喀什噶尔河流域人工-天然绿洲转化过程分析

2018-04-24艾克热木阿布拉

水利规划与设计 2018年3期

艾克热木·阿布拉

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆库尔勒 841000)

绿洲是干旱区人类生存与发展的主要场所和物质基础[1- 2]，根据绿洲形成和分布规律，可分为人工绿洲和天然绿洲[3]，受地形地貌、水资源等因素限制和影响，绿洲生态环境相对脆弱。随着人口增长和社会经济的快速发展，人类干扰使得绿洲景观格局发生转变，而不合理的水土资源开发更造成了沙漠化、盐渍化、植被退化等生态环境问题，对区域生态安全和可持续发展造成了一定影响[4- 5]。人工和天然绿洲相互联系相互制约，维持适宜规模的天然绿洲并保障其生态系统的稳定成为干旱区社会经济可持续发展的重要前提[6- 7]。喀什噶尔河流域位于我国西北干旱区，近年来，流域内土地沙化、植被退化、水土流失等生态环境问题突出。本文以喀什噶尔河流域1990、2000、2015年的遥感影像为基础，分析人工绿洲和天然绿洲的变化规律，探讨该区人工绿洲和天然绿洲的适宜配比，从而为该流域绿洲合理发展及科学规划提供重要的科学依据。

1 研究区概况

喀什噶尔河流域地处新疆西南部，地理位置75°19′～78°03′E，38°28′～39°55′N，流域总面积6.3万km2。流域地势西高东低，北、西及南部分别为天山、帕米尔高原和昆仑山。流域深居欧亚大陆腹地，远离海洋，属典型的暖温带大陆干旱气候，具有降水少、蒸发强烈、光照时间长、积温高等显著特点。气温年际变化小，无霜期长，夏季漫长，冬季短促[8- 9]，受下垫面等因素影响，日温差较大，适宜农作物及果树生长，是新疆重要的粮棉基地[10]。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

采用Landsat-TM遥感影像数据和中巴资源卫星数据，成像时间分别为1990、2000和2015年的7～9月份，每景185×185km2，图像分辨率为30m。借助ENVI5.0完成几何校正、配准。利用ArcGIS 9.3，参照中国科学院土地利用分级系统，同时兼顾影像分辨率，对合成遥感影像进行目视分类解译、建立拓扑关系。经精度检验，其Kappa系数分别为85.2%(1990年)、88.7%(2000年)、93%(2015年)，可满足研究需求，最终获取河流域土地利用/覆被空间数据(图1)，其具体分类结果见表1。

2.2 绿洲分类方法

根据土地利用/覆被类型属性特征，将绿洲划分为人工绿洲和天然绿洲。本文中天然绿洲包含天然林地(有林地、疏林地及灌木林地)、草地(高、中及低覆盖度草地)及天然水域(湖泊、河流和滩涂湿地)，人工绿洲包含耕地、建设用地(城镇用地、农村居民点和其它建设用地)及人工水域(主要为湖泊)。

图1 喀什噶尔河流域不同时期土地利用类型

一级土地利用类型二级土地利用类型一级土地利用类型二级土地利用类型草地高覆盖度草地耕地耕地中覆盖度草地未利用地沙地低覆盖度草地盐碱地林地有林地裸土地灌木林地裸岩石砾地疏林地其他未利用地其他林地水域河渠建设用地城镇用地滩涂湿地农村居民点湖泊其他建设用地水库

2.3 转移矩阵计算

利用转移矩阵来分析具体的土地转化过程。利用ArcGIS的interscet模块及Excel数据统计分析模块，将喀什噶尔河流域1990年、2000年和2015年三期的遥感影像，在ArcGIS中进行叠加运算，得到1990～2000年及2000～2015年土地利用转移矩阵。

3 结果分析

3.1 喀什噶尔河流域天然-人工绿洲结构

根据图2，喀什噶尔河流域绿洲主要分布在山前冲洪积平原上，整体呈扇形分布，人工绿洲分布在流域中游，天然绿洲分布流域下游人工绿洲的外围，表现为人工绿洲-天然绿洲-沙漠戈壁的空间分布特点，是典型的山前冲洪积扇绿洲。天然绿洲起到抵挡外围风沙侵袭，人工绿洲的扩张势必会挤占维持天然生态用水，从而造成天然绿洲规模的萎缩。因此，了解其天然-人工绿洲的转化过程有利于明晰当前绿洲状态，可为区域发展规划及生态保护等提供重要的科学依据。

图2 喀什噶尔河流域天然-人工绿洲结构示意图

绿洲/土地利用类型面积比例/%变化幅度/%变化速率/(km2·a-1)1990200020151990～20002000～20151990～20151990～20002000～20151990～2015人工绿洲耕地27.1129.5939.259.0332.4044.3541.51108.2381.54人工水域0.510.460.73-9.6958.5143.15-0.843.051.50建设用地1.391.511.958.8628.6440.032.094.903.77天然绿洲天然林地5.265.184.92-1.63-5.18-6.73-1.45-3.03-2.40草地65.6963.2053.13-3.89-16.10-19.36-43.36-114.86-86.26天然水域0.030.050.0146.70-81.17-72.370.26-0.45-0.16

