王生霞，葉柏生，周兆葉，秦 甲，李 曼

（1.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730000；2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050）

關(guān)于綠洲，學(xué)者們從不同角度對(duì)其進(jìn)行了界定。綠洲作為干旱區(qū)的一種特有景觀，是指荒漠中有穩(wěn)定水源供給、草木繁茂或生產(chǎn)發(fā)達(dá)、人口聚集繁衍的生態(tài)地理景觀［1］。綠洲作為干旱區(qū)最為精華的部分，其穩(wěn)定性直接影響區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展［2］。

中國(guó)西北內(nèi)陸河流域綠洲自發(fā)展農(nóng)業(yè)以來(lái)，其形成和發(fā)展過(guò)程即與水資源開(kāi)發(fā)利用相伴而生。水資源是維持綠洲穩(wěn)定的決定性因素，水資源的豐富與否和時(shí)空分配直接決定著綠洲的大小和時(shí)空分布形態(tài)。隨著人類活動(dòng)干預(yù)加強(qiáng)，綠洲穩(wěn)定性面臨日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其影響主要通過(guò)綠洲耗水間接作用于綠洲人口、資源、環(huán)境和協(xié)調(diào)發(fā)展。學(xué)者們多利用水文過(guò)程模擬、水量平衡、水熱平衡等方法分析綠洲耗水與綠洲規(guī)模之間的關(guān)系［2－12］。但關(guān)于冰川徑流對(duì)西北內(nèi)陸河流域出山年徑流量、綠洲規(guī)模穩(wěn)定性的影響的研究很少。

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分［13］，是綠洲的集中體現(xiàn)。植被覆蓋與氣候因子密切關(guān)系，影響著土壤濕度、地表溫度、地表能量和水循環(huán)［14］。植被指數(shù)作為評(píng)價(jià)植被覆蓋度、生長(zhǎng)活力和生物量等植被信息的重要指標(biāo)，已廣泛應(yīng)用于許多研究領(lǐng)域［15］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近40年來(lái)，在光學(xué)遙感領(lǐng)域已發(fā)展了40多種植被指數(shù)［16］，其中歸一化植被指數(shù)NDVI（Normalized Difference Vegetation Index），是植物生長(zhǎng)狀態(tài)和植被空間分布密度的指示因子［17］，應(yīng)用最廣泛［18］。利用 AVHRR （Advanced Very High Resolution Radiometer）遙感資料獲取渭干河流域NDVI，通過(guò)分析其與流域地表徑流和綠洲耗水之間的關(guān)系，得出不同情景假設(shè)下流域地表徑流、綠洲面積和綠洲耗水變化，尤其是冰川徑流對(duì)出山年徑流量和綠洲的貢獻(xiàn)。認(rèn)識(shí)綠洲耗水、地表徑流量和綠洲變化，有助于分析干旱區(qū)綠洲的水資源承載力和水土資源配置，為防止水資源不足情況下土地過(guò)度利用引發(fā)的生態(tài)問(wèn)題提供應(yīng)對(duì)措施，為建立可持續(xù)發(fā)展的干旱區(qū)平原綠洲提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 渭干河流域主要由木扎提河、卡布斯浪河、臺(tái)勒外丘克河、卡拉蘇河以及黑孜河匯聚成的渭干河和庫(kù)車(chē)河組成。渭干河在出山口后呈輻射狀分布，地勢(shì)北高南低，綠洲主要集中在海拔1 200m以下（圖1）。渭干河流域綠洲位于天山南麓，范圍大致位于80°54′～83°48′E，41°00′～42°24′N，是完整且相對(duì)閉合的山前沖洪積平原綠洲。屬大陸性暖溫帶極端干旱氣候，光熱資源豐富。1960－2010年來(lái)多年平均降水量為120.3mm［19］，同期多年平均氣溫為9.6℃。流域水資源維護(hù)養(yǎng)育著綠洲發(fā)展，是綠洲主要的灌溉水源，1965－2006年多年平均徑流量為29.9×108m3，年徑流量變率為0.17，其中冰川徑流占出山徑流量的56.2%［20］。當(dāng)前流域綠洲的河水引水量已達(dá)渭干河年徑流量90%以上，基本無(wú)下泄水量。整體上，流域綠洲水資源利用程度高，但利用效率低下，引發(fā)的綠洲內(nèi)部次生鹽堿化現(xiàn)象嚴(yán)重［10］。

