基于LUCC的渭干河-庫車河三角洲綠洲水文及生態特征

王 娟， 張 飛， 于海洋， 任 巖， 張 月

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學 綠洲生態教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046; 3.新疆智慧城市與環境建模普通高校重點實驗室, 烏魯木齊 830046)

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基于LUCC的渭干河-庫車河三角洲綠洲水文及生態特征

王 娟1,2,3， 張 飛1,2,3， 于海洋1,2,3， 任 巖1,2,3， 張 月1,2,3

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學 綠洲生態教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046; 3.新疆智慧城市與環境建模普通高校重點實驗室, 烏魯木齊 830046)

高強度的人類活動促使LUCC對水圈和生物圈產生了巨大的影響，以塔里木盆地北緣典型綠洲渭干河—庫車河三角洲綠洲為研究區，采用1989年、1998年以及2013年多期遙感影像，利用最大似然的方法對影像進行分類并統計出研究區耕地、林地、鹽漬地、水體以及裸地的變化，討論LUCC對水文及生態特征的影響。結果表明：(1) 從水文特征方面來看，由于人類活動強度加強導致渭干河—庫車河三角洲綠洲的LUCC大幅度的改變。自1989—2013年這25 a間，耕地面積總共增加2.408×103km2。而由于耕地面積的增加，促使用于灌溉等用水量大量增加，加上修建渠道、水庫等活動促進地表徑流量有所增加，導致研究區年徑流量呈現出緩緩上升趨勢。因為隨著灌區排水系統的完善，疏干了低洼地的積水，降低了相應地域的地下水位，從而造成地下水位呈現出逐年下降的趨勢。(2) 從生態特征方面看，人類活動作為主導因素所導致的LUCC通過與氣候變化交互作用，引起溫度、濕度以及蒸發量發生變化；耕地面積的大范圍增加，導致草地、林地等自然棲息地破碎化和喪失，加之25 a間由于人為飼養家禽種類的簡化、數量的大幅度增長，在綜合作用結果下，最終導致生物多樣性簡化、單一性愈發顯著。因此，本研究為系統開展LUCC對生態環境影響的趨勢和機制方面有較高的科學價值。

LUCC; 水文; 生態; 最大似然分類

土地利用/覆蓋變化(LUCC)影響著水分循環以及能量循環等陸地主要生態過程的結構和功能，會造成生態系統和生態環境的變化[1]。其對諸多自然要素和生態環境產生重大影響，是全球變化的重要原因和驅動因子之一[2]。

生態水文學所研究的對象不僅僅局限于濕地生態系統，還應該包括其他生態系統，如干旱地區的生態系統、森林和疏林生態系統、江河生態系統、湖泊生態系統和水生生態系統等[3]。生態水文學正是在全球水資源短缺的背景下，在人類尋求合理實現水資源的持續利用中形成的。我國西部地區多為干旱、半干旱地區，因此水資源的合理開發利用是我國高速發展的關鍵。

目前，國內外已有許多學者對于生態水文方面進行了研究。如國外Tighe Matthew[4]等研究了通過生態演替、水文過程和碳采集在微觀層面上測量生物外殼；Daniel L.Peters[5]等研究了寒冷地區的水文指標變化對生態流量需求評估；Peters Daniel L[6]等研究了在加拿大農業地區建立生態需水評估標準的分析；國內李崇巍[7]等通過構建保水指數，研究其與景觀格局指數的關系；黃青[8]利用3S技術，對塔里木河中游景觀格局與生態水文過程進行系統分析，結果發現景觀多樣性指數與徑流的相關性最大。但是，以上研究多集中在降水豐富和大江大河等水量充沛的地區，對于生態環境脆弱、土地荒漠化十分嚴重的中國西北干旱區，這些研究與生態過程的結合較少。因此，本文以干旱地區典型綠洲渭干河—庫車河三角洲綠洲為例，分析了該地區LUCC對生態水文過程的影響，對我國干旱區水文和生態特征方面研究有著較為重大的科學意義。

