基于地形特征分異的土地利用分布研究
——以珠穆朗瑪峰國家級自然保護區為例

石運杰, 蔡 葵, 吳文春, 徐婭楠, 李珂羽, 拉巴次仁, 拱子凌

(1.云南大學 地球科學學院, 昆明 650500; 2.云南大學 經濟學院, 昆明 650500;3.珠穆朗瑪峰國家級自然保護區管理局, 西藏 日喀則 857000; 4.珠峰雪豹保護中心, 西藏 日喀則 857000)

土地資源是承載人類發展的基石，也是人類使用、保護和改造的對象[1]。在當前生態文明建設和鄉村振興戰略大背景下，土地資源分布和利用的研究為土地資源的再分配和可持續利用提供了重要依據。受海拔、坡度等自然條件的影響，不同地域的土地利用呈現出地域分異特點[2-3]。不同的高程和坡度因子組合，會產生不同的土地利用類型，作物種類和種植方式及水資源利用方式等也有很大差異，而我國東西部巨大的地形差異，也導致了不同區域各自不同的土地利用特點，社會經濟發展也受到極大影響[4-6]。目前，在土地利用類型的地形梯度效應研究方面，我國學者對中、低海拔區域的研究較為豐富，以土地利用變化、地形分布關系等方面為主開展研究[4,7-9]，并且較為準確地發現了土地利用在地形因子作用下的分布規律，但是缺少對青藏高原地形第一階梯高海拔區域的研究和探討。

珠穆朗瑪峰國家級自然保護區(以下簡稱“珠峰自然保護區”)位于青藏高原西南部，受印度洋暖濕氣流影響，擁有階梯式垂直生態系統和多種地貌地形的極其復雜的現代地表形態，其顯著的特點是高差巨大，地形起伏明顯，土地利用格局受地形因素影響較大。保護區目前生活著約10.6萬農牧民，區內社區土地利用和生態保護矛盾初顯[10-15]，了解掌握土地利用的地形梯度分布就顯得尤為關鍵。因此，本文以珠峰自然保護區2017年土地利用為研究對象，通過研究土地利用在地形上的分布變化特征，探究各土地利用類型在各地形因子上的空間分布規律，以期為保護區協調土地利用與生態保護提供一些基礎參考。

1 研究區概況

珠峰自然保護區位于西藏自治區西南部，與尼泊爾王國接壤，其坐標為北緯27°48′—29°12′，東經84°27′—88°21′，包括吉隆縣、聶拉木縣、定日縣和定結縣，保護區成立于1988年、1994年升級為國家級自然保護區，2004年2月加入聯合國教科文組織(UNESCO)“世界人與生物圈保護區網絡”。保護區總面積3.38萬km2，平均海拔4 961 m，擁有世界屋脊珠穆朗瑪峰在內的5座8 000 m級高山，也擁有獨特的山脈下切河谷谷地，最低處1 440 m，相對高差超過7 400 m。垂直階梯式的極高山生態系統、原始山地森林生態系統、半干旱荒漠灌叢和草原生態系統組成了以高喜馬拉雅山脈和藏南分水嶺為骨架，以高原湖盆、寬谷為基底，并含有河流、湖泊、冰川、冰緣、風沙等多種地貌地形的極其復雜的現代地表形態。形成了保護區多樣的土地覆被類型，也造就了獨特的土地利用方式。目前，保護區內大約存在310個社區居民點，分布在海拔4 800 m以下區域，不同海拔社區氣候環境和資源種類不同，土地資源利用有著顯著差異。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據獲取與處理

本文使用的遙感數據是美國陸地衛星Landsat-8的陸地成像儀(Operational Land Imager,OLI)中的多波段數據，來源于美國地質調查局USGS網站(https:∥earthexplorer.usgs.gov)，OLI數據具有較高的影像質量，能夠滿足土地利用分類與解譯。本研究選取景號為139/040，139/041，140/040，140/041，141/040，141/041，獲取日期為2017年3月的Landsat-8影像作為數據源。在分類前，以ENVI 5.3作為圖像預處理軟件，對獲取的影像按序進行輻射定標、FLAASH大氣校正、影像拼接及裁剪。參考的高分辨率影像來自91衛圖助手平臺(www.91 weitu.com)。DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http:∥www.gscloud.cn)30 m分辨率的DEM數據，借助ArcGIS 10.5通過DEM數據進行坡度和地形位的計算提取。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用分類與解譯 以Landsat-8 OLI數據為數據源，運用非監督分類與人機交互式解譯的方法進行土地利用信息提取。通過高分辨率影像對解譯后的數據進行檢查修正，得到珠峰自然保護區2017年土地利用現狀數據(表1)。在ArcGIS 10.5中使用軟件內置工具采用分層隨機法在研究區域內生成1 000個隨機采樣點，利用91衛圖助手平臺中Google Earth高清影像作為參考進行人工檢視，對比自動分類算法與人工檢視判斷結果，得到解譯精度為85.80%，Kappa系數0.82，滿足研究的需要。土地利用現狀數據的分類參照第二次全國土地調查[16]和第三次全國土地調查[17]的分類體系，根據珠峰自然保護區特殊地理地貌特征，將保護區土地利用類型劃分為耕地、草地、林地、水域、冰川及永久積雪、建設用地和裸地7大類。

