干旱區內陸河流域典型灌區土地利用變化與耗水量研究

汪 洋，安沙舟

(新疆農業大學草業與環境科學學院/新疆草地資源與生態重點實驗室，烏魯木齊　830052)

0　引 言

【研究意義】阿克蘇河流域深處歐亞大陸腹地，氣候干旱，沙漠與綠洲共存，是中國天山南坡水量最大的河流，也是目前塔里木河最大的水量補給來源，占塔里木河干流補給量的70%～80%[1,2]。在過去的半個多世紀，阿克蘇河灌區土地利用變化主要表現在開墾荒地和擴大綠洲過程中。水土資源的開發和綠洲面積的不斷擴大，加大了水資源壓力，流域內水問題日趨突出，水資源開發過程中的生態與經濟的矛盾日益尖銳，并已嚴重阻礙了流域社會經濟與生態環境的健康發展。灌區水資源合理配置不僅是流域發展面臨的問題，也是國家塔河綜合規劃和新時期絲綢之路生態建設亟待解決的問題，對西部干旱區綠洲的環境演變和可持續發展研究具有現實意義。【前人研究進展】土地利用變化作為當今全球變化研究的核心內容之一，不僅可以反映人類活動造成的影響和程度，同時也對水循環過程有著重要影響[3,4]。在流域尺度上，土地利用/覆被變化主要包括植被變化、農業開發活動以及道路建設、城鎮化等[5-7]，也是導致流域水資源供需關系變化的主要原因[8]，同時也是影響流域社會經濟發展與生態安全的重要因素。Harding等[9,10]在土地利用變化背景下研究了北美地區灌溉對水量平衡的影響，發現灌溉引起的降水遠小于灌溉導致的蒸發。而在中國西北最大內陸河流域塔里木河流域，蒸散發在氣候變化和農業灌溉的雙重作用下不同季節差異很大，徑流的散失和消耗也在綠洲水文過程扮演者重要角色[11-13]。【本研究切入點】目前針對流域灌區土地利用與耗水量關系研究較少，徑流的消耗只是定性地認為是人類灌溉活動的影響[14,15]，對土地利用變化的分析以及這種變化下與耗水量關系研究是制定有效節水政策和水資源合理配置的基礎[16-17]。【擬解決的關鍵問題】結合2000～2014年TM遙感資料和社會經濟數據，對阿克蘇河流域灌區土地類型進行解譯，從土地利用視角探討灌區內土地利用變化與耗水量之間的關系，并分析灌區農業用水增加土壤含水量變化與灌區內淺根系植被死亡，中、低覆蓋草地面積退化問題，為干旱區水土資源的開發利用和生態建設提供科學依據。

1　材料與方法

1.1材 料

1.1.1研究區概況

阿克蘇河流域位于歐亞大陸深處，是塔里木河的主要源流之一，氣候干燥，蒸發量大，降水稀少，氣候變化劇烈。阿克蘇河流域灌區是我國西北干旱區內陸河流域典型的荒漠區大型人工綠洲，位于塔里木盆地北緣阿克蘇至阿拉爾一帶，行政區域上屬于阿克蘇市、烏什縣、溫宿縣、阿瓦提縣和阿拉爾市，光熱資源豐富，年均降水量44.7 mm，灌區經濟以農業為主。阿克蘇河流域由五大灌區組成，即：塔里木河灌區、庫瑪拉克河灌區、托什干河烏什灌區、托什干河溫宿灌區和阿克蘇河灌區。圖1

