近38年來格爾木河中下游綠洲時空演變及其與人類活動的關(guān)系①

王林林，劉普幸（西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070）

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近38年來格爾木河中下游綠洲時空演變及其與人類活動的關(guān)系①

王林林，劉普幸*
（西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070）

摘 要：基于1977、1987、1999、2006、2014年5期Landsat MSS/TM/ETM+/OLI遙感影像，結(jié)合“中國1︰10萬土地利用數(shù)據(jù)”及土地利用/覆蓋變化（LUCC）和景觀格局、城市擴(kuò)展指標(biāo)等分析了綠洲時空演變及其與人類活動的關(guān)系。結(jié)果表明：近38年來，格爾木河中下游綠洲變遷呈急劇退縮-退縮-擴(kuò)張的變化趨勢，特別是1977—1987年綠洲退縮速度最快，退縮面積高達(dá)638.67 km2，累計動態(tài)度-3.55%，1987—2006年綠洲繼續(xù)退縮，但速度明顯變緩，累計動態(tài)度分別為-0.52% 和-0.88%，2006—2014年綠洲首次呈擴(kuò)張狀態(tài)，綠洲面積增加27.19 km2，累計動態(tài)度0.26%，綠洲變遷趨于穩(wěn)定。草地變化對綠洲退縮的貢獻(xiàn)率最大，林地、耕地和建設(shè)用地變化對綠洲擴(kuò)張的貢獻(xiàn)率逐漸增大；綠洲重心遷移明顯，遷移方向為南偏東-東南-西南-東南，遷移距離1977—1987年最長，為2.96 km，以后逐漸變短。1977—2014年綠洲景觀斑塊和破碎度呈增加趨勢，景觀形狀趨于復(fù)雜，且當(dāng)城市擴(kuò)展率、城市擴(kuò)展強(qiáng)度減小時，綠洲變化動態(tài)指數(shù)均減小，表明綠洲景觀趨于復(fù)雜的同時受人類活動影響日益增大。

關(guān)鍵詞：格爾木河中下游；綠洲演變；LUCC；景觀格局；城市擴(kuò)展；遙感數(shù)據(jù)

綠洲作為干旱區(qū)一種典型且特有的地理景觀，是干旱地區(qū)人類賴以生存的基礎(chǔ)，也是干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的承載體［1］。西北地區(qū)綠洲面積僅占國土面積的4% ～5%，卻養(yǎng)育了95% 以上的人口，作為新老亞歐大陸橋的必經(jīng)之路、中國能源基地、糧棉油中心、少數(shù)民族聚居地，加之生態(tài)環(huán)境的脆弱性及對全球變化響應(yīng)的敏感性，使綠洲研究自 1990s以來就成為世人關(guān)注的焦點。對于干旱區(qū)綠洲的研究，與其存在的大背景——荒漠是分不開的，其特殊的水、土、氣、生過程及人類活動干擾，使得近幾十年來綠洲擴(kuò)張（綠洲化）與退縮（荒漠化）過程變動較為頻繁、受擾動的程度增大［2］，其中綠洲化過程對人類的生存和社會發(fā)展具有更為直接的影響作用［3］。而對于綠洲化，當(dāng)人類活動的影響程度超過了其承受能力和彈性調(diào)節(jié)限度之后，綠洲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)趨于不合理、功能低效，生態(tài)環(huán)境遭到破壞。由于綠洲生態(tài)環(huán)境的脆弱性、不穩(wěn)定性、難控制性決定了綠洲生態(tài)環(huán)境抵御自然災(zāi)害以及人為破壞的能力極其有限，而且一旦破壞很難恢復(fù)。科學(xué)分析綠洲生態(tài)環(huán)境發(fā)展的歷史及現(xiàn)狀，對實現(xiàn)綠洲生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)健康發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義［4］。

目前圍繞干旱區(qū)綠洲化、荒漠化過程和格局的機(jī)制研究，已成為陸表過程研究的前沿和熱點［5］，近年來對綠洲時空變化及穩(wěn)定性的研究頗多，但在不同的時間和空間尺度上，研究結(jié)果存在明顯差別。國內(nèi)研究主要集中在三工河流域［6］、瑪納斯河流域［7］、黑河流域［8-9］、艾比湖流域［10］和石羊河流域綠洲［11］以及張掖綠洲［12］、金塔綠洲［13］等區(qū)域，且研究內(nèi)容多為綠洲化及其驅(qū)動力、綠洲演變特征、綠洲景觀格局變化及生態(tài)效應(yīng)、綠洲化與土地利用/土地覆被變化（LUCC）方面，顯然，通過對綠洲時空變化揭示其與人類活動關(guān)系的研究甚少，且以往研究結(jié)果表明：綠洲演變的空間差異很大，對于不同的研究區(qū)域，影響綠洲演變的土地利用類型各不相同，綠洲景觀格局變化也存在較大差異。而高原綠洲是否存在綠洲時空演變的某種一致性變化趨勢及其主要影響因素也值得研究，該研究對于人類合理開發(fā)利用綠洲水土資源、保持綠洲景觀特征的持續(xù)性、促進(jìn)綠洲穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實際意義［14］。

