干旱区典型流域人工与天然绿洲相互转化过程与适宜比例——以开都-孔雀河流域为例

张 鹏，赵新风，王希义，张广朋

(1.新疆农业大学林学与园艺学院，乌鲁木齐 830052；2.中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐 830011)

绿洲是干旱区特有的景观，是干旱区最为精华的部分[1]，没有绿洲就没有干旱区的生存与发展。绿洲是自然和人工相结合的综合体，根据其发生机制，可以划分为人工绿洲和天然绿洲[2]。但是近年来，由于经济的发展和巨大的经济利益驱动下人工绿洲所占比例大幅增加，导致一系列生态问题，主要表现为人工绿洲扩张，天然草地、草场、野生动物栖息地、自然水域减少。以此研究探讨维持合适的绿洲比例，以实现人工绿洲和天然绿洲协调、可持续发展，具有重要的科学和现实意义。国内对绿洲适宜比例的相关研究其结论也存在较大差异，国内有研究提出天然绿洲面积比例应至少为15%左右[3]；有些研究认为人工绿洲与天然绿洲规模比应为2∶3[4]；有些得出民勤绿洲耕地与天然绿洲规模的适宜比例约为1∶2[5]、新疆渭干河平原绿洲内耕地面积与(林地+草地)面积比例为3∶2[6]；李建林等[7]利用分形理论PAO(人工绿洲占整个绿洲面积的百分比)分析了新疆人工、天然绿洲分布的适宜比例，并认为新疆耕地面积还有一定的开发潜力。近些年来，新疆的绿洲变化呈现出人工绿洲代替天然绿洲的演变模式[8]，而人工绿洲面积过大必然造成天然绿洲面积减小，导致绿洲沙漠化[9]和盐渍化[10]加剧，导致绿洲稳定性和绿洲安全受到影响[8]。本研究以开都-孔雀河流域为研究靶区，分析1990-2010年其人工绿洲和天然绿洲的变化规律及其比例，探讨该区人工绿洲和天然绿洲的适宜配比。流域不同土地利用类型的面积发生了较大变化，但其中不同土地利用类型之间转化的程度与方向并不明确，在这里利用转移矩阵来进一步分析具体的土地转化过程。

1 研究区概况

开都-孔雀河流域位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州境内，地处塔里木盆地东北部、塔克拉玛干沙漠东北缘，地理位置为东经82°57′～90° 39′，北纬40° 25'～43° 21′，流域总面积占巴州总面积的16.1%[11]。流域主要由开都河、博斯腾湖和孔雀河3部分构成，开都河由于天山支脉阿克塔格的阻隔，使流域形成焉耆盆地平原区和孔雀河冲洪积平原区2大地形地貌单元[12]。

开都-孔雀河流域有大小十余条雨雪混合型补给的河流，为开都河、孔雀河、黄水沟、乌拉斯台河塔拉河、曲惠沟、木呼尔查干河、哈合仁郭勒、库尔楚河、霍拉沟等，其中开都河为流域的主要补给水源，发源于新疆天山南坡中部，流经焉耆盆地后流入博斯腾湖，是惟一能常年补给博斯腾湖的河流。孔雀河是开都河汇入博斯腾湖后经博斯腾湖调节的出流，最后向东蜿蜒曲折经塔里木盆地东北部，目前，自阿克苏甫乡以下断流。

流域为典型干旱大陆性气候，根据流域内多个气象站资料，从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，多年平均蒸发量1 887～2 777 mm。

长期以来，大规模的水土开发活动尤其是1988年开始的垦荒植棉已经使当地环境发生了极大的变化，造成河道断流[13,14]、湖水水位和水质下降[15]、天然植被退化和土地盐渍化沙漠化等问题。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本研究采用开都河-孔雀河流域1990、2000和2010年7-9月份Landsat-TM遥感影像(1990年和2000年影像分辨率为30 m，2010年影像分辨率为19 m)，并利用ArcGIS 9.3，参照中国科学院土地利用分级系统(解译标准见表1)，同时兼顾影像分辨率及本研究需要对合成遥感影像进行目视分类解译、建立拓扑关系，获取流域典型时期(1990年、2000年和2010年)土地利用/覆被图，并通过2次实地遥感精校验和耕地利用系数校验。

