全 文 ：第 32 卷 第 1 期 生 态 科 学 32(1): 098-103
2013 年 1 月 Ecological Science Jan. 2013
杨一鹏，郭泺，黄琦，李冬冬. 黄河源头地区土地覆盖的时空变化特征[J]. 生态科学, 2013, 32(1): 098-103.
YANG Yi-peng, GUO Luo, HUANG Qi, LI Dong-dong. Temporal and spatial variation of land cover change in the source regions of
the Yangtze and Yellow Rivers[J]. Ecological Science, 2013, 32(1): 098-103.

黄河源头地区土地覆盖的时空变化特征
杨一鹏 1，郭泺 2∗，黄琦 2，李冬冬 2
1. 环境保护部卫星环境应用中心, 北京 100035
2. 中央民族大学生命与环境科学学院，北京 100081

【摘要】以野外调查和遥感影像为主要信息源，结合统计资料和基础地理信息数据，研究了 20 世纪 80 年代中期以来黄河源
头地区土地覆盖格局的空间特征以及动态变化趋势，探讨了导致黄河源区生态环境变化的主要影响因素。研究结果表明，黄
河源头地区土地覆盖类型的斑块密度变化差异明显；土地利用类型的镶嵌格局在空间和时间上均有变化。占据优势的草地生
态系统 20 年来遭受不同程度破坏，黄河源区的气候呈暖干化趋势，研究区域土地覆盖类型空间结构变化明显；高寒环境和气
候演化趋势对土地覆盖的变化起决定性作用。

关键词：土地覆盖；时空变化；黄河源区
doi:10.3969/j.issn. 1008-8873.2013.01.017 中图分类号：Q149 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2013)01-098-06
Temporal and spatial variation of land cover change in the source regions of the
Yangtze and Yellow Rivers
YANG Yi-peng1, GUO Luo2*, HUANG Qi2, LI Dong-dong2
1. Ministry of Environmental Protection, Beijing 100035,China
2. College of Life and Environmental Sciences, Minzu University of China, Beijing 100081,China
Abstract：Based on the Landsat TM/ETM+ images and field survey data, the characteristics changes of land-cover pattern and spatial
variation have been studied with the aids of 3S techniques in the source regions of the Yellow River since the mid-1980s. Then change
trends of spatial pattern were analyzed in the study area. Influencing factors of ecological environment diversion in the source areas
were discussed. The results indicated that patch density changes of land types were observed in the source regions of the Yellow River.
The dominant grassland was destroyed to some extent in the recent 20 years. The climate in two source region has become warmer and
drier in the recent 20 years due to the global warming; the regional land cover change of spatial structure is obvious. The alpine
environment and trend of the climatic changes were the decisive factors affecting grassland ecosystem．
Key words: land cover; temporal and spatial variation; Yellow River headwaters region
                                                              
收稿日期：2012-03-27 收稿，2012-06-10 接受
基金项目：国家高分辨率对地观测系统重大专项—环境保护遥感动态监测信息服务系统先期攻关（E0203/1112-06 和高等学校学科创新引智计划
（B08044）（985Ⅲ）
作者简介：杨一鹏（1973—），男，汉族，副研究员，从事环境遥感研究，yipeng_yang@163.com
*通信作者：郭泺（1975—），女，汉族，教授，从事景观生态研究，E-mail：guoluo2010@163.com
1 期 杨一鹏，等. 黄河源头地区土地覆盖的时空变化特征 99
1 引言（Introduction）