地處青藏高原東北部的柴達(dá)木盆地是我國高原典型的綠洲，已有研究主要側(cè)重對柴達(dá)木盆地的區(qū)劃及評價［15］、可持續(xù)發(fā)展［16］、環(huán)境演化與綠洲農(nóng)牧業(yè)變遷［17］、綠洲區(qū)域土地覆蓋分形［18］、氣候變化［19］、NDVI與氣候的響應(yīng)［20］等方面的研究，而對柴達(dá)木盆地綠洲時空演變研究甚少，結(jié)合景觀格局綜合分析綠洲時空變化及人類影響的研究就成為該區(qū)域亟待解決的科學(xué)問題。因此，本文利用1977、1987、1999、2006和2014年5期Landsat TM/ETM+/OLI遙感影像研究柴達(dá)木盆地典型綠洲——格爾木河中下游綠洲時空演變，從較長時間尺度探討綠洲的時空演變及其景觀格局的響應(yīng)，揭示人類活動對綠洲演變的影響，以期為高原綠洲的開發(fā)、管理與保護(hù)，土地荒漠化的防治提供一定的科學(xué)依據(jù)，從而維護(hù)高原綠洲的穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

格爾木河，位于青海省柴達(dá)木盆地南部，是柴達(dá)木盆地最大的內(nèi)陸河流之一，位于格爾木市和都蘭縣，上源分2支：左支奈金河（奈齊格勒河），發(fā)源于昆侖山脈的博卡雷克塔克山的冰川，是格爾木河的主源；右支修溝郭勒河（舒爾干河），發(fā)源于唐格烏拉山，兩河在納赤臺以下匯合后始稱格爾木河，流經(jīng)格爾木市。本文以格爾木河中下游沖積扇平原綠洲作為研究區(qū)域，行政區(qū)劃上屬于格爾木市，地理位置36°10′ ～36°55′N、94°20′ ～ 95°20′E，研究區(qū)海拔為2 671 ～2 996 m。地貌類型主要為荒漠、戈壁和沖擊扇綠洲。具有大陸性荒漠氣候的典型特征，冬季漫長寒冷，夏季涼爽短促，少雨、多風(fēng)、干旱，7月平均氣溫17.7℃，年平均降水量僅38.8 mm，年平均蒸發(fā)量2 801.5 mm，光熱資源充足。主要植被為稀疏胡楊和灌木林。主要土壤類型有高寒漠土、高山草甸土、高山草原土、灰棕漠土、鹽土、草甸土［21］。

1.2 數(shù)據(jù)來源

為保持遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)源的一致性，本文研究采用統(tǒng)一的Landsat系列遙感數(shù)據(jù)。考慮到云的覆蓋影響地物識別及夏季植被繁茂等因素，取像日期分別為1977-9-30（年-月-日，下同）、1987-10-7、1999-9-14、2006-7-23和 2014-7-16，其中 1977年為分辨率為79 m的MSS影像，條帶號為147/35，1987、1999、2006和 2013年數(shù)據(jù)來自分辨率為 30 m的 TM/ ETM+/OLI影像，條帶號為136/35（數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺http://datamirror.csdb.cn和http://earthexplorer.usgs.gov/），其他資料來源于國家自然科學(xué)基金委員會“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”申請的“中國1︰10萬土地利用數(shù)據(jù)”。利用ERDAS 9.2遙感圖像處理軟件對遙感影像進(jìn)行預(yù)處理。因研究區(qū)為沖積扇平原綠洲，故裁剪時統(tǒng)一采用沖積扇面狀數(shù)據(jù)。根據(jù)綠洲的科學(xué)定義以及已有的土地分類系統(tǒng)和研究區(qū)土地利用實際情況，將研究區(qū)分為綠洲和荒漠兩大系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，將研究區(qū)綠洲劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地5個二級類型，利用ArcGIS軟件對遙感影像進(jìn)行目視解譯，獲得研究區(qū)各土地類型數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，并結(jié)合格爾木市地形、地貌圖、中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所（http://www.resdc.cn/Default.aspx）提供的“1980年代末期中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)”和“中國土壤類型空間分布數(shù)據(jù)”、“中國1︰10萬土地利用數(shù)據(jù)”和GoogleEarth利用取隨機(jī)點的方法對解譯結(jié)果進(jìn)行精度驗證，解譯精度達(dá)到87% 以上，滿足進(jìn)一步研究的需要，得到格爾木河中下游沖擊扇平原綠洲1977—2014年不同時期的綠洲面積及分布圖。

1.3 研究方法

1.3.1 綠洲演變動態(tài)度量的通用模型 本研究用綠洲面積變化及其累計動態(tài)度、綠洲擴(kuò)張與退縮過程雙向動態(tài)變化指數(shù)（描述綠洲擴(kuò)張和退縮的方向變化，用以表征綠洲與荒漠相互轉(zhuǎn)化的劇烈程度）、綠洲變化趨勢狀態(tài)指數(shù)模型（指綠洲在空間上是否表現(xiàn)為強(qiáng)烈的增減變化，在一定程度上能反映綠洲系統(tǒng)是否穩(wěn)定和變化趨勢）、綠洲重心遷移模型和綠洲化荒漠化轉(zhuǎn)化過程模型來度量格爾木河中下游綠洲時空演變動態(tài)，具體模型參見參考文獻(xiàn)［13］。

1.3.2 各類型土地在綠洲變遷中的貢獻(xiàn)率分析 綠洲內(nèi)部各土地類型因變化幅度和轉(zhuǎn)變方向不同，對綠洲變遷的貢獻(xiàn)率也有所不同。為了定量度量各時期各類型土地面積變化對綠洲變遷的貢獻(xiàn)率 Re，本研究以綠洲擴(kuò)張貢獻(xiàn)率Re、綠洲退縮貢獻(xiàn)率Rd和綠洲各類型土地變化對綠洲變化的貢獻(xiàn)率 Rc模型對其進(jìn)行分析，具體方法參見參考文獻(xiàn)［9］。

