田春艳，徐丽萍

(石河子大学理学院，新疆 石河子 832003)

绿洲是干旱区典型且特有的一种依赖天然径流而生的生态经济系统，也是具有较高第一生产力的中小尺度隐域性自然景观[1-3]。作为干旱区生态系统结构的核心，绿洲肩负着承载人口、发展产业、维持社会可持续发展等重任，其兴衰、进退直接关系到整个干旱区的演化和发展[4-5]。新疆地处我国西北内陆干旱区，绿洲数量众多。虽然其人工绿洲占土地面积不足6%(面积为6.2×104km2)，却聚集着95%的人口(人口密度为240人/km2)，创造了80%以上的社会财富[6]。由于绿洲是发育于干旱气候下的非地带性景观，水资源是决定其存在和发展的基础条件。近年来，绿洲规模持续扩张，但人们却忽视了绿洲先天性生态脆弱的特性，不合理的开发利用自然资源致使水资源供需矛盾突出，生态系统功能不断下降[7-9]。

天山北麓绿洲GDP产量占全疆的56%，人口和耕地面积超过全疆的25%，是新疆社会经济活动最活跃的地区[10]，但其水资源仅占全疆的11%，是严重的资源性缺水地区[11]，丰富的土地资源与十分匮乏的水资源形成鲜明对比。20世纪50年代以来，天山北麓绿洲面积急剧扩大，人类活动的不断干预使水资源供需矛盾进一步激发[12]。水土资源的可持续利用已成为绿洲稳定发展、繁荣昌盛的必然要求。因此，评价干旱区水土资源利用现状，分析水土资源可持续发展状况，探索水土资源关联性，确定究竟是以水定土还是以土调水及水土资源优化利用模式，成为干旱区经济可持续发展战略研究的重要内容，也是区域亟待解决的重大课题。相关研究表明绿洲的发展对水资源有较强的依赖性，如唐嘉琪等[13]研究了水资源约束条件下民勤绿洲景观格局变化情况；艾克拜尔等[14]评价了新疆维吾尔自治区皮山县在水资源供需平衡状况和水资源约束条件下的绿洲稳定性；杨依天等[15]利用水土平衡法预测了和田绿洲未来15 a耕地在不同水概率条件下的水资源供需情况；秦鹏[16]揭示了绿洲规模取决于水资源量及其利用水平；孙栋元等[17]根据疏勒河中游绿洲生态环境需水特征，建立了基于天然植被、河流、湿地和防治耕地盐碱化的疏勒河中游绿洲生态环境需水定量化模型；段峥嵘等[18]分析了气候和土地利用/覆盖变化条件下阿克苏绿洲区域耗水特征演变情况；常学礼等[19]指出绿洲面积每增加520 hm2，地下水埋深下降1 m。但目前关于水资源条件与天山北麓绿洲扩张变化关联性及相互作用机理的研究却相对较少。

因此，本文以新疆天山北麓绿洲为研究单元，利用地理学、统计学等研究方法与技术，从定性和定量2个角度系统分析了1976—2017年间新疆天山北麓绿洲扩张与水资源的时空关联性，并深入探讨了绿洲扩张过程中不同土地覆被类型变化与水资源具体指标间的数量关系，以期为缓和水资源对绿洲扩张的生态制约和科学规划水土资源提供科学理论依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

天山北麓地处亚欧大陆中部，中国版图的西北角，面积9.56万km2，占全疆面积的8.22%，坐标为43°56′56″～44°13′24″N，89°20′46″～90°3′43″E，主要包括天山山脉中段的博格达山、依连哈比乃山以及婆罗科努山分水岭以北的区域，其行政单位有14个市县[20-22](图1)。天山北麓绿洲分布于天山北坡南部山区与北部的古尔班通古特沙漠中间交界地区，该绿洲的演化经历了从古绿洲到新绿洲再到新垦绿洲的变化过程。天山北麓绿洲供水补给主要来源于大气降水、地下水、地表径流、冰川/永久积雪融水补给等。该区域水资源量仅占新疆多年平均河流径流总量的7.40%，属于典型的温带内陆干旱区，夏季炎热干旱，冬季寒冷多风，年均气温为6.9 ℃，年均降水量为220 mm，平均蒸发潜力达1 817 mm。出山口河流有251条，此外山泉沟还有89条。这些河流均发源于天山北麓山区，流经山前绿洲平原，最终消逝于北部沙漠中。天山北麓的主要河流包括玛纳斯河、乌鲁木齐河、奎屯河、呼图壁河、巴音沟河、塔西河、金沟河、头屯河、三屯河等。

