作为全球变化的主要原因之一,土地利用/覆被变化及其引起的自然现象和生态过程的变化成为目前全球环境研究的热点和前沿问题,引起了国际有关研究机构的广泛关注^[1]。土地利用/覆被变化对区域生态系统、气候、水文、土壤、水土流失和生物多样性等都产生重要的影响^[2~7]。塔里木河地处中国西北干旱区,是中国第一大,也是世界著名的内陆河。多年以来,塔里木河干流区在人类活动强烈作用和区域气候变化双重驱动下,土地利用/覆被发生了十分复杂的结构变化和相互转换^[8],以天然植被为主体的生态系统和生态过程因人为对水土资源时空格局的改变而受到严重影响,上中游土地大面积盐渍化,下游河水盐化,河道断流,湖泊干涸,地下水位大幅度下降,天然植被全面衰败,沙漠化过程加剧发展,夹持在塔克拉玛干沙漠和库鲁克沙漠间的“绿色长廊”急剧萎缩^[9]。虽然国家投入巨资对塔里木河流域进行综合治理,取得了一定的成效,但是塔里木河流域生态环境退化的趋势并没有有效的遏制。因此,迫切需要对干流区的土地利用/覆被变化进行研究并揭示其生态环境效应,以便采取合理的水土资源可持续利用和管理的对策与措施,对推动塔里木河流域经济社会的可持续发展,保障社会稳定,维护民族团结都具有重要的现实意义。

1 研究区概况

塔里木河干流从肖夹克至台特玛湖全长1 321 km,行政区域隶属于新疆维吾尔自治区库尔勒市、阿克苏市、阿拉尔市、轮台县、尉犁县、若羌县、库车县、沙雅县、新和县和新疆生产建设兵团5个团场。该区域干旱少雨,蒸发强烈,具有明显大陆性气候特征,年降水量一般在50 mm以下,蒸发量达2 300~3 000 mm;光照丰富,年日照时数为2 800~3 100 h;无霜期185~210 d,年平均温度高于10~11℃,≥10℃积温达4 000~4 350℃。该地区主要土壤类型为盐化草甸土、盐化林灌草甸土、盐土、绿洲潮土、风沙土和沼泽土等,属暖温带稀疏灌木、半灌木荒漠地带,塔里木盆地沙漠、稀疏灌木、半灌木荒漠区,可分为河岸落叶阔叶林、温性落叶阔叶灌丛、小乔木荒漠、半灌木、小半灌木荒漠、典型草甸、盐生草甸、草本沼泽7个植被类型^[10]。

本研究选择塔里木河干流区肖夹克至台特玛湖段塔里木河干流两岸,地理位置39°20′00″N~41°30′00″N,80°30′00″N~88°30′00″E,河道长度1 321 km,宽度20~75 km,总面积4.09×10⁴ km²（图1）。

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图1   研究区位置示意图

Fig.1   Location of the study area in the Tarim River basin

2 研究方法

2.1 数据源及处理

本研究以1973年MSS遥感影像,1983年1：10万航空遥感土地利用现状图^[10],1990年、2000年两个时期的TM遥感影像,2005年CBERS遥感影像为主要数据源。各数据源处理流程如下：将1：10万地形图扫描输入计算机,进行投影处理,并以此作为主控数据源,分别将1973年、1990年、2000年、2005年遥感数据进行配准。利用ArcInfo Workstation中Arctools模块,根据不同土地覆盖类型的影像色调、纹理等特征,建立相应的遥感解译标志,进行目视解译,并进行查错和修改,得到不同年份的土地利用/覆被数据。1983年土地利用/覆被数据来源于1：2.5万航片,精度可靠^[11]。精度检验采用随机抽样方法,分别在4期土地利用分类图上抽取360个样点,利用误差矩阵计算总精度和Kappa指数,结果表明：1973年、1990年、2000年、2005年的总精度和Kappa指数分别为：85.28%、89.17%、89.20%、88.67%和0.823、0.870、0.870、0.864,该精度能够满足大区域宏观土地利用/覆被变化分析的需要。

2.2 土地利用/覆被分类

在相关研究成果^[11,12]的基础上,结合塔里木河干流区的实际,将塔里木河干流区的土地类型分为耕地、林地、草地、湿地、城乡居民及建设用地（简称居工地）和未利用地,共6类（图2）。对于公路、农村道路、部分沟渠和防护林带等线性地物,因技术处理等原因无法单独分类,故分别划入到上述类型之中。

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图2   1973年、1983年、1990年、2000年和2005年塔里木河干流区年土地利用/覆被空间分布

Fig. 2   Land use/land cover pattern in the main stream of Tarim River in 1973,1983,1990,2000 and 2005

