呂俊娥

（1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局航測(cè)遙感局，陜西 西安 710199）

干旱區(qū)綠洲化與荒漠化研究已成為氣候變化、土地退化、生態(tài)環(huán)境保護(hù)與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展等研究的熱點(diǎn)。綠洲化與荒漠化在地理空間上主要表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)的面狀分布，它既具有空間分布特征，又具有時(shí)間尺度上數(shù)和量的變化[1,2]。當(dāng)前對(duì)新疆塔里木河流域、和田河流域及塔克拉瑪干沙漠南緣地區(qū)的綠洲化或荒漠化研究較多，而對(duì)緊鄰塔克拉瑪干沙漠西南緣的葉城地區(qū)研究較少。葉城地區(qū)地處塔里木盆地西南部葉兒羌河流域，東靠塔克拉瑪干沙漠，南以喀喇昆侖山為屏障，北與天山南麓余脈相鄰，集沙漠、山地及河谷灌溉區(qū)為一體的生態(tài)景觀，是研究綠洲化與荒漠化的典型地區(qū)。人類通過(guò)改善灌溉系統(tǒng)、熟化土壤、栽培作物、營(yíng)造林木，使綠洲擴(kuò)大。同時(shí)為了滿足人口增長(zhǎng)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，人們不合理利用自然資源，大面積的開(kāi)墾荒地、過(guò)渡砍伐及超載放牧都嚴(yán)重危害了干旱區(qū)生態(tài)穩(wěn)定，導(dǎo)致綠洲生態(tài)系統(tǒng)失調(diào)，荒漠化嚴(yán)重[3]。綠洲化與荒漠化的矛盾給葉城地區(qū)可持續(xù)發(fā)展造成嚴(yán)重的危害。

本文采用多時(shí)相遙感衛(wèi)星遙感影像，以綠洲化與沙質(zhì)荒漠化過(guò)程為研究對(duì)象，進(jìn)行綠洲化與沙質(zhì)荒漠化這一矛盾體之間動(dòng)態(tài)演化和特征研究，提出其空間分布與發(fā)展變化過(guò)程的量化結(jié)果。定量分析評(píng)價(jià)葉城地區(qū)沙質(zhì)荒漠化狀況及綠洲演變趨勢(shì)，為今后沙質(zhì)荒漠化的控制、改造工作提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處 76°30′00″～78°00′00″E、37°25′00″～38°00′00″N 之間，屬塔里木盆地西緣，地勢(shì)上西南高、東北低。行政區(qū)劃大部分屬葉城縣管轄。為典型的中溫帶干旱大陸性氣候，年降雨量?jī)H幾十毫米，河流主要靠高山雪水補(bǔ)給。受東部塔克拉瑪干沙漠威脅，為典型的干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境退化區(qū)；主要河流為葉兒羌河，葉兒羌河流域?yàn)槲覈?guó)第四大灌溉區(qū)，綠洲化明顯，生產(chǎn)生活用水與生態(tài)用水間的矛盾突出。研究區(qū)干旱少雨及氣溫變化劇烈，生態(tài)系統(tǒng)極不穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的敏感性與脆弱性。研究該地區(qū)的沙質(zhì)荒漠化程度及發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于該地區(qū)的沙質(zhì)荒漠化控制，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展以及土地利用開(kāi)發(fā)等方面都至關(guān)重要。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

為了充分反映研究區(qū)綠洲化與沙質(zhì)荒漠化土地的動(dòng)態(tài)變化特征和演變趨勢(shì)，采用1975年MSS、2000年TM、2007年TM以及2014年Landsat8衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源。由于數(shù)據(jù)的空間、波譜分辨率不同，對(duì)四期遙感衛(wèi)星影像進(jìn)行輻射校正和幾何精校正的預(yù)處理，經(jīng)過(guò)遙感影像糾正和投影轉(zhuǎn)換，形成空間信息基礎(chǔ)一致的4期遙感影像數(shù)據(jù)。在ArcGIS10工作平臺(tái)下，采用人機(jī)交互式解譯法，對(duì)四期衛(wèi)星遙感影像的綠洲和沙質(zhì)荒漠化專題因子進(jìn)行遙感解譯。

2.2 研究方法

1）在ArcGIS10工作平臺(tái)下，以4期綠洲與沙質(zhì)荒漠化遙感解譯為基礎(chǔ)，分析近40 a隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，綠洲與沙質(zhì)荒漠化在時(shí)間上的變化特征。

