南亚典型国际河流柯西河流域土地覆被空间分布特征

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(1.成都理工大学 地球科学学院，成都 610059； 2.北京师范大学 地理科学学部，北京 100875；3.中国科学院成都山地灾害与环境研究所，成都 610041； 4.成都理工大学 国土资源部地学空间信息技术重点实验室，成都 610059)

1 研究背景

全球气候变化和可持续发展逐渐成为全世界关注的焦点问题。土地覆被作为目前全球环境变化研究的核心主题之一，反映了自然与人文交叉最为密切的领域[1-3]。柯西河流域作为横跨三国的流域，内部独特的自然环境和人文因素造就了其独特的土地覆被模式。柯西河流域是一个从平原过渡到山地再到高原的典型地带，研究该区域的土地覆被不仅可以更加精确了解其土地利用分布特征，也对该地区资源的合理利用以及生态环境的可持续发展具有重要意义[4]。同时在中国大力倡导“一带一路”的战略背景下，研究柯西河流域的土地覆被空间格局可以为“一带一路”的战略提供基础数据保障[5]。

虽然目前全球尺度的土地覆被数据整体上数量多且质量高，但在边缘地区，特别是高海拔的地区，土地覆被数据质量却不高，而柯西河流域为其中的典型区域[6]。传统基于象元的分类方法忽略了遥感影像的空间信息和纹理信息，不能满足精度需求，近年来发展起来的面向对象的分类方法，在弥补传统基于象元分类方法的不足的基础上，对图斑处理的完整性更好，因此本研究采用面向对象的分类方法。为了进一步提高精度，结合遥感影像进行目视解译，分析土地覆被类型的结构和空间分布特征、土地覆被类型与地形以及气候因子之间的关系，进而探索该高海拔地区土地覆被类型的空间格局与特征[7]。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

发源于喜马拉雅中部的柯西河是恒河的一条重要支流，流域横跨中国、尼泊尔、印度三国，总面积为118 247.4 km2。柯西河流域经纬度介于84°54′E —88°57′E，25°20′N—29°12′N，如图1所示。高程0～8 796 m，落差巨大，区域呈现复杂的垂直地带性和土地覆被类型的多样化特征。因此，柯西河流域也是全球土地覆被变化的研究热点地区。柯西河流域降水和气温主要受地形和印度洋季风的影响[8]。流域北部中国范围内的年均温度为5.1 ℃，年均降水600～1 000 mm，属于高原温带半干旱季风气候；尼泊尔境内的中部流域年均温度为10.5 ℃，年均降水量为1 000～1 500 mm，该范围内地区气候差异明显，分北部高山、中部温带和南部亚热带3个气候区；印度境内的南部流域年均气温为26.5 ℃(国际山地综合发展中心(ICIMOD)，2016)，年均降水1 500 mm以上，属于热带季风气候。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location of the study area

2.2 数据来源

遥感影像数据均由地理空间数据云提供，共有9幅分辨率30 m×30 m的Landsat8数据，具体信息如表1所示。土地覆被一期本底数据，基于面向对象的分类方法而获取，为前期研究成果。为了进一步提高数据的精度，以遥感影像为底图，结合Google Earth上实时高精度影像对一期本底数据进行了人工目视解译修改。DEM为STRMDEMUTM数据，空间分辨率为90 m，重采样成30 m分辨率。气象数据来自TRMM等卫星资料和其他资料合成降雨量0.25°×0.25°格点月值数据集TRMM3B43。温度数据为气象站点接收的日温数据及温度影像数据,温度数据来源于美国国家气象数据中心NCDC。所有数据均采用WGS84投影。

表1 遥感影像数据信息Table 1 List of remote sensing image data

2.3 数据处理

2.3.1 坡度、坡向信息的提取

为了提取坡度、坡向信息，首先将90 m分辨率的高程数据，利用GIS软件提取坡度、坡向。然后进行重分类，将坡向分为8类：北、北西、西、西南、南、东南、东、东北。坡度共分成12个带。

