長江源區(qū)1980-2010年土地利用變化及影響分析研究

金浩宇， 鞠 琴， 曲 珍， 董小濤， 郝振純

(1.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)全球變化與水循環(huán)國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210098; 3.西藏自治區(qū)水文水資源勘測局日喀則水文水資源分局， 西藏 日喀則 857000; 4.水利部綜合事業(yè)局， 北京 100053)

1 研究背景

土地利用/覆蓋變化(LUCC)主要由人類活動或氣候變化引起，“3S”技術(shù)的發(fā)展對土地利用/覆蓋變化的監(jiān)測起到巨大推動作用[1-3]。下墊面變化對氣候變化、陸地生態(tài)系統(tǒng)平衡、地球物理及化學(xué)循環(huán)過程等都有著重要影響[4-6]。分析LUCC有助于認(rèn)識和探索土地系統(tǒng)動態(tài)變化規(guī)律及未來可能的變化趨勢[7-9]。LUCC越來越成為分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化、水資源分布變化及人類活動影響的有力手段，李佳鳴等[10]以內(nèi)蒙古為例研究了LUCC的生態(tài)服務(wù)價值，韓冬冬等[11]研究了LUCC和氣候變化對錫林河徑流量的影響，Miedema等[12]研究了LUCC對森林群落功能性狀組合的影響。

長江源區(qū)位于青海省東南部，分布著高山、盆地、草原、峽谷、沙漠、湖泊、沼澤、冰川及多年凍土等，為典型的青藏高原地貌[13-14]。近些年來，長江源區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生了許多變化，主要表現(xiàn)在：水土流失嚴(yán)重，水源涵養(yǎng)功能減弱，濕地縮小變成旱草灘，土地沙化、草場退化，冰川面積減少，凍土消融等狀況[15-16]。長江源區(qū)是國家自然保護(hù)區(qū)而LUCC能反映區(qū)域自然環(huán)境變化，因此通過LUCC分析源區(qū)生態(tài)環(huán)境變化顯得十分必要和關(guān)鍵。

2 研究區(qū)域概況

長江源區(qū)位于青藏高原腹地，屬于高原亞寒帶半濕潤半干旱區(qū)。流域冬季長夏季短，絕大部分地區(qū)沒有絕對無霜期，多年平均氣溫在-1.7～5.5℃，7月份為氣溫最高時期，平均氣溫為9.7℃，1月份平均氣溫最低，氣溫在-13℃。多年平均降水在200～400 mm之間，降水主要集中在5-9月份，占全年降水量的90%～95%。流域內(nèi)植被類型較為簡單,主要以高寒草甸和草原為主，下游地區(qū)分布有少量面積的森林。由于長江源區(qū)地域遼闊，山地垂直植被結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)高程差異，山腰以上多以灌叢草甸為主，山腰以下以森林及河谷草原為主。由東向西，隨著氣候逐漸趨向干旱，西部山區(qū)垂直結(jié)構(gòu)更為簡單，3000 m以上高山區(qū)為高寒草甸。長江源區(qū)地形、水系及氣象水文站分布如圖1所示。

圖1 長江源區(qū)地形、水系及氣象水文站分布圖

3 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究利用1980和2010年已解譯的Landsat-TM/ETM衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其空間分辨率為1 km及1990和2000年未解譯的Landsat5衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其空間分辨率為1km。Landsat主題成像儀(TM)為Landsat5攜帶的傳感器。通過對已下載數(shù)據(jù)的解壓可獲得7個波段的數(shù)據(jù)，不同波段對應(yīng)的波長范圍和空間分辨率如表1所示。

表1 Landsat5衛(wèi)星數(shù)據(jù)波段表

多波段的遙感影像，不同波段的組合對地物的突顯能力也不一樣，波段321組合為真彩色合成，波段432組合為標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成，波段451組合，信息量最為豐富，TM影像的光波信息包含3～4維結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于亮度、綠度、熱度和濕度數(shù)據(jù)的存儲。長江源區(qū)不同波段組合下Landsat TM影像效果圖如圖2所示。對長江源區(qū)地物解譯采用監(jiān)督分類的目視解譯法，該方法需要對地物在不同波段下的顏色值有一定了解，不同地物在光譜空間中分布情況及規(guī)律也不同，通過繪制不同地物在光譜空間中分布圖(圖3)，可以選擇適當(dāng)?shù)牟ㄗV組合來選擇地物標(biāo)本。整個長江源區(qū)由于自然環(huán)境較為惡劣及人類活動影響較小，土地利用種類較少，整體將土地利用種類分為6種，即耕地、林地、草地、水域、建筑用地、裸地。

