新疆绿洲系统自组织演化与机理

应用自组织理论为指导思想,从绿洲的系统性、整体性、复杂性角度出发,以新疆为例进行实证分析,深入研究绿洲系统的发展特征与演化机制.分析结果表明:[1]自组织理论在解释绿洲复杂系统的发生、发展、演化过程方面是一种非常强大而有效的理论依据;[2]绿洲系统的发展是由干旱环境背景下的特殊自然地理要素的自发演化所构成的自组织与由人为进行的规划与干预所构成的他组织的复合发展过程;[3])绿洲系统具有开放性、非平衡性、非线性、涨落等明显的自组织特征,有着从非组织到组织、从组织程度低到组织程度高、复杂度不断增长等自组织演化过程;[4])绿洲系统中自组织与他组织的相互影响机制决定着绿洲系统运行态势及其特征.新疆绿洲系统发展的特征分析充分揭示并验证了绿洲系统的自组织与他组织特征与演化过程,充实了绿洲研究的理论体系及其内容,为提高我们对绿洲发展规律的认识、科学实施他组织、有效长期的组织绿洲,为正确引导绿洲系统发展过程与方向提供了科学的理论依据.     

中国内陆河流域绿洲发育度的综合评价

人工绿洲是干旱区人类活动主要场所,绿洲管理和生态建设体现了人类活动的积极作用;而不适当的土地开发与经济活动又形成了对绿洲生存与可持续发展的过度压力与生态负荷。科学准确地对绿洲状态进行综合评价,已成了人们正确认识绿洲并对其进行生态建设和环境保护的重要前提。针对目前我国绿洲综合评价研究的指标单一、应用区域受限等缺陷和不足,提出了可普遍用于内陆河流域绿洲评价的指标体系--基于因子分析法的“绿洲发育度”,并以河西走廊的15个绿洲为研究对象进行了案例分析。结果表明：依据发育度综合评价值可将河西走廊绿洲划分为工业绿洲、较高开发程度的农业绿洲、中度开发的农业绿洲和衰退或较低开发程度的农业绿洲4个等级,与当地实际情况完全符合;同时,还可通过因子水平上的发育度指标对各个绿洲的优势和劣势进行准确的定量表达,为绿洲管理者和政策制定者提供简明、准确的科学依据。     

干旱区可持续土地利用模式分析——以天山北坡为例

可持续土地利用模式是土地生态经济可持续发展的必然要求,但目前对可持续土地利用模式的科学基础研究较为薄弱。可持续土地利用模式的科学基础是土地类型及其空间组合结构,利用遥感和地理信息系统等新技术、基于社会发展需求的小尺度、大比例尺土地类型制图及其空间结构研究将是今后土地分类学的重要研究方向之一。目前土地利用中存在的与环境相关的问题,多数源自于违背土地类型自然属性的客观要求。退耕还草还林政策的实施,体现了土地利用需要遵循土地类型自然属性的客观要求。以天山北坡为例,在可持续土地利用模式的科学基础分析的基础上,根据土地类型及其空间组合结构,进一步完善和提升了近年提出的干旱区绿洲－中山带立体双带模式和干旱区山地利用模式;并基于典型的干旱区绿洲格局提出了冲洪积扇绿洲集约利用模式、冲积平原绿洲农业规模经营模式以及河流尾闾三角洲绿洲生态利用模式。     

天山北坡绿洲土壤有机碳和养分时空变异特征

本文以天山北坡三工河流域绿洲作为研究区,利用1982、1999和2003年土壤养分数据,应用地统计学方法,分析绿洲土壤有机碳和养分的时空变异特征。结果显示:研究区1982、1999和2003年土壤有机碳和养分具有显著的差异性。空间结构上,土壤有机碳和养分具有中等或较弱的空间自相关;受土壤类型、种植作物种类等的影响,研究区土壤有机碳具有较强的各向异性,但碱解氮、速效磷和速效钾各向异性较弱。Kriging和IDW插值分析表明,土壤有机碳和养分总体呈增加的趋势,绿洲土壤表现为“碳汇”,尤其在种植6年以上的多年生作物分布区,土壤“碳汇”趋势更加明显,说明以绿洲农业为主的人类活动基本合理,土壤质量正逐步改善。     

三工河流域中上游绿洲土壤盐化的时空动态

针对绿洲内部土壤盐渍化发生的现状,以三工河流域中上游阜康绿洲为研究区,运用遥感与GIS技术,结合地统计学方法研究了0—20 cm土层盐分动态特征及其主导因素。结果表明:①研究区各种景观类型间转移剧烈,区域绿洲化作用强于荒漠化; ②通过对1982年和2005年土壤盐分的理论模型拟合,符合球形模型,并且F检验达到极显著水平; ③Kriging插值及其与同期的绿洲景观类型图叠加运算表明,土壤盐渍化具有向北推进的趋势,南部绿洲土壤盐化程度减弱,北部绿洲土壤盐渍化程度加重;④农业灌溉具有一定的洗盐作用,使得南部绿洲土壤盐化程度减轻;北部绿洲,由于地下水作用,使得土壤盐化程度加重。     

