新疆绿洲格局变化与生态耗水结构分析
2023-12-14李梦怡邓铭江凌红波邓晓雅闫俊杰焦阿永
李梦怡 邓铭江 凌红波 邓晓雅 闫俊杰 焦阿永
摘要：为准确评估新疆绿洲格局变化与生态耗水结构，综合应用遥感信息技术和统计学方法，从省域和水资源分区2个尺度系统研究20世纪90年代以来新疆绿洲的演变格局，分析绿洲生态耗水特性，揭示社会经济耗水与生态耗水之间的比例关系。结果表明，人工绿洲和天然绿洲的面积之比由0.625∶1演变为1.3∶1，其生态耗水总量分别由1990年的125.0亿m3和45.8亿m3增至2018年的182.2亿m3和71.9亿m3，呈波动增长的变化趋势;在空间上，绿洲耗水呈“北高-南低”的分布格局。新疆生态耗水总量为329.7亿m3，其中天然生态系统的耗水量为218.0亿m3，与总可利用水量之比分别为49.6%和32.8%。
关键词：生态耗水;水资源三级区;绿洲格局;耗水结构
中图分类号：TV213
文献标志码：A
文章编号：1001-6791（2023）05-0719-12
绿洲作为干旱区一种独有的生态景观，以3%～5%的面积承载了干旱区90%以上的人口，是干旱区的核心［1］。绿洲的形成和发展受水资源的制约，具有“唯水性”［2］。全球气候变暖加剧了水循环过程，进而引起水资源时空格局和总量的变化，可能打破了绿洲系统原有的平衡，导致部分绿洲的退化［3］。另外，在大规模、高强度的水土资源开发利用下，绿洲系统的生态用水被大量挤占，区域生态保护与经济发展之间的矛盾将进一步激化。因此，深入研究绿洲的演变格局和耗水特性，实现绿洲适宜格局下的耗水结构合理对统筹区域经济发展和生态环境保护具有重大意义。
现阶段，针对绿洲景观格局变化、绿洲土地利用与植被覆被转化和绿洲稳定性等方面已开展了大量研究［4-5］。然而，這些研究主要集中于流域、城市、灌区和绿洲-荒漠过渡带等区域单元［6-8］，对省域和水资源三级区下绿洲格局演变和结构变化仍缺乏系统性分析。绿洲的形成和发展必然会改变区域水资源供需状况，及时准确地把握绿洲生态耗水的动态变化对于实现绿洲水资源高效配置至关重要。国内外关于绿洲生态耗水计算已进行了较为深入的探讨，常用的耗水计算方法包括面积定额法、潜水蒸发法、水量平衡法和遥感法等［9-11］。这些研究在揭示绿洲演变、植被和气象要素对生态耗水的综合影响方面仍存在不足，且缺乏对生态耗水结构的定量分析。综上，本研究亟需解决的科学问题是解析绿洲格局演变下的耗水过程与机理，旨在保障绿洲适宜格局下的耗水结构合理。
本文采用Landsat 5土地利用数据和全球陆表特征参数（GLASS）蒸散产品数据，分析1990年以来新疆绿洲及其耗水的演变格局，求解各水资源三级区绿洲生态耗水的定量结果，分析新疆各水资源三级区生态耗水机理和过程，揭示新疆社会经济耗水和生态耗水结构特征，以期为保障新疆绿洲的生态安全和其他区域绿洲的水土资源合理开发提供科学指导。
1 数据来源与研究方法
1.1 研究区概况
新疆地处亚欧大陆腹地，面积约160万km2，位于73°40′E—96°23′E、34°25′N—49°10′N之间，是全球最典型的干旱区之一。气候类型属于典型的温带大陆性气候，干旱少雨，蒸散发强烈。北部的阿尔泰山、南部的昆仑山和横贯中部的天山将地区分割为南北两大部分，呈现出“三山夹两盆”的地貌格局（图1）。山区孕育的河流分布于盆地边缘，为绿洲提供充沛水源;平原区水资源稀缺，植被稀疏，被广袤的荒漠覆盖，由此构成了山区-绿洲-荒漠为主的生态系统。新疆河流交错，湖泊广袤，河川径流量约为893.1亿m3，域内水资源空间分布不均匀，北部高于南部，东部高于西部。
1.2 数据来源
采用的土地利用数据为美国国家航空航天局（NASA）发布的Landsat系列数据，分辨率为30 m，选择1990年、2000年、2010年和2020年生长季且云量小于10%的影像数据。借助Google earth的高分辨率影像，采用目视解译的方法判读Landsat 5的4期影像，得到研究区土地利用分布图。为了保证数据的判读精度，在研究区随机选样并对数据点分类验证，结果表明数据精度达到90%以上，满足后续的研究要求。
水体面积的反演在GEE（Google Earth Engine）云平台上操作，数据源为Landsat 5号、7号和8号生成的JRC Global Surface Water全球地表水数据集，时间跨度为1990—2020年，空间分辨率为30 m；蒸散数据来源于1990—2018年全球陆表特征参数的潜热通量产品（GLASS ET），空间分辨率为1 km，时间分辨率为8 d，该产品数据表征日潜热通量均值（W/m2），经过单位转换，将日潜热通量转为日蒸散量（mm/d），再合成年均蒸散量；植被数据和气象数据分别来自1990—2018年NASA和英国国家大气科学中心（NCAS）开发的GIMMS NDVI3g产品和CRU TS地表气象月数据集，空间分辨率分别为8 km和0.5°，本研究使用的水文数据来自《新疆水资源公报》和《全国第三次水资源调查评价成果》。