1.3.3 綠洲景觀格局分析 通過景觀格局指數(shù)進(jìn)行綠洲景觀格局定量分析。本研究利用Fragstats 3.3軟件，通過篩選，分別選取斑塊個數(shù)（NP≥1，景觀中所有的斑塊總數(shù)）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、分維數(shù)（AWMPFD，描述景觀中斑塊形狀的復(fù)雜程度，值越大說明斑塊的自相似性弱，形狀無規(guī)律，其值范圍為1≤AWMPFD≤2）、香農(nóng)均度指數(shù)（SHEI，表示不同景觀類型在其數(shù)目或面積方面的均勻程度，SHEI = 0表明景觀僅由一種拼塊組成，無多樣性；SHEI = 1表明各拼塊類型均勻分布，有最大多樣性）和景觀破碎度（Ci，描述整個景觀在給定性質(zhì)上的破碎化程度）［22］5個指標(biāo)來分析綠洲時空演變時的景觀格局變化，進(jìn)而揭示人類活動在綠洲興衰中的作用。

1.3.4 城市擴(kuò)展分析 通過景觀格局指數(shù)進(jìn)行綠洲景觀格局定量分析。利用Fragstats 3.3軟件，通過篩選，分別選取目前公認(rèn)的、具有代表性的5個景觀指數(shù)［7， 23-26］：斑塊個數(shù)（NP≥1，景觀中所有的斑塊總數(shù)）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、面積加權(quán)分維數(shù)（AWMPFD，描述景觀中斑塊形狀的復(fù)雜程度，值越大說明斑塊的自相似性弱，形狀無規(guī)律，其值范圍為 1≤AWMPFD≤2）、香農(nóng)均度指數(shù)（SHEI，表示不同景觀類型在其數(shù)目或面積方面的均勻程度，SHEI = 0表明景觀僅由一種拼塊組成，無多樣性；SHEI = 1表明各拼塊類型均勻分布，有最大多樣性）和景觀破碎度（Ci，描述整個景觀在給定性質(zhì)上的破碎化程度）來分析綠洲時空演變時的景觀格局變化，綜合城市擴(kuò)展模型，進(jìn)而揭示人類活動在綠洲興衰中的作用。

本文選取了 4個評價指標(biāo)來測算時序變化特征值，分別為城市擴(kuò)展率［27］、城市擴(kuò)展強(qiáng)度［28］、緊湊度指數(shù)和分形維數(shù)［24］。

1） 城市擴(kuò)展率（UE）和城市擴(kuò)展強(qiáng)度（UI）。

式中：Ua、Ub為起止時城市建成區(qū)面積（km2）；T為研究時段的時間跨度（年）。

2） 緊湊度指數(shù)。

式中：C為城市緊湊度指數(shù)；A為城市建成區(qū)面積（km2）；P為城市建成區(qū)周長（km）。

3） 分形維數(shù)。

式中：D為分形維數(shù)；P為城市建成區(qū)周長（km）；A為城市建成區(qū)面積（km2）。

2 結(jié)果與分析

2.1 近38年來格爾木河中下游綠洲時空演變過程

2.1.1 綠洲變化速度與趨勢分析 近38年來，格爾木河中下游綠洲面積總體呈迅速減小-相對穩(wěn)定-開始緩慢增加的趨勢，除 2014年綠洲面積比 2006年略增加外，綠洲規(guī)模自1977年以來一直處于退縮狀態(tài)，尤其是1977—1987年急劇退縮，1987—2006年綠洲退縮速度變緩，綠洲變化趨勢表現(xiàn)出逐步平衡的態(tài)勢（圖1）。其中，1977—1987年，格爾木河中下游綠洲面積變化及其變化速度非?？?，其面積減小量和綠洲累計動態(tài)度高達(dá)638.67 km2和-3.55%（圖1A、1B）；綠洲化與荒漠化雙向變化動態(tài)很高，為4.57，表明綠洲與荒漠間相互轉(zhuǎn)化劇烈，同時，綠洲變化趨勢狀態(tài)指數(shù)為-0.62，反映出綠洲朝著規(guī)模縮小的方向發(fā)展且綠洲轉(zhuǎn)換的主要方向為綠洲轉(zhuǎn)換為荒漠（圖 1B、1C），綠洲荒漠化過程明顯，綠洲面積由1 948.72 km2減小為1 310.05 km2，綠洲處于非平衡狀態(tài)。1987—1999年，綠洲累計動態(tài)度和雙向變化動態(tài)指數(shù)均發(fā)生明顯變化，分別為-0.52% 和1.97%，且綠洲變化趨勢指數(shù)僅為-0.18，接近0，表明綠洲變化趨于平衡，顯然，此期間綠洲與荒漠間的轉(zhuǎn)化減弱，且綠洲仍處于退縮狀態(tài)。1999—2006年，綠洲面積減少83.96 km2，變化較小，但綠洲累計動態(tài)度卻增強(qiáng)，為-0.88%；雙向變化動態(tài)指數(shù)雖無明顯變化，但綠洲變化趨勢狀態(tài)指數(shù)為-0.42，遠(yuǎn)離 0（圖 1B），綠洲的平衡態(tài)勢較前一期數(shù)據(jù)略有減弱；荒漠轉(zhuǎn)為綠洲面積57.41 km2，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于綠洲轉(zhuǎn)為荒漠面積140.2 km2（圖1C），綠洲退縮速度略增。2006—2014年，綠洲面積首次呈增加狀態(tài)，比2006年增加了27.19 km2（圖1A），這主要與格爾木市區(qū)東南部出現(xiàn)大面積建設(shè)用地有關(guān)；綠洲累計動態(tài)度變?yōu)檎?，?.26%，雙向動態(tài)指數(shù)變化雖不大，但綠洲面積轉(zhuǎn)為荒漠的面積102.92 km2首次大于荒漠轉(zhuǎn)為綠洲的面積 94.41 km2，且綠洲變化趨勢幾乎等于0，僅為0.03（圖1B、1C），表明綠洲發(fā)展逐漸趨于平衡。

