绿洲作为干旱区独有的地理景观, 为人类的生产、生活提供基本的能源供应和环境基础^[1], 干旱区绿洲面积虽小, 却集中了95%以上的工农业产值和区域资源^[2], 是干旱区重要的人口聚集区中心和财富积累中心。绿洲变化是在气温、降水等大的自然环境下, 以人类活动为主导驱动因子, 所产生的荒漠和绿洲之间的转变^[3-5]。人类活动对绿洲的影响包括直接和间接影响两个方面, 直接影响主要是指人为的绿洲开发, 导致水资源时空分布发生改变, 从而产生的绿洲和其他土地利用类型之间的转变^[6]；间接影响是指地下水资源的开采, 使得天然绿洲退化, 土地荒漠化, 而大量修建平原水库、灌溉干渠和农田漫灌, 又会使地下水位抬升, 产生次生盐渍化和返盐现象^[7-9], 对绿洲的发展造成影响。

绿洲作为干旱区重要的经济活动中心, 随着干旱化、荒漠化和盐渍化现象的日渐严重^[10], 使得对干旱区绿洲的研究已经成为一个非常热门的话题, 研究内容涉及土地利用/土地覆盖变化^[11]、绿洲化时空过程^[12-14]、以及绿洲区自然/生态环境^[15-18]、绿洲景观格局等多个方面, 研究表明, 近几十年以来, 绿洲研究的数量、所涉及的学科范围以及研究手段等都在不断更新和增加^[19]。绿洲作为干旱半干旱地区水资源的主要消耗和储备基地, 其时空变化过程不仅反映了人类对干旱区土地的利用开发程度, 更是对干旱区生态环境承载力等问题的间接反映。但现有的绿洲研究, 较多的以关注人工绿洲为主^[20], 并以行政单元作为基本的分析尺度^[21-22], 而我国西北干旱区的绿洲分布受地理因素的制约较多, 如何突出绿洲变化的地理特征, 探索反映绿洲变化的空间规律, 对我国西北干旱区的绿洲发展提供借鉴和依据意义重大。

瓜州县是丝绸之路沿线的重要节点性城市, 也是甘肃省“两西”移民以及“疏勒河农业灌溉暨移民安置”项目的重点移入县, 随着大量的移民迁入, 区域生态承载力加重, 绿洲的发展现状及趋势作为移民能够稳定存在的基础更是备受关注。本文拟探索瓜州绿洲在近30年间变化的时空规律和趋势, 通过提取1986—2015年间每5年1期的绿洲信息, 使用格网化的分析方法, 突出绿洲变化的时空特征, 为瓜州绿洲的发展提供借鉴和指导作用。

1 研究区概况

瓜州绿洲位于甘肃省河西走廊西部疏勒河流域中游, 西接敦煌、新疆等重要城市, 东连玉门市、嘉峪关市, 绿洲南北长约83km, 东西宽度为172km左右, 地理位置介于39°53′ —40°36′N和94°53′ —96°55′E之间, 是分布在河西走廊平原的狭长型绿洲, 如图 1所示。区域气候干旱, 降水稀少, 年平均降雨量仅54.3mm, 年蒸发量却达3046.3mm, 属于典型的温带大陆性干旱气候^[23]。绿洲外围为大面积的荒漠戈壁地表, 生态环境脆弱, 荒漠植被主要以梭梭、柽柳、白刺等耐旱深根性植被为主, 在绿洲区域, 大面积种植玉米、葡萄等农作物。由于东西范围较长, 瓜州绿洲形成3个主要分布区域, 以截山子为界, 东部绿洲位于昌马冲积扇平原, 又称昌马灌区绿洲; 西部为疏勒河干流灌区绿洲；河流尾闾的小片绿洲, 位于西湖乡境内, 生态环境极度脆弱。绿洲地处荒漠腹地, 对连接丝绸之路东西段的经济发展作用重大, 近年来, 随着人类活动的影响加大, 瓜州绿洲大面积扩张, 与此同时, 绿洲荒漠化、盐碱化现象也不断产生, 使绿洲的发展面临严峻挑战。

