1992—2017年托木爾峰國家級自然保護區(qū)土地利用-覆被變化及其動態(tài)1)

趙景啟 滿蘇爾·沙比提 艾克旦·依薩克 阿曼尼薩·庫爾班

(新疆師范大學，烏魯木齊，830054)

土地是人類賴以生存與發(fā)展的重要資源。土地利用-覆被變化是自然、社會以及人為等諸多因素共同作用的結果，是地球自然生態(tài)系統(tǒng)對人類活動影響最直接的表現(xiàn)形式[1-3]。土地利用-覆被變化表征該地區(qū)環(huán)境的好壞，揭示人類活動對環(huán)境的影響，深刻影響著地表輻射收支與水氣交換等過程，對區(qū)域乃至全球生態(tài)環(huán)境、氣候變化、水文水資源時空分配產(chǎn)生重大影響。因此，研究土地利用-覆被變化對改善人與自然間的和諧關系具有重要的意義[4]。

目前，國內(nèi)外學者對土地利用-覆被變化已經(jīng)開展了大量的研究并取得了豐富的研究成果。田春艷等[5]通過對天山北麓地區(qū)土地利用類型及動態(tài)度研究發(fā)現(xiàn)，1976—2017年天山北麓地區(qū)土地利用類型轉換復雜，城鄉(xiāng)建設用地土地利用動態(tài)度逐年增加，耕地的土地利用動態(tài)度呈先增加后減少的趨勢，草地和水域呈先減少后增大的變化趨勢；1976—2017年城建用地面積增加610.33%，耕地面積增加79.75%，草地面積增加46.32%，林地面積減少61.15%。付建新等[6]對祁連山南坡土地利用變化及其驅動力進行了分析，認為1980—2018年草地是研究區(qū)土地利用類型的主體，建設用地所占比重最小，水域、草地表現(xiàn)為下降趨勢，未利用土地、建設用地和耕地均呈現(xiàn)增長態(tài)勢，林地變化較小；不同地類單一土地利用動態(tài)度從大到小依次為：建設用地、水域、耕地、未利用土地、林地、草地，綜合土地利用動態(tài)度為0.9%；土地利用變化驅動力主要為人口數(shù)量、科技、城市化、經(jīng)濟發(fā)展水平和政策。趙志平等[7]利用遙感影像對秦嶺地區(qū)土地利用-覆被情況進行解譯，秦嶺地區(qū)土地利用-覆被主要類型為落葉闊葉林，其次為耕地，針葉林、針闊混交林、灌叢、水體濕地和居民地與建設用地面積較??；圍繞耕地的人類活動是該區(qū)土地利用-覆被變化的主導因子，溫度和降水量變化也是該區(qū)土地利用-覆被和植被覆蓋狀況變化的驅動因子。

托木爾峰國家級自然保護區(qū)位于新疆阿克蘇市溫宿縣，是我國高山自然保護區(qū)之一，其生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣直接關系到其下游地區(qū)數(shù)萬人的生態(tài)安全[8-11]。托木爾峰國家級自然保護區(qū)作為天山山脈的重要組成部分，土地利用變化作為環(huán)境變化的重要影響因素，加強托木爾峰國家級自然保護區(qū)土地利用-覆被研究對維護天山生態(tài)平衡與安全方面具有重要作用。目前，關于土地利用-覆被的研究在全球普遍存在，但研究多集中于人口集聚度較高的濕潤地區(qū)，而對干旱內(nèi)陸地區(qū)土地利用-覆被的關注相對較少。因此，以托木爾峰自然保護區(qū)為研究對象，應用托木爾峰自然保護區(qū)1992年、1997年、2010年與2017年的遙感影像作為數(shù)據(jù)來源，對該區(qū)域土地利用-覆被變化過程進行分析，以期為該自然保護區(qū)的有效保護提供技術支持。

