全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 员圆期摇 摇 圆园员源年 远月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
中国景观生态学发展历程与未来研究重点 陈利顶袁李秀珍袁傅伯杰袁等 渊猿员圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市景观格局演变的水环境效应研究综述 黄摇 硕袁郭青海 渊猿员源圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
多功能景观研究进展 汤摇 茜袁丁圣彦 渊猿员缘员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
空间形态受限型城市紧凑发展研究要要要以厦门岛为例 黄摇 硕袁郭青海袁等 渊猿员缘愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
紫金山森林公园降温效应影响因素 闫伟姣袁孔繁花袁尹海伟袁等 渊猿员远怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市公园景观空间结构对其热环境效应的影响 冯悦怡袁胡潭高袁张力小 渊猿员苑怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 韵宰粤的低丘缓坡建设开发适宜性评价要要要以云南大理白族自治州为例
刘焱序袁彭摇 建袁韩忆楠袁等 渊猿员愿愿冤
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生态安全条件下土地利用格局优化要要要以皇甫川流域为例 喻摇 锋袁李晓兵袁王摇 宏 渊猿员怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎
新疆玛纳斯河流域 圆园园园要圆园员园年土地利用 辕覆盖变化及影响因素 刘金巍袁靳甜甜袁刘国华袁等 渊猿圆员员冤噎噎噎
基于 郧陨杂和 砸杂的赣江上游流域土地利用动态趋势分析 鲁燕飞袁彭摇 芳袁万摇 韵袁等 渊猿圆圆源冤噎噎噎噎噎噎噎
员怨缘源要圆园员园年三江平原土地利用景观格局动态变化及驱动力 刘吉平袁赵丹丹袁田学智袁等 渊猿圆猿源冤噎噎噎噎
基于斑块评价的三峡库区腹地坡耕地优化调控方法与案例研究 王永艳袁李阳兵袁邵景安袁等 渊猿圆源缘冤噎噎噎噎
贵州省山地鄄坝地系统土地利用与景观格局时空演变 李阳兵袁姚原温袁谢摇 静袁等 渊猿圆缘苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
中国西南地区土地覆盖情景的时空模拟 李摇 婧袁范泽孟袁岳天祥 渊猿圆远远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于移动窗口法的岷江干旱河谷景观格局梯度分析 张玲玲袁赵永华袁殷摇 莎袁等 渊猿圆苑远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于植被覆盖度的藏羚羊栖息地时空变化研究 赵海迪袁刘世梁袁董世魁袁等 渊猿圆愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
西南峡谷型喀斯特坡地土壤微生物量 悦尧晕尧孕 空间变异特征 范夫静袁黄国勤袁宋同清袁等 渊猿圆怨猿冤噎噎噎噎噎
峡谷型喀斯特不同生态系统的土壤微生物数量及生物量特征 谭秋锦袁宋同清袁彭晚霞袁等 渊猿猿园圆冤噎噎噎噎噎
长三角地区土地利用时空变化对生态系统服务价值的影响 刘桂林袁张落成袁张摇 倩 渊猿猿员员冤噎噎噎噎噎噎噎
基于视觉廊道的青藏铁路沿线旅游动态景观评价 张瑞英袁席建超袁姚予龙袁等 渊猿猿圆园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 砸杂与 郧陨杂的农村居民点空间变化特征与景观格局影响研究 任摇 平袁洪步庭袁刘摇 寅袁等 渊猿猿猿员冤噎噎噎
生态系统保护现状及保护等级评估要要要以江西省为例 樊乃卿袁张育新袁吕一河袁等 渊猿猿源员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
崇明东滩盐沼植被变化对滩涂湿地促淤消浪功能的影响 任璘婧袁李秀珍袁杨世伦袁等 渊猿猿缘园冤噎噎噎噎噎噎噎
基于气候尧地貌尧生态系统的景观分类体系要要要以新疆地区为例 师庆东袁王摇 智袁贺龙梅袁等 渊猿猿缘怨冤噎噎噎噎
黄土丘陵沟壑区景观格局演变特征要要要以陕西省延安市为例 钟莉娜袁赵文武袁吕一河袁等 渊猿猿远愿冤噎噎噎噎噎
不同干扰背景下农业景观异质性要要要以巩义市为例 张晓阳袁梁国付袁丁圣彦 渊猿猿苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
山西高原草地景观的数量分类与排序 张先平袁李志琴袁王孟本袁等 渊猿猿愿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
山区夏季地表温度的影响因素要要要以泰山为例 孙常峰袁孔繁花袁尹海伟袁等 渊猿猿怨远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
典型岩溶洼地土壤水分的空间分布及影响因素 张继光袁苏以荣袁陈洪松袁等 渊猿源园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于移动窗口法的豫西山地丘陵地区景观异质性分析 李栋科袁丁圣彦袁梁国付袁等 渊猿源员源冤噎噎噎噎噎噎噎噎
桂西北喀斯特区域植被变化趋势及其对气候和地形的响应 童晓伟袁王克林袁岳跃民袁等 渊猿源圆缘冤噎噎噎噎噎噎
喀斯特与非喀斯特区域植被覆盖变化景观分析要要要以广西壮族自治区河池市为例
汪明冲袁王兮之袁梁钊雄袁等 渊猿源猿缘冤
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不同干扰背景下景观指数与物种多样性的多尺度效应要要要以巩义市为例
董翠芳袁梁国付袁丁圣彦袁等 渊猿源源源冤
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石栎鄄青冈常绿阔叶林土壤有机碳和全氮空间变异特征 杨摇 丹袁项文化袁方摇 晰袁等 渊猿源缘圆冤噎噎噎噎噎噎噎
湘中丘陵区南酸枣阔叶林群落特征及群落更新 易摇 好袁邓湘雯袁项文化袁等 渊猿源远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 砸月云晕的桂西北喀斯特区植被碳密度空间分布影响因素分析 张明阳袁王克林袁邓振华袁等 渊猿源苑圆冤噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿缘圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿远鄢圆园员源鄄园远
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 空间发展受限城市的厦门要要要在我国城市化进程中袁中小城市在城镇体系建设中处于中间环节袁起到了联系大城市
和小城镇的作用遥 但是袁每个城市由于发展历史尧社会经济结构尧自然地理形态等因素的不同袁都有其发展的特性袁
这些问题都必须要因地制宜地去把握遥 例如袁厦门岛相对隔离袁没有多余的发展空间袁该城市以居住功能为主袁城市
功能较为单一袁公共服务功能和商业服务功能比例较小遥 研究这样紧凑型的城市发展必须要考虑该城市结构转换
