梁 欣,汪 明,劉 凱

(1.北京師范大學地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室,北京 100875；2.北京師范大學地理科學學部,北京 100875;3.北京師范大學環(huán)境演變與自然災害教育部國家重點實驗室,北京 100875)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，土地覆蓋/利用變化的研究越來越受到科學家們的關注[1]。在20世紀90年代，對于土地利用變化的研究主要集中在兩個方面：一是研究土地利用變化的機制；二是研究區(qū)域和全球的土地利用模型[2]，土地利用變化的研究進入了一個新的階段。近年來，人們更加關注人類活動與土地利用變化之間的關系，探究不同情境下的土地利用變化[3]。隨著社會的發(fā)展，安全問題與日劇增，學者們將更多的關注點聚焦到土地利用變化與生態(tài)安全[4]、水安全[5]的關系，關注土地利用對極端水文、極端氣候的影響[6]；在研究方法上，也更注重探索新方法，如利用機器學習算法解決土地利用變化中的非線性問題，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習和自適應能力解決土地利用變化中的復雜性問題等[3,7]。

2008年5月12日汶川發(fā)生8.0級地震，對該地區(qū)的地表植被造成了破壞，一些學者開始關注災區(qū)次生災害演變及其對土地利用變化的影響，并從不同角度開展了一系列的研究工作。如崔鵬等[8]對汶川地震的機理進行了研究，并對震后產(chǎn)生的滑坡進行了統(tǒng)計和分析，發(fā)現(xiàn)地震產(chǎn)生的松散物質(zhì)是震后泥石流活動的主要物質(zhì)來源，且強烈的地表擾動和大面積的植被破壞會加劇侵蝕和洪峰的形成；Nath等[1]從環(huán)境風險評估的角度，分析了2007—2018年間都江堰市土地利用的變化，發(fā)現(xiàn)建筑用地、耕地和林地是受影響最主要的土地類型，并建議未來城市建設與發(fā)展要避開斷層活動區(qū)域；Yang等[9]從恢復重建的角度，對汶川地震后滑坡和重建房屋的分布進行了分析，發(fā)現(xiàn)新增滑坡和房屋都有向高程低、坡度緩、靠近河道的區(qū)域移動的趨勢。汶川地震后災區(qū)植被恢復也受到研究者的關注，許多學者運用遙感監(jiān)測等方法對植被的動態(tài)恢復狀態(tài)進行了評估。如Wang等[10]充分考慮了植被恢復的動態(tài)變化過程，利用NDVI時間序列，定義了COI指標用來識別植被恢復困難區(qū)域；Zhang等[11]通過與歷史植被狀態(tài)的統(tǒng)計對比與分析，定義了DMI指標來評估植被恢復狀態(tài)，克服了以往指標受年際間植被物候期波動的影響。

以上的研究主要集中在植被與非植被的分析，很少對震后植被覆蓋類型的變化進行詳細的分析，且在微觀尺度上對于小流域的長期精細化分析比較缺乏。同時，上述研究大多專注于震后災區(qū)植被恢復的某一個方面，缺乏綜合多角度的整體分析。

