生态学报  2016, Vol. 36 Issue (23): 7858-7869

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郑朝菊, 曾源, 赵玉金, 高文文, 赵旦, 吴炳方
ZHENG Zhaoju, ZENG Yuan, ZHAO Yujin, GAO Wenwen, ZHAO Dan, WU Bingfang.
20世纪90年代以来中国西南地区土地覆被变化
Analysis of land cover changes in southwestern China since the 1990s
生态学报[J]. 2016, 36(23): 7858-7869
Acta Ecologica Sinica[J]. 2016, 36(23): 7858-7869
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201511102277

文章历史

收稿日期: 2015-11-10
20世纪90年代以来中国西南地区土地覆被变化
郑朝菊1, 曾源1, 赵玉金1, 高文文2, 赵旦1, 吴炳方1     
1. 中国科学院遥感与数字地球研究所 数字地球重点实验室, 北京 100101;
2. 中国林科院资源信息研究所, 北京 100091
摘要: 西南地区是我国重要的生态安全屏障区,也是气候敏感区和生态脆弱区。20世纪90年代以来,西南地区土地覆被发生了巨大变化,对生态环境和生态系统服务功能产生重大影响。基于全国30 m土地覆被数据集,分析了近20 a来西南地区土地覆被格局、变化及驱动因素。同时,基于MODIS-NDVI数据,利用像元二分模型估算了2000-2010年250 m分辨率年最大植被覆盖度,对森林、灌丛和草地的植被覆盖度变化进行分析。结果表明:1)2010年西南地区土地覆被以森林和草地为主,分别占总面积的29.08%和24.11%。2)1990-2010年西南地区森林、湿地和人工表面分别增加1.39%、5.86%和48.57%,灌丛、耕地和裸露地分别减少2.12%、2.88%和0.64%,变化的区域主要集中在生态建设重点区、城市圈、地震灾区、三峡库区、三江源区、青藏高原东南部和云南南部。3)2000-2010年西南地区森林、灌丛和草地植被覆盖度呈增加趋势的面积分别占26.54%、32.53%和28.87%,但汶川地震重灾区、横断山区、云南南部等地的森林及灌丛植被覆盖度下降,青藏高原东南部、川西高原草地退化。近20 a来,尽管气候变化对西南地区的土地覆被有一定影响,但人类活动仍然是导致其变化及时空差异的主要原因。
关键词: 土地覆被     变化监测     植被覆盖度     中国西南    
Analysis of land cover changes in southwestern China since the 1990s
ZHENG Zhaoju1, ZENG Yuan1, ZHAO Yujin1, GAO Wenwen2, ZHAO Dan1, WU Bingfang1     
1. Key Laboratory of Digital Earth Science, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
2. Research Institute of Forest Resource Information Techniques, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China
Abstract: Southwestern China is an important ecological barrier and the major area supplying water to our country and most of East Asia. In light of the impacts of global change, rapid economic development, excessive resource utilization, and a series of ecological construction projects, land cover of southwestern China has changed significantly over the last 20 years. This has had great consequences for the eco-environment. After assessing land cover datasets of China in 1990, 2000, and 2010, we propose a land cover classification system that is appropriate for southwestern China. We analyze the spatial-temporal patterns, changing characteristics, and potential causes. In addition, we estimate fractional vegetation cover from 2000 to 2010 using the dimidiate pixel model, based on MODIS-NDVI data. Results show that:1) in 2010, forest was the dominant land cover type, occupying 29.08%, followed by grassland, which covered 24.11%. 2) From 1990 to 2010, areas of forest, wetland, and artificial surface increased by 1.39%, 5.86% and 48.57%, respectively, but areas of shrubland, arable land, and barren land decreased by 2.21%, 2.88% and 0.64%, respectively. The conversion areas are mainly distributed in the regions where the ecological restoration programs are carried out, the urban circle, the earthquake stricken area, the Three Gorges Reservoir Region, the Three-River Headwater on Qinghai-Tibet Plateau, and the southern Yunan province. 3) The changes in fractional vegetation cover of forest, shrub and grassland showed an overall upward trend in 2000s, but forest and shrub showed a trend of degradation in the Wenchuan earthquake-stricken area, Hengduan Mountains, and southern Yunnan province; grassland also deteriorated in the southeastern Tibet Plateau and western Sichuan Plateau. In summary, in the last two decades, although climate change has affected land cover, policy regulation and economic driving forces are still the primary causes of land cover changes across southwestern China.
Key words: land cover     change detection     fractional vegetation cover     southwestern China    

