基于土地利用与水资源变化的和田河流域绿洲适宜规模分析

Analysis of the Suitable Scale of Oasis in the Hotan River Basin Based on Changes in Land Use and Water Resources

摘要: 随着经济的快速发展，和田河流域耕地与绿洲发展规模不断扩大，探究和田河流域土地发展与绿洲演变对其可持续发展具有重要意义。本文采用遥感数据、土地利用转移矩阵和水热平衡法等方法，探究和田河流域土地利用格局与绿洲演变、绿洲适宜规模及耕地适宜面积。结果表明：1) 1990~2020年，流域内耕地和草地面积增加和未利用地面积减少十分显著，并且明显转化为其他土地类型。期间耕地面积增长率高达36.12%，未利用地共减少1435.99 km²。2) 期间流域内绿洲面积增加了454.11 km²，2000~2010年显著增加。3) 在“绿度”取值0.75和1时，适宜绿洲规模分别为4381.40 km²和5841.87 km²，适宜耕地面积范围则分别在1314.40~1752.53 km²和1752.53~2336.73 km²。随着流域耕地和绿洲规模不断扩张，需要科学推进绿洲发展，建设高标准节水农田。

Abstract: The development scale of arable land and oasis in Hotan River basin is expanding with the rapid economic development, and it is of great significance to explore the land development and oasis evolution for its sustainable development. In this paper, the remote sensing data, land use transfer matrix and water-heat balance method are used to explore the land use pattern and oasis evolution in the Hotan River basin, the suitable scale of oasis and the suitable area of arable land. The results show that: 1) From 1990 to 2020, the increase in the area of cultivated land and grassland and the decrease in the area of unutilized land are very significant, and they are obviously transformed into other land types. During this period, the growth rate of arable land area was as high as 36.12%, and the unutilized land area decreased by 1435.99 km². 2) The oasis area of the basin increased by 454.11 km² during the period, and the oasis area in-creased significantly from 2000 to 2010. 3) When the value of “greenness” is 0.75 and 1, the suitable size of oasis is 4381.40 km² and 5841.87 km² respectively, and the suitable area of cultivated land ranges from 1314.40~1752.53 km² and 1752.53~2336.73 km² respectively. As the size of arable land and oases con-tinues to expand, it is necessary to scientifically promote the development of oases and build high-standard water-saving farmland.

1. 引言

土地利用/覆被变化(LUCC)是人类与陆地自然环境相互影响与交互作用中最基本的表现，同样也是改变全球环境的关键，对生态系统变化、生物循环和生物多样性具有巨大影响 [1] 。在土地利用类型转变的过程中，常常会引起区域生态系统的服务功能和结构的变化，这些变化同样会影响生态环境的发展 [2] [3] ，如直接导致景观退化，影响地表，导致温室气体排放、生物多样性丧失、土壤资源退化和全球气候变化 [4] [5] 。伴随着耕地扩张和城市化进程，大量的自然土地，如森林和湿地，已经被开发成农业用地和人类居住区，其结果对人类和自然环境产生了深远的影响 [6] [7] 。

绿洲是区域生态环境重要的组成部分，开展绿洲分布和演变的研究，对于维护绿洲生态稳定具有重要意义 [8] [9] 。随着社会经济快速发展和人类活动不断加强，绿洲的演变过程成为当前研究的热点问题之一，主要以绿洲结构、面积以及土地利用等研究内容为主 [10] 。对于绿洲适宜规模的研究是为了明确绿洲规模与水土资源之间的关系，进一步缓和人地关系的矛盾 [11] 。关于绿洲的定义，主要是指荒漠中有水源且有植物生长地方，是在干旱或半干旱生态系统中由地下水或河流影响形成的绿色地方。高华君认为绿洲是位于荒漠中，地面平坦、水源充足、适于植物生长和人类居住或暂住，并可供人类从事经济活动的地区 [12] 。黄盛璋认为绿洲是人类在干旱地区通过灌溉改造和利用自然而使农牧业发展的地方，是荒漠地带特有的地理现象 [13] 。与此同时，王涛在分析我国北方土地沙漠化趋势时提到，绿洲主要是由城镇居民用地、林地、耕地及水域(含湿地)四大类组成的特殊生态单元 [14] 。绿洲作为干旱区特有的生态景观，众多学者对其有着有不同的定义。

和田河流域位于塔克拉玛干沙漠主风向的下风向，是新疆的极干旱区。干旱、风沙及盐碱是该区域的三大自然灾害，因此，水土资源的利用率低。特别是和田河下游流经环境条件极其恶劣的塔克拉玛干沙漠，生态系统对外界的敏感性较强，并且恢复能力差，进而造成流域生态脆弱性较大。本文对和田河流域的土地利用格局与绿洲演变特征开展分析，通过水热平衡阀探讨了流域绿洲适宜规模及耕地适宜面积，结合和田河流域后备土地资源，进一步提出国土空间可持续管理对策，对和田河流域的可持续发展具有重要意义。

