四川省若爾蓋縣土地利用時空變化研究

甄艷, 吳宗攀, 尹志恒, 楊曉欽, 趙浠昊

四川省若爾蓋縣土地利用時空變化研究

甄艷*, 吳宗攀, 尹志恒, 楊曉欽, 趙浠昊

西南石油大學地球科學與技術學院, 成都 610500

四川省若爾蓋縣是高寒濕地的重要分布區, 區域土地利用變化對生態安全具有重要影響。以2000年、2010年和2019年3期Landsat ETM +遙感影像資料為基礎數據源, 運用土地利用動態度、土地利用轉移矩陣、土地利用程度和人類活動強度模型分析了研究區2000—2019年土地利用時空變化特征。結果表明: 若爾蓋縣土地利用類型以草地、沼澤濕地、林地為主, 三者的面積百分比從2000年的61.66%、22.61%、13.69%變化為2019年的58.42%、21.21%、17.17%。總體上土地利用變化緩慢, 綜合土地利用動態度為0.41%; 土地利用類型中建設用地動態度最大, 為23.53%, 草地、沼澤的動態度較小。沼澤濕地與草地、草地和林地相互之間的轉變是研究時段內主要土地利用轉移方式, 土地轉移總體表現為沼澤濕地向草地轉移, 草地向林地、耕地、建設用地、水域、未利用地轉移。在自然地理條件和經濟社會發展狀況下, 若爾蓋縣三個時期土地利用程度指數分別為177.53、178.07和179.88, 人類活動強度空間分布表現出以低和較低強度為主, 二者所占面積比在95%以上, 表明人類活動對當地生態環境的干擾程度逐漸增加。研究結果可為若爾蓋地區土地規劃利用和濕地恢復工作提供參考依據。

土地利用變化; 轉移矩陣; 土地利用動態度; 人類活動; 若爾蓋縣

0 前言

土地利用/覆被變化(land use/cover change, LUCC)是全球環境變化研究的核心內容[1], 國內外學者相繼開展了大量相關研究。“空間格局”與“時間過程”的集成研究已成為LUCC研究的重點領域[2]。LUCC主要由人類活動或氣候變化引起, “3S”技術對覆蓋變化的監測起到巨大推動作用[3–4]。研究土地利用變化可以合理有效的使用土地資源, 充分發揮土地自身的功能。土地利用變化具有空間性質和時間性質的兩大基本特征, 因此LUCC不僅僅局限于對單一時期的土地利用結構、土地利用方式在空間上的差異及其原因進行探究, 還應在已經形成的土地利用格局的基礎上, 對土地這一復雜系統的動態變化展開研究, 以實現對未來土地發展的預測及優化, 從而實現人類社會與自然的和諧發展。若爾蓋縣是青藏高原高寒濕地生態系統的典型代表, 是長江黃河上游的重要水源涵養區和水土保持區, 也是四川盆地和長江干流的重要生態屏障[5–8]。若爾蓋縣作為我國生態環境敏感區和脆弱區之一, 其土地利用變化直接影響著高寒濕地生態系統服務功能, 關系到長江流域的生態安全。基于此, 本文以若爾蓋縣作為研究區域, 以2000年、2010年和2019年3期Landsat ETM +遙感影像為數據源, 基于GIS空間分析技術, 分析近20年該區域土地利用時空變化特征與發展趨勢, 可為地方生態環境與社會經濟和諧發展、流域生態建設提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

若爾蓋縣地處四川省阿壩藏族自治州的北部, 介于102°08′E—103°39′E, 32°56′N—34°19′N之間, 緊鄰甘肅瑪曲縣、迭部縣、碌曲縣與卓尼縣, 并與阿壩縣、紅原縣、松潘縣、九寨溝縣接壤(圖1)。平均海拔3500米, 主要由西部丘狀高原和東部高山峽谷兩種地貌類型組成, 為高原寒溫帶濕潤季風氣候, 屬于重點開發區若爾蓋草原濕地生態功能區, 是中國生物多樣性關鍵地區和世界高山帶物種最豐富的地區之一, 其天然的濕地生態系統, 使得若爾蓋縣的泥炭資源非常豐富, 使其成為中國殘存面積最大的高原泥炭沼澤濕地。

