天山北麓綠洲擴(kuò)張與區(qū)域水資源變化時(shí)空關(guān)聯(lián)性研究

田春艷，徐麗萍

(石河子大學(xué)理學(xué)院，新疆 石河子 832003)

綠洲是干旱區(qū)典型且特有的一種依賴天然徑流而生的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，也是具有較高第一生產(chǎn)力的中小尺度隱域性自然景觀[1-3]。作為干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心，綠洲肩負(fù)著承載人口、發(fā)展產(chǎn)業(yè)、維持社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等重任，其興衰、進(jìn)退直接關(guān)系到整個(gè)干旱區(qū)的演化和發(fā)展[4-5]。新疆地處我國西北內(nèi)陸干旱區(qū)，綠洲數(shù)量眾多。雖然其人工綠洲占土地面積不足6%(面積為6.2×104km2)，卻聚集著95%的人口(人口密度為240人/km2)，創(chuàng)造了80%以上的社會(huì)財(cái)富[6]。由于綠洲是發(fā)育于干旱氣候下的非地帶性景觀，水資源是決定其存在和發(fā)展的基礎(chǔ)條件。近年來，綠洲規(guī)模持續(xù)擴(kuò)張，但人們卻忽視了綠洲先天性生態(tài)脆弱的特性，不合理的開發(fā)利用自然資源致使水資源供需矛盾突出，生態(tài)系統(tǒng)功能不斷下降[7-9]。

天山北麓綠洲GDP產(chǎn)量占全疆的56%，人口和耕地面積超過全疆的25%，是新疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)最活躍的地區(qū)[10]，但其水資源僅占全疆的11%，是嚴(yán)重的資源性缺水地區(qū)[11]，豐富的土地資源與十分匱乏的水資源形成鮮明對比。20世紀(jì)50年代以來，天山北麓綠洲面積急劇擴(kuò)大，人類活動(dòng)的不斷干預(yù)使水資源供需矛盾進(jìn)一步激發(fā)[12]。水土資源的可持續(xù)利用已成為綠洲穩(wěn)定發(fā)展、繁榮昌盛的必然要求。因此，評價(jià)干旱區(qū)水土資源利用現(xiàn)狀，分析水土資源可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r，探索水土資源關(guān)聯(lián)性，確定究竟是以水定土還是以土調(diào)水及水土資源優(yōu)化利用模式，成為干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究的重要內(nèi)容，也是區(qū)域亟待解決的重大課題。相關(guān)研究表明綠洲的發(fā)展對水資源有較強(qiáng)的依賴性，如唐嘉琪等[13]研究了水資源約束條件下民勤綠洲景觀格局變化情況；艾克拜爾等[14]評價(jià)了新疆維吾爾自治區(qū)皮山縣在水資源供需平衡狀況和水資源約束條件下的綠洲穩(wěn)定性；楊依天等[15]利用水土平衡法預(yù)測了和田綠洲未來15 a耕地在不同水概率條件下的水資源供需情況；秦鵬[16]揭示了綠洲規(guī)模取決于水資源量及其利用水平；孫棟元等[17]根據(jù)疏勒河中游綠洲生態(tài)環(huán)境需水特征，建立了基于天然植被、河流、濕地和防治耕地鹽堿化的疏勒河中游綠洲生態(tài)環(huán)境需水定量化模型；段崢嶸等[18]分析了氣候和土地利用/覆蓋變化條件下阿克蘇綠洲區(qū)域耗水特征演變情況；常學(xué)禮等[19]指出綠洲面積每增加520 hm2，地下水埋深下降1 m。但目前關(guān)于水資源條件與天山北麓綠洲擴(kuò)張變化關(guān)聯(lián)性及相互作用機(jī)理的研究卻相對較少。

因此，本文以新疆天山北麓綠洲為研究單元，利用地理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等研究方法與技術(shù)，從定性和定量2個(gè)角度系統(tǒng)分析了1976—2017年間新疆天山北麓綠洲擴(kuò)張與水資源的時(shí)空關(guān)聯(lián)性，并深入探討了綠洲擴(kuò)張過程中不同土地覆被類型變化與水資源具體指標(biāo)間的數(shù)量關(guān)系，以期為緩和水資源對綠洲擴(kuò)張的生態(tài)制約和科學(xué)規(guī)劃水土資源提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

