1992-2015年中亚五国土地覆盖与蒸散发变化

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本站小编 Free考研考试/2021-12-29

阮宏威¹^,², 于静洁^,¹^,²

1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,北京 100101

2.中国科学院大学,北京 100190

Changes in land cover and evapotranspiration in the five Central Asian countries from 1992 to 2015

RUAN Hongwei¹^,², YU Jingjie^,¹^,²

1.Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Process, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China

2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

通讯作者: 于静洁(1964-), 女, 吉林四平人, 研究员, 研究方向为水文水资源。E-mail: yujj@igsnrr.ac.cn

收稿日期:2018-05-14修回日期:2019-06-7网络出版日期:2019-07-25

基金资助:

中国科学院战略性先导科技专项.XDA20040302

Received:2018-05-14Revised:2019-06-7Online:2019-07-25

Fund supported:

Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, Grant.XDA20040302

作者简介 About authors
阮宏威(1992-),男,安徽合肥人,博士生,研究方向为水文水资源E-mail:ruanhw.17b@igsnrr.ac.cn。

摘要
1991年苏联解体,中亚五国独立使得土地覆盖与蒸散发格局发生深刻变化。以中亚五国为研究区,采用欧空局气候变化项目（CCI）土地覆盖和全球陆地数据同化系统（GLDAS）蒸散发数据,分析1992-2015年土地覆盖与蒸散发时空变化特征,进一步研究耕地蒸散耗水特征。结果表明：① 中亚五国土地覆盖变化具有阶段性特征,耕地扩张引起土地覆盖格局变化。1992-2003年耕地快速增加（1.1万km ²/a）,林地和草地大幅减少。2003-2015年耕地增速趋缓（0.3万km ²/a）,林地和草地有一定恢复,裸地和水体持续减少,城镇用地持续增长。耕地共增加12.3万km ²,林地和草地分别减少4.0万km ²和2.3万km ²,且集中于哈萨克斯坦中北部。裸地减少3.5万km ²,集中于哈萨克斯坦西南部,水体减少3.1万km ²,集中在咸海湖泊。乌兹别克斯坦耕地减少、裸地增加,吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦和土库曼斯坦土地覆盖变化幅度较小;② 中亚五国蒸散发变化与土地覆盖格局基本一致。蒸散发总体呈增加态势（6 mm/a）,1992-2003年快速增加（11.3 mm/a）,2003-2015年缓慢上升（2.4 mm/a）。中亚五国年蒸散发达到276.8 mm,东南部的吉尔吉斯斯坦（347.3 mm）和塔吉克斯坦（302.9 mm）最高,中北部的哈萨克斯坦（297.9 mm）次之,西南部的乌兹别克斯坦（211.0 mm）和土库曼斯坦（150.0 mm）最低;③ 中亚五国蒸散耗水结构受耕地面积大小的影响。中亚五国耕地蒸散耗水的贡献由24.7%增至27.9%,土库曼斯坦耕地蒸散耗水仅占本国的11%,其他国家均超过25%。草地、林地和裸地的蒸散耗水贡献降低,但哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦仍以草地和林地蒸散耗水为主（≥ 50%）,土库曼斯坦（61.3%）和乌兹别克斯坦（46.4%）的裸地蒸散耗水占绝对优势。本文明确了中亚五国土地覆盖连续动态变化过程,细化各国土地覆盖与蒸散发特征及差异,增强对土地覆盖与蒸散发现状的认识,可为水土资源管理和生态环境保护提供数据参考。
关键词： 中亚五国;土地覆盖;蒸散发;时空变化;蒸散耗水结构

Abstract

In 1991, the collapse of the Soviet Union and the independence of the five Central Asian countries led to profound changes in land cover and evapotranspiration pattern. This study used the five Central Asian countries as target areas. European Space Agency Climate Change Initiative and Global Land Data Assimilation System data were utilised to analyse the spatio-temporal variation of land cover and evapotranspiration from 1992 to 2015 and to further study the cropland evapotranspiration water consumption. This study investigated the continuous change of land cover, specified the characteristics of and differences in land cover and evapotranspiration, strengthened the understanding of land cover and evapotranspiration in the current situation, and provided data references for water and soil resource management and environmental protection. Results show that the changes in land cover in the five countries were characterised by stages, and cropland expansion modified the land cover pattern. From 1992 to 2003, cropland increased rapidly (1.1×10 ⁴ km ²), whereas forest land and grassland decreased. From 2003 to 2015, cropland increased slowly (0.3×10 ⁴ km ²), whereas forest land and grassland increased slightly. Bare land and water bodies continued to decrease, whereas settlements continued to increase; the annual evapotranspiration was 276.8 mm. Evapotranspiration increased rapidly from 1992 to 2003 (11.3 mm/a) and then slowly from 2003 to 2015 (2.4 mm/a). The evapotranspiration of cropland (352.2 mm) and grassland (322.1 mm) was significantly higher than that of forest land (254.7 mm) and bare land (173.2 mm). The evapotranspiration changes in the five Central Asian countries were consistent with the land cover patterns; the evapotranspiration water consumption of the five countries was affected by the cropland area. From 1992 to 2015, the water consumption of cropland evapotranspiration increased by 3.2%, and the contributions of grassland, forest land and bare land continued to decrease. The cropland of Turkmenistan accounted for only 11% of the total evapotranspiration water consumption, whereas that of the other countries accounted for more than 25%.

