2000—2016年甘肅祁連山自然保護區(qū)土地覆被時空變化分析

宋偉宏，程慧波

(甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站，甘肅蘭州 730000)

土地利用/覆蓋變化是全球環(huán)境變化研究的前沿和熱點問題[1-3]。隨著土地利用/覆被變化研究的深入，政府、基層組織和居民對生態(tài)環(huán)境變化的響應成為研究熱點[4-6]。由于對生態(tài)環(huán)境變化的響應關系著區(qū)域的可持續(xù)能力，在一些脆弱區(qū)域，當基層組織和居民對生態(tài)環(huán)境有著消極響應的時候，政府的積極響應對于區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展尤為重要[7-10]。甘肅祁連山國家級自然保護區(qū)地處青藏、蒙新、黃土三大高原交匯地帶的祁連山北麓，屬森林生態(tài)系統(tǒng)類型的自然保護區(qū)。祁連山是青海、甘肅兩省的天然分界線，分布有豐富的冰川、雪山、森林、草地和濕地資源，是我國高原生態(tài)安全屏障的重要組成部分，保障著全國，特別是西北地區(qū)的生態(tài)安全，在維護整個河西陸地生態(tài)系統(tǒng)平衡以及保障河西地區(qū)經(jīng)濟社會和諧發(fā)展中起著決定性的作用[11-13]。近年來，受自然因素和人為因素的影響，祁連山地區(qū)冰川、雪線不斷退縮，天然林草植被不斷退化，水源涵養(yǎng)功能呈現(xiàn)萎縮，荒漠化日趨擴大，生物多樣性遭到威脅。開展祁連山自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測對保護祁連山生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

1 資料與方法

1.1研究區(qū)概況甘肅祁連山國家級自然保護區(qū)位于祁連山北坡中、東段，地理位置位于97°25′～103°46′E、36°43′～39°36′N，南沿祁連山主脈與青海省接壤，西至肅南縣界與肅北蒙古族自治縣相鄰，東至天祝縣界與永登縣相連，北至祁連山森林分布下線與河西走廊相鄰。祁連山國家級自然保護區(qū)屬大陸性高寒半濕潤山地氣候，表現(xiàn)為冬季長而寒冷干燥，夏季短而溫涼濕潤，全年降水量主要集中在5—9月，該區(qū)由淺山地帶向深山地帶氣溫遞減、雨量遞增，高山寒冷而陰濕，淺山地帶熱而干燥。隨著山區(qū)海拔的升高，各氣候要素發(fā)生有規(guī)律自下而上的變化，呈明顯的山地垂直氣候帶，自下而上為淺山荒漠草原氣候帶、淺山干草原氣候帶、中山森林草原氣候帶、亞高山灌叢草甸氣候帶、高山冰雪植被氣候帶。

1.2數(shù)據(jù)與方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源與處理。為建立2000—2016年甘肅省祁連山自然保護區(qū)時空數(shù)據(jù)庫，從USGS網(wǎng)站下載了102景Landsat TM/ETM+/OLI遙感影像，作為甘肅祁連山自然保護區(qū)的基礎研究數(shù)據(jù)。EVI數(shù)據(jù)來源美國航天局NASA數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/search/)。通過植被指數(shù)算法獲得，該算法基于質量、云和觀測幾何濾波器進行數(shù)據(jù)濾波，只有高質量的、無云的濾波數(shù)據(jù)被用來進行合成，合成的目的是選擇最佳的觀測數(shù)據(jù)，這種方法能保證植被指數(shù)值的時空一致性。

植被覆蓋度是基于植被指數(shù)利用像元二分法模型計算的，計算公式為：

VFC=(EVI-EVIsoil)/(EVIveg-EVIsoil)

(1)

其中， EVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的EVI值，EVIveg則代表完全被植被所覆蓋的像元的EVI值，即純植被像元的EVI值。

1.2.2研究方法。采用決策樹分析方法，通過采用人工與自動相結合的方式，對于光譜劃分機理清楚的類型采用人工建樹方法，對于類型的光譜變化比較大、規(guī)律不清楚的類型采用自動方法(最鄰近方法)，并且通過地面核查提高土地覆蓋分類精度。考慮到土地覆被人工目視解譯自身存在的誤差影像，為科學評判土地覆被變化狀況，采用以下公式提取土地覆被面積變化狀態(tài)：

