干旱區典型流域人工與天然綠洲相互轉化過程與適宜比例
——以開都-孔雀河流域為例

張 鵬，趙新風，王希義，張廣朋

(1.新疆農業大學林學與園藝學院，烏魯木齊 830052；2.中國科學院新疆生態與地理研究所，烏魯木齊 830011)

綠洲是干旱區特有的景觀，是干旱區最為精華的部分[1]，沒有綠洲就沒有干旱區的生存與發展。綠洲是自然和人工相結合的綜合體，根據其發生機制，可以劃分為人工綠洲和天然綠洲[2]。但是近年來，由于經濟的發展和巨大的經濟利益驅動下人工綠洲所占比例大幅增加，導致一系列生態問題，主要表現為人工綠洲擴張，天然草地、草場、野生動物棲息地、自然水域減少。以此研究探討維持合適的綠洲比例，以實現人工綠洲和天然綠洲協調、可持續發展，具有重要的科學和現實意義。國內對綠洲適宜比例的相關研究其結論也存在較大差異，國內有研究提出天然綠洲面積比例應至少為15%左右[3]；有些研究認為人工綠洲與天然綠洲規模比應為2∶3[4]；有些得出民勤綠洲耕地與天然綠洲規模的適宜比例約為1∶2[5]、新疆渭干河平原綠洲內耕地面積與(林地+草地)面積比例為3∶2[6]；李建林等[7]利用分形理論PAO(人工綠洲占整個綠洲面積的百分比)分析了新疆人工、天然綠洲分布的適宜比例，并認為新疆耕地面積還有一定的開發潛力。近些年來，新疆的綠洲變化呈現出人工綠洲代替天然綠洲的演變模式[8]，而人工綠洲面積過大必然造成天然綠洲面積減小，導致綠洲沙漠化[9]和鹽漬化[10]加劇，導致綠洲穩定性和綠洲安全受到影響[8]。本研究以開都-孔雀河流域為研究靶區，分析1990-2010年其人工綠洲和天然綠洲的變化規律及其比例，探討該區人工綠洲和天然綠洲的適宜配比。流域不同土地利用類型的面積發生了較大變化，但其中不同土地利用類型之間轉化的程度與方向并不明確，在這里利用轉移矩陣來進一步分析具體的土地轉化過程。

1 研究區概況

開都-孔雀河流域位于新疆維吾爾自治區巴音郭楞蒙古自治州境內，地處塔里木盆地東北部、塔克拉瑪干沙漠東北緣，地理位置為東經82°57′～90° 39′，北緯40° 25'～43° 21′，流域總面積占巴州總面積的16.1%[11]。流域主要由開都河、博斯騰湖和孔雀河3部分構成，開都河由于天山支脈阿克塔格的阻隔，使流域形成焉耆盆地平原區和孔雀河沖洪積平原區2大地形地貌單元[12]。

開都-孔雀河流域有大小十余條雨雪混合型補給的河流，為開都河、孔雀河、黃水溝、烏拉斯臺河塔拉河、曲惠溝、木呼爾查干河、哈合仁郭勒、庫爾楚河、霍拉溝等，其中開都河為流域的主要補給水源，發源于新疆天山南坡中部，流經焉耆盆地后流入博斯騰湖，是惟一能常年補給博斯騰湖的河流?？兹负邮情_都河匯入博斯騰湖后經博斯騰湖調節的出流，最后向東蜿蜒曲折經塔里木盆地東北部，目前，自阿克蘇甫鄉以下斷流。

流域為典型干旱大陸性氣候，根據流域內多個氣象站資料，從流域上游到下游多年平均降水量 75.0～47.3 mm，集中于 6-8月份，多年平均蒸發量1 887～2 777 mm。

長期以來，大規模的水土開發活動尤其是1988年開始的墾荒植棉已經使當地環境發生了極大的變化，造成河道斷流[13,14]、湖水水位和水質下降[15]、天然植被退化和土地鹽漬化沙漠化等問題。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本研究采用開都河-孔雀河流域1990、2000和2010年7-9月份Landsat-TM遙感影像(1990年和2000年影像分辨率為30 m，2010年影像分辨率為19 m)，并利用ArcGIS 9.3，參照中國科學院土地利用分級系統(解譯標準見表1)，同時兼顧影像分辨率及本研究需要對合成遙感影像進行目視分類解譯、建立拓撲關系，獲取流域典型時期(1990年、2000年和2010年)土地利用/覆被圖，并通過2次實地遙感精校驗和耕地利用系數校驗。

