黃河源區(qū)2005—2020年生態(tài)用地格局變化與分異趨勢

陸智博宋 芊趙健赟丁圓圓

(1.青海大學 地質(zhì)工程系,青海 西寧810016;2.青藏高原北緣新生代資源環(huán)境省級重點實驗室,青海 西寧810016)

土地利用是全球氣候、環(huán)境變化研究中的重要內(nèi)容,是自然界中的人類社會經(jīng)濟行為與自然生態(tài)發(fā)展過程相互聯(lián)系的紐帶[1-2]。土地利用的變化直接或間接反映著人類活動[3-4],全球氣候變暖與人類活動區(qū)域的日益擴大,這些因素成為了黃河源區(qū)土地利用變化的關(guān)鍵[5-6]。氣候的變暖一方面導致冰川的消融[7-8]、降雨量增加、溫度升高,有助于林地、草地植被的生長和水域的增加[9],但另一方面由于降水量的增加也會導致源區(qū)水土流失等自然災害的發(fā)生、土地利用極端轉(zhuǎn)換[10-11]。2021年10月8日中共中央、國務院印發(fā)了《黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》指導我們應堅持生態(tài)優(yōu)先、量水而行、因地制宜、統(tǒng)籌謀劃、協(xié)同推進[12]。因此,在黃河源區(qū)開展生態(tài)用地格局變化與分異趨勢的研究,對于認識和解析黃河源區(qū)生態(tài)功能變化趨勢以及生態(tài)安全狀況具有重要意義。

近些年眾多學者以生態(tài)保護區(qū)為主要研究對象,探究土地利用變化特征,賈丹陽等人[13]分析了臺特瑪湖地區(qū)土地利用變化趨勢;李平星等人[14]對長三角生態(tài)空間格局下的土地利用進行了研究;伍博煒等人[15]研究了汾河流域土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響;高星等人[16]根據(jù)CA模型模擬了白洋淀流域2035年的土地利用變化與生態(tài)服務價值的空間響應關(guān)系;王晶等人[17]利用土地利用數(shù)據(jù)探索了成都平原城市群的生態(tài)環(huán)境效應。青藏高原、黃河流域、三江源等生態(tài)系統(tǒng)功能相對脆弱的地區(qū)進行土地利用變化的研究更為重要,劉子川等人[18]利用土地利用數(shù)據(jù)對青藏高原進行定性研究;張鐿鋰等人[19]研究了青藏高原整體LUCC時空特征;肖東洋等人[20]以黃河流域(河南段)為研究對象,探討了該區(qū)域的土地覆被變化;袁麗華等人[21]研究了2000—2010年黃河流域植被覆蓋時空變化趨勢;曹巍等人[22]對三江源生態(tài)功能時空分異特征及重要性進行了辨識;金浩宇等人[23]對長江源區(qū)自1980—2010年土地利用變化進行了詳細分析;許茜等人[24]分析了1980—2015年的土地利用變化特征及其影響因素;之后許茜等人[25]依據(jù)CA模型預測了三江源未來土地利用發(fā)展趨勢;董立新等人[26]探索了三江源生態(tài)環(huán)境重點保護區(qū)瑪多縣的土地利用變化;喬斌等人[27]在格網(wǎng)尺度下對瑪多縣土地利用及生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行空間自相關(guān)分析。本文對黃河源區(qū)在2005—2020年的生態(tài)用地格局變化與分異性趨勢進行研究,利用多源數(shù)據(jù),綜合考慮研究區(qū)的自然條件、地理要素、社會經(jīng)濟狀況將黃河源區(qū)分為3大差異性區(qū)域,融合空間動態(tài)度模型、轉(zhuǎn)移矩陣模型和生態(tài)狀況指數(shù)模型等,探索黃河源區(qū)近16 a來的生態(tài)功能時空變化趨勢,制定生態(tài)用地管護措施,推進源區(qū)生態(tài)文明建設。