2 数据与方法 2.1 数据来源与预处理

使用中分辨率遥感影像进行绿洲信息的获取, 其中2015年的绿洲信息提取使用Landsat8 OLI遥感影像, 其他年份使用Landsat5 TM数据, 分辨率均为30m, 数据时相以7—8月份为主。信息提取前对影像进行大气辐射校正, 以减小或消除因云、水汽等造成的信息失真和图像畸变。其他数据还包括Google高清影像, 文献资料等数据, 作为信息提取和分析的辅助资料。通过使用以上数据, 分别提取瓜州绿洲1986年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年的分布情况。

2.2 研究方法 2.2.1 绿洲信息提取

总结较多对绿洲的定义^{[20, 24-26]}, 将遥感影像上能够表现出来的绿洲结构定义为植被、水体、居民地和工业用地等几部分。植被的提取使用NDVI阈值分割的方法(图 2), 但由于受我国西北干旱区农作物物候的影响, 存在较多歇/轮耕地没有被完全提取的现象, 需要通过目视解译的方法进行补充。水域的提取与植被提取方法类似, 但精度较高, 不需要进行手动修改, 使用归一化水体指数(NDWI=(Green-SWIR1)/(Green+SWIR1))阈值分割的方法。居民点(包括城镇)基本位于绿洲内部, 通过目视解译的方法进行添加。在我国西北干旱地区, 工业用地基本分布在绿洲外围的荒漠戈壁区, 需要使用数字化的方法进行获取。

植被提取时, 首先获取2015年的绿洲信息。使用OSTU法确定NDVI分割阈值, 并对提取结果进行实地验证, 确定信息提取的准确性和NDVI值。多次试验发现, 绿洲的NDVI下限基本为天然绿洲的边界, 而不受人工绿洲(农田)的影响, 因此, 实地验证主要考察天然植被边界的准确性, 对人工绿洲的考察主要为建立歇/轮耕地的解译标志。其他年份的绿洲提取, 参照2015年信息提取过程中所建立的解译经验进行, 将影像拉伸至与2015年一致的色阶范围, 最大限度保证不同时期影像视觉特征的一致性, 根据所建立的先验知识, 不断调整分割阈值, 使所提取的结果符合经验条件为止。1986—2015年间, 7期绿洲植被提取所使用的NDVI阈值依次为0.3、0.26、0.3、0.25、0.33、0.3、0.35, 可以发现, 阈值的波动范围较小, NDVI最大值和最小值分别位于2000年和2015年。

2.2.2 格网化绿洲变化

格网化是一种突破行政边界的限制, 将绿洲的数量变化特征进行空间化表达的方法, 能够较细致的体现绿洲在空间上的变化规律。将研究区域划分为90m × 90m的等大格网单元, 并计算每一研究时段内该网格上的绿洲变化强度。单位格网上, 使用格网的面积作为样本年间绿洲面积的最大变化量, 计算绿洲的相对变化率^[27], 计算公式为：

(1)

式中, S_a和S_b分别为研究初期和末期格网内的绿洲面积, S_grid为格网单元面积, T₁、T₂为研究初期和末期的时间, K_grid的值域范围为[-1, 1], K_grid为正代表绿洲扩张, 为负则为绿洲退缩。

公式(1) 中K_grid的绝对值越大, 说明绿洲向该方向的变化越剧烈。同一格网单元上, 多期变化绝对值的和越大, 则说明该网格上绿洲的变化越频繁, 使用累计变化率(CK_gird)^[27]进行表达, 计算公式为：

(2)

式中, N为选用的景观类型的样本年份数, CK_gird的最小值为0, 最大值为N, 值越大说明绿洲变化越剧烈, 越接近于0, 则说明绿洲越稳定。

每一时期的格网单元上, 绿洲变化包括绿洲“扩张”、“退缩”和“无变化”3个类型。对累积变化率直方图进行统计发现, CK_gird在值为1和2处出现两个峰值, 据此, 将累计变化率划分为“无变化”、“微弱波动”、“较强波动”和“剧烈波动”4个等级。

3 结果与分析 3.1 绿洲变化过程分析

从近30年间瓜州绿洲的空间分布(图 3)可以看出, 昌马灌区绿洲位于昌马冲积扇平原, 绿洲规模较大, 但分布较为零散；疏勒河干流灌区绿洲分布集中, 绿洲形状规整、连片性好；疏勒河尾闾绿洲, 位于荒漠腹地, 绿洲规模较小、分布分散, 连片性差。