2.2 绿洲分类方法

按照大地貌类型，将流域分为山区、平原和荒漠3部分。在平原地区，分为人工绿洲和天然绿洲(见表1)。

表1 人工绿洲及天然绿洲划分Tab.1 Classification of artificial and natural oases

对流域内绿洲变化和荒漠化的监测主要采用遥感动态观测的方法[16]，通过目视解译，进行流域土地利用类型划分。人工和天然绿洲面积的提取依据樊自立等[2]对绿洲内天然绿洲与人工绿洲的划分方法，天然绿洲包括平原区域的天然河岸林、天然灌木林以及低地盐化草甸等3类景观，人工绿洲景观包括区内人工经营的一切土地类型，主要为耕地、园地、人工林地、人工草地、居民与工矿用地、 交通用地以及渠道等。因此，在绿洲提取的过程中将耕地、人工林地(果园)、建设用地、水库、湖泊、人工渠系提取为人工绿洲，将人工绿洲周边的草地、天然林、沼泽、滩涂湿地提取为天然绿洲。

2.3 转移矩阵计算

土地利用转移矩阵来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述。通常的土地利用转移矩阵(见表2)中，A1,…,An表示n种土地利用类型，行表示T1时点土地利用类型，列表示T2时点土地利用类型。Pii表示T1-T2期间i种土地利用类型保持不变的面积，Pij表示T1-T2期间土地类型i转换为土地类型j的面积数额[17]。利用土地利用转移矩阵可以直观了解到地区土地利用类型的转化情况。

表2 土地利用转移矩阵Tab.2 A sample of land use transition matrix

利用ArcGIS的interset模块及Excel数据统计分析模块，将解译好的开都-孔雀河流域1990年、2000年和2010年3期的遥感影像，在ArcGIS中进行叠加运算，得到1990-2000年，2000-2010年土地利用转移矩阵。

3 结果分析

3.1 开都-孔雀河流域天然绿洲和人工绿洲变化分析

通过对比1990年，2000年和2010年3期土地利用数据可知，开都-孔雀河流域的人工绿洲不断扩张，天然绿洲面积不断缩小，见图1、图2、表3。在1990年开都-孔雀河流域人工绿洲面积为2 595.5 km2，天然绿洲面积为12 132.5 km2；在2010年人工绿洲面积为5 190.6 km2，天然绿洲面积为10 186.5 km2。1990-2010年人工绿洲面积增长2 895.1 km2，扩张速度为144.8 km2/a，天然绿洲减少面积1 946.4 km2，减小速度为97.32 km2/a。其中，1990-2000年人工绿洲扩张速度为153.65 km2/a，天然绿洲减少速度为63.68 km2/a，2000-2010年人工绿洲扩张速度为135.9 km2/a，天然绿洲减少速度为130.96 km2/a。

图1 开都-孔雀河流域人工绿洲扩张示意图Fig.1 Artificial oasis expansion sketch map in Kaidu-Kongque river

图2 1990-2010年人工绿洲及天然绿洲面积变化Fig.2 Area changing of artificial and natural oases in 1990 to 2010

1990-2010年，在人工绿洲扩张过程中，人工绿洲各土地利用要素变化也存在很大差异，在变化速度上，耕地和果园的面积增长速度较快，建设用地面积增速较为稳定，人工水库面积的增长速度变化时间差异性较为明显。在时间尺度上，1990-2000年，人工水库面积增长速度最快，年均增长速度为15.86%，建设用地最慢，增长速度为2.88%； 2000-2010年，果园面积的年均增长速度最快达37.1%，水库的面积年均减小2.38%。

表3 1990-2010年主要人工绿洲类型面积变化Tab.3 Area changing of the main artificial oasis in 1990 to 2010

3.2 土地利用及时空变化分析

利用转移矩阵分析具体的土地转化过程。从表4和表5可以看出，在1990-2010年耕地面积不断增加，2010年比1990年增加了56.6%，从转移矩阵看1990-2000新增耕地面积主要来自于草地和林地，其净转移量分别占耕地总转入面积的82.35%和16.03%；2000-2010年新增耕地面积主要来自于草地和沙地，转移而来的草地面积和沙地面积分别占其他类型转移为耕地类型的70.57%和21.78%。