Keywords：the five Central Asian countries;land cover;evapotranspiration;spatio-temporal variation;evapotranspiration water consumption structure

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本文引用格式
阮宏威, 于静洁. 1992-2015年中亚五国土地覆盖与蒸散发变化. 地理学报[J], 2019, 74(7): 1292-1304 doi:10.11821/dlxb201907002
RUAN Hongwei. Changes in land cover and evapotranspiration in the five Central Asian countries from 1992 to 2015. Acta Geographica Sinice[J], 2019, 74(7): 1292-1304 doi:10.11821/dlxb201907002

1 引言

土地覆盖是自然与人类对地表共同作用的结果,蒸散发是土地覆盖与水资源状况的综合表征,是水循环的主要形式,是水资源管理的重要环节^[1,2,3]。Rosenberg等指出地表降水的70%以蒸散发形式回到大气中,在干旱区该比例可达到90%^[4];且干旱区蒸散发对土地覆盖变化极为敏感,土地覆盖的分布特征基本决定了蒸散发分布的格局^[5,6]。深入了解一个区域的土地覆盖变化与蒸散发变化,以及二者之间的响应特征,可为区域水土资源科学利用和管理提供科学参考^[7,8,9,10]。

中亚五国地处内陆干旱、半干旱区,地域辽阔且地形起伏大,各国水资源分布极不均衡^[11,12,13]。1991年苏联解体,中亚五国的独立使得区域的经济政策缺乏统一管理,水土资源过度开发利用^[14,15,16]。以耕地扩张为主导的人类活动,引起中亚土地覆盖以及蒸散发格局的深刻变化,加剧了区域的水资源危机,由此引发湖泊萎缩、土地退化等生态环境问题^[17,18,19]。受地面观测数据制约,20世纪末以来,众多****以遥感反演产品为基本数据源,开展了大量的土地覆盖格局与蒸散发时空演变特征的研究。其中代表性的研究是：韩其飞等^[20]利用UMD、GLC和GlobCover等多期遥感数据集,分析了1981-2009年中亚土地覆盖的变化趋势,但因存在土地覆盖分类系统不一致的问题,不同时期的土地覆盖变化难以直接比较;Chen等^[21]基于SEBS模型反演中亚蒸散发时空分布格局,分析1980年、1990年和2005年中亚五国土地覆盖的蒸散发变化特征,典型时段的选取未考虑蒸散发实际变化过程;李超凡等^[22]利用多源土地覆盖和蒸散发数据,分析1990-2009年中亚蒸散发动态特征,土地覆盖数据时间尺度为10年,导致土地覆盖和蒸散发特征缺少详细的连续动态变化过程的描述,且侧重于区域宏观变化分析。由此可见,在国家尺度上对中亚地区的土地覆盖与蒸散发连续变化特征的研究还较为薄弱,特别是受人类活动影响显著的耕地变化及相应蒸散发的变化值得深入分析。

本文采用年尺度欧空局气候变化项目（Climate Change Initiative, CCI）土地覆盖数据和全球陆地数据同化系统（Global Land Data Assimilation System, GLDAS）蒸散发数据,旨在分析1992-2015年中亚五国土地覆盖与蒸散发时空变化特征,进一步研究不同耕地类型的空间分布及蒸散发特征。研究成果可为中亚五国水土资源管理和生态环境保护提供数据参考。

2 数据收集

2.1 研究区域

中亚五国地处亚欧大陆中部,包括哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦、土库曼斯坦和乌兹别克斯坦（图1）。中亚五国总面积约为397万km²,哈萨克斯坦面积最大（271.2万km²）,乌兹别克斯坦（47.1万km²）和土库曼斯坦（44.6万km²）次之,吉尔吉斯斯坦（19.9万 km²）和塔吉克斯坦（14.2万km²）面积最小。地势东南高,西北低,地形起伏较大,气候空间异质性强^[23]。总体可分为3个地带：中北部低山丘陵位于哈萨克斯坦境内,耕地、林地和草地广布;东南部高山区以塔吉克斯坦和吉尔吉斯斯坦为主,分布有草地和林地;西南部平原区的土库曼斯坦和乌兹别克斯坦,以荒漠、沙漠为主^[24]。中亚属温带大陆性干旱、半干旱气候,气温年较差较大,冬季南部温暖,北部寒冷^[25]。降水稀少,蒸散发量大,降水时空分布极不均匀。年平均降水量低于300 mm,高山区可达500 mm以上,平原区普遍低于200 mm^[26,27]。

图1

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图1中亚五国地理位置

Fig. 1Geographic location of the five Central Asian countries

2.2 土地覆盖数据

欧洲太空局CCI全球土地覆盖产品时间序列为1992-2015年,时空分辨率分别为年尺度和300 m×300 m（https://www.esa-landcover-cci.org）。与其他基于单年和单传感器方法的产品不同,CCI土地覆盖产品包含了AVHRR（1992-1999年）、SPOT-VGT（2000-2013年）和PROBA-V（2014-2015年）时间序列数据。在1 km尺度上监测土地覆盖的变化,并重采样为300 m×300 m分辨率,能够描述与IPCC土地分类相匹配的土地覆盖主要变化特征^[31,32]。CCI土地覆盖产品经地面参考数据和替代传感器等独立数据验证,总体准确率达到74.4%,具有较高的数据质量^{[28, 30, 33-34]}。该产品准确刻画了中亚地区湖泊面积的年度动态变化过程,对耕地、林地、城镇、裸地、水体也达到了较高的精度^[32],Nowosad等^[35]、Li等^[28]和Jin等^[18]众多****已利用CCI土地覆盖数据监测中亚地区耕地、草地等土地覆盖的动态变化过程。