2.1.2 土地利用/覆蓋變化（LUCC） 為了更好地揭示格爾木河中下游綠洲土地利用/覆蓋（LUCC）對綠洲時空演變的影響，定量分析各個地類的變化趨勢，本文以各類型土地面積變化轉(zhuǎn)移矩陣為基礎(chǔ)，利用 ArcGIS構(gòu)建相鄰兩期數(shù)據(jù)（1977—1987、1987—1999、1999—2006、2006—2014年）不同地類面積變化轉(zhuǎn)移矩陣，對其交換變化量和總變化量進(jìn)行了分析（表1）。

由表1可以看出，1977—1987年格爾木河中下游草地面積轉(zhuǎn)換最大，為1 031.6 km2，其中除向荒漠轉(zhuǎn)移 981.72 km2外，還向林地和耕地分別轉(zhuǎn)移了37.49 km2和 11.83 km2，同時林地最大轉(zhuǎn)出量的44.71 km2轉(zhuǎn)為草地，表明林地與其他地類相互轉(zhuǎn)化基本平衡；荒漠轉(zhuǎn)出面積雖較大，為234.59 km2，但由于草地轉(zhuǎn)入荒漠面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于荒漠變化量，致使荒漠面積迅速擴(kuò)大，草地面積急劇縮小，加之其他地類變化量均較小，故這期間綠洲荒漠化過程凸顯，綠洲面積發(fā)生嚴(yán)重退縮的主要原因是草地強(qiáng)高轉(zhuǎn)出、弱低轉(zhuǎn)入，荒漠低轉(zhuǎn)出、高轉(zhuǎn)入的狀態(tài)使得荒漠化面積急劇增大，綠洲生態(tài)環(huán)境顯著惡化。1987—1999年草地和荒地轉(zhuǎn)換面積仍然最高，草地向荒漠轉(zhuǎn)移面積明顯減小，為205.65 km2，同時也有113.6 km2的荒漠轉(zhuǎn)為草地，顯然草地面積仍在退縮，但程度有所減小；林地次之，轉(zhuǎn)化面積為62.49 km2，其最大轉(zhuǎn)出量的52.06 km2轉(zhuǎn)為草地，但也有69.99 km2的草地轉(zhuǎn)為林地，說明林地與其他地類相互轉(zhuǎn)化仍然基本平衡，但林地轉(zhuǎn)化程度的增大也逐漸對綠洲演變產(chǎn)生影響，其他地類轉(zhuǎn)換面積均非常??；這期間綠洲荒漠化過程有所減弱，草地高轉(zhuǎn)出、低轉(zhuǎn)入狀態(tài)繼續(xù)主要支配綠洲演變，但綠洲退縮程度明顯減弱。1999—2006年，草地轉(zhuǎn)換面積大于其他地類，為126.26 km2，其最大轉(zhuǎn)出量118.74 km2依舊轉(zhuǎn)向荒地；除此以外，其他土地利用類型轉(zhuǎn)化較前兩期數(shù)據(jù)復(fù)雜，林地總轉(zhuǎn)換面積為 55.93 km2，僅比荒漠少1.48 km2，居總轉(zhuǎn)換面積的第三位，其較大轉(zhuǎn)出量38.83 km2和14.69 km2分別轉(zhuǎn)為草地和荒漠，而向其他地類轉(zhuǎn)移量均較小，分別為1.71、0.09、0.61 km2，顯然林地面積變化對綠洲演變的影響程度逐漸增加；建設(shè)用地在此期間也迅速擴(kuò)張，有10.45 km2荒漠轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，可見人類活動對綠洲發(fā)展干擾性增強(qiáng)；但由于草地轉(zhuǎn)出面積大于轉(zhuǎn)入面積，林地和荒漠與其他地類轉(zhuǎn)化基本平衡，使綠洲仍表現(xiàn)出退縮的狀態(tài)。2006—2014年各土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)換表現(xiàn)得更為復(fù)雜，草地轉(zhuǎn)換面積最大，為136.03 km2，但其向荒漠的轉(zhuǎn)換面積明顯減小，為87.29 km2，其余大都轉(zhuǎn)向林地和耕地，轉(zhuǎn)換面積分別為 39.56 km2和8.27 km2，說明綠洲土地利用類型內(nèi)部轉(zhuǎn)換程度增強(qiáng)；荒地轉(zhuǎn)換面積僅次于草地，為 102.92 km2，其中有46.76、32.28 和10.86 km2分別轉(zhuǎn)向草地、建設(shè)用地和耕地，相比而言，綠洲土地利用類型和荒漠之間的相互轉(zhuǎn)換基本平衡，綠洲土地利用類型呈略增加的狀態(tài)，這與圖1C的數(shù)據(jù)極為一致?？傊?8年來，土地利用/覆蓋變化（LUCC）對綠洲變遷影響顯著。

