1990 ～2015 年青藏高原生态系统变化特征分析

陈 馨，匡文慧

(1.中国科学院地理科学与资源研究所，陆地表层格局与模拟重点实验室，北京 100101；2.中国科学院大学，北京 100049)

青藏高原是我国面积最大的高原，约占我国国土面积的26.8%.同时也是世界海拔最高的高原，被称为“世界屋脊”[1]. 凭借其独特的地理特点影响着中国、亚洲大陆乃至全球的气候与生态环境[2]，不仅在我国起着生态安全屏障的作用，甚至是亚洲乃至北半球调控环境变化的主要影响因子[3-5].

在全球变化的大背景和人类活动的综合影响下，青藏高原的环境问题也日益突出[6-9].姚檀栋等人在2009 年联合发起了“第三极环境(TPE)”国际计划，旨在揭示第三极的环境变化过程与机制及其对全球环境变化的影响和响应规律[8，10].陈德亮等通过对青藏高原进行实地观测并结合统计资料，展现了过去和现代环境变化的基本事实，评估了人类活动带来的变化和自然环境变化的影响[6].刘荣高等利用卫星遥感和地面观测等手段，分析了20 世纪80 年代以来青藏高原南缘的土地利用/覆盖、植被、降水、温度、人口和夜间灯光等自然和人文地理环境状况及其变迁[11].丁明军等通过归一化植被指数(NDVI)数据研究了1982 ～2009 年青藏高原地区草地覆盖的时空变化，发现年际存在着显著的空间差异[12]. 梁四海等定量分析了1982 ～2002 年青藏高原植被覆盖的变化趋势为总体增加，仅局部出现退化现象[13]. 张镱锂等、陆晴等的研究也表明青藏高原植被覆盖度增加[14-15].Chen 等发现近十几年来气候变化对青藏高原大部分草地生产力产生正面影响，放牧等人类活动对青藏高原草地并未构成根本威胁[16]. 牟雪洁等利用生态系统类型数据，分析了青藏高原生态屏障区2000 ～2010年的结构变化，发现湿地、城镇面积增加，草地、农田、荒漠面积减少[17].

前人对青藏高原的研究大多都集中在草地[18-19]、高寒植被[20-21]、高寒植被NDVI 覆盖[22]以及草地覆盖变化与气候因子[18]等关系方面，且大多研究在时间和空间上都具有一定局限性，对于完整的青藏高原地区、长时间序列的研究较少. 刘纪远等[23-27]基于遥感卫星数据获取的土地利用变化信息，揭示了20 世纪80 年代末到21 世纪初的中国土地利用变化的时空格局与特征.为了从整体上认识到青藏高原生态系统的变化特征，本研究利用高精度区域尺度的土地利用/覆盖变化遥感监测信息，对青藏高原区域的陆地生态系统进行划分，并监测从1990到2015 年青藏高原陆地生态系统的时空动态变化，以期望从整体上体现出青藏高原25 年间的生态环境特征及变化趋势.

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

青藏高原平均海拔4 000 米以上，因其雄踞地球之巅，被称为地球第三极，中国境内部分位于中国西南边陲，亚欧大陆中南部，西至帕米尔高原，东及横断山，东西长约2 500 千米；南抵喜马拉雅山，北界昆仑山-祁连山北侧，南北宽达1532 千米；跨踞26°00′N～39°46′N， 73°18′E ～104°46′E[28].整个地区跨越了中亚热带湿润区、中温带干旱区、北亚热带湿润区、暖温带干旱区、高原亚寒带半干旱区、高原亚寒带半湿润区、高原亚寒带干旱区、高原温带半干旱区、高原温带干旱区、高原温带湿润/半湿润地区.因主要位于青海、西藏两省区而得名(图1).

图1 青藏高原生态分区图Fig.1 Ecological zoning map of Qinghai-Tibet plateau

1.2 数据与方法

1.2.1 土地利用/覆盖信息提取方法

以高精度土地利用/覆盖变化遥感监测信息为基础，基于美国陆地卫星Landsat TM(ETM)影像数据，参考借鉴刘纪远等[26，29-32]已经建成的中国土地利用遥感制图的数据库，提取1990 年、1995 年、2000 年、2005 年、2010 年、2015 年六个年度的青藏高原土地利用数据集，以及1990 ～2000 年、2000 ～2005 年、2005～2010 年、2010 ～2015 年的土地利用动态变化矢量数据集.