表1 珠峰自然保護區2017年各地類面積及比例

2.2.2 高程分級 珠峰自然保護區位于青藏高原，擁有珠穆朗瑪峰等8 000 m級高山，相對高差超過7 400 m，根據實地調查情況分析，保護區內以高程3 900 m為分界線的兩個區域土地覆被有顯著差異，且在高程3 900～5 600 m土地利用類型變化較大，高程5 600 m以上區域土地類型單一。因此，本研究使用30 m分辨率的DEM數據，在高程區間為1 440～8 844 m(圖1)，將研究區依次劃分為6個高程等級(表2)。

圖1 珠峰自然保護區高程

表2 高程分級

2.2.3 坡度分級 借助30 m分辨率的DEM數據，在ArcGIS 10.5中生成珠峰自然保護區坡度數據(圖2)。參考第二次和第三次全國土地調查中的耕地坡度分級標準[16-17]，結合珠峰自然保護區特殊的地形地貌特征，將研究區依次劃分為6個坡度級(表3)。

圖2 珠峰自然保護區坡度

2.2.4 地形位指數及分級 地形位(terrain niche)是反映高程和坡度綜合影響的地形因子，高程越大，坡度越大，地形位指數就越大，反之則越小，計算公式為[1-2]：

T=ln[(E/E0+1)×(S/S0+1)]

(1)

式中:T為地形位;E，S分別為某點的高程(m)和坡度(°);E0，S0分別為該點所在區域的平均高程(m)和坡度(°)。

表3 坡度分級

針對珠峰自然保護區地形位特征(圖3)。本研究采用等數量重分類法[18]對地形位指數0.336～2.502進行分級，以0.361為等級間隔分級，分別代表6個地形位級別(表4)。

圖3 珠峰自然保護區地形位

表4 地形位分級

2.2.5 分布指數 分布指數(distribution index，DI)可以反映不同土地利用各組分在地形梯度上的分布狀況，其中，DI>1時，土地利用類型呈現優勢分布，DI<1時，呈現出劣勢分布，優勢度隨著DI值增大而提高，反之則劣勢度提高。其公式為[1,19]：

DI=(Aij/Ai)/(Aj/TA)

(2)

式中:DI為分布指數;j為地形因子;Aij為j地形因子某等級下i種土地利用組分的面積;Ai為研究區內第i種土地利用組分的總面積;Aj為研究區內j地形因子某等級的總面積;TA為研究區總面積。

3 結果與分析

3.1 基于高程分異的土地利用分析

3.1.1 不同高程級的土地利用分布 從圖4可以看出，珠峰自然保護區各高程級別上各土地利用分布指數差異較為明顯。在高程低級內，耕地、林地、建設用地分布指數大于1，耕地和建設用地值較大，林地接近26，因此，林地占絕對主導地位，人類對土地的利用強度較大；在高程較低級內，除冰川及永久積雪的分布指數為0外，其他地類的分布指數均超過1，因此人類活動較強，各地類的空間分布競爭大，土地利用強度大；在高程一般級內，草地、水域和裸地的分布指數大于1，自然類型地類分布占主導，土地利用強度較低；在高程高級內，只有草地的分布指數大于1，草地分布占主導，人類活動影響極小；在高程較高—極高級內，冰川及永久積雪的分布指數大于1，其他地類分布指數都較小，因此這兩個高程級內主要分布為冰川及永久積雪，人類活動直接影響極其微弱。綜上所述，珠峰自然保護區內各高程等級的地類分布具有一定的規律，土地利用強度高，人類活動影響大的區域主要集中在4 500 m以下的低高程級，尤其是在3 900～4 500 m高程級內更加顯著，隨著高程級的升高，土地利用強度逐漸減弱。

