1980-2015年雅魯藏布江流域土地利用時空演變格局分析

張 瑞，徐宗學，劉曉婉，劉江濤，白君瑞

(1.北京師范大學水科學研究院，北京100875；2.城市水循環與海綿城市技術北京市重點實驗室，北京100875)

隨著社會經濟的發展，環境保護和可持續發展問題已成為當今發展中國家面臨的一個突出問題。隨著全球變化研究的深入，人們也逐漸了解到土地利用/覆被變化(簡稱LUCC)既是全球變化的結果，也是引起全球變化的重要因素。LUCC當前已成為全球環境變化研究的熱點及前沿問題[1]。

土地作為人類活動的載體，在整個生態系統中具有重要作用。不同的土地利用方式在很大程度上決定了施加于環境的壓力。人類對土地利用方式的轉變已經深刻地改變了地球表面植被覆被情況[2,3]。LUCC逐漸影響著區域環境變化并以逐步累積的方式影響著全球的環境變化[2,4]。因此，對區域LUCC進行研究，尤其是對一些“關鍵地區”、“脆弱地區”的研究，逐漸成為焦點問題[2]，并成為了新興領域——土地變化科學的研究熱點[5-8]。

隨著中國工業化、城鎮化進程的加快，以及西部大開發戰略的實施，我國對土地利用方式的結構進行了調整。很多學者已對沿海地區[9]、邊緣地區[4]等生態脆弱地區[10]LUCC的幅度、速率、驅動因子、機制以及空間結構等進行了大量研究，但對西藏地區的土地利用情況研究還相對較少。

青藏高原是對全球氣候變化十分敏感的區域，也是揭示全球變化機制的必要研究領域[11,12]。許多觀測結果表明[13,14]，青藏高原近年來有變暖的趨勢。自20世紀50年代以來，青藏高原增溫比北半球同一緯度都要高。尤其是20世紀80年代以后，隨著植被覆被降低，耕地、土壤荒漠化增加，青藏高原對全球變暖趨勢更加敏感。楊元合等[15]研究了青藏高原的氣候和非氣候因子對草地變化的貢獻，發現同一時期非氣候驅動因子對草地變化的影響比氣候因子更加強烈。蔣蕓蕓等[16]對尼洋河流域土地利用變化研究發現，1978-2001年裸地、林地減少，耕地增加，人口增長帶來的消費需求、經濟發展和政策因素等人文驅動力決定著尼洋河流域的土地利用變化趨勢。除多[17]等利用四個時期的遙感圖像分析了拉薩地區土地利用時空變化，發現土地利用的變化主要發生在城鎮和與人類活動直接相關的拉薩河附近。崔雪峰[18]等利用一般大氣環流模式(ECHAM5)研究了土地利用變化對氣候的影響，發現人為因素引起的土地利用變化對當地、區域以及全球氣候有一定的影響。

雅魯藏布江流域位于青藏高原東南部，是我國重要的江河之一，流域的上游到下游地形變化很大。研究該流域土地利用變化不僅對青藏高原環境變化十分重要，對該流域范圍內土地利用管理、生態環境安全也有重要意義。Li等[19]已經分析了雅魯藏布江流域1980-2005年的土地利用變化，在此基礎上，本研究基于四期土地利用數據，分析了1980-2015年雅魯藏布江流域土地利用空間格局的變化，為流域生態環境保護與土地資源合理利用提供決策支持與科學支撐。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況和數據來源

雅魯藏布江流域位于27°80′～31°02′N，81°09′～97°10′E(圖1)，發源于青藏高原東南部、喜馬拉雅山脈北麓的杰瑪央宗冰川，源頭海拔約5 590 m。雅魯藏布江流域地處岡底斯-念青唐古拉山脈與喜馬拉雅山脈之間，地域遼闊、地形復雜、各地海拔差異較大。流域面積為240 480 km2，流經2 057 km后注入印度洋[20,21]，流域多年平均年徑流量達1.66×1011m3，在我國各大河流中居于第三位，是我國水資源方面重要的江河之一。受青藏高原地理位置和地形因素影響，流域從上游到下游降水量變化明顯。上游年平均降水量小于300 mm，中游年平均降水量為300～600 mm，下游年平均降水量約2 000 mm。流域土壤主要以高山土類為主體，涵蓋了流域面積的70.58%，土壤類型一般呈垂直狀分布。上游地區以寒鈣土、草氈土為主；中游地區主要是草氈土、寒凍土、寒鈣土等；下游則多草氈土、黑氈土、暗棕壤等。

