新疆瑪納斯河流域2000—2010年土地利用/覆蓋變化及影響因素

劉金巍，靳甜甜，劉國華，李宗善，楊榮金

(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100085; 2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100012; 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100038)

新疆瑪納斯河流域2000—2010年土地利用/覆蓋變化及影響因素

劉金巍1，靳甜甜2,*，劉國華1，李宗善1，楊榮金3

(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100085; 2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100012; 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100038)

在2000年和2010年兩期遙感影像解譯的基礎(chǔ)上，從土地利用類型的結(jié)構(gòu)、變化速率、變化方向及土地利用程度等方面分析了瑪納斯河流域土地利用的變化特征，并分析了影響土地利用變化的主要因素及不同因素之間的交互作用。結(jié)果表明：(1)近10年來，流域土地利用程度增強(qiáng)，人工綠洲呈擴(kuò)張趨勢，耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地大量增加，林地和未利用地減少；上游地區(qū)草地和冰川積雪覆蓋地面積增加。(2)耕地向內(nèi)部外部雙向擴(kuò)張，主要來源于林地、荒漠和鹽堿地；新增草地以山地裸地和山前荒漠的轉(zhuǎn)變?yōu)橹?；林地主要轉(zhuǎn)變?yōu)橹杏蔚母睾统青l(xiāng)工礦居民用地及上游的草地和裸地；城鄉(xiāng)工礦居民用地的增加主要來自荒漠、耕地和林地；未利用地變化以向人工綠洲土地類型的轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳌?3)上游土地利用變化主要受氣候變化的影響，降水量增加可能是冰川積雪面積擴(kuò)張的主要原因；中游人類活動(dòng)密集，耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地?cái)U(kuò)張，荒漠植被退化；下游受氣候和人類活動(dòng)共同作用，尾閭湖泊萎縮，河岸和湖周植被退化。

瑪納斯河流域；土地利用變化；氣候變化；人類活動(dòng)

我國西北干旱區(qū)是世界上生態(tài)環(huán)境最為脆弱的干旱區(qū)之一[1]，其典型地理單元為內(nèi)陸河流域。西北內(nèi)陸河流域是山地、綠洲和荒漠組成的典型的干旱區(qū)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[2]，氣候干旱，生態(tài)環(huán)境脆弱。內(nèi)陸河流域從上游到下游水熱條件變化較大，因此景觀多樣性較高，不同景觀之間便形成了干濕交替帶、農(nóng)牧交錯(cuò)帶、森林邊緣帶及沙漠邊緣帶等多種生態(tài)環(huán)境脆弱帶，生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性使其對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的干擾極其敏感[3]。近年來，氣候變化和人類活動(dòng)影響下土地利用變化的分析是國際學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問題之一，國內(nèi)研究主要集中在熱點(diǎn)地區(qū)和典型脆弱區(qū)，關(guān)注重點(diǎn)為土地利用變化趨勢、驅(qū)動(dòng)力以及生態(tài)效應(yīng)等[4- 6]。

西北干旱區(qū)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和土地利用的影響已有大量研究[7- 9]。施雅風(fēng)[1]通過對(duì)冰芯、冰川、積雪、河川徑流和湖泊的變化及其趨勢的研究表明：我國干旱內(nèi)陸河流域表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性暖干化趨勢，且這種變化具有時(shí)空分布的一致性。目前，西北內(nèi)陸河流域氣候變化引發(fā)冰川退縮、雪線上升、短期徑流增加等問題[10- 11]，進(jìn)而對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。20世紀(jì)40年代以來，西北干旱區(qū)人口的增加、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和水土資源的大規(guī)模開發(fā)利用引起了一系列水文、生態(tài)環(huán)境和土地覆蓋的變化，已影響到了區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人居環(huán)境[3]。

然而，氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)施加影響的過程、影響的時(shí)空特征、影響結(jié)果以及應(yīng)對(duì)措施均體現(xiàn)出較大的差異性。同時(shí)，氣候變化和人類活動(dòng)的影響相互作用，存在抵消、協(xié)同等作用，從而使生態(tài)系統(tǒng)變化的驅(qū)動(dòng)力較為復(fù)雜。為深入闡明不同驅(qū)動(dòng)力對(duì)土地利用變化的作用情況，需進(jìn)一步研究和探討不同驅(qū)動(dòng)力的變化趨勢及其相互作用情況，以減少預(yù)測的不確定性，為決策提供基礎(chǔ)理論支持。

