干旱區(qū)瑪納斯河流域土地利用/覆被變化對(duì)綠洲效應(yīng)的影響

陳樂，劉彤*，李中赫，馬倩倩，韓志全，戴昱余，徐文斌，歐陽(yáng)異能

(1 石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 石河子 832003；2 石河子大學(xué)理學(xué)院，新疆 石河子 832003)

綠洲地表植被形態(tài)、溫度、濕度、粗糙度等性質(zhì)在空間上的異質(zhì)性，能夠引起大氣的響應(yīng)和影響大氣的運(yùn)動(dòng)過程，形成一些特殊的氣候特征，稱為綠洲效應(yīng)[1]。綠洲效應(yīng)是綠洲生態(tài)系統(tǒng)在對(duì)抗干旱氣候環(huán)境強(qiáng)迫的過程中所表現(xiàn)出來(lái)的，在干旱區(qū)普遍存在的一種氣候效應(yīng)[2]，是荒漠與綠洲地表能量收支差異直接作用的結(jié)果[3]，是人類賴以生存不可缺少的條件。其中，以冷島效應(yīng)和濕島效應(yīng)最為顯著。綠洲與荒漠下墊面的異質(zhì)性所產(chǎn)生的局部環(huán)流是綠洲效應(yīng)存在的主要因素[4]，而土地利用/覆被變化引起的綠洲內(nèi)部環(huán)境的異質(zhì)性是引起綠洲效應(yīng)變化的主要原因。

目前關(guān)于土地利用/覆被變化對(duì)綠洲效應(yīng)的影響研究主要集中在3個(gè)方面：(1)基于氣象站點(diǎn)資料并設(shè)置田間野外試驗(yàn)，通過測(cè)量樹木的蒸騰速率[5-6]及氣候變量[7-9]，以研究不同植被類型及下墊面的異質(zhì)性對(duì)冷島效應(yīng)和濕島效應(yīng)的影響。但干旱區(qū)環(huán)境惡劣、生境脆弱極大的限制了氣象站點(diǎn)的分布和試驗(yàn)設(shè)點(diǎn)。(2)通過MM5[10]、WRF[11]、RCM[12-13]和MLAIM[14]等區(qū)域氣候模型，模擬綠洲與荒漠的溫度場(chǎng)、環(huán)流場(chǎng)和能量場(chǎng)，研究土地利用類型對(duì)綠洲效應(yīng)的影響。但數(shù)值模擬時(shí)間較短，難以表征連續(xù)變化時(shí)間段內(nèi)土地利用/覆被變化對(duì)綠洲效應(yīng)的影響。(3)目前也有學(xué)者借助遙感技術(shù)研究了于田綠洲[15]、烏魯木齊市[16]、張掖綠洲[17-18]、格爾木綠洲[19]、石河子綠洲[20]和焉耆盆地[21]的冷島效應(yīng)和地表溫度變化及其與NDVI和各土地利用類型的關(guān)系。但研究年份較少、研究?jī)?nèi)容不全，難以全面的反映綠洲效應(yīng)的變化規(guī)律及其與土地利用/覆被變化的關(guān)系。

瑪納斯河流域綠洲是西北干旱區(qū)典型的農(nóng)業(yè)灌溉綠洲[22]，灌溉面積達(dá)94.8%。受人類活動(dòng)影響，土地利用/覆被變化極其顯著。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近40年來(lái)，人工綠洲面積增長(zhǎng)了3873.3 km2，是干旱半干旱區(qū)綠洲發(fā)展的典范。故本文以瑪納斯河流域中游綠洲區(qū)為例，基于1993—2015年(涵蓋了瑪納斯河流域綠洲開始大面積滴灌和快速綠洲化的階段)的8期Landsat遙感影像，利用單窗法反演近地表溫度，建立溫度植被干旱指數(shù)模型(TVDI)反演近地表濕度，深入探討了綠洲化過程中土地利用/覆被變化對(duì)綠洲效應(yīng)的影響。希望對(duì)綠洲建設(shè)提供相應(yīng)技術(shù)及理論支撐。

1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域綠洲(85°01'～86°32'E，43°27'～45°21'N)地處準(zhǔn)噶爾盆地南緣，天山北端(圖1)，總面積2.29×104km2。依托瑪納斯河、塔西河、寧家河、金溝河和巴音溝河，呈帶狀和片狀分布在山前沖積—洪積扇、沖積扇邊緣帶和沖積平原上。

