黑河流域是中国西北干旱地区典型的内陆河流域，具有全球独特的以水为纽带的冰川/冻土/积雪-森林-草原-河流-湖泊-绿洲-荒漠多元自然景观^［1］。黑河下游地区的额济纳绿洲是极端干旱荒漠中的一个孤岛式绿洲，区域生态环境脆弱且对人类活动响应敏感^［2］。黑河下游地区始自汉代，其土地利用变化主要受人类活动（农业活动及战乱）的影响。历史上，黑河下游绿洲（古居延绿洲）受人类活动（农业开垦及灌溉）的影响生态环境逐步恶化，汉代至元代古居延绿洲中下部生态环境恶化，古居延城遭到废弃被流沙淹没；元代到明代古居延绿洲中上部生态环境恶化，黑城遭到废弃被流沙淹没；明朝古居延绿洲荒漠化，河流向西改道，在西北方向形成如今的额济纳绿洲；明清时期额济纳绿洲重新成为游牧之地，荒漠化进程相对变缓，中游大规模的开发使得下游来水减少，额济纳绿洲面积比古居延绿洲小很多^［3-4］。清代末期至中华人民共和国成立，由于政局动荡、屯垦衰落、人口减少，下游来水增加，额济纳绿洲的生态环境得到改善。至20世纪40年代，额济纳旗共1 204人（1944年），而水草地约6 500 km^{2 ［5］}，人地矛盾并不突出。20世纪40年代的额济纳绿洲植被茂密，东西河两岸5 km以内及古尔乃一带分布着面积约2 250 km²的森林^［5］；水域面积大于300 km²，候鸟成群，鲤科淡水鱼繁多。中华人民共和国成立后，政局稳定，中游地区耕地和人口增加，地表水库及地下水机井开采增多，至80年代中游所有支流不再汇入黑河，干流下游水量减少，水质恶化，流域水资源利用严重失衡^［6］；再因下游地区过度放牧、过度樵采以及不合理的灌溉，额济纳绿洲的草地减少，土地逐渐荒漠化。至20世纪90年代，额济纳绿洲的尾闾湖彻底消失，水质极度恶化，植被严重退化（胡杨、沙枣大量死亡，草地面积锐减），土地大面积荒漠化，生态平衡遭到严重破坏。为拯救额济纳地区恶化的生态环境，1995年国务院八部委、中国科学院院士考察团先后进行了专题考察，1997年国务院批准黑河干流水量分配方案，2000年黑河流域管理局依据国务院批复的《黑河流域近期治理规划》开始实施生态输水工程^［7］，生态输水工程已实施二十余年。评估区域生态环境，量化生态输水效益，优化生态输水方案，实现区域可持续发展是该区域面临的重要课题。

已有研究从植被覆被变化、水域面积、地下水位变化等角度^［8-9］评估了黑河下游额济纳绿洲的生态输水效应，还就生态输水工程实施后黑河流域人水系统的演变^［10］、生态安全及潜在风险^［11-12］进行了研究。生态输水后黑河下游地区的地下水位抬升、水域面积增大、河岸带植被明显恢复，生态安全指数明显提高，而中游地区的地下水位下降、河道沿岸植被显著退化，流域水资源分配方案有待进一步完善。还有研究探讨了生态输水工程对生态-水文-经济的联动影响，发现除生态环境得到恢复外，旅游人口爆炸式增长，区域经济发展迅速^［13］。然而，已有研究缺乏对生态输水工程实施前后的土地利用模式、变化及其对生态环境与经济发展影响等的探讨。

土地利用/覆被变化（Land use and land coverage change，LUCC）是人类活动对地球表层系统影响最直观的表现，能够直接反映区域生态环境及经济发展情况^［14］。研究黑河下游额济纳绿洲LUCC格局及演变是探讨生态环境变化及生态输水效应的重要切入点。尽管针对黑河下游额济纳绿洲LUCC的研究已有一些^［15-18］，但都仅局限于利用两三期遥感影像的LUCC常规分析，缺乏对特定问题或者特定政策影响下LUCC的研究，例如缺乏对生态输水工程实施前后LUCC的变化过程及其影响下的荒漠化进程开展研究。因此，本研究的主要目标是：识别1980—2000年和2000—2020年黑河下游额济纳绿洲土地利用变化过程，评估基于LUCC分析的生态环境变化和经济发展模式。该研究对区域水资源利用、生态环境保护及社会经济发展具有重要的现实意义。