土地覆盖变化对于全球环境变化和可持续发展
具有重要影响，区域土地覆盖变化研究已成为全球
环境变化研究的重要领域[1-3]。土地覆盖变化研究通
过揭示地球表层土地覆盖变化的空间特征、时间特
征和生态环境效应，定量分析其驱动因素，并预测
在环境、人口、经济、技术、社会和政治等因素变
化的情况下未来土地覆盖的变化趋势和生态环境效
应，从而进行土地覆盖的科学规划和合理配置，为
区域可持续发展决策提供科学依据。国内外对于土
地覆盖的时空变化进行了大量研究，并建立了许多
区域性土地覆盖变化的经验模型以及不同尺度的土
地变化预测模型[4-6]。研究土地覆盖变化的地区性差
异，对于不同尺度上的典型区域进行研究，可为土
地覆盖变化的综合研究提供丰富的区域信息，已经
成为该研究领域的重要发展方向[7-11]。
在自然环境条件差异显著、人为干扰作用差异
较大的地区，外界因素特别是人为活动的介入，在
短时间内不会改变土地覆盖的总体组分类型结构，
而是对局部组分的结构和空间分布造成干扰。如在
以畜牧业为主导的高原地区，由于地形等因素的限
制，人为活动必然在局部地区较频繁，导致土地覆
盖空间分布差异明显，是研究土地覆盖格局变化的
典型实例。
黄河源区是黄河重要的水分涵养地，源区生态
环境对黄河流域的整体生态环境具有重要影响，近
年来人为破坏和自然条件恶化使源头区生态环境退
化日益严重，近年来，受全球气候变暖及日趋频繁
的人类经济活动的共同影响，源区草地生态系统持
续退化。我国学者对三江源区进行了大量研究[12-22]，
本研究利用遥感与地理信息技术对这黄河源头典型
区域的土地覆盖变化进行定量研究，分析 1987-2007
年 2 个源头区土地覆盖格局的时空变化及其原因，
比较分析黄河源区土地覆盖在时间和空间上的变化
差异，研究结果对于综合考虑黄河源区的社会发展
与生态保护，确保规划建设的整体性和可持续性具
有重要的理论和现实意义。

2 研究区域与研究方法 (Study area and methods)

2.1 研究区概况
黄河源头地区地处巴颜喀拉山和阿尼玛卿山之
间 ， 地 理 位 置 为 北 纬 33°00′-35°37′ 、 东 经
96°54′-102°23′，平均海拔超过 4 200 m，海拔 4 000-
5 000 m 地区约占区域总面积的 80%。区域主体民族
为藏族，藏族人口占总人口的 90%以上。本研究以
黄河源头的行政区域为研究范围，包括玛多县、兴
海县、玛沁县、泽库县、甘德县、久治县和达日县。
黄河源区在气候区划上属于青藏高原亚寒带的那曲
—果洛半湿润区和羌塘半干旱区，具有典型的内陆
高原气候特征，年平均气温为-4.0-6.0 ℃，年降水量
为 250-350 mm。由于复杂的地形、地貌以及气候的
高度异质性，植被类型十分丰富，既有温带山地森
林、温带草原和温带荒漠，也有高寒气候影响下形
成的高寒灌丛、高寒草甸、高寒垫状植被和高寒荒
漠等，其中以耐低温、旱生多年草本和小灌木组成
的草原分布最广。

2.2 研究方法
采用 1987、1997 和 2007 年 3 个时段的 Landsat
TM/ETM+遥感影像，并结合研究区域 1﹕25 万地形
图以及土壤和植被专题图进行分析。影像的时相均
在 6-10 月之间，该时期植被生长良好，有利于植被
类型识别。
本研究采用面向对象的遥感分类方法进行遥感
影像识别，与传统分类方法相比，尺度分割的特点
就是能分开影像上的相邻区域，同类影像对象用于
分类的属性及其信噪比得到增强遥感影像解译采用
2 级分类系统，根据土地资源的利用属性进行一级分
类，根据土地资源的利用方式、利用条件、难易程
度以及覆盖特征进行二级分类（表 1）。研究组分别
于 2008 年 7-8 月和 2009 年 7-8 月进行野外调查，对
野外 200 个特征样点与解译结果进行对比，结果表
明 3 期图像的 Kappa 指数都达 0.75 以上。利用 GIS
软件的空间分析功能，将土地类型图与数字高程模
型（DEM）、坡度图进行空间叠置，得到 3 个时期的
土地覆盖格局图，选取多样性指数、分维数、破碎
度指数、形状指数来比较分析黄河源区的土地覆盖
变化特征。

3 结果与分析（Results and analysis）

3.1 黄河源区土地覆盖格局的变化特征
1987-2007 年，黄河源区基本保持以草地为基质
的土地覆盖特征，草地的垂直地带性分布明显。20
以年来，土地类型斑块数在减少，各土地类型的斑
块镶嵌结构以及形状特征变化具有明显的差异（表 2
生 态 科 学 Ecological Science 32 卷 100
和表 3）。
 
表 1    土地覆盖分类系统 
Tab. 1 Classification system of land-cover
一级分类 Class1 二级分类 Class2 含义 meanings
耕地 Farmland 耕地 Farmland 种植农作物的土地
林地 Forest land 林地 Forest land 乔木或灌木林地
高覆盖度草地
High cover grassland
覆盖度>50%的天然草地、改良草地和割草地
中覆盖度草地
Middle cover grassland
覆盖度为>20%~50%的天然草地和改良草地

