1975—2020年疏勒河流域绿洲时空变化研究

2022-12-16孙旭伟王亚晖赵鸿雁

生态学报 2022年22期

关键词：绿洲流域人工

孙旭伟,李森,王亚晖,唐霞,赵鸿雁

1 甘肃省生态环境科学设计研究院, 兰州 730020

2 甘肃省黄河上游水源涵养区生态保护和修复工程研究中心, 兰州 730020

3 中国科学院西北生态环境资源研究院,兰州 730000

4 中国科学院西北生态环境资源研究院干旱区盐渍化研究站, 兰州 730000

5 中国科学院大学, 北京 100049

绿洲作为干旱、半干旱区一种中小尺度的非地带性生态景观,是干旱区90%人口的生活和95%的经济获得的载体[1—2]。绿洲化已经成为干旱区人地关系的直接体现,其中绿洲土地覆被变化更是绿洲化研究的核心内容[3—4]。按人类活动影响程度,绿洲分为天然绿洲和人工绿洲[1, 5]。目前,大多数绿洲变化研究均以人工绿洲为主,天然绿洲的研究投入不足[5]。而在人工绿洲变化研究中则专注于人工改造地表覆盖类型的研究,忽略了荒漠-绿洲过渡带(以下简称“过渡带”)在人工绿洲防护中的重要作用[6—7]。实际上,过渡带对阻止沙丘迁移、降低风沙流活动强度、减轻绿洲风沙危害具有重要作用,所以过渡带同样是人工绿洲的重要组成部分[8]。因此,在流域尺度,一个完整的绿洲生态系统应同时包括人工绿洲、过渡带和天然绿洲[8]。目前将绿洲作为生态系统研究主要集中在山地-荒漠-绿洲生态经济和可持续发展等方面[9—15]。对流域尺度中下游绿洲格局和机构的时空变化变化缺乏关注。

近70年来,伴随着人类开发强度和频度的加剧,中国干旱区内陆河流域水资源利用的时空平衡被打破[16],由此引发了绿洲格局的变化。人工绿洲面积由1950年代的20000 km2,发展到2015年的125101 km2[2, 17—18],自然绿洲和过渡带面积锐减[19],人工与天然绿洲面积比例失衡[20],而这种新格局变化势必对流域内水资源的重分配进行反馈,并严重威胁着绿洲的稳定性,因此及时准确把握内陆河流域绿洲格局和结构的动态变化成为内陆河流域实现水资源优化配置和维持绿洲稳定性的基本前提,这不仅是实现干旱区水资源高效利用合理配置的迫切需求,更是当前内陆河流域绿洲实现可持续发展亟待解决的关键问题。

疏勒河流域位于河西走廊西部,是典型的生态系统脆弱带敏感区[21]。近年来随着流域内气候变暖,出山口径流量逐年增长[22],为人工绿洲的扩张和自然绿洲的恢复提供了良好的环境背景[23]。然而，自1996年开始,流域内实施的移民安置综合开发项目,造成流域人口数量急剧增加,从而导致人工绿洲面积迅速扩张,大量地表和地下水资源被消耗,以至于流域中下游河流断流、湿地萎缩、植被退化、土地沙化和盐渍化等生态环境问题日益突出[24—25]。由此,不少学者围绕着流域内生态质量、服务功能、承载力等展开了大量的研究工作[22, 24—27]。然而,针对流域尺度长时间序列的绿洲格局和结构时空变化的研究相对较少。因此,为了厘清近45年来疏勒河流域绿洲格局和结构时空变化,本文基于Landsat系列数据,采用面向对象随机森林与目视解译相结合的方法,获取1975、1990、2000、2005、2010、2015和2020年绿洲土地覆被数据,深入挖掘疏勒河流域人工绿洲、自然绿洲和过渡带结构、比例变化,探讨流域尺度内绿洲迅速变化的原因及适宜比例。这对于促进疏勒河流域水土资源的优化配置和绿洲的可持续发展具有重要意义。