的承受力袁周边社会经济环境以及居民的生活习惯等遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 12 期
2014年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.12
Jun.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:西北(甘青新)重点区域和行业发展战略环境评价生态专题资助项目(D237)
收稿日期:2013鄄04鄄23; 摇 摇 修订日期:2013鄄11鄄19
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: jtt_05@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201304230781
刘金巍,靳甜甜,刘国华,李宗善,杨荣金.新疆玛纳斯河流域 2000—2010年土地利用 /覆盖变化及影响因素.生态学报,2014,34(12):3211鄄3223.
Liu J W, Jin T T, Liu G H, Li Z S, Yang R J.Analysis of land use / cover change from 2000 to 2010 and its driving forces in Manas River Basin, Xinjiang.
Acta Ecologica Sinica,2014,34(12):3211鄄3223.
新疆玛纳斯河流域 2000—2010年土地利用 /
覆盖变化及影响因素
刘金巍1,靳甜甜2,*,刘国华1,李宗善1,杨荣金3
(1. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085;
2. 中国水利水电科学研究院,北京 100012; 3.中国环境科学研究院,北京 100038)
摘要:在 2000年和 2010年两期遥感影像解译的基础上,从土地利用类型的结构、变化速率、变化方向及土地利用程度等方面分
析了玛纳斯河流域土地利用的变化特征,并分析了影响土地利用变化的主要因素及不同因素之间的交互作用。 结果表明:(1)
近 10年来,流域土地利用程度增强,人工绿洲呈扩张趋势,耕地和城乡工矿居民用地大量增加,林地和未利用地减少;上游地区
草地和冰川积雪覆盖地面积增加。 (2)耕地向内部外部双向扩张,主要来源于林地、荒漠和盐碱地;新增草地以山地裸地和山
前荒漠的转变为主;林地主要转变为中游的耕地和城乡工矿居民用地及上游的草地和裸地;城乡工矿居民用地的增加主要来自
荒漠、耕地和林地;未利用地变化以向人工绿洲土地类型的转变为主。 (3)上游土地利用变化主要受气候变化的影响,降水量
增加可能是冰川积雪面积扩张的主要原因;中游人类活动密集,耕地和城乡工矿居民用地扩张,荒漠植被退化;下游受气候和人
类活动共同作用,尾闾湖泊萎缩,河岸和湖周植被退化。
关键词:玛纳斯河流域;土地利用变化;气候变化;人类活动
Analysis of land use / cover change from 2000 to 2010 and its driving forces in
Manas River Basin, Xinjiang
LIU Jinwei1, JIN Tiantian2,*, LIU Guohua1, LI Zongshan1, YANG Rongjin3
1 State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing
100085, China
2 China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100012, China
3 Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100038, China
Abstract: Based on Landsat TM / ETM (Thematic Mapper / Enhanced Thematic Mapper) image data from 2000 and 2010
and some other survey and statistical data, this paper first analyzed the characteristics of land use / cover change in the
Manas River Basin of Xinjiang. We used numerical computation methods and index models, including land use / cover
structural changes, the single land use / cover dynamic index, the land鄄use transfer matrix and the land use degree index, to
determine the features of land use / cover change both temporally and spatially. Subsequently, the main drivers of land use /
cover change and the interaction between different factors were analyzed based on a comprehensive consideration of natural
factors and human factors. The findings of this study may be summarized here. (1) The land use / cover structure of this
basin was dominated by unused land in both 2000 and 2010, followed by cultivated land and grassland, and lastly by water
( the smallest area) . The extent of land use in 2010 increased compared with that in 2000 across the whole basin. The
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cultivated land and built鄄up land increased at an accelerated rate, especially in the middle region, which at the same time
resulted in a significant expansion of artificial oasis and led to an evidently decreasing trend of woodland and unused land.
In the upper reaches, the most obvious change of land use / cover was the areas of grassland, glaciers and snow鄄covered land
a clear sign of expansion. (2) The cultivated land indicated a quite remarkable outward and inward expansion trend.