圖1阿克蘇河流域示意
Fig.1Sketch map of the Aksu River basin

1.1.2數據來源

(1)遙感數據來源于美國地質調查局網站(http://earthexplorer.usgs.gov/)，選取的是2000年和2014年覆蓋阿克蘇河流域的Landsat TM遙感影像，結合阿克蘇河流域植被特點，選取成像時間為8至9月的遙感影像(空間分辨率為30 m)，在圖像獲取上盡量達到一致；(2)屬性數據源于《新疆輝煌50年》、《阿克蘇統計年鑒》以及《新疆統計年鑒》(2000～2014)；(3)土壤含水量數據三是利用遙感技術和全球陸面數據同化系統(GLDAS)，結合氣溫、氣壓、濕度和風速的融合，運用驅動CLM3.5模式進行計算，得到0～10 cm、10～40 cm、40～100 cm、100～200 cm四層土層的含水量數據。

1.2方 法

1.2.1土地利用動態度

該指標反映了某一土地類型在一定時間序列下的變化情況，并在一定程度上能夠預測未來土地利用變化趨勢[18,19]。其表達式為：

(1)

式中：K為某一地類在研究時段內的動態度，Ua、Ub分別表示研究時段起始與末尾時段某一地類的數量；T表示研究時間長度，當T為某一年時段時，K表示該年份某一土地類型的年變化率。

1.2.2土地利用程度綜合指數

該指數可以反映某一區域內土地利用程度變化趨勢，對土地利用程度的深度進行定量化描述。通常將土地利用類型分為4級，結合實際情況對6種地類分別賦值。其表達式為：

(2)

式中：L為土地利用程度綜合指數；Ai為區域內第i級土地利用程度分級指數；Pi為區域內第i種土地類型所占比例，n為土地利用程度分級數。土地利用分級指數如下表[20]。表1

表1土地利用類型分級指數
Table1Land-use type and land-use grades

未利用地Unusedland林地、草地、水體Forestland、Grassland、Waterbody農耕用地Cultivatedland建筑用地Constructionland指數Index1234

1.2.3土地利用結構信息熵與均衡度

信息熵在物理學中作為某一系統復雜性和均衡性的測量[21]。熵值越高，系統有序程度越低，越不穩定。土地利用結構信息熵(H)可以充分反映一定時期各種土地類型的有序程度。表達式為：

(3)

在不同的土地利用分類體系下計算出來的信息熵并不具備嚴格的可比性，因此引入均衡度進行對比。土地利用結構均衡度是在信息熵函數基礎上構建的反映土地利用結構均衡性的量值。

(4)

式中：E代表土地利用結構均衡度，E∈[0，1]，E值越大，均衡性越強。m表示土地利用類型數量、Pi表示第i類土地利用類型的面積比例。

1.2.4精度驗證

采用混淆矩陣法對遙感解譯精度進行驗證。研究中以阿克蘇河流域灌區為基礎，于8～9月在野外使用GPS提取180個隨機點來驗證混淆矩陣，包括耕地、草地、林地、水體、未利用地和建設用地；通過野外實地調研以及Google Earth影像的對比結果，對所有土地類型進行逐一檢驗。結果表明，阿克蘇河流域灌區耕地的分類精度達89.6%，草地分類精度為88.3%，建設用地和水域的分類精度分別達91.4%和90.7%，未利用地精度達85.2%，林地為87.3%，Kappa系數為0.86，符合研究要求。

