長江源區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 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室, 江蘇 南京 210098; 2.河海大學全球變化與水循環國際合作聯合實驗室, 江蘇 南京 210098; 3.西藏自治區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”技術的發展對土地利用/覆蓋變化的監測起到巨大推動作用[1-3]。下墊面變化對氣候變化、陸地生態系統平衡、地球物理及化學循環過程等都有著重要影響[4-6]。分析LUCC有助于認識和探索土地系統動態變化規律及未來可能的變化趨勢[7-9]。LUCC越來越成為分析區域生態環境變化、水資源分布變化及人類活動影響的有力手段，李佳鳴等[10]以內蒙古為例研究了LUCC的生態服務價值，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，長江源區生態環境發生了許多變化，主要表現在：水土流失嚴重，水源涵養功能減弱，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]。長江源區是國家自然保護區而LUCC能反映區域自然環境變化，因此通過LUCC分析源區生態環境變化顯得十分必要和關鍵。

2 研究區域概況

長江源區位于青藏高原腹地，屬于高原亞寒帶半濕潤半干旱區。流域冬季長夏季短，絕大部分地區沒有絕對無霜期，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%。流域內植被類型較為簡單,主要以高寒草甸和草原為主，下游地區分布有少量面積的森林。由于長江源區地域遼闊，山地垂直植被結構呈現高程差異，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，西部山區垂直結構更為簡單，3000 m以上高山區為高寒草甸。長江源區地形、水系及氣象水文站分布如圖1所示。

圖1 長江源區地形、水系及氣象水文站分布圖

3 數據來源及處理

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

表1 Landsat5衛星數據波段表

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組合為標準假彩色合成，波段451組合，信息量最為豐富，TM影像的光波信息包含3～4維結構，相當于亮度、綠度、熱度和濕度數據的存儲。長江源區不同波段組合下Landsat TM影像效果圖如圖2所示。對長江源區地物解譯采用監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)，可以選擇適當的波譜組合來選擇地物標本。整個長江源區由于自然環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 長江源區不同波段組合下的TM影像圖

圖3 長江源區不同地物光譜空間分布圖

對1980、1990、2000、2010年土地利用數據按照統一標準進行分類，分類結果如圖4所示。從圖4中可以看出，長江源區土地利用狀況從1980年至2010年并未發生較大改變，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，尤其在源區北面楚瑪爾河和西南面當曲上游占比較多。水域主要是由兩部分構成，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，但由于長江源區惡劣的氣候環境森林面積較小，整體來說長江源區自然環境較為惡劣，經濟發展相對落后，耕地和建設用地較少，主要集中在下游自然條件相對溫和的地區。

4 研究方法

4.1 土地利用動態度

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

(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的單位設定為a，則LC表示區域內土地利用年動態度。

4.2 土地利用綜合程度指數

以土地利用綜合程度指數La為評價標準分析土地利用變化的生態健康狀況。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；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展時期，否則土地處于調整時期或衰退期，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

4.3 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是分析一段時期內LUCC的有利工具，其不僅能表現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生變化的面積，其他處表示某一土地利用類型轉為另一土地利用類型的面積。土地利用類型轉移矩陣的格式如下：

(4)

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

5 結果與分析

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 不同年份長江源區土地利用面積及占比 km2, %

圖4 長江源區土地利用/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，全時段內裸地面積增加了210.65 km2。

圖5 1980-2010年長江源區段各類土地利用變化面積

5.2 土地利用類型動態度

表4為1980-2010年長江源區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，單一動態度為-1.52%/a，其次是裸地，單一動態度為0.29%/a，草地單一動態度為0.02%/a。1990-2000年間建筑用地單一動態度最大，達到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就小，使得相對變化反而較大，其次是耕地，單一動態度達到了11.96%/a。裸地面積也有增加，其單一動態度為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，單一動態度為6.45%/a。裸地面積有所減少，單一動態度為-0.15%/a。全時段內相對而言建筑用地和耕地面積變化最快，單一動態度最大分別為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，其單一動態度分別為-2.97%/a和-1.92%/a。從綜合動態度數值大小上看，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1980、1990、2000、2010年土地利用綜合程度指數如圖6所示。

圖6 長江源區土地利用綜合程度指數

年份統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單一動態度(%/a)000.02-1.5200.29綜合動態度(%/a)0.009變化量/km210.63-13.53-28.02-135.283.87162.341990-2000單一動態度(%/a)11.96-1.92-0.03-1.7414.810.46綜合動態度(%)0.013變化量/km20028.9921.261.93-52.182000-2010單一動態度(%/a)000.030.286.45-0.15綜合動態度(%/a)0.004變化量/km210.63-13.5320.29-233.845.80210.651980-2010(全時段)單一動態度(%/a)11.96-1.920.02-2.9722.220.60綜合動態度(%/a)0.018

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

表5為源區1980、1990、2000、2010年平均土地利用綜合程度指數，1980年土地利用程度綜合指數最高，為174.56，2000年土地利用程度綜合指數最低，為174.36。1980-1990年ΔLa<0，此時水域面積在減少，裸地面積在增加，反映源區自然環境朝著惡化方向發展。1990-2000年土地利用程度綜合指數也在減少，此時林地、草地和水域面積均在減少裸地面積在增加，反映源區自然環境繼續朝著惡化方向發展。2000-2010年土地利用程度綜合指數有少量增加，此時草地和水域面積有所增加，裸地面積在減少，反映源區自然環境朝著恢復方向發展。全時段內土地利用程度綜合指數在減少，反映出2010年源區自然環境相比于1980年而言環境變差。而2000-2010年源區自然環境的改善很大程度是由于三江源自然保護區的設立，加大了對源區自然環境保護力度的結果。

表5 1980-2010年全區平均土地利用程度綜合指數

5.4 土地利用轉移變化

表6～9為研究時期內的土地利用轉移矩陣。

1980-1990年間耕地、林地、草地和建筑用地沒有發生轉移，而有124.65 km2的水域轉換為草地和裸地，有15.46 km2的裸地轉換為草地和水域。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年間草地轉出面積最大，達218.39 km2，其次是水域，轉出面積達177.8 km2。轉入類型面積最大的是裸地，面積達258 km2，主要是由草地和水域轉入的，其次轉入草地的面積也較大，達190.36 km2，主要是由水域和裸地轉入的?？偭鬓D面積達509.25 km2，是3個時段中土地利用變化最劇烈的時期。

2000-2010年間土地流轉情況較弱，只有草地和裸地發生了流轉，流入草地的面積最多，達44.45 km2，其次是水域，轉入面積有21.26 km2。該時期首次出現轉入裸地面積小于轉出裸地面積，且裸地大多轉為草地，表明該時期長江源區植被有所恢復，生態環境有所改善。

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

表6 1980-1990年長江源區土地利用轉移矩陣 km2

表7 1990-2000年長江源區土地利用轉移矩陣 km2

表8 2000-2010年長江源區土地利用轉移矩陣 km2

表9 1980-2010年長江源區土地利用轉移矩陣 km2

6 結 論

本文通過對長江源區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帶來的環境影響。主要結論如下：

(1)長江源區土地利用/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面積最小，且該地類型主要集中在河谷下游氣候環境相對優越的地方。

(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年間土地流轉程度最大。源區下游人類聚集區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展，而2000-2010年土地利用朝著恢復方向發展，這與2000年開始建立三江源自然保護區，源區自然環境受到保護有很大關系。

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