2000—2020年西藏年楚河下游土地利用动态变化分析

Analysis of the Dynamic Changes in Land Use in the Lower Reaches of the Nyangchu River Basin in Xizang From 2000 to 2020

摘要

基于2000年土地利用矢量数据与2020年91卫图助手标准15级遥感影像数据，文章对西藏年楚河下游的日喀则市桑珠孜区、白朗县、江孜县等三区（县）开展2000—2020年土地利用变化动态分析。监测结果显示：2000—2020年桑珠孜区、白朗县、江孜县耕地总面积略有减少，林地与建设用地面积则大幅增加。人口增长与经济高速发展是引起土地利用变化的主要驱动因素，区域冰川变化与冰湖溃决事件也对土地利用格局产生潜在影响。

Abstract

Based on the 2020 "91 Weitu Assistant" standard Level-15 imagery data and 2000 land use vector data, this study conducted a dynamic analysis of land use changes from 2000 to 2020 in three districts (counties), i.e., Samdruptse District, Panam County, and Gyangtse County, located in the lower reaches of the Nyangchu River Basin in Xizang. The results indicate that over the past 20 years, the total cultivated land area in these three districts (counties) has decreased to some extent,though the decline is not significant. However, the areas of forest land and construction land have increased substantially. It is found that population growth and rapid economic development are the primary drivers of land use changes, and glacier variations and glacial lake outburst events are also potential factors influencing land use changes in this region.

Graphical abstract

关键词

土地利用变化 / 卫星遥感 / 年楚河流域下游

Key words

land use change / satellite remote sensing / lower reaches of the Nyangchu River Basin

引 言

土地是人类赖以生存的基础性资源，也是社会持续发展的重要物质保障。土地利用状况直接体现了人类活动与自然环境之间的相互影响和交互作用。作为表征人类活动对地球陆表自然生态系统影响最为显著的信号之一，土地利用是人类社会经济发展与自然生态过程相互联系的重要纽带^[1,2]。土地利用数据是反映人类活动和生态环境关系的重要载体^[3]，其构成了人类生存和发展的基础^[4,5]，而土地利用与覆盖变化作为引起生态环境质量变化的关键因素之一，长期以来一直是全球环境变化研究的热点问题。土地利用类型变化对所在区域水文过程、碳循环、生态服务功能等均有重要的影响^[6,7]。自20世纪90年代初以来，以卫星遥感数据作为主要信息源，逐渐建成中国国家尺度土地利用变化数据库，并每隔5年采用同类卫星遥感信息源和相同的数据分析方法，完成了全国范围内的土地利用数据的更新和完善^[8-11]，截至目前，我国已经完成并拥有20世纪80年代末、1995年、2000年、2005年和2010年5期的全国土地利用变化1:10万矢量数据库^[9-12]。土地利用/覆盖变化是人类活动对地球表层系统影响最直观的表现之一^[13]，其不仅可以改变景观格局深刻影响生态系统物质循环和能量流动，引起土壤水分、养分、地表径流与土壤侵蚀等生态过程^[14]，还会对生态系统服务的供给能力产生较大影响^[15]。加强对土地利用结构与生态过程的内在关联、土地利用变化驱动下生态系统过程对服务功能的影响、不同生态系统服务之间的权衡与协同关系，以及生态系统服务综合集成与优化等方面的系统性研究，有助于全面了解土地利用变化的生态环境效益^[16]。近年来，土地利用时空变化驱动因子、年土地利用变化趋势及其生态环境效应已成为研究热点^[17,18]。如，王兴丹等^[17]对武威市1990年、2000年、2010年、2021年4期土地利用变化进行了分析，利用土地利用动态变化指数、土地利用转移矩阵、重心迁移模型与主成分综合得分模型等方法，结合气象数据和社会经济统计数据对该市土地利用时空变化驱动因子进行了定量分析，从研究结果中清晰地呈现出土地利用变化的生态环境效应。有关青藏高原相关研究方面，程江浩等^[19]收集青藏高原1980年、1990年、2000年、2010年和2020年5期的土地利用数据，采用土地利用转移矩阵方法，从间隔层次、地类层次和转移层次3个方面对1980—2020年青藏高原土地利用变化强度及稳定性进行分析；谭溪晗等^[20]采用FLUS模型（Future Land Use Simulation Model）和PLUS模型（Patch-generating Land Use Simulation Model），对西藏年楚河流域的土地利用（Land use）/土地覆盖变化（Land cover change）进行模拟对比。