中国西南地区是众多江河的上游和源头区, 地形起伏大, 气候多样, 物种丰富, 对我国乃至东亚的生态安全具有重要的屏障作用。同时, 该区土地覆被景观连续性差、异质性高, 石漠化、水土流失严重, 地震、泥石流等地质灾害频繁, 是气候变化的敏感区和生态环境脆弱区。20世纪90年代以来, 在全球变化、经济发展、重大灾害和生态环境保护的综合作用下, 西南地区土地覆被发生了巨大变化, 对生态系统服务功能产生深远影响。因此, 研究长时间序列的土地覆被变化, 对分析和评价西南地区生态系统格局、生态环境问题及生态保护与修复具有重要意义。

土地覆被变化是全球气候变化和环境变化研究关注的重要内容[1]。国内外已成功开展了全球、洲际及国家尺度土地覆被遥感监测, 如欧盟进行全球及欧洲土地覆被监测(GLC2000、Globcover、CORINE)[2-3], 美国建立全球及美国土地覆被产品(IGBP-DIS、UMD、MODIS、NLCD)[4-6], 联合国粮农组织(FAO)开展非洲土地覆被遥感监测(AFRICOVER)[7], 中国建立全球及中国土地覆被/利用数据产品(GlobalLand30、CLUDs、ChinaCover)[8-10]。西南地区作为典型的生态脆弱区、全球气候变化研究热点区, 其土地覆被变化备受学者关注。吴丹等[11]通过土地覆被状况指数和转类指数分析发现近30 a长江源区土地覆被与生态状况经历了变差-显著变差-略有好转的变化; 李正等[12]基于1996-2008年土地利用变更调查数据, 发现贵州耕地减少、林地增加, 退耕政策和经济发展是主要驱动力; 邵景安等[13]发现三峡工程建设的20 a间库区耕地、草地大幅减少, 水域、林地和建设用地显著增加; 伍星等[14]利用土地利用变化率、相对变化率、土地利用动态度等分析发现近20 a长江上游草地、林地、建设用地和耕地变化较大; 何慧娟等[15]利用1990-2010逐年土地覆盖数据集, 发现广西、贵州和重庆林地明显增加。

为探究气候变化和人类活动影响下, 西南地区土地覆被变化的时空变化规律及生态工程实施成效, 本文基于“全国生态环境十年变化(2000年-2010年)遥感调查与评估”项目提供的全国30 m土地覆被数据集, 对西南地区1990、2000和2010年的土地覆被格局进行分析, 利用转移矩阵定量描述不同土地覆被类型的转移途径和幅度; 基于MODIS-NDVI数据利用像元二分模型估算2000-2010年的植被覆盖度, 依据回归斜率图深入讨论森林、灌丛和草地的植被覆盖度变化; 最后, 结合近20年来西南地区社会经济、生态保护及气候变化特征, 分析土地覆被变化的驱动因素, 为进一步研究西南地区生态环境变化提供参考。

1 数据源与研究方法 1.1 研究区概况

该研究所指西南地区(21°08′-36°29′N, 87°22′-112°03′E), 包括广西、贵州、重庆、云南、四川五省(市区)以及青海和西藏的部分市县, 总面积213.24万km2(图 1)。该区域地貌复杂, 横跨广西丘陵、云贵高原、四川盆地、若尔盖高原、横断山地、青藏高原东南, 是全国山地集中分布的地区之一, 此外喀斯特地貌、河谷地貌和冰川地貌等广泛分布。气候类型包括亚热带季风气候、热带季雨林气候以及青藏高原独特的高原气候, 年平均气温在0-24℃之间, 年降水量在600-2300 mm范围内, 由东南向西北递减[16]。复杂的地貌和气候分布形成了独特的植被分布格局, 区内植物种类繁多, 生态系统类型丰富。

