生態(tài)輸水前后塔里木河下游綠洲特征分析

王永嘉，郭宇宏

（新疆環(huán)境監(jiān)測總站，新疆 烏魯木齊830011）

綠洲是干旱區(qū)特有的景觀，是干旱區(qū)最為精華的部分，沒有綠洲就沒有干旱區(qū)的生存與發(fā)展。綠洲是自然和人工相結(jié)合的綜合體，根據(jù)其發(fā)生機制，可以劃分為人工綠洲和天然綠洲。但是近年來，由于在經(jīng)濟發(fā)展和巨大的經(jīng)濟利益驅(qū)動下人工綠洲所占比例大幅增加，導(dǎo)致一系列生態(tài)問題，主要表現(xiàn)為人工綠洲擴張，天然草地、草場、野生動物棲息地、自然水域減少。研究探討維持合適的綠洲比例，對實現(xiàn)人工綠洲和天然綠洲協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展，具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義[1，2]。

國內(nèi)外關(guān)于干旱區(qū)人工綠洲與天然綠洲適宜面積比例的研究有很多[3-5]，但是不同地點、不同研究方法等導(dǎo)致研究結(jié)果不盡相同。關(guān)于綠洲轉(zhuǎn)化方面，謝霞和塔西甫拉提[6]利用綠洲、荒漠重心遷移模型，分析了艾比湖流域綠洲和荒漠化的時空變化；魏偉等[7]采用干擾度指數(shù)、景觀脆弱度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和破碎度等指數(shù)等分析了石羊河武威、民勤綠洲景觀空間變化特征并評估了綠洲生態(tài)風險。分析與探討維持合適的綠洲比例，對實現(xiàn)人工綠洲和天然綠洲協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展，具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義。

塔里木盆地是西北地區(qū)乃至整個中國典型的極度干旱區(qū)[8-9]，植被退化、沙漠化擴張，生態(tài)環(huán)境嚴重惡化成為塔里木河下游的主要特征[10]；塔里木河干流分為上、中、下游三段，其中，塔里木河下游是從恰拉至臺特瑪湖，河道長428 km，河道呈東南方向穿行于塔克拉瑪干沙漠與庫魯克沙漠之間狹窄的沖積平原上。1970年后英蘇以下266 km河道斷流，1974年臺特瑪湖干涸[11]。塔里木河下游日益嚴重的生態(tài)退化問題引起了中國政府和社會各界的廣泛關(guān)注，為此，中國政府投資107億元用于塔里木河流域的生態(tài)整治，并于2000年5月啟動了塔里木河下游生態(tài)輸水工程，至2011年，隨著生態(tài)輸水的持續(xù)進行，地下水位有所抬升，地表植被長勢有所改善[12]。

關(guān)于塔里木河下游人工與天然綠洲相互轉(zhuǎn)化的研究較少。本文分析了塔里木河下游在生態(tài)輸水前后人工、天然綠洲的轉(zhuǎn)化過程特征，并探討了研究時段人工—天然綠洲面積比例的適宜性。

1 研究區(qū)概況

塔里木河下游在行政范圍上包括尉犁縣和若羌縣的部分區(qū)域以及兵團二師31、33、34團（原來的31、32、33、34、35團）。據(jù)遙感解譯資料，塔河下游流域面積約3900 km2。區(qū)內(nèi)水、土、光、熱、生物資源和地下油氣儲量豐富，是中國重要的優(yōu)質(zhì)棉花和特色水產(chǎn)生產(chǎn)基地。

塔里木河下游地區(qū)降水十分稀少，屬暖溫帶極端干旱區(qū)。據(jù)鐵干里克氣象站和若羌氣象站歷史資料，年降水量僅17.4耀33.5 mm，潛在年蒸發(fā)量高達2671耀2902 mm。年平均氣溫10.7耀11.5益；年日照時數(shù)3082.7耀3121.3 h，年平均風速2.2耀2.8 m/s；年累計大風（風速逸17.2 m/s）日數(shù)15.7耀37.1 d。受蒙古高壓影響，全年盛行東北風，多風沙天氣，年沙塵暴日數(shù)8.1耀15.1 d，浮塵天氣48.3耀122.4 d。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

對1990、2000、2010年的塔里木河下游30 m分辨率的TM影像進行解譯，其中土地利用/覆被類型的劃分是按照國家環(huán)境保護總局發(fā)布的HJ/T192-2006《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范（試行）》中土地利用類型的標準進行土地利用要素的提取，并繪制出塔里木河下游土地利用圖。在ERDAS9.0和ArcGIS 9.0的支持下，按照上述的分類系統(tǒng)對三期遙感影像進行目視解譯并數(shù)字化、建立拓撲關(guān)系，并用野外考察數(shù)據(jù)對解譯結(jié)果進行校正，獲得三期土地利用圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。

2.2 綠洲分類方法

在綠洲平原區(qū)，將各土地利用分類類型進行分類劃分，分為人工綠洲和天然綠洲[13-14]（表1）。

2.3 轉(zhuǎn)移矩陣計算

利用ArcGIS的interset模塊及Excel數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊，將解譯好的塔里木河下游1990、2000和2010年的遙感影像，在ArcGIS中進行疊加運算，得到1990—2000年，2000—2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用/覆被變化總體特征

