埃塞俄比亚比拉特流域土地利用/覆被动态演变及其生态效应：基于多时相遥感与驱动机制的系统研究

（编辑推荐）本研究运用遥感（RS）与地理信息系统（GIS）技术，结合ANN-CA模型定量分析了埃塞俄比亚比拉特流域1991-2021年土地利用/覆被（LULC）变化特征，揭示农业用地年均扩张2836.8 ha导致植被与牧草地锐减（分别下降1363.3 ha/yr和1779.1 ha/yr），并预测2050年农业用地将占94%。研究创新性采用Pontius转换矩阵解析系统性/随机性转变过程，为热带流域可持续土地管理（SLM）提供科学依据。

　　

引言

埃塞俄比亚裂谷带的比拉特流域正面临严峻的生态退化，其核心矛盾源于快速的土地利用/覆被（LULC）变化。传统研究多聚焦净变化量，而忽视转换过程的内在机制。本研究通过整合多源遥感数据（1991-2021年Landsat系列）与实地调查，首次系统解析该流域LULC变化的时空格局、驱动因素及生态后果。

方法论创新

采用ArcGIS 10.4平台进行辐射校正与最大似然分类（MLC），分类总体精度达78%-84%（Kappa系数0.72-0.75）。突破性地应用QGIS的MOLUSCE插件，结合人工神经网络-元胞自动机（ANN-CA）模型预测未来情景，验证显示2021年模拟精度达96.54%（Kappa=0.851）。通过Pontius转换矩阵量化交换（Swap）、净变化等7项指标，揭示LULC转变的系统性特征。

关键发现

时空动态：30年间农业用地占比从75.9%激增至91.6%，吞噬37,695.9 ha植被和33,855.6 ha牧草地。2001-2011年为剧变期，137,895 ha土地发生转化，其中62,173.8 ha转为农田。转换速率分析显示，农业用地年均扩张2836.8 ha，而植被和牧草地分别以1363.3 ha/yr和1779.1 ha/yr的速度流失。

转换机制：早期（1991-2001）系统性转变主导，如牧草地与植被双向转换（差异指数达1.09-1.32）；近期（2011-2021）随机性转变增强，表现为农业用地对脆弱地类的无序侵占。脆弱性分析显示，牧草地损失持续性比值（LP）高达24.75，预示不可逆退化风险。

驱动因素：农户调查（6个典型流域FGD）表明，农田扩张（权重87%）、伐木（收入占比63%）及聚落扩展（年增150.8 ha）是直接诱因，人口压力（密度增长3.2%/yr）和干旱（年降水减少9.6%）构成深层推力。

生态效应：土壤侵蚀模数上升17.39%，地表径流增加514.86 mm/yr，而土壤储水量下降至1423.25 mm/yr。生物多样性评估显示，本土树种覆盖率下降66.35%，伴随有害杂草入侵指数上升15-22%。

预测与预警

ANN-CA模型显示，2050年农业用地将达94.3%，植被和牧草地仅存1.8%和1.3%。这种单极化发展将加剧水文失衡，预计土壤有机碳损失26.6%，威胁流域粮食-水-生态安全。

政策建议

提出"集约化农业+生态修复"协同路径：

1. 1.

   推行等高耕作与农林复合系统（Agroforestry）

2. 2.

   建立流域尺度生态补偿机制

3. 3.

   开发LULC智能监测平台（整合Sentinel-2数据）

研究局限

30米分辨率数据对破碎化景观识别存在偏差，未来需融合无人机与高光谱数据。社会经济驱动机制的定量建模有待深化。

（注：全文数据均源自原文，未新增结论；专业术语如ANN-CA、LULC等均按原文格式标注；上下标采用 规范表示）