生态学报  2013, Vol. 34 Issue (12): 3211-3223

文章信息

刘金巍, 靳甜甜, 刘国华, 李宗善, 杨荣金
LIU Jinwei, JIN Tiantian, LIU Guohua, LI Zongshan, YANG Rongjin
新疆玛纳斯河流域2000-2010年土地利用/覆盖变化及影响因素
Analysis of land use/cover change from 2000 to 2010 and its driving forces in Manas River Basin, Xinjiang
生态学报, 2013, 34(12): 3211-3223
Acta Ecologica Sinica, 2013, 34(12): 3211-3223
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201304230781

文章历史

收稿日期:2013-04-23
修订日期:2013-11-19
新疆玛纳斯河流域2000-2010年土地利用/覆盖变化及影响因素
刘金巍1, 靳甜甜2 , 刘国华1, 李宗善1, 杨荣金3    
1. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085;
2. 中国水利水电科学研究院, 北京 100012;
3. 中国环境科学研究院, 北京 100038
摘要:在2000年和2010年两期遥感影像解译的基础上,从土地利用类型的结构、变化速率、变化方向及土地利用程度等方面分析了玛纳斯河流域土地利用的变化特征,并分析了影响土地利用变化的主要因素及不同因素之间的交互作用。结果表明:(1)近10年来,流域土地利用程度增强,人工绿洲呈扩张趋势,耕地和城乡工矿居民用地大量增加,林地和未利用地减少;上游地区草地和冰川积雪覆盖地面积增加。(2)耕地向内部外部双向扩张,主要来源于林地、荒漠和盐碱地;新增草地以山地裸地和山前荒漠的转变为主;林地主要转变为中游的耕地和城乡工矿居民用地及上游的草地和裸地;城乡工矿居民用地的增加主要来自荒漠、耕地和林地;未利用地变化以向人工绿洲土地类型的转变为主。(3)上游土地利用变化主要受气候变化的影响,降水量增加可能是冰川积雪面积扩张的主要原因;中游人类活动密集,耕地和城乡工矿居民用地扩张,荒漠植被退化;下游受气候和人类活动共同作用,尾闾湖泊萎缩,河岸和湖周植被退化。
关键词玛纳斯河流域    土地利用变化    气候变化    人类活动    
Analysis of land use/cover change from 2000 to 2010 and its driving forces in Manas River Basin, Xinjiang
LIU Jinwei1, JIN Tiantian2 , LIU Guohua1, LI Zongshan1, YANG Rongjin3    
1. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100012, China;
3. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100038, China
Abstract:Based on Landsat TM/ETM (Thematic Mapper/Enhanced Thematic Mapper) image data from 2000 and 2010 and some other survey and statistical data, this paper first analyzed the characteristics of land use/cover change in the Manas River Basin of Xinjiang. We used numerical computation methods and index models, including land use/cover structural changes, the single land use/cover dynamic index, the land-use transfer matrix and the land use degree index, to determine the features of land use/cover change both temporally and spatially. Subsequently, the main drivers of land use/cover change and the interaction between different factors were analyzed based on a comprehensive consideration of natural factors and human factors. The findings of this study may be summarized here. (1) The land use/cover structure of this basin was dominated by unused land in both 2000 and 2010, followed by cultivated land and grassland, and lastly by water (the smallest area). The extent of land use in 2010 increased compared with that in 2000 across the whole basin. The cultivated land and built-up land increased at an accelerated rate, especially in the middle region, which at the same time resulted in a significant expansion of artificial oasis and led to an evidently decreasing trend of woodland and unused land. In the upper reaches, the most obvious change of land use/cover was the areas of grassland, glaciers and snow-covered land-a clear sign of expansion. (2) The cultivated land indicated a quite remarkable outward and inward expansion trend. According to our data for the conversion of land use/cover in 2010, the new cultivated land was mainly derived from desert shrubbery land, desert and saline-alkali land. Grassland was mostly concentrated in the upper reaches and experienced an obvious increasing trend second only to cultivated land. The increased area was mainly converted from bare rock on the mountain and piedmont desert. Built-up land also showed a noticeable increase because of the occupation of desert, cultivated land and woodland. According to our data for the change in destination of land use/cover in 2000, the reduced woodland primarily evolved to cultivated land and built-up land in the middle reaches, and to grassland and bare land in the upper reaches. Additionally, the reduced unused land was mainly transformed into artificial oasis land types. A greater proportion of bare land and sand, saline-alkali land and desert was converted into cultivated and built-up land. (3) The climate of this basin was characterized by a warming and wet trend from 1959 to 2010. Climate change was the dominant factor of land use/cover change in the upper reaches. The increase in precipitation, especially short-term heavy rainfall, might be the primary cause of the advance of glaciers and snow-covered land. In the middle reaches, the most noticeable features were the increase in cultivated and built-up land and the degradation of desert vegetation. It could be speculated that this was mainly attributable to the intensified anthropogenic activities concomitant with economic growth and the increase in population. Moreover, the reduction in gross irrigation water uptake led to an even greater reduction in return water, which led to an even greater reduction in the water needed ecologically and a degradation of natural oasis land. The evident decline in terminal lakes and serious degradation of the associated vegetation in the lower reaches are directly attributable to the combined impact of climate change and human activities.
Key words: Manas River Basin    land use change    climate change    human activities    