草地
Grass land 低覆盖度草地
Low cover grassland
覆盖度为 5%~20%的天然草地
河流 River 天然形成或人工开挖的河流
湖泊 Lake 天然形成的积水区
永久性冰川雪地 Permanent
Snowfield and glaciers
常年被冰川和积雪所覆盖的土地


水域
Water 湿地 Marshes
滩地 Beaches
河流湿地、湖泊湿地和库塘湿地
河流、湖泊常水位至洪水位间的土地
城镇用地 Urban land 城市及县、镇以上建成区用地
农村居民点
Rural residential areas
农村居民用地 城乡居民用地
Building land 其他建设用地
Other buildings
独立于城镇以外的交通道路、机场及特殊用地
沙地 Sand 地表为沙覆盖，植被覆盖度在 5%以下的土地
戈壁 Desert 地表以碎砾石为主，植被覆盖度在 5%以下的土地
盐碱地 Sailne 地表盐碱聚集，植被稀少，只能生长耐盐碱植物的土地
沼泽地 Marshes 地势平坦低洼，季节性积水或常积水土地
裸土地 Bare land 地表为土质覆盖，植被覆盖度在 5%以下的土地
裸岩石砾地 Barren lands 地表为岩石或石砾，覆盖度在 5%以下的土地


未利用地
Unused land
其他 Others 包括高寒荒漠、苔原等

草地作为黄河源区主要土地覆盖类型，1987、
1997 和 2007 年草地面积比例均在 68%以上，
1987-2007 年间草地面积呈减少趋势，草地面积减少
的同时斑块数增加，平均斑块面积减少，表明草地
向破碎化、斑块化发展；斑块密度变化最大的为城
乡居民用地，其次是未利用地，林地总体的变化较
小。两个研究时段内土地空间结构变化速率表现出
一定的差异性。其中 1987-1997 年时间段内的变化
比 1997-2007 略强，从土地类型斑块数量和斑块密
度看，耕地、城乡居民用地和草地的斑块数量显著
增加、斑块密度增大， 从景观形状指数看，耕地、
林地和草地随时间变化渐增；人工主导的土地类型
（城乡居民用地）斑块越来越复杂和离散，使得形
状指数逐渐增加；自然主导的土地覆盖类型（如林
地和草地）受人为干扰被分割和离散，导致
1987-1997 景观形状指数升高，1997-2007 期间由于
国家生态保护的策略和自然条件的约束使该指数变
化不大。总体上，黄河源头地区 1987-2007 年间土地
类型结构变化明显，斑块更倾向于随机离散分布。主
要是因为该区域平均海拔较高，高原寒原的面积比重
大，草场退化的严重，水源地众多，草场牧场分散。
城乡居民用地和耕地面积增长迅速，林地和水
域面积下降，土地荒漠化程度加剧；随着时间变化
草地斑块面积标准差呈下降趋势而变异系数增加，
说明黄河源头地区土地类型的斑块呈现分散化，斑
块间的大小差异减小，高覆盖度草地向继续向低密
1 期 杨一鹏，等. 黄河源头地区土地覆盖的时空变化特征 101
度覆盖度草地转化，反映出黄河源区草地的退化造
成生态环境的恶化。

3.2 黄河源区土地覆盖变化的空间分异
黄河源头区域的水源补给均以降水和冰雪融雪补给
为主，但是受自然状况和人为活动的影响而具有不
同的时空分异特征。近年来由于实施移民政策，黄
河源头区域部分牧民放弃传统的游牧方式，而转为
定居，因此，耕地面积相对扩大，草地面积减小。
由于近年来人口增加，过牧超载导致草场退化，以
及种植业规模扩大，使得草地转化为耕地。同时，
随着人类活动对草地景观的干预程度的加剧，草
地也变得越来越破碎。
黄河源头区域的湖泊除较大的鄂陵湖和扎陵
湖等，其余均是小型湖泊，可能由于湖泊水位下降，
从较大湖泊中分离出来的，因而边缘较复杂。区域
的未利用土地斑块比较破碎，且与其他斑块类型镶
嵌分布，形状相对复杂，边缘效应较强。区域人口
相对较分散，因而居民地连通性更差，形状简单，
更符合人工景观外形。城乡居民用地的扩展不管是
在空间上还是在数量上都具有相似之处，具体表
现为分布格局的不平衡性，即各级政府所在地的
发展非常不平衡，象结古镇、大武镇等州、县政
府所在地的城乡居民用地的扩展明显高于其他乡