额济纳绿洲的宿命

位于内蒙古自治区最西端的额济纳地区,曾是一个拥有灿烂辉煌居延文化的美丽绿洲,"天苍苍,野茫茫,风吹草低见牛羊"那支著名的古敕勒民歌的流传地。边关北地少有的这片辽阔草原,两千年来浸透了胡马汉兵铁血精神,孕育了独特的居延文化。额济纳,全境11.46万平方公里,历史上素有内蒙古"西部绿色明珠"之称。这片绿洲,是那条著名的弱水用几万、甚至几十万年时间孕育出来的,终端还造就了一个巨大的产生神话的居延泽。而随着历史的演进、气候和水资源的变迁,一切都发生了变化。今天,深邃的历史风貌已经不再,水源奇缺、绿洲萎缩、沙进人退……这里的风沙已与巴丹吉林、腾格里两大沙漠汇合,成为中国最大最烈的沙尘暴源区之一。     

新疆纸房断裂活动性及其与沿线小型绿洲的关系

纸房断裂位于新疆东北部, 是北天山地区一条NW向活动断裂, 全长约140 km, 其北接阿尔泰山, 南临东天山, 东接戈壁阿尔泰山, 其周围多次发生过大地震。 纸房断裂缺乏历史地震记录, 为典型的地震空区, 且位于Ⅰ、 Ⅱ级活动块体边界带, 断裂活动和地震危险性值得关注。 通过野外地质调查、 无人机航测、 开挖探槽和年代测定, 认为该断裂为全新世活动断裂, 以右旋走滑性质为主, 兼具有逆冲性质, 最新一次事件发生时间为1730~5170 aB.P., 单次事件垂直位移约为0.5 m, 最近地震离逝时间应大于1730 aB.P.。 通过对断裂附近发育的两个小型绿洲分布特点和水文地质条件进行研究, 结果表明断裂活动对绿洲的形成起决定性作用。     

气候变化背景下玛纳斯河流域绿洲适宜规模研究

近年来干旱区人工绿洲规模不断扩大造成水资源日益紧张,其可持续利用面临新的挑战。为宏观调控水资源提供依据,本文基于水热平衡原理,以干旱区典型绿洲玛纳斯河流域为研究区,采用2000、2005、2010和2015年的水文气象资料和各年（6~8月）TM遥感影像数据,分析了玛纳斯河流域在温室气体中、高排放（RCP4.5和RCP8.5）两种气候情景下,以及理想绿洲结构（AbdEI-Ghani）、现有绿洲结构两种绿洲分布情景下的绿洲适宜规模。研究结果显示：玛纳斯河流域2005、2010、2015年实际绿洲面积分别为2000年实际绿洲面积的109%,114.91%,92.39%;2005、2010、2015年适宜绿洲面积分别为2000年适宜绿洲面积的111.39%,118.8%,115.39%。2020年和2030年的结果对比发现,相同气候情景下AbdEI-Ghani绿洲结构的适宜绿洲面积低于现状结构下的绿洲面积,表明如果按照现状趋势发展,绿洲表现出过度开发的趋势。     

基于NDVI时间序列影像的天山北坡经济带农业种植结构提取

水资源匮乏是干旱区实现可持续发展的最大障碍。干旱区农业灌溉耗费大量的水资源,不同农作物在生长期所需的灌溉水量存在较大的差异,因此快速准确地了解干旱区的农业种植结构可以为节水型农业种植结构优化提供重要依据。以天山北坡经济带为研究区,以谷歌地球引擎（Google Earth Engine,GEE）云平台为支撑,以Sentinel 2以及Landsat 7-8的数据为遥感数据源,采取以下步骤进行研究区的农业种植结构提取：首先,为了简化农业种植结构提取的过程,利用一年最大NDVI值以及坡度信息构建耕地掩膜图层;然后,根据研究区内主要农作物的物候历,获取不同时间段内的最大NDVI值的时间序列数据以及农作物在一年中出现NDVI最大值的日期,并在此基础上构建一个包含10波段的特征波段影像;最后,结合野外实地考察获得的有效样本点以及经耕地掩膜图层掩膜后的10波段特征波段影像,利用随机森林分类器进行研究区的农业种植结构提取。分类结果表明：2018年研究区内棉花、玉米、小麦的总体分类精度为92.19%,Kappa系数为0.883。为了进一步将分类结果与统计数据进行对比,我们将训练得到的分类器应用于2017年的遥感影像,提取了研究区内2017年的农业种植结构信息,其分类结果表明2017年研究区内棉花、玉米、小麦的种植面积分别为5 270 km²、2 000 km²、2 340 km²,其相对精度分别为86.53%、77.54%、86.19%。     

荒漠绿洲交错区绿洲扩张与主要水文过程

干旱区绿洲扩张主要发生在荒漠绿洲交错区(边缘区),绿洲空间变化对地表主要水文过程有直接影响。为了更好地了解这一变化机制,以绿洲与沙漠、荒漠、石质裸山交错分布的张掖绿洲边缘区为对象,采用F显著性检查和Mann-Kandell趋势分析对1987年以来绿洲与不同生态系统之间转化特点与趋势进行了研究,同时分析了绿洲扩张与主要水文过程关系。结果表明:1987-2017年来荒漠绿洲交错区不同生态系统空间变化主要发生在绿洲与沙漠和荒漠3种生态系统之间。转化以绿洲扩张为主要特点,累积扩张了1 696.86 hm^2,平均每年56.56 hm^2。其中,沙漠和荒漠分别转化了31.73 hm^2·a^-1和24.83 hm^2·a^-1。黑河中游干流用水量在研究时段内无显著性突变,多年平均为7.68×108 m^3,对绿洲面积扩张无显著性影响。但是地下水埋深在1998年发生显著性突变,突变周期发生在1997-2000年。总体来看,绿洲面积每增加520 hm^2,地下水埋深下降1 m。地下水位埋深对绿洲扩张有显著性影响,是绿洲扩张最敏感的水文过程要素。