瑪納斯河流域是我國西北典型干旱脆弱區(qū)，位于天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的核心區(qū)域，該流域是新疆最大的綠洲農(nóng)耕區(qū)和我國第四大灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)[12]。2000年實(shí)施西部大開發(fā)的同時(shí)該流域開始大規(guī)模實(shí)施膜下滴灌的高效節(jié)水技術(shù)，耕地面積迅速增加，在沙漠邊緣地區(qū)盲目開墾和打井現(xiàn)象嚴(yán)重。在生態(tài)環(huán)境脆弱的內(nèi)陸河流域開展大規(guī)模的水土資源開發(fā)，會(huì)對(duì)流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著影響，引發(fā)土地利用顯著變化，進(jìn)而使生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定性增加，可能對(duì)流域的生態(tài)安全及可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生威脅。該流域是氣候變化和人類活動(dòng)影響聚集區(qū)，同時(shí)也是典型脆弱小流域，因而是開展上述研究的理想?yún)^(qū)域。目前，瑪納斯河流域土地利用變化及驅(qū)動(dòng)力的研究主要集中在以下領(lǐng)域：氣候變化與徑流和冰川變化的關(guān)系[13- 15]、綠洲演變及其驅(qū)動(dòng)力[16- 18]、耕地?cái)U(kuò)張的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)[19- 20]、景觀格局的變化[21]等。

本文基于瑪納斯河流域2000年和2010年的土地利用數(shù)據(jù)，分析了該流域近10年來的土地利用變化特征，闡述了氣候變化、人口增長及農(nóng)業(yè)發(fā)展等因素對(duì)土地利用變化的驅(qū)動(dòng)作用，并探討了其相互作用，以期為該流域水資源的合理開發(fā)及農(nóng)業(yè)發(fā)展布局的生態(tài)影響評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域位于天山北麓中段，準(zhǔn)噶爾盆地西南部，總面積3.09 萬km2，地理位置為北緯43°05′—46°04′，東經(jīng)84°56′—86°42′。該流域地處歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，氣候干燥，為典型的溫帶大陸性氣候，年均氣溫4.7—5.7 ℃，其中最高氣溫達(dá)43 ℃，最低氣溫為-42.8 ℃，年平均降水量115—200 mm，由南向北遞減，且夏季多冬季少，年平均蒸發(fā)量在1500—2100 mm之間，干旱指數(shù)在4.0—10之間，年均風(fēng)速1.7 m/s[22]。自然生態(tài)系統(tǒng)類型以荒漠為主，景觀類型由南到北依次為高山冰川、森林、草甸、干草原和荒漠草原，垂直分異特征明顯[23]，綠洲分布以河流為依托，農(nóng)田灌溉主要依靠冰雪融水和降水形成的河流徑流水?，敿{斯河是流域內(nèi)最大的河流，源頭位于天山支脈依連哈比爾尕山的高山冰雪區(qū)，向北經(jīng)紅山嘴流入綠洲平原，穿過古爾班通古特沙漠最后注入瑪納斯湖。行政區(qū)劃上，瑪納斯河流域主要包括瑪納斯縣、沙灣縣和石河子市、兵團(tuán)農(nóng)八師和農(nóng)六師的農(nóng)牧團(tuán)場，另有克拉瑪依市、和布克賽爾蒙古自治縣以及和靜縣的部分地區(qū)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

采用瑪納斯河流域2000年的Landsat ETM影像和2010年的Landsat TM影像，行列號(hào)為144/28、144/29和144/30，空間分辨率為30 m，采集時(shí)間為6—8月份。遙感解譯時(shí)選用無云或少云的影像，結(jié)合地形圖、行政區(qū)劃圖及其它輔助圖件，并參考該地區(qū)氣候、土壤、植被等自然地理資料，在Ecogonition、ERDAS IMAGE 8.5和ArcGIS 9.3軟件下，進(jìn)行面向?qū)ο蟮挠跋穹诸惤庾g，得到瑪納斯河流域2000年和2010年的土地利用圖。解譯時(shí)，首先將兩期影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射糾正和幾何糾正；然后，根據(jù)覆蓋區(qū)域的影像情況劃分影像塊，將日期相同和塊間差別可忽略的影像塊合并成工作塊；接著，2012年5—6月份從中游到上游進(jìn)行分類地面樣本點(diǎn)采集，在此基礎(chǔ)上對(duì)照Google Earth和遙感影像特征進(jìn)行樣本點(diǎn)擴(kuò)充，隨機(jī)選取30%的樣本點(diǎn)用于解譯精度驗(yàn)證；最后，進(jìn)行樣本訓(xùn)練，開展基于支持向量計(jì)算法的自動(dòng)分類，利用精度驗(yàn)證點(diǎn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明影像總體解譯精度為80%左右，基本可以達(dá)到研究所需要求。