我国西北干旱区是世界上生态环境最为脆弱的干旱区之一[1],其典型地理单元为内陆河流域。西北内陆河流域是山地、绿洲和荒漠组成的典型的干旱区复合生态系统[2],气候干旱,生态环境脆弱。内陆河流域从上游到下游水热条件变化较大,因此景观多样性较高,不同景观之间便形成了干湿交替带、农牧交错带、森林边缘带及沙漠边缘带等多种生态环境脆弱带,生态系统的脆弱性使其对气候变化和人类活动的干扰极其敏感[3]。近年来,气候变化和人类活动影响下土地利用变化的分析是国际学术界研究的热点问题之一,国内研究主要集中在热点地区和典型脆弱区,关注重点为土地利用变化趋势、驱动力以及生态效应等[4, 5, 6]

西北干旱区气候变化和人类活动对生态系统和土地利用的影响已有大量研究[7, 8, 9]。施雅风[1]通过对冰芯、冰川、积雪、河川径流和湖泊的变化及其趋势的研究表明:我国干旱内陆河流域表现出明显的波动性暖干化趋势,且这种变化具有时空分布的一致性。目前,西北内陆河流域气候变化引发冰川退缩、雪线上升、短期径流增加等问题[10, 11],进而对土地利用结构产生较大影响。20世纪40年代以来,西北干旱区人口的增加、社会经济的发展和水土资源的大规模开发利用引起了一系列水文、生态环境和土地覆盖的变化,已影响到了区域经济发展和人居环境[3]

然而,气候变化和人类活动对生态系统施加影响的过程、影响的时空特征、影响结果以及应对措施均体现出较大的差异性。同时,气候变化和人类活动的影响相互作用,存在抵消、协同等作用,从而使生态系统变化的驱动力较为复杂。为深入阐明不同驱动力对土地利用变化的作用情况,需进一步研究和探讨不同驱动力的变化趋势及其相互作用情况,以减少预测的不确定性,为决策提供基础理论支持。

玛纳斯河流域是我国西北典型干旱脆弱区,位于天山北坡经济带的核心区域,该流域是新疆最大的绿洲农耕区和我国第四大灌溉农业区[12]。2000年实施西部大开发的同时该流域开始大规模实施膜下滴灌的高效节水技术,耕地面积迅速增加,在沙漠边缘地区盲目开垦和打井现象严重。在生态环境脆弱的内陆河流域开展大规模的水土资源开发,会对流域生态环境产生显著影响,引发土地利用显著变化,进而使生态系统不稳定性增加,可能对流域的生态安全及可持续发展产生威胁。该流域是气候变化和人类活动影响聚集区,同时也是典型脆弱小流域,因而是开展上述研究的理想区域。目前,玛纳斯河流域土地利用变化及驱动力的研究主要集中在以下领域:气候变化与径流和冰川变化的关系[13, 14, 15]、绿洲演变及其驱动力[16, 17, 18]、耕地扩张的生态环境效应[19, 20]、景观格局的变化[21]等。

本文基于玛纳斯河流域2000年和2010年的土地利用数据,分析了该流域近10年来的土地利用变化特征,阐述了气候变化、人口增长及农业发展等因素对土地利用变化的驱动作用,并探讨了其相互作用,以期为该流域水资源的合理开发及农业发展布局的生态影响评估提供科学依据。