According to our data for the conversion of land use / cover in 2010, the new cultivated land was mainly derived from desert
shrubbery land, desert and saline鄄alkali land. Grassland was mostly concentrated in the upper reaches and experienced an
obvious increasing trend second only to cultivated land. The increased area was mainly converted from bare rock on the
mountain and piedmont desert. Built鄄up land also showed a noticeable increase because of the occupation of desert,
cultivated land and woodland. According to our data for the change in destination of land use / cover in 2000, the reduced
woodland primarily evolved to cultivated land and built鄄up land in the middle reaches, and to grassland and bare land in the
upper reaches. Additionally, the reduced unused land was mainly transformed into artificial oasis land types. A greater
proportion of bare land and sand, saline鄄alkali land and desert was converted into cultivated and built鄄up land. (3) The
climate of this basin was characterized by a warming and wet trend from 1959 to 2010. Climate change was the dominant
factor of land use / cover change in the upper reaches. The increase in precipitation, especially short鄄term heavy rainfall,
might be the primary cause of the advance of glaciers and snow鄄covered land. In the middle reaches, the most noticeable
features were the increase in cultivated and built鄄up land and the degradation of desert vegetation. It could be speculated
that this was mainly attributable to the intensified anthropogenic activities concomitant with economic growth and the
increase in population. Moreover, the reduction in gross irrigation water uptake led to an even greater reduction in return
water, which led to an even greater reduction in the water needed ecologically and a degradation of natural oasis land. The
evident decline in terminal lakes and serious degradation of the associated vegetation in the lower reaches are directly
attributable to the combined impact of climate change and human activities.
Key Words: Manas River Basin; land use change; climate change; human activities
摇 摇 我国西北干旱区是世界上生态环境最为脆弱的
干旱区之一[1],其典型地理单元为内陆河流域。 西
北内陆河流域是山地、绿洲和荒漠组成的典型的干
旱区复合生态系统[2],气候干旱,生态环境脆弱。 内
陆河流域从上游到下游水热条件变化较大,因此景
观多样性较高,不同景观之间便形成了干湿交替带、
农牧交错带、森林边缘带及沙漠边缘带等多种生态
环境脆弱带,生态系统的脆弱性使其对气候变化和
人类活动的干扰极其敏感[3]。 近年来,气候变化和
人类活动影响下土地利用变化的分析是国际学术界
研究的热点问题之一,国内研究主要集中在热点地
区和典型脆弱区,关注重点为土地利用变化趋势、驱
动力以及生态效应等[4鄄6]。
西北干旱区气候变化和人类活动对生态系统和
土地利用的影响已有大量研究[7鄄9]。 施雅风[1]通过
对冰芯、冰川、积雪、河川径流和湖泊的变化及其趋
势的研究表明:我国干旱内陆河流域表现出明显的
波动性暖干化趋势,且这种变化具有时空分布的一
致性。 目前,西北内陆河流域气候变化引发冰川退
缩、雪线上升、短期径流增加等问题[10鄄11],进而对土
地利用结构产生较大影响。 20世纪 40年代以来,西
