基于多期數(shù)據(jù)集的塔吉克斯坦土地利用和土地覆蓋變化分析

匡薇，馬勇剛，李宏，李靜

(1.新疆維吾爾自治區(qū)遙感中心，烏魯木齊 830011；2.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)勘查開發(fā)局信息中心，烏魯木齊 830011)

1 引 言

土地利用和土地覆蓋變化(Land Use and Land Cover Change，簡(jiǎn)稱LUCC或LULCC)是指人類活動(dòng)對(duì)自然資源的管理行為以及隨后對(duì)陸表狀況產(chǎn)生的影響。它包括兩個(gè)方面：一個(gè)是因，即土地利用，指人類為達(dá)成一定目的而在一定土地上投資勞力或資本，以發(fā)揮土地的功能；另一個(gè)是果，即土地覆蓋變化，指土壤和植被系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變[1]。隨著人類社會(huì)的發(fā)展，土地利用的格局、深度和強(qiáng)度不斷發(fā)生變化，由此對(duì)地球環(huán)境的各個(gè)方面產(chǎn)生了深刻的影響，從而加劇了持續(xù)發(fā)展的全球性環(huán)境問(wèn)題，主要包括對(duì)氣候[2]、土壤[3-4]、水資源和水循環(huán)[5-6]、生物多樣性[7]和碳循環(huán)[8]的影響。自上世紀(jì)90年代初開始，全球地圈和生物圈計(jì)劃(International Geosphere Biosphere Program，簡(jiǎn)稱IGBP)和全球變化人文計(jì)劃(International Human Dimensions Program，簡(jiǎn)稱IHDP)積極籌劃全球綜合研究計(jì)劃，在其推動(dòng)下于1995年發(fā)表了《土地利用/土地覆被變化研究計(jì)劃》，將LUCC列為核心項(xiàng)目之一，使得LUCC研究成為自然及社會(huì)科學(xué)共同深感興趣的熱點(diǎn)和前沿內(nèi)容[9-14]。

塔吉克斯坦作為第三世界的國(guó)家，在近幾十年來(lái)，社會(huì)動(dòng)蕩，特別是1991年前蘇聯(lián)解體，導(dǎo)致土地利用和土地覆蓋發(fā)生了明顯的變化。準(zhǔn)確獲悉塔吉克斯坦近30年來(lái)各階段土地利用和土地覆蓋信息，深入分析塔吉克斯坦土地利用和土地覆蓋變化原因，有利于加深對(duì)塔吉克斯坦生態(tài)環(huán)境變化的研究。但是相關(guān)土地利用覆蓋資料的缺失[15]，不利于深入進(jìn)行對(duì)塔吉克斯坦土地利用和土地覆蓋變化原因及對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的理解。本研究擬利用1981年至今國(guó)際公開發(fā)布的4套土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)集進(jìn)行土地利用信息提取和分析，掌握塔吉克斯坦近30年宏觀上土地利用變化特征，分析土地利用覆蓋變化的原因，為進(jìn)一步分析氣候變化和人類活動(dòng)下塔吉克斯坦生態(tài)環(huán)境變化評(píng)估和可持續(xù)發(fā)展政策的制定提供參考。

2 研究區(qū)與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

塔吉克斯坦面積為14.31萬(wàn)平方公里，是位于中亞?wèn)|南部的內(nèi)陸國(guó)。西部和北部分別同烏茲別克斯坦、吉爾吉斯斯坦接壤，東鄰中國(guó)新疆，南界阿富汗。地處山區(qū)，境內(nèi)山地和高原占90%，其中約一半在海拔3000米以上，有“高山國(guó)”之稱。北部山脈屬天山山系，中部屬吉薩爾-阿爾泰山系，東南部為冰雪覆蓋的帕米爾高原。北部是費(fèi)爾干納盆地的西緣，西南部有瓦赫什谷地、吉薩爾谷地和噴赤谷地等。大部分河流屬咸海水系，主要有錫爾河、阿姆河、澤拉夫尚河、瓦赫什河和菲爾尼甘河等。水力資源可觀。湖泊多分布在帕米爾高原。全境屬典型的大陸性氣候，高山區(qū)隨海拔高度增加大陸性氣候加劇，南北溫差較大。

