祁连山国家级自然保护区土地利用时空变化及与气候因子关系研究

肖云飞， 陈文业*， 王斌杰， 谈嫣蓉， 邴丹珲， 朱 丽, 刘鸿源

(1. 甘肃省林业科学研究院， 甘肃 兰州 730020； 2. 甘肃敦煌西湖湿地生态系统国家定位观测研究站， 甘肃 敦煌 736200)

土地利用/土地覆被是生态环境与景观价值研究的基础数据[1]。祁连山分布有丰富草地、森林、冰川雪地资源，是我国西北地区重要的生态屏障，对维护甘肃河西地区生态系统平衡具有决定性作用[2]。土地是生态系统服务基础，土地利用类型、方式影响着区域生态环境的变化、生态系统的稳定。研究祁连山土地利用变化对祁连山植被生长、生物多样性、生态系统保护及自然资源价值评估动态变化提供数据支持[3]。戴声配等利用地球观测系统(Systeme Probatoire d’Observation dela Terre，SPOT)数据对祁连山1999年至2007年植被变化进行分析发现祁连山1999—2007年间草地NDVI值呈现缓慢增加趋势[4]。张禹舜基于中分辨率成像光谱仪(Moderate resolution imaging spectroradiometer，MODIS)遥感数据研究了近11年祁连山年际、年内、生长季及不同季节植被净初级生产力(Net primary productivity，NPP)变化及其对气候因子的响应[5]。宋伟宏利用MODIS遥感数据分析了祁连山保护区草地时空变化与气候的响应[6]。饶品增等分析了三江源2000—2019年间NDVI值与气象数据的关系，得到气候变化促进NDVI的变化，不同区域气候因子的影响不同的结论[7]。本文以祁连山自然保护区为例，统计了2000—2018年土地利用类型转移矩阵、气候因子响应，分析2000—2018年祁连山自然保护区生态系统演变特征，以期为祁连山生态系统研究、环境保护等提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

祁连山位于甘肃省与青海省交界处，为青藏高原东北部，地势呈西北高东南低[8]。甘肃省祁连山国家级自然保护区位于祁连山北坡，地处东经97°25′～103°46′，北纬 36°43′～39°36′，海拔为1 596～5 573 m，海拔落差较大，其中大部分海拔在3 500～5 000 m之间[9-11]。祁连山西接肃北蒙古族自治县，东至天祝藏族自治县，涉及行政县(区)有：肃南裕固族自治县、天祝藏族自治县、古浪县、凉州区、永昌县、山丹县、民乐县、甘州区等8县(区)[12]。区域内为大陆性高寒半湿润山地气候，受气候和地形的影响，区域内垂直地带性明显，随着海拔的上升分别为荒漠草原、山地草原、山地森林、高山灌丛、高寒草甸、高寒稀疏草甸等[13-14](图1)。

图1 研究区位置及地形

1.2 数据源及方法

1.2.1数据源 (1)土地利用数据在地理国情监测云平台(http://www.dsac.cn/)下载，该数据是基于陆地卫星(Landsat program，Landsat)遥感影像人工目视解译得到的土地利用类型矢量数据，其中土地利用数据包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地在内的6个一级类和包括有林地、灌木林地、疏林地、其他林地和高、中、低覆盖度草地等25个二级类型。

(2)数字高程模型(Digital elevation model，DEM)数据来源于地理空间数据。

(3)MODIS数据来源于美国勘探局网站(https://www.usgs.gov/)，2000—2018年间7—9月的(MODIS/Terra vegetation indices 16-Day L3 Global 250 m sIN Grid，MOD13Q1)影像数据，该影像数据空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d。利用MODIS Reprojection Tool(MRT)工具对该数据进行了投影变换、拼接、裁剪。

(4)气象数据来源于中国气象数据共享网站(http://www.nmic.cn/)，对数据进行空间插值分析。

1.2.2研究方法

(1)土地利用转移矩阵法

土地利用转移矩阵广泛应用于土地利用变化研究中，是土地利用变化研究中比较经典的研究方法[15]。土地利用转移矩阵是马尔科夫模型在土地利用变化的应用，不仅能够很好的定量反映不同土地利用类型之间的转化情况，还可以揭示不同土壤利用类型之间的转移速率[16-17]。其表达式为：

(1)