1　材料與方法

1.1研究區概況

渭干河—庫車河三角洲綠洲(以下簡稱渭—庫綠洲)地處天山南麓，范圍大致位于41°00′—42°24′N，80°54′—83°48′E，是完整且相對閉合的山前沖洪積平原綠洲。其地處新疆維吾爾自治區南部的塔里木盆地，范圍包括庫車、沙雅和新和3個縣，土地總面積為523.76萬hm2。1960—2010年來多年平均降水量為120.3 mm[9]。其中，沙雅地區最低，庫車地區最高，年均蒸發量為1 992.0～2 863.4 mm，干燥度系數為44.37，屬于干旱與極端干旱地區。年平均氣溫為10.5～14.4℃，屬大陸性暖溫帶極端干旱氣候，光熱資源豐富。流域水資源維護養育著綠洲發展"是綠洲主要的灌溉水源，1965—2006年多年平均徑流量為29.9億m3，其中冰川徑流占出山徑流量的56.2%[10]。當前流域綠洲的河水引水量已達渭干河年徑流量90%以上，基本無下泄水量。整體上，流域綠洲水資源利用程度高，但利用效率低下，引發的綠洲內部次生鹽堿化現象嚴重[11]。

1.2數據源

該研究本底資料有(1) 采用1989年、1998年以及2013年多期遙感數據，其分辨率均為30 m，沒有云、霧和積雪等的影響，經過大氣校正、幾何校正處理，圖像質量好。(2) 水文特征和生態特征分析主要是根據渭干河水系中庫車河蘭干站、渭干河黑孜水庫站以及渭干河千佛洞站1957—2006年水文觀測資料。(3) 渭—庫地區統計資料(氣象、水文、人口、土壤、社會經濟等)。(4) 研究區統計資料,利用SPSS等軟件分析其變化規律。

1.3遙感圖像分類

監督分類(supervised classification)又稱訓練場地法，是以建立統計識別函數為理論基礎，依據典型樣本訓練方法進行分類的技術。根據分類的復雜度、精度需求等選擇一種分類器，此外還包括應用于高光譜數據的波譜角(Spectral Angle Mapper Classification)、光譜信息散度(Spectral Information Divergence Classification)和二進制編碼(Binar監督分類Encoding Classification)分類方法[12]。

本文采用監督分類方法中的最大似然分類法，也稱為貝葉斯分類，是基于圖像統計的監督分類法，也是應用最廣的監督分類方法[13-15]。作者利用該方法對1989年、1998年以及2013年多期遙感影像進行最大似然分類。根據研究區概況，將研究區分為耕地、林地、鹽漬地、水體以及其他五種土地類型。結果表明，1989年圖像分類精度為99.19%、Kappa系數為0.989 8；1998年圖像分類精度為99.68%、Kappa系數為0.996 0；2013年圖像分類精度為98.44%、Kappa系數為0.980 3。為進一步驗證分類結果的準確性，統計得到各分類類型間的分離度，見表1。由表1可以得到各類型間的分離度較高，均達到1.9以上，說明各類型之間區分度較大，分類結果較好，滿足該研究的要求。

表1　各地物類型間分離度

2　結果與分析

2.1基于LUCC的水文特征研究

水資源是維系干旱區綠洲生態環境與經濟社會和諧發展的決定性因素。然而,受到人類社會發展對水土資源大力開發的影響，造成對水資源需求量的急劇增加，促使干旱區綠洲水循環過程和生態格局發生了一定的變化，更造成干旱區綠洲水資源短缺與生態退化,成為實現流域可持續發展的關鍵障礙[16-17]。

2.1.1LUCC分析土地利用/覆被變化可引起許多自然現象和生態過程的變化，研究土地利用/覆被變化及其對生態環境的影響，對于了解區域生態環境乃至全球環境變化具有重要的意義[18]。土地利用/覆蓋的變化對水資源分布在一定程度上造成了很大的影響，并在一定時空域上改變其原有的演變軌跡。因此，如何解決“人—水—生態”之間的關系是實現可持續發展的關鍵，人類應該更深刻的思考生存環境，水資源把人類與自然緊密的聯系起來，成為一個共同體。要處理好人與自然的關系，首先要處理好水問題[19]。為研究人類活動對水資源以及生態環境的影響，作者對1989年、1998年及2013年多期遙感影像進行了最大似然分類，如附圖8所示。

