祁連山國家級自然保護區土地利用時空變化及與氣候因子關系研究

肖云飛， 陳文業*， 王斌杰， 談嫣蓉， 邴丹琿， 朱 麗, 劉鴻源

(1. 甘肅省林業科學研究院， 甘肅 蘭州 730020； 2. 甘肅敦煌西湖濕地生態系統國家定位觀測研究站， 甘肅 敦煌 736200)

土地利用/土地覆被是生態環境與景觀價值研究的基礎數據[1]。祁連山分布有豐富草地、森林、冰川雪地資源，是我國西北地區重要的生態屏障，對維護甘肅河西地區生態系統平衡具有決定性作用[2]。土地是生態系統服務基礎，土地利用類型、方式影響著區域生態環境的變化、生態系統的穩定。研究祁連山土地利用變化對祁連山植被生長、生物多樣性、生態系統保護及自然資源價值評估動態變化提供數據支持[3]。戴聲配等利用地球觀測系統(Systeme Probatoire d’Observation dela Terre，SPOT)數據對祁連山1999年至2007年植被變化進行分析發現祁連山1999—2007年間草地NDVI值呈現緩慢增加趨勢[4]。張禹舜基于中分辨率成像光譜儀(Moderate resolution imaging spectroradiometer，MODIS)遙感數據研究了近11年祁連山年際、年內、生長季及不同季節植被凈初級生產力(Net primary productivity，NPP)變化及其對氣候因子的響應[5]。宋偉宏利用MODIS遙感數據分析了祁連山保護區草地時空變化與氣候的響應[6]。饒品增等分析了三江源2000—2019年間NDVI值與氣象數據的關系，得到氣候變化促進NDVI的變化，不同區域氣候因子的影響不同的結論[7]。本文以祁連山自然保護區為例，統計了2000—2018年土地利用類型轉移矩陣、氣候因子響應，分析2000—2018年祁連山自然保護區生態系統演變特征，以期為祁連山生態系統研究、環境保護等提供決策依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

祁連山位于甘肅省與青海省交界處，為青藏高原東北部，地勢呈西北高東南低[8]。甘肅省祁連山國家級自然保護區位于祁連山北坡，地處東經97°25′～103°46′，北緯 36°43′～39°36′，海拔為1 596～5 573 m，海拔落差較大，其中大部分海拔在3 500～5 000 m之間[9-11]。祁連山西接肅北蒙古族自治縣，東至天祝藏族自治縣，涉及行政縣(區)有：肅南裕固族自治縣、天祝藏族自治縣、古浪縣、涼州區、永昌縣、山丹縣、民樂縣、甘州區等8縣(區)[12]。區域內為大陸性高寒半濕潤山地氣候，受氣候和地形的影響，區域內垂直地帶性明顯，隨著海拔的上升分別為荒漠草原、山地草原、山地森林、高山灌叢、高寒草甸、高寒稀疏草甸等[13-14](圖1)。

圖1 研究區位置及地形

1.2 數據源及方法

1.2.1數據源 (1)土地利用數據在地理國情監測云平臺(http://www.dsac.cn/)下載，該數據是基于陸地衛星(Landsat program，Landsat)遙感影像人工目視解譯得到的土地利用類型矢量數據，其中土地利用數據包括耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地在內的6個一級類和包括有林地、灌木林地、疏林地、其他林地和高、中、低覆蓋度草地等25個二級類型。

(2)數字高程模型(Digital elevation model，DEM)數據來源于地理空間數據。

(3)MODIS數據來源于美國勘探局網站(https://www.usgs.gov/)，2000—2018年間7—9月的(MODIS/Terra vegetation indices 16-Day L3 Global 250 m sIN Grid，MOD13Q1)影像數據，該影像數據空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d。利用MODIS Reprojection Tool(MRT)工具對該數據進行了投影變換、拼接、裁剪。

(4)氣象數據來源于中國氣象數據共享網站(http://www.nmic.cn/)，對數據進行空間插值分析。

1.2.2研究方法

(1)土地利用轉移矩陣法

土地利用轉移矩陣廣泛應用于土地利用變化研究中，是土地利用變化研究中比較經典的研究方法[15]。土地利用轉移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用變化的應用，不僅能夠很好的定量反映不同土地利用類型之間的轉化情況，還可以揭示不同土壤利用類型之間的轉移速率[16-17]。其表達式為：

(1)