北干旱区人口的增加、社会经济的发展和水土资源
的大规模开发利用引起了一系列水文、生态环境和
土地覆盖的变化,已影响到了区域经济发展和人居
环境[3]。
然而,气候变化和人类活动对生态系统施加影
响的过程、影响的时空特征、影响结果以及应对措施
均体现出较大的差异性。 同时,气候变化和人类活
动的影响相互作用,存在抵消、协同等作用,从而使
生态系统变化的驱动力较为复杂。 为深入阐明不同
驱动力对土地利用变化的作用情况,需进一步研究
和探讨不同驱动力的变化趋势及其相互作用情况,
以减少预测的不确定性,为决策提供基础理论支持。
玛纳斯河流域是我国西北典型干旱脆弱区,位
于天山北坡经济带的核心区域,该流域是新疆最大
的绿洲农耕区和我国第四大灌溉农业区[12]。 2000
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年实施西部大开发的同时该流域开始大规模实施膜
下滴灌的高效节水技术,耕地面积迅速增加,在沙漠
边缘地区盲目开垦和打井现象严重。 在生态环境脆
弱的内陆河流域开展大规模的水土资源开发,会对
流域生态环境产生显著影响,引发土地利用显著变
化,进而使生态系统不稳定性增加,可能对流域的生
态安全及可持续发展产生威胁。 该流域是气候变化
和人类活动影响聚集区,同时也是典型脆弱小流域,
因而是开展上述研究的理想区域。 目前,玛纳斯河
流域土地利用变化及驱动力的研究主要集中在以下
领域:气候变化与径流和冰川变化的关系[13鄄15]、绿洲
演变及其驱动力[16鄄18]、耕地扩张的生态环境效
应[19鄄20]、景观格局的变化[21]等。
本文基于玛纳斯河流域 2000 年和 2010 年的土
地利用数据,分析了该流域近 10 年来的土地利用变
化特征,阐述了气候变化、人口增长及农业发展等因
素对土地利用变化的驱动作用,并探讨了其相互作
用,以期为该流域水资源的合理开发及农业发展布
局的生态影响评估提供科学依据。
1摇 研究区概况
玛纳斯河流域位于天山北麓中段,准噶尔盆地
西南部,总面积 3. 09 万 km2,地理位置为北纬 43毅
05忆—46毅04忆,东经 84毅56忆—86毅42忆。 该流域地处欧亚
大陆腹地,远离海洋,气候干燥,为典型的温带大陆
性气候,年均气温 4.7—5.7 益,其中最高气温达 43
益,最低气温为- 42. 8 益,年平均降水量 115—200
mm,由南向北递减,且夏季多冬季少,年平均蒸发量
在 1500—2100 mm之间,干旱指数在 4.0—10 之间,
年均风速 1.7 m / s[22]。 自然生态系统类型以荒漠为
主,景观类型由南到北依次为高山冰川、森林、草甸、
干草原和荒漠草原,垂直分异特征明显[23],绿洲分
布以河流为依托,农田灌溉主要依靠冰雪融水和降
水形成的河流径流水。 玛纳斯河是流域内最大的河
流,源头位于天山支脉依连哈比尔尕山的高山冰雪
区,向北经红山嘴流入绿洲平原,穿过古尔班通古特
沙漠最后注入玛纳斯湖。 行政区划上,玛纳斯河流
域主要包括玛纳斯县、沙湾县和石河子市、兵团农八
师和农六师的农牧团场,另有克拉玛依市、和布克赛
尔蒙古自治县以及和静县的部分地区。
2摇 数据来源与研究方法
2.1摇 数据来源及处理
摇 摇 采用玛纳斯河流域 2000年的 Landsat ETM影像
和 2010 年的 Landsat TM 影像,行列号为 144 / 28、
144 / 29和 144 / 30,空间分辨率为 30 m,采集时间为
6—8月份。 遥感解译时选用无云或少云的影像,结
合地形图、行政区划图及其它辅助图件,并参考该地
区气候、土壤、植被等自然地理资料,在 Ecogonition、
ERDAS IMAGE 8.5 和 ArcGIS 9.3 软件下,进行面向
对象的影像分类解译,得到玛纳斯河流域 2000 年和
2010年的土地利用图。 解译时,首先将两期影像数
据进行辐射纠正和几何纠正;然后,根据覆盖区域的
影像情况划分影像块,将日期相同和块间差别可忽
略的影像块合并成工作块;接着,2012 年 5—6 月份
从中游到上游进行分类地面样本点采集,在此基础
上对照 Google Earth 和遥感影像特征进行样本点扩
充,随机选取 30%的样本点用于解译精度验证;最
后,进行样本训练,开展基于支持向量计算法的自动
分类,利用精度验证点对结果进行验证。 验证结果
表明影像总体解译精度为 80%左右,基本可以达到
研究所需要求。
土地利用分类系统基于刘纪远等[24]的分类标
准,该标准基于 TM遥感影像,从遥感监测实用操作
性出发,是遥感影像解译中常用的标准。 本研究根
据西北干旱地区自身的特点,将原有标准进行了修
订,最终将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水
域、城乡工矿居民用地、未利用地和冰川积雪覆盖地
7个一级类型,并将水域进一步分为河渠、湖泊、水
库、坑塘和河滩沼泽地,将未利用地划分为裸土沙
地、盐碱地、裸岩和荒漠。
所用气象资料来源于中国气象科学数据共享服
务网(http: / / cdc.cma.gov.cn / )。 玛纳斯河流域内只
有石河子站 1 个国家级气象观测站,为了更准确地
反映流域的气候变化,另选取流域周边的克拉玛依
站、乌苏站、巴音布鲁克站和巴仑台站 4 个站点的数
据近似比较。 通过统计各个气象站点 1959—2010
年的年均气温和年降水量数据,运用线性趋势法分
析气温、降水的年际变化。
社会经济数据及人口数据来源于新疆统计年
鉴、中国县(市)社会经济统计年鉴及新疆生产建设
3123摇 12期 摇 摇 摇 刘金巍摇 等:新疆玛纳斯河流域 2000—2010年土地利用 /覆盖变化及影响因素 摇
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兵团统计年鉴等。
2.2摇 研究方法
土地利用变化过程和趋势通过定量化的指数模
型或数值如结构变化、净变化、变化方向、变化速度
等来表征[25]。 主要指数的计算方法如下:
(1)单一土地利用动态度指数(K)
也称变化率指数,该指数的计算以土地利用类
型的面积为基础,可反映一定时间范围内各土地类
型的变化幅度和速度。
K=
Ub-Ua
Ua
伊 1
T
伊100%
式中,Ua、Ub分别为研究期始、末某一地类的面积;T
为研究时段,当用年表示时即为区域此类土地利用
类型的年变化率。
(2) 土地利用程度综合指数(L)
该指数及其变化可定量揭示区域土地利用的程
度及变化。 本文土地利用程度的分级及分级指数的
取值依据刘纪远等[24]的研究结果,划分为 4 级,包
括未利用土地级(未利用地)、林草水用地级(林地、
草地和水域)、农业用地级(耕地)和城镇聚落用地
级(城乡工矿居民用地)。
L = 100 伊 移
n
i = 1
Ai 伊 C i,L 沂 [100,400]
A未利用地 = 1,A林草水 = 2,A农业用地 = 3,A城镇聚落 = 4
式中,L 为区域土地利用程度综合指数;Ai为土地利
用程度第 i级的分级指数;C i为土地利用程度第 i 级
的面积百分比;n 为土地利用程度分级数。
3摇 结果与分析
从图 1 可以看出,近 10 年来,玛纳斯河流域的
土地利用发生了很大的变化。 2000—2010 年,流域
土地利用的变化集中表现为耕地内部外部双向扩
张,城乡工矿居民用地增加,林地和未利用地减少。
上游地区草地和冰川积雪覆盖地增加,中游地区人
工绿洲不断向北部古尔班通古特沙漠延伸扩张,冲
洪积平原区耕地斑块逐渐连片,形成大的绿洲群。
图 1摇 玛纳斯河流域 2000年和 2010年土地利用
Fig.1摇 Land use of Manas River Basin in 2000 and 2010
3.1摇 玛纳斯河流域土地利用类型变化特征
3.1.1摇 玛纳斯河流域各土地利用类型的数量变化
玛纳斯河流域总面积为 3.09 万 km2,从土地利
用类型的构成来看(表 1 和图 2),玛纳斯河流域以
未利用地(裸土沙地、盐碱地、裸岩和荒漠)为主,
2010年面积为 1.46 万 km2,占流域总面积的 47.2%,
其次是耕地和草地,分别占 20.2%和 18.3%,而水域
和河滩沼泽地面积较小,均占 0.7%左右。
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从流域各土地利用类型的面积、结构变化及变
化速度来看, 2000—2010 年,未利用地总面积由
17529.4 km2减少到 14550.3 km2,占流域总面积的比
例由 56.8%降低到 47.2%,其中,各种未利用地面积
均为减少趋势,主要表现为荒漠和裸土沙地分别减
少了 1045.6 km2和 1299.4 km2,动态度分别为 1.71%
和 2.65%。 林地面积大幅减少,由 2270.9 km2减少到
1355.7 km2,动态度为 4郾 03%,占流域总面积的比例
由 7. 4%降低到 4. 4%。 水域面积有减少趋势,由
2000年的 360. 9 km2减少到 202. 6 km2,动态度为
4郾 39%。 耕地和草地的面积大量增加,分别增加了
1728.2 km2和 1158. 3 km2,动态度分别为 3. 85%和
2郾 58%,占总面积的比例大幅提高,2000 年占流域总
面积的比例均为 14. 6%,到 2010 年分别升高到
20郾 2%和 18.3%。 城乡工矿居民用地和冰川积雪覆
盖地面积大幅增加,分别由 734.2 km2和 774.7 km2增
加到 1445.2 km2和 1196.9 km2,年均分别增加 9.68%
和 5郾 45%,占总面积的比例分别由 2.4%和 2.5%升高
到 4.7%和 3.9%。 河滩沼泽地面积略有增加,近 10
年来增加了 28.6 km2,动态度为 1.46%。
表 1摇 玛纳斯河流域 2000—2010年各土地利用类型面积及变化
Table 1摇 Area of land use and dynamic change in Manas River Basin during 2000—2010
土地利用类型
Land use type
2000年面积 / km2
Area of 2000
2010年面积 / km2
Area of 2010
变化量 / km2
Area change
单一土地
利用动态度 / %
Single land use
dynamic degree
耕地 Cultivated land 4493.0 6221.2 1728.2 3.85
林地 Woodland 2270.9 1355.7 -915.2 -4.03
草地 Grassland 4497.3 5655.6 1158.3 2.58
水域 Water area 360.9 202.6 -158.3 -4.39
河滩沼泽地 River鄄beach and swamp 195.6 224.2 28.6 1.46
冰川积雪覆盖地 Glaciers and snow cover land 774.7 1196.9 422.2 5.45
城乡工矿居民用地 Build鄄up land 734.2 1445.2 711 9.68
裸土沙地 Bare land and sand 4907.4 3607.9 -1299.4 -2.65
盐碱地 Saline鄄alkali land 2862.7 2682.1 -180.6 -0.63
裸岩 Bare rock 3657.7 3204.4 -453.3 -1.24
荒漠 Desert 6101.6 5056.0 -1045.6 -1.71
图 2摇 玛纳斯河流域 2000年和 2010年土地利用结构
Fig.2摇 Land use structure of Manas River Basin in 2000 and 2010
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摇 摇 人类对自然生态的干预程度可以用耕地和城乡
工矿居民用地面积占总面积的比例大小来表示[26],
2000—2010年,耕地和城乡工矿居民用地面积之和
