基于長時間系列遙感監(jiān)測的石羊河流域綠洲動態(tài)變化

馮博盧輝雄，程旭，董雙發(fā)，汪冰，范芳

（1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊050002）

綠洲為荒漠地區(qū)有水源支撐、適合植物生長和人類居住的地方，為人類農(nóng)牧業(yè)及工業(yè)生產(chǎn)等社會經(jīng)濟活動的區(qū)域，多呈帶狀分布于河流沿岸、洪積扇邊緣、井泉附近及有冰雪融水灌溉的山麓地帶。目前針對綠洲形成和演變過程[1-2]、綠洲土地利用與覆被變化[3]、綠洲化荒漠化驅(qū)動機制[4]、綠洲景觀格局[5]變化等方面前人做了大量研究工作，綠洲的動態(tài)遙感監(jiān)測能為流域合理開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境治理提供科學依據(jù)，具有重要的研究意義。

石羊河流域位于河西走廊東端，下游地區(qū)夾持于巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠之間，為干旱區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展最早流域之一，由于近幾十年人口增加、水資源大規(guī)模開發(fā)，引發(fā)流域中下游天然綠洲萎縮、荒漠化發(fā)展等一系列生態(tài)環(huán)境問題[6-7]。針對石羊河流域，前人研究多集中于土地利用景觀格局變化、水資源利用及荒漠化防治等方面[8-10]，對整個石羊河流域的綠洲長時間序列的遙感監(jiān)測、時空變化研究工作較少，如魯暉等[11]僅對民勤縣綠洲作了相關(guān)工作，文星等[12]利用了2010年前數(shù)據(jù)作了研究工作，近年來，特別是“綠水金山就是金山銀山”構(gòu)建生態(tài)文明行動開展以來，石羊河流域綠洲有何最新變化？本文利用2018年最新獲取的遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在地理信息系統(tǒng)技術(shù)支持下，參考前人圖件及統(tǒng)計數(shù)據(jù)，定量的分析了1978-2018年近40年長時間序列內(nèi)石羊河流域綠洲的變化，并對其影響因素作了簡要分析，為該流域生態(tài)環(huán)境保護和改善，提升全流域良好生態(tài)環(huán)境，共同建設(shè)美麗中國提供科學依據(jù)。

1.研究區(qū)概況

甘肅河西走廊三大內(nèi)陸河流域之一的石羊河流域位于河西走廊東部，烏鞘嶺以西，祁連山北麓，地理坐標為E 101°41′～104°16′，N 36°29′～39°27′，流域面積4.16萬km2，占甘肅省內(nèi)陸河流與總面積的15.4%（圖1-a，見中間彩頁，下同）。東南與白銀、蘭州兩市相連，西南緊靠青海省，西北與張掖地區(qū)毗鄰，東北與內(nèi)蒙古地區(qū)接壤，流域行政區(qū)劃包括武威市的古浪縣、涼州區(qū)、民勤縣全部及天?？h部分，金昌市的永昌縣及金川區(qū)全部以及張掖市的肅南裕固族自治縣、山丹縣部分等3市8縣。石羊河流域地貌形態(tài)包括高山、中高山、低山丘陵、沙漠和沖洪積平原，地勢南高北低，自西南向東北傾斜（圖1-b）。

圖1 石羊河流域地理位置圖Fig.1 Location of the Shiyanghe River Basin

石羊河流域深居大陸腹地，屬大陸性溫帶干旱氣候，總體氣候特點是：太陽輻射強，日照充足，夏季短而炎熱，冬季長而寒冷，溫差大，降水少，蒸發(fā)強烈，空氣干燥。受地理位置、地貌差異和大氣環(huán)流的影響，流域具有明顯的空間分異性，自南向北大致劃分為南部祁連山高寒半干旱濕潤區(qū)，中部走廊平原溫涼干旱區(qū)和北部溫暖干旱區(qū)。石羊河流域水系由發(fā)源于祁連山東段冷龍嶺北坡的諸支流組成，自西向東為西大河、東大河、西營河、金塔河、雜木河、黃羊河、古浪河、大靖河等，其多年平均流量，除古浪河和大靖河外，均在4.57～12.2m3/s間。

2.數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文以1978-2018年夏季6月至9月的Landsat TM/ETM/ETM+影像為數(shù)據(jù)源，按10a時間間隔（1978年、1988年、1998年、2008年和2018年）來提取綠洲變化信息。信息提取前對遙感影像預處理，包括輻射校正、大氣校正、幾何校正和裁剪等。利用計算機自動識別和人機交互式目視解譯方法，以Arcgis 10.3為信息提取與處理平臺，對5期影像進行解譯。