ΔS=Sj-Si

式中，ΔS為兩期地物類型面積的插值，i和j均為年份；ΔE為兩期地物類型矢量化數(shù)據(jù)誤差；Pi和Pj分別為i和j時刻地物類型多邊形的周長；Hc為遙感影像像元的一半，取值為15 m。

2 結果與分析

2.1祁連山自然保護區(qū)土地利用/覆蓋以2016年度覆蓋全甘肅省祁連山國家級自然保護區(qū)的Landsat8 OLI影像為主要數(shù)據(jù)源，通過室內(nèi)解譯并結合野外核查，得出2016年度甘肅省祁連山國家級自然保護區(qū)土地利用/土地覆蓋狀況(圖1)。祁連山獨特的自然條件和人為活動的影響，決定了各生態(tài)系統(tǒng)的構成及面積相差較大，如表1所示。2016年整個保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)組成以草地為主，占總面積的52.9%；其次是荒漠，占22.4%；森林與荒漠接近，占21.9%；農(nóng)田占1.2%，冰川積雪占1.1%，濕地占0.3%；人工生態(tài)系統(tǒng)最小，僅占0.2%。

圖1 2016年祁連山國家級自然保護區(qū)土地覆被現(xiàn)狀Fig.1 Status of land cover in Qilian Mountain National Nature Reserve in 2016

從圖2可看出，森林主要以落葉闊葉灌叢為主，面積473 933.6 hm2，占森林面積的80.6%。落葉闊葉灌叢主要分布在實驗區(qū)，面積占該類林地總面積的44.4%；其次分布在核心區(qū)，占26.2%；分布在外圍保護地帶的面積最少，僅占8.5%。常綠針葉林面積104 733.4 hm2，占森林面積的17.8%。常綠針葉林主要分布在實驗區(qū)，占該類林地面積的64.7%；緩沖區(qū)占20.6%，外圍保護地帶最小，僅占1.2%。其他林地面積很小，主要零星分布在自然保護區(qū)的實驗區(qū)、外圍保護地帶。

從圖3可看出，草地構成中沒有占主導地位的類型。溫性草原最多，面積386 154.0 hm2，也僅占草地總面積的20.2%；溫性草原主要分布在實驗區(qū)，占該類草地面積的55.0%，分布在外圍保護地帶的占36.0%，分布在核心區(qū)的最少，僅占4.1%。高寒草原面積351 879.9 hm2，主要分布在外圍保護地帶，占該類草地面積的37.7%，分布在實驗區(qū)的占22.1%，分布在核心區(qū)的占20.5%，分布在緩沖區(qū)的占19.7%。溫性草甸面積286 814.3 hm2，主要分布在實驗區(qū)，占該類草地面積的51.6%；分布在外圍保護地帶的占22.5%，分布在緩沖區(qū)的占14.3%，分布在核心區(qū)的占11.6%。高寒草甸面積73 735.5 hm2，主要分布在實驗區(qū)，占該類草地面積的48.3%；分布在核心區(qū)的占24.5%，分布在緩沖區(qū)的占18.0%；分布在外圍保護地帶的最少，僅占9.2%。稀疏草地面積318 725.2 hm2，主要分布在外圍保護地帶，占該類草地面積的53.9%，分布在實驗區(qū)的占28.2%，分布在核心區(qū)的占10.0%；分布在緩沖區(qū)的最少，占7.9%。

圖2 2016年祁連山國家級自然保護區(qū)森林覆被現(xiàn)狀Fig.2 Status of forest cover in Qilian Mountain National Nature Reserve in 2016

圖3 2016年祁連山國家級自然保護區(qū)草地覆被現(xiàn)狀Fig.3 Status of grassland cover in Qilian Mountain National Nature Reserve in 2016

