元二分模型计算获取[20]。风况数据来源于美国国家气候数据中心，下载灵武气象站的风速和风向数据用于计算输沙势。

表 1 沙丘地貌格局参数的变化 Tab. 1 Variation of landscape pattern parameters of dunes
2.1 沙丘地貌格局参数和沙丘形态特征参数的获取

选取白芨滩自然保护区内3个呈倒三角分布的沙丘地为样地(图 1)，每个样地面积300 m×300 m。沙丘地貌格局特征参数有沙丘个数、脊线总长、脊线平均长度、沙丘间距以及缺陷密度[21]。笔者利用ArcGIS对8期影像上的沙脊线等进行矢量化，再统计计算出各时段沙丘地貌格局的特征参数值。

单个沙丘的形态特征参数用长度、宽度和高度表示[17]。同样用ArcGIS提取8期影像上沙丘的长度和宽度。沙丘高度用沙丘背风坡长度与休止角取32°时的正切值乘积来计算[22]。

2.2 合成输沙势及沙丘移动距离(速率)的计算

采用下载的风况数据计算合成输沙势(resultant drift potential，RDP)和合成输沙方向(resultant drift direction，RDD)，计算输沙势的临界起沙风速设为6 m/s[23]。

每个样地内用五点法取5个沙丘，3个样地共选取15个沙丘。同一沙丘在2期影像的沙脊线发生偏移，偏移距离代表沙丘移动距离。在2期影像各自的沙脊线上分别选取10个测点并连线形成测距线，测距线与影像间隔时段内的RDD平行，每个样地内50条测距线的平均长度代表该样地沙丘的平均移动距离d。沙丘移动速率：

$ v=\frac{\sum\limits_{i=1}^{10} d_i}{50 t} 。$

式中：v为沙丘移动速率，m/a；di为测距线长度，m；i=1，2，…，10；t为影像间隔时间，a。

2.3 冗余分析计算贡献率

采用软件Canoco 5.0，对选取的自变量RDP、平均气温、平均LST、累积降水量、FVC，和对应的因变量沙丘移动速率，通过RDA获取各环境因素对沙丘移动速率的贡献率。

3 结果与分析 3.1 沙丘地貌格局的变化特征

如表 1所示，自2008年1月至2021年1月，研究区内沙丘脊线数量由2008年的192条减少到2021年的101条，减少47.4%；沙脊线平均长度呈递增趋势，2021年是2008年的1.7倍，13 a间增长25.7 m。即研究区2008—2021年的沙丘地貌格局变化表现为沙丘合并，沙丘数量减少但单个沙丘体量增大。

3.2 沙丘移动速率的变化特征

沙丘移动速率整体上呈减小趋势，自2008至2021年各时段的移动速率呈极显著的线性递减(P＜0.01)(表 2)。依据移动速率大小相近原则，可划分为5个阶段，每个相邻阶段的移动速率相差0.22~0.28 m/a，呈阶梯式稳步下降趋势。第Ⅰ至第Ⅴ阶段的沙丘移动速率依次为：5.62、5.34、5.12、4.86和4.64 m/a。

表 2 各时段沙丘移动速率 Tab. 2 Moving rates of dunes in each period
3.3 沙丘移动速率与其内外控制因子的拟合关系

沙丘自身形态影响沙丘移动，笔者通过测量2020年1月影像上15个沙丘的宽度、背风坡长度、高度及2020-1-11—2021-1-11间沙丘的移动速率并进行拟合分析，发现沙丘移动速率与沙丘宽度、高度均有极显著的线性负相关关系(P＜0.01)，表明高度和宽度是控制沙丘移动速率的重要内因(图 2)。

图 2 沙丘移动速率与宽度、高度的关系 Fig. 2 Correlation between dune moving rate and width, height

对沙丘缺陷密度和移动速率进行拟合分析(图 3)，发现两者间存在极显著的线性正相关关系(P＜0.01)，即沙丘缺陷密度越大，沙丘移动速率越快；而各时段的RDP与沙丘移动速率也存在极显著的线性正相关关系(P＜0.01)，即RDP是控制沙丘移动的主要外因(图 4)。