2.2 數(shù)據(jù)與方法

本文主要利用的數(shù)據(jù)集包括UMD(University of Maryland)土地覆蓋數(shù)據(jù)集[16]、Global Land Cover 2000數(shù)據(jù)集(簡(jiǎn)稱GLC2000)[17]、GlobCover全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)[18]和GlobCover全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)2009[19]這4個(gè)數(shù)據(jù)集。本文將利用這些數(shù)據(jù)集的土地利用和土地覆蓋信息，分析塔吉克斯坦在4個(gè)時(shí)間段的土地覆蓋結(jié)構(gòu)，并通過(guò)不同分類系統(tǒng)類別合并的方法，綜合分析近30年來(lái)塔吉克斯坦的土地覆蓋變化情況。數(shù)據(jù)源信息見(jiàn)表1，各數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)見(jiàn)表2。

美國(guó)馬里蘭大學(xué)地理系于1998年制作UMD土地覆蓋數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)來(lái)源于AVHRR衛(wèi)星獲得的1981年到1994年之間影像。UMD基于AVHRR數(shù)據(jù)的5個(gè)波段及NDVI數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)重新組合建立數(shù)據(jù)矩陣，用分類樹的方法將全球土地覆蓋分為14類，分類系統(tǒng)很大程度上采用了IGBP的分類方案，與IGBP相比少了永久濕地、農(nóng)田與自然植被鑲嵌、冰雪這3類。有研究結(jié)果表明，UMD分類圖像的總體精度為61.03%[20]。UMD分類系統(tǒng)見(jiàn)表2。

歐盟聯(lián)合研究中心(JRC)空間應(yīng)用研究所(SAI)聯(lián)合全球多個(gè)國(guó)家和地區(qū)利用2000年VGT數(shù)據(jù)，共同開展全球土地覆蓋制圖研究(GLC2000)。其目的在于更新已有的全球土地覆蓋數(shù)據(jù)，為環(huán)境變化研究提供2000年的全球土地覆蓋本底資料。GLC2000數(shù)據(jù)集分類采用LCCS(Land Cover Classification System)分類系統(tǒng)(表2)，經(jīng)歷了氣候分層和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、非監(jiān)督分類和標(biāo)定、精度評(píng)價(jià)和成圖3個(gè)階段，將全球土地覆蓋分為22類，并利用高分辨率遙感影像進(jìn)行驗(yàn)證，該數(shù)據(jù)集的分類精度為65%，對(duì)于純像元的驗(yàn)證精度高達(dá)82%。

表1 全球土地覆蓋數(shù)據(jù)集詳細(xì)信息列表

表2 3種土地覆蓋分類系統(tǒng)

GlobCover為全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)，分辨率300米，數(shù)據(jù)格式為TIF。GlobCover全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)來(lái)自ENVISAT衛(wèi)星，由MERIS(Medium Resolution Imaging Spectrometer)傳感器拍攝完成。目前共有兩期，GlobCover(Global Land Cover Map)2009和GlobCover(Global Land Cover Product)2005～2006。GlobCover 2009數(shù)據(jù)生成過(guò)程中，主要選取了MERIS傳感器在2009年1月1日至12月31日期間所接收的較高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)，來(lái)進(jìn)行圖像合成。GlobCover 2005全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)拍攝時(shí)間為2005年～2006年。GlobCover全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)采用“美國(guó)食品和農(nóng)業(yè)組織的地表覆蓋分類系統(tǒng)(UN Food and Agriculture Organisation’s Land Cover Classfication)”(表2)作為圖例生成標(biāo)準(zhǔn)，將全球陸地覆蓋共分為22類。與IGBP分類系統(tǒng)相比，GlobCover把永久濕地進(jìn)一步劃分為森林濕地和沼澤濕地[15]。該數(shù)據(jù)總體驗(yàn)證精度為67.10%。