1 研究区概况

玛纳斯河流域位于天山北麓中段,准噶尔盆地西南部,总面积3.09 万km2,地理位置为北纬43°05′—46°04′,东经84°56′—86°42′。该流域地处欧亚大陆腹地,远离海洋,气候干燥,为典型的温带大陆性气候,年均气温4.7—5.7 ℃,其中最高气温达43 ℃,最低气温为-42.8 ℃,年平均降水量115—200 mm,由南向北递减,且夏季多冬季少,年平均蒸发量在1500—2100 mm之间,干旱指数在4.0—10之间,年均风速1.7 m/s[22]。自然生态系统类型以荒漠为主,景观类型由南到北依次为高山冰川、森林、草甸、干草原和荒漠草原,垂直分异特征明显[23],绿洲分布以河流为依托,农田灌溉主要依靠冰雪融水和降水形成的河流径流水。玛纳斯河是流域内最大的河流,源头位于天山支脉依连哈比尔尕山的高山冰雪区,向北经红山嘴流入绿洲平原,穿过古尔班通古特沙漠最后注入玛纳斯湖。行政区划上,玛纳斯河流域主要包括玛纳斯县、沙湾县和石河子市、兵团农八师和农六师的农牧团场,另有克拉玛依市、和布克赛尔蒙古自治县以及和静县的部分地区。

2 数据来源与研究方法 2.1 数据来源及处理

采用玛纳斯河流域2000年的Landsat ETM影像和2010年的Landsat TM影像,行列号为144/28、144/29和144/30,空间分辨率为30 m,采集时间为6—8月份。遥感解译时选用无云或少云的影像,结合地形图、行政区划图及其它辅助图件,并参考该地区气候、土壤、植被等自然地理资料,在Ecogonition、ERDAS IMAGE 8.5和ArcGIS 9.3软件下,进行面向对象的影像分类解译,得到玛纳斯河流域2000年和2010年的土地利用图。解译时,首先将两期影像数据进行辐射纠正和几何纠正;然后,根据覆盖区域的影像情况划分影像块,将日期相同和块间差别可忽略的影像块合并成工作块;接着,2012年5—6月份从中游到上游进行分类地面样本点采集,在此基础上对照Google Earth和遥感影像特征进行样本点扩充,随机选取30%的样本点用于解译精度验证;最后,进行样本训练,开展基于支持向量计算法的自动分类,利用精度验证点对结果进行验证。验证结果表明影像总体解译精度为80%左右,基本可以达到研究所需要求。

土地利用分类系统基于刘纪远等[24]的分类标准,该标准基于TM遥感影像,从遥感监测实用操作性出发,是遥感影像解译中常用的标准。本研究根据西北干旱地区自身的特点,将原有标准进行了修订,最终将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、城乡工矿居民用地、未利用地和冰川积雪覆盖地7个一级类型,并将水域进一步分为河渠、湖泊、水库、坑塘和河滩沼泽地,将未利用地划分为裸土沙地、盐碱地、裸岩和荒漠。

所用气象资料来源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/)。玛纳斯河流域内只有石河子站1个国家级气象观测站,为了更准确地反映流域的气候变化,另选取流域周边的克拉玛依站、乌苏站、巴音布鲁克站和巴仑台站4个站点的数据近似比较。通过统计各个气象站点1959—2010年的年均气温和年降水量数据,运用线性趋势法分析气温、降水的年际变化。

社会经济数据及人口数据来源于新疆统计年鉴、中国县(市)社会经济统计年鉴及新疆生产建设兵团统计年鉴等。

2.2 研究方法

土地利用变化过程和趋势通过定量化的指数模型或数值如结构变化、净变化、变化方向、变化速度等来表征[25]。主要指数的计算方法如下:

(1)单一土地利用动态度指数(K)

也称变化率指数,该指数的计算以土地利用类型的面积为基础,可反映一定时间范围内各土地类型的变化幅度和速度。

式中,UaUb 分别为研究期始、末某一地类的面积;T 为研究时段,当用年表示时即为区域此类土地利用类型的年变化率。

(2) 土地利用程度综合指数(L)