2　結果與分析

2.1阿克蘇河灌區土地利用/覆被變化

2.1.1土地利用/覆被變化遙感解譯

研究表明，2000年與2014年相比，阿克蘇河流域灌區土地利用變化十分顯著。其中，耕地、林地及建筑用地面積變化最為明顯，都呈現出擴張趨勢，而草地面積逐漸退化，尤其是中、低覆蓋草地面積下降幅度最大，水體和未利用地面積也出現大幅下降。過去15 a中，灌區耕地面積以159.8 km2/年的速度增加，阿克蘇河流域五大灌區耕地面積分別表現出不同程度擴張，以塔里木河灌區變化最為明顯，15 a來耕地面積增加71.6%，以66.1 km2/年的速度增長；托什干河烏什灌區次之，耕地面積擴張55.25%，平均每年增長18.7 km2；托什干河溫宿灌區增幅最小，2014年比2000年耕地面積僅增加了25.53%，平均每年增長4.62 km2。2000～2014年阿克蘇河流域灌區林地面積共增長171.53 km2，增長率達60.1%，主要分布于阿克蘇河灌區；此外，建筑用地面積增加了181.58 km2，增幅最快的在塔里木河灌區，達到165%；未利用地面積有所減少，減幅為50.53%；另外隨著耕地面積的大幅擴張，對水資源的不合理利用導致水體面積減少50.4%；中、低覆蓋草地面積主要轉化為耕地，中覆蓋草地的減少主要集中在托什干河烏什灌區，減少115.5 km2；而阿克蘇河灌區低覆蓋草地減少最為明顯，平均每年減少22.8 km2。圖2

圖22000～2014年阿克蘇河流域灌區土地利用/覆被變化
Fig.2Land use/cover change in the irrigation land in Aksu River basin in 2000-2014

2.1.2土地利用動態度

在過去的15 a間(2000～2014年)，耕地、高覆蓋草地、林地及居工用地土地利用擴張趨勢明顯，動態度分別為7%、18.25%、9.02%和12.04%；中覆蓋草地(-3.55%)、低覆蓋草地(-4.83%)、灌木(-12.55%)、水體(-5.03%)及未利用地(-5.04%)動態度出現負值，這反映2000年以來這些土地類型都呈現不同程度的減少趨勢。其中，耕地擴張最為顯著，近15 a增加了2 316.67 km2，且在各大灌區都表現為明顯增加趨勢；各灌區隨著農牧業與種植業的快速發展，大量草地及未利用地被開墾為耕地。其中，低覆蓋草地和中覆蓋草地面積分別減少明顯，分別為612.76 km2和171.08 km2。水體面積減少了239.66 km2。同時，隨著城市化建設的進行，灌區內居工用地擴張了181.58 km2。表2

表22000～2014年阿克蘇河灌區土地利用動態度
Table2Land use dynamic index of Aksu River basin during 2000-2014

耕地Cultivatedland(km2)低覆蓋草地Lowvegetationcovergrassland(km2)中覆蓋草地Lowvegetationcovergrassland(km2)高覆蓋草地Highvegetationcovergrassland(km2)灌木Shrub(km2)林地Forestland建筑用地Constructionland水體Waterbody未利用地Unusedland20004967 091902 45723 00765 33141 27285 32226 16714 933205 1620147283 751289 69551 92125 06311 27456 86407 74475 272129 16Ua-Ub2316 67-612 76-171 08-640 26169 99171 53181 58-239 66-1076K(%)7-4 83-3 55-12 5518 259 0212 04-5 03-5 04

2.1.3灌區穩定性

根據2000和2014年研究區2期土地類型數據，結合信息熵(公式3)和均衡度(公式4)對阿克蘇河灌區穩定性進行計算。結果顯示，過去15年間土地利用信息熵整體呈下降趨勢，由2000年的1.69下降至2014年的1.47，這某種程度上反映這一時期研究區土地利用系統逐漸趨向于有序化，耕地和中、低覆草地面積的變化是影響這一結果的主要因素。而均衡度的變化趨勢也呈現出下降狀態，由2000年的0.77下降到2014年的0.67，15 a間減少為14.9%，充分說明這一時期阿克蘇河流域灌區土地利用結構的不均衡程度逐漸加大，各土地類型之間的面積分布均衡性有所下降。阿克蘇河流域灌區耕地面積擴大的同時，林果業和生態經濟林等行業得到了有效擴充，這也提升了土地生產力，表現出整個灌區區域相對穩定，但土地利用結構的均衡性日益減弱。