開展土地利用變化時空過程生態(tài)效用評價研究，通過分析和歸納，認識土地利用變化的時空過程以及生態(tài)效應，是理解土地利用變化時空過程對地球系統(tǒng)影響的重要內(nèi)容，同時也是全球與亞全球尺度土地利用變化時空過程研究的核心課題之一[12]。近年來，生態(tài)系統(tǒng)服務價值分析主要集中在生態(tài)系統(tǒng)空間分析[13]、海洋生態(tài)系統(tǒng)評估[14]和森林生態(tài)系統(tǒng)評估[15]等方面，但關于震后的生態(tài)系統(tǒng)評估較少，而災區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值分析能夠反映震后植被的變化過程[16]。因此，本文利用Costanza等[17]和謝高地等[18]提出的價值量估算模型分析生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化，關注汶川地震及其次生災害對于研究區(qū)土地利用變化的影響，分析震后土地利用動態(tài)變化的特征及其與地形因素間的關系，最后通過計算研究區(qū)景觀破碎度和生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化，評估汶川地震對于研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)造成的長期影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省綿陽市平武縣洪溪河流域(見圖1)，面積為64 km2。研究區(qū)地勢陡峭，高程落差為679～3 063 m，地形坡度主要集中在15°～30°，坡向集中在西北、北和東南三個方向，龍門山斷裂帶穿過研究區(qū)。該地區(qū)6月至10月為雨季，年均降雨量為800 mm；日最高溫度為39.1℃，最低溫度為-4℃，平均氣溫為14.8℃。2008年汶川地震對研究區(qū)人民的生命和財產(chǎn)安全造成了巨大的損失，該地區(qū)是地震的極重災區(qū)。地震后研究區(qū)山洪等次生地質(zhì)災害十分活躍，如2013年出現(xiàn)大暴雨，降雨從6月7日持續(xù)到6月12日，總降雨量打破了歷史最高值，達到712 mm，此次降雨引發(fā)了山洪和大量次生地質(zhì)災害，大量房屋、農(nóng)田被損毀[19-20]；2018年研究區(qū)再一次出現(xiàn)大暴雨，降雨從6月8日持續(xù)到6月11日，總降雨量達到514.3 mm，導致洪溪河南壩河道水位超警戒線1.43 m，通過野外實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，洪水使得河道多處淤升2 m以上，流域土壤侵蝕嚴重。由此可見，汶川地震及其次生地質(zhì)災害深刻地影響著研究區(qū)的恢復與重建。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Geographic location of the study area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 多源數(shù)據(jù)類型與來源

本文使用高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)解譯土地利用變化，并運用高程數(shù)據(jù)進行土地利用變化的地形因素分析，表1列出了本研究所需的多源數(shù)據(jù)類型與來源。

表1 多源數(shù)據(jù)類型與來源Table 1 Multi-data types and sources

2.2 研究方法

本文的研究技術路線是：首先對高分辨率影像進行輻射校正、幾何校正等預處理，主要采用目視解譯的方法獲取研究區(qū)多期土地利用數(shù)據(jù)；然后通過對土地利用數(shù)據(jù)進行時空特征分析、變化頻次分析和轉移矩陣分析，分析土地利用變化與地形因素之間的關系；最后通過對災區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值分析，計算研究區(qū)森林景觀破碎度和生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化，評估汶川地震對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)造成的影響，詳見圖2。

圖2 汶川地震對典型極重災區(qū)土地利用變化影響 評估的研究技術流程圖Fig.2 Technique flowchart of impact evaluation of Wenchun Earthquake on land use and land cover change in typical striken areas

2.2.1 土地利用類型數(shù)據(jù)獲取方法

本次研究選取研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)共4期，分別為2002年、2008年、2013年和2018年的土地利用數(shù)據(jù)。將研究區(qū)的土地類型分為耕地、林地、河流、建筑用地、裸地5類，根據(jù)地形、地貌、形狀、色調(diào)、紋理等建立解譯標志，采用人工目視解譯的方法，對高分辨率遙感數(shù)據(jù)進行輻射校正、幾何校正、波段融合、裁剪、圖像增強等預處理，并輔以地形數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)，同時結合Google Earth不同時期的影像，以保證目視結果的正確性。對于解譯過程中不確定的斑塊，利用野外調(diào)研資料來補充。最終獲得洪溪河流域4期土地利用屬性數(shù)據(jù)庫。

2.2.2 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是研究土地利用轉移方向和轉移數(shù)量變化的經(jīng)典方法，能夠揭示土地利用格局的演化過程。土地利用變化通過土地利用轉移矩陣來表達(見表2)，其中行元素之和表示轉移前該類土地的面積，列元素之和表示轉移后該類土地的面積[21]。

表2 土地利用轉移矩陣Table 2 Land use and land cover change transfer matrix

2.2.3 森林景觀破碎度計算

景觀破碎度是指景觀被分割的破碎程度，與自然資源的保護密切相關。隨著景觀的破碎化和斑塊面積的縮小，很多生物需要的大面積自然生境無法得到滿足，將直接影響到物種的繁殖、擴散和保護[22]。本文采用單位面積中各種斑塊的總個數(shù)來計算森林景觀破碎度，其計算公式為

(1)

