祁連山國家級自然保護區(qū)土地利用時空變化及與氣候因子關(guān)系研究

肖云飛， 陳文業(yè)*， 王斌杰， 談嫣蓉， 邴丹琿， 朱 麗, 劉鴻源

(1. 甘肅省林業(yè)科學研究院， 甘肅 蘭州 730020； 2. 甘肅敦煌西湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站， 甘肅 敦煌 736200)

土地利用/土地覆被是生態(tài)環(huán)境與景觀價值研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。祁連山分布有豐富草地、森林、冰川雪地資源，是我國西北地區(qū)重要的生態(tài)屏障，對維護甘肅河西地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)平衡具有決定性作用[2]。土地是生態(tài)系統(tǒng)服務基礎(chǔ)，土地利用類型、方式影響著區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化、生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。研究祁連山土地利用變化對祁連山植被生長、生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)保護及自然資源價值評估動態(tài)變化提供數(shù)據(jù)支持[3]。戴聲配等利用地球觀測系統(tǒng)(Systeme Probatoire d’Observation dela Terre，SPOT)數(shù)據(jù)對祁連山1999年至2007年植被變化進行分析發(fā)現(xiàn)祁連山1999—2007年間草地NDVI值呈現(xiàn)緩慢增加趨勢[4]。張禹舜基于中分辨率成像光譜儀(Moderate resolution imaging spectroradiometer，MODIS)遙感數(shù)據(jù)研究了近11年祁連山年際、年內(nèi)、生長季及不同季節(jié)植被凈初級生產(chǎn)力(Net primary productivity，NPP)變化及其對氣候因子的響應[5]。宋偉宏利用MODIS遙感數(shù)據(jù)分析了祁連山保護區(qū)草地時空變化與氣候的響應[6]。饒品增等分析了三江源2000—2019年間NDVI值與氣象數(shù)據(jù)的關(guān)系，得到氣候變化促進NDVI的變化，不同區(qū)域氣候因子的影響不同的結(jié)論[7]。本文以祁連山自然保護區(qū)為例，統(tǒng)計了2000—2018年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣、氣候因子響應，分析2000—2018年祁連山自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演變特征，以期為祁連山生態(tài)系統(tǒng)研究、環(huán)境保護等提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

祁連山位于甘肅省與青海省交界處，為青藏高原東北部，地勢呈西北高東南低[8]。甘肅省祁連山國家級自然保護區(qū)位于祁連山北坡，地處東經(jīng)97°25′～103°46′，北緯 36°43′～39°36′，海拔為1 596～5 573 m，海拔落差較大，其中大部分海拔在3 500～5 000 m之間[9-11]。祁連山西接肅北蒙古族自治縣，東至天祝藏族自治縣，涉及行政縣(區(qū))有：肅南裕固族自治縣、天祝藏族自治縣、古浪縣、涼州區(qū)、永昌縣、山丹縣、民樂縣、甘州區(qū)等8縣(區(qū))[12]。區(qū)域內(nèi)為大陸性高寒半濕潤山地氣候，受氣候和地形的影響，區(qū)域內(nèi)垂直地帶性明顯，隨著海拔的上升分別為荒漠草原、山地草原、山地森林、高山灌叢、高寒草甸、高寒稀疏草甸等[13-14](圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及地形

1.2 數(shù)據(jù)源及方法

1.2.1數(shù)據(jù)源 (1)土地利用數(shù)據(jù)在地理國情監(jiān)測云平臺(http://www.dsac.cn/)下載，該數(shù)據(jù)是基于陸地衛(wèi)星(Landsat program，Landsat)遙感影像人工目視解譯得到的土地利用類型矢量數(shù)據(jù)，其中土地利用數(shù)據(jù)包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地在內(nèi)的6個一級類和包括有林地、灌木林地、疏林地、其他林地和高、中、低覆蓋度草地等25個二級類型。

(2)數(shù)字高程模型(Digital elevation model，DEM)數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)。

(3)MODIS數(shù)據(jù)來源于美國勘探局網(wǎng)站(https://www.usgs.gov/)，2000—2018年間7—9月的(MODIS/Terra vegetation indices 16-Day L3 Global 250 m sIN Grid，MOD13Q1)影像數(shù)據(jù)，該影像數(shù)據(jù)空間分辨率為250 m，時間分辨率為16 d。利用MODIS Reprojection Tool(MRT)工具對該數(shù)據(jù)進行了投影變換、拼接、裁剪。

(4)氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站(http://www.nmic.cn/)，對數(shù)據(jù)進行空間插值分析。

1.2.2研究方法

(1)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣法

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣廣泛應用于土地利用變化研究中，是土地利用變化研究中比較經(jīng)典的研究方法[15]。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是馬爾科夫模型在土地利用變化的應用，不僅能夠很好的定量反映不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化情況，還可以揭示不同土壤利用類型之間的轉(zhuǎn)移速率[16-17]。其表達式為：

(1)

