全 文 ：第 26 卷第 3期
2006 年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 26, No. 3
Mar. , 2006
内陆河流域中、下游绿洲耕地变化及其驱动因素
) ) ) 以石羊河流域中游凉州区和下游民勤绿洲为例
李小玉1, 2 , 肖笃宁1, 2 , 何兴元1* , 陈 玮1 , 胡志斌1 ,宋冬梅3
( 1. 中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016; 2. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 兰州 730000;
31中国石油大学地球资源与信息学院,东营 257061)
基金项目:国家自然科学基金资助项目( 40501068; 40501073和 90102004) ; 国家重点基础研究发展规划资助项目( 973) ( No. 2002CB111506)
收稿日期: 2005-08-12;修订日期: 2006-01-20
作者简介:李小玉( 1976~ ) , 男, 甘肃人,博士, 主要从事景观生态学和城市森林研究. E-mail: lixy76@163. com
* 通讯作者 Author for correspondence. E-mail : hexy@ iae. ac. cn
Foundation item: The project was surpported by Nat ional Natural Science Foundat ion of China ( No. 40501068; No. 40501073 and No. 90102004) ; Nat ional Basic
Research Program of China ( 973) ( No. 2002CB111506)
Received date: 2005-08-12; Accepted date: 2006-01-20
Biography: LI Xiao-Yu, Ph. D. , mainly engaged in landscape ecology and urban forest . E-mail: lixy76@ 163. com
摘要:以野外实际调查资料以及社会经济统计资料,结合研究区 1986 年和 2000 年的TM影像数据, 分析了石羊河流域中游凉州
区和下游民勤绿洲近 20a来的耕地变化及其驱动因子 ,结果表明: ( 1)两个绿洲的耕地面积都呈增加趋势, 且民勤绿洲耕地增加
速度更为显著;在空间上新增耕地主要集中在荒漠和绿洲的交错地带, 耕地的增加凉州区以沙地作为主要来源, 而民勤则以牺
牲林草地为代价。( 2)从耕地变化驱动力来看,人口增加是直接动因, 同时农业科技进步和社会经济的发展为耕地面积的扩大
提供了前提条件;此外, 耕地面积的变化在凉州区与地表水量关系密切; 而在民勤则与大风、沙尘暴天气等生态环境问题以及绿
洲内的降水、蒸发等气象因素有显著关系。充分表明石羊河流域中游绿洲经济的繁荣发展以下游民勤绿洲的急剧衰退为代价。
关键词:绿洲; 耕地变化; 驱动因子; 石羊河流域; 水资源
文章编号: 1000-0933(2006) 03-0671-10 中图分类号: Q149 文献标识码: A
Comparison on changes and their driving forces of farmland in oases of middle and
lower reaches: The case of Liangzhou and Minqin oases in the Shiyang river basin
LI Xiao-Yu
1, 2
, XIAO Du-Ning
1, 2
, HE Xing-Yuan
1*
, CHEN Wei
1
, HU Zh-i Bin
1
, SONG Dong-Mei
3
(1. Institute of Appli ed
Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China; 2. Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy
Sciences, Lanzhou 730000, China ; 3. College of Earth Resources and Information , China Univ ersity of Petroleum , Dongying 257061, China ) . Acta Ecologica
Sinica , 2006, 26( 3) :671~ 680.
Abstract: The development and utilization of water and land resources in the Shiyang river basin is the highest among the 3 inland
rivers in the Hexi Corridor of Gansu province, northwestern China. Based on field investigation and socia-l economical data, in
combination with TM images of the study area in 1986 and 2000, this paper analyzed the changes of farmland and their driving
forces in Liangzhouqu and Minqin oases in the middle and lower reaches of Shiyang river basin in the last 20 years.
Farmland increased in both oases, whileMinqin oasis increased more quickly. Most of the increased farmland was distributed
on deser-t oasis ecotones. But it was mainly converted from desert in Liangzhou oasis, and from woodland and grassland in Minqin
oasis. In view of driving forces, the population increase was one of the most important factors, and improvement of agricultural
technique and economic development provided conditions for farmland expansion in both oases. In addition, the expansion of
farmland was closely related to the amount of surface water in Liangzhou oasis, but was effected by ecological environment such as
gale and dust storm, and weather conditions such as rainfall and evaporation in Minqin oasis. With the development of human
act ivities and expansion of farmland in Liangzhou oasis, the need for surface water is ever- growing from year to year, resulting in
a decrease of annual discharge to theHongyashan reservoir from 5 @ 108 m3 during the 1950s and 1960s to only 110@ 108 m3 or so
at present. Therefore overuse of groundwater in these regions, especially in the downstreamMinqin oasis is very notable. All these
indicated that the development of oases in the middle and lower reaches of Shiyang River had already lost the balance to a great
extent, and the economic increase of Liangzhouqu oasis is at the cost of environment deteriorat ion of Minqin oasis.