本研究所用雅魯藏布江流域1980-2015年土地利用數據及1∶25萬的DEM數據集來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)。有1980年、1995年、2005年、2015年四個典型時期的數據。根據土地利用情況，分為耕地、林地、草地、水體、未利用地、城鄉建設用地、永久性冰川雪地等七類，用于數據分析的網格大小為1 km×1 km。空間數據處理完成后，利用Arcgis地圖代數與統計功能及Origin9.1進行分析，借助ArcMap水文分析模塊生成雅魯藏布江流域水系(圖1)，與實際情況吻合較好。

圖1 雅魯藏布江流域地理位置圖Fig.1 The location of Yarlung Tsangpo River(YTR) basin

1.2 研究方法

LUCC包括時間、空間和質量變化。土地覆蓋主要表達的是土地表層以植被為主要覆蓋物的自然類型和狀態，而土地利用則是人類對土地的利用方式和使用狀況，前者在空間變化上呈漸變狀態而在時間變化上表現為季節間變化明顯，后者在空間變化上呈邊界清晰的類型變化狀態，時間變化上完全依賴人類對土地的利用方式轉變的速率，與季節相關性不大。本文基于GIS的疊加分析、統計分析和量算分析等，研究了雅魯藏布江流域LUCC的數量、類型和空間變化。通過面積、結構、單一土地利用類型動態度指數(K)分析了雅魯藏布江流域LUCC的結構類型變化，采用反映土地利用程度和土地利用變化強度的綜合土地利用動態度(LC)分析了雅魯藏布江流域LUCC的整體結構變化。K指數可以直觀地反映類型變化的幅度與速度，也可通過類型間的比較反映變化的類型差異，從而探測其背后的驅動或約束因素。LC可以反映區域土地利用變化的劇烈程度，便于在不同空間尺度上找出土地利用變化的熱點區域。以每兩期間的土地利用類型為基本數據，以雅魯藏布江流域矢量邊界對整個流域土地利用類型進行裁剪，基于GIS的空間疊加分析功能探究了雅魯藏布江流域LUCC空間變化規律。計算K與LC的值采用王秀蘭和包玉海學者所提出的公式[22]：

(1)

式中：K為研究時段內某一地類動態度；Ua、Ub為研究期初、末某一地類的數量；T為研究時段長，當T的時段設定為年時，K的值就是該研究區某種土地利用類型年變化率。

(2)

式中：LUi為研究期初i類地類面積；ΔLUi-j為研究期內i類地類轉移為j類地類面積的絕對值；T為研究時段長，當用年表示模型結果時為區域研究時段內土地利用年綜合變化率。

轉移矩陣是國內外通用的一種能夠反映土地利用類型間變化方向的工具，能全面而又具體地刻畫區域土地利用變化的結構特征與各用地類型變化的方向，該方法來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述，為國內外所常用[22,23]，其數學公式為：

(3)

2 結果與分析

2.1 土地利用變化

2.1.1 不同土地利用類型面積的變化

雅魯藏布江流域最主要的土地利用類型是草地、林地和未利用地，這三種土地利用類型共占雅魯藏布江流域土地利用類型總面積的94%左右(圖2，圖3)。其中草地占地面積最多，約60%，未利用地次之，第三位為林地。城鄉建設用地占地面積最少，1980年時為0.04%，到2015年時為0.08%。1980-2015年雅魯藏布江的主要土地類型無明顯變化。草地主要分布在雅魯藏布江流域的中上游集水區，林地主要分布在雅魯藏布江流域的下游地區，未利用地主要分布在雅魯藏布江流域的高海拔地區，城鄉建設用地和耕地主要分布在雅魯藏布江流域的低地山谷區。

由圖2知，1980-1995年草地、耕地、水體以及永久性冰川雪地面積占比呈下降趨勢，林地、未利用地面積占比呈增加趨勢；1995-2005年林地、永久性冰川雪地、未利用地、城鄉建設用地面積占比呈減少趨勢，草地、耕地、水體面積占比呈增加趨勢；2005-2015年耕地、林地、草地面積占比呈減少趨勢，水體、永久性冰川雪地、城鄉建設用地、未利用地面積占比呈增加趨勢。總體來看，1980-2015年，耕地、草地、水體、永久性冰川雪地面積占比呈減少趨勢，而林地、城鄉建設用地、未利用地面積占比呈增加趨勢。

圖2 1980-2015年研究區各土地利用類型面積占比Fig.2 The proportion of land use types from 1980 to 2015

圖3 雅魯藏布江流域1980-2015年土地利用類型圖Fig.3 Land use types of the YTR basin from 1980 to 2015

