塔里木河上游人工與天然綠洲相互轉(zhuǎn)化過程與適宜比例

陳超群, 吳 煜, 王 健, 趙 樂, 張廣朋, 張 鵬, 趙新風

(1.新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司, 烏魯木齊 830002; 2.中科院 新疆生態(tài)與地理研究所, 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[1-3]。關于綠洲轉(zhuǎn)化方面，謝霞等[4]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[5]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)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，具有重要的科學和現(xiàn)實意義[6-7]。國外對干旱區(qū)人工綠洲與天然綠洲適宜面積比例的研究至今鮮有報道，但相關的研究成果[1-3]可為本研究提供一定幫助，這主要表現(xiàn)在對綠洲內(nèi)林地、草地和耕地的適宜配比[8]；國內(nèi)有研究得出民勤綠洲耕地與天然綠洲規(guī)模的適宜比例約為1∶2[9]、新疆渭干河平原綠洲內(nèi)耕地面積與(林地+草地)面積比例為3∶2[10]；李建林等[11]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(fā)潛力。

但是近年來，人類通過改善灌溉系統(tǒng)，熟化土壤，栽培作物，營造林木，使綠洲擴大的同時為了滿足人口增長以及經(jīng)濟發(fā)展的需求，人們不合理利用自然資源，大面積的開墾荒地，“兩擴大”和“四縮小”成為塔里木河上游流域環(huán)境演變的基本模式，即綠洲和沙漠面積擴大，特別是人工綠洲擴張，天然草地、草場、野生動植物棲息地、自然水域減少[12-14]。塔里木河流域的天然綠洲生態(tài)危機已引起許多學者和管理部門的高度重視[15-17]。那么，提出問題：地處南疆極端干旱荒漠區(qū)的塔里木河干流近些年的人工與天然綠洲轉(zhuǎn)化過程如何？其面積配比是否適宜？由于塔里木河上游對維系整個塔里木河流域的完整性意義重大[12]，基于此，本文選擇塔里木河上游為研究靶區(qū)，利用1990年、2000年、2010年3期Landsat TM/ETM遙感影像，分別提取土地利用/覆被類型信息，分析人工和天然綠洲轉(zhuǎn)化情況，探討該區(qū)人工綠洲和天然綠洲的適宜配比。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

塔里木河干流區(qū)屬干旱區(qū)典型的大陸性氣候。干燥少雨、蒸發(fā)強烈、多風、氣溫年較差大，日照充足，熱量豐富。年平均氣溫10.5～11.4℃，大于10℃年積溫4 039～4 274℃。年蒸發(fā)量2 000～2 900 mm(20 cm小型蒸發(fā)皿觀測值)，而降水量僅30～50 mm。平均日照2 920～2 990 h，平均風速1.6～2.9 m/s，8級以上大風14 d[18]。

塔河干流區(qū)人口主要集中在塔里木河沿岸的綠洲平原上,2007年人口約占全疆總?cè)丝诘?.71%，占南疆人口10.18%；GDP 為7.918×105萬元,占全疆2.24%，占南疆10.04%;2007年一、二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值分別占GDP的43.9%，31.8%，24.3%。1988年塔河干流區(qū)人口為63.77萬人，人口比重結(jié)構以上游為主(76.29%)、中游次之(12.06%)、下游最小(11.66%)；2007年人口96.85萬人，上中下游人口分別為74.98萬人，10.42萬人，11.46萬人，比重依次為77.41%，10.75%，11.83%。可見，上游地區(qū)一直是干流區(qū)人口密集區(qū)[19]。研究區(qū)經(jīng)濟發(fā)展主要依靠農(nóng)業(yè)，是新疆重要的糧食基地，同時還是全國著名的棉花生產(chǎn)基地。畜牧業(yè)主要品種以山羊、綿羊、牛為主；林果業(yè)發(fā)展也初具規(guī)模；工業(yè)基本形成了建材、塑料、化工、紡織、機械、食品、能源、農(nóng)副產(chǎn)品加工門類齊全、初具規(guī)模的工業(yè)體系；城市建設日趨完善[20]。

