1992—2017年托木爾峰國家級自然保護區土地利用-覆被變化及其動態1)

趙景啟 滿蘇爾·沙比提 艾克旦·依薩克 阿曼尼薩·庫爾班

(新疆師范大學，烏魯木齊，830054)

土地是人類賴以生存與發展的重要資源。土地利用-覆被變化是自然、社會以及人為等諸多因素共同作用的結果，是地球自然生態系統對人類活動影響最直接的表現形式[1-3]。土地利用-覆被變化表征該地區環境的好壞，揭示人類活動對環境的影響，深刻影響著地表輻射收支與水氣交換等過程，對區域乃至全球生態環境、氣候變化、水文水資源時空分配產生重大影響。因此，研究土地利用-覆被變化對改善人與自然間的和諧關系具有重要的意義[4]。

目前，國內外學者對土地利用-覆被變化已經開展了大量的研究并取得了豐富的研究成果。田春艷等[5]通過對天山北麓地區土地利用類型及動態度研究發現，1976—2017年天山北麓地區土地利用類型轉換復雜，城鄉建設用地土地利用動態度逐年增加，耕地的土地利用動態度呈先增加后減少的趨勢，草地和水域呈先減少后增大的變化趨勢；1976—2017年城建用地面積增加610.33%，耕地面積增加79.75%，草地面積增加46.32%，林地面積減少61.15%。付建新等[6]對祁連山南坡土地利用變化及其驅動力進行了分析，認為1980—2018年草地是研究區土地利用類型的主體，建設用地所占比重最小，水域、草地表現為下降趨勢，未利用土地、建設用地和耕地均呈現增長態勢，林地變化較小；不同地類單一土地利用動態度從大到小依次為：建設用地、水域、耕地、未利用土地、林地、草地，綜合土地利用動態度為0.9%；土地利用變化驅動力主要為人口數量、科技、城市化、經濟發展水平和政策。趙志平等[7]利用遙感影像對秦嶺地區土地利用-覆被情況進行解譯，秦嶺地區土地利用-覆被主要類型為落葉闊葉林，其次為耕地，針葉林、針闊混交林、灌叢、水體濕地和居民地與建設用地面積較??；圍繞耕地的人類活動是該區土地利用-覆被變化的主導因子，溫度和降水量變化也是該區土地利用-覆被和植被覆蓋狀況變化的驅動因子。

托木爾峰國家級自然保護區位于新疆阿克蘇市溫宿縣，是我國高山自然保護區之一，其生態環境的優劣直接關系到其下游地區數萬人的生態安全[8-11]。托木爾峰國家級自然保護區作為天山山脈的重要組成部分，土地利用變化作為環境變化的重要影響因素，加強托木爾峰國家級自然保護區土地利用-覆被研究對維護天山生態平衡與安全方面具有重要作用。目前，關于土地利用-覆被的研究在全球普遍存在，但研究多集中于人口集聚度較高的濕潤地區，而對干旱內陸地區土地利用-覆被的關注相對較少。因此，以托木爾峰自然保護區為研究對象，應用托木爾峰自然保護區1992年、1997年、2010年與2017年的遙感影像作為數據來源，對該區域土地利用-覆被變化過程進行分析，以期為該自然保護區的有效保護提供技術支持。

1 研究區概況

天山托木爾峰國家級自然保護區位于南天山科克莎爾山與子午嶺相匯的山結處，地理坐標為(79°50′～80°54′E，41°40′～42°4′N)，總面積為3 445.85 km2，屬森林生態系統類型自然保護區。該地區氣候干燥，晝夜溫差大，年內降水分配不均勻，年降水量300 mm左右，屬于溫帶大陸性半干旱氣候。自然保護區垂直高差約6 000 m，發育了從暖溫帶到冰雪帶7個垂直自然帶譜[12-13]。托木爾峰國家級自然保護區內受保護的高等植物382種，有雪蓮花(Saussureainvolucrata(Kar. et Kir.) Sch.-Bip.)、高山黃芪(Astragalusalpinus.L.)等代表性植物；野生動物主要包括陸棲脊椎動物77種，隸屬13目28科73屬；昆蟲1 000余種。該保護區也是木扎爾特河、大庫孜巴依河、小庫孜巴依河、大臺蘭河、小臺蘭河、塔克拉克河和阿托依那克河等內陸河水系的發源地，是新疆重要的水源補給地[14-15]。