圖1 近38年來格爾木河中下游綠洲面積、動態(tài)度指數(shù)變化Fig.1 Area of oasis and dynamic degree of the oasis in middle and lower reaches of Golmud river

表1 近38年來格爾木河中下游綠洲各類型土地面積變化矩陣Table 1 Transform matrix of land use type in oasis in middle and lower reaches of Golmud river in last 38 years

表2 近38年來格爾木河中下游各土地類型對綠洲擴(kuò)張和綠洲衰退的貢獻(xiàn)率（%）Table 2 Land use type’s contribution of oasis expansion and recession in the oasis in middle and lower reaches of Golmud rive in the last 38 years

2.1.3 土地利用/覆蓋變化（LUCC）對綠洲演變的影響 為了定量深入分析各時期各土地類型面積變化對綠洲變遷的貢獻(xiàn)率（表2），本文進(jìn)一步采用綠洲擴(kuò)張貢獻(xiàn)率（Re）、綠洲退縮貢獻(xiàn)率（Rd）和綠洲各土地類型變化對綠洲變化的貢獻(xiàn)率（Rc）模型進(jìn)行分析。由格爾木河中下游綠洲演變（圖2）和各類型土地對其貢獻(xiàn)率（Re、Rd、Rc）的綜合分析可知（表2），近38年來，綠洲變遷呈急劇退縮-退縮-擴(kuò)張的變化趨勢；草地面積的顯著增加和減小對綠洲擴(kuò)張和退縮的貢獻(xiàn)率最大，其次為林地、耕地和建設(shè)用地。原因與研究區(qū)以草地為主要植被類型密不可分。格爾木河中下游綠洲重心總體向東南方向遷移，但在不同時期，遷移方向略有變化，1987—2014年，綠洲重心遷移方向為南偏東-東南-西南-東南（圖 3）。1977—1987年，草地變化對綠洲擴(kuò)張的貢獻(xiàn)率 Re高達(dá) 97.8%，由荒漠轉(zhuǎn)入草地的區(qū)域主要分布在研究區(qū)東部和西部（圖2A）；綠洲退縮也主要由草地面積縮小貢獻(xiàn)，草地對綠洲退縮的貢獻(xiàn)率Rd為94.91%，草地大面積轉(zhuǎn)為荒漠（表1）的地區(qū)主要分布在研究區(qū)偏北邊緣地帶，故綠洲重心向南偏東方向遷移，且遷移距離最長，為2.96 km。同樣，草地變化對綠洲變遷的貢獻(xiàn)率最大，為119.05%（表 2），可見此時期綠洲呈退縮狀態(tài)，綠洲退縮主要受草地退縮影響，這與圖1中所反映的數(shù)據(jù)特征十分吻合。

圖2 近38年來格爾木河中下游綠洲擴(kuò)張與退縮區(qū)域空間分布圖Fig.2 Area expansion and recession of oasis in middle and lower reaches of Golmud river in last 38 years

圖3 近38年來格爾木河中下游綠洲重心轉(zhuǎn)移圖Fig.3 Center of gravity moving in oasis in middle and lower reaches of Golmud river in the last 38 years

1987—1999年，草地面積增加對綠洲擴(kuò)張的貢獻(xiàn)率有所減弱，為 72.72%，而耕地和林地變化對綠洲擴(kuò)展的貢獻(xiàn)率明顯增加，分別從0.32%、1.46% 增加到 12.14% 和 11.18%，表明綠洲擴(kuò)張不再由單一的草地支配；但草地面積減小對綠洲退縮的貢獻(xiàn)率仍居高不下，為 92.22%，說明草地面積減小是綠洲退縮的主要貢獻(xiàn)者，且草地變化對綠洲變遷的貢獻(xiàn)率為126.37%，遠(yuǎn)大于其他地類，綠洲總體仍處于退縮狀態(tài)，與上個時期相比，綠洲退縮主要表現(xiàn)為西部綠洲退縮，東南部靠近格爾木市中心的綠洲擴(kuò)張，這可能與城市擴(kuò)展有一定關(guān)系；綠洲重心向東南部遷移，但遷移距離由2.96 km縮短為1.73 km。

1999—2006年，草地面積增加對綠洲擴(kuò)張的貢獻(xiàn)率繼續(xù)減小，而建設(shè)用地變化對綠洲擴(kuò)張的貢獻(xiàn)率由前一時期的2.1% 增加到 18.2%，這與城市擴(kuò)展的步伐加快、荒地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地致使建設(shè)用地對綠洲演變影響明顯增大有關(guān)；綠洲退縮除了主要由草地面積減小支持外，林地面積有關(guān)的減小也起了一定作用，林地面積減小對綠洲退縮的貢獻(xiàn)率由1.97% 增加到10.48% （表2）；同時，林地、草地對整個綠洲變遷的貢獻(xiàn)率為56.15%、59.61%，建設(shè)用地對其影響為-18.23%，可見此時期綠洲變遷受耕地、草地退縮，建設(shè)用地擴(kuò)張影響，綠洲退縮主要表現(xiàn)為研究區(qū)東部綠洲退縮，綠洲重心向西南部遷移，遷移距離繼而減小為1.37 km。