2.1.2 土地利用/覆被轉移

表1和表2為1980-2015年雅魯藏布江流域土地利用轉移矩陣和土地利用動態度。由表可知，1980-2015年雅魯藏布江流域最主要的土地利用變化是林地、未利用地和城鄉建設用地增加，永久性冰川雪地、耕地、水體減少。相對于1980年，林地、未利用地和城鄉建設用地三種土地利用類型分別增長了0.33%、5.33%、101.03%，永久性冰川雪地、耕地、水體三種土地利用類型分別下降了23.39%、1.66%、1.14%，草地無顯著變化。

根據綜合土地利用動態度指標(表2)，變化速度由快到慢依次為城鄉建設用地44.97%、耕地9.37%、未利用地5.57%、水體1.99%、永久性冰川雪地1.04%、草地0.05%，林地無顯著變化。

2.1.3 土地利用/覆被類型隨海拔高度的變化

由雅魯藏布江流域1980-2015年不同海拔高度土地利用類型分布可知(表3)，當海拔為0～3 499 m，耕地減少了14 km2，林地減少了19 km2，草地減少了17 km2，水體增加了16 km2，永久性冰川雪地無變化，城鄉建設用地增加了16 km2，未利用地增加了8 km2；當海拔為3 500～4 500 m，耕地減少了42 km2，林地增加了121 km2，草地減少了126 km2，水體減少了13 km2，永久性冰川雪地減少了6 km2，城鄉建設用地增加了70 km2，未利用地減少了4 km2；當海拔高于4 500 m，耕地無變化，林地增加了17 km2，草地增加了83 km2，水體減少了30 km2，永久性冰川雪地減少了2 175 km2，城鄉建設用地增加了2 km2，未利用地增加了2 103 km2。

表1 雅魯藏布江流域1980-2015土地利用轉移矩陣 km2

表2 雅魯藏布江流域1980-2015年土地利用動態度Tab.2 The Land Use Dynamic Index of the YTR basin from 1980 to 2015

表3 雅魯藏布江流域不同海拔高度的土地利用類型分布Tab.3 The different land use types distribution at various elevations in the YTR basin

以上結果表明，土地利用類型的動態變化在不同海拔高度表現不同。該地區地形起伏相對較大，高海拔山區局地地形因素通過影響局地輻射平衡而影響局地氣溫，“雪/冰-反照率”正反饋作用過程對高海拔地區升溫具有放大效應，冰雪消融使得地表反照率減小，吸收的太陽輻射增加，升溫加劇，致使地表冰雪進一步消融[24]。在高海拔地區永久性冰川雪地減少較多，未利用地增加較多。隨著經濟的發展以及人口數量的增加，城鄉建設用地增加速率較其他土地利用類型快，且主要分布在海拔低于4 500 m的地區。高海拔地區地形復雜，氣候復雜多變，居住人口較少，城鄉建設用地變化較少。

圖4 1980-2015年不同土地利用類型在各海拔高度范圍內面積增加量Fig.4 The increase area of different land use types in each altitude range from 1980 to 2015

2.2 驅動力分析

土地利用變化是一個非常復雜的過程,驅動因素可以概括為自然生態系統和社會經濟系統兩個方面。從作用的方式和強度來看,自然環境條件起主導作用，在較大的時空尺度上作用于LUCC；與人類活動相關的經濟、社會、土地管理等方面的因素起著決定性的作用，在較小的時空尺度上作用明顯。從本文研究的時空尺度來看，自然生態系統驅動力影響較大。

氣候和水文要素是自然生態系統中LUCC的主要驅動力因子，而人口變化、居民生活方式轉變、經濟技術的發展、政治和經濟模式的轉變是LUCC的主要社會經濟系統驅動力因子。1980-2015年，雅魯藏布江流域只有2.02%的土地利用發生了變化。因此，這一地區仍是由氣候和水文形成的自然流域。由此可知，在海拔4 500 m以上的永久性冰川雪地減少，以及在3 500 m以上水體減少，與全球氣候變化有關。此外，這一結果與前人的研究結果也較為一致：由于目前氣候較暖，未來雅魯藏布江流域地表水平衡由于受到冰川消退、凍土退化以及融雪的影響而發生變化[21]。

人類活動對建設用地和耕地面積的變化影響顯著。根據中國2000、2010年人口普查資料可知，雅魯藏布江流域內的33個縣市總人口由2000年的161.15萬人增加到了2010年的182.91 萬人，而非農業人口數量由2000年的25.86萬人增加到了2010年的33.94萬人，非農業人口數量占總人口數量的比例由2000年的16.01%增加到了2010年的18.56%。隨著人口數量的增加，流域內的土地利用方式也發生了轉變，突出的表現是流域內的耕地減少和城鄉建設用地的增加。相對于1980年，2015年城鄉建設用地增加了101.03%，在整個雅魯藏布江流域以及平均海拔高度都呈增加趨勢。耕地轉變成建設用地、林地。由于近年來牧民定居政策的實施，牧民的生產方式也逐步由游牧轉變為農牧兼營模式，這種生產模式由于在初期沒有較為科學、合理的指導策略，導致草地被大肆開挖、開拓成了農耕地，致使草地也發生退化[25]。這些特征的變化反映了雅魯藏布江流域人類活動強度增加，與前人的研究結果較一致[26]。

