基于土地利用/覆被变化表征的现代绿洲演变过程——以天山北坡三工河流域为例

doi:10.11821/dlxb201607006

地理学报 ›› 2016, Vol. 71 ›› Issue (7): 1157-1171.doi: 10.11821/dlxb201607006

基于土地利用/覆被变化表征的现代绿洲演变过程——以天山北坡三工河流域为例

张琪^1,²(), 罗格平¹(), 李龙辉¹, 张苗^1,², 吕娜娜^1,³, 王新新^1,²

1. 中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室,乌鲁木齐 830011
2. 中国科学院大学,北京 100049
3. 新疆大学资源与环境科学学院,乌鲁木齐 830046

收稿日期:2016-01-20 修回日期:2016-03-20 出版日期:2016-07-25 发布日期:2016-07-25
作者简介:
作者简介：张琪(1991-), 女, 新疆乌鲁木齐人, 硕士, 主要从事土地利用/土地覆被变化、遥感与GIS应用研究。E-mail:zhangqi_91@foxmail.com
基金资助:
国家自然科学基金-新疆联合基金项目(U1303382);973计划前期研究专项(2014CB460603);绿洲荒漠国家重点实验室自主课题(Y471163)

Modern oasis evolution analysis based on land-use and land-cover change: A case study in Sangong River Basin on the northern slope of Tianshan Mountains

Qi ZHANG^1,²(), Geping LUO¹(), Longhui LI¹, Miao ZHANG^1,², Nana LV^1,³, Xinxin WANG^1,²

1. State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, CAS, Urumqi 830011, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3. College of Resources and Environmental Sciences, Xinjiang University, Urumqi 830046, China

Received:2016-01-20 Revised:2016-03-20 Published:2016-07-25 Online:2016-07-25
Supported by:
National Natural Science Foundation of China, No.U1303382;The National Basic Research Program of China (973 Program), No.2014CB460603;The Project of State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, No.Y471163]

摘要/Abstract

摘要：

本文以天山北坡三工河流域为例,利用1958年、1968年和1978年3期航片、1987年彩红外航片、1998年Landsat TM、2004年SPOT 5和2014年Landsat OLI影像,构建绿洲及其外围荒漠7期土地利用/土地覆被数据集,综合分析1950s屯垦戍边以来现代绿洲演变和外围荒漠植物群落变化。结果表明：①1950年以来,屯垦戍边使位于三工河冲洪积扇中下部的老绿洲不断向冲积平原扩张,老绿洲外围以柽柳和梭梭为建群种的土质荒漠景观不断转变为新绿洲,绿洲面积增加了4倍多。其中1958-1968年和2000s以来是绿洲变化最为显著的两个阶段,这两个阶段分别对应了农业用地和建设用地增幅最大的时期。② 三工河流域的现代绿洲演变过程中存在“地方管辖区”和“兵团农场区”两种基本管理模式,也正是这两种模式相互渗透、相互交叉融合,共同推动了现代绿洲演变。③三工河流域1950s-2004年现代绿洲演变具有干旱区绿洲演变的普遍特征,但2004年以后的演变仅适用于有较大规模跨流域调水或新增水源的绿洲演变情形。现代绿洲的扩张以荒漠植被的砍伐和破坏为代价,导致绿洲外围植物群落结构发生了显著的变化,这使得绿洲外围荒漠生态系统的保护愈加困难

关键词: 绿洲, 土地利用/土地覆被变化, 荒漠植物群落, 三工河

Abstract:

The evaluation of land-use/land-cover changes (LUCC) in the arid region was scarcely quantified before the 1980s due to the unavailability of satellite data, resulting in our little knowledge of the effects of LUCC on climate change and carbon/water cycle in that period. In this study, we investigated the evolution of oases in Sangong river basin since the 1950s by using seven land cover maps derived from black-and-white aerial photographs (1958, 1968 and 1978), color-infrared aerial photograph (1987), Landsat TM imagery (1998), SPOT (2004) and Landsat OLI images (2014). Results show that: (1) Since 1950, the new oasis consecutively expanded more than four times towards the bottom of the alluvial plain, causing a huge shrinking of the desert landscapes dominated by haloxylon community and tamarix community. Furthermore, agricultural land had the most rapid expansion during the period of 1958-1968 and built-up areas showed the fastest expansion after the 2000s. (2) Two basic management modes, "local mode" formed by the local governments and "farm management mode" developed by Xinjiang Production and Construction Group, have jointly caused oasis evolution in various LUCC stages. (3) The evolution of modern oasis from the 1950s to 2004 shows the common features of driest oasis area while the period 2004-2014 is characterized by large-scale inter-basin water diversion or some new water sources. (4) The modern oasis expands at the expense of the destruction of desert vegetation, resulting in distinct variation of structure of desert plant community, which will increase the difficulty to protect desert ecosystem.

Key words: oasis, land-use and land-cover change, desert plant community, Sangong River

张琪, 罗格平, 李龙辉, 张苗, 吕娜娜, 王新新. 基于土地利用/覆被变化表征的现代绿洲演变过程——以天山北坡三工河流域为例[J]. 地理学报, 2016, 71(7): 1157-1171.

Qi ZHANG, Geping LUO, Longhui LI, Miao ZHANG, Nana LV, Xinxin WANG. Modern oasis evolution analysis based on land-use and land-cover change: A case study in Sangong River Basin on the northern slope of Tianshan Mountains[J]. Acta Geographica Sinica, 2016, 71(7): 1157-1171.

图/表 11

图1

表1

表2

表3

表4

LUCC定量分析统计模型

	参数	意义	公式
单一LULC类型	变化幅度(ΔU)	反映某一类型在面积上的变化程度。	$ΔU = (U b - U a) / U a × 100 %$
	空间动态度(ΔS)	反映某一类型在空间上面积的变化程度。	$ΔS = (Δ U a + Δ U b) / U a × 100 %$
	变化的趋势与状态指数(Ps)	反映扩张或缩减的强度,在一定程度上反映其变化状态是否处于稳定状态。	$Ps = Δ U i n - Δ U out Δ U i n + Δ U out, - 1 ≤ Ps ≤ 1 且 Δ U i n + Δ U out ≠ 0$
区域LULC类型	变化的趋势与状态指数(Pt)	反映整个区域土地利用/土地覆被变化的状态。	$Pt = ∑ i - 1 n Δ U i n - Δ U out ∑ i - 1 n Δ U i n + Δ U out, 0 ≤ Pt ≤ 1$

表4

图2

图3

表5

表6

表7

表8

参考文献 40

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年份	数据类型	影像采集时间	分辨率或比例尺
1958	航空影像	1958年	1:35000
1968	航空影像	1968年	1:35000
1978	航空影像	1978年8月	1:35000
1987	彩红外航片	1987年6月	1:70000
1998	Landsat TM	1998年8月	30 m
2004	SPOT5	2004年6月	10 m
2014	Landsat OLI	2014年8月	15 m

一级	二级	三级
绿洲	农业用地：包括耕地和其他农业用地,如灌溉设施用地、农垦机械设施用地。建设用地：包括阜康市、准东石油基地、团场、工矿用地和零散的居民点以及道路。水体：水库和水塘。
绿洲		荒漠	土质荒漠	梭梭群落柽柳群落琵琶柴群落柽柳—琵琶柴群落草地(弃耕地)
沙质荒漠	梭梭群落琵琶柴群落	荒漠
山地	低山丘陵区(本研究区域仅覆盖了天山北坡的部分低山丘陵区)

