黃河源區2005—2020年生態用地格局變化與分異趨勢

陸智博宋 芊趙健赟丁圓圓

(1.青海大學 地質工程系,青海 西寧810016;2.青藏高原北緣新生代資源環境省級重點實驗室,青海 西寧810016)

土地利用是全球氣候、環境變化研究中的重要內容,是自然界中的人類社會經濟行為與自然生態發展過程相互聯系的紐帶[1-2]。土地利用的變化直接或間接反映著人類活動[3-4],全球氣候變暖與人類活動區域的日益擴大,這些因素成為了黃河源區土地利用變化的關鍵[5-6]。氣候的變暖一方面導致冰川的消融[7-8]、降雨量增加、溫度升高,有助于林地、草地植被的生長和水域的增加[9],但另一方面由于降水量的增加也會導致源區水土流失等自然災害的發生、土地利用極端轉換[10-11]。2021年10月8日中共中央、國務院印發了《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》指導我們應堅持生態優先、量水而行、因地制宜、統籌謀劃、協同推進[12]。因此,在黃河源區開展生態用地格局變化與分異趨勢的研究,對于認識和解析黃河源區生態功能變化趨勢以及生態安全狀況具有重要意義。

近些年眾多學者以生態保護區為主要研究對象,探究土地利用變化特征,賈丹陽等人[13]分析了臺特瑪湖地區土地利用變化趨勢;李平星等人[14]對長三角生態空間格局下的土地利用進行了研究;伍博煒等人[15]研究了汾河流域土地利用變化對生態系統服務價值的影響;高星等人[16]根據CA模型模擬了白洋淀流域2035年的土地利用變化與生態服務價值的空間響應關系;王晶等人[17]利用土地利用數據探索了成都平原城市群的生態環境效應。青藏高原、黃河流域、三江源等生態系統功能相對脆弱的地區進行土地利用變化的研究更為重要,劉子川等人[18]利用土地利用數據對青藏高原進行定性研究;張鐿鋰等人[19]研究了青藏高原整體LUCC時空特征;肖東洋等人[20]以黃河流域(河南段)為研究對象,探討了該區域的土地覆被變化;袁麗華等人[21]研究了2000—2010年黃河流域植被覆蓋時空變化趨勢;曹巍等人[22]對三江源生態功能時空分異特征及重要性進行了辨識;金浩宇等人[23]對長江源區自1980—2010年土地利用變化進行了詳細分析;許茜等人[24]分析了1980—2015年的土地利用變化特征及其影響因素;之后許茜等人[25]依據CA模型預測了三江源未來土地利用發展趨勢;董立新等人[26]探索了三江源生態環境重點保護區瑪多縣的土地利用變化;喬斌等人[27]在格網尺度下對瑪多縣土地利用及生態系統服務價值進行空間自相關分析。本文對黃河源區在2005—2020年的生態用地格局變化與分異性趨勢進行研究,利用多源數據,綜合考慮研究區的自然條件、地理要素、社會經濟狀況將黃河源區分為3大差異性區域,融合空間動態度模型、轉移矩陣模型和生態狀況指數模型等,探索黃河源區近16 a來的生態功能時空變化趨勢,制定生態用地管護措施,推進源區生態文明建設。

1 研究地區與數據來源

1.1 研究區概況

青藏高原是我國重要的水資源戰略點和生態安全屏障,黃河源區地處青藏高原東北端北緯32.5°—36.5°,東經95°—103.5°,跨越青海、甘肅、四川3個省[28],是黃河流域最大的產流區,是我國淡水資源極為重要的補給區和生態功能區[29],總面積約1.30×105km2,地勢呈西高東低,平均海拔4 500 m,最高點海拔6 265 m(位于阿尼瑪卿山),最低點海拔2 418 m(位于龍羊峽水庫附近)。源區主要為高原大陸性氣候,干濕兩季分明,日照時數長,降水量由東南向西北遞減,土地利用類型主為草地其次是未利用地,西部有扎陵湖和鄂陵湖兩大湖泊。源區產業結構單一,主要以畜牧業為主,近些年由于全球氣候變暖,凍土急速消融,流域水量加大,導致水土流失等系列問題[30]。本文科學地以黃河源區縣邊界為基準,以高程、主要植被類型特征為主,輔以土壤類型、降水程度、日照時數等特征將黃河源區分為東部、西部、北部三大區域進行分區域研究。黃河源區三大區域位置如圖1所示,東、西、北部特征信息詳見表1。

