生态输水前后塔里木河下游绿洲特征分析

王永嘉，郭宇宏

（新疆环境监测总站，新疆 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，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。但是近年来，由于在经济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。研究探讨维持合适的绿洲比例，对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[1，2]。

国内外关于干旱区人工绿洲与天然绿洲适宜面积比例的研究有很多[3-5]，但是不同地点、不同研究方法等导致研究结果不尽相同。关于绿洲转化方面，谢霞和塔西甫拉提[6]利用绿洲、荒漠重心迁移模型，分析了艾比湖流域绿洲和荒漠化的时空变化；魏伟等[7]采用干扰度指数、景观脆弱度指数、优势度指数和破碎度等指数等分析了石羊河武威、民勤绿洲景观空间变化特征并评估了绿洲生态风险。分析与探讨维持合适的绿洲比例，对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。

塔里木盆地是西北地区乃至整个中国典型的极度干旱区[8-9]，植被退化、沙漠化扩张，生态环境严重恶化成为塔里木河下游的主要特征[10]；塔里木河干流分为上、中、下游三段，其中，塔里木河下游是从恰拉至台特玛湖，河道长428 km，河道呈东南方向穿行于塔克拉玛干沙漠与库鲁克沙漠之间狭窄的冲积平原上。1970年后英苏以下266 km河道断流，1974年台特玛湖干涸[11]。塔里木河下游日益严重的生态退化问题引起了中国政府和社会各界的广泛关注，为此，中国政府投资107亿元用于塔里木河流域的生态整治，并于2000年5月启动了塔里木河下游生态输水工程，至2011年，随着生态输水的持续进行，地下水位有所抬升，地表植被长势有所改善[12]。

关于塔里木河下游人工与天然绿洲相互转化的研究较少。本文分析了塔里木河下游在生态输水前后人工、天然绿洲的转化过程特征，并探讨了研究时段人工—天然绿洲面积比例的适宜性。

1 研究区概况

塔里木河下游在行政范围上包括尉犁县和若羌县的部分区域以及兵团二师31、33、34团（原来的31、32、33、34、35团）。据遥感解译资料，塔河下游流域面积约3900 km2。区内水、土、光、热、生物资源和地下油气储量丰富，是中国重要的优质棉花和特色水产生产基地。

塔里木河下游地区降水十分稀少，属暖温带极端干旱区。据铁干里克气象站和若羌气象站历史资料，年降水量仅17.4耀33.5 mm，潜在年蒸发量高达2671耀2902 mm。年平均气温10.7耀11.5益；年日照时数3082.7耀3121.3 h，年平均风速2.2耀2.8 m/s；年累计大风（风速逸17.2 m/s）日数15.7耀37.1 d。受蒙古高压影响，全年盛行东北风，多风沙天气，年沙尘暴日数8.1耀15.1 d，浮尘天气48.3耀122.4 d。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

对1990、2000、2010年的塔里木河下游30 m分辨率的TM影像进行解译，其中土地利用/覆被类型的划分是按照国家环境保护总局发布的HJ/T192-2006《生态环境状况评价技术规范（试行）》中土地利用类型的标准进行土地利用要素的提取，并绘制出塔里木河下游土地利用图。在ERDAS9.0和ArcGIS 9.0的支持下，按照上述的分类系统对三期遥感影像进行目视解译并数字化、建立拓扑关系，并用野外考察数据对解译结果进行校正，获得三期土地利用图形数据和属性数据。

2.2 绿洲分类方法

在绿洲平原区，将各土地利用分类类型进行分类划分，分为人工绿洲和天然绿洲[13-14]（表1）。

2.3 转移矩阵计算

利用ArcGIS的interset模块及Excel数据统计分析模块，将解译好的塔里木河下游1990、2000和2010年的遥感影像，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 结果与分析

3.1 土地利用/覆被变化总体特征

3.1.1 人工/天然绿洲面积总体变化特征

基于塔里木河下游1990、2000和2010年的遥感影像与土地利用/覆被变化图，结合人工与天然绿洲的分类，得到塔河下游人工与天然绿洲面积变化图（图1）。从1990—2010年塔里木河流域人工绿洲面积表现为逐渐增加的过程，由1990年的481.29 km2减少到2000年的471.6 km2，然后又增加到2010年的862.98 km2，经计算平均增长率为19.09 km2/a；天然绿洲面积从1990—2010年呈逐渐下降的趋势，由1990年的3 302.41 km2减少到2000年的3 195.62 km2，再减少到2010年的3 038.43 km2。

