阿姆河流域耕地變化及水土匹配特征分析

李文靜，許文強，包安明，呂 葉

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011)

水資源與耕地資源是保障糧食安全和生態(tài)安全的基礎(chǔ)，然而水土資源在空間上往往存在分布不均、匹配錯位的問題，這在一定程度上影響水土資源的利用效率，成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的限制性因素[1-2]。研究水土資源空間匹配狀況不僅可以了解其空間分布的差異性，還有利于水土資源的優(yōu)化配置，并為協(xié)同管理提供依據(jù)，從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標。

位于中亞干旱、半干旱區(qū)的阿姆河，是咸海流域水量最大的河流，但過去幾十年間，由于持續(xù)干旱和人類活動影響日益加劇，以及蘇聯(lián)解體前后出現(xiàn)的政治經(jīng)濟巨變，阿姆河流域的水土開發(fā)及匹配狀況隨之發(fā)生根本性改變，不合理的水土資源利用方式嚴重影響了流域可持續(xù)發(fā)展[3]，并引發(fā)了一系列的生態(tài)問題，如土壤鹽漬化，植被退化，鹽塵暴等[4-5]。水資源過度開發(fā)利用的直接結(jié)果便是造成湖泊水位下降、下游的三角洲濕地面積減少，最終導(dǎo)致全球關(guān)注的咸海危機[6-7]。此外，阿姆河流域處在“一帶一路”建設(shè)的重要區(qū)域且具有跨界的屬性，原本水土資源時空分布不均勻，再加上上下游水資源開發(fā)利用極其不平衡，使水資源更加成為限制沿岸國家實現(xiàn)共同發(fā)展的重要因素[8]。因此，在這樣的背景下，深入研究阿姆河流域的水土開發(fā)狀況，開展水土資源匹配狀況評價，探討阿姆河流域水土平衡和咸?？沙掷m(xù)發(fā)展路徑變得尤為緊迫。

目前學(xué)者們已基于多種方法對水資源與耕地資源匹配度進行了相關(guān)研究，并取得許多成果?？偟膩砜矗\用的研究方法主要包括單位面積水資源量法[9]、基尼系數(shù)法[10]、DEA法等[11]，其中單位面積水資源量法的運用最為成熟，涉及的研究范圍也較廣泛，但是對于阿姆河流域尺度的水資源與耕地匹配程度的研究并不多[12-13]，尤其對于流域而言，不同分區(qū)間水土資源匹配程度的研究亟待深入。在已有研究中，Micklin[14]認為阿姆河流域所在的中亞地區(qū)面臨的水資源矛盾其實是一種管理上的危機；Sun等[15-16]研究表明，先進的灌溉方式如噴灌和滴灌等，可以提高阿姆河流域灌溉效率。對阿姆河流域?qū)嵤┧临Y源協(xié)同管理，提高綠洲區(qū)水資源的利用效率，并合理配置綠洲區(qū)農(nóng)業(yè)用水與咸海生態(tài)用水，可有效解決流域水資源困境以及實現(xiàn)咸海生態(tài)恢復(fù)目標。

本文基于阿姆河流域耕地變化和水資源等數(shù)據(jù)，運用耕地變化速率、洛倫茲曲線和基尼系數(shù)法、水土資源匹配系數(shù)以及墾殖率分析阿姆河流域不同分區(qū)耕地規(guī)模與水資源匹配度，探討流域水土資源空間分布格局，旨在為阿姆河流域水土資源合理配置與優(yōu)化利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

阿姆河發(fā)源于帕米爾高原的山地冰川，流經(jīng)卡拉庫姆沙漠，最終匯入咸海，是咸海流域水量最為豐沛的河流，也是中亞地區(qū)重要的跨界河流，依次流經(jīng)阿富汗、塔吉克斯坦、土庫曼斯坦、烏茲別克斯坦和土庫曼斯坦。研究區(qū)屬典型的溫帶大陸性干旱、半干旱氣候，季節(jié)溫差較大，冬季寒冷，夏季炎熱[17]。流域氣候干燥，潛在蒸散強度大，相對濕度低；流域內(nèi)海拔自西向東逐漸升高，地勢落差大，降水分布不均勻，降水量上游高山區(qū)可達500 mm以上，下游平原綠洲區(qū)普遍低于200 mm，區(qū)域水資源總體匱乏[18-20]。

20世紀50—70年代，蘇聯(lián)在中亞阿姆河流域建成了大規(guī)模的運河和引水灌溉工程，用于其中卡拉庫姆運河是阿姆河流域最大的引水工程，總長約1 300 km，灌溉面積超過100萬hm2[21]。