3.1.1 人工/天然綠洲面積總體變化特征

基于塔里木河下游1990、2000和2010年的遙感影像與土地利用/覆被變化圖，結(jié)合人工與天然綠洲的分類，得到塔河下游人工與天然綠洲面積變化圖（圖1）。從1990—2010年塔里木河流域人工綠洲面積表現(xiàn)為逐漸增加的過程，由1990年的481.29 km2減少到2000年的471.6 km2，然后又增加到2010年的862.98 km2，經(jīng)計算平均增長率為19.09 km2/a；天然綠洲面積從1990—2010年呈逐漸下降的趨勢，由1990年的3 302.41 km2減少到2000年的3 195.62 km2，再減少到2010年的3 038.43 km2。

表1 天然綠洲與人工綠洲的劃分

3.1.2 林地與其他土地面積變化特征

表2為塔河下游不同時期各林地面積所占比例情況。由表2可知，塔里木河下游林地總面積占流域總面積的3.12%左右，從不同類型的林地變化情況分析，有林地占流域總面積的0.11%，且有林地在研究時段基本保持不變，年均變化率為0.08%。疏林地面積占流域總面積的0.02%左右，從其變化情況分析，疏林地在1990—2010的20 a里呈不斷減少的趨勢，且在不同時段減少速率不同，疏林地的年均變化率為-1.84%，在2000—2010年年均變化率為-2.91%。

圖1 塔里木河下游1990—2010年人工、天然綠洲分布

表2 塔河下游林地占流域總面積的比例

塔河下游在整個研究時段的土地利用類型主要為未利用地、林地和草地三種類型（圖2）。在1990—2000年塔河下游變化較快的土地類型為水域濕地、耕地和建設(shè)用地，其年均變化率分別-4.30%、1.23%和0.97%；下游變化最不明顯的土地利用類型為草地，年均變化率為-0.08%。在2000—2010年間，塔河下游變化最快的土地利用類型為水域濕地、耕地和草地，其年均變化率分別為36.89%、3.04%和-0.57%，變化最不明顯的為未利用地，年均變化率為-0.22%。從整個研究時段來（1990—2010年），塔河下游變化最快的土地類型為水域濕地、耕地和建設(shè)用地，其年均變化率分別為8.36%、2.32%和0.65%，變化最不明顯的土地利用類型則為未利用地，年均變化率為-0.06%。

3.2 生態(tài)輸水前后人工與天然綠洲轉(zhuǎn)化過程分析

3.2.1 輸水前人工與天然綠洲轉(zhuǎn)化過程

圖2 塔里木河下游不同時期土地/覆被圖

1990—2000年，塔里木河下游流域人工綠洲中耕地增加了12.31%，主要由高、中、低覆蓋草地轉(zhuǎn)化而來（表3）。河渠面積增加了1.73%，主要由耕地轉(zhuǎn)化而來；城鎮(zhèn)建設(shè)用地無變化，農(nóng)村居民點面積增加了15.07%，主要由耕地與低覆蓋、高覆蓋草地轉(zhuǎn)化而來。天然綠洲中有林地面積無變化；灌木林地、疏林地面積分別減少了18.46%、6.10%，灌木林地主要轉(zhuǎn)化成了低覆蓋草地、耕地、高覆蓋草地、沙地；疏林地主要轉(zhuǎn)化成了沙地與低覆蓋草地。高覆蓋草地面積減少了43.91%，主要轉(zhuǎn)化成了中覆蓋草地、低覆蓋草地、耕地、沙地、疏林地；中覆蓋草地面積增長了10.26%，主要由高覆蓋草地轉(zhuǎn)化而來；低覆蓋草地增加了8.3%，主要由高、中覆蓋草地、疏林地轉(zhuǎn)化而來。水域中，河渠面積增加了1.73%，主要由耕地轉(zhuǎn)化而來。湖泊面積100%消失，說明原來湖泊完全消失，同時水庫面積減少了45.28%。

表3 塔里木河下游1990—2000年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.2.2 輸水后人工與天然綠洲轉(zhuǎn)化過程

2000—2010年，塔里木河下游人工綠洲中，耕地增加了30.37%，主要由高、中、低覆蓋草地轉(zhuǎn)化而來（表4）；果園（其他林地）面積增加了0.13 km2；城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點面積分別增加了4.95%、1.82%，主要由耕地轉(zhuǎn)化而來。天然綠洲中，各種天然林面積均有減少，有林地、灌木林地、疏林地面積分別減少了0.08%、29.05%、3.87%，有林地主要轉(zhuǎn)化成了耕地，灌木林地主要轉(zhuǎn)化成了疏林地、沙地、低覆蓋草地，疏林地主要轉(zhuǎn)化成了沙地、耕地。天然草地中，高覆蓋草地面積減少了6.79%，主要轉(zhuǎn)化成了中覆蓋草地、耕地、低覆蓋草地；中覆蓋草地面積增加了10.48%，主要由高覆蓋草地、低覆蓋草地、沙地轉(zhuǎn)化而來；低覆蓋草地面積減少了10.55%，主要轉(zhuǎn)化成了耕地、沙地、水庫。在2000—2010年，人工綠洲中河渠面積無變化，而水庫面積增加了392.44%，主要由低覆蓋草地轉(zhuǎn)化而來。

