塔里木盆地綠洲與沙質荒漠演化遙感研究

呂俊娥

（1.中國煤炭地質總局航測遙感局，陜西 西安 710199）

干旱區(qū)綠洲化與荒漠化研究已成為氣候變化、土地退化、生態(tài)環(huán)境保護與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展等研究的熱點。綠洲化與荒漠化在地理空間上主要表現(xiàn)為動態(tài)的面狀分布，它既具有空間分布特征，又具有時間尺度上數(shù)和量的變化[1,2]。當前對新疆塔里木河流域、和田河流域及塔克拉瑪干沙漠南緣地區(qū)的綠洲化或荒漠化研究較多，而對緊鄰塔克拉瑪干沙漠西南緣的葉城地區(qū)研究較少。葉城地區(qū)地處塔里木盆地西南部葉兒羌河流域，東靠塔克拉瑪干沙漠，南以喀喇昆侖山為屏障，北與天山南麓余脈相鄰，集沙漠、山地及河谷灌溉區(qū)為一體的生態(tài)景觀，是研究綠洲化與荒漠化的典型地區(qū)。人類通過改善灌溉系統(tǒng)、熟化土壤、栽培作物、營造林木，使綠洲擴大。同時為了滿足人口增長及經濟發(fā)展的需求，人們不合理利用自然資源，大面積的開墾荒地、過渡砍伐及超載放牧都嚴重危害了干旱區(qū)生態(tài)穩(wěn)定，導致綠洲生態(tài)系統(tǒng)失調，荒漠化嚴重[3]。綠洲化與荒漠化的矛盾給葉城地區(qū)可持續(xù)發(fā)展造成嚴重的危害。

本文采用多時相遙感衛(wèi)星遙感影像，以綠洲化與沙質荒漠化過程為研究對象，進行綠洲化與沙質荒漠化這一矛盾體之間動態(tài)演化和特征研究，提出其空間分布與發(fā)展變化過程的量化結果。定量分析評價葉城地區(qū)沙質荒漠化狀況及綠洲演變趨勢，為今后沙質荒漠化的控制、改造工作提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處 76°30′00″～78°00′00″E、37°25′00″～38°00′00″N 之間，屬塔里木盆地西緣，地勢上西南高、東北低。行政區(qū)劃大部分屬葉城縣管轄。為典型的中溫帶干旱大陸性氣候，年降雨量僅幾十毫米，河流主要靠高山雪水補給。受東部塔克拉瑪干沙漠威脅，為典型的干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境退化區(qū)；主要河流為葉兒羌河，葉兒羌河流域為我國第四大灌溉區(qū)，綠洲化明顯，生產生活用水與生態(tài)用水間的矛盾突出。研究區(qū)干旱少雨及氣溫變化劇烈，生態(tài)系統(tǒng)極不穩(wěn)定，具有很強的敏感性與脆弱性。研究該地區(qū)的沙質荒漠化程度及發(fā)展趨勢，對于該地區(qū)的沙質荒漠化控制，經濟、社會的可持續(xù)發(fā)展以及土地利用開發(fā)等方面都至關重要。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

為了充分反映研究區(qū)綠洲化與沙質荒漠化土地的動態(tài)變化特征和演變趨勢，采用1975年MSS、2000年TM、2007年TM以及2014年Landsat8衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源。由于數(shù)據(jù)的空間、波譜分辨率不同，對四期遙感衛(wèi)星影像進行輻射校正和幾何精校正的預處理，經過遙感影像糾正和投影轉換，形成空間信息基礎一致的4期遙感影像數(shù)據(jù)。在ArcGIS10工作平臺下，采用人機交互式解譯法，對四期衛(wèi)星遙感影像的綠洲和沙質荒漠化專題因子進行遙感解譯。