耕地面积在1990-2000年的扩张是主要以挤占林草地面积为主，但在2000-2010年新增耕地是由草地和沙地转化为主，且耕地占用草地的面积也小于2000年前。从总体上看，1990-2010年的20 a里耕地面积扩张主要是来自于草地、林地和沙地，而耕地转入林地的量大于林地转入量，因此耕地总体增加最主要来自于草地和沙地。

林地面积在1990-2000年减少了19.39%，从转移矩阵来看，减少的林地主要转移成了耕地、沙地、草地和盐碱地，其净转出量分别占林地面积的12.94%、2.19%、2.01%和1. 62%，因 此，林地一方面被占用为耕地，另一方面逐渐转化为草地、沙地和盐碱地，流域生态环境恶化。林地面积在2000-2010年增加了42.63%，新增林地面积主要来自于耕地和草地，其净转入量分别占林地总转入量的61.47%和27.30%，南疆地区在2000年后开始提倡种植经济林，因此许多人在原来耕地基础上开始种植经济林，因此，耕地转移为了林地。从总体上看，表现为：在1990-2010的20 a里林地总体增加了14.97%，从转移矩阵看，主要来自于7.62%的耕地和0.60%的草地。

表4 1990-2000年开都-孔雀河流域土地利用转移矩阵 km2

表5 2000-2010年开都-孔雀河流域土地利用转移矩阵 km2

1990-2000年草地面积在近20 a时间里不断减少，2000比1990年减少了1.30%，2010年草地比2000年减少了5.91%，从转移矩阵看1990-2000草地主要转移成了耕地、水域湿地和沙地，其中转移的耕地、沙地和水域湿地分别占1990年草地面积的4.81%、1.53%和2.87%。在2000-2010年，草地主要转移成耕地、盐碱地和林地，分别占2000年草地面积的3.95%、1.39%和0.76%。草地面积总体上减少了7.13%，从转移矩阵分析，草地减少的面积主要转移成了耕地、水域湿地、沙地、盐碱地、林地和建设用地，其净转移量分别占流域1990年草地面积的8.71%、2.41%、1.46%、1.43%、0.60%和0.40%。

水域湿地面积总体增加了28.94%，从转移矩阵看，新增水域湿地面积主要来自于草地，占水域湿地总转入面积的99.68%。

建设用地面积在1990-2000年减少，建设用地面积主要转移成了其他未利用地，其净转移量占建设用地总面积65.63%；在2000-2010年建设用地面积增加，新增建设用地面积主要来自于0.23%的草地、1.03%的其他未利用地和0.41%的耕地。

沙地面积在1990-2000年增加，新增沙地面积主要来自于1.529%的草地和2.19%的林地；在2000-2010年沙地面积减少了8.38%，减少的沙地则主要转移成了耕地。而从整体上看，沙地面积增加，且主要来自于草地。

从以上分析可知，在1990-2000年开都-孔雀河流域林地、草地面积不断减少，林草主要转移成了耕地、水域和沙地。

当天然绿洲在逐渐向人工绿洲转化的同时，天然绿洲间也存在相互转化。盐碱地、沙地、裸土地和裸石岩砾面积都有不同程度的增加，其变化幅度较小且主要由草地转移而来。

在2000-2010年流域草地和水域面积减少，草地主要转移成了耕地和盐碱地，而水域则主要转移成了草地和耕地。总体而言，流域林草水总面积在近20 a内是减少的，主要是由草地面积减少引起的，减少的草地面积主要转移成了耕地、水域湿地、沙地、盐碱地、林地和建设用地，其净转移量分别占流域1990年草地面积的8.71%、2.41%、1.46%、1.43%、0.60%和0.40%。由此可得，开都-孔雀河流域的环境问题主要为耕地扩张迅速，沙漠化和盐渍化逐渐加重。

3.3 开都-孔雀河流域人工天然绿洲面积比例分析

1990-2010年开都-孔雀河流域人工绿洲面积表现为逐渐增加的过程，由图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，平均增长率为144.8 km2/a；天然绿洲面积1990-2010年呈逐渐下降趋势，由1990年的12 132.5 km2减少到2010年的10 186.1 km2，平均减少率为97.32 km2/a。开都-孔雀河流域绿洲总面积在近20 a没有太大变化，说明绿洲面积的变化主要表现在人工绿洲与天然绿洲面积的相互转化。