3 结果分析

3.1 塔里木河干流区土地利用/覆被变化特征

由图3可以看出,塔里木河干流区土地利用/覆被变化显著。其中,1973~1983年,居工地、耕地、未利用地和草地,面积分别增加了60.93%、30.77%、18.86%和0.43%。林地和湿地分别减少了28.24%和21.75%。各土地利用类型的动态度居工地最大,为6.09%,而草地仅为0.04%。1983~1990年相对缓和。耕地、居工地和未利用地持续增加,林地和湿地持续下降。除林地外,其他土地利用类型动态度较小,其绝对值均小于1%。1990~2000年,耕地和居工地面积持续增加,其中耕地面积增加了29.40 %。草地、林地和湿地面积持续减小。耕地动态度为2.94%,而林地为-0.08%。

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图3   塔里木河干流区1973~2005年不同时期的土地利用变化和土地利用类型动态度

Fig. 3   Area change of land use and dynamic degree of land use types at various stages in the main stream of Tarim River from 1973 to 2005

2000~2005年,耕地和居工地分别增加了59.57%和28.88%。与此同时林地、草地、湿地、未利用地面积表现出持续减小的趋势。在这一时段,耕地和居工地呈现剧烈的变化速度,其动态度分别为11.51%和5.78%。

从综合土地利用动态度看,塔里木河干流区土地利用的变化速度在4个时段经历了一个“显著变化—缓慢变化—显著变化—急剧变化”的过程（图4）。

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图4   塔里木河干流区土地利用类型综合动态度

Fig.4   The indices of land use dynamic degree in the main stream of Tarim River from 1973 to 2005

3.2 塔里木河干流区土地利用/覆被变化过程分析

从表1可以看出,1973~1983年,大量草地和林地被开垦为耕地,分别占耕地总转入面积的70.00%和22.74%。该时期草地和林地转变为湿地的面积占1983年湿地总面积的32.48%和11.70%。耕地、草地和林地在向居工地转变,其中耕地转入面积达60.84%。大量草地、林地和湿地转变为未利用地。1983~1990年,草地和林地继续向耕地转变。林地转化为草地和湿地的面积分别占1983年林地面积的13.16%和2.60%。湿地转为草地的面积占湿地转出面积的78.63%。未利用地主要转为为草地、林地和湿地,其中草地占总转入面积的88.88%。1990~2000年,大量的草地、未利用地和林地转化为耕地,其中草地转入面积占74.65%。湿地主要转为草地、林地和未利用地,其中转为前两者的面积分别占48.18%和36.58%。耕地转为居工地的面积占总转入面积的80.40%。未利用地转为草地、林地和耕地,其中转为草地的面积占80.50%。2000~2005年,草地、林地、未利用地和湿地向耕地转化,其中草地转向耕地的面积占71.92%。湿地面积持续减少,主要转化为草地、林地和耕地,分别占湿地转出面积的68.65%、23.42%和5.99%。居工地面积持续增加,主要转变来源仍是耕地,占居工地转入总面积的78.23%。该时期未利用地转为草地的面积占未利用地总转出面积的87.05%。

3.3 塔里木河干流区土地利用/覆被变化的生态环境效应

3.3.1 水环境恶化

研究时段内塔里木河干流区上中游耕地面积的显著增加,分别增加了15.22×10⁴ hm²和9.26×10⁴ hm²,造成上游耗水量的不断增大,中下游径流量的持续减小。根据塔里木河流域管理局提供的干流区耗水资料,2000~2005年干流上游的平均耗水量比上个世纪50年代增加了近1倍,而中游耗水量却减少了30%左右,下游更为明显,耗水量减少了62%以上（图5）。下游河道来水量的减少,又造成地下水补给量减少,最终造成下游地下水位不断下降^[13]。

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图5   塔里木河干流区各时段耗水量

Fig. 5   Water resources consumption of Tarim River in different periods

3.3.2 土壤质量改变

林地、草地和湿地向耕地的转化过程中,人类通过种植、耕作、施肥等措施,逐渐使原来土壤盐分含量较高的盐土的剖面结构和理化性状发生了根本变化,盐渍化程度有所降低,同时地下水也可得到淡化。如上游阿拉尔垦区1 m土层土壤盐分由1958年36.2 ~76.1 g/kg减少为1995年的1.26 ~5.1 g/kg,土壤盐分平均减少95.87%。与此同时地下水埋深也得到抬升,水质得到淡化,该区地下水埋深由1958年的5.35~5.46 m抬升到1995年的1.7~1.95 m,矿化度由1958年的14.11 ~35.89 g/kg下降到1995年的2.51 ~6.19 g/kg^[14]。

3.3.3 天然植被严重退化

干流区土地利用/覆被的变化,特别是耕地面积的不断扩大占用了大量林地和草地,致使干流区林草地面积减少。同时上中游耕地面积的增加,需要大量引水以满足灌溉,致使致下游来水量减少,地下水位下降,最终导致下游荒漠河岸林衰败死亡,草地大面积退化。塔里木河干流区胡杨林面积从20世纪50年代到90年代减少了47.72%,其中上游减少了49.00%,中游减少了33.73%,下游减少了87.78%^[15]。