圖1 渭干河流域綠洲水系、高程及地理位置Fig.1 The Weigan River basin oasis water system，elevation and geographic location

沙雅縣、新和縣、庫(kù)車(chē)縣和拜城縣從南向北分布于渭干河流域綠洲。流域綠洲經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)“南農(nóng)北工”局面。其中沙雅縣、新和縣以農(nóng)業(yè)為支柱產(chǎn)業(yè)，第一產(chǎn)業(yè)GDP占到地區(qū)生產(chǎn)總值的40%；拜城縣在2003年之后第二產(chǎn)業(yè)GDP占地區(qū)生產(chǎn)總值的比重開(kāi)始超過(guò)第一產(chǎn)業(yè)，超過(guò)量為40%；庫(kù)車(chē)縣在2000年之后第二產(chǎn)業(yè)比重開(kāi)始超過(guò)第一產(chǎn)業(yè)，且比重持續(xù)增加，超過(guò)量為40%。流域綠洲種植結(jié)構(gòu)大體一致，以糧食作物為主，但比重不斷減少，經(jīng)濟(jì)作物以薯類、油料、棉花（Gossypiumhirsutum）、甜菜（Beta vulgaris）等為主。以灌溉農(nóng)業(yè)為主的綠洲經(jīng)濟(jì)嚴(yán)重依賴并影響著流域地表水資源。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1 水文、氣象數(shù)據(jù) 渭干河流域主要包括渭干河和庫(kù)車(chē)河，水文數(shù)據(jù)選取流域出山口水文站數(shù)據(jù)，分別是渭干河出山口水文站點(diǎn)黑孜水庫(kù)站和庫(kù)車(chē)河蘭干站。這兩個(gè)出山口水文站徑流數(shù)據(jù)的選取一方面考慮與遙感資料時(shí)間相對(duì)應(yīng)，另一方面考慮渭干河流域農(nóng)作物灌溉制度（10－11月冬灌，3－4月春灌，5－7月夏灌，8－9月秋灌），故徑流數(shù)據(jù)選取的是1981年10月至2006年9月的月徑流數(shù)據(jù)。然后將黑孜水庫(kù)站、蘭干站兩個(gè)水文站相應(yīng)年份的年徑流量（水文年）求和作為當(dāng)年灌溉期來(lái)水量，統(tǒng)稱為綠洲來(lái)水量。因渭干河流域相對(duì)閉合，流域出山徑流全部消耗于流域內(nèi)部綠洲，基本無(wú)下泄流量，故當(dāng)年綠洲的地表徑流耗水量等于當(dāng)年出山徑流量，統(tǒng)稱這部分耗水為綠洲耗水量。此外，流域綠洲降水部分雖然對(duì)徑流過(guò)程沒(méi)有貢獻(xiàn)，但對(duì)綠洲植被有積極作用，在考慮流域水文生態(tài)關(guān)系時(shí)不能忽略這一部分降水的作用，本研究稱這部分降水為綠洲降水，綠洲降水和綠洲耗水量總稱為綠洲總耗水。本文中涉及到的冰川徑流數(shù)據(jù)使用的是Gao等［20］的模擬結(jié)果。

