四川省若尔盖县土地利用时空变化研究

甄艳, 吴宗攀, 尹志恒, 杨晓钦, 赵浠昊

四川省若尔盖县土地利用时空变化研究

甄艳*, 吴宗攀, 尹志恒, 杨晓钦, 赵浠昊

西南石油大学地球科学与技术学院, 成都 610500

四川省若尔盖县是高寒湿地的重要分布区, 区域土地利用变化对生态安全具有重要影响。以2000年、2010年和2019年3期Landsat ETM +遥感影像资料为基础数据源, 运用土地利用动态度、土地利用转移矩阵、土地利用程度和人类活动强度模型分析了研究区2000—2019年土地利用时空变化特征。结果表明: 若尔盖县土地利用类型以草地、沼泽湿地、林地为主, 三者的面积百分比从2000年的61.66%、22.61%、13.69%变化为2019年的58.42%、21.21%、17.17%。总体上土地利用变化缓慢, 综合土地利用动态度为0.41%; 土地利用类型中建设用地动态度最大, 为23.53%, 草地、沼泽的动态度较小。沼泽湿地与草地、草地和林地相互之间的转变是研究时段内主要土地利用转移方式, 土地转移总体表现为沼泽湿地向草地转移, 草地向林地、耕地、建设用地、水域、未利用地转移。在自然地理条件和经济社会发展状况下, 若尔盖县三个时期土地利用程度指数分别为177.53、178.07和179.88, 人类活动强度空间分布表现出以低和较低强度为主, 二者所占面积比在95%以上, 表明人类活动对当地生态环境的干扰程度逐渐增加。研究结果可为若尔盖地区土地规划利用和湿地恢复工作提供参考依据。

土地利用变化; 转移矩阵; 土地利用动态度; 人类活动; 若尔盖县

0 前言

土地利用/覆被变化(land use/cover change, LUCC)是全球环境变化研究的核心内容[1], 国内外学者相继开展了大量相关研究。“空间格局”与“时间过程”的集成研究已成为LUCC研究的重点领域[2]。LUCC主要由人类活动或气候变化引起, “3S”技术对覆盖变化的监测起到巨大推动作用[3–4]。研究土地利用变化可以合理有效的使用土地资源, 充分发挥土地自身的功能。土地利用变化具有空间性质和时间性质的两大基本特征, 因此LUCC不仅仅局限于对单一时期的土地利用结构、土地利用方式在空间上的差异及其原因进行探究, 还应在已经形成的土地利用格局的基础上, 对土地这一复杂系统的动态变化展开研究, 以实现对未来土地发展的预测及优化, 从而实现人类社会与自然的和谐发展。若尔盖县是青藏高原高寒湿地生态系统的典型代表, 是长江黄河上游的重要水源涵养区和水土保持区, 也是四川盆地和长江干流的重要生态屏障[5–8]。若尔盖县作为我国生态环境敏感区和脆弱区之一, 其土地利用变化直接影响着高寒湿地生态系统服务功能, 关系到长江流域的生态安全。基于此, 本文以若尔盖县作为研究区域, 以2000年、2010年和2019年3期Landsat ETM +遥感影像为数据源, 基于GIS空间分析技术, 分析近20年该区域土地利用时空变化特征与发展趋势, 可为地方生态环境与社会经济和谐发展、流域生态建设提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

若尔盖县地处四川省阿坝藏族自治州的北部, 介于102°08′E—103°39′E, 32°56′N—34°19′N之间, 紧邻甘肃玛曲县、迭部县、碌曲县与卓尼县, 并与阿坝县、红原县、松潘县、九寨沟县接壤(图1)。平均海拔3500米, 主要由西部丘状高原和东部高山峡谷两种地貌类型组成, 为高原寒温带湿润季风气候, 属于重点开发区若尔盖草原湿地生态功能区, 是中国生物多样性关键地区和世界高山带物种最丰富的地区之一, 其天然的湿地生态系统, 使得若尔盖县的泥炭资源非常丰富, 使其成为中国残存面积最大的高原泥炭沼泽湿地。