2. 研究区域与方法

2.1. 研究区概况

和田河流域位于塔克拉玛干沙漠南缘、昆仑山的北麓，塔里木盆地的西部，地理位置介于77˚25'~81˚43'E、34˚28'~40˚28'N之间，流域土地总面积48,870 km² [15] 。和田河流域全长1127 m，并有玉龙喀什河和喀拉喀什河两条源流，两河在阔什拉什附近汇合(图1)；流域地势南高北低，由西向东倾斜，绿洲主要分布在冲积平原的中、下部，并延伸至塔里木盆地 [16] [17] [18] 。由于该地区恶劣的气候条件和水资源短缺，流域极易受到气候变化的影响 [19] 。

Figure 1. Overview of the study area

图1. 研究区概况

2.2. 数据选取

遥感数据源自中国科学院资源环境科学与数据中心1990~2020年30 m空间分辨率的TM土地利用数据(http://www.resdc.cn/)。本研究选取1990~2020年，间隔为10年的4期影像，依据《土地利用现状分类》国家标准，采用一级标准分类体系，将塔里木河流域划分为耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用地六类；并采用混淆矩阵和Kappa系数的方法来评估遥感解译精度和准确性 [20] 。

径流资料来自和田河流域出山口水文站，包括同古孜洛克站和乌鲁瓦提站。气象数据来自《新疆统计年鉴》《水资源公报》和中国气象数据网(http://data.cma.cn/)。

2.3. 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵反映研究区内研究初期和研究末期各个土地利用类型面积相互转变的动态过程。通过探究塔里木河流域不同土地利用类型间面积变化情况及其相互转化过程，进一步研究土地利用的演变过程 [21] 。

$S_{ij}=\left[\begin{array}{ccc}{S}_{11}& \cdots & S_{1n}\\ ⋮& \ddots & ⋮\\ S_{n1}& \cdots & S_{nn}\end{array}\right]$ (1)

式中：S表示面积； $i,j\left(i,j=1,2,\cdots ,n\right)$ 转移前与转移后的土地利用类型； $S_{ij}$ 表示土地利用从类型i变化为j的面积；n表示转移前后土地利用类型数。

2.4. 水热平衡法

绿洲是干旱区赖以生存的重要组成部分，绿洲规模的大小、适宜与否直接关乎其承载力及干旱区的生态与环境。我们通过水热平衡法计算绿洲适宜面积以及耕地适宜面积大小。水热平衡法与诸多因素相关，其中参考作物蒸发量ET₀相对最为重要 [22] [23] 。其中，和田河绿洲参考作物蒸发量ET₀为1292.84 mm。同时依据耕地率取综合作物指数K_p为0.75，绿洲设计的“绿度”H₀取0.75~1，耕地率K_t取值30%~40%。

$A=\frac{W-W^{\prime }}{\left(E{T}_0-a\right)\cdot K_p\cdot H_0}$ (2)

$A_c=A\cdot K_t$ (3)

式中：W为绿洲区水资源量， $W^{\prime }$ 为工业用水、城乡生活用水、水电用水和生态用水的总和。A为绿洲适宜面积，ET₀为按彭曼公式计算的参考作物腾发量，a为区域年降水量，K_p为绿洲内主要植物的综合植物系数，H₀为水热平衡指标。A_c为适宜耕地面积，K_t为适宜耕地率，指适宜耕地占绿洲总面积的百分比。

3. 结果与分析

3.1. 和田河流域土地利用/覆被时空变化格局分析

1990~2020年，和田河流域土地利用发生显著变化(图2)。主要表现为耕地面积的持续增加以及未利用地面积的不断减少。期间耕地面积由1990年的1191.96 km²增加至2020年的1622.50 km²，增长率高达36.12%，且在2000年~2010年增加显著，新增面积主要集中在和田河流域中下游。未利用地面积共计减少1435.99 km²，在和田河流域中游减少十分明显。期间草地新增面积为568.67 km²，主要集中在和田河流域中游。随着全球变暖变化导致冰川加速融化，径流和降水的迅速增长，高山积雪消融加速使流域水体面积处于上升趋势，在和田河流域上中游位置增加明显。林地和建设用地面积同样增加且变化较小。自1990年以来，研究区不同土地利用/覆被类型的等级保持不变，表现出未利用地 > 草地 > 水体 > 耕地 > 建设用地 > 林地(表1)。

Figure 2. Land use patterns in the Hotan river basin

图2. 和田河流域土地利用格局

Table 1. Changes in land use area in the Hotan River basin, 1990~2020 (km2)

表1. 1990~2020年和田河流域土地利用面积变化(km²)

3.2. 和田河土地利用结构变化分析

由1990~2020年和田河流域土地类型转移矩阵可以看出(表2)，期间内各土地类型间的面积转化频繁。将整个时期分为三个阶段，分别为1990~2000年、2000~2010年和2010~2020年。土地类型间的相互转化情况分析可见：

1) 1990~2000年耕地和草地、草地和未利用地之间的转化十分突出，耕地面积增加的主要是由草地转化而来的，期间内草地向耕地转化比例占12.75%。草地向耕地和未利用地转化是草地面积减少的主要原因，分别占1.82%和16.20%。林地、水体和建设用地在此期间的转化比例较小。