塔里木河干流區(qū)(后簡稱塔河干流區(qū))指塔里木河流經(jīng)的地區(qū)，按地貌特點可將塔里木河干流流域劃分為上、中、下游三段，塔河干流區(qū)從西到東包括5縣市，其中，阿拉爾市、沙雅縣、庫車縣位于上游地區(qū)，輪臺縣和部分尉犁縣位于中游地區(qū)，尉犁縣其余部分在下游地區(qū)。塔里木河上游是從阿克蘇河、和田河及葉爾羌河三源流匯合口肖夾克至阿克蘇地區(qū)與巴州(庫車—輪臺)在塔里木河上的分界點英巴扎；塔里木河上游西依阿瓦提縣，西北靠阿克蘇市，東北接新和縣，通過遙感解譯，加上未利用地，塔里木河上游區(qū)總面積為13 760 km2(2010年)。塔里木河上游呈近東西向流淌，河道長495 km，沖積平原寬15～20 km，地面坡度3%～5%；河道比較穩(wěn)定，河漫灘寬闊，河勢多變，汛期洪水漫溢；河流北岸緊靠天山山前平原，寬度不大，地面平坦。

1.2　數(shù)據(jù)資料

對1990年、2000年、2010年的塔里木河上游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，并繪制出塔里木河上游土地利用圖。

在ERDAS 9.0和ArcGIS 9.0的支持下，按照上述的分類系統(tǒng)對3期遙感影像進行目視解譯并數(shù)字化、建立拓撲關系，并用野外考察數(shù)據(jù)對解譯結(jié)果進行校正，獲得3期土地利用圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。

1.3　綠洲分類方法

按照大地貌類型，將流域分為山區(qū)、平原和荒漠3部分。在平原地區(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[21-22](表1)，具體分類圖見圖1。

表1　綠洲類型及劃分

1.4　轉(zhuǎn)移矩陣計算

利用ArcGIS的Interset模塊，將解譯好的塔里木河上游1990年、2000年和2010年3期的遙感影像得到的土地利用類型數(shù)據(jù)進行交叉分析(ArcToolbox/Analysis Tools/Overlay/Intersect)，進而用Excel數(shù)據(jù)透視表處理，建立1990—2000年、2000—2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表2—4)，分類圖精度為30 m分辨率。

2　結(jié)果與分析

2.1　人工、天然綠洲面積變化特征

通過對比1990年、2000年和2010年三期土地利用數(shù)據(jù)塔里木河上游流域的人工綠洲呈不斷擴張，天然綠洲面積不斷縮小。人工綠洲面積由1990年的1 170.31 km2增加到2000年的1 869.47 km2，再增加到2010年的2 629 km2，經(jīng)計算平均增長速率為72.94 km2/a；天然綠洲面積從1990—2010年呈逐漸下降的趨勢，由1990年的7 468.56 km2減少到2000年的6 794.64 km2，再減少到2010年的6 074.52 km2。

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，在變化速遞上，耕地面積增長速度較快，建筑用地、人工水庫面積增速較為穩(wěn)定；1990—2010年，耕地面積呈直線上升，而天然綠洲中，林地、草地等面積呈不斷下降趨勢。

表2　塔里木河上游1990-2010年人工綠洲、天然綠洲不同要素的面積　km2

2.2　土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣分析

塔里木河上游1990年、2000年、2010年土地類型面積變化情況如表2—4所示。在1990—2000年，塔里木河上游人工綠洲中的耕地、人工建筑面積均增加：耕地增加了97.04%，主要由疏林地、高覆蓋草地、低覆蓋草地、有林地、灌木林地、中覆蓋草地轉(zhuǎn)化而來。河渠面積減少了13.71%，主要轉(zhuǎn)化成了灘涂濕地、中覆蓋草地。城鎮(zhèn)建設用地基本無變化；農(nóng)村居民點面積增加了15.42%，主要由高覆蓋草地、耕地、疏林地、有林地轉(zhuǎn)化而來。各種天然林地面積均減少：有林地面積減少了7.45%，主要轉(zhuǎn)化成了耕地、河渠；灌木林地面積減少了16.47%，主要轉(zhuǎn)化成了耕地、高覆蓋草地；疏林地減少了14.79%，主要轉(zhuǎn)化成了耕地、低覆蓋草地、高覆蓋草地。各種草地面積均減少：高覆蓋草地減少了7.19%，主要轉(zhuǎn)化成了耕地、裸巖石礫；中覆蓋草地面積減少了5.02%，主要轉(zhuǎn)化成了耕地、高覆蓋草地、低覆蓋草地；低覆蓋草地面積減少了8.12%，主要轉(zhuǎn)化成了耕地、高覆蓋草地。