由附圖8可以看出，從1989—2013年這25 a期間，人類活動逐漸增強，土地類型有了很大的變化。為滿足人口增長需要，從1989—2013年林地有逐漸減少的趨勢，而耕地取而代之，面積不斷增加。同時，由于人類耕種方式的改善，多年來鹽漬地有所改善，面積有逐漸變小的趨勢。水體變化幅度較小，裸地面積也隨著耕地面積的不斷擴張而大幅度縮減。通過統計可以得到這25 a中，耕地面積從1989—2013年總體上增加了2.408×103km2。從1989—1998年近10 a期間，耕地面積增加了6.29×102km2；而從1998—2013年這15 a中，耕地面積大幅度增長，與1998年相比耕地面積增加了1.779×103km2(如圖1所示)。隨著社會的發展，人類的活動，導致土地利用/覆蓋得到了很大的改變。由于耕地面積的大幅度增長，進一步影響了地表水與地下水資源的變化。

圖1　渭-庫綠洲土地利用/覆蓋變化

2.1.2基于LUCC的徑流量變化特性研究在我國西北干旱區，水資源是社會發展的關鍵制約因素，而干旱區水資源主要來源于河川徑流，河川徑流的變化將直接影響到當地社會經濟的發展[20]。近50 a來，我國西北地區逐漸向暖濕化發展，溫度持續升高，氣候因子的變化勢必會影響到河川徑流的變化[21]。近年來，很多研究已經表明西北地區河流徑流主要表現為增加趨勢[22]。在全球變暖的大背景下，研究地表徑流的變化特征，對深入了解流域水循環與水平衡具有重要意義。

通過實地考察、數據的收集，制作了渭—庫綠洲水系圖，見附圖9。圖中可以清晰的看到渭—庫綠洲地表水資源的分布狀況。在此基礎上，作者根據渭干河水系中庫車河蘭干站、渭干河黑孜水庫站以及渭干河千佛洞站1957—2006年水文觀測資料繪制了近60 a渭—庫綠洲的徑流量變化圖(見圖2)。其中從1957—1960年的平均徑流量為31.48億m3，從1961—1970年的平均徑流量為30.56億m3，從1971—1980年的平均徑流量為30.66億m3，從1981—1990年的平均徑流量為32.06億m3，從1991—2000年的平均徑流量為35.85億m3，從2001—2006年的平均徑流量為37.98億m3。可以看出多年來渭干河—庫車河三角洲流域的多年平均徑流量呈上升的趨勢，結果與研究西北地區河流徑流主要表現為增加趨勢相符合，說明多年來研究區地表水資源有所增加且較為豐富。耕地面積的擴張，促使用于灌溉等用水量大量增加，加上修建渠道、水庫等活動更進一步促進地表徑流量有所增加。而地表水資源的增加有利于滿足人們耕種的需要，但也要合理利用地表水資源，以免造成土地沙化和鹽漬化，加劇了土地退化，增加土地壓力。

圖2　渭-庫綠洲年徑流量變化

2.1.3基于LUCC的地下水位變化研究 地下水動態特征可以反映出本區域地下水補給條件的好壞和地下水開發利用的程度高低。土地利用方式對地下水資源有著顯著的效應，改變了地下水系統的天然循環路徑和方式。土地利用變化的各種過程不僅決定地下水的補給部分，而且也決定著地下水的水質狀況[23-24]。

由于地形的影響，研究區的地下水在灌溉區大體上呈沿扇形分布。其地下水來源于降水、田間灌水、渠系引水、河道放水等地表水源的滲透，且主要以降雪融水為主要補給方式。從渭干河各支流及庫車河山區徑流補給情況來看，地下水每年總補給量為19.94億m3，其中渭干河補給2.18億m3/a，庫車河補給0.242 2億m3/a，渠系入滲15.01億m3/a，平原庫滲漏0.246億m3/a，田間滲漏1.87億m3/a，天然補給量為0.39億m3/a[25]。

