， ，，

(1.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059； 2.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875；3.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041； 4.成都理工大學(xué) 國土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

1 研究背景

全球氣候變化和可持續(xù)發(fā)展逐漸成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)問題。土地覆被作為目前全球環(huán)境變化研究的核心主題之一，反映了自然與人文交叉最為密切的領(lǐng)域[1-3]?？挛骱恿饔蜃鳛闄M跨三國的流域，內(nèi)部獨(dú)特的自然環(huán)境和人文因素造就了其獨(dú)特的土地覆被模式?？挛骱恿饔蚴且粋€(gè)從平原過渡到山地再到高原的典型地帶，研究該區(qū)域的土地覆被不僅可以更加精確了解其土地利用分布特征，也對(duì)該地區(qū)資源的合理利用以及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[4]。同時(shí)在中國大力倡導(dǎo)“一帶一路”的戰(zhàn)略背景下，研究柯西河流域的土地覆被空間格局可以為“一帶一路”的戰(zhàn)略提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障[5]。

雖然目前全球尺度的土地覆被數(shù)據(jù)整體上數(shù)量多且質(zhì)量高，但在邊緣地區(qū)，特別是高海拔的地區(qū)，土地覆被數(shù)據(jù)質(zhì)量卻不高，而柯西河流域?yàn)槠渲械牡湫蛥^(qū)域[6]。傳統(tǒng)基于象元的分類方法忽略了遙感影像的空間信息和紋理信息，不能滿足精度需求，近年來發(fā)展起來的面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?，在彌補(bǔ)傳統(tǒng)基于象元分類方法的不足的基礎(chǔ)上，對(duì)圖斑處理的完整性更好，因此本研究采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?。為了進(jìn)一步提高精度，結(jié)合遙感影像進(jìn)行目視解譯，分析土地覆被類型的結(jié)構(gòu)和空間分布特征、土地覆被類型與地形以及氣候因子之間的關(guān)系，進(jìn)而探索該高海拔地區(qū)土地覆被類型的空間格局與特征[7]。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

發(fā)源于喜馬拉雅中部的柯西河是恒河的一條重要支流，流域橫跨中國、尼泊爾、印度三國，總面積為118 247.4 km2?？挛骱恿饔蚪?jīng)緯度介于84°54′E —88°57′E，25°20′N—29°12′N，如圖1所示。高程0～8 796 m，落差巨大，區(qū)域呈現(xiàn)復(fù)雜的垂直地帶性和土地覆被類型的多樣化特征。因此，柯西河流域也是全球土地覆被變化的研究熱點(diǎn)地區(qū)?？挛骱恿饔蚪邓蜌鉁刂饕艿匦魏陀《妊蠹撅L(fēng)的影響[8]。流域北部中國范圍內(nèi)的年均溫度為5.1 ℃，年均降水600～1 000 mm，屬于高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候；尼泊爾境內(nèi)的中部流域年均溫度為10.5 ℃，年均降水量為1 000～1 500 mm，該范圍內(nèi)地區(qū)氣候差異明顯，分北部高山、中部溫帶和南部亞熱帶3個(gè)氣候區(qū)；印度境內(nèi)的南部流域年均氣溫為26.5 ℃(國際山地綜合發(fā)展中心(ICIMOD)，2016)，年均降水1 500 mm以上，屬于熱帶季風(fēng)氣候。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the study area

2.2 數(shù)據(jù)來源

遙感影像數(shù)據(jù)均由地理空間數(shù)據(jù)云提供，共有9幅分辨率30 m×30 m的Landsat8數(shù)據(jù)，具體信息如表1所示。土地覆被一期本底數(shù)據(jù)，基于面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ǘ@取，為前期研究成果。為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的精度，以遙感影像為底圖，結(jié)合Google Earth上實(shí)時(shí)高精度影像對(duì)一期本底數(shù)據(jù)進(jìn)行了人工目視解譯修改。DEM為STRMDEMUTM數(shù)據(jù)，空間分辨率為90 m，重采樣成30 m分辨率。氣象數(shù)據(jù)來自TRMM等衛(wèi)星資料和其他資料合成降雨量0.25°×0.25°格點(diǎn)月值數(shù)據(jù)集TRMM3B43。溫度數(shù)據(jù)為氣象站點(diǎn)接收的日溫?cái)?shù)據(jù)及溫度影像數(shù)據(jù),溫度數(shù)據(jù)來源于美國國家氣象數(shù)據(jù)中心NCDC。所有數(shù)據(jù)均采用WGS84投影。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)信息Table 1 List of remote sensing image data

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 坡度、坡向信息的提取

為了提取坡度、坡向信息，首先將90 m分辨率的高程數(shù)據(jù)，利用GIS軟件提取坡度、坡向。然后進(jìn)行重分類，將坡向分為8類：北、北西、西、西南、南、東南、東、東北。坡度共分成12個(gè)帶。