CCI土地覆盖数据包括22种土地覆盖类型。本文重点分析中亚五国主要土地覆盖类型的变化特征,将24期土地覆盖数据重分类为耕地（雨养、灌溉、混合）、林地、草地、裸地、水体和城镇（表1）。

Tab. 1
表1
表1土地覆盖重分类
Tab. 1Reclassification of land cover

重分类		CCI土地覆盖分类
1耕地	11雨养	10、11、12	雨养耕地
	12灌溉	20	灌溉或水淹耕地
	13混合	30	耕地(≥ 50%)/天然植被(< 50%)镶嵌体
	13混合	40	天然植被(≥ 50%)/耕地(< 50%)镶嵌体
2林地		50	郁闭或敞开(> 15%)常绿阔叶林
		60、61	郁闭或敞开(> 15%)落叶阔叶林
		70、71、72	郁闭或敞开(> 15%)常绿针叶林
		80、81	郁闭或敞开(> 15%)落叶针叶林
		90	针阔混交林
		100	林地和灌丛(≥ 50%)/草地(< 50%)镶嵌体
		160	淡水或咸水水淹林地
		170	咸水水淹林地
		120、122	灌木
		150	稀疏植被(林地、灌木)
3草地		110	草地(≥ 50%)/林地和灌丛(< 50%)镶嵌体
		130	草地
		153	稀疏草地(< 15%)
4裸地		200、201、202	裸地
5水体		180	水淹或长期水浸草地
		210	水体
		220	永久冰雪
6城镇		190	城镇地区

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2.3 蒸散发数据

GLDAS是基于卫星、陆面模式和地面观测的数据同化系统（https://disc.gsfc.nasa.gov/hydrology）,可提供全球范围1979年至今的陆面资料,空间分辨率为0.25°×0.25°和1°×1°,时间分辨率为3小时和月^[36,37]。GLDAS采用的气象驱动数据来自于多源观测、再分析资料和大气同化产品,共调用了CLM、Noah、Mosaic和VIC模型,在区域研究中具有较高的适用性,被广泛应用于气候、水资源等方面的研究^[38,39,40]。已经有Singh等^[41]、Li等^[26]和Kariyeva等^[42]众多****运用GLDAS数据,分析中亚地区气候和水资源变化状况。本文采用GLDAS与Noah模式相结合的v2.0和v2.1蒸散发数据集,时间序列分别为1992-1999年和2000-2015年,空间分辨率为0.25°×0.25°,采用最邻近内插法,重采样为300 m×300 m分辨率,以评估中亚五国土地覆盖的蒸散发年际变化特征。

3 研究结果

3.1 中亚五国土地覆盖变化

1991年苏联解体后,中亚五国耕地和城镇面积持续增加,分别增加了12.3万km²和0.6万km²;林地、草地、裸地和水体总体呈下降态势,分别减少了4.0万km²、2.4万km²、3.5万km²、3.1万km²。中亚五国主要土地覆盖类型的面积变化具有明显的阶段性特征,不同土地覆盖类型间的变化也具有明显的对应关系。1992-2003年耕地快速增加（1.1万km²/a）,相应时期内的林地和草地大幅减少;2003-2015年耕地缓慢上升（0.3万km²/a）,林地和草地有一定的恢复;2008年后耕地小幅增加,草地和裸地相应减少（图2）。

图2

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图21992-2015年中亚五国土地覆盖面积变化

Fig. 2Land cover change in the five Central Asian countries from 1992 to 2015

中亚五国土地覆盖面积变化在2003年前后呈现不同的阶段性特征,以1992年、2003年和2015年为例,分析土地覆盖的空间分布特征（图3）。耕地分布于北部、东南部和咸海流域河岸带,林地和草地主要分布于中北部和东南部,裸地位于西南部,水体和城镇相对分散（图3a~3c）。1992-2015年中亚五国北部的耕地明显增加,逐渐向中部扩展。东部耕地增加也较为明显,咸海流域内的耕地无明显变化。由于耕地扩张,中北部及东部的林地和草地大量减少。裸地分布于西南部,以咸海湖泊为主的水体面积大幅减少,使得裸地面积大量增加。

图3

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图3中亚五国土地覆盖分布(a、b、c)及各国土地覆盖结构(d)

Fig. 3Land cover spatial distribution (a, b, c) and structure (d) of the five Central Asian countries

至2015年,中亚五国土地覆盖变化渐趋稳定。以2015年为例,分析中亚五国及各国土地覆盖的结构现状（图3d）。中亚五国耕地、林地、草地、裸地、水体和城镇面积比例分别为20.8%、26.2%、26%、23.2%、3.7%、0.1%。其中,哈萨克斯坦以草地、林地和耕地为主,各占本国面积的30.6%、30.4%和24.1%;吉尔吉斯斯坦以草地和耕地为主,各占40.2%和25.2%;塔吉克斯坦以草地和耕地为主,各占44.7%和21.9%;土库曼斯坦以裸地和林地为主,各占66.9%和16.0%;乌兹别克斯坦以裸地和耕地为主,各占56.0%和19.8%。