塔吉克斯坦不同數(shù)據(jù)產(chǎn)品土地覆蓋分類列表見(jiàn)表3。

表3 塔吉克斯坦不同數(shù)據(jù)產(chǎn)品土地覆蓋分類列表

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 1981年～1994年塔吉克斯坦土地覆蓋結(jié)構(gòu)

1981年～1994年塔吉克斯坦土地覆蓋結(jié)構(gòu)見(jiàn)表4和圖1。塔吉克斯坦在1981年～1994年土地覆蓋類型主要有4類：稀疏灌叢、裸地、草地和農(nóng)田，它們占塔吉克斯坦總面積的91.5597%。其中稀疏灌叢最多，面積約為4.8248×104km2，占塔吉克斯坦總面積的32.8881%；其次是裸地，面積約為3.4670×104km2，占塔吉克斯坦總面積的23.6328%；然后是草地，面積約為3.2195×104km2，占塔吉克斯坦總面積的21.9459%；農(nóng)田面積約為1.9208×104km2，占塔吉克斯坦總面積的13.0929%。

表4 1981年～1994年塔吉克斯坦土地覆蓋構(gòu)成

數(shù)據(jù)來(lái)源：馬里蘭大學(xué)UMD土地覆蓋數(shù)據(jù)集

圖1 1981年～1994年塔吉克斯坦土地覆蓋構(gòu)成示意圖

3.2 2000年塔吉克斯坦土地覆蓋結(jié)構(gòu)

2000年塔吉克斯坦土地覆蓋結(jié)構(gòu)見(jiàn)表5和圖2。塔吉克斯坦在2000年土地覆蓋類型主要有3類：裸地、草地和冰雪，它們占塔吉克斯坦總面積的87.6909%。其中裸地最多，面積約為4.8582×104km2，占塔吉克斯坦總面積的33.1158%；其次是冰雪，面積約為4.0166×104km2，占塔吉克斯坦總面積的27.3791%；然后是草地，面積約為3.9898×104km2，占塔吉克斯坦總面積的27.1960%。與1981年～1994年相比，裸地和草地大幅增加，農(nóng)田面積大幅減少，究其主要原因是1991年蘇聯(lián)解體，導(dǎo)致大的政策變動(dòng)，大量農(nóng)田棄耕，一部分棄耕農(nóng)田長(zhǎng)雜草，成為草地，另一部分則轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕亍?/p>

表5 2000年塔吉克斯坦土地覆蓋構(gòu)成

數(shù)據(jù)來(lái)源：歐空局(ESA)Global Land Cover 2000數(shù)據(jù)集

圖2 2000年塔吉克斯坦土地覆蓋構(gòu)成示意圖

3.3 2005年～2006年塔吉克斯坦土地覆蓋結(jié)構(gòu)

2005年～2006年塔吉克斯坦土地覆蓋結(jié)構(gòu)見(jiàn)表6，圖3。塔吉克斯坦在2005年～2006年土地覆蓋類型主要有4類：草地、永久冰雪、裸地和水淹或灌溉農(nóng)田，它們占塔吉克斯坦總面積的86.0150%。其中草地最多，占塔吉克斯坦總面積的32.5793%；其次是永久冰雪，占塔吉克斯坦總面積的28.0092%；然后是裸地，占塔吉克斯坦總面積的12.8383%；水淹或灌溉農(nóng)田，占塔吉克斯坦總面積的12.5882%。與2000年相比，農(nóng)田面積大幅增加，裸地面積大幅減少，這是由于塔吉克斯坦政局逐漸穩(wěn)定，自1997年開始經(jīng)濟(jì)逐漸回暖，大量棄耕農(nóng)田復(fù)墾。

表6 2005年～2006年和2009年塔吉克斯坦土地覆蓋構(gòu)成

數(shù)據(jù)來(lái)源：歐空局(ESA)ClobCover全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)

3.4 2009年塔吉克斯坦土地覆蓋結(jié)構(gòu)