2.3.2 溫度、降水信息的提取

本次研究共收集了1968—2010年期間的120幅TRMM3B43數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的地理坐標(biāo)為WGS_84,對(duì)于氣象數(shù)據(jù)TRMM3B43的處理步驟是：首先經(jīng)過影像旋轉(zhuǎn)、頭文件編輯和定義坐標(biāo)等預(yù)處理，然后利用ENVI中進(jìn)行波段運(yùn)算，將TRMM3B43儲(chǔ)存的月降水量單位mm/h換算成mm/月。由于單年溫度和降水對(duì)植被的影響存在偶然性和不準(zhǔn)確性，故選擇多年平均降水和年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)每月降水?dāng)?shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，最后利用GIS軟件進(jìn)行重分類，分帶間隔，溫度數(shù)據(jù)1°為一個(gè)帶，降雨數(shù)據(jù)每隔400 mm為一個(gè)帶。

3 結(jié)果與分析

3.1 柯西河流域的土地覆被類型及分布特征

依據(jù)Anderson，NLCD，LCCS國際分類規(guī)則框架，綜合考慮研究區(qū)地理位置、植被、氣候條件等多方面因素，又最大限度利用國際通用的Landsat數(shù)據(jù)源，制定滿足柯西河流域研究的土地覆被分類[9]，將地物信息分為裸地、林地、灌木、旱地、水田、人工表面、河流、湖泊、冰川/永久積雪、河漫灘、鹽堿地、人工園地、沼澤地、草地共14類，見圖2。其中比重較大的覆被類型為水田、林地、草地、旱地，分別占32.56%，18.89%，14.91%，13.73%,詳細(xì)面積及比例信息見表2。流域內(nèi)面積最大的土地覆被類型是水田，面積最小的是鹽堿地。優(yōu)勢(shì)土地覆被類型的分布由南向北依次是水田、林地、旱地、灌木、裸地、冰川/永久積雪、草地。冰川/永久積雪主要分布在海拔極高的山頂，濕地則主要分布在河流和湖泊的周圍。

圖2 土地覆被分類Fig.2 Land cover types in the study area

土地覆被類型面積/km2百分比/%土地覆被類型面積/km2百分比/%水田44 167.5732.56河漫灘2 234.591.65林地25 626.1918.89河流1 654.351.22草地20 232.0914.91人工園地1 577.631.16裸地18 627.4113.73沼澤1 164.700.86旱地7 959.685.87人工表面797.810.59冰川/永久積雪7 756.925.72湖泊316.290.23灌木3 483.582.57鹽堿地68.600.05

耕地分為水田和旱地2種，水田面積為44 167.57 km2，約占總面積的32.56%，是流域面積最大的土地覆被類型，主要分布在流域的下游平原地區(qū)。旱地為7 959.68 km2，約占總面積的5.87%，主要分布在中部尼泊爾山谷地區(qū)，由于流域中部地形坡度變化較大，不利于建設(shè)水利灌溉設(shè)施，所以該區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉主要靠降雨。耕地主要分布喜馬拉雅南坡，北坡分布稀疏。

林地的面積為25 626.19 km2，是流域第二大的土地覆被類型，主要分布在尼泊爾境內(nèi)的山地地區(qū)，約占森林總面積的95%。在南部的平原地區(qū)，林地與耕地交錯(cuò)分布，北坡很少有林地分布，主要集中在珠穆朗瑪峰自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)的滄塘溝。

草地的面積為20 232.09 km2，約占總面積的14.91%，是流域第三大的土地覆被類型。主要分布在我國境內(nèi)高原地區(qū)和中山地區(qū)的阿倫河流域。草地又被分為高原草地、森林草地和灌木草地。高原草地是柯西河流域中最大的草地類型，占草地的95.75%，高原草地的54.38%分布在青藏高原的北坡?？挛骱恿饔虻牟莸鼗旧鲜翘烊徊莸?，主要分布在盆地的牧區(qū)。

灌木的面積為3 483.58 km2，約占2.57%。在柯西河流域上游高原地區(qū)，主要為原生灌木林，集中分布在河谷地區(qū)。而在尼泊爾境內(nèi)的山區(qū)則分布比較分散，主要是人類長期進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)，大量砍伐森林，形成的次生灌木林 。

冰川/永久積雪的面積為7 756.92 km2，占總面積的5.72%，是柯西河流域重要的土地覆被類型。它們主要分布在珠穆朗瑪峰、干城章嘉峰、洛子峰、卓奧友峰和希夏邦馬峰的中心地區(qū)。山體冰川的變化是全球氣候變化的象征，特別是喜馬拉雅地區(qū)，因?yàn)檫@里是全球氣候變化的敏感地區(qū)之一。