图 1 2010年西南地区土地覆被分布图[10] Fig. 1 Distribution of Land Cover for 2010 in the Study Area[10]
1.2 土地覆被数据与精度

“全国生态环境十年变化(2000-2010年)遥感调查与评估”项目提供的全国30 m土地覆被数据集包括1990、2000和2010年3期。其中, 2010年土地覆被数据集以HJ-A/B影像(http://www.cresda.com/)为主要数据源, 采用基于超算平台的数据预处理方法、面向对象的自动分类与地面调查以及雷达数据辅助相结合的分类方法[10]。以森林分类为例, 首先对预处理后的影像进行多尺度分割, 根据HJ-A/B影像光谱响应曲线特征将森林分为针叶林和非针叶林, 结合MODIS时序数据反映的物候信息(针阔混交林第81天的NDVI值明显小于其他两种类型), 将针阔混交林分开[17]。在此基础上, 根据野外实地考察与高分辨率遥感影像判读, 构建训练样本集, 计算参考样本生长季和非生长季遥感影像NDVI值的差(NDVI_D), 确定区分森林常绿、落叶特征的NDVI_D阈值, 基于决策树建立规则, 逐层次分出针阔混交林、常绿针叶林、落叶针叶林、常绿阔叶林、落叶阔叶林[18]。精度验证采用分层随机抽样方法, 结合地面调查和高分辨率遥感影像获取了共计9604个独立验证点, 对2010年土地覆被监测结果进行了精度评价, 结果表明数据精度达到一级为94%, 二级为86%[19]。1990和2000年土地覆被数据集以Landsat TM影像(http://glovis.usgs.gov/)为主要数据源, 基于2010年的土地覆被数据, 采用变化矢量分析模型和向量相似度相结合的方法自动识别出变化区域, 同时采用人工目视方法去除误判的变化[20]

1.3 土地覆被分类系统

全国30 m土地覆被数据集在FAO土地覆被分类系统LCCS分类工具支持下, 重新定义了适合中国土地覆被特点与相关应用需求的分类系统, 包括6个一级类, 38个二级类[21]

本研究以上述分类系统为基础, 综合考虑西南地区土地覆被特点、遥感能力、生态需求以及数据可比性等因素, 确定了适用于西南地区的土地覆被分类系统, 包括7个一级类, 30个二级类(表 1)。