天山北麓地處亞歐大陸中部，中國版圖的西北角，面積9.56萬km2，占全疆面積的8.22%，坐標(biāo)為43°56′56″～44°13′24″N，89°20′46″～90°3′43″E，主要包括天山山脈中段的博格達(dá)山、依連哈比乃山以及婆羅科努山分水嶺以北的區(qū)域，其行政單位有14個(gè)市縣[20-22](圖1)。天山北麓綠洲分布于天山北坡南部山區(qū)與北部的古爾班通古特沙漠中間交界地區(qū)，該綠洲的演化經(jīng)歷了從古綠洲到新綠洲再到新墾綠洲的變化過程。天山北麓綠洲供水補(bǔ)給主要來源于大氣降水、地下水、地表徑流、冰川/永久積雪融水補(bǔ)給等。該區(qū)域水資源量僅占新疆多年平均河流徑流總量的7.40%，屬于典型的溫帶內(nèi)陸干旱區(qū)，夏季炎熱干旱，冬季寒冷多風(fēng)，年均氣溫為6.9 ℃，年均降水量為220 mm，平均蒸發(fā)潛力達(dá)1 817 mm。出山口河流有251條，此外山泉溝還有89條。這些河流均發(fā)源于天山北麓山區(qū)，流經(jīng)山前綠洲平原，最終消逝于北部沙漠中。天山北麓的主要河流包括瑪納斯河、烏魯木齊河、奎屯河、呼圖壁河、巴音溝河、塔西河、金溝河、頭屯河、三屯河等。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

獲取1976、1990、2000和2010年4期無云或少云遙感影像，包括1976年8月Landsat MSS影像(60 m分辨率；P150∶159,R28:32)，1990、2000和2010年3個(gè)年份8月Landsat TM影像(30 m分辨率；P140∶148,R29:32)，數(shù)據(jù)下載自美國地質(zhì)勘察局(USGS)官方網(wǎng)站；2017年土地覆被類型數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心；DEM數(shù)據(jù)(30 m分辨率)來源于美國馬里蘭大學(xué)全球土地覆被數(shù)據(jù)庫；年降水量取自研究區(qū)范圍內(nèi)所有氣象站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，本文采用相同年份各站點(diǎn)數(shù)據(jù)的總和表征年降水量變化；河流徑流量數(shù)據(jù)來源于中國水文水資源科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)、水資源公報(bào)和《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》。

在ENVI 5.3中對1976年影像進(jìn)行降噪處理，對4期影像進(jìn)行輻射定標(biāo)與大氣校正處理，在此基礎(chǔ)上基于eCognition 8.9軟件采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行遙感影像解譯，并輔以人機(jī)交互方法對分類結(jié)果進(jìn)行修正。之后結(jié)合研究區(qū)域DEM和Google Earth衛(wèi)星地圖共同確定綠洲邊界，以此獲得1976—2010年研究區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)與分布圖。采用Kappa系數(shù)對分類精度進(jìn)行評價(jià)，4期分類圖的Kappa系數(shù)均大于85%，滿足研究需要。對2017年土地覆被類型數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類處理，并將5期數(shù)據(jù)分別重采樣為90 m×90 m。

根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn)以及本研究所需景觀類型，將研究區(qū)景觀類型劃分為三大類：山區(qū)，綠洲和荒漠。其中綠洲又細(xì)分為耕地、林地、草地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和水域(包括河流、湖泊、坑塘、水庫、人工水渠等)5類。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣的思想來源于系統(tǒng)分析，它表征一定區(qū)域某一時(shí)段內(nèi)初期和末期各土地利用類型面積之間相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)過程。它不但能靜態(tài)的反應(yīng)一定區(qū)域某時(shí)間點(diǎn)的各地類面積數(shù)據(jù)，還包含較為詳細(xì)的初期各地類面積轉(zhuǎn)出和末期各地類面積轉(zhuǎn)入信息，是基于時(shí)間序列對土地利用類型轉(zhuǎn)移的方向和結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量化的描述。其表達(dá)式為[23]：

