疏勒河流域綠洲面積動態(tài)變化及其預測研究

李 曼,周之超，劉煥才

(1.山西師范大學 地理科學學院，山西 臨汾 041000；2.中國科學院 西北生態(tài)資源環(huán)境研究所，甘肅 蘭州 730000)

綠洲是形成于干旱區(qū)脆弱生境內(nèi)的一種復雜地理景觀，包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地等[1]。它為人類社會經(jīng)濟活動提供物質(zhì)資料[2]，其興衰直接關(guān)乎整個區(qū)域的生態(tài)平衡。在全球氣候變化背景下，我國西北干旱區(qū)的氣溫、降水均呈現(xiàn)出上升態(tài)勢，氣候趨于暖濕化[3-6]，受此影響，當?shù)鼐G洲生態(tài)功能、空間格局必將產(chǎn)生重大改變。

疏勒河流域是西北干旱區(qū)綠洲分布的典型區(qū)域，同時作為國家“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的核心位置、生態(tài)環(huán)境最為脆弱和受人類活動影響最為敏感的區(qū)域[7]，其綠洲動態(tài)演變與成因成為研究的重點。鞏杰等[8-14]均運用3S技術(shù)解譯遙感影像獲取綠洲面積變化數(shù)據(jù)，結(jié)合土地利用變化幅度、動態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣等方法分析了流域土地利用/覆被和景觀格局的變化及其驅(qū)動力。然而，面對流域內(nèi)土地資源極其緊張的現(xiàn)狀，該流域未來綠洲面積將會如何變化研究甚少。通過分析疏勒河流域土地利用的動態(tài)演變過程，從時空角度了解流域內(nèi)人類活動及其土地資源的變化，并對未來綠洲面積預測，可為疏勒河流域綠洲可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

疏勒河流域發(fā)源于托來南山與疏勒南山之間，向北流經(jīng)青海省天峻縣、甘肅省肅北縣、玉門市、瓜州縣等綠洲區(qū)。昌馬水庫至雙塔堡水庫為中游，雙塔水庫以下為下游，全長670 km，流域面積5.02×104 km2，出山口多年平均徑流量10.83×108 m3。該流域位于河西走廊最西端，地勢南高北低，介于92°11′- 98°30′E，38°00′- 42°48′N。屬于中國溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，少雨多風，年均降水量不足50 mm，年均蒸發(fā)量則高達1 860 mm，年均氣溫7℃～9℃，流域內(nèi)以灌溉農(nóng)業(yè)為主，包括昌馬、雙塔、花海3大灌區(qū)，糧食作物以玉米、小麥為主，經(jīng)濟作物有棉花、瓜類、枸杞、啤酒花、甘草等。

圖1 疏勒河流域區(qū)位

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究采用1985、1995、2000、2005、2010、2015年和2018年Landsat影像數(shù)據(jù)，成像時間均為6-9月，該時間段地物信息最為豐富且光譜信息明顯，影像云量均<5%，質(zhì)量較高。在ENVI5.3軟件平臺下，對各個時期影像進行大氣校正、圖像融合、鑲嵌、裁剪，初步形成各個時相影像圖，利用隨機森林分類法對影像進行土地分類，借助ArcGIS10.4提取對各土地利用類型數(shù)據(jù)。分類系統(tǒng)參考中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)分類系統(tǒng)中一級分類，包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地。在本研究中綠洲面積指耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地，而未利用地在該研究區(qū)為荒漠，根據(jù)綠洲相關(guān)定義不把未利用地納入綠洲面積研究范疇。解譯結(jié)果經(jīng)過實地調(diào)研和Google Earth高分辨率影像進行檢驗，隨機選取100個樣本點，與Google Earth高分辨率影像實際地物進行對比，各期影像分類精度均>85%，滿足土地利用演變研究的要求。

2.2 研究方法

2.2.1 隨機森林分類 隨機森林(random forest,RF)是由Leo Breiman于2011年提出的一種新型的遙感影像分類方法，它運用bootstrap抽樣方法從原始樣本集中有放回地隨機抽取N個樣本組成新的訓練樣本集，用每個樣本集來構(gòu)建決策樹，由多棵決策樹組合成隨機森林，輸入待分類的樣本中，整個分類過程由其中的決策樹投票決定。它對于高光譜影像中的地物信息有較好的識別功能，同時也具有抗噪、抗異常值、運算速度快、不易出現(xiàn)過擬合等優(yōu)點[15-18]。

2.2.2 土地利用動態(tài)度 土地利用動態(tài)度是指研究區(qū)內(nèi)某一土地利用類型在研究初期和研究末期的變化速率，能反映在一定時間內(nèi)某一土地利用類型的變化幅度和速度[19]。計算公式如下:

(1)

式中,K為研究時段內(nèi)某一土地利用類型的動態(tài)度；Ua和Ub分別為該土地利用類型在研究初期和末期的面積，T為研究時段。

2.2.3 CA-Markov模型 CA-Markov模型是將CA與Markov相結(jié)合的一種模型，不僅可以研究土地利用在時間上的變化，同時也可以預測出空間格局的轉(zhuǎn)變，從時空角度對一個區(qū)域進行系統(tǒng)的分析[20]。整個CA-Markov模擬過程中，最關(guān)鍵的是確定概率轉(zhuǎn)移矩陣，土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣為研究時段內(nèi)某一土地利用類型轉(zhuǎn)換為其他類型或保持不變的概率[21-24]。其表達公式如下：

St+1=Pij×St

(2)

(3)

式中，St、St+1為t、t+1時刻的土地利用狀態(tài)；Pij為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣；n為土地利用類型。

利用CA-Markov模型對研究區(qū)土地利用/覆被過程進行預測，具體步驟如下:

1)利用Markov模型建立時間間隔分別為(1985-2000，C1=15)、(1995-2005，C2=10)、(2005-2010，C3=5)的轉(zhuǎn)移概率矩陣。

2)設(shè)置參數(shù)：分別以2000、2005年和2010年為預測的起始年份，對每一土地利用類型制定出適宜性圖集，設(shè)置CA模型迭代次數(shù)分別為15、10、5。

3)不同時間間隔模擬精度檢驗：分別以時間間隔為C1=15、C2=10、C3=5的轉(zhuǎn)移概率矩陣對2015年(C)土地利用結(jié)構(gòu)進行模擬，得到結(jié)果(圖2)，在GIS中統(tǒng)計各土地類型面積(表1)。

表1 基于1985-2010年轉(zhuǎn)移概率矩陣的模擬值與相對誤差

由表1可以看出，基于時間間隔C1=15的轉(zhuǎn)移概率矩陣模擬2015年各土地類型面積與實際值存在較大誤差，最大誤差高達-124.97%，最小誤差為11.60%。基于C2=10的模擬值相比C1誤差有所降低，但最大誤差仍高達-85.04%，最小誤差為-3.63%。而時間間隔C3=5的模擬值與實際值相比誤差較小，最大誤差僅為18.78%，最小誤差只有1.35%，同時利用最接近預測年份的轉(zhuǎn)移概率矩陣模擬效果更理想。因此，本研究采用最接近預測年份及時間間隔為5 a的(2010-2015)轉(zhuǎn)移概率矩陣來模擬2030、2040年疏勒河流域綠洲系統(tǒng)內(nèi)各土地類型。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化

3.1.1 綠洲土地利用動態(tài)分析 根據(jù)1985-2018年遙感影像分類結(jié)果(圖3)，在GIS中統(tǒng)計出不同時期各土地類型面積，結(jié)合式(1)計算土地利用動態(tài)度(表2)。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，近34 a，疏勒河流域綠洲面積增加了近606.27 km2，同時流域內(nèi)不同土地利用類型面積變化幅度也存在顯著差異，耕地、水域、建設(shè)用地變化最為強烈。與1985年相比，2018年耕地、水域、建設(shè)用地面積增加量分別為560.38、117.08、201.65 km2，其中建設(shè)用地變化率高達205.95%，耕地次之，占64.26%，表明該區(qū)域在經(jīng)濟發(fā)展過程中，需要大量土地用于社會經(jīng)濟建設(shè)；流域內(nèi)耕地面積增加與水利設(shè)施的完善以及灌溉水渠的修建有關(guān)。同時，受近年來西北干旱區(qū)氣候暖濕化的影響，祁連山冰川大量消融，使當?shù)毓喔人Y源量大幅增加，為耕地的擴張?zhí)峁┧Y源保障；此外冰川的消融，導致地下水位上升[25]，一些新的濕地和水域出現(xiàn)，致使水體面積增加。

圖2 基于1985-2010年轉(zhuǎn)移概率矩陣模擬

圖3 1985-2018年疏勒河流域土地利用分類

表2 1985-2018年疏勒河流域綠洲土地利用面積

以往研究表明，草地面積的變化受降水影響較大，豐水年份面積增加，缺水年份面積減少[26]，在疏勒河流域，由于近年來降水量并沒有明顯變化，因此當?shù)夭莸孛娣e總體變化量不大。

林地、未利用地面積與上述土地利用類型變化趨勢不同，表現(xiàn)為大幅度減少，減少量分別為41.05、608.23 km2，主要是由于當?shù)剞r(nóng)業(yè)、社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，耕地、建設(shè)用地的擴大很大程度上是以擠占林地、未利用地為代價的。