式中:C為森林景觀破碎度(patches/km2)；∑ni為森林景觀斑塊變化的總個數(shù)(patches)；A為森林景觀的總面積(km2)。

2.2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務價值計算

生態(tài)系統(tǒng)服務(Ecological System Service,ESV)是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務，其價值評估是生態(tài)環(huán)境保護、生態(tài)功能區(qū)劃、環(huán)境經(jīng)濟核算和生態(tài)補償決策的重要依據(jù)和基礎。本文使用生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表(見表3)[18]來計算研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值，進而評估汶川地震對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響。

表3 生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值當量表(元/hm2)Table 3 Ecological System Service function equivalentvalue(yuan/hm2)

3 研究結果與分析

3.1 土地利用空間分布格局分析

2002—2018年間，研究區(qū)土地利用變化主要表現(xiàn)在：裸地大量增加，林地急劇減少再逐漸恢復，建筑用地緩慢增加。研究區(qū)土地利用的斑塊從完整到劇烈破碎再逐漸恢復完整，表明汶川地震后研究區(qū)土地利用變化的頻率和幅度逐漸趨于穩(wěn)定。2002—2018年研究區(qū)土地利用的空間分布圖見圖3，各種土地類型的面積及其所占百分比見表4。

圖3 2002—2018年研究區(qū)土地利用的空間分布圖Fig.3 Land use and land cover change map of the study area from 2002 to 2018

表4 2002—2018年研究區(qū)各種土地類型的面積及其所占百分比表

由圖3和表4可見，林地和耕地是研究區(qū)內(nèi)的主要土地類型(即地類)，2002年研究區(qū)林地面積占全部地類面積的70.91%，2008年受汶川地震特別是同震型滑坡的影響減少到60.75%，到2018年，林地面積基本恢復到震前水平，為69.94%；2002年研究區(qū)耕地占全部地類面積的25.35%，與林地類似，汶川地震后減少到17.56%，而與林地隨后逐漸恢復不同的是2013年至2018年耕地面積繼續(xù)減少，分別占全部地類面積的15.89%和15.64%；研究區(qū)建筑用地面積的變化體現(xiàn)著人類活動的變化，2002年至2008年是研究區(qū)經(jīng)濟快速發(fā)展的階段，人口也迅猛增加，建筑用地面積占全部地類面積的百分比從1.36%急劇增加到3.11%，汶川地震后由于大量居民的外遷，2013年和2018年建筑用地面積逐漸減少，分別占全部地類面積的3.03%和2.67%；研究區(qū)裸地面積主要反映滑坡的變化，由于汶川地震引發(fā)了大量的山體滑坡，因此裸地面積占全部地類面積的百分比從2002年的0.13%急劇增長到2008年的16.69%，2013年和2018年裸地面積占全部地類面積的百分比逐漸減少到11.05%和9.34%；研究區(qū)河流面積總體變化不大。

3.2 土地利用變化頻次及其空間分布分析

將研究區(qū)土地類型與前一次統(tǒng)計地類進行對比(2008年 VS 2002年，2013年 VS 2008年，2018年VS 2013年)，統(tǒng)計得到研究區(qū)土地利用變化頻次N及其空間分布統(tǒng)計圖，見圖4和圖5。

圖4 研究區(qū)土地利用變化頻次(N)圖Fig.4 Frequency of land use and land cover change of the study area

圖5 研究區(qū)土地利用變化頻次(N)的空間分布統(tǒng)計圖Fig.5 Statistics of distribution of land use and land cover change of the study area注：N1表示變化1次；N2表示變化2次；N3表示變化3次。

由圖4和圖5可見，研究區(qū)土地利用的65.88%在研究期間(2002—2018年)沒有發(fā)生變化，34.11%發(fā)生變化;在土地利用變化的區(qū)域中，面積排序為N2>N1>N3;在土地利用變化頻次的空間分布上，距離河流越近，土地利用的變化越劇烈，坡度在15°～30°、高程在942～1 430 m范圍內(nèi)，土地利用的變化最大。