(1)

式(1)中，n表示轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型數(shù)目；i和j分別代表轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型；Aij表示研究時(shí)段內(nèi)第i類土地利用轉(zhuǎn)換成第j類土地利用的面積。

1.3.2 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用動(dòng)態(tài)度可以定量表示某一時(shí)期土地類型數(shù)量的變化率，且該指標(biāo)可以預(yù)測未來土地的變化趨勢。其計(jì)算公式如下[24]：

(2)

式(2)中，K表示某一研究時(shí)期內(nèi)某一種土地利用類型的變化率；Ua、Ub分別表示這一研究時(shí)期開始與結(jié)束時(shí)這種土地類型的面積；T表示研究時(shí)期。

1.3.3 Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)

Mann-Kendall檢驗(yàn)不需要樣本遵循一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，計(jì)算方便。降雨、徑流、氣溫等時(shí)間序列變化趨勢檢驗(yàn)常采用此方法。對于其統(tǒng)計(jì)量Z，大于0時(shí)是上升趨勢，小于0時(shí)是下降趨勢。Z的絕對值在大于等于1.28、1.64和2.32時(shí)，分別表示通過了置信度90%、95%、99%的顯著性檢驗(yàn)[25]。

1.3.4 灰色關(guān)聯(lián)

灰色關(guān)聯(lián)的基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀來判斷不同序列之間的聯(lián)系是否緊密，基本思路是通過線性插值將系統(tǒng)因素的離散行為觀測值轉(zhuǎn)化為分段連續(xù)的折線，進(jìn)而根據(jù)折線的幾何特征測度關(guān)聯(lián)程度[26]。該方法的主要優(yōu)勢在于可以對小樣本、貧數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且不需要數(shù)據(jù)滿足典型的分布規(guī)律。

1.3.5 距離模型

為探求綠洲整體及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與區(qū)域水體之間的距離關(guān)系，根據(jù)先驗(yàn)知識，基于ArcGIS軟件分析模塊分別計(jì)算距離河流水域0～5、5～10、10～15 km范圍內(nèi)，平均每公里范圍分布的綠洲及其內(nèi)部各地類的面積，以此反映綠洲距離水體遠(yuǎn)近的數(shù)量關(guān)系。

1.3.6 重心遷移模型

分析綠洲和水域重心在各個(gè)時(shí)期的分布變化以及二者重心之間距離關(guān)系可以反映綠洲、水域的空間變化情況以及綠洲與水域動(dòng)態(tài)變化的時(shí)空關(guān)聯(lián)。第t年斑塊重心坐標(biāo)(X，Y)可表示為[27]：

(3)