人工与天然绿洲面积比例在近20 a呈增加的趋势，在1990、2000、2010年，人工与天然绿洲面积比值分别是2∶8、3∶7、4∶6。

图3 1990-2010年开都-孔雀河流域人工与天然绿洲面积变化Fig.3 Area changing of artificial and natural oases of Kaidu-Kongque river basin in 1990-2010

年份绿洲面积/km2天然`人工人工绿洲与天然绿洲面积比例19902595.9412132.492∶820004141.9711495.723∶720105490.6310186.094∶6

3.4 开都-孔雀河流域来水量及博斯腾湖水位变化

开都-孔雀河流域位于新疆维吾尔自治区中部，是我国典型的寒区旱区水文系统。流域中最大补给来源为开都河，占入湖径流量的87.4%左右，多年平均径流量35.05 亿m3，开都河的来水量变化是流域人工绿洲和天然绿洲变化的重要驱动因素。

由图4可知，1990-2000年开都河来水量呈明显上升趋势，由1990年的29.4 亿m3增加到2000年的49.7 亿m3，其中年来水量峰值2002年达57.1 亿m3， 2002年后，来水量持续下降，至2005年最低后缓慢回升。1988-2002年博斯腾湖水位持续上升，15 a间水位共上升3.70 m，达到1958年来的最高水位，湖泊积水面积也相应扩大。2002-2010年湖泊水位持续降低，降低到1 045.75 m。

图4 大山口年径流量及博斯腾湖水位变化 Fig.4 Annual runoff of Dashankou and annual runoff of Bosten Lake

4 讨 论

(1)1990-2000年开都-孔雀河流域人工绿洲扩张速度为153.65 km2/a，天然绿洲减少速度为63.68 km2/a；2000-2010年人工绿洲扩张速度为135.9 km2/a，天然绿洲减少速度为130.96 km2/a。

(2)在人工绿洲扩张过程中，各土地利用要素间变化差异很大。在变化速度上，耕地面积增长速度较快但呈现下降趋势，人工水域面积呈先大幅增加后减少的特点，人工果园面积在2000-2010年面积大幅增加，增涨幅度达37.1%。造成这些现象主要由以下原因造成：耕地面积持续以较快速度增长，该地区开荒较为严重，从土地利用转移矩阵分析，新增耕地主要来源于林地和草地，这与先前相关研究进展保持一致。建筑用地面积增速较为稳定，且有提高的趋势，这是由于当地的经济发展水平持续上升，城市化进程加快导致。人工水库面积的增长速度在时间尺度上表现为：1990-2000年，人工水域面积增长很快，但是2000-2010年，人工水域面积大幅减少，这与博斯腾湖的入湖水量有密切关系。从20 世纪70年代中后期至2002年博斯腾湖入湖水量呈波动式上升趋势，2000年度入湖水量最多，该年入湖流量为35.46 亿m3，是多年平均流量的2.22倍，为历史最大值[18]，导致2000年博斯腾湖地下水位大幅上升，湖区周边的人工水库蓄水增加，人工鱼塘水量大幅增加。2002年以后，博斯腾湖入湖水量开始呈现下降趋势，是因为进行了塔里木河下游绿色走廊的生态恢复，并解决当时博斯腾湖地区地下水位过高的问题；2002年开展塔里木河下游应急输水工程，由博斯腾湖通过孔雀河向塔里木河下游进行输水；另外，由于2000-2010年，打井开荒现象十分普遍，耕地面积大幅增长，地下水位下降明显，人工水域面积大幅下降。2000-2010年，人工果园面积大幅增长，增长幅度达37.1%，这与当地的经济结构转型密切相关，当地的耕地主要以棉花种植为主，受棉花价格大幅波动、红枣和香梨等水果价格持续走高的影响，当地农民大量种植香梨和红枣等经济作物，致使果园面积增长。

(3)1998-2002年为开都河流域丰水年，随着开都河来水量的增加，博斯腾湖水位也逐步上升，2002年达到历史最高水位1 049.39 m，随着来水量的增加人工绿洲面积快速增长,博斯腾湖湖面等天然绿洲面积随之增加[19,20]； 2002年后，开都河进入平水年，来水量减少，但是人工绿洲面积的持续增加导致农业灌溉水量的增加，加之地下水超采[21]，博斯腾湖水位持续降低，降低至历史和最低水位1 045.06 m，湖面等天然绿洲面积降低。开都河来水量的变化是流域人工绿洲和天然绿洲的面积比例变化的重要驱动力。