图1 研究区位置示意图

1.2 数据来源与处理

获取1976、1990、2000和2010年4期无云或少云遥感影像，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个年份8月Landsat TM影像(30 m分辨率；P140∶148,R29:32)，数据下载自美国地质勘察局(USGS)官方网站；2017年土地覆被类型数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心；DEM数据(30 m分辨率)来源于美国马里兰大学全球土地覆被数据库；年降水量取自研究区范围内所有气象站点观测数据，数据来源于中国气象数据网，本文采用相同年份各站点数据的总和表征年降水量变化；河流径流量数据来源于中国水文水资源科学数据共享网、水资源公报和《新疆统计年鉴》。

在ENVI 5.3中对1976年影像进行降噪处理，对4期影像进行辐射定标与大气校正处理，在此基础上基于eCognition 8.9软件采用面向对象的方法进行遥感影像解译，并辅以人机交互方法对分类结果进行修正。之后结合研究区域DEM和Google Earth卫星地图共同确定绿洲边界，以此获得1976—2010年研究区土地利用类型数据与分布图。采用Kappa系数对分类精度进行评价，4期分类图的Kappa系数均大于85%，满足研究需要。对2017年土地覆被类型数据进行重分类处理，并将5期数据分别重采样为90 m×90 m。

根据研究区的特点以及本研究所需景观类型，将研究区景观类型划分为三大类：山区，绿洲和荒漠。其中绿洲又细分为耕地、林地、草地、城乡建设用地和水域(包括河流、湖泊、坑塘、水库、人工水渠等)5类。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用类型转移矩阵

土地利用类型转移矩阵的思想来源于系统分析，它表征一定区域某一时段内初期和末期各土地利用类型面积之间相互转化的动态过程。它不但能静态的反应一定区域某时间点的各地类面积数据，还包含较为详细的初期各地类面积转出和末期各地类面积转入信息，是基于时间序列对土地利用类型转移的方向和结构进行定量化的描述。其表达式为[23]：

(1)

式(1)中，n表示转移前后的土地利用类型数目；i和j分别代表转移前后的土地利用类型；Aij表示研究时段内第i类土地利用转换成第j类土地利用的面积。

1.3.2 土地利用动态度

土地利用动态度可以定量表示某一时期土地类型数量的变化率，且该指标可以预测未来土地的变化趋势。其计算公式如下[24]：

(2)

式(2)中，K表示某一研究时期内某一种土地利用类型的变化率；Ua、Ub分别表示这一研究时期开始与结束时这种土地类型的面积；T表示研究时期。

1.3.3 Mann-Kendall趋势检验

Mann-Kendall检验不需要样本遵循一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用于水文、气象等非正态分布的数据，计算方便。降雨、径流、气温等时间序列变化趋势检验常采用此方法。对于其统计量Z，大于0时是上升趋势，小于0时是下降趋势。Z的绝对值在大于等于1.28、1.64和2.32时，分别表示通过了置信度90%、95%、99%的显著性检验[25]。

1.3.4 灰色关联

灰色关联的基本思想是根据序列曲线几何形状来判断不同序列之间的联系是否紧密，基本思路是通过线性插值将系统因素的离散行为观测值转化为分段连续的折线，进而根据折线的几何特征测度关联程度[26]。该方法的主要优势在于可以对小样本、贫数据进行分析，并且不需要数据满足典型的分布规律。

1.3.5 距离模型

为探求绿洲整体及其内部结构与区域水体之间的距离关系，根据先验知识，基于ArcGIS软件分析模块分别计算距离河流水域0～5、5～10、10～15 km范围内，平均每公里范围分布的绿洲及其内部各地类的面积，以此反映绿洲距离水体远近的数量关系。

1.3.6 重心迁移模型

分析绿洲和水域重心在各个时期的分布变化以及二者重心之间距离关系可以反映绿洲、水域的空间变化情况以及绿洲与水域动态变化的时空关联。第t年斑块重心坐标(X，Y)可表示为[27]：

(3)