该指数及其变化可定量揭示区域土地利用的程度及变化。本文土地利用程度的分级及分级指数的取值依据刘纪远等[24]的研究结果,划分为4级,包括未利用土地级(未利用地)、林草水用地级(林地、草地和水域)、农业用地级(耕地)和城镇聚落用地级(城乡工矿居民用地)。

式中,L为区域土地利用程度综合指数;Ai为土地利用程度第i级的分级指数;Ci为土地利用程度第i级的面积百分比;n为土地利用程度分级数。

3 结果与分析

图 1可以看出,近10年来,玛纳斯河流域的土地利用发生了很大的变化。2000—2010年,流域土地利用的变化集中表现为耕地内部外部双向扩张,城乡工矿居民用地增加,林地和未利用地减少。上游地区草地和冰川积雪覆盖地增加,中游地区人工绿洲不断向北部古尔班通古特沙漠延伸扩张,冲洪积平原区耕地斑块逐渐连片,形成大的绿洲群。

图 1 玛纳斯河流域2000年和2010年土地利用 Fig.1 Land use of Manas River Basin in 2000 and 2010
3.1 玛纳斯河流域土地利用类型变化特征 3.1.1 玛纳斯河流域各土地利用类型的数量变化

玛纳斯河流域总面积为3.09 万km2,从土地利用类型的构成来看(表 1图 2),玛纳斯河流域以未利用地(裸土沙地、盐碱地、裸岩和荒漠)为主,2010年面积为1.46 万km2,占流域总面积的47.2%,其次是耕地和草地,分别占20.2%和18.3%,而水域和河滩沼泽地面积较小,均占0.7%左右。

从流域各土地利用类型的面积、结构变化及变化速度来看,2000—2010年,未利用地总面积由17529.4 km2减少到14550.3 km2,占流域总面积的比例由56.8%降低到47.2%,其中,各种未利用地面积均为减少趋势,主要表现为荒漠和裸土沙地分别减少了1045.6 km2和1299.4 km2,动态度分别为1.71%和2.65%。林地面积大幅减少,由2270.9 km2减少到1355.7 km2,动态度为4.03%,占流域总面积的比例由7.4%降低到4.4%。水域面积有减少趋势,由2000年的360.9 km2减少到202.6 km2,动态度为4.39%。耕地和草地的面积大量增加,分别增加了1728.2 km2和1158.3 km2,动态度分别为3.85%和2.58%,占总面积的比例大幅提高,2000年占流域总面积的比例均为14.6%,到2010年分别升高到20.2%和18.3%。城乡工矿居民用地和冰川积雪覆盖地面积大幅增加,分别由734.2 km2和774.7 km2增加到1445.2 km2和1196.9 km2,年均分别增加9.68%和5.45%,占总面积的比例分别由2.4%和2.5%升高到4.7%和3.9%。河滩沼泽地面积略有增加,近10年来增加了28.6 km2,动态度为1.46%。

表 1 玛纳斯河流域2000—2010年各土地利用类型面积及变化 Table 1 Area of land use and dynamic change in Manas River Basin during 2000—2010
土地利用类型
Land use type
2000年面积/km2
Area of 2000
2010年面积/km2
Area of 2010
变化量/km2
Area change
单一土地 利用动态度/%
Single land use dynamic degree
耕地 Cultivated land4493.0 6221.2 1728.23.85
林地 Woodland2270.9 1355.7 -915.2-4.03
草地 Grassland4497.3 5655.6 1158.32.58
水域 Water area360.9 202.6 -158.3-4.39
河滩沼泽地 River-beach and swamp195.6 224.2 28.61.46
冰川积雪覆盖地 Glaciers and snow cover land774.7 1196.9 422.25.45
城乡工矿居民用地 Build-up land734.2 1445.2 7119.68
裸土沙地 Bare land and sand4907.4 3607.9 -1299.4-2.65
盐碱地 Saline-alkali land2862.7 2682.1 -180.6-0.63
裸岩 Bare rock3657.7 3204.4 -453.3-1.24
荒漠 Desert6101.6 5056.0 -1045.6-1.71
图 2 玛纳斯河流域2000年和2010年土地利用结构 Fig.2 Land use structure of Manas River Basin in 2000 and 2010