2) 耕地扩张主要发生在2000~2010年，耕地面积的增加主要是由未利用地和草地向耕地转化，占比分别为20.91%和2.57%。另外则是草地与其他土地类型间的转化十分显著，其中由草地向林地转入的面积所占比例为80.57%，还有52.13%建设用地由草地转入。期间未利用地面积减少的原因除了转化为耕地外，还向草地和水体转入，其中占比分别为21.46%和15.43%。

3) 2010~2020年土地类型间的转化较为平稳，整体上仍然是耕地、草地和未利用地之间发生转化。其中耕地面积上升主要是由草地和未利用地转入，转化比例分别为26.89%和10.49%，同样耕地也向建设用地发生转化，占比为14.89%。除了部分未利用地转化为耕地外，还有11.72%向草地转出，草地向林地和建设用地转化的比例为50.37%和22.34%，以及有9.41%的水体向未利用地转化。

1990~2020年期间，流域内耕地和草地面积增加和未利用地面积减少十分显著，并且明显转化为其他土地类型。从转移的角度来看，主要的特征是和田河流域的草地转变为耕地、林地和建设用地，未利用地不断开发利用转化为耕地和草地。除了部分未利用地转化为耕地外，还有一部分向草地和水体转出，占比分别为22.64%和15.05%。

3.3. 和田河流域绿洲演变及适宜规模

根据前人对绿洲的定义，本文将和田河流域平原区除未利用地及草地以外的土地利用类型作为绿洲，以此计算和田河流域1990年至2020年不同时期的绿洲面积。1990~2020年期间，和田河流域绿洲面积由1211.19 km² (1990年)增加至1665.30 km² (2020年)，共计增加454.11 km²，增长率为37.49%。并且在2000~2010年绿洲面积显著增加，增加速度为25.39 km²/年。整个时期内，绿洲新增面积主要集中在和田河中游(图3)。

Table 2. 1990~2020 land type transfer matrix (km2)

表2. 1990~2020年土地类型转移矩阵(km²)

Figure 3. Spatial distribution of oases in the Hotan River basin, 1990~2020

图3. 1990~2020年和田河流域绿洲空间分布

和田河自2010年以来，由于气温和降水量显著升高，加快了山地冰川的消融速度，从而导致流域水体面积的增加，山区来水量呈明显增加趋势 [24] ，由2010年以前的43.83亿方增加到2010年以后的53.54亿方，增幅为22.15%。其中，喀拉喀什河(乌鲁瓦提站)由22.29亿方增加到27.51亿方，增幅为23.42%；玉龙喀什河(同古孜洛克)由21.55亿方增加到26.03亿方，增幅为20.79% (图4)。

Figure 4. Trend analysis of runoff volume changes in the Hotan River basin

图4. 和田河流域径流量变化趋势分析

Table 3. Area of suitable oasis and cultivated land in the Hotan River basin

表3. 和田河流域适宜绿洲面积与耕地面积

我们通过水热平衡法计算绿洲适宜面积以及耕地适宜面积大小(表3)，并根据王忠静等人对“绿度”的划分，“绿度”在0.75~1之间时绿洲生态趋势基本能维持平衡 [25] 。水热平衡法计算结果显示，若绿洲规划“绿度”取值0.75，即仅维持绿洲生态系统较低水平的平衡时，和田河适宜绿洲规模约为4381.40 km²，适宜耕地面积在耕地率取值为30%、35%和40%时分别为1314.40 km²、1533.47 km²和1752.53 km²。若要实现绿洲较高的稳定水平，即绿洲内“绿度”设计为1时，和田河适宜绿洲面积为5841.87 km²，适宜耕地面积在耕地率取值为30%、35%和40%时分别为1752.53 km²、2044.67 km²和2336.73 km²。

4. 结论

1990~2020年，和田河流域内耕地和草地面积增加和未利用地面积减少十分显著，并且明显转化为其他土地类型。期间耕地面积增长率高达36.12%，未利用地共减少1435.99 km²。从转移的角度来看，主要特征为草地转变为耕地、林地和建设用地，未利用地不断开发利用转化为耕地和草地。

期间内流域绿洲面积增加了454.11 km²，并且在2000~2010年绿洲面积显著增加。根据水热平衡法计算结果显示，在“绿度”取值0.75和1时，适宜绿洲规模分别为4381.40 km²和5841.87 km²，适宜耕地面积的范围则分别为1314.40~1752.53 km²和1752.53~2336.73 km²。因此，需要科学优化水资源利用上线，提升水资源利用效率，科学推进绿洲发展与碎片化农业用地流转，积极发展和扩大绿洲面积，充分利用盐碱地资源，加快规模化现代农业建设，全面增强农业水土开发综合效能和绿洲生产力，促进和田地区可持续发展，实现水–能–粮协同发展。

基金项目

昆仑山北坡水资源开发潜力及利用途径科学考察(2021xjkk0100)；干旱区典型绿洲水资源变化与水土资源匹配和优化配置研究(TGJJG-2023KYXM0011)。