土地利用分類系統(tǒng)基于劉紀(jì)遠(yuǎn)等[24]的分類標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)基于TM遙感影像，從遙感監(jiān)測實(shí)用操作性出發(fā)，是遙感影像解譯中常用的標(biāo)準(zhǔn)。本研究根據(jù)西北干旱地區(qū)自身的特點(diǎn)，將原有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，最終將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地、未利用地和冰川積雪覆蓋地7個(gè)一級(jí)類型，并將水域進(jìn)一步分為河渠、湖泊、水庫、坑塘和河灘沼澤地，將未利用地劃分為裸土沙地、鹽堿地、裸巖和荒漠。

所用氣象資料來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/)。瑪納斯河流域內(nèi)只有石河子站1個(gè)國家級(jí)氣象觀測站，為了更準(zhǔn)確地反映流域的氣候變化，另選取流域周邊的克拉瑪依站、烏蘇站、巴音布魯克站和巴侖臺(tái)站4個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)近似比較。通過統(tǒng)計(jì)各個(gè)氣象站點(diǎn)1959—2010年的年均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)，運(yùn)用線性趨勢法分析氣溫、降水的年際變化。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)及人口數(shù)據(jù)來源于新疆統(tǒng)計(jì)年鑒、中國縣(市)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)統(tǒng)計(jì)年鑒等。

2.2 研究方法

土地利用變化過程和趨勢通過定量化的指數(shù)模型或數(shù)值如結(jié)構(gòu)變化、凈變化、變化方向、變化速度等來表征[25]。主要指數(shù)的計(jì)算方法如下：

(1)單一土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)(K)

也稱變化率指數(shù)，該指數(shù)的計(jì)算以土地利用類型的面積為基礎(chǔ)，可反映一定時(shí)間范圍內(nèi)各土地類型的變化幅度和速度。

式中，Ua、Ub分別為研究期始、末某一地類的面積；T為研究時(shí)段，當(dāng)用年表示時(shí)即為區(qū)域此類土地利用類型的年變化率。

(2) 土地利用程度綜合指數(shù)(L)

該指數(shù)及其變化可定量揭示區(qū)域土地利用的程度及變化。本文土地利用程度的分級(jí)及分級(jí)指數(shù)的取值依據(jù)劉紀(jì)遠(yuǎn)等[24]的研究結(jié)果，劃分為4級(jí)，包括未利用土地級(jí)(未利用地)、林草水用地級(jí)(林地、草地和水域)、農(nóng)業(yè)用地級(jí)(耕地)和城鎮(zhèn)聚落用地級(jí)(城鄉(xiāng)工礦居民用地)。

A未利用地=1,A林草水=2,A農(nóng)業(yè)用地=3,A城鎮(zhèn)聚落=4

式中，L為區(qū)域土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為土地利用程度第i級(jí)的分級(jí)指數(shù)；Ci為土地利用程度第i級(jí)的面積百分比；n為土地利用程度分級(jí)數(shù)。

3 結(jié)果與分析

從圖1可以看出，近10年來，瑪納斯河流域的土地利用發(fā)生了很大的變化。2000—2010年，流域土地利用的變化集中表現(xiàn)為耕地內(nèi)部外部雙向擴(kuò)張，城鄉(xiāng)工礦居民用地增加，林地和未利用地減少。上游地區(qū)草地和冰川積雪覆蓋地增加，中游地區(qū)人工綠洲不斷向北部古爾班通古特沙漠延伸擴(kuò)張，沖洪積平原區(qū)耕地斑塊逐漸連片，形成大的綠洲群。

圖1 瑪納斯河流域2000年和2010年土地利用Fig.1 Land use of Manas River Basin in 2000 and 2010

3.1瑪納斯河流域土地利用類型變化特征

3.1.1瑪納斯河流域各土地利用類型的數(shù)量變化

瑪納斯河流域總面積為3.09 萬km2，從土地利用類型的構(gòu)成來看(表1和圖2)，瑪納斯河流域以未利用地(裸土沙地、鹽堿地、裸巖和荒漠)為主，2010年面積為1.46 萬km2，占流域總面積的47.2%，其次是耕地和草地，分別占20.2%和18.3%，而水域和河灘沼澤地面積較小，均占0.7%左右。