2.2耕地擴張造成的灌溉用水量增加

近15 a阿克蘇河流域灌區水資源消耗變化波動明顯，但總體呈上升趨勢。多年來庫瑪拉克河灌區和托什干河溫宿灌區灌溉用水始終處于上升態勢，阿克蘇河灌區、塔里木河灌區和托什干河烏什灌區灌溉用水量在2005年出現小幅下降，但在2010年后迅速上升。其中，庫瑪拉克河灌區各年度灌溉用水量增幅最為明顯，阿克蘇河灌區2014年灌溉用水量最大，托什干河烏什灌區2005年灌溉用水量最小，五大灌區整體均出現上升趨勢。圖3

圖3各源流區耕地灌溉用水量
Fig.3Farming irrigation water volumes in the Aksu River irrigated region

灌區耗水量增加與耕地面積的迅速擴大密切相關。通過對2000年后大規模農墾活動以來阿克蘇河流域各灌區耕地變化情況進行統計可知，阿克蘇河灌區為主要墾區，2014年面積達2 404.1 km2；塔里木河灌區和庫瑪拉克河灌區耕地面積次之，分別為2 214.7和1 536.11 km2，其中塔里木河灌區增幅最大。近15 a阿克蘇河流域灌區中大規模的耕地擴張往往意味著更多水資源的消耗，此外灌溉用水量增加幅度較高的灌區通常也伴隨著更多資源的開發與利用。各灌區耗水量與耕地面積在2000年后日益增加，這與當地區域農業發展實施政策密切相關[22]。表3

表32000～2014年阿克蘇河各灌區耕地面積變化
Table3Change of cultivated land areas in the irrigation land in Aksu River basin during 2000-2014

灌區名稱Irrigationname現狀面積Currentarea(km2)變化面積Changearea(km2)20002014變化量變化幅度(%)阿克蘇河灌區AksuRiverirrigatedarea1882 052404 10522 0527 7塔里木河灌區TarimRiverirrigatedarea1290 652214 70924 0571 6庫瑪拉克河灌區Kumarirrigatedarea1015 231536 11520 8851 3托什干河烏什灌區WushiirrigatedareainTuoshikanriver507 35787 66280 3155 2托什干河溫宿灌區WensuirrigatedareainTuoshikanriver271 81341 1969 3825 5

阿克蘇河流域各灌區耕地擴張與水資源利用程度密切相關。近15 a來，阿克蘇河灌區分布著地表水充足的地區，其中有干渠17條、支渠123條，因此通過消耗大量水資源來實現耕地的擴張；塔里木河灌區地表水資源消耗量變化不大，這主要與塔里木河灌區大量開采地下水有關，機井數量由1998年的111眼提高到目前的1 757眼，地下水開采量由2000年的2.24×108m3提高到2014年的3.06×108m3；庫瑪拉克灌區在大量水資源的消耗下，通過興修水利設施逐漸擴大耕地規模；托什干河溫宿灌區未利用地所占比例最大，相對遜色的土壤質地與結構導致這一區域耕地規模變化不明顯；而托什干河烏什灌區分布著最少的灌溉耗水量，也導致耕地總面積也受到一定限制。

2.3不同深度的土壤含水量變化

在過去15 a間(2000～2014年)，阿克蘇河流域灌區的土壤含水量呈現明顯減少趨勢，尤其以淺層土壤水分的減少最為顯著，隨土壤深度增加，土壤水分具有滯后延遲變化特征。0～10 cm土層含水量以-24.38 kg/m2/年的速率減少(圖4a)，10～40 cm土層含水量以-3.89 kg/m2/年的速率減少(圖4b)，40～100 cm土層含水量以-1.0 kg/m2/年的速率減少(圖4c)，100～200 cm土層含水量以-0.1 kg/m2/年的速率略微減少，深層土層土壤含水量下降趨勢不明顯，其中阿克蘇河灌區和塔里木河灌區西南部有略微增加的趨勢(圖4d)。圖4

圖42000～2014年不同土層土壤含水率變化
Fig.4Changes of soil moisture content in the different layers in 2000-2014

