2000—2016年甘肃祁连山自然保护区土地覆被时空变化分析

宋伟宏，程慧波

(甘肃省环境监测中心站，甘肃兰州 730000)

土地利用/覆盖变化是全球环境变化研究的前沿和热点问题[1-3]。随着土地利用/覆被变化研究的深入，政府、基层组织和居民对生态环境变化的响应成为研究热点[4-6]。由于对生态环境变化的响应关系着区域的可持续能力，在一些脆弱区域，当基层组织和居民对生态环境有着消极响应的时候，政府的积极响应对于区域的可持续发展尤为重要[7-10]。甘肃祁连山国家级自然保护区地处青藏、蒙新、黄土三大高原交汇地带的祁连山北麓，属森林生态系统类型的自然保护区。祁连山是青海、甘肃两省的天然分界线，分布有丰富的冰川、雪山、森林、草地和湿地资源，是我国高原生态安全屏障的重要组成部分，保障着全国，特别是西北地区的生态安全，在维护整个河西陆地生态系统平衡以及保障河西地区经济社会和谐发展中起着决定性的作用[11-13]。近年来，受自然因素和人为因素的影响，祁连山地区冰川、雪线不断退缩，天然林草植被不断退化，水源涵养功能呈现萎缩，荒漠化日趋扩大，生物多样性遭到威胁。开展祁连山自然保护区生态环境监测对保护祁连山生态环境具有重要的意义。

1 资料与方法

1.1研究区概况甘肃祁连山国家级自然保护区位于祁连山北坡中、东段，地理位置位于97°25′～103°46′E、36°43′～39°36′N，南沿祁连山主脉与青海省接壤，西至肃南县界与肃北蒙古族自治县相邻，东至天祝县界与永登县相连，北至祁连山森林分布下线与河西走廊相邻。祁连山国家级自然保护区属大陆性高寒半湿润山地气候，表现为冬季长而寒冷干燥，夏季短而温凉湿润，全年降水量主要集中在5—9月，该区由浅山地带向深山地带气温递减、雨量递增，高山寒冷而阴湿，浅山地带热而干燥。随着山区海拔的升高，各气候要素发生有规律自下而上的变化，呈明显的山地垂直气候带，自下而上为浅山荒漠草原气候带、浅山干草原气候带、中山森林草原气候带、亚高山灌丛草甸气候带、高山冰雪植被气候带。

1.2数据与方法

1.2.1数据来源与处理。为建立2000—2016年甘肃省祁连山自然保护区时空数据库，从USGS网站下载了102景Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像，作为甘肃祁连山自然保护区的基础研究数据。EVI数据来源美国航天局NASA数据共享网(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/)。通过植被指数算法获得，该算法基于质量、云和观测几何滤波器进行数据滤波，只有高质量的、无云的滤波数据被用来进行合成，合成的目的是选择最佳的观测数据，这种方法能保证植被指数值的时空一致性。

植被覆盖度是基于植被指数利用像元二分法模型计算的，计算公式为：

VFC=(EVI-EVIsoil)/(EVIveg-EVIsoil)

(1)

其中， EVIsoil为完全是裸土或无植被覆盖区域的EVI值，EVIveg则代表完全被植被所覆盖的像元的EVI值，即纯植被像元的EVI值。

1.2.2研究方法。采用决策树分析方法，通过采用人工与自动相结合的方式，对于光谱划分机理清楚的类型采用人工建树方法，对于类型的光谱变化比较大、规律不清楚的类型采用自动方法(最邻近方法)，并且通过地面核查提高土地覆盖分类精度。考虑到土地覆被人工目视解译自身存在的误差影像，为科学评判土地覆被变化状况，采用以下公式提取土地覆被面积变化状态：

ΔS=Sj-Si

式中，ΔS为两期地物类型面积的插值，i和j均为年份；ΔE为两期地物类型矢量化数据误差；Pi和Pj分别为i和j时刻地物类型多边形的周长；Hc为遥感影像像元的一半，取值为15 m。

2 结果与分析

2.1祁连山自然保护区土地利用/覆盖以2016年度覆盖全甘肃省祁连山国家级自然保护区的Landsat8 OLI影像为主要数据源，通过室内解译并结合野外核查，得出2016年度甘肃省祁连山国家级自然保护区土地利用/土地覆盖状况(图1)。祁连山独特的自然条件和人为活动的影响，决定了各生态系统的构成及面积相差较大，如表1所示。2016年整个保护区生态系统组成以草地为主，占总面积的52.9%；其次是荒漠，占22.4%；森林与荒漠接近，占21.9%；农田占1.2%，冰川积雪占1.1%，湿地占0.3%；人工生态系统最小，仅占0.2%。

