基于长时间系列遥感监测的石羊河流域绿洲动态变化

冯博卢辉雄，程旭，董双发，汪冰，范芳

（1.核工业航测遥感中心，河北 石家庄050002）

绿洲为荒漠地区有水源支撑、适合植物生长和人类居住的地方，为人类农牧业及工业生产等社会经济活动的区域，多呈带状分布于河流沿岸、洪积扇边缘、井泉附近及有冰雪融水灌溉的山麓地带。目前针对绿洲形成和演变过程[1-2]、绿洲土地利用与覆被变化[3]、绿洲化荒漠化驱动机制[4]、绿洲景观格局[5]变化等方面前人做了大量研究工作，绿洲的动态遥感监测能为流域合理开发利用及生态环境治理提供科学依据，具有重要的研究意义。

石羊河流域位于河西走廊东端，下游地区夹持于巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠之间，为干旱区灌溉农业发展最早流域之一，由于近几十年人口增加、水资源大规模开发，引发流域中下游天然绿洲萎缩、荒漠化发展等一系列生态环境问题[6-7]。针对石羊河流域，前人研究多集中于土地利用景观格局变化、水资源利用及荒漠化防治等方面[8-10]，对整个石羊河流域的绿洲长时间序列的遥感监测、时空变化研究工作较少，如鲁晖等[11]仅对民勤县绿洲作了相关工作，文星等[12]利用了2010年前数据作了研究工作，近年来，特别是“绿水金山就是金山银山”构建生态文明行动开展以来，石羊河流域绿洲有何最新变化？本文利用2018年最新获取的遥感数据为基础，在地理信息系统技术支持下，参考前人图件及统计数据，定量的分析了1978-2018年近40年长时间序列内石羊河流域绿洲的变化，并对其影响因素作了简要分析，为该流域生态环境保护和改善，提升全流域良好生态环境，共同建设美丽中国提供科学依据。

1.研究区概况

甘肃河西走廊三大内陆河流域之一的石羊河流域位于河西走廊东部，乌鞘岭以西，祁连山北麓，地理坐标为E 101°41′～104°16′，N 36°29′～39°27′，流域面积4.16万km2，占甘肃省内陆河流与总面积的15.4%（图1-a，见中间彩页，下同）。东南与白银、兰州两市相连，西南紧靠青海省，西北与张掖地区毗邻，东北与内蒙古地区接壤，流域行政区划包括武威市的古浪县、凉州区、民勤县全部及天祝县部分，金昌市的永昌县及金川区全部以及张掖市的肃南裕固族自治县、山丹县部分等3市8县。石羊河流域地貌形态包括高山、中高山、低山丘陵、沙漠和冲洪积平原，地势南高北低，自西南向东北倾斜（图1-b）。

图1 石羊河流域地理位置图Fig.1 Location of the Shiyanghe River Basin

石羊河流域深居大陆腹地，属大陆性温带干旱气候，总体气候特点是：太阳辐射强，日照充足，夏季短而炎热，冬季长而寒冷，温差大，降水少，蒸发强烈，空气干燥。受地理位置、地貌差异和大气环流的影响，流域具有明显的空间分异性，自南向北大致划分为南部祁连山高寒半干旱湿润区，中部走廊平原温凉干旱区和北部温暖干旱区。石羊河流域水系由发源于祁连山东段冷龙岭北坡的诸支流组成，自西向东为西大河、东大河、西营河、金塔河、杂木河、黄羊河、古浪河、大靖河等，其多年平均流量，除古浪河和大靖河外，均在4.57～12.2m3/s间。

2.数据与研究方法

2.1 数据来源与处理

本文以1978-2018年夏季6月至9月的Landsat TM/ETM/ETM+影像为数据源，按10a时间间隔（1978年、1988年、1998年、2008年和2018年）来提取绿洲变化信息。信息提取前对遥感影像预处理，包括辐射校正、大气校正、几何校正和裁剪等。利用计算机自动识别和人机交互式目视解译方法，以Arcgis 10.3为信息提取与处理平台，对5期影像进行解译。