黑河是中国第二大内陆河，发源于祁连山北麓中段，流经青海、甘肃、内蒙古，尾闾注入内蒙古额济纳旗，干流长821 km，总流域面积13万km²。黑河以莺落峡和正义峡为界，划分为上游、中游和下游。上游地区降水充沛，为冰川/冻土/积雪-森林-草原景观；中下游地区降水较少、蒸发强烈，为绿洲-荒漠-湖泊景观。中游地区，绿洲和荒漠呈镶嵌分布，绿洲景观以农田为主。下游地区的额济纳绿洲是黑河末端的大型冲积扇，目前是极度干旱荒漠中的一个孤岛式绿洲，东部和东南部为面积达4.9×10⁴ km²的巴丹吉林沙漠，西部是戈壁，北部以戈壁与蒙古国接壤，居住着蒙古、汉、回等12个民族，常住人口3.2万（图1）。该区域气候极端干旱，多年平均降水量为37 mm，多年平均蒸发量为2 240 mm，干旱指数小于0.05，多年平均气温为8.9 ℃^［19］。自然条件极为严酷、生态环境极端脆弱。土地覆被以荒漠为主，其次是荒漠草原，林地和水域面积占比很小。林地为荒漠河岸林，以胡杨、柽柳及梭梭为主，皆为纯林，胡杨林边缘也常杂有少数柽柳。胡杨为阔叶树，需水较多，分布于距离河道附近，东河下游尤为茂密，额济纳胡杨林国家级保护区位于此处；柽柳之分布虽亦近水滨，但其生态幅较胡杨广，凡水分条件较好之地均能生长，胡杨林边缘也常杂有少数柽柳；梭梭林集中分布在古日乃湖滨及附近沙窝中，其他戈壁滩上也有分布。草地为荒漠草原，多以绵刺、盐爪爪、白刺、梭梭、红砂、霸王、泡泡刺、骆驼刺等小灌木为建群种（图2）。保护和恢复黑河下游额济纳绿洲的生态环境，不仅是保障国防安全、加强民族团结、促进区域经济可持续发展的需要，还是筑牢河西走廊及西北地区抵御沙尘暴的重大生态需求。

本文获取的多景Landsat MSS（1980年）、TM（1990年和2000年）、ETM（2010年）和OLI（2020年）遥感影像数据，来源于地理空间数据云（https：//www.gscloud.cn/）。大部分影像数据取自植物生长季（6—10月）且云量较小（小于10%）。空间分辨率为80 m（1980年）和30 m（1990、2000、2010、2020年），能够满足土地利用分析。本研究旨在分析1980、1990、2000、2010、2020年黑河下游土地利用及覆被变化情况，如果没有当年影像数据或者当年缺少部分影像数据，会选择相近年份相同季节的数据替代。

辅助数据用于支持土地覆盖分类的解译和验证。①1∶40万中华人民共和国植被图（1979年），数据来源于国家青藏高原科学数据中心（http：//data.tpdc.ac.cn）。②西北干旱区黑河流域河西走廊1∶10万土地利用/覆盖数据集（1990、2000、2005、2010年），数据来源于国家冰川冻土沙漠科学数据中心（http：//www.ncdc.ac.cn）。③野外实地调查数据，2011年7月在黑河下游额济纳绿洲实施野外植被样地调查研究，共在61个样地调查了309个样方，其中乔木样地24个，灌木样地26个，草本样地11个^［20-21］（图1）。④阿拉善高原-河西走廊荒漠植物图像数据集（2017—2021年），主要包括考察点经纬度、无人机照片及现场照片，数据来源于国家冰川冻土沙漠科学数据中心（http：//www.ncdc.ac.cn）。

参考中国科学院资源环境科学数据中心关于土地利用/土地覆盖遥感监测数据的解译标志和解译原则，利用植被图、地形图等辅助数据，对遥感影像数据在计算机监督分类的基础上进行目视解译，并结合黑河下游额济纳绿洲土地利用实际情况和国家标准（GB/T 21010—2017），将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、荒漠及建设用地。经Kappa系数检验，1980、1990、2000、2010、2020年的Kappa值分别为0.69、0.78、0.81、0.87、0.92，解译结果可靠。

