1975—2020年疏勒河流域綠洲時空變化研究

孫旭偉,李 森,王亞暉,唐 霞,趙鴻雁

1 甘肅省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計研究院, 蘭州 730020

2 甘肅省黃河上游水源涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)保護和修復(fù)工程研究中心, 蘭州 730020

3 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,蘭州 730000

4 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院干旱區(qū)鹽漬化研究站, 蘭州 730000

5 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

綠洲作為干旱、半干旱區(qū)一種中小尺度的非地帶性生態(tài)景觀,是干旱區(qū)90%人口的生活和95%的經(jīng)濟獲得的載體[1—2]。綠洲化已經(jīng)成為干旱區(qū)人地關(guān)系的直接體現(xiàn),其中綠洲土地覆被變化更是綠洲化研究的核心內(nèi)容[3—4]。按人類活動影響程度,綠洲分為天然綠洲和人工綠洲[1, 5]。目前,大多數(shù)綠洲變化研究均以人工綠洲為主,天然綠洲的研究投入不足[5]。而在人工綠洲變化研究中則專注于人工改造地表覆蓋類型的研究,忽略了荒漠-綠洲過渡帶(以下簡稱“過渡帶”)在人工綠洲防護中的重要作用[6—7]。實際上,過渡帶對阻止沙丘遷移、降低風沙流活動強度、減輕綠洲風沙危害具有重要作用,所以過渡帶同樣是人工綠洲的重要組成部分[8]。因此,在流域尺度,一個完整的綠洲生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)同時包括人工綠洲、過渡帶和天然綠洲[8]。目前將綠洲作為生態(tài)系統(tǒng)研究主要集中在山地-荒漠-綠洲生態(tài)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展等方面[9—15]。對流域尺度中下游綠洲格局和機構(gòu)的時空變化變化缺乏關(guān)注。

近70年來,伴隨著人類開發(fā)強度和頻度的加劇,中國干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水資源利用的時空平衡被打破[16],由此引發(fā)了綠洲格局的變化。人工綠洲面積由1950年代的20000 km2,發(fā)展到2015年的125101 km2[2, 17—18],自然綠洲和過渡帶面積銳減[19],人工與天然綠洲面積比例失衡[20],而這種新格局變化勢必對流域內(nèi)水資源的重分配進行反饋,并嚴重威脅著綠洲的穩(wěn)定性,因此及時準確把握內(nèi)陸河流域綠洲格局和結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化成為內(nèi)陸河流域?qū)崿F(xiàn)水資源優(yōu)化配置和維持綠洲穩(wěn)定性的基本前提,這不僅是實現(xiàn)干旱區(qū)水資源高效利用合理配置的迫切需求,更是當前內(nèi)陸河流域綠洲實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問題。

疏勒河流域位于河西走廊西部,是典型的生態(tài)系統(tǒng)脆弱帶敏感區(qū)[21]。近年來隨著流域內(nèi)氣候變暖,出山口徑流量逐年增長[22],為人工綠洲的擴張和自然綠洲的恢復(fù)提供了良好的環(huán)境背景[23]。然而，自1996年開始,流域內(nèi)實施的移民安置綜合開發(fā)項目,造成流域人口數(shù)量急劇增加,從而導(dǎo)致人工綠洲面積迅速擴張,大量地表和地下水資源被消耗,以至于流域中下游河流斷流、濕地萎縮、植被退化、土地沙化和鹽漬化等生態(tài)環(huán)境問題日益突出[24—25]。由此,不少學(xué)者圍繞著流域內(nèi)生態(tài)質(zhì)量、服務(wù)功能、承載力等展開了大量的研究工作[22, 24—27]。然而,針對流域尺度長時間序列的綠洲格局和結(jié)構(gòu)時空變化的研究相對較少。因此,為了厘清近45年來疏勒河流域綠洲格局和結(jié)構(gòu)時空變化,本文基于Landsat系列數(shù)據(jù),采用面向?qū)ο箅S機森林與目視解譯相結(jié)合的方法,獲取1975、1990、2000、2005、2010、2015和2020年綠洲土地覆被數(shù)據(jù),深入挖掘疏勒河流域人工綠洲、自然綠洲和過渡帶結(jié)構(gòu)、比例變化,探討流域尺度內(nèi)綠洲迅速變化的原因及適宜比例。這對于促進疏勒河流域水土資源的優(yōu)化配置和綠洲的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