2021年，国务院印发《全国国土空间规划纲要（2021—2035年）》，该规划以“多规合一”为基础，统筹划定“三区三线”，即生态、农业、城镇三类空间，以及生态保护红线、永久基本农田、城镇开发边界三条控制线，从而构建起全国统一、责权清晰、科学高效的国土空间规划体系。规划明确至2035年要实现以下目标：①全国城镇化率达到75%左右，人口向城市群、都市圈集聚；②守住18.65亿亩耕地红线，且永久基本农田不低于15.46亿亩；③森林覆盖率稳定在24%以上，生态保护红线面积占陆域国土面积30%以上；④提升自然灾害防控能力，保障能源、粮食、水资源安全。为实现上述目标，规划提出通过优化国土空间开发保护格局、推动区域协调发展、构建综合立体交通网络、加强历史文化与自然遗产保护等一系列措施，着力塑造“两屏三带”生态安全屏障、“七区二十三带”农业格局、“多中心、网络化”城镇空间结构，形成协调有序、可持续的国土空间总体布局。

西藏自治区作为青藏高原生态屏障的主体，是我国重要的生态安全屏障，被誉为“世界屋脊”“亚洲水塔”“地球第三极”，是我国和南亚、东南亚地区的“江河源”“生态源”，更是我国乃至世界气候系统的“扰动器”和“稳定器”。保护好西藏生态环境，事关中华民族的生存和长远发展。同时，西藏生态系统类型独特且多样，野生动植物种类繁多，是世界上山地生物物种最主要的分化和形成中心，拥有众多国家重点保护野生植物和野生动物，是生物基因库和国际生物多样性的热点地区。良好的生态环境是经济可持续发展的基础，西藏依托优美的自然环境和独特的生态资源，发展生态旅游、清洁能源等绿色产业，且旅游业已成为西藏经济支柱产业，而农牧业的发展确保了当地粮食和重要农畜产品的稳定供应，满足区内居民的基本生活需求，对于维护地区粮食安全和社会稳定具有重要意义。

1 研究区概况

研究区位于西藏年楚河流域下游，包括日喀则市桑珠孜区、白朗县、江孜县等3个区（县）。相对于西藏其他地区，研究区河谷开阔，地势起伏小，形成低山、丘陵宽谷地貌类型，且有大面积耕地分布。该地区属高原温带半干旱季风气候区，干湿季分明，夏季雨水充沛集中，温暖湿润，冬季干冷，日照充足，太阳辐射强烈，日温差大而年温差小，无霜期短，年日照时数3 200 h左右，年无霜期110 d左右，年降水量400 mm左右。研究区作为西藏最大的农业区，其农业相对发达，耕地呈现集中连片的分布特点，主要种植青稞、小麦、油菜等作物，水利设施完善。2020年该地区总人口为27.15万人，占西藏总人口的7.4%，同年地区生产总值达到165.68亿元^[21]。独特的气候条件、较高的土地利用程度、相对较高的人口密度，以及近年来国家层面投入显著增加，共同构成了驱动研究区土地利用变化的主要因素。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及处理