圖4 珠峰自然保護區不同高程級下的土地利用分布指數

3.1.2 土地利用垂直帶譜分析 由圖5可知，珠峰自然保護區土地利用類型分布呈現出一定的垂直分異規律。隨著高程的升高，依次交錯分布著林地、耕地、建設用地—耕地、水域、建設用地—草地、水域、裸地—草地、裸地、冰川及永久積雪—冰川及永久積雪。林地隨高程的升高呈現顯著減少趨勢，耕地、建設用地、草地、裸地和水域隨高程的升高先增加后減少，而冰川及永久積雪隨著高程增高逐漸增加。其中，基帶為高程1 440～3 900 m的低海拔帶，由于受印度洋暖濕氣流的強烈影響，氣候溫暖濕潤，主要類型為林地；高程3 900～4 500 m范圍內，由于處在降水過渡帶，加之人類活動相對頻繁，土地類型較為豐富，耕地和建設用地比例較高；水域主要分布在4 500～4 800 m范圍內；在高程3 900～5 200 m范圍內，氣候變得寒冷，草地、裸地成為主導地類；高程5 200 m以上逐漸接近雪線，冰川及永久積雪成為絕對優勢地類。

圖5 珠峰自然保護區土地利用垂直帶譜

3.2 基于坡度分異的土地利用分析

3.2.1 不同坡度級的土地利用分布 從圖6的變化趨勢看，珠峰自然保護區各坡度級土地利用分布狀況具有一定的規律。在坡度低級中，人類活動的干擾大，土地利用強度大，耕地和建設用地分布指數均超過3，與水域、裸地一同成為此級別內的優勢地類；在坡度較低級中，人類活動的干擾有較大幅度的下降，耕地和建設用地分布指數均降低到2以內，但仍然表現出絕對優勢分布狀態；在坡度一般級中，自然類型地類逐漸占據主導，人類活動影響持續減弱，土地利用強度逐漸降低，草地成為優勢地類；在坡度高級—極高級中，林地和冰川及永久積雪的分布指數持續上升且均大于1，自然地類成為絕對主導。由此可以發現，珠峰自然保護區高強度的土地利用方式主要集中在<15°的平地和緩坡區域，自然地類則主要分布在>15°的陡坡區域。

3.2.2 土地利用在坡度帶的分布格局 根據圖7可知，珠峰自然保護區土地利用隨坡度的變化呈現較為復雜的分布特點。由坡度低級到高級依次交錯分布著耕地、水域、建設用地—耕地、草地、裸地、建設用地—耕地、草地、林地、裸地、冰川及永久積雪、建設用地—草地、林地、裸地、冰川及永久積雪—草地、林地、冰川及永久積雪。其中，水域多處于5°以下地形平坦區域，建設用地、耕地和裸地主要分布于在0°～15°帶內；草地分布的坡度范圍跨度較大，以15°～35°帶為主；25°以上地形陡峭帶，林地為優勢地類，分布范圍較大，冰川及永久積雪的分布帶與林地相似。

圖6 珠峰自然保護區不同坡度級下的土地利用分布指數

圖7 珠峰自然保護區土地利用在坡度帶的分布

3.3 基于地形位分異的土地利用分析

3.3.1 不同地形位級的土地利用分布 由圖8可知，珠峰自然保護區各地形位級別內各土地利用分布指數差異顯著。地形位低級內，耕地、水域、建設用地分布指數超過1，耕地和建設用地分布指數均大于4，水域最大達到了31.64，因此，在該地形位級別內水域占絕對主導地位，人類活動對土地利用的影響也較大；在地形位較低級內，耕地和建設用地的分布指數在3左右，屬于主導地類，裸地、水域和草地的分布指數為1～2，也處于較為優勢的分布地位，因此，地形位較低級內不僅存在相對強度較大的土地利用活動，自然地類的分布也相對集中，且易受人類土地利用活動的影響；在地形位一般級內，各地類的分布指數相對集中，草地、裸地和冰川及永久積雪的分布指數在1附近，為優勢分布地類，以自然類型地類分布為主，土地利用強度較低；在地形位高—極高級內，林地和冰川及永久積雪的分布指數均大于1，林地占主導地位，冰川及永久積雪也處于優勢分布狀態，人類活動影響極小，土地利用強度極低。綜上所述，珠峰自然保護區內各地形位級別的地類分布呈現出如下特點：土地利用強度高，人類活動影響大的區域主要集中在地形位指數0.336～1.058范圍內，耕地、建設用地分布優勢較大；受人類活動影響大的地類向自然地類轉變的區域主要在地形位指數1.058～1.419范圍內，屬于過渡區域，各類型地類分布相對均勻；地形位指數在1.419～2.502范圍內，優勢地類主要為林地和冰川及永久積雪，人類活動影響微弱。

圖8 珠峰自然保護區不同地形位級下的土地利用分布指數

3.3.2 土地利用在地形位帶的分布特點 從圖9可知，珠峰自然保護區土地利用類型在地形位上的分布交錯復雜。其中，從低級帶向上發展，其主導地類基本分布規律為：水域—耕地、建設用地—耕地、草地、裸地—林地、草地、冰川及永久積雪—林地、冰川及永久積雪。其中，水域以低地形位帶分布為主；耕地和建設用地分布狀況類似，主體分布于0.697～1.058帶；草地、裸地的優勢帶主要為0.697～1.780范圍內；林地、冰川及永久積雪分布范圍主要集中于1.419～2.502的高地形位帶，并在1.780地形位帶以上為主導地類。