2.2 研究方法

1）在ArcGIS10工作平臺下，以4期綠洲與沙質荒漠化遙感解譯為基礎，分析近40 a隨著經濟社會的發(fā)展，綠洲與沙質荒漠化在時間上的變化特征。

2）為定量分析綠洲和沙質荒漠化的總體變化趨勢，將某個時間段內減少的區(qū)域稱為退縮區(qū)，擴大區(qū)域稱為擴張區(qū)；對比分析退縮區(qū)和擴張區(qū)的空間格局和數(shù)量特征，定量分析研究區(qū)“綠洲化”和“沙質荒漠化”時空變化規(guī)律[4,5]。在現(xiàn)狀研究基礎上，利用ArcGIS 10疊加分析，提取綠洲化土地與沙質荒漠化土地退縮與擴張區(qū)面積，編制1975～2000年、2000～2007年及2007～2014年動態(tài)變化圖，分析動態(tài)變化的時空分布特征。

3）在時間變化與空間變化特征研究基礎上，利用重心遷移模型對綠洲化與沙質荒漠化的重心遷移方向及距離進行計算研究。重心遷移模型能夠具體反映其空間演變過程。重心坐標一般以經緯度表示，第t年綠洲或荒漠類型的重心坐標（經緯度）可表示為[6]：

式中，X、Y分別為綠洲化或荒漠化分布重心的經、緯度坐標；Ci為綠洲或荒漠第i個斑塊的面積；Xi、Yi分別為綠洲或者荒漠第i個斑塊分布重心的經、緯度坐標；n為綠洲或荒漠斑塊數(shù)。

3 結果與分析

3.1 綠洲化與沙質荒漠化現(xiàn)狀分布

對研究區(qū)1975～2014年綠洲與沙質荒漠化進行遙感解譯，綠洲與沙質荒漠化近40 a分布情況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)1975～2014年綠洲與沙質荒漠化分布現(xiàn)狀圖

1975年綠洲面積977.76 km2；2000年綠洲面積1 019.20 km2；2007年綠洲面積1 086.72 km2；2014年綠洲面積1 170.85 km2。綠洲面積從1975～2014年增大了193.09 km2，增加19.75%。近40 a間綠洲面積持續(xù)增大，呈現(xiàn)綠洲化現(xiàn)象。綠洲主要以人工綠洲為主，以葉城綠洲及柯克亞綠洲為代表，天然綠洲分布面積較小。人工綠洲面積的增大，不僅破壞了天然植被，而且消耗著大量的水資源。

1975年沙質荒漠化土地面積444.12 km2；2000年沙質荒漠化土地面積381.37 km2；2007年沙質荒漠化土地面積325.85 km2；2014年沙質荒漠化土地面積463.69 km2。1975～2000年沙質荒漠化土地面積減少了62.75 km2，減少14.13%；2000～2014年沙質荒漠化土地增大82.32 km2，增大21.56%。1975～2014年沙質荒漠化出現(xiàn)了先減小后增大兩個階段，沙質荒漠化過程滯后于綠洲化過程。

在1975～2014年間，葉城縣隨著經濟社會的發(fā)展和生產力水平的提高，人口增長，出現(xiàn)了大規(guī)模的開荒種田，開荒力度的加大導致了綠洲面積連續(xù)增加，同時帶來了土地空間格局的轉變和生態(tài)環(huán)境的響應[7]。研究區(qū)沙質荒漠化土地面積的增加和減少與水資源的利用直接相關，葉兒羌河流域綠洲中的水主要來源于降水和周圍高山冰雪融水，人類改造化沙質荒漠化土地為耕地，使得沙質荒漠化土地面積減少；綠洲擴大必然對水的需求量加大，加之人類對水資源及土地資源的不合理開發(fā)與利用，導致沙質荒漠化土地面積的增加以及沙質荒漠化程度的加深[8,9]。

