石運杰, 蔡 葵, 吳文春, 徐婭楠, 李珂羽, 拉巴次仁, 拱子凌

(1.云南大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 昆明 650500; 2.云南大學(xué) 經(jīng)濟(jì)學(xué)院, 昆明 650500;3.珠穆朗瑪峰國家級自然保護(hù)區(qū)管理局, 西藏 日喀則 857000; 4.珠峰雪豹保護(hù)中心, 西藏 日喀則 857000)

土地資源是承載人類發(fā)展的基石，也是人類使用、保護(hù)和改造的對象[1]。在當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略大背景下，土地資源分布和利用的研究為土地資源的再分配和可持續(xù)利用提供了重要依據(jù)。受海拔、坡度等自然條件的影響，不同地域的土地利用呈現(xiàn)出地域分異特點[2-3]。不同的高程和坡度因子組合，會產(chǎn)生不同的土地利用類型，作物種類和種植方式及水資源利用方式等也有很大差異，而我國東西部巨大的地形差異，也導(dǎo)致了不同區(qū)域各自不同的土地利用特點，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展也受到極大影響[4-6]。目前，在土地利用類型的地形梯度效應(yīng)研究方面，我國學(xué)者對中、低海拔區(qū)域的研究較為豐富，以土地利用變化、地形分布關(guān)系等方面為主開展研究[4,7-9]，并且較為準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)了土地利用在地形因子作用下的分布規(guī)律，但是缺少對青藏高原地形第一階梯高海拔區(qū)域的研究和探討。

珠穆朗瑪峰國家級自然保護(hù)區(qū)(以下簡稱“珠峰自然保護(hù)區(qū)”)位于青藏高原西南部，受印度洋暖濕氣流影響，擁有階梯式垂直生態(tài)系統(tǒng)和多種地貌地形的極其復(fù)雜的現(xiàn)代地表形態(tài)，其顯著的特點是高差巨大，地形起伏明顯，土地利用格局受地形因素影響較大。保護(hù)區(qū)目前生活著約10.6萬農(nóng)牧民，區(qū)內(nèi)社區(qū)土地利用和生態(tài)保護(hù)矛盾初顯[10-15]，了解掌握土地利用的地形梯度分布就顯得尤為關(guān)鍵。因此，本文以珠峰自然保護(hù)區(qū)2017年土地利用為研究對象，通過研究土地利用在地形上的分布變化特征，探究各土地利用類型在各地形因子上的空間分布規(guī)律，以期為保護(hù)區(qū)協(xié)調(diào)土地利用與生態(tài)保護(hù)提供一些基礎(chǔ)參考。

1 研究區(qū)概況

珠峰自然保護(hù)區(qū)位于西藏自治區(qū)西南部，與尼泊爾王國接壤，其坐標(biāo)為北緯27°48′—29°12′，東經(jīng)84°27′—88°21′，包括吉隆縣、聶拉木縣、定日縣和定結(jié)縣，保護(hù)區(qū)成立于1988年、1994年升級為國家級自然保護(hù)區(qū)，2004年2月加入聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)“世界人與生物圈保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)”。保護(hù)區(qū)總面積3.38萬km2，平均海拔4 961 m，擁有世界屋脊珠穆朗瑪峰在內(nèi)的5座8 000 m級高山，也擁有獨特的山脈下切河谷谷地，最低處1 440 m，相對高差超過7 400 m。垂直階梯式的極高山生態(tài)系統(tǒng)、原始山地森林生態(tài)系統(tǒng)、半干旱荒漠灌叢和草原生態(tài)系統(tǒng)組成了以高喜馬拉雅山脈和藏南分水嶺為骨架，以高原湖盆、寬谷為基底，并含有河流、湖泊、冰川、冰緣、風(fēng)沙等多種地貌地形的極其復(fù)雜的現(xiàn)代地表形態(tài)。形成了保護(hù)區(qū)多樣的土地覆被類型，也造就了獨特的土地利用方式。目前，保護(hù)區(qū)內(nèi)大約存在310個社區(qū)居民點，分布在海拔4 800 m以下區(qū)域，不同海拔社區(qū)氣候環(huán)境和資源種類不同，土地資源利用有著顯著差異。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