在渭干河灌溉區內，收集了按照綠洲外圍及綠洲內部布置方式布設的38眼觀測井的1996—2012年的地下水位資料，地下水位為每月5號、15號、25號由人工觀測得到的(研究的數據主要來源于渭干河流域管理局提供)。利用研究區38眼觀測井的16 a的觀測數據，計算不同年份38眼觀測井的平均地下水位。

分析了1996—2012年的平均地下水位的動態變化，如圖3。可以看出，1996—2001年期間研究區平均地下水位具有下降趨勢，這主要是因為隨著灌區排水系統的完善，特別是骨干排水溝渠的開通運行，疏干了低洼地的積水，同時也降低了相應地域的地下水位。2002年和2003年有上升趨勢，主要是由2002年7月22—23日的特大洪水引起的。2003年的地下水位也一定程度上受2002年的洪水的影響。自2003年后明顯下降趨勢。多年來地下水位整體呈現出逐漸下降的趨勢。其中人口的大量增加所導致的用水增加、耕地面積的大量增加所導致的灌溉需水量增加，使得人類對地下水的開采力度大大加強，從而也是促使地下水位一直呈現出下降趨勢的重要原因。

地下水位下降導致潛水蒸發減少使得給土壤水補給量減少，從而導致土壤水分匱缺以及生態環境退化。為此，地下水一旦遭到破壞，很難修復。因此應該科學的認識研究區地下水特征，對地下水進行合理的開發、保護以及治理，從而保障流域的供水安全、生態環境安全和地下水資源的可持續發展。

圖3　渭-庫綠洲地下水位變化

2.2基于LUCC的生態特征研究

土地利用通過改變地表覆被而影響環境變化，如氣候變化、陸地生態系統的碳循環、土地質量、生物多樣性等[26]。土地利用變化被認為是生態系統多樣性下降的主要驅動因子[27]，受到廣大生態學家的高度關注。

2.2.1LUCC對氣候變化影響隨著全球變暖研究的深入，人類活動作為主導因素所導致的LUCC通過與氣候變化交互作用，在局地、區域與全球尺度對生態系統產生重要影響。由于土地利用變化引起下墊面物理性質的改變，即地表反射率、粗糙度、植被葉面積以及植被覆蓋比例的變化引起溫度、濕度、風速以及降水發生變化，由此引起局地與區域氣候變化。為此，作者收集了渭—庫綠洲近25 a來的年均溫度、年均相對濕度以及年均蒸發量的數據，分析了渭—庫綠洲氣候的變化情況(圖4)。

由圖4可得，渭—庫綠洲近25 a來年均溫度雖有所波動，但整體呈現出上升的趨勢。隨著溫度的逐年升高導致年均相對濕度則呈現出緩慢下降的趨勢。而由于LUCC導致植被類型的改變，尤其是人類社會發展促使的耕地面積大量增加，加之受年均溫度逐年上升的影響導致年均蒸發量也整體呈現出上漲的趨勢。在全球變暖和水分循環加快的背景下，特別是在生態環境極其脆弱的渭干河—庫車河三角洲綠洲，強烈的LUCC增加了氣候發生變化的可能性。近些年新疆氣候發生了明顯的變化，發生了由暖干向暖濕方向的轉型，因此掌握渭—庫綠洲氣候因子的動態變化對新疆的生態環境、經濟發展、洪旱災害和人民生活等均具有重要影響。