式(3)中，Xi、Yi分别表示第i个斑块重心的经纬度坐标，Ci表示第i个斑块的面积。

2 结果分析

2.1 绿洲扩张变化分析

2.1.1 土地利用类型转移矩阵分析

1976—2017年间天山北麓地区土地利用类型转换复杂(见表1)。其中，1976—1990年间，面积变化相对比较显著的土地类型是林地和荒漠，其中林地主要转化为草地、耕地、水域以及荒漠，分别占转化面积的45.30%、15.85%、29.34%和9.51%；荒漠主要转化为草地和耕地，其中草地占转化面积的46.13%，耕地占46.54%。1990—2000年间，变化最为显著的土地类型是草地、林地和荒漠，其中草地主要转化为耕地和荒漠，分别占转化面积的33.63%和59.31%；林地转化面积中有91.23%转化为草地；荒漠主要转化为草地和耕地，分别占转化面积的58.82%和37.56%，总体上草地面积呈减少趋势，耕地面积大幅度增加。2000—2010年间，草地面积持续减少，主要转化为耕地和荒漠，分别占转化面积的33.93%和57.10%；林地主要转化为草地；荒漠主要转化为草地和耕地，分别占转化面积的43.97%和50.19%，总体上草地面积持续减少，耕地面积显著增加。2010—2017年间，变化较为显著的土地类型是城建用地和林地，其中城建用地主要转化为草地和荒漠，分别占转化面积的42.88%和42.64%；林地主要转化为草地，占转化面积的87.56%，但总体上耕地面积减少，城建用地面积增加。1976—2017年间，城建用地面积增加610.33%，耕地面积增加79.75%，草地面积增加46.32%，而林地面积减少61.15%。

表1 土地利用类型转移矩阵 单位：km2

整体而言，1976—2017年间，天山北麓绿洲面积大幅扩张，荒漠退缩显著，呈现人进沙退的局面(见表2)。研究期内绿洲面积增加52.33%，增加速度为494.06 km2/a；与之相反，荒漠面积显著退缩24.96%，退缩速度为482.62 km2/a，山区面积减少34.80 km2。

表2 山区-绿洲-荒漠景观面积 单位：km2

2.1.2 土地利用动态度分析

天山北麓地区1976—2017年间各地类土地利用动态度变化情况不尽相同(见表3)。其中，1976—2017年间，城乡建设用地土地利用动态度逐年增加，表明研究区城市化速度逐步加快，经济建设稳步推进。与此同时，1976—2010年间，耕地土地利用动态度增长，草地、荒漠和林地减小，说明为满足经济增长与城市化进程中的物质需求，人类开始大幅开荒种田、大肆毁林造田，开垦荒地种植农作物以及进行城市建设等形成了人进草退的局面。然而，2010—2017年间，耕地年变化率减小，草地和水域增长，表明城市化水平发展到一定程度后，人类开始注重生态文明建设，退耕还草、保护生态湿地水域等项目受到广泛支持。此外，水域面积年变化率在2000—2010年间明显减小，这与该时期城市化进程加快和大量开垦耕地种植农作物有显著关系。整体而言，1976—2017年间，荒漠年变化率逐年减小，且速率逐年增大，山区并未发生显著变化，说明绿洲的扩张是不断向着荒漠加快演进。

表3 天山北麓土地利用动态度 单位：%

2.2 水资源变化分析

1976—1990年间，天山北麓主要河流年径流量变化不明显，1990年以后奎屯河、玛纳斯河、呼图壁河、塔西河年径流呈缓慢增加趋势，巴音沟河、呼图壁河、金沟河、奎屯河、三屯河、头屯河年径流量变化并不显著(图2)。MK趋势检验Z值奎屯河3.26>2.32>0、玛纳斯河2.44>2.32>0、呼图壁河1.51>1.28>0，说明他们分别在99%、99%和90%置信水平上随时间序列呈显著增加趋势。其余河流径流MK趋势检验Z值均大于0但小于1.28，没有明显时间序列上升趋势。1976—2017年间天山北麓年降水量总体呈波动上升趋势(图3)，MK趋势检验Z值3.41>2.32>0，说明在99%置信水平上年降水量随时间序列呈现显著上升趋势。根据1976—2017年间天山北麓地表水域面积变化可以看出(图4)，2000年以前地表水呈增加趋势，2000—2010年呈现出减少趋势，2010—2017年呈现快速增加趋势。在20世纪90年代，随着全球气候变暖，天山北麓年平均气温升高，年降水量增多，冰川/永久积雪消融加剧，河流径流量增加；天山北麓绿洲供水补给主要由大气降水、地下水、地表径流、冰川/永久积雪融水等补给，随着新垦绿洲迅速扩张和城市化进程加剧，耕地与城建用地迅速增加，农作物灌溉需水以及人们生活、工业生产用水导致对水资源需求增大，降水与地表水已不足以维持绿洲的发展，人们转而对于地下水的开采变得尤为严重，对地表水资源消耗暂缓，导致地表水域面积出现增加趋势。