裸地的面積為18 627.41 km2，約占總面積的13.73%。大部分的裸地分布在冰川/永久積雪的周圍，因?yàn)樵摰貐^(qū)集中了全世界8 000 m以上的10座山峰中的6座，海拔極高、氣候寒冷不利于植被的生長，因此形成了裸地和冰川/永久積雪的景觀格局[10-11]。

河流的水面面積為1 654.35 km2，約占總面積的1.22%，主要分布在印度境內(nèi)，喜馬拉雅山脈是東南亞地區(qū)河流的主要發(fā)源地，對(duì)下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用。湖泊主要是由冰川融水形成的，面積為316.29 km2，約占總面積的0.23%。主要分布在我國境內(nèi)高原地區(qū)和印度境內(nèi)的平原地區(qū)。

濕地在柯西河流域面積非常小，但在全球氣候變化研究中，濕地具有很特殊的地位。濕地主要分為河漫灘和沼澤，河漫灘主要分布在下游地形平坦的河流兩側(cè)，約占總面積的1.65%。沼澤約占總面積的0.86%，主要分布在高原內(nèi)陸湖泊的周圍。

人工表面面積為797.81 km2，約占總面積的0.59%，主要分布在柯西河流域的中下游地區(qū)。在我國境內(nèi)，主要分布在平緩河流的兩側(cè)。工業(yè)用地較少，主要為居住和交通用地2類。

圖3 高程分布Fig.3 Elevation distribution of different landcover types

3.2 土地覆被類型與地形因子的關(guān)系

3.2.1 高程特征

從圖3可以看出，土地覆被類型隨著海拔的增加表現(xiàn)出明顯的垂直地帶性，典型地類從低到高是水田、林地、旱地、灌木、裸地和冰川/永久積雪。水田主要分布在海拔400 m以下的平原地區(qū)，這些區(qū)域地勢(shì)平坦、水源豐富、適合水稻種植。林地主要分布在海拔4 500 m以下，100～500 m林地面積逐漸增加，在500 m處有一個(gè)峰值，500 m以后隨著海拔的升高，林地逐漸減少。旱地有80%集中在500～2 500 m范圍內(nèi)，基本分布在柯西河中游尼泊爾境內(nèi)，在4 000～4 500 m也有一個(gè)小的峰值，主要分布在我國青藏高原境內(nèi)的部分河谷地區(qū)。草地主要分布在3 500～5 500 m的范圍內(nèi)，主要分布在喜馬拉雅山北坡，我國青藏高原地區(qū)。灌木主要分布在0～500 m和4 000～5 000 m范圍內(nèi)。湖泊主要是分布在0～200 m的平原湖泊和4 000～4 800 m的高原內(nèi)陸湖泊。鹽堿地主要圍繞高原內(nèi)陸湖泊存在，因此，鹽堿地的分布范圍為4 000～4 500 m。河流主要分布在0～200 m范圍內(nèi)，下游地勢(shì)放緩，河流多呈“辮江”。冰川/永久積雪主要分布在4 500 m以上的高寒地區(qū)。裸地主要分布在4 000～6 500 m范圍內(nèi)。受限于灌溉和交通條件，人工種植園地主要分布在0～400 m范圍內(nèi)。

3.2.2 坡向特征

通過圖4可知，林地主要分布在西、西南、南這3個(gè)方向。河流各向分布比較均勻。陽坡光照條件充足，水田、旱地、人工園地主要分布在陽坡。灌木主要分布在陰坡是因?yàn)殛幤峦寥罎穸缺汝柶潞谩｛}堿地的分布受河流流向的影響，我國境內(nèi)的河流發(fā)源地大多在南邊的喜馬拉雅山脈，河流大多從南往北流，因此鹽堿地主要分布在南、西南方向。草地的類型較多，各種分布方式不同，比如高原草地主要分布在氣候寒冷、降雨量稀少的喜馬拉雅山北坡，而森林草地和灌木草地則主要分布在喜馬拉雅山南坡的干熱河谷中。冰川/永久積雪主要分布在北、東北、東3個(gè)方向。湖泊主要分布在南、東南方向，特別是由冰川/永久積雪融化形成的湖泊尤為明顯。而人類的居住地則無明顯的坡向區(qū)分。