表 1 西南地区土地覆被分类系统 Table 1 Land cover classification system for Southwestern China
Ⅰ级代码
Code Ⅰ
Ⅰ级分类
Level Ⅰ
Ⅱ级代码
Code Ⅱ
Ⅱ级分类
Level Ⅱ
指标
Index
1 森林 11 常绿阔叶林 H=3-30 m, C≥20%, 常绿, 阔叶
12 落叶阔叶林 H=3-30 m, C≥20%, 落叶, 阔叶
13 常绿针叶林 H=3-30 m, C≥20%, 常绿, 针叶
14 落叶针叶林 H=3-30 m, C≥20%, 落叶, 针叶
15 针阔混交林 H=3-30 m, C≥20%, 25% < F < 75%
2 灌丛 21 常绿灌木林 H=0.3-5 m, C≥20%, 常绿, 阔叶或针叶
22 落叶灌木林 H=0.3-5 m, C≥20%, 落叶, 阔叶
3 草地 31 草甸 K>1.5, 土壤水饱和, H=0.03-3 m, C≥20%
32 草原 K=0.9-1.5, H=0.03-3 m, C≥20%
33 草丛 K>1.5, H=0.03-3 m, C≥20%
4 耕地 41 水田 人工植被, 土地扰动, 水生作物, 收割过程
42 旱地 人工植被, 土地扰动, 旱生作物, 收割过程
43 园地 人工植被, H=0.3-30 m, C≥20%
5 湿地 51 乔木湿地 T>2或湿土, H=3-30 m, C≥20%
52 灌木湿地 T>2或湿土, H=0.3-5 m, C≥20%
53 草本湿地 T>2或湿土, H=0.03-3 m, C≥20%
54 湖泊 自然水面, 静止
55 水库/坑塘 人工水面, 静止
56 河流 自然水面, 流动
57 运河/水渠 人工水面, 流动
6 人工表面 61 居住地 人工硬表面, 居住建筑
62 工业用地 人工硬表面或挖掘表面, 生产建筑或采矿场
63 交通用地 人工硬表面, 线状特征
7 裸露地 71 稀疏植被 H=0.03-30 m, C=4%-20%
72 苔藓/地衣 自然, 苔藓或地衣覆盖
73 裸岩 自然, 坚硬表面,石质,C < 4%
74 裸土 自然, 松散表面, 壤质,C < 4%
75 沙漠/沙地 自然, 松散表面, 沙质,C < 4%
76 盐碱地 自然, 松散表面, 高盐分
77 冰川/永久积雪 自然, 水的固态
C:覆盖度、郁闭度(%)(遥感估算FVC); F:针阔比率(%)(地面调查); H:植被高度(m)(地面调查); T:水一年覆盖时间(月)(多时相遥感影像); K:(草本)湿润指数:, 式中R为年降水量, Ta为年内大于0℃的积温, 由国家气象地面观测站的数据插值获取
1.4 植被覆盖度估算及分析方法 1.4.1 像元二分模型

植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover, 简称FVC)是指植被在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比[22]。植被覆盖度估算采用像元二分模型, 假设像元只包括植被和裸土两种组分, 植被所占的面积百分比即该像元的植被覆盖度, 公式如下:

(1)

式中, FVC为植被覆盖度, NDVIsoil为裸土区域的NDVI值, 一般在-0.1-0.2之间[23]; NDVIveg代表纯植被像元的NDVI值, 其值随时空变化[24]

本文采用2000-2010年16天最大值合成MODIS-NDVI产品(http://reverb.echo.nasa.gov/), 利用不同土地覆被类型和土壤类型的栅格图像对年最大NDVI进行掩膜处理, 取累积频率为2%的NDVI值为NDVIsoil, 累积频率为98%的NDVI值为NDVIveg[25], 通过栅格计算得到西南地区的植被覆盖度。最终采用最大值合成法获取西南地区2000-2010年250 m分辨率的年最大植被覆盖度数据集。

1.4.2 趋势分析

对2000-2010年西南地区年最大FVC在像元尺度上进行一元线性回归, 得到回归斜率:

(2)

式中, t是监测年数, y是第i年的年最大FVC。

回归斜率可反映2000-2010年西南地区年最大FVC的变化趋势及变化幅度。斜率为正, 表明FVC增加; 斜率绝对值越大, FVC变化幅度越大。

2 结果与分析 2.1 2010年西南地区土地覆被格局

2010年西南地区的主要覆被类型为森林(6202.17×104 hm2)和草地(5140.48×104 hm2), 分别占总面积的29.08%和24.11%;其次是耕地(3271.08×104 hm2)和灌丛(3038.39×104 hm2), 占总面积的15.34%和14.25%;裸露地(2823.33×104 hm2)占总面积的13.31%;湿地(649.56×104 hm2)和人工表面(184.48×104 hm2)共占总面积的3.91%。

2010年广西、云南、重庆和四川土地覆被以森林为主, 其次是耕地, 各省市区森林面积比例分别为51.81%、49.54%、41.87%和29.61%, 耕地面积比例依次为28.14%、23.40%、31.01%和23.36%;贵州灌丛面积比例最大, 占贵州总面积的35.39%;西藏东南和青海南部草地及裸露地面积比例较大, 其他类型面积相对较少。