In order to realize rational resource ut ilization and sustainable development of Shiyang river basin, the surface water should be
allotted at a reasonable proportion in the whole watershed, recovering the runoff in the lower reaches to 18% of the total runoff
( about 215 @ 108m3Pa) of Shiyang river, which used to be the level in early 1980s. In addition, the charge for transfer of water
from other watersheds should be allocated according to the proportion of runoff utilization, and thus reduce the cost of water use in
the lower reaches such as Minqin Oasis.
Key words: oasis; farmland changes; driving forces; Shiyang river basin; water resource
绿洲是干旱区独有的人文-自然景观,景观格局与水-生态过程成为干旱区景观生态研究的热点。在河西
走廊的3个内流河流域中, 石羊河流域的水、土资源开发程度最高,生态危机最大[ 1]。尤其是近几十年, 随着
流域中游地区人口数量与经济规模的不断扩大,导致进入下游民勤绿洲的地表水资源日趋减少,引发了绿洲
萎缩、土地沙漠化以及水资源供需矛盾突出和地下水位下降等一系列社会经济问题[ 2~ 4]。耕地作为干旱区绿
洲土地中的精华,其动态变化无疑是影响地区可持续发展的关键问题,不适当的开荒和盲目扩大耕地面积,可
导致水土资源利用的不合理和不平衡,甚至引起生态环境的恶性循环 [5, 6]。因此,对石羊河流域中下游绿洲耕
地的时空变化及其驱动因子进行定量分析研究,不仅有助于深入了解干旱区内陆河流域耕地变化与自然、生
态过程和人类社会活动之间的关系,也有利于确定人类的各种经济活动导致该地区景观改变的强度和方向及
其有效性,从而为本区域可持续发展提供重要的科学依据。
1 研究区概况
石羊河流域是河西走廊三大内陆河流域之一,流域总面积 4106 @ 104 km2 ,位于 101b41c~ 104b16cE, 36b29c
~ 39b27cN之间。水系在上游山区有8条主要河流,它们出山以后进入永昌 ) 武威盆地,水量大部分被农业引
灌和下渗转化为地下水, 在洪积扇边缘地带又以泉水的形式溢出地表,形成众多的泉水河道, 再次汇合成为石
羊河,此段是石羊河的中游;此后向北穿越红崖山进入民勤盆地,水流经引灌而耗于蒸发,逐渐消失。
该流域属干旱的大陆性内陆气候区域,具有降水量少、降水变率大、年内分配不均、蒸发量大和干旱时段
明显等特点。本文选取该流域中下游的典型农业绿洲 ) ) ) 凉州区和民勤绿洲作为研究区域, 海拔在 1400~
2100 m之间,降水量和蒸发量凉州区分别为 158 mm和 1963 mm,民勤分别为 115 mm 和 2637 mm; 土壤主要有
灰钙土、灰漠土、绿洲灌淤土、草甸土、盐土、风沙土等类型。
2 研究方法和数据
本文根据研究区 20a来的土地详查资料分析两个绿洲耕地面积的时间变化, 并利用 1986年和 2000年的
TM影像数据的人工目视解译结果分析了其在空间上的转移变化情况;在此基础上, 应用主成分分析方法对两
个绿洲耕地变化的驱动机制进行了比较分析,为石羊河流域水土资源的合理配置提供理论依据。
数据来源主要由自然社会经济统计数据和空间数据两部分组成。自然社会经济统计资料主要是武威地
区1980~ 2000年的土地利用详查资料以及凉州区和民勤县 1980~ 2000年的社会经济统计年鉴;空间数据为
1986年和 2000年的凉州区和民勤绿洲的TM 影像数据,通过人工目视解译, 根据绿洲的土地利用特征和实际
情况,把研究区土地利用划分为耕地、林地、草地、居民地、沙地和盐碱地 6个类型。
3 耕地变化定量分析
311 数量变化分析
根据武威地区土地变更详查资料, 从近 20a 来两个绿洲的耕地面积变化情况(图1)来看, 中游凉州区耕地
面积呈持续增加趋势,从 1980年的1113 @ 104 hm2 增加到2000年的 1118 @ 104 hm2 , 净增耕地面积 4900 hm2 ,年
均相对增加率为 0121%; 但随着其人口的不断增加( 20a来增加 23108 @ 104 人, 年均相对增加率为 1152% ) ,使
672 生 态 学 报 26卷
得人均耕地面积从1980年的 01149 hm2降低到 2000年的01119 hm2。下游民勤绿洲近年来的耕地增加速度更
为显著,从 1980年的 618 @ 104 hm2 增加到了 2000年的 818 @ 104 hm2 ,净增 210 @ 104 hm2 , 年均相对增加率高达
1145%; 因而使得在其人口增加了6127 @ 104 人(年均相对增加率为 1130% )的情况下,人均耕地面积仍然维持