1.2 數據來源

選取研究區2000年、2010年、2019年3期Landsate ETM+影像為基礎數據源。經ENVI 5.0軟件對遙感影像進行輻射定標、大氣校正、幾何校正、鑲嵌, 以研究區矢量邊界進行裁剪獲得若爾蓋縣3期遙感影像; 采用計算機解譯與人工目視解譯相結合的方法, 對遙感影像進行分類, 經實地驗證解譯精度達91%以上; 利用ArcGIS制作不同時期若爾蓋土地類型圖(圖2), 統一坐標系統為WGS_1984_ UTM_Zone_48N。依據中國土地利用/土地覆蓋遙感監測數據分類系統, 結合研究區的土地資源特征, 將研究區土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地和沼澤濕地[9]。其中本文所使用人口和社會經濟數據來源于該區域相關統計年鑒, 氣象數據來源于中國氣象局科學數據服務共享網(http://www.cma.gov.cn)。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用數量變化

土地利用動態度可定量描述區域某時間段內土地利用變化的速度, 對LUCC的區域性差異及預測未來LUCC 趨勢也有指導意義。包括單一土地利用類型動態度和綜合土地利用動態度兩類[10–11]。單一土地利用類型動態度是研究一定時間內某種土地利用類型的數量變化情況, 可定量描述區域土地利用變化的速度, 公式(1):

圖1 研究區地理位置示意圖

Figure 1 Geographical location of study area

圖2 2000—2019年若爾蓋縣三期土地利用類型分布圖

Figure 2 Land use maps of the Zoige County in three periods between 2000-2019

綜合土地利用動態度用來分析研究時段內土地利用類型間轉移的整體情況, 可反映區域綜合土地利用變化的劇烈程度, 也可用于局部與全區、局部與局部之間綜合土地利用變化的對比, 公式(2):

1.3.2 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣可對一定時序單元內各土地利用類型之間的系統狀態與轉移狀態進行定量描述, 能較為全面地反映土地利用變化的方向與結構特征[12–15], 公式(3):

1.3.3 土地利用程度

用土地利用綜合程度指數分析土地利用變化的生態健康狀況, 反映人類活動對區域土地的影響綜合水平和變化趨勢[16]。劉紀遠等從生態學角度出發, 提出了土地利用程度的綜合分析方法[17], 對研究區土地利用程度綜合指數、土地利用程度變化量進行計算, 其數學模型為:

1.3.4 人類活動強度模型

2 結果與分析

2.1 土地利用/覆被類型變化速度

若爾蓋縣地處青藏高原東北部, 總面積約為10321.32 km2, 受自然海拔和氣候因子的影響, 草地、林地、沼澤濕地是主要的土地利用類型, 三者總面積占研究區總面積96%以上, 構成了高寒植被生態系統的主體。具體來看(表2), 若爾蓋縣草地面積從2000年的6364.40 km2, 減少至2019年的6030.12 km2, 減少了334.28 km2(5.25%); 沼澤濕地面積從2000年的2333.89 km2減少為2019年的2188.98 km2, 減少了144.91 km2(6.21%); 林地面積從2000年的1412.45 km2, 增加至2019年的1772.05 km2, 增加了359.60 km2(25.46%); 未利用地、耕地、水域和建設用地和面積從2000年的66.04 km2、63.98 km2、72.35 km2、8.21 km2分別增加為2019年的71.95 km2、94.51 km2、118.79 km2、44.92 km2, 各自增加了5.91 km2(8.95%)、30.53 km2(47.72%), 46.44 km2(64.19%), 36.71 km2(447.14%)。