2.2 绿洲分类体系的划分

根据现有的土地利用类型划分，将石羊河流域划分为绿洲、山地和荒漠三大类，绿洲进而划分为林地、草地、耕地、水域和城镇居民点5个二级类型，根据以上分类体系对遥感影像进行解译，获得石羊河流域1978—2018年不同时期的绿洲分布及面积数据资料，数据统计过程中，对南西山地区进行掩膜，未参与本次数据分析。

3.结果分析

3.1 2018年绿洲现状

流域2018年绿洲总体面积为7835.86 km2（图2），耕地和草地为石羊河流域绿洲主要土地类型，其中以耕地面积最大，达到5371.21 km2，占绿洲的68.55%，其次草地面积为1371.52 km2，占绿洲的17.50%。城镇、林地和水域面积依次为：432.56 km2、372.46 km2和288.11 km2，分别占绿洲的5.52%、4.75%和3.68%（表1）。

图2 石羊河流域2018年土地利用分布图Fig.2 Land use in the Shiyanghe River Basin of 2018 year

3.2 绿洲整体规模变化

绿洲面积反映了区域生态环境状况，长时间系列的绿洲面积变化可以直观的反映绿洲地区生态环境随时间的变化规律[13]。本文通过遥感解译分别获得1978-2018年不同时期土地类型面积（表1）。1978年石羊河流域绿洲面积为7573.80 km2，占流域面积的18.21%；1988年绿洲面积增加为7822.99 km2，占流域面积的18.80%；1998年绿洲面积急速减少，减少为7502.84 km2，是研究时段内绿洲面积最小的时期；2008年绿洲面积有较小幅度的增加，增加至7507.61 km2；近十年（2008年-2018年），2018年绿洲面积达7835.86 km2，已小幅度超越1988年最大绿洲面积，总体呈现出“绿洲化—荒漠化—绿洲化”的特点，近10年绿洲化的过程中，绿洲年变化率为32.8 km2/a，远大于1998年—2008年的0.48 km2/a，绿洲化进程显著提升。

表1 石羊河流域1978-2018年绿洲面积动态表Table1 Variation of area of oasis in the Shiyanghe River Basin during 1978 to 2018

图3 1978-2018年石羊河流域绿洲各类型土地面积百分比图Fig.3 Percentages of different oasis land types in the Shiyanghe River Basin duiring 1978-2018

3.3 绿洲内部各土地类型动态变化

石羊河流域绿洲内各土地类型以耕地和草地为主（图3），二者总占比在86.05%～90.57%，其中耕地面积占比一直为增加趋势，为人工绿洲区主要类型，而作为天然绿洲主要土地类型的草地比例却一直呈下降趋势，表1和图3中可知，1978年耕地面积为3788.07 km2，2018年耕地面积为5371.21 km2，年增加39.58 km2/a，40年来增加的耕地面积为1978年的41.79%；草地的面积却在一直减少，由1978年的3071.29 km2降至2018年的1371.52 km2；然而，近十年间林地面积显著增加，增加量达88.10 km2。

从表2-5可知，1978-2018年四十年间，耕地面积在逐年增加，耕地的增加主要源于草地和荒漠二者的转化，草地转化为耕地的面积依次为433.34 km2、452.78 km2、201.34 km2和76.19 km2，荒漠转化为耕地的面积依次为214.17 km2、68.04 km2、95.02 km2和287.29 km2，草地转化量在逐渐减少，荒漠转化量经历了减少在增加的变化，耕地的扩张由以侵占草地转变为对荒漠的开垦，与近年来环境保护由重要关系；林地面积1978-2008年逐年减少，之前与人类毁林开荒、滥砍滥伐有关，2008年至今十年内面积逐年增加，与林场植树造林密切相关。城镇面积一直在扩张，从1978年的264.56 km2扩大到2018年的412.56 km2，城镇居民点的扩张主要以占用周围草地、林地和荒漠为主，可见流域内城镇化加剧，城镇规模逐渐扩大。水域面积为流域内面积最小部分，变化量也最小，显示为小幅度增加，水域面积的增大受西北干旱区气候湿化影响，与石羊河流域重点治理项目密不可分。

