青藏东缘若尔盖高原土地利用时空变化特征及其驱动因素分析

陈雪玲，孙梅玲，吕一河，胡 健①，杨丽雪，周青平

(1.西南民族大学四川若尔盖高寒湿地生态系统国家野外科学观测研究站，四川 成都 610041；2.西南民族大学青藏高原研究院，四川 成都 610041；3.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085；4.中国科学院大学，北京 100049)

土地利用是指为满足人类需求，采取一定手段对土地进行长期性和周期性的经营管理与治理活动，如耕地、工业用地、商业用地等[1]。20世纪90年代，土地利用/土地覆盖变化科学研究计划由全球环境变化人文因素计划(IHDP)与国际地圈生物圈计划(IGBP)共同发起，成为全球气候变化和全球环境变化研究中的重要问题[1-2]。土地利用研究内容主要包括土地利用变化、影响因素或驱动机制分析、模型评估与预测以及对生态系统服务影响等[3-4]。土地利用变化会使生态系统服务功能及价值发生改变，直接影响生态安全[5]。通过分析土地利用变化过程的驱动因素可确定土地利用变化过程，揭示区域生态环境变化机制，了解其变化过程及其驱动因素之间的关系，可为生态保护、土地管理决策以及可持续发展策略的制定或调整提供参考[3-4,6]。

土地利用变化与社会经济发展和环境变化密切相关，许多学者从不同尺度对土地利用变化开展了系列研究工作，结果表明气候变化和人类活动干扰、经济发展、城市化进程加快及区域政策等因素是导致土地利用变化的主要影响因素[3-4,7-8]。青藏高原具有对全球气候和人类活动变化响应最敏感的生态系统，量化其土地利用变化特征对于评估高山生态系统对全球气候变化的响应和反馈至关重要[8]。若尔盖高原位于青藏高原东缘，是我国最重要的高原湿地和黄河重要水源涵养区，在水源保护和供应、气候调节及生态平衡方面发挥关键作用，其丰富的草地和湿地资源的生态安全关系到西部、黄河和长江流域的社会经济发展，是黄河流域生态保护和高质量发展的重要组成部分[2,9]。近年来，气候暖干化、不合理的土地利用、城镇化建设以及旅游活动等导致若尔盖高原土地利用结构发生变化，如湿地和草地面积减少，沙地和裸地面积增加等[10-11]。不同学者以若尔盖高原及其局部区域为研究对象开展了大量研究工作，结果表明土地利用变化及驱动因素研究结果存在差异。如SHEN等[2]认为人类活动对若尔盖高原土地利用影响较大；何菊红[12]认为气候变化与人类活动共同导致若尔盖湿地退化；游宇驰[13]认为人工开渠排水是导致若尔盖湿地退化的主要影响因素。更多的研究表明土地利用变化受社会、自然、经济和政策等多种因素的影响，但目前若尔盖高原土地利用变化影响因素研究主要集中于气候变化、人类活动(如过度放牧、开沟排水)和人口数量等方面[2,10,13]，而对各种生态恢复工程引发的土地利用转化研究较少，特别是对若尔盖高原长期实施的各项生态恢复工程下的土地利用时空变化解释尚不完善。

利用若尔盖高原2000、2010和2015年3期30 m高分辨率土地利用数据，分析了若尔盖高原2000—2010和2010—2015年土地利用时空变化及其转化，解析若尔盖高原及其各县土地利用变化趋势，在县域尺度上收集生态保护、修复工程等方面的政策措施，识别区域及各县土地利用变化的主要影响因素，为优化土地利用管理和提升区域生态系统服务功能提供支撑。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

若尔盖高原(31°50′～34°49′ N，100°45′～103°39′ E)位于青藏高原东缘，包括四川省的若尔盖、阿坝、红原3县以及甘肃省的玛曲县和碌曲县(图1)。该区为大陆寒温湿润-半湿润季风气候区，总面积为42 714 km2，年降水量为400～800 mm，年平均气温为1.6 ℃，地貌以宽谷缓丘为基本特征，广泛发育高原草甸土和泥炭沼泽土，地下水主要是第四系松散堆积层孔隙水，无深层承压水，地下水位低而在雨季强降雨时则升至地面，沼泽湿地广布[2,10]。河流主要为黄河及其支流黑河和白河，动植物资源丰富，主要为亚高山草甸和沼泽植被，畜牧业是若尔盖高原的传统支柱产业[10]。该区拥有国际重要的拉姆萨尔湿地(若尔盖湿地国家级自然保护区)及日干乔湿地、曼扎塘湿地、黄河首曲、尕海-则岔等保护区以保护高寒沼泽湿地生态系统及各类珍稀动植物[14]。