2）為定量分析綠洲和沙質(zhì)荒漠化的總體變化趨勢(shì)，將某個(gè)時(shí)間段內(nèi)減少的區(qū)域稱為退縮區(qū)，擴(kuò)大區(qū)域稱為擴(kuò)張區(qū)；對(duì)比分析退縮區(qū)和擴(kuò)張區(qū)的空間格局和數(shù)量特征，定量分析研究區(qū)“綠洲化”和“沙質(zhì)荒漠化”時(shí)空變化規(guī)律[4,5]。在現(xiàn)狀研究基礎(chǔ)上，利用ArcGIS 10疊加分析，提取綠洲化土地與沙質(zhì)荒漠化土地退縮與擴(kuò)張區(qū)面積，編制1975～2000年、2000～2007年及2007～2014年動(dòng)態(tài)變化圖，分析動(dòng)態(tài)變化的時(shí)空分布特征。

3）在時(shí)間變化與空間變化特征研究基礎(chǔ)上，利用重心遷移模型對(duì)綠洲化與沙質(zhì)荒漠化的重心遷移方向及距離進(jìn)行計(jì)算研究。重心遷移模型能夠具體反映其空間演變過(guò)程。重心坐標(biāo)一般以經(jīng)緯度表示，第t年綠洲或荒漠類型的重心坐標(biāo)（經(jīng)緯度）可表示為[6]：

式中，X、Y分別為綠洲化或荒漠化分布重心的經(jīng)、緯度坐標(biāo)；Ci為綠洲或荒漠第i個(gè)斑塊的面積；Xi、Yi分別為綠洲或者荒漠第i個(gè)斑塊分布重心的經(jīng)、緯度坐標(biāo)；n為綠洲或荒漠斑塊數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 綠洲化與沙質(zhì)荒漠化現(xiàn)狀分布

對(duì)研究區(qū)1975～2014年綠洲與沙質(zhì)荒漠化進(jìn)行遙感解譯，綠洲與沙質(zhì)荒漠化近40 a分布情況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)1975～2014年綠洲與沙質(zhì)荒漠化分布現(xiàn)狀圖

1975年綠洲面積977.76 km2；2000年綠洲面積1 019.20 km2；2007年綠洲面積1 086.72 km2；2014年綠洲面積1 170.85 km2。綠洲面積從1975～2014年增大了193.09 km2，增加19.75%。近40 a間綠洲面積持續(xù)增大，呈現(xiàn)綠洲化現(xiàn)象。綠洲主要以人工綠洲為主，以葉城綠洲及柯克亞綠洲為代表，天然綠洲分布面積較小。人工綠洲面積的增大，不僅破壞了天然植被，而且消耗著大量的水資源。

1975年沙質(zhì)荒漠化土地面積444.12 km2；2000年沙質(zhì)荒漠化土地面積381.37 km2；2007年沙質(zhì)荒漠化土地面積325.85 km2；2014年沙質(zhì)荒漠化土地面積463.69 km2。1975～2000年沙質(zhì)荒漠化土地面積減少了62.75 km2，減少14.13%；2000～2014年沙質(zhì)荒漠化土地增大82.32 km2，增大21.56%。1975～2014年沙質(zhì)荒漠化出現(xiàn)了先減小后增大兩個(gè)階段，沙質(zhì)荒漠化過(guò)程滯后于綠洲化過(guò)程。

在1975～2014年間，葉城縣隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和生產(chǎn)力水平的提高，人口增長(zhǎng)，出現(xiàn)了大規(guī)模的開(kāi)荒種田，開(kāi)荒力度的加大導(dǎo)致了綠洲面積連續(xù)增加，同時(shí)帶來(lái)了土地空間格局的轉(zhuǎn)變和生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)[7]。研究區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地面積的增加和減少與水資源的利用直接相關(guān)，葉兒羌河流域綠洲中的水主要來(lái)源于降水和周圍高山冰雪融水，人類改造化沙質(zhì)荒漠化土地為耕地，使得沙質(zhì)荒漠化土地面積減少；綠洲擴(kuò)大必然對(duì)水的需求量加大，加之人類對(duì)水資源及土地資源的不合理開(kāi)發(fā)與利用，導(dǎo)致沙質(zhì)荒漠化土地面積的增加以及沙質(zhì)荒漠化程度的加深[8,9]。

3.2 綠洲化、沙質(zhì)荒漠化退縮與擴(kuò)張

對(duì)研究區(qū)1975～2014年綠洲與沙質(zhì)荒漠化分布進(jìn)行疊加分析，1975～2014年綠洲與沙質(zhì)荒漠化變化如圖2所示。