氣象數(shù)據(jù)源于國(guó)家氣象臺(tái)站拜城站和庫(kù)車(chē)站，其中氣溫?cái)?shù)據(jù)用的是實(shí)測(cè)值，降水?dāng)?shù)據(jù)是根據(jù)國(guó)家氣象臺(tái)站觀測(cè)修正后的值［19］。情景分析部分冰川徑流使用的是拜城站1960－2010年來(lái)多年平均氣溫實(shí)測(cè)值，統(tǒng)稱為山區(qū)氣溫。綠洲來(lái)水量使用的是拜城站多年平均降水實(shí)測(cè)修正值，統(tǒng)稱為山區(qū)降水。其余情況下用的是兩個(gè)站的多年平均值的均值。

1.2.2 NDVI數(shù)據(jù) NDVI是目前表征地表植被狀況最具代表性的一個(gè)指標(biāo)，用于綠洲面積提取。NDVI數(shù)據(jù)選取1982年3月至2006年10月的NOAA／AVHRR資料，該資料由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)“中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”（http：／／westdc.westgis.ac.cn）提供。NDVI數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率15d，空間分辨率是8km，投影是ALBERS。原始DN（Digital Number）值是－10 000～10 000，使用前通過(guò)ArcGIS將其轉(zhuǎn)換成介于［－1，1］。

為獲取渭干河流域綠洲NDVI數(shù)據(jù)，首先在ArcGIS中用研究區(qū)邊界切割圖像，得到渭干河流域綠洲NDVI，以月為單位用 MVC（Maximum Value Composites）法獲得［21］綠洲內(nèi)的逐月 NDVI值，可以有效減弱大氣中云、氣溶膠、云陰影、視角及太陽(yáng)高度角的影響［22］。依據(jù)流域綠洲農(nóng)作物的生長(zhǎng)期（3－10月），以每年生長(zhǎng)期NDVI值的逐月累加和的平均值作為綠洲農(nóng)業(yè)活動(dòng)的綜合指標(biāo)。

通過(guò)利用代表綠洲人類活動(dòng)因素綜合指標(biāo)的NDVI，分析近25年來(lái)每個(gè)柵格NDVI的變率和變化趨勢(shì)，以此反映流域綠洲的時(shí)空變化。變率用變異系數(shù)Cv表征，變化趨勢(shì)用線性回歸方法確定［23－24］。依據(jù)變化趨勢(shì)范圍，將其劃分為7個(gè)級(jí)別（表1）。

表1 渭干河流域NDVI值變化趨勢(shì)分級(jí)Table 1 Classification of NDVI value changing trend in the Weigan River Basin

一般認(rèn)為生長(zhǎng)期NDVI超過(guò)0.1表示有植被覆蓋，NDVI增加表示綠色植被增加；NDVI在0.1以下表示地表無(wú)植被覆蓋［25－28］。顧娟等［29］在黑河流域NDVI時(shí)序分析中將NDVI值等于0.13作為裸地和地表是否有植被覆蓋的臨界值。金曉媚［30］在研究黑河流域天然植被面積變化中將NDVI值超過(guò)0.3表示為地表有天然植被覆蓋。鑒于NDVI對(duì)土壤背景較敏感［25］，特別是綠洲與戈壁交錯(cuò)帶，土壤背景變化對(duì)NDVI值影響較大，故將NDVI值等于0.2定為閾值來(lái)劃分荒漠和綠洲，即NDVI值大于0.2的區(qū)域?yàn)榫G洲。統(tǒng)計(jì)出每年生長(zhǎng)期NDVI值大于0.2的柵格數(shù)，以此作為當(dāng)年綠洲面積。

1.2.3 情景假設(shè) 依據(jù)全球氣候變化情景，預(yù)估未來(lái)冰凍圈變化對(duì)流域綠洲變化的影響。假設(shè)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需水量和水資源利用效率等保持不變，氣候變化情景分別是：1）氣溫不變，降水分別增加10%、20%、30%；2）降水不變，氣溫分別升高0.5、1.0、1.5、2.0℃；3）氣溫升高0.5、1.0、1.5、2.0℃，同時(shí)降水分別增加10%、20%、30%。