2.2 綠洲分類方法

按照大地貌類型，將流域分為山區、平原和荒漠3部分。在平原地區，分為人工綠洲和天然綠洲(見表1)。

表1 人工綠洲及天然綠洲劃分Tab.1 Classification of artificial and natural oases

對流域內綠洲變化和荒漠化的監測主要采用遙感動態觀測的方法[16]，通過目視解譯，進行流域土地利用類型劃分。人工和天然綠洲面積的提取依據樊自立等[2]對綠洲內天然綠洲與人工綠洲的劃分方法，天然綠洲包括平原區域的天然河岸林、天然灌木林以及低地鹽化草甸等3類景觀，人工綠洲景觀包括區內人工經營的一切土地類型，主要為耕地、園地、人工林地、人工草地、居民與工礦用地、 交通用地以及渠道等。因此，在綠洲提取的過程中將耕地、人工林地(果園)、建設用地、水庫、湖泊、人工渠系提取為人工綠洲，將人工綠洲周邊的草地、天然林、沼澤、灘涂濕地提取為天然綠洲。

2.3 轉移矩陣計算

土地利用轉移矩陣來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述。通常的土地利用轉移矩陣(見表2)中，A1,…,An表示n種土地利用類型，行表示T1時點土地利用類型，列表示T2時點土地利用類型。Pii表示T1-T2期間i種土地利用類型保持不變的面積，Pij表示T1-T2期間土地類型i轉換為土地類型j的面積數額[17]。利用土地利用轉移矩陣可以直觀了解到地區土地利用類型的轉化情況。

表2 土地利用轉移矩陣Tab.2 A sample of land use transition matrix

利用ArcGIS的interset模塊及Excel數據統計分析模塊，將解譯好的開都-孔雀河流域1990年、2000年和2010年3期的遙感影像，在ArcGIS中進行疊加運算，得到1990-2000年，2000-2010年土地利用轉移矩陣。

3 結果分析

3.1 開都-孔雀河流域天然綠洲和人工綠洲變化分析

通過對比1990年，2000年和2010年3期土地利用數據可知，開都-孔雀河流域的人工綠洲不斷擴張，天然綠洲面積不斷縮小，見圖1、圖2、表3。在1990年開都-孔雀河流域人工綠洲面積為2 595.5 km2，天然綠洲面積為12 132.5 km2；在2010年人工綠洲面積為5 190.6 km2，天然綠洲面積為10 186.5 km2。1990-2010年人工綠洲面積增長2 895.1 km2，擴張速度為144.8 km2/a，天然綠洲減少面積1 946.4 km2，減小速度為97.32 km2/a。其中，1990-2000年人工綠洲擴張速度為153.65 km2/a，天然綠洲減少速度為63.68 km2/a，2000-2010年人工綠洲擴張速度為135.9 km2/a，天然綠洲減少速度為130.96 km2/a。

圖1 開都-孔雀河流域人工綠洲擴張示意圖Fig.1 Artificial oasis expansion sketch map in Kaidu-Kongque river

圖2 1990-2010年人工綠洲及天然綠洲面積變化Fig.2 Area changing of artificial and natural oases in 1990 to 2010

1990-2010年，在人工綠洲擴張過程中，人工綠洲各土地利用要素變化也存在很大差異，在變化速度上，耕地和果園的面積增長速度較快，建設用地面積增速較為穩定，人工水庫面積的增長速度變化時間差異性較為明顯。在時間尺度上，1990-2000年，人工水庫面積增長速度最快，年均增長速度為15.86%，建設用地最慢，增長速度為2.88%； 2000-2010年，果園面積的年均增長速度最快達37.1%，水庫的面積年均減小2.38%。

表3 1990-2010年主要人工綠洲類型面積變化Tab.3 Area changing of the main artificial oasis in 1990 to 2010