人类对自然生态的干预程度可以用耕地和城乡工矿居民用地面积占总面积的比例大小来表示[26],2000—2010年,耕地和城乡工矿居民用地面积之和占流域总土地面积的比例由16.9%增加到24.8%,表明近10年来该流域的人类活动对自然景观的干预程度加剧了。

3.1.2 玛纳斯河流域各土地利用类型的流入流出

表 2图 3分别为玛纳斯河流域2000—2010年各土地利用类型流入流出情况及主要土地类型变化的空间分布,可以总结为以下几点:(1)耕地的转入面积远大于转出面积,有2451.8 km2的其它土地类型转变为耕地,从空间分布来看,主要发生在流域中下游石河子、沙湾及兵团垦区,以耕地向内部填充扩张及对周边未利用地和荒漠林地的侵占为主,具体主要来源于道路和耕地附近的荒漠、灌木林地和盐碱地,分别有871.8、575.9 km2和437.3 km2转变为耕地;(2)草地集中分布在流域上游,以转入为主,转入面积为1945.2 km2,仅次于耕地,主要来自裸地、林地及山前荒漠的转变,分别有1040.6、537.5 km2和330.6 km2转化为草地;(3)林地大量转出,有1557.6 km2转化为了其它土地类型,结合空间分布来分析,主要有两大原因,一是中下游耕地和城乡工矿居民用地的不断扩张侵占了大量林地,占用林地的面积分别为575.9 km2和218.8 km2,二是上游山区的林地退化为草地和裸地,转出面积分别为330.6 km2和232.6 km2;(4)水域变化的主要趋势为水域的转出和冰川积雪覆盖地的转入,前者主要是由于玛纳斯湖干涸,转变为盐碱地和裸土沙地,而后者主要来源于裸岩;(5)城乡工矿居民用地的增加主要来自荒漠、耕地和林地,转入面积分别为402.2、353.1 km2和218.8 km2,而转出的去向主要为耕地,有333.7 km2变为耕地,占转出总面积的67.4%;(5)未利用地的转入转出也很剧烈,各类型土地的转出均大于转入,其中裸土沙地转入转出的对象均以荒漠和盐碱地为主,盐碱地主要向裸土沙地和荒漠转变或者被开垦为耕地,而转入则主要是由于下游地区部分裸土沙地及荒漠的盐碱化,荒漠主要向耕地、城乡工矿居民用地及草地转变(表 2)。

图 3 玛纳斯河流域2000—2010年主要土地类型变化的空间分布 Fig.3 The spatial distribution of the main land use conversion from 2010 to 2010 in Manas River Basin
3.1.3 玛纳斯河流域土地利用程度及变化

从整个流域来看,由于未利用地面积所占比例大,玛纳斯河流域的综合土地利用程度较低,2000 年,土地利用程度综合指数为163,随着未利用地面积的减少以及耕地和城乡工矿居民用地面积的增加,至2010年流域土地利用程度综合指数增加为182,土地利用程度增强,表明近10年来玛纳斯河流域的土地利用处于发展上升期,人工绿洲处于扩张的态势。

表 2 玛纳斯河流域2000—2010年土地利用类型转移矩阵 Table 2 Transferring matrix of land use type in Manas River Basin during 2000—2010
2000
2010
耕地
Cultivated land
林地
Woodland
草地
Grassland
水域
Water area
河滩沼泽地
River-beach and swamp
冰川积雪 覆盖地
Glaciers and snow cover land
城乡工矿 居民用地
Build-up land
裸土沙地
Bare land and sand
盐碱地
Saline-alkali land
裸岩
Bare rock
荒漠
Desert
转出量
Output
耕地 Cultivated land/km2190.538.517.17.90.0353.10.825.718.871.3723.6
林地 Woodland/km2575.9330.621.324.047.8218.819.236.1232.651.41557.6
草地 Grassland/km219.9188.00.80.173.12.60.10.1533.04.8822.5
水域 Water area/km218.811.00.07.00.06.469.1137.30.17.0256.6
河滩沼泽地/km2 River-beach and swamp28.88.20.36.70.013.034.054.00.412.2157.6
冰川积雪覆盖地/km2 Glaciers and snow cover land0.00.10.10.10.10.00.00.0125.10.0125.5
城乡工矿居民用地/km2 Build-up land333.734.08.36.65.30.013.950.45.237.9495.2
裸土沙地 Bare land and sand/km2133.113.214.36.5112.810.843.4857.813.8995.22200.9
盐碱地 aline-alkali land/km2437.333.413.614.020.50.3157.0531.618.7335.81562.0
裸岩 Bare rock/km232.648.01040.62.80.7401.69.90.20.823.71560.8
荒漠 Desert/km2871.8116.8537.522.77.914.1402.2232.6219.3160.02584.8
转入量 Input/km22451.8643.21983.898.3186.2547.71206.3901.51381.41107.81539.32451.8
3.2 玛纳斯河流域气候变化