1.2.2 青藏高原1 km 栅格数据生成

青藏高原生态系统宏观结构的表达采用1 km 栅格信息数据.将青藏高原土地利用、动态变化矢量数据与相应的1 km 格网进行空间叠加. 每一类型图斑按照1 km 格网的框架进行了切割，生成具有1 km 格网的索引ID 值、类型属性及其相应的面积.依据1 km格网空间索引进行分类面积汇总，再通过空间叠加，得到各生态系统的每格网内面积数，将矢量数据转为栅格，最终以每一栅格值表示每一生态系统类型发生的变化及面积比例.

1.2.3 分类系统与地理分区

根据中国陆地生态系统类型定义，将中国土地利用/覆被遥感分类系统[25，33-35]中的各二级地类具体划分为7 大生态系统类型:农田生态系统，主要包括土地利用/覆盖遥感分类系统中的水田、旱地.森林生态系统，主要包括土地利用/覆盖遥感分类系统中的密林地(有林地)、灌丛、疏林地、其它林地. 草地生态系统，主要包括土地利用/覆盖遥感分类系统中的高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地.水体与湿地生态系统指天然陆地水域和水利设施用地.聚落生态系统，主要包括土地利用/覆盖遥感分类系统中的城镇用地、农村居民地、工矿用地.荒漠生态系统指城乡居民点及其以外的工矿、交通等人工生态系统. 其它生态系统，主要包括土地利用/覆盖遥感分类系统中的裸土地和裸岩砾石地.

为了更好的刻画、表征青藏高原陆地生态系统的结构和变化特征，在青藏高原范围采用郑度等中国生态地理[36]分区，来进行地理分区分析.

其次，希望大家可以进一步密切联系、完善机制。依托“平安西江”平台，在现有合作机制的基础上，不断加强各方的沟通交流，建立完善部门间、地区间的合作机制，针对一些重点、难点问题，在西江流域形成统一的做法。海事部门将发挥水上交通安全专业管理部门的作用，积极探索、先行先试，为各级政府和有关部门开展水上安全治理、发展航运经济竭尽所能。

2 结果与分析

2.1 青藏高原生态系统结构及空间分布特征

青藏高原地区是中国重要的牧区，草地生态系统为区域内最大的生态系统，面积为12 620. 36 ×102km2，占全区总面积的48.89%，其中大部分草地类型为低覆盖度草地，占整个草地生态系统总面积的47.03%；由于自然环境因素，青藏高原地区面积排第二的是其它生态系统，面积为4 806.89 ×102km2，占全区生态系统的18.62%，其中主要地类为裸岩石砾地，占整个其它生态系统的84.58%；其次是荒漠生态系统面积为3 283.15 ×102km2，占全区生态系统的12.72%，其中主要地类为戈壁，占整个荒漠生态系统的62.03%.青藏高原地区上分布着中国重要的林区，中国少有的原始林区也坐落其中，森林生态系统面积为3 167.21 ×102km2，占全区生态系统的12.27%，其中主要地类为有林地，占整个森林生态系统的46.41%；水体与湿地生态系统面积为1 670. 86 ×102km2，占全区生态系统的6.47%，其中湖泊、永久性冰川、沼泽地、滩地分别占整个水体与湿地生态系统的28.50%、23.46%、21.25%、21.10%.由于高海拔、空气稀薄、气候恶劣，除了河谷地带，广大的高原面上只能发展高寒畜牧业，区域内农田生态系统面积为235.15 ×102km2，仅占全区生态系统的0.91%，其中旱地占农田生态系统的91.28%. 同时适宜人类居住生存的地方稀少，区域内聚落生态系统面积为28.07 ×102km2，仅占全区生态系统的0.11%，其中城镇用地、农村居民点和其它建设用地分别占整个聚落生态系统的28.10%、36.28%、35.62%(表1，图2).