1 研究區(qū)概況

天山托木爾峰國家級自然保護區(qū)位于南天山科克莎爾山與子午嶺相匯的山結處，地理坐標為(79°50′～80°54′E，41°40′～42°4′N)，總面積為3 445.85 km2，屬森林生態(tài)系統(tǒng)類型自然保護區(qū)。該地區(qū)氣候干燥，晝夜溫差大，年內(nèi)降水分配不均勻，年降水量300 mm左右，屬于溫帶大陸性半干旱氣候。自然保護區(qū)垂直高差約6 000 m，發(fā)育了從暖溫帶到冰雪帶7個垂直自然帶譜[12-13]。托木爾峰國家級自然保護區(qū)內(nèi)受保護的高等植物382種，有雪蓮花(Saussureainvolucrata(Kar. et Kir.) Sch.-Bip.)、高山黃芪(Astragalusalpinus.L.)等代表性植物；野生動物主要包括陸棲脊椎動物77種，隸屬13目28科73屬；昆蟲1 000余種。該保護區(qū)也是木扎爾特河、大庫孜巴依河、小庫孜巴依河、大臺蘭河、小臺蘭河、塔克拉克河和阿托依那克河等內(nèi)陸河水系的發(fā)源地，是新疆重要的水源補給地[14-15]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)為1992年、1997年、2010年和2017年的Landsat TM/ETM+遙感影像，成像時間均為當年的8—9月份，分辨率為30 m，且云量均不超過10%，所有影像均經(jīng)過大氣校正等預處理。以該保護區(qū)的地形圖及實地考察資料作為輔助資料，運用ENVI軟件對遙感影像進行合成與幾何校正，并利用研究區(qū)范圍進行裁切。

2.2 土地利用類型分類

本研究以自然資源部最新的國家土地利用分類標準為依據(jù)，同時結合托木爾峰國家級自然保護區(qū)的實際情況，將保護區(qū)土地利用類型劃分為草地、林地、冰川與水體、裸地等4類(如圖1)，總體精度較高，滿足土地利用變化研究的需要。并對土地利用類型進行編碼，將草地、林地、冰川與水體和裸地依次賦值1、2、3、4。

圖1 托木爾峰國家級自然保護區(qū)土地利用分類

2.3 土地利用變化及土地利用轉移矩陣

利用Arcgis軟件，將前后兩期土地利用數(shù)據(jù)進行疊加，將初期與末期的土地利用編碼分別作為十位數(shù)與個位數(shù)，進而生成4期(1992—1997、1997—2010、2010—2017及1992—2017年)具有兩位數(shù)編碼的土地利用變化圖[16](見圖2)。同時，通過對新生成的4期土地利用變化圖進行柵格計算，進而獲得4期土地利用轉移矩陣。

圖2 托木爾峰國家級自然保護區(qū)土地利用變化

轉移矩陣是國內(nèi)外通用的一種能夠定量反映土地利用類型間變化方向的工具，可以全面且具體地反映區(qū)域土地利用變化的結構特征與各用地類型變化的方向[17]，通過對一定時間內(nèi)研究區(qū)土地利用類型轉移矩陣的分析，可以更好的觀察該研究區(qū)土地利用類型變化情況。其數(shù)學表達式為：

式中：Sij表示第i種土地利用類型轉變?yōu)榈趈種土地利用類型的面積；i、j分別為研究初期與末期的土地利用類型；n為土地利用類型的數(shù)目(本文n=4)。

2.4 土地利用-覆被類型單一動態(tài)度

土地利用-覆被單一動態(tài)度可以反映研究區(qū)域一定時間范圍內(nèi)特定土地利用-覆被類型的數(shù)量的變化程度，可以定量描述該時間段內(nèi)某種土地利用類型的變化速度[18-19]。其計算公式為：

式中：K表示研究時段的某種土地利用-覆被的單一動態(tài)度；Ua、Ub分別表示研究初期與末期的某種土地利用-覆被的面積；T所表示的是研究時段長度(當T的表示為年時，K值所表示的就是研究區(qū)此土地類型的年變化率)。

土地利用-覆被單一動態(tài)度(K)的正負可以表征土地利用類型的增減，當K值大于0時，代表該時間段內(nèi)該種土地利用類型呈增加趨勢，否則是減少趨勢。

2.5 土地利用-覆被類型綜合動態(tài)度

土地利用-覆被類型綜合動態(tài)度可以從整體上度量其動態(tài)變化的大小程度[20]，其綜合動態(tài)度越大，表明該類土地面積變化趨勢越明顯，變化程度越劇烈。其計算公式為:

式中：LC為綜合土地利用類型動態(tài)度；LCi為研究初期第i類土地利用類型的面積；ΔLCi-j為研究時段內(nèi)第i類土地利用類型轉為其他土地利用類型(j)面積的絕對值；T為研究時段。

土地利用-覆被綜合動態(tài)度(LC)體現(xiàn)了空間變化的劇烈程度，其值越大，表明研究區(qū)內(nèi)土地利用-覆被變化的面積越大，空間變化程度也越大。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構及數(shù)量變化分析