圖2 長江源區(qū)不同波段組合下的TM影像圖

圖3 長江源區(qū)不同地物光譜空間分布圖

對1980、1990、2000、2010年土地利用數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，分類結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，長江源區(qū)土地利用狀況從1980年至2010年并未發(fā)生較大改變，其中草地面積最大但多為稀疏草地。裸地面積占比也比較大，尤其在源區(qū)北面楚瑪爾河和西南面當(dāng)曲上游占比較多。水域主要是由兩部分構(gòu)成，一是分布在高山源頭的冰川，二是零星分布的星子湖。林地主要分布于流域下游的河谷中，但由于長江源區(qū)惡劣的氣候環(huán)境森林面積較小，整體來說長江源區(qū)自然環(huán)境較為惡劣，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后，耕地和建設(shè)用地較少，主要集中在下游自然條件相對溫和的地區(qū)。

4 研究方法

4.1 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度用來定量分析區(qū)域土地利用類型的變化速率，對LUCC的區(qū)域性差異及預(yù)測未來LUCC趨勢也有指導(dǎo)意義。常用的有兩種指標(biāo)，即單一土地利用動態(tài)度K、綜合土地利用動態(tài)度LC。其公式表達(dá)如下：

(1)

式中：Ula、Ulb分別為研究初期、末期同一土地利用類型面積,km2；T為研究時段,a。

(2)

式中：LUi為初期第i類土地利用類型的面積，km2；ΔLUi-j為時段內(nèi)第i類土地利用類型變化面積的絕對值，km2；T為時段長，若T的單位設(shè)定為a，則LC表示區(qū)域內(nèi)土地利用年動態(tài)度。

4.2 土地利用綜合程度指數(shù)

以土地利用綜合程度指數(shù)La為評價標(biāo)準(zhǔn)分析土地利用變化的生態(tài)健康狀況。其計算公式如下：

(3)

式中：Ai為第i級的土地利用程度分級指數(shù)；Ci為第i級的土地利用程度百分比。對于不同時期的La若ΔLa>0則表示土地利用處于發(fā)展時期，否則土地處于調(diào)整時期或衰退期，La越大表示土地利用程度越高。不同土地利用程度分級指數(shù)如表2所示。

表2 不同土地利用類型的土地利用程度分級指數(shù)

4.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是分析一段時期內(nèi)LUCC的有利工具，其不僅能表現(xiàn)期初和期末各類土地利用類型面積變化情況，還能顯示各土地利用類型相互之間轉(zhuǎn)換面積。其中前后期相同土地利用類型交匯處表示該種土地利用類型未發(fā)生變化的面積，其他處表示某一土地利用類型轉(zhuǎn)為另一土地利用類型的面積。土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣的格式如下：

(4)

式中：Sij為前期的i種地類轉(zhuǎn)換成后期的j種地類的面積，km2；n為前后期的土地利用類型數(shù)；i、j(i、j=1，2，…，n)分別為前期與后期的土地利用類型。

5 結(jié)果與分析

5.1 各期土地利用變化格局

表3給出了1980、1990、2000、2010年土地利用面積情況，長江源區(qū)主要地貌類型為草地和裸地，面積分別在9.3×104km2和3.5×104km2以上，占流域總面積在68%和25%以上，兩者占流域總面積在93%以上。建筑用地占全流域面積最小，只有0.02%左右，其次面積占比較小的是耕地，約占0.06%，兩者面積一共約為130 km2，占比0.08%左右。林地面積有700 km2左右，占流域面積比在0.50%左右。包括冰川、湖泊在內(nèi)的水域面積在7 600 km2以上，占流域總面積5.5%以上。