稳定( 1980年为 01283 hm2 ,到 2000年仍为 01289 hm2 )。
图 1 凉州区和民勤绿洲耕地总面积和人均耕地面积
Fig. 1 Total area and mean area per person of farmland in Liangzhou and Minqin oases
312 空间变化分析
分别根据 1986和 2000年凉州区和民勤绿洲的 TM影像人工目视解译结果, 计算了两个绿洲不同时期的
耕地面积及其空间转移变化情况(图2,表 1、表2)。首先需要说明的一点是,根据影像解译计算得出的两个绿
洲耕地面积都要比土地详查数据大许多,这主要是由于土地详查面积是根据历年的上报登记面积为主, 而很
少包括农民自行开垦的一些井灌面积和撂荒地的复垦,尽管这样,但土地详查面积仍可较好地反映当地耕地
增加的趋势(图 1) , 因此本文仍采用该数据进行驱动力分析。
通过图 2和表 1可以看出, 近 15a来凉州区耕地来自其它各土地利用类型的面积为 1550119 hm2 ,而同期
从耕地转化为其它土地类型的面积为 924511 hm2 ,净增耕地面积 630118 hm2 , 其中 614611 hm2 来自沙地, 表明
凉州区耕地的增加主要以改造沙地为主要来源。在空间上新增耕地主要分布在凉州区绿洲东部的纯井灌区,
有大面积的沙地和部分林草地被开垦为耕地。
表 1 凉州区绿洲耕地面积变化情况
Table 1 Spatial changes of farmland area in Liangzhouqu oasis
项目 Item 林地
Forest land
草地
Grassland
居民地
Residential area
沙地
Sandy land
盐碱地
Salinized land
合计
Total
来自其它各类型的耕地面积( hm2)
Area of farmland come from the other types
204015 393013 7301 9 880012 ) 1550119
转为其它各类型的耕地面积( hm2)
Area of farmland converted into the other types
89414 313214 256412 265411 ) 924511
来自各类型的净增耕地面积( hm2)
Net increment of farmland come from other types
+ 119111 + 79719 - 183313 + 614611 ) + 630118
未变化面积 Unchanged area of farmland( hm2) 14482019
相对变化率 Relative rate of farmland changes( % ) 4109
1986年面积 Farmland area in 1986* ( hm2) 15402110( 11549810)
2000年面积 Farmland area in 2000* ( hm2) 16032218( 11820915)
* 1986和 2000 年面积栏括号中为土地详查数据 The area of 1986 and 2000 in parenthesis was come from invest igation of land resource by local
authorit ies;下同 the same below
6733期 李小玉 等: 内陆河流域中、下游绿洲耕地变化及其驱动因素
674 生 态 学 报 26卷
在民勤绿洲(表 2) , 耕地面积增加了36 43413 hm2 ,新增耕地面积达1986年耕地总面积的52161%,其中来
自草地和林地的分别为20 50618 hm2 和8 11014 hm2 , 各占新增耕地面积的 5613%和 2213%。可见, 民勤绿洲
耕地的增加是以牺牲林草地为代价。空间分布上则表现为对原有耕地外围林草地的开垦,尤以水资源比较充
足的民勤绿洲西南部河井混灌区最为突出。此外,尽管民勤湖区生态环境的恶化已经严重威胁到了当地居民
的正常生产和生活, 但近年来湖区破坏林草地开垦耕地的现象仍十分严重,新增耕地面积有 14176% ( 4 94316
hm
2
)来自草地, 4132% ( 1 44710 hm2 )来自林地,从而使得林地和草地面积分别减少1 52015 hm2 和 494113 hm2 ;
耕地的大量增加导致了湖区淡水资源的严重紧缺,使得地下水超采严重,导致矿化度本身很高的湖区地下水
质恶化趋势加剧,大面积耕地被迫弃耕,近年来实际播种耕地面积仅有耕地总面积的 1P3左右,造成了生态环
境的不断恶化[ 7, 8]。
表 2 民勤绿洲耕地面积变化情况
Table 2 Spatial changes of farmland area in Minqin oasis
项目 Item 林地
Forest land
草地
Grassland
居民地
Residential area
沙地
Sandy land
盐碱地
Salinized land
合计
Total
来自其它各类型的耕地面积( hm2)
Area of farmland come from the other types
860810 2230719 23710 480912 449416 4045617
转为其它各类型的耕地面积( hm2)