其中，S表示土地利用面积；i表示初始期土地利用类型；j表示终止期土地利用类型；n表示土地利用类型数量。

(2)相关性分析

相关性分析指两个或者两个以上变量相关关系的一种统计方法。通过计算变量之间相关系数来反应变量之间相关程度[18]。相关系数计算公式如下：

(2)

相关系数的取值范围为[-1,1]，绝对值越大，相关性越高，绝对值越小，相关性越低[19]。一般认为当0.8<|R|<1，具有高度的相关性；当0.5<|R|<0.8，具有显著相关性；当0.3<|R|<0.5，具有中度相关性；当0<|R|<0.3，具有较弱相关性[6]。

(3)归一化植被指数计算(NDVI)

归一化植被指数(NDVI)是研究植被变化最常用的方法，它能很好的消除太阳角、地形、大气辐射、仪器定标等因素的影响，从而增强了对植被变化的响应能力[20]。其计算公式如下：

(3)

式中，NIR为近红外波段反射率，R为红外波段反射率。NDVI的取值范围为—1.0 ～1.0，一般认为生长季节NDVI达到0.1以上表示有植被覆盖，0.1以下则表示地表无植被覆盖，如裸土、沙漠、戈壁、水体、冰雪和云[21]。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型空间数量变化

根据不同年份土地利用类型面积统计可得(表1)，祁连山自然保护区内土地利用类型主要为草地、林地、未利用地。其中草地面积最大，占总面积的48%～49%，2005年草地面积占总面积的48.4%，与2005年相比，2010年草地面积增加了0.15%，高覆盖草地、中覆盖草地面积增加较大，分别增加了261.927 km2，153.313 km2，低覆盖草地面积减少375.160 km2。2015年、2018年草地面积基本无变化；未利用地面积占总面积24%～25%。2000—2005年未利用地面积基本没有变化，占总面积的25.2%，2010年比2005年减少了205.105 km2，面积减少的主要为裸土地与裸岩石质地，盐碱地稍有增加，其他类型基本保持不变。2015年比2010年减少了11.913 km2，2018年面积与2015年相同。2000年区域内林地面积约占总面积的23%，主要以灌木林地为主，2000—2018年期间林地面积变化不大，二级分类中2000—2005年各种林地类型面积变化不大，2005—2010年各种林地类型面积变化较大，主要表现为有林地面积增加，灌木林、疏林地、其他林地面积都有所减少，但整体林地面积稍有增加。区域内耕地、水域、城乡、工矿、居民用地面积较小，约占总面积的3.1%。区域内耕地基本为旱地。水域的二级分类中面积最大的是永久性冰川雪地，并且永久性冰川雪地在2005—2010年期间面积成倍增加；其次滩地面积较大，滩地面积在2005—2010年面积稍有减少；河渠、湖泊、水库坑塘面积较小。城乡、工矿、居民用地中主要以农村居民点位置为主，其次是其他建设用地，城镇用地几乎没有。

表1 不同年份土地利用类型面积统计

2.2 不同土地利用类型空间分布

根据对2000—2018年祁连山自然保护区土地利用类型分析，区域内林地主要分布在祁连山中部、东部区域，零散分布于西部地区东北方向且面积较小；耕地面积较小，主要分布在祁连国家公园东部边角上，分别在天祝藏族自治县、古浪县、肃南裕固族自治县；城乡、工矿、居民用地与耕地分布相同，零星的分布在耕地内；草地在整个区域内都有分布，中部、东部中高覆盖草地较多，西部中、低覆盖草地比较多，林地周围分布的高覆盖草地比较多；整个区域水域分布比较少，主要为高海拔区的永久性冰川雪地，分布在祁连山中西部地区；未利用地主要分布在祁连山保护区西部以及零散分布在中东部高海拔地域(图2)。

图2 2000—2018年土地利用类型

2.3 土地利用类型转移矩阵变化分析

对2000—2018年土地利用类型数据做转移矩阵分析，结果显示2000—2005年、2010—2015年、2015—2018年转移矩阵变化不大，变化较大的为2005—2010年(表2)。