從流域各土地利用類型的面積、結(jié)構(gòu)變化及變化速度來看，2000—2010年，未利用地總面積由17529.4 km2減少到14550.3 km2，占流域總面積的比例由56.8%降低到47.2%，其中，各種未利用地面積均為減少趨勢，主要表現(xiàn)為荒漠和裸土沙地分別減少了1045.6 km2和1299.4 km2，動(dòng)態(tài)度分別為1.71%和2.65%。林地面積大幅減少，由2270.9 km2減少到1355.7 km2，動(dòng)態(tài)度為4.03%，占流域總面積的比例由7.4%降低到4.4%。水域面積有減少趨勢，由2000年的360.9 km2減少到202.6 km2，動(dòng)態(tài)度為4.39%。耕地和草地的面積大量增加，分別增加了1728.2 km2和1158.3 km2，動(dòng)態(tài)度分別為3.85%和2.58%，占總面積的比例大幅提高，2000年占流域總面積的比例均為14.6%，到2010年分別升高到20.2%和18.3%。城鄉(xiāng)工礦居民用地和冰川積雪覆蓋地面積大幅增加，分別由734.2 km2和774.7 km2增加到1445.2 km2和1196.9 km2，年均分別增加9.68%和5.45%，占總面積的比例分別由2.4%和2.5%升高到4.7%和3.9%。河灘沼澤地面積略有增加，近10年來增加了28.6 km2，動(dòng)態(tài)度為1.46%。

表1 瑪納斯河流域2000—2010年各土地利用類型面積及變化

圖2 瑪納斯河流域2000年和2010年土地利用結(jié)構(gòu)Fig.2 Land use structure of Manas River Basin in 2000 and 2010

人類對(duì)自然生態(tài)的干預(yù)程度可以用耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地面積占總面積的比例大小來表示[26]，2000—2010年，耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地面積之和占流域總土地面積的比例由16.9%增加到24.8%，表明近10年來該流域的人類活動(dòng)對(duì)自然景觀的干預(yù)程度加劇了。

3.1.2瑪納斯河流域各土地利用類型的流入流出

表2和圖3分別為瑪納斯河流域2000—2010年各土地利用類型流入流出情況及主要土地類型變化的空間分布，可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：(1)耕地的轉(zhuǎn)入面積遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出面積，有2451.8 km2的其它土地類型轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，從空間分布來看，主要發(fā)生在流域中下游石河子、沙灣及兵團(tuán)墾區(qū)，以耕地向內(nèi)部填充擴(kuò)張及對(duì)周邊未利用地和荒漠林地的侵占為主，具體主要來源于道路和耕地附近的荒漠、灌木林地和鹽堿地，分別有871.8、575.9 km2和437.3 km2轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀?2)草地集中分布在流域上游，以轉(zhuǎn)入為主，轉(zhuǎn)入面積為1945.2 km2，僅次于耕地，主要來自裸地、林地及山前荒漠的轉(zhuǎn)變，分別有1040.6、537.5 km2和330.6 km2轉(zhuǎn)化為草地；(3)林地大量轉(zhuǎn)出，有1557.6 km2轉(zhuǎn)化為了其它土地類型，結(jié)合空間分布來分析，主要有兩大原因，一是中下游耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地的不斷擴(kuò)張侵占了大量林地，占用林地的面積分別為575.9 km2和218.8 km2，二是上游山區(qū)的林地退化為草地和裸地，轉(zhuǎn)出面積分別為330.6 km2和232.6 km2；(4)水域變化的主要趨勢為水域的轉(zhuǎn)出和冰川積雪覆蓋地的轉(zhuǎn)入，前者主要是由于瑪納斯湖干涸，轉(zhuǎn)變?yōu)辂}堿地和裸土沙地，而后者主要來源于裸巖；(5)城鄉(xiāng)工礦居民用地的增加主要來自荒漠、耕地和林地，轉(zhuǎn)入面積分別為402.2、353.1 km2和218.8 km2，而轉(zhuǎn)出的去向主要為耕地，有333.7 km2變?yōu)楦兀嫁D(zhuǎn)出總面積的67.4%；(5)未利用地的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出也很劇烈，各類型土地的轉(zhuǎn)出均大于轉(zhuǎn)入，其中裸土沙地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出的對(duì)象均以荒漠和鹽堿地為主，鹽堿地主要向裸土沙地和荒漠轉(zhuǎn)變或者被開墾為耕地，而轉(zhuǎn)入則主要是由于下游地區(qū)部分裸土沙地及荒漠的鹽堿化，荒漠主要向耕地、城鄉(xiāng)工礦居民用地及草地轉(zhuǎn)變(表2)。

圖3 瑪納斯河流域2000—2010年主要土地類型變化的空間分布Fig.3 The spatial distribution of the main land use conversion from 2010 to 2010 in Manas River Basin