3.3 土地利用轉移矩陣分析

根據(jù)2002—2018年研究區(qū)土地利用轉移矩陣(見表5)可知，汶川地震對研究區(qū)土地利用變化的影響主要表現(xiàn)為耕地的大量轉出，其轉出面積為9.04 km2；裸地的大量轉入，其轉入面積為5.97 km2；林地面積的劇烈變化，轉入面積與轉出面積相近，轉入面積為6.02 km2，轉出面積為6.66 km2。為了便于分析，將研究期間2008年至2018年分為3個時間段:前期為2002—2008年；中期為2008—2013年；后期為2013—2018年。研究區(qū)前期的土地利用變化主要表現(xiàn)為地震作用效應，中期和后期主要表現(xiàn)為地震后續(xù)效應。結果表明：研究區(qū)土地利用面積的前期變化量(2002—2008年)、中期變化量(2008—2013年)、后期變化量(2013—2018年)逐漸遞減，說明研究區(qū)土地利用變化呈現(xiàn)出逐漸穩(wěn)定的狀態(tài)。不同時間段研究區(qū)土地利用轉移矩陣，見表6、表7和表8。

表5 2002—2018年研究區(qū)土地利用轉移矩陣(km2)Table 5 Land use and land cover transfer area matrixof the study area from 2002 to 2018(km2)

表6 2002—2008年研究區(qū)土地利用轉移矩陣(km2)Table 6 Land use and land cover transfer area matrixof the study area from 2002 to 2008(km2)

由表6可知，2002—2008年研究區(qū)土地利用面積的總變化量為31.65 km2，這一時期土地利用的變化主要表現(xiàn)為耕地和林地的大量轉出以及裸地的大量轉入；在轉出的耕地當中有88.72%轉為裸地，在轉出的林地當中有56.49%轉為裸地、32.38%轉為耕地。耕地的大量轉出是由于汶川地震造成的滑坡?lián)p壞了大量的農(nóng)田；而林地的變化則是兩方面的作用，一方面是滑坡?lián)p毀林地，另一方面是一些林地變?yōu)楦亍?/p>

表7 2008—2013年研究區(qū)土地利用轉移矩陣(km2)Table 7 Land use and land cover transfer area matrixof the study area from 2008 to 2013(km2)

表8 2013—2018年研究區(qū)土地利用轉移矩陣(km2)Table 8 Land use and land cover transfer area matrixof the study area from 2013 to 2018(km2)

由表7可知，2008—2013年研究區(qū)土地利用面積總轉出量為25.92 km2，這一時期土地利用的變化主要表現(xiàn)為裸地轉化為林地；裸地的轉出面積占總轉出面積的52.24%，裸地轉為林地的面積占林地總轉入面積的80.37%。

由表8可知，2013—2018年研究區(qū)土地利用面積的總變化量為10.40 km2，這一時期土地利用的變化與2008—2013年大致類似，主要為震后的恢復階段，表現(xiàn)為裸地轉化為林地；裸地的轉出面積占總轉出面積的40.38%，裸地轉入林地的面積占林地總轉入面積的65.48%。

3.4 土地利用變化的地形因素分析

將研究區(qū)土地利用變化的地類與高程、坡度和坡向地形數(shù)據(jù)進行疊加，用來分析研究區(qū)土地利用變化與地形因素間的關系。首先將2002年和2008年兩期土地利用數(shù)據(jù)進行疊加，然后統(tǒng)計分析發(fā)生土地利用變化的地類的高程、坡度、坡向的分布情況。同樣，分析2008年和2013年兩期土地利用數(shù)據(jù)以及2013年和2018年兩期土地利用數(shù)據(jù)，見圖6。

高程是影響土地利用變化的主要地形因素。研究區(qū)3個時期土地利用的變化量呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，說明土地利用的變化逐漸減少，并逐漸趨于穩(wěn)定；3個時期的土地利用變化主要集中在高程698～1 430 m之間。

坡度反映的是地形單元的陡緩程度，通過分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土地利用的變化主要集中在坡度為15°～30°的位置。研究區(qū)坡度為0°～15°的位置主要是河流，土地利用不容易發(fā)生變化；坡度在30°以上的位置主要是林地，其坡度較大，不利于人類活動；坡度為15°～30°的位置主要是耕地和建筑用地，這些地方人類活動相對較頻繁。

圖6 研究區(qū)土地利用面積變化量與地形因素之間的關系Fig.6 Relationship between land use and land cover area change and geographic factors of the study area

坡向是另一個重要的地形因素，通過分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土地利用變化的坡向分布較均勻，以東南和西北方向為主，與研究區(qū)的山脈走向一致。