1.3 研究方法
1.3.1 绿洲的分类
以新疆水资源三级区（图2）作为基本研究单元，扣除21—26号无人区。根据绿洲的发生机制和覆被特征将20个水资源三级区分为人工绿洲和天然绿洲。
1.3.2 水体蒸发耗水计算
采用自动水体提取指数（IAWE）提取新疆地表水体面积［12］。该指数通过抑制阴影和深色表面的分类噪声来提高水体提取的准确性，相较于其他水体指数，IAWE较稳定且波段区间相对较窄，能很好地刻画形状复杂的地表水体信息。IAWE的计算公式如下：
IAWE=4（ρGre-ρSW1）-0.25ρNIR+2.75ρSW2（1）
式中：ρGre、ρNIR、ρSW1、ρSW2分别为绿光、近红外波段、短波红外1波段和短波红外2波段的反射率。由于新疆水体面积处于长期变化的状态，利用1990—2020年平均水体面积进行后续计算（表1）。采用水面蒸发模型计算新疆的水体耗水，计算公式为
E=αAEΦ（2）
式中：α为水面蒸发折算系数［13］;A为研究区域的多年平均水面面积，km2;EΦ为蒸发皿年蒸发量，mm。
1.3.3 趋势分析和显著性检验
为了深入认识新疆绿洲植被和水文因子的演变规律，本文采用线性回归法，通过计算Slope值［14-15］研究植被和绿洲耗水量的趋势变化；利用Mann-Kendall非参数检验法进行显著性检验，给定显著性水平α=0.05。
1.3.4 土地利用转移分析
土地利用转移矩阵是定量描述土地类型间相互转化的重要方法，能够具体反映土地利用的动态变化［16］。本文运用土地利用转移矩阵分析1990—2020年新疆绿洲的演变过程。
2 结果与分析
2.1 新疆绿洲的时空变化特征
表2表征了1990—2020年新疆绿洲面积的动态变化。天然绿洲面积不断缩减，2000年、2010年和2020年天然绿洲面积较1990年分别减小了6.1%、16.3%和25.5%；人工绿洲面积波动增长，在1990—2020年间增长了66.1%。天然绿洲集中分布在北疆的额尔齐斯河和南疆的塔里木河干流中下游、车尔臣河诸小河、叶尔羌河与和田河的部分地区;人工绿洲主要分布在中段诸河、伊犁河、阿克苏河和喀什噶尔河等地区（图3（a）、图3（b））。利用土地利用转移矩阵分析绿洲的时空演变特征（表3，图3（c））。经过近30 a的演变，人工绿洲总面积增加了4.0万km2，主要通过天然绿洲转入与非绿洲区扩张实现，其中由天然绿洲净转出2.5万km2，非绿洲区转移面积为1.5万km2。天然绿洲净转入人工绿洲的区域主要聚集在北疆的中段诸河、艾比湖水系、伊犁河和南疆的叶尔羌河、阿克苏河，其余区域零散分布。
2.2 新疆绿洲耗水特性
分别计算1990—1999年、2000—2009年和2010—2018年新疆绿洲年均耗水量（图4）。从图4可知，新疆绿洲耗水量呈北高-南低的空间格局。北疆的中段诸河、伊犁河、艾比湖水系为3段时期耗水量的高值聚集区（＞500 mm）;额尔齐斯河、乌伦古河和额敏河，叶尔羌河、渭干河和开孔河的部分区域为较高值的分布区（300～500 mm）;年均耗水量＜300 mm的地区主要集中在叶尔羌河下游、塔里木河干流、和田河、车尔臣河诸小河和克里亚河诸小河。这是由于新疆北部的降雨相对南部更丰沛，为植被的生长提供了额外的水源，故北部耗水量较高［17-18］。
图5计算了各格点耗水量的增速。3个研究时段中耗水量呈增长趋势的格点占比分别为67.9%、50.1%和98.9%，对应的增速分别为2.9、1.1和40.4 mm/a。增速高值区集中分布在北部的中段诸河和南部的渭干河、喀什噶尔河和叶尔羌河。2010—2018年耗水增速较前2个时段更高，车尔臣河诸小河耗水量增速最低，为21.8 mm/a;艾比湖水系耗水量增速最高，为53.6 mm/a。因此，新疆绿洲耗水量整体呈增长趋势，其中2010—2018年耗水量增幅明显。
结合水资源三级区绿洲覆被和绿洲矢量边界，提取植被的面积，与耗水量相乘得到人工绿洲和天然绿洲的植被耗水总量（图6）。人工绿洲和天然绿洲植被耗水总量均呈波动增长趋势。1990—2018年间，人工绿洲的植被耗水量由45.8亿m3增至71.9亿m3，增幅为57.0%;天然绿洲植被耗水量由125.0亿m3增至182.2亿m3，增幅为45.8%。在2000—2009年，人工绿洲和天然绿洲植被的年均耗水量分别为62.7亿m3和163.9亿m3，较1990—1999年分别增长了22.3%和24.0%。在2010—2018年，人工绿洲年均耗水量為70.5亿m3，较2000—2009年增长了12.1%;天然绿洲年均耗水量为174.2亿m3，增幅为6.9%。2010—2018年均绿洲植被总耗水量为244.7亿m3，较2000—2010年和1990—2000年分别增加了8.4%和34.7%。