在自然条件和人类活动的综合影响下, 西南地区土地覆被格局表现出明显的空间差异(图 1)。森林以常绿针叶林、阔叶林为主, 灌丛以落叶灌木林为主, 主要分布在横断山区及喜马拉雅山南坡等山区; 草地以草原为主, 广泛分布在青藏高原东南、川西北高原等地; 耕地以旱地为主, 主要分布在四川盆地、广西丘陵以及云贵高原等平坦地区, 这些区域人口稠密, 也是人工表面的主要分布区; 湿地以草本湿地和湖泊为主, 主要分布在三江源、若尔盖高原以及藏北和滇中高原; 裸露地主要分布在青藏高原, 以稀疏草地、裸土/岩及冰川/永久积雪为主。

2.2 西南地区土地覆被类型变化

1990-2010年, 森林、湿地和人工表面增加, 其中人工表面增幅最大, 比1990年增加了48.57%;灌丛、耕地和裸露地减少; 草地面积变化不大(图 2)。变化的区域主要集中在:1)三江源及青藏高原高寒草甸区; 2)川渝城市圈、昆明、贵阳、南宁及拉萨; 3)云南南部; 4)汶川地震灾区; 5)三峡库区及长江沿岸; 6)云贵高原、川渝山地丘陵等生态建设重点区(图 3)。

图 2 1990-2000、2000-2010、1990-2010年西南地区土地覆被面积变化 Fig. 2 Area Change of Land Cover Types in Southwestern China from 1990 to 2010

图 3 1990-2010年西南地区土地覆被变化 Fig. 3 Change of Land Cover in Southwestern China from 1990 to 2010

1990s和2000s土地覆被变化趋势及幅度差异较大。前10年, 西南地区共1245.92×104 hm2发生了土地覆被类型变化。其中森林的转入面积为323.31×104 hm2, 主要来自灌丛(48.37%)和耕地(33.07%); 灌丛比2000年减少22.70×104 hm2, 主要与森林、草地相互转换; 草地略有减少(6.39×104 hm2), 主要与灌丛、裸露地相互转换; 耕地转出227.06×104 hm2, 其中转换为森林、灌丛和草地的面积分别占47.09%、21.57%和16.52%;湿地的转入面积为45.42×104 hm2, 主要来自裸露地(33.07%)、草地(27.62%)和耕地(21.52%); 人工表面增加主要来源于耕地(76.44%); 裸露地比2000年减少9.91×104 hm2, 主要是与草地和湿地的相互转换(表 2)。

表 2 1990年到2000年西南地区土地覆被转移矩阵(×104 hm2) Table 2 The Transfer Matrix of Land Cover from 1990 to 2000
1990年 2000年
森林 灌丛 草地 耕地 湿地 人工表面 裸露地 1990年合计
Forest Shrubland Grassland Arable land Wetland Artificial land Barren land Total in 1990
森林Forest 5818.99 136.71 47.59 105.61 4.36 2.57 1.37 6117.20
灌丛Shrubland 156.38 2787.81 96.76 52.92 3.23 1.96 5.24 3104.31
草地Grassland 52.94 98.78 4873.48 36.89 12.55 1.53 64.35 5140.51
耕地Arable land 106.93 48.98 37.52 3141.00 9.77 22.33 1.53 3368.06
湿地Wetland 3.01 2.16 13.53 7.05 579.98 0.66 7.21 613.59
人工表面Artificial land 1.64 0.99 1.06 9.51 0.49 110.37 0.10 124.17
裸露地Barren land 2.41 6.18 64.18 1.76 15.02 0.16 2766.93 2856.65
2000年合计Total in 2000 6142.30 3081.61 5134.12 3354.74 625.40 139.59 2846.74 21324.49