2006—2014年，草地面積減小對綠洲擴(kuò)張的貢獻(xiàn)率由 62.83% 減小到 45.43%，荒地大面積轉(zhuǎn)入建設(shè)用地，致使建設(shè)用地變化對綠洲擴(kuò)張的貢獻(xiàn)率由18.2% 增加到 31.37%，這與格爾木市東南部大面積新建工業(yè)用地（圖2C）密不可分，綠洲重心向東南方向遷移1.08 km；除此之外，耕地變化對綠洲擴(kuò)張的貢獻(xiàn)率由4.36% 增加到10.55%；綠洲退縮仍主要由草地面積減小貢獻(xiàn)，可見草地退化一直是綠洲退縮最主要的影響因子；就綠洲變遷的總體而言，2006—2014年間，耕地、林地和建設(shè)用地變化對綠洲變遷的貢獻(xiàn)率分別為 73.31%、118.75% 和 106.71%，三者之和大于草地退縮對綠洲變遷的貢獻(xiàn)率-275.34%，由耕地、林地和建設(shè)用地造成的擴(kuò)張近38年來首次超過了草地退縮面積，這與圖1的數(shù)據(jù)分析一致。

2.2 近 38年來格爾木河中下游綠洲演變與人類活動的關(guān)系

2.2.1 綠洲時空演變的景觀響應(yīng) 景觀格局通常是指景觀的空間結(jié)構(gòu)特征，綠洲擴(kuò)張與退縮過程對綠洲斑塊大小、均勻度和多樣性等影響顯著，進(jìn)而間接影響著綠洲穩(wěn)定性及其可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α；貧w分析可較好地反映出兩個變量之間的關(guān)系，R2越接近1，相關(guān)程度越好，對5個景觀指數(shù)與綠洲面積比重進(jìn)行回歸分析（表3），其R2分別為 0.982、0.975、0.798、0.947、0.982（P≤0.05）。格爾木河中下游綠洲斑塊個數(shù)呈上升狀態(tài)，其中1987年和2014年斑塊個數(shù)增幅較大，分別增加了 173個和152個，說明 1977—1987、2006—2014這兩個時期綠洲變遷最為顯著，人類活動的影響也最深刻，2006—2014年綠洲斑塊個數(shù)更多，人工綠洲的擴(kuò)張使得斑塊破碎度增強(qiáng)，表明人類活動對綠洲的干擾增強(qiáng)。近38年來綠洲形狀指數(shù)（LSI）總體呈上升趨勢，從1977年的17.24增加到 2014年的24.92，表明綠洲景觀幾何形狀趨于復(fù)雜化，斑塊不規(guī)則程度上升，斑塊邊界形狀趨于不規(guī)則和復(fù)雜化。而面積加權(quán)平均分維數(shù)（AWMPFD）值偏高，但其變化不大，均在1.2左右上下浮動，表明近38 年來，綠洲分形特征邊緣周長較復(fù)雜，綠洲面積變化對綠洲幾何形狀復(fù)雜程度影響顯著，綠洲斑塊之間相似性較弱，綠洲景觀容易受到外界干擾。香農(nóng)均度指數(shù)（SHEI）均表現(xiàn)為先下降后上升趨勢，SHEI 在1977—1987年下降最為明顯，從0.59降為0.55，說明該時期綠洲面積迅速減?。▓D 1A）劇烈影響綠洲各景觀類型的數(shù)目和面積在空間分布的均勻程度；1987—1999年綠洲變遷趨于穩(wěn)定，故 SHEI保持在0.55未發(fā)生變化；1999—2006年，隨著人口增加，農(nóng)牧業(yè)快速發(fā)展，SHEI減小到0.53，表明綠洲受到人類活動的干擾增強(qiáng)；2006—2014年人工綠洲迅速發(fā)展，綠洲首次呈擴(kuò)張狀態(tài)，SHEI增加到0.56，說明人類對綠洲的開發(fā)建設(shè)使綠洲均勻性增加。1977—2014年，景觀破碎度（Ci）從0.08增加到0.21，且增大最明顯的時期為1977—1987年和2006—2014年，分別增加了0.05和0.04，其與綠洲變遷最顯著時期相符，2006—2014年景觀破碎度最大，說明綠洲受人類干擾強(qiáng)度逐漸增大?？傊?，近38年來，隨著綠洲城市化進(jìn)程加快，人口快速增長，人類活動增強(qiáng)等，格爾木河中下游綠洲景觀趨于復(fù)雜，破碎度增強(qiáng)，為了定量研究人類活動對綠洲演變的影響，本文利用城市擴(kuò)展模型探討其與綠洲時空演變的關(guān)系，以期間接地揭示人類活動對綠洲演變的影響。

表3 近38年來格爾木河中下游綠洲景觀格局特征及其回歸方程Table 3 Landscape pattern indexes in oasis in middle and lower reaches of Golmud river and its regression equation in last 38 years

2.2.2 綠洲時空演變與城市擴(kuò)展的關(guān)系 近38年來，格爾木市建成區(qū)面積迅速擴(kuò)大（圖4），由17.08 km2擴(kuò)大至51.69 km2；城市緊湊度指數(shù)逐漸下降，由0.42減小至 0.23，城市分形維數(shù)則呈增加趨勢，分別為1.53、1.55、1.58、1.66和 1.68，說明格爾木市城市形態(tài)趨于復(fù)雜，尤其是1999年以后，隨著城市迅速擴(kuò)展、交通等基礎(chǔ)建設(shè)的完善，使城市形態(tài)由中心城區(qū)向城區(qū)東南部遷移，城市偏離緊湊，形態(tài)復(fù)雜化，這與綠洲景觀變化剛好吻合；城市擴(kuò)展率（2.44%、1.86%、7.58%、3.74%）和擴(kuò)展強(qiáng)度（1.96%、1.52%、4.95%、2.88%）均呈減小-增加-減小的態(tài)勢，且當(dāng)擴(kuò)展率和擴(kuò)展強(qiáng)度減小時，綠洲凈變化速度、雙向動態(tài)變化指數(shù)和變化趨勢狀態(tài)均變小，說明城市擴(kuò)展劇烈程度直接影響綠洲演變，即當(dāng)城市擴(kuò)展較慢時，綠洲變化趨勢較為穩(wěn)定，表明人類活動對綠洲演變影響顯著。