3.2 綠洲化、沙質荒漠化退縮與擴張

對研究區(qū)1975～2014年綠洲與沙質荒漠化分布進行疊加分析，1975～2014年綠洲與沙質荒漠化變化如圖2所示。

圖2 1975～2014年研究區(qū)綠洲與沙質荒漠化變化圖

1975～2014年近40 a間，綠洲擴張面積218.41 km2，退縮區(qū)面積25.46 km2，綠洲呈現(xiàn)明顯的擴張趨勢，主要集中在葉城縣周邊及柯克亞油田附近。隨著經濟發(fā)展人類活動增強，大面積墾荒種田，綠洲面積持續(xù)擴張。沙質荒漠化土地擴張面積266.63 km2，退縮面209.61 km2，擴張與退縮面積總體相當。沙質荒漠化土地擴張區(qū)主要在塔克拉瑪干沙漠邊緣及西南部山前堆積區(qū)，退縮區(qū)為綠洲邊緣地區(qū)。

在1975～2007年綠洲變化不大，基本穩(wěn)定，沙質荒漠化過程相對穩(wěn)定且有下降趨勢。但是2007～2014年綠洲面積增長加快，隨著綠洲的增大，荒漠化的過程也加快。綠洲動態(tài)變化速率大于沙質荒漠化速率動態(tài)變化速率，兩者呈明顯的正相關關系。綠洲化過程主要為人類活動影響過程，而沙質荒漠化過程為生態(tài)系統(tǒng)變化的自然過程，沙質荒漠化滯后于綠洲化過程。在1975～2014年綠洲面積雖在增加但沙質荒漠化土地面積在減小，但是隨后7 a綠洲繼續(xù)增加時，沙質荒漠化土地面積急劇增加。表明2007年該地區(qū)綠洲面積達到生態(tài)系統(tǒng)承載力，如果繼續(xù)增大，生態(tài)環(huán)境的惡化程度將會加深。這對當?shù)赝恋刭Y源開發(fā)及生態(tài)系統(tǒng)保護具有重要的意義。

3.3 綠洲化與沙質荒漠化重心遷移

利用重心遷移模型對研究區(qū)綠洲與沙質荒漠的重心遷移方向和距離進行了研究（見圖3）。

圖3 1975～2014年研究區(qū)重心遷移圖

1975～2000年綠洲重心向南遷移了0.003 5°，向西遷移了0.002 8°，整體向西南遷移了0.459 4 km。2000～2007年綠洲重心向南遷移了0.004 8°，向東遷移了0.004 7°，整體向東南遷移了0.673 6 km。2007～2014年綠洲重心向南遷移了0.000 8°，向東遷移了0.005 5°，整體向東南遷移了0.499 1 km。

1975～2000年沙質荒漠化重心向北遷移了0.002 7°，向東遷移了0.035 7°，整體向東北遷移了3.164 1km。2000～2007年沙質荒漠化重心向北遷移了0.020 3°，向東遷移了0.007 2°，整體向東南遷移了2.340 5 km。2007～2014年沙質荒漠化向南遷移了0.035 5°，向西遷移了0.007 4°，整體向西南遷移了3.994 6 km。

近40 a間綠洲整體重心向東南方向遷移，共遷移了1.632 1 km；沙質荒漠化重心向北東方向遷移，共遷移了9.499 3 km。綠洲的遷移方向主要是葉城縣及柯克亞油田附近，隨著經濟發(fā)展人口數(shù)量增多，研究時段內綠洲的面積不斷擴大，縣城周邊及油田附近很多原先基本沒有植被覆蓋的地方已變成人工綠洲。沙質荒漠化主要向東南部遷移，在綠洲擴張的同時使得沙質荒漠有后退的趨勢，且遷移距離相對較遠。另一方面，風動力條件將塔克拉瑪干沙漠細粒物質帶到西南部，遇到高山減弱而沉積，使沙質荒漠化增大。

3.4 影響因素及防治

研究區(qū)特殊的地理位置，沙質荒漠化類型具有塔里木盆地典型的兩種沙化類型，即塔克拉瑪干沙漠下風向特征和天山南麓山前平原與葉兒羌河流域沖積平原沙化特征。從宏觀的角度來看，這種演變趨勢受到了兩個主要變量的控制，即自然因素和人為因素。