1 研究区概况

疏勒河流域(92°11′—98°30′E,38°00′—42°48′N)地处甘肃河西走廊西段,是河西地区三大内陆河流域之一(图1)。整个疏勒河流域面积为12.45×104km2,以昌马峡和双塔水库为界分为上、中、下游,干流年水资源总量为11.34×108m3,其中：地表水总资源量为10.82×108m3[28]。流域主要覆盖的行政区域有甘肃省酒泉市下辖的玉门市、敦煌市、瓜州县、肃北县的大部分、阿克塞县的一部分,以及张掖市肃南县和青海省天峻县的一部分。其中,绿洲主要分布在疏勒河中游的走廊平原平坦开阔地带,海拔1050—1300 m[26]。疏勒河流域属于典型的温带干旱大陆性气候,年平均气温6.9—8.8℃,年降水量47—63 mm,年蒸发量2897—3042 mm,年日照时数3033—3246 h[28]。土壤类型以沼泽土、草甸土和棕漠土为主[28]。

图1 研究区地理位置图

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

本研究所用的遥感影像采用的是Landsat系列数据,分别为 1970年代的MSS (Multispectral Scanner System) 影像和2000年的ETM+(Enhanced Thematic Mapper Plus)影像各8景,1990 年、2005年和 2010 年的 TM(Thematic Mapper) 影像每期 8 景,2015年和2020年的OLI(Operational Land Imager)影像各8景,成像时间均为生长季(5—9月)。影像来源于美国联邦地质调查局网站(https://glovis.usgs.gov/)。所有影像均在 ERDAS 平台上统一投影为 WGS_1984_Albers,并重采样为30 m(MSS影像为60 m)。

人口数据来源于甘肃省统计年鉴(1984—2019),统计玉门市、瓜州县和敦煌市人口数据。疏勒河流域边界矢量数据来源于国家青藏高原科学数据中心(https://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/data)。精度验证数据来自野外调查数据(2018年6月—7月)(图1)和专家基于Google Earth软件目视判读获取的样本点共计589个。水文数据包括1956—2019年疏勒河昌马堡和双塔径流量,来自《甘肃省水资源公报》、各流域中下游水文站以及文献资料。

2.2 绿洲生态系统分类体系

绿洲时空分布格局研究中,根据研究目的的不同,绿洲分类系统主要有两类：一类是基于绿洲土地利用/覆被特征,参考土地利用/覆被土地分类系统,将绿洲分为耕地、防护林、防护草地、建设用地、人工湿地等,这种分类一般专门针对人工绿洲进行分类[29—32]；另一类是根据绿洲的人类改造强度,将绿洲分为人工绿洲、自然绿洲和荒漠,这种分类一般用于绿洲化/荒漠化时空变化研究[3—4, 23, 33—35]。然而在内陆河流域尺度,一个完整的绿洲生态系统包括人工绿洲、荒漠-绿洲过渡带和自然绿洲[8]。同时,由于上下游水资源的分配以及人类改造强度的因素,不仅绿洲外围持续存在着扩张或退缩,同时绿洲内部也不断发生土地类型的转换。因此,基于前人的研究成果及流域尺度绿洲生态系统特点[5, 17, 29, 36],本研究中将绿洲分为三级：一级分类主要根据绿洲人类干扰程度及绿洲空间分布特点分为人工绿洲、自然绿洲和过渡带,其中人工绿洲是指具有明显的人类改造的地表特征的绿洲景观。自然绿洲专指内陆河下游具有明显天然植被覆盖,没有明显人类干扰的绿洲景观。过渡带是指人工绿洲与周围荒漠(沙漠)之间具有较高的植被生产力,没有或者较少受到人类干扰的天然或半天然植被且具有减轻人工绿洲风沙危害的作用生态景观,研究表明,过渡带发挥防护人工绿洲作用的有效植被覆盖度应超过14%[37]；二级类主要根据土地的资源属性和利用属性分为耕地、林地、草地、水域湿地、建设用地和未利用地6 类。

2.3 绿洲时空变化信息提取方法

在易康(eCognition)软件平台下,以影像栅格文件作为数据基础,采用多尺度分割方法对影像进行多尺度分割,参数设置为：分割尺度为35,形状权重0.1,紧致度权重0.5。根据对象间空间位置、归一化植被指数、波段平均值、亮度值等特征参数,利用随机森林分类法提取2020年疏勒河流域绿洲数据。然后在ArcGIS软件支持下,采用目视解译方法,利用2020年的绿洲结构数据进行动态数据更新,完成2015、2010 年、2005年、2000 年、1990年和1975年的研究区绿洲数据的重建,实际上就是发现此期间的绿洲土地覆盖变化,将数据进行反向“更新”的过程[29],这种仅更新动态的方法有效的保证了数据分辨率的一致性,尤其是保证1975年绿洲数据与其他年份数据的一致性。最终得到了1975、1990、2000、2005、2010、2015和2020年7 期绿洲土地覆盖数据。为保证数据的解译精度,对2020年绿洲数据进行抽查,并结合精度验证样本进行验证,同时与同类型产品(FROM-GLC(Finer Resolution Observation and Monitoring of Global Land Cover,10 m分辨率))[38]进行了精度对比,结果表明,一级类分类精度为95.59%(表1),二级类分类精度为89.33%(表2),制图精度明显高于同类产品,达到后续分析的数据要求。