后10年, 西南地区土地覆被类型发生变化的区域共计1491.24×104 hm2, 与前10年相比, 变化幅度明显增大。森林的转入面积为357.11×104 hm2, 耕地(42.96%)为主要来源; 灌丛转出面积为336.08×104 hm2, 其中转化为耕地的面积占20.56%;草地的转入(338.24×104 hm2)和转出面积(331.88×104 hm2)相似; 耕地大幅减少, 主要转出为林草类型, 其次为人工表面占用; 湿地持续增加, 草地(38.35%)和裸露地(30.61%)为主要来源; 人工表面快速扩张, 主要来源于耕地(74.69%); 裸露地减少, 其中转化为草地和湿地的面积共占93.79%(表 3)。

表 3 2000年到2010年西南地区土地覆被转移矩阵(×104 hm2) Table 3 The Transfer Matrix of Land Cover from 2000 to 2010
2000年 2010年
森林 灌丛 草地 耕地 湿地 人工表面 裸露地 2000年合计
Forest Shrubland Grassland Arable land Wetland Artificial land Barren land Total in 2000
森林Forest 5845.06 136.14 41.91 105.80 5.53 4.99 2.87 6142.30
灌丛Shrubland 143.70 2745.53 104.33 70.10 4.79 6.09 7.07 3081.61
草地Grassland 53.01 98.14 4802.24 37.04 30.69 2.86 110.13 5134.12
耕地Arable land 153.43 49.45 53.46 3040.28 12.25 44.20 1.67 3354.74
湿地Wetland 3.89 2.45 26.60 7.00 571.57 0.74 13.15 625.40
人工表面Artificial land 1.68 0.86 1.26 9.47 0.86 125.30 0.16 139.59
裸露地Barren land 1.40 5.82 110.68 1.39 23.88 0.30 2703.27 2846.74
2010年合计Total in 2010 6202.17 3038.39 5140.48 3271.08 649.56 184.48 2838.33 21324.49
2.3 基于植被覆盖度的土地覆被变化分析 2.3.1 森林植被覆盖度及其变化

2000年和2010年西南地区年最大植被覆盖度(FVCmax)大于80%的森林比例分别为83.01%和88.22%(表 4); FVCmax < 80%的森林面积比例较小, 主要分布在横断山区、川西高原及汶川地震灾区(图 4a)。

表 4 2000年和2010年西南地区不同等级植被覆盖度 Table 4 Statistics of fractional vegetation cover of southwestern China in 2000 and 2010
年最大植被覆盖度/%FVCmax 森林Forest 灌丛Shrub 草地
2000年 2010年 2000年 2010年 2000年 2010年
面积/(104 hm2) 比例/% 面积/(104 hm2) 比例/% 面积/(104 hm2) 比例/% 面积/(104 hm2) 比例/% 面积/(104 hm2) 比例/% 面积/(104 hm2) 比例/%
< 40 6.5 0.11 6.1 0.10 49.7 1.61 47.4 1.56 1308.3 25.48 1183.8 23.03
40-60 39.9 0.65 26.4 0.43 142.6 4.63 134.1 4.41 847.9 16.52 850.1 16.54
60-80 997.1 16.23 698.1 11.26 853.2 27.69 719.1 23.67 1562.2 30.43 1516.3 29.50
80-100 5098.5 83.01 5471.3 88.22 2036 66.07 2137.7 70.36 1415.6 27.57 1590.2 30.94

图 4 2010年西南地区森林年最大植被覆盖度(a)及2000-2010年FVCmax线性回归斜率分布(b)图 Fig. 4 Fractional vegetation cover of forests for 2010 (a) and slope of linear regression of FVCmax from 2000 to 2010 (b)

2000-2010年西南地区26.54%的森林植被覆盖度呈增加趋势, 主要集中在云南北部、贵州和重庆等退耕还林重点区; 汶川地震重灾区、横断山区、云南南部等地区的森林植被覆盖度有所下降, 森林退化的面积比例达23.91%(图 4b)。

2.3.2 灌丛植被覆盖度及其变化

西南地区是我国灌丛的主要分布区, FVCmax>80%的灌丛比例由2000年的66.07%增加到2010年的70.36%, 主要分布在贵州、横断山等山区; FVCmax < 40%的灌丛在2000年和2010年的面积比例都不足2%, 主要分布在青藏高原、川西高原等地(图 5a)。