占流域总土地面积的比例由 16.9%增加到 24.8%,表
明近 10年来该流域的人类活动对自然景观的干预
程度加剧了。
3.1.2摇 玛纳斯河流域各土地利用类型的流入流出
表 2和图 3分别为玛纳斯河流域 2000—2010年
各土地利用类型流入流出情况及主要土地类型变化
的空间分布,可以总结为以下几点:(1)耕地的转入
面积远大于转出面积,有 2451.8 km2的其它土地类
型转变为耕地,从空间分布来看,主要发生在流域中
下游石河子、沙湾及兵团垦区,以耕地向内部填充扩
张及对周边未利用地和荒漠林地的侵占为主,具体
主要来源于道路和耕地附近的荒漠、灌木林地和盐
碱地,分别有 871.8、575.9 km2和 437.3 km2转变为耕
地;(2)草地集中分布在流域上游,以转入为主,转入
面积为 1945.2 km2,仅次于耕地,主要来自裸地、林
地及山前荒漠的转变,分别有 1040.6、537郾 5 km2和
330.6 km2转化为草地;(3)林地大量转出,有 1557.6
km2转化为了其它土地类型,结合空间分布来分析,
主要有两大原因,一是中下游耕地和城乡工矿居民
用地的不断扩张侵占了大量林地,占用林地的面积
分别为 575.9 km2和 218.8 km2,二是上游山区的林地
退化为草地和裸地,转出面积分别为 330. 6 km2和
232.6 km2;(4)水域变化的主要趋势为水域的转出
和冰川积雪覆盖地的转入,前者主要是由于玛纳斯
湖干涸,转变为盐碱地和裸土沙地,而后者主要来源
于裸岩;(5)城乡工矿居民用地的增加主要来自荒
漠、耕地和林地,转入面积分别为 402.2、353.1 km2和
218.8 km2,而转出的去向主要为耕地,有 333.7 km2
变为耕地,占转出总面积的 67郾 4%;(5)未利用地的
转入转出也很剧烈,各类型土地的转出均大于转入,
其中裸土沙地转入转出的对象均以荒漠和盐碱地为
主,盐碱地主要向裸土沙地和荒漠转变或者被开垦
为耕地,而转入则主要是由于下游地区部分裸土沙
地及荒漠的盐碱化,荒漠主要向耕地、城乡工矿居民
用地及草地转变(表 2)。
图 3摇 玛纳斯河流域 2000—2010年主要土地类型变化的空间分布
Fig.3摇 The spatial distribution of the main land use conversion from 2010 to 2010 in Manas River Basin
3.1.3摇 玛纳斯河流域土地利用程度及变化
从整个流域来看,由于未利用地面积所占比例
大,玛纳斯河流域的综合土地利用程度较低,2000
年,土地利用程度综合指数为163,随着未利用地面
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积的减少以及耕地和城乡工矿居民用地面积的增
加,至 2010 年流域土地利用程度综合指数增加为
182,土地利用程度增强,表明近 10 年来玛纳斯河流
域的土地利用处于发展上升期,人工绿洲处于扩张
的态势。
3.2摇 玛纳斯河流域气候变化
表 3为玛纳斯河流域内及周边气象站点的地理
位置、气温、降水量等信息,图 4 为各气象站点的空
间分布。 从中可以看出,1959—2010年,玛纳斯河流
域及周边各气象站点的气温均呈上升趋势,年均增
加在 0.025—0.04 益之间,除巴音布鲁克站气温的升
高只达到显著水平外,其余站点均达到了极显著水
平,其中,玛纳斯河流域内部石河子站的气温上升速
度最快,年均上升 0.04 益。 各站点年降水量的变化
也呈增加趋势,年均增加 0.377—1.051 mm,但速度
较为缓和,只有乌苏站和巴音布鲁克站达到了显著
水平。 总体来看,近 50 年来,玛纳斯河流域气候总
体有变暖变湿的趋势,这与前人的研究结果也是一
致的[27鄄28]。
表 3 摇 玛纳斯河流域及周边气象站点信息
Table 3摇 Information of meteorological stations in and around the Manas River Basin
站点
Meteorological
Station
纬度
Latitude
经度
Longitude
海拔 / m
Height
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Change rate
巴音布鲁克 43毅02忆 84毅09忆 2458 -4.3 0.025* 271.3 1.025*
巴伦台 42毅44忆 86毅18忆 1739 6.6 0.039** 209.2 1.001
石河子 44毅19忆 86毅03忆 442.9 7.4 0.040** 210.5 0.803
乌苏 44毅26忆 84毅4忆 479 8.1 0.039** 171.2 1.051*
克拉玛依 45毅37忆 84毅51忆 450 8.5 0.032** 112.6 0.377
摇 摇 *代表变化显著(P<0.05),**代表变化极显著(P<0.01)
图 4摇 玛纳斯河流域内及周边气象站点的空间分布
Fig.4摇 The location of meteorological stations in and around the
Manas River Basin
3.3摇 玛纳斯河流域人类活动指标变化
人类活动是内陆河流域影响土地利用变化的又
一重要因素,人口的增加和社会经济的发展带来人
们对衣、食、住、行等需求的增加,迫使人们将更多的
自然土地开垦或开发为耕地和城乡工矿居民用地,
是土地利用及其空间结构演变的最根本动力[29]。
玛纳斯县、石河子市和沙湾县是该流域人口和经济
集中分布的区域,根据年鉴相关统计资料的分析,
2000年三地区总人口为 95.6 万,GDP 为 84.6 亿元,
到 2010年人口增加到 101.5 万,GDP 达 345.5 亿元
(图 5)。
图 5摇 玛纳斯河流域 2000—2010年人口和 GDP变化趋势
Fig.5 摇 Trends of population and GDP in Manas River Basin