屬于典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候，近40年來(lái)，年平均氣溫在6～6.9 ℃之間，年降水總量在148.28～230 mm之間，年蒸發(fā)量1500～2000 mm之間。

海拔280～5100 m，地勢(shì)差異顯著，存在明顯的地理分區(qū)。上游山區(qū)以冰川積雪、高山草甸及山前草原為主，中游綠洲區(qū)以旱地、低覆蓋度草地為主；下游荒漠區(qū)以沙漠、沙地為主。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 The schematic diagram of the research area

2 數(shù)據(jù)收集與方法

2.1 數(shù)據(jù)收集

考慮到遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)源的一致性、云量以及影像的分辨率，本研究采用最熱季夏季(7月/8月)云量低于5%，條帶號(hào)為144/29的1993—2015年的8期Landsat系列遙感數(shù)據(jù)為主要影像數(shù)據(jù)。輔以氣象站點(diǎn)獲得的平均溫度、相對(duì)濕度、平均水汽壓數(shù)據(jù)。其中，影像數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)與美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(http://datamirror.csdb.cn/與http://www.usgs.gov/)，氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于石河子市氣象局。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1 地表溫度反演

本文采用精度高的單窗算法對(duì)1993、1996、1999、2002、2006和2009年的6期TM/ETM+數(shù)據(jù)進(jìn)行地溫反演。采用針對(duì)Langsat8 TIRS10數(shù)據(jù)的單窗算法，對(duì)研究區(qū)2013年和2015年的夏季地表溫度進(jìn)行反演。其計(jì)算公式如下：

Ts=[ai(1-Ci-Di)+(bi(1-Ci-Di)+Ci+Di)Ti-DiTa]/Ci,(i=6,10)，

(1)

Ci=εiτi，

(2)

Di=(1-τi)[1+τi(1-εi)]，

(3)

式中，Ts是地表溫度；ai、bi為回歸系數(shù)，對(duì)于TM/ETM+Band6，a=-67.355351，b=0.458606；對(duì)于Landsat8 TIRS10，a=-70.1775，b=0.4581；Ta是大氣平均作用溫度；εi是地表比輻射率；τi是大氣透射率；Ti是熱輻射亮度值，詳見[23-26]。

2.2.2 建立溫度植被干旱指數(shù)模型(TVDI)反演地表濕度

溫度植被干旱指數(shù)(temperature vegetation dryness index，TVDI)，常用于地表濕度估算和干旱監(jiān)測(cè)[27]。本文利用TVDI通過提取的水分脅迫指標(biāo)來(lái)估算陸面表層水分，以表征近地表濕度。0≤TVDI≤1，值越大越干旱。計(jì)算公式如下：

(4)

式中，TVDI為溫度植被干旱指數(shù)；Ts為任意像元的地表溫度；Tsmax為特征空間干邊，表示某一NDVI對(duì)應(yīng)的地表最大溫度；Tsmin為特征空間濕邊，表示某一NDVI對(duì)應(yīng)的地表最小溫度；a1、a2、b1、b2為干濕邊擬合方程的系數(shù)；其中：

Tsmax=a1+b1NDVI，

(5)

Tsmin=a2+b2NDVI，

(6)

本文在NDVI(0～1)的值域范圍內(nèi)，以0.01為步長(zhǎng)，提取植被指數(shù)對(duì)應(yīng)的地表溫度的最大值和最小值。將Tsmax和Tsmin代入公式(4)，即得:

(7)

2.2.3 地表溫度標(biāo)準(zhǔn)化

為了消除季節(jié)變化對(duì)地表溫度的影響，本文將Ts進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，如下：

NLST=(Tsi-Tsmin)/(Tsmax-Tsmin)，

(8)

式中，NLST表示第i個(gè)像元標(biāo)準(zhǔn)化后的值；Tsi為第i個(gè)像元的地表溫度；Tsmin表示地表溫度最小值；Tsmax為地表溫度最大值。