图 5 2010年西南地区灌丛年最大植被覆盖度(a)及2000-2010年FVCmax线性回归斜率分布(b)图 Fig. 5 Fractional vegetation cover of shrubs for 2010 (a) and slope of linear regression of FVCmax from 2000 to 2010 (b)

2000-2010年西南地区32.53%的灌丛植被覆盖度呈增加趋势, 主要集中在云贵高原石漠化治理区以及四川南部; 14.23%的灌丛植被覆盖度呈下降趋势, 主要分布在青藏高原东部、汶川地震灾区等地区(图 5b)。

2.3.3 草地植被覆盖度及其变化

西南地区草地分布广泛, 相对森林和灌丛, 草地植被覆盖度较低。FVCmax>80%的草地面积比例由2000年的27.57%提高到2010年的30.94%, 主要分布在青海东南部、横断山北部、川西北及若尔盖高原; FVCmax < 40%的草地比例由2000年的25.48%降低到2010年的23.03%, 主要分布在西藏那曲、山南地区及青海西南部(图 6a)。

图 6 2010年西南地区草地年最大植被覆盖度(a)及2000-2010年FVCmax线性回归斜率分布(b)图 Fig. 6 Fractional vegetation cover of grasses for 2010 (a) and the slope of linear regression of FVCmax from 2000 to 2010(b)

2000-2010年, 西南地区28.87%的草地植被覆盖度呈增加趋势, 其中青海南部草地明显改善; 16.14%的草地植被覆盖度呈下降趋势, 主要分布在川西高原和青藏高原东南部(图 6b)。

3 讨论 3.1 西南地区土地覆被变化的驱动因素

土地覆被变化与人口、经济、政策等社会经济因素密切相关。从中国统计年鉴[26]中得到, 1990-2010年西南地区7省市区的总人口由22734万增至24484.27万; 城镇人口比重由1990年的13.51%增至2011年的41.34%;农村人口不断减少, 但农村人均住房面积逐年增加(从1990年16.76 m2到2000年23.06 m2到2011年32.56 m2, 图 7a)。1990-2010年7省市区的生产总值呈指数增长(由2280.69亿元增至48365.14亿元), 铁路公路总长度增加了2.38倍, 与此同时西南地区人工表面增加60.31×104 hm2, 其中后10年增幅较大(图 7b), 说明人口增长、经济发展及城镇化是导致人工表面快速扩张的重要原因, 与刘纪远等的研究结论相同[27]。耕地面积在1990-2010年间减少96.98×104 hm2, 但随着机械化肥的使用和灌溉技术的提高, 粮食产量前10年迅速增加, 后10年波动变化, 水果产量大幅提高(图 7c, 图 7d)。近20 a来7省市区的水产品产量从62.81万t增至441.78万t, 水库增加1728座, 1990s湿地增加11.81×104 hm2, 2000s增加24.16×104 hm2(图 2), 与Niu等[28]2000s湿地面积比1990s增幅更大的研究结果一致。

图 7 西南地区近20 a来社会经济因素变化 Fig. 7 Changing trends of socioeconomic factors driving land cover changes in southwestern China

从20世纪80年代后期, 国家先后实施了《森林法》、《草原法》、长江中上游防护林体系工程, 并确定一系列自然保护区。21世纪以来, 天保工程、退耕还林还草工程全面启动, 封山育林、石漠化治理、“森林重庆”等生态工程相继实施(图 8), 西南地区森林、灌丛和草地的面积及植被覆盖度总体得到提高(2000-2010年FVCmax呈增加趋势的森林、灌丛和草地分别占26.54%、32.53%和28.87%), 与张远东等[29]的研究结果相符。2000年三江源自然保护区建立以来, 三江源湿地生态系统、高寒草甸等得到有效保护, 湿地和草地面积增加, 裸露地减少(图 3), 与赵志平、邵全琴等[30-31]的研究结果一致。重大水利工程建设和自然灾害也是影响土地覆被变化的重要因素, 如三峡大坝蓄水导致湿地增加, 库区移民使人工表面的位置和范围明显扩展(图 3), 与邵景安等[14]研究结果相同。2008年汶川地震造成大量森林、草地和耕地损毁(图 3), 灾区土地覆被发生了巨大变化[32-33]。2009年西南大旱造成石漠化地区以乔木为主的森林生态系统退化为草灌生态系统[34]