式(3)中，Xi、Yi分別表示第i個(gè)斑塊重心的經(jīng)緯度坐標(biāo)，Ci表示第i個(gè)斑塊的面積。

2 結(jié)果分析

2.1 綠洲擴(kuò)張變化分析

2.1.1 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣分析

1976—2017年間天山北麓地區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)換復(fù)雜(見表1)。其中，1976—1990年間，面積變化相對比較顯著的土地類型是林地和荒漠，其中林地主要轉(zhuǎn)化為草地、耕地、水域以及荒漠，分別占轉(zhuǎn)化面積的45.30%、15.85%、29.34%和9.51%；荒漠主要轉(zhuǎn)化為草地和耕地，其中草地占轉(zhuǎn)化面積的46.13%，耕地占46.54%。1990—2000年間，變化最為顯著的土地類型是草地、林地和荒漠，其中草地主要轉(zhuǎn)化為耕地和荒漠，分別占轉(zhuǎn)化面積的33.63%和59.31%；林地轉(zhuǎn)化面積中有91.23%轉(zhuǎn)化為草地；荒漠主要轉(zhuǎn)化為草地和耕地，分別占轉(zhuǎn)化面積的58.82%和37.56%，總體上草地面積呈減少趨勢，耕地面積大幅度增加。2000—2010年間，草地面積持續(xù)減少，主要轉(zhuǎn)化為耕地和荒漠，分別占轉(zhuǎn)化面積的33.93%和57.10%；林地主要轉(zhuǎn)化為草地；荒漠主要轉(zhuǎn)化為草地和耕地，分別占轉(zhuǎn)化面積的43.97%和50.19%，總體上草地面積持續(xù)減少，耕地面積顯著增加。2010—2017年間，變化較為顯著的土地類型是城建用地和林地，其中城建用地主要轉(zhuǎn)化為草地和荒漠，分別占轉(zhuǎn)化面積的42.88%和42.64%；林地主要轉(zhuǎn)化為草地，占轉(zhuǎn)化面積的87.56%，但總體上耕地面積減少，城建用地面積增加。1976—2017年間，城建用地面積增加610.33%，耕地面積增加79.75%，草地面積增加46.32%，而林地面積減少61.15%。

表1 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

整體而言，1976—2017年間，天山北麓綠洲面積大幅擴(kuò)張，荒漠退縮顯著，呈現(xiàn)人進(jìn)沙退的局面(見表2)。研究期內(nèi)綠洲面積增加52.33%，增加速度為494.06 km2/a；與之相反，荒漠面積顯著退縮24.96%，退縮速度為482.62 km2/a，山區(qū)面積減少34.80 km2。

表2 山區(qū)-綠洲-荒漠景觀面積 單位：km2

2.1.2 土地利用動(dòng)態(tài)度分析

天山北麓地區(qū)1976—2017年間各地類土地利用動(dòng)態(tài)度變化情況不盡相同(見表3)。其中，1976—2017年間，城鄉(xiāng)建設(shè)用地土地利用動(dòng)態(tài)度逐年增加，表明研究區(qū)城市化速度逐步加快，經(jīng)濟(jì)建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)。與此同時(shí)，1976—2010年間，耕地土地利用動(dòng)態(tài)度增長，草地、荒漠和林地減小，說明為滿足經(jīng)濟(jì)增長與城市化進(jìn)程中的物質(zhì)需求，人類開始大幅開荒種田、大肆毀林造田，開墾荒地種植農(nóng)作物以及進(jìn)行城市建設(shè)等形成了人進(jìn)草退的局面。然而，2010—2017年間，耕地年變化率減小，草地和水域增長，表明城市化水平發(fā)展到一定程度后，人類開始注重生態(tài)文明建設(shè)，退耕還草、保護(hù)生態(tài)濕地水域等項(xiàng)目受到廣泛支持。此外，水域面積年變化率在2000—2010年間明顯減小，這與該時(shí)期城市化進(jìn)程加快和大量開墾耕地種植農(nóng)作物有顯著關(guān)系。整體而言，1976—2017年間，荒漠年變化率逐年減小，且速率逐年增大，山區(qū)并未發(fā)生顯著變化，說明綠洲的擴(kuò)張是不斷向著荒漠加快演進(jìn)。