从瓜州绿洲的面积变化(表 1)可以看出, 近30年间, 瓜州绿洲总体上为扩张的趋势, 绿洲由1986年的574.73km²增长至2015年的859.98km², 面积净增长285.25km², 与1986年相比, 增长比例为49.6%。其中1986—1990年间绿洲发生退缩, 而且面积减少较多(170km²), 占1986年绿洲面积的29.68%；1990年开始, 绿洲不断扩张, 但前期的扩张速度较慢, 1990—2000年间, 绿洲面积仅增长12.6%, 面积增加量为58.1km²；2000—2005年间的增长速度较快, 短短5年期间, 绿洲面积增长38.45%, 增长量达199.73km²；2005—2015年又进入较平稳的增长阶段, 10年间绿洲扩张19.58%。

在乡镇尺度上, 瓜州县不同乡镇的绿洲面积差异较大(表 1), 绿洲变化趋势也不尽相同。其中以环城镇、南岔镇和布隆吉乡的绿洲面积较大, 绿洲增长速度也较快, 近30年间, 环城镇和南岔镇的面积净增长分别为107.8km²和77.25km², 相比于1986年, 面积分别增长1.5倍和1.11倍, 远大于全县和其他乡镇。而布隆吉乡在1986—1990年间绿洲退缩49.04km², 退缩比例为46.13%。1990—2015年间绿洲快速增长, 面积净增加86.95km², 扩大为1990年的1.51倍, 扩张速度和幅度都比较大。其次为瓜州乡, 近30年间的绿洲面积仅增加40.58km², 但相比1986年, 面积增长比例为92.38%。西湖乡的绿洲基数较小, 虽然绿洲扩张面积较小(27.16km²), 但相对增长比例却比较大(77.98%)。而县域内其他乡镇的绿洲扩张数量和比例都相对较小。

3.2 格网化绿洲变化分析

可以看出, 同一时期, 绿洲同时存在“扩张”与“退缩”的现象(图 4)。其中, 1986—1990年的绿洲退缩最为严重, 昌马冲积平原的大面积天然植被退化, 绿洲大幅度萎缩, 尤其以冲积平原中部和西侧为主。1990年起, 前期大面积退缩的天然植被区绿洲开始恢复, 冲积平原的南侧也开始出现规模较大的人工绿洲, 移民政策下成立的腰站子乡、沙河回族乡和双塔乡, 成为了昌马灌区绿洲的主要扩张区域。

2000年以后为绿洲的快速扩张期, 其中2000—2005年间的瓜州绿洲扩张达到巅峰, 以疏勒河干流灌区的绿洲扩张为主, 瓜州县城附近的乡镇, 大面积耕地增加；位于双塔水库西侧, 以国营小苑农场为基地建立的移民安置乡——梁湖乡, 绿洲面积也开始增加。2005—2010年间, 昌马灌区的绿洲扩张仍然以移民乡的耕地扩增为主, 而疏勒河干流灌区内, 形状规则、规模较大的工业用地开始出现, 河流尾闾的绿洲扩张也较为明显。2010—2015年间, 绿洲扩张速度又有所减缓, 扩张斑块分布零散, 几个主要绿洲区均存在少量的扩张。

统计不同年份绿洲的“扩张”、“退缩”和“无变化”的面积(表 2)。可以看出, 绿洲“扩张”呈现明显的抛物线型变化, 并在2000—2005年间达到最大(432.69km²), 其中1986—2000年和2005—2015年均为缓慢增加的趋势, 2000—2005年的绿洲扩张大幅度增加, 使得瓜州绿洲的扩张达到最大值。“无变化”是指每一时间段内, 绿洲没有发生退缩和扩张的区域, “无变化”面积逐年增加(表 2), 说明瓜州绿洲总体为不断扩大的趋势。绿洲“退缩”在每一时期内均有发生, 其中1986—1990年的绿洲退缩最为严重, 其次为2005—2010年, 面积分别为379.95km²和305.41km², 2000—2005年的绿洲“退缩”面积最小(123.70km²)。

