汶川地震对典型极重灾区土地利用变化的影响评估

梁 欣,汪 明,刘 凯

(1.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室,北京 100875；2.北京师范大学地理科学学部,北京 100875;3.北京师范大学环境演变与自然灾害教育部国家重点实验室,北京 100875)

随着社会经济的发展和城市化进程的加快，土地覆盖/利用变化的研究越来越受到科学家们的关注[1]。在20世纪90年代，对于土地利用变化的研究主要集中在两个方面：一是研究土地利用变化的机制；二是研究区域和全球的土地利用模型[2]，土地利用变化的研究进入了一个新的阶段。近年来，人们更加关注人类活动与土地利用变化之间的关系，探究不同情境下的土地利用变化[3]。随着社会的发展，安全问题与日剧增，学者们将更多的关注点聚焦到土地利用变化与生态安全[4]、水安全[5]的关系，关注土地利用对极端水文、极端气候的影响[6]；在研究方法上，也更注重探索新方法，如利用机器学习算法解决土地利用变化中的非线性问题，利用人工神经网络的自学习和自适应能力解决土地利用变化中的复杂性问题等[3,7]。

2008年5月12日汶川发生8.0级地震，对该地区的地表植被造成了破坏，一些学者开始关注灾区次生灾害演变及其对土地利用变化的影响，并从不同角度开展了一系列的研究工作。如崔鹏等[8]对汶川地震的机理进行了研究，并对震后产生的滑坡进行了统计和分析，发现地震产生的松散物质是震后泥石流活动的主要物质来源，且强烈的地表扰动和大面积的植被破坏会加剧侵蚀和洪峰的形成；Nath等[1]从环境风险评估的角度，分析了2007—2018年间都江堰市土地利用的变化，发现建筑用地、耕地和林地是受影响最主要的土地类型，并建议未来城市建设与发展要避开断层活动区域；Yang等[9]从恢复重建的角度，对汶川地震后滑坡和重建房屋的分布进行了分析，发现新增滑坡和房屋都有向高程低、坡度缓、靠近河道的区域移动的趋势。汶川地震后灾区植被恢复也受到研究者的关注，许多学者运用遥感监测等方法对植被的动态恢复状态进行了评估。如Wang等[10]充分考虑了植被恢复的动态变化过程，利用NDVI时间序列，定义了COI指标用来识别植被恢复困难区域；Zhang等[11]通过与历史植被状态的统计对比与分析，定义了DMI指标来评估植被恢复状态，克服了以往指标受年际间植被物候期波动的影响。

以上的研究主要集中在植被与非植被的分析，很少对震后植被覆盖类型的变化进行详细的分析，且在微观尺度上对于小流域的长期精细化分析比较缺乏。同时，上述研究大多专注于震后灾区植被恢复的某一个方面，缺乏综合多角度的整体分析。

开展土地利用变化时空过程生态效用评价研究，通过分析和归纳，认识土地利用变化的时空过程以及生态效应，是理解土地利用变化时空过程对地球系统影响的重要内容，同时也是全球与亚全球尺度土地利用变化时空过程研究的核心课题之一[12]。近年来，生态系统服务价值分析主要集中在生态系统空间分析[13]、海洋生态系统评估[14]和森林生态系统评估[15]等方面，但关于震后的生态系统评估较少，而灾区生态系统服务价值分析能够反映震后植被的变化过程[16]。因此，本文利用Costanza等[17]和谢高地等[18]提出的价值量估算模型分析生态系统服务价值的变化，关注汶川地震及其次生灾害对于研究区土地利用变化的影响，分析震后土地利用动态变化的特征及其与地形因素间的关系，最后通过计算研究区景观破碎度和生态系统服务价值的变化，评估汶川地震对于研究区生态系统造成的长期影响。

1 研究区概况

研究区位于四川省绵阳市平武县洪溪河流域(见图1)，面积为64 km2。研究区地势陡峭，高程落差为679～3 063 m，地形坡度主要集中在15°～30°，坡向集中在西北、北和东南三个方向，龙门山断裂带穿过研究区。该地区6月至10月为雨季，年均降雨量为800 mm；日最高温度为39.1℃，最低温度为-4℃，平均气温为14.8℃。2008年汶川地震对研究区人民的生命和财产安全造成了巨大的损失，该地区是地震的极重灾区。地震后研究区山洪等次生地质灾害十分活跃，如2013年出现大暴雨，降雨从6月7日持续到6月12日，总降雨量打破了历史最高值，达到712 mm，此次降雨引发了山洪和大量次生地质灾害，大量房屋、农田被损毁[19-20]；2018年研究区再一次出现大暴雨，降雨从6月8日持续到6月11日，总降雨量达到514.3 mm，导致洪溪河南坝河道水位超警戒线1.43 m，通过野外实地调查发现，洪水使得河道多处淤升2 m以上，流域土壤侵蚀严重。由此可见，汶川地震及其次生地质灾害深刻地影响着研究区的恢复与重建。