表3 不同年份長江源區(qū)土地利用面積及占比 km2, %

圖4 長江源區(qū)土地利用/覆蓋變化圖

圖5為各土地利用類型變化情況柱狀圖。從圖5中可以看出，耕地面積只在1990-2000年間發(fā)生變化，面積增加了10.63 km2；林地面積只在1990-2000年間減少了13.53 km2；草地面積在1980-2000年間增加了19.33 km2，在1990-2000年間減少了28.02 km2，在2000-2010年間增加了28.99 km2，全時段草地面積增加了20.29 km2；水域面積在1980-1990年間和1990-2000年間都呈減少趨勢，減少面積分別為119.82和135.28 km2，而2000-2010年間水域面積有緩慢增加趨勢，增加了21.26 km2，全時段內(nèi)水域面積減少了233.84 km2；建筑用地在1990-2000年間增加了3.87 km2，在2000-2010年間增加了1.93 km2，全時段內(nèi)建筑用地增加5.80 km2；裸地面積在1980-1990年間和1990-2000年間都有所增加，增加面積分別為100.49和162.34 km2，而在2000-2010年間裸地面積略有減少，減少面積為52.18 km2，全時段內(nèi)裸地面積增加了210.65 km2。

圖5 1980-2010年長江源區(qū)段各類土地利用變化面積

5.2 土地利用類型動態(tài)度

表4為1980-2010年長江源區(qū)土地利用類型變化情況。從表4中可以看出，1980-1990年間水域面積變化最快，單一動態(tài)度為-1.52%/a，其次是裸地，單一動態(tài)度為0.29%/a，草地單一動態(tài)度為0.02%/a。1990-2000年間建筑用地單一動態(tài)度最大，達(dá)到14.81%/a，雖然建筑用地面積只增加了3.87 km2，但由于建筑面積初始基數(shù)就小，使得相對變化反而較大，其次是耕地，單一動態(tài)度達(dá)到了11.96%/a。裸地面積也有增加，其單一動態(tài)度為0.46%/a，林地、草地和水域都有不同程度的減少，其單一動態(tài)度分別為-1.92%/a，-0.03%/a和-1.74%/a。2000-2010年間建筑用地變化最快，單一動態(tài)度為6.45%/a。裸地面積有所減少，單一動態(tài)度為-0.15%/a。全時段內(nèi)相對而言建筑用地和耕地面積變化最快，單一動態(tài)度最大分別為22.22%/a和11.96%/a。裸地和草地面積也有不同程度的增加，其單一動態(tài)度分別為0.60%/a和0.02%/a。水域和林地面積有不同程度的減少，其單一動態(tài)度分別為-2.97%/a和-1.92%/a。從綜合動態(tài)度數(shù)值大小上看，1990-2000年間的土地利用/覆蓋變化最大，為0.013%/a。

5.3 土地利用綜合程度

源區(qū)1980、1990、2000、2010年土地利用綜合程度指數(shù)如圖6所示。

圖6 長江源區(qū)土地利用綜合程度指數(shù)

年份統(tǒng)計類型耕地林地草地水域建筑用地裸地變化量/km20019.33-119.820100.491980-1990單一動態(tài)度(%/a)000.02-1.5200.29綜合動態(tài)度(%/a)0.009變化量/km210.63-13.53-28.02-135.283.87162.341990-2000單一動態(tài)度(%/a)11.96-1.92-0.03-1.7414.810.46綜合動態(tài)度(%)0.013變化量/km20028.9921.261.93-52.182000-2010單一動態(tài)度(%/a)000.030.286.45-0.15綜合動態(tài)度(%/a)0.004變化量/km210.63-13.5320.29-233.845.80210.651980-2010(全時段)單一動態(tài)度(%/a)11.96-1.920.02-2.9722.220.60綜合動態(tài)度(%/a)0.018

整體上1980-2010年長江源區(qū)土地利用綜合程度指數(shù)在空間上變化不大，土地利用程度較低的區(qū)域主要分布在源區(qū)北部和西南部，該區(qū)域也是裸地分布的集中區(qū)域。而土地利用程度較高的區(qū)域是源區(qū)下游河谷地帶，該區(qū)域人口較為集中，建設(shè)用地較多。源區(qū)較大部分被草地、林地和水域覆蓋的地區(qū)土地利用綜合程度指數(shù)在170左右。

