若尔盖高原土地利用变化及其驱动因素研究进展

胡 健，陈雪玲，孙梅玲，周青平

(1.西南民族大学青藏高原研究院，四川 成都 610041；2.西南民族大学四川若尔盖高寒湿地生态系统国家野外科学观测研究站，四川 成都 610041)

土地利用是指对土地的开发利用，即人类根据土地的自然特点，按一定的经济、社会目的，采取系列手段，对土地进行长期性和周期性的经营性活动，从而满足自身需求，如建筑用地、农业用地等[1-3].土地利用表现了人地相互作用关系，是表征人类活动对环境影响的最直接信号[4-5].土地利用变化是指由于土地自身和人类活动变化引起的土地利用方式、覆被和使用程度的变化[5].土地利用变化与社会经济发展和环境变化密切相关，是社会经济、政策制度和环境因素综合作用的结果[6-7].20世纪90年代中期国际地圈与生物圈计划(IGBP)和全球环境变化人为因素计划(IHDP)启动了关于土地利用和覆盖变化的核心研究项目[8-9]，自1978年中国实施改革开放政策以来，经济快速发展使大部分土地发生了土地利用和土地覆盖变化[7].1999年全国大规模的生态保护与修复工程实施，也促使土地利用发生变化，如退耕还林(还草)、天然林保护、防风治沙等[10-12].对土地利用变化的合理认知有助于实施土地可持续管理和政策制定，提升生态系统功能和服务的稳定性[13-14].因此，土地利用变化已成为一个重要的研究领域.

若尔盖高原位于青藏高原东缘，是我国面积最大的高寒泥炭沼泽分布区和黄河重要水源涵养区，具有重要的生态屏障作用[15-16].若尔盖高原也是黄河流域生态保护和高质量发展的重要组成部分，不断深化若尔盖国家公园的建设将推动黄河上游水源涵养能力提升、退化草原修复治理、湿地保护与治理等生态保护与修复[17-18].近年来，由于若尔盖高原气候暖干化、不合理的土地利用(过度放牧、人工沟渠排水等)、城镇化建设以及旅游活动等导致土地利用结构变化，影响该区域生态系统服务功能，使高寒生态系统更加脆弱，如湿地草地面积减少、沙地裸地面积增加等[19-22].而若尔盖高原的湿地、草地在涵养水源、调节气候、净化水质和维持生物多样性等方面起着重要作用，也关系着我国黄河长江流域的生态保护和高质量发展[23-24].因此，本文简要论述目前若尔盖高原土地利用研究现状，对其数据来源、研究结果进行比较分析，阐明其主要驱动因素，特别是草地、湿地和沙地保护与修复政策与工程，并对土地利用研究的未来发展方向进行展望，从而为该区域土地利用管理优化和提升区域生态系统服务功能提供支撑.

1 若尔盖高原土地利用变化的比较分析

土地利用空间信息的准确获取是土地利用变化分析的基础.利用遥感和地理空间数据进行定期或不定期的土地利用变化监测已成为一种常规方法[25].近几十年间，若尔盖高原土地利用出现明显变化，但由于数据源的分辨率、时间序列、土地类型分类方法、土地利用转移分析方法等方面存在差异，土地类型面积变化存在不同，但变化趋势相似即该区域整体表现为草地退化(高覆盖草地面积减少)、湿地面积减少和沙地面积增加(表1).如Li等[32]研究表明1990～2000年若尔盖高原泥炭沼泽面积萎缩735.1 km2，杨越等[33]研究表明1987～2000年若尔盖高原湿地面积减少442.64 km2；Li等[19]对若尔盖高原1975～2005年草地研究表明其面积增加488.42 km2，高覆盖度草地面积减少1 637.92 km2；Shen等[14]研究表明2000～2015年草地面积减少.

表1 若尔盖高原土地利用变化的比较分析Table 1 Comparative analysis of land-use changes in the Zoige Plateau

由于数据源、方法和分类系统的不同，全球现有的土地利用产品之间存在很大的不确定性和差异性，目前对若尔盖高原土地利用变化研究的数据多是全球尺度或全国尺度的数据产品，缺乏对高寒生态系统类型的针对性，如湿地生态系统等[31，34].Shen等[14]采用全球30 m分辨率数据对若尔盖高原土地类型进行分类发现，K-邻近法(KNN)和支持向量机(SVM)对水体和湿地分类精确度存在差异(KNN:98.34%和95.27%，SVM:100%和70.95%)；Li等[22]利用全国30 m分辨率数据对湿地进行分类发现不同算法的准确率为:随机森林(RF)＞决策树(DT)＞支持向量机(SVM)，而利用RF算法对全球30m分辨率的湿地分类较差；Gong等[30]使用全球30m分辨率数据分类时发现植被覆盖的沼泽地可能是唯一能从TM和ETM影像中辨别出来的湿地类型.以往对若尔盖高原土地利用信息提取主要来自于低分辨率卫星图像，如AVHRR和MODIS，伴随遥感技术水平的提升，现更倾向于使用分辨率为30 m或30 m以下的高分辨率图像，如无人机高光谱、多光谱影像产品等[12，31，35].无人机遥感技术以其灵活、高效、简便等特点弥补了传统卫星遥感的空间分辨率低、重访周期长、云雾影响等方面的不足，其数据具有高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率的特点[34-35].有研究表明多传感器遥感数据和实地测量验证能有效提取湿地区域，无人机遥感能提供估算植被覆盖度准确、有代表性的数据[36-37].因此，将无人机高光谱、多光谱影像产品与实地验证相结合的高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率的土地利用数据将是未来土地利用分析的主要数据来源.