人工生態(tài)系統(tǒng)主要是指由人為集中活動區(qū)域而強烈改變了地表自然狀態(tài)的有人為活動的區(qū)域。祁連山自然保護區(qū)人工生態(tài)系統(tǒng)主要是建設用地，面積1 943.4 hm2，分布在外圍保護地帶的建設用地占該類總面積的54.8%，實驗區(qū)的占43.7%，緩沖區(qū)的占1.3%，核心區(qū)的占0.2%。交通用地面積377.4 hm2，其中分布在實驗區(qū)的占53.5%，在外圍保護地帶的占40.4%，緩沖區(qū)的占6.1%，核心區(qū)沒有明顯的交通用地。采礦場面積583.0 hm2，分布在外圍保護地帶的占73.0%，在實驗區(qū)的占27.0%。祁連山自然保護區(qū)土地覆被面積如表1所示。

2.2祁連山保護區(qū)土地覆被變化近16年來祁連山國家級自然保護區(qū)主要生態(tài)系統(tǒng)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，草地生態(tài)系統(tǒng)是外圍保護地帶由于祁連山國家級自然保護區(qū)地處山區(qū)、人為大規(guī)?；顒痈蓴_少，其中2000—2005年變化幅度相對于大于后面2個時期(表2)。2000—2005年自然保護區(qū)整體變化趨勢是森林和草地生態(tài)系統(tǒng)及冰川積雪面積減少，農(nóng)田、濕地、荒漠和人工生態(tài)系統(tǒng)面積增加(表3)。

2000—2005年森林生態(tài)系統(tǒng)面積凈減少475.9 hm2，減少的森林主要是高山灌叢變?yōu)椴莸?，其次是變?yōu)槁愕?，其他減少變化量很小。草地凈減少839.1 hm2，主要是被開墾為耕地，其次是由于植被退化變?yōu)槁愕?，其他減少量很小。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈增加1 635.7 hm2，增加的耕地主要來源于草地開墾，其次是裸土地開發(fā)為耕地。濕地凈增加680.2 hm2，增加的濕地主要來源于荒漠和草地生態(tài)系統(tǒng)。人工生態(tài)系統(tǒng)增加163.1 hm2，主要來源于荒漠和草地生態(tài)系統(tǒng)?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)增加1 257.4 hm2，其增減變化主要是高山裸巖與冰川積雪之間的相互轉換。冰川積雪凈減少2 421.4 hm2，其增減變化與荒漠生態(tài)系統(tǒng)相似。

相對于前5 年，祁連山國家級自然保護區(qū)在2005—2010年變化相對較小，其中森林、農(nóng)田、濕地、荒漠生態(tài)系統(tǒng)和冰川積雪面積凈減少，草地和人工生態(tài)系統(tǒng)面積凈增加。各生態(tài)系統(tǒng)在此期間變化量小，沒有顯著變化(表4)。

2010—2016年草地、農(nóng)田和荒漠生態(tài)系統(tǒng)面積凈減少，森林、濕地、人工生態(tài)系統(tǒng)和冰川積雪面積凈增加。在此期間除冰川積雪與高山裸巖之間相互轉換的面積較大外，其他類型生態(tài)系統(tǒng)變化的面積都較小(表5)。

2.3祁連山保護區(qū)EVI變化甘肅省祁連山國家級自然保護區(qū)植被覆蓋指數(shù)(EVI)空間分布如圖4所示。紅色-藍色-紫色代表EVI植被指數(shù)由低往高逐步上升，同色系中顏色越淺代表其值越高。祁連山國家級自然保護區(qū)年EVI總體上呈現(xiàn)片狀分布特征，且存在一定的空間分布差異。EVI高值即植被覆蓋指數(shù)高的區(qū)域主要分布在自然保護區(qū)的東南區(qū)域，西北區(qū)域EVI值普遍較低。每年EVI植被指數(shù)分布大體一致，說明甘肅省祁連山國家級自然保護區(qū)EVI空間變化差異不大。

根據(jù)EVI，計算得出祁連山自然保護區(qū)植被覆蓋度。2000—2016年植被覆蓋度變化中，2004年植被覆蓋度最低，為25.98%。整體上植被覆蓋度有上升的態(tài)勢特征。年植被覆蓋度變化與生長季植被覆蓋度變化基本一致。祁連山外圍保護地帶植被覆蓋度在祁連山自然保護區(qū)的核心區(qū)最低，如圖5所示。