2.2.4 土地利用分類及精度驗(yàn)證

本文基于預(yù)處理后的遙感影像，利用中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心獲得的已經(jīng)經(jīng)過精度驗(yàn)證的1990、1995、2000、2005、2010及2015年的分辨率30 m的土地分類數(shù)據(jù)，利用人機(jī)交互的目視判讀獲得1993、1996、1999、2002、2006、2009、2013和2015年的土地利用數(shù)據(jù)，采用隨機(jī)抽樣方法，進(jìn)行分類結(jié)果精度評(píng)價(jià)，表明8期影像分類總體精度均在94%以上，Kappa系數(shù)均在0.9以上，符合分類的精度要求。

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)土地利用/覆蓋分類體系和研究區(qū)的具體情況，將研究區(qū)的土地利用類型劃分為：耕地、林地、高覆蓋度草地、低覆蓋度草地、濕地、建設(shè)用地以及荒漠7種土地利用類型(表1)，并計(jì)算了各土地利用類型的面積比例(圖2)。

表1 研究區(qū)土地利用/覆蓋分類類型Tab.1 Land use/land cover classes in the research area

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

2.3.1 土地利用轉(zhuǎn)移分析

根據(jù)影響研究區(qū)土地變化的主要因素，通過ArcGIS10.0疊加工具，分析了1993—2015年研究區(qū)主要土地利用類型耕地的空間變化(圖3)，以分析近23 a來(lái)研究區(qū)的土地利用/覆被變化和變化原因。

2.3.2 地表溫度、TVDI反演結(jié)果驗(yàn)證

基于10個(gè)氣象站(炮臺(tái)、莫索灣、石河子、沙灣、烏蘭烏蘇、瑪納斯、呼圖壁、烏蘇、克拉瑪依、昌吉)獲得的2 m處夏季空氣平均溫度和相對(duì)濕度日數(shù)據(jù)，通過Arcgis克里金插值和高程校正，得到研究區(qū)8個(gè)時(shí)期的平均溫度和相對(duì)濕度插值數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)從綠洲到荒漠，平均溫度逐漸升高、相對(duì)濕度逐漸降低。以地表溫度、TVDI、平均溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，隨機(jī)布點(diǎn)300個(gè)，通過最小二乘法進(jìn)行回歸擬合，分析地表溫度與空氣平均溫度、TVDI與空氣相對(duì)濕度的相關(guān)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，地表溫度與空氣溫度呈正相關(guān)關(guān)系，TVDI與空氣相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)，符合實(shí)際情況，可用于實(shí)驗(yàn)研究。

圖2 1993—2015年研究區(qū)各土地利用類型面積比例變化Fig.2 Area ratio changes of land use types in the study area from 1993 to 2015

圖3 1993—2015年研究區(qū)耕地變化Fig.3 Changes of farmland in the study area from 1993 to 2015

2.3.3 土地利用/覆被與地表溫濕度的疊加分析

本文利用ArcGIS10.0分析工具，將地表溫度、濕度數(shù)據(jù)與土地利用數(shù)據(jù)相疊加，得到研究區(qū)8個(gè)年份各土地利用類型的平均地表溫度(LSTavg)和平均TVDI值(TVDIavg)(圖4)。以分析土地利用/覆被變化對(duì)地表溫濕度分布的影響。

2.3.4 構(gòu)建綠洲冷島比例指數(shù)與濕島比例指數(shù)

依據(jù)城市熱島比例指數(shù)(URI)[28]，參照綠洲冷島比例指數(shù)(OCIR)[20]，本文進(jìn)一步計(jì)算得到研究區(qū)的冷島指數(shù)和濕島指數(shù)。

圖4 1993—2015年研究區(qū)各土地利用類型的平均地表溫度及TVDI值Fig.4 The average value of the LST and TVDI of each land use type in the study area from 1993 to 2015

2.3.5 定義冷島、濕島分布區(qū)

采用均值-標(biāo)準(zhǔn)差分類法，借助Ecognition8.9閾值分類工具，通過調(diào)整波段值將溫度低于荒漠溫度最小值區(qū)域定義為冷島分布區(qū)，將TVDI值低于荒漠最小值的區(qū)域定義為濕島分布區(qū)，并計(jì)算了濕島面積比例和冷島面積比例。

2.3.6 趨勢(shì)分析

通過一元線性回歸，分析耕地面積與冷島面積、濕島面積、冷島比例指數(shù)及濕島比例指數(shù)變化的關(guān)系(圖5)。

圖5 耕地面積與冷島面積、濕島面積、冷島比例指數(shù)、濕島比例指數(shù)關(guān)系的回歸分析Fig.5 The regression analysis of the relationship between farmland area and cold island area,wet island area,cold island ratio index and wet island ratio index