from 2000 to 2010
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4摇 讨论及结论
4.1摇 气候变化对玛纳斯河流域土地利用变化的影
响分析
玛纳斯河流域气温明显升高,而降水量呈弱增
加趋势,5 个气象站点的平均气温变化率为 0. 035
益 / a,高于我国平均增温速率[30]。 气温升高会增加
该流域的潜在蒸散发,加快流域水文循环,改变流域
热量分配,进而引起土地利用的变化。 在流域诸多
土地利用类型中,对气候变化较为敏感的土地利用
类型为冰川积雪。
冰川对气候变化响应敏感,气温升高直接导致
冰川的消融,而降水的增加则有利于冰川的积
累[30]。 由于天山北麓玛纳斯河上游山区缺乏气象
观测站,以与之距离较近、海拔相近的巴音布鲁克和
巴伦台为代表,其中巴音布鲁克海拔较高,与冰雪覆
盖区域的气候较为接近,因此利用该站数据进行替
代分析。 从表 3 和图 4 来看,巴音布鲁克台站海拔
高,气温低,年均温-4.3 益,近 50年来呈极显著增加
趋势,年均增加 0. 025 益,多年平均降水量 271. 3
mm,增加趋势显著,年均增加 1.025 mm。 气温升高
会加速冰雪融化,导致冰川萎缩,而降水量增加会增
加水源进而增加冰雪覆盖面积,因此,气候变化对冰
雪覆盖面积变化的影响存在不确定性。 根据本文土
地利用的研究结果,与 2000 年相比,2010 年冰川积
雪覆盖地面积增加了 422.2 km2,这与前人有关西北
地区气候变暖、冰川消融的研究结果相悖[15, 31]。 为
进一步阐明近年来该流域冰雪覆盖面积的变化,选
取 2000—2010年 8—9月份质量较好的 TM 和 ETM
影像数据进行解译。 解译结果表明(图 6),除 2005
年外,2000—2010年玛纳斯河流域冰雪覆盖面积呈
递减趋势,与以往研究结果一致。 出现这种差异的
原因主要为,在 2010年土地利用的解译中所使用的
冰雪覆盖区域的遥感影像为 6 月 8 日数据。 而根据
2010年巴音布鲁克气象数据,6 月份巴音布鲁克降
水量较多,为 103.4 mm,短期大量降水导致解译的冰
雪覆盖面积较大,而根据 2010 年 8 月 3 日的冰雪解
译结果,2010年冰雪覆盖面积较往年呈略微下降的
趋势。 冰雪在内陆河流域水循环中占据重要地位,
气候变化会影响冰雪量变化进而影响其它水循环过
程。 出山径流量主要来自上游降水量和冰雪融水量
的补给,据图 6所示,玛纳斯河流域出山径流的变化
与巴音布鲁克的降水量变化趋势相似,2002 年巴音
布鲁克降雨量为 339.8 mm,玛纳斯河出山径流量达
到 27.68 亿 m3。
图 6摇 玛纳斯河流域 2000—2010年均温、年降水、出山径流和冰雪覆盖面积变化
Fig.6摇 Mean annual temperature, annual precipitation, runoff and snow鄄covered area changes in Manas River Basin from 2000 to 2010
4.2摇 人类活动对玛纳斯河流域土地利用变化的影
响分析
人类活动是最具活力的土地利用变化的驱动力
之一[32],人口增长、社会经济的发展以及水资源的
开发利用程度是导致玛纳斯河流域土地利用变化的
重要因素之一,耕地、城乡工矿居民用地等是对人类
活动较为敏感的土地利用类型,而耕地面积扩张和
水资源利用变化对荒漠、绿洲等的变化又有潜在
影响。
为满足人口增加和经济发展的需求,玛纳斯河
流域耕地和城乡工矿居民用地面积不断向周边未利
用地和林地扩张,特别是接近绿洲区的古尔班通古
特沙漠南缘被大量开发利用,导致耕地和城乡工矿
居民用地迅速增加而未利用地和林地大面积减少,
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尤其是城乡工矿居民用地增加速度最快,近 10 年来
面积增加了近 1 倍,年均增长 9.7%。 人类活动扩
展,将古尔班通古特沙漠边缘的灌木林地、平沙地草
灌丛、沙堆、沙丘间洼地开辟为耕地和城乡工矿居民
用地,有研究表明[17],近年来约有 1.5—2.0万 hm2的
梭梭林和琵琶柴荒漠被开垦为耕地,弃耕后成为光
板不毛地,导致沙漠边缘的荒漠植被不断减少。 土
地利用变化下,人类对流域水循环也产生了显著影
响。 玛纳斯河流域农业用水量占流域总用水量的比
例较大,以新疆兵团为例,其农业用水量占总用水量
的 97%以上[33],而耕地面积的扩张对水资源影响显
著。 20世纪 90年代后期以来节水技术的推广[16]虽
然大大降低了农业的灌溉用水定额,但节水技术的
提高诱使人们四处打井开荒,流域灌溉总耗水量增
加,原有农田退水对地下水的补给被切断,导致地下
水位不断下降,依靠地下水维持生存的绿洲边缘荒
漠植被旱化衰亡。 2000年以来农业节水灌溉在新疆
地区迅速推广,到 2009年兵团节水面积占总灌溉面
积的 62%[34]。 根据以往研究,传统沟灌条件下灌溉
用水量约为 7400—8235 m3 / hm2 [36],退水率约为
25%[35鄄36],节水条件下一般为 4500—5000 m3 /
hm2 [16],退水率取 0%。 根据兵团 2000—2010 年灌
溉面积的统计数据,假设节水面积从 2000 到 2010
年稳步增长,节水灌溉定额取 4750 m3 / hm2,传统灌
溉定额取 7800 m3 / hm2,则计算可得到不同年份的灌
溉总用水量及灌溉总退水量(图 7)。 由估算结果可
知,在灌溉面积持续增加的情况下,虽然节水措施的
采取使总用水量保持稳定甚至出现降低情况,但农
田灌溉退水量由 2000 年的 18.4 亿 m3减少到 2010
年的 7.7 亿 m3,生态用水被进一步挤占。 此外,高效
节水技术缓解了部分地区耕地的盐碱化问题,大面
积盐碱地改良或弃耕后复垦,而在有些地区由于水
资源管理不善,荒漠和裸土沙地盐碱化严重。
4.3摇 不同影响因素交互作用分析
影响土地利用类型变化的因素较多,而不同因