3.2 土地利用及時空變化分析

利用轉移矩陣分析具體的土地轉化過程。從表4和表5可以看出，在1990-2010年耕地面積不斷增加，2010年比1990年增加了56.6%，從轉移矩陣看1990-2000新增耕地面積主要來自于草地和林地，其凈轉移量分別占耕地總轉入面積的82.35%和16.03%；2000-2010年新增耕地面積主要來自于草地和沙地，轉移而來的草地面積和沙地面積分別占其他類型轉移為耕地類型的70.57%和21.78%。

耕地面積在1990-2000年的擴張是主要以擠占林草地面積為主，但在2000-2010年新增耕地是由草地和沙地轉化為主，且耕地占用草地的面積也小于2000年前。從總體上看，1990-2010年的20 a里耕地面積擴張主要是來自于草地、林地和沙地，而耕地轉入林地的量大于林地轉入量，因此耕地總體增加最主要來自于草地和沙地。

林地面積在1990-2000年減少了19.39%，從轉移矩陣來看，減少的林地主要轉移成了耕地、沙地、草地和鹽堿地，其凈轉出量分別占林地面積的12.94%、2.19%、2.01%和1. 62%，因 此，林地一方面被占用為耕地，另一方面逐漸轉化為草地、沙地和鹽堿地，流域生態環境惡化。林地面積在2000-2010年增加了42.63%，新增林地面積主要來自于耕地和草地，其凈轉入量分別占林地總轉入量的61.47%和27.30%，南疆地區在2000年后開始提倡種植經濟林，因此許多人在原來耕地基礎上開始種植經濟林，因此，耕地轉移為了林地。從總體上看，表現為：在1990-2010的20 a里林地總體增加了14.97%，從轉移矩陣看，主要來自于7.62%的耕地和0.60%的草地。

表4 1990-2000年開都-孔雀河流域土地利用轉移矩陣 km2

表5 2000-2010年開都-孔雀河流域土地利用轉移矩陣 km2

1990-2000年草地面積在近20 a時間里不斷減少，2000比1990年減少了1.30%，2010年草地比2000年減少了5.91%，從轉移矩陣看1990-2000草地主要轉移成了耕地、水域濕地和沙地，其中轉移的耕地、沙地和水域濕地分別占1990年草地面積的4.81%、1.53%和2.87%。在2000-2010年，草地主要轉移成耕地、鹽堿地和林地，分別占2000年草地面積的3.95%、1.39%和0.76%。草地面積總體上減少了7.13%，從轉移矩陣分析，草地減少的面積主要轉移成了耕地、水域濕地、沙地、鹽堿地、林地和建設用地，其凈轉移量分別占流域1990年草地面積的8.71%、2.41%、1.46%、1.43%、0.60%和0.40%。

水域濕地面積總體增加了28.94%，從轉移矩陣看，新增水域濕地面積主要來自于草地，占水域濕地總轉入面積的99.68%。

建設用地面積在1990-2000年減少，建設用地面積主要轉移成了其他未利用地，其凈轉移量占建設用地總面積65.63%；在2000-2010年建設用地面積增加，新增建設用地面積主要來自于0.23%的草地、1.03%的其他未利用地和0.41%的耕地。

沙地面積在1990-2000年增加，新增沙地面積主要來自于1.529%的草地和2.19%的林地；在2000-2010年沙地面積減少了8.38%，減少的沙地則主要轉移成了耕地。而從整體上看，沙地面積增加，且主要來自于草地。

從以上分析可知，在1990-2000年開都-孔雀河流域林地、草地面積不斷減少，林草主要轉移成了耕地、水域和沙地。

當天然綠洲在逐漸向人工綠洲轉化的同時，天然綠洲間也存在相互轉化。鹽堿地、沙地、裸土地和裸石巖礫面積都有不同程度的增加，其變化幅度較小且主要由草地轉移而來。

在2000-2010年流域草地和水域面積減少，草地主要轉移成了耕地和鹽堿地，而水域則主要轉移成了草地和耕地?？傮w而言，流域林草水總面積在近20 a內是減少的，主要是由草地面積減少引起的，減少的草地面積主要轉移成了耕地、水域濕地、沙地、鹽堿地、林地和建設用地，其凈轉移量分別占流域1990年草地面積的8.71%、2.41%、1.46%、1.43%、0.60%和0.40%。由此可得，開都-孔雀河流域的環境問題主要為耕地擴張迅速，沙漠化和鹽漬化逐漸加重。