圖1 黃河源區三大區域位置示意圖

表1 黃河源區東、西、北區域特征

1.2 數據來源

本研究所使用的土地利用類型數據是2005—2020年4期的土地利用/覆蓋數據,數據來源于國家青藏高原數據共享中心平臺(http:∥data.tpdc.ac.cn)的黃河源區4個時期的30 m柵格土地利用覆蓋數據,并通過重采樣工作統一成1 km分辨率數據,再將土地利用類型重分類為草地、林地、水域、耕地、建設用地和未利用地6個一級土地利用類型,結合黃河源區各行政區的矢量邊界區劃圖,在ArcGIS 10.8軟件的支持下,得到黃河源區土地利用類型圖。

2 研究方法

2.1 黃河源區生態用地分類

參考譚永忠、衛新東等人[31-32]的研究,將黃河源區分為3大生態用地類型:基礎性生態用地、敏感性生態用地、輔助性生態用地。具體分類詳見表2。

表2 黃河源區生態用地分類體系

2.2 研究方法

2.2.1 動態度模型 土地利用動態度(生態用地轉移速率),反映在研究時段內土地利用不同類型數量的變化情況[33]。計算表達式為:

式中:Ku為動態度;ΔUin為研究期其他土地利用類型轉為當前生態用地類型的面積;ΔUout為研究期內當前土地利用類型轉為其他土地利用類型的面積;Ua表示當前土地利用類型在研究期初始的面積;T為研究期。

2.2.2 土地利用轉移矩陣模型 土地利用轉移矩陣模型可以反映研究期內兩種地類之間的轉移數量和方向,是研究黃河源區土地利用變化的有效手段[34]。計算表達式為:

式中:Aij表示研究期i到j的土地利用類型;n表示不同土地利用類型的數量?；谕恋剞D移矩陣中的不同土地利用類型的保留率,可得到黃河源區不同土地利用類型在研究區的穩定情況。

2.2.3 空間動態度及趨勢模型 選取空間動態度Kss來表示不同土地利用類型的空間穩定性情況(劉紀遠,等)[35]。計算表達式為:

式中:Kss為不同土地利用類型的空間動態度;ΔUout,ΔUin,Ua的含義同動態度模型。

空間動態度趨勢模型為:

式中:Ps為不同土地利用類型的變化趨勢指數;ΔUout,ΔUin,Ua的含義動態度模型。當0＜Ps≤1時,可得ΔUin＞ΔUout≥0,則表明該土地利用類型規模在擴張;當-1≤Ps＜0時,可得ΔUout＞ΔUin≥0,則表明該土地利用類型規模在縮小。

2.2.4 生態狀況指數模型 生態狀況指數模型是用研究區域內生態系統服務功能最好的3種土地利用類型(水體、林地、草地)的面積占研究區總面積的百分比表示,值越高表明區域生態系統服務功能越優(周書貴,等)[36]。生態狀況指數計算公式為:

式中:Z為生態狀況指數;Ci為生態服務功能最好的3種土地利用類型其中一個的面積;A表示研究區域的總面積。Z值越接近1,表明該研究區生態系統服務功能越好。

3 結果與分析

3.1 生態用地現狀分析

黃河源區從2005—2020年生態用地的空間分布和數量結構變化呈現明顯的空間分異特征。從空間分布來看(圖2),黃河源區的基礎性生態用地面積最多、分布最廣,主要集中于黃河源區西部和北部的達日縣、瑪沁縣、甘德縣等地區;敏感性生態用地分布較為分散,主要集中在黃河源區西部的曲麻萊縣和東部的瑪曲縣和若爾蓋縣等地區;輔助性生態用地分布呈現聚集狀態,主要分布在黃河源區北部的貴南縣和同德縣等地區。從黃河源區生態用地類型結構變化來看,黃河源區主要是以草地、林地、水域為代表的基礎性生態用地為主導趨勢。從生態用地比例來看(圖2),全域的非生態用地4期變化呈現逐年增加趨勢,輔助性生態用地和基礎性生態用地4期數據呈現穩定趨勢,敏感性生態用地在2020年呈現出明顯減少趨勢;敏感性生態用地在東部呈穩定趨勢,但在北部、西部2020年比例明顯減少,2020年全域的敏感性生態用地減少主要集中在西部和北部的高海拔地區。從非生態用地每期增加的區域來看,4期數據中每期都有在逐漸增加,但2010—2020年兩個時段非生態用地比例增加趨勢從0.7%降為0.6%。