2009年塔吉克斯坦土地覆蓋結(jié)構(gòu)見(jiàn)表6和圖4。塔吉克斯坦在2009年土地覆蓋類型主要有4類：裸地、草地、永久冰雪和水淹或灌溉農(nóng)田，它們占塔吉克斯坦總面積的83.0572%。其中裸地最多，占塔吉克斯坦總面積的30.6393%；其次是草地，占塔吉克斯坦總面積的24.5946%；然后是永久冰雪，占塔吉克斯坦總面積的14.3516%；水淹或灌溉農(nóng)田，占塔吉克斯坦總面積的13.4717%。與2005年～2006年相比，裸地和永久冰雪面積大幅增加，草地面積大幅減少，農(nóng)田面積有所增加，這可能由于近年來(lái)發(fā)生的氣候變暖導(dǎo)致冰雪融化，草地植被干枯，同時(shí)，塔吉克斯坦在本世紀(jì)以來(lái)，政局穩(wěn)定，政府重視農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，繼而使得農(nóng)田面積得到增加。

圖4 2009年塔吉克斯坦土地覆蓋構(gòu)成示意圖

3.5 近30年來(lái)(1981年～2009年)塔吉克斯坦土地覆蓋變化分析

3.5.1 土地利用趨勢(shì)分析

4種土地覆蓋產(chǎn)品旨在提供塔吉克斯坦土地利用和土地覆蓋信息，但其分類系統(tǒng)不同，不能直接將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，所以本文將不同分類系統(tǒng)的土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行類別合并，詳情參照表7。將土地覆蓋類別分為6類：自然林木、自然草本、農(nóng)田、裸地、水體和其他。自然林木包括郁閉/稀疏的落葉/常綠的闊葉林/針葉林和混交林；自然草本包括草地、有林草地以及稀樹草原；農(nóng)田包括灌溉農(nóng)田、旱作農(nóng)田和以農(nóng)田為主的鑲嵌體；裸地包括裸地；水體包括水體；其他包括冰雪/永久冰雪、人工表面和相關(guān)區(qū)域/城市和建筑以及各種鑲嵌體。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表8。雖然這種合并方法不可能完全提取出自然林木、自然草本和農(nóng)田的信息，有些鑲嵌體不能完全將這幾類區(qū)分開，但這幾類覆蓋范圍廣，鑲嵌體占地面積相對(duì)較小，不影響對(duì)總體趨勢(shì)的判斷。

表9和圖5揭示了塔吉克斯坦土地覆蓋的變化趨勢(shì)。1981年～1994至2000年，農(nóng)田面積大幅減少，從1.9208×104km2減至0.4648×104km2，凈減1.4559×104km2，減幅達(dá)75.80%。而2000年至2005年～2006年，農(nóng)田面積大幅增加，比1981年～1994年還多0.7852×104km2。但2005年～2006年至2009年，農(nóng)田面積只有小幅增長(zhǎng)。裸地則體現(xiàn)出了與農(nóng)田大致相反的趨勢(shì)，裸地面積變化劇烈，先大幅增多1.3912×104km2，再大幅減少2.9748×104km2，最后又大幅增多2.6115×104km2。自然草本在經(jīng)歷了連續(xù)兩個(gè)階段的小幅增加，最后階段的減少之后，最終2009年與1981年～1994年面積相差不大。自然林木和水體則幾乎沒(méi)有什么太大變化。這說(shuō)明在1981年～1994至2000年，由于農(nóng)田棄耕，農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕?、自然草本和自然林木；?000年至2005年～2006年，隨著棄耕地的復(fù)墾，裸地又轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田；在2005年～2006年至2009年，隨著全球氣候變暖，植被死亡，冰川融化，自然草本、自然林木和其他(主要是冰雪，由表6可知)又轉(zhuǎn)變?yōu)槁愕亍?/p>

表7 塔吉克斯坦3種數(shù)據(jù)產(chǎn)品土地覆蓋分類合并表(類型編碼參照表2)