选用不同的模型和指数，分析1980—2000年（阶段1）和2000—2020年（阶段2）土地利用/覆被变化的结构、数量和类型转移特征。具体来说，通过计算不同时期不同土地利用类型的面积比，分析土地利用/覆被变化的组成结构；通过绘制空间格局图谱和涨落势图谱，分析土地利用/覆被变化的空间结构；采用土地利用净变化量分析土地利用/覆被变化的数量特征；通过计算土地利用转移矩阵，绘制土地利用转移弦图，分析土地利用/覆被变化的转移特征。此外，通过土地利用动态度分析土地利用/覆被变化速度和趋势。

耕地、林地、草地、水域、荒漠及建设用地的净变化量采用以下公式计算：

式中：S_a 和S_b 分别是一个时期开始和结束时某土地利用类型的面积（km²）。

一种土地利用类型的涨势表示该土地利用类型在研究时段间增加的面积，即其他土地利用类型转入该土地利用类型的面积；落势则表示该土地利用类型转出的所有面积，即减少的面积^［22］。分别绘制两个阶段黑河下游额济纳绿洲耕地、林地、草地、水域、荒漠及建设用地的涨落势图谱，用于直观地分析生态输水前后土地利用变化及空间格局。

土地利用转移矩阵是根据同一地区不同时相的土地覆盖现状的变化关系，求得一个二维矩阵，用于描述不同时期土地利用类型的转换大小。本研究建立了不同时期的土地利用转移矩阵，包括1980—1990、1990—2000、2000—2010、2010—2020年。转移矩阵表示保持不变和发生变化的不同土地利用类型的面积。

利用单一土地利用动态度指数（K）和综合土地利用动态度指数（K_s）分析土地利用/覆被变化的动态变化。单一土地利用动态度指数可定量描述土地利用变化的速度，预测土地利用变化的区域差异和趋势。

式中：Uai和Ubi分别表示研究初期和研究末期某土地利用类型i的面积（km²）；T为研究时段（a）。

式中：Uai和Ubi分别表示研究初期和研究末期某土地利用类型i的面积（km²）；n为土地利用类型数；T为研究时段（a）。

黑河下游额济纳绿洲土地利用类型以荒漠为主，其次是草地，而林地、水域、耕地和建设用地占比不超过3%。尽管该区域的林地、草地及水域面积不大，但是极具生态重要性，是维护绿洲稳定和健康发展的关键。1980—2000年，荒漠增大，草地和林地减少；2000—2020年，荒漠减少，草地和林地增大。2010年之后建设用地占比明显增大，2000、2010、2020年建设用地占总面积的比例分别为0.038%、0.092%、0.264%（图3）。

由于该区域气候极端干旱，人类生产生活和植物生长所需的水分主要来源于黑河地表径流，因此该区域的建设用地、耕地和林地均分布在河岸边（图4）。建设用地集中在狼心山东西河分界处、东河下游地区（达来呼布镇）及策克口岸。耕地集中在东河下游达来呼布镇。林地集中在东西河干流及支流沿岸。草地集中在东河东部古日乃湖区及古居延绿洲区域，且呈块状散落在西河西侧。除草地外，其他各土地利用类型的空间格局基本稳定。

图5是各土地利用类型在阶段1（1980—2000年）和阶段2（2000—2020年）的涨落势。2000年之前，东河沿岸、居延海及古居延绿洲的荒漠增加而林地、草地及水域减少，西河上游及古日乃湖西部地区的草地增加而荒漠减少；2000年之后，变化趋势正好相反。地类发生变化的主要区域为东西河两岸、居延海、古居延绿洲遗址区域及古日乃湖区。

生态环境演变和社会经济发展可以分为两个明显的阶段。1980—2000年，生态环境呈退化趋势：生态价值较高的土地利用类型面积减少，森林、草地、水域分别减少了151.32、1 953.83、11.89 km²，减少比例分别为14.71%、16.59%、12.50%。2000—2020年，生态环境呈改善趋势：生态价值较高的土地利用类型面积增加，森林、草地、水域分别增加了104.86、1 839.67、419.40 km²，增加比例分别为11.95%、18.73%、501.20%。