1.2 数据来源

选取研究区2000年、2010年、2019年3期Landsate ETM+影像为基础数据源。经ENVI 5.0软件对遥感影像进行辐射定标、大气校正、几何校正、镶嵌, 以研究区矢量边界进行裁剪获得若尔盖县3期遥感影像; 采用计算机解译与人工目视解译相结合的方法, 对遥感影像进行分类, 经实地验证解译精度达91%以上; 利用ArcGIS制作不同时期若尔盖土地类型图(图2), 统一坐标系统为WGS_1984_ UTM_Zone_48N。依据中国土地利用/土地覆盖遥感监测数据分类系统, 结合研究区的土地资源特征, 将研究区土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地和沼泽湿地[9]。其中本文所使用人口和社会经济数据来源于该区域相关统计年鉴, 气象数据来源于中国气象局科学数据服务共享网(http://www.cma.gov.cn)。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用数量变化

土地利用动态度可定量描述区域某时间段内土地利用变化的速度, 对LUCC的区域性差异及预测未来LUCC 趋势也有指导意义。包括单一土地利用类型动态度和综合土地利用动态度两类[10–11]。单一土地利用类型动态度是研究一定时间内某种土地利用类型的数量变化情况, 可定量描述区域土地利用变化的速度, 公式(1):

图1 研究区地理位置示意图

Figure 1 Geographical location of study area

图2 2000—2019年若尔盖县三期土地利用类型分布图

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

综合土地利用动态度用来分析研究时段内土地利用类型间转移的整体情况, 可反映区域综合土地利用变化的剧烈程度, 也可用于局部与全区、局部与局部之间综合土地利用变化的对比, 公式(2):

1.3.2 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵可对一定时序单元内各土地利用类型之间的系统状态与转移状态进行定量描述, 能较为全面地反映土地利用变化的方向与结构特征[12–15], 公式(3):

1.3.3 土地利用程度

用土地利用综合程度指数分析土地利用变化的生态健康状况, 反映人类活动对区域土地的影响综合水平和变化趋势[16]。刘纪远等从生态学角度出发, 提出了土地利用程度的综合分析方法[17], 对研究区土地利用程度综合指数、土地利用程度变化量进行计算, 其数学模型为:

1.3.4 人类活动强度模型

2 结果与分析

2.1 土地利用/覆被类型变化速度

若尔盖县地处青藏高原东北部, 总面积约为10321.32 km2, 受自然海拔和气候因子的影响, 草地、林地、沼泽湿地是主要的土地利用类型, 三者总面积占研究区总面积96%以上, 构成了高寒植被生态系统的主体。具体来看(表2), 若尔盖县草地面积从2000年的6364.40 km2, 减少至2019年的6030.12 km2, 减少了334.28 km2(5.25%); 沼泽湿地面积从2000年的2333.89 km2减少为2019年的2188.98 km2, 减少了144.91 km2(6.21%); 林地面积从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、水域和建设用地和面积从2000年的66.04 km2、63.98 km2、72.35 km2、8.21 km2分别增加为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%)。

从研究区单一土地利用动态度来看(表3), 2000—2010年建设用地的变化最快, 以21.81%年均速率增长, 其次是水域、林地和未利用地分别以6.05%、2.73%和1.07%的年均速率增长。耕地、草地和沼泽湿地分别以1.20%、0.65%和0.15%的年均速率减少。2010—2019年相对而言建设用地和耕地面积变化最快, 单一动态度分别为8.00%和7.54%, 其余地类的单一动态度均小于0.6%, 由此可知在该时段内, 建设用地和耕地的变化较为活跃, 其余地类的变化不大, 较为稳定。2000—2019年全时段内, 建设用地的单一土地利用动态度最大为23.53%, 说明建设用地的变化最为迅速, 这主要是由于研究区内道路面积大幅增长和居民点面积增加。草地和沼泽湿地的动态度较小, 分别为-0.28%和-0.33%。

通过综合土地利用动态度分析可知(表3), 2000—2010年间的土地利用年变化速度为0.52%, 2010—2019年为0.54%, 后一时段稍微大于前一时段, 说明2000—2010年, 2010—2019年若尔盖县土地利用类型在数量上的变化差异较为稳定, 2000—2019年间综合利用动态度为0.41%, 值小于两个阶段的综合土地利用动态度, 可知在整个研究区间内若尔盖县总体的土地利用变化速度较为缓慢。