表 2 1987—2007 年黄河源区各土地类型斑块特征变化
Tab. 2 Change of land-cover patches in the source regions of the Yellow River from 1987 to 2007
土地类型
Land Type
年份
Year
面积比例%
Area ratio
斑块密度
Path density
最大斑块指数
Max PD
分维数
Fractal dimension
形状指数
Shape index
破碎度
Fragmentation
1987 0.020 0.203 5 0.044 2 1.126 4 1.238 2 1.692 7
1997 0.022 0.204 7 0.044 0 1.100 5 1.309 1 1.815 3

耕地
Farmland 2007 0.025 0.205 3 0.044 0 1.096 4 1.307 4 1.872 7
1987 0.078 0.767 1 0.088 5 1.245 8 1.400 4 0.173 4
1997 0.078 0.778 3 0.088 7 1.283 3 1.448 9 0.180 2

林地
Forestland 2007 0.084 0.780 1 0.088 4 1.307 1 1.499 5 0.186 8
1987 72.24 2.940 3 41.557 1.275 7 1. 586 9 2.793 1
1997 71.64 3.202 5 40.889 1.369 9 1.677 3 3.448 2

草地
Grassland 2007 68.39 3.454 2 40.211 1.398 4 1.668 2 3.596 2
1987 9.822 4.602 2 1.045 8 1.109 6 1.388 2 0.168 3
1997 9.738 4.718 8 1.042 1 1.124 5 1.336 5 0.186 3

水域
Water 2007 9.505 4.813 3 1.038 8 1.106 1 1.297 4 0.178 2
1987 0.029 0.047 7 0.012 2 1.038 1 1.280 9 0.902 6
1997 0.032 0.058 9 0.012 1 1.055 6 1.321 3 0.885 7

城乡居民用地
Building land 2007 0.036 0.063 5 0.012 1 1.099 2 1.375 9 0.804 4
1987 17.82 2.578 2 6.997 5 1.204 4 1.299 2 0.376 6
1997 18.49 2.600 3 6.858 8 1.186 2 1.377 4 0.354 1

未利用地
Unused land 2007 21.96 2.643 5 6.763 1 1.135 4 1.356 8 0.325 3

表 3 1987—2007 年黄河源区景观格局指数变化
Tab. 3 Change of landscape pattern indies in the source regions of the Yellow River from 1987 to 2007
年份
Year
斑块数
Path Number
斑块密度
Path density
分维数
Fractal dimension
形状指数
Shape index
破碎度指数
Fragmentation
多样性指数
Diversity index
1987 63 420 5.765 3 1.102 2 1. 432 1 2.771 1 1.213 6
1997 72 578 6.598 0 1.250 6 1.475 2 3.404 2 1.277 1
2007 83 280 7.570 1 1.321 2 1.520 2 3.581 9 1.290 2
生 态 科 学 Ecological Science 32 卷 102

政府所在地的水平，沿 214 国道和 205，101、308
省道的乡镇面积明显的超过偏远的交通欠发达的
乡镇，沿黄河地区有农业开垦的地方的居民点密
度远远超过其他地区。20 世纪 50 年代末黄河源头
地区就开垦了大量农田，但从 1986 年后的变化看，
在自然条件的限制下除部队农场继续大量使用化
肥保持产量外，当地的农村已经废弃了较多质量
较差的耕地，1986 年开始土地包产到户，当地农
村受人口增加的压力开垦了较多新的耕地。因此，
政府的决策决定了黄河源头区域耕地开垦的过
程，同时又受制于有限的气候条件，人们不得不
对已经开垦而产生不了效益的耕地废弃处理，退
化为未利用地。
20 年来，黄河源头区域斑块数量变化率较大倍，
草地和沼泽面积均呈减少趋势，未利用土地和耕地
类型的斑块面积均呈增加趋势，由于草地生态系统
群落结构简单，系统内物质、能量流动缓慢，抗干
扰和自我恢复能力低下，其生态环境一旦遭到破坏，
恢复重建的难度非常大，草地生态系统的持续退化
对源头区生态环境的影响非常大。

