干旱区内陆河流域典型灌区土地利用变化与耗水量研究

汪 洋，安沙舟

(新疆农业大学草业与环境科学学院/新疆草地资源与生态重点实验室，乌鲁木齐　830052)

0　引 言

【研究意义】阿克苏河流域深处欧亚大陆腹地，气候干旱，沙漠与绿洲共存，是中国天山南坡水量最大的河流，也是目前塔里木河最大的水量补给来源，占塔里木河干流补给量的70%～80%[1,2]。在过去的半个多世纪，阿克苏河灌区土地利用变化主要表现在开垦荒地和扩大绿洲过程中。水土资源的开发和绿洲面积的不断扩大，加大了水资源压力，流域内水问题日趋突出，水资源开发过程中的生态与经济的矛盾日益尖锐，并已严重阻碍了流域社会经济与生态环境的健康发展。灌区水资源合理配置不仅是流域发展面临的问题，也是国家塔河综合规划和新时期丝绸之路生态建设亟待解决的问题，对西部干旱区绿洲的环境演变和可持续发展研究具有现实意义。【前人研究进展】土地利用变化作为当今全球变化研究的核心内容之一，不仅可以反映人类活动造成的影响和程度，同时也对水循环过程有着重要影响[3,4]。在流域尺度上，土地利用/覆被变化主要包括植被变化、农业开发活动以及道路建设、城镇化等[5-7]，也是导致流域水资源供需关系变化的主要原因[8]，同时也是影响流域社会经济发展与生态安全的重要因素。Harding等[9,10]在土地利用变化背景下研究了北美地区灌溉对水量平衡的影响，发现灌溉引起的降水远小于灌溉导致的蒸发。而在中国西北最大内陆河流域塔里木河流域，蒸散发在气候变化和农业灌溉的双重作用下不同季节差异很大，径流的散失和消耗也在绿洲水文过程扮演者重要角色[11-13]。【本研究切入点】目前针对流域灌区土地利用与耗水量关系研究较少，径流的消耗只是定性地认为是人类灌溉活动的影响[14,15]，对土地利用变化的分析以及这种变化下与耗水量关系研究是制定有效节水政策和水资源合理配置的基础[16-17]。【拟解决的关键问题】结合2000～2014年TM遥感资料和社会经济数据，对阿克苏河流域灌区土地类型进行解译，从土地利用视角探讨灌区内土地利用变化与耗水量之间的关系，并分析灌区农业用水增加土壤含水量变化与灌区内浅根系植被死亡，中、低覆盖草地面积退化问题，为干旱区水土资源的开发利用和生态建设提供科学依据。

1　材料与方法

1.1材 料

1.1.1研究区概况

阿克苏河流域位于欧亚大陆深处，是塔里木河的主要源流之一，气候干燥，蒸发量大，降水稀少，气候变化剧烈。阿克苏河流域灌区是我国西北干旱区内陆河流域典型的荒漠区大型人工绿洲，位于塔里木盆地北缘阿克苏至阿拉尔一带，行政区域上属于阿克苏市、乌什县、温宿县、阿瓦提县和阿拉尔市，光热资源丰富，年均降水量44.7 mm，灌区经济以农业为主。阿克苏河流域由五大灌区组成，即：塔里木河灌区、库玛拉克河灌区、托什干河乌什灌区、托什干河温宿灌区和阿克苏河灌区。图1

图1阿克苏河流域示意
Fig.1Sketch map of the Aksu River basin

1.1.2数据来源

(1)遥感数据来源于美国地质调查局网站(http://earthexplorer.usgs.gov/)，选取的是2000年和2014年覆盖阿克苏河流域的Landsat TM遥感影像，结合阿克苏河流域植被特点，选取成像时间为8至9月的遥感影像(空间分辨率为30 m)，在图像获取上尽量达到一致；(2)属性数据源于《新疆辉煌50年》、《阿克苏统计年鉴》以及《新疆统计年鉴》(2000～2014)；(3)土壤含水量数据三是利用遥感技术和全球陆面数据同化系统(GLDAS)，结合气温、气压、湿度和风速的融合，运用驱动CLM3.5模式进行计算，得到0～10 cm、10～40 cm、40～100 cm、100～200 cm四层土层的含水量数据。

1.2方 法

1.2.1土地利用动态度

该指标反映了某一土地类型在一定时间序列下的变化情况，并在一定程度上能够预测未来土地利用变化趋势[18,19]。其表达式为：

(1)

式中：K为某一地类在研究时段内的动态度，Ua、Ub分别表示研究时段起始与末尾时段某一地类的数量；T表示研究时间长度，当T为某一年时段时，K表示该年份某一土地类型的年变化率。