其中，S表示土地利用面積；i表示初始期土地利用類型；j表示終止期土地利用類型；n表示土地利用類型數(shù)量。

(2)相關(guān)性分析

相關(guān)性分析指兩個或者兩個以上變量相關(guān)關(guān)系的一種統(tǒng)計方法。通過計算變量之間相關(guān)系數(shù)來反應變量之間相關(guān)程度[18]。相關(guān)系數(shù)計算公式如下：

(2)

相關(guān)系數(shù)的取值范圍為[-1,1]，絕對值越大，相關(guān)性越高，絕對值越小，相關(guān)性越低[19]。一般認為當0.8<|R|<1，具有高度的相關(guān)性；當0.5<|R|<0.8，具有顯著相關(guān)性；當0.3<|R|<0.5，具有中度相關(guān)性；當0<|R|<0.3，具有較弱相關(guān)性[6]。

(3)歸一化植被指數(shù)計算(NDVI)

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是研究植被變化最常用的方法，它能很好的消除太陽角、地形、大氣輻射、儀器定標等因素的影響，從而增強了對植被變化的響應能力[20]。其計算公式如下：

(3)

式中，NIR為近紅外波段反射率，R為紅外波段反射率。NDVI的取值范圍為—1.0 ～1.0，一般認為生長季節(jié)NDVI達到0.1以上表示有植被覆蓋，0.1以下則表示地表無植被覆蓋，如裸土、沙漠、戈壁、水體、冰雪和云[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型空間數(shù)量變化

根據(jù)不同年份土地利用類型面積統(tǒng)計可得(表1)，祁連山自然保護區(qū)內(nèi)土地利用類型主要為草地、林地、未利用地。其中草地面積最大，占總面積的48%～49%，2005年草地面積占總面積的48.4%，與2005年相比，2010年草地面積增加了0.15%，高覆蓋草地、中覆蓋草地面積增加較大，分別增加了261.927 km2，153.313 km2，低覆蓋草地面積減少375.160 km2。2015年、2018年草地面積基本無變化；未利用地面積占總面積24%～25%。2000—2005年未利用地面積基本沒有變化，占總面積的25.2%，2010年比2005年減少了205.105 km2，面積減少的主要為裸土地與裸巖石質(zhì)地，鹽堿地稍有增加，其他類型基本保持不變。2015年比2010年減少了11.913 km2，2018年面積與2015年相同。2000年區(qū)域內(nèi)林地面積約占總面積的23%，主要以灌木林地為主，2000—2018年期間林地面積變化不大，二級分類中2000—2005年各種林地類型面積變化不大，2005—2010年各種林地類型面積變化較大，主要表現(xiàn)為有林地面積增加，灌木林、疏林地、其他林地面積都有所減少，但整體林地面積稍有增加。區(qū)域內(nèi)耕地、水域、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積較小，約占總面積的3.1%。區(qū)域內(nèi)耕地基本為旱地。水域的二級分類中面積最大的是永久性冰川雪地，并且永久性冰川雪地在2005—2010年期間面積成倍增加；其次灘地面積較大，灘地面積在2005—2010年面積稍有減少；河渠、湖泊、水庫坑塘面積較小。城鄉(xiāng)、工礦、居民用地中主要以農(nóng)村居民點位置為主，其次是其他建設(shè)用地，城鎮(zhèn)用地幾乎沒有。

表1 不同年份土地利用類型面積統(tǒng)計

2.2 不同土地利用類型空間分布

根據(jù)對2000—2018年祁連山自然保護區(qū)土地利用類型分析，區(qū)域內(nèi)林地主要分布在祁連山中部、東部區(qū)域，零散分布于西部地區(qū)東北方向且面積較??；耕地面積較小，主要分布在祁連國家公園東部邊角上，分別在天祝藏族自治縣、古浪縣、肅南裕固族自治縣；城鄉(xiāng)、工礦、居民用地與耕地分布相同，零星的分布在耕地內(nèi)；草地在整個區(qū)域內(nèi)都有分布，中部、東部中高覆蓋草地較多，西部中、低覆蓋草地比較多，林地周圍分布的高覆蓋草地比較多；整個區(qū)域水域分布比較少，主要為高海拔區(qū)的永久性冰川雪地，分布在祁連山中西部地區(qū)；未利用地主要分布在祁連山保護區(qū)西部以及零散分布在中東部高海拔地域(圖2)。

圖2 2000—2018年土地利用類型

2.3 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣變化分析

對2000—2018年土地利用類型數(shù)據(jù)做轉(zhuǎn)移矩陣分析，結(jié)果顯示2000—2005年、2010—2015年、2015—2018年轉(zhuǎn)移矩陣變化不大，變化較大的為2005—2010年(表2)。