社會經濟的發展和國家政策的引導是產業結構發生轉變的原因，產業結構轉變導致居民就業崗位的改變和土地利用方式的變化。根據西藏統計年鑒，1980-2015年人均農業總產值、人均工業總產值、地區人均生產總值均顯著上升(圖5)。人均農業總產值由1980年的289 元增加到2015年的3 847 元，人均工業總產值由1980年的81 元上升到2015年的3 443 元。人均農業總產值與人均工業總產值的比值由1980年的3.57下降到2015年的1.12。產業結構的調整，也是土地利用方式轉變的重要原因。

圖5 1980-2015年雅魯藏布江流域人均主要經濟指標Fig.5 The main economic indicators of the YTR basin from 1980 to 2015

受西部開發“生態退耕”政策的影響，該地區耕地減少林地增加，說明國家的政策對該地區土地覆被的改善有著積極的影響。

3 討 論

LUCC是全球變化研究中的焦點之一，分析研究區LUCC時空格局變化及其驅動力將為合理利用該研究區土地資源、環境保護和政策制定者提供重要的依據。

在Arcgis等軟件的支持下，利用雅魯藏布江流域1980年、1995年、2005年和2015年的土地利用數據，對雅魯藏布江流域近35年的土地利用/覆被時空變化特征進行了分析，其結果表明：1980-2015年雅魯藏布江流域土地利用/覆被發生了較大變化。從整個流域范圍來看，變化率由大到小依次為城鄉建設用地、永久性冰川雪地、未利用地、耕地、水體、林地、草地，變化的主要地類是永久性冰川雪地與未利用地。

轉移矩陣詳盡地闡釋了雅魯藏布江流域1980-2015年地類面積變化凈值的來源以及構成，也同樣清晰的印證了K指數與LC指數的規律和特征。此外，本文基于LUCC時空演變格局特征分析了雅魯藏布江流域1980-2015年LUCC驅動力，國家政策、經濟的快速發展和人口的增長等主要驅動力作用的方式不同，使得LUCC在時空尺度上有較大差異。

從時空尺度來看，自然生態系統是該流域的主要驅動力因素。地形、地質、地貌、氣候等自然環境因素從宏觀上影響著土地利用變化的方向和強度等。

本文研究了雅魯藏布江流域土地利用時空演變的格局，并且對變化的驅動力進行了簡單的定性分析，對于不同區域的土地利用/覆被分類及其時空變化分析具有一定的借鑒意義和參考價值。考慮到雅魯藏布江流域土地利用和地理位置的特殊性，未來有必要采用多時空尺度的遙感影像以及多種分類相結合的方法來進一步提高分類精度和效率，并進一步加強對土地利用/覆被變化驅動因素的定量分析以及環境效益的評價，進而可以在促進當地經濟快速發展的同時兼顧土地利用與生態環境的可持續發展。

4 結 論

本研究結合空間信息，從土地利用/覆被變化速度、轉移方向等方面系統分析了雅魯藏布江流域土地利用時空演變格局的變化，得到如下結論：

(1)草地、林地和未利用地是雅魯藏布江流域最主要的土地利用類型，三者之和占雅魯藏布江流域土地利用類型總面積的94%左右，構成了雅魯藏布江流域土地利用結構的基本格局。1980-2015年，雅魯藏布江流域林地、未利用地、城鄉建設用地面積均有所增加，永久性冰川雪地、耕地、水體面積均有所減少。

(2)1980-2015年，雅魯藏布江流域土地利用類型面積變化率從高到低依次為城鄉建設用地>永久性冰川雪地>未利用地>耕地>水體>林地>草地。

(3)1980-2015年雅魯藏布江流域LUCC增加了2.02%，空間格局的變化具有明顯的區域特征，與地質地貌以及社會經濟的發展密切相關。

(4)1980-2015年，雅魯藏布江流域的耕地面積減少，林地面積和城鄉建設用地面積增加，總人口數量以及非農業人口數量占比增加，反映了人類活動對雅魯藏布江流域土地利用變化的影響力度逐漸增大，該研究區的城鎮化也在加速。

(5)受自然因素驅動，雅魯藏布江流域土地利用/覆被類型空間格局的變化具有明顯的區域特征，不同海拔高度分布的土地利用/覆被類型有很大差異，且未利用地面積增加以及永久性冰川雪地面積減少主要分布在海拔高于4 500 m的區域。

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