2 研究方法

2.1 數據來源

本研究使用的數據為1992年、1997年、2010年和2017年的Landsat TM/ETM+遙感影像，成像時間均為當年的8—9月份，分辨率為30 m，且云量均不超過10%，所有影像均經過大氣校正等預處理。以該保護區的地形圖及實地考察資料作為輔助資料，運用ENVI軟件對遙感影像進行合成與幾何校正，并利用研究區范圍進行裁切。

2.2 土地利用類型分類

本研究以自然資源部最新的國家土地利用分類標準為依據，同時結合托木爾峰國家級自然保護區的實際情況，將保護區土地利用類型劃分為草地、林地、冰川與水體、裸地等4類(如圖1)，總體精度較高，滿足土地利用變化研究的需要。并對土地利用類型進行編碼，將草地、林地、冰川與水體和裸地依次賦值1、2、3、4。

圖1 托木爾峰國家級自然保護區土地利用分類

2.3 土地利用變化及土地利用轉移矩陣

利用Arcgis軟件，將前后兩期土地利用數據進行疊加，將初期與末期的土地利用編碼分別作為十位數與個位數，進而生成4期(1992—1997、1997—2010、2010—2017及1992—2017年)具有兩位數編碼的土地利用變化圖[16](見圖2)。同時，通過對新生成的4期土地利用變化圖進行柵格計算，進而獲得4期土地利用轉移矩陣。

圖2 托木爾峰國家級自然保護區土地利用變化

轉移矩陣是國內外通用的一種能夠定量反映土地利用類型間變化方向的工具，可以全面且具體地反映區域土地利用變化的結構特征與各用地類型變化的方向[17]，通過對一定時間內研究區土地利用類型轉移矩陣的分析，可以更好的觀察該研究區土地利用類型變化情況。其數學表達式為：

式中：Sij表示第i種土地利用類型轉變為第j種土地利用類型的面積；i、j分別為研究初期與末期的土地利用類型；n為土地利用類型的數目(本文n=4)。

2.4 土地利用-覆被類型單一動態度

土地利用-覆被單一動態度可以反映研究區域一定時間范圍內特定土地利用-覆被類型的數量的變化程度，可以定量描述該時間段內某種土地利用類型的變化速度[18-19]。其計算公式為：

式中：K表示研究時段的某種土地利用-覆被的單一動態度；Ua、Ub分別表示研究初期與末期的某種土地利用-覆被的面積；T所表示的是研究時段長度(當T的表示為年時，K值所表示的就是研究區此土地類型的年變化率)。

土地利用-覆被單一動態度(K)的正負可以表征土地利用類型的增減，當K值大于0時，代表該時間段內該種土地利用類型呈增加趨勢，否則是減少趨勢。

2.5 土地利用-覆被類型綜合動態度

土地利用-覆被類型綜合動態度可以從整體上度量其動態變化的大小程度[20]，其綜合動態度越大，表明該類土地面積變化趨勢越明顯，變化程度越劇烈。其計算公式為:

式中：LC為綜合土地利用類型動態度；LCi為研究初期第i類土地利用類型的面積；ΔLCi-j為研究時段內第i類土地利用類型轉為其他土地利用類型(j)面積的絕對值；T為研究時段。

土地利用-覆被綜合動態度(LC)體現了空間變化的劇烈程度，其值越大，表明研究區內土地利用-覆被變化的面積越大，空間變化程度也越大。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構及數量變化分析

由表1可知，托木爾峰國家級自然保護區土地利用類型以冰川與水體為主，其次是裸地、草地、林地。1992—2017年，草地總體呈增長趨勢；林地略有增長，但增長不大；冰川與水體亦呈增長趨勢；僅裸地呈減少趨勢。