表2 2000—2005年土地利用類型轉(zhuǎn)移面積統(tǒng)計

從2000—2005年土地利用類型變化情況看(圖3)，2000—2005年間耕地變化不大，只有少部分變化為草地類型，主要變化發(fā)生在區(qū)域的中部和東部小范圍，變化為草地類型的地區(qū)相對于其他耕地海拔稍高，坡度較陡；林地變化主要是林地變化為草地，其次為未利用地、耕地，相對變化面積比較大兩個板塊分布在中部區(qū)域，由林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?；草地變化主要為草地變化為林地、耕地與未利用地，其中面積變化較大的主要分布在東部和中部區(qū)域，草地變化為林地區(qū)域都相對的比較零散；水域變化比較小，主要表現(xiàn)為永久性冰川雪地變?yōu)槲蠢玫?，分布在祁連山中部偏西的高海拔地區(qū)；城鄉(xiāng)、工礦、居民用地2000—2005年間基本無任何變化；未利用地整體變化較小，主要表現(xiàn)為未利用地變化為草地。

圖3 2000—2005年土地利用類型變化空間分布圖

2005—2010年期間祁連山土地利用類型變化較大(表3)。祁連山中部地區(qū)有耕地變化為草地，對比2000—2005年土地利用變化，發(fā)現(xiàn)祁連山中部地區(qū)2000—2005年從草地變化為耕地，2005—2010年又從耕地變?yōu)椴莸?。林地變化面積較大的集中在祁連山中部地區(qū)以及中部臨近的碎斑塊區(qū)內(nèi)，變化類型主要為林地變化為草地，有極少部分林地變化為未利用地。草地變化主要表現(xiàn)為草地變?yōu)槲蠢玫?、林地、耕地，草地變化為林地與林地變化為草地的面積相差不大，主要分布在中部與東部地區(qū)。草地變化為未利用地面積比較大，主要集中在祁連山西部地區(qū)；城鄉(xiāng)、工礦、居民用地的面積基本無變化，水域變化較??；未利用地變化類型主要表現(xiàn)為未利用地變化為草地、水域、林地，在高海拔地區(qū)未利用地變化為永久性冰川雪地，在西部地區(qū)未利用地變化為草地，在中部地區(qū)未利用地變化為林地(圖4)。

表3 2005—2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移面積統(tǒng)計

圖4 2005—2010年土地利用類型變化空間分布圖

2010年之后祁連山土地利用類型變化較小，且變化主要集中在西部地區(qū)，未利用地的變化相對比較明顯(表4)。2010—2018年耕地、林地、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地基本沒有變化；草地變化較小，主要表現(xiàn)為草地變化為未利用地，零散分布在祁連山西部地區(qū)；水域基本無變化，只有少數(shù)永久性冰川雪地變化為未利用地；未利用地變化主要為未利用地變化為永久性冰川雪地、草地(圖5)。

表4 2010—2018年土地利用類型轉(zhuǎn)移面積統(tǒng)計

圖5 2010—2018年土地利用類型變化空間分布圖

2.4 草地類型與氣溫、降水、相對濕度的相關(guān)性分析

對草地NDVI值與氣象因子做相關(guān)性分析(表5)，結(jié)果表明，氣溫與降水、相對濕度、NDVI值負相關(guān)，其中氣溫與降水有顯著的負相關(guān)性；氣溫與相對濕度具有中度負相關(guān)性，相對濕度受降水、氣溫、土壤等多種因素的影響；氣溫與草地NDVI值的相關(guān)性較小，無明顯相關(guān)性；相對濕度與降水具有明顯的相關(guān)性；相對濕度與NDVI值具有顯著的正相關(guān)性，降水與NDVI值具有顯著的正相關(guān)性。

表5 草地變化與氣象因子相關(guān)性分析

3 討論

本文對2000—2018年祁連山土地利用類型時空變化分析及氣象因子進行分析。研究區(qū)主要土地利用類型為草地和未利用土地，其次是林地、耕地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地。未利用土地的流失主要源于向草地的轉(zhuǎn)變。水域中二階類別中永久性冰川雪地面積較大。與薛曉玉等研究祁連山1970—2015年間土地利用類型及土地利用類型轉(zhuǎn)化趨勢相同[22]。氣溫與草地NDVI值的相關(guān)性較小，無明顯相關(guān)性，說明年平均氣溫的變化無法很好的反應草地的變化；相對濕度與NDVI值具有顯著的正相關(guān)性，降水與NDVI值具有顯著的正相關(guān)性，說明草地受降水與相對濕度的影響較大，氣溫對草地的影響較小。與何國興等利用MODIS數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)對甘肅省天然草原2000—2019年凈初級生產(chǎn)力進行動態(tài)監(jiān)測，甘肅省草地NPP呈現(xiàn)增長趨勢，對降水的響應強于氣溫結(jié)果相符[23]。

4 結(jié)論

對祁連山自然保護區(qū)范圍內(nèi)2000—2018年的土地利用類型進行分析表明：祁連山自然保護區(qū)內(nèi)主要土地利用類型為草地、林地和未利用地；2000—2018年間祁連山植被覆蓋變高，主要表現(xiàn)：草地面積增加，未利用地的面積減少，如祁連山西部地區(qū)未利用地變?yōu)椴莸?；草地覆蓋度增加，如低覆蓋草地向中、高覆蓋草地的轉(zhuǎn)變，這種變化主要發(fā)生在2005—2010年間。區(qū)域內(nèi)草地的變化受氣象因子降水與相對濕地的影響較大。