基于標(biāo)準(zhǔn)化地表溫度數(shù)據(jù)(NLST)和TVDI數(shù)據(jù)，通過最小二乘法線性回歸方程的斜率(slope)分析監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)每個(gè)柵格點(diǎn)溫濕度的變化趨勢(shì)(圖6)，研究冷島效應(yīng)與濕島效應(yīng)的空間變化特征和各土地利用類型的溫濕度空間變化趨勢(shì)(表2)。slope<0，表示向降溫、增濕方向發(fā)展，反之，則向增溫、減濕方向發(fā)展。以NLST為例，其計(jì)算公式如下：

(9)

式中：n為研究時(shí)間序列的長(zhǎng)度，即n=8；i代表第i年；NLSTi表示第i年的NLST值；slope表示趨勢(shì)線的斜率。

圖6 1993—2015年研究區(qū)NLST和TVDI的空間變化趨勢(shì)Fig.6 Spatial change trends of NLST and TVDI in the study area from 1993 to 2015

TVDINLSTSlope<0Slope>0Slope<0Slope>0土地利用類型面積/km2面積比例/%面積/km2面積比例/%面積/km2面積比例/%面積/km2面積比例/%耕地5661.2565.76609.997.093828.5144.472440.5328.35林地32.010.3710.410.1222.620.2619.790.23高覆蓋度草地34.930.4123.540.2718.080.2140.380.47低覆蓋度草地853.199.91210.932.45456.195.30607.377.06濕地111.341.2967.790.7964.910.75114.071.33建設(shè)用地292.463.4136.051.58116.511.35311.93.62荒漠341.993.97222.722.59130.411.51433.485.04

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用/覆被變化及其對(duì)綠洲地表溫濕度分布的影響

3.1.1 土地利用/覆被變化

瑪納斯河流域中游綠洲區(qū)土地利用類型以耕地為主且呈片狀發(fā)展。低覆蓋度草地和荒漠面積次之，主要分布于綠洲北部邊緣和西部往南。林地、高覆蓋度草地、濕地及建設(shè)用地面積較小且相間散布于耕地和低覆蓋度草地之間。至2015年耕地、林地、高覆蓋度草地、低覆蓋度草地、濕地、建設(shè)用地和荒漠面積分別占研究區(qū)總面積的72.85%、0.49%、0.68%、12.36%、2.08 %、4.98%和6.56%，與1993年相比分別增長(zhǎng)了26.75%、-3.59%、-3.78%、-15.98%、0.47%、2.51%和-6.38%(圖2)。

研究區(qū)土地變化可分為2個(gè)階段，1993—2006年期間緩慢擴(kuò)張，2006—2015年期間急速擴(kuò)張。由圖2、3可知，1993—2006年，以耕地為中心，向東西兩側(cè)擴(kuò)張，主要侵占低覆蓋度草地。2006年之后，耕地呈片狀，向東西兩側(cè)及北部外緣急速擴(kuò)張，大面積侵占低覆蓋度草地、高覆蓋度草地及荒漠面積。

耕地?cái)U(kuò)張持續(xù)侵占其他土地利用類型是瑪納斯河流域中游綠洲區(qū)土地利用變化的主要原因。1993—2015年，除濕地外，其他土地利用類型均向耕地有較大的轉(zhuǎn)入。林地、荒漠、建設(shè)用地、高覆蓋度草地及低覆蓋度草地分別向耕地轉(zhuǎn)入了233.11、485.73、97.84、343.90和1302.46 km2。轉(zhuǎn)入面積分別占各土地利用類型面積的66.37%、43.59%、40.24%、68.62% 和64.12%。即其他土地利用類型面積減少的區(qū)域大部分轉(zhuǎn)為了耕地，使得耕地面積達(dá)到6274.71 km2，占研究區(qū)總面積的72.85%，其中新增耕地面積達(dá)到2471.35 km2，占研究區(qū)總面積的28.69%。