3.3 開都-孔雀河流域人工天然綠洲面積比例分析

1990-2010年開都-孔雀河流域人工綠洲面積表現為逐漸增加的過程，由圖3和表6可知，由1990年的2 595.94 km2增加到2000年的4 142 km2，再增加到2010年的5 490.6 km2，平均增長率為144.8 km2/a；天然綠洲面積1990-2010年呈逐漸下降趨勢，由1990年的12 132.5 km2減少到2010年的10 186.1 km2，平均減少率為97.32 km2/a。開都-孔雀河流域綠洲總面積在近20 a沒有太大變化，說明綠洲面積的變化主要表現在人工綠洲與天然綠洲面積的相互轉化。

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2∶8、3∶7、4∶6。

圖3 1990-2010年開都-孔雀河流域人工與天然綠洲面積變化Fig.3 Area changing of artificial and natural oases of Kaidu-Kongque river basin in 1990-2010

年份綠洲面積/km2天然`人工人工綠洲與天然綠洲面積比例19902595.9412132.492∶820004141.9711495.723∶720105490.6310186.094∶6

3.4 開都-孔雀河流域來水量及博斯騰湖水位變化

開都-孔雀河流域位于新疆維吾爾自治區中部，是我國典型的寒區旱區水文系統。流域中最大補給來源為開都河，占入湖徑流量的87.4%左右，多年平均徑流量35.05 億m3，開都河的來水量變化是流域人工綠洲和天然綠洲變化的重要驅動因素。

由圖4可知，1990-2000年開都河來水量呈明顯上升趨勢，由1990年的29.4 億m3增加到2000年的49.7 億m3，其中年來水量峰值2002年達57.1 億m3， 2002年后，來水量持續下降，至2005年最低后緩慢回升。1988-2002年博斯騰湖水位持續上升，15 a間水位共上升3.70 m，達到1958年來的最高水位，湖泊積水面積也相應擴大。2002-2010年湖泊水位持續降低，降低到1 045.75 m。

圖4 大山口年徑流量及博斯騰湖水位變化 Fig.4 Annual runoff of Dashankou and annual runoff of Bosten Lake

4 討 論

(1)1990-2000年開都-孔雀河流域人工綠洲擴張速度為153.65 km2/a，天然綠洲減少速度為63.68 km2/a；2000-2010年人工綠洲擴張速度為135.9 km2/a，天然綠洲減少速度為130.96 km2/a。

(2)在人工綠洲擴張過程中，各土地利用要素間變化差異很大。在變化速度上，耕地面積增長速度較快但呈現下降趨勢，人工水域面積呈先大幅增加后減少的特點，人工果園面積在2000-2010年面積大幅增加，增漲幅度達37.1%。造成這些現象主要由以下原因造成：耕地面積持續以較快速度增長，該地區開荒較為嚴重，從土地利用轉移矩陣分析，新增耕地主要來源于林地和草地，這與先前相關研究進展保持一致。建筑用地面積增速較為穩定，且有提高的趨勢，這是由于當地的經濟發展水平持續上升，城市化進程加快導致。人工水庫面積的增長速度在時間尺度上表現為：1990-2000年，人工水域面積增長很快，但是2000-2010年，人工水域面積大幅減少，這與博斯騰湖的入湖水量有密切關系。從20 世紀70年代中后期至2002年博斯騰湖入湖水量呈波動式上升趨勢，2000年度入湖水量最多，該年入湖流量為35.46 億m3，是多年平均流量的2.22倍，為歷史最大值[18]，導致2000年博斯騰湖地下水位大幅上升，湖區周邊的人工水庫蓄水增加，人工魚塘水量大幅增加。2002年以后，博斯騰湖入湖水量開始呈現下降趨勢，是因為進行了塔里木河下游綠色走廊的生態恢復，并解決當時博斯騰湖地區地下水位過高的問題；2002年開展塔里木河下游應急輸水工程，由博斯騰湖通過孔雀河向塔里木河下游進行輸水；另外，由于2000-2010年，打井開荒現象十分普遍，耕地面積大幅增長，地下水位下降明顯，人工水域面積大幅下降。2000-2010年，人工果園面積大幅增長，增長幅度達37.1%，這與當地的經濟結構轉型密切相關，當地的耕地主要以棉花種植為主，受棉花價格大幅波動、紅棗和香梨等水果價格持續走高的影響，當地農民大量種植香梨和紅棗等經濟作物，致使果園面積增長。