其中，S表示土地利用面積；i表示初始期土地利用類型；j表示終止期土地利用類型；n表示土地利用類型數量。

(2)相關性分析

相關性分析指兩個或者兩個以上變量相關關系的一種統計方法。通過計算變量之間相關系數來反應變量之間相關程度[18]。相關系數計算公式如下：

(2)

相關系數的取值范圍為[-1,1]，絕對值越大，相關性越高，絕對值越小，相關性越低[19]。一般認為當0.8<|R|<1，具有高度的相關性；當0.5<|R|<0.8，具有顯著相關性；當0.3<|R|<0.5，具有中度相關性；當0<|R|<0.3，具有較弱相關性[6]。

(3)歸一化植被指數計算(NDVI)

歸一化植被指數(NDVI)是研究植被變化最常用的方法，它能很好的消除太陽角、地形、大氣輻射、儀器定標等因素的影響，從而增強了對植被變化的響應能力[20]。其計算公式如下：

(3)

式中，NIR為近紅外波段反射率，R為紅外波段反射率。NDVI的取值范圍為—1.0 ～1.0，一般認為生長季節NDVI達到0.1以上表示有植被覆蓋，0.1以下則表示地表無植被覆蓋，如裸土、沙漠、戈壁、水體、冰雪和云[21]。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用類型空間數量變化

根據不同年份土地利用類型面積統計可得(表1)，祁連山自然保護區內土地利用類型主要為草地、林地、未利用地。其中草地面積最大，占總面積的48%～49%，2005年草地面積占總面積的48.4%，與2005年相比，2010年草地面積增加了0.15%，高覆蓋草地、中覆蓋草地面積增加較大，分別增加了261.927 km2，153.313 km2，低覆蓋草地面積減少375.160 km2。2015年、2018年草地面積基本無變化；未利用地面積占總面積24%～25%。2000—2005年未利用地面積基本沒有變化，占總面積的25.2%，2010年比2005年減少了205.105 km2，面積減少的主要為裸土地與裸巖石質地，鹽堿地稍有增加，其他類型基本保持不變。2015年比2010年減少了11.913 km2，2018年面積與2015年相同。2000年區域內林地面積約占總面積的23%，主要以灌木林地為主，2000—2018年期間林地面積變化不大，二級分類中2000—2005年各種林地類型面積變化不大，2005—2010年各種林地類型面積變化較大，主要表現為有林地面積增加，灌木林、疏林地、其他林地面積都有所減少，但整體林地面積稍有增加。區域內耕地、水域、城鄉、工礦、居民用地面積較小，約占總面積的3.1%。區域內耕地基本為旱地。水域的二級分類中面積最大的是永久性冰川雪地，并且永久性冰川雪地在2005—2010年期間面積成倍增加；其次灘地面積較大，灘地面積在2005—2010年面積稍有減少；河渠、湖泊、水庫坑塘面積較小。城鄉、工礦、居民用地中主要以農村居民點位置為主，其次是其他建設用地，城鎮用地幾乎沒有。

表1 不同年份土地利用類型面積統計

2.2 不同土地利用類型空間分布

根據對2000—2018年祁連山自然保護區土地利用類型分析，區域內林地主要分布在祁連山中部、東部區域，零散分布于西部地區東北方向且面積較小；耕地面積較小，主要分布在祁連國家公園東部邊角上，分別在天祝藏族自治縣、古浪縣、肅南裕固族自治縣；城鄉、工礦、居民用地與耕地分布相同，零星的分布在耕地內；草地在整個區域內都有分布，中部、東部中高覆蓋草地較多，西部中、低覆蓋草地比較多，林地周圍分布的高覆蓋草地比較多；整個區域水域分布比較少，主要為高海拔區的永久性冰川雪地，分布在祁連山中西部地區；未利用地主要分布在祁連山保護區西部以及零散分布在中東部高海拔地域(圖2)。

圖2 2000—2018年土地利用類型

2.3 土地利用類型轉移矩陣變化分析

對2000—2018年土地利用類型數據做轉移矩陣分析，結果顯示2000—2005年、2010—2015年、2015—2018年轉移矩陣變化不大，變化較大的為2005—2010年(表2)。