從研究區單一土地利用動態度來看(表3), 2000—2010年建設用地的變化最快, 以21.81%年均速率增長, 其次是水域、林地和未利用地分別以6.05%、2.73%和1.07%的年均速率增長。耕地、草地和沼澤濕地分別以1.20%、0.65%和0.15%的年均速率減少。2010—2019年相對而言建設用地和耕地面積變化最快, 單一動態度分別為8.00%和7.54%, 其余地類的單一動態度均小于0.6%, 由此可知在該時段內, 建設用地和耕地的變化較為活躍, 其余地類的變化不大, 較為穩定。2000—2019年全時段內, 建設用地的單一土地利用動態度最大為23.53%, 說明建設用地的變化最為迅速, 這主要是由于研究區內道路面積大幅增長和居民點面積增加。草地和沼澤濕地的動態度較小, 分別為-0.28%和-0.33%。

通過綜合土地利用動態度分析可知(表3), 2000—2010年間的土地利用年變化速度為0.52%, 2010—2019年為0.54%, 后一時段稍微大于前一時段, 說明2000—2010年, 2010—2019年若爾蓋縣土地利用類型在數量上的變化差異較為穩定, 2000—2019年間綜合利用動態度為0.41%, 值小于兩個階段的綜合土地利用動態度, 可知在整個研究區間內若爾蓋縣總體的土地利用變化速度較為緩慢。

表1 不同土地利用類型的建設用地當量折算系數

表2 若爾蓋縣各類土地利用類型面積及占比

表3 若爾蓋縣2000—2019年土地利用變化動態度

2.2 土地利用/覆被類型之間的時空轉移特征

通過轉移矩陣分析(表4—表6), 得出2000—2019年土地利用總體轉移趨勢: 草地凈轉出334.29 km2, 主要轉出為林地578.67 km2和沼澤濕地219.44 km2, 土地利用變化率為14.44%, 其中2000—2010年轉出面積為719.41 km2, 2010—2019年轉出面積為417.38 km2。林地凈轉入359.59 km2, 主要來源于草地的轉入, 土地利用變化率為17.12%, 其中2000—2010年轉入492.87 km2, 2010—2019年轉入223.66 km2。沼澤濕地凈轉出144.90 km2, 主要轉變為草地351.47 km2, 土地利用變化率為16.182%, 其中2000—2010年轉出207.76 km2, 2010—2019年轉出263.23 km2。建設用地凈轉入36.72 km2, 草地轉入的29.01 km2是建設用地增加的主要原因, 土地利用變化率為27.81%, 其中2000—2010年轉入20.31 km2, 2010—2019年轉入27.64 km2。耕地凈轉入30.53 km2, 主要來源于林地29.94 km2和草地18.40 km2的轉入, 土地利用變化率為28.01%, 其中2000—2010年轉入4.91 km2, 2010—2019年轉入51.72 km2。水域和未利用地分別凈轉入46.44 km2、5.91 km2, 二者面積的增加主要來源于草地的轉入, 水域和未利用地土地利用變化率為18.16%、31.81%, 其中2000—2010年水域轉入52.11 km2, 未利用地轉入19.14 km2, 2010—2019年水域轉入34.32 km2, 未利用地轉入17.25 km2。2000—2019年研究區域土地利用類型發生變化的地方面積是1592.97 km2, 占總面積的15.43%, 可見這20年來若爾蓋縣土地利用覆蓋格局變化較為明顯。

2.3 土地利用程度

表4 2000—2010年若爾蓋縣土地利用轉移矩陣

表5 2010—2019年若爾蓋縣土地利用轉移矩陣

表6 2000—2019年若爾蓋縣土地利用轉移矩陣

表7 若爾蓋縣土地利用程度綜合指數

2.4 人類活動強度時空演變特征

根據人類活動強度模型計算得到三個時期若爾蓋縣人類活動強度, 參考已有相關研究和研究區特征, 將若爾蓋縣人類活動強度劃分為低強度帶(HAILS≤3.43%)、較低強度帶(3.43% 38.53%)5個樣帶(圖3),以此來計算各個強度帶面積, 并以2019年各強度帶對應的范圍大小為基準計算2000—2019年各基準范圍內的人類活動強度平均值(表8)。