图7给出各水资源三级区人工绿洲和天然绿洲的植被耗水总量。中段诸河、叶尔羌河和喀什噶尔河在1990—2018年间，人工绿洲耗水总量较其他水资源分区更多;吉木乃诸小河、巴伊盆地和克里亚河诸小河人工绿洲耗水总量较其他水资源分区更少。中段诸河和喀什噶尔河的人工绿洲耗水总量增量最明显，分别为4.3亿和4.1亿m3;吉木乃诸小河、巴伊盆地、吐鲁番盆地、和田河、车尔臣诸小河和克里亚河诸小河的耗水总量变化不明显，其中东段诸河增量最大，为0.39亿m3，吉木乃诸小河最小，仅0.02亿m3；塔里木河天然绿洲耗水总量明显高于其他分区;哈密盆地、吐鲁番盆地和巴伊盆地的天然绿洲耗水总量较其他分区较低；塔里木河干流和叶尔羌河天然绿洲耗水增量较大，分别由26.5亿和13.0亿m3增至47.5亿和23.1亿m3，对应增幅分别为79.1%和77.7%；其余水资源分区的天然绿洲耗水大多呈微弱增长的趋势。
2.3 新疆耗水结构分析
本研究的生态耗水包括天然生态系统耗水和人工生态系统耗水。
（1） 天然生态系统耗水。采用Slope值分析和Mann-Kendall显著性检验分别对新疆20个水资源三级分区的天然植被变化趋势进行识别，进而将植被覆被变化划为显著增长、非显著变化和显著减小3类（图8）。结果表明，植被覆被的变化趋势具有一定的空间异质性。其中，植被呈显著增长的栅格占总栅格的23.6%，在此区域内，南疆呈显著增长的面积占比最大，为56.4%，其次为北疆，为40.8%，东疆最小，仅2.8%;植被呈显著减小的面积占比32.3%，在此区域内，南疆占比最大，为68.3%，其次为北疆，28.8%，东疆最小，为2.9%。44.1%的区域植被未发生显著变化，在此区域内，南疆、北疆和东疆面积的占比分别为57.4%、40.0%和2.6%。
对于显著增长的栅格，选择发生突变年后的植被耗水均值作为生态耗水量;对于不显著变化和显著减小的栅格，统计近10 a天然植被耗水均值作为生态耗水量。二者之和可视为维持植被现状条件的生态耗水量，为179.3亿m3（图9（a））。利用水体指数和水面蒸發模型计算新疆天然河湖生态耗水量（图9（b）），为38.7亿m3。开孔河的湖泊生态耗水量最大，为11.9亿m3;乌伦古河和艾比湖水系的湖泊生态耗水量依次减小，分别为11.3亿和8.4亿m3;东段诸河的湖泊耗水量最小，为0.3亿m3。
（2） 人工生态系统耗水。统计2010—2018年人工绿洲植被耗水均值作为人工绿洲耗水量，为69.8亿m3。利用水面蒸发模型计算得水库、坑塘、洼地等水体生态耗水量为20.2亿m3，北疆和南疆的水体耗水量分别为9.0亿和11.1亿m3，占总耗水量的比例分别为44.6%和55.0%。开孔河水体耗水量最大，为4.0亿m3，其次为乌伦古河、中段诸河和叶尔羌河，耗水量均为2.5亿m3;东部的哈密盆地，吐鲁番盆地和北部的吉木乃诸小河的水体耗水量最小，均不足0.1亿m3。本研究根据新疆林业与草原局提供的数据，东疆、北疆和南疆的农田防护林面积分别为0.03万、0.24万和0.21万km2。参考《新疆维吾尔自治区农业灌溉用水定额：DB65/T 3611—2014》，利用面积定额法得到新疆农田防护林生态耗水量为21.7亿m3。北疆需水量最大，为10.8亿m3;其次为南疆，为9.5亿m3;东疆最小，为1.4亿m3。
根据以上计算结果，分析得到新疆现状水资源三级区的生态耗水量。新疆生态耗水总量为329.7亿m3，其中，绿洲植被总耗水量为249.1亿m3，占生态耗水总量的75.6%;坑塘、水库等水体的耗水量为20.2亿m3，占比为6.1%;河湖耗水量为38.7亿m3，占总耗水量的11.7%；农田防护林生态耗水量为21.7亿m3，占总耗水量的6.6%。天然生态系统耗水量218.0亿m3，其中，天然绿洲植被生态耗水量为179.3亿m3，河湖生态耗水量为38.7亿m3。人工生态系统耗水量为111.7亿m3，其中，人工植被生态耗水量为91.5亿m3，坑塘水库等水体耗水量为20.2亿m3。已有的水文资料显示，新疆人类活动区可耗水量为665.4亿m3。因此，新疆现状生态耗水总量（329.7亿m3）与可耗水总量之比为49.6%;用于维护天然生态系统的耗水量（218.0亿m3）与总可利用水量之比为32.8%。
3 讨论
