1980-2015年雅鲁藏布江流域土地利用时空演变格局分析

2019-03-21徐宗学刘晓婉刘江涛白君瑞

中国农村水利水电 2019年3期

张瑞，徐宗学，刘晓婉，刘江涛，白君瑞

(1.北京师范大学水科学研究院，北京100875；2.城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，北京100875)

随着社会经济的发展，环境保护和可持续发展问题已成为当今发展中国家面临的一个突出问题。随着全球变化研究的深入，人们也逐渐了解到土地利用/覆被变化(简称LUCC)既是全球变化的结果，也是引起全球变化的重要因素。LUCC当前已成为全球环境变化研究的热点及前沿问题[1]。

土地作为人类活动的载体，在整个生态系统中具有重要作用。不同的土地利用方式在很大程度上决定了施加于环境的压力。人类对土地利用方式的转变已经深刻地改变了地球表面植被覆被情况[2,3]。LUCC逐渐影响着区域环境变化并以逐步累积的方式影响着全球的环境变化[2,4]。因此，对区域LUCC进行研究，尤其是对一些“关键地区”、“脆弱地区”的研究，逐渐成为焦点问题[2]，并成为了新兴领域——土地变化科学的研究热点[5-8]。

随着中国工业化、城镇化进程的加快，以及西部大开发战略的实施，我国对土地利用方式的结构进行了调整。很多学者已对沿海地区[9]、边缘地区[4]等生态脆弱地区[10]LUCC的幅度、速率、驱动因子、机制以及空间结构等进行了大量研究，但对西藏地区的土地利用情况研究还相对较少。

青藏高原是对全球气候变化十分敏感的区域，也是揭示全球变化机制的必要研究领域[11,12]。许多观测结果表明[13,14]，青藏高原近年来有变暖的趋势。自20世纪50年代以来，青藏高原增温比北半球同一纬度都要高。尤其是20世纪80年代以后，随着植被覆被降低，耕地、土壤荒漠化增加，青藏高原对全球变暖趋势更加敏感。杨元合等[15]研究了青藏高原的气候和非气候因子对草地变化的贡献，发现同一时期非气候驱动因子对草地变化的影响比气候因子更加强烈。蒋芸芸等[16]对尼洋河流域土地利用变化研究发现，1978-2001年裸地、林地减少，耕地增加，人口增长带来的消费需求、经济发展和政策因素等人文驱动力决定着尼洋河流域的土地利用变化趋势。除多[17]等利用四个时期的遥感图像分析了拉萨地区土地利用时空变化，发现土地利用的变化主要发生在城镇和与人类活动直接相关的拉萨河附近。崔雪峰[18]等利用一般大气环流模式(ECHAM5)研究了土地利用变化对气候的影响，发现人为因素引起的土地利用变化对当地、区域以及全球气候有一定的影响。

雅鲁藏布江流域位于青藏高原东南部，是我国重要的江河之一，流域的上游到下游地形变化很大。研究该流域土地利用变化不仅对青藏高原环境变化十分重要，对该流域范围内土地利用管理、生态环境安全也有重要意义。Li等[19]已经分析了雅鲁藏布江流域1980-2005年的土地利用变化，在此基础上，本研究基于四期土地利用数据，分析了1980-2015年雅鲁藏布江流域土地利用空间格局的变化，为流域生态环境保护与土地资源合理利用提供决策支持与科学支撑。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况和数据来源

雅鲁藏布江流域位于27°80′～31°02′N，81°09′～97°10′E(图1)，发源于青藏高原东南部、喜马拉雅山脉北麓的杰玛央宗冰川，源头海拔约5 590 m。雅鲁藏布江流域地处冈底斯-念青唐古拉山脉与喜马拉雅山脉之间，地域辽阔、地形复杂、各地海拔差异较大。流域面积为240 480 km2，流经2 057 km后注入印度洋[20,21]，流域多年平均年径流量达1.66×1011m3，在我国各大河流中居于第三位，是我国水资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响，流域从上游到下游降水量变化明显。上游年平均降水量小于300 mm，中游年平均降水量为300～600 mm，下游年平均降水量约2 000 mm。流域土壤主要以高山土类为主体，涵盖了流域面积的70.58%，土壤类型一般呈垂直状分布。上游地区以寒钙土、草毡土为主；中游地区主要是草毡土、寒冻土、寒钙土等；下游则多草毡土、黑毡土、暗棕壤等。