1 研究地區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

青藏高原是我國重要的水資源戰(zhàn)略點和生態(tài)安全屏障,黃河源區(qū)地處青藏高原東北端北緯32.5°—36.5°,東經(jīng)95°—103.5°,跨越青海、甘肅、四川3個省[28],是黃河流域最大的產(chǎn)流區(qū),是我國淡水資源極為重要的補給區(qū)和生態(tài)功能區(qū)[29],總面積約1.30×105km2,地勢呈西高東低,平均海拔4 500 m,最高點海拔6 265 m(位于阿尼瑪卿山),最低點海拔2 418 m(位于龍羊峽水庫附近)。源區(qū)主要為高原大陸性氣候,干濕兩季分明,日照時數(shù)長,降水量由東南向西北遞減,土地利用類型主為草地其次是未利用地,西部有扎陵湖和鄂陵湖兩大湖泊。源區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一,主要以畜牧業(yè)為主,近些年由于全球氣候變暖,凍土急速消融,流域水量加大,導致水土流失等系列問題[30]。本文科學地以黃河源區(qū)縣邊界為基準,以高程、主要植被類型特征為主,輔以土壤類型、降水程度、日照時數(shù)等特征將黃河源區(qū)分為東部、西部、北部三大區(qū)域進行分區(qū)域研究。黃河源區(qū)三大區(qū)域位置如圖1所示,東、西、北部特征信息詳見表1。

圖1 黃河源區(qū)三大區(qū)域位置示意圖

表1 黃河源區(qū)東、西、北區(qū)域特征

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所使用的土地利用類型數(shù)據(jù)是2005—2020年4期的土地利用/覆蓋數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于國家青藏高原數(shù)據(jù)共享中心平臺(http:∥data.tpdc.ac.cn)的黃河源區(qū)4個時期的30 m柵格土地利用覆蓋數(shù)據(jù),并通過重采樣工作統(tǒng)一成1 km分辨率數(shù)據(jù),再將土地利用類型重分類為草地、林地、水域、耕地、建設用地和未利用地6個一級土地利用類型,結(jié)合黃河源區(qū)各行政區(qū)的矢量邊界區(qū)劃圖,在ArcGIS 10.8軟件的支持下,得到黃河源區(qū)土地利用類型圖。

2 研究方法

2.1 黃河源區(qū)生態(tài)用地分類

參考譚永忠、衛(wèi)新東等人[31-32]的研究,將黃河源區(qū)分為3大生態(tài)用地類型:基礎性生態(tài)用地、敏感性生態(tài)用地、輔助性生態(tài)用地。具體分類詳見表2。

表2 黃河源區(qū)生態(tài)用地分類體系

2.2 研究方法

2.2.1 動態(tài)度模型 土地利用動態(tài)度(生態(tài)用地轉(zhuǎn)移速率),反映在研究時段內(nèi)土地利用不同類型數(shù)量的變化情況[33]。計算表達式為:

式中:Ku為動態(tài)度;ΔUin為研究期其他土地利用類型轉(zhuǎn)為當前生態(tài)用地類型的面積;ΔUout為研究期內(nèi)當前土地利用類型轉(zhuǎn)為其他土地利用類型的面積;Ua表示當前土地利用類型在研究期初始的面積;T為研究期。

2.2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣模型 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣模型可以反映研究期內(nèi)兩種地類之間的轉(zhuǎn)移數(shù)量和方向,是研究黃河源區(qū)土地利用變化的有效手段[34]。計算表達式為:

式中:Aij表示研究期i到j的土地利用類型;n表示不同土地利用類型的數(shù)量?；谕恋剞D(zhuǎn)移矩陣中的不同土地利用類型的保留率,可得到黃河源區(qū)不同土地利用類型在研究區(qū)的穩(wěn)定情況。

2.2.3 空間動態(tài)度及趨勢模型 選取空間動態(tài)度Kss來表示不同土地利用類型的空間穩(wěn)定性情況(劉紀遠,等)[35]。計算表達式為:

式中:Kss為不同土地利用類型的空間動態(tài)度;ΔUout,ΔUin,Ua的含義同動態(tài)度模型。

空間動態(tài)度趨勢模型為:

式中:Ps為不同土地利用類型的變化趨勢指數(shù);ΔUout,ΔUin,Ua的含義動態(tài)度模型。當0＜Ps≤1時,可得ΔUin＞ΔUout≥0,則表明該土地利用類型規(guī)模在擴張;當-1≤Ps＜0時,可得ΔUout＞ΔUin≥0,則表明該土地利用類型規(guī)模在縮小。

2.2.4 生態(tài)狀況指數(shù)模型 生態(tài)狀況指數(shù)模型是用研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務功能最好的3種土地利用類型(水體、林地、草地)的面積占研究區(qū)總面積的百分比表示,值越高表明區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能越優(yōu)(周書貴,等)[36]。生態(tài)狀況指數(shù)計算公式為:

式中:Z為生態(tài)狀況指數(shù);Ci為生態(tài)服務功能最好的3種土地利用類型其中一個的面積;A表示研究區(qū)域的總面積。Z值越接近1,表明該研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能越好。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)用地現(xiàn)狀分析