表1 不同土地利用类型的建设用地当量折算系数

表2 若尔盖县各类土地利用类型面积及占比

表3 若尔盖县2000—2019年土地利用变化动态度

2.2 土地利用/覆被类型之间的时空转移特征

通过转移矩阵分析(表4—表6), 得出2000—2019年土地利用总体转移趋势: 草地净转出334.29 km2, 主要转出为林地578.67 km2和沼泽湿地219.44 km2, 土地利用变化率为14.44%, 其中2000—2010年转出面积为719.41 km2, 2010—2019年转出面积为417.38 km2。林地净转入359.59 km2, 主要来源于草地的转入, 土地利用变化率为17.12%, 其中2000—2010年转入492.87 km2, 2010—2019年转入223.66 km2。沼泽湿地净转出144.90 km2, 主要转变为草地351.47 km2, 土地利用变化率为16.182%, 其中2000—2010年转出207.76 km2, 2010—2019年转出263.23 km2。建设用地净转入36.72 km2, 草地转入的29.01 km2是建设用地增加的主要原因, 土地利用变化率为27.81%, 其中2000—2010年转入20.31 km2, 2010—2019年转入27.64 km2。耕地净转入30.53 km2, 主要来源于林地29.94 km2和草地18.40 km2的转入, 土地利用变化率为28.01%, 其中2000—2010年转入4.91 km2, 2010—2019年转入51.72 km2。水域和未利用地分别净转入46.44 km2、5.91 km2, 二者面积的增加主要来源于草地的转入, 水域和未利用地土地利用变化率为18.16%、31.81%, 其中2000—2010年水域转入52.11 km2, 未利用地转入19.14 km2, 2010—2019年水域转入34.32 km2, 未利用地转入17.25 km2。2000—2019年研究区域土地利用类型发生变化的地方面积是1592.97 km2, 占总面积的15.43%, 可见这20年来若尔盖县土地利用覆盖格局变化较为明显。

2.3 土地利用程度

表4 2000—2010年若尔盖县土地利用转移矩阵

表5 2010—2019年若尔盖县土地利用转移矩阵

表6 2000—2019年若尔盖县土地利用转移矩阵

表7 若尔盖县土地利用程度综合指数

2.4 人类活动强度时空演变特征

根据人类活动强度模型计算得到三个时期若尔盖县人类活动强度, 参考已有相关研究和研究区特征, 将若尔盖县人类活动强度划分为低强度带(HAILS≤3.43%)、较低强度带(3.43% 38.53%)5个样带(图3),以此来计算各个强度带面积, 并以2019年各强度带对应的范围大小为基准计算2000—2019年各基准范围内的人类活动强度平均值(表8)。

由图3和表8可知, 若尔盖县高强度、较高强度带、中强度带面积占比均较小, 但近20年来面积显著增加, 2000—2019年各强度带的平均值呈增加趋势但增长幅度存在明显差异, 表明不同时期人类干扰活动的类型和强度也在不断变化。2000—2010年各强度带由高强度带到低强度带平均值的增加量分别为1.68%、3.58%、1.09%、0.08%、0.07%, 2010—2019对应的各强度带平均值的增加量分别为6.12%、12.60%、1.49%、0.32%、0.07%, 均高于前10年对应强度带平均值的增加量, 说明后10年人类活动强度远大于前10年。高强度带的人类活动强度平均值由2000年的39.59%增长到2019年的47.39%, 增长率为19.70%, 而对应的低强度带增长率为4.10%, 说明人类活动越高的区域对生态环境干扰程度越大。

3 讨论

若尔盖县土地利用变化与社会经济发展和自然条件变化密切相关。20年来, 若尔盖县人口从6.4万人增加到8.2万人, GDP由21779万元增加到197922万元, 其中牧业产值由2000年的14114万元增加到2019年的92045万元, 非农业产值由2000年的6815万元增加到2019年的111758万元。若尔盖县在近20年来人口和社会经济的发展情况(图4)下, 土地利用程度综合指数逐渐增高, 人类活动高强度带、较高强度带、中等强度带面积逐渐增大, 各强度带人类活动平均值明显增高, 说明人类活动对当地生态环境的干扰程度逐渐增加。同时根据近些年的气象资料分析(图5)可以看出该县近年来的气温总体呈现明显升高的趋势, 年际间降水量波动较大, 且年内间降水分配极不均匀, 导致该地区呈现暖干化的趋势, 致使沼泽湿地退化、草地沙化。总体来说, 人类活动和气候变化是若尔盖县土地利用覆被格局发生变化和生态环境恶化的重要因素。