该图基于自然资源部地图技术审查中心标准地图服务网站下载的审图号为GS(2020)4619号的标准地图制作，底图无修改。

1.2 数据来源及预处理

2000、2010和2015年30 m分辨率的土地利用数据来源于第二次青藏高原综合科学考察项目，根据2017年全国土地覆盖分类系统的I级和Ⅱ级分类体系，结合若尔盖高原土地利用现状，将土地利用类型分为Ⅰ级类9种类型，Ⅱ级类29种类型。该研究主要采用Ⅰ级类，包括林地、灌丛、草地、耕地、湿地、建设用地、裸地、沙地和其他用地。

温度和降水数据来自中国气象局气象数据共享中心。通过Anusplin专业气象插值软件，插值获得研究区1980—2018年年均温和年降水1 km分辨率空间数据集。实际蒸散发数据来自基于机器学习的2000—2018年每10 d平均的1 km分辨率中国实际蒸散发数据集[15]，人口密度和县内生产总值(GDP)数据来自资源环境科学与数据中心，分辨率为1 km。根据研究区域矢量边界通过ArcGIS 10.3软件裁剪以上空间数据集，重采样至30 m分辨率。生态保护、修复等政策数据来自四川省、甘肃省、阿坝州和甘南州统计局2001—2016年统计年鉴以及研究区各县政府网站[13]。

2 研究方法

2.1 土地利用动态度

土地利用变化主要指土地利用的类型和面积发生变化，通过单一土地利用动态度可以表示研究区域在某段时间内某种土地利用类型和数量的变化情况[2]，其表达式为

(1)

式(1)中，K为某一类型土地利用动态度；T为研究期时段长度，a；Ua、Ub分别为研究初期和末期某一土地利用类型面积，km2。

2.2 土地转移矩阵

土地转移矩阵来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述，通过各类土地利用面积变化矩阵可以分析土地利用结构和方向变化[2]，其表达式为

(2)

式(2)中，Sij为转移前i类土地利用类型转变为j类土地利用类型的面积，km2；i和j分别为转移前与转移后的土地利用类型；n为土地利用类型类别。

土地利用转移矩阵采用ArcGIS 10.3软件的Spatial Analyst Tools进行数据预处理，借助空间分析模块面积制图(Tabulate Area)计算若尔盖高原2000—2010和2010—2015年土地利用转移矩阵，并采用Excel 2019进行数据统计。

2.3 驱动因素分析

通过对比不同时期土地利用、气候条件、人口密度和GDP指标，根据由各类年鉴查阅得到的若尔盖高原红原县、若尔盖县等地在研究时期出台的政策措施等，分析2000—2015年土地利用时空变化特征的主要影响因素。

采用土地利用强度表示不同时期土地利用的空间特征，参照柳冬青等[16]的研究中土地利用强度分级指数将林地、灌丛和湿地的土地强度分级指数设定为2，草地为2.5，耕地和建筑用地分别为3和4，其他土地类型均为1，计算公式为

(3)

式(3)中，L为土地利用强度；Ai和Ci分别为第i级土地利用类型的强度分级指数和所占面积百分比。

土地利用变化受自然和社会多种因素的共同影响，因此运用偏相关分析分别揭示降水、温度、蒸散发、GDP和人口密度与土地利用强度间的空间关联性[17]，计算公式为

(4)

式(4)中，Rxy,z为排除变量z影响下x(土地利用强度)与y因素间的偏相关系数；rxy、rxz和ryz分别为x与y、x与z以及y与z的简单相关系数，偏相关系数的显著性检验采用t检验法。

3 结果与分析

3.1 若尔盖高原土地利用变化分析

3.1.1土地利用时空分布

根据若尔盖高原不同时期遥感解译分类数据(图2)，2000—2015年期间若尔盖高原土地利用类型均以草地为主，其面积占总面积的69%以上，仅在若尔盖县东部边缘、碌曲县北部和玛曲县西部以及阿坝县东南部边缘地区分布较少；其次为灌丛和湿地，两者面积分别占总面积的12%和9%以上，灌丛主要分布于碌曲县北部和玛曲县西部，湿地主要分布于若尔盖高原中部地区，3者面积合计超过若尔盖高原总面积的90%；其他土地利用类型占比较小，其中耕地集中分布于阿坝县。