本文使用的遙感數(shù)據(jù)是美國陸地衛(wèi)星Landsat-8的陸地成像儀(Operational Land Imager,OLI)中的多波段數(shù)據(jù)，來源于美國地質(zhì)調(diào)查局USGS網(wǎng)站(https:∥earthexplorer.usgs.gov)，OLI數(shù)據(jù)具有較高的影像質(zhì)量，能夠滿足土地利用分類與解譯。本研究選取景號為139/040，139/041，140/040，140/041，141/040，141/041，獲取日期為2017年3月的Landsat-8影像作為數(shù)據(jù)源。在分類前，以ENVI 5.3作為圖像預(yù)處理軟件，對獲取的影像按序進(jìn)行輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正、影像拼接及裁剪。參考的高分辨率影像來自91衛(wèi)圖助手平臺(www.91 weitu.com)。DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http:∥www.gscloud.cn)30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，借助ArcGIS 10.5通過DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度和地形位的計算提取。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用分類與解譯 以Landsat-8 OLI數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，運用非監(jiān)督分類與人機(jī)交互式解譯的方法進(jìn)行土地利用信息提取。通過高分辨率影像對解譯后的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查修正，得到珠峰自然保護(hù)區(qū)2017年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)(表1)。在ArcGIS 10.5中使用軟件內(nèi)置工具采用分層隨機(jī)法在研究區(qū)域內(nèi)生成1 000個隨機(jī)采樣點，利用91衛(wèi)圖助手平臺中Google Earth高清影像作為參考進(jìn)行人工檢視，對比自動分類算法與人工檢視判斷結(jié)果，得到解譯精度為85.80%，Kappa系數(shù)0.82，滿足研究的需要。土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的分類參照第二次全國土地調(diào)查[16]和第三次全國土地調(diào)查[17]的分類體系，根據(jù)珠峰自然保護(hù)區(qū)特殊地理地貌特征，將保護(hù)區(qū)土地利用類型劃分為耕地、草地、林地、水域、冰川及永久積雪、建設(shè)用地和裸地7大類。

表1 珠峰自然保護(hù)區(qū)2017年各地類面積及比例

2.2.2 高程分級 珠峰自然保護(hù)區(qū)位于青藏高原，擁有珠穆朗瑪峰等8 000 m級高山，相對高差超過7 400 m，根據(jù)實地調(diào)查情況分析，保護(hù)區(qū)內(nèi)以高程3 900 m為分界線的兩個區(qū)域土地覆被有顯著差異，且在高程3 900～5 600 m土地利用類型變化較大，高程5 600 m以上區(qū)域土地類型單一。因此，本研究使用30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，在高程區(qū)間為1 440～8 844 m(圖1)，將研究區(qū)依次劃分為6個高程等級(表2)。

圖1 珠峰自然保護(hù)區(qū)高程

表2 高程分級

2.2.3 坡度分級 借助30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.5中生成珠峰自然保護(hù)區(qū)坡度數(shù)據(jù)(圖2)。參考第二次和第三次全國土地調(diào)查中的耕地坡度分級標(biāo)準(zhǔn)[16-17]，結(jié)合珠峰自然保護(hù)區(qū)特殊的地形地貌特征，將研究區(qū)依次劃分為6個坡度級(表3)。

圖2 珠峰自然保護(hù)區(qū)坡度

2.2.4 地形位指數(shù)及分級 地形位(terrain niche)是反映高程和坡度綜合影響的地形因子，高程越大，坡度越大，地形位指數(shù)就越大，反之則越小，計算公式為[1-2]：

T=ln[(E/E0+1)×(S/S0+1)]

(1)