氣候變化情景假設(shè)下，相應(yīng)的未來(lái)冰凍圈變化情景假設(shè)及其對(duì)流域綠洲來(lái)水量和綠洲面積的影響見(jiàn)表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 渭干河流域地表徑流變化 1982－2006年的25年來(lái)，渭干河流域綠洲來(lái)水量、綠洲總耗水量以及黑孜水庫(kù)站和蘭干站年徑流量均呈增加趨勢(shì)（圖2）。其中，相較于研究初期，25年來(lái)綠洲來(lái)水量增加4.8%，綠洲總耗水相比研究初期增加15.7%，主要原因是綠洲耕地迅速擴(kuò)張引起耗水量劇增。從圖2還看到，綠洲來(lái)水量于1994年前呈減少趨勢(shì)，1994年后呈增加趨勢(shì)，而綠洲總耗水1995年后增加幅度明顯大于1995年之前，綠洲總耗水量突變年相對(duì)綠洲來(lái)水量滯后1年，這與黑孜水庫(kù)對(duì)綠洲來(lái)水量發(fā)揮調(diào)蓄功能有關(guān)。

表2 未來(lái)冰凍圈變化情景及其對(duì)流域綠洲來(lái)水量和綠洲面積的影響Table 2 The scenarios of cryospheric changes in future and its impact on basin oasis inflow and oasis area

圖2 1982―2006年渭干河流域地表徑流量變化Fig.2 Changes of surface runoff of the Weigan River Basin from 1982to 2006

2.2 渭干河流域NDVI空間變化 根據(jù)1982－2006年渭干河流域綠洲NDVI的空間變化趨勢(shì)（圖3a）可以看出，NDVI減少區(qū)主要分布在出山口綠洲邊緣和沙雅縣東南部緊鄰塔里木河干流處，增加區(qū)主要分布在木扎提河出山口平原綠洲和流域下游西南、南部綠洲。

從流域綠洲NDVI變率空間分布（圖3b）看，位于沙雅縣、新和縣的綠洲內(nèi)部NDVI波動(dòng)相對(duì)最小，這與黑孜水庫(kù)、躍進(jìn)水庫(kù)對(duì)出山徑流量的調(diào)控緊密相關(guān)。拜城盆地以北主要是戈壁，植被稀疏，NDVI波動(dòng)相對(duì)較小。拜城盆地南緣沿渭干河河道和躍進(jìn)水庫(kù)附近綠洲NDVI波動(dòng)相對(duì)最大，這與渭干河流域出山徑流年徑流量波動(dòng)較大和耕地?cái)U(kuò)張有關(guān)。

總之，木扎提河出山口綠洲NDVI減少且變化大，拜城盆地南緣NDVI增加且變化大。流域綠洲在研究期內(nèi)整體表現(xiàn)為NDVI持續(xù)增加（圖3）。

圖3 1982―2006年渭干河流域綠洲NDVI空間變化趨勢(shì)（a）及變率（b）Fig.3 The space changing tendency（a）and variability（b，coefficient of variation）of oasis NDVI of the Weigan River Basin oasis from 1982to 2006

2.3 渭干河流域綠洲NDVI和地表徑流變化關(guān)系分析 通過(guò)分析渭干河流域綠洲NDVI與地表徑流的相關(guān)關(guān)系，明確了綠洲耗水與流域地表徑流之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，綠洲NDVI與綠洲降水相關(guān)性最大（r＝0.71，a＜0.01），其次是綠洲總耗水（r＝0.68，a＜0.01）、綠洲來(lái)水量（r＝0.52，a＜0.01），最后是冰川徑流（r＝0.49，a＜0.05），表明綠洲降水對(duì)綠洲植被生長(zhǎng)促進(jìn)作用明顯。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)學(xué)上冰川徑流對(duì)綠洲NDVI影響顯著。隨著綠洲耗水增加，綠洲NDVI相對(duì)初期（1982年）增加了94%，綠洲面積相對(duì)擴(kuò)張了73.7%。綠洲總耗水與綠洲來(lái)水量顯著相關(guān)（r＝0.92，a＜0.01），表明綠洲耗水以消耗綠洲來(lái)水量即出山徑流為主。綠洲面積與綠洲降水、綠洲總耗水、綠洲來(lái)水量和冰川徑流的相關(guān)性分別是r＝0.78、r＝0.75、r＝0.58和r＝0.50，均通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。對(duì)比綠洲NDVI和綠洲面積與地表徑流的相關(guān)性，綠洲面積相關(guān)性高于綠洲NDVI，故用綠洲面積作為指標(biāo)分析綠洲耗水和綠洲來(lái)水量之間的關(guān)系。