表1 1992—2017年托木爾峰國家級自然保護區土地利用類型面積及比例

由表2可知，1992—2017年，草地經歷了“增加—減少—大幅增加”3個階段，2010—2017年間增加比例高達43.75%，25 a內共增加40.74 km2。1992—2010年林地均呈增長趨勢，2010年后呈減少趨勢，總體變化幅度不大，趨于穩定，25年內僅增加2.51 km2；冰川與水體變化趨勢與林地相似，總體亦呈增長趨勢，共增加了299.42 km2；裸地呈“減少—減少—略微增加”的趨勢，總體減少了342.68 km2?？傮w來說，草地增長幅度最大，增長比例為34.33%；減少幅度最大的是裸地，減少了24.98%。

表2 1992—2017年托木爾峰國家級自然保護區土地利用類型數量變化

3.2 土地利用-覆被矩陣分析

土地利用轉移矩陣能夠全面、具體地揭示土地利用類型變化過程中的細節特點，可以細致的刻畫區域土地利用變化的結構特征與各用地類型的變化方向，能夠揭示土地利用類型轉換的數量、來源以及去向[21]。

通過對托木爾峰國家級自然保護區土地利用類型變化圖進行柵格計算，進而得到保護區土地利用轉移矩陣(見表3～6)。

由表3可知，1992—1997年內，轉入最多的是冰川與水體，共由其他類型轉入204.89 km2，其次是裸地、草地、林地，其轉入面積分別為98.70、31.89、22.59 km2。轉出部分最多的是裸地，共轉為其他土地類型239.66 km2，其次是冰川與水體、草地、林地，其轉出面積分別為89.06、16.67、12.68 km2。

表3 1992—1997年托木爾峰國家級自然保護區土地利用轉移矩陣 km2

由表4可知，1997—2010年間，草地、林地、冰川與水體、裸地依次轉入18.14、27.29、310.48、107.31 km2；依次轉出41.14、18.23、74.96、328.89 km2。

表4 1997—2010年托木爾峰國家級自然保護區土地利用轉移矩陣 km2

由表5可知，2010—2017年內，草地轉出了9.10 km2，轉入了57.62 km2，總體面積有所增加；林地轉出了33.45 km2，轉入了16.99 km2，總體面積減少；冰川與水體轉出了220.30 km2，轉入了168.38 km2，總面積亦呈減少趨勢；裸地轉出了207.61 km2，轉入了227.47 km2，總體呈增加趨勢。

表5 2010—2017年托木爾峰國家級自然保護區土地利用轉移矩陣 km2

由表6可知，托木爾峰國家級保護區25年內最主要的土地利用變化類型是裸地的轉出以及冰川與水體的轉入。轉出部分由高到低分別為裸地(438.69 km2)、冰川與水體(86.01 km2)、林地(22.01 km2)、草地(17.62 km2)，其中裸地主要轉化為冰川與水體，其轉出面積為379.30 km2。轉入部分由高到低依次為冰川與水體、裸地、草地、林地，其轉入面積分別為385.43、96.01、58.36、24.52 km2，冰川與水體的轉入亦主要來源于裸地。其中，裸地轉出面積大于轉入面積，裸地面積減少；冰川與水體、林地、草地轉出面積均小于轉入面積，三者土地利用類型均有所增加，其中冰川與水體增加面積最大，其次是草地，林地轉入面積與轉出面積相差不大，總體略有增加。

表6 1992—2017年托木爾峰國家級自然保護區土地利用轉移矩陣 km2

3.3 土地利用-覆被動態度分析

由表7可知，1992—1997年土地利用-覆被單一動態度的絕對值林地最大，其次是草地、裸地、冰川與水體，其中僅有裸地為負值，整體呈減少趨勢。1997—2010年土地利用-覆被單一動態度的絕對值由大到小依次為：裸地、草地、冰川與水體、林地，其中，草地與裸地呈減少趨勢，其余土地類型呈增加趨勢。2010—2017年土地利用-覆被變化由快到慢依次是草地、林地、冰川與水體、裸地，草地與裸地其K值為正，其余土地利用類型K值為負。1992—2017年，草地、林地、冰川與水體均呈增加趨勢，僅裸地減少，其單一動態度由大到小依次為：草地、裸地、冰川與水體、林地。