1980—2000年，社会经济发展速度较慢，建设用地净增加面积为9.29 km²，耕地净增加面积为14.6 km²；2000—2020年，社会经济发展迅速发展，建设用地净增加面积为150 km²，耕地净增加面积为42.48 km²。与2000年相比，2010年和2020年建设用地分别扩大了2.42倍和6.95倍。耕地的增加主要发生在2000—2010年，耕地由74.33 km²增加到115.48 km²，增加了1.56倍。1980—1990年和1990—2000年，耕地分别增加了4.45%和19.14%；2000—2010年和2010—2020年，耕地分别增加了55.36%和1.15%（图6）。

1980—2000年，土地利用转移的主要特征是草地、水域、林地的减少，以及荒漠的增加（图7）。其中，1980—1990年，各土地利用类型活跃程度相对较低，有188.49 km²的土地利用被转移，林地和草地减少是主要转移类型，分别占总转移面积的46%和34%；林地中分别有68%和29%被转移为荒漠和草地，草地中分别有54%和45.8%被转移为荒漠和林地。1990—2000年，有4 064 km²的土地利用被转移，草地减少是主要转移类型，占转移总面积的71.33%，其中有98%被转移为荒漠；其次是水体和林地的减少，分别占转移总数的1.39%和3.72%，水体中有90%被转移为荒漠，林地中有56%和42.6%分别转移为荒漠和草地。荒漠增加的区域主要出现在东河沿岸、居延海地区及古居延绿洲遗址区域，草地向荒漠的转化主要发生在东河沿岸及古居延绿洲遗址区域，水体向荒漠的转化主要发生在居延海地区，林地向荒漠的转化主要发生在古日乃湖区（图5）。

2000—2020年，土地利用转移的主要特征是荒漠的减少和其他用地类型的增加，草地和荒漠相互转移频繁（图7）。其中，2000—2010年，有5 035.38 km²的土地利用被转移；荒漠减少了3 599.51 km²（占转移总面积的72%），减少的荒漠有87%被转移为草地；草地减少了1 357.48 km²（占转移总面积的27%），减少的草地有95%被转移为荒漠。2010—2020年，有5 119.63 km²的土地利用被转移，其中有2 449.51 km²的草地被转移为荒漠，同时有2 427.64 km²的荒漠被转移为草地，草地总量基本稳定。2000—2010年，林地、草地、水域分别净增加了2.72%、18.39%、439.36%；2010—2020年，林地、草地、水域分别净增加了8.98%、0.28%、11.46%。可见林地恢复对水域恢复的响应具有一定的滞后性，而草地恢复与水域恢复基本同步。

研究期间，综合土地利用动态度先增加后减少，2000年是重要的分界线。2000年前后的10年，黑河下游额济纳绿洲的土地利用/覆被变化很大，综合土地利用动态度分别为0.31%和0.34%。而1980—1990年和2010—2020年，综合土地利用动态度分别为0.01%和0.04%，土地利用/覆被变化较小。

不同土地利用类型的动态度差异明显（表1）。1980—2020年，建设用地、水体、耕地的土地利用动态度最大，分别为25%、10.66%、2.39%；而荒漠、草地和林地的土地利用动态度均小于0.02%，这并不表示这几种地类的土地利用变化速率小，而是因为2000年之前荒漠的增加、林地和草地的减少与2000年之后荒漠的减少、林地和草地的增加相互抵消，从而使得整个时段土地利用动态度从字面上看起来较小。实际上，2000年前后的10年，是各土地利用类型变化速度最大的时段。