由圖3和表8可知, 若爾蓋縣高強度、較高強度帶、中強度帶面積占比均較小, 但近20年來面積顯著增加, 2000—2019年各強度帶的平均值呈增加趨勢但增長幅度存在明顯差異, 表明不同時期人類干擾活動的類型和強度也在不斷變化。2000—2010年各強度帶由高強度帶到低強度帶平均值的增加量分別為1.68%、3.58%、1.09%、0.08%、0.07%, 2010—2019對應的各強度帶平均值的增加量分別為6.12%、12.60%、1.49%、0.32%、0.07%, 均高于前10年對應強度帶平均值的增加量, 說明后10年人類活動強度遠大于前10年。高強度帶的人類活動強度平均值由2000年的39.59%增長到2019年的47.39%, 增長率為19.70%, 而對應的低強度帶增長率為4.10%, 說明人類活動越高的區域對生態環境干擾程度越大。

3 討論

若爾蓋縣土地利用變化與社會經濟發展和自然條件變化密切相關。20年來, 若爾蓋縣人口從6.4萬人增加到8.2萬人, GDP由21779萬元增加到197922萬元, 其中牧業產值由2000年的14114萬元增加到2019年的92045萬元, 非農業產值由2000年的6815萬元增加到2019年的111758萬元。若爾蓋縣在近20年來人口和社會經濟的發展情況(圖4)下, 土地利用程度綜合指數逐漸增高, 人類活動高強度帶、較高強度帶、中等強度帶面積逐漸增大, 各強度帶人類活動平均值明顯增高, 說明人類活動對當地生態環境的干擾程度逐漸增加。同時根據近些年的氣象資料分析(圖5)可以看出該縣近年來的氣溫總體呈現明顯升高的趨勢, 年際間降水量波動較大, 且年內間降水分配極不均勻, 導致該地區呈現暖干化的趨勢, 致使沼澤濕地退化、草地沙化。總體來說, 人類活動和氣候變化是若爾蓋縣土地利用覆被格局發生變化和生態環境惡化的重要因素。

圖3 2000—2019年若爾蓋縣人類活動強度空間分布

Figure 3 Spatial distribution of human activity intensity in the Zoige County Basin in 2000—2019

表8 2000—2019年研究區各人類活動強度帶面積占比和人類活動強度平均值

注: 平均值計算以2019年各人類活動強度帶對應的范圍為基準。

圖4 人口經濟水平上的人類活動強度變化

Figure 4 Changes in the intensity of human activities at the economic level of the population

4 結論

(1) 若爾蓋縣土地利用類型以草地、沼澤濕地、林地為主, 近20年間林地、耕地、建設用地、水域、未利用地面積總體呈增加趨勢, 草地、沼澤濕地面積總體呈現減萎縮趨勢。單一土地利用類型動態度最大的是建設用地, 為23.53%, 這主要是由于近些年來該地區城鎮化建設快速發展, 特別是為了方便旅游和交通, 促進當地旅游業的發展, 若爾蓋縣先后修建了跨越草地和沼澤濕地的主要交通道路, 例如2005年, 國道213的重新鋪設, 導致大面積沼澤被分割。沼澤濕地的動態度分別為-0.33%, 由于人類為促進畜牧業發展而采取了大量的人工開溝排水行動, 從而導致地下水下降, 部分湖泊干涸, 泥炭層遭到破壞, 致使沼澤變干, 沼澤濕地面積減少。草地面積從2000—2019年呈現先減少后又逐漸增加的趨勢, 但是整上來看, 2019年相比2000年, 面積減少334.28 km2, 這主要由于畜牧業是若爾蓋地區的支柱產業, 調查結果表明, 2000年該區域的放牧過載率高達85%, 雖然政府要求在一定程度上控制過度放牧, 但2015年的過載率仍達70%以上[21], 嚴重的過載放牧加劇了其對生態環境的干擾強度, 導致草地被嚴重破壞。沼澤濕地與草地、草地和林地相互之間的轉變是研究時段內主要土地利用轉移方式, 土地轉移總體表現為沼澤濕地向草地轉移, 草地向林地、耕地、建設用地、水域、未利用地轉移。