黃河源區(qū)從2005—2020年生態(tài)用地的空間分布和數(shù)量結(jié)構(gòu)變化呈現(xiàn)明顯的空間分異特征。從空間分布來看(圖2),黃河源區(qū)的基礎性生態(tài)用地面積最多、分布最廣,主要集中于黃河源區(qū)西部和北部的達日縣、瑪沁縣、甘德縣等地區(qū);敏感性生態(tài)用地分布較為分散,主要集中在黃河源區(qū)西部的曲麻萊縣和東部的瑪曲縣和若爾蓋縣等地區(qū);輔助性生態(tài)用地分布呈現(xiàn)聚集狀態(tài),主要分布在黃河源區(qū)北部的貴南縣和同德縣等地區(qū)。從黃河源區(qū)生態(tài)用地類型結(jié)構(gòu)變化來看,黃河源區(qū)主要是以草地、林地、水域為代表的基礎性生態(tài)用地為主導趨勢。從生態(tài)用地比例來看(圖2),全域的非生態(tài)用地4期變化呈現(xiàn)逐年增加趨勢,輔助性生態(tài)用地和基礎性生態(tài)用地4期數(shù)據(jù)呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢,敏感性生態(tài)用地在2020年呈現(xiàn)出明顯減少趨勢;敏感性生態(tài)用地在東部呈穩(wěn)定趨勢,但在北部、西部2020年比例明顯減少,2020年全域的敏感性生態(tài)用地減少主要集中在西部和北部的高海拔地區(qū)。從非生態(tài)用地每期增加的區(qū)域來看,4期數(shù)據(jù)中每期都有在逐漸增加,但2010—2020年兩個時段非生態(tài)用地比例增加趨勢從0.7%降為0.6%。

圖2 黃河源區(qū)2005—2020年生態(tài)用地空間分布

3.2 生態(tài)用地轉(zhuǎn)移變化分析

由土地變化軌跡(圖3)可知,2005—2020年黃河源區(qū)的土地利用類型總體變化主要是以從未利用地向草地和草地向林地的轉(zhuǎn)移為主。

圖3 黃河源區(qū)2005—2020年土地類型變化軌跡

分時段分析表明,在2005—2010研究時段轉(zhuǎn)出面積表現(xiàn)為:草地＞未利用地＞林地＞水域＞建設用地＞耕地,未利用地一共轉(zhuǎn)出1 271.03 km2,轉(zhuǎn)入面積最大的是草地一共轉(zhuǎn)入了1 743.66 km2;在2010—2015研究時段轉(zhuǎn)出面積表現(xiàn)為:草地＞未利用地＞林地＞水域＞耕地＞建設用地,未利用地一共轉(zhuǎn)出5 261.17 km2,草地一共轉(zhuǎn)入了8 213.14 km2,從兩期數(shù)據(jù)來看,大部分依舊為草地和未利用地的相互轉(zhuǎn)換,2010年后建筑用地開始增加;在2015—2020年這一時期的土地利用類型變化最明顯為:草地轉(zhuǎn)入林地增加、未利用地轉(zhuǎn)入草地增加、水域轉(zhuǎn)入草地少量增加,從轉(zhuǎn)出面積大小看出:未利用地＞草地＞林地＞水域＞耕地＞建設用地,轉(zhuǎn)出面積最大的是未利用地一共轉(zhuǎn)出11 621.41 km2,轉(zhuǎn)入面積最大的是草地一共轉(zhuǎn)入了16 356.97 km2,這一時期內(nèi)主要為未利用地向草地轉(zhuǎn)移,同時其余生態(tài)用地轉(zhuǎn)移的面積開始趨于增加?？傮w來說,2005—2020年研究區(qū)土地利用類型變化幅度在不斷提升,但在國家生態(tài)保護政策下,相較于前10 a,2015—2020年的林地、草地和水域面積大幅增加,但同時隨著社會的發(fā)展人類對耕地和建設用地的需求增長導致其比例有一定幅度的增加。

2005—2020年黃河源區(qū)生態(tài)用地一方面表現(xiàn)為向非生態(tài)用地的轉(zhuǎn)出,主要為草地、耕地等向建設用地的轉(zhuǎn)化;另一方面表現(xiàn)為生態(tài)用地內(nèi)部間的相互轉(zhuǎn)化,即有未利用地轉(zhuǎn)為林地、草地的敏感性生態(tài)用地轉(zhuǎn)基礎性生態(tài)用地;又有草地轉(zhuǎn)為耕地、未利用地的基礎性生態(tài)用地轉(zhuǎn)其他生態(tài)用地。2005—2020年黃河源區(qū)西部的敏感性生態(tài)用地變?yōu)槠渌鷳B(tài)用地為主;東部以基礎性生態(tài)用地變?yōu)槠渌鷳B(tài)用地為主;生態(tài)用地轉(zhuǎn)為非生態(tài)用地則聚集在北部地區(qū)。黃河源區(qū)整體的土地利用趨勢表明隨著國家生態(tài)政策的實施以及全球氣候變化導致生態(tài)用地在向優(yōu)發(fā)展(圖4)。