3.1.2 土地利用/覆被變化對(duì)綠洲地表溫濕度分布的影響

研究區(qū)地表溫濕度時(shí)空分異特征顯著，存在明顯的低溫濕潤(rùn)及高溫干燥區(qū)域。其中，低溫濕潤(rùn)區(qū)域集中分布在中部水域和耕地，高溫干燥區(qū)域集中分布在綠洲中部的建成區(qū)、北部荒漠及西南部的低覆蓋度草地區(qū)域。

由圖4可知，1993—2002年地表平均溫度由低到高的順序基本為濕地<耕地<高覆蓋度草地<建設(shè)用地<林地<低覆蓋度草地<荒漠，而地表濕度除1996年建設(shè)用地>高覆蓋度草地外，其他年份地表濕度由高到低的基本順序?yàn)闈竦?耕地>高覆蓋度草地>建設(shè)用地>林地>低覆蓋度草地>荒漠。2006—2015年地表平均溫度由低到高的順序基本為耕地<濕地<高覆蓋度草地<林地<建設(shè)用地<低覆蓋度草地<荒漠。而地表濕度除2006年高覆蓋度草地>林地，2015年濕地>耕地外，其他年份地表濕度由高到低的基本順序?yàn)楦?濕地>林地>高覆蓋度草地>建設(shè)用地>低覆蓋度草地>荒漠。

上述結(jié)果表明，濕地、耕地、林地、高覆蓋度草地有重要的降溫增濕的功能，其中耕地降溫增濕的能力最顯著。

3.2 土地利用/覆被變化對(duì)綠洲冷島效應(yīng)、濕島效應(yīng)時(shí)間變化的影響

1993—2015年瑪納斯河流域中游綠洲區(qū)冷島效應(yīng)和濕島效應(yīng)均呈波動(dòng)增強(qiáng)趨勢(shì)。與1993年相比，至2015年冷島面積增加了25.15%，增加速率為0.1009/10a，冷島比例指數(shù)增加了0.0895，增加速率為0.0389/10a。濕島面積增加了26.5%，增加速率為0.1152/10a，濕島比例指數(shù)增加了0.0859/10a，增加速率為0.0373/10a。說明綠洲效應(yīng)的面積增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)大于其強(qiáng)度。

耕地?cái)U(kuò)張的速率和強(qiáng)度對(duì)綠洲冷島效應(yīng)和濕島效應(yīng)有重要影響。耕地面積與冷島面積、濕島面積、冷島指數(shù)、濕島指數(shù)存在顯著的相關(guān)性，R2分別達(dá)到了0.9645、0.9523、0.7077和0.6710(圖5)。冷島面積與濕島面積于2006年后增長(zhǎng)迅速，結(jié)合圖2可知。2006年后，耕地?cái)U(kuò)張極其迅速，至2015年耕地面積比例達(dá)到最大值72.58%，與2006年相比增長(zhǎng)了22.01%。使得高溫干燥區(qū)域迅速向低溫濕潤(rùn)區(qū)轉(zhuǎn)入加強(qiáng)了綠洲的冷島效應(yīng)和濕島效應(yīng)。

3.3 土地利用/覆被變化對(duì)綠洲冷島效應(yīng)、濕島效應(yīng)的空間變化的影響

地表溫濕度降溫增濕的方向與耕地?cái)U(kuò)張的方向相一致。由圖6可知，NLST的slope取值范圍最高達(dá)到0.2749，最低達(dá)到-0.2177，TVDI的slope取值范圍最高達(dá)到0.3384，最低達(dá)到-0.3401。表明1993—2015年間，綠洲冷島效應(yīng)和濕島效應(yīng)的空間分布存在明顯的區(qū)域差異且兩者的空間變化趨勢(shì)趨于相同。地表溫濕度分布向低溫、濕潤(rùn)方向發(fā)展且集中分布，綠洲中西部及西北部外緣的溫度呈降低趨勢(shì)、濕度呈增加趨勢(shì)。而綠洲中部的建成區(qū)及部分水域、南部、東部和東北部的荒漠荒草及裸地區(qū)域地表溫度呈增加趨勢(shì)，濕度呈降低趨勢(shì)。