(4)国内有研究提出天然绿洲面积比例应至少为15%左右，即人工绿洲占整个绿洲面积的百分比不宜超过85%[3]；有些研究认为人工绿洲与天然绿洲规模比应为2∶3[4]；有些得出民勤绿洲耕地与天然绿洲规模的适宜比例约为1∶2[5]、新疆渭干河平原绿洲内耕地面积与(林地+草地)面积比例为3∶2[6]；李建林[7]利用分形理论PAO(人工绿洲占整个绿洲面积的百分比)分析了新疆人工、天然绿洲分布的适宜比例，并认为新疆耕地面积还有一定的开发潜力。本研究得出近20 a开都-孔雀河流域人工绿洲面积呈增涨趋势，而天然绿洲面积呈下降趋势；人工与天然绿洲面积比例在近20 a呈增加的趋势，在1990、2000、2010年，人工与天然绿洲面积比值分别是2∶8、3∶7、4∶6。这表现出开都-孔雀河流域人工绿洲与天然绿洲比例超过1∶2范围，人工绿洲面积过大。

众所周知在新疆南疆地区荒漠草地占很大范围，因此在遥感解译过程中，对低覆盖草地的定义是：只要1 m2中有4颗草，就算是低覆盖草地。通过以上3个时期的面积比例数据(2∶8, 3∶7, 4∶6)可知，1990年、2000年人工绿洲与天然绿洲面积比例是合理的，2010年也近似等于钱正英等所研究的2∶3，因此，根据数据初步认为3个时期，只有2010年面积比例不合理，人工绿洲规模过大。但是，笔者认为有一些数据处理产生的误差可能引起结果有所不同。

首先，天然绿洲面积主要是由3大类组成，按其面积及比例由大到小排列为：草地面积最大，其次林地，再次水域面积。草地面积占很大比例，见图5。

图5 开-孔河流域不同土地利用类型面积Fig.5 Land use of Kaidu-kongque river basin

其次，我们在计算天然绿洲面积中的草地面积时，将高、中、低覆盖面积的草地面积相加获得。因此，在计算天然绿洲面积的过程中人为地扩大了天然草地面积，从而导致人工绿洲面积偏大，最终导致面积比例结果(人工/天然)偏小。现将低覆盖草地面积不算入天然绿洲范围，再次计算人工与天然绿洲规模之比(见表7)。

表7 扣除低覆盖度草地后人工与天然绿洲面积比例Tab.7 Area ratio of artificial and natural oases when deletingthe low-cover grassland

5 结 论

(1)1990-2010年，开都-孔雀河流域的人工绿洲不断扩张，天然绿洲面积不断缩小，表现为人工绿洲替代天然绿洲的趋势。1990-2000年人工绿洲扩张速度为153.65 km2/a，天然绿洲减少速度为63.68 km2/a，2000-2010年人工绿洲扩张速度为135.9 km2/a，天然绿洲减少速度为130.96 km2/a。

(2)1990-2010年，在人工绿洲扩张过程中，人工绿洲各土地利用要素变化也存在很大差异，在变化速度上，耕地面积增长速度较快但呈现下降趋势，人工水域面积呈现大幅增加后减少的特点，建设用地面积增速呈稳步提升的趋势，人工果园面积在2000-2010年面积大幅增加，增涨幅度达37.1%。当天然绿洲在逐渐向人工绿洲转化的同时，天然绿洲间也存在相互转化，盐碱地、沙地、裸土地和裸石岩地面积都有不同程度的增加，且主要由草地转移而来。

(3)近20 a开都-孔雀河流域人工与天然绿洲面积比例在近20 a呈增加的趋势，在1990、2000、2010年，若不将低覆盖草地面积算入天然绿洲范围，人工与天然绿洲面积比值分别是6∶4、7∶3、8∶2，若按钱正英等提出的干旱区人工与天然绿洲面积比例不应超过了2∶3，那么，开都-孔雀河流域在1990-2010年人工与天然绿洲面积比例均为不合理，应控制人工绿洲的扩张速度。

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