中亚五国耕地的扩张引起林地、草地和裸地等土地覆盖的变化,各土地覆盖类型之间存在明显的转移关系。1992-2015年中亚五国土地覆盖转移主要为林地和草地转移为耕地、裸地转移为林地和草地（表2）。8.2万km²林地和5.9万km²草地转移为耕地,同时有1.7万km²耕地转移为林地和草地。裸地主要转移为林地（4.5万km²）和草地（2.0万km²）,3.0万km²水体转移为裸地,城镇主要来自耕地（0.5万km²）和草地（0.1万km²）的转移。其中,哈萨克斯坦耕地主要来自林地和草地的转移,部分裸地转移为林地和草地;吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦耕地主要来自草地的转移;土库曼斯坦耕地主要来自裸地的转移;乌兹别克斯坦耕地多转移为林地、草地和城镇,大面积水体转移为裸地。

Tab. 2
表2
表21992-2015年中亚五国土地覆盖转移矩阵(万km²)
Tab. 2Land cover transfer matrix of the five Central Asian countries from 1992 to 2015 (10⁴ km²)

1992年	2015年
1992年	耕地	林地	草地	裸地	水体	城镇	合计
耕地	72.9	0.6	1.1	0.1	0.0	0.5	75.3
林地	8.2	96.6	2.2	0.2	0.1	0.0	107.4
草地	5.9	1.6	97.3	0.2	0.0	0.1	105.1
裸地	0.5	4.5	2.0	86.0	0.1	0.0	93.1
水体	0.1	0.2	0.2	3.0	13.0	0.0	16.2
城镇	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.2	0.2
合计	87.6	103.4	102.7	89.6	13.3	0.9	397.5
变化面积	12.3	-4.0	-2.4	-3.5	-3.1	0.6
变化比例(%)	16.3	-3.7	-2.3	-3.8	-19.1	258.2

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耕地、林地、草地、水体和城镇面积变化的阶段性特征与中亚五国整体一致,但裸地在2003-2015年变化更为明显（表3）。中亚各国的土地覆盖面积变化存在一定差异,中亚五国耕地总体持续增加、裸地持续减少,而乌兹别克斯坦出现耕地持续减少、裸地持续增加;哈萨克斯坦、塔吉克斯坦和土库曼斯坦在1992-2003年耕地增加明显,吉尔吉斯斯坦和乌兹别克斯坦耕地在2003-2015年变化更为明显;中亚五国林地和草地总体呈减少态势,塔吉克斯坦、乌兹别克斯坦和土库曼斯坦的林地和草地无明显变化;中亚五国水体总体持续大幅减少,吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦和土库曼斯坦水体无明显变化;中亚各国城镇用地均持续快速增长,城镇扩张集中在哈萨克斯坦和乌兹别克斯坦,吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦和土库曼斯坦城镇用地净增量小,但增长速率快。

Tab. 3
表3
表3中亚各国土地覆盖及蒸散发变化
Tab. 3Changes in land cover and evapotranspiration in the five Central Asian countries

国家	土地覆盖	面积(km²)			蒸散发(mm)
国家	土地覆盖	1992年	2003年	2015年	1992年	2003年	2015年
哈萨克斯坦	耕地	537044	628129	655091	283.0	440.9	467.1
	林地	870111	812106	826472	199.7	337.3	340.3
	草地	851852	829368	831988	246.5	393.6	405.8
	裸地	362886	360505	323120	148.5	283.3	272.6
	水体	92434	83110	75610	222.3	380.0	413.6
	城镇	1673	2780	3719	246.4	418.8	421.9
吉尔吉斯斯坦	耕地	48988	49042	50243	326.0	489.6	452.0
	林地	35618	37170	37087	306.0	446.4	420.0
	草地	83138	80949	80083	292.3	435.8	392.0
	裸地	18169	18475	17905	211.6	346.2	305.4
	水体	13338	13368	13347	219.3	344.1	321.2
	城镇	49	296	635	315.1	536.2	477.7
塔吉克斯坦	耕地	30872	31296	31203	429.9	464.2	493.3
	林地	10681	11162	11304	359.0	435.9	444.6
	草地	64328	64090	63607	265.6	306.5	337.2
	裸地	24074	23303	23377	211.3	288.3	302.6
	水体	12331	12339	12342	211.2	256.4	373.3
	城镇	114	209	567	458.2	465.5	517.0
土库曼斯坦	耕地	41929	43389	44398	159.7	224.2	209.6
	林地	74458	75221	75608	166.9	209.7	210.1
	草地	10951	10646	10889	185.3	230.2	217.6
	裸地	319482	317520	315574	127.6	187.3	164.4
	水体	24495	24453	24409	121.7	219.5	208.8
	城镇	84	172	521	156.2	226.3	187.0
乌兹别克斯坦	耕地	91290	90138	88236	282.9	397.1	380.4
	林地	65174	66969	67996	208.9	276.8	282.7
	草地	25793	25659	26479	312.4	385.8	373.9
	裸地	238410	246221	249733	129.9	233.5	231.8
	水体	24412	15118	9554	165.3	276.7	291.3
	城镇	621	1596	3702	287.4	388.3	390.8