表8 塔吉克斯坦不同數(shù)據(jù)產(chǎn)品土地覆蓋合并數(shù)據(jù)構(gòu)成

圖5 塔吉克斯坦土地覆蓋走勢(shì)圖

3.5.2 土地利用地域差異分析

圖6展示了1981年～2009年塔吉克斯坦的土地利用變化的特征和空間分布規(guī)律。由于4種數(shù)據(jù)產(chǎn)品分類系統(tǒng)存在差異，本文僅分析分類合并后的自然林木、自然草本、農(nóng)田、裸地、水體的空間分布規(guī)律。從圖6中可以看出，自然林木較少，幾乎未見(jiàn)分布。1981年～2009年，自然草本有先增后減的趨勢(shì)，并且從2000年至2009年，自然草本的空間分布明顯由主要分布于塔吉克斯坦西部轉(zhuǎn)為東部，自然草本的增加主要是由人類活動(dòng)影響，自然草本空間分布的變化則主要由氣候控制。農(nóng)田在近30年來(lái)經(jīng)歷了先減少后增多的變化，且農(nóng)田主要分布在塔吉克斯坦西部平原以及丘陵地帶，政策變動(dòng)引起的人類活動(dòng)變化是導(dǎo)致農(nóng)田數(shù)量變化的主要因素。裸地也經(jīng)歷了由少到多再到少的變化，空間上，裸地由主要分布在塔吉克斯坦西部和東北部轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕植荚谒怂固箹|北部。裸地在1981年～1994年至2000年減少是由人類活動(dòng)土地棄耕影響，裸地空間分布的轉(zhuǎn)移則是由氣候變暖所控制。水體在數(shù)量上沒(méi)有太多變化，空間上主要分布于塔吉克斯坦東北部和西部的高寒地區(qū)，主要是湖泊和河流，未處于人類活動(dòng)密集區(qū)，影響較小，且水體有巨量冰川水補(bǔ)給，總體大致平衡。

圖6 不同時(shí)期塔吉克斯坦土地覆蓋分布圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用全球多種土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品獲得塔吉克斯坦土地覆蓋數(shù)據(jù)，盡管分類系統(tǒng)存在差異，但仍能體現(xiàn)塔吉克斯坦地表覆蓋情況，這有利于深入了解塔吉克斯坦歷史土地利用覆蓋變化狀況。通過(guò)對(duì)分類系統(tǒng)的合并，將塔吉克斯坦的土地覆蓋類型分為自然林木、自然草本、農(nóng)田、裸地、水體和其他6類，基本能反映出該地區(qū)土地利用和土地變化趨勢(shì)。塔吉克斯坦土地覆蓋變化分析表明，草地、裸地、農(nóng)田和冰雪占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。1981年～1994年至2000年農(nóng)田面積的急劇下降，主要是耕地棄耕轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾吐愕亍Ｅc此同時(shí)，草地和裸地面積有所增加。這種變化與1991年前蘇聯(lián)解體導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)政策變動(dòng)有關(guān)。而1981年～2009年近30年來(lái)，草地在空間上的東移和裸地在空間上的西移則是由氣候變化引起，氣候變暖導(dǎo)致冰川融化，位于塔吉克斯坦東部高寒地區(qū)的裸地也逐漸長(zhǎng)出草本。從這些變化中可看出，人類活動(dòng)和氣候變化是影響塔吉克斯坦土地覆蓋分布的主要原因，雖然塔吉克斯坦經(jīng)濟(jì)逐漸恢復(fù)，但該地區(qū)受全球變暖影響明顯，冰川融化帶來(lái)的水資源逐漸減少、土地沙化、林木資源減少等一系列問(wèn)題，說(shuō)明該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境還有待改善，以實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，本文利用土地覆蓋數(shù)據(jù)集分析土地覆蓋變化以及將不同分類系統(tǒng)的類別合并的方法能夠在宏觀上把握塔吉克斯坦近30年來(lái)的土地覆蓋變化趨勢(shì)，說(shuō)明該方法可以適用于宏觀分析某地區(qū)土地覆蓋變化，對(duì)以后土地覆蓋變化的分析和研究提供借鑒。

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