本文根據(jù)阿姆河流域地形地貌、行政區(qū)劃、阿姆河產(chǎn)耗水特點等，將流域劃分為上游區(qū)、中游區(qū)、下游區(qū)和卡拉庫姆運河區(qū)4個分區(qū)，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置及流域分區(qū)

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

2.1.1耕地變化分析方法

耕地面積年均變化規(guī)模可以從絕對量上反映耕地面積的變化速度。通過將某時段年均變化規(guī)模與整個研究期進行比較，可以了解不同時段的變化速度對整個研究期的影響程度，并能夠清晰地體現(xiàn)出不同時段之間變化速度的差異[22]。本文以耕地面積年均變化規(guī)模代表變化速度，將相對變化速度用于時序上的比較：

(1)

(2)

式中：S為擴張速度，S值越大，變化速度越大；Ya、Yb分別為基準年a和目標年b的耕地面積，萬hm2；TA為研究期初A時耕地面積，104hm2；TB為研究期末B時耕地面積，104hm2；X為相對變化速度，01時表示該時段變化速度快于整個研究時期，X<0時表示該時段處于調(diào)整或衰退時期。

2.1.2洛倫茲曲線與基尼系數(shù)計算方法

洛倫茲曲線最早用于衡量收入分配的均衡問題，用圖形來反映區(qū)域人口的經(jīng)濟收入不平均程度。水資源在空間上的分布同樣具有不均衡性，其內(nèi)涵與收入分配的均衡性問題十分類似[23]，因此，用洛倫茲曲線來表示水資源與耕地資源在阿姆河流域空間分配上的不均衡性同樣具有很好的一致性[24]。

洛倫茲曲線的缺點在不能進行定量表達。為彌補這一缺點，意大利經(jīng)濟學(xué)家提出的基尼系數(shù)成為有效定量測算區(qū)域水土資源匹配程度的重要指標。參照聯(lián)合國相關(guān)機構(gòu)總結(jié)的收入分配公平性標準[25]來表示阿姆河流域農(nóng)業(yè)用水量和耕地資源匹配程度，基尼系數(shù)G所代表的評價結(jié)果為：0

2.1.3單位面積耕地擁有的水資源量法

社會經(jīng)濟用水包括工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、生活用水和其他用水，而農(nóng)業(yè)水資源可利用量則根據(jù)社會經(jīng)濟用水中農(nóng)業(yè)用水的比重確定[26]。本文以4個分區(qū)作為基本單元，計算農(nóng)業(yè)水資源可利用量與耕地的匹配程度。阿姆河流域水土資源匹配系數(shù)計算公式為

Ri=Wiαi/Li(i=1,2,…,n)

(3)

式中：Ri為阿姆河流域第i個分區(qū)水土資源匹配系數(shù)；Wi為第i個分區(qū)水資源可利用量，億m3；αi為第i個分區(qū)社會經(jīng)濟用水中農(nóng)業(yè)用水的比重；Li為第i個分區(qū)耕地面積，萬hm2；n為阿姆河流域選取和劃分的區(qū)位單元的數(shù)量，本文n=4。

2.1.4土地墾殖率

土地墾殖率[27]一般是以某地區(qū)的耕地面積在土地總面積中所占比例來衡量, 表示土地被開墾規(guī)模和程度，計算公式為

(4)

式中：CK為土地墾殖率，%；L為耕地面積，萬hm2；C為土地總面積，萬hm2。

2.2 數(shù)據(jù)來源

選取了阿姆河流域1990年、2000年、2010年和2015年的 LandsatTM/ETM+遙感影像數(shù)據(jù)，選取成像時間集中于7—9月，圖像清晰，基本無云霧影響，且此時段內(nèi)的農(nóng)作物生長較好，可以很好地體現(xiàn)耕地信息。通過使用ENVI5.3軟件對4個時段影像進行幾何校正、影像拼接、裁剪等預(yù)處理。本研究將阿姆河流域土地利用類型分為灘地、未利用地、建設(shè)用地、耕地、林地、草地、灌叢、水域及濕地共9類，借助eCognition軟件進行面向?qū)ο蟮牡仡惙诸悾瑢崿F(xiàn)軟件自動分類和人工信息提取相結(jié)合，最后對分類結(jié)果進行人工檢查與修正。解譯數(shù)據(jù)的精度驗證主要通過野外實地調(diào)查和高分辨率影像對比兩種方法開展，即通過野外GPS采點驗證和GoogleEarth 高分辨率衛(wèi)星影像對比驗證，數(shù)據(jù)解譯精度達到87%以上，滿足研究需要。水資源數(shù)據(jù)主要參考中亞國家間協(xié)調(diào)水事委員會科學(xué)信息中心(Scientific Information Center of the Interstate Coordination Water Commission of Central Asia，SIC ICWC)、國際水管理研究所(International Water Management Institute， IWMI)以及CAWATERinfo中亞水資源信息網(wǎng)(http://www.cawater-info.net)。通過計算公式再利用ArcGIS10.2軟件采用自然斷裂法(Jenks)對墾殖率以及水土資源匹配系數(shù)進行等級劃分。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地面積變化時空特征