疏勒河流域(92°11′—98°30′E,38°00′—42°48′N)地處甘肅河西走廊西段,是河西地區(qū)三大內(nèi)陸河流域之一(圖1)。整個疏勒河流域面積為12.45×104km2,以昌馬峽和雙塔水庫為界分為上、中、下游,干流年水資源總量為11.34×108m3,其中：地表水總資源量為10.82×108m3[28]。流域主要覆蓋的行政區(qū)域有甘肅省酒泉市下轄的玉門市、敦煌市、瓜州縣、肅北縣的大部分、阿克塞縣的一部分,以及張掖市肅南縣和青海省天峻縣的一部分。其中,綠洲主要分布在疏勒河中游的走廊平原平坦開闊地帶,海拔1050—1300 m[26]。疏勒河流域?qū)儆诘湫偷臏貛Ц珊荡箨懶詺夂?年平均氣溫6.9—8.8℃,年降水量47—63 mm,年蒸發(fā)量2897—3042 mm,年日照時數(shù)3033—3246 h[28]。土壤類型以沼澤土、草甸土和棕漠土為主[28]。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所用的遙感影像采用的是Landsat系列數(shù)據(jù),分別為 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,成像時間均為生長季(5—9月)。影像來源于美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(https://glovis.usgs.gov/)。所有影像均在 ERDAS 平臺上統(tǒng)一投影為 WGS_1984_Albers,并重采樣為30 m(MSS影像為60 m)。

人口數(shù)據(jù)來源于甘肅省統(tǒng)計年鑒(1984—2019),統(tǒng)計玉門市、瓜州縣和敦煌市人口數(shù)據(jù)。疏勒河流域邊界矢量數(shù)據(jù)來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/data)。精度驗證數(shù)據(jù)來自野外調(diào)查數(shù)據(jù)(2018年6月—7月)(圖1)和專家基于Google Earth軟件目視判讀獲取的樣本點共計589個。水文數(shù)據(jù)包括1956—2019年疏勒河昌馬堡和雙塔徑流量,來自《甘肅省水資源公報》、各流域中下游水文站以及文獻資料。

2.2 綠洲生態(tài)系統(tǒng)分類體系

綠洲時空分布格局研究中,根據(jù)研究目的的不同,綠洲分類系統(tǒng)主要有兩類：一類是基于綠洲土地利用/覆被特征,參考土地利用/覆被土地分類系統(tǒng),將綠洲分為耕地、防護林、防護草地、建設(shè)用地、人工濕地等,這種分類一般專門針對人工綠洲進行分類[29—32]；另一類是根據(jù)綠洲的人類改造強度,將綠洲分為人工綠洲、自然綠洲和荒漠,這種分類一般用于綠洲化/荒漠化時空變化研究[3—4, 23, 33—35]。然而在內(nèi)陸河流域尺度,一個完整的綠洲生態(tài)系統(tǒng)包括人工綠洲、荒漠-綠洲過渡帶和自然綠洲[8]。同時,由于上下游水資源的分配以及人類改造強度的因素,不僅綠洲外圍持續(xù)存在著擴張或退縮,同時綠洲內(nèi)部也不斷發(fā)生土地類型的轉(zhuǎn)換。因此,基于前人的研究成果及流域尺度綠洲生態(tài)系統(tǒng)特點[5, 17, 29, 36],本研究中將綠洲分為三級：一級分類主要根據(jù)綠洲人類干擾程度及綠洲空間分布特點分為人工綠洲、自然綠洲和過渡帶,其中人工綠洲是指具有明顯的人類改造的地表特征的綠洲景觀。自然綠洲專指內(nèi)陸河下游具有明顯天然植被覆蓋,沒有明顯人類干擾的綠洲景觀。過渡帶是指人工綠洲與周圍荒漠(沙漠)之間具有較高的植被生產(chǎn)力,沒有或者較少受到人類干擾的天然或半天然植被且具有減輕人工綠洲風沙危害的作用生態(tài)景觀,研究表明,過渡帶發(fā)揮防護人工綠洲作用的有效植被覆蓋度應(yīng)超過14%[37]；二級類主要根據(jù)土地的資源屬性和利用屬性分為耕地、林地、草地、水域濕地、建設(shè)用地和未利用地6 類。