3.3 黄河源区土地覆盖变化的主要影响因素
黄河源头地区具有明显的高原气候特点，自然
条件的差异决定了土地覆盖格局的空间差异性。而
且源头区地处高寒、冷湿的环境条件下，冻土广泛
存在，全球气候变暖对研究区也产生了一系列影响，
造成源头地区的气温上升、降水减少、蒸发力增强，
径流减少，，雪线上升，地下水位在下降，冰川的减
少的变化速率为 0.32，湖泊减少的变化速率为 0.1。
研究区生态环境变化，以草甸、草场持续退化，土
地荒漠化持续发展，湖泊水域不断萎缩，源头干流
断流次数增加等为表现。气候变异是引起该区域生
态环境变化的主要因素。过去几十年来黄河源头地
区植被发育、生长密切相关的气候要素发生了显著
的变化，春季气温回升速度趋于减缓，秋季气温下
降趋于加快，夏季干旱化趋势明显，气温和降水量
的这种变化，使整个黄河源头地区植被的发育迟缓、
产草量下降，植被趋于退化。气候这种明显的增温
减水现象，使大气干旱加重，空气中相对湿度呈明
显的波动减少趋势，因而造成了该地区的气候干旱
化，不利于该地区草原生态系统生产力的提高和维
持。气候的变化使源头地区多年冻土环境发生明显
变化，造成冻土融区范围扩大，季节融化层增厚，
甚至下伏多年冻土层完全消失。多年冻土的退化使
植被根系层土壤水分减少，表土干燥。加之夏季的
降水量多为阵性降水，降水的连续性差，同时，降
水是以固态出现较多，在这种情况下，夏季气温显
著升高，不利于植被正常生长与繁衍，导致植被大
范围退化。在植被退化后，地表裸露，蒸发增加，
土壤沙化，多年冻土继续退化，地下水位下降，河
川径流减少，草场沙化，土地荒漠化。这种气候和
生态系统相互作用、相互影响，是造成黄河源头地
区土地覆盖变化的主要影响因素。
黄河源头地区的草地属于高寒环境生成的草地
生态系统，植被稀疏，土壤瘠薄，具有明显的脆弱
性。尽管黄河源头区人口密度不高，人为干扰频度
和强度比较低，但脆弱的区域生态环境，抵抗外界
干扰的能力比较弱，甚至微弱的气候变化和人为扰
动都有可能超过原有草地生态系统的调节能力而趋
向失衡，进而出现结构和功能的破坏，促使草地生
态系统的逆向演化。 黄河源头地区人类活动的干扰
逐年加剧，草场的超载和退化更为严重，另外，滥
垦滥伐、财金等非法活动以及鼠害等因素也致使草
场的大面积破坏。总之，气候、自然环境和人类活
动在某种程度上控制着两江源头区土地覆盖格局变
化的方向。

4 讨论（Discussion）

（1）1987-2007 年黄河源头区域的主要土地覆
盖类型均为草地，草地景观与其他斑块相互镶嵌，
草地的斑块数量增加、总面积减少，破碎化程度加
剧，斑块形状趋于复杂。由于过度的农垦和放牧，
导致植被退化，加速了土地沙漠化的过程，使土壤
涵养水分的功能下降，水域面积减小，
（2）在海拔4 000-5 000米的黄河源头地区由于
全球气候变暖的影响，冰川和永久积雪向后向上退
缩变得零星分布，并有可能随着时间的推移逐渐消
失。居民及工矿用地的扩展不管是在空间上还是在
数量上均表现为分布格局的不平衡性，具体表现
为各级政府所在地的发展非常不平衡，象结古镇、
大武镇等州、县政府所在地的建设用地的扩展明
显高于其他乡政府所在地的水平，林地由在湖区
河谷和部分山阴坡的分布随着时间变化 其分布范
围越来越少，面积也逐步减少，而且林地的退化和
人类活动关系密切，其分布区域与离居民点的远
近、附近有没有修建公路等因素呈非常高的关联
性。随着全球气候变化以及普遍存在的过牧，草
1 期 杨一鹏，等. 黄河源头地区土地覆盖的时空变化特征 103
地和湿地退化速度之快触目惊心，大片的草地变得
破碎化。
（3）黄河源头地区的自然条件决定其主要土地
类型是草地，土地类型的分布在空间上表现出较明
显的垂直地带性和水平地带性。由于地处高寒高原
区域，人类活动相对较弱，草地退化程度的增加趋
势相对不明显。20年来，黄河源头地区的气候呈暖
干化趋势，冻土融冰加剧了风化过程和流水侵蚀，
冰川补给下降使湖泊盐化现象日益明显；以畜牧业
为主导的生产方式没有发生重大变化。黄河源头地
区未来气候变化将持续升高，气候暖干化状态不可
能得到根本改变，土地覆盖格局将发生相应变化，
从而对区域环境带来巨大的影响。近年来，尽管黄
河源头地区生态系统的退化主要受气候变化的影
响，但是生态保育措施仍然在一定程度上促进了生
态系统的逆向演化，对生态系统功能的恢复起到了
积极的作用。
 
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