3.1.2土地利用动态度分析

若尔盖高原土地利用呈阶段性变化特征，以2010年为转折点，草地、灌丛和林地均呈现先增加后减少趋势，耕地和湿地持续减少而建筑用地和沙地持续增加，裸地先减少后增加(表1)。从土地利用类型面积变化来看，2000—2015年土地利用转移面积为289.90 km2，草本湿地面积减少最多，减少140.71 km2；高寒草甸和交通用地面积增加较多，分别增加81.89和71.53 km2，其他土地利用类型面积变化较小。从土地动态变化度来看，建设用地、耕地、草地和沙地面积变化较为剧烈，其中采矿场、建设用地、水田和交通用地变化较大(动态度分别为306.67%、6.70%、6.67%和5.24%)，其他土地利用类型动态变化相对较小。

图2 若尔盖高原土地利用类型空间分布

3.1.3土地利用类型转移分析

从若尔盖高原2000—2010和2010—2015年土地利用类型面积转移情况(图3)来看，2000—2010年湿地转出面积最多，达171.93 km2，占总面积的0.40%，主要转化为草地(158.11 km2)、裸地(10.51 km2)和建设用地(1.54 km2)；草地转入面积最多，达223.59 km2，占总面积的0.52%，主要来自湿地(158.11 km2)和灌丛(38.37 km2)。2010—2015年，草地转出面积最大，达76.71 km2，建设用地转入面积最大，达81.86 km2，主要来自草地(62.01 km2)、耕地(9.13 km2)和湿地(7.69 km2)。若尔盖高原新增草地主要来自于湿地、灌丛和耕地；湿地面积持续缩减，减少的湿地主要转为草地、裸地和建设用地；建设用地面积变化最大，呈加速增长趋势，主要来自草地、耕地和湿地；增加的沙地主要来自草地退化且呈持续增加趋势。

表1 若尔盖高原2000—2015年土地利用变化及动态度

图3 2000—2015年若尔盖高原两期主要土地利用类型转移分析

在县域尺度(图4)上，不同县的主要土地利用类型转变存在不同，2000—2010年红原县、阿坝县和若尔盖县湿地转出面积最多，草地转入面积最大，均主要来自湿地(26.80、7.92和79.49 km2)；玛曲县和碌曲县草地转出面积最大，分别为52.18和37.44 km2，玛曲县草地和碌曲县灌丛转入面积最大，分别主要来自湿地(42.02 km2)和草地(16.66 km2)。2010—2015年，红原县、阿坝县、若尔盖县和碌曲县草地转出面积最大，建设用地转入面积最大，均主要来自草地(23.14、15.35、19.47和2.63 km2)；玛曲县湿地转出面积最大，裸地转入面积最大，主要来自湿地(124.61 km2)。2000—2015年，各县建设用地均有不同程度增加，其中红原县建设用地面积新增最多，增加40.89 km2；除碌曲县外其他4县湿地面积均减少，若尔盖县减少面积最多，减少75.37 km2。

第1行5个分图针对的时期为2000—2010年，第2行5个分图针对的时期为2010—2015年。堆积柱状图不同颜色代表横轴某种土地利用类型转为其他土地利用类型或其他土地利用类型转为横轴某种土地利用类型；纵坐标轴上正数绝对值为转入面积，负数绝对值为转出面积。

3.2 若尔盖高原土地利用强度变化驱动因素分析

3.2.1气候与社会经济

图5显示，若尔盖高原土地利用强度对5种因素的响应存在明显的空间异质性。土地利用强度与年均降水量、年均实际蒸散发呈正相关区域主要集中分布在若尔盖高原中部，呈负相关区域主要集中分布在阿坝县西北部和玛曲县。与年均降水量、年均实际蒸散发不同，土地利用强度与年均温度的相关分布更加分散。土地利用强度与年均降水量、年均温和年均实际蒸散发呈相关性的面积占比分别为34.27%、39.56%和40.04%。相较于气候因子，研究区土地利用强度受GDP和人口密度的影响更大，呈相关性的区域面积占比分别为55.23%和66.17%。土地利用强度与GDP呈负相关区域主要分布在若尔盖高原中南部，占比为35.53%；阿坝县、若尔盖县中部及碌曲县中部土地利用强度与人口密度呈正相关，占比为32.43%，其中阿坝县呈正相关区域面积占该县面积的53.27%；其他区域与人口密度主要呈负相关，占比为33.74%，其中红原县呈负相关的区域面积占该县面积的48.38%。