圖2 黃河源區2005—2020年生態用地空間分布

3.2 生態用地轉移變化分析

由土地變化軌跡(圖3)可知,2005—2020年黃河源區的土地利用類型總體變化主要是以從未利用地向草地和草地向林地的轉移為主。

圖3 黃河源區2005—2020年土地類型變化軌跡

分時段分析表明,在2005—2010研究時段轉出面積表現為:草地＞未利用地＞林地＞水域＞建設用地＞耕地,未利用地一共轉出1 271.03 km2,轉入面積最大的是草地一共轉入了1 743.66 km2;在2010—2015研究時段轉出面積表現為:草地＞未利用地＞林地＞水域＞耕地＞建設用地,未利用地一共轉出5 261.17 km2,草地一共轉入了8 213.14 km2,從兩期數據來看,大部分依舊為草地和未利用地的相互轉換,2010年后建筑用地開始增加;在2015—2020年這一時期的土地利用類型變化最明顯為:草地轉入林地增加、未利用地轉入草地增加、水域轉入草地少量增加,從轉出面積大小看出:未利用地＞草地＞林地＞水域＞耕地＞建設用地,轉出面積最大的是未利用地一共轉出11 621.41 km2,轉入面積最大的是草地一共轉入了16 356.97 km2,這一時期內主要為未利用地向草地轉移,同時其余生態用地轉移的面積開始趨于增加?？傮w來說,2005—2020年研究區土地利用類型變化幅度在不斷提升,但在國家生態保護政策下,相較于前10 a,2015—2020年的林地、草地和水域面積大幅增加,但同時隨著社會的發展人類對耕地和建設用地的需求增長導致其比例有一定幅度的增加。

2005—2020年黃河源區生態用地一方面表現為向非生態用地的轉出,主要為草地、耕地等向建設用地的轉化;另一方面表現為生態用地內部間的相互轉化,即有未利用地轉為林地、草地的敏感性生態用地轉基礎性生態用地;又有草地轉為耕地、未利用地的基礎性生態用地轉其他生態用地。2005—2020年黃河源區西部的敏感性生態用地變為其他生態用地為主;東部以基礎性生態用地變為其他生態用地為主;生態用地轉為非生態用地則聚集在北部地區。黃河源區整體的土地利用趨勢表明隨著國家生態政策的實施以及全球氣候變化導致生態用地在向優發展(圖4)。

圖4 黃河源區2005—2020年生態用地轉移方向

3.3 生態用地空間變化趨勢分析

由圖5的生態用地變化趨勢來看,在2005—2010年黃河源區的林地、草地、未利用地緩慢減少,水域和耕地在大幅增加;在2010—2015年黃河源區的草地、未利用地、耕地在逐步減少,但草地、水域開始逐步增加,建設用地在大幅度增加;在2015—2020年黃河源區除未利用地在大幅下降外其余土地利用類型均為漲勢。在2010—2015年非生態用呈現快速增長趨勢,非生態用地變化趨勢指數達到56.84%,但在2015—2020年變化趨勢指數降低到30.97%(圖6)?？偟膩碚f,2005—2020年敏感性生態用地為下降趨勢,基礎性生態用地、輔助性用地和非生態用地均為上升趨勢。由圖5可知,2005—2020年黃河源區多種生態用地均存在不同程度的變化趨勢,總體上不同生態用地類型呈集中分布但分布區域較為分散的特征,黃河源區西部主要為基礎性生態用地擴張、敏感性生態用地萎縮的趨勢,以曲麻萊縣和瑪多縣等區域的基礎性生態用地擴張最為明顯;黃河源區東部主要呈現出基礎性生態用地萎縮、敏感性生態用地擴張的趨勢,以若爾蓋縣等區域的基礎性生態用地萎縮最為明顯;黃河源區北部主要呈現出輔助性生態用地擴張、基礎性生態用地萎縮的趨勢,以興?？h和同德縣等區域的基礎性生態用地擴張、貴南縣等區域的輔助性生態用地擴張為主。以上數據顯示,在黃河源區的西部和北部地區生態用地正在向基礎性生態用地變化,生態用地質量在逐步提升,但在東部地區基礎性生態用地退化為敏感性生態用地,生態用地質量在向下發展。