圖4 1977—2014年格爾木市城鎮(zhèn)用地擴(kuò)展圖Fig.4 Expansion schematic diagram of urban land-use areas in Golmud City from 1977 to 2014

3 結(jié)論

1） 近38年來，格爾木河中下游綠洲面積呈迅速減小-基本穩(wěn)定-緩慢增加的趨勢，其中，以1977—1987年減小速度最快，其面積減小量和綠洲累計動態(tài)度高達(dá)638.67 km2和-3.55%；2006—2014年綠洲首次呈增加狀態(tài)，綠洲面積增加27.19 km2，綠洲變化趨勢僅為0.03，綠洲變遷趨于穩(wěn)定。

2） 1977—1999年，草地大面積向荒漠分別轉(zhuǎn)移981.72 km2、281.14 km2，致使綠洲呈急劇退縮與減緩狀態(tài)；1999—2006年，綠洲土地利用類型轉(zhuǎn)換變復(fù)雜，綠洲繼而退縮；2006—2014年，36.72 km2的荒地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地使其面積急速增大，其他土地利用類型相互轉(zhuǎn)換基本平衡，綠洲首次呈擴(kuò)張狀態(tài)。草地變化對綠洲退縮的貢獻(xiàn)率最大，但其對綠洲擴(kuò)張的貢獻(xiàn)率卻呈下降趨勢；林地、耕地和建設(shè)用地變化對綠洲擴(kuò)張的貢獻(xiàn)率逐漸增加，致使綠洲在 2006—2014年呈現(xiàn)擴(kuò)張態(tài)勢，顯然，LUCC對綠洲時空演變影響顯著。近38年來，綠洲重心遷移較明顯，遷移方向為南偏東-東南-西南-東南，其中1977—1987年遷移距離最長，為2.96 km，2006—2014年遷移距離最短，為1.08 km。

3） 1977—2014年，綠洲演變與人類活動關(guān)系密切，綠洲斑塊個數(shù)、景觀破碎度和綠洲形狀指數(shù)總體呈上升趨勢，綠洲香農(nóng)均度指數(shù)（SHEI）的變化與綠洲變遷存在較好響應(yīng)，反映了綠洲景觀形狀趨于復(fù)雜化；格爾木市城市形態(tài)趨于復(fù)雜，緊湊度下降，且當(dāng)城市擴(kuò)展率和擴(kuò)展強(qiáng)度較小時，綠洲變化動態(tài)指數(shù)相應(yīng)減小，表明人類活動對綠洲演變貢獻(xiàn)很大，綠洲景觀趨于復(fù)雜的同時受人類干擾程度增大。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 劉普幸.綠洲生態(tài)環(huán)境及其保護(hù)［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，2000， 19（2）: 126-128

［2］ Jia B Q， Zhang Z Q， Ci L J， et al.Oasis land-use dynamics and its influence on the oasis environment in Xinjiang， China［J］.Journal of Arid Environments， 2004，56（1）: 11-26

［3］ 汪久文.論綠洲、綠洲化過程與綠洲建設(shè)［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境， 1995， 9（3）: 1-12

［4］ 馬亞蘭，劉普幸.河西走廊金塔綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)資源環(huán)境效應(yīng)綜合評價［J］.中國沙漠， 2011， 31（3）: 709-715

［5］ 鞏杰， 謝余初， 孫朋， 等.鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度金塔綠洲時空格局變化［J］.生態(tài)學(xué)報， 2013， 33（1）: 3 470-3 479

［6］ 羅格平，周成虎，陳曦.從景觀格局分析人為驅(qū)動的綠洲時空變化：以天山北坡三工河流域綠洲為例［J］.生態(tài)學(xué)報， 2005， 25（9）: 2 197-2 205

［7］ 張宏鋒， 歐陽志云， 鄭華， 等.新疆瑪納斯河流域景觀格局變化及其生態(tài)效應(yīng)［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報， 2009， 20（6）: 1 408-1 414

［8］ 劉普幸， 孫婧， 陳發(fā)虎， 等.黑河干流肅南山地森林生態(tài)系統(tǒng)的景觀格局變化研究［J］.中國沙漠， 2008， 28（1）: 89-93

［9］ 廖杰， 王濤， 薛嫻.近55a來黑河流域綠洲演變特征的初步研究［J］.中國沙漠， 2012， 32（5）: 1 426-1 441

［10］ 謝霞， 塔西甫拉提·特依拜.艾比湖流域綠洲化與荒漠化過程時空演變研究［J］.中國沙漠， 2013， 33（1）: 38-45

［11］ 文星， 王濤， 薛嫻， 等.1975—2010年石羊河流域綠洲時空演變研究［J］.中國沙漠， 2013， 33（2）: 478-485

［12］ 頡耀文， 彌沛峰， 田菲.近 50年甘肅省張掖市甘州區(qū)綠洲時空變化過程［J］.生態(tài)學(xué)雜志， 2014， 33（1）: 198-205

［13］ 鞏杰， 謝余初， 高彥凈， 等.1963—2009 年金塔綠洲變化對綠洲景觀格局的影響［J］.生態(tài)學(xué)報， 2015， 35（3）: 1-15

［14］ 羅格平， 周成虎， 陳 曦， 等.區(qū)域尺度綠洲穩(wěn)定性評價［J］.自然資源學(xué)報， 2004， 19（4）: 519-524

［15］ 張永濤， 申元村.柴達(dá)木盆地綠洲區(qū)劃及農(nóng)業(yè)利用評價［J］.地理科學(xué)， 2000， 20（4）: 314-319

［16］ 曹廣超， 馬海洲， 曾永年， 等.柴達(dá)木盆地綠洲區(qū)可持續(xù)發(fā)展現(xiàn)狀的定量評價研究［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2003， 17（3）: 28-34.