表 3为玛纳斯河流域内及周边气象站点的地理位置、气温、降水量等信息,图 4为各气象站点的空间分布。从中可以看出,1959—2010年,玛纳斯河流域及周边各气象站点的气温均呈上升趋势,年均增加在0.025—0.04 ℃之间,除巴音布鲁克站气温的升高只达到显著水平外,其余站点均达到了极显著水平,其中,玛纳斯河流域内部石河子站的气温上升速度最快,年均上升0.04 ℃。各站点年降水量的变化也呈增加趋势,年均增加0.377—1.051 mm,但速度较为缓和,只有乌苏站和巴音布鲁克站达到了显著水平。总体来看,近50年来,玛纳斯河流域气候总体有变暖变湿的趋势,这与前人的研究结果也是一致的[27, 28]

表 3 玛纳斯河流域及周边气象站点信息 Table 3 Information of meteorological stations in and around the Manas River Basin
站点
Meteorological Station
纬度
Latitude
经度
Longitude
海拔/m
Height
年均温/℃
Mean annual temperature
变化速率℃/a
Change rate
年均降水量/mm
Mean annual precipitation
变化速率(mm/a)
Change rate
*代表变化显著(P<0.05),**代表变化极显著(P<0.01)
巴音布鲁克 43°02′84°09′2458-4.30.025*271.31.025*
巴伦台 42°44′86°18′17396.60.039* *209.21.001
石河子44°19′86°03′442.97.40.040* *210.50.803
乌苏 44°26′84°4′4798.10.039* *171.21.051*
克拉玛依45°37′84°51′4508.50.032* *112.60.377
图 4 玛纳斯河流域内及周边气象站点的空间分布 Fig.4 The location of meteorological stations in and around the Manas River Basin
3.3 玛纳斯河流域人类活动指标变化

人类活动是内陆河流域影响土地利用变化的又一重要因素,人口的增加和社会经济的发展带来人们对衣、食、住、行等需求的增加,迫使人们将更多的自然土地开垦或开发为耕地和城乡工矿居民用地,是土地利用及其空间结构演变的最根本动力[29]。玛纳斯县、石河子市和沙湾县是该流域人口和经济集中分布的区域,根据年鉴相关统计资料的分析,2000年三地区总人口为95.6 万,GDP为84.6 亿元,到2010年人口增加到101.5 万,GDP达345.5 亿元(图 5)。

图 5 玛纳斯河流域2000—2010年人口和GDP变化趋势 Fig.5 Trends of population and GDP in Manas River Basin from 2000 to 2010
4 讨论及结论 4.1 气候变化对玛纳斯河流域土地利用变化的影响分析

玛纳斯河流域气温明显升高,而降水量呈弱增加趋势,5个气象站点的平均气温变化率为0.035 ℃/a,高于我国平均增温速率[30]。气温升高会增加该流域的潜在蒸散发,加快流域水文循环,改变流域热量分配,进而引起土地利用的变化。在流域诸多土地利用类型中,对气候变化较为敏感的土地利用类型为冰川积雪。