1.2.2土地利用程度综合指数

该指数可以反映某一区域内土地利用程度变化趋势，对土地利用程度的深度进行定量化描述。通常将土地利用类型分为4级，结合实际情况对6种地类分别赋值。其表达式为：

(2)

式中：L为土地利用程度综合指数；Ai为区域内第i级土地利用程度分级指数；Pi为区域内第i种土地类型所占比例，n为土地利用程度分级数。土地利用分级指数如下表[20]。表1

表1土地利用类型分级指数
Table1Land-use type and land-use grades

未利用地Unusedland林地、草地、水体Forestland、Grassland、Waterbody农耕用地Cultivatedland建筑用地Constructionland指数Index1234

1.2.3土地利用结构信息熵与均衡度

信息熵在物理学中作为某一系统复杂性和均衡性的测量[21]。熵值越高，系统有序程度越低，越不稳定。土地利用结构信息熵(H)可以充分反映一定时期各种土地类型的有序程度。表达式为：

(3)

在不同的土地利用分类体系下计算出来的信息熵并不具备严格的可比性，因此引入均衡度进行对比。土地利用结构均衡度是在信息熵函数基础上构建的反映土地利用结构均衡性的量值。

(4)

式中：E代表土地利用结构均衡度，E∈[0，1]，E值越大，均衡性越强。m表示土地利用类型数量、Pi表示第i类土地利用类型的面积比例。

1.2.4精度验证

采用混淆矩阵法对遥感解译精度进行验证。研究中以阿克苏河流域灌区为基础，于8～9月在野外使用GPS提取180个随机点来验证混淆矩阵，包括耕地、草地、林地、水体、未利用地和建设用地；通过野外实地调研以及Google Earth影像的对比结果，对所有土地类型进行逐一检验。结果表明，阿克苏河流域灌区耕地的分类精度达89.6%，草地分类精度为88.3%，建设用地和水域的分类精度分别达91.4%和90.7%，未利用地精度达85.2%，林地为87.3%，Kappa系数为0.86，符合研究要求。

2　结果与分析

2.1阿克苏河灌区土地利用/覆被变化

2.1.1土地利用/覆被变化遥感解译

研究表明，2000年与2014年相比，阿克苏河流域灌区土地利用变化十分显著。其中，耕地、林地及建筑用地面积变化最为明显，都呈现出扩张趋势，而草地面积逐渐退化，尤其是中、低覆盖草地面积下降幅度最大，水体和未利用地面积也出现大幅下降。过去15 a中，灌区耕地面积以159.8 km2/年的速度增加，阿克苏河流域五大灌区耕地面积分别表现出不同程度扩张，以塔里木河灌区变化最为明显，15 a来耕地面积增加71.6%，以66.1 km2/年的速度增长；托什干河乌什灌区次之，耕地面积扩张55.25%，平均每年增长18.7 km2；托什干河温宿灌区增幅最小，2014年比2000年耕地面积仅增加了25.53%，平均每年增长4.62 km2。2000～2014年阿克苏河流域灌区林地面积共增长171.53 km2，增长率达60.1%，主要分布于阿克苏河灌区；此外，建筑用地面积增加了181.58 km2，增幅最快的在塔里木河灌区，达到165%；未利用地面积有所减少，减幅为50.53%；另外随着耕地面积的大幅扩张，对水资源的不合理利用导致水体面积减少50.4%；中、低覆盖草地面积主要转化为耕地，中覆盖草地的减少主要集中在托什干河乌什灌区，减少115.5 km2；而阿克苏河灌区低覆盖草地减少最为明显，平均每年减少22.8 km2。图2

图22000～2014年阿克苏河流域灌区土地利用/覆被变化
Fig.2Land use/cover change in the irrigation land in Aksu River basin in 2000-2014

2.1.2土地利用动态度

在过去的15 a间(2000～2014年)，耕地、高覆盖草地、林地及居工用地土地利用扩张趋势明显，动态度分别为7%、18.25%、9.02%和12.04%；中覆盖草地(-3.55%)、低覆盖草地(-4.83%)、灌木(-12.55%)、水体(-5.03%)及未利用地(-5.04%)动态度出现负值，这反映2000年以来这些土地类型都呈现不同程度的减少趋势。其中，耕地扩张最为显著，近15 a增加了2 316.67 km2，且在各大灌区都表现为明显增加趋势；各灌区随着农牧业与种植业的快速发展，大量草地及未利用地被开垦为耕地。其中，低覆盖草地和中覆盖草地面积分别减少明显，分别为612.76 km2和171.08 km2。水体面积减少了239.66 km2。同时，随着城市化建设的进行，灌区内居工用地扩张了181.58 km2。表2