土地利用本底数据来源于西藏“一江两河”2000年解译土地利用矢量数据。依据全国《土地利用现状调查技术规程》和《西藏自治区第一次土地资源遥感调查技术规程（草案）》的要求，结合西藏中部地区实际情况和土地资源的利用属性，将研究区域土地利用分类体系划分为耕地、园地、林地、草地、居民点与工矿用地、交通用地、水域和未利用土地等8个一级类型。进一步考虑土地利用方式和覆盖特征等因素，又划分34个二级类型，同时考虑高原土地利用特点，对部分二级利用类型进行再次一级分类，形成12个三级类型。2020年遥感数据为91卫图下载的标准15级影像数据，数据坐标投影为GCS_WGS_1984，空间分辨率为4.18 m，影像拍摄日期为2020年11月1日。在2000年土地利用数据基础上通过目视解译2020年变化，形成2020年土地利用现状矢量数据。

2.2 研究方法

本研究主要采用遥感影像解译与地理信息系统（GIS）技术相结合的方法，对年楚河流域下游日喀则市桑珠孜区、白朗县、江孜县的土地利用变化进行分析。首先，通过收集多时相的遥感影像数据，利用ENVI软件进行影像预处理，包括辐射定标、大气校正和几何校正。在2000年土地利用数据的基础上，通过人工目视解译，得到2020年土地利用数据。随后开展土地利用分类与变化研究，利用ARCGIS软件对分类结果进行空间分析，通过叠加不同时期的土地利用图，计算土地利用变化的面积和变化率，并利用转移矩阵分析各类用地之间的转换情况。最后结合日喀则市社会经济数据和自然环境状况，探讨土地利用变化的驱动因素及其对生态环境的影响。

为了了解研究区各土地类型在研究时段的变化倾向，引入土地利用动态度模型来反映土地利用变化幅度。模型公式如下：

K=\frac{U_b-U_a}{U_a}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（1）

式中，K为土地利用动态度，U_a 和U_b 分别为研究初期和末期各类土地利用类型的面积总和。

为了进一步了解研究区各土地利用类型的转换特征和内在演化规律，引入了转移矩阵对土地利用类型间的转化情况作定量描述。本研究首先依据相关土地分类标准，将2000年和2020年两期土地利用数据不同的土地类型进行矩阵统计和分析。转移矩阵表达公式如下：

P=P(mn)\left[\begin{array}{l}{p}_{\mathrm{11}}{p}_{\mathrm{12}}\cdots p_{\mathrm{1}n}\\ p_{\mathrm{21}}{p}_{\mathrm{22}}\cdots p_{\mathrm{2}n}\\ \cdots \cdots \cdots \cdots \\ p_{m\mathrm{1}}{p}_{m\mathrm{2}}\cdots p_{mn}\end{array}\right]（2）

式中，P为土地利用类型的面积，行表示T1时点的土地利用类型，列表示T2时点的土地利用类型；m和n分别代表研究初期和末期的土地利用类型，P(mn)为土地利用类型n转化为土地利用类型m的面积。

3 结果与分析

3.1 土地利用结构特征

从表1可知，研究区的土地利用类型主要为牧草地、未利用土地、耕地和水域。在空间上，牧草地主要分布在海拔较高的坡地，耕地和林地主要分布在年楚河下游和支流的两岸地势平坦区域，整体分布呈现聚集状态，建设用地主要聚集在靠近水域的平坦地带，水域主要为年楚河及其支流和水库，未利用土地主要分布在研究区海拔最高的区域，以高山流石坡类型为主。

从土地利用类型的具体变化来看，2000—2020年间研究区耕地总面积略有下降，但幅度不大。耕地面积由2000年的683.511 km²减少至2020年的665.253 km²，共减少面积18.258 km²，变化率为-2.671%。其中桑珠孜区耕地面积变化最显著，白朗县和江孜县也有不同程度的减少，值得注意的是，同期桑珠孜区、白朗县、江孜县菜地面积均出现大幅增长。从空间分布来看，耕地减少的区域主要集中在桑珠孜区、白朗县、江孜县等城镇周边地带，尤其是桑珠孜区因城镇建设推进所引发的城市扩张，以及铁路与高速公路等基础设施建设占用了部分耕地，但是在桑珠孜区江当乡和江孜县江热乡等地区，通过开垦荒地一定程度上补偿了因城镇建设导致的耕地减少。