3.2 绿洲面积及比例变化特征

1990～2015年之间，绿洲总体规模变化并不明显，主要呈现出天然绿洲向人工绿洲转变的趋势(图3)，人工绿洲面积增幅达到42.7%，天然绿洲减少18.2%，转化速率达到85.6km2/a。其中，1990～2000年人工绿洲增加8.4%，天然绿洲减少3.7%，转化速率为42.1km2/a；在2000～2015年，人工绿洲增加31.7%，天然绿洲减少15.1%，转化速率达到114.8km2/a，转化速率出现加快趋势。而在1990、2000、2015年，人工与天然绿洲面积比值分别约是0.42∶1、0.47∶1、0.78∶1。

图3 1990、2000及2015年喀什噶尔河天然及人工绿洲面积比例

3.3 绿洲土地利用类型变化过程分析

3.3.1 土地利用/覆被类型面积变化

天然-人工绿洲的转化势必会对绿洲生态环境产生一定影响。根据表2，人工绿洲主要以耕地为主，而天然绿洲主要以草地为主，1990、2000及2015年草地面积均占天然绿洲总面积的50%以上。1990～2015年，人工绿洲各土地利用类型均呈扩张趋势，而耕地面积增长最为显著，25a内增长幅度达到44.35%，增长速率达到81.54km2·a-1，且在2000～2015年高达108.23km2·a-1。耕地增长面积占到了人工绿洲增长面积的93.9%，是造成人工绿洲扩张的主要原因。相反，近25a内天然绿洲各土地利用类型均呈减少趋势，草地减少趋势最为强烈，共减少19.36%，减少速率达到了86.26km2·a-1；1990～2000年减少速率为43.36km2·a-1，而在2000～2015年减少速率明显加快，达到了114.86km2·a-1。草地减少的面积占天然绿洲减少面积的97%以上，是造成天然绿洲面积减少的主要原因。

3.3.2 转移矩阵

为详细揭示天然-人工绿洲的具体转化规律，利用ArcGIS的interscet模块得到绿洲各土地利用类型的转移矩阵(表3和表4)。根据表3，1990～2000年之间，耕地增加面积主要由草地和天然林地转化而来，其净转入量(即转入面积减去转出面积)占耕地面积的9%；城镇用地增加了8.86%，主要由耕地和草地转化而来。天然绿洲中天然林地减少了1.63%，主要转化成了耕地；草地主要转化为耕地，其净转出量占草地面积的4.3%；天然水域主要转化为草地，而耕地与草地向天然水域的变化使得天然水域并未出现明显变化。

根据表4，在2000～2015年，耕地仍主要由草地和天然林地转化而来；建设用地主要由耕地和草地转化而来，其分别占转入量的65%和35%。各天然绿洲土地利用/覆被类型中，天然林地转化为耕地和草地；草地面积在这一时期减少幅度较大，向耕地净转化量占草地面积比例达到18%。根据以上分析，1990～2015年之间，喀什噶尔河流域草地和天然林地向耕地的转化最为突出，是天然绿洲向人工绿洲转化的主要过程。

表3 喀什噶尔河流域1990～2000年人工绿洲与天然绿洲转移矩阵

表4 喀什噶尔河流域2000～2015年人工绿洲与天然绿洲转移矩阵

4 讨论

4.1 喀什噶尔河流域天然-人工绿洲转化原因分析

1990～2015年，喀什噶尔流域人工绿洲替代天然绿洲的趋势，耕地面积持续快速扩张是造成这一现象的主要原因。近年来，虽然该地区社会经济发展较快，但农业在经济产出中仍占较大比例，农业经济增长主要依靠开荒种田而来。当地主要以棉花等经济作物为主，受利益驱使和技术发展，耕地面积增长迅速。根据前文分析，新增耕地主要来源于林地和草地，而林地和草地具有不可替代的生态地位，其规模的萎缩势必会影响绿洲整体生态功能的稳定。

4.2 喀什噶尔河流域天然-人工绿洲比例合理性探讨

不同学者对天然-人工绿洲的适宜比例看法并不一致，侯玉婷等[11]研究得出天然绿洲面积占绿洲总面积比例至少应为15%；刘金鹏等[12]通过研究绿洲生态用水，得出民勤绿洲耕地与天然绿洲规模的适宜比例约为1∶2；钱正英[13]认为干旱区绿洲人工与天然绿洲规模比应维持2∶3；胡顺军等分析新疆渭干河平原绿洲适宜规模，得出耕地与天然植被的适宜比例约为3∶2[14]；李建林等[15]对当前新疆绿洲开发现状进行分析，认为新疆耕地还有一定的开发潜力。喀什噶尔河属于典型的山前冲洪积扇形绿洲，参考钱正英[13]及胡顺军等[14]研究结果，其均认为这一类型人工及天然绿洲应维持2∶3的比例。但2015年流域人工与天然绿洲面积比值分别是0.42∶1、0.47∶1、0.78∶1，流域人工绿洲与天然绿洲比例超过2∶3(即0.667∶1)的适宜范围[13]。