表3 天山北麓土地利用動(dòng)態(tài)度 單位：%

2.2 水資源變化分析

1976—1990年間，天山北麓主要河流年徑流量變化不明顯，1990年以后奎屯河、瑪納斯河、呼圖壁河、塔西河年徑流呈緩慢增加趨勢，巴音溝河、呼圖壁河、金溝河、奎屯河、三屯河、頭屯河年徑流量變化并不顯著(圖2)。MK趨勢檢驗(yàn)Z值奎屯河3.26>2.32>0、瑪納斯河2.44>2.32>0、呼圖壁河1.51>1.28>0，說明他們分別在99%、99%和90%置信水平上隨時(shí)間序列呈顯著增加趨勢。其余河流徑流MK趨勢檢驗(yàn)Z值均大于0但小于1.28，沒有明顯時(shí)間序列上升趨勢。1976—2017年間天山北麓年降水量總體呈波動(dòng)上升趨勢(圖3)，MK趨勢檢驗(yàn)Z值3.41>2.32>0，說明在99%置信水平上年降水量隨時(shí)間序列呈現(xiàn)顯著上升趨勢。根據(jù)1976—2017年間天山北麓地表水域面積變化可以看出(圖4)，2000年以前地表水呈增加趨勢，2000—2010年呈現(xiàn)出減少趨勢，2010—2017年呈現(xiàn)快速增加趨勢。在20世紀(jì)90年代，隨著全球氣候變暖，天山北麓年平均氣溫升高，年降水量增多，冰川/永久積雪消融加劇，河流徑流量增加；天山北麓綠洲供水補(bǔ)給主要由大氣降水、地下水、地表徑流、冰川/永久積雪融水等補(bǔ)給，隨著新墾綠洲迅速擴(kuò)張和城市化進(jìn)程加劇，耕地與城建用地迅速增加，農(nóng)作物灌溉需水以及人們生活、工業(yè)生產(chǎn)用水導(dǎo)致對水資源需求增大，降水與地表水已不足以維持綠洲的發(fā)展，人們轉(zhuǎn)而對于地下水的開采變得尤為嚴(yán)重，對地表水資源消耗暫緩，導(dǎo)致地表水域面積出現(xiàn)增加趨勢。

圖2 主要河流徑流量

圖3 降水量

圖4 地表水資源占地面積

2.3 綠洲擴(kuò)張與水資源關(guān)聯(lián)性分析

2.3.1 時(shí)間序列相關(guān)性分析

綠洲與降水量、河流徑流量、地表水時(shí)間序列上的灰色關(guān)聯(lián)度分別為0.939 0、0.906 5、0.928 2，呈顯著性相關(guān)；對于綠洲內(nèi)部而言，耕地、草地、水域與降水量，草地、林地、水域與河流徑流量，林地、水域與地表水分別呈現(xiàn)顯著相關(guān)性(表4)。究其原因：一是降水的發(fā)生對于耕地來說是一種水分的補(bǔ)充，有利于其更好地生長；二是由于研究區(qū)的特殊地理環(huán)境與氣候，其內(nèi)的草地、林地一般為天然草地、林地和人工牧草地、林地，自然植被的生長依托于降水補(bǔ)給以及地表徑流滋養(yǎng)，人工植被的生長主要依托于地表徑流和地下水引流灌溉；三是土地利用分類圖中的水域是地面上直觀可見的河流湖泊等地表水，所以與水資源指標(biāo)間必然存在顯著性相關(guān)；四是城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村居民生活生產(chǎn)用水來源于對地下水的開采，所以城建用地與降水量、河流徑流量以及地表水相關(guān)性不顯著；五是根據(jù)前文水資源的變化分析，天山北麓地處干旱半干旱區(qū)，降水量稀少，僅依靠降水無法滿足耕地?cái)U(kuò)張與人類生產(chǎn)生活的需求，所以干旱區(qū)綠洲一定是依賴于水資源的另一種存在形式——地下水滿足其擴(kuò)張條件。

表4 灰色關(guān)聯(lián)度

2.3.2 空間關(guān)聯(lián)性分析

(1)方位分析

天山北麓綠洲分布于河流兩側(cè)及其周邊區(qū)域，而綠洲的擴(kuò)張主要體現(xiàn)在耕地、草地和城建用地面積的增加(圖5)。1976—1990年間，在主要河流中下游附近耕地面積增加，烏魯木齊河下游平原區(qū)城建用地面積增加。1990—2000年間，在天山北麓中部地區(qū)主要河流中游附近草地面積大幅度增加，河流下游區(qū)域耕地面積增加，瑪納斯河流域下游平原區(qū)城建用地面積增加；在天山北麓西部地區(qū)，耕地面積增加，草地和林地面積縮減。2000—2010年間，耕地繼續(xù)沿河流向荒漠方向擴(kuò)張，并且大面積連通成片，烏魯木齊河流域、瑪納斯河流域和奎屯河流域城建用地面積增加，西部地區(qū)草地面積繼續(xù)減少。2010—2017年間，瑪納斯河流域和奎屯河流域城建用地面積大幅增加，東部和中部地區(qū)在河流中游流域附近草地面積大幅度增加，石河子、昌吉、烏魯木齊等區(qū)域耕地面積出現(xiàn)縮減，說明隨著人類精神文明建設(shè)的推進(jìn)，生態(tài)保護(hù)逐步貫徹落實(shí)，人們不再大肆開墾耕地。通過以上分析可以看出，綠洲的存在與發(fā)展緊緊依附河流水域而分布，可見河流水系的位置與走向決定了綠洲的存在位置與拓展方向。