2.3.2 温度、降水信息的提取

本次研究共收集了1968—2010年期间的120幅TRMM3B43数据，该数据的地理坐标为WGS_84,对于气象数据TRMM3B43的处理步骤是：首先经过影像旋转、头文件编辑和定义坐标等预处理，然后利用ENVI中进行波段运算，将TRMM3B43储存的月降水量单位mm/h换算成mm/月。由于单年温度和降水对植被的影响存在偶然性和不准确性，故选择多年平均降水和年平均气温数据进行统计分析。对每月降水数据与温度数据进行计算统计，最后利用GIS软件进行重分类，分带间隔，温度数据1°为一个带，降雨数据每隔400 mm为一个带。

3 结果与分析

3.1 柯西河流域的土地覆被类型及分布特征

依据Anderson，NLCD，LCCS国际分类规则框架，综合考虑研究区地理位置、植被、气候条件等多方面因素，又最大限度利用国际通用的Landsat数据源，制定满足柯西河流域研究的土地覆被分类[9]，将地物信息分为裸地、林地、灌木、旱地、水田、人工表面、河流、湖泊、冰川/永久积雪、河漫滩、盐碱地、人工园地、沼泽地、草地共14类，见图2。其中比重较大的覆被类型为水田、林地、草地、旱地，分别占32.56%，18.89%，14.91%，13.73%,详细面积及比例信息见表2。流域内面积最大的土地覆被类型是水田，面积最小的是盐碱地。优势土地覆被类型的分布由南向北依次是水田、林地、旱地、灌木、裸地、冰川/永久积雪、草地。冰川/永久积雪主要分布在海拔极高的山顶，湿地则主要分布在河流和湖泊的周围。

图2 土地覆被分类Fig.2 Land cover types in the study area

土地覆被类型面积/km2百分比/%土地覆被类型面积/km2百分比/%水田44 167.5732.56河漫滩2 234.591.65林地25 626.1918.89河流1 654.351.22草地20 232.0914.91人工园地1 577.631.16裸地18 627.4113.73沼泽1 164.700.86旱地7 959.685.87人工表面797.810.59冰川/永久积雪7 756.925.72湖泊316.290.23灌木3 483.582.57盐碱地68.600.05

耕地分为水田和旱地2种，水田面积为44 167.57 km2，约占总面积的32.56%，是流域面积最大的土地覆被类型，主要分布在流域的下游平原地区。旱地为7 959.68 km2，约占总面积的5.87%，主要分布在中部尼泊尔山谷地区，由于流域中部地形坡度变化较大，不利于建设水利灌溉设施，所以该区的农业灌溉主要靠降雨。耕地主要分布喜马拉雅南坡，北坡分布稀疏。

林地的面积为25 626.19 km2，是流域第二大的土地覆被类型，主要分布在尼泊尔境内的山地地区，约占森林总面积的95%。在南部的平原地区，林地与耕地交错分布，北坡很少有林地分布，主要集中在珠穆朗玛峰自然保护区核心区的沧塘沟。

草地的面积为20 232.09 km2，约占总面积的14.91%，是流域第三大的土地覆被类型。主要分布在我国境内高原地区和中山地区的阿伦河流域。草地又被分为高原草地、森林草地和灌木草地。高原草地是柯西河流域中最大的草地类型，占草地的95.75%，高原草地的54.38%分布在青藏高原的北坡。柯西河流域的草地基本上是天然草地，主要分布在盆地的牧区。

灌木的面积为3 483.58 km2，约占2.57%。在柯西河流域上游高原地区，主要为原生灌木林，集中分布在河谷地区。而在尼泊尔境内的山区则分布比较分散，主要是人类长期进行生产活动，大量砍伐森林，形成的次生灌木林 。

冰川/永久积雪的面积为7 756.92 km2，占总面积的5.72%，是柯西河流域重要的土地覆被类型。它们主要分布在珠穆朗玛峰、干城章嘉峰、洛子峰、卓奥友峰和希夏邦马峰的中心地区。山体冰川的变化是全球气候变化的象征，特别是喜马拉雅地区，因为这里是全球气候变化的敏感地区之一。