由表1可知，托木爾峰國家級自然保護區(qū)土地利用類型以冰川與水體為主，其次是裸地、草地、林地。1992—2017年，草地總體呈增長趨勢；林地略有增長，但增長不大；冰川與水體亦呈增長趨勢；僅裸地呈減少趨勢。

表1 1992—2017年托木爾峰國家級自然保護區(qū)土地利用類型面積及比例

由表2可知，1992—2017年，草地經(jīng)歷了“增加—減少—大幅增加”3個階段，2010—2017年間增加比例高達43.75%，25 a內(nèi)共增加40.74 km2。1992—2010年林地均呈增長趨勢，2010年后呈減少趨勢，總體變化幅度不大，趨于穩(wěn)定，25年內(nèi)僅增加2.51 km2；冰川與水體變化趨勢與林地相似，總體亦呈增長趨勢，共增加了299.42 km2；裸地呈“減少—減少—略微增加”的趨勢，總體減少了342.68 km2?？傮w來說，草地增長幅度最大，增長比例為34.33%；減少幅度最大的是裸地，減少了24.98%。

表2 1992—2017年托木爾峰國家級自然保護區(qū)土地利用類型數(shù)量變化

3.2 土地利用-覆被矩陣分析

土地利用轉移矩陣能夠全面、具體地揭示土地利用類型變化過程中的細節(jié)特點，可以細致的刻畫區(qū)域土地利用變化的結構特征與各用地類型的變化方向，能夠揭示土地利用類型轉換的數(shù)量、來源以及去向[21]。

通過對托木爾峰國家級自然保護區(qū)土地利用類型變化圖進行柵格計算，進而得到保護區(qū)土地利用轉移矩陣(見表3～6)。

由表3可知，1992—1997年內(nèi)，轉入最多的是冰川與水體，共由其他類型轉入204.89 km2，其次是裸地、草地、林地，其轉入面積分別為98.70、31.89、22.59 km2。轉出部分最多的是裸地，共轉為其他土地類型239.66 km2，其次是冰川與水體、草地、林地，其轉出面積分別為89.06、16.67、12.68 km2。

表3 1992—1997年托木爾峰國家級自然保護區(qū)土地利用轉移矩陣 km2

由表4可知，1997—2010年間，草地、林地、冰川與水體、裸地依次轉入18.14、27.29、310.48、107.31 km2；依次轉出41.14、18.23、74.96、328.89 km2。

表4 1997—2010年托木爾峰國家級自然保護區(qū)土地利用轉移矩陣 km2

由表5可知，2010—2017年內(nèi)，草地轉出了9.10 km2，轉入了57.62 km2，總體面積有所增加；林地轉出了33.45 km2，轉入了16.99 km2，總體面積減少；冰川與水體轉出了220.30 km2，轉入了168.38 km2，總面積亦呈減少趨勢；裸地轉出了207.61 km2，轉入了227.47 km2，總體呈增加趨勢。

表5 2010—2017年托木爾峰國家級自然保護區(qū)土地利用轉移矩陣 km2

由表6可知，托木爾峰國家級保護區(qū)25年內(nèi)最主要的土地利用變化類型是裸地的轉出以及冰川與水體的轉入。轉出部分由高到低分別為裸地(438.69 km2)、冰川與水體(86.01 km2)、林地(22.01 km2)、草地(17.62 km2)，其中裸地主要轉化為冰川與水體，其轉出面積為379.30 km2。轉入部分由高到低依次為冰川與水體、裸地、草地、林地，其轉入面積分別為385.43、96.01、58.36、24.52 km2，冰川與水體的轉入亦主要來源于裸地。其中，裸地轉出面積大于轉入面積，裸地面積減少；冰川與水體、林地、草地轉出面積均小于轉入面積，三者土地利用類型均有所增加，其中冰川與水體增加面積最大，其次是草地，林地轉入面積與轉出面積相差不大，總體略有增加。

表6 1992—2017年托木爾峰國家級自然保護區(qū)土地利用轉移矩陣 km2

3.3 土地利用-覆被動態(tài)度分析

由表7可知，1992—1997年土地利用-覆被單一動態(tài)度的絕對值林地最大，其次是草地、裸地、冰川與水體，其中僅有裸地為負值，整體呈減少趨勢。1997—2010年土地利用-覆被單一動態(tài)度的絕對值由大到小依次為：裸地、草地、冰川與水體、林地，其中，草地與裸地呈減少趨勢，其余土地類型呈增加趨勢。2010—2017年土地利用-覆被變化由快到慢依次是草地、林地、冰川與水體、裸地，草地與裸地其K值為正，其余土地利用類型K值為負。1992—2017年，草地、林地、冰川與水體均呈增加趨勢，僅裸地減少，其單一動態(tài)度由大到小依次為：草地、裸地、冰川與水體、林地。