图2 主要河流径流量

图3 降水量

图4 地表水资源占地面积

2.3 绿洲扩张与水资源关联性分析

2.3.1 时间序列相关性分析

绿洲与降水量、河流径流量、地表水时间序列上的灰色关联度分别为0.939 0、0.906 5、0.928 2，呈显著性相关；对于绿洲内部而言，耕地、草地、水域与降水量，草地、林地、水域与河流径流量，林地、水域与地表水分别呈现显著相关性(表4)。究其原因：一是降水的发生对于耕地来说是一种水分的补充，有利于其更好地生长；二是由于研究区的特殊地理环境与气候，其内的草地、林地一般为天然草地、林地和人工牧草地、林地，自然植被的生长依托于降水补给以及地表径流滋养，人工植被的生长主要依托于地表径流和地下水引流灌溉；三是土地利用分类图中的水域是地面上直观可见的河流湖泊等地表水，所以与水资源指标间必然存在显著性相关；四是城镇、乡村居民生活生产用水来源于对地下水的开采，所以城建用地与降水量、河流径流量以及地表水相关性不显著；五是根据前文水资源的变化分析，天山北麓地处干旱半干旱区，降水量稀少，仅依靠降水无法满足耕地扩张与人类生产生活的需求，所以干旱区绿洲一定是依赖于水资源的另一种存在形式——地下水满足其扩张条件。

表4 灰色关联度

2.3.2 空间关联性分析

(1)方位分析

天山北麓绿洲分布于河流两侧及其周边区域，而绿洲的扩张主要体现在耕地、草地和城建用地面积的增加(图5)。1976—1990年间，在主要河流中下游附近耕地面积增加，乌鲁木齐河下游平原区城建用地面积增加。1990—2000年间，在天山北麓中部地区主要河流中游附近草地面积大幅度增加，河流下游区域耕地面积增加，玛纳斯河流域下游平原区城建用地面积增加；在天山北麓西部地区，耕地面积增加，草地和林地面积缩减。2000—2010年间，耕地继续沿河流向荒漠方向扩张，并且大面积连通成片，乌鲁木齐河流域、玛纳斯河流域和奎屯河流域城建用地面积增加，西部地区草地面积继续减少。2010—2017年间，玛纳斯河流域和奎屯河流域城建用地面积大幅增加，东部和中部地区在河流中游流域附近草地面积大幅度增加，石河子、昌吉、乌鲁木齐等区域耕地面积出现缩减，说明随着人类精神文明建设的推进，生态保护逐步贯彻落实，人们不再大肆开垦耕地。通过以上分析可以看出，绿洲的存在与发展紧紧依附河流水域而分布，可见河流水系的位置与走向决定了绿洲的存在位置与拓展方向。

图5 天山北麓土地利用类型图

(2)重心迁移分析

总体上，呈现绿洲重心向东迁移及水域向北迁移的趋势。具体而言，1976—2017年间天山北麓绿洲与水域的重心迁移轨迹相似，二者重心在1976—1990年间向西北方向迁移，在1990—2000年间向南偏东方向迁移，在2000—2010年间向东偏南方向迁移，在2010—2017年间向西北方向迁移(图6、7)，迁移轨迹虽不完全重合，但相同时段内迁移方向相同。通过测量在1976—2017年间各年绿洲重心与水域重心的距离，得到二者重心距离年际变化不明显，但整体上呈现增大的趋势，说明绿洲的发展与水域呈现明显的相关性，同时也表明绿洲扩张不再仅仅依赖于地表水供给，而是地下水支撑。

图6 绿洲重心迁移图

图7 水域重心迁移图

(3)距离分析

绿洲的发展变化与河流水域的距离呈现出显著相关性，绿洲面积占比与其距河流水域的距离成反比(图8)。1976—2017年间，在河流水域0～5 km范围内，城建用地、耕地面积持续增加，草地和林地面积呈波动变化趋势；在河流水域5～10 km范围内，城建用地面积波动变化，但总体呈增加趋势，耕地面积先增加后减少，总体呈增加趋势，草地面积先减少后增加，总体呈减少趋势，林地面积呈持续减少趋势；在河流水域10～15 km范围内，城建用地面积在2010年开始出现且在2010—2017年间呈增加趋势，耕地面积在1976—2010年间持续增加，但在2010—2017年间骤减，草地面积呈减少的平缓变化趋势，林地面积先增加后减少，总体呈减少趋势。从每个阶段来看，无论是1976—2017年5个年份区间中的哪一阶段，所有绿洲土地利用类型的面积均呈现随着与河流水域距离的增加而减少的趋势。