4 討 論

青藏高原是我國乃至亞洲的重要生態屏障，處于特殊的研究地位[20]。從本研究可以看出，珠峰自然保護區土地利用受地形因子的影響大。與中低海拔地區相比，該地區生態環境更加脆弱敏感，一旦土地覆被遭到破壞，將會嚴重影響到當地的生態安全，威脅保護區的生物多樣性保護。目前保護區內各地形級別上土地利用格局相對穩定，自然地類占絕對主導地位，但是人類活動對土地利用結構已經產生了較大影響，在保護區地廣人稀的土地上，尤其是高程較低、坡度平緩、地形位指數低的區域，耕地和建設用地的開發和利用已經出現了對自然覆被的侵蝕現象，如不進行合理管理，將對生態環境產生不利影響。

圖9 珠峰自然保護區土地利用在地形位帶的分布

無論是自然土地類型還是人類活動干擾較大的土地利用類型的分布，地形因素在其中都起到重要的推動作用。因此，從保護區層面出發，應在地形要素分析基礎下開展土地資源利用和管理，尤其是在保護區人類活動密集區，要因地制宜，從生態保護的角度優化配置土地資源，合理利用草地資源，保護冰川、濕地和森林。在協調當地社區生計發展過程中，更要綜合考量經濟、社會和生態特征，探討既能充分發揮社區土地經濟和社會功能，又能保護當地生態環境的土地利用方式。

本研究表明，在保護區各高程帶、坡度帶和地形位帶上，不同地類分布具有顯著差異，而且都表現出了較為明顯的分布規律。一方面，土地利用的規律性可以更加清晰地展現保護區土地利用現狀，對于土地的有效利用和生態利用起到積極的指導作用；另一方面，土地類型的地形分布格局突出表現了人類活動對自然地類的影響程度，為管理決策者生態保護策略的制定提供了基礎參考。進一步針對土地利用的動態過程可開展更深入的探究，在積累一定年限的土地利用數據的前提下，從時間動態變化角度繼續開展相關研究，可為保護區協調土地利用與生態保護提供更加詳實的基礎參考。同時，隨著當前氣候變化的加劇，土地利用多樣化程度的提高，從氣候變化及地形分異相結合的角度分析土地利用狀況，對珠峰自然保護區乃至整個青藏高原的土地合理利用與保護，土地利用變化的追蹤與預測都會起到關鍵的作用。

5 結 論

(1) 研究區不同土地利用類型在不同高程級上分布具有顯著差異，表現出一定的垂直分布規律，且隨著高程級的增加，人類活動對地類的影響程度逐漸減弱。其中，在3 900 m以下的高程級，優勢地類主要為林地、耕地和建設用地，草地、水域和裸地的優勢分布區集中于3 900～5 200 m高程級，5 200 m以上的高程級優勢地類為冰川及永久積雪。隨著高程級的升高，依次交錯分布著林地、耕地、建設用地—耕地、水域、建設用地—草地、水域、裸地—草地、裸地、冰川及永久積雪—冰川及永久積雪。

(2) 研究區不同土地利用類型在不同坡度級上分布不同，并且在坡度級上隨坡度的變化呈現較為復雜的分布特點，高強度土地利用方式主要集中在平地和緩坡區域，低強度土地利用方式則主要分布在陡坡區域。其中，在低于15°的坡度梯度區，耕地、水域、建設用地和裸地為主要優勢地類，草地的主要優勢分布區為15°～35°坡度梯度區，大于35°的坡度梯度區主要優勢地類為林地和冰川及永久積雪。由坡度低級到高級依次交錯分布著耕地、水域、建設用地—耕地、草地、裸地、建設用地—耕地、草地、林地、裸地、冰川及永久積雪、建設用地—草地、林地、裸地、冰川及永久積雪—草地、林地、冰川及永久積雪。

(3) 研究區內各地形位級的土地利用分布呈現出層級性，且在地形位級中表現出復雜性，土地利用強度高，人類活動影響大的地類主要集中于較低地形位指數范圍，受人類活動影響大的地類向自然地類的過渡區主要集中于地形位指數中間范圍，自然地類為優勢地類的區域，地形位指數在較高范圍內。其中，在地形位指數0.336～1.058地形位級，耕地、建設用地、水域和裸地為優勢地類，地形位指數1.058～1.419地形位級，優勢地類為草地和裸地，林地和冰川及永久積雪的優勢分布區集中在地形位指數1.419～2.502地形位級。并且，從低地形位帶向上發展，其主導地類基本分布規律為：水域—耕地、建設用地—耕地、草地、裸地—林地、草地、冰川及永久積雪—林地、冰川及永久積雪。