表22000～2014年阿克苏河灌区土地利用动态度
Table2Land use dynamic index of Aksu River basin during 2000-2014

耕地Cultivatedland(km2)低覆盖草地Lowvegetationcovergrassland(km2)中覆盖草地Lowvegetationcovergrassland(km2)高覆盖草地Highvegetationcovergrassland(km2)灌木Shrub(km2)林地Forestland建筑用地Constructionland水体Waterbody未利用地Unusedland20004967 091902 45723 00765 33141 27285 32226 16714 933205 1620147283 751289 69551 92125 06311 27456 86407 74475 272129 16Ua-Ub2316 67-612 76-171 08-640 26169 99171 53181 58-239 66-1076K(%)7-4 83-3 55-12 5518 259 0212 04-5 03-5 04

2.1.3灌区稳定性

根据2000和2014年研究区2期土地类型数据，结合信息熵(公式3)和均衡度(公式4)对阿克苏河灌区稳定性进行计算。结果显示，过去15年间土地利用信息熵整体呈下降趋势，由2000年的1.69下降至2014年的1.47，这某种程度上反映这一时期研究区土地利用系统逐渐趋向于有序化，耕地和中、低覆草地面积的变化是影响这一结果的主要因素。而均衡度的变化趋势也呈现出下降状态，由2000年的0.77下降到2014年的0.67，15 a间减少为14.9%，充分说明这一时期阿克苏河流域灌区土地利用结构的不均衡程度逐渐加大，各土地类型之间的面积分布均衡性有所下降。阿克苏河流域灌区耕地面积扩大的同时，林果业和生态经济林等行业得到了有效扩充，这也提升了土地生产力，表现出整个灌区区域相对稳定，但土地利用结构的均衡性日益减弱。

2.2耕地扩张造成的灌溉用水量增加

近15 a阿克苏河流域灌区水资源消耗变化波动明显，但总体呈上升趋势。多年来库玛拉克河灌区和托什干河温宿灌区灌溉用水始终处于上升态势，阿克苏河灌区、塔里木河灌区和托什干河乌什灌区灌溉用水量在2005年出现小幅下降，但在2010年后迅速上升。其中，库玛拉克河灌区各年度灌溉用水量增幅最为明显，阿克苏河灌区2014年灌溉用水量最大，托什干河乌什灌区2005年灌溉用水量最小，五大灌区整体均出现上升趋势。图3

图3各源流区耕地灌溉用水量
Fig.3Farming irrigation water volumes in the Aksu River irrigated region

灌区耗水量增加与耕地面积的迅速扩大密切相关。通过对2000年后大规模农垦活动以来阿克苏河流域各灌区耕地变化情况进行统计可知，阿克苏河灌区为主要垦区，2014年面积达2 404.1 km2；塔里木河灌区和库玛拉克河灌区耕地面积次之，分别为2 214.7和1 536.11 km2，其中塔里木河灌区增幅最大。近15 a阿克苏河流域灌区中大规模的耕地扩张往往意味着更多水资源的消耗，此外灌溉用水量增加幅度较高的灌区通常也伴随着更多资源的开发与利用。各灌区耗水量与耕地面积在2000年后日益增加，这与当地区域农业发展实施政策密切相关[22]。表3

表32000～2014年阿克苏河各灌区耕地面积变化
Table3Change of cultivated land areas in the irrigation land in Aksu River basin during 2000-2014

灌区名称Irrigationname现状面积Currentarea(km2)变化面积Changearea(km2)20002014变化量变化幅度(%)阿克苏河灌区AksuRiverirrigatedarea1882 052404 10522 0527 7塔里木河灌区TarimRiverirrigatedarea1290 652214 70924 0571 6库玛拉克河灌区Kumarirrigatedarea1015 231536 11520 8851 3托什干河乌什灌区WushiirrigatedareainTuoshikanriver507 35787 66280 3155 2托什干河温宿灌区WensuirrigatedareainTuoshikanriver271 81341 1969 3825 5

阿克苏河流域各灌区耕地扩张与水资源利用程度密切相关。近15 a来，阿克苏河灌区分布着地表水充足的地区，其中有干渠17条、支渠123条，因此通过消耗大量水资源来实现耕地的扩张；塔里木河灌区地表水资源消耗量变化不大，这主要与塔里木河灌区大量开采地下水有关，机井数量由1998年的111眼提高到目前的1 757眼，地下水开采量由2000年的2.24×108m3提高到2014年的3.06×108m3；库玛拉克灌区在大量水资源的消耗下，通过兴修水利设施逐渐扩大耕地规模；托什干河温宿灌区未利用地所占比例最大，相对逊色的土壤质地与结构导致这一区域耕地规模变化不明显；而托什干河乌什灌区分布着最少的灌溉耗水量，也导致耕地总面积也受到一定限制。