1993—2015年，地表溫度趨勢(shì)變化明顯且降溫區(qū)域大于增溫區(qū)域，其中降溫區(qū)域的面積比例為53.89%，增溫區(qū)域的面積比例為46.11%。地表濕度的趨勢(shì)變化表明研究區(qū)增濕區(qū)域面積廣大且增濕能力遠(yuǎn)大于降溫能力，其中增濕區(qū)域面積達(dá)到85.11%，減濕區(qū)域面積為14.89%。說明研究區(qū)正在向低溫濕潤(rùn)方向發(fā)展，降溫增濕速度快，且濕島發(fā)育的能力遠(yuǎn)大于冷島。

耕地?cái)U(kuò)張是綠洲降溫增濕區(qū)域擴(kuò)大的關(guān)鍵因素。低溫濕潤(rùn)區(qū)范圍由綠洲向外擴(kuò)張。綠洲中部及西部低溫濕潤(rùn)區(qū)面積及擴(kuò)大速度遠(yuǎn)大于南部及東部。其原因主要是，中部和西部是濕地和耕地集中分布的區(qū)域，且耕地向西擴(kuò)張迅速，使得中部和西部植被覆蓋度逐年增加，提高了地表土壤蓄水降溫的能力。而綠洲北部和東部土地利用類型以荒漠荒草為主、耕地、林地、草地相間分布，植被覆蓋度低且環(huán)境波段大，使得土壤涵養(yǎng)水源的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中部和西部。結(jié)合表2可知，降溫、增濕的區(qū)域分別有82.53%和77.28%的區(qū)域?yàn)楦胤植紖^(qū)，占研究區(qū)總面積的65.76%和44.47%。說明耕地是降溫增濕集中分布的區(qū)域。

綠洲化加速了地表降溫增濕的能力且有效的緩解了綠洲外緣荒漠的干旱程度。綠洲與荒漠交接帶低溫區(qū)、濕潤(rùn)區(qū)面積逐年增加，說明綠洲在擴(kuò)張過程中有效的緩解了其外圍荒漠的干旱程度。

4 討論

瑪納斯河流域綠洲作為干旱區(qū)典型的內(nèi)陸河綠洲，其耕地?cái)U(kuò)張持續(xù)侵占其他土地利用類型是綠洲土地變化的主要原因，也是綠洲擴(kuò)張的主要方式和過程。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展取決于對(duì)整個(gè)流域水資源的集約高效利用，也決定了整個(gè)綠洲經(jīng)濟(jì)建設(shè)的規(guī)模、方向和水平。綠洲農(nóng)業(yè)的開發(fā)，改變了流域水資源的自然分配格局，發(fā)揮了水資源利用的潛力，擴(kuò)大了灌溉綠洲面積，創(chuàng)造了更適于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活的綠洲小氣候[29]。

我們研究發(fā)現(xiàn)濕地、耕地、林地、高覆蓋度草地是冷島效應(yīng)和濕島效應(yīng)集中分布的區(qū)域，有重要的降溫增濕的功能，其中耕地降溫增濕的能力最顯著。灌溉農(nóng)業(yè)及耕地的規(guī)?；l(fā)展大幅度提高了耕地降溫增濕的能力，且降低了地表溫濕度的波動(dòng)的幅度，使其趨于相對(duì)穩(wěn)定。綠洲效應(yīng)的時(shí)空變化規(guī)律和強(qiáng)度與綠洲化的方向和強(qiáng)度息息相關(guān)，與耕地的面積、擴(kuò)張方向、強(qiáng)度、和規(guī)?；l(fā)展緊密相關(guān)。冷島面積和濕島面積于1996年和2006年后呈現(xiàn)2次快速增長(zhǎng)，這與研究區(qū)1996年后開始大面積發(fā)展滴灌農(nóng)業(yè)和2006年后快速綠洲化密切相關(guān)。

冷島面積與冷島指數(shù)、濕島面積和濕島指數(shù)變化不同步，且面積增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)大于其強(qiáng)度。其原因主要是，綠洲擴(kuò)張主要以農(nóng)業(yè)活動(dòng)為主。耕地的迅速擴(kuò)張，不斷侵占低覆蓋度草地和荒漠面積，使得地表植被覆蓋度增大，加強(qiáng)了植被的蒸騰和遮蔽作用，有效的降低地表熱輻射，拓展了低溫濕潤(rùn)區(qū)面積。但因干旱區(qū)深居內(nèi)陸，距海遙遠(yuǎn)，濕潤(rùn)水汽難以到達(dá)，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，使得有限的植被蒸騰難以形成高強(qiáng)度的降溫蓄水作用，故冷島面積和濕島面積雖迅速增加，但冷島強(qiáng)度和濕島強(qiáng)度微弱且增長(zhǎng)緩慢。