表5為源區(qū)1980、1990、2000、2010年平均土地利用綜合程度指數(shù)，1980年土地利用程度綜合指數(shù)最高，為174.56，2000年土地利用程度綜合指數(shù)最低，為174.36。1980-1990年ΔLa<0，此時水域面積在減少，裸地面積在增加，反映源區(qū)自然環(huán)境朝著惡化方向發(fā)展。1990-2000年土地利用程度綜合指數(shù)也在減少，此時林地、草地和水域面積均在減少裸地面積在增加，反映源區(qū)自然環(huán)境繼續(xù)朝著惡化方向發(fā)展。2000-2010年土地利用程度綜合指數(shù)有少量增加，此時草地和水域面積有所增加，裸地面積在減少，反映源區(qū)自然環(huán)境朝著恢復(fù)方向發(fā)展。全時段內(nèi)土地利用程度綜合指數(shù)在減少，反映出2010年源區(qū)自然環(huán)境相比于1980年而言環(huán)境變差。而2000-2010年源區(qū)自然環(huán)境的改善很大程度是由于三江源自然保護(hù)區(qū)的設(shè)立，加大了對源區(qū)自然環(huán)境保護(hù)力度的結(jié)果。

表5 1980-2010年全區(qū)平均土地利用程度綜合指數(shù)

5.4 土地利用轉(zhuǎn)移變化

表6～9為研究時期內(nèi)的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

1980-1990年間耕地、林地、草地和建筑用地沒有發(fā)生轉(zhuǎn)移，而有124.65 km2的水域轉(zhuǎn)換為草地和裸地，有15.46 km2的裸地轉(zhuǎn)換為草地和水域。新增草地面積為19.33 km2，新增水域面積為4.83 km2,新增裸地面積為115.95 km2，總的變換面積為140.11 km2。

1990-2000年間草地轉(zhuǎn)出面積最大，達(dá)218.39 km2，其次是水域，轉(zhuǎn)出面積達(dá)177.8 km2。轉(zhuǎn)入類型面積最大的是裸地，面積達(dá)258 km2，主要是由草地和水域轉(zhuǎn)入的，其次轉(zhuǎn)入草地的面積也較大，達(dá)190.36 km2，主要是由水域和裸地轉(zhuǎn)入的?？偭鬓D(zhuǎn)面積達(dá)509.25 km2，是3個時段中土地利用變化最劇烈的時期。

2000-2010年間土地流轉(zhuǎn)情況較弱，只有草地和裸地發(fā)生了流轉(zhuǎn)，流入草地的面積最多，達(dá)44.45 km2，其次是水域，轉(zhuǎn)入面積有21.26 km2。該時期首次出現(xiàn)轉(zhuǎn)入裸地面積小于轉(zhuǎn)出裸地面積，且裸地大多轉(zhuǎn)為草地，表明該時期長江源區(qū)植被有所恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境有所改善。

全時段1980-2010年間轉(zhuǎn)出面積最多的是水域，其次是草地，轉(zhuǎn)入面積最多的是裸地，其次是草地。表明長江源區(qū)有著朝干旱化發(fā)展的趨勢，草地面積轉(zhuǎn)出多但轉(zhuǎn)入也多，整體上面積變化不大，裸地面積增大，植被覆蓋率減少，長江源區(qū)生態(tài)環(huán)境較初期變差。

表6 1980-1990年長江源區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表7 1990-2000年長江源區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表8 2000-2010年長江源區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表9 1980-2010年長江源區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

6 結(jié) 論

本文通過對長江源區(qū)LUCC在時間和空間上的變化，分析了不同土地利用類型的變化情況及給源區(qū)帶來的環(huán)境影響。主要結(jié)論如下：

(1)長江源區(qū)土地利用/覆蓋類型最多的是草地，其次是裸地類型，建筑用地和耕地面積占全區(qū)面積最小，且該地類型主要集中在河谷下游氣候環(huán)境相對優(yōu)越的地方。

(2)1980-1990年間水域面積減少最快，1990-2000年間和2000-2010年間建筑用地增加最快。1990-2000年間土地流轉(zhuǎn)程度最大。源區(qū)下游人類聚集區(qū)土地利用綜合程度較高，從時間上看，1980-1990年及1990-2000年土地利用朝著惡化方向發(fā)展，而2000-2010年土地利用朝著恢復(fù)方向發(fā)展，這與2000年開始建立三江源自然保護(hù)區(qū)，源區(qū)自然環(huán)境受到保護(hù)有很大關(guān)系。

(3)土地類型變化主要發(fā)生在水域、草地及裸地之間，水域面積在萎縮，轉(zhuǎn)向草地和裸地。草地轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入量基本相當(dāng)，整體上變化不大。1980-2010年間，水域面積減少最多，達(dá)233.84 km2，裸地增加面積最多，達(dá)210.65 km2，自然環(huán)境相對于初期而言變差。