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3.2 中亚五国蒸散发变化

1992-2015年中亚五国年平均蒸散发为276.8 mm,介于190~352 mm之间。各国年平均蒸散发依次为：吉尔吉斯斯坦347.3 mm、塔吉克斯坦302.9 mm、哈萨克斯坦297.9 mm、乌兹别克斯坦211.0 mm、土库曼斯坦150.0 mm。蒸散发变化对土地覆盖的变化具有一定的响应特征,因此以1992年、2003年和2015年为例,分析蒸散发时空分布及变化趋势。高蒸散发区位于北部和东南部,中部次之,西南部最低,高蒸散发区逐渐向中部扩展（图4a~4c）。1992-2015年中亚五国蒸散发呈增加态势（6 mm/a）,1992-2003年快速增加（11.3 mm/a）,2003-2015年缓慢上升（2.4 mm/a）,与主要土地覆盖类型的变化趋势基本一致。中北部、咸海湖泊附近及东南部分地区蒸散发增加明显,西南部分地区呈减少态势,大部分地区蒸散发变化趋势不明显（图4d）。中亚各国蒸散发均呈增加态势,哈萨克斯坦蒸散发增加趋势最明显（7.3 mm/a）,乌兹别克斯坦（4.8 mm/a）和吉尔吉斯斯坦（4.3 mm/a）次之,塔吉克斯坦（2.8 mm/a）和土库曼斯坦（2.4 mm/a）最低。

图4

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图4中亚五国蒸散发(a、b、c)及变化趋势(d)空间分布

Fig. 4Evapotranspiration spatial distribution (a, b, c) and change trend (d) of the five Central Asian countries

中亚五国主要土地覆盖类型中,耕地（352.2 mm）和草地（322.1 mm）蒸散发明显高于林地（254.7 mm）和裸地（173.2 mm）,且耕地（7.5 mm/a）蒸散发增加趋势最高,草地（6.8 mm/a）和林地（5.7 mm/a）次之,裸地（3.9 mm/a）最低。中亚各国均呈耕地蒸散发最高,裸地蒸散发最低,但草地和林地蒸散发大小存在差异。哈萨克斯坦、土库曼斯坦和乌兹别克斯坦草地蒸散发高于林地,而吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦林地蒸散发高于草地。哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和乌兹别克斯坦各土地覆盖蒸散发差异较大,而塔吉克斯坦和土库曼斯坦各土地覆盖蒸散发差异较小（表3）。

中亚五国蒸散发在1992-2003年快速增加（11.3 mm/a）,2003-2015年缓慢上升（2.4 mm/a）,2015年蒸散发达到最大值352 mm。以2015年为例,分析中亚各国蒸散耗水结构的现状。中亚五国总蒸散耗水达到13880亿m³,其中哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦、吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦分别占75.4%、9.0%、6.1%、5.7%和3.8%。哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦的草地和林地蒸散耗水均超过50%,是主要的蒸散耗水形式;土库曼斯坦（61.3%）和乌兹别克斯坦（46.4%）的裸地在两国总蒸散耗水中占较高比例;土库曼斯坦耕地蒸散耗水仅占11%,其他国家耕地蒸散耗水的贡献均高于25%,耕地是各国总蒸散耗水结构中的重要组成部分（图5）。

图5

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图52015年中亚各国土地覆盖蒸散耗水结构

Fig. 5The structure of land cover evapotranspiration water consumption of the five Central Asian countries in 2015

3.3 中亚五国耕地蒸散耗水现状

中亚五国耕地快速扩张引起土地覆盖与蒸散发格局的变化,明晰不同耕地类型的蒸散耗水特征,对水土资源管理具有重要意义。本文中的耕地包括雨养、灌溉和混合型。1992-2015年中亚五国耕地增加主要为雨养和混合耕地,1998-2003年是快速增长期,混合耕地在2008年后出现小幅增加,灌溉耕地无明显变化（图6）。至2015年,耕地面积达到最大值87.6万km²,其中雨养耕地、混合耕地和灌溉耕地分别占43.1%、32.2%和24.7%。

图6

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图61992-2015年中亚五国耕地面积变化

Fig. 6Cropland area change in the five Central Asian countries from 1992 to 2015

中亚五国雨养和混合耕地集中分布于北部和东南部,灌溉耕地分布于东南部和咸海流域河岸带（图7a）。2015年耕地总蒸散耗水达3910亿 m³,占中亚五国总蒸散耗水的27.9%,较1992年提升了3.2%。哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦和土库曼斯坦的耕地蒸散耗水分别占总蒸散耗水的78.2%、8.6%、5.8%、3.9%和2.4%。其中,哈萨克斯坦以雨养和混合耕地蒸散耗水为主,吉尔吉斯斯坦以灌溉和混合耕地蒸散耗水为主,塔吉克斯坦雨养、灌溉和混合耕地蒸散耗水均占较高比重,土库曼斯坦和乌兹别克斯坦的灌溉耕地蒸散耗水占绝对优势（图7b）。

图7

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图72015年中亚五国耕地分布(a)及蒸散耗水结构(b)

Fig. 7Cropland spatial distribution and evapotranspiration water consumption structure of the five Central Asian countries in 2015

