青藏高原土地利用景觀格局變化分析

張 興

(長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710054)

景觀格局是指景觀的空間結(jié)構(gòu)特征，是景觀的異質(zhì)性的具體表現(xiàn)，空間異質(zhì)性是景觀的重要屬性之一[1]。土地利用景觀隨著自然環(huán)境的制約和人類活動(dòng)的干預(yù)而發(fā)生變化，同時(shí)是自然界最普遍和最重要的景觀類型[2]，對(duì)于土地利用景觀格局的研究也是學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)，并逐漸成為全球變化研究的前沿。有關(guān)土地利用景觀格局變化特征及時(shí)空演變規(guī)律的研究，國內(nèi)外學(xué)者均取得了豐富的成果[3-7]。

青藏高原被譽(yù)為“世界屋脊”和“地球第三極”，其獨(dú)特的自然格局和豐富的生態(tài)系統(tǒng)對(duì)我國乃至東亞地區(qū)的生態(tài)安全穩(wěn)定具有重要的屏障作用[8]。近年來，隨著全球氣候變化以及人類活動(dòng)的加劇，使得青藏高原的生態(tài)環(huán)境與生態(tài)安全正面臨著巨大壓力[9]，對(duì)于青藏高原地區(qū)展開土地利用景觀格局變化的研究對(duì)青藏高原國家生態(tài)安全屏障保護(hù)具有重要意義，同時(shí)可為該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

青藏高原地處我國西南部，東西跨度超過31個(gè)經(jīng)度(N26°10′～39°30′，E73°20′～104°20′)，見圖1。平均海拔4000m以上，面積約250萬km2，約占中國國土面積的1/4，是中國最大、世界平均海拔最高的高原[10]。青藏高原內(nèi)部有1500多個(gè)湖泊，同時(shí)也是中國和東南亞地區(qū)多條河流的發(fā)源地，如長江、黃河、瀾滄江、雅魯藏布江等[11]。青藏高原的部分山脈延伸至多個(gè)國家，由于國外數(shù)據(jù)獲取難度大，本文只研究我國境內(nèi)部分，從行政區(qū)劃來看，青藏高原地區(qū)地跨青海、西藏、新疆、云南、甘肅、四川等6個(gè)省區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

青藏高原地區(qū)土地利用數(shù)據(jù)及行政區(qū)劃shp格式文件來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.resdc.cn/)。

2 研究方法

2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是描述某事物從t時(shí)刻狀態(tài)轉(zhuǎn)移到t+1時(shí)刻狀態(tài)的概率[12]。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以直觀全面地反映土地利用變化的來源和去向，以便對(duì)土地利用變化進(jìn)行定性定量分析[13]，其表達(dá)式：

(1)

2.2 景觀指數(shù)的選擇與計(jì)算

在眾多景觀格局的分析方法中，景觀指數(shù)的應(yīng)用最為廣泛。景觀指數(shù)可以高度集中景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成，對(duì)于景觀空間配置格局等特征進(jìn)行比較的一種定量指標(biāo)[14,15]。Fragstats3.3將景觀指數(shù)分為斑塊(patch)、類型(class)和景觀(landscape)3種類型。結(jié)合本研究目的和青藏高原景觀特征，從類型和景觀2種水平上選取了7種景觀指數(shù)進(jìn)行分析，各指數(shù)的縮寫及生態(tài)學(xué)意義在Fragstats軟件中均有具體說明[16]。

2.3 核密度分析法

核密度分析法通過數(shù)據(jù)樣本來研究空間數(shù)據(jù)的分布特征，并通過既定的距離衰減函數(shù)來度量研究要素密度的變化情況，以探索熱點(diǎn)在空間區(qū)域的分布和變化特征。該方法廣泛應(yīng)用于聚集類的實(shí)證分析研究，核密度值的高低表示研究對(duì)象在空間上集聚程度的大小[17,18]，其表達(dá)式：

(2)

式中，F(xiàn)n(x)表示核密度值；(x-xi)表示估計(jì)點(diǎn)到的距離；h表示帶寬；n表示帶寬范圍內(nèi)的點(diǎn)數(shù)。

3 研究結(jié)果

3.1 土地利用變化分析

3.1.1 土地利用動(dòng)態(tài)變化分析

土地利用結(jié)構(gòu)變化可以充分反映出土地利用動(dòng)態(tài)變化趨勢，各土地類型之間的轉(zhuǎn)化趨勢主要通過土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)1995年、2005年和2015年的土地利用數(shù)據(jù)，在IDRISI軟件中利用Markov工具生成土地利用轉(zhuǎn)移面積矩陣，該矩陣反映了1995—2005年以及2005—2015年林地、草地、水域、城鄉(xiāng)、工礦及居民用地、未利用地和耕地這5種景觀類型轉(zhuǎn)移的面積，見表1、2。