1）自然因素。葉城地區(qū)位于昆侖山北麓，塔里木盆地西南緣，地勢南高北低，依山臨漠。特殊的地理位置，使東北部塔克拉瑪干沙漠受到西北風作用將細粒物質帶到西南部的山前地區(qū)沉積，風動力條件是沙質荒漠化的重要因素，即為塔里木盆地塔克拉瑪干沙漠下風向沙化特征。加之氣候條件極其干旱少雨，由于日照強烈、缺水、植被分散且稀疏，使地表覆蓋率低，沙物質來源豐富，被廢棄的灌溉系統(tǒng)和不毛之地易被大風侵蝕，這些都成為近年來葉城地區(qū)生態(tài)惡化的自然原因[10]，帶來了一系列的生態(tài)問題。

2）人為因素。依據(jù)2000年第5次人口普查時葉城縣常住人口370 229人；2010年第6次人口普查時人口454 328人。人口數(shù)量逐年增加，導致對水資源和荒地的大量開發(fā)，加劇了葉城地區(qū)的生態(tài)退化。要遏制農牧交錯帶土地退化的嚴峻態(tài)勢，必須加強管理，控制人口，改革土地利用制度，調整土地利用結構，重視環(huán)境恢復[11]。

葉城地區(qū)地處天山南麓山前平原與葉兒羌河流域沖積平原區(qū)為典型的塔里木盆地平原沙化特征。由于人口增長，水量不足，河水流程縮短或河流改道及人類遷徙等原因，造成原住地荒蕪。徐海量等[14]對塔里木河下游的研究發(fā)現(xiàn)，地下水位和土壤含水量是影響沙漠化過程的兩個重要限制因子。從短期看，棄耕比開荒更易導致沙質荒漠化，從長期看，開荒是綠洲面積增大、沙質荒漠化加劇的，重要因素。

4 結 語

區(qū)內生態(tài)環(huán)境極其脆弱，沙質荒漠化嚴重，加之人口的迅速增長，對水土資源的開發(fā)規(guī)模和速度加快，綠洲化和荒漠化的沖突加劇，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，嚴重制約著葉城縣經濟和社會的發(fā)展。

1）通過對綠洲化與沙質荒漠化面積分析，綠洲面積從977.76 km2增加到1 170.85 km2；荒漠面積從444.12 km2減少到325.85 km2；到2014年再增大到463.69 km2，綠洲面積呈現(xiàn)擴張趨勢，荒漠呈現(xiàn)先退縮后擴張的趨勢。沙質荒漠化較綠洲擴張具有生態(tài)滯后效應。

2）通過擴張區(qū)和退縮區(qū)分析，近40 a間，綠洲退縮區(qū)面積25.46 km2，擴張區(qū)面積218.41 km2。沙質荒漠化退縮區(qū)面積209.61 km2，擴張區(qū)面積266.63 km2。沙質荒漠化基本穩(wěn)定有較小的擴張，表明近40 a塔克拉瑪干沙漠邊緣相對穩(wěn)定。

3）近40 a間，綠洲的重心向東南方向遷移，雖然綠洲擴張區(qū)的面積較大，但重心遷移距離不大，僅為1.632 1 km，其主要原因為擴張區(qū)相對集中在葉城綠洲的周圍區(qū)域。同時，沙質荒漠化先向東北再向西南遷移，遷移距離共為9.499 3 km，相對于綠洲，其遷移距離較遠。

研究結果表明，研究區(qū)綠洲呈現(xiàn)增加態(tài)勢，而沙質荒漠化稍有增大，基本穩(wěn)定，說明隨著當?shù)亟洕目焖侔l(fā)展，人們不斷調整農業(yè)經濟結構，擴大了種植面積，同時營造較大面積的防風林，使得綠洲面積不斷擴張。大面積防風林的種植使塔克拉瑪干沙漠向葉城縣城侵蝕的速度放慢，沙漠邊緣基本穩(wěn)定。因此研究該區(qū)域綠洲化與沙質荒漠化過程的發(fā)展對葉城縣城的發(fā)展及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展至關重要。