冰川对气候变化响应敏感,气温升高直接导致冰川的消融,而降水的增加则有利于冰川的积累[30]。由于天山北麓玛纳斯河上游山区缺乏气象观测站,以与之距离较近、海拔相近的巴音布鲁克和巴伦台为代表,其中巴音布鲁克海拔较高,与冰雪覆盖区域的气候较为接近,因此利用该站数据进行替代分析。从表 3图 4来看,巴音布鲁克台站海拔高,气温低,年均温-4.3 ℃,近50年来呈极显著增加趋势,年均增加0.025 ℃,多年平均降水量271.3 mm,增加趋势显著,年均增加1.025 mm。气温升高会加速冰雪融化,导致冰川萎缩,而降水量增加会增加水源进而增加冰雪覆盖面积,因此,气候变化对冰雪覆盖面积变化的影响存在不确定性。根据本文土地利用的研究结果,与2000年相比,2010年冰川积雪覆盖地面积增加了422.2 km2,这与前人有关西北地区气候变暖、冰川消融的研究结果相悖[15, 31]。为进一步阐明近年来该流域冰雪覆盖面积的变化,选取2000—2010年8—9月份质量较好的TM和ETM影像数据进行解译。解译结果表明(图 6),除2005年外,2000—2010年玛纳斯河流域冰雪覆盖面积呈递减趋势,与以往研究结果一致。出现这种差异的原因主要为,在2010年土地利用的解译中所使用的冰雪覆盖区域的遥感影像为6月8日数据。而根据2010年巴音布鲁克气象数据,6月份巴音布鲁克降水量较多,为103.4 mm,短期大量降水导致解译的冰雪覆盖面积较大,而根据2010年8月3日的冰雪解译结果,2010年冰雪覆盖面积较往年呈略微下降的趋势。冰雪在内陆河流域水循环中占据重要地位,气候变化会影响冰雪量变化进而影响其它水循环过程。出山径流量主要来自上游降水量和冰雪融水量的补给,据图 6所示,玛纳斯河流域出山径流的变化与巴音布鲁克的降水量变化趋势相似,2002年巴音布鲁克降雨量为339.8 mm,玛纳斯河出山径流量达到27.68 亿m3

图 6 玛纳斯河流域2000—2010年均温、年降水、出山径流和冰雪覆盖面积变化 Fig.6 Mean annual temperature,annual precipitation,runoff and snow-covered area changes in Manas River Basin from 2000 to 2010
4.2 人类活动对玛纳斯河流域土地利用变化的影响分析

人类活动是最具活力的土地利用变化的驱动力之一[32],人口增长、社会经济的发展以及水资源的开发利用程度是导致玛纳斯河流域土地利用变化的重要因素之一,耕地、城乡工矿居民用地等是对人类活动较为敏感的土地利用类型,而耕地面积扩张和水资源利用变化对荒漠、绿洲等的变化又有潜在影响。

为满足人口增加和经济发展的需求,玛纳斯河流域耕地和城乡工矿居民用地面积不断向周边未利用地和林地扩张,特别是接近绿洲区的古尔班通古特沙漠南缘被大量开发利用,导致耕地和城乡工矿居民用地迅速增加而未利用地和林地大面积减少,尤其是城乡工矿居民用地增加速度最快,近10年来面积增加了近1倍,年均增长9.7%。人类活动扩展,将古尔班通古特沙漠边缘的灌木林地、平沙地草灌丛、沙堆、沙丘间洼地开辟为耕地和城乡工矿居民用地,有研究表明[17],近年来约有1.5—2.0万hm2的梭梭林和琵琶柴荒漠被开垦为耕地,弃耕后成为光板不毛地,导致沙漠边缘的荒漠植被不断减少。土地利用变化下,人类对流域水循环也产生了显著影响。玛纳斯河流域农业用水量占流域总用水量的比例较大,以新疆兵团为例,其农业用水量占总用水量的97%以上[33],而耕地面积的扩张对水资源影响显著。20世纪90年代后期以来节水技术的推广[16]虽然大大降低了农业的灌溉用水定额,但节水技术的提高诱使人们四处打井开荒,流域灌溉总耗水量增加,原有农田退水对地下水的补给被切断,导致地下水位不断下降,依靠地下水维持生存的绿洲边缘荒漠植被旱化衰亡。2000年以来农业节水灌溉在新疆地区迅速推广,到2009年兵团节水面积占总灌溉面积的62%[34]。根据以往研究,传统沟灌条件下灌溉用水量约为7400—8235 m3/hm2[36],退水率约为25%[35, 36],节水条件下一般为4500—5000 m3/hm2[16],退水率取0%。根据兵团2000—2010年灌溉面积的统计数据,假设节水面积从2000到2010年稳步增长,节水灌溉定额取4750 m3/hm2,传统灌溉定额取7800 m3/hm2,则计算可得到不同年份的灌溉总用水量及灌溉总退水量(图 7)。由估算结果可知,在灌溉面积持续增加的情况下,虽然节水措施的采取使总用水量保持稳定甚至出现降低情况,但农田灌溉退水量由2000年的18.4 亿m3减少到2010年的7.7 亿m3,生态用水被进一步挤占。此外,高效节水技术缓解了部分地区耕地的盐碱化问题,大面积盐碱地改良或弃耕后复垦,而在有些地区由于水资源管理不善,荒漠和裸土沙地盐碱化严重。