Area of farmland converted into the other types
49716 180112 51511 93318 27418 402214
来自各类型的净增耕地面积( hm2)
Net increment of Farmland come from other types
+ 811014 + 2050618 - 27811 + 387515 + 421918 + 3643413
未变化面积 Unchanged area of farmland( hm2) 6522516
相对变化率 Relative rate of farmland changes( % ) 52161
1986年面积 Farmland area in 1986( hm2) 6924810(7433313)
2000年面积 Farmland area in 2000( hm2) 10568213( 8763115)
由上分析可以看出,耕地的增加主要集中在荒漠和绿洲的交错地带, 民勤绿洲耕地增加速度明显大于凉州
区。中游凉州区绿洲耕地的增加以沙地作为主要来源,而下游民勤绿洲耕地的增加则以牺牲林草地为代价。
4 绿洲耕地变化的驱动力分析
411 耕地变化影响因子的选择与分析
石羊河流域中下游景观格局演变特征主要是荒漠化景观和绿洲化景观逐渐分异,其根本原因是由于干旱
区气候这一最基本和最长久的自然因素所造成,但有限的水资源数量和分布状况, 以及人类社会不断加强的
生产活动已成为促进本地区景观变化的最活跃力量[ 9, 10]。为了定量分析各影响因子对耕地景观变化的作用
与贡献,并比较中下游绿洲耕地变化驱动因子的异同, 根据统计分析的思路和要求, 结合研究区的现有资料情
况,首先选择尽量多的可能影响因素,通过统计分析提取主成分,分别对两个绿洲景观变化的影响因素进行归
纳和比较。为了尽可能全面地反映研究区景观变化的影响因素, 本研究根据实地考察分析, 并在综合已有研
究成果和专家意见的基础上, 选择了以下几个方面共 17个指标:
耕地和人口 耕地面积( Y) , 人口数量( X1 ) ;
水资源利用 地表水量( X 2 ) ,机井数量( X 3 ) ,农村用电量( X 10 ) (凉州区和民勤绿洲分别各有 80%和 90%
以上的农村用电量用于机电井灌溉) ;
农业种植情况 粮食总产量( X 4 ) ,人均粮食产量( X 5 ) ,粮食作物种植比例( X 6 ) , 经济作物种植比例( X 7 ) ;
农业现代化情况 化肥用量( X 8 ) ,农业机械总动力( X 9 ) ;
社会经济指标 工业总产值( X 11 ) ,农业总产值( X 12 ) ,农村经济收入、费用比( X 13 ) ;
气象指标 降雨量( X14 ) , 蒸发量( X 15 ) ,大风日数( X 16 ) ,无霜日数( X 17 )。
以上述 17个指标和耕地面积的 1980~ 2000年取值作为原始分析样本,使用统计分析软件SPSS1110 进行
分析计算,分别得出凉州区和民勤绿洲耕地变化驱动因子的相关系数矩阵、特征值、主成分贡献率与累计贡献
6753期 李小玉 等: 内陆河流域中、下游绿洲耕地变化及其驱动因素
率以及主成分荷载矩阵(表 3~ 表 6)。
从表 3、表 4可以看出,各指标之间存在着很大的相关性。在凉州区绿洲,相关系数高于 0185的指标组合
占所有组合的 28%,其中耕地面积Y与除地表水和气象因素之外的其它各因子都存在较大的相关性,同时,
X 1、X3、X 4、X 5、X 6与 X 8、X 9、X 10、X11、X 12等指标之间都彼此存在较大相关; 而在民勤绿洲, 相关系数高于
0185的指标组合达 30%,其中Y、X 1、X 2以及 X 7、X 8、X 9、X 10、X 11、X12等指标都与其它多个指标之间存在较大
相关性。同时还发现气象因子在两个绿洲中都与其它影响因素相关性较低。因此, 为了定量地确定各因子的
贡献及其相互关系, 有必要对这些影响因子进行主成分分析。
表 3 凉州区绿洲耕地变化驱动力变量相关系数矩阵
Table 3 Correlation matrix of driving force variables of farmland changes in Liangzhou oasis
Y X 1 X 2 X 3 X 4 X 5 X 6 X 7 X 8 X 9 X10 X 11 X 12 X 13 X 14 X 15 X 16 X 17
Y 1100
X 1 0198 1100
X 2 0112 0111 1100
X 3 0198 0193 0112 1100
X 4 0187 0189 0112 0189 1100
X 5 0141 0142 0110 0152 0179 1100
X 6 - 0194 - 0197 - 0119 - 0189 - 0190 - 0147 1100
X 7 0184 0180 0132 0176 0152 - 0101 - 0176 1100
X 8 0185 0188 0112 0183 0189 0160 - 0191 0160 1100
X 9 0189 0192 0108 0188 0194 0161 - 0192 0157 0185 1100
X10 0197 0198 0113 0193 0186 01391- 0194 0180 0181 0190 1100