图1 2016年祁连山国家级自然保护区土地覆被现状Fig.1 Status of land cover in Qilian Mountain National Nature Reserve in 2016

从图2可看出，森林主要以落叶阔叶灌丛为主，面积473 933.6 hm2，占森林面积的80.6%。落叶阔叶灌丛主要分布在实验区，面积占该类林地总面积的44.4%；其次分布在核心区，占26.2%；分布在外围保护地带的面积最少，仅占8.5%。常绿针叶林面积104 733.4 hm2，占森林面积的17.8%。常绿针叶林主要分布在实验区，占该类林地面积的64.7%；缓冲区占20.6%，外围保护地带最小，仅占1.2%。其他林地面积很小，主要零星分布在自然保护区的实验区、外围保护地带。

从图3可看出，草地构成中没有占主导地位的类型。温性草原最多，面积386 154.0 hm2，也仅占草地总面积的20.2%；温性草原主要分布在实验区，占该类草地面积的55.0%，分布在外围保护地带的占36.0%，分布在核心区的最少，仅占4.1%。高寒草原面积351 879.9 hm2，主要分布在外围保护地带，占该类草地面积的37.7%，分布在实验区的占22.1%，分布在核心区的占20.5%，分布在缓冲区的占19.7%。温性草甸面积286 814.3 hm2，主要分布在实验区，占该类草地面积的51.6%；分布在外围保护地带的占22.5%，分布在缓冲区的占14.3%，分布在核心区的占11.6%。高寒草甸面积73 735.5 hm2，主要分布在实验区，占该类草地面积的48.3%；分布在核心区的占24.5%，分布在缓冲区的占18.0%；分布在外围保护地带的最少，仅占9.2%。稀疏草地面积318 725.2 hm2，主要分布在外围保护地带，占该类草地面积的53.9%，分布在实验区的占28.2%，分布在核心区的占10.0%；分布在缓冲区的最少，占7.9%。

图2 2016年祁连山国家级自然保护区森林覆被现状Fig.2 Status of forest cover in Qilian Mountain National Nature Reserve in 2016

图3 2016年祁连山国家级自然保护区草地覆被现状Fig.3 Status of grassland cover in Qilian Mountain National Nature Reserve in 2016

人工生态系统主要是指由人为集中活动区域而强烈改变了地表自然状态的有人为活动的区域。祁连山自然保护区人工生态系统主要是建设用地，面积1 943.4 hm2，分布在外围保护地带的建设用地占该类总面积的54.8%，实验区的占43.7%，缓冲区的占1.3%，核心区的占0.2%。交通用地面积377.4 hm2，其中分布在实验区的占53.5%，在外围保护地带的占40.4%，缓冲区的占6.1%，核心区没有明显的交通用地。采矿场面积583.0 hm2，分布在外围保护地带的占73.0%，在实验区的占27.0%。祁连山自然保护区土地覆被面积如表1所示。

2.2祁连山保护区土地覆被变化近16年来祁连山国家级自然保护区主要生态系统整体处于稳定状态，草地生态系统是外围保护地带由于祁连山国家级自然保护区地处山区、人为大规模活动干扰少，其中2000—2005年变化幅度相对于大于后面2个时期(表2)。2000—2005年自然保护区整体变化趋势是森林和草地生态系统及冰川积雪面积减少，农田、湿地、荒漠和人工生态系统面积增加(表3)。

2000—2005年森林生态系统面积净减少475.9 hm2，减少的森林主要是高山灌丛变为草地，其次是变为裸地，其他减少变化量很小。草地净减少839.1 hm2，主要是被开垦为耕地，其次是由于植被退化变为裸地，其他减少量很小。农田生态系统净增加1 635.7 hm2，增加的耕地主要来源于草地开垦，其次是裸土地开发为耕地。湿地净增加680.2 hm2，增加的湿地主要来源于荒漠和草地生态系统。人工生态系统增加163.1 hm2，主要来源于荒漠和草地生态系统。荒漠生态系统增加1 257.4 hm2，其增减变化主要是高山裸岩与冰川积雪之间的相互转换。冰川积雪净减少2 421.4 hm2，其增减变化与荒漠生态系统相似。

相对于前5 年，祁连山国家级自然保护区在2005—2010年变化相对较小，其中森林、农田、湿地、荒漠生态系统和冰川积雪面积净减少，草地和人工生态系统面积净增加。各生态系统在此期间变化量小，没有显著变化(表4)。