图3 2000—2019年若尔盖县人类活动强度空间分布

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

表8 2000—2019年研究区各人类活动强度带面积占比和人类活动强度平均值

注: 平均值计算以2019年各人类活动强度带对应的范围为基准。

图4 人口经济水平上的人类活动强度变化

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

4 结论

(1) 若尔盖县土地利用类型以草地、沼泽湿地、林地为主, 近20年间林地、耕地、建设用地、水域、未利用地面积总体呈增加趋势, 草地、沼泽湿地面积总体呈现减萎缩趋势。单一土地利用类型动态度最大的是建设用地, 为23.53%, 这主要是由于近些年来该地区城镇化建设快速发展, 特别是为了方便旅游和交通, 促进当地旅游业的发展, 若尔盖县先后修建了跨越草地和沼泽湿地的主要交通道路, 例如2005年, 国道213的重新铺设, 导致大面积沼泽被分割。沼泽湿地的动态度分别为-0.33%, 由于人类为促进畜牧业发展而采取了大量的人工开沟排水行动, 从而导致地下水下降, 部分湖泊干涸, 泥炭层遭到破坏, 致使沼泽变干, 沼泽湿地面积减少。草地面积从2000—2019年呈现先减少后又逐渐增加的趋势, 但是整上来看, 2019年相比2000年, 面积减少334.28 km2, 这主要由于畜牧业是若尔盖地区的支柱产业, 调查结果表明, 2000年该区域的放牧过载率高达85%, 虽然政府要求在一定程度上控制过度放牧, 但2015年的过载率仍达70%以上[21], 严重的过载放牧加剧了其对生态环境的干扰强度, 导致草地被严重破坏。沼泽湿地与草地、草地和林地相互之间的转变是研究时段内主要土地利用转移方式, 土地转移总体表现为沼泽湿地向草地转移, 草地向林地、耕地、建设用地、水域、未利用地转移。

图5 研究区年均降水量和气温变化

Figure 5 Annual precipitation and temperature changes in the study area

(2) 若尔盖县2000年、2010年和2019年土地利用综合指数分别为177.53、178.07和179.88, 反映了近20年间若尔盖县的土地利用程度处于发展期。若尔盖县土地利用变化主要由于人类活动和气候变化引起, 在人口和社会经济不断发展状况下, 各强度带人类活动强度平均值不断增加, 导致对当地生态环境的干扰程度逐渐增大, 尤其是人工开渠, 超载放牧, 乱采滥挖, 城镇建设, 旅游开发等作为强烈的人类活动干扰, 是若尔盖县沼泽湿地面积萎缩, 草地荒漠化, 土地利用发生变化的重要原因。

(3) 虽然本研究为若尔盖地区土地利用发展提供了快速评估的方法, 但仍存在不足的地方: 一是研究采用数据的精度有待进一步提高; 二是虽然本研究分析了人类活动强度对该区域土地利用变化的影响, 但是土地利用变化本身具有复杂性和动态性, 影响的因素既有人为因素, 也有地形地貌、国家政策等层面的因素。因此, 本文的研究缺乏人类活动与其他影响因素综合影响下的土地利用变化分析。进一步厘清土地利用变化与多影响因素的关系, 有助于科学认识土地利用变化的驱动机制, 对于合理利用土地里资源, 促进区域土地利用结构的科学化, 维护区域生态安全具有重要意义, 这也是本研究后续需要深入开展的方向。

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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

国家自然科学基金青年基金项目(41701428)

甄艳(1985—), 女, 博士, 副研究员, 主要从事RS/GIS技术应用与地理国情监测研究, E-mail:zhenyan0824@163.com

通信作者:甄艳

甄艳, 吴宗攀, 尹志恒, 等. 四川省若尔盖县土地利用时空变化研究[J]. 生态科学, 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.