图8 距水域0～5、5～10、10～15 km范围内每公里绿洲面积

上述结果表明天山北麓绿洲紧密依赖于区域水资源的补给而发展。加之该绿洲在扩张进程中城建用地与耕地在不断增加，地表水呈现减少趋势，充分说明现如今绿洲的发展已由对地表水的依赖逐渐转移为对地下水的汲取。

3 结论与讨论

3.1 讨论

水资源是维系西北干旱区绿洲社会经济发展的主要因素，“有水一片绿，无水则是沙”是绿洲区域地貌的具体表现[28]。1976—2017年近40 a间，随着社会经济发展和人口增加，天山北麓绿洲处于持续不断地扩张变化中，且绿洲扩张速率逐年加快。但对于水资源匮乏的西北干旱内陆地区，在全球气候变化及高强度人类开发活动干扰下，其生态系统更加敏感脆弱，水土资源供需矛盾日益加剧[29-30]，导致区域水资源条件无法承载绿洲高速扩张。因此，迫切需要在本绿洲区实行严格的水资源管理，高度重视对于地表水域的生态保护以及地下水资源的合理有序开发、利用与保护[31]。同时，在绿洲土地利用规划过程中，要充分考虑区域水资源现状、利用趋势及生态环境效应，切实做到优化土地利用结构与布局，提高水资源利用效率，以实现区域水土资源的优化合理配置[32-33]。

受数据可获得性限制，本文选取的水资源指标并不全面，对于水资源变化分析也只是选用了传统趋势分析方法，有待未来进一步拓展和丰富。同时，与水资源利用相互作用的载体是特定的土地利用类型，因而往往局限在较小的空间尺度(如小流域)[34-36]，而本文以天山北麓绿洲为研究单元，在较大尺度上开展土地利用变化与区域水资源关联性的研究，不仅在研究尺度上进行扩充，而且对天山北麓经济带甚至西部其他区域提出水土资源配置的最优组合，实现生态系统良性循环及经济可持续发展以及水土资源配置总体规划都有良好的借鉴意义。另外，由于研究尺度、研究区域地理位置、气候气象条件、研究对象独有特点等方面差异，土地利用覆被变化水文效应研究的结论不完全一致[37-39]，各地区水土资源优化配置需要因地制宜，结合实际情况，合理制定优化方案。因此需要进一步综合考虑多方面因素的差异性，利用数理模型和实证分析方法准确地评价水土资源耦合性。还需加强不同学科之间的交叉研究，提高水土资源优化配置研究水平及结果。

3.2 结论

(1)1976—2017年间，天山北麓各时期绿洲扩张率分别为：0.53%、7.25%、11.75%、26.44%，绿洲面积共增加了52.33%，增加速度达494.06 km2/a；相反，荒漠面积退缩了24.96%，退缩速度为482.62 km2/a；同时，山区面积减少了34.80 km2。此外，1976—2010年，耕地、城乡建设用地面积持续增加；2010—2017年，城乡建设用地、草地面积也显著增加。纵观1976—2017年，引起绿洲扩张变化的主要土地覆被类型是耕地和城乡建设用地，其中城乡建设用地面积增加610.33%，耕地面积增加79.75%，这与社会经济发展状况密切吻合。

(2)时间序列上，天山北麓绿洲与区域降水量、河流径流量、地表水的灰色关联度分别为0.939 0、0.906 5、0.928 2，呈显著性相关。充分说明对于干旱半干旱的西北地区而言，绿洲的发展与水资源条件息息相关。

(3)空间位置上，研究区绿洲主要分布于河流水域的两侧及其周边区域，河流水系的位置与走向决定了绿洲的存在位置与拓展方向，与此同时，绿洲重心与水域重心迁移路线相似，二者间距离年际变化并不显著，总体呈缓慢增加趋势。空间距离方面，绿洲内部各土地利用类型的面积均呈现随着与河流水域距离的增加而减少的趋势，即绿洲面积占比与其距河流水域的距离成反比。以上结果表明绿洲的发展与水域具有显著相关性，同时也表明绿洲发展到新垦绿洲阶段，保持其活力的根源在于地下水资源的供给。