表1 疏勒河流域绿洲一级类型分类结果混淆矩阵

表2 本数据产品与FROM-GLC数据精度对比/%

2.4 绿洲变化率

利用绿洲面积变化年均动态度反映不同时期绿洲动态变化的结果[39—40]。计算公式如下：

(1)

式中,Rt为研究时段内绿洲面积的年均变化率；Ua和Ub为研究初期和末期某区域绿洲的面积；t为研究时段。

3 结果与分析

3.1 疏勒河流域绿洲分布格局现状

2020年疏勒河流域绿洲面积为5790.24 km2,仅占流域面积比例的4.65%,其中人工绿洲面积为2622.59 km2,占绿洲总面积比例为45.29%,主要包括的绿洲有赤金-花海绿洲、昌马绿洲、玉门绿洲、瓜州绿洲和敦煌绿洲；自然绿洲面积为2956.89 km2,占绿洲面积比例为51.07%,主要分布在党河和疏勒河下游敦煌绿洲的北部以及踏实河下游的瓜州绿洲和玉门绿洲之间；荒漠-绿洲过渡带面积为210.76 km2,占绿洲面积比例为3.64%,主要分布在人工绿洲外围,起到减轻绿洲风沙危害的作用(图2)。根据郭宏伟[20]等对塔里木河流域绿洲分布模式的划分,疏勒河流域绿洲有三种模式,其中内陆河沙漠区模式和干流模式是其主要的分布模式。赤金-花海绿洲、敦煌绿洲属于内陆河沙漠区模式,主要特征为天然绿洲分布于河流两岸和尾闾湖泊周边,由于河流中游地区水流平缓,利于进行引水灌溉,老人工绿洲常位于河流中游地区。瓜州和玉门绿洲属于干流模式,主要特征为部分河流一侧为山区或山前戈壁,另一侧为荒漠,绿洲沿河道呈带状分布,人工绿洲分布于河道两岸,其外侧为天然绿洲。昌马绿洲处于昌马水库上游,面积较小,属于洪冲积扇模式,主要特征为人工绿洲多在河流出山口以下呈扇形分布,天然绿洲分布于人工绿洲外围,天然绿洲外围为山前荒漠。

图2 2020年疏勒河流域绿洲生态系统空间分布

3.2 近45年疏勒河绿洲一级类型时空变化

由图3可知,1975—2020年疏勒河流域绿洲一级类型面积变化较大,其中人工绿洲从1975年开始呈现持续增加的趋势,从1975年的1750.07 km2增加到2020年的2627.26km2；过渡带从1975年开始呈现持续减少的趋势,从1975年的417.21 km2较少到2020年的210.72 km2,而1975—1990年自然绿洲呈略微增加的趋势,年均动态变化率为0.03%,而1990年以后开始呈现持续减少趋势,减少面积为283.46 km2。从近45年研究区绿洲变化率分析,人工绿洲面积的增加以及自然绿洲和过渡带面积的减少均在2000—2005年期间速度最快(表3),因此疏勒河绿洲变化可以分为2个阶段：1975—2000年疏勒河流域绿洲缓慢变化阶段；2000—2020年疏勒河流域绿洲迅速变化阶段(图3,表3)。

图3 1975—2020年疏勒河流域绿洲一级类型变化

表3 1975—2020年疏勒河流域绿洲变化率/%

图4显示的是疏勒河流域绿洲变化格局。近45年来疏勒河流域绿洲以扩张为主,主要发生在石油河下游的花海绿洲、疏勒河干流的玉门绿洲和瓜州绿洲以及党河下游敦煌绿洲,但是各绿洲的类型转化方式差异巨大。花海和瓜州绿洲主要表现为荒漠转变为人工绿洲,其中瓜州绿洲在西北部还有自然绿洲转变为人工绿洲的现象；玉门绿洲则是以自然绿洲转变为人工绿洲为主,主要分布在玉门绿洲的北部和西北部,同时在玉门绿洲南部存在荒漠或过渡带转变为人工绿洲的现象；敦煌绿洲则是在绿洲边缘主要是荒漠或自然绿洲转变为人工绿洲,而在尾闾的西湖乡附近,存在着人工绿洲转变为荒漠以及荒漠转变为自然绿洲的现象(图4)。