3.1.2 綠洲土地利用轉(zhuǎn)移分析 1985-2018年疏勒河流域各土地利用類型之間存在大面積、高比例的動態(tài)轉(zhuǎn)移，綠洲土地利用變化強烈的同時，生態(tài)環(huán)境在逐漸惡化。表現(xiàn)為(表3)：土壤質(zhì)量下降，部分耕地無法為農(nóng)作物提供有機質(zhì)，被棄耕、撂荒之后轉(zhuǎn)化為草地，轉(zhuǎn)移面積為222.02 km2，占原耕地面積的25.46%。隨著生態(tài)環(huán)境的惡化，林地和草地向未利用地大規(guī)模轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移面積分別為216.09、4 589.96 km2，占原來面積分別為48.59%、40.04%。近年來隨著氣溫的升高，蒸發(fā)強烈，部分水域干涸之后土壤鹽堿化嚴重，無法利用轉(zhuǎn)化為未利用地[27]，轉(zhuǎn)化面積為174.53 km2，占原水域面積比重達45.89%。部分地區(qū)由于氣候惡化不再適宜人類居住和經(jīng)濟建設(shè)，搬遷后轉(zhuǎn)化為草地和未利用地[28]，轉(zhuǎn)移面積分別為40.86、38.54 km2，占原建設(shè)用地面積的41.74%、39.37%。該區(qū)域?qū)ξ蠢玫亻_發(fā)面積較少，主要是由于當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)脆弱，資源匱乏，很難被利用，因此轉(zhuǎn)出面積僅占原未利用地面積的13.04%。由上述轉(zhuǎn)移過程可以看出，耕地、林地等土地類型向草地和未利用地轉(zhuǎn)移顯著，說明當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境呈衰退趨勢。

表3 1985-2018年疏勒河流域綠洲土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

3.2 CA-Markov模型預測結(jié)果與分析

3.2.1 CA-Markov模擬2030年土地利用變化分析 從預測結(jié)果來看(圖4、表4)，到2030年，隨著城鎮(zhèn)化的進一步發(fā)展、農(nóng)業(yè)技術(shù)的提高以及氣候的變化，綠洲面積相比2018年增加量將高達3 755.59 km2，其中，由于耕地耗水量大，面積在未來12年雖然有所增加，但增長速度較慢，增長率為5.14%，遠低于1985-2018年的64.26%，說明在水資源有限的情況下當?shù)氐母孛娣e將基本趨于穩(wěn)定，在空間上表現(xiàn)出原有耕地不變，向周圍草地和未利用地緩慢外延。

在西北干旱區(qū)氣候暖濕化的背景下，大量研究已經(jīng)證明西北干旱區(qū)氣候還將持續(xù)變暖變濕，受降水影響較大的林地和草地面積將會隨著降水的增加而增加[29]。因此，到2030年林地和草地表現(xiàn)為增長趨勢，增加面積分別為136.32、3 144.29 km2，林地增加率由-9.23%上升到33.77%，變化強度大于1985-2018年，其中草地面積增加量較大，是2030年綠洲面積擴張較大的主要原因。這也與實地調(diào)研時當?shù)鼐用竦母兄喾舱f明到2030年隨著林地和草地面積的增加生態(tài)環(huán)境將會有所改善。

由于西北干旱區(qū)氣溫持續(xù)變暖，到2030年冰川消融量依舊很多，引起下游河流徑流量增加以及濕地的出現(xiàn)[30]，水域面積增加249.03 km2，增幅達50%，在空間上主要表現(xiàn)為冰川面積減少以及水庫、河流等面積增加，這將為生產(chǎn)生活提供大量的水資源，有利于區(qū)域農(nóng)業(yè)-生態(tài)-經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展，但是人類若對水資源不合理的利用會導致環(huán)境惡化、生態(tài)系統(tǒng)破壞。

建設(shè)用地在未來一段時間內(nèi)增加趨勢大大減緩，增加面積為132.44 km2，增加率從1985-2018年的205.95%降低到44.21%，表明城鎮(zhèn)化發(fā)展更加趨于合理化，可能進入一個穩(wěn)定、成熟的發(fā)展階段，這將有效緩解人地與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾。

表4 2030、2040年疏勒河流域綠洲各土地類型預測值

圖4 2030、2040年疏勒河流域綠洲預測

受未來降水增加以及冰川消融的影響，水資源量有所增加，未利用地相比2018年，面積將減少近10%，其中大部分轉(zhuǎn)化為草地，如果水資源進一步增加也有轉(zhuǎn)為其他土地類型的潛力。