年份	验证数据	总体精度(%)	Kappa系数
1978	绿洲LULC数据^{[19, 20]}	87.50	0.84
1987	绿洲LULC数据^{[19, 20]}	90.00	0.88
1998	绿洲LULC数据^{[19, 20]}	92.00	0.89
2004	google高分辨率影像、植物群落分布数据^[22]	90.67	0.89
2014	google高分辨率影像、实地调查数据	87.97	0.86

年份	参数	绿洲					荒漠
年份	参数	水体		农业用地	建设用地	绿洲区	沙质荒漠	土质荒漠	荒漠区
1958	面积(hm²)	0.00	127.50	1.73	129.23		380.46	828.56	1209.02
	占一级分类比例	0.00	0.99	0.01	-		0.31	0.69	-
	占研究区比例	0.00	0.08	0.00	0.09		0.25	0.55	0.80
1968	面积(hm²)	4.49	273.89	10.42	288.81		376.08	672.67	1048.75
	占一级分类比例	0.02	0.95	0.04	-		0.36	0.64	-
	占研究区比例	0.00	0.18	0.01	0.19		0.25	0.45	0.70
1978	面积(hm²)	7.09	298.43	15.64	321.16		374.81	646.11	1020.93
	占一级分类比例	0.02	0.93	0.05	-		0.37	0.63	-
	占研究区比例	0.00	0.20	0.01	0.21		0.25	0.43	0.68
1987	面积(hm²)	6.45	305.81	26.07	338.34		374.11	635.07	1009.18
	占一级分类比例	0.02	0.90	0.08	-		0.37	0.63	-
	占研究区比例	0.00	0.20	0.02	0.22		0.25	0.42	0.67
1998	面积(hm²)	8.11	356.69	43.45	408.25		373.54	565.83	939.37
	占一级分类比例	0.02	0.87	0.24	-		0.40	0.60	-
	占研究区比例	0.01	0.24	0.03	0.27		0.25	0.38	0.62
2004	面积(hm²)	10.70	418.68	52.56	481.94		372.39	494.05	866.44
	占一级分类比例	0.02	0.87	0.11	-		0.43	0.57	-
	占研究区比例	0.01	0.28	0.03	0.32		0.25	0.33	0.58
2014	面积(hm²)	42.95	500.97	100.94	644.86		370.68	333.14	703.82
	占一级分类比例	0.07	0.78	0.16	-		0.53	0.47	-
	占研究区比例	0.03	0.33	0.07	0.43		0.25	0.22	0.47

年份	参数	绿洲					荒漠			整个区域
年份	参数	农业用地		建设用地		水体	绿洲区	土质荒漠	沙质荒漠	荒漠区
1958-1968年	ΔU (%)	114.82	501.75	-	123.48		-17.96	-1.15	-12.43	-
	ΔS (%)	134.44	501.75	-	-		24.62	1.15	-	-
	Ps	0.85	1.00	1.00	-		-0.83	-1.00	-	-
	Pt	-	-	-	0.86		-	-	0.84	0.85
1968-1978年	ΔU (%)	8.96	50.13	57.9	11.20		-3.00	0.19	-1.81	-
	ΔS (%)	31.57	53.92	60.42	-		11.35	1.27	-	-
	Ps	0.28	0.93	0.96	-		-0.21	0.15	-	-
	Pt	-	-	-	0.34		-	-	0.52	0.43
1978-1987年	ΔU (%)	2.47	66.65	-8.99	5.35		-1.52	0.08	-0.91	-
	ΔS (%)	9.43	76.01	13.12	-		12.53	1.65	-	-
	Ps	0.26	0.88	-0.69	-		-0.01	0.05	-	-
	Pt	-	-	-	0.45		-	-	0.45	0.45
1987-1998年	ΔU (%)	16.64	66.67	0.45	20.66		-11.19	0.11	-6.86	-
	ΔS (%)	23.92	68.28	36.08	-		27.70	0.70	-	-
	Ps	0.70	0.98	0.71	-		-0.37	0.16	-	-
	Pt	-	-	-	0.75		-	-	0.59	0.65
1998-2004年	ΔU (%)	17.38	20.97	31.87	18.05		-13.13	-0.30	-7.85	-
	ΔS (%)	25.82	22.49	54.65	-		36.35	0.99	-	-
	Ps	0.67	0.93	0.58	-		-0.37	-0.31	-	-
	Pt	-	-	-	0.69				0.83	0.78
2004-2014年	ΔU (%)	19.65	92.03	301.54	33.80		-29.53	-0.85	-16.76	-
	ΔS (%)	26.28	92.45	350.70	-		37.82	1.90	-	-
	Ps	0.75	1.00	0.86	-		-0.80	-0.45	-	-
	Pt	-	-	-	0.83		-	-	0.79	0.81
1958-2014年	ΔU (%)	292.92	5728.99	-	399.00		-57.39	-1.91	-39.14	-
	ΔS (%)	334.45	5728.99	-	-		71.44	1.99	-	-
	Ps	0.88	1.00	1.00	-		-0.81	-0.96	-	-
	Pt	-	-	-	0.91		-	-	0.84	0.88