本研究所用雅鲁藏布江流域1980-2015年土地利用数据及1∶25万的DEM数据集来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)。有1980年、1995年、2005年、2015年四个典型时期的数据。根据土地利用情况，分为耕地、林地、草地、水体、未利用地、城乡建设用地、永久性冰川雪地等七类，用于数据分析的网格大小为1 km×1 km。空间数据处理完成后，利用Arcgis地图代数与统计功能及Origin9.1进行分析，借助ArcMap水文分析模块生成雅鲁藏布江流域水系(图1)，与实际情况吻合较好。

图1 雅鲁藏布江流域地理位置图Fig.1 The location of Yarlung Tsangpo River(YTR) basin

1.2 研究方法

LUCC包括时间、空间和质量变化。土地覆盖主要表达的是土地表层以植被为主要覆盖物的自然类型和状态，而土地利用则是人类对土地的利用方式和使用状况，前者在空间变化上呈渐变状态而在时间变化上表现为季节间变化明显，后者在空间变化上呈边界清晰的类型变化状态，时间变化上完全依赖人类对土地的利用方式转变的速率，与季节相关性不大。本文基于GIS的叠加分析、统计分析和量算分析等，研究了雅鲁藏布江流域LUCC的数量、类型和空间变化。通过面积、结构、单一土地利用类型动态度指数(K)分析了雅鲁藏布江流域LUCC的结构类型变化，采用反映土地利用程度和土地利用变化强度的综合土地利用动态度(LC)分析了雅鲁藏布江流域LUCC的整体结构变化。K指数可以直观地反映类型变化的幅度与速度，也可通过类型间的比较反映变化的类型差异，从而探测其背后的驱动或约束因素。LC可以反映区域土地利用变化的剧烈程度，便于在不同空间尺度上找出土地利用变化的热点区域。以每两期间的土地利用类型为基本数据，以雅鲁藏布江流域矢量边界对整个流域土地利用类型进行裁剪，基于GIS的空间叠加分析功能探究了雅鲁藏布江流域LUCC空间变化规律。计算K与LC的值采用王秀兰和包玉海学者所提出的公式[22]：

(1)

式中：K为研究时段内某一地类动态度；Ua、Ub为研究期初、末某一地类的数量；T为研究时段长，当T的时段设定为年时，K的值就是该研究区某种土地利用类型年变化率。

(2)

式中：LUi为研究期初i类地类面积；ΔLUi-j为研究期内i类地类转移为j类地类面积的绝对值；T为研究时段长，当用年表示模型结果时为区域研究时段内土地利用年综合变化率。

转移矩阵是国内外通用的一种能够反映土地利用类型间变化方向的工具，能全面而又具体地刻画区域土地利用变化的结构特征与各用地类型变化的方向，该方法来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述，为国内外所常用[22,23]，其数学公式为：

(3)

2 结果与分析

2.1 土地利用变化

2.1.1 不同土地利用类型面积的变化

雅鲁藏布江流域最主要的土地利用类型是草地、林地和未利用地，这三种土地利用类型共占雅鲁藏布江流域土地利用类型总面积的94%左右(图2，图3)。其中草地占地面积最多，约60%，未利用地次之，第三位为林地。城乡建设用地占地面积最少，1980年时为0.04%，到2015年时为0.08%。1980-2015年雅鲁藏布江的主要土地类型无明显变化。草地主要分布在雅鲁藏布江流域的中上游集水区，林地主要分布在雅鲁藏布江流域的下游地区，未利用地主要分布在雅鲁藏布江流域的高海拔地区，城乡建设用地和耕地主要分布在雅鲁藏布江流域的低地山谷区。

由图2知，1980-1995年草地、耕地、水体以及永久性冰川雪地面积占比呈下降趋势，林地、未利用地面积占比呈增加趋势；1995-2005年林地、永久性冰川雪地、未利用地、城乡建设用地面积占比呈减少趋势，草地、耕地、水体面积占比呈增加趋势；2005-2015年耕地、林地、草地面积占比呈减少趋势，水体、永久性冰川雪地、城乡建设用地、未利用地面积占比呈增加趋势。总体来看，1980-2015年，耕地、草地、水体、永久性冰川雪地面积占比呈减少趋势，而林地、城乡建设用地、未利用地面积占比呈增加趋势。