3.2.2生态恢复工程

若尔盖高原灌丛和林地面积较大，分别占总面积的12%和5%。该区域于2000年正式实施天然林保护工程，通过人工造林、荒山造林、封山育林和森林管护等措施对林地进行保护与修复，使得2000—2015年灌丛与林地面积保持相对稳定。若尔盖高原耕地较少，2000年耕地面积为267.10 km2；2000年实施退耕还林还草政策，2015年耕地面积比2000年减少17.80 km2，减少的耕地主要转化为草地、灌丛和建设用地。

2000—2015年，特别是2010—2015年间，政府部门批准并实施一系列湿地生态保护、建设和恢复等生态工程，如2007年12月，国家发展改革委员会批复《甘南黄河重要水源补给生态功能区生态保护与建设规划(2006—2020年)》；2008年，原环境保护部发布的《国家生态功能区划》中，将若尔盖高原划分为重要的水源涵养区；2011年5月，国务院颁布《青藏高原区域生态建设与环境保护规划(2011—2030年)》；2011年实施重点生态功能区转移支付等，其中若尔盖县2011年花湖湿地生态恢复工程使花湖水位上升45 cm，恢复湿地8.92 km2；阿坝县2014年启动曼则塘湿地恢复建设项目。生态恢复工程使湿地退化趋势得到遏制，2015年若尔盖高原湿地面积比2000年减少129.57 km2，前10年减速为11.20 km2·a-1，后5年减速为3.51 km2·a-1。因此，生态恢复政策使湿地生态系统得到有效保护，是湿地面积增加的主要影响因素。

2002年若尔盖高原实施天然草原退牧还草工程，采取人工种草、草场补播、休牧和禁牧等措施保护和修复草地(表2)，2015年草地面积比2000年增加37.29 km2，促使1.95 km2(2000—2010年，1.66 km2；2010—2015年，0.29 km2)沙地转化为草地。

表2 若尔盖高原天然草原退牧还草工程和防沙治沙工程的主要措施及成果

数据来源于阿坝统计年鉴(2001—2016)、甘南统计年鉴(2001—2016)、四川统计年鉴(2001—2016)和甘肃统计年鉴(2001—2016)，优先选择阿坝统计年鉴和甘南统计年鉴，并用国民经济和社会发展统计公报数据进行补充。

生态恢复政策使草地得到有效保护，促进沙地向草地的转变。2000年若尔盖高原沙地面积为51.84 km2，至2015年新增10.11 km2，其中若尔盖县沙地面积新增最多，达9.57 km2。相关统计数据(表2)显示，若尔盖县沙化治理最早， 对沙地及沙化草地治理主要集中于研究时段前期(2000—2010年)，2000—2010年沙化速度(0.38 km2·a-1)小于2010—2015年沙化速度(1.15 km2·a-1)，表明防沙治沙措施短期内发挥了一定作用，使得沙地扩张速度减缓，但并没有逆转环境恶化趋势。