圖5 天山北麓土地利用類型圖

(2)重心遷移分析

總體上，呈現(xiàn)綠洲重心向東遷移及水域向北遷移的趨勢。具體而言，1976—2017年間天山北麓綠洲與水域的重心遷移軌跡相似，二者重心在1976—1990年間向西北方向遷移，在1990—2000年間向南偏東方向遷移，在2000—2010年間向東偏南方向遷移，在2010—2017年間向西北方向遷移(圖6、7)，遷移軌跡雖不完全重合，但相同時(shí)段內(nèi)遷移方向相同。通過測量在1976—2017年間各年綠洲重心與水域重心的距離，得到二者重心距離年際變化不明顯，但整體上呈現(xiàn)增大的趨勢，說明綠洲的發(fā)展與水域呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，同時(shí)也表明綠洲擴(kuò)張不再僅僅依賴于地表水供給，而是地下水支撐。

圖6 綠洲重心遷移圖

圖7 水域重心遷移圖

(3)距離分析

綠洲的發(fā)展變化與河流水域的距離呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性，綠洲面積占比與其距河流水域的距離成反比(圖8)。1976—2017年間，在河流水域0～5 km范圍內(nèi)，城建用地、耕地面積持續(xù)增加，草地和林地面積呈波動(dòng)變化趨勢；在河流水域5～10 km范圍內(nèi)，城建用地面積波動(dòng)變化，但總體呈增加趨勢，耕地面積先增加后減少，總體呈增加趨勢，草地面積先減少后增加，總體呈減少趨勢，林地面積呈持續(xù)減少趨勢；在河流水域10～15 km范圍內(nèi)，城建用地面積在2010年開始出現(xiàn)且在2010—2017年間呈增加趨勢，耕地面積在1976—2010年間持續(xù)增加，但在2010—2017年間驟減，草地面積呈減少的平緩變化趨勢，林地面積先增加后減少，總體呈減少趨勢。從每個(gè)階段來看，無論是1976—2017年5個(gè)年份區(qū)間中的哪一階段，所有綠洲土地利用類型的面積均呈現(xiàn)隨著與河流水域距離的增加而減少的趨勢。

圖8 距水域0～5、5～10、10～15 km范圍內(nèi)每公里綠洲面積

上述結(jié)果表明天山北麓綠洲緊密依賴于區(qū)域水資源的補(bǔ)給而發(fā)展。加之該綠洲在擴(kuò)張進(jìn)程中城建用地與耕地在不斷增加，地表水呈現(xiàn)減少趨勢，充分說明現(xiàn)如今綠洲的發(fā)展已由對地表水的依賴逐漸轉(zhuǎn)移為對地下水的汲取。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

水資源是維系西北干旱區(qū)綠洲社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素，“有水一片綠，無水則是沙”是綠洲區(qū)域地貌的具體表現(xiàn)[28]。1976—2017年近40 a間，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加，天山北麓綠洲處于持續(xù)不斷地?cái)U(kuò)張變化中，且綠洲擴(kuò)張速率逐年加快。但對于水資源匱乏的西北干旱內(nèi)陸地區(qū)，在全球氣候變化及高強(qiáng)度人類開發(fā)活動(dòng)干擾下，其生態(tài)系統(tǒng)更加敏感脆弱，水土資源供需矛盾日益加劇[29-30]，導(dǎo)致區(qū)域水資源條件無法承載綠洲高速擴(kuò)張。因此，迫切需要在本綠洲區(qū)實(shí)行嚴(yán)格的水資源管理，高度重視對于地表水域的生態(tài)保護(hù)以及地下水資源的合理有序開發(fā)、利用與保護(hù)[31]。同時(shí)，在綠洲土地利用規(guī)劃過程中，要充分考慮區(qū)域水資源現(xiàn)狀、利用趨勢及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，切實(shí)做到優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)與布局，提高水資源利用效率，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域水土資源的優(yōu)化合理配置[32-33]。