研究表明，在過去的15 a間，阿克蘇河灌區、塔里木河灌區以及庫瑪拉克河灌區的地下水位分別下降了2.75、0.89和1.06 m。土壤含水量的降低，導致一些淺根系荒漠植物會因干旱脅迫死亡，加速干旱區荒漠化過程，致使以荒漠為主體的生態系統更為脆弱，中、低覆蓋度的草地面積大幅下降。在干旱化日趨加劇的背景下，干旱區生產、生態、生活用水問題更加突出，荒漠化風險加劇，水資源開發利用過程中經濟與生態的矛盾更加尖銳[23-25]。

3　討 論

隨著阿克蘇河流域灌區農業活動范圍不斷擴大，水資源消耗量也隨之增大。在干旱區，土壤水分是連接水文過程和植被動態最為關鍵的因子，土壤水分由降水、植被截留、下滲、蒸發蒸騰、地表徑流、土壤側滲及地下水埋深等綜合水文因素決定，同時也與人類開發活動密切聯系著。阿克蘇河流域灌區土壤含水量變化與氣候變暖和人類開發活動密切相關。研究結果顯示，在過去半個多世紀，天山地區的氣溫上升速率高達0.34℃/10 a，尤其1998年以來，天山地區的氣溫出現了驟然升高、且一直處于高位震蕩態勢[26]。溫度的升高打破了原有的自然平衡，并加大了平原荒漠區的植被蒸騰和土壤水分的耗散[27]。不僅如此，滴管技術的大面積推廣應用，改變了灌區水分運移過程，大大減少了灌區灌溉水的運移量。加之超采地下水，造成地下水位大幅下降，土壤含水量降低。繆凌等[28]針對不同土地利用類型土壤水分的變化特征，對不同土地利用方式土壤水分的季節變化和蓄水特征進行了綜合對比。呂文等[29]為了評估流域土地利用變化對生態系統水量調節能力的影響，從生態水文的新角度來管理流域水資源。但是，目前針對干旱區內陸河流域，尤其是流域灌區典型綠洲-荒漠復合生態系統的土地利用及耗水量關系研究還很缺乏。在空間尺度上研究了阿克蘇河流域灌區土地利用/覆被變化程度，并通過對不同深度土壤含水量的變化發現土壤含水量的降低會導致淺根系植物死亡以及中、低覆蓋度的草地面積大幅下降，加大了水資源開發利用過程中經濟與生態的矛盾。

4　結 論

4.12000～2014年間，阿克蘇河流域灌區土地利用/覆被發生了巨大變化，以耕地的顯著增加和中、低覆蓋度草地的減少最為明顯。其中塔里木河灌區耕地變化最為明顯，15 a來耕地面積增加71.6%，以66.1 km2/年的速度增長，阿克蘇河灌區低覆蓋草地減少最為明顯，平均每年減少22.8 km2。

4.2阿克蘇河流域灌區土地利用程度指數呈上升趨勢。信息熵和均衡度都呈現出下降趨勢，而耕地和中、低覆草地面積的變化是影響這一結果的主要因素。這一方面說明研究區土地利用系統逐漸趨向于有序化，另一方面土地利用結構均衡性日趨減弱。

4.3耕地擴張影響著需水量變化，近15a阿克蘇河流域灌區耕地擴張導致更多的水資源量消耗，灌溉用水量增加幅度較高的灌區通常也伴隨著更多資源的開發與利用。五大灌區灌溉用水皆處于上升態勢，阿克蘇河灌區灌溉耗水量增加最大。

4.4過去15 a灌區土壤含水量(0～10 cm、10～40 cm、40～100 cm、100～200 cm四層土層)呈現明顯減少趨勢，尤其以淺層土壤水分的減少最為顯著。土壤含水量的降低，導致平原荒漠區一些淺根系荒漠植物會因干旱脅迫死亡，荒漠化風險加劇，生態隱憂加大。

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