4 讨论

土地利用动态变化与人类活动及政策实施密切相关，人口增长与城市化会增加对不同土地利用类型的需求，给有限的土地资源带来巨大压力[18]。2000—2015年，若尔盖高原人口增加7.01万人，GDP增长50.78亿元。人口的增长和经济的发展(旅游业的发展、农业劳动力进入城市地区)，导致城镇扩张，城镇的扩展及基础设施的建设会占用周边耕地、湿地和草地，从而使耕地、湿地和草地面积减少，对湿地和草地退化产生一定影响[2-3,8,19]。与2000年相比，2015年建设用地新增105.27 km2，其中2010—2015年建设用地面积增加81.85 km2，新增建设用地主要来自草地、耕地和湿地。2010年之后，建设用地扩张速度较快，这与国家大开发战略推动西部加快发展有一定关系[19]。近年来，对湿地采取筑坝保水、建立自然保护区、实施草原法和实行国家生态功能区划等生态保护措施，有效减缓了湿地退化速度[10,13,20]，但受气候暖干化、人口和牲畜数量增加、第三产业(主要是旅游业)发展的影响，湿地退化形势依然严峻[8-9]。生态保护与修复政策的实施使得若尔盖高原2010年之后的湿地面积有所增加[2,10]，其中若尔盖县和玛曲县在2010—2015年间湿地面积增加明显[2,21]。气候变暖变干可能会导致湿地形成草地，甚至进一步形成沙地或裸地，但影响相对较小[10]。建设用地主要影响因素是社会经济与人口，湿地面积增加的主要影响因素是生态恢复工程，其次是人口与社会经济、气候变化；湿地和建设用地的面积变化与SHEN等[2]、LI等[10]和游宇驰等[11]对其研究结果一致。此外，笔者研究表明耕地面积减少，与SHEN等[2]对耕地的研究结果相反，这可能是由于空间分辨率、数据源、方法和分类系统的不同，不同土地利用产品之间存在很大的不确定性和差异等原因，从而使同一土地类型土地利用面积变化的定量测算存在一定程度的不确定性和误差[1,3]。增加的草地面积主要由湿地转化而来，这与LI等[10]研究中减少的湿地主要转化为草地的结果一致。

若尔盖高原的沙化始于湿地和草地的退化，造成沙化的自然条件和其他因素因地而异，因此沙化程度表现出区域差异[22]。玛曲县沙地面积最大，其次是若尔盖县，碌曲县最小。受研究区地理位置及气候影响，牦牛和藏羊等大型动物及其副产品是当地主要收入来源，随着经济的快速发展和人类生活水平的提高以及人口的持续增长，对畜产品的需求增加，从而导致牲畜数量增加，进而导致草地退化，沙地面积增加[9,23-24]。若尔盖县和红原县均存在超载过牧问题，且若尔盖县超载率逐年升高[10,13]。近年来，若尔盖县实行人工种草、围栏封育等措施，使沙化趋势得到缓解，但并没有扭转沙化扩张趋势[25]。红原县也实行退牧还草和生态奖补等政策，以缓解草场畜牧压力[26]，仅使得2000—2010年沙地面积保持相对稳定。政策的实施虽然取得一定成效，但由于该区域人口增长、人工沟渠排水和过度放牧等原因，实施防沙治沙工程只减缓沙地扩张速度，沙地面积仍呈增加趋势[20,27]。生态保护规划、建设及生态工程政策，使得若尔盖高原的湿地、草地退化和沙地扩张趋势得到遏制，但生态环境恶化状况并未扭转[28]。因此，未来政策的实施应充分考虑实施期限、面积及区域的特殊性，加强对人类活动(包括放牧、旅游等)的科学管理。此外，由于政策对土地利用变化的影响难以准确量化[29]，笔者研究分析了若尔盖高原各县长期实施的生态恢复工程及其政策与土地利用变化的定性关系，没有定量化评估影响因素各自贡献率，这可能会对土地利用类型转变的解释带来一定的不确定性。

5 结论

基于2000、2010和2015年30 m分辨率的土地利用数据，结合气象数据、人口密度、社会经济和生态恢复工程数据，解析了气候变化、人类活动对若尔盖高原土地利用时空变化特征的影响，得出以下结论：

(1)若尔盖高原15年间的土地利用变化显著，其中建设用地、草地和沙地面积分别增加105.27、37.29和10.11 km2，湿地和耕地面积分别减少129.57和17.80 km2。

(2)若尔盖高原湿地主要转变为草地，而沙地面积呈持续增加趋势，主要来源是草地和湿地退化。各县土地利用主要转变类型存在差异，2000—2010年，红原、阿坝和若尔盖县湿地主要转变为草地，碌曲县草地主要转变为灌丛；2010—2015年，红原、阿坝、若尔盖和碌曲县草地主要转变为建设用地，玛曲县裸地主要来自湿地退化。

(3)生态恢复工程使若尔盖高原15年间林地和灌丛面积保持相对稳定，是湿地面积增加的主要因素；人口与社会经济是建设用地增加的主要因素，气候变化是若尔盖高原土地利用变化的次要影响因素。人口增长与经济发展促使高寒牧区畜牧业发展是若尔盖县和红原县沙地增加的主要因素。