式中:T為地形位;E，S分別為某點的高程(m)和坡度(°);E0，S0分別為該點所在區(qū)域的平均高程(m)和坡度(°)。

表3 坡度分級

針對珠峰自然保護(hù)區(qū)地形位特征(圖3)。本研究采用等數(shù)量重分類法[18]對地形位指數(shù)0.336～2.502進(jìn)行分級，以0.361為等級間隔分級，分別代表6個地形位級別(表4)。

圖3 珠峰自然保護(hù)區(qū)地形位

表4 地形位分級

2.2.5 分布指數(shù) 分布指數(shù)(distribution index，DI)可以反映不同土地利用各組分在地形梯度上的分布狀況，其中，DI>1時，土地利用類型呈現(xiàn)優(yōu)勢分布，DI<1時，呈現(xiàn)出劣勢分布，優(yōu)勢度隨著DI值增大而提高，反之則劣勢度提高。其公式為[1,19]：

DI=(Aij/Ai)/(Aj/TA)

(2)

式中:DI為分布指數(shù);j為地形因子;Aij為j地形因子某等級下i種土地利用組分的面積;Ai為研究區(qū)內(nèi)第i種土地利用組分的總面積;Aj為研究區(qū)內(nèi)j地形因子某等級的總面積;TA為研究區(qū)總面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于高程分異的土地利用分析

3.1.1 不同高程級的土地利用分布 從圖4可以看出，珠峰自然保護(hù)區(qū)各高程級別上各土地利用分布指數(shù)差異較為明顯。在高程低級內(nèi)，耕地、林地、建設(shè)用地分布指數(shù)大于1，耕地和建設(shè)用地值較大，林地接近26，因此，林地占絕對主導(dǎo)地位，人類對土地的利用強(qiáng)度較大；在高程較低級內(nèi)，除冰川及永久積雪的分布指數(shù)為0外，其他地類的分布指數(shù)均超過1，因此人類活動較強(qiáng)，各地類的空間分布競爭大，土地利用強(qiáng)度大；在高程一般級內(nèi)，草地、水域和裸地的分布指數(shù)大于1，自然類型地類分布占主導(dǎo)，土地利用強(qiáng)度較低；在高程高級內(nèi)，只有草地的分布指數(shù)大于1，草地分布占主導(dǎo)，人類活動影響極小；在高程較高—極高級內(nèi)，冰川及永久積雪的分布指數(shù)大于1，其他地類分布指數(shù)都較小，因此這兩個高程級內(nèi)主要分布為冰川及永久積雪，人類活動直接影響極其微弱。綜上所述，珠峰自然保護(hù)區(qū)內(nèi)各高程等級的地類分布具有一定的規(guī)律，土地利用強(qiáng)度高，人類活動影響大的區(qū)域主要集中在4 500 m以下的低高程級，尤其是在3 900～4 500 m高程級內(nèi)更加顯著，隨著高程級的升高，土地利用強(qiáng)度逐漸減弱。

圖4 珠峰自然保護(hù)區(qū)不同高程級下的土地利用分布指數(shù)

3.1.2 土地利用垂直帶譜分析 由圖5可知，珠峰自然保護(hù)區(qū)土地利用類型分布呈現(xiàn)出一定的垂直分異規(guī)律。隨著高程的升高，依次交錯分布著林地、耕地、建設(shè)用地—耕地、水域、建設(shè)用地—草地、水域、裸地—草地、裸地、冰川及永久積雪—冰川及永久積雪。林地隨高程的升高呈現(xiàn)顯著減少趨勢，耕地、建設(shè)用地、草地、裸地和水域隨高程的升高先增加后減少，而冰川及永久積雪隨著高程增高逐漸增加。其中，基帶為高程1 440～3 900 m的低海拔帶，由于受印度洋暖濕氣流的強(qiáng)烈影響，氣候溫暖濕潤，主要類型為林地；高程3 900～4 500 m范圍內(nèi)，由于處在降水過渡帶，加之人類活動相對頻繁，土地類型較為豐富，耕地和建設(shè)用地比例較高；水域主要分布在4 500～4 800 m范圍內(nèi)；在高程3 900～5 200 m范圍內(nèi)，氣候變得寒冷，草地、裸地成為主導(dǎo)地類；高程5 200 m以上逐漸接近雪線，冰川及永久積雪成為絕對優(yōu)勢地類。