4 讨论

4.1 中亚五国土地覆盖及蒸散发变化

1992-2015年中亚五国耕地持续扩张,1992-2003年快速增加,2003-2015年缓慢上升,林地、草地和裸地相应减少。受1991年苏联解体影响,中亚各国由计划经济转为市场经济,伴随人口快速增长,人类活动对自然环境的影响日益加深^[43,44,45],以耕地扩张为主的人类活动引起了中亚五国土地覆盖变化并呈现了明显的阶段性特征。中亚五国耕地扩张集中在哈萨克斯坦北部,该区域是低山丘陵及平原地带,由于局地气候条件的改善^{[11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]},促进了雨养和混合耕地的扩张。吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦位于咸海流域上游山区,水资源条件优越,灌溉耕地发达。但受高山地形限制,耕地开发难度大,耕地变化幅度较小。荒漠区的土库曼斯坦和乌兹别克斯坦降水稀少,耕地发展依赖引水灌溉,多沿河分布。但区域水资源总体匮乏,灌溉耕地发展受到限制。水体减少集中在咸海湖泊,咸海流域中上游流经重要的农业区及核心城市,水资源消耗巨大,使得入湖水量减少、水质变差^[17],咸海湖泊萎缩严重。

中亚五国土地覆盖分布及变化决定了蒸散发的基本格局。中亚五国高蒸散发区位于北部的哈萨克斯坦和东南部的吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦,以耕地和草地为主;中部为林地和草地,蒸散发次之;西南部的乌兹别克斯坦和土库曼斯坦主要为裸地,蒸散发最低。随着耕地扩张及林地、草地和裸地的相应减少,中亚五国年蒸散发逐渐提高,并呈现出先快速增加后缓慢上升的变化趋势,与土地覆盖变化的阶段性特征一致。

中亚五国蒸散耗水结构受耕地面积大小的影响。耕地蒸散发高且面积增加明显,对中亚五国总蒸散耗水的贡献持续增加,对区域蒸散耗水结构的影响占有重要地位。草地、林地和裸地蒸散发相对较低,且面积总体呈下降态势,对区域蒸散耗水的贡献逐渐下降。但草地、林地和裸地占中亚五国面积的比重高,仍是区域主要的蒸散耗水方式。中亚五国土地覆盖多由林地和草地转移为耕地,裸地转移为林地和草地。这种由低蒸散耗水土地覆盖类型向高蒸散耗水土地覆盖类型的转变,增加了水资源消耗。

4.2 土地覆盖及蒸散发不确定性分析

中亚土地覆盖研究多基于5~10年尺度数据,对土地覆盖连续动态变化过程的认识不足,难以表征土地覆盖变化的实际状况。已有研究成果中,耕地自20世纪90年代以来,先迅速下降后缓慢上升^{[20, 22, 46]}。本文中,耕地自1992年来总体呈持续增长态势,1998-2003年是高速增长期,2003年后缓慢上升。前者采用的土地覆盖数据时间分辨率较低,且同时采用不同分类体系的土地覆盖数据,经重分类处理后的土地覆盖数据在不同年际间仍存在一定的误差。本文采用年尺度CCI土地覆盖数据,以原土地覆盖分类为基础,重新分类得到中亚五国主要土地覆盖类型的逐年动态变化过程,增强了对中亚五国土地覆盖变化特征的认识。

GLDAS蒸散发数据是基于Noah模式输出,受模型结构、输入数据质量等的影响,对湖泊和人类活动频繁地区的蒸散发刻画不足。完善数据质量评估和采用卫星遥感等多源数据和方法,以准确估算蒸散发是中亚五国水土资源科学管理研究的重要内容。耕地是中亚五国经济发展的重要支柱,也是引起土地覆盖变化、加剧水资源消耗的重要因素。CCI土地覆盖数据中的耕地包括雨养、灌溉和混合型,由于分辨率相对较低（300 m）,混合耕地为耕地与植被的混合像元。同时,中亚五国地域跨度大,地形、气候条件迥异,棉花、小麦和水稻等农作物的分布和蒸散发差异较大^[37]。进一步精细化中亚五国农作物的分布及蒸散耗水特征,有利于优化水土资源利用效率。

5 结论

基于CCI土地覆盖和GLDAS蒸散发数据,分析1992-2015年中亚五国土地覆盖与蒸散发时空变化特征,进一步研究耕地蒸散耗水特征。采用年尺度土地覆盖数据,明确中亚五国土地覆盖的连续动态变化过程;将研究的时间序列延伸至2015年,增强对中亚五国土地覆盖与蒸散发现状的认识;将中亚五国土地覆盖与蒸散发的宏观认识细化到国家尺度上,明确中亚各国土地覆盖与蒸散发变化特征及差异。研究成果可为中亚五国水土资源管理和生态环境保护提供数据参考。主要结论如下：

（1）中亚五国土地覆盖变化具有明显的阶段性特征,耕地扩张是影响土地覆盖格局的主要因素。1992-2015年中亚五国耕地和城镇用地持续增长,林地、草地、裸地和水体总体呈下降态势。其中,1992-2003年耕地快速增长,林地、草地和裸地大幅下降;2003-2015年耕地缓慢上升,林地和草地有一定的恢复。土地覆盖转移主要为林地和草地转移为耕地、裸地转移为林地和草地。耕地扩张集中于哈萨克斯坦北部,咸海流域耕地无明显变化。林地和草地减少集中于哈萨克斯坦中北部,乌兹别克斯坦出现耕地减少、裸地增加,水体减少集中在哈萨克斯坦和乌兹别克斯坦,吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦和土库曼斯坦土地覆盖变化幅度相对较小。