新疆生态耗水的测算始终是优化水资源配置研究的重点。为了论证生态耗水量计算结果的合理性，与已有的研究结果进行对比（表4），除文献［19，21］的耗水核算结果偏小外，本研究与其余评价结果基本一致。这与近年来新疆水文情势的好转有关，2001—2016年全疆年平均河川径流较1980—2001年年平均河川径流增加了11.2%，径流总体呈偏丰状态［24］。对1990—2018年降雨进行空间趋势分析和M-K显著性检验（图10（a）），结果表明83.7%的格点呈不显著增长的趋势。在文献［19］中，人工系统生态耗水与本研究差异较大，产生这一差异的原因是新疆人工绿洲和水体面积的扩张，生态耗水量增长。值得注意的是，近30 a来，新疆天然绿洲规模缩减了25.5%（表2），但天然系统生态耗水与文献［20］的结果相近。另外，如图10（b）所示，60.2%的区域气温呈显著增长趋势。因此这一现象可以解释为：在水文情势好转和持续增温的共同影响下［25］，水资源耗散强度不断提高，相较于1990—1999年，2010—2018年的平均耗水量增加了38.9%（图4）。因而，天然绿洲面积减小，天然系统生态耗水仍呈增长趋势。总体而言，由于不同研究选取的计算方法、评估范围和研究时段的不同，评估结果可能存在一定差异。
天然绿洲在绿洲生态系统的占比对干旱区可持续发展起着至关重要的作用。以往研究表明，新疆人工绿洲与天然绿洲的合理比例在1∶1左右，红线比例为1.5∶1［22］。在1990—2020年间，人工绿洲和天然绿洲的面积比例由0.625∶1演变至1.3∶1，绿洲比例已超过合理比例，逐渐趋于红线。为此，在保障天然绿洲植被现状规模不再缩减的前提下，应严格控制人工绿洲的开发规模，积极修复严重退化的天然绿洲面积。
研究生态耗水与社会经济耗水的比例关系，可以为统筹区域生態保护和经济发展奠定理论基础。根据2022年新疆水资源公报的数据，从社会经济耗水角度推算，新疆可用水资源量为617.1亿m3，其中用于人类活动的水量为444.8亿m3，占比为72.1%，推算得生态耗水量为293.2亿m3，占用水总量的47.5%。这与2.3节的计算结果相符。因此，新疆现状耗水结构基本满足“在西北干旱区，流域耗水量的总和应不超过可用水资源量的70%;其中，生态环境和社会经济系统的耗水占比以各50%为宜”的内陆河水资源调控要求［26］。然而，这一计算结果是新疆水文情势好转的前提下推算出的。此外，本研究未考虑新疆地下水超采量。在此背景下，计算得新疆天然植被耗水量在2010—2018年的年均值为244.7亿m3，较2000—2010年和1990—2000年分别增加了8.4%和34.7%，此时生态耗水总量占人类活动区可耗水量的49.0%，天然生态系统耗水量占人类活动区可耗水量的32.4%（图5）。然而，在枯水年和平水年条件下，新疆生态耗水总量分别为264.1亿和293.1亿m3，分别占人类活动区可耗水量的39.7%和44.0%，显然难以满足“生态环境和社会经济系统的耗水占比以各50%为宜”的调控要求。由此可见，未来随着丰水周期的结束，加之持续增温引起的耗水强度增加，维系这一合理耗水结构将面临严重挑战。综上，应控制地下水超采，实施流域水资源管理制度，保障水量分配落实到位，权衡生态环境和社会经济耗水。此外，新疆生态耗水总量显著增长，但仍有32.3%的植被面积覆被显著减小，应优化流域工程布局和生态灌溉模式，提高水分利用效率［27］。
4 结论
本文应用遥感信息技术和统计学方法，利用土地利用数据和全球陆表特征参数蒸散数据，从省域和水资源分区2个尺度分析了1990年以来新疆绿洲格局及生态耗水的演变规律，揭示了新疆生态耗水的结构特征。主要结论如下：
（1） 1990—2020年间，人工绿洲面积不断侵占天然绿洲，绿洲配比逐步趋于1.5∶1。
（2） 新疆绿洲耗水量整体呈增长趋势，其中2010—2018年较1990—1999年和2000—2010年增幅更明显;绿洲耗水呈“北高-南低”的空间分布;人工绿洲和天然绿洲的植被耗水总量波动增长，增幅分别为57.0%和45.8%。
（3） 新疆的植被覆被23.6%显著增长，32.3%显著减小，44.1%未发生显著变化。新疆绿洲生态耗水量为249.1亿m3，天然湖泊生态耗水量为38.7亿m3，人工水库、坑塘等水体耗水量为20.2亿m3，农田防护林耗水量为21.7亿m3。新疆生态耗水总量为329.7亿m3，占总可利用水量的49.6%，耗水结构基本符合“生态环境和社会经济系统的耗水占比以各50%为宜”的调控原则。
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Analysis on the change of oasis pattern and ecological water
consumption structure in Xinjiang