通过以上分析发现, 瓜州绿洲的扩张主要集中在昌马灌区和疏勒河干流灌区, 对这两个主要区域的绿洲扩张趋势进行分析, 如图 5所示。从疏勒河干流每一时期的绿洲扩张格局(5a)可以看出, 该区域的绿洲扩张主要是围绕现有的绿洲外边界进行开发, 随着绿洲主体的不断扩大, 绿洲的发展方向不断向荒漠内部延伸, 形成以原始绿洲为主体不断向外围呈辐射状扩张的趋势, 同时, 也有对绿洲内部进行填充的现象, 使得绿洲的斑块更加完整。从图中可以看出, 2005年开始, 绿洲西部荒漠区出现的工矿企业用地也成为了绿洲扩张的热点区域, 成为了该区域绿洲扩张的新形式。

昌马灌区绿洲发生退缩的范围较广、面积较大, 由于冲积平原南高北低的地势特点, 北部和西侧的地下水位较浅, 天然植被面积较大^[28], 容易受环境等因素的影响, 因此, 绿洲退缩现象也较频繁。绿洲扩张主要集中在移民乡区域, 以绿洲扩张面积为权重, 分别计算该区域1986—2015年间每一时期的绿洲扩张热点(图 5b), 可以看出, 早期的绿洲向北部扩张, 近几十年间主要为向西和向西北方向发展。其中, 1986—1990年间, 绿洲以腰站子乡为基础向北扩张；1990—1995年间, 绿洲转为向西北方向发展, 扩张的主要区域为冲积平原南部和中部地区；1995年开始, 绿洲边界逐渐向西推进, 1995—2000年的绿洲扩张热点位于沙河回族乡, 2000—2005年已经向西延伸至双塔乡附近, 2005—2010年间, 绿洲更是大范围向西扩张, 至2010—2015年, 绿洲的扩张热点已经开始出现在双塔水库附近和走廊平原的西部。腰站子乡作为瓜州县最早的移民乡, 也是绿洲扩张的最早区域, 可以看出, 截止2015年间, 东起腰站子乡、西至双塔水库的整个冲积平原区, 大部分地表已经演变为人工绿洲的分布区。因此, 在昌马冲积平原绿洲区, 随着人类的大力开发, 绿洲逐渐向北部细土平原和向西发展已成为主要趋势, 加之该区域的水资源较为丰富, 未来绿洲在整个冲积平原进行大规模开发的潜力较大。

3.3 格网化累积变化率

对近30年间的绿洲累计变化率进行分级(图 6)并统计不同等级所占的面积(表 3), 可以看出, 绿洲累积“无变化”为多年绿洲分布的核心区域, 面积较小(241.85km²), 仅占绿洲分布区总面积(图 3)的22.23%, 是1986年绿洲面积(表 1)的42.08%, 分布在疏勒河干流灌区、昌马灌区东部和昌马冲积平原西南侧。“微弱波动”反映了绿洲扩张的空间分布情况, 集中在昌马冲积平原的移民乡镇和疏勒河干流“无变化”绿洲的外围, 面积为493.45km², 占绿洲分布总区域的45.36%。以上分析可以看出, 瓜州绿洲能够多年稳定存在的区域面积较小, 仅为不足1986年绿洲的一半, 而近30年的扩张面积却较多, 因此, “微弱波动”区将是瓜州绿洲进一步开发的潜在区域, 而能够保持多年稳定存在的区域面积较小。

“较强波动”总体为反映绿洲的扩张趋势, 但会受到较少绿洲退缩现象的影响, 总面积为255.10km²。从图中可以看出, 绿洲“较强波动”的分布零散, 斑块较小, 而且有较大面积位于绿洲大面积扩张的区域——“微弱波动”区, 进一步说明了维持瓜州绿洲稳定发展的必要性。“剧烈波动”所反映的绿洲变化频繁, 总面积为97.5km², 仅占绿洲分布总区域的8.97%, 大面积分布在昌马冲积平原区, 疏勒河干流灌区较少, 河流尾闾的这类绿洲面积也较多。