2.3 綠洲時空變化信息提取方法

在易康(eCognition)軟件平臺下,以影像柵格文件作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),采用多尺度分割方法對影像進行多尺度分割,參數(shù)設(shè)置為：分割尺度為35,形狀權(quán)重0.1,緊致度權(quán)重0.5。根據(jù)對象間空間位置、歸一化植被指數(shù)、波段平均值、亮度值等特征參數(shù),利用隨機森林分類法提取2020年疏勒河流域綠洲數(shù)據(jù)。然后在ArcGIS軟件支持下,采用目視解譯方法,利用2020年的綠洲結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行動態(tài)數(shù)據(jù)更新,完成2015、2010 年、2005年、2000 年、1990年和1975年的研究區(qū)綠洲數(shù)據(jù)的重建,實際上就是發(fā)現(xiàn)此期間的綠洲土地覆蓋變化,將數(shù)據(jù)進行反向“更新”的過程[29],這種僅更新動態(tài)的方法有效的保證了數(shù)據(jù)分辨率的一致性,尤其是保證1975年綠洲數(shù)據(jù)與其他年份數(shù)據(jù)的一致性。最終得到了1975、1990、2000、2005、2010、2015和2020年7 期綠洲土地覆蓋數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)的解譯精度,對2020年綠洲數(shù)據(jù)進行抽查,并結(jié)合精度驗證樣本進行驗證,同時與同類型產(chǎn)品(FROM-GLC(Finer Resolution Observation and Monitoring of Global Land Cover,10 m分辨率))[38]進行了精度對比,結(jié)果表明,一級類分類精度為95.59%(表1),二級類分類精度為89.33%(表2),制圖精度明顯高于同類產(chǎn)品,達到后續(xù)分析的數(shù)據(jù)要求。

表1 疏勒河流域綠洲一級類型分類結(jié)果混淆矩陣

表2 本數(shù)據(jù)產(chǎn)品與FROM-GLC數(shù)據(jù)精度對比/%

2.4 綠洲變化率

利用綠洲面積變化年均動態(tài)度反映不同時期綠洲動態(tài)變化的結(jié)果[39—40]。計算公式如下：

(1)

式中,Rt為研究時段內(nèi)綠洲面積的年均變化率；Ua和Ub為研究初期和末期某區(qū)域綠洲的面積；t為研究時段。

3 結(jié)果與分析

3.1 疏勒河流域綠洲分布格局現(xiàn)狀

2020年疏勒河流域綠洲面積為5790.24 km2,僅占流域面積比例的4.65%,其中人工綠洲面積為2622.59 km2,占綠洲總面積比例為45.29%,主要包括的綠洲有赤金-花海綠洲、昌馬綠洲、玉門綠洲、瓜州綠洲和敦煌綠洲；自然綠洲面積為2956.89 km2,占綠洲面積比例為51.07%,主要分布在黨河和疏勒河下游敦煌綠洲的北部以及踏實河下游的瓜州綠洲和玉門綠洲之間；荒漠-綠洲過渡帶面積為210.76 km2,占綠洲面積比例為3.64%,主要分布在人工綠洲外圍,起到減輕綠洲風沙危害的作用(圖2)。根據(jù)郭宏偉[20]等對塔里木河流域綠洲分布模式的劃分,疏勒河流域綠洲有三種模式,其中內(nèi)陸河沙漠區(qū)模式和干流模式是其主要的分布模式。赤金-花海綠洲、敦煌綠洲屬于內(nèi)陸河沙漠區(qū)模式,主要特征為天然綠洲分布于河流兩岸和尾閭湖泊周邊,由于河流中游地區(qū)水流平緩,利于進行引水灌溉,老人工綠洲常位于河流中游地區(qū)。瓜州和玉門綠洲屬于干流模式,主要特征為部分河流一側(cè)為山區(qū)或山前戈壁,另一側(cè)為荒漠,綠洲沿河道呈帶狀分布,人工綠洲分布于河道兩岸,其外側(cè)為天然綠洲。昌馬綠洲處于昌馬水庫上游,面積較小,屬于洪沖積扇模式,主要特征為人工綠洲多在河流出山口以下呈扇形分布,天然綠洲分布于人工綠洲外圍,天然綠洲外圍為山前荒漠。