圖1 青藏高原1995—2015年景觀類型分布圖

1995—2015年，青藏高原地區(qū)林地和未利用地面積減少，草地、水域、建設(shè)用地和耕地面積均增加。由表1可知，1995—2005年，林地和未利用地面積減少，其它類型均增加。林地的主要轉(zhuǎn)移去向?yàn)槲蠢玫睾筒莸?，未利用地主要轉(zhuǎn)移為草地和水域；其它類型方面，草地的增加主要由291348km2的未利用地和95602km2的林地轉(zhuǎn)化而來；水域的增加主要由35379km2的草地和22909km2的未利用地轉(zhuǎn)化而來；建設(shè)用地和耕地略有增加，但變動(dòng)幅度較小。

表1 1995—2005年土地利用轉(zhuǎn)移面積矩陣

由表2可知，2005—2015年，林地、未利用地和耕地面積減少，其它類型均增加。林地主要轉(zhuǎn)移為草地和水域，面積分別為19420km2和9610km2；未利用地轉(zhuǎn)入水域面積最大，達(dá)75051km2；耕地面積減少幅度不大；其它類型方面，草地的增加主要由19420km2的林地和14914km2的未利用地轉(zhuǎn)化而來；水域的增加主要由115922km2的草地和75051km2的未利用地轉(zhuǎn)化而來；建設(shè)用地變動(dòng)幅度仍較小。

表2 2005—2015年土地利用轉(zhuǎn)移面積矩陣

3.1.2 景觀類型變化的核密度分析

核密度值的高低表示研究對(duì)象在空間上集聚程度的大小。本文依據(jù)1995和2015年青藏高原土地利用類型圖，利用ArcGIS提取1995—2015年間6類土地利用類型發(fā)生變化的地區(qū)，進(jìn)行核密度分析，得出1995—2015年6類景觀變化的空間可視化結(jié)果，結(jié)果見圖2。

圖2 1995—2015年青藏高原地區(qū)景觀類型變化的核密度分析圖

結(jié)合表1、2可知，林地面積變化的高密度區(qū)主要集中分布于青藏高原的東部及東南部地區(qū)的高山峽谷區(qū)，如藏東南、川西和滇西北地區(qū)等。由于建設(shè)用地的擴(kuò)張、樹木的砍伐等原因，林地面積在1995—2005年迅速減少[19]，但在2005—2015年間，生態(tài)安全屏障建設(shè)工程實(shí)施的成效顯著，使得林地面積趨于穩(wěn)定，變化幅度較??；青藏高原草地是我國生態(tài)安全屏障的重要組成部分，草地面積變化的高密度區(qū)域分布廣泛，氣候變暖變濕和生態(tài)恢復(fù)工程是青藏高原變綠的主要?jiǎng)右騕20]；水體面積的變化集中于青藏高原幾大湖區(qū)，如青海湖、納木錯(cuò)、班公錯(cuò)、色林錯(cuò)等。在全球變暖導(dǎo)致以青藏高原為核心的“第三極”地區(qū)成為全球變暖最強(qiáng)烈的背景下，青藏高原地區(qū)的水體正在發(fā)生劇烈變化，冰川加速退縮、冰川徑流增加、湖泊顯著擴(kuò)張導(dǎo)致了較大幅度的水域面積增加[21,22]；建設(shè)用地的變化集中于青海及西藏的主要城市，如西寧和拉薩，人口增長和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的主要?jiǎng)右?；未利用地變化的高值區(qū)主要分布在青藏高原地區(qū)的西北部及南部的裸巖礫石地和東北部的裸土地區(qū)域，未利用地面積主要呈減少趨勢，這也是氣候的暖濕化和生態(tài)保護(hù)共同作用下的結(jié)果[23]；耕地變化集中于河湟谷地、雅魯藏布江中游及其2個(gè)支流流域區(qū)域，耕地面積整體呈上升趨勢，耕地?cái)U(kuò)張的主要原因是人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及農(nóng)業(yè)機(jī)械化的大規(guī)模發(fā)展，如機(jī)耕、機(jī)收的推廣[24]。