圖2 1975～2014年研究區(qū)綠洲與沙質(zhì)荒漠化變化圖

1975～2014年近40 a間，綠洲擴(kuò)張面積218.41 km2，退縮區(qū)面積25.46 km2，綠洲呈現(xiàn)明顯的擴(kuò)張趨勢(shì)，主要集中在葉城縣周邊及柯克亞油田附近。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展人類活動(dòng)增強(qiáng)，大面積墾荒種田，綠洲面積持續(xù)擴(kuò)張。沙質(zhì)荒漠化土地?cái)U(kuò)張面積266.63 km2，退縮面209.61 km2，擴(kuò)張與退縮面積總體相當(dāng)。沙質(zhì)荒漠化土地?cái)U(kuò)張區(qū)主要在塔克拉瑪干沙漠邊緣及西南部山前堆積區(qū)，退縮區(qū)為綠洲邊緣地區(qū)。

在1975～2007年綠洲變化不大，基本穩(wěn)定，沙質(zhì)荒漠化過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定且有下降趨勢(shì)。但是2007～2014年綠洲面積增長(zhǎng)加快，隨著綠洲的增大，荒漠化的過(guò)程也加快。綠洲動(dòng)態(tài)變化速率大于沙質(zhì)荒漠化速率動(dòng)態(tài)變化速率，兩者呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。綠洲化過(guò)程主要為人類活動(dòng)影響過(guò)程，而沙質(zhì)荒漠化過(guò)程為生態(tài)系統(tǒng)變化的自然過(guò)程，沙質(zhì)荒漠化滯后于綠洲化過(guò)程。在1975～2014年綠洲面積雖在增加但沙質(zhì)荒漠化土地面積在減小，但是隨后7 a綠洲繼續(xù)增加時(shí)，沙質(zhì)荒漠化土地面積急劇增加。表明2007年該地區(qū)綠洲面積達(dá)到生態(tài)系統(tǒng)承載力，如果繼續(xù)增大，生態(tài)環(huán)境的惡化程度將會(huì)加深。這對(duì)當(dāng)?shù)赝恋刭Y源開(kāi)發(fā)及生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)具有重要的意義。

3.3 綠洲化與沙質(zhì)荒漠化重心遷移

利用重心遷移模型對(duì)研究區(qū)綠洲與沙質(zhì)荒漠的重心遷移方向和距離進(jìn)行了研究（見(jiàn)圖3）。

圖3 1975～2014年研究區(qū)重心遷移圖

1975～2000年綠洲重心向南遷移了0.003 5°，向西遷移了0.002 8°，整體向西南遷移了0.459 4 km。2000～2007年綠洲重心向南遷移了0.004 8°，向東遷移了0.004 7°，整體向東南遷移了0.673 6 km。2007～2014年綠洲重心向南遷移了0.000 8°，向東遷移了0.005 5°，整體向東南遷移了0.499 1 km。

1975～2000年沙質(zhì)荒漠化重心向北遷移了0.002 7°，向東遷移了0.035 7°，整體向東北遷移了3.164 1km。2000～2007年沙質(zhì)荒漠化重心向北遷移了0.020 3°，向東遷移了0.007 2°，整體向東南遷移了2.340 5 km。2007～2014年沙質(zhì)荒漠化向南遷移了0.035 5°，向西遷移了0.007 4°，整體向西南遷移了3.994 6 km。

近40 a間綠洲整體重心向東南方向遷移，共遷移了1.632 1 km；沙質(zhì)荒漠化重心向北東方向遷移，共遷移了9.499 3 km。綠洲的遷移方向主要是葉城縣及柯克亞油田附近，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展人口數(shù)量增多，研究時(shí)段內(nèi)綠洲的面積不斷擴(kuò)大，縣城周邊及油田附近很多原先基本沒(méi)有植被覆蓋的地方已變成人工綠洲。沙質(zhì)荒漠化主要向東南部遷移，在綠洲擴(kuò)張的同時(shí)使得沙質(zhì)荒漠有后退的趨勢(shì)，且遷移距離相對(duì)較遠(yuǎn)。另一方面，風(fēng)動(dòng)力條件將塔克拉瑪干沙漠細(xì)粒物質(zhì)帶到西南部，遇到高山減弱而沉積，使沙質(zhì)荒漠化增大。

3.4 影響因素及防治

研究區(qū)特殊的地理位置，沙質(zhì)荒漠化類型具有塔里木盆地典型的兩種沙化類型，即塔克拉瑪干沙漠下風(fēng)向特征和天山南麓山前平原與葉兒羌河流域沖積平原沙化特征。從宏觀的角度來(lái)看，這種演變趨勢(shì)受到了兩個(gè)主要變量的控制，即自然因素和人為因素。