图 3 沙丘移动速率与缺陷密度的关系 Fig. 3 Correlation between defect density and moving rate of dunes
RDP: Resultant drift potential. The same below. 图 4 沙丘移动速率与合成输沙势的关系 Fig. 4 Correlation between RDP and moving rate of a dune
3.4 各环境因子对沙丘移动的贡献率

各环境因子对沙丘移动速率的解释度由大到小依次为RDP(78.7%)、FVC、累积降水量、平均地温、平均气温。其中，RDP的P值在0.006水平上，表明其对沙丘移动速率的影响极显著，其余4个因素均未达到显著水平(表 3)。

表 3 各环境因子对沙丘移动速率的贡献 Tab. 3 Contributions of various environmental factors to the moving rate of dunes
4 讨论 4.1 各环境因子对沙丘移动的控制效应分析

本研究印证风是决定沙丘移动速度的主要因子[5-6, 14-16]，而其他几个环境因子的贡献率不高。以往研究表明植被通过增加地表粗糙度，削弱近地表层风速，迫使沙丘移动减慢或终止[1]，但本研究的植被贡献率仅为6.7%，此低贡献率可能与FVC整体偏低有关。沙丘地可依据FVC大小划分为：流动沙丘地(0＜FVC＜5%)、半流动沙丘地(6%＜FVC＜20%)、半固定沙丘地(21%＜FVC＜50%)、固定沙丘地(51%＜FVC＜1)[13]。根据以上划分方法，本研究区整体处于半流动沙丘类型(仅有2个时段的FVC略高于20%)，且样地内植被分布不均，＜5%的流动沙丘面积所占比例＞40%，因此FVC的贡献率较低。

沙丘表层土壤水分含量越高，其抗风蚀能力越强[14]。降水后沙丘沙的渗透性极强，且沙丘表面蒸发量大，因此降水对沙丘表面可蚀性的增强作用主要发挥在降水后的几天内；降雨也通过增加土壤含水量促进植物生长间接降低沙丘的移动，但由于本研究区样地内FVC偏低甚至无植被，所以降水通过植被影响沙丘移动的作用可忽略，由此解释2008—2021年间研究区降水量对沙丘移动速率的影响极小。

4.2 沙丘的地温—水分—抗蚀—移动四者间的联动关系

本研究中2015-7-31—2019-10-30和2019-10-31—2020-1-11这2个时段，后一时段的RDP远大于前一时间段(21.25 UV>9.29 UV)，则沙丘移动速率应大于前一时段。但因白芨滩自然保护区沙丘地的冻结期为11月中旬至翌年3月上旬[19]，后一时段的地温大部分时间都在0 ℃以下，致使沙丘地表的土壤水变为固态，且地温可通过影响土壤水分含量和土壤水分状态(液态或固态)控制沙丘表面的可蚀性[24]，沙丘表面冻结后其易蚀沙源量大大减少[25]，因此即使后一时段RDP较高，其沙丘移动速率仍与前一时段的基本相同(相差5 cm/a)。综上，沙丘的地温—水分—抗蚀—移动四者间为层层递进式的控制，地温长时段在0 ℃以下时，即季节性冻结期内地温可能是沙丘移动速率的另一关键决定因子。

5 结论

1) 2008—2021年间，宁夏灵武市白芨滩自然保护区流动沙地沙丘脊线总长度逐步减少，沙丘脊线平均长度随脊线数的减少而增大，表明沙丘在多年移动过程中发生了合并。

2) 沙丘平均移动速率随沙丘的合并逐渐减慢，由2008年的5.62 m/a降至2021年的4.64 m/a。

3) 沙丘高度、宽度和沙丘缺陷密度是影响沙丘移动速率的内因，沙丘高度宽度与移动速率均呈极显著的线性负相关关系，而缺陷密度与之呈极显著的线性正相关关系(P＜0.01)。

4) 基于Canoco的分析表明RDP是唯一对白芨滩流动沙丘移动有显著控制作用的外因，贡献率达78.7%。但在季节性冻结期内，地温可能是影响沙丘移动速率的另一关键外因。

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