（2）中亚五国蒸散发变化特征与土地覆盖格局变化基本一致。高蒸散发区位于北部和东南部,中部次之,西南部最低,高蒸散发区逐渐向中部扩展。1992-2015年中亚五国蒸散发呈先快速增加后缓慢上升的态势。其中,哈萨克斯坦蒸散发增加明显,乌兹别克斯坦和吉尔吉斯斯坦次之,塔吉克斯坦和土库曼斯坦最小。中亚各国耕地蒸散发最高,裸地蒸散发最低,但草地和林地蒸散发特征存在差异。

（3）中亚五国蒸散耗水结构受耕地面积大小的影响。中亚五国耕地蒸散发高且面积增加明显,对总蒸散耗水的贡献由24.7%增加到27.9%。草地、林地和裸地蒸散发量次之,且面积持续减少,对总蒸散耗水的贡献持续降低。哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦以草地和林地蒸散耗水为主,土库曼斯坦和乌兹别克斯坦的裸地蒸散耗水占绝对优势。土库曼斯坦耕地蒸散耗水仅占11%,其他国家均超过25%。

中亚地区数据资料相对匮乏,继续完善数据质量评估和采用卫星遥感等多源数据和方法,进一步细化中亚农作物的分布及蒸散耗水特征,增强对中亚五国土地覆盖与蒸散发时空变化特征的认识,是未来重要的研究方向。

致谢:

感谢中国科学院地理科学与资源研究所王平副研究员、张一驰助理研究员和杜朝阳助理研究员对本文的积极建议。

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由于气候变暖和人类活动的影响，随着人口增长和区域农业灌溉发展，再加上低效率水资源管理等已导致中亚区域水土生态系统的退化. 主要针对前苏联解体后到2007年的时段，对中亚五国水土资源开发情况及其对安全状态指标进行对比分析. 结果表明：在1988-2007年期间，哈萨克斯坦人口总数逐年减少，人均可更新水资源量和人均总取水量呈逐年增加的趋势；其它中亚4国（吉尔吉斯坦，塔吉克斯坦，土库曼斯坦和乌兹别克斯坦）人均水资源量出现逐年降低的趋势；乌兹别克斯坦是最大取水用户国家，次为土库曼斯坦；乌兹别克斯坦和土库曼斯坦是最大农业取水国，哈萨克斯坦是最大工业取水国，乌兹别克斯坦是最大生活取水国. 到2005年，塔吉克斯坦和土库曼斯坦的淡水产量降到1989年的99%. 在1992-2005年间，除了土库曼斯坦外其它中亚国家人均耕地面积逐年减少；同期，哈萨克斯坦的森林和草地面积有所减少，吉尔吉斯坦和乌兹别克斯坦有所扩大，塔吉克斯坦和土库曼斯坦的森林面积基本上保持不变，草地面积有所降低. 乌兹别克斯坦是化肥施用和土壤盐渍化强度较严重的国家，土壤盐渍化面积占总灌溉面积从1994年50%扩大到2001年65.9%.

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中亚五国地处欧亚大陆腹地，地理条件封闭，跨界河流众多，水资源形成区与消耗区严重不一致，水资源利用问题及矛盾十分突出，是全球跨界河流水资源开发利用与生态环境保护问题的典型代表，开展中亚水资源及其开发利用研究，对研究跨界河流及干旱区水资源可持续利用具有十分重要的借鉴意义。在介绍中亚五国及其主要河流概况，评价提出中亚五国地表、地下水资源量及其分布特点的基础上，阐述了中亚五国人口及城市化、经济发展与产业结构、耕地及其历史演变，分析了中亚五国的水资源开发利用现状，并对开发利用中存在的问题进行了综述总结。

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咸海流域是中亚社会发展进程中水资源供需矛盾和生态环境问题表现最为突出的区域，已严重妨碍了经济发展和社会稳定，甚至严重影响到中亚国家间的关系. 在解决咸海问题上，中亚各国虽然都表现出了极度忧虑和希望合作解决共同问题的诚意，签订了一系列的多边和双边合作协议，付诸了较多的行动；发达国家和国际组织也多方介入，大力援助、积极斡旋，但仍未从根本上缓解咸海危机. 深入分析介绍了咸海流域的水资源及开发利用情况、中亚各国在咸海流域水资源问题上的冲突以及开展的一系列合作，探讨了咸海危机的潜在水冲突，提出了合理利用水资源，实现流域一体化管理，化解咸海危机的对策措施. 