表3　塔里木河上游1990-2000年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣　km2

2000—2010年(表3)，塔里木河上游人工綠洲中，耕地、建筑用地、河渠水庫面積均增大：耕地增加了48.63%，主要由高覆蓋草地、疏林地和中、低覆蓋草地、有林地轉(zhuǎn)化而來。城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點、其他建設用地面積均增大了，分別增長了132.57%，16.20%，109.48%，城鎮(zhèn)用地主在由耕地轉(zhuǎn)化而來，農(nóng)村居民點面積主要由沙地、有林地、低覆蓋草地轉(zhuǎn)化而來，其他建設用地主要由低覆蓋草地、沙地轉(zhuǎn)化而來；河渠面積減少了11.18%，主要轉(zhuǎn)化成了灘涂濕地、耕地。

天然綠洲，各種林地面積均減少：至2010年有林地、灌木林地、疏林地面積分別較2000年減少了6.10%，5.53%，11.6%，有林地主要轉(zhuǎn)化成了耕地、疏林地，灌木林地主要轉(zhuǎn)化成了耕地、低覆蓋草地、高覆蓋草地，疏林地主要轉(zhuǎn)化成了耕地、沙地、低覆蓋草地、有林地。各種草地面積均減少：高、中、低覆蓋草地面積分別較2000年減少了35.36%，3.49%，6.35%，高覆蓋草地主要轉(zhuǎn)化成了耕地、中覆蓋草地、低覆蓋草地、沼澤地，中覆蓋草地主要轉(zhuǎn)化成了耕地、高覆蓋草地、低覆蓋草地，低覆蓋草地主要轉(zhuǎn)化成了耕地、中覆蓋草地、高覆蓋草地、沙地。灘涂濕地、沼澤地面積均增加了，灘涂濕地面積增加了14.66%，主要由河渠、有林地轉(zhuǎn)化而來，沼澤主要由高覆蓋草地轉(zhuǎn)化而來。

表3　塔里木河上游2000-2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣　km2

1990—2010年，塔里木河上游人工綠洲，耕地、建筑用地、河渠水庫面積均增大(表4)：塔里木河上游流域耕地增加了192.86%，主要由疏林地、高覆蓋草地、低覆蓋草地、有林地、中覆蓋草地轉(zhuǎn)化而來；城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點、其他建設用地面積均增加了，城鎮(zhèn)建設用地面積增加了132.57%，主要由耕地轉(zhuǎn)化而來，農(nóng)村居民點面積增加了34.11%，主要由有林地、沙地、低覆蓋草地轉(zhuǎn)化而來；河渠面積減少了23.31%，主要轉(zhuǎn)化成了灘涂濕地、耕地。各種天然林地面積均減少：有林地、灌木林地、疏林地面積均分別減少了13.10%，21.08%，24.67%，有林地主要轉(zhuǎn)化成了耕地、河渠、灘涂濕地，灌木林地主要轉(zhuǎn)化成了耕地、高覆蓋草地、低覆蓋草地、河渠、灘涂濕地，疏林地主要轉(zhuǎn)化成了耕地、沙地、低覆蓋草地、高覆蓋草地。各種天然草地面積均減少：到2010年高、中、低覆蓋草地面積分別較1990年減少了40%，8.34%，13.94%，高覆蓋草地主要轉(zhuǎn)化成了耕地、中覆蓋草地、低覆蓋草地、沼澤，中覆蓋草地主要轉(zhuǎn)化成了耕地、高覆蓋草地、低覆蓋草地，低覆蓋草地主要轉(zhuǎn)化成了耕地、高覆蓋草地、中覆蓋草地、灌木林地、沙地。

表4　塔里木河上游1990-2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣　km2

將1990—2010年劃分為2個時間段：第一時間段為1990—2000年，第二時間段為2000—2010年。據(jù)土地利用要素轉(zhuǎn)移矩陣，人工綠洲的要素面積在增加，各種組成天然綠洲的要素面積在減小。面積增加的要素中，耕地、建筑用地、農(nóng)村居民點在第一時間段的增加量大于第二階段，果園(其他林地)、水庫在第二時間段的增加量大于第一時間段。天然綠洲面積減小的要素中，灌木林地、有林地、中覆蓋草地在第一時間段的減小量大于第二時間段，疏林地、高覆蓋草地在第二時間段的減小量大于第一時間段。