图4 1975—2020年疏勒河流域绿洲变化格局

3.3 近45年绿洲土地覆被类型变化

1975—2020年疏勒河流域人工绿洲的各土地覆被类型均呈现增加趋势,其中增加面积最多的是耕地类型,45年间增加620.99 km2,主要是侵占了荒漠、自然绿洲和过渡带的草地；建设用地的面积也发生了明显的增加,尤其是近20年来,面积增加了80.03 km2,这主要得益于城镇化的发展、基础设施的建设以及光伏用地的增加。自然绿洲、过渡带的各土地覆被类型均呈现减少趋势,减少的类型均是以草地为主,45年间草地面积分别减少220.15 km2和171.74 km2,主要转变为耕地。

疏勒河绿洲变化分为1975—2000年和2000—2020年2个阶段。1975—2000年人工绿洲内林地、耕地、建设用地呈增加趋势,草地和未利用地呈减少趋势；过渡带所有土地类型呈减少趋势；自然绿洲内湿地和未利用地呈增加趋势,其他类型呈减少趋势；2000—2020年随着人工绿洲的迅速扩张,人工绿洲内的各个土地类型俱呈增加趋势；过渡带和自然绿洲各个土地类型均呈现减少趋势(表4)。

表4 1975—2020年疏勒河流域绿洲土地结构变化/km2

4 讨论

在干旱区,水资源是限制绿洲扩张的主要约束力[41],即当绿洲耗水量超过水资源总量的阈值时,水资源才成为绿洲扩张的主要约束因素,反之,则促进了绿洲的扩张。研究表明,疏勒河流域水资源利用率为76.4%[41]。另外,监测表明,2020年疏勒河下游自然绿洲明显增加(图4),这主要是由于《敦煌市水资源合理利用与生态保护综合规划》等生态保护项目的实施,使得2017年秋季党河、疏勒河下泄生态水首次流入保护区,直达库姆塔格沙漠东沿消失的湖泊“哈拉齐”[42]。因此,可以认为水资源尚未成为限制疏勒河绿洲扩张的因素,同时近年来疏勒河径流量的增加(图5),反而为该区域绿洲的扩张提供了水资源条件。

图5 疏勒河干流径流量变化

疏勒河流域绿洲面积变化以2000年为节点,2000年以前绿洲各类型变化速度相对缓慢,2000年以后绿洲各类型变化速度明显加快,其中以2000—2005年这一阶段速度最快。主要原因是1996年甘肃省委、省政府正式启动了“疏勒河流域农业灌溉暨移民安置综合开发项目”[24—25],随着项目的实施,疏勒河流域绿洲人口2000年比1999年激增了3.57万人(图6)。由于这些生态移民生产和生活的需求,导致疏勒河流域在2000—2005年这一时期耕地和城乡建设用地迅速扩张,扩张面积分别为319.68 km2和52.25 km2,加速了自然绿洲和过渡带的衰退[25],衰退面积为299.26 km2。

图6 疏勒河流域人口和绿洲面积变化

天然绿洲在绿洲生态系统中的比例对绿洲可持续发展起到至关重要的作用。疏勒河流域绿洲分布模式主要是内陆河沙漠区模式和干流模式。研究表明这两种模式人工与天然绿洲的适宜面积比例以4∶6为最适宜,随着人工与天然绿洲面积比例的增加,绿洲的生态环境状况将呈下降趋势[20]。近45年来,疏勒河流域绿洲生态系统人工比例由1975年的3∶7增加到5∶5(表5),由此表明疏勒河流域绿洲生态环境状况呈现逐渐上升,2005年达到最好,后逐渐下降的变化趋势,这与潘竟虎等[14]对2001—2010 年疏勒河流域生态系统质量综合评价的结果一致。这表明,2000—2005年对疏勒河流域大规模的移民安置综合开发,导致人工绿洲的扩张已经逐步影响到研究区绿洲生态系统的生态安全。因此今后流域绿洲建设的首要任务是控制耕地开垦规模,建设防护林草带、合理配置中下游水资源,从而控制人工绿洲扩张速度,稳定甚至恢复过渡带和天然绿洲面积。