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中亚五国在咸海流域水资源分配与利用上的矛盾，随着社会经济发展对水资源需求的增加而变得日益突出，探寻各国对咸海流域水资源利用的策略，对中亚地区水资源合理分配、可持续发展和地区安全至关重要。运用博弈论方法，分析中亚各国对咸海流域水资源的分配诉求及水政策，梳理各国在咸海流域水资源问题上的合作历程，探讨中亚各国在水资源问题上采取不同策略的利弊得失。认为目前咸海流域利益得不到协调使中亚各国深陷水资源分配困局，“协调博弈”是当前令咸海流域水资源问题走出“囚徒困境”的首选，将会获得最佳报酬。各国相互信任、转变观念，以利益分配取代水量分配，实现真正意义上的国家间合作，才能从根本上解决流域水资源分配与利用的困局。

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中亚五国跨界河流众多，水资源开发利用问题十分复杂，大规模无序的水土资源开发利用引发的生态问题相当突出，回顾其开发利用中的冲突与合作，对找寻中亚水资源问题的解决之道具有重要的理论意义和实践价值。简要介绍了中亚五国之间主要跨界河流流域河流水系、径流量，阐述主要跨界河流域水资源开发利用，重点分析了各跨界河流取用水量与农业灌溉的演变关系以及中亚五国跨界河流开发利用的水资源危机与生态危机、冲突与合作。在深入揭示中亚五国跨界河流危机主要原因的基础上，对中亚五国跨界河流水资源纠纷和生态危机未来发展趋势进行了分析，探析了中亚五国跨界河流开发利用主要对策。

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针对目前中亚地区土地利用变化和分布格局方面的信息相对匮乏，现有资料较为陈旧且零散，无法满足中亚生态与环境变化研究需求的现状，利用全球的UMD, DISCover，GLC2000，GlobCover2005和GlobCover2009的5期土地覆被遥感数据集，提取中亚地区长时间序列土地覆被信息。并针对上述4个土地覆被分类系统无法进行直接对比和变化分析的问题，分别将其综合为4类土地覆被类型：耕地、自然植被、水体和其他，以分析近30 a中亚土地利用/土地覆被变化趋势。中亚土地利用类型多样，草地、裸地、农田、灌丛占绝对优势。自前苏联解体以后，20世纪90年代初至2000年期间，耕地面积大幅度减少，至2010年尽管有所恢复,但仍无法达到20世纪90年代初水平。而自然植被表现出了相反的趋势，这说明在此时间段内，由于社会政治制度的变化和市场经济的建立，耕地发生了较大规模的弃耕，弃耕地通常转换为草地、灌丛等自然植被。近10 a由于社会经济条件的变化，前苏联解体后所弃耕的土地又被收复和重新开发为耕地。90年代初至2000年期间，水体呈现先减少后增加的趋势。利用全球基于多期不同信息源获得的中亚土地覆被数据，尽管分类体系不统一，但均可较好地表征当时地表覆被状况。这在一定程度上弥补了中亚地区土地覆被数据不足的现状。通过对耕地、自然植被、水体及其他土地覆被类型进行大类合并，可基本体现中亚土地覆被的宏观特征和变化趋势。

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中亚地区是我国天气的上游区,生态环境异常脆弱,必须要保证该地区生态环境和资源安全,水资源安全首当其冲.研究和评估气候变化和人类活动对中亚地区水文环境的影响,具有重要的战略意义.近百年来中亚地区气候有暖湿化趋势,气温增温持续时间较长且增温幅度较大,近50a增暖更加明显(0.47℃·(10a)-1),其中冬季增温最快,预估未来会延续变暖的态势;同时20世纪80年代之后降水量持续波动上升.气候变化对该地区水资源的时空分布及湖泊变迁造成了重大影响,人类活动加剧了水资源短缺,近50a来锡尔河和阿姆河入咸海径流量均呈减少的趋势,20世纪70年代之后拦水蓄水水库等水利工程的建设,加上灌溉用水的增加,导致两河入咸海水量骤减;而1987年之后两河入咸海水量回升,主要是气温回暖、降水增多,加速了常年积雪和冰川融化,使得进入河道的径流量增加.同时,湖泊水位下降,面积收缩,水质恶化.中亚水资源问题主要是跨国水资源分配和水环境恶化问题,要做好水资源评估和用水规划工作,建立覆盖全区域的水资源环境监测网络.中亚国家需要共同参与制定一套完整的、综合考虑人口、社会经济、生态环境等因素的水资源管理政治立法决策体系,构建中亚各国人水和谐、互利共存的水资源新秩序,以水资源可持续利用来支持经济与社会的可持续发展.

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中亚地区土地资源开发与利用研究信息资料有限，研究深度无法满足亚欧内陆干旱区社会经济可持续发展的科学要求。采用欧空局（ESA）GlobCover 2 2005年的全球陆地覆盖数据集资料和世界粮农组织（FAO）统计资料，较为系统分析了1992-2009年中亚土地资源开发与利用及其变化趋势。研究表明：（1）中亚耕地面积及作物产量呈先迅速下降后缓慢上升的趋势，耕地面积由1992年的43.1×104 km2（比例10.9%）下降到2000年的29.8×104 km2（比例7.58%），然后上升至2009年的31.6×104 km2（比例8.04%），但仍未恢复到1990年代初的水平；（2）林地与草地面积变化不明显,但草地载畜量变化显著。其中哈萨克斯坦2009年草地载畜量（6.25×107标准羊单位）仅为1992年草地载畜量（9.91×107标准羊单位）的63.1%；土库曼斯坦2009年草地载畜量为2.96×107标准羊单位，是1992年草地载畜量（1.04×107标准羊单位）的3倍左右；乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦和吉尔吉斯斯坦草地载畜量均有不同程度的增加；（3）中亚地区土地资源生产潜力巨大，但在土地利用过程中出现了农田土壤侵蚀、土壤盐渍化和过渡放牧等生态问题,如何有效治理与防治上述问题,对中亚地区土地资源可持续利用和生态保护具有重要意义。

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