2.2.2LUCC及牲畜變化對渭—庫綠洲生態環境的影響物種在長期進化過程中，彼此之間及其與環境之間形成了相對穩定的適應關系，而LUCC改變了這些關系。LUCC是導致自然棲息地破碎化和喪失的主要因素，而有效棲息地面積是決定生物多樣性的主要因子[28]。天然林破壞、城市化、農田開墾過程或農田棄耕等都引起生態系統結構和功能的變化。因此，渭—庫綠洲土地利用的變化，意味著研究區生態系統物種組成結構與功能的顯著變動，從而使區域生物多樣性發生變化。本研究基于LUCC，初步分析牲畜數量的增長趨勢，探討渭—庫綠洲生態環境的變化情況。

圖4　年均溫度、相對濕度及蒸發量變化

渭干河—庫車河三角洲綠洲，由于缺少煤礦資源，各族農民能源主要依靠天然林的紅柳、胡楊、棱棱。初步計算，如每戶每月若要按250 kg計算，整個綠洲10.9萬戶(50 a平均)就需要32.7萬t，每1 km按2.25 t出柴量計算，每年砍伐14.53 km2，50 a砍伐破壞7.27×102km2[29]。所以群眾取柴是林地減少的主要原因。與此同時，人類對天然草地的開墾，加上草地的荒漠化，也造成草地面積銳減。且渭—庫綠洲草地普遍存在嚴重超載過牧現象，平均超載率達23.89%，導致本來就十分脆弱的植被生態系統更加劇衰退。通過董淼等[30]的研究，繪制了自1989—2008年耕地、草地、林地以及水體的面積變化，如圖5所示。結果表明渭—庫綠洲多年來因人口增長需要，耕地面積有所增長，草地、林地以及水體都有一定程度上的減少。自然棲息地面積的銳減，加之人為飼養牲畜所導致的不論是在數量上大幅度增加還是種類上的高度簡化，都致使生物多樣性受到一定程度上的影響。故作者收集了研究區1989—2013年人類飼養牲畜的變化情況，如圖6所示。可以得到，25 a間由于人為飼養家禽，牲畜種類主要為牛、豬、羊，且數量大幅度增長，同時在LUCC所導致自然棲息地破碎化的綜合作用的結果下，進一步導致物種結構高度簡化、單一性愈加明顯。森林、草地、濕地等自然棲息地的減少和破碎化一方面導致某些物種滅絕，一方面又容易引發外來物種入侵，導致生物多樣性的變化。故研究研究區的土地利用/覆蓋的動態變化、牲畜種類及增長狀況，為保護渭—庫綠洲的生物多樣性提供依據，對維持典型綠洲的生態環境平衡具有重要的影響。

圖5　1989-2008年土地面積變化

圖6　渭-庫綠洲牲畜變化

3　結 論

(1) 采用最大似然的方法，對1989年，1998年，以及2013年多期遙感數據進行分類。分類結果表明，1989年、1998年及2013年圖像分類精度分別為99.19%，99.68%及98.44%，且各地物類型間分離度均達到1.9以上，說明分類精度較高，滿足該研究的要求。通過監督分類并統計結果可以得到從1989—2013年這25 a中，耕地面積總體上增加了2.408×103km2。從1989—1998年近10 a期間，耕地面積增加了6.29×102km2；而從1998—2013年這15 a中，耕地面積大幅度增長，與1998年相比耕地面積增加了1.779×103km2。

(2) 從水文特征方面來看，作者收集了近60 a渭—庫綠洲的徑流量數據，其中從1957—1960年的平均徑流量為31.48億m3，從1961—1970年的平均徑流量為30.56億m3，從1971—1980年的平均徑流量為30.66億m3，從1981—1990年的平均徑流量為32.06億m3，從1991—2000年的平均徑流量為35.85億m3，從2001—2006年的平均徑流量為37.98億m3。可以看出多年來渭—庫流域的多年平均徑流量呈上升的趨勢，說明多年來地表水資源有所增加且較為豐富。同時作者分析了1996—2012年的地下水位的動態變化，可以看出，多年來地下水位呈現出逐漸下降的趨勢。其中人口的大量增長所導致的需水需求加大、耕地面積的大量增加所導致的灌溉需水量也隨之增加，最終導致人類對地下水的開采力度大大加強，從而促使地下水位一直呈現出下降的趨勢。