图 7 新疆兵团历年灌溉面积以及估算的灌溉用水量和退水量 Fig.7 Irrigated area over the years and estimates of irrigation water use and irrigation return flow in Xinjiang Production and Construction Corps
4.3 不同影响因素交互作用分析

影响土地利用类型变化的因素较多,而不同因素同时作用,彼此之间存在交互作用。不同区域不同土地利用类型的变化受到多种因素的影响,如前所述冰川面积变化主要受到气候变化的影响,人为因素占次要地位,而耕地和城乡工矿居民用地变化的最主要驱动力为人类活动。而有些土地利用类型变化较明显的受两种驱动力共同的影响,不同驱动力之间交互作用明显,如尾闾湖泊、交错带等。

玛纳斯河流域北部玛纳斯湖位于克拉玛依附近,该尾闾湖于1972年干涸[37],根据遥感影像分析,2000年玛纳斯湖汇集了较浅水面,而2010年水面完全消失变为盐碱地和裸土沙地。从自然因素分析,该区域处于沙漠边缘,地表空旷,风力较强,蒸发到空气中的水汽难以贮存,以克拉玛依站为代表,该区增温趋势较明显,而降水量虽有增加,但趋势没有升温明显,无法补偿气温升高后蒸发量增加导致的地表水量的减少。另一方面,中游耕地面积的增加以及膜下滴灌节水技术的推广,导致农田退水量减少,湖泊、地下水和径流补给量减少。

交错带是内陆河流域较为脆弱的区域,同时也是气候变化和人类活动敏感区。玛纳斯河流域气温升高使林线上升,林地向草地转化,此外,该流域生态建设会显著增加人工林面积。而草地和林地交错带的放牧活动对森林的繁育具有显著影响,也促使流域林地下边缘上移,林地转化为草地。气候变化和人类活动影响下,流域下游地区地下水位下降,河道径流量减少,灌丛草地和荒漠交错地带依靠地下水生存的荒漠灌丛和草地向荒漠转变,湖泊周围植被也呈现荒漠化趋势。

通过以上研究得到以下结论:

(1)流域土地利用类型以未利用地为主,占47%以上,其次为耕地和草地,林地面积较小,而水域和河滩沼泽地面积最小,为典型的干旱内陆河流域。

(2)近10年来流域土地利用变化显著,人工绿洲的不断扩张导致土地利用程度呈上升趋势。耕地和城乡工矿居民用地不断增加,分别增加1728.2 km2和711.0 km2,年均增加3.85%和9.68%;未利用地和林地面积逐渐减小,分别减少2979.1 km2和915.2 km2,其中以荒漠、裸土沙地和灌木林地的减少最多;草地和冰川积雪覆盖地面积分别增加1158.3 km2和422.2 km2,水域面积总体减少158.3 km2而河滩沼泽地略有增加。

(3)从土地类型间的转化来看,绿洲区耕地向内部外部双向扩张,转入远大于转出,新增耕地主要来源于荒漠、灌木林地和盐碱地;草地的增加主要由于山区的裸地、林地及山前荒漠的转入;林地转出主要表现为在上游向草地、裸地转变而在中游转变为耕地和城乡工矿居民用地;城乡工矿居民用地的增加主要来源于荒漠、耕地和林地;2010年冰川积雪面积的增加区域主要为裸岩;未利用地主要向人工用地转变,荒漠、裸土沙地主要转变为耕地、城乡工矿居民用地及草地,部分地区盐碱化改善,变为裸土沙地、荒漠或者耕地。

(4)流域土地利用变化受气候变化和人类活动的共同作用。气候变化对上游人类活动干扰较小的冰川、草地及林地等土地类型的分布有较大影响;中游是人类活动密集区,耕地和城乡工矿居民用地扩张等人类活动是造成荒漠植被退化的重要原因;下游地区在气候变化和人类活动的共同影响下,尾闾湖泊萎缩,河道两旁植被退化严重。

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