表2 2000—2005年土地利用類型轉移面積統計

從2000—2005年土地利用類型變化情況看(圖3)，2000—2005年間耕地變化不大，只有少部分變化為草地類型，主要變化發生在區域的中部和東部小范圍，變化為草地類型的地區相對于其他耕地海拔稍高，坡度較陡；林地變化主要是林地變化為草地，其次為未利用地、耕地，相對變化面積比較大兩個板塊分布在中部區域，由林地轉變為草地；草地變化主要為草地變化為林地、耕地與未利用地，其中面積變化較大的主要分布在東部和中部區域，草地變化為林地區域都相對的比較零散；水域變化比較小，主要表現為永久性冰川雪地變為未利用地，分布在祁連山中部偏西的高海拔地區；城鄉、工礦、居民用地2000—2005年間基本無任何變化；未利用地整體變化較小，主要表現為未利用地變化為草地。

圖3 2000—2005年土地利用類型變化空間分布圖

2005—2010年期間祁連山土地利用類型變化較大(表3)。祁連山中部地區有耕地變化為草地，對比2000—2005年土地利用變化，發現祁連山中部地區2000—2005年從草地變化為耕地，2005—2010年又從耕地變為草地。林地變化面積較大的集中在祁連山中部地區以及中部臨近的碎斑塊區內，變化類型主要為林地變化為草地，有極少部分林地變化為未利用地。草地變化主要表現為草地變為未利用地、林地、耕地，草地變化為林地與林地變化為草地的面積相差不大，主要分布在中部與東部地區。草地變化為未利用地面積比較大，主要集中在祁連山西部地區；城鄉、工礦、居民用地的面積基本無變化，水域變化較小；未利用地變化類型主要表現為未利用地變化為草地、水域、林地，在高海拔地區未利用地變化為永久性冰川雪地，在西部地區未利用地變化為草地，在中部地區未利用地變化為林地(圖4)。

表3 2005—2010年土地利用類型轉移面積統計

圖4 2005—2010年土地利用類型變化空間分布圖

2010年之后祁連山土地利用類型變化較小，且變化主要集中在西部地區，未利用地的變化相對比較明顯(表4)。2010—2018年耕地、林地、城鄉、工礦、居民用地基本沒有變化；草地變化較小，主要表現為草地變化為未利用地，零散分布在祁連山西部地區；水域基本無變化，只有少數永久性冰川雪地變化為未利用地；未利用地變化主要為未利用地變化為永久性冰川雪地、草地(圖5)。

表4 2010—2018年土地利用類型轉移面積統計

圖5 2010—2018年土地利用類型變化空間分布圖

2.4 草地類型與氣溫、降水、相對濕度的相關性分析

對草地NDVI值與氣象因子做相關性分析(表5)，結果表明，氣溫與降水、相對濕度、NDVI值負相關，其中氣溫與降水有顯著的負相關性；氣溫與相對濕度具有中度負相關性，相對濕度受降水、氣溫、土壤等多種因素的影響；氣溫與草地NDVI值的相關性較小，無明顯相關性；相對濕度與降水具有明顯的相關性；相對濕度與NDVI值具有顯著的正相關性，降水與NDVI值具有顯著的正相關性。

表5 草地變化與氣象因子相關性分析

3 討論

本文對2000—2018年祁連山土地利用類型時空變化分析及氣象因子進行分析。研究區主要土地利用類型為草地和未利用土地，其次是林地、耕地、水域、城鄉工礦居民用地。未利用土地的流失主要源于向草地的轉變。水域中二階類別中永久性冰川雪地面積較大。與薛曉玉等研究祁連山1970—2015年間土地利用類型及土地利用類型轉化趨勢相同[22]。氣溫與草地NDVI值的相關性較小，無明顯相關性，說明年平均氣溫的變化無法很好的反應草地的變化；相對濕度與NDVI值具有顯著的正相關性，降水與NDVI值具有顯著的正相關性，說明草地受降水與相對濕度的影響較大，氣溫對草地的影響較小。與何國興等利用MODIS數據和氣象數據對甘肅省天然草原2000—2019年凈初級生產力進行動態監測，甘肅省草地NPP呈現增長趨勢，對降水的響應強于氣溫結果相符[23]。

4 結論

對祁連山自然保護區范圍內2000—2018年的土地利用類型進行分析表明：祁連山自然保護區內主要土地利用類型為草地、林地和未利用地；2000—2018年間祁連山植被覆蓋變高，主要表現：草地面積增加，未利用地的面積減少，如祁連山西部地區未利用地變為草地；草地覆蓋度增加，如低覆蓋草地向中、高覆蓋草地的轉變，這種變化主要發生在2005—2010年間。區域內草地的變化受氣象因子降水與相對濕地的影響較大。