表1 天然绿洲与人工绿洲的划分

3.1.2 林地与其他土地面积变化特征

表2为塔河下游不同时期各林地面积所占比例情况。由表2可知，塔里木河下游林地总面积占流域总面积的3.12%左右，从不同类型的林地变化情况分析，有林地占流域总面积的0.11%，且有林地在研究时段基本保持不变，年均变化率为0.08%。疏林地面积占流域总面积的0.02%左右，从其变化情况分析，疏林地在1990—2010的20 a里呈不断减少的趋势，且在不同时段减少速率不同，疏林地的年均变化率为-1.84%，在2000—2010年年均变化率为-2.91%。

图1 塔里木河下游1990—2010年人工、天然绿洲分布

表2 塔河下游林地占流域总面积的比例

塔河下游在整个研究时段的土地利用类型主要为未利用地、林地和草地三种类型（图2）。在1990—2000年塔河下游变化较快的土地类型为水域湿地、耕地和建设用地，其年均变化率分别-4.30%、1.23%和0.97%；下游变化最不明显的土地利用类型为草地，年均变化率为-0.08%。在2000—2010年间，塔河下游变化最快的土地利用类型为水域湿地、耕地和草地，其年均变化率分别为36.89%、3.04%和-0.57%，变化最不明显的为未利用地，年均变化率为-0.22%。从整个研究时段来（1990—2010年），塔河下游变化最快的土地类型为水域湿地、耕地和建设用地，其年均变化率分别为8.36%、2.32%和0.65%，变化最不明显的土地利用类型则为未利用地，年均变化率为-0.06%。

3.2 生态输水前后人工与天然绿洲转化过程分析

3.2.1 输水前人工与天然绿洲转化过程

图2 塔里木河下游不同时期土地/覆被图

1990—2000年，塔里木河下游流域人工绿洲中耕地增加了12.31%，主要由高、中、低覆盖草地转化而来（表3）。河渠面积增加了1.73%，主要由耕地转化而来；城镇建设用地无变化，农村居民点面积增加了15.07%，主要由耕地与低覆盖、高覆盖草地转化而来。天然绿洲中有林地面积无变化；灌木林地、疏林地面积分别减少了18.46%、6.10%，灌木林地主要转化成了低覆盖草地、耕地、高覆盖草地、沙地；疏林地主要转化成了沙地与低覆盖草地。高覆盖草地面积减少了43.91%，主要转化成了中覆盖草地、低覆盖草地、耕地、沙地、疏林地；中覆盖草地面积增长了10.26%，主要由高覆盖草地转化而来；低覆盖草地增加了8.3%，主要由高、中覆盖草地、疏林地转化而来。水域中，河渠面积增加了1.73%，主要由耕地转化而来。湖泊面积100%消失，说明原来湖泊完全消失，同时水库面积减少了45.28%。

表3 塔里木河下游1990—2000年土地利用类型转移矩阵 km2

3.2.2 输水后人工与天然绿洲转化过程

2000—2010年，塔里木河下游人工绿洲中，耕地增加了30.37%，主要由高、中、低覆盖草地转化而来（表4）；果园（其他林地）面积增加了0.13 km2；城镇用地、农村居民点面积分别增加了4.95%、1.82%，主要由耕地转化而来。天然绿洲中，各种天然林面积均有减少，有林地、灌木林地、疏林地面积分别减少了0.08%、29.05%、3.87%，有林地主要转化成了耕地，灌木林地主要转化成了疏林地、沙地、低覆盖草地，疏林地主要转化成了沙地、耕地。天然草地中，高覆盖草地面积减少了6.79%，主要转化成了中覆盖草地、耕地、低覆盖草地；中覆盖草地面积增加了10.48%，主要由高覆盖草地、低覆盖草地、沙地转化而来；低覆盖草地面积减少了10.55%，主要转化成了耕地、沙地、水库。在2000—2010年，人工绿洲中河渠面积无变化，而水库面积增加了392.44%，主要由低覆盖草地转化而来。

表4 塔里木河下游2000—2010年土地利用类型转移矩阵 km2

3.3 人工与天然绿洲面积比例分析

由前面分析可知，从1990—2010年塔里木河流域人工绿洲面积表现为逐渐增加的过程。通过计算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1颐9、1颐9、2颐8（表5）。

表5 塔里木河下游人工与天然绿洲面积比例

4 讨论

1990—2010年，塔里木河下游新增耕地主要来源于林地和草地，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、城市化进程加快所致。人工水库面积的增长速度在时间尺度上表现为持续增长。湖泊面积从1990—2000年呈下降趋势，这与当地生态的退化有着同样的过程，但2000—2010年期间，在对塔河下游生态输水过程中，生态退化又呈现反转的趋势，水域面积大幅增加。人工果园面积在2000—2010年面积大幅增加（增加了0.13 km2），这与当地目前红枣和香梨等栽培实际情况一致。