X11 0182 0187 0103 0182 0194 0168 - 0189 0146 0185 0198 0186 1100
X12 0194 0197 0107 0191 0194 0156 - 0196 0168 0190 0197 0195 0196 1100
X13 0127 0113 0122 0144 0136 0156 - 0115 0106 0120 0122 0114 0119 0118 1100
X14 0135 0130 0142 0134 01251 0112 - 0133 0151 0128 0123 0127 0117 0128 0115 1100
X15 - 0159 - 0156 - 0160 - 0159 - 0150 - 0125 0154 - 0166 - 0145 - 0144 - 0162 - 0140 - 0151 - 0121 - 0160 1100
X16 - 0168 - 0166 - 0115 - 0162 - 0145 - 0102 0161 - 0174 - 0145 - 0149 - 0162 - 0142 - 0157 - 0126 - 0113 0140 1100
X17 - 0143 - 0139 0108 - 0139 - 0124 0105 0143 - 0149 - 0133 - 0133 - 0136 - 0127 - 0136 0103 - 0105 - 0101 0138 1100
Y , 耕地面积Farmland area; X 1, 人口数量 Population; X2 , 地表水量 Amount of surface runoff; X3 ,机井数量Number of pumpedwells; X 4,粮食总
产量 Total crop production; X 5, 人均粮食产量 Mean crop production per person; X 6, 粮食作物种植比例 Percent of planted grain crop; X 7 , 经济作物种
植比例 Percent of planted cash crop; X 8 , 化肥用量 Amount of fertilizer appl ication; X 9, 农业机械总动力 Total power of agricultural machine; X 10 , 农村用
电量 elect ric power used in agriculture; X 11 , 工业总产值 Total product of industry; X 12 , 农业总产值 Total product of agriculture; X 13 , 农村经济收入、费
用比 Ratio of income to expenses in rural ; X 14 , 降雨量 precipitat ion; X 15 , 蒸发量 evaporat ion; X 16, 大风日数Number of gale days; X17, 无霜日数 Fros-t
free days,下同 the same below
主成分分析表明(表 5) , 凉州区和民勤绿洲分别各有 3个特征值大于 1, 累计贡献率分别达 82113%和
84197%, 因此两个研究区分别都可以提取 3个主成分。通过对各主成分进行荷载矩阵分析(表 6) ,可分别得
到各影响因子在各主成分中所占据的相对重要性。
在凉州区, 第一主成分与 X 1、X 3、X 4、X 8、X 9、X 10、X11、X 12有较大的正相关, 与 X 6 呈明显负相关; 第二主
成分与 X2呈较大正相关,与 X 15呈负相关; 第三主成分与 X 5 呈较大正相关。因此,凉州区绿洲耕地变化驱动
因素可以概括为以下 3个方面: ( 1)社会经济和农业科技进步因素; ( 2)绿洲水资源利用; ( 3)绿洲人口承载力。
在民勤绿洲,第一主成分也同样与 X 1、X3、X 4、X 8、X 9、X 10、X11、X 12有较大的正相关; 第二主成分与 X 16呈
负相关;第三主成分与 X 14呈较大正相关, 与 X 15呈负相关。同样,民勤绿洲耕地变化驱动因素也可以归纳为
以下 3个方面: ( 1)社会经济和农业科技进步因素以及水资源状况; ( 2)沙尘暴天气等生态环境问题; ( 3)绿洲
内的降水、蒸发等气象因素。
412 凉州区绿洲耕地变化驱动因素分析
41211 社会经济和农业科技进步因素 第一主成分包含了 55120%的变化率,是主控因子。人口作为一种持
续的外界压力, 与凉州区耕地变化有着极为密切的关系,相关系数达 0198,可以认为,人口增长是促进耕地面
积增加的最主要驱动力之一。虽然耕地面积不断增加,但随着人口的增长, 人均耕地面积在凉州区仍呈持续
676 生 态 学 报 26卷
下降趋势。因此,在耕地面积受到水资源等因素严重制约的条件下, 提高耕地生产力已成为当地谋求发展的
重要手段。
表 4 民勤绿洲耕地变化驱动力变量相关系数矩阵
Table 4 Correlation matrix of driving force variables of farmland changes in Minqin oasis
Y X 1 X 2 X 3 X 4 X 5 X 6 X 7 X 8 X 9 X10 X 11 X 12 X 13 X 14 X 15 X 16 X 17
Y 1100
X 1 0195 1100