2 若尔盖高原土地利用变化的主要驱动因素分析

驱动力是指在土地利用变化过程中起促进或抑制土地类型和社会经济属性发生变化的主要生物物理因素和社会经济因素[38].驱动力分析可确定土地利用变化过程，揭示区域生态环境变化机制[31].土地利用变化受社会、经济和自然生态环境等多种因素的影响，了解土地利用变化的驱动因素对于模拟未来的动态或制定管理策略以改善或防止自然资源的退化至关重要[39-41].

若尔盖高原分布最为广泛的是草地，其次是湿地且主要分布在若尔盖县，沙地主要分布于若尔盖县的辖曼乡、嫩哇乡及玛曲县的曼日玛乡，其余地区沙地分布较少[14，22，42].在气候变化、不合理的人类活动(过度放牧、挖沟排水、采挖中草药、泥炭开采等)、社会经济的发展(人口增加、不合理的旅游业发展等)和生态政策的实施等因素综合作用下，使该区域土地利用发生变化，主要表现为湿地、草地的退化和沙地面积的增加[14，20-22，33]，加剧了该区域生态系统的脆弱性，直接或间接地影响生态系统提供的各项服务与功能，进而反馈给驱动力，进一步影响草地、湿地和沙地等土地利用变化(图1).自然驱动力(气候暖干化)、社会经济驱动力(过度放牧、泥炭开采)和政策的导向会驱动草地、湿地和沙地之间的相互转化，如过度放牧和人工沟渠排水导致草地退化形成沙地和湿地向草地转化并进一步形成沙地[20-22，42-44]；通过重点生态功能区转移支付、湿地生态补偿措施和草原生态保护补助奖励的等措施的实施，使草地转化形成湿地，沙地形成草地[14，22，42-44].

图1 若尔盖高原土地利用变化的主要驱动力分析框架图Fig.1 The framework of analyzing the driving forces of land-use changes in the Zoige Plateau

2.1 草地

受气候变化和不合理人类活动的影响，若尔盖高原的草地发生了不同程度的沙化，沙化草地的生态恢复受到广泛关注[45].草地的退化会阻碍高原畜牧业经济发展，影响着我国甚至全球的气候环境变化[45-46].

为遏制和扭转草地退化日益严重的趋势，若尔盖高原于2002年实施天然草原退牧还草工程，2003年实施《草原法》，2005年和2011年分别实施加强退牧还草工程管理意见和草原生态保护补助奖励政策.这些草地保护与恢复措施在一定程度上限制了草地资源占用、超载过牧等不合理行为，对草地的保护和恢复提供了有利条件，使得若尔盖高原草地在超载过牧的情况下，草地面积波动较小[14，47].过度放牧是草地面积减少的主要驱动因素，气候变化对草地面积的变化也有一定程度影响，人工种草、草场补播、围栏休牧与禁牧等措施能有效恢复退化草地，生态恢复工程是草地面积增加的主要驱动因素[44，48-49].

2.2 湿地

若尔盖高原属于气候变化敏感区，气候变化和人类活动是湿地退化和发展的重要因素[21].若尔盖高原1987年湿地面积达2 065.14 km2，2016年仅为1 405.51 km2[33]；若尔盖高原1977年泥炭沼泽面积为1997.08 km2，2013年为1 358.66 km2[50].湿地是湿地生态系统的重要组成部分，提供了多种重要的生态功能，包括蓄洪、防旱、区域气候调节、控制侵蚀、降解环境污染物、生物多样性和栖息地，对区域经济和生态系统的可持续发展具有重要作用[22].

湿地演变方式一般为沼泽-沼泽化草甸-草甸-草原-沙漠化[20].鉴于湿地的重要性，环境保护部门已采取具体措施，如2008年《全国生态功能区划》将若尔盖高原地区划分为水源涵养重要区，推动了生态工程的实施和发展生态旅游等生态保护措施的制定[14，22]；2007年批复的《甘南黄河重要水源补给生态功能区生态保护与建设规划(2006—2020年)》和2011年《青藏高原区域生态建设与环境保护规划(2011—2030年)》的实施[51]；建立湿地自然保护区和若尔盖国家公园等方式保护湿地-草原复合生态系统和高寒泥炭沼泽.生态保护与修复政策的实施对湿地的退化起到一定的缓解作用，阻止了湿地生态系统的进一步恶化，使得2010年后的湿地面积有所增加[14，22].气候变暖变干，可能会导致湿地形成草地，甚至进一步形成沙地或裸地，但影响相对较小[22]，而人为因素被认为是湿地退化的主导因素，过度放牧、人工沟渠排水和泥炭开采会对湿地造成不可逆转的影响[22，52-53].Shen等[14]认为过度放牧、人工沟渠排水、农业土地开垦和泥炭开采等人为因素是湿地丧失的主要原因，保护与修复政策的实施促使湿地面积增加；而Li等[22]认为气候变化(年蒸发量和降水量)对若尔盖高寒湿地面积的影响最大，人类活动(人口和牲畜的增加、政策的实施)和社会经济(第一、二、三产业)是其辅助驱动因素；王云川等[50]认为湿地生态保护与修复政策和工程有利于泥炭沼泽的恢复.