素同时作用,彼此之间存在交互作用。 不同区域不
同土地利用类型的变化受到多种因素的影响,如前
所述冰川面积变化主要受到气候变化的影响,人为
因素占次要地位,而耕地和城乡工矿居民用地变化
的最主要驱动力为人类活动。 而有些土地利用类型
变化较明显的受两种驱动力共同的影响,不同驱动
图 7摇 新疆兵团历年灌溉面积以及估算的灌溉用水量和退水量
Fig.7摇 Irrigated area over the years and estimates of irrigation
water use and irrigation return flow in Xinjiang Production and
Construction Corps
力之间交互作用明显,如尾闾湖泊、交错带等。
玛纳斯河流域北部玛纳斯湖位于克拉玛依附
近,该尾闾湖于 1972年干涸[37],根据遥感影像分析,
2000年玛纳斯湖汇集了较浅水面,而 2010 年水面完
全消失变为盐碱地和裸土沙地。 从自然因素分析,
该区域处于沙漠边缘,地表空旷,风力较强,蒸发到
空气中的水汽难以贮存,以克拉玛依站为代表,该区
增温趋势较明显,而降水量虽有增加,但趋势没有升
温明显,无法补偿气温升高后蒸发量增加导致的地
表水量的减少。 另一方面,中游耕地面积的增加以
及膜下滴灌节水技术的推广,导致农田退水量减少,
湖泊、地下水和径流补给量减少。
交错带是内陆河流域较为脆弱的区域,同时也
是气候变化和人类活动敏感区。 玛纳斯河流域气温
升高使林线上升,林地向草地转化,此外,该流域生
态建设会显著增加人工林面积。 而草地和林地交错
带的放牧活动对森林的繁育具有显著影响,也促使
流域林地下边缘上移,林地转化为草地。 气候变化
和人类活动影响下,流域下游地区地下水位下降,河
道径流量减少,灌丛草地和荒漠交错地带依靠地下
水生存的荒漠灌丛和草地向荒漠转变,湖泊周围植
被也呈现荒漠化趋势。
通过以上研究得到以下结论:
(1)流域土地利用类型以未利用地为主,占 47%
以上,其次为耕地和草地,林地面积较小,而水域和
河滩沼泽地面积最小,为典型的干旱内陆河流域。
(2)近 10年来流域土地利用变化显著,人工绿
洲的不断扩张导致土地利用程度呈上升趋势。 耕地
和城乡工矿居民用地不断增加,分别增加 1728. 2
km2和 711.0 km2,年均增加 3.85%和 9.68%;未利用
0223 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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地和林地面积逐渐减小,分别减少 2979. 1 km2和
915.2 km2,其中以荒漠、裸土沙地和灌木林地的减少
最多;草地和冰川积雪覆盖地面积分别增加 1158.3
km2和 422.2 km2,水域面积总体减少 158.3 km2而河
滩沼泽地略有增加。
(3)从土地类型间的转化来看,绿洲区耕地向内
部外部双向扩张,转入远大于转出,新增耕地主要来
源于荒漠、灌木林地和盐碱地;草地的增加主要由于
山区的裸地、林地及山前荒漠的转入;林地转出主要
表现为在上游向草地、裸地转变而在中游转变为耕
地和城乡工矿居民用地;城乡工矿居民用地的增加
主要来源于荒漠、耕地和林地;2010年冰川积雪面积
的增加区域主要为裸岩;未利用地主要向人工用地
转变,荒漠、裸土沙地主要转变为耕地、城乡工矿居
民用地及草地,部分地区盐碱化改善,变为裸土沙
地、荒漠或者耕地。
(4)流域土地利用变化受气候变化和人类活动
的共同作用。 气候变化对上游人类活动干扰较小的
冰川、草地及林地等土地类型的分布有较大影响;中
游是人类活动密集区,耕地和城乡工矿居民用地扩
张等人类活动是造成荒漠植被退化的重要原因;下
游地区在气候变化和人类活动的共同影响下,尾闾
湖泊萎缩,河道两旁植被退化严重。
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园愿源猿 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿源卷摇
叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
叶生态学报曳为半月刊袁大 员远开本袁圆愿园页袁国内定价 怨园元 辕册袁全年定价 圆员远园元遥
国内邮发代号院愿圆鄄苑袁国外邮发代号院酝远苑园
标准刊号院陨杂杂晕 员园园园鄄园怨猿猿摇 摇 悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝
全国各地邮局均可订阅袁也可直接与编辑部联系购买遥 欢迎广大科技工作者尧科研单位尧高等院校尧图书
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通讯地址院 员园园园愿缘 北京海淀区双清路 员愿号摇 电摇 摇 话院 渊园员园冤远圆怨源员园怨怨曰 远圆愿源猿猿远圆
耘鄄皂葬蚤造院 泽澡藻灶早贼葬蚤曾怎藻遭葬燥岳 则糟藻藻泽援葬糟援糟灶摇 网摇 摇 址院 憎憎憎援藻糟燥造燥早蚤糟葬援糟灶
编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
生摇 态摇 学摇 报渊杂匀耘晕郧栽粤陨摇 载哉耘月粤韵冤渊半月刊摇 员怨愿员年 猿月创刊冤
第 猿源卷摇 第 员圆期摇 渊圆园员源年 远月冤
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编摇 摇 辑摇 叶生态学报曳编辑部
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主摇 摇 编摇 王如松
主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
主摇 摇 办摇 中国生态学学会
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