圖5 研究區年均降水量和氣溫變化

Figure 5 Annual precipitation and temperature changes in the study area

(2) 若爾蓋縣2000年、2010年和2019年土地利用綜合指數分別為177.53、178.07和179.88, 反映了近20年間若爾蓋縣的土地利用程度處于發展期。若爾蓋縣土地利用變化主要由于人類活動和氣候變化引起, 在人口和社會經濟不斷發展狀況下, 各強度帶人類活動強度平均值不斷增加, 導致對當地生態環境的干擾程度逐漸增大, 尤其是人工開渠, 超載放牧, 亂采濫挖, 城鎮建設, 旅游開發等作為強烈的人類活動干擾, 是若爾蓋縣沼澤濕地面積萎縮, 草地荒漠化, 土地利用發生變化的重要原因。

(3) 雖然本研究為若爾蓋地區土地利用發展提供了快速評估的方法, 但仍存在不足的地方: 一是研究采用數據的精度有待進一步提高; 二是雖然本研究分析了人類活動強度對該區域土地利用變化的影響, 但是土地利用變化本身具有復雜性和動態性, 影響的因素既有人為因素, 也有地形地貌、國家政策等層面的因素。因此, 本文的研究缺乏人類活動與其他影響因素綜合影響下的土地利用變化分析。進一步厘清土地利用變化與多影響因素的關系, 有助于科學認識土地利用變化的驅動機制, 對于合理利用土地里資源, 促進區域土地利用結構的科學化, 維護區域生態安全具有重要意義, 這也是本研究后續需要深入開展的方向。

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Study on spatio-temporal change of land use in Zoige County, Sichuan Province

ZHEN Yan*, WU Zongpan, YIN Zhiheng, YANG Xiaoqin, ZHAO Xihao

School of Geosciences and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China

Zoige County, Sichuan Province is an important distribution area of ??alpine wetlands, and regional land use changes have important impacts on ecological security. Based on the Landsat ETM + remote sensing image data from 2000, 2010 and 2019, the spatial and temporal change characteristics of land use in the study area from 2000 to 2019 were analyzed by using the land use dynamic index, land use transfer matrix, land use degree and human activity intensity model. The results showed that the land use types in Zoige County were mainly grassland, marshland and woodland. The area percentage of the three changed from 61.66%, 22.61%, and 13.69% in 2000 to 58.42%, 21.21%, and 17.17% in 2019. Generally, the land use change was slow, and the comprehensive land use dynamics was 0.41%. Among the types of land use, the dynamics of construction land was the largest, which was 23.53%, and the dynamics of grasslands and swamps were small. The changes between marshland and grassland, grassland and woodland were the main land use transfer method during the research period. On the whole, the land transfer was represented by swamp to grassland, and grassland to forest land, cultivated land, construction land, water area and unused land. Under the conditions of natural geography and economic and social development, the land use degree indexes of Zoige County during the three periods were 177.53, 178.07, and 179.88. The spatial distribution of human activity intensity was mainly low and low intensity, and the area ratio of the two was over 95%. It indicated that the disturbance degree of human activity to local ecological environment was gradually increasing. The results can provide a reference for land planning and wetland restoration in Zoige County.

land use change; transfer matrix; land use dynamic degree; human activity; Zoige County

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.02.005

F301.2

A

1008-8873(2022)02-041-09

2020-04-28;

2020-06-01

國家自然科學基金青年基金項目(41701428)

甄艷(1985—), 女, 博士, 副研究員, 主要從事RS/GIS技術應用與地理國情監測研究, E-mail:zhenyan0824@163.com

通信作者:甄艷

甄艷, 吳宗攀, 尹志恒, 等. 四川省若爾蓋縣土地利用時空變化研究[J]. 生態科學, 2022, 41(2): 41–49.

ZHEN Yan, WU Zongpan, YIN Zhiheng, et al. Study on spatio-temporal change of land use in Zoige County, Sichuan Province[J]. Ecological Science, 2022, 41(2): 41–49.