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新疆克里雅河流域土地利用/覆被变化及其可持续性研究

祖拜代·木依布拉  
【摘要】:西北干旱区流域水土资源的大规模开发和不合理利用导致了植被退化、土地荒漠化等生态环境问题,影响了干旱区生态安全和可持续发展。作为我国西部大开发和“一带一路”发展战略实施的重要区域,塔里木盆地一直是干旱区生态环境研究的热点区。克里雅河位于塔里木盆地南缘,是塔里木盆地中重要的河流之一。近年来,在气候变化和绿洲开发日益增强的驱动作用下,该流域土地利用/覆被发生了较大的变化,水土资源供需矛盾日益突出,使流域可持续性研究突显其重要性。鉴于此,本研究基于遥感、气象、水文和社会经济数据,采用地理信息系统和相关统计法分析了克里雅河流域1995-2015年土地利用/覆被与景观格局变化过程,气候变化背景下的地表径流变化和植被生长状况,以及在气候和人类活动影响下的流域水资源利用结构时空变化特征,评价了流域水资源供需平衡和绿洲稳定性,为流域水土资源的合理规划提出了对策和建议。研究结果可为克里雅河流域制定合理的水土资源开发利用模式,以及为社会经济的可持续发展提供科学依据。主要研究结论如下:1)克里雅河流域1995-2015年土地利用/覆被(LUCC)时空变化较明显。除了荒漠以外,草地是整个流域内分布最多的LUCC类型。冰川雪地和湖泊分布在河流上游,耕地主要分布在中游,灌木林主要分布在下游。在以河道为中心的缓冲带内,离河道越近低覆盖草地、耕地、中覆盖草地、灌木林和有林地分布面积越大,反之亦然。从时间变化趋势看,上游冰川雪地减少、草地和林地增加。河流中、下游,尤其下游东侧低覆盖草地退化最明显。耕地增加最明显的区域在河道附近;2)克里雅河流域1995-2015年景观格局变化较大。景观水平上,景观多样性在河流上游增加,中游和下游降低。河流中游和下游的绿洲-荒漠过渡带景观破碎度变大。类型水平上,上游冰川破碎度变大,林地和草地连接度越来越大。中游河道附近耕地分离度变小、聚集度变大,草地和林地破碎度变大。草地景观格局变化在绿洲-荒漠过渡带较明显。下游林地、灌木林、草地破碎度变大;3)1960-2015年克里雅河流域气候与地表径流变化显著。流域年均气温为11.8℃,增幅为0.16℃/10a(P0.01),冬季最低气温升高对年均气温的贡献最大。流域多年平均降水量为50.3 mm,有缓慢增加趋势。多年平均潜在蒸散量(ET0)为1323.24 mm,以34.21 mm/10a的幅度显著减少,其变化主要受风速的影响。流域年均径流量为7.48亿m3,增幅为0.4亿m3/10a(P0.01)。径流年内分配不均匀,夏季径流占年径流的66.4%。地表径流变化主要受气温的影响;4)过去20年克里雅河流域植被归一化指数空间差异较大,变化显著。河流中游NDVI最高,下游NDVI最低,离河道越近NDVI越高,反之亦然。1995-2015年,随着气温的升高和径流增加,河流上游(P0.05)和中游(P0.01)NDVI显著增加,下游NDVI显著降低。河流上游NDVI变化与降水显著正相关(P0.05),中游NDVI变化与气温相关性较显著;5)克里雅河流域植被生态需水时空变化较大。1995-2005年植被生态需水量在下游最大、上游最少,2010-2015年上游最大、下游最少。整个流域植被生态需水量在1995-2005年呈增加趋势,而在2010-2015年明显减少。流域景观格局变化对植被生态需水有影响。上游PD、LSI、PARA_MN、IJI、SPLIT和COHESION等景观指数与植被生态需水量显著相关,对中游植被生态需水有较好解释能力的有COHESION和SPLIT,下游LSI、SPLIT、SHDI和IJI等景观指数与植被生态需水变化相关性最显著;6)克里雅河流域典型农作物需水量有增加趋势。流域内典型农作物有棉花、玉米和小麦,平均需水量分别为754.94 mm、581.92 mm和458.08 mm,均呈增加趋势。三种典型农作物在各生育阶段的需水大小排序为:生育中期快速发育期成熟期初始生长期。典型农作物需水变化的主要影响因子为平均气温和作物播种面积。从典型农作物需水预测结果看,气候变化情景下研究区典型农作物需水量在未来20年将会持续增加;7)克里雅河流域需水结构变化较大,水资源供需不平衡。在各业需水中农业需水和生态需水占总需水的98%。从需水变化趋势看,1995-2015年生态需水减少,农业需水、生活需水和畜牧业需水增加,其中变化最明显的是农业需水。2010-2015年农业需水占生态需水的两倍以上。水资源供需平衡结果表明,除了 2010年流域供水量同时满足河流中、下游需水以外,其它年份供水量只满足了中游需水,下游均处于缺水状态;8)过去20年,流域内绿洲稳定度较低,绿洲开发规模较不合理。基于水热平衡原理的绿洲稳定度计算结果表明,在保持绿洲稳定度为0.75时,2005年和2015年耕地超出了适宜发展规模。当稳定度为1时,只有2010年耕地面积在合理规模之内。从克里雅河中游未来两个时期的耕地适宜发展规模预算结果得到,2025年研究区耕地适宜发展规模为321.13-428.38 km2,2035年适宜发展规模为340.79-454.62 km2。调整农业种植结构、推广节水灌溉技术、提高农业用水效率来减缓由农业开发程度大而造成的环境压力是保持流域长期持续发展的有效途径。


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