基于土地利用/覆被变化表征的现代绿洲演变过程——以天山北坡三工河流域为例

Modern oasis evolution analysis based on land-use and land-cover change: A case study in Sangong River Basin on the northern slope of Tianshan Mountains

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年份	参数	土质荒漠							沙质荒漠			总体
年份	参数	柽柳—琵琶柴		琵琶柴		柽柳	梭梭	草地	土质荒漠区	琵琶柴	梭梭	沙质荒漠区
1958	S	324.07	221.24	193.78	36.85	52.62	828.56		22.62	357.84	380.46	1209.02
	Pct1	0.39	0.27	0.23	0.04	0.06	-		0.06	0.94	-	-
	Pct2	0.27	0.18	0.16	0.03	0.04	0.69		0.02	0.30	0.31	-
1968	S	265.57	196.03	119.79	36.81	54.46	672.67		22.62	353.46	376.08	1048.75
	Pct1	0.39	0.29	0.18	0.05	0.08	-		0.06	0.94	-	-
	Pct2	0.25	0.19	0.11	0.04	0.05	0.64		0.02	0.34	0.36	-
1978	S	264.22	170.18	129.21	36.76	45.75	646.11		21.69	353.13	374.81	1020.93
	Pct1	0.41	0.26	0.20	0.06	0.07	-		0.06	0.94	-	-
	Pct2	0.26	0.17	0.13	0.04	0.04	0.63		0.02	0.35	0.37	-
1987	S	259.37	174.21	115.62	36.23	49.64	635.07		21.60	352.51	374.11	1009.18
	Pct1	0.41	0.27	0.18	0.06	0.08	-		0.06	0.94	-	-
	Pct2	0.26	0.17	0.11	0.04	0.05	0.63		0.02	0.35	0.37	-
1998	S	247.26	157.62	103.07	36.02	21.86	565.83		21.34	352.20	373.54	939.37
	Pct1	0.44	0.28	0.18	0.06	0.04	-		0.06	0.94	-	-
	Pct2	0.26	0.17	0.11	0.04	0.02	0.60		0.02	0.37	0.40	-
2004	S	203.86	135.09	97.07	35.05	22.97	494.05		20.60	351.79	372.39	866.44
	Pct1	0.41	0.27	0.20	0.07	0.05	-		0.06	0.94	-	-
	Pct2	0.24	0.16	0.11	0.04	0.03	0.57		0.02	0.41	0.43	-
2014	S	132.01	120.57	39.31	35.05	6.20	333.14		20.12	350.56	370.68	703.82
	Pct1	0.40	0.36	0.12	0.11	0.02	-		0.05	0.05	-	-
	Pct2	0.19	0.17	0.06	0.05	0.01	0.47		0.03	0.50	0.53	-

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