3.5 森林景觀破碎度分析

通過統(tǒng)計2002—2018年研究區(qū)森林景觀破碎度(見圖7)，可以分析研究區(qū)森林景觀破碎化程度的變化趨勢。結果表明：2002—2018年間研究區(qū)森林景觀破碎度從震前2002年的1.60 patches/km2急劇增加到2008年震后的14.30 patches/km2，再逐漸緩慢恢復到2013年的7.30 patches/km2，2018年森林景觀破碎度達到4.33 patches/km2。森林景觀破碎度反映的是單位面積上森林斑塊個數(shù)的多少，2008年研究區(qū)森林景觀破碎度達到峰值，說明汶川地震及其誘發(fā)的滑坡對森林景觀造成了極大的破壞，原來較完整的森林斑塊被分割成許多大小不同的小斑塊；震后隨著森林系統(tǒng)的逐漸恢復，研究區(qū)森林景觀破碎度逐漸降低，但仍未達到震前水平。

3.6 生態(tài)系統(tǒng)服務價值演變特征分析

自然災害通過影響土地覆被，對生態(tài)系統(tǒng)服務價值產(chǎn)生重大的影響。本文基于生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值當量表，評估2008年汶川地震以及震后2013年和2018年洪水災害對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化的影響特征，其結果見圖7。

圖7 2002—2018年研究區(qū)森林景觀破碎度、森林植被 面積占比和生態(tài)系統(tǒng)服務價值分布圖Fig.7 Distribution of forest landscape fragmentation index,forest area and ESV from 2002 to 2018

由圖7可見，2002—2018年間研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化呈現(xiàn)先急劇減少而后逐漸恢復的過程，震前2002年的生態(tài)系統(tǒng)服務價值為4.27×108元，2008年汶川地震后其為3.61×108元，減少了15.45%；此后逐漸恢復，2013年的生態(tài)系統(tǒng)服務價值為4.05×108元，2018年達到4.18×108元，基本恢復到震前水平。研究期間(2002—2018年)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的變化由前期的地震效應(2002—2008年)的急劇減少到中后期地震的后續(xù)效應(2008—2018年)的緩慢恢復，生態(tài)系統(tǒng)服務功能趨于穩(wěn)定。

由研究區(qū)森林景觀破碎度、森林植被面積占比、生態(tài)系統(tǒng)服務價值三方面的變化來看(見圖7)，研究區(qū)在經(jīng)歷汶川地震后經(jīng)過了十余年的漫長恢復才基本達到震前水平。

4 結 論

本文通過評估汶川地震對典型極重災區(qū)(洪溪河流域)土地利用變化的影響，得到如下結論：

(1) 地震及其后續(xù)效應對典型極重災區(qū)(洪溪河流域)的土地利用變化造成了巨大的影響。汶川地震造成研究區(qū)林地面積損毀7.41 km2(占震前林地面積的16.32%)、耕地面積損毀7.45 km2(占震前耕地面積的45.90%)，形成裸地面積10.68 km2(較震前裸地面積增加244.95%)。

(2) 研究區(qū)土地利用類型中65.88%沒有發(fā)生變化，34.11%發(fā)生了變化，在所有變化中；發(fā)生了兩次土地利用變化的占17.43%；土地利用變化主要集中在河流沿岸，且在距離河流為700 m、坡度為15°～30°范圍內(nèi)、高程為942～1 430 m之間的土地利用變化最多。

(3) 汶川地震后的十余年間，研究區(qū)土地利用的變化逐漸趨于穩(wěn)定，林地面積從2008年的33.88 km2恢復到2018年的44.76 km2，裸地面積從2008年的10.68 km2減少到2018年的5.98 km2；森林景觀破碎度由震前2002年的1.6 patches/km2急劇增加到2008年震后的14.3 patches/km2再恢復到2018年的4.33 patches/km2；生態(tài)系統(tǒng)服務價值由震前2002年的4.27×108元，2008年汶川地震后為3.61×108元，減少了15.45%，此后逐漸恢復，到2018年達到4.18×108元，經(jīng)過十年時間才逐漸恢復到接近震前水平，說明汶川地震及其后續(xù)效應對研究區(qū)土地利用的影響極其深遠，其災后恢復也是一個漫長的過程。