表12016年祁連山國家級自然保護區(qū)土地覆被面積及比例

Table1AreaandproportionoflandcoverofQilianMountainNationalNatureReservein2016

生態(tài)系統(tǒng)Ecosystem土地覆被類型Land cover type面積Area∥hm2比例Proportion∥%森林Forest落葉闊葉林139.90常綠針葉林1 047 334.017.8針闊混交林4 045.80.7落葉闊葉灌叢473 933.680.6稀疏林25.10稀疏灌叢4 860.50.8灌木園地162.90合計587 901.2100草地Grassland溫性草原386 154.027.2高寒草原351 879.924.8溫性草甸286 814.320.2高寒草甸73 735.55.2稀疏草地318 725.222.5合計1 417 308.9100農(nóng)田Farmland旱地32 700.4100濕地Wetland草本濕地6 578.071.3湖泊579.76.3水庫/坑塘1 257.013.6河流808.68.8合計9 223.3100人工Artificial建設用地1 943.466.9交通用地377.413.0采礦場583.020.1合計2 903.8100荒漠Desert裸巖562 803.993.6戈壁2 442.00.4裸土35 932.26.0鹽堿地7.00合計601 185.1100冰川積雪Glacier and snow29 437.4100

表2 祁連山國家級自然保護區(qū)土地覆被面積

表3 2000—2005年生態(tài)系統(tǒng)變化轉換矩陣

表4 2005—2010年生態(tài)系統(tǒng)變化轉換矩陣

表5 2010—2016年生態(tài)系統(tǒng)變化轉換矩陣

圖4 2000—2016年祁連山自然保護區(qū)EVI空間分布Fig.4 EVI spatial distribution of Qilian Mountain Nature Reserve from 2000 to 2016

圖5 2000—2016年祁連山自然保護區(qū)植被覆蓋度空間分布Fig.5 Spatial distribution of vegetation coverage in Qilian Mountain Nature Reserve from 2000 to 2016

3 結論

(1)祁連山獨特的自然條件和人為活動的影響，決定了各土地覆被的構成及面積相差較大。2016年整個保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)組成以草地為主，占總面積的52.9%；其次是荒漠，占22.4%，森林占21.9%；農(nóng)田占1.2%，冰川積雪占1.1%，濕地占0.3%；人工生態(tài)系統(tǒng)最小，僅占0.2%。

(2)森林主要以落葉闊葉灌叢為主，面積473 933.6 hm2，占森林面積的80.6%；落葉闊葉灌叢主要分布在實驗區(qū)，面積占該類林地總面積的44.4%；其次分布在核心區(qū)，占26.2%；分布在外圍保護地帶的面積最少，僅占8.5%。溫性草原最多，面積386 154.0 hm2，也僅占草地總面積的20.2%。

(3)近16年來祁連山國家級自然保護區(qū)主要生態(tài)系統(tǒng)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，2000—2005年自然保護區(qū)整體變化趨勢是森林和草地生態(tài)系統(tǒng)及冰川積雪面積減少，農(nóng)田、濕地、荒漠和人工生態(tài)系統(tǒng)面積增加。2005—2010年，森林、農(nóng)田、濕地、荒漠生態(tài)系統(tǒng)和冰川積雪面積凈減少，草地和人工生態(tài)系統(tǒng)面積凈增加。2010—2016年，草地、農(nóng)田和荒漠生態(tài)系統(tǒng)面積凈減少，森林、濕地、人工生態(tài)系統(tǒng)和冰川積雪面積是凈增加。

(4)祁連山自然保護區(qū)年EVI總體上呈現(xiàn)片狀分布特征，且存在一定的空間分布差異。EVI高值即植被覆蓋指數(shù)高的區(qū)域主要分布在自然保護區(qū)的東南區(qū)域，西北區(qū)域EVI值普遍較低。每年EVI植被指數(shù)分布大體一致。2000—2016年植被覆蓋度變化中，2004年植被覆蓋度最低，為25.98%。整體上植被覆蓋度有上升的態(tài)勢特征。年植被覆蓋度變化與生長季植被覆蓋度變化基本一致。