表1 青藏高原各生态系统面积统计表Table 1 Statistics of ecosystem area in Qinghai-Tibet plateau

图2 1990 年和2015 年青藏高原生态系统分布图Fig. 2 Status quo of Qinghai-Tibet plateau ecosystem in 1990 and 2015

青藏高原地区农田生态系统包括水田和旱地，面积分别为20. 49 × 102km2， 214. 65 × 102km2. 有80.19%的农田生态系统分布在高原温带，10.28%分布在中亚热带.其中水田有64.52%分布在高原亚寒带，旱地则有87.20%分布在高原温带.

青藏高原地区森林生态系统二级分类有:林地1 469.94 ×102km2、灌木林1 108.00 ×102km2、疏林地550.48 ×102km2、其它林地38.79 ×102km2.从整体分布上看，森林生态系统有67.50%分布在高原温带；20.78%分布在中亚热带；11.62%分布在高原亚寒带.

青藏高原地区草地生态系统二级分类有:高覆盖草地1 983. 60 ×102km2、中覆盖草地4 700. 93 ×102km2、低覆盖草地5 935.82 ×102km2.从整体分布上来看，草地生态系统有50.34%分布在高原亚寒带；47.92%分布高原温带.

青藏高原地区水体与湿地生态系统二级分类有:河渠81.72 ×102km2、湖泊476.16 ×102km2、水库坑塘13. 30 × 102km2、永 久 性 冰川 雪 地391. 96 ×102km2、滩地352. 60 ×102km2、沼泽地355. 12 ×102km2. 从分布上来看，水体与湿地生态系统有62.49%分布在高原亚寒带，36. 80%分布在高原温带，在北亚热带、中亚热带、暖温带、中温带均有少量分布.

青藏高原地广人稀，聚落生态系统主要有83.09%分布在高原温带，9.69%分布在高原亚寒带，其中城镇用地7.89 ×102km2，农村居民点10.18 ×102km2，其它建设用地10.00 ×102km2；主要分布在日喀则市、拉萨市、玉树地区、海东地区、海南、甘南地区.

青藏高原地区荒漠生态系统二级分类有:沙地542.87 ×102km2、戈壁2 036.43 ×102km2、盐碱地329.21 ×102km2、其它未利用地374.64 ×102km2.其中50.08%分布在高原亚寒带，49.90%分布在高原温带；其它生态系统二级分类有:裸土地741. 42 ×102km2、裸 岩 石 质 地4 065. 47 × 102km2. 其 中51.08%分布在高原温带，48. 10%分布在高原亚寒带，5.72%分布在中温带.

2.2 青藏高原各类生态系统时空动态变化分析

从1990 年到2015 年青藏高原陆地生态系统宏观结构变化呈现聚落、草地、荒漠、水体与湿地及其它生态系统总面积增加，而农田、森林生态系统减少(见表2，图3，图4).

表2 1990 ～2015 年青藏高原各生态系统类型面积变化表Table 2 Changes of ecosystem types on the Qinghai-Tibet plateau from 1990 to 2015(单位: km2)

图3 1990 ～2015 年生态系统转换空间分布图Fig. 3 The spatial distribution map of ecosystem transformation from 1990 to 2015

图4 1990 ～2015 年各生态系统转换空间分布图Fig. 4 Transformation spatial distribution map of each ecosystem from 1990 to 2015

长期以来，由于人为和自然的干扰，该区域的森林生态系统在1990 ～2015 年间面积呈现出先增加再大幅度减少再增加再减少的趋势， 总体减少516.60 km2.2000 年以前由于森林植被生态系统本底的脆弱性，以及云南中部、川南地区、昌都等地采伐严重，加上人口、经济发展对薪材的需求量越来越大，资源浪费严重，川西南藏东高山深谷转出到草地生态系统占比多. 森林生态系统1990 ～1995 年间增加106.82 km2；1995 ～2000 年间减少390.64 km2；2000～2005 年间减少230.14 km2；2005 ～2010 年间增加39.73 km2，川西藏东高山深谷草地转入做了很大的贡献；但是随后在2010 ～2015 年又减少了42. 37 km2，大部分在川西藏东高山深谷地区转出到聚落.