裸地的面积为18 627.41 km2，约占总面积的13.73%。大部分的裸地分布在冰川/永久积雪的周围，因为该地区集中了全世界8 000 m以上的10座山峰中的6座，海拔极高、气候寒冷不利于植被的生长，因此形成了裸地和冰川/永久积雪的景观格局[10-11]。

河流的水面面积为1 654.35 km2，约占总面积的1.22%，主要分布在印度境内，喜马拉雅山脉是东南亚地区河流的主要发源地，对下游地区的生态环境和经济发展起着重要作用。湖泊主要是由冰川融水形成的，面积为316.29 km2，约占总面积的0.23%。主要分布在我国境内高原地区和印度境内的平原地区。

湿地在柯西河流域面积非常小，但在全球气候变化研究中，湿地具有很特殊的地位。湿地主要分为河漫滩和沼泽，河漫滩主要分布在下游地形平坦的河流两侧，约占总面积的1.65%。沼泽约占总面积的0.86%，主要分布在高原内陆湖泊的周围。

人工表面面积为797.81 km2，约占总面积的0.59%，主要分布在柯西河流域的中下游地区。在我国境内，主要分布在平缓河流的两侧。工业用地较少，主要为居住和交通用地2类。

图3 高程分布Fig.3 Elevation distribution of different landcover types

3.2 土地覆被类型与地形因子的关系

3.2.1 高程特征

从图3可以看出，土地覆被类型随着海拔的增加表现出明显的垂直地带性，典型地类从低到高是水田、林地、旱地、灌木、裸地和冰川/永久积雪。水田主要分布在海拔400 m以下的平原地区，这些区域地势平坦、水源丰富、适合水稻种植。林地主要分布在海拔4 500 m以下，100～500 m林地面积逐渐增加，在500 m处有一个峰值，500 m以后随着海拔的升高，林地逐渐减少。旱地有80%集中在500～2 500 m范围内，基本分布在柯西河中游尼泊尔境内，在4 000～4 500 m也有一个小的峰值，主要分布在我国青藏高原境内的部分河谷地区。草地主要分布在3 500～5 500 m的范围内，主要分布在喜马拉雅山北坡，我国青藏高原地区。灌木主要分布在0～500 m和4 000～5 000 m范围内。湖泊主要是分布在0～200 m的平原湖泊和4 000～4 800 m的高原内陆湖泊。盐碱地主要围绕高原内陆湖泊存在，因此，盐碱地的分布范围为4 000～4 500 m。河流主要分布在0～200 m范围内，下游地势放缓，河流多呈“辫江”。冰川/永久积雪主要分布在4 500 m以上的高寒地区。裸地主要分布在4 000～6 500 m范围内。受限于灌溉和交通条件，人工种植园地主要分布在0～400 m范围内。

3.2.2 坡向特征

通过图4可知，林地主要分布在西、西南、南这3个方向。河流各向分布比较均匀。阳坡光照条件充足，水田、旱地、人工园地主要分布在阳坡。灌木主要分布在阴坡是因为阴坡土壤湿度比阳坡好。盐碱地的分布受河流流向的影响，我国境内的河流发源地大多在南边的喜马拉雅山脉，河流大多从南往北流，因此盐碱地主要分布在南、西南方向。草地的类型较多，各种分布方式不同，比如高原草地主要分布在气候寒冷、降雨量稀少的喜马拉雅山北坡，而森林草地和灌木草地则主要分布在喜马拉雅山南坡的干热河谷中。冰川/永久积雪主要分布在北、东北、东3个方向。湖泊主要分布在南、东南方向，特别是由冰川/永久积雪融化形成的湖泊尤为明显。而人类的居住地则无明显的坡向区分。