绿洲适宜规模中，人工绿洲面积不宜过大，根据已有研究，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%[15]；塔里木河下游主要是以灌溉农业为主导的人工绿洲，剩余的水流向荒漠区，形成天然绿洲；当地天然绿洲四周受风沙侵袭较大，沙地范围所占比例较大，因此，人工绿洲面积不宜过大，人工绿洲与天然绿洲的适宜比例可以为2颐3[16]；而本文中研究区人工与天然绿洲面积比例在1990、2000、2010年分别是1颐9、2颐8、3颐7。同时，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。首先，天然绿洲面积主要是由三大类组成，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。由于草地面积占很大比例（图3），因此，本研究认为将低覆盖草地全部算入天然绿洲范畴可能会产生误差。

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，此时，1990、2000、2010年的面积比例分别是2颐8、2颐8、3颐7（表 5）。

图3 低覆盖草地面积与其他类型面积比较

5 结论

（1）1990—2010年，塔里木河下游人工与天然绿洲总面积变化不大，绿洲的面积变化主要表现在人工绿洲与天然绿洲面积的相互转化中，表现为人工绿洲替代天然绿洲的趋势。人工绿洲平均以每年19.09 km2的速率增加，而天然绿洲平均以每年13.20 km2的速率减少。

（2）1990—2010年间，在塔河下游表现为：天然草地、林地等向人工绿洲中的耕地、建筑用地转化；同时植被长势衰退：高覆盖草地向中、低覆盖草地转化，中覆盖草地向低覆盖草地转化，灌木林地逐渐退化为草地，低覆盖草地向沙漠转化。

（3）生态输水前（1990—2000年），灌木林地、疏林地面积分别减少了18.46%、6.10%，高覆盖草地面积减少了43.91%；生态输水后（2000—2010年），灌木林地、疏林地面积分别减少了29.05%、3.87%，高覆盖草地面积减少了6.79%；输水前，湖泊面积100%消失，同时水库面积减少了45.28%，输水后，水库面积增加了392.44%，可见生态输水后疏林、草地退化速度有所缓解，同时水域面积有所提高。

（4）塔里木河下游流域在生态输水前，耕地增加了12.31%，生态输水后，耕地增加了30.37%，说明整个研究时段耕地扩张持续进行。

（5）在1990、2000、2010年塔里木河下游人工/天然绿洲面积比例分别为2颐8、2颐8、3颐7，若按前人认为干旱区人工、天然绿洲面积不应少于2：3，塔里木河下游在研究时段人工—天然绿洲结构还处于较适宜状态。

参考文献：

[1]雷志栋，胡和平，杨诗秀，等.塔里木盆地绿洲耗水分析[J].水利学报，2006，37（12）：1470-1475

[2]杨鹏年，董新光，吾买尔江.塔里木河下游第五次应急输水后地下水恢复量的计算[J].自然资源学报，2005，（1）：1-6.

[3]刘金鹏，费良军，南忠仁，等.基于生态安全的干旱区绿洲生态需水研究[J].水利学报，2010，41（2）：226-223.

[4]胡顺军，宋郁东，田长彦，等.渭干河平原绿洲适宜规模[J].中国科学D辑，2006，36（s2）：51-57.

[5]李建林，王燕，郭巧玲，等.绿洲分布比例的分形研究[J].草业学报，2010，19（3）：63-69

[6]谢霞，塔西甫拉提·特依拜.艾比湖流域绿洲化与荒漠化过程时空演变研究[J].中国沙漠，2013，33（1）：38-45.

[7]魏伟，石培基，雷莉，等.基于景观结构和空间统计方法的绿洲区生态风险分析—石羊河武威、民勤绿洲为例[J].自然资源学报，2014，29（12）：2023-2035

[8]慕文玲，霍文，何清，等.塔中人工绿地与自然沙面辐射平衡对比研究[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（4）：87-94

[9]马建勇，何清，杨兴华，等.塔克拉玛干沙漠区域性与塔中局地性沙尘暴特征比较 [J].沙漠与绿洲气象，2016，10（2）：36-42

[10]刘晏良.塔里木河中下游实地踏勘报告[M].北京：中国环境出版社，2000.

[11]胡顺军.塔里木河干流流域生态—环境需水研究[D].西安：西北农林科技大学，2007.

[12]黄粤，包安明，王士飞，等.间歇性输水影响下的2001-2011年塔里木河下游生态环境变化[J].地理学报，2013，68（9）：1251-1262.

[13]樊自立.塔里木盆地绿洲形成与演变 [J].地理学报，1993，48（5）：421-427.

[14]樊自立，穆桂金，马英杰，等.天山北麓灌溉绿洲的形成和发展[J].地理科学，2002，22（2）：184-189.

[15]黄领梅.水文要素对人类活动响应的研究—以和田河流域为例[D].西安：西安理工大学，2005.

[16]钱正英.西北地区水资源配置生态环境建设和可持续发展战略研究[M].北京：科学出版社，2004.