图1 研究区概况图Fig.1 Geographic location of the study area

2 数据来源与研究方法

2.1 多源数据类型与来源

本文使用高分辨率遥感影像数据解译土地利用变化，并运用高程数据进行土地利用变化的地形因素分析，表1列出了本研究所需的多源数据类型与来源。

表1 多源数据类型与来源Table 1 Multi-data types and sources

2.2 研究方法

本文的研究技术路线是：首先对高分辨率影像进行辐射校正、几何校正等预处理，主要采用目视解译的方法获取研究区多期土地利用数据；然后通过对土地利用数据进行时空特征分析、变化频次分析和转移矩阵分析，分析土地利用变化与地形因素之间的关系；最后通过对灾区生态系统服务价值分析，计算研究区森林景观破碎度和生态系统服务价值的变化，评估汶川地震对研究区生态系统造成的影响，详见图2。

图2 汶川地震对典型极重灾区土地利用变化影响 评估的研究技术流程图Fig.2 Technique flowchart of impact evaluation of Wenchun Earthquake on land use and land cover change in typical striken areas

2.2.1 土地利用类型数据获取方法

本次研究选取研究区土地利用数据共4期，分别为2002年、2008年、2013年和2018年的土地利用数据。将研究区的土地类型分为耕地、林地、河流、建筑用地、裸地5类，根据地形、地貌、形状、色调、纹理等建立解译标志，采用人工目视解译的方法，对高分辨率遥感数据进行辐射校正、几何校正、波段融合、裁剪、图像增强等预处理，并辅以地形数据和测量数据，同时结合Google Earth不同时期的影像，以保证目视结果的正确性。对于解译过程中不确定的斑块，利用野外调研资料来补充。最终获得洪溪河流域4期土地利用属性数据库。

2.2.2 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵是研究土地利用转移方向和转移数量变化的经典方法，能够揭示土地利用格局的演化过程。土地利用变化通过土地利用转移矩阵来表达(见表2)，其中行元素之和表示转移前该类土地的面积，列元素之和表示转移后该类土地的面积[21]。

表2 土地利用转移矩阵Table 2 Land use and land cover change transfer matrix

2.2.3 森林景观破碎度计算

景观破碎度是指景观被分割的破碎程度，与自然资源的保护密切相关。随着景观的破碎化和斑块面积的缩小，很多生物需要的大面积自然生境无法得到满足，将直接影响到物种的繁殖、扩散和保护[22]。本文采用单位面积中各种斑块的总个数来计算森林景观破碎度，其计算公式为

(1)

式中:C为森林景观破碎度(patches/km2)；∑ni为森林景观斑块变化的总个数(patches)；A为森林景观的总面积(km2)。

2.2.4 生态系统服务价值计算

生态系统服务(Ecological System Service,ESV)是指通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务，其价值评估是生态环境保护、生态功能区划、环境经济核算和生态补偿决策的重要依据和基础。本文使用生态系统服务价值当量表(见表3)[18]来计算研究区的生态系统服务价值，进而评估汶川地震对研究区生态系统服务价值的影响。

表3 生态系统服务功能价值当量表(元/hm2)Table 3 Ecological System Service function equivalentvalue(yuan/hm2)

3 研究结果与分析

3.1 土地利用空间分布格局分析

2002—2018年间，研究区土地利用变化主要表现在：裸地大量增加，林地急剧减少再逐渐恢复，建筑用地缓慢增加。研究区土地利用的斑块从完整到剧烈破碎再逐渐恢复完整，表明汶川地震后研究区土地利用变化的频率和幅度逐渐趋于稳定。2002—2018年研究区土地利用的空间分布图见图3，各种土地类型的面积及其所占百分比见表4。

图3 2002—2018年研究区土地利用的空间分布图Fig.3 Land use and land cover change map of the study area from 2002 to 2018