圖2 2020年疏勒河流域綠洲生態(tài)系統(tǒng)空間分布

3.2 近45年疏勒河綠洲一級類型時空變化

由圖3可知,1975—2020年疏勒河流域綠洲一級類型面積變化較大,其中人工綠洲從1975年開始呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢,從1975年的1750.07 km2增加到2020年的2627.26km2；過渡帶從1975年開始呈現(xiàn)持續(xù)減少的趨勢,從1975年的417.21 km2較少到2020年的210.72 km2,而1975—1990年自然綠洲呈略微增加的趨勢,年均動態(tài)變化率為0.03%,而1990年以后開始呈現(xiàn)持續(xù)減少趨勢,減少面積為283.46 km2。從近45年研究區(qū)綠洲變化率分析,人工綠洲面積的增加以及自然綠洲和過渡帶面積的減少均在2000—2005年期間速度最快(表3),因此疏勒河綠洲變化可以分為2個階段：1975—2000年疏勒河流域綠洲緩慢變化階段；2000—2020年疏勒河流域綠洲迅速變化階段(圖3,表3)。

圖3 1975—2020年疏勒河流域綠洲一級類型變化

表3 1975—2020年疏勒河流域綠洲變化率/%

圖4顯示的是疏勒河流域綠洲變化格局。近45年來疏勒河流域綠洲以擴張為主,主要發(fā)生在石油河下游的花海綠洲、疏勒河干流的玉門綠洲和瓜州綠洲以及黨河下游敦煌綠洲,但是各綠洲的類型轉(zhuǎn)化方式差異巨大?；ê：凸现菥G洲主要表現(xiàn)為荒漠轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぞG洲,其中瓜州綠洲在西北部還有自然綠洲轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぞG洲的現(xiàn)象；玉門綠洲則是以自然綠洲轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぞG洲為主,主要分布在玉門綠洲的北部和西北部,同時在玉門綠洲南部存在荒漠或過渡帶轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぞG洲的現(xiàn)象；敦煌綠洲則是在綠洲邊緣主要是荒漠或自然綠洲轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぞG洲,而在尾閭的西湖鄉(xiāng)附近,存在著人工綠洲轉(zhuǎn)變?yōu)榛哪约盎哪D(zhuǎn)變?yōu)樽匀痪G洲的現(xiàn)象(圖4)。

圖4 1975—2020年疏勒河流域綠洲變化格局

3.3 近45年綠洲土地覆被類型變化

1975—2020年疏勒河流域人工綠洲的各土地覆被類型均呈現(xiàn)增加趨勢,其中增加面積最多的是耕地類型,45年間增加620.99 km2,主要是侵占了荒漠、自然綠洲和過渡帶的草地；建設(shè)用地的面積也發(fā)生了明顯的增加,尤其是近20年來,面積增加了80.03 km2,這主要得益于城鎮(zhèn)化的發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以及光伏用地的增加。自然綠洲、過渡帶的各土地覆被類型均呈現(xiàn)減少趨勢,減少的類型均是以草地為主,45年間草地面積分別減少220.15 km2和171.74 km2,主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦亍?/p>

疏勒河綠洲變化分為1975—2000年和2000—2020年2個階段。1975—2000年人工綠洲內(nèi)林地、耕地、建設(shè)用地呈增加趨勢,草地和未利用地呈減少趨勢；過渡帶所有土地類型呈減少趨勢；自然綠洲內(nèi)濕地和未利用地呈增加趨勢,其他類型呈減少趨勢；2000—2020年隨著人工綠洲的迅速擴張,人工綠洲內(nèi)的各個土地類型俱呈增加趨勢；過渡帶和自然綠洲各個土地類型均呈現(xiàn)減少趨勢(表4)。

表4 1975—2020年疏勒河流域綠洲土地結(jié)構(gòu)變化/km2

4 討論

在干旱區(qū),水資源是限制綠洲擴張的主要約束力[41],即當綠洲耗水量超過水資源總量的閾值時,水資源才成為綠洲擴張的主要約束因素,反之,則促進了綠洲的擴張。研究表明,疏勒河流域水資源利用率為76.4%[41]。另外,監(jiān)測表明,2020年疏勒河下游自然綠洲明顯增加(圖4),這主要是由于《敦煌市水資源合理利用與生態(tài)保護綜合規(guī)劃》等生態(tài)保護項目的實施,使得2017年秋季黨河、疏勒河下泄生態(tài)水首次流入保護區(qū),直達庫姆塔格沙漠東沿消失的湖泊“哈拉齊”[42]。因此,可以認為水資源尚未成為限制疏勒河綠洲擴張的因素,同時近年來疏勒河徑流量的增加(圖5),反而為該區(qū)域綠洲的擴張?zhí)峁┝怂Y源條件。