圖5 珠峰自然保護(hù)區(qū)土地利用垂直帶譜

3.2 基于坡度分異的土地利用分析

3.2.1 不同坡度級的土地利用分布 從圖6的變化趨勢看，珠峰自然保護(hù)區(qū)各坡度級土地利用分布狀況具有一定的規(guī)律。在坡度低級中，人類活動的干擾大，土地利用強(qiáng)度大，耕地和建設(shè)用地分布指數(shù)均超過3，與水域、裸地一同成為此級別內(nèi)的優(yōu)勢地類；在坡度較低級中，人類活動的干擾有較大幅度的下降，耕地和建設(shè)用地分布指數(shù)均降低到2以內(nèi)，但仍然表現(xiàn)出絕對優(yōu)勢分布狀態(tài)；在坡度一般級中，自然類型地類逐漸占據(jù)主導(dǎo)，人類活動影響持續(xù)減弱，土地利用強(qiáng)度逐漸降低，草地成為優(yōu)勢地類；在坡度高級—極高級中，林地和冰川及永久積雪的分布指數(shù)持續(xù)上升且均大于1，自然地類成為絕對主導(dǎo)。由此可以發(fā)現(xiàn)，珠峰自然保護(hù)區(qū)高強(qiáng)度的土地利用方式主要集中在<15°的平地和緩坡區(qū)域，自然地類則主要分布在>15°的陡坡區(qū)域。

3.2.2 土地利用在坡度帶的分布格局 根據(jù)圖7可知，珠峰自然保護(hù)區(qū)土地利用隨坡度的變化呈現(xiàn)較為復(fù)雜的分布特點。由坡度低級到高級依次交錯分布著耕地、水域、建設(shè)用地—耕地、草地、裸地、建設(shè)用地—耕地、草地、林地、裸地、冰川及永久積雪、建設(shè)用地—草地、林地、裸地、冰川及永久積雪—草地、林地、冰川及永久積雪。其中，水域多處于5°以下地形平坦區(qū)域，建設(shè)用地、耕地和裸地主要分布于在0°～15°帶內(nèi)；草地分布的坡度范圍跨度較大，以15°～35°帶為主；25°以上地形陡峭帶，林地為優(yōu)勢地類，分布范圍較大，冰川及永久積雪的分布帶與林地相似。

圖6 珠峰自然保護(hù)區(qū)不同坡度級下的土地利用分布指數(shù)

圖7 珠峰自然保護(hù)區(qū)土地利用在坡度帶的分布

3.3 基于地形位分異的土地利用分析

3.3.1 不同地形位級的土地利用分布 由圖8可知，珠峰自然保護(hù)區(qū)各地形位級別內(nèi)各土地利用分布指數(shù)差異顯著。地形位低級內(nèi)，耕地、水域、建設(shè)用地分布指數(shù)超過1，耕地和建設(shè)用地分布指數(shù)均大于4，水域最大達(dá)到了31.64，因此，在該地形位級別內(nèi)水域占絕對主導(dǎo)地位，人類活動對土地利用的影響也較大；在地形位較低級內(nèi)，耕地和建設(shè)用地的分布指數(shù)在3左右，屬于主導(dǎo)地類，裸地、水域和草地的分布指數(shù)為1～2，也處于較為優(yōu)勢的分布地位，因此，地形位較低級內(nèi)不僅存在相對強(qiáng)度較大的土地利用活動，自然地類的分布也相對集中，且易受人類土地利用活動的影響；在地形位一般級內(nèi)，各地類的分布指數(shù)相對集中，草地、裸地和冰川及永久積雪的分布指數(shù)在1附近，為優(yōu)勢分布地類，以自然類型地類分布為主，土地利用強(qiáng)度較低；在地形位高—極高級內(nèi)，林地和冰川及永久積雪的分布指數(shù)均大于1，林地占主導(dǎo)地位，冰川及永久積雪也處于優(yōu)勢分布狀態(tài)，人類活動影響極小，土地利用強(qiáng)度極低。綜上所述，珠峰自然保護(hù)區(qū)內(nèi)各地形位級別的地類分布呈現(xiàn)出如下特點：土地利用強(qiáng)度高，人類活動影響大的區(qū)域主要集中在地形位指數(shù)0.336～1.058范圍內(nèi)，耕地、建設(shè)用地分布優(yōu)勢較大；受人類活動影響大的地類向自然地類轉(zhuǎn)變的區(qū)域主要在地形位指數(shù)1.058～1.419范圍內(nèi)，屬于過渡區(qū)域，各類型地類分布相對均勻；地形位指數(shù)在1.419～2.502范圍內(nèi)，優(yōu)勢地類主要為林地和冰川及永久積雪，人類活動影響微弱。