2010—2016年草地、农田和荒漠生态系统面积净减少，森林、湿地、人工生态系统和冰川积雪面积净增加。在此期间除冰川积雪与高山裸岩之间相互转换的面积较大外，其他类型生态系统变化的面积都较小(表5)。

2.3祁连山保护区EVI变化甘肃省祁连山国家级自然保护区植被覆盖指数(EVI)空间分布如图4所示。红色-蓝色-紫色代表EVI植被指数由低往高逐步上升，同色系中颜色越浅代表其值越高。祁连山国家级自然保护区年EVI总体上呈现片状分布特征，且存在一定的空间分布差异。EVI高值即植被覆盖指数高的区域主要分布在自然保护区的东南区域，西北区域EVI值普遍较低。每年EVI植被指数分布大体一致，说明甘肃省祁连山国家级自然保护区EVI空间变化差异不大。

根据EVI，计算得出祁连山自然保护区植被覆盖度。2000—2016年植被覆盖度变化中，2004年植被覆盖度最低，为25.98%。整体上植被覆盖度有上升的态势特征。年植被覆盖度变化与生长季植被覆盖度变化基本一致。祁连山外围保护地带植被覆盖度在祁连山自然保护区的核心区最低，如图5所示。

表12016年祁连山国家级自然保护区土地覆被面积及比例

Table1AreaandproportionoflandcoverofQilianMountainNationalNatureReservein2016

生态系统Ecosystem土地覆被类型Land cover type面积Area∥hm2比例Proportion∥%森林Forest落叶阔叶林139.90常绿针叶林1 047 334.017.8针阔混交林4 045.80.7落叶阔叶灌丛473 933.680.6稀疏林25.10稀疏灌丛4 860.50.8灌木园地162.90合计587 901.2100草地Grassland温性草原386 154.027.2高寒草原351 879.924.8温性草甸286 814.320.2高寒草甸73 735.55.2稀疏草地318 725.222.5合计1 417 308.9100农田Farmland旱地32 700.4100湿地Wetland草本湿地6 578.071.3湖泊579.76.3水库/坑塘1 257.013.6河流808.68.8合计9 223.3100人工Artificial建设用地1 943.466.9交通用地377.413.0采矿场583.020.1合计2 903.8100荒漠Desert裸岩562 803.993.6戈壁2 442.00.4裸土35 932.26.0盐碱地7.00合计601 185.1100冰川积雪Glacier and snow29 437.4100

表2 祁连山国家级自然保护区土地覆被面积

表3 2000—2005年生态系统变化转换矩阵

表4 2005—2010年生态系统变化转换矩阵

表5 2010—2016年生态系统变化转换矩阵

图4 2000—2016年祁连山自然保护区EVI空间分布Fig.4 EVI spatial distribution of Qilian Mountain Nature Reserve from 2000 to 2016

图5 2000—2016年祁连山自然保护区植被覆盖度空间分布Fig.5 Spatial distribution of vegetation coverage in Qilian Mountain Nature Reserve from 2000 to 2016

3 结论

(1)祁连山独特的自然条件和人为活动的影响，决定了各土地覆被的构成及面积相差较大。2016年整个保护区生态系统组成以草地为主，占总面积的52.9%；其次是荒漠，占22.4%，森林占21.9%；农田占1.2%，冰川积雪占1.1%，湿地占0.3%；人工生态系统最小，仅占0.2%。

(2)森林主要以落叶阔叶灌丛为主，面积473 933.6 hm2，占森林面积的80.6%；落叶阔叶灌丛主要分布在实验区，面积占该类林地总面积的44.4%；其次分布在核心区，占26.2%；分布在外围保护地带的面积最少，仅占8.5%。温性草原最多，面积386 154.0 hm2，也仅占草地总面积的20.2%。

(3)近16年来祁连山国家级自然保护区主要生态系统整体处于稳定状态，2000—2005年自然保护区整体变化趋势是森林和草地生态系统及冰川积雪面积减少，农田、湿地、荒漠和人工生态系统面积增加。2005—2010年，森林、农田、湿地、荒漠生态系统和冰川积雪面积净减少，草地和人工生态系统面积净增加。2010—2016年，草地、农田和荒漠生态系统面积净减少，森林、湿地、人工生态系统和冰川积雪面积是净增加。

(4)祁连山自然保护区年EVI总体上呈现片状分布特征，且存在一定的空间分布差异。EVI高值即植被覆盖指数高的区域主要分布在自然保护区的东南区域，西北区域EVI值普遍较低。每年EVI植被指数分布大体一致。2000—2016年植被覆盖度变化中，2004年植被覆盖度最低，为25.98%。整体上植被覆盖度有上升的态势特征。年植被覆盖度变化与生长季植被覆盖度变化基本一致。