图2 1980-2015年研究区各土地利用类型面积占比Fig.2 The proportion of land use types from 1980 to 2015

图3 雅鲁藏布江流域1980-2015年土地利用类型图Fig.3 Land use types of the YTR basin from 1980 to 2015

2.1.2 土地利用/覆被转移

表1和表2为1980-2015年雅鲁藏布江流域土地利用转移矩阵和土地利用动态度。由表可知，1980-2015年雅鲁藏布江流域最主要的土地利用变化是林地、未利用地和城乡建设用地增加，永久性冰川雪地、耕地、水体减少。相对于1980年，林地、未利用地和城乡建设用地三种土地利用类型分别增长了0.33%、5.33%、101.03%，永久性冰川雪地、耕地、水体三种土地利用类型分别下降了23.39%、1.66%、1.14%，草地无显著变化。

根据综合土地利用动态度指标(表2)，变化速度由快到慢依次为城乡建设用地44.97%、耕地9.37%、未利用地5.57%、水体1.99%、永久性冰川雪地1.04%、草地0.05%，林地无显著变化。

2.1.3 土地利用/覆被类型随海拔高度的变化

由雅鲁藏布江流域1980-2015年不同海拔高度土地利用类型分布可知(表3)，当海拔为0～3 499 m，耕地减少了14 km2，林地减少了19 km2，草地减少了17 km2，水体增加了16 km2，永久性冰川雪地无变化，城乡建设用地增加了16 km2，未利用地增加了8 km2；当海拔为3 500～4 500 m，耕地减少了42 km2，林地增加了121 km2，草地减少了126 km2，水体减少了13 km2，永久性冰川雪地减少了6 km2，城乡建设用地增加了70 km2，未利用地减少了4 km2；当海拔高于4 500 m，耕地无变化，林地增加了17 km2，草地增加了83 km2，水体减少了30 km2，永久性冰川雪地减少了2 175 km2，城乡建设用地增加了2 km2，未利用地增加了2 103 km2。

表1 雅鲁藏布江流域1980-2015土地利用转移矩阵 km2

表2 雅鲁藏布江流域1980-2015年土地利用动态度Tab.2 The Land Use Dynamic Index of the YTR basin from 1980 to 2015

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

以上结果表明，土地利用类型的动态变化在不同海拔高度表现不同。该地区地形起伏相对较大，高海拔山区局地地形因素通过影响局地辐射平衡而影响局地气温，“雪/冰-反照率”正反馈作用过程对高海拔地区升温具有放大效应，冰雪消融使得地表反照率减小，吸收的太阳辐射增加，升温加剧，致使地表冰雪进一步消融[24]。在高海拔地区永久性冰川雪地减少较多，未利用地增加较多。随着经济的发展以及人口数量的增加，城乡建设用地增加速率较其他土地利用类型快，且主要分布在海拔低于4 500 m的地区。高海拔地区地形复杂，气候复杂多变，居住人口较少，城乡建设用地变化较少。

图4 1980-2015年不同土地利用类型在各海拔高度范围内面积增加量Fig.4 The increase area of different land use types in each altitude range from 1980 to 2015

2.2 驱动力分析

土地利用变化是一个非常复杂的过程,驱动因素可以概括为自然生态系统和社会经济系统两个方面。从作用的方式和强度来看,自然环境条件起主导作用，在较大的时空尺度上作用于LUCC；与人类活动相关的经济、社会、土地管理等方面的因素起着决定性的作用，在较小的时空尺度上作用明显。从本文研究的时空尺度来看，自然生态系统驱动力影响较大。

气候和水文要素是自然生态系统中LUCC的主要驱动力因子，而人口变化、居民生活方式转变、经济技术的发展、政治和经济模式的转变是LUCC的主要社会经济系统驱动力因子。1980-2015年，雅鲁藏布江流域只有2.02%的土地利用发生了变化。因此，这一地区仍是由气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减少，以及在3 500 m以上水体减少，与全球气候变化有关。此外，这一结果与前人的研究结果也较为一致：由于目前气候较暖，未来雅鲁藏布江流域地表水平衡由于受到冰川消退、冻土退化以及融雪的影响而发生变化[21]。