X 2 - 0185 - 0189 1100
X 3 0179 0187 - 0175 1100
X 4 0191 0196 - 0187 0175 1100
X 5 0177 0182 - 0176 0152 0194 1100
X 6 - 0189 - 0183 0169 - 0168 - 0179 - 0168 1100
X 7 0188 0186 - 0171 0167 0183 0172 - 0197 1100
X 8 0193 0198 - 0183 0188 0192 0175 - 0181 0185 1100
X 9 0192 0198 - 0187 0193 0192 0174 - 0178 0179 0198 1100
X10 0193 0195 - 0190 0178 0194 0182 - 0177 0178 0191 0192 1100
X11 0192 0196 - 0184 0191 0190 0173 - 0177 0177 0196 0198 0189 1100
X12 0195 0199 - 0188 0187 0196 0182 - 0182 0183 0197 0198 0195 0198 1100
X13 - 0119 - 0142 0142 - 0131 - 0138 - 0128 0102 - 0116 - 0142 - 0145 - 0132 - 0141 - 0138 1100
X14 0138 0131 - 0124 0131 0119 0105 - 0160 0153 0130 0126 0126 0124 0127 0112 1100
X15 - 0116 - 0109 - 0105 - 0107 - 0109 - 0110 0133 - 0134 - 0113 - 0105 0102 - 0104 - 0104 - 0121 - 0151 1100
X16 - 0153 - 0152 0146 - 0115 - 0156 - 0157 0147 - 0150 - 0147 - 0139 - 0156 - 0136 - 0147 0109 - 0105 - 0103 1100
X17 - 0158 - 0157 0156 - 0133 - 0160 - 0159 0141 - 0152 - 0159 - 0155 - 0152 - 0149 - 0152 0139 0101 0118 0147 1100
表 5 凉州区和民勤绿洲耕地变化影响因素主成分的特征值及贡献率
Table 5 Eigenvalues and contributing rate of primary factors
主成分
Principal component
凉州区绿洲 Liangzhouqu oasis 民勤绿洲 Minqin oasis
特征值
Eigenvalues
贡献率( % )
% of Variance
累计贡献率( % )
Cumulative
特征值
Eigenvalues
贡献率( % )
% of Variance
累计贡献率( % )
Cumulat ive
1 9139 55120 55120 8180 51174 51174
2 2172 16102 71123 314367 20140 72113
3 1185 10190 82113 211832 12184 84197
表 6 凉州区和民勤绿洲耕地变化影响因素的主成分荷载矩阵
Table 6 The matrices of primary factor loadings
凉州区绿洲 Liangzhouqu oasis 民勤绿洲 Minqin oasis
主成分 1
Component 1
主成分 2
Component 2
主成分 3
Component 3
主成分 1
Component 1
主成分 2
Component 2
主成分 3
Component 3
X 1 0196 0123 - 0111 0189 0143 0112
X 2 - 0105 0181 0117 - 0181 - 0141 0109
X 3 0191 0129 0105 0196 - 0102 0110
X 4 0193 0113 0132 0180 0157 0108
X 5 0156 - 0102 0178 0158 0170 0103
X 6 - 0195 - 0124 0106 - 0167 - 0140 - 0157
X 7 0164 0158 - 0146 0167 0147 0149
X 8 0190 0114 0112 0189 0138 0114
X 9 0196 0108 0113 0194 0130 0106
X10 0193 0126 - 0111 0182 0149 0107
X11 0194 - 0100 0122 0194 0127 0106
X12 0198 0115 0104 0190 0139 0110
X13 0119 0126 0159 - 0154 - 0102 0151
X14 0115 0175 0104 0130 - 0113 0182
X15 - 0139 - 0181 - 0107 0104 - 0107 - 0179
X16 - 0158 - 0132 0138 - 0113 - 0187 - 0104
X17 - 0145 0108 0154 - 0135 - 0167 0105