通過(guò)對(duì)1982―2006年綠洲來(lái)水量和綠洲面積進(jìn)行線性回歸，得到以下關(guān)系式：

式（1）中，Y代表綠洲面積，xin代表綠洲來(lái)水量。以近25年來(lái)綠洲來(lái)水量多年平均值為基準(zhǔn)，綠洲來(lái)水量每變化±1×108m3，綠洲面積變化±149.6km2。

根據(jù)近25年來(lái)綠洲面積、綠洲來(lái)水量和綠洲耗水量統(tǒng)計(jì)，得出渭干河流域單位綠洲平均耗水量4.7×105m3·km－2?？紤]綠洲降水情景，單位綠洲平均總耗水為6.0×105m3·km－2。二者差值為綠洲降水對(duì)綠洲規(guī)模的貢獻(xiàn)，即21.7%，綠洲來(lái)水量對(duì)綠洲規(guī)模貢獻(xiàn)則為78.3%。渭干河流域冰川徑流占綠洲來(lái)水量的56.2%［20］，故冰川徑流對(duì)綠洲規(guī)模的貢獻(xiàn)為44.0%（目前該流域地下水開(kāi)采較少，暫不計(jì)其對(duì)綠洲的貢獻(xiàn)）。

據(jù)近25年出山徑流、冰川徑流、山區(qū)氣溫、山區(qū)降水、綠洲降水和綠洲面積統(tǒng)計(jì)，得出冰川徑流與山區(qū)氣溫顯著相關(guān)，綠洲來(lái)水量與山區(qū)降水顯著相關(guān)，并得出以下線性回歸關(guān)系式：

式中，Ygr代表冰川徑流，xmt為山區(qū)多年平均氣溫，Yin1為僅考慮山區(qū)降水的綠洲來(lái)水量，xmpcp為山區(qū)多年平均降水量，Yin2為考慮山區(qū)降水和冰川徑流的綠洲來(lái)水量，Ys′為考慮綠洲降水情景時(shí)的綠洲面積，xppcp為綠洲多年平均降水量。

基于式（1）～（5）中涉及到的要素現(xiàn)狀多年平均值，分別是：出山徑流31.8×108m3，冰川徑流17.8×108m3，山區(qū)氣溫7.9 ℃，山區(qū)降水149.6 mm，綠洲降水120.3mm、綠洲面積7 065.6km2。按式（1）～（5），得到不同氣候變化情景和冰凍圈變化情景下的綠洲面積（表3）。

結(jié)合表2和表3，對(duì)比綠洲面積1和2分析冰川徑流對(duì)綠洲面積的貢獻(xiàn)，這里假定綠洲降水對(duì)綠洲面積貢獻(xiàn)維持21.7%不變。氣候變化情景1下，綠洲面積1相對(duì)2增加的82km2為冰川徑流作用的綠洲面積，冰川徑流占綠洲來(lái)水量的56.0%～52.9%，故冰川徑流對(duì)綠洲貢獻(xiàn)為43.8%～41.4%；氣候變化情景2～5下，綠洲面積1相對(duì)2增加的250.6km2為冰川徑流作用的綠洲面積，4種情景下冰川徑流占綠洲來(lái)水量的比重（平均值）分別是61.6%、59.8%、58.2%和56.7%，其對(duì)綠洲面積貢獻(xiàn)分別是48.2%、46.9%、45.6%和44.4%。