(3) 從生態特征方面看，研究區近25 a來年均溫度雖有所波動，但整體呈現出上升的趨勢。隨著溫度的逐年升高導致年均相對濕度則呈現出緩慢下降的趨勢。而由于LUCC導致植被類型的改變，尤其是人類社會發展促使的耕地面積大量增加，加之受年均溫度逐年上升的影響導致年均蒸發量也整體呈現出上漲的趨勢。對于LUCC對牲畜的影響來說，渭—庫綠洲多年來因人口增長需要，耕地面積有所增長，使林地、草地等有效棲息地面積大范圍減少。加之25 a間由于人為飼養家禽種類的簡化、數量的大幅度增長，以及在LUCC所導致自然棲息地破碎化的綜合作用的結果下，促使原生物種大量消失，土地覆被類型由繁變簡，物種結構高度簡化。故研究土地利用/覆蓋的動態變化、牲畜種類及增長狀況，為保護渭—庫綠洲的生物多樣性提供依據，為未來綜合考慮基因多樣性、物種多樣性和生態系統多樣性方面，系統開展土地利用變化對生物多樣性影響的趨勢和機制方面的研究以及定量預測土地利用變化對生物多樣性的影響方面奠定一定的基礎。總之，LUCC對水文和生態特征均具有重大影響，如何合理處理土地利用/覆蓋的有效方式對土地保護至關重要。因此，干旱區渭—庫綠洲脆弱生態區LUCC對水文和生態特征的影響研究，在今后一段時期仍然是生態水文學研究的熱點之一。

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Analysis on the Hydrological and Ecological Characteristics Based on the LUCC in Weigan and Kuqa River

WANG Juan1,2,3， ZHANG Fei1,2,3， YU Haiyang1,2,3， REN Yan1,2,3， ZHANG Yue1,2,3

(1.College of Resources and Environment Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China;2.KeyLaboratoryofoasisEcology,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China;3.KeyLaboratoryofXinjiangwisdomcityandenvironmentmodelingUrumqi,Urumqi830046,China)

Land use/land cover change (LUCC) is one of the core issues in global change research. Because of human behaviors, especially the aggravated land utilization by wasteland cultivation, more fertilizer and land utilization change resulting from cosmically disafforestation and disintegrating habit, the nature landscape was seriously destroyed and the survival environment of animals and plants was inflected, which degrade the eco-system function. As a result, high intensity of human activity let LUCC has the great influence on the hydrosphere and biosphere. We used the typical oasis Weigan-kuqa River as the study area. We used the method of maximum likelihood for image classification and statistics of cultivated land, forest land, saline land, water, and the bare land in the years of 1989， 1998， 2013. The results show that：(1) from the aspects of hydrological, LUCC changed significantly because of the human activities in the oasis Weigan-kuqa Rive, from 1989 to 2013, in total, cultivated area increased by 2.408×103km2that led to irrigation and other water consumption, at the same time, combination of construction of irrigation channels and reservoirs and other activities promoted increased surface runoff and caused the decline of underground water level year by year; (2) from the aspects of ecological, LUCC caused climate change with the main factors of human activity in the study area, it was caused by changes in temperature, humidity and evaporation, with the widespread increase of arable land, grassland and woodland area decreased to some extent, making the biodiversity simple and simplex significantly. Therefore, study on the characteristics of hydrological and ecological as well as environmental impacts and mechanisms based on the LUCC has the significant scientific value.

LUCC; hydrological; ecological; maximum likelihood classification

2015-03-17

2015-04-10

新疆自然科學基金“塔里木河流域典型綠洲土地利用/覆蓋變化的生態水文效應研究”(2012211B04)

王娟(1992—),女,河南沈丘人,碩士生,主要從事干旱區資源與環境遙感方面的應用研究。E-mail:wangjuan6231@163.com

張飛(1980—),男,陜西省鳳翔縣人,博士,主要從事干旱區資源與環境遙感應用研究。E-mail: zhangfei3S@163.com

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1005-3409(2016)02-0236-07