1）自然因素。葉城地區(qū)位于昆侖山北麓，塔里木盆地西南緣，地勢(shì)南高北低，依山臨漠。特殊的地理位置，使東北部塔克拉瑪干沙漠受到西北風(fēng)作用將細(xì)粒物質(zhì)帶到西南部的山前地區(qū)沉積，風(fēng)動(dòng)力條件是沙質(zhì)荒漠化的重要因素，即為塔里木盆地塔克拉瑪干沙漠下風(fēng)向沙化特征。加之氣候條件極其干旱少雨，由于日照強(qiáng)烈、缺水、植被分散且稀疏，使地表覆蓋率低，沙物質(zhì)來(lái)源豐富，被廢棄的灌溉系統(tǒng)和不毛之地易被大風(fēng)侵蝕，這些都成為近年來(lái)葉城地區(qū)生態(tài)惡化的自然原因[10]，帶來(lái)了一系列的生態(tài)問(wèn)題。

2）人為因素。依據(jù)2000年第5次人口普查時(shí)葉城縣常住人口370 229人；2010年第6次人口普查時(shí)人口454 328人。人口數(shù)量逐年增加，導(dǎo)致對(duì)水資源和荒地的大量開(kāi)發(fā)，加劇了葉城地區(qū)的生態(tài)退化。要遏制農(nóng)牧交錯(cuò)帶土地退化的嚴(yán)峻態(tài)勢(shì)，必須加強(qiáng)管理，控制人口，改革土地利用制度，調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，重視環(huán)境恢復(fù)[11]。

葉城地區(qū)地處天山南麓山前平原與葉兒羌河流域沖積平原區(qū)為典型的塔里木盆地平原沙化特征。由于人口增長(zhǎng)，水量不足，河水流程縮短或河流改道及人類遷徙等原因，造成原住地荒蕪。徐海量等[14]對(duì)塔里木河下游的研究發(fā)現(xiàn)，地下水位和土壤含水量是影響沙漠化過(guò)程的兩個(gè)重要限制因子。從短期看，棄耕比開(kāi)荒更易導(dǎo)致沙質(zhì)荒漠化，從長(zhǎng)期看，開(kāi)荒是綠洲面積增大、沙質(zhì)荒漠化加劇的，重要因素。

4 結(jié) 語(yǔ)

區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境極其脆弱，沙質(zhì)荒漠化嚴(yán)重，加之人口的迅速增長(zhǎng)，對(duì)水土資源的開(kāi)發(fā)規(guī)模和速度加快，綠洲化和荒漠化的沖突加劇，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，嚴(yán)重制約著葉城縣經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。

1）通過(guò)對(duì)綠洲化與沙質(zhì)荒漠化面積分析，綠洲面積從977.76 km2增加到1 170.85 km2；荒漠面積從444.12 km2減少到325.85 km2；到2014年再增大到463.69 km2，綠洲面積呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢(shì)，荒漠呈現(xiàn)先退縮后擴(kuò)張的趨勢(shì)。沙質(zhì)荒漠化較綠洲擴(kuò)張具有生態(tài)滯后效應(yīng)。

2）通過(guò)擴(kuò)張區(qū)和退縮區(qū)分析，近40 a間，綠洲退縮區(qū)面積25.46 km2，擴(kuò)張區(qū)面積218.41 km2。沙質(zhì)荒漠化退縮區(qū)面積209.61 km2，擴(kuò)張區(qū)面積266.63 km2。沙質(zhì)荒漠化基本穩(wěn)定有較小的擴(kuò)張，表明近40 a塔克拉瑪干沙漠邊緣相對(duì)穩(wěn)定。

3）近40 a間，綠洲的重心向東南方向遷移，雖然綠洲擴(kuò)張區(qū)的面積較大，但重心遷移距離不大，僅為1.632 1 km，其主要原因?yàn)閿U(kuò)張區(qū)相對(duì)集中在葉城綠洲的周圍區(qū)域。同時(shí)，沙質(zhì)荒漠化先向東北再向西南遷移，遷移距離共為9.499 3 km，相對(duì)于綠洲，其遷移距離較遠(yuǎn)。

研究結(jié)果表明，研究區(qū)綠洲呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)，而沙質(zhì)荒漠化稍有增大，基本穩(wěn)定，說(shuō)明隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們不斷調(diào)整農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了種植面積，同時(shí)營(yíng)造較大面積的防風(fēng)林，使得綠洲面積不斷擴(kuò)張。大面積防風(fēng)林的種植使塔克拉瑪干沙漠向葉城縣城侵蝕的速度放慢，沙漠邊緣基本穩(wěn)定。因此研究該區(qū)域綠洲化與沙質(zhì)荒漠化過(guò)程的發(fā)展對(duì)葉城縣城的發(fā)展及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。