图4 坡向分布Fig.4 Aspect distribution of different land cover types

3.2.3 坡度分布特征

通过图5可以看出，林地主要分布在15°～30°的范围内。水田由于需要灌溉，所以主要分布在<6°的平原地区，旱地主要分布在柯西河的中游山地地区，分布在15°～25°范围内，大部分旱地都在一些陡坡的平台上。冰川主要分布在>40°的地区。由于水的重力作用，河流、湖泊主要分布在0°～15°地区。随着坡度的增加，地物分布类型主要有4种特征：①随着坡度的增加逐渐减小。大部分土地覆被属于此类型，有河流、人工表面、人工种植园、河漫滩、沼泽、水田，湖泊、盐碱地。比如水田，多数分布在<6°的平原地区，由于坡度陡无法大面积建设农业灌溉设施，不能满足水稻生长所需的灌溉条件。②随着坡度的增加先增加后减小，比如林地、旱地。林地主要分布在15°～30°范围内，旱地主要分布在15°～25°范围内。当坡度>50°时，水土流失严重，不利于植物的生长。③随着坡度的增加逐渐增加，如冰川、裸地、草地。④随着坡度的增加出现一峰一谷，比如灌木。在坡度低的地区灌木主要围绕水田周围生长，在30°～40°内主要是人类砍伐森林形成的次生灌木林。

图5 坡度分布Fig.5 Slope gradient distribution of different land cover types

3.3 土地覆被类型与气候因子的关系

3.3.1 降水分布特征

由图6可以得出：裸地、草地、湖泊、盐碱地、灌木、冰川/永久积雪主要分布在降雨400～800 mm的区域；旱地和林地主要分布在800～1 200 mm的区域；水田、河流和人工园地因需水量大，主要分布在降水1 200 mm以上的地区。由于受喜马拉雅山脉的影响，来自印度洋的西南季风被阻挡在喜马拉雅山南坡，形成季风雨，降水充足；而在北坡，由于西南季风无法到达，因此降雨稀少，故降雨分布不均匀[11]。

图6 降雨分布Fig.6 Distribution of land cover with different precipitations

3.3.2 温度分布特征

通过图7可以看出：柯西河流域从海拔8 000 m以上到接近海平面，温差范围极大；冰川/永久积雪的主要集中在-19～-5 ℃范围内;草地主要集中在-5～5 ℃范围内；灌木主要集中在0～5 ℃范围内；林地和旱地主要集中在5～23 ℃左右；水田和人工表面在15～24 ℃左右，达到面积的最大值，因为人类的生活和农作物的生长都需要充足的热量。这与海拔的峰值正好相反，因为随着海拔的不断上升，气温逐渐降低，热量不足，表现出明显的垂直地带性分布。

图7 温度分布Fig.7 Distribution of land cover withdifferent temperatures

4 结 论

柯西河流域的主要土地覆被类型是草地、林地、水田、旱地和裸地。由于多变的海拔、降雨和温度条件，流域内土地覆被类型差异较大。流域内土地覆被的垂直地带性明显，海拔从低到高的优势土地覆被类型依次是水田、林地、旱地、灌木、草地、裸地和冰川/永久积雪。在低海拔地区，人类活动导致大面积的森林被耕地代替。湿地和水体的分布没有明显的地带性。在我国境内，人类居住地和耕地主要沿河分布。

水田为柯西河流域最主要的土地覆被类型，占32.56%，主要分布在海拔400 m以下，坡度<6°的柯西河流域下游的平原地区，这些地区年均温度25°，降水量1 200 mm以上，水资源丰富，人口密集，农业发展迅速。其次是林地，约占18.89%，主要分布在海拔4 500 m以下、喜马拉雅山南坡，坡度在15°～25°范围内流域中游的山地地区。而对全球气候变化敏感的冰川/永久积雪仅占5.72%，主要分布在海拔4 500 m以上的地区。地形因子和气候因子对土地覆被类型影响巨大，海拔由低到高，主要土地覆被类型依次为：水田、林地、旱地、灌木、裸地、冰川/永久积雪、草地。随着降雨量由少变多，土地覆被优势类型依次表现为:裸地、草地、灌木、冰川/永久积雪、林地、水田。

虽然本文对柯西河流域土地覆被空间格局的现状进行了分析，但是对该区域土地覆被的时空演化过程并未涉及；此外，结合区域特点，选取更高分辨率的遥感影像数据和更优的提取方法，进一步提高土地覆被分类的精度，将在后续的工作中继续探讨。