圖8 珠峰自然保護(hù)區(qū)不同地形位級下的土地利用分布指數(shù)

3.3.2 土地利用在地形位帶的分布特點 從圖9可知，珠峰自然保護(hù)區(qū)土地利用類型在地形位上的分布交錯復(fù)雜。其中，從低級帶向上發(fā)展，其主導(dǎo)地類基本分布規(guī)律為：水域—耕地、建設(shè)用地—耕地、草地、裸地—林地、草地、冰川及永久積雪—林地、冰川及永久積雪。其中，水域以低地形位帶分布為主；耕地和建設(shè)用地分布狀況類似，主體分布于0.697～1.058帶；草地、裸地的優(yōu)勢帶主要為0.697～1.780范圍內(nèi)；林地、冰川及永久積雪分布范圍主要集中于1.419～2.502的高地形位帶，并在1.780地形位帶以上為主導(dǎo)地類。

4 討 論

青藏高原是我國乃至亞洲的重要生態(tài)屏障，處于特殊的研究地位[20]。從本研究可以看出，珠峰自然保護(hù)區(qū)土地利用受地形因子的影響大。與中低海拔地區(qū)相比，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境更加脆弱敏感，一旦土地覆被遭到破壞，將會嚴(yán)重影響到當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)安全，威脅保護(hù)區(qū)的生物多樣性保護(hù)。目前保護(hù)區(qū)內(nèi)各地形級別上土地利用格局相對穩(wěn)定，自然地類占絕對主導(dǎo)地位，但是人類活動對土地利用結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生了較大影響，在保護(hù)區(qū)地廣人稀的土地上，尤其是高程較低、坡度平緩、地形位指數(shù)低的區(qū)域，耕地和建設(shè)用地的開發(fā)和利用已經(jīng)出現(xiàn)了對自然覆被的侵蝕現(xiàn)象，如不進(jìn)行合理管理，將對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

圖9 珠峰自然保護(hù)區(qū)土地利用在地形位帶的分布

無論是自然土地類型還是人類活動干擾較大的土地利用類型的分布，地形因素在其中都起到重要的推動作用。因此，從保護(hù)區(qū)層面出發(fā)，應(yīng)在地形要素分析基礎(chǔ)下開展土地資源利用和管理，尤其是在保護(hù)區(qū)人類活動密集區(qū)，要因地制宜，從生態(tài)保護(hù)的角度優(yōu)化配置土地資源，合理利用草地資源，保護(hù)冰川、濕地和森林。在協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)生計發(fā)展過程中，更要綜合考量經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)特征，探討既能充分發(fā)揮社區(qū)土地經(jīng)濟(jì)和社會功能，又能保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的土地利用方式。