3.1.3瑪納斯河流域土地利用程度及變化

從整個(gè)流域來看，由于未利用地面積所占比例大，瑪納斯河流域的綜合土地利用程度較低，2000年，土地利用程度綜合指數(shù)為163，隨著未利用地面積的減少以及耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地面積的增加，至2010年流域土地利用程度綜合指數(shù)增加為182，土地利用程度增強(qiáng)，表明近10年來瑪納斯河流域的土地利用處于發(fā)展上升期，人工綠洲處于擴(kuò)張的態(tài)勢。

表2 瑪納斯河流域2000—2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 瑪納斯河流域氣候變化

表3為瑪納斯河流域內(nèi)及周邊氣象站點(diǎn)的地理位置、氣溫、降水量等信息，圖4為各氣象站點(diǎn)的空間分布。從中可以看出，1959—2010年，瑪納斯河流域及周邊各氣象站點(diǎn)的氣溫均呈上升趨勢，年均增加在0.025—0.04 ℃之間，除巴音布魯克站氣溫的升高只達(dá)到顯著水平外，其余站點(diǎn)均達(dá)到了極顯著水平，其中，瑪納斯河流域內(nèi)部石河子站的氣溫上升速度最快，年均上升0.04 ℃。各站點(diǎn)年降水量的變化也呈增加趨勢，年均增加0.377—1.051 mm，但速度較為緩和，只有烏蘇站和巴音布魯克站達(dá)到了顯著水平?？傮w來看，近50年來，瑪納斯河流域氣候總體有變暖變濕的趨勢，這與前人的研究結(jié)果也是一致的[27- 28]。

表3 瑪納斯河流域及周邊氣象站點(diǎn)信息

*代表變化顯著(P<0.05)，**代表變化極顯著(P<0.01)

圖4 瑪納斯河流域內(nèi)及周邊氣象站點(diǎn)的空間分布Fig.4 The location of meteorological stations in and around the Manas River Basin

3.3 瑪納斯河流域人類活動(dòng)指標(biāo)變化

人類活動(dòng)是內(nèi)陸河流域影響土地利用變化的又一重要因素，人口的增加和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來人們對(duì)衣、食、住、行等需求的增加，迫使人們將更多的自然土地開墾或開發(fā)為耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地，是土地利用及其空間結(jié)構(gòu)演變的最根本動(dòng)力[29]?，敿{斯縣、石河子市和沙灣縣是該流域人口和經(jīng)濟(jì)集中分布的區(qū)域，根據(jù)年鑒相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料的分析，2000年三地區(qū)總?cè)丝跒?5.6 萬，GDP為84.6 億元，到2010年人口增加到101.5 萬，GDP達(dá)345.5 億元(圖5)。

圖5 瑪納斯河流域2000—2010年人口和GDP變化趨勢Fig.5 Trends of population and GDP in Manas River Basin from 2000 to 2010

4 討論及結(jié)論

4.1氣候變化對(duì)瑪納斯河流域土地利用變化的影響分析

瑪納斯河流域氣溫明顯升高，而降水量呈弱增加趨勢，5個(gè)氣象站點(diǎn)的平均氣溫變化率為0.035 ℃/a，高于我國平均增溫速率[30]。氣溫升高會(huì)增加該流域的潛在蒸散發(fā)，加快流域水文循環(huán)，改變流域熱量分配，進(jìn)而引起土地利用的變化。在流域諸多土地利用類型中，對(duì)氣候變化較為敏感的土地利用類型為冰川積雪。

冰川對(duì)氣候變化響應(yīng)敏感，氣溫升高直接導(dǎo)致冰川的消融，而降水的增加則有利于冰川的積累[30]。由于天山北麓瑪納斯河上游山區(qū)缺乏氣象觀測站，以與之距離較近、海拔相近的巴音布魯克和巴倫臺(tái)為代表，其中巴音布魯克海拔較高，與冰雪覆蓋區(qū)域的氣候較為接近，因此利用該站數(shù)據(jù)進(jìn)行替代分析。從表3和圖4來看，巴音布魯克臺(tái)站海拔高，氣溫低，年均溫-4.3 ℃，近50年來呈極顯著增加趨勢，年均增加0.025 ℃，多年平均降水量271.3 mm，增加趨勢顯著，年均增加1.025 mm。氣溫升高會(huì)加速冰雪融化，導(dǎo)致冰川萎縮，而降水量增加會(huì)增加水源進(jìn)而增加冰雪覆蓋面積，因此，氣候變化對(duì)冰雪覆蓋面積變化的影響存在不確定性。根據(jù)本文土地利用的研究結(jié)果，與2000年相比,2010年冰川積雪覆蓋地面積增加了422.2 km2，這與前人有關(guān)西北地區(qū)氣候變暖、冰川消融的研究結(jié)果相悖[15, 31]。為進(jìn)一步闡明近年來該流域冰雪覆蓋面積的變化，選取2000—2010年8—9月份質(zhì)量較好的TM和ETM影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯。解譯結(jié)果表明(圖6)，除2005年外，2000—2010年瑪納斯河流域冰雪覆蓋面積呈遞減趨勢，與以往研究結(jié)果一致。出現(xiàn)這種差異的原因主要為，在2010年土地利用的解譯中所使用的冰雪覆蓋區(qū)域的遙感影像為6月8日數(shù)據(jù)。而根據(jù)2010年巴音布魯克氣象數(shù)據(jù)，6月份巴音布魯克降水量較多，為103.4 mm，短期大量降水導(dǎo)致解譯的冰雪覆蓋面積較大，而根據(jù)2010年8月3日的冰雪解譯結(jié)果，2010年冰雪覆蓋面積較往年呈略微下降的趨勢。冰雪在內(nèi)陸河流域水循環(huán)中占據(jù)重要地位，氣候變化會(huì)影響冰雪量變化進(jìn)而影響其它水循環(huán)過程。出山徑流量主要來自上游降水量和冰雪融水量的補(bǔ)給，據(jù)圖6所示，瑪納斯河流域出山徑流的變化與巴音布魯克的降水量變化趨勢相似,2002年巴音布魯克降雨量為339.8 mm，瑪納斯河出山徑流量達(dá)到27.68 億m3。