表4 塔里木河下游2000—2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.3 人工與天然綠洲面積比例分析

由前面分析可知，從1990—2010年塔里木河流域人工綠洲面積表現(xiàn)為逐漸增加的過程。通過計算人工與天然綠洲面積比例在近20 a呈增加的趨勢，在1990、2000、2010年，人工與天然綠洲面積比值分別是1頤9、1頤9、2頤8（表5）。

表5 塔里木河下游人工與天然綠洲面積比例

4 討論

1990—2010年，塔里木河下游新增耕地主要來源于林地和草地，建筑用地面積增速較為穩(wěn)定，且有提高的趨勢，這是由于當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展水平持續(xù)上升、城市化進程加快所致。人工水庫面積的增長速度在時間尺度上表現(xiàn)為持續(xù)增長。湖泊面積從1990—2000年呈下降趨勢，這與當?shù)厣鷳B(tài)的退化有著同樣的過程，但2000—2010年期間，在對塔河下游生態(tài)輸水過程中，生態(tài)退化又呈現(xiàn)反轉(zhuǎn)的趨勢，水域面積大幅增加。人工果園面積在2000—2010年面積大幅增加（增加了0.13 km2），這與當?shù)啬壳凹t棗和香梨等栽培實際情況一致。

綠洲適宜規(guī)模中，人工綠洲面積不宜過大，根據(jù)已有研究，國內(nèi)有研究提出天然綠洲面積比例應(yīng)至少為15%左右，即人工綠洲占整個綠洲面積的百分比不宜超過85%[15]；塔里木河下游主要是以灌溉農(nóng)業(yè)為主導(dǎo)的人工綠洲，剩余的水流向荒漠區(qū)，形成天然綠洲；當?shù)靥烊痪G洲四周受風沙侵襲較大，沙地范圍所占比例較大，因此，人工綠洲面積不宜過大，人工綠洲與天然綠洲的適宜比例可以為2頤3[16]；而本文中研究區(qū)人工與天然綠洲面積比例在1990、2000、2010年分別是1頤9、2頤8、3頤7。同時，眾所周知在新疆南疆地區(qū)荒漠草地占很大范圍，因此在遙感解譯過程中，對低覆蓋草地的定義是：只要1 m2中有4顆草，就算是低覆蓋草地。首先，天然綠洲面積主要是由三大類組成，按其面積及比例由大到小排列為：草地面積最大，其次林地，再次水域面積。由于草地面積占很大比例（圖3），因此，本研究認為將低覆蓋草地全部算入天然綠洲范疇可能會產(chǎn)生誤差。

現(xiàn)將低覆蓋草地面積不算入天然綠洲范圍，再次計算人工與天然綠洲規(guī)模之比，此時，1990、2000、2010年的面積比例分別是2頤8、2頤8、3頤7（表 5）。

圖3 低覆蓋草地面積與其他類型面積比較

5 結(jié)論

（1）1990—2010年，塔里木河下游人工與天然綠洲總面積變化不大，綠洲的面積變化主要表現(xiàn)在人工綠洲與天然綠洲面積的相互轉(zhuǎn)化中，表現(xiàn)為人工綠洲替代天然綠洲的趨勢。人工綠洲平均以每年19.09 km2的速率增加，而天然綠洲平均以每年13.20 km2的速率減少。

（2）1990—2010年間，在塔河下游表現(xiàn)為：天然草地、林地等向人工綠洲中的耕地、建筑用地轉(zhuǎn)化；同時植被長勢衰退：高覆蓋草地向中、低覆蓋草地轉(zhuǎn)化，中覆蓋草地向低覆蓋草地轉(zhuǎn)化，灌木林地逐漸退化為草地，低覆蓋草地向沙漠轉(zhuǎn)化。

（3）生態(tài)輸水前（1990—2000年），灌木林地、疏林地面積分別減少了18.46%、6.10%，高覆蓋草地面積減少了43.91%；生態(tài)輸水后（2000—2010年），灌木林地、疏林地面積分別減少了29.05%、3.87%，高覆蓋草地面積減少了6.79%；輸水前，湖泊面積100%消失，同時水庫面積減少了45.28%，輸水后，水庫面積增加了392.44%，可見生態(tài)輸水后疏林、草地退化速度有所緩解，同時水域面積有所提高。

（4）塔里木河下游流域在生態(tài)輸水前，耕地增加了12.31%，生態(tài)輸水后，耕地增加了30.37%，說明整個研究時段耕地擴張持續(xù)進行。

（5）在1990、2000、2010年塔里木河下游人工/天然綠洲面積比例分別為2頤8、2頤8、3頤7，若按前人認為干旱區(qū)人工、天然綠洲面積不應(yīng)少于2：3，塔里木河下游在研究時段人工—天然綠洲結(jié)構(gòu)還處于較適宜狀態(tài)。

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