人类活动对建设用地和耕地面积的变化影响显著。根据中国2000、2010年人口普查资料可知，雅鲁藏布江流域内的33个县市总人口由2000年的161.15万人增加到了2010年的182.91 万人，而非农业人口数量由2000年的25.86万人增加到了2010年的33.94万人，非农业人口数量占总人口数量的比例由2000年的16.01%增加到了2010年的18.56%。随着人口数量的增加，流域内的土地利用方式也发生了转变，突出的表现是流域内的耕地减少和城乡建设用地的增加。相对于1980年，2015年城乡建设用地增加了101.03%，在整个雅鲁藏布江流域以及平均海拔高度都呈增加趋势。耕地转变成建设用地、林地。由于近年来牧民定居政策的实施，牧民的生产方式也逐步由游牧转变为农牧兼营模式，这种生产模式由于在初期没有较为科学、合理的指导策略，导致草地被大肆开挖、开拓成了农耕地，致使草地也发生退化[25]。这些特征的变化反映了雅鲁藏布江流域人类活动强度增加，与前人的研究结果较一致[26]。

社会经济的发展和国家政策的引导是产业结构发生转变的原因，产业结构转变导致居民就业岗位的改变和土地利用方式的变化。根据西藏统计年鉴，1980-2015年人均农业总产值、人均工业总产值、地区人均生产总值均显著上升(图5)。人均农业总产值由1980年的289 元增加到2015年的3 847 元，人均工业总产值由1980年的81 元上升到2015年的3 443 元。人均农业总产值与人均工业总产值的比值由1980年的3.57下降到2015年的1.12。产业结构的调整，也是土地利用方式转变的重要原因。

图5 1980-2015年雅鲁藏布江流域人均主要经济指标Fig.5 The main economic indicators of the YTR basin from 1980 to 2015

受西部开发“生态退耕”政策的影响，该地区耕地减少林地增加，说明国家的政策对该地区土地覆被的改善有着积极的影响。

3 讨论

LUCC是全球变化研究中的焦点之一，分析研究区LUCC时空格局变化及其驱动力将为合理利用该研究区土地资源、环境保护和政策制定者提供重要的依据。

在Arcgis等软件的支持下，利用雅鲁藏布江流域1980年、1995年、2005年和2015年的土地利用数据，对雅鲁藏布江流域近35年的土地利用/覆被时空变化特征进行了分析，其结果表明：1980-2015年雅鲁藏布江流域土地利用/覆被发生了较大变化。从整个流域范围来看，变化率由大到小依次为城乡建设用地、永久性冰川雪地、未利用地、耕地、水体、林地、草地，变化的主要地类是永久性冰川雪地与未利用地。

转移矩阵详尽地阐释了雅鲁藏布江流域1980-2015年地类面积变化净值的来源以及构成，也同样清晰的印证了K指数与LC指数的规律和特征。此外，本文基于LUCC时空演变格局特征分析了雅鲁藏布江流域1980-2015年LUCC驱动力，国家政策、经济的快速发展和人口的增长等主要驱动力作用的方式不同，使得LUCC在时空尺度上有较大差异。

从时空尺度来看，自然生态系统是该流域的主要驱动力因素。地形、地质、地貌、气候等自然环境因素从宏观上影响着土地利用变化的方向和强度等。

本文研究了雅鲁藏布江流域土地利用时空演变的格局，并且对变化的驱动力进行了简单的定性分析，对于不同区域的土地利用/覆被分类及其时空变化分析具有一定的借鉴意义和参考价值。考虑到雅鲁藏布江流域土地利用和地理位置的特殊性，未来有必要采用多时空尺度的遥感影像以及多种分类相结合的方法来进一步提高分类精度和效率，并进一步加强对土地利用/覆被变化驱动因素的定量分析以及环境效益的评价，进而可以在促进当地经济快速发展的同时兼顾土地利用与生态环境的可持续发展。