表4 2002—2018年研究区各种土地类型的面积及其所占百分比表

由图3和表4可见，林地和耕地是研究区内的主要土地类型(即地类)，2002年研究区林地面积占全部地类面积的70.91%，2008年受汶川地震特别是同震型滑坡的影响减少到60.75%，到2018年，林地面积基本恢复到震前水平，为69.94%；2002年研究区耕地占全部地类面积的25.35%，与林地类似，汶川地震后减少到17.56%，而与林地随后逐渐恢复不同的是2013年至2018年耕地面积继续减少，分别占全部地类面积的15.89%和15.64%；研究区建筑用地面积的变化体现着人类活动的变化，2002年至2008年是研究区经济快速发展的阶段，人口也迅猛增加，建筑用地面积占全部地类面积的百分比从1.36%急剧增加到3.11%，汶川地震后由于大量居民的外迁，2013年和2018年建筑用地面积逐渐减少，分别占全部地类面积的3.03%和2.67%；研究区裸地面积主要反映滑坡的变化，由于汶川地震引发了大量的山体滑坡，因此裸地面积占全部地类面积的百分比从2002年的0.13%急剧增长到2008年的16.69%，2013年和2018年裸地面积占全部地类面积的百分比逐渐减少到11.05%和9.34%；研究区河流面积总体变化不大。

3.2 土地利用变化频次及其空间分布分析

将研究区土地类型与前一次统计地类进行对比(2008年 VS 2002年，2013年 VS 2008年，2018年VS 2013年)，统计得到研究区土地利用变化频次N及其空间分布统计图，见图4和图5。

图4 研究区土地利用变化频次(N)图Fig.4 Frequency of land use and land cover change of the study area

图5 研究区土地利用变化频次(N)的空间分布统计图Fig.5 Statistics of distribution of land use and land cover change of the study area注：N1表示变化1次；N2表示变化2次；N3表示变化3次。

由图4和图5可见，研究区土地利用的65.88%在研究期间(2002—2018年)没有发生变化，34.11%发生变化;在土地利用变化的区域中，面积排序为N2>N1>N3;在土地利用变化频次的空间分布上，距离河流越近，土地利用的变化越剧烈，坡度在15°～30°、高程在942～1 430 m范围内，土地利用的变化最大。

3.3 土地利用转移矩阵分析

根据2002—2018年研究区土地利用转移矩阵(见表5)可知，汶川地震对研究区土地利用变化的影响主要表现为耕地的大量转出，其转出面积为9.04 km2；裸地的大量转入，其转入面积为5.97 km2；林地面积的剧烈变化，转入面积与转出面积相近，转入面积为6.02 km2，转出面积为6.66 km2。为了便于分析，将研究期间2008年至2018年分为3个时间段:前期为2002—2008年；中期为2008—2013年；后期为2013—2018年。研究区前期的土地利用变化主要表现为地震作用效应，中期和后期主要表现为地震后续效应。结果表明：研究区土地利用面积的前期变化量(2002—2008年)、中期变化量(2008—2013年)、后期变化量(2013—2018年)逐渐递减，说明研究区土地利用变化呈现出逐渐稳定的状态。不同时间段研究区土地利用转移矩阵，见表6、表7和表8。

表5 2002—2018年研究区土地利用转移矩阵(km2)Table 5 Land use and land cover transfer area matrixof the study area from 2002 to 2018(km2)

表6 2002—2008年研究区土地利用转移矩阵(km2)Table 6 Land use and land cover transfer area matrixof the study area from 2002 to 2008(km2)

由表6可知，2002—2008年研究区土地利用面积的总变化量为31.65 km2，这一时期土地利用的变化主要表现为耕地和林地的大量转出以及裸地的大量转入；在转出的耕地当中有88.72%转为裸地，在转出的林地当中有56.49%转为裸地、32.38%转为耕地。耕地的大量转出是由于汶川地震造成的滑坡损坏了大量的农田；而林地的变化则是两方面的作用，一方面是滑坡损毁林地，另一方面是一些林地变为耕地。

表7 2008—2013年研究区土地利用转移矩阵(km2)Table 7 Land use and land cover transfer area matrixof the study area from 2008 to 2013(km2)

表8 2013—2018年研究区土地利用转移矩阵(km2)Table 8 Land use and land cover transfer area matrixof the study area from 2013 to 2018(km2)

由表7可知，2008—2013年研究区土地利用面积总转出量为25.92 km2，这一时期土地利用的变化主要表现为裸地转化为林地；裸地的转出面积占总转出面积的52.24%，裸地转为林地的面积占林地总转入面积的80.37%。

由表8可知，2013—2018年研究区土地利用面积的总变化量为10.40 km2，这一时期土地利用的变化与2008—2013年大致类似，主要为震后的恢复阶段，表现为裸地转化为林地；裸地的转出面积占总转出面积的40.38%，裸地转入林地的面积占林地总转入面积的65.48%。

3.4 土地利用变化的地形因素分析

将研究区土地利用变化的地类与高程、坡度和坡向地形数据进行叠加，用来分析研究区土地利用变化与地形因素间的关系。首先将2002年和2008年两期土地利用数据进行叠加，然后统计分析发生土地利用变化的地类的高程、坡度、坡向的分布情况。同样，分析2008年和2013年两期土地利用数据以及2013年和2018年两期土地利用数据，见图6。