［17］ 曹永豐.柴達(dá)木盆地環(huán)境演化與綠洲農(nóng)牧業(yè)變遷初步研究［J］.中國沙漠， 2003， 23（3）: 331-333

［18］ 李艷麗， 楊太保， 曾彪.基于MODIS數(shù)據(jù)的柴達(dá)木盆地南緣綠洲土地覆蓋動態(tài)變化研究［J］.中國沙漠， 2011，31（1）: 34-42

［19］ 徐浩杰， 楊太保.1981—2010年柴達(dá)木盆地氣候要素變化特征及湖泊和植被響應(yīng)［J］.地理研究進(jìn)展， 2013，35（11）: 2 289-2 297

［20］ 高維， 曾彪， 楊太保.柴達(dá)木盆地德令哈地區(qū) MODISNDVI時空變化及其與氣候的關(guān)系［J］.蘭州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2014， 50（1）: 80-88

［21］ 申元村， 汪久文， 伍光和， 等.中國綠洲［M］.開封: 河南大學(xué)出版社， 2000: 353-379

［22］ Morgan J L， Gergel S E.Quantifying historic landscape heterogeneity from aerial photographs using object-based analysis［J］.Landscape Ecology， 2010， 25（7）: 985-998

［23］ 潘竟虎， 胡艷興.疏勒河中下游近 35 年土地利用與景觀格局動態(tài) ［J］.土壤， 2014， 46（4）: 742-748

［24］ 白元， 徐海量， 劉新華， 等.塔里木河干流耕地動態(tài)變化及其景觀格局［J］.土壤學(xué)報， 2013， 50（3）: 492-500

［25］ 姜紅濤， 張飛， 丁建麗.渭干河-庫車河流域及其子流域景觀格局變化分析［J］.土壤， 2014， 46（5）: 942-947

［26］ 宮繼萍， 石培基， 楊雪梅， 等.干旱區(qū)內(nèi)陸河流域景觀格局及其與環(huán)境因子的關(guān)系研究［J］.土壤， 2013， 45（1）: 143-151

［27］ Xu X L， Min X B.Quantifying spatiotemporal patterns of urban expansion in China using remote sensing data［J］.Cities， 2013， 35: 104-113

［28］ 董廷旭， 秦其明， 王建華.近30年來綿陽市城市用地擴(kuò)展模式研究［J］.地理研究， 2011， 30（4）: 667-675

中圖分類號：TP79

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.03.027

基金項目：①國家自然科學(xué)基金項目（40961035）和甘肅省自然科學(xué)基金項目（0803RJZA094）資助。

* 通訊作者（fmlpx@nwnu.edu.cn）

作者簡介：王林林（1988—），女，甘肅天水人，碩士研究生，主要研究方向為干旱區(qū)域環(huán)境與綠洲建設(shè)。E-mail：Wangluyaolinlin@163.com

Spatial and Temporal Change of Oasis in Middle and Lower Reaches of Golmud River and Its Relationship with Human Activities

WANG Linlin， LIU Puxing*
（College of Geography and Environment Science， Northwest Normal University， Lanzhou 730070， China）

Abstract:Landsat MSS/TM/ETM+/TIRS remote sensing images in 1977， 1987， 1999， 2006 and 2014 were acquired to analyze spatial and temporal change of the oasis， furthermore， the “1:100 000 data of land use in China”， oasis evolution dynamic model， land use/cover change （LUCC）， landscape pattern index and urban expansion index were used to analyze the spatiotemporal variation and its relationship with human activities.The results showed that: in the last 38 years， Oasis change showed a trend of dramatically retreated-retreated-expansion of oasis in middle and lower reaches of Golmud river， the speed of oasis retreated from 1977 to 1987 was the fastest， and retreated area reached 638.67 km2， the cumulative dynamic degree was-3.55%， oasis continued to retreat slowly from 1987 to 2006， and the cumulative dynamic degree was-0.52% and-0.88% respectively， oasis change tended to be stable as it extended for the first time from 2006 to 2014， the cumulative dynamic degree was 0.26%.The grassland change had great contribution to oasis retreat and forest land， arable land and construction land change played the important role in oasis’ expansion.The center of gravity moving was obviously with the direction was south by east-southeast- southwest- southeast， the center distance of gravity moving which from 1977 to 1987 was the longest （2.96 km）， and it became shorter in the future gradually.Values of Patches （NP）， fragmentation index （Ci） and landscape shape index （LSI） of oasis were increased from 1977 to 2014， the change of Shannon’s evenness index （SHEI） responses well to oasis changes，indicating oasis landscape shape tends complicate， and human interfere with the oasis which degree is increasing.

Key words:The middle and lower reaches of Golmud river； Oasis change； LUCC； Landscape pattern； Urban expansion；Remote sensing date