图 8 1990-2010年间影响西南地区土地覆被变化的政策、工程及重大事件 Fig. 8 Key policies, projects and events affecting southwestern China′s land cover changes during 1990-2010

气候变化也会对土地覆被变化产生一定影响, 如青藏高原湖泊面积增加, 主要原因是气候变暖导致的冰川和积雪融化[35]; 干旱区裸土、草地与灌丛之间的相互转换, 很大程度上是由降水量变化引起的[36]。此外, 气候变暖对西藏高山草甸生长产生不利影响[37]; 干旱化致使三江源区植被发育迟缓, 植被趋于退化[38]

因此, 西南地区土地覆被变化是人类活动与自然环境共同作用的结果, 国家生态保护政策与区域社会经济发展是近20年来西南地区土地覆被变化的主要驱动力。

3.2 西南地区土地覆被变化对生态环境的影响

森林面积增加和植被覆盖度提高对维持碳收支平衡、保持水土、净化空气和保护生物多样性具有重要意义。1990s西南地区森林增加25.09×104 hm2, 2000s增加59.87×104 hm2, 其变化研究可以支持碳收支评估及生态保护与恢复评价。此外, 伴随区域经济的发展, 重庆、四川等地大量优质耕地被人工表面侵占(图 3), 加之退耕还林的作用, 西南地区耕地面积大幅减少, 同时在耕地集约利用过程中, 粮食产量前10年迅速提高, 后10年呈现增产疲软乃至减产的态势(图 7c, 图 7d), 粮食安全保障逐步由耕地集约化转向耕地面积的保护, 这也为坚守18亿亩耕地红线的政策提供了数据支撑和科学依据。

4 结论

通过分析西南地区3期土地覆被变化及2000-2010年的植被覆盖度变化趋势, 得到主要结论如下:

(1)2010年西南地区土地覆被类型以森林和草地为主, 分别占总面积的29.08%和24.11%;其次是耕地(15.34%)和灌丛(14.25%); 裸露地占总面积的13.31%;湿地和人工表面共占3.91%。

(2)1990-2010年西南地区森林、湿地、和人工表面分别增加1.39%、5.86%和48.57%, 灌丛、耕地和裸露地分别减少2.12%、2.88%和0.64%, 变化的区域主要集中在生态建设重点区、城市圈、地震灾区、三峡库区、三江源区、青藏高原东南部和云南南部。

(3)2010年西南地区FVCmax>80%的森林、灌丛和草地的比例比2000年分别提高了5.21%、4.29%和3.37%。2000-2010年西南地区森林、灌丛和草地植被覆盖度呈增加趋势的面积分别占26.54%、32.53%和28.87%, 但汶川地震重灾区、横断山区、云南南部等地的森林及灌丛植被覆盖度下降, 青藏高原东南部、川西高原等地区草地退化。

(4)近20年来, 尽管气候变化对西南地区的土地覆被和植被覆盖度有一定影响, 但国家生态保护政策与区域社会经济发展是导致其变化及时空差异的主要原因。

本文从整体上分析了近20年来西南地区土地覆被格局及变化, 在今后的研究中还可以综合气温、降水等因素, 探讨气候对西南地区土地覆被格局的影响, 结合重大生态工程分布, 进一步分析生态保护措施在土地覆被及自然植被恢复方面的成效, 为西南地区经济发展与生态环境保护协调发展提出合理的建议。

致谢: 成都山地灾害与环境研究所、成都理工大学、贵州师范大学、武汉测量与地球物理研究所及南昌大学参与土地覆被监测,特此致谢。
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