圖6 瑪納斯河流域2000—2010年均溫、年降水、出山徑流和冰雪覆蓋面積變化Fig.6 Mean annual temperature, annual precipitation, runoff and snow-covered area changes in Manas River Basin from 2000 to 2010

4.2人類活動(dòng)對(duì)瑪納斯河流域土地利用變化的影響分析

人類活動(dòng)是最具活力的土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力之一[32]，人口增長、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及水資源的開發(fā)利用程度是導(dǎo)致瑪納斯河流域土地利用變化的重要因素之一，耕地、城鄉(xiāng)工礦居民用地等是對(duì)人類活動(dòng)較為敏感的土地利用類型，而耕地面積擴(kuò)張和水資源利用變化對(duì)荒漠、綠洲等的變化又有潛在影響。

為滿足人口增加和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，瑪納斯河流域耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地面積不斷向周邊未利用地和林地?cái)U(kuò)張，特別是接近綠洲區(qū)的古爾班通古特沙漠南緣被大量開發(fā)利用，導(dǎo)致耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地迅速增加而未利用地和林地大面積減少，尤其是城鄉(xiāng)工礦居民用地增加速度最快，近10年來面積增加了近1倍，年均增長9.7%。人類活動(dòng)擴(kuò)展，將古爾班通古特沙漠邊緣的灌木林地、平沙地草灌叢、沙堆、沙丘間洼地開辟為耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地，有研究表明[17]，近年來約有1.5—2.0萬hm2的梭梭林和琵琶柴荒漠被開墾為耕地，棄耕后成為光板不毛地，導(dǎo)致沙漠邊緣的荒漠植被不斷減少。土地利用變化下，人類對(duì)流域水循環(huán)也產(chǎn)生了顯著影響?，敿{斯河流域農(nóng)業(yè)用水量占流域總用水量的比例較大，以新疆兵團(tuán)為例，其農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的97%以上[33]，而耕地面積的擴(kuò)張對(duì)水資源影響顯著。20世紀(jì)90年代后期以來節(jié)水技術(shù)的推廣[16]雖然大大降低了農(nóng)業(yè)的灌溉用水定額，但節(jié)水技術(shù)的提高誘使人們四處打井開荒，流域灌溉總耗水量增加，原有農(nóng)田退水對(duì)地下水的補(bǔ)給被切斷，導(dǎo)致地下水位不斷下降，依靠地下水維持生存的綠洲邊緣荒漠植被旱化衰亡。2000年以來農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉在新疆地區(qū)迅速推廣，到2009年兵團(tuán)節(jié)水面積占總灌溉面積的62%[34]。根據(jù)以往研究，傳統(tǒng)溝灌條件下灌溉用水量約為7400—8235 m3/hm2[36]，退水率約為25%[35- 36]，節(jié)水條件下一般為4500—5000 m3/hm2[16]，退水率取0%。根據(jù)兵團(tuán)2000—2010年灌溉面積的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，假設(shè)節(jié)水面積從2000到2010年穩(wěn)步增長，節(jié)水灌溉定額取4750 m3/hm2，傳統(tǒng)灌溉定額取7800 m3/hm2，則計(jì)算可得到不同年份的灌溉總用水量及灌溉總退水量(圖7)。由估算結(jié)果可知，在灌溉面積持續(xù)增加的情況下，雖然節(jié)水措施的采取使總用水量保持穩(wěn)定甚至出現(xiàn)降低情況，但農(nóng)田灌溉退水量由2000年的18.4 億m3減少到2010年的7.7 億m3，生態(tài)用水被進(jìn)一步擠占。此外，高效節(jié)水技術(shù)緩解了部分地區(qū)耕地的鹽堿化問題，大面積鹽堿地改良或棄耕后復(fù)墾，而在有些地區(qū)由于水資源管理不善，荒漠和裸土沙地鹽堿化嚴(yán)重。