表7 托木爾峰國家級自然保護區土地利用-覆被單一動態度

由表8可知，1992—1997年，托木爾峰國家級自然保護區土地利用-覆被綜合動態度由大到小依次為：林地、草地、裸地、冰川與水體；1997—2010年保護區土地利用-覆被變化速度由快到慢依次為林地、草地、裸地、冰川與水體；2010—2017年保護區土地利用-覆被綜合動態度由大到小依次為草地、林地、裸地、冰川與水體。1992—2017年，保護區土地利用-覆被綜合動態度草地最大，其次是林地、裸地，冰川與水體最小。

表8 托木爾峰國家級自然保護區土地利用-覆被綜合動態度

4 討論與結論

土地利用-覆被變化一直是國內外研究的重點方向，利用遙感影像數據進行土地利用-覆被的研究具有更加便捷、高效及成本低等優點[22]。本研究以1992年、1997年、2010年和2017年遙感影像作為其主要數據來源，對托木爾峰國家級自然保護區土地利用-覆被變化情況進行分析。研究表明，1992—2017年的25年內，草地、冰川與水體面積均有所增加，草地增加比例高達34.33%，冰川與水體增加量最大，增加面積高達299.42 km2，但是基于冰川與水體基數較大，故增加比例僅達到15.94%；林地經歷了增加—增加—大幅減少三個階段后，總體略有增長，但增加幅度不大；裸地大幅減少，共減少了342.67 km2，這與滿蘇爾·沙比提等[23]學者的研究結論基本一致。

土地利用-覆被變化是自然因素與人類活動綜合作用的結果[24]，自然因素對土地利用-覆被的影響具有長期性，人類活動可以在短期內快速改變土地利用-覆被類型。近年來，西北干旱區氣候呈現出暖濕化的趨勢，保護區暖濕化亦十分嚴重[25-26]。溫度的升高，降水的增多，這對草地與林地的發育具有一定的促進作用，故草地與林地面積均有所增加。同時，托木爾峰保護區自2003年晉升為國家級自然保護區以來[23]，管控力度加大，并進一步實施退耕還林、還草政策，這對草地、林地面積的增加亦有一定的影響。降水的增多使原來未利用的裸地土壤條件變好，有利于植被(草類)的增長，因此，裸地面積不斷轉移成為其他土地利用類型，裸地面積大幅度減少。冰川的變化與氣溫、降水量及其組合關系均有一定的關系[27-28]，隨著溫度的上升，冰川雖有一定量的消耗，但冰雪融水匯入水體，其冰雪融水所增加的面積必定大于冰川消融減少的面積，進而導致水體面積的增大；同時，近年來托木爾峰國家級自然保護區呈暖濕化趨勢[26]，保護區降水量總體呈增加趨勢，降水量的增多對冰川具有一定的補給作用，可以增加其冰川積累量，對其面積與體積的增大有促進作用，故總體來說冰川與水體的面積亦呈增加趨勢。

1992—2017年，托木爾峰自然保護區草地總體呈增長趨勢，林地略有增長，冰川與水體亦呈增長趨勢，裸地呈減少趨勢。1992—2017年，托木爾峰自然保護區冰川與水體增長量最大，共增長了299.42 km2，裸地減少量最大，共減少了342.67 km2；草地增長幅度最大，增長比例高達34.33%，減少幅度最大的是裸地，減少了24.98%。托木爾峰國家級自然保護區25年內最主要的土地利用變化類型是裸地的轉出以及冰川與水體的轉入。轉出部分由高到低分別為裸地、冰川與水體、林地、草地，其中裸地主要轉化為冰川與水體，其轉出面積為379.301 km2。轉入部分由高到低依次為冰川與水體、裸地、草地、林地，冰川與水體的轉入亦主要來源于裸地。托木爾峰國家級自然保護區土地利用-覆被單一動態度草地最大，林地注銷；綜合動態度草地最大，冰川與水體最小。