圖5 黃河源區2005—2020年生態用地變化趨勢

圖6 黃河源區2005—2020年生態用地變化趨勢指數

3.4 生態用地質量變化分析

由圖7可知,在2005—2020年黃河源區生態質量呈逐年上升趨勢,但上升幅度在2020年最大,其生態用地狀況指數為89.06%。分區域來看,黃河源區的西部區域生態質量在2005—2015年呈現平穩,指數趨于85%,在2020年生態質量大幅提升,指數達到92.64%;黃河源區的東部區域生態質量在2005—2015年呈現平穩,指數趨于88%,但在2015—2020年生態質量小幅度下降,其指數下降了1.94%;黃河源區北部區域生態質量在2005—2015年呈現平穩趨勢,指數趨于79%,在2015—2020年生態質量大幅上升,其指數增長了5.35%?？偟膩碚f,黃河源區西部、北部生態質量在逐漸變好,但黃河源區東部生態質量則在小幅下降,由前文可分析得知西部生態質量變好主要由敏感性生態用地轉為基礎性生態用地造成,而東部生態質量變差則為敏感性生態用地增加造成,北部生態環境變好主要為北部沿河區域的敏感性生態用地轉為基礎性生態用地造成。

圖7 黃河源區2005—2020年生態用地狀況指數

4 討論與結論

4.1 結論

(1)黃河源區不同的生態用地類型數量及空間分布有明顯的差異性?；A性生態用地面積比例最大,呈廣泛分布,在源區東、西、北部地區比例最大;敏感性生態用地面積比例次于基礎性生態用地,集中在源區西部地區,在東部地區也占據一定比例;輔助性生態用地和非生態用地面積比例最少,集中在源區北部地區。

(2)生態用地之間轉換呈明顯分異趨勢。黃河源區北部地區以基礎性、敏感性生態用地與輔助性生態用地、非生態用地之間的轉換為主;東、西部地區以基礎性生態用地與敏感性生態用地轉換為主。

(3)黃河源區2005—2020年生態狀況指數呈輕微波動式上升。2005—2015年生態狀況指數均在84.75%左右小幅增長,但在2020年為89.06%呈現大幅度增長,在16 a間源區生態系統服務功能在西部呈上升趨勢,東部呈下降趨勢,北部在2015年后轉為明顯上升趨勢,總體來看黃河源區的生態系統服務功能趨好。

4.2 討論

黃河源區作為黃河流域的源頭區,具有高海拔和惡劣的環境條件(土壤母質差,風、水、冰川融化侵蝕嚴重等問題),直接威脅著黃河上游的生態安全以及下游的水資源安全,防止黃河源區的生態功能退化是保衛黃河流域向可持續發展的前提保障。

鑒于黃河源區3種生態用地的現狀及所存在問題,建議從以下3個方面改善黃河源區生態用地保護:

(1)黃河源區應堅持因地制宜,走符合各區的生態用地保護道路。源區西部地區應堅持生態用地保護為主,穩定生態服務功能,將區域生態安全放在突出位置;東部地區應堅持在保護中提高生態功能,利用好自然地理優勢,確保生態用地等級提升,人為輔助生態向好發展;北部地區應以土地的高效集約發展為主,協調好人地關系,并合理安排空間布局,合理規劃建設用地及耕地配置,找到人與自然和諧發展路線。

(2)黃河源區內各縣區應加強生態保護方面的溝通,跨區域共同推進生態用地保護措施。在符合自然規律的前提下,規劃不同類型生態用地的空間格局,結合各縣區土地利用實際情況,差異化地制定符合不同區域的生態保護目標。

(3)應繼續并加強實施自然生態系統自我調節功能和人工改善生態措施相結合的方法,推動黃河源區生態系統生態平衡、良性發展。

本文存在一些不足有待今后完善:①在生態用地分類上,不同學者對不同地區有著不一樣的分類方法,本文的生態用地分類方法是結合已有研究基礎上進行分類,未來生態用地分類可以進行區域性專屬研究后再分類。②本文僅從宏觀層面上依據自然環境特征進行分區研究,對源區的分區劃分并不精細,在未來研究中應在源區縣尺度上結合GDP以及人口等人文因素后再開展研究;③本文沒有對黃河源區生態用地時空分布的驅動因素進行深入探索,未來應深入對生態系統功能變化的影響因子部分研究。