研究區(qū)降溫增濕的區(qū)域主要分布在中西部和西北部。其原因主要是耕地向西及西北方向擴(kuò)張，使的中西部及西北部外緣的荒漠荒草區(qū)不斷向耕地和高覆蓋度草地轉(zhuǎn)入，增加了地表的植被覆蓋度，拓展了低溫區(qū)及濕潤(rùn)區(qū)的范圍。而綠洲中部的建成區(qū)及部分水域、南部、東部和東北部的荒漠荒草及裸地區(qū)域地表溫度呈增加趨勢(shì)，濕度呈降低趨勢(shì)，主要是受干旱區(qū)強(qiáng)蒸發(fā)、弱降水、低覆被及高耗水的生境特點(diǎn)影響。

綠洲化能有效的緩解綠洲外圍荒漠的干旱程度。綠洲向沙漠的水汽輸送是導(dǎo)致沙漠地表能量收支差異最重要的因子[14]。地表差異激發(fā)的綠洲風(fēng)環(huán)流將在綠洲與沙漠交界帶上形成逆濕[30-31]，為臨近綠洲沙漠邊緣的沙生植物的生長(zhǎng)提供了有利條件。距離綠洲越近，逆濕范圍越大、強(qiáng)度越強(qiáng)[32]。且綠洲化改變了下墊面的類型和結(jié)構(gòu)，提高了地表植被覆蓋度，加速了地表水文循環(huán)過程，減小陸面蒸散的變化。我們對(duì)瑪納斯河流域北部古爾班通古特沙漠植被調(diào)查發(fā)現(xiàn)，植被蓋度沿綠洲向內(nèi)逐漸降低，植物多樣性逐漸減少[33-34]，所以合理的綠洲化能有效的緩解荒漠化加劇的趨勢(shì)，有利于綠洲的良性發(fā)展。

5 結(jié)論

(1)瑪納斯河流域中游綠洲區(qū)土地利用類型以耕地為主，且耕地持續(xù)擴(kuò)張侵占其他土地利用類型是其土地變化的主要原因。至2015年，耕地面積達(dá)到6274.71 km2，占研究區(qū)總面積的72.85%，其中新增耕地面積達(dá)到2471.35 km2，占研究區(qū)總面積的28.69%。耕地?cái)U(kuò)張前期緩慢主要侵占低覆蓋度草地，后期擴(kuò)張迅速，大面積侵占低覆蓋度草地、高覆蓋度草地和荒漠面積。

(2)冷島效應(yīng)和濕島效應(yīng)均呈波動(dòng)增強(qiáng)趨勢(shì)且面積增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)大于其強(qiáng)度。至2015年冷島面積增加了25.15%，增加速率為0.1009/10a，冷島比例指數(shù)增加了0.0895，增加速率為0.0389/10a。濕島面積增加了26.5%，增加速率為0.1152/10a，濕島比例指數(shù)增加了0.0859/10a，增加速率為0.0373/10a。

(3)冷島效應(yīng)和濕島效應(yīng)的空間分布存在明顯的區(qū)域差異且向降溫、增濕方向發(fā)展。綠洲中部和西部是濕地和耕地集中分布的區(qū)域，且耕地向西擴(kuò)張迅速，使得中部和西部成為降溫、增濕集中分布的區(qū)域。而綠洲北部和東部土地利用類型以荒漠荒草為主、耕地、林地、草地相間分布，植被覆蓋度低且環(huán)境波動(dòng)大，使得北部和東部呈增溫減濕趨勢(shì)。

(4)綠洲效應(yīng)的時(shí)空變化規(guī)律和強(qiáng)度與綠洲化的方向和強(qiáng)度息息相關(guān)，與耕地的面積、擴(kuò)張方向、強(qiáng)度和規(guī)模化發(fā)展緊密相關(guān)，其中耕地面積與冷島面積、濕島面積、冷島指數(shù)、濕島指數(shù)存在顯著的相關(guān)性，R2分別達(dá)到了0.9645、0.9523、0.7077和0.6710。且綠洲化能有效的緩解綠洲外圍荒漠的干旱程度。