2.3 沙地

高寒草地沙化对区域生态环境和社会经济发展会造成极大影响和重大危害.过去几十年间，若尔盖高原草地普遍存在草场过牧，载畜量高负荷超载的情况，草地退化、土壤退化使得若尔盖高原沙地面积增加[44，52，54].1975年若尔盖高原沙地面积为111.62 km2，2005年沙地面积达137.03 km2[43]；若尔盖盆地2000年风沙化土地面积为3 211 km2，占其总面积的16.6%，2010年沙漠化面积缩小至557 km2[44].

草灌植被恢复措施(如设置植物屏障、种植适生灌木和草本植物)是防治荒漠化和恢复退化草地功能的重要手段[55].20世纪90年代启动减缓沙漠化的政治措施，但2005年禁牧、围栏和铺设稻草方格障碍等对策才实施[44].截至2019年底，若尔盖累计投入资金3.7亿元治理各类沙化草原，治理后沙化土地植被盖度平均增加30%以上[56].防沙治沙措施减缓了沙地扩张速度，并在治理期间使风沙化土地的急剧恢复，但后期效果并不显著甚至出现反弹[43-44，50，57].生态恢复工程是沙化土地恢复的主导驱动力，而超载放牧、人工沟渠排水、降水和放牧强度被认为是沙地面积增加的主要驱动因素[42-43，57-58].

不同学者以若尔盖高原及其局部区域为研究对象开展土地利用变化驱动力分析工作，对草地、湿地和沙地的主导驱动因素研究结果存在差异.如Shen等[14]认为人类活动对若尔盖高原湿地的影响较大；Dong等[21]认为开沟和过度放牧是导致湿地退化的主要人为因素；而Li等[22]认为降水和蒸发是导致若尔盖高寒湿地变化的主要因素.但更多的研究表明土地利用变化受自然、经济、政策等多种因素的影响，目前若尔盖高原土地利用变化影响因素研究主要集中于对气候变化、人类活动(如过度放牧、开沟)、人口数量等方面的定性分析[14，20-22]，而量化各种驱动因素特别是生态恢复工程对土地利用变化的影响以及不同决策情景下的社会-生态后果等方面的研究不足.有研究表明气候和土地利用变化预测全球水土流失率可提升土地资源的合理配置与使用，通过人地耦合模型的情景预测能力和情景分析，可实现对不同管理方案下耦合系统变化的模拟与决策支持，实现土地利用与生态系统-景观-区域的多尺度整合，进而实现人地系统统筹优化与可持续发展[3，59-62].因此，未来应该加强对人地耦合模型的研究，将自然因素与社会经济和政策充分结合，通过对土地利用变化的完整认识，结合区域可持续发展情景提出实现和保持所需或可持续的经济发展方案与对策，为政府决策提供科学支撑.

3 问题与展望

若尔盖高原具有重要的固碳、水源涵养、水文调节等生态系统服务，在维持生物多样性和区域生态安全起着重要作用[63].目前许多学者利用不同数据源、精度和分类的遥感产品分析土地利用变化，存在土地利用类型划分标准不一，驱动因素分析侧重不同，导致若尔盖高原土地利用变化的主要结果和主导驱动力存在差异，同时对生态保护与修复政策与工程引发的土地利用转变综合分析不足，驱动因素对土地利用变化贡献率尚未明析.鉴于此，提出如下展望:

(1)若尔盖高原土地利用变化研究急需时序长、精度高、分类体系完整的土地利用产品.目前覆盖若尔盖高原的土地利用数据多是全球尺度的数据产品，缺乏对高寒生态系统类型的针对性，特别是湿地区域数据准确提取，这一因素限制了生态系统空间分布数据的解译和分类精度[22，30-31，34].利用无人机搭载多光谱、高光谱传感器结合卫星遥感，获取高空间和时间分辨率影像，将提高若尔盖高原土地利用识别和分类的精度、准确度[35].

(2)急需定量和预测生态保护与修复政策和工程等驱动力因素对若尔盖高原土地利用变化的影响.目前对若尔盖高原土地利用变化的驱动因素定量分析和不同社会-经济-生态情景下土地利用变化的预测不足，特别是生态恢复工程对若尔盖高原土地利用变化的预测研究[3，14，22，34，38].未来，应该加强对人地系统耦合研究，探索自然过程与人文过程相互作用的机制，并预测人地系统演变，实现区域土地利用优化和可持续发展[3，59-61].