6773期 李小玉 等: 内陆河流域中、下游绿洲耕地变化及其驱动因素
同时,第一主成分中化肥用量、农业机械总动力、农村用电量等反映农业科技进步的因子也都与耕地面积
呈正相关,表明农业机械的广泛应用和农业耕作效率的不断提高,为耕地面积的扩大创造了有利的前提条件。
此外,粮食作物种植比例与耕地面积有着较大的负相关,随着粮食作物种植比例的下降, 科技含量更高的经济
作物种植比例不断提高, 从而在很大程度上提高了单位耕地面积的经济产出率,对于缓解由于人口持续增长
造成的耕地压力具有一定的意义。
构成第一主成分的粮食总产量、工业总产值和农业总产值这 3个因子,特别是农业总产值与耕地面积有
着较大的相关性,说明凉州区耕地面积的增加在很大程度上推动了当地工农业经济的发展。另外,中游绿洲
随着耕地面积的扩大,对地下水的开采强度也不断加强,组成第一主成分的机井数量和农村用电量(农村用电
量的 80%以上用于机井灌溉)与耕地面积呈高度正相关充分说明了这一点, 凉州区 20世纪 70年代初开采量
为019 @ 108 m3 , 80年代初为 416 @ 108 m3 ,到 2000年则达到 517 @ 108 m3 , 增幅显著。但另一方面, 由于地下水
的大量开采利用,超采现象日趋严重, 使得绿洲地下水位下降明显。据计算, 2000年中游凉州区地下水允许
开采量为 313 @ 108 m3 ,当年超采 214 @ 108 m3 ,水位下降 016 m 左右。近 20a 来凉州区绿洲大部分区域水位总
降幅为5~ 1115 m,有些区域高达 16 m,下降速度为 013~ 018 mPa,不仅造成了凉州区绿洲自身生态环境的破
坏,同时使得河流向下游输送水量的重要组成部分 ) ) ) 泉水资源几乎枯竭,由此直接造成了下游径流量的锐
减,使得民勤绿洲由于水源严重不足,不得不超采地下水维持生计,形成了恶性循环 [10]。
41212 绿洲水资源利用 第二主成分包含了 16102%的变化率,与地表水量和蒸发量分别呈较高的正相关和
负相关,主要体现为地表水资源的数量与利用以及绿洲气候的干旱程度。由于凉州区处于中游位置, 有优先
拦截利用地表水资源的地理优势, 其境内三大水库近 20a的年平均蓄水量为 6111 @ 108 m3 ,占整个石羊河上游
出山口径流的比例 20世纪80年代平均为43189% , 90年代达到了 50116%。充分表明了当地耕地面积扩大对
地表水资源的依赖程度, 在地表来水较大的年份, 耕地的开垦速度也随之增加。但同时也反映出了一个严峻
的现实问题:由于中游耕地面积的扩大和工农业经济的发展, 用水量不断增加, 使得下游来水日益减少, 中下
游用水比例严重失调,下游径流量占出山口径流量的比例从 50年代的 37%下降到 80年代的 15% ,以至于到
近几年的不足 10%, 直接造成了下游生态环境的不断恶化。
此外, 凉州区绿洲境内蒸发量( 1704~ 2028 mm)的变化也对耕地面积有着较大影响, 在蒸发量大、气候干
旱的年份,耕地开垦较少。
41213 绿洲人口承载力 第三主成分包含了 10190%的变化率, 构成第三主成分的是人均粮食产量, 这一指
标反映了绿洲的人口承载力。绿洲水土资源的承载压力随着人口的增加和人们生活水平的提高而不断增大,
虽然耕地面积的不断扩大在很大程度上起到了缓解绿洲承载压力的作用, 但也造成了该流域水资源的严重危
机和中下游水资源利用的失衡,以及地下水过度开采等现象, 直接导致了生态环境不断被破坏的恶性循环。
因此, 随着科学技术的不断进步,大力加强和提高农业生产水平, 合理调整种植业结构,不断提高水土资源利
用效率,也是提高绿洲人口承载水平的主要途径。
从以上分析可以看出,人口增长是促进耕地面积增加的最主要的驱动力之一,同时, 农业科技的进步和推
广以及地下水资源的大量开采为耕地面积的扩大提供了前提条件,而有限地表水资源则在很大程度上制约着
耕地面积的不断扩大;但同时由于中游绿洲耕地的不断扩大和水资源使用量的持续增加, 造成了下游民勤绿
洲生态环境的急剧恶化, 中、下游绿洲发展严重失衡,中游经济的繁荣以下游民勤绿洲的急剧衰退为代价。
413 民勤绿洲耕地变化驱动因素分析
41311 社会经济和农业科技进步因素以及水资源状况 同凉州区绿洲一样,构成民勤绿洲耕地变化驱动因
素的第一主成分包含了 51174%的变化率,占主导地位,仍然可以概括为社会经济和农业科技进步因素, 只不
过水资源因素在民勤绿洲也包含在第一主成分之中,而农业种植结构则没有被体现。
人口与民勤耕地变化的相关系数达 0195,同样也是耕地不断扩大的最主要因素。同时,第一主成分中化
肥用量、农业机械总动力、农村用电量等反映农业科技进步的因素以及粮食总产量、工业总产值和农业总产值
678 生 态 学 报 26卷
等表明绿洲产出方面的指标也都与耕地面积呈正相关,与凉州区绿洲相同。
此外,构成第一主成分的地表水量与耕地面积呈显著负相关。这是由于尽管耕地面积不断扩大, 但下游
地表来水量却持续锐减,从20世纪 50年代的超过 515 @ 108 m3 到80年代的212 @ 108m3 ,近几年仅有110 @ 108
m
3 左右。正是由于耕地的不断扩大,地表来水的持续减少,使得民勤绿洲由于水源严重不足, 不得不超采地
下水维持生计, 这一点可以从组成第一主成分的机井数量和农村用电量(农村用电量的 90%以上用于机井灌