本研究表明，在保護(hù)區(qū)各高程帶、坡度帶和地形位帶上，不同地類分布具有顯著差異，而且都表現(xiàn)出了較為明顯的分布規(guī)律。一方面，土地利用的規(guī)律性可以更加清晰地展現(xiàn)保護(hù)區(qū)土地利用現(xiàn)狀，對于土地的有效利用和生態(tài)利用起到積極的指導(dǎo)作用；另一方面，土地類型的地形分布格局突出表現(xiàn)了人類活動對自然地類的影響程度，為管理決策者生態(tài)保護(hù)策略的制定提供了基礎(chǔ)參考。進(jìn)一步針對土地利用的動態(tài)過程可開展更深入的探究，在積累一定年限的土地利用數(shù)據(jù)的前提下，從時間動態(tài)變化角度繼續(xù)開展相關(guān)研究，可為保護(hù)區(qū)協(xié)調(diào)土地利用與生態(tài)保護(hù)提供更加詳實的基礎(chǔ)參考。同時，隨著當(dāng)前氣候變化的加劇，土地利用多樣化程度的提高，從氣候變化及地形分異相結(jié)合的角度分析土地利用狀況，對珠峰自然保護(hù)區(qū)乃至整個青藏高原的土地合理利用與保護(hù)，土地利用變化的追蹤與預(yù)測都會起到關(guān)鍵的作用。

5 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)不同土地利用類型在不同高程級上分布具有顯著差異，表現(xiàn)出一定的垂直分布規(guī)律，且隨著高程級的增加，人類活動對地類的影響程度逐漸減弱。其中，在3 900 m以下的高程級，優(yōu)勢地類主要為林地、耕地和建設(shè)用地，草地、水域和裸地的優(yōu)勢分布區(qū)集中于3 900～5 200 m高程級，5 200 m以上的高程級優(yōu)勢地類為冰川及永久積雪。隨著高程級的升高，依次交錯分布著林地、耕地、建設(shè)用地—耕地、水域、建設(shè)用地—草地、水域、裸地—草地、裸地、冰川及永久積雪—冰川及永久積雪。

(2) 研究區(qū)不同土地利用類型在不同坡度級上分布不同，并且在坡度級上隨坡度的變化呈現(xiàn)較為復(fù)雜的分布特點，高強(qiáng)度土地利用方式主要集中在平地和緩坡區(qū)域，低強(qiáng)度土地利用方式則主要分布在陡坡區(qū)域。其中，在低于15°的坡度梯度區(qū)，耕地、水域、建設(shè)用地和裸地為主要優(yōu)勢地類，草地的主要優(yōu)勢分布區(qū)為15°～35°坡度梯度區(qū)，大于35°的坡度梯度區(qū)主要優(yōu)勢地類為林地和冰川及永久積雪。由坡度低級到高級依次交錯分布著耕地、水域、建設(shè)用地—耕地、草地、裸地、建設(shè)用地—耕地、草地、林地、裸地、冰川及永久積雪、建設(shè)用地—草地、林地、裸地、冰川及永久積雪—草地、林地、冰川及永久積雪。

(3) 研究區(qū)內(nèi)各地形位級的土地利用分布呈現(xiàn)出層級性，且在地形位級中表現(xiàn)出復(fù)雜性，土地利用強(qiáng)度高，人類活動影響大的地類主要集中于較低地形位指數(shù)范圍，受人類活動影響大的地類向自然地類的過渡區(qū)主要集中于地形位指數(shù)中間范圍，自然地類為優(yōu)勢地類的區(qū)域，地形位指數(shù)在較高范圍內(nèi)。其中，在地形位指數(shù)0.336～1.058地形位級，耕地、建設(shè)用地、水域和裸地為優(yōu)勢地類，地形位指數(shù)1.058～1.419地形位級，優(yōu)勢地類為草地和裸地，林地和冰川及永久積雪的優(yōu)勢分布區(qū)集中在地形位指數(shù)1.419～2.502地形位級。并且，從低地形位帶向上發(fā)展，其主導(dǎo)地類基本分布規(guī)律為：水域—耕地、建設(shè)用地—耕地、草地、裸地—林地、草地、冰川及永久積雪—林地、冰川及永久積雪。