圖7 新疆兵團(tuán)歷年灌溉面積以及估算的灌溉用水量和退水量Fig.7 Irrigated area over the years and estimates of irrigation water use and irrigation return flow in Xinjiang Production and Construction Corps

4.3 不同影響因素交互作用分析

影響土地利用類型變化的因素較多，而不同因素同時(shí)作用，彼此之間存在交互作用。不同區(qū)域不同土地利用類型的變化受到多種因素的影響，如前所述冰川面積變化主要受到氣候變化的影響，人為因素占次要地位，而耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地變化的最主要驅(qū)動(dòng)力為人類活動(dòng)。而有些土地利用類型變化較明顯的受兩種驅(qū)動(dòng)力共同的影響，不同驅(qū)動(dòng)力之間交互作用明顯，如尾閭湖泊、交錯(cuò)帶等。

瑪納斯河流域北部瑪納斯湖位于克拉瑪依附近，該尾閭湖于1972年干涸[37]，根據(jù)遙感影像分析，2000年瑪納斯湖匯集了較淺水面，而2010年水面完全消失變?yōu)辂}堿地和裸土沙地。從自然因素分析，該區(qū)域處于沙漠邊緣，地表空曠，風(fēng)力較強(qiáng)，蒸發(fā)到空氣中的水汽難以貯存，以克拉瑪依站為代表，該區(qū)增溫趨勢較明顯，而降水量雖有增加，但趨勢沒有升溫明顯，無法補(bǔ)償氣溫升高后蒸發(fā)量增加導(dǎo)致的地表水量的減少。另一方面，中游耕地面積的增加以及膜下滴灌節(jié)水技術(shù)的推廣，導(dǎo)致農(nóng)田退水量減少，湖泊、地下水和徑流補(bǔ)給量減少。

交錯(cuò)帶是內(nèi)陸河流域較為脆弱的區(qū)域，同時(shí)也是氣候變化和人類活動(dòng)敏感區(qū)。瑪納斯河流域氣溫升高使林線上升，林地向草地轉(zhuǎn)化，此外，該流域生態(tài)建設(shè)會(huì)顯著增加人工林面積。而草地和林地交錯(cuò)帶的放牧活動(dòng)對(duì)森林的繁育具有顯著影響，也促使流域林地下邊緣上移，林地轉(zhuǎn)化為草地。氣候變化和人類活動(dòng)影響下，流域下游地區(qū)地下水位下降，河道徑流量減少，灌叢草地和荒漠交錯(cuò)地帶依靠地下水生存的荒漠灌叢和草地向荒漠轉(zhuǎn)變，湖泊周圍植被也呈現(xiàn)荒漠化趨勢。

通過以上研究得到以下結(jié)論：

(1)流域土地利用類型以未利用地為主，占47%以上，其次為耕地和草地，林地面積較小，而水域和河灘沼澤地面積最小，為典型的干旱內(nèi)陸河流域。

(2)近10年來流域土地利用變化顯著，人工綠洲的不斷擴(kuò)張導(dǎo)致土地利用程度呈上升趨勢。耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地不斷增加，分別增加1728.2 km2和711.0 km2，年均增加3.85%和9.68%；未利用地和林地面積逐漸減小，分別減少2979.1 km2和915.2 km2，其中以荒漠、裸土沙地和灌木林地的減少最多；草地和冰川積雪覆蓋地面積分別增加1158.3 km2和422.2 km2，水域面積總體減少158.3 km2而河灘沼澤地略有增加。

(3)從土地類型間的轉(zhuǎn)化來看，綠洲區(qū)耕地向內(nèi)部外部雙向擴(kuò)張，轉(zhuǎn)入遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)出，新增耕地主要來源于荒漠、灌木林地和鹽堿地；草地的增加主要由于山區(qū)的裸地、林地及山前荒漠的轉(zhuǎn)入；林地轉(zhuǎn)出主要表現(xiàn)為在上游向草地、裸地轉(zhuǎn)變而在中游轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾统青l(xiāng)工礦居民用地；城鄉(xiāng)工礦居民用地的增加主要來源于荒漠、耕地和林地；2010年冰川積雪面積的增加區(qū)域主要為裸巖；未利用地主要向人工用地轉(zhuǎn)變，荒漠、裸土沙地主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦?、城鄉(xiāng)工礦居民用地及草地，部分地區(qū)鹽堿化改善，變?yōu)槁阃辽车?、荒漠或者耕地?/p>