圖5 疏勒河干流徑流量變化

疏勒河流域綠洲面積變化以2000年為節(jié)點,2000年以前綠洲各類型變化速度相對緩慢,2000年以后綠洲各類型變化速度明顯加快,其中以2000—2005年這一階段速度最快。主要原因是1996年甘肅省委、省政府正式啟動了“疏勒河流域農(nóng)業(yè)灌溉暨移民安置綜合開發(fā)項目”[24—25],隨著項目的實施,疏勒河流域綠洲人口2000年比1999年激增了3.57萬人(圖6)。由于這些生態(tài)移民生產(chǎn)和生活的需求,導(dǎo)致疏勒河流域在2000—2005年這一時期耕地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地迅速擴張,擴張面積分別為319.68 km2和52.25 km2,加速了自然綠洲和過渡帶的衰退[25],衰退面積為299.26 km2。

圖6 疏勒河流域人口和綠洲面積變化

天然綠洲在綠洲生態(tài)系統(tǒng)中的比例對綠洲可持續(xù)發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。疏勒河流域綠洲分布模式主要是內(nèi)陸河沙漠區(qū)模式和干流模式。研究表明這兩種模式人工與天然綠洲的適宜面積比例以4∶6為最適宜,隨著人工與天然綠洲面積比例的增加,綠洲的生態(tài)環(huán)境狀況將呈下降趨勢[20]。近45年來,疏勒河流域綠洲生態(tài)系統(tǒng)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綠洲生態(tài)環(huán)境狀況呈現(xiàn)逐漸上升,2005年達到最好,后逐漸下降的變化趨勢,這與潘竟虎等[14]對2001—2010 年疏勒河流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量綜合評價的結(jié)果一致。這表明,2000—2005年對疏勒河流域大規(guī)模的移民安置綜合開發(fā),導(dǎo)致人工綠洲的擴張已經(jīng)逐步影響到研究區(qū)綠洲生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)安全。因此今后流域綠洲建設(shè)的首要任務(wù)是控制耕地開墾規(guī)模,建設(shè)防護林草帶、合理配置中下游水資源,從而控制人工綠洲擴張速度,穩(wěn)定甚至恢復(fù)過渡帶和天然綠洲面積。

表5 1975—2020年疏勒河流域人工與天然綠洲面積比例

5 結(jié)論

本文選擇疏勒河流域綠洲作為主要研究對象,利用遙感方法重構(gòu)了近45年來該區(qū)域的綠洲格局和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),并分析了疏勒河流域綠洲的分布模式和時空變化,探討了綠洲變化原因及人工綠洲和自然綠洲適宜比例,得出主要結(jié)論如下：

1)2020年疏勒河流域綠洲生態(tài)系統(tǒng)面積為5790.24 km2,人工綠洲占45.29%,天然綠洲占51.07%,過渡帶占3.64%。綠洲主要的分布模式為內(nèi)陸河沙漠區(qū)模式和干流模式。

2)疏勒河流域人工綠洲以擴張為主,自然綠洲和過渡帶以衰退為主。根據(jù)變化速率分為兩個階段,1975—2000年綠洲緩慢變化階段；2000—2020年綠洲加速變化階段。綠洲主要變化區(qū)域分布在石油河下游的花海綠洲、疏勒河干流的玉門綠洲和瓜州綠洲以及黨河下游敦煌綠洲。

3)疏勒河流域綠洲土地類型變化主要是荒漠類型以及天然綠洲和過渡帶的草地類型轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぞG洲的耕地。

4)流域內(nèi)徑流量的增加為人工綠洲的擴張?zhí)峁┝吮匾獥l件,而人口的激增成為2000—2005年疏勒河流域綠洲劇烈變化的主要原因,人工/自然綠洲比例的增加已經(jīng)影響到研究區(qū)綠洲生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

通過對疏勒河流域綠洲格局、結(jié)構(gòu)變化的研究表明,綠洲的開發(fā)過程中應(yīng)控制人工綠洲的擴張規(guī)模,保持人工綠洲、天然綠洲和過渡帶的結(jié)構(gòu)適度比例,從而實現(xiàn)綠洲的穩(wěn)定發(fā)展。