表7 托木爾峰國家級自然保護區(qū)土地利用-覆被單一動態(tài)度

由表8可知，1992—1997年，托木爾峰國家級自然保護區(qū)土地利用-覆被綜合動態(tài)度由大到小依次為：林地、草地、裸地、冰川與水體；1997—2010年保護區(qū)土地利用-覆被變化速度由快到慢依次為林地、草地、裸地、冰川與水體；2010—2017年保護區(qū)土地利用-覆被綜合動態(tài)度由大到小依次為草地、林地、裸地、冰川與水體。1992—2017年，保護區(qū)土地利用-覆被綜合動態(tài)度草地最大，其次是林地、裸地，冰川與水體最小。

表8 托木爾峰國家級自然保護區(qū)土地利用-覆被綜合動態(tài)度

4 討論與結論

土地利用-覆被變化一直是國內(nèi)外研究的重點方向，利用遙感影像數(shù)據(jù)進行土地利用-覆被的研究具有更加便捷、高效及成本低等優(yōu)點[22]。本研究以1992年、1997年、2010年和2017年遙感影像作為其主要數(shù)據(jù)來源，對托木爾峰國家級自然保護區(qū)土地利用-覆被變化情況進行分析。研究表明，1992—2017年的25年內(nèi)，草地、冰川與水體面積均有所增加，草地增加比例高達34.33%，冰川與水體增加量最大，增加面積高達299.42 km2，但是基于冰川與水體基數(shù)較大，故增加比例僅達到15.94%；林地經(jīng)歷了增加—增加—大幅減少三個階段后，總體略有增長，但增加幅度不大；裸地大幅減少，共減少了342.67 km2，這與滿蘇爾·沙比提等[23]學者的研究結論基本一致。

土地利用-覆被變化是自然因素與人類活動綜合作用的結果[24]，自然因素對土地利用-覆被的影響具有長期性，人類活動可以在短期內(nèi)快速改變土地利用-覆被類型。近年來，西北干旱區(qū)氣候呈現(xiàn)出暖濕化的趨勢，保護區(qū)暖濕化亦十分嚴重[25-26]。溫度的升高，降水的增多，這對草地與林地的發(fā)育具有一定的促進作用，故草地與林地面積均有所增加。同時，托木爾峰保護區(qū)自2003年晉升為國家級自然保護區(qū)以來[23]，管控力度加大，并進一步實施退耕還林、還草政策，這對草地、林地面積的增加亦有一定的影響。降水的增多使原來未利用的裸地土壤條件變好，有利于植被(草類)的增長，因此，裸地面積不斷轉移成為其他土地利用類型，裸地面積大幅度減少。冰川的變化與氣溫、降水量及其組合關系均有一定的關系[27-28]，隨著溫度的上升，冰川雖有一定量的消耗，但冰雪融水匯入水體，其冰雪融水所增加的面積必定大于冰川消融減少的面積，進而導致水體面積的增大；同時，近年來托木爾峰國家級自然保護區(qū)呈暖濕化趨勢[26]，保護區(qū)降水量總體呈增加趨勢，降水量的增多對冰川具有一定的補給作用，可以增加其冰川積累量，對其面積與體積的增大有促進作用，故總體來說冰川與水體的面積亦呈增加趨勢。

1992—2017年，托木爾峰自然保護區(qū)草地總體呈增長趨勢，林地略有增長，冰川與水體亦呈增長趨勢，裸地呈減少趨勢。1992—2017年，托木爾峰自然保護區(qū)冰川與水體增長量最大，共增長了299.42 km2，裸地減少量最大，共減少了342.67 km2；草地增長幅度最大，增長比例高達34.33%，減少幅度最大的是裸地，減少了24.98%。托木爾峰國家級自然保護區(qū)25年內(nèi)最主要的土地利用變化類型是裸地的轉出以及冰川與水體的轉入。轉出部分由高到低分別為裸地、冰川與水體、林地、草地，其中裸地主要轉化為冰川與水體，其轉出面積為379.301 km2。轉入部分由高到低依次為冰川與水體、裸地、草地、林地，冰川與水體的轉入亦主要來源于裸地。托木爾峰國家級自然保護區(qū)土地利用-覆被單一動態(tài)度草地最大，林地注銷；綜合動態(tài)度草地最大，冰川與水體最小。