2.3不同深度的土壤含水量变化

在过去15 a间(2000～2014年)，阿克苏河流域灌区的土壤含水量呈现明显减少趋势，尤其以浅层土壤水分的减少最为显著，随土壤深度增加，土壤水分具有滞后延迟变化特征。0～10 cm土层含水量以-24.38 kg/m2/年的速率减少(图4a)，10～40 cm土层含水量以-3.89 kg/m2/年的速率减少(图4b)，40～100 cm土层含水量以-1.0 kg/m2/年的速率减少(图4c)，100～200 cm土层含水量以-0.1 kg/m2/年的速率略微减少，深层土层土壤含水量下降趋势不明显，其中阿克苏河灌区和塔里木河灌区西南部有略微增加的趋势(图4d)。图4

图42000～2014年不同土层土壤含水率变化
Fig.4Changes of soil moisture content in the different layers in 2000-2014

研究表明，在过去的15 a间，阿克苏河灌区、塔里木河灌区以及库玛拉克河灌区的地下水位分别下降了2.75、0.89和1.06 m。土壤含水量的降低，导致一些浅根系荒漠植物会因干旱胁迫死亡，加速干旱区荒漠化过程，致使以荒漠为主体的生态系统更为脆弱，中、低覆盖度的草地面积大幅下降。在干旱化日趋加剧的背景下，干旱区生产、生态、生活用水问题更加突出，荒漠化风险加剧，水资源开发利用过程中经济与生态的矛盾更加尖锐[23-25]。

3　讨 论

随着阿克苏河流域灌区农业活动范围不断扩大，水资源消耗量也随之增大。在干旱区，土壤水分是连接水文过程和植被动态最为关键的因子，土壤水分由降水、植被截留、下渗、蒸发蒸腾、地表径流、土壤侧渗及地下水埋深等综合水文因素决定，同时也与人类开发活动密切联系着。阿克苏河流域灌区土壤含水量变化与气候变暖和人类开发活动密切相关。研究结果显示，在过去半个多世纪，天山地区的气温上升速率高达0.34℃/10 a，尤其1998年以来，天山地区的气温出现了骤然升高、且一直处于高位震荡态势[26]。温度的升高打破了原有的自然平衡，并加大了平原荒漠区的植被蒸腾和土壤水分的耗散[27]。不仅如此，滴管技术的大面积推广应用，改变了灌区水分运移过程，大大减少了灌区灌溉水的运移量。加之超采地下水，造成地下水位大幅下降，土壤含水量降低。缪凌等[28]针对不同土地利用类型土壤水分的变化特征，对不同土地利用方式土壤水分的季节变化和蓄水特征进行了综合对比。吕文等[29]为了评估流域土地利用变化对生态系统水量调节能力的影响，从生态水文的新角度来管理流域水资源。但是，目前针对干旱区内陆河流域，尤其是流域灌区典型绿洲-荒漠复合生态系统的土地利用及耗水量关系研究还很缺乏。在空间尺度上研究了阿克苏河流域灌区土地利用/覆被变化程度，并通过对不同深度土壤含水量的变化发现土壤含水量的降低会导致浅根系植物死亡以及中、低覆盖度的草地面积大幅下降，加大了水资源开发利用过程中经济与生态的矛盾。

4　结 论

4.12000～2014年间，阿克苏河流域灌区土地利用/覆被发生了巨大变化，以耕地的显著增加和中、低覆盖度草地的减少最为明显。其中塔里木河灌区耕地变化最为明显，15 a来耕地面积增加71.6%，以66.1 km2/年的速度增长，阿克苏河灌区低覆盖草地减少最为明显，平均每年减少22.8 km2。

4.2阿克苏河流域灌区土地利用程度指数呈上升趋势。信息熵和均衡度都呈现出下降趋势，而耕地和中、低覆草地面积的变化是影响这一结果的主要因素。这一方面说明研究区土地利用系统逐渐趋向于有序化，另一方面土地利用结构均衡性日趋减弱。

4.3耕地扩张影响着需水量变化，近15a阿克苏河流域灌区耕地扩张导致更多的水资源量消耗，灌溉用水量增加幅度较高的灌区通常也伴随着更多资源的开发与利用。五大灌区灌溉用水皆处于上升态势，阿克苏河灌区灌溉耗水量增加最大。

4.4过去15 a灌区土壤含水量(0～10 cm、10～40 cm、40～100 cm、100～200 cm四层土层)呈现明显减少趋势，尤其以浅层土壤水分的减少最为显著。土壤含水量的降低，导致平原荒漠区一些浅根系荒漠植物会因干旱胁迫死亡，荒漠化风险加剧，生态隐忧加大。

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