基于ArcGIS軟件，對阿姆河流域不同時段的耕地變化進行分析。空間上來說，阿姆河流域耕地大都沿著河流分布。耕地面積總體呈擴張趨勢，有明顯的縮減-擴張-縮減的波動性特征。1990—2000年耕地減少，縮減部分主要在邊緣地區(qū)，變化程度明顯，主要發(fā)生在撒馬爾罕綠洲和布哈拉綠洲的邊緣以及捷詹綠洲外圍；2000—2010年綠洲的發(fā)展以擴張為主，主要表現(xiàn)為內(nèi)部填充和邊緣擴張，變化位置發(fā)生在上游山區(qū)、阿富汗、伊朗、布哈拉綠洲等地，阿姆河下游則有部分縮減；2010—2015年綠洲再次出現(xiàn)縮減，變化幅度最大的地方在阿姆河上游區(qū)，尤其以阿富汗最為明顯(圖2)。

(a) 1990—2000年

根據(jù)式(1)(2)計算出4個分區(qū)耕地的擴張速度與相對變化速度見表1，可以看出各時期、各分區(qū)擴張的速度有所不同，總體耕地面積增加。從擴張速度來看，阿姆河下游在整個研究時段內(nèi)擴張速度最大(176.18 km2/a)，是阿姆河流域整體擴張速度的1.2倍，阿姆河中游地區(qū)的變化相較于其他分區(qū)在1990—2015年整個研究時段內(nèi)比較平穩(wěn)；從相對變化速度來說，1990—2000年各個分區(qū)的變化較為平緩，2010—2015年的相對擴張速度較大，各個分區(qū)變化差異大。

表1 1990—2015年阿姆河各分區(qū)耕地擴張速度變化情況

3.2 耕地與水資源的匹配

基于阿姆河流域分區(qū)的水土資源數(shù)據(jù)，運用洛倫茲曲線和基尼系數(shù)計算出阿姆河流域1990年、2000年、2010年、2015年水土匹配基尼系數(shù)和4年平均水土匹配基尼系數(shù)如表2所示。對比阿姆河流域4個時期的洛倫茲曲線(圖3)和基尼系數(shù)，可以看出2000年洛倫茲曲線更趨向于絕對平均線，基尼系數(shù)為0.135 6，匹配度最好。主要由于2000年是枯水年，中下游用水量比平水年減少，從而導(dǎo)致中、下游土壤鹽漬化加劇，大量耕地棄耕，水量減少的同時耕地也在大幅度減少。1990年、2000年、2010年、2015年4個年份水土資源平均基尼系數(shù)為0.203 4，處于比較公平狀態(tài)。因此，基于阿姆河流域農(nóng)業(yè)用水量，從不同時期水土匹配基尼系數(shù)來看，阿姆河流域綠洲區(qū)并不缺水。盡管1990年以后，阿姆河的流量在減小，耕地面積在不斷增加，但這并不代表單位土地面積的水資源量在下降，水土資源分配的不公平性在加劇，原因是大量引水灌溉工程及節(jié)水措施提高了用水效率。另外自2001年之后阿姆河的水不再匯入咸海，這就意味著阿姆河的水量雖然在減少，但該流域的用水量并沒有減少，地表水資源大部分用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

表2 1990—2015年阿姆河流域水土資源匹配基尼系數(shù)及評價結(jié)果

圖3 阿姆河流域水資源與耕地匹配的洛倫茲曲線

3.3 水土資源空間分布格局

由于基尼系數(shù)法并不能詳細描述其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即不能對各個分區(qū)之間的不匹配程度進行對比描述，且單元的劃分可能在一定程度上造成誤差[28-29]。因此，為能夠更加直觀地看出阿姆河流域水土資源在分區(qū)內(nèi)匹配狀況的差異性，采用水土匹配系數(shù)和墾殖率對阿姆河流域水土資源匹配狀況進行分析。以2015年阿姆河4個分區(qū)水資源與耕地統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)水土資源匹配系數(shù)在空間上的分區(qū)分異特征，借助ArcGIS軟件Jenks功能，即自然斷裂點法，將水土資源匹配系數(shù)劃分為4個等級[30]：①匹配狀況較好(R>0.645 4)；②匹配狀況相對合理(0.436 6