2000—2020年土地利用覆被变化在黑河流域的绿洲化过程中起主导作用，显著改善了草原退化和荒漠化^［23］。本研究通过分析黑河下游额济纳绿洲的土地利用转移特征和涨落势图谱，发现该区域草地和荒漠转移频繁且转移面积大，极易发生荒漠化；1980—2000年草地、林地和水域转移为荒漠，绿洲荒漠化且在1990—2000年荒漠化趋势加剧；2000—2020年草地、林地和水域面积增加，荒漠绿洲化。可利用水资源的减少是黑河下游一系列环境问题的主要驱动因素，黑河下游额济纳绿洲的土地退化过程被阻止和逆转，主要归因于生态输水工程^［24］。尽管近60年来该区域气候呈变暖变湿趋势，但是气候因子对径流的影响主要体现在上游地区，中游和下游绿洲的地表径流量主要受人类活动的支配^［25］；生态输水工程实施前，中游经济扩张导致的中游用水增加和下游径流减少是同步的；生态输水工程实施后下游径流增大和中游径流减少亦是同步的。绿洲生态恢复/退化过程是以水源变化为核心的，径流控制着黑河下游额济纳地区的生态水文和社会经济发展^［26］。下游地区来水量的减少是导致土地荒漠化的主要原因，生态输水工程扭转了该区域的土地荒漠化过程^［27］。黑河下游额济纳绿洲的土地利用/覆被变化主要受入境水量的控制，生态输水工程从根本上改变了土地利用/覆被变化过程。同时，生态输水工程实施后林地和草地的增加，还受退牧还草项目、公益林建设项目、草原生态保护补助奖励政策等的影响。

人口和经济的扩张是黑河下游额济纳绿洲建设用地和耕地增加的主要原因。然而，额济纳绿洲的兴衰存亡又严重依赖于入境水量，因此，生态输水工程是2000年之后建设用地和耕地显著扩张的核心影响因素。1980—2000年和2000—2020年建设用地净增加面积分别为9.29 km²和150 km²；而2000—2010年和2010—2020年，建设用地面积分别扩大了35.84 km²和114.16 km²，分别是2000年的2.42倍和6.95倍。2000年之后以旅游业为支柱的第三产业的急速发展和以矿产资源为主的第二产业的快速发展，驱动着该区域建设用地的急剧增加（表2）。其他研究亦表明，2000年之后该区域经济发展迅速，第二和第三产业急剧增长，居延海水域面积的增加和河岸植被的恢复促进了以沙漠湖泊和胡杨林为基础的旅游业的快速发展，旅游人口由2000年的30万人增加到2015年的110万人，旅游收入占第三产业的三分之二^［12-13］。

同时，额外的地表水资源刺激了该区域的农业发展，耕地面积迅速扩张。1980—2000年和2000—2020年耕地分别增加了24.44%和57.15%，耕地的增加主要发生在2000—2010年，耕地由74.33 km²增加到115.48 km²，增加了1.56倍，这与Hu等^［18］的结论基本一致。此外，随着旅游人口的爆炸式增长，该区域的蜜瓜闻名于外，区域农作物种植结构发生变化，种植作物也由以棉花为主转到以瓜果（西瓜、蜜瓜）为主，甜瓜种植面积占总种植面积的比例由2000年的9.72%增加到2010年的65.86%，2020年瓜果种植面积比例高达94.57%（表2）。1990年之前作物种植结构以粮食和青饲为主；1996年受政府产业结构政策的引导，棉花种植面积迅速增加，至2000年作物种植结构以棉花为主^［28］。Zhang等^［12］的研究表明，该区域的农作物种植面积与径流量之间呈显著正相关关系。

黑河下游额济纳绿洲的LUCC结构与组成主体稳定，以荒漠及草地为主，分别占总面积的80%和15%以上。草地和荒漠转移频繁且转移面积大，极易发生荒漠化；2000年之前草地、林地和水域转移为荒漠，绿洲荒漠化且在1990—2000年荒漠化趋势加剧；2000年之后草地、林地和水域面积增加，荒漠绿洲化。额济纳绿洲是极端干旱地区的一个孤岛式绿洲，其土地荒漠化过程以水源变化为核心而转移。

生态输水工程从根本上改变了黑河下游额济纳绿洲的土地利用变化过程：2000年之前生态环境呈退化趋势，生态价值高的林地、草地、水体面积分别减少了151.32、1 953.83、11.89 km²；2000年之后生态环境呈恢复趋势，生态价值高的林地、草地、水体面积分别增加了104.86、1 839.67、419.40 km²。生态恢复/退化过程以水源变化为核心，径流控制着该区域的生态水文和经济发展。

生态输水工程不仅使生态环境得以改善，还促进了社会经济的发展，主要特点是农田的扩张和旅游业的繁荣，表现为耕地和建设用地的扩张。