青藏高原草场辽阔，草场类型很多，草地生态系统1990 ～2015 年间面积先减少后大幅度增加然后再减少，总体呈现增加趋势，增加296.54 km2.1990 ～1995年间减少182.76 km2；开始对退化草地进行防治和处理后，1995 ～2000 年间增加246.50 km2；2000 ～2005 年间增加368.07 km2，贡献最大的是川西南藏东高山深谷的森林生态系统转向草地生态系统；2005 ～2010 年间减少48.34 km2，主要发生在川西藏高山深谷地区草地生态系统转向森林；2010 ～2015 年间减少86. 93 km2，大部分发生在果洛那曲丘状高原、川西藏东高山深谷地区的草地生态系统转向聚落.

由于经济和人口的发展，聚落生态系统1990 ～2015 年间的面积一直增加， 总体面积净增加316.34 km2，且增加的速度逐年加快. 增加的聚落生态系统主要是由藏南山地的草地和农田转入，以及果洛那曲丘状高原、川西藏东高山深谷的草地.

水体与湿地生态系统1990 ～2015 年间面积先减后增，总体增加23.86 km2；其中1990 ～1995 年减少80.37 km2，大部分在藏南山地转出到草地；从1995年开始都在增加，增加速度先大后小，主要增加来源是果洛那曲丘状高原的草地以及川西藏东高山深谷的农田和草地.

荒漠生态系统和其它生态系统面积变化情况相似，2005 ～2010 年间除了荒漠生态系统减少0.16 km2，其它均呈现不同程度的增加，25 年间整体增加74.64 km2.主要来源于川西藏东高山深谷森林、果洛那曲丘状高原水体与湿地、藏南山地水体与湿地.

3 结论与讨论

本文基于高精度土地利用/覆盖变化遥感监测信息得到1990 ～2015 年间每五年一期的土地利用/覆盖类型数据，将动态变化数据进行栅格化处理，分析了25 年间青藏高原生态系统结构及时空动态变化，结论如下:

整个青藏高原地广人稀，草地生态系统面积最大，占全区整个生态系统的48.89%，大多分布在高原亚寒带半干旱地区；聚落生态系统面积最小，占全区的0.11%，大多分布在中亚热带湿润地区.

从1990 年到2015 年过去25 年间青藏高原陆地生态系统宏观结构变化呈现聚落、草地、荒漠、其它与水体与湿地生态系统总面积增加，净增面积分别为:316.34 km2、296. 54 km2、43. 46 km2、31. 18 km2、23.86 km2，森林、农田生态系统减少，净减少面积分别为:516.60 km2、194.79 km2.

青藏高原生态系统变换面积较大的是森林生态系统、草地生态系统和聚落生态系统. 其中森林与草地生态系统相互转换最多，主要转换地区是川西藏东高山深谷，且在1990 ～2010 年间转换面积最多；聚落生态系统增加主要来源于草地、农田，面积增加的主要地区是藏南山地、果洛那曲丘状高原、川西藏东高山深谷，且2010 ～2015 年增加速度最大.

本文的研究结论与已有青藏高原居民占地小[37]，绿度增加[14]，高寒草地植被年均净初级生产力波动上升[38]，湿地、城镇面积增加[17]等研究结论基本一致.引起生态系统发生变化的原因很多，但主要为自然、经济、人口、政策的人为因素. 草地生态系统退化主要由气候原因造成蓄草供求矛盾；草场空间分布不平衡；鼠类、蝗虫等灾害严重；农牧争地，破坏草场.实施草地建设、退牧还草、退耕还草、天然保护林、生态公益林建设[39-40]等生态工程后，草地生态系统开始恢复好转.青藏高原林业资源丰富、但分布不均，水平和垂直分异突出，资源可及率低、质量一般，加上人口、经济发展对薪材的需求造成了严重的供需不平衡，造成森林生态系统面积的减少. 聚落生态系统的增加主要由经济发展、人口增长、城市扩张、农牧业发展、生态保护工程的建设等人为因素引起. 分析青藏高原生态系统变化特征，对于及时发现区域中土地利用的问题和矛盾起着至关重要的作用，为我国青藏高原国家生态安全屏障功能保护与建设、以及国家土地资源优化利用与生态环境治理提供明确的方向.