對(duì)比綠洲面積1和3分析綠洲降水對(duì)綠洲面積的貢獻(xiàn)。氣候變化情景1下，綠洲面積3和相對(duì)1增加的110km2是綠洲降水作用的綠洲面積，單位綠洲平均耗水量為4.5×105m3·km－2，單位綠洲平均總耗水為5.9×105m3·km－2，二者之差即為綠洲降水對(duì)綠洲面積的貢獻(xiàn)，為23.3%；氣候變化情景2下，綠洲面積3和相對(duì)1減少的124km2主要是氣溫升高蒸發(fā)加劇所致；氣候變化情景3～5背景下，綠洲面積3相對(duì)1分別減少17km2、增加90 km2和增加196km2，這些均是綠洲降水作用的綠洲面積，單位綠洲平均耗水量分別為4.5×105、4.54×105、4.58×105和4.6×105m3·km－2，單位綠洲平均總耗水量為5.8×105、5.9×105、6×105和6.1×105m3·km－2，故綠洲降水對(duì)綠洲的貢獻(xiàn)分別是22.7%、23.2%和23.8%。

3 結(jié)論

通過(guò)1982―2006年渭干河流域綠洲NDVI和流域地表徑流量的分析，結(jié)合氣候變化情景和冰凍圈變化情景假設(shè)，得出以下結(jié)論：

1）近25年來(lái)，渭干河流域綠洲來(lái)水量和綠洲總

耗水均呈增加趨勢(shì)。就突變點(diǎn)看，綠洲總耗水滯后綠洲來(lái)水量1年，這與黑孜水庫(kù)對(duì)流域地表徑流的調(diào)蓄有關(guān)。

表3 不同氣候變化情景和冰凍圈變化情景下的綠洲面積變化Table 3 Changes of oasis area under different scenarios of climate and cryospheric change

2）近25年來(lái)，渭干河流域綠洲NDVI值明顯增加，綠洲規(guī)模持續(xù)擴(kuò)張。從NDVI線性趨勢(shì)分析看到，NDVI值減少區(qū)主要集中在出山口平原綠洲和沙雅縣東南部靠近塔里木河干流中游處，增加區(qū)主要集中在木扎提河出山口平原綠洲、沙雅和新和縣綠洲區(qū)。從NDVI值變率空間分布看，變化劇烈區(qū)集中在拜城盆地南緣與天然綠洲接壤處、木扎提河出山口附近、下游沙雅縣境內(nèi)東緣緊鄰庫(kù)車(chē)縣處及黑孜水庫(kù)附近，相對(duì)穩(wěn)定區(qū)集中在沙雅縣、新和與庫(kù)車(chē)縣內(nèi)綠洲區(qū)。

3）從流域綠洲NDVI值和地表徑流相關(guān)性看，流域綠洲耗水基本全部用于綠洲發(fā)展和維護(hù)，冰川徑流作為流域綠洲來(lái)水量的主要補(bǔ)給來(lái)源，通過(guò)穩(wěn)定出山年徑流量間接發(fā)揮了穩(wěn)定和維護(hù)綠洲的作用，綠洲降水對(duì)于流域綠洲植被生長(zhǎng)和維持綠洲功能貢獻(xiàn)較大。據(jù)情景假設(shè)得出未來(lái)冰川徑流對(duì)綠洲貢獻(xiàn)仍較大并呈減速增加趨勢(shì)（山區(qū)氣溫不變情景例外），綠洲降水對(duì)綠洲的貢獻(xiàn)呈遞增趨勢(shì)。綠洲發(fā)展對(duì)氣候變化將更加敏感。

4）本研究主要分析了現(xiàn)狀和未來(lái)情景假設(shè)下的綠洲耗水與流域地表徑流之間的關(guān)系，但對(duì)于預(yù)估未來(lái)時(shí)間序列尺度的冰川徑流，及其變化對(duì)出山徑流、綠洲穩(wěn)定性和綠洲社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的調(diào)控功能部分有待于進(jìn)一步分析。

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