(3)1998-2002年為開都河流域豐水年，隨著開都河來水量的增加，博斯騰湖水位也逐步上升，2002年達到歷史最高水位1 049.39 m，隨著來水量的增加人工綠洲面積快速增長,博斯騰湖湖面等天然綠洲面積隨之增加[19,20]； 2002年后，開都河進入平水年，來水量減少，但是人工綠洲面積的持續增加導致農業灌溉水量的增加，加之地下水超采[21]，博斯騰湖水位持續降低，降低至歷史和最低水位1 045.06 m，湖面等天然綠洲面積降低。開都河來水量的變化是流域人工綠洲和天然綠洲的面積比例變化的重要驅動力。

(4)國內有研究提出天然綠洲面積比例應至少為15%左右，即人工綠洲占整個綠洲面積的百分比不宜超過85%[3]；有些研究認為人工綠洲與天然綠洲規模比應為2∶3[4]；有些得出民勤綠洲耕地與天然綠洲規模的適宜比例約為1∶2[5]、新疆渭干河平原綠洲內耕地面積與(林地+草地)面積比例為3∶2[6]；李建林[7]利用分形理論PAO(人工綠洲占整個綠洲面積的百分比)分析了新疆人工、天然綠洲分布的適宜比例，并認為新疆耕地面積還有一定的開發潛力。本研究得出近20 a開都-孔雀河流域人工綠洲面積呈增漲趨勢，而天然綠洲面積呈下降趨勢；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2∶8、3∶7、4∶6。這表現出開都-孔雀河流域人工綠洲與天然綠洲比例超過1∶2范圍，人工綠洲面積過大。

眾所周知在新疆南疆地區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。通過以上3個時期的面積比例數據(2∶8, 3∶7, 4∶6)可知，1990年、2000年人工綠洲與天然綠洲面積比例是合理的，2010年也近似等于錢正英等所研究的2∶3，因此，根據數據初步認為3個時期，只有2010年面積比例不合理，人工綠洲規模過大。但是，筆者認為有一些數據處理產生的誤差可能引起結果有所不同。

首先，天然綠洲面積主要是由3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。草地面積占很大比例，見圖5。

圖5 開-孔河流域不同土地利用類型面積Fig.5 Land use of Kaidu-kongque river basin

其次，我們在計算天然綠洲面積中的草地面積時，將高、中、低覆蓋面積的草地面積相加獲得。因此，在計算天然綠洲面積的過程中人為地擴大了天然草地面積，從而導致人工綠洲面積偏大，最終導致面積比例結果(人工/天然)偏小?，F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模之比(見表7)。

表7 扣除低覆蓋度草地后人工與天然綠洲面積比例Tab.7 Area ratio of artificial and natural oases when deletingthe low-cover grassland

5 結 論

(1)1990-2010年，開都-孔雀河流域的人工綠洲不斷擴張，天然綠洲面積不斷縮小，表現為人工綠洲替代天然綠洲的趨勢。1990-2000年人工綠洲擴張速度為153.65 km2/a，天然綠洲減少速度為63.68 km2/a，2000-2010年人工綠洲擴張速度為135.9 km2/a，天然綠洲減少速度為130.96 km2/a。

(2)1990-2010年，在人工綠洲擴張過程中，人工綠洲各土地利用要素變化也存在很大差異，在變化速度上，耕地面積增長速度較快但呈現下降趨勢，人工水域面積呈現大幅增加后減少的特點，建設用地面積增速呈穩步提升的趨勢，人工果園面積在2000-2010年面積大幅增加，增漲幅度達37.1%。當天然綠洲在逐漸向人工綠洲轉化的同時，天然綠洲間也存在相互轉化，鹽堿地、沙地、裸土地和裸石巖地面積都有不同程度的增加，且主要由草地轉移而來。

(3)近20 a開都-孔雀河流域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，若不將低覆蓋草地面積算入天然綠洲范圍，人工與天然綠洲面積比值分別是6∶4、7∶3、8∶2，若按錢正英等提出的干旱區人工與天然綠洲面積比例不應超過了2∶3，那么，開都-孔雀河流域在1990-2010年人工與天然綠洲面積比例均為不合理，應控制人工綠洲的擴張速度。

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