阿姆河流域墾殖率和水土資源匹配系數(shù)在各分區(qū)表現(xiàn)出一定的差異性，其中墾殖率由低到高依次為上游(5.14%)、下游(8.48%)、中游(8.96%)、卡拉庫姆運河(9.54%)，墾殖率最高的卡拉庫姆運河地區(qū)是墾殖率最低的上游地區(qū)的1.86倍；阿姆河流域水土資源匹配系數(shù)由低到高依次為下游(0.405 5)、卡拉庫姆運河(0.433 6)、中游(0.645 4)、上游(0.93)，匹配系數(shù)最高的是阿姆河上游地區(qū)。把阿姆河流域作為一個整體，該流域墾殖率平均為8.03，水土資源匹配系數(shù)平均為0.603 6，屬匹配狀況相對合理。

從綜合墾殖率與水土資源匹配系數(shù)可以看出，除阿姆河中游區(qū)水土資源在空間分布上一致之外，其他3個分區(qū)水土資源在空間分布上存在錯位現(xiàn)象，表明阿姆河流域水土資源在分區(qū)內(nèi)空間分布不均勻。從分區(qū)差異來看，阿姆河下游區(qū)水土匹配系數(shù)最低，這是由于灌溉農(nóng)田主要分布在中下游平原區(qū)，且下游耕地以176.18 km2/a的速度在擴張，使得灌溉用水緊張。為應(yīng)對水資源危機，下游三角洲的烏茲別克斯坦卡拉卡爾帕克斯坦自治共和國在阿姆河塔吉三角洲修建了人工湖和水庫，以保障下游的農(nóng)牧業(yè)用水?？ɡ瓗炷愤\河區(qū)的水土匹配系數(shù)同樣較低，但原因區(qū)別于阿姆河下游區(qū)。盡管卡拉庫姆運河作為阿姆河流域最大的引水工程，將阿姆河近1/3的水量取走，但運河流經(jīng)荒漠、沙地，中途蒸發(fā)、滲漏非常嚴重，失水量超過其河流流量的 1/3[31]。因此卡拉庫姆運河取水量大，但實際失水量也很嚴重；而4個分區(qū)中水土匹配系數(shù)最高的則是阿姆河上游區(qū)，原因是雖然上游水資源條件優(yōu)越，但大部分位于山區(qū)，受高山地形限制，耕地開發(fā)難度大，耕地變化幅度較小，從而使上游水土匹配系數(shù)高而墾殖率較低。值得關(guān)注的是，上游國家為保障其糧食自給，一直在積極爭取擴大灌溉面積，同時大力利用水資源發(fā)電以保障國家發(fā)展，此外，預(yù)計隨著今后阿富汗局勢穩(wěn)定并開始發(fā)展，必然增加農(nóng)業(yè)用水量[32]，所以阿姆河上游區(qū)農(nóng)業(yè)用水繼續(xù)增加的可能性很大，這可能會導(dǎo)致上游水土資源匹配度下降。

由此可見，從水土資源匹配狀況來說，為緩解該流域的水資源矛盾，阿姆河流域在進行水土資源開發(fā)時應(yīng)綜合考慮不同分區(qū)的社會經(jīng)濟、人口以及自然環(huán)境特點，確定合理的農(nóng)業(yè)用水與生態(tài)用水分配方案，從而實現(xiàn)阿姆河流域水資源的協(xié)同管理以及各分區(qū)的共同發(fā)展。