溉)与耕地面积呈高度正相关得到充分证明。民勤绿洲地下水开采量从 20世纪 70年代以前的不足 110 @ 108
m
3
,发展到 70年代的 216 @ 108 m3 , 80年代为 315 @ 108 m3 ,到 2000年则高达 618 @ 108 m3 ,近 20a来平均每年增
加012 @ 108 m3 ,形成了地下水位下降、矿化度增大、绿洲防护林大量死亡等生态环境质量持续下降的恶性
循环[ 11, 12]。
通过绿洲景观类型图与同期地下水矿化度分布图的叠加运算表明,分布于地下水矿化度 115gPL 以下的
耕地面积减少了8 152 hm2 ,而分布于 115~ 210 gPL 的面积增加了32 805 hm2 ,主要是由于过度开采利用地下水
使得其矿化度增加的结果。而地下水矿化度 310 gPL 以上的耕地面积从19 334 hm2 (为绿洲总面积的 7103% )
增加到了39 339 hm2 ( 14132%) , 其中> 415 gPL 的 1987年仅有337 hm2 ,到了2001年则达到了11 042 hm2。研究
表明, 当地下水矿化度高于310 gPL 时小麦等粮食作物的生长就会受到较大影响,产量下降 10%以上[ 9] , 说明
民勤绿洲, 特别是湖区,地下水的矿化已严重威胁到了耕地的存在,湖区绝大部分耕地已无法种植粮食作物。
按照作物灌溉定额为7 500 m3Phm2 计算, 可估算出民勤绿洲每年因灌溉滞留在土壤耕作层的盐分数量, 1987
年为 112 @ 107 t, 2001年则达到 2017 @ 107 t,两个时期的平均滞盐量分别为 161 7 tPhm2和 181 9 tPhm2。由于地
下水矿化度的升高, 使得耕地土壤盐渍化加剧, 生产力大大降低, 甚至被迫弃耕, 直接影响到了民勤绿洲的
存亡。
41312 大风、沙尘暴天气等生态环境问题 与凉州区绿洲不同的是在民勤绿洲构成第二主成分(包含了
20140%的变化率)的大风日数,与耕地面积呈负相关。进一步表明了大风、沙尘暴天气等生态环境问题已经
直接影响到了绿洲耕地的变化,这也充分说明了不断恶化的生态环境问题已经对下游民勤绿洲的发展构成了
直接的威胁,不得不引起人们的高度重视和忧虑。
41313 绿洲内的降水、蒸发等气象因素 第三主成分由降雨量和蒸发量构成, 两者分别与耕地面积呈显著的
正相关和负相关,解释了 12184%的变化率。变幅分别在 50~ 200 mm 的降水以及2 400~ 2 890 mm 的蒸发量
能够对耕地的变化产生影响, 再一次证明民勤绿洲由于水资源的严重不足,生态环境已经变得相当脆弱,对水
资源的依赖已非常敏感, 甚至在湖区等地因降水和蒸发量的大小而发生耕地弃耕 ) 复垦 ) 弃耕的现象。
5 结果与讨论
( 1)近 20a来两个绿洲的耕地面积在数量上都呈增加趋势, 且民勤绿洲耕地增加速度更为显著, 据估算,
如果按此趋势继续发展, 下游民勤绿洲在未来15a中耕地面积还会大幅度增加近 210 @ 104 hm2。因此,必须建
立科学合理的水土资源利用制度和中下游平衡发展模式,坚决规范混乱的水资源利用秩序,杜绝抢夺超采,以
水定地,封井退耕,最大限度压缩耕地面积,努力提高耕地生产力和宝贵的水资源利用效率, 及时纠正耕地的
低水平盲目扩张,因地制宜还林还草(补种红柳、梭梭等超旱生植物等) , 或还其自然面貌, 大力减少耕地用水
量,增加生态环境用水,确保民勤绿洲的生态安全,这也是整个石羊河流域可持续发展的基本保障。同时,提
高畜牧业比重, 不仅可减少粮食作物耗水量, 还可增加农业有机肥投入量, 改善土壤质量,提高耕地生产力,避
免农机化肥的过量投入, 实现精耕细作,防止走石油农业的错误之路。
( 2)从耕地变化驱动力来看,人口增加是直接动因,同时农业科技进步和社会经济的发展为耕地面积的扩
大提供了前提条件, 这一点在中下游绿洲都是一致的。凉州区绿洲由于处于中游, 具有拦蓄利用地表水的地
理优势,因而对地表水的依赖程度更高, 耕地面积的变化与地表水量关系密切; 可见,正是由于农业科技的进
步和社会经济的不断发展,水利化程度的快速发展,河道渠网化和渠道衬砌标准提高, 各河流的出山口的蓄、
引水利工程大量建设,使得中游绿洲对水资源过量利用,直接造成了下游民勤绿洲由于地表水量日趋减少,对
6793期 李小玉 等: 内陆河流域中、下游绿洲耕地变化及其驱动因素
地下水资源的依赖程度不断加大,生态环境恶化严重, 生态系统更加脆弱,对外界因素的抵抗力不断降低,从
而使得大风、沙尘暴天气等生态环境问题以及绿洲内的降水、蒸发等气象因素对耕地的变化都可产生显著的
影响。该结论更进一步表明石羊河流域中、下游绿洲的发展已严重失衡, 中游绿洲经济的繁荣以下游民勤绿
洲的急剧衰退为代价。
( 3)由于中游绿洲对水资源的过度利用,红崖山水库于 2004年 7月首次出现了干沽断流。为了保障下游
绿洲生产和生态用水的基本需求,必须实现流域内部水资源的科学合理配置,做到统一管理,统筹调度, 建议
在民勤蔡旗或香家湾设立测水控制断面,以固定比例分水,逐步恢复下游来水量至 20世纪 80年代初期的水
平(占总径流量的18%左右, 约215 @ 108m3Pa)。同时, 对于外流域调水,有必要实行引水成本的全流域整体分
担和以工补农等水价政策,以充分发挥引水工程的作用。
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