在2000—2020年的20年间，研究区林地总面积呈现显著增长，由2000年的38.155 km²上升至2020年的93.061 km²，增幅达143.903%。其中，桑珠孜区、白朗县和江孜县林地面积分别由2000年的15.81 km²、7.82 km²和14.53 km²上升至2020年的58.0 km²、13.44 km²和21.62 km²，变化率依次为267.74%、71.87%和7.09%。从空间分布来看，新增林地主要集中分布在雅鲁藏布江和年楚河沿岸，反映出近年来实施的“两江四河”流域造林绿化工程成效显著。

在2000—2020年的20年间，研究区城乡建设用地面积显著增长，桑珠孜区、白朗县和江孜县城乡建设用地面积分别由2000年的21.645 km²、5.904 km²和14.742 km²，增至2020年的55.277 km²、13.784 km²和26.358 km²，变化率分别为155.38%、133.47%和78.795%。同期，城镇面积也大幅增加，桑珠孜区、白朗县和江孜县城镇面积分别由2000年的6.97 km²、0.42 km²和1.94 km²，增长至2020年的21.10 km²、1.34 km²和5.10 km²，增幅分别为202.73%、219.05%和162.89%。此外，农村居民点面积在同期亦有明显扩大，三地农村民点面积分别由2000年的14.67 km²、5.45 km²和12.81 km²，上升至2020年的24.53 km²、12.24 km²和19.76 km²，变化率分别为127.98%、124.59%和73.33%。

在2000—2020年的20年间，研究区工矿用地面积均大幅增长，桑珠孜区、白朗县和江孜县工矿用地面积分别由2000年的1.45 km²、0.03 km²和0.19 km²增长至2020年的5.74 km²、0.21 km²和0.43 km²，增幅分别达到295.87%、600.00%和126.32%，这一增长主要源于研究区太阳能电站的建设工程。

3.2 土地利用变化转移矩阵及特点

通过对研究区2000—2020年土地利用变化转移矩阵（表2）分析，可以看出该时段内研究区各类土地利用类型面积的相互转移变化特征。从表2可以看出，研究区天然草地的转出面积最大（63.325 km²），其次为耕地（39.264 km²），水域位列第三（19.039 km²）。转入方面，建设用地转入面积最多（64.111 km²，其中农村居民点和工矿用地转入47.573 km²，城镇转入16.538 km²），林地次之（56.044 km²），耕地位列第三（21.302 km²），交通用地和人工草地转入转出面积均最小。从耕地变化来看，20年间其他土地利用类型向耕地转变量为21.302 km²，耕地向其他土地利用类型转变量为39.264 km²，总体而言耕地面积在减少。研究区新增耕地主要来源于天然草地（19.3 km²），减少的耕地则主要转化为城镇（11.0 km²）、农村居民点和工矿用地（20.3 km²）、林地（7.0 km²）。建设用地方面，研究期内共有64.111 km²的其他土地利用类型转为建设用地，其中有47.573 km²土地转入为农村居民点和工矿用地，16.538 km²转入为城镇。具体来看，11.002 km²的耕地、3.180 km²的天然草地和2.165 km²的未利用土地转化为城镇用地；20.306 km²的耕地、10.6 km²天然草地和4.332 km²的未利用土地转化为农村居民点和工矿用地。2000—2020年间其他土地利用类型向林地转入总量为56.044 km²，增加的林地主要来自其天然草地（27.085 km²）和水域（17.517 km²），同时有7.0 km²的耕地转为林地。由于林地向其他土地利用类型转出面积很小，林地面积整体呈现增加趋势，减少的林地主要转为耕地，而新增的林地除主要来源于耕地外，也有部分来自草地和建设用地。

图1为2000—2020年研究区土地利用类型数量的变化轨迹。从土地利用类型转变的轨迹来看，2000—2020年间研究区土地利用类型之间的相互转化以天然草地的流岀为主，主要流向为林地、耕地和建设用地；2000年—2020年的土地利用变化面积比重为1.39%，土地利用变化总面积为135.8 km²。