4 討 論

4.1 農(nóng)業(yè)用水效率

從計算出的阿姆河流域水土資源匹配基尼系數(shù)來看，阿姆河流域水土資源匹配屬比較公平狀態(tài)。但實際處于阿姆河流域的絕大部分國家是典型的農(nóng)業(yè)國，且多種植棉花、水稻等耗水量極大作物，消耗約整個農(nóng)作物用水量的90%，人均農(nóng)耕地的用水量相當(dāng)于發(fā)達國家的9倍[33]，因而從農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)上來看，阿姆河流域綠洲農(nóng)業(yè)用水占比極大，且農(nóng)業(yè)用水效率低，消耗了該區(qū)域大部分水量，所以這是在不考慮咸海來水不斷減少、生態(tài)持續(xù)惡化前提下的“比較公平”，表明目前阿姆河流域的水土資源問題主要是各分區(qū)間以及農(nóng)業(yè)用水與其他用水之間的分配和利用矛盾，如何優(yōu)化4個分區(qū)間的水資源調(diào)度，提高阿姆河流域地區(qū)農(nóng)業(yè)用水的利用效率，是目前面臨的主要問題。因此，為尋求阿姆河流域水土關(guān)系的平衡提出以下建議：①流域內(nèi)各個國家在保證糧食生產(chǎn)安全的情況下應(yīng)合理管控耕地的擴張速度，合理開發(fā)水土資源。②阿姆河流域國家應(yīng)把節(jié)水農(nóng)業(yè)作為發(fā)展方向，依靠節(jié)水灌溉發(fā)展農(nóng)業(yè)，如改造灌溉系統(tǒng)，在灌渠內(nèi)鋪設(shè)防滲層，減少田間損失以及灌溉系統(tǒng)內(nèi)的損失。③相關(guān)國家共同商討，在現(xiàn)有規(guī)定的基礎(chǔ)上制定出更加完整嚴格的水資源管理制度，以更好地解決各分區(qū)水資源匹配不均的問題。

4.2 咸海水面萎縮與流域用水量的關(guān)系

結(jié)合圖2、4可以看出，1990—2015年阿姆河流域耕地面積總體以146.74 km2/a的速度在擴張，但咸海水量、水體面積在持續(xù)縮減。至2014年咸海水體面積只有1990年的31.6%，而水量僅為1990年的6.58%，咸海面積減少68.4%、水量減少93.4%。2000年時聯(lián)合國教科文組織在咸海流域2025年預(yù)測中指出，該流域每年需要節(jié)約23 km3的水，才能使咸海的表面積穩(wěn)定在現(xiàn)在水平[34]。按照聯(lián)合國教科文組織預(yù)測，以2000年咸海水量為基準(181 km3)，至2014年咸海流域節(jié)約水量為322 km3，而實際上至2014年咸海流域水量僅為23.3 km3[35]。這意味著阿姆河流域耕地的不斷擴張使得灌溉用水量增長，隨之阿姆河匯入咸海的水量持續(xù)減少，最終導(dǎo)致咸海的水量、水體面積縮減。同時楊雪雯等[36]研究發(fā)現(xiàn)咸海面積與阿姆河流域灌溉面積顯著相關(guān)，相關(guān)性達-0.893，灌溉用水量成為影響咸海面積變化的重要因素。雖然阿姆河流域農(nóng)業(yè)用水量在2000年時出現(xiàn)一個低值，但這是由于2000年的上游來水量減少所致。

圖4 咸海水體面積、水量變化與流域總用水量

綜上所述，阿姆河流域農(nóng)業(yè)用水的充分保障是以犧牲流域生態(tài)用水作為代價的，這是不可持續(xù)的用水方式。在這種情況下，為改善該地區(qū)的生態(tài)狀況，必須把農(nóng)業(yè)用水作為阿姆河流域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵變量，促使該流域水土資源的匹配向更加公平、合理的方向轉(zhuǎn)變，最終實現(xiàn)咸海流域水資源、社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié) 論

a. 總體來看，1990—2015年阿姆河流域耕地在數(shù)量和空間上都發(fā)生了變化。耕地總體呈擴張趨勢，面積的擴展變化有明顯的縮減—擴張—縮減的波動性特征，且各時期、各分區(qū)擴張的速度不同。

b. 1990—2015年阿姆河流域水土資源匹配，處于比較公平和相對合理狀態(tài)。整體上說，阿姆河流域綠洲區(qū)并不缺水，但這是在不考慮咸海來水不斷減少、生態(tài)持續(xù)惡化前提下的“比較公平”和“相對合理”。

c. 阿姆河流域水土資源空間分布存在錯位現(xiàn)象，上游區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配度最好，下游區(qū)匹配度最差。從水土資源匹配狀況來說，阿姆河流域在進行水土資源開發(fā)時應(yīng)綜合考慮優(yōu)化各分區(qū)間的水資源調(diào)度以及農(nóng)業(yè)用水與生態(tài)用水的合理分配，從而實現(xiàn)阿姆河流域水資源的協(xié)同管理。

d. 阿姆河流域的生態(tài)用水被農(nóng)業(yè)用水嚴重擠占，咸海面積和水量的減少與阿姆河流域灌溉面積顯著相關(guān)，灌溉用水量成為影響咸海面積變化的重要因素，這是一種不可持續(xù)的用水方式，必須把農(nóng)業(yè)用水作為阿姆河流域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵變量。