(4)流域土地利用變化受氣候變化和人類活動(dòng)的共同作用。氣候變化對(duì)上游人類活動(dòng)干擾較小的冰川、草地及林地等土地類型的分布有較大影響；中游是人類活動(dòng)密集區(qū)，耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地?cái)U(kuò)張等人類活動(dòng)是造成荒漠植被退化的重要原因；下游地區(qū)在氣候變化和人類活動(dòng)的共同影響下，尾閭湖泊萎縮，河道兩旁植被退化嚴(yán)重。

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Analysisoflanduse/coverchangefrom2000to2010anditsdrivingforcesinManasRiverBasin,Xinjiang

LIU Jinwei1, JIN Tiantian2,*, LIU Guohua1, LI Zongshan1, YANG Rongjin3

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100012,China3ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100038,China

Based on Landsat TM/ETM (Thematic Mapper / Enhanced Thematic Mapper) image data from 2000 and 2010 and some other survey and statistical data, this paper first analyzed the characteristics of land use/cover change in the Manas River Basin of Xinjiang.We used numerical computation methods and index models, including land use/cover structural changes, the single land use/cover dynamic index, the land-use transfer matrix and the land use degree index, to determine the features of land use/cover change both temporally and spatially.Subsequently, the main drivers of land use /cover change and the interaction between different factors were analyzed based on a comprehensive consideration of natural factors and human factors.The findings of this study may be summarized here.(1) The land use/cover structure of this basin was dominated by unused land in both 2000 and 2010, followed by cultivated land and grassland, and lastly by water (the smallest area).The extent of land use in 2010 increased compared with that in 2000 across the whole basin.The cultivated land and built-up land increased at an accelerated rate, especially in the middle region, which at the same time resulted in a significant expansion of artificial oasis and led to an evidently decreasing trend of woodland and unused land.In the upper reaches, the most obvious change of land use/cover was the areas of grassland, glaciers and snow-covered land-a clear sign of expansion.(2) The cultivated land indicated a quite remarkable outward and inward expansion trend.According to our data for the conversion of land use/cover in 2010, the new cultivated land was mainly derived from desert shrubbery land, desert and saline-alkali land.Grassland was mostly concentrated in the upper reaches and experienced an obvious increasing trend second only to cultivated land.The increased area was mainly converted from bare rock on the mountain and piedmont desert.Built-up land also showed a noticeable increase because of the occupation of desert, cultivated land and woodland.According to our data for the change in destination of land use/cover in 2000, the reduced woodland primarily evolved to cultivated land and built-up land in the middle reaches, and to grassland and bare land in the upper reaches.Additionally, the reduced unused land was mainly transformed into artificial oasis land types.A greater proportion of bare land and sand, saline-alkali land and desert was converted into cultivated and built-up land.(3) The climate of this basin was characterized by a warming and wet trend from 1959 to 2010.Climate change was the dominant factor of land use/cover change in the upper reaches.The increase in precipitation, especially short-term heavy rainfall, might be the primary cause of the advance of glaciers and snow-covered land.In the middle reaches, the most noticeable features were the increase in cultivated and built-up land and the degradation of desert vegetation.It could be speculated that this was mainly attributable to the intensified anthropogenic activities concomitant with economic growth and the increase in population.Moreover, the reduction in gross irrigation water uptake led to an even greater reduction in return water, which led to an even greater reduction in the water needed ecologically and a degradation of natural oasis land.The evident decline in terminal lakes and serious degradation of the associated vegetation in the lower reaches are directly attributable to the combined impact of climate change and human activities.

Manas River Basin; land use change; climate change; human activities

西北(甘青新)重點(diǎn)區(qū)域和行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略環(huán)境評(píng)價(jià)生態(tài)專題資助項(xiàng)目(D237)

2013- 04- 23;

2013- 11- 19

10.5846/stxb201304230781

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jtt_05@163.com

劉金巍，靳甜甜，劉國華，李宗善，楊榮金.新疆瑪納斯河流域2000—2010年土地利用/覆蓋變化及影響因素.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(12):3211- 3223.

Liu J W, Jin T T, Liu G H, Li Z S, Yang R J.Analysis of land use/cover change from 2000 to 2010 and its driving forces in Manas River Basin, Xinjiang.Acta Ecologica Sinica,2014,34(12):3211- 3223.