2.2 綠洲分類體系的劃分

根據(jù)現(xiàn)有的土地利用類型劃分，將石羊河流域劃分為綠洲、山地和荒漠三大類，綠洲進而劃分為林地、草地、耕地、水域和城鎮(zhèn)居民點5個二級類型，根據(jù)以上分類體系對遙感影像進行解譯，獲得石羊河流域1978—2018年不同時期的綠洲分布及面積數(shù)據(jù)資料，數(shù)據(jù)統(tǒng)計過程中，對南西山地區(qū)進行掩膜，未參與本次數(shù)據(jù)分析。

3.結(jié)果分析

3.1 2018年綠洲現(xiàn)狀

流域2018年綠洲總體面積為7835.86 km2（圖2），耕地和草地為石羊河流域綠洲主要土地類型，其中以耕地面積最大，達到5371.21 km2，占綠洲的68.55%，其次草地面積為1371.52 km2，占綠洲的17.50%。城鎮(zhèn)、林地和水域面積依次為：432.56 km2、372.46 km2和288.11 km2，分別占綠洲的5.52%、4.75%和3.68%（表1）。

圖2 石羊河流域2018年土地利用分布圖Fig.2 Land use in the Shiyanghe River Basin of 2018 year

3.2 綠洲整體規(guī)模變化

綠洲面積反映了區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況，長時間系列的綠洲面積變化可以直觀的反映綠洲地區(qū)生態(tài)環(huán)境隨時間的變化規(guī)律[13]。本文通過遙感解譯分別獲得1978-2018年不同時期土地類型面積（表1）。1978年石羊河流域綠洲面積為7573.80 km2，占流域面積的18.21%；1988年綠洲面積增加為7822.99 km2，占流域面積的18.80%；1998年綠洲面積急速減少，減少為7502.84 km2，是研究時段內(nèi)綠洲面積最小的時期；2008年綠洲面積有較小幅度的增加，增加至7507.61 km2；近十年（2008年-2018年），2018年綠洲面積達7835.86 km2，已小幅度超越1988年最大綠洲面積，總體呈現(xiàn)出“綠洲化—荒漠化—綠洲化”的特點，近10年綠洲化的過程中，綠洲年變化率為32.8 km2/a，遠大于1998年—2008年的0.48 km2/a，綠洲化進程顯著提升。

表1 石羊河流域1978-2018年綠洲面積動態(tài)表Table1 Variation of area of oasis in the Shiyanghe River Basin during 1978 to 2018

圖3 1978-2018年石羊河流域綠洲各類型土地面積百分比圖Fig.3 Percentages of different oasis land types in the Shiyanghe River Basin duiring 1978-2018

3.3 綠洲內(nèi)部各土地類型動態(tài)變化

石羊河流域綠洲內(nèi)各土地類型以耕地和草地為主（圖3），二者總占比在86.05%～90.57%，其中耕地面積占比一直為增加趨勢，為人工綠洲區(qū)主要類型，而作為天然綠洲主要土地類型的草地比例卻一直呈下降趨勢，表1和圖3中可知，1978年耕地面積為3788.07 km2，2018年耕地面積為5371.21 km2，年增加39.58 km2/a，40年來增加的耕地面積為1978年的41.79%；草地的面積卻在一直減少，由1978年的3071.29 km2降至2018年的1371.52 km2；然而，近十年間林地面積顯著增加，增加量達88.10 km2。

從表2-5可知，1978-2018年四十年間，耕地面積在逐年增加，耕地的增加主要源于草地和荒漠二者的轉(zhuǎn)化，草地轉(zhuǎn)化為耕地的面積依次為433.34 km2、452.78 km2、201.34 km2和76.19 km2，荒漠轉(zhuǎn)化為耕地的面積依次為214.17 km2、68.04 km2、95.02 km2和287.29 km2，草地轉(zhuǎn)化量在逐漸減少，荒漠轉(zhuǎn)化量經(jīng)歷了減少在增加的變化，耕地的擴張由以侵占草地轉(zhuǎn)變?yōu)閷哪拈_墾，與近年來環(huán)境保護由重要關(guān)系；林地面積1978-2008年逐年減少，之前與人類毀林開荒、濫砍濫伐有關(guān)，2008年至今十年內(nèi)面積逐年增加，與林場植樹造林密切相關(guān)。城鎮(zhèn)面積一直在擴張，從1978年的264.56 km2擴大到2018年的412.56 km2，城鎮(zhèn)居民點的擴張主要以占用周圍草地、林地和荒漠為主，可見流域內(nèi)城鎮(zhèn)化加劇，城鎮(zhèn)規(guī)模逐漸擴大。水域面積為流域內(nèi)面積最小部分，變化量也最小，顯示為小幅度增加，水域面積的增大受西北干旱區(qū)氣候濕化影響，與石羊河流域重點治理項目密不可分。

表2 石羊河流域1978-2018年土地類型轉(zhuǎn)移矩陣Table2 Conversion matrix of different oasis land types in the Shiyanghe River Basin from 1978 to 2018