3.3.4 荒漠化加剧

上中游耕地面积的增加,使得耗水量不断增大,造成下游来水量减少,最终引起天然植被衰败,沙漠化程度加剧,穿越“绿色走廊”的218国道已有137处受到沙害侵袭 ^[16]。阿拉干地区沙漠化问题更加突出,1959~1996年,极度沙漠化土地面积增加了16.65%,强度沙漠化面积增加了92.11%,中度沙漠化面积增加了11.31%,沙漠化总面积以平均每年0.24％的速度扩展^[17]。

3.3.5 湿地面积减少,生物多样性丧失

从1973~2005年,干流区湿地面积减少了28.44%,其中减少的湿地以沼泽湿地为主,占湿地减少总面积的66.42%^[18]。耕地面积的扩大占用大量的林地、草地和湿地,同时由于下游水资源减少,造成荒漠河岸植被全面衰退,进而引起干流区生物多样性显著减少。由于胡杨林面积的锐减,草本植物种类从200种降低到20种,野生动物由26种降到5种^[15]。

4 讨 论

以上研究结果显示,在过去的30多a里塔里木河干流区土地利用/土地覆被变化显著,总体上表现为耕地和城乡居民及建设用地的大幅度扩张,并伴随着林地、草地和湿地的大面积丧失。

在4个时段中,土地利用变化经历了一个“显著变化—缓慢变化—显著变化—急剧变化”的过程。这与塔里木河流域开发历史基本一致,建国初期至20世纪80年代初,受“以粮为纲”思想的影响,大面积扩大粮食生产,使大量的林草地转变为耕地,再加上各种农作物单产较低,农业生产的发展主要依靠扩大耕地面积^[19],因此,耕地面积增加显著;80年代中后期,干流区的土地开发转入巩固提高为主,提高单产的深度开发阶段,耕地面积增加较为缓慢^[20];到了90年代,在市场经济条件下,棉花价格的上涨刺激了棉花种植,使得大量林草地和湿地被开垦为耕地,同时部分盐碱地等未利用地也被复垦为耕地,致使耕地面积再次显著增加^[21];2000年以后,国家先后减免了农业税,同时粮食和棉花价格持续攀升,在经济利益驱使下,中上游大量的林草地和湿地被开垦为耕地,特别是以家庭农场为主的开垦热潮,造成耕地面积急剧增加。

在过去的30多a里,塔里木河干流区人口数量呈持续增加的趋势,干流区总人口增加了近1倍,农业人口增加了61.50%,随着人口的增加,粮食需求剧增,为了解决温饱问题,当时的耕地不够维持生活,就以砍伐森林、开垦草地和湿地来扩大耕地面积,造成耕地面积不断增加而林地、草地和湿地大面积减少。同时人口增加,引起城镇扩张、道路及其他基础设施建设强度增加,造成居工地面积显著增加^[21]。未利用地呈现出先增加后减小,正好反映了塔里木河干流区的生态环境在自然和人类活动共同作用下,经历了从20世纪50年代以来到90年代中期不断恶化的过程^[22],到了90年代末,随着国家退耕还林还草工程和塔里木河流域近期综合治理工程的实施,未利用地持续增加的趋势得到了一定程度的遏制,但整体退化趋势仍然存在。可见,人口增长、经济发展因素以及国家政策是塔里木河干流区土地利用/覆被变化的主要驱动力因素。

塔里木河干流区由于域特殊的地理条件,其生态环境对人类干扰的响应和承受力具有一定的敏感性和脆弱性。随着全球气候变化、人类活动对环境扰动的加剧,土地利用/覆被变化在深度、广度以及速度上都呈剧增趋势,由此带来水环境恶化、土壤质量改变、天然植被全面衰败、土壤盐渍化和沙漠化加剧、湿地面积减少和生物多样性丧失等一系列后果,使原本脆弱的生态环境受到了巨大的威胁,生态系统严重受损。

5 结 论

塔里木河干流区土地利用/土地覆被变化显著,总体上表现为耕地和城乡居民及建设用地的大幅度扩张,并伴随着林地、草地和湿地的大面积丧失。在1973~1983年、1983~1990年、1990~2000年、2000~2005年4个时段中土地利用变化呈“显著变化—缓慢变化—显著变化—急剧变化”的过程。

在研究时段内,大量的草地、林地和湿地转化为耕地,同时,部分的耕地又转化为城乡居民及建设用地,使得耕地和居工地面积显著增加,而草地、林地和湿地面积减少,而未利用地呈现出先增加后减小,但总体上呈增加态势。

土地利用/覆被变化带来水环境恶化、土壤质量改变、天然植被全面衰败、土壤盐渍化和沙漠化加剧、湿地面积减少和生物多样性丧失等一系列后果。因此,在以后的水土资源开发过程中,必须树立可持续发展思想,规范人类对自然资源的利用方式和方向,加强生态保护,以促进水土资源开发、区域经济与生态环境可持续发展。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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