圖4 黃河源區(qū)2005—2020年生態(tài)用地轉(zhuǎn)移方向

3.3 生態(tài)用地空間變化趨勢分析

由圖5的生態(tài)用地變化趨勢來看,在2005—2010年黃河源區(qū)的林地、草地、未利用地緩慢減少,水域和耕地在大幅增加;在2010—2015年黃河源區(qū)的草地、未利用地、耕地在逐步減少,但草地、水域開始逐步增加,建設用地在大幅度增加;在2015—2020年黃河源區(qū)除未利用地在大幅下降外其余土地利用類型均為漲勢。在2010—2015年非生態(tài)用呈現(xiàn)快速增長趨勢,非生態(tài)用地變化趨勢指數(shù)達到56.84%,但在2015—2020年變化趨勢指數(shù)降低到30.97%(圖6)?？偟膩碚f,2005—2020年敏感性生態(tài)用地為下降趨勢,基礎性生態(tài)用地、輔助性用地和非生態(tài)用地均為上升趨勢。由圖5可知,2005—2020年黃河源區(qū)多種生態(tài)用地均存在不同程度的變化趨勢,總體上不同生態(tài)用地類型呈集中分布但分布區(qū)域較為分散的特征,黃河源區(qū)西部主要為基礎性生態(tài)用地擴張、敏感性生態(tài)用地萎縮的趨勢,以曲麻萊縣和瑪多縣等區(qū)域的基礎性生態(tài)用地擴張最為明顯;黃河源區(qū)東部主要呈現(xiàn)出基礎性生態(tài)用地萎縮、敏感性生態(tài)用地擴張的趨勢,以若爾蓋縣等區(qū)域的基礎性生態(tài)用地萎縮最為明顯;黃河源區(qū)北部主要呈現(xiàn)出輔助性生態(tài)用地擴張、基礎性生態(tài)用地萎縮的趨勢,以興?？h和同德縣等區(qū)域的基礎性生態(tài)用地擴張、貴南縣等區(qū)域的輔助性生態(tài)用地擴張為主。以上數(shù)據(jù)顯示,在黃河源區(qū)的西部和北部地區(qū)生態(tài)用地正在向基礎性生態(tài)用地變化,生態(tài)用地質(zhì)量在逐步提升,但在東部地區(qū)基礎性生態(tài)用地退化為敏感性生態(tài)用地,生態(tài)用地質(zhì)量在向下發(fā)展。

圖5 黃河源區(qū)2005—2020年生態(tài)用地變化趨勢

圖6 黃河源區(qū)2005—2020年生態(tài)用地變化趨勢指數(shù)

3.4 生態(tài)用地質(zhì)量變化分析

由圖7可知,在2005—2020年黃河源區(qū)生態(tài)質(zhì)量呈逐年上升趨勢,但上升幅度在2020年最大,其生態(tài)用地狀況指數(shù)為89.06%。分區(qū)域來看,黃河源區(qū)的西部區(qū)域生態(tài)質(zhì)量在2005—2015年呈現(xiàn)平穩(wěn),指數(shù)趨于85%,在2020年生態(tài)質(zhì)量大幅提升,指數(shù)達到92.64%;黃河源區(qū)的東部區(qū)域生態(tài)質(zhì)量在2005—2015年呈現(xiàn)平穩(wěn),指數(shù)趨于88%,但在2015—2020年生態(tài)質(zhì)量小幅度下降,其指數(shù)下降了1.94%;黃河源區(qū)北部區(qū)域生態(tài)質(zhì)量在2005—2015年呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢,指數(shù)趨于79%,在2015—2020年生態(tài)質(zhì)量大幅上升,其指數(shù)增長了5.35%。總的來說,黃河源區(qū)西部、北部生態(tài)質(zhì)量在逐漸變好,但黃河源區(qū)東部生態(tài)質(zhì)量則在小幅下降,由前文可分析得知西部生態(tài)質(zhì)量變好主要由敏感性生態(tài)用地轉(zhuǎn)為基礎性生態(tài)用地造成,而東部生態(tài)質(zhì)量變差則為敏感性生態(tài)用地增加造成,北部生態(tài)環(huán)境變好主要為北部沿河區(qū)域的敏感性生態(tài)用地轉(zhuǎn)為基礎性生態(tài)用地造成。