3.2.2 CA-Markov模擬2040年土地利用變化分析 2040年疏勒河流域綠洲面積相比2030年增加較少，增加幅度變小，但是土地利用特點相比2030年發(fā)生較大變化，水域面積趨于穩(wěn)定，增加面積僅25 km2，增長率為3.35%，表明冰川融水量增長幅度相比2018-2030年大大降低，冰川消融甚至可能會出現(xiàn)拐點[31-32]。而對水資源依賴性較強的耕地在冰川消融量減少的情況下，耕地面積也將會在2030-2040年出現(xiàn)拐點，面積呈縮減趨勢，到2040年將減少20 km2，變化率為-1.33%。而林地面積持續(xù)增加35 km2，增長率為6.48%，表明生態(tài)環(huán)境將會進一步改善。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城鎮(zhèn)化質(zhì)量的提高，建設(shè)用地面積將緩慢增長，到2040年僅增加5 km2，增幅僅為1.16%，說明疏勒河流域在2030-2040年建設(shè)用地增長速度將會大幅降低，進入后城市化階段，更加注重城市化水平的提高。草地面積趨于穩(wěn)定，主要與冰川消融量以及水域面積的穩(wěn)定有關(guān)。

從整體上來看，2018-2040年綠洲面積呈增加趨勢，其中水域與耕地、林地、草地、建設(shè)用地面積的增加呈顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.898、0.826、0.903、0.967，說明水域發(fā)揮主導作用，其他地類的面積增加都是基于水域面積的擴大。因此，水資源是整個疏勒河流域綠洲系統(tǒng)中的大動脈，一旦冰川面積大幅縮減，冰川融水出現(xiàn)拐點，疏勒河流域的水資源補給將會受到很大限制，會給整個流域帶來災難性的后果。政府要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟建設(shè)之間的關(guān)系，加強對疏勒河水資源的調(diào)控與管理。

4 結(jié)論與討論

伴隨著農(nóng)業(yè)-社會-經(jīng)濟的快速發(fā)展，疏勒河流域的土地利用狀況發(fā)生很大的變化：1)在1985-2018年，疏勒河流域綠洲面積增加了近606.27 km2，其中耕地、水域、建設(shè)用地面積增加量分別為560.38、117.08、201.65 km2，建設(shè)用地增幅最大，高達205.95%，草地面積受降水影響較大，總體變化量不大。林地、未利用地面積減少量分別為41.05、608.23 km2。由各土地類型動態(tài)度可看出，在疏勒河流域耕地、水域、建設(shè)用地變化最為強烈。2)流域內(nèi)部土地利用轉(zhuǎn)移過程表現(xiàn)為：耕地向草地轉(zhuǎn)移、林地和草地以及水域向未利用地轉(zhuǎn)移、建設(shè)用地向草地和未利用地轉(zhuǎn)移，說明過去34 a，隨著農(nóng)業(yè)、城市建設(shè)的快速發(fā)展，耕地、建設(shè)用地面積增加的同時，原有耕地、建設(shè)用地等土地利用類型向草地和未利用地轉(zhuǎn)移，當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境出現(xiàn)退化的現(xiàn)象。

盡管過去34 a，當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境有所退化，但從預測結(jié)果來看，2018-2030年綠洲面積增加量將高達3 755.59 km2，耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地面積還將繼續(xù)擴張，增加面積分別為73.56、136.32、3 144.29、249.03、132.44 km2。與2030年相比，到2040年耕地面積將減少20 km2，而林地、水域、建設(shè)用地面積增加量分別為35、25、5 km2，草地面積趨于穩(wěn)定，土地利用結(jié)構(gòu)更加趨于合理化，生態(tài)環(huán)境將會得到改善。

疏勒河中下游水域補給來源主要是冰川，未來一段時間內(nèi)冰川融水能夠為疏勒河流域綠洲提供穩(wěn)定的水源，但上游冰川消融一旦達到拐點，整個流域的水資源供應量將會迅速減少，最終會影響流域內(nèi)居民的生產(chǎn)、生活用水及區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。因此，政府要完善水渠系統(tǒng)，減少下滲量以及蒸發(fā)量，積極推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)，加大對節(jié)水措施的宣傳，普及水資源與生態(tài)環(huán)境相關(guān)聯(lián)的知識，合理規(guī)劃和控制疏勒河流域三生用水配額，實現(xiàn)當?shù)厮Y源可持續(xù)利用。從預測結(jié)果看，綠洲面積將增加，但綠洲面積的盲目增加會影響區(qū)域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。因此，需合理調(diào)控區(qū)域內(nèi)耕地、林地和草地之間的轉(zhuǎn)化，正確處理區(qū)域社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系。