高程是影响土地利用变化的主要地形因素。研究区3个时期土地利用的变化量呈现逐渐下降趋势，说明土地利用的变化逐渐减少，并逐渐趋于稳定；3个时期的土地利用变化主要集中在高程698～1 430 m之间。

坡度反映的是地形单元的陡缓程度，通过分析发现研究区土地利用的变化主要集中在坡度为15°～30°的位置。研究区坡度为0°～15°的位置主要是河流，土地利用不容易发生变化；坡度在30°以上的位置主要是林地，其坡度较大，不利于人类活动；坡度为15°～30°的位置主要是耕地和建筑用地，这些地方人类活动相对较频繁。

图6 研究区土地利用面积变化量与地形因素之间的关系Fig.6 Relationship between land use and land cover area change and geographic factors of the study area

坡向是另一个重要的地形因素，通过分析发现研究区土地利用变化的坡向分布较均匀，以东南和西北方向为主，与研究区的山脉走向一致。

3.5 森林景观破碎度分析

通过统计2002—2018年研究区森林景观破碎度(见图7)，可以分析研究区森林景观破碎化程度的变化趋势。结果表明：2002—2018年间研究区森林景观破碎度从震前2002年的1.60 patches/km2急剧增加到2008年震后的14.30 patches/km2，再逐渐缓慢恢复到2013年的7.30 patches/km2，2018年森林景观破碎度达到4.33 patches/km2。森林景观破碎度反映的是单位面积上森林斑块个数的多少，2008年研究区森林景观破碎度达到峰值，说明汶川地震及其诱发的滑坡对森林景观造成了极大的破坏，原来较完整的森林斑块被分割成许多大小不同的小斑块；震后随着森林系统的逐渐恢复，研究区森林景观破碎度逐渐降低，但仍未达到震前水平。

3.6 生态系统服务价值演变特征分析

自然灾害通过影响土地覆被，对生态系统服务价值产生重大的影响。本文基于生态系统服务功能价值当量表，评估2008年汶川地震以及震后2013年和2018年洪水灾害对研究区生态系统服务价值变化的影响特征，其结果见图7。

图7 2002—2018年研究区森林景观破碎度、森林植被 面积占比和生态系统服务价值分布图Fig.7 Distribution of forest landscape fragmentation index,forest area and ESV from 2002 to 2018

由图7可见，2002—2018年间研究区生态系统服务价值的变化呈现先急剧减少而后逐渐恢复的过程，震前2002年的生态系统服务价值为4.27×108元，2008年汶川地震后其为3.61×108元，减少了15.45%；此后逐渐恢复，2013年的生态系统服务价值为4.05×108元，2018年达到4.18×108元，基本恢复到震前水平。研究期间(2002—2018年)研究区生态系统服务价值的变化由前期的地震效应(2002—2008年)的急剧减少到中后期地震的后续效应(2008—2018年)的缓慢恢复，生态系统服务功能趋于稳定。

由研究区森林景观破碎度、森林植被面积占比、生态系统服务价值三方面的变化来看(见图7)，研究区在经历汶川地震后经过了十余年的漫长恢复才基本达到震前水平。

4 结 论

本文通过评估汶川地震对典型极重灾区(洪溪河流域)土地利用变化的影响，得到如下结论：

(1) 地震及其后续效应对典型极重灾区(洪溪河流域)的土地利用变化造成了巨大的影响。汶川地震造成研究区林地面积损毁7.41 km2(占震前林地面积的16.32%)、耕地面积损毁7.45 km2(占震前耕地面积的45.90%)，形成裸地面积10.68 km2(较震前裸地面积增加244.95%)。

(2) 研究区土地利用类型中65.88%没有发生变化，34.11%发生了变化，在所有变化中；发生了两次土地利用变化的占17.43%；土地利用变化主要集中在河流沿岸，且在距离河流为700 m、坡度为15°～30°范围内、高程为942～1 430 m之间的土地利用变化最多。

(3) 汶川地震后的十余年间，研究区土地利用的变化逐渐趋于稳定，林地面积从2008年的33.88 km2恢复到2018年的44.76 km2，裸地面积从2008年的10.68 km2减少到2018年的5.98 km2；森林景观破碎度由震前2002年的1.6 patches/km2急剧增加到2008年震后的14.3 patches/km2再恢复到2018年的4.33 patches/km2；生态系统服务价值由震前2002年的4.27×108元，2008年汶川地震后为3.61×108元，减少了15.45%，此后逐渐恢复，到2018年达到4.18×108元，经过十年时间才逐渐恢复到接近震前水平，说明汶川地震及其后续效应对研究区土地利用的影响极其深远，其灾后恢复也是一个漫长的过程。