3.3 土地利用变化驱动力分析

自进入21世纪以来，西藏城镇和农村均呈现人口规模持续扩大、社会经济快速发展的趋势。本研究参考日喀则市2001年、2007年和2019年经济社会与人口数据^[22-24]进行分析（表3）。从表中可以看出，进入21世纪以来，西藏日喀则市社会经济迅速发展，GDP显著提升，尤其是第三产业蓬勃发展，人口数量也明显增加。社会经济发展和人口增长是土地利用变化的直接驱动因素，人口数量的增加和经济发展直接拉动了建设用地的需求，促使建设用地面积持续扩大，具体表现为城市扩张以及农村居民生活水平提高带来的人均住房面积增加。建设用地占用较多耕地，导致耕地面积有所减少。除社会经济因素外，政策调控也对土地利用格局产生重要影响。研究区通过实施小型农业和水利工程，改善了部分草地的水热条件，将其开垦为耕地，以补偿因建设占用导致的耕地损失。同时，自2014年起，西藏自治区实施西藏“两江四河”植树造林工程，内容涵盖人工造林、封山育林、农田林网、通道绿化、森林围城、乡村绿化、低效林提质改造、种苗基地建设等内容，并配套建设相应的水利设施。该工程以“两江四河”流域为主要框架，重点实施森林围城、森林水系、绿色通道等三项重点造林绿化项目。通过多年实施项目，研究区林地面积增长显著，有效改善了当地生态环境。

另外，年楚河河源区有大面积的冰川和冰湖分布。1987年，该流域内共有冰川82条，总面积达218 km²，面积超过0.2 km²的冰湖有8个，从1987年至2014年冰川总面积呈减少趋势，冰湖总面积则有所增加，这一变化主要受气候因素驱动^[25]。随着冰川持续退缩和冰湖不断扩张，潜在的冰湖溃决风险也成为该区域土地利用变化的不确定因素^[26]。在历史上，1954年7月16日晚桑旺错发生溃决，此次冰湖溃决导致年楚河下游的日喀则康马、江孜、白朗等地人民遭受重大生命财产损失^[27]。冰川退缩不仅可能导致下游水资源短缺，潜在的冰湖溃决洪水风险也会对下游地区产生强烈的冲刷和地貌改变等影响。因此，冰川变化与冰湖溃决也是该区域土地利用变化的潜在影响因素。

4 结 论

本文基于2000年和2020年土地利用现状数据，针对西藏年楚河下游日喀则市桑珠孜区、白朗县、江孜县等三区（县），开展了2000—2020年土地利用变化动态研究，通过土地利用转移矩阵分析了各土地利用类型的面积变化和转移方向，分析了生态风险变化及其影响因素，得出如下结论：

（1）2000—2020年间，研究区土地利用结构发生明显变化，主要表现为建设用地与林地面积显著增加，耕地面积略有减少。城镇和农村居民点建设占用了大量耕地，同时通过农业开发建设工程的实施，又开垦部分耕地，在一定程度上补偿了因城市扩张造成的耕地损失。此外，植树造林工程的实施，大幅增加了林地面积，有效提升了区域生态环境质量。

（2）土地利用转移矩阵分析结果表明，研究区2000—2020年间天然草地为主要的转出类型，其主要转为林地、耕地和建设用地，部分耕地也转为建设用地。

（3）驱动因素分析表明，人口增长和经济高速发展是导致研究区土地利用变化的直接推动力，导致建设用地扩张与耕地面积减少。同时，政策调控因素对土地利用格局产生重要影响，通过工程开发荒地，补偿了耕地的损失。通过实施植树造林工程，显著提高研究区林地覆盖率与土地生态功能。此外，冰川退缩与冰湖溃决风险作为潜在的自然因素，可能通过影响下游水资源和地貌过程，间接作用于区域土地利用变化。

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基金资助

西藏自治区科技计划项目重点研发计划(XZ202301ZY0054G)