3.2 景觀格局分析

3.2.1 類型水平上景觀格局指數(shù)分析

在類型水平上分析景觀格局，能夠明確不同景觀類型的動(dòng)態(tài)特征及其對(duì)整個(gè)景觀類型的影響程度。圖3a和3b中，6種景觀類型的斑塊數(shù)(NP)和景觀形狀指數(shù)(LSI)在1995—2015年均呈上升趨勢，表明其景觀破碎度加深，形狀趨于復(fù)雜化，離散度增加。由圖3c可知，草地的最大斑塊指數(shù)(LPI)遠(yuǎn)高于其它類型景觀，加之草地的總面積最大，表明草地在6種景觀類型中占主導(dǎo)地位；其次為未利用地和林地，草地的最大斑塊指數(shù)(LPI)在1995—2015年總體呈上升趨勢，未利用地和林地的最大斑塊指數(shù)(LPI)呈下降趨勢，可見草地對(duì)于整體景觀的影響仍在逐漸增加；水域、建設(shè)用地和耕地的最大斑塊指數(shù)(LPI)數(shù)值遠(yuǎn)低于其余景觀，表明其對(duì)整體的景觀影響較低。由圖3d可知，林地、草地、水域和未利用地都呈現(xiàn)出了很高的聚合度，說明這幾種景觀類型在空間上的分布態(tài)勢呈現(xiàn)集中的特點(diǎn)；建設(shè)用地和耕地聚合度較低，主要是因?yàn)槠浞植枷鄬?duì)零散，但建設(shè)用地的聚集度指數(shù)(AI)有所上升，林地、水域、未利用地和耕地的聚集度指數(shù)(AI)有所降低，是因?yàn)樵陂_發(fā)利用過程中受到一定的蠶食，使得這些景觀的破碎程度加大。

圖3 青藏高原地區(qū)1995—2015年景觀類型指數(shù)

3.2.2 景觀水平上景觀格局指數(shù)分析

從景觀水平上對(duì)景觀格局進(jìn)行分析，能夠明確景觀格局整體演變規(guī)律。由表3可知，1995—2015年，青藏高原地區(qū)的蔓延度指數(shù)(CONTAG)呈逐漸降低趨勢，表明各類景觀類型的中小型斑塊數(shù)量逐漸增多，景觀連通性變差；聚集度指數(shù)(AI)逐漸減少，表明不同斑塊間的聚集程度減弱，破碎程度加大；香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHDI)以2005年為界，先減少后增加，表明2005年之后，景觀趨于復(fù)雜化，異質(zhì)性增加，景觀格局向著均衡化發(fā)展；香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHEI)以2005年為界，先減少后增加，表明2005年之后，研究區(qū)景觀格局的均勻度增加，各類型景觀逐步分化為更小的斑塊。

表3 青藏高原地區(qū)1995—2015年景觀水平指數(shù)

4 結(jié)論與討論

本文基于青藏高原地區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，對(duì)該地區(qū)土地利用及景觀變化格局進(jìn)行分析，結(jié)果如下。

1995—2015年，青藏高原地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了劇烈變化，林地和未利用地面積減少，草地、水域、建設(shè)用地和耕地面積均增加。氣候暖濕化和生態(tài)保護(hù)工程的實(shí)施使得青藏高原的林地面積迅速減少轉(zhuǎn)變?yōu)橼呌诜€(wěn)定，未利用地面積持續(xù)縮小，其轉(zhuǎn)移去向主要為草地及水域，草地和水域面積顯著增加；同時(shí)人口增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展所帶來的建設(shè)用地和耕地的擴(kuò)張也較為顯著。

研究時(shí)段內(nèi)青藏高原地區(qū)的景觀格局變化顯著。類型水平上，6類景觀的斑塊數(shù)(NP)和景觀形狀指數(shù)(LSI)上升，表明其景觀破碎度加深；草地的最大斑塊指數(shù)(LPI)最大，表明其占據(jù)主導(dǎo)地位；林地、草地、水域和未利用地在空間上的分布都很集中，而建設(shè)用地和耕地的聚合度較低，主要是因?yàn)槠浞植济娣e小，且相對(duì)零散。景觀水平上，整體的蔓延度指數(shù)(CONTAG)和聚集度指數(shù)(AI)下降，香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHEI)先減少后增加，表明研究區(qū)內(nèi)部景觀破碎程度加大，各類型景觀逐步分化為更小的斑塊。

青藏高原在1995—2015年間，土地利用景觀格局發(fā)生了重要變化，景觀碎片化程度明顯加深，一系列的變化體現(xiàn)出青藏高原地區(qū)的生態(tài)環(huán)境正在遭受著巨大挑戰(zhàn)，需要增強(qiáng)對(duì)于青藏高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)。