以上分析中发现, 昌马冲积平原是近30年间绿洲大面积扩张的重要区域之一, 但在近几十年间, 能够保持原始绿洲稳定不变的区域却较少, 绿洲“剧烈波动”和“缓慢波动”的分布范围较广, 绿洲大幅度扩张为该区域近30年间的主要变化趋势, 但保持绿洲长期稳定存在应当作为目前的主要问题之一。疏勒河干流灌区绿洲的变化频率较小, 稳定绿洲的面积也相对较大, 依靠上游双塔水库的水资源调控, 该区域的绿洲发展相对较为稳定。河流尾闾仅存在极小面积的稳定绿洲, 绿洲波动性较大, 但近几十年间的绿洲扩张也较多。

4 结论与讨论

近30年间, 瓜州绿洲扩张显著。1986—1990年间的绿洲出现了较大幅度的减小；从1990年开始, 绿洲进入大范围的扩张, 其中2000—2005年是绿洲扩张最为明显的时期, 绿洲面积增长199.73km², 其次为2005—2015年, 面积增加19.58%；而2000年以前的绿洲扩张速度较慢, 1986—2000年间, 绿洲面积增加仅12.6%。

空间分布上, 绿洲扩张以昌马灌区移民乡镇和疏勒河干流灌区为主。昌马灌区内, 腰站子乡作为甘肃省最早批准建立的“两西”移民乡, 绿洲扩张最早出现在这一区域, 从冲积平原南部开始向北部发展。“疏勒河流域农业灌溉暨移民安置”项目中, 又先后成立沙河回族乡和双塔乡, 绿洲扩张趋势便转向西和西北方向发展, 截止2015年, 冲积平原南部至双塔水库一带, 绿洲已占据大面积区域。疏勒河干流灌区内, 绿洲以原始绿洲为主体向外扩展, 梁湖乡作为主要移民乡之一, 以国营小苑农场为基础向西发展, 并逐渐与瓜州县城连为一片, 这一区域的绿洲面积较大, 绿洲稳定性也较高。近几十年间, 疏勒河干流灌区绿洲退缩的面积较少, 绿洲退缩主要发生在昌马冲积平原区；而在疏勒河尾闾, 绿洲也存在较为严重的退缩现象, 但由于绿洲基数较小, 绿洲退缩面积的数量相对较少, 该区域的绿洲退缩主要是由于地处荒漠腹地, 生态环境脆弱, 风沙大, 绿洲受干旱化和荒漠化现象的侵蚀严重。

使用格网化的方法进行分析得出, 瓜州绿洲的扩张速度较快, 但研究时段内均保持为绿洲的面积却较少。1986—2015年间, 累积变化率为0的面积仅占绿洲分布总面积的22.23%, 占1986年绿洲的42.08%, 在昌马灌区绿洲中, 以较稳定速度大面积的扩张的区域中, 仍然存在较大面积的“剧烈波动”和“缓慢波动”区域, 而长期稳定存在的绿洲却位于大面积扩张绿洲的东北部, 突出体现了这一区域绿洲扩张的不稳定性。研究表明, 昌马冲积平原北部的细土平原区, 地下水位较浅^[28], 而不合理的修建平原水库和灌溉干渠, 又会造成地表的次生盐渍化现象^[9], 因此, 昌马灌区绿洲在不断向西北部大面积扩张的同时, 采取合理的灌溉措施、保持绿洲长期稳定的发展是目前亟待解决的问题之一。

疏勒河干流灌区与昌马灌区的绿洲扩张形成鲜明对比。前者是以原始的绿洲主体为基础, 呈放射状向外扩张, 近期以来, 疏勒河干流绿洲外围的荒漠区内, 新增较多的工业用地, 成为该区域近时期绿洲扩张的方式之一。昌马灌区内, 冲积扇前平原的地下水位较浅, 与荒漠生态环境相较, 该区域进行耕地开发的难度相对较小, 随着移民的迁入, 更是促进了该区域耕地的开发速度, 截止2015年, 昌马冲积扇前平原的大部分已经成为绿洲分布区, 绿洲扩张显著。

格网化作为一种突破行政界限对绿洲变化过程进行分析的方法, 不仅能够定性的表达绿洲变化的空间特点, 而且对绿洲的扩张、退缩和稳定存在区域也能够进行定量计算, 较好的体现了区域绿洲的变化趋势和过程。