受數(shù)據(jù)可獲得性限制，本文選取的水資源指標(biāo)并不全面，對于水資源變化分析也只是選用了傳統(tǒng)趨勢分析方法，有待未來進(jìn)一步拓展和豐富。同時(shí)，與水資源利用相互作用的載體是特定的土地利用類型，因而往往局限在較小的空間尺度(如小流域)[34-36]，而本文以天山北麓綠洲為研究單元，在較大尺度上開展土地利用變化與區(qū)域水資源關(guān)聯(lián)性的研究，不僅在研究尺度上進(jìn)行擴(kuò)充，而且對天山北麓經(jīng)濟(jì)帶甚至西部其他區(qū)域提出水土資源配置的最優(yōu)組合，實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展以及水土資源配置總體規(guī)劃都有良好的借鑒意義。另外，由于研究尺度、研究區(qū)域地理位置、氣候氣象條件、研究對象獨(dú)有特點(diǎn)等方面差異，土地利用覆被變化水文效應(yīng)研究的結(jié)論不完全一致[37-39]，各地區(qū)水土資源優(yōu)化配置需要因地制宜，結(jié)合實(shí)際情況，合理制定優(yōu)化方案。因此需要進(jìn)一步綜合考慮多方面因素的差異性，利用數(shù)理模型和實(shí)證分析方法準(zhǔn)確地評價(jià)水土資源耦合性。還需加強(qiáng)不同學(xué)科之間的交叉研究，提高水土資源優(yōu)化配置研究水平及結(jié)果。

3.2 結(jié)論

(1)1976—2017年間，天山北麓各時(shí)期綠洲擴(kuò)張率分別為：0.53%、7.25%、11.75%、26.44%，綠洲面積共增加了52.33%，增加速度達(dá)494.06 km2/a；相反，荒漠面積退縮了24.96%，退縮速度為482.62 km2/a；同時(shí)，山區(qū)面積減少了34.80 km2。此外，1976—2010年，耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積持續(xù)增加；2010—2017年，城鄉(xiāng)建設(shè)用地、草地面積也顯著增加。縱觀1976—2017年，引起綠洲擴(kuò)張變化的主要土地覆被類型是耕地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地，其中城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積增加610.33%，耕地面積增加79.75%，這與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r密切吻合。

(2)時(shí)間序列上，天山北麓綠洲與區(qū)域降水量、河流徑流量、地表水的灰色關(guān)聯(lián)度分別為0.939 0、0.906 5、0.928 2，呈顯著性相關(guān)。充分說明對于干旱半干旱的西北地區(qū)而言，綠洲的發(fā)展與水資源條件息息相關(guān)。

(3)空間位置上，研究區(qū)綠洲主要分布于河流水域的兩側(cè)及其周邊區(qū)域，河流水系的位置與走向決定了綠洲的存在位置與拓展方向，與此同時(shí)，綠洲重心與水域重心遷移路線相似，二者間距離年際變化并不顯著，總體呈緩慢增加趨勢。空間距離方面，綠洲內(nèi)部各土地利用類型的面積均呈現(xiàn)隨著與河流水域距離的增加而減少的趨勢，即綠洲面積占比與其距河流水域的距離成反比。以上結(jié)果表明綠洲的發(fā)展與水域具有顯著相關(guān)性，同時(shí)也表明綠洲發(fā)展到新墾綠洲階段，保持其活力的根源在于地下水資源的供給。