表2 石羊河流域1978-2018年土地类型转移矩阵Table2 Conversion matrix of different oasis land types in the Shiyanghe River Basin from 1978 to 2018

通过40年间绿洲各类型反映出耕地、水域及城镇的面积均呈现增长趋势，林地近十年也有显著增长，而草地的面积在缩小。随着经济的发展、人口的增加，对粮食的需求量增加，耕地面积的增加30年前依赖草地开垦，现转变为对荒漠的综合治理开垦。

4.成因分析

区域绿洲变化为自然因素和人为因素共同作用的结果，自然因素为影响区域土地利用结构最基本要素，人为作用的强烈、合理与否将对区域环境产生显著影响。

4.1 自然因素

本文整理收集中国气象科学数据，获得近40年石羊河流域年平均气温和年降雨量，年平均气温和年降雨量与绿洲面积间关系较明显（图4），近40年来石羊河流域年平均气温显著上升，年降水量变化趋势呈波动状略有增加，温度的上升导致绿洲区蒸发量增加，降雨量趋势较平稳，地面水分耗损增加，草地生存力下降，区域内草地多为荒漠草本植物，如白刺、柽柳等，气候变化为其主要影响因子。耕地占绿洲面积最大，其不受气温增加的影响，一直呈扩张趋势，自然气候因素对草地等天然绿洲区域影像明显大于以耕地为主的人工绿洲区的影响。

图4 1987-2018年石羊河流域年平均气温和年累计降雨量变化与趋势Fig.4 Variation and trend of annual precipitation and annual average air temperature in the Shiyanghe River Basin duiring 1978-2018

对于干旱区内陆河流域来说，水资源量对维护绿洲规模及保障生态系统稳定性起着至关重要的作用[14]，绿洲面积的大小与水资源量，尤其是河流径流量间关系密切，呈正相关性，1978-1988年，径流量呈增加趋势，该时期流域绿洲面积增加249.19 km2，1989-1998年，径流量呈减少趋势，对应此阶段绿洲面积缩小了320.15 km2，1998-2018年径流量再次增加，绿洲规模也再次扩大。由此可见，地表水资源变化为绿洲变化的关键因子。

4.2 人为因素

石羊河流域下游行政区划包括武威市的古浪县、凉州区、民勤县、金昌市的永昌县及金川区等3市8县，本文统计近40年内金昌和武威两市总人口数量变化，研究表明，人口数量与耕地面积和城镇居民点面积的变化趋势相一致，近40年一直呈上升趋势。人口和经济的发展是推动绿洲耕地扩张的最主要因素。

绿洲变化的影像因子还包括经济利益，80年代至90年代间，受市场经济影像，农民老乡自行调整种植结构，扩大种植面积以及大面积种植黑瓜子，极大促进了绿洲的扩张进程。90年代后期，政府于2007年出台《石羊河流域重点治理规划》，流域内开始实施关井压田、退耕还林、生态保护等一列治理措施，绿洲面积小幅度增加，近十年见，以“绿水青山就是金山银山”为指导思想的构建生态文明行动，极大改善了石羊河流域生态环境，绿洲面积显著提升，林地面积近年来在林场积极植树造林以及“蚂蚁森林”项目等支持下，提升幅度明显。

5.结论

通过对石羊河流域1978-2018年5期遥感影像的解译和分析发现，近40年流域生态环境经历了恶化到环境好转的过程，表现为“绿洲化-荒漠化-再绿洲化”，2008-2018年间绿洲快速扩张，面积增加了328.25 km2，绿洲内部耕地、水域及城镇居民面积均呈现增长趋势，耕地扩张速度较弱，林地面积较10年前呈扩大趋势，生态环境持续好转。

结合区内自然因素和人为因素变化特征，气候变暖、降雨量周期变化会影响绿洲草地、林地等天然绿洲，人为因素对耕地、城镇居民地等变化其关键作用，短时间人为因素是绿洲发展的主导因素，生态治理政策将对石羊河流域绿洲好转起到持续影响。