通過40年間綠洲各類型反映出耕地、水域及城鎮(zhèn)的面積均呈現(xiàn)增長趨勢，林地近十年也有顯著增長，而草地的面積在縮小。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人口的增加，對糧食的需求量增加，耕地面積的增加30年前依賴草地開墾，現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)閷哪木C合治理開墾。

4.成因分析

區(qū)域綠洲變化為自然因素和人為因素共同作用的結(jié)果，自然因素為影響區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)最基本要素，人為作用的強烈、合理與否將對區(qū)域環(huán)境產(chǎn)生顯著影響。

4.1 自然因素

本文整理收集中國氣象科學數(shù)據(jù)，獲得近40年石羊河流域年平均氣溫和年降雨量，年平均氣溫和年降雨量與綠洲面積間關(guān)系較明顯（圖4），近40年來石羊河流域年平均氣溫顯著上升，年降水量變化趨勢呈波動狀略有增加，溫度的上升導致綠洲區(qū)蒸發(fā)量增加，降雨量趨勢較平穩(wěn)，地面水分耗損增加，草地生存力下降，區(qū)域內(nèi)草地多為荒漠草本植物，如白刺、檉柳等，氣候變化為其主要影響因子。耕地占綠洲面積最大，其不受氣溫增加的影響，一直呈擴張趨勢，自然氣候因素對草地等天然綠洲區(qū)域影像明顯大于以耕地為主的人工綠洲區(qū)的影響。

圖4 1987-2018年石羊河流域年平均氣溫和年累計降雨量變化與趨勢Fig.4 Variation and trend of annual precipitation and annual average air temperature in the Shiyanghe River Basin duiring 1978-2018

對于干旱區(qū)內(nèi)陸河流域來說，水資源量對維護綠洲規(guī)模及保障生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用[14]，綠洲面積的大小與水資源量，尤其是河流徑流量間關(guān)系密切，呈正相關(guān)性，1978-1988年，徑流量呈增加趨勢，該時期流域綠洲面積增加249.19 km2，1989-1998年，徑流量呈減少趨勢，對應(yīng)此階段綠洲面積縮小了320.15 km2，1998-2018年徑流量再次增加，綠洲規(guī)模也再次擴大。由此可見，地表水資源變化為綠洲變化的關(guān)鍵因子。

4.2 人為因素

石羊河流域下游行政區(qū)劃包括武威市的古浪縣、涼州區(qū)、民勤縣、金昌市的永昌縣及金川區(qū)等3市8縣，本文統(tǒng)計近40年內(nèi)金昌和武威兩市總?cè)丝跀?shù)量變化，研究表明，人口數(shù)量與耕地面積和城鎮(zhèn)居民點面積的變化趨勢相一致，近40年一直呈上升趨勢。人口和經(jīng)濟的發(fā)展是推動綠洲耕地擴張的最主要因素。

綠洲變化的影像因子還包括經(jīng)濟利益，80年代至90年代間，受市場經(jīng)濟影像，農(nóng)民老鄉(xiāng)自行調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，擴大種植面積以及大面積種植黑瓜子，極大促進了綠洲的擴張進程。90年代后期，政府于2007年出臺《石羊河流域重點治理規(guī)劃》，流域內(nèi)開始實施關(guān)井壓田、退耕還林、生態(tài)保護等一列治理措施，綠洲面積小幅度增加，近十年見，以“綠水青山就是金山銀山”為指導思想的構(gòu)建生態(tài)文明行動，極大改善了石羊河流域生態(tài)環(huán)境，綠洲面積顯著提升，林地面積近年來在林場積極植樹造林以及“螞蟻森林”項目等支持下，提升幅度明顯。

5.結(jié)論

通過對石羊河流域1978-2018年5期遙感影像的解譯和分析發(fā)現(xiàn)，近40年流域生態(tài)環(huán)境經(jīng)歷了惡化到環(huán)境好轉(zhuǎn)的過程，表現(xiàn)為“綠洲化-荒漠化-再綠洲化”，2008-2018年間綠洲快速擴張，面積增加了328.25 km2，綠洲內(nèi)部耕地、水域及城鎮(zhèn)居民面積均呈現(xiàn)增長趨勢，耕地擴張速度較弱，林地面積較10年前呈擴大趨勢，生態(tài)環(huán)境持續(xù)好轉(zhuǎn)。

結(jié)合區(qū)內(nèi)自然因素和人為因素變化特征，氣候變暖、降雨量周期變化會影響綠洲草地、林地等天然綠洲，人為因素對耕地、城鎮(zhèn)居民地等變化其關(guān)鍵作用，短時間人為因素是綠洲發(fā)展的主導因素，生態(tài)治理政策將對石羊河流域綠洲好轉(zhuǎn)起到持續(xù)影響。