The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China （No.52179028） and the Xinjiang Water Conservancy Science and Technology Special Fund Project，China （No.XSKJ-2023-08）.
LI Mengyi DENG Mingjiang LING Hongbo DENG Xiaoya YAN Junjie JIAO Ayong
（1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300350，China;
2. School of
Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China;
3. Xinjiang Irtysh River Basin Development and Construction
Management Bureau，Urumqi 830011，China;
4. Xinjiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of
Sciences，Urumqi 830011，China;
5. China Institute of Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China;
6. Yili Normal University，Yining 835000，China;
7. College of Water Resources and Hydropower，
Sichuan University，Chengdu 610065，China）
Abstract：This study aimed to assess the changes in oasis patterns and the ecological structure of water consumption in Xinjiang，China.Remote sensing information and statistical analysis were applied to study the evolution patterns of Xinjiang′s oases and water consumption in the province from the 1990s onward.In doing so，we aimed to reveal the proportional relationship between the socioeconomics and ecology of water consumption.The results showed that the ratio of artificial to natural oases increased from 0.625∶1 to 1.3∶1.Overall，the consumption of artificial and natural oases showed a fluctuating growth trend：the consumption of artificial and natural oases was 125.0 and 45.8 billion m3，respectively，in 1990，increasing to 18.22 and 7.19 billion m3，respectively，by 2018.Spatially，the consumption of Xinjiang′s oasis water was higher in the north and lower in the south.The total ecological water consumption in Xinjiang was 32.97 billion m3.Furthermore，the water consumption of natural ecosystems is was 21.80 billion m3，and the ratios to the total available amount of water amount are were 49.6% and 32.8%，respectively.
Key words：ecological water consumption;third-class water resource regions;oasis pattern;water consumption structure