圖4 坡向分布Fig.4 Aspect distribution of different land cover types

3.2.3 坡度分布特征

通過圖5可以看出，林地主要分布在15°～30°的范圍內(nèi)。水田由于需要灌溉，所以主要分布在<6°的平原地區(qū)，旱地主要分布在柯西河的中游山地地區(qū)，分布在15°～25°范圍內(nèi)，大部分旱地都在一些陡坡的平臺(tái)上。冰川主要分布在>40°的地區(qū)。由于水的重力作用，河流、湖泊主要分布在0°～15°地區(qū)。隨著坡度的增加，地物分布類型主要有4種特征：①隨著坡度的增加逐漸減小。大部分土地覆被屬于此類型，有河流、人工表面、人工種植園、河漫灘、沼澤、水田，湖泊、鹽堿地。比如水田，多數(shù)分布在<6°的平原地區(qū)，由于坡度陡無法大面積建設(shè)農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施，不能滿足水稻生長所需的灌溉條件。②隨著坡度的增加先增加后減小，比如林地、旱地。林地主要分布在15°～30°范圍內(nèi)，旱地主要分布在15°～25°范圍內(nèi)。當(dāng)坡度>50°時(shí)，水土流失嚴(yán)重，不利于植物的生長。③隨著坡度的增加逐漸增加，如冰川、裸地、草地。④隨著坡度的增加出現(xiàn)一峰一谷，比如灌木。在坡度低的地區(qū)灌木主要圍繞水田周圍生長，在30°～40°內(nèi)主要是人類砍伐森林形成的次生灌木林。

圖5 坡度分布Fig.5 Slope gradient distribution of different land cover types

3.3 土地覆被類型與氣候因子的關(guān)系

3.3.1 降水分布特征

由圖6可以得出：裸地、草地、湖泊、鹽堿地、灌木、冰川/永久積雪主要分布在降雨400～800 mm的區(qū)域；旱地和林地主要分布在800～1 200 mm的區(qū)域；水田、河流和人工園地因需水量大，主要分布在降水1 200 mm以上的地區(qū)。由于受喜馬拉雅山脈的影響，來自印度洋的西南季風(fēng)被阻擋在喜馬拉雅山南坡，形成季風(fēng)雨，降水充足；而在北坡，由于西南季風(fēng)無法到達(dá)，因此降雨稀少，故降雨分布不均勻[11]。

圖6 降雨分布Fig.6 Distribution of land cover with different precipitations

3.3.2 溫度分布特征

通過圖7可以看出：柯西河流域從海拔8 000 m以上到接近海平面，溫差范圍極大；冰川/永久積雪的主要集中在-19～-5 ℃范圍內(nèi);草地主要集中在-5～5 ℃范圍內(nèi)；灌木主要集中在0～5 ℃范圍內(nèi)；林地和旱地主要集中在5～23 ℃左右；水田和人工表面在15～24 ℃左右，達(dá)到面積的最大值，因?yàn)槿祟惖纳詈娃r(nóng)作物的生長都需要充足的熱量。這與海拔的峰值正好相反，因?yàn)殡S著海拔的不斷上升，氣溫逐漸降低，熱量不足，表現(xiàn)出明顯的垂直地帶性分布。

圖7 溫度分布Fig.7 Distribution of land cover withdifferent temperatures

4 結(jié) 論

柯西河流域的主要土地覆被類型是草地、林地、水田、旱地和裸地。由于多變的海拔、降雨和溫度條件，流域內(nèi)土地覆被類型差異較大。流域內(nèi)土地覆被的垂直地帶性明顯，海拔從低到高的優(yōu)勢(shì)土地覆被類型依次是水田、林地、旱地、灌木、草地、裸地和冰川/永久積雪。在低海拔地區(qū)，人類活動(dòng)導(dǎo)致大面積的森林被耕地代替。濕地和水體的分布沒有明顯的地帶性。在我國境內(nèi)，人類居住地和耕地主要沿河分布。

水田為柯西河流域最主要的土地覆被類型，占32.56%，主要分布在海拔400 m以下，坡度<6°的柯西河流域下游的平原地區(qū)，這些地區(qū)年均溫度25°，降水量1 200 mm以上，水資源豐富，人口密集，農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速。其次是林地，約占18.89%，主要分布在海拔4 500 m以下、喜馬拉雅山南坡，坡度在15°～25°范圍內(nèi)流域中游的山地地區(qū)。而對(duì)全球氣候變化敏感的冰川/永久積雪僅占5.72%，主要分布在海拔4 500 m以上的地區(qū)。地形因子和氣候因子對(duì)土地覆被類型影響巨大，海拔由低到高，主要土地覆被類型依次為：水田、林地、旱地、灌木、裸地、冰川/永久積雪、草地。隨著降雨量由少變多，土地覆被優(yōu)勢(shì)類型依次表現(xiàn)為:裸地、草地、灌木、冰川/永久積雪、林地、水田。

雖然本文對(duì)柯西河流域土地覆被空間格局的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，但是對(duì)該區(qū)域土地覆被的時(shí)空演化過程并未涉及；此外，結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)，選取更高分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)和更優(yōu)的提取方法，進(jìn)一步提高土地覆被分類的精度，將在后續(xù)的工作中繼續(xù)探討。