2.3　人工、天然綠洲面積比例分析

通過前面分析可知，塔里木河上游人工綠洲面積不斷擴大、天然綠洲不斷縮小，但綠洲總面積(人工+天然)在近20 a沒有太大變化(表5)，說明綠洲面積的變化主要表現(xiàn)在人工綠洲與天然綠洲面積的相互轉(zhuǎn)化中。通過計算人工與天然綠洲面積比例，兩者比值在近20 a呈增加的趨勢，在1990年、2000年、2010年，人工與天然綠洲面積比值分別是1∶9，2∶8，3∶7(表5)。

表5　塔里木河上游人工與天然綠洲面積比例

3　討論與結(jié)論

3.1　討 論

1990—2010年，塔里木河上游的人工綠洲呈不斷擴張，天然綠洲面積不斷縮小，表現(xiàn)為人工綠洲替代天然綠洲的趨勢。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，以及人工水庫面積在時間尺度上表現(xiàn)為持續(xù)增長，這是當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展水平持續(xù)上升、城市化進程加快導致。耕地增長主要是由于近20年，打井開荒現(xiàn)象十分普遍，耕地面積大幅增長。

本研究得出近20年塔里木河上游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年、2000年、2010年，人工與天然綠洲面積比值分別是1∶9，2∶8，3∶7。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 m3中有四顆草，就算是低覆蓋草地。通過以上3個時期的面積比例(1∶9，2∶8，3∶7)可知，1990年、2000年、2010年人工綠洲與天然綠洲面積比例均是合理的，但是，本研究認為有一些數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的誤差可能引起結(jié)果有所不同。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。在塔里木河上游地區(qū)草地面積占很大比例，見圖1。

圖1低覆蓋草地與其他土地利用類型面積比較

其次，我們在計算人工綠洲面積中的草地面積時，是將高、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，從而導致天然綠洲面積偏大，最終導致面積比例結(jié)果(人工/天然)偏小。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(表5)，此時，1990年、2000年、2010年的面積比例分別是2∶8，2∶8，3∶7。

綠洲適宜規(guī)模中，人工與天然綠洲比例不宜過大，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%[23]；錢正英等[24]認為干旱區(qū)人工綠洲與天然綠洲的適宜比例不能超過4∶6。塔里木河上游主要是以灌溉農(nóng)業(yè)為主導的人工綠洲，剩余的水流向中游，以及下游的荒漠區(qū)以形成天然綠洲，上中游用水過量會導致下游的天然綠洲衰敗甚至趨于滅亡；同時綠洲四周沙地所占比例較大，受風沙侵襲較大，因此，人工綠洲面積不宜過大。若將人工/天然綠洲面積不超過4∶6來判斷綠洲結(jié)構是否合理，那么，研究時段內(nèi)塔里木河上游人工與天然綠洲面積比例還處于較適宜階段。

圖2塔里木河上游人工、天然綠洲面積變化量

由于從1990—2010年，塔里木河上游人工綠洲面積增加了14 285.05 km2，而天然綠洲面積減少了10 570.8 km2(圖2)，兩者之比為1∶0.74，也就是說增加1份的人工綠洲面積就要失去0.7份的天然綠洲面積。

3.2　結(jié) 論

(1) 1990—2010年，塔里木河上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。塔里木河上游人工綠洲呈不斷擴張，天然綠洲面積不斷縮小，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72.94 km2的速率增加，而天然綠洲平均以每年69.70 km2的速率減少。

(2) 通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析，1990—2010年，在塔河上游，表現(xiàn)為：草地、林地等向耕地轉(zhuǎn)化，草地、林地等向人工建筑用地轉(zhuǎn)化；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) 對塔里木河上游人工/天然綠洲面積比例而言，1990年、2000年、2010年人工與天然綠洲面積比例分別是2∶8，2∶8，3∶7。通過人工綠洲增加面積與天然綠洲減少面積的比值看，每增加1份人工綠洲面積就要失去0.7份天然綠洲面積。

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