圖7 黃河源區(qū)2005—2020年生態(tài)用地狀況指數(shù)

4 討論與結(jié)論

4.1 結(jié)論

(1)黃河源區(qū)不同的生態(tài)用地類型數(shù)量及空間分布有明顯的差異性?；A性生態(tài)用地面積比例最大,呈廣泛分布,在源區(qū)東、西、北部地區(qū)比例最大;敏感性生態(tài)用地面積比例次于基礎性生態(tài)用地,集中在源區(qū)西部地區(qū),在東部地區(qū)也占據(jù)一定比例;輔助性生態(tài)用地和非生態(tài)用地面積比例最少,集中在源區(qū)北部地區(qū)。

(2)生態(tài)用地之間轉(zhuǎn)換呈明顯分異趨勢。黃河源區(qū)北部地區(qū)以基礎性、敏感性生態(tài)用地與輔助性生態(tài)用地、非生態(tài)用地之間的轉(zhuǎn)換為主;東、西部地區(qū)以基礎性生態(tài)用地與敏感性生態(tài)用地轉(zhuǎn)換為主。

(3)黃河源區(qū)2005—2020年生態(tài)狀況指數(shù)呈輕微波動式上升。2005—2015年生態(tài)狀況指數(shù)均在84.75%左右小幅增長,但在2020年為89.06%呈現(xiàn)大幅度增長,在16 a間源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能在西部呈上升趨勢,東部呈下降趨勢,北部在2015年后轉(zhuǎn)為明顯上升趨勢,總體來看黃河源區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務功能趨好。

4.2 討論

黃河源區(qū)作為黃河流域的源頭區(qū),具有高海拔和惡劣的環(huán)境條件(土壤母質(zhì)差,風、水、冰川融化侵蝕嚴重等問題),直接威脅著黃河上游的生態(tài)安全以及下游的水資源安全,防止黃河源區(qū)的生態(tài)功能退化是保衛(wèi)黃河流域向可持續(xù)發(fā)展的前提保障。

鑒于黃河源區(qū)3種生態(tài)用地的現(xiàn)狀及所存在問題,建議從以下3個方面改善黃河源區(qū)生態(tài)用地保護:

(1)黃河源區(qū)應堅持因地制宜,走符合各區(qū)的生態(tài)用地保護道路。源區(qū)西部地區(qū)應堅持生態(tài)用地保護為主,穩(wěn)定生態(tài)服務功能,將區(qū)域生態(tài)安全放在突出位置;東部地區(qū)應堅持在保護中提高生態(tài)功能,利用好自然地理優(yōu)勢,確保生態(tài)用地等級提升,人為輔助生態(tài)向好發(fā)展;北部地區(qū)應以土地的高效集約發(fā)展為主,協(xié)調(diào)好人地關(guān)系,并合理安排空間布局,合理規(guī)劃建設用地及耕地配置,找到人與自然和諧發(fā)展路線。

(2)黃河源區(qū)內(nèi)各縣區(qū)應加強生態(tài)保護方面的溝通,跨區(qū)域共同推進生態(tài)用地保護措施。在符合自然規(guī)律的前提下,規(guī)劃不同類型生態(tài)用地的空間格局,結(jié)合各縣區(qū)土地利用實際情況,差異化地制定符合不同區(qū)域的生態(tài)保護目標。

(3)應繼續(xù)并加強實施自然生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)功能和人工改善生態(tài)措施相結(jié)合的方法,推動黃河源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)平衡、良性發(fā)展。

本文存在一些不足有待今后完善:①在生態(tài)用地分類上,不同學者對不同地區(qū)有著不一樣的分類方法,本文的生態(tài)用地分類方法是結(jié)合已有研究基礎上進行分類,未來生態(tài)用地分類可以進行區(qū)域性專屬研究后再分類。②本文僅從宏觀層面上依據(jù)自然環(huán)境特征進行分區(qū)研究,對源區(qū)的分區(qū)劃分并不精細,在未來研究中應在源區(qū)縣尺度上結(jié)合GDP以及人口等人文因素后再開展研究;③本文沒有對黃河源區(qū)生態(tài)用地時空分布的驅(qū)動因素進行深入探索,未來應深入對生態(tài)系統(tǒng)功能變化的影響因子部分研究。