表2 2000—2005年土地利用类型转移面积统计

从2000—2005年土地利用类型变化情况看(图3)，2000—2005年间耕地变化不大，只有少部分变化为草地类型，主要变化发生在区域的中部和东部小范围，变化为草地类型的地区相对于其他耕地海拔稍高，坡度较陡；林地变化主要是林地变化为草地，其次为未利用地、耕地，相对变化面积比较大两个板块分布在中部区域，由林地转变为草地；草地变化主要为草地变化为林地、耕地与未利用地，其中面积变化较大的主要分布在东部和中部区域，草地变化为林地区域都相对的比较零散；水域变化比较小，主要表现为永久性冰川雪地变为未利用地，分布在祁连山中部偏西的高海拔地区；城乡、工矿、居民用地2000—2005年间基本无任何变化；未利用地整体变化较小，主要表现为未利用地变化为草地。

图3 2000—2005年土地利用类型变化空间分布图

2005—2010年期间祁连山土地利用类型变化较大(表3)。祁连山中部地区有耕地变化为草地，对比2000—2005年土地利用变化，发现祁连山中部地区2000—2005年从草地变化为耕地，2005—2010年又从耕地变为草地。林地变化面积较大的集中在祁连山中部地区以及中部临近的碎斑块区内，变化类型主要为林地变化为草地，有极少部分林地变化为未利用地。草地变化主要表现为草地变为未利用地、林地、耕地，草地变化为林地与林地变化为草地的面积相差不大，主要分布在中部与东部地区。草地变化为未利用地面积比较大，主要集中在祁连山西部地区；城乡、工矿、居民用地的面积基本无变化，水域变化较小；未利用地变化类型主要表现为未利用地变化为草地、水域、林地，在高海拔地区未利用地变化为永久性冰川雪地，在西部地区未利用地变化为草地，在中部地区未利用地变化为林地(图4)。

表3 2005—2010年土地利用类型转移面积统计

图4 2005—2010年土地利用类型变化空间分布图

2010年之后祁连山土地利用类型变化较小，且变化主要集中在西部地区，未利用地的变化相对比较明显(表4)。2010—2018年耕地、林地、城乡、工矿、居民用地基本没有变化；草地变化较小，主要表现为草地变化为未利用地，零散分布在祁连山西部地区；水域基本无变化，只有少数永久性冰川雪地变化为未利用地；未利用地变化主要为未利用地变化为永久性冰川雪地、草地(图5)。

表4 2010—2018年土地利用类型转移面积统计

图5 2010—2018年土地利用类型变化空间分布图

2.4 草地类型与气温、降水、相对湿度的相关性分析

对草地NDVI值与气象因子做相关性分析(表5)，结果表明，气温与降水、相对湿度、NDVI值负相关，其中气温与降水有显著的负相关性；气温与相对湿度具有中度负相关性，相对湿度受降水、气温、土壤等多种因素的影响；气温与草地NDVI值的相关性较小，无明显相关性；相对湿度与降水具有明显的相关性；相对湿度与NDVI值具有显著的正相关性，降水与NDVI值具有显著的正相关性。

表5 草地变化与气象因子相关性分析

3 讨论

本文对2000—2018年祁连山土地利用类型时空变化分析及气象因子进行分析。研究区主要土地利用类型为草地和未利用土地，其次是林地、耕地、水域、城乡工矿居民用地。未利用土地的流失主要源于向草地的转变。水域中二阶类别中永久性冰川雪地面积较大。与薛晓玉等研究祁连山1970—2015年间土地利用类型及土地利用类型转化趋势相同[22]。气温与草地NDVI值的相关性较小，无明显相关性，说明年平均气温的变化无法很好的反应草地的变化；相对湿度与NDVI值具有显著的正相关性，降水与NDVI值具有显著的正相关性，说明草地受降水与相对湿度的影响较大，气温对草地的影响较小。与何国兴等利用MODIS数据和气象数据对甘肃省天然草原2000—2019年净初级生产力进行动态监测，甘肃省草地NPP呈现增长趋势，对降水的响应强于气温结果相符[23]。

4 结论

对祁连山自然保护区范围内2000—2018年的土地利用类型进行分析表明：祁连山自然保护区内主要土地利用类型为草地、林地和未利用地；2000—2018年间祁连山植被覆盖变高，主要表现：草地面积增加，未利用地的面积减少，如祁连山西部地区未利用地变为草地；草地覆盖度增加，如低覆盖草地向中、高覆盖草地的转变，这种变化主要发生在2005—2010年间。区域内草地的变化受气象因子降水与相对湿地的影响较大。