海河流域土地利用及覆蓋變化研究

溫利華，王永芹，張廣錄，劉紅耀，王翠麗

（1.邯鄲學院地理與旅游系，河北 邯鄲 056005；2.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，石家莊 050021；3.邢臺市農(nóng)業(yè)科學研究院，河北 邢臺 054000）

生態(tài)環(huán)境變化已成為全球生態(tài)學界關注的焦點，而作為具有自然和人文雙重屬性的土地利用/覆蓋是人類活動與自然環(huán)境相互作用的集中反映[1]。土地利用/覆蓋變化可引起許多自然現(xiàn)象和生態(tài)過程的變化，如土壤養(yǎng)分和水分的變化、地表徑流與侵蝕、生物多樣性的分布和生物地球化學循環(huán)等[2－7]。因此，把握導致區(qū)域土地利用/覆蓋變化的時空過程，弄清驅動這一過程的關鍵因素及作用方式，有助于調整人類自身活動，對區(qū)域資源優(yōu)化配置、保護和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略順利實施具有重要的理論和應用意義。

海河流域地處我國中西部干旱半干旱地區(qū)，流域內包括京、津、冀、晉、豫、魯、蒙、遼8?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）。流域內有首都北京、直轄市天津，石家莊、唐山、秦皇島、廊坊、保定、邯鄲、邢臺等25座大中城市，該流域是我國經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)以及重要的工業(yè)基地和高新技術產(chǎn)業(yè)基地，在國家經(jīng)濟發(fā)展中具有重要戰(zhàn)略地位。而自從上世紀50年代末和80年代初的農(nóng)村經(jīng)濟體制改革以來，流域內的土地利用結構急劇變化，水資源強度開發(fā)與水資源短缺制約了該流域的可持續(xù)發(fā)展，水資源、水環(huán)境和生態(tài)問題突出，主要表現(xiàn)為河道斷流干涸、濕地萎縮、河口生態(tài)惡化、地下水嚴重超采、水土流失加劇、水污染加劇、生物多樣性減少等，土地利用變化的重要環(huán)境反應是水文行為的變化，而水文行為變化又會影響環(huán)境反應并反作用于土地利用，二者相互制約且密切關聯(lián)[8－12]。因此，土地利用/覆蓋變化的研究必將對該流域生態(tài)修復的水資源保障措施以及水資源優(yōu)化配置、水污染防治及防災減災提供可借鑒的理論依據(jù)。本文以海河流域為研究對象，利用1970～2008年五期MSS和TM/ETM衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取該區(qū)域1970、1980、1990年初和2000年初的地表土地覆蓋特征。在GIS支持下，結合區(qū)域自然和社會經(jīng)濟資料，分析闡述近30年來海河流域土地利用/覆蓋變化的時空過程，并初步探討驅動這一過程的關鍵因素。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

海河流域東臨渤海，西倚太行，南界黃河，北接蒙古高原，流域總面積31.82萬km2，占全國總面積的3.3%，全流域總地勢是西北高東南低，大致分高原、山地及平原三種地貌類型。西部為山西高原和太行山區(qū)，北部為蒙古高原和燕山山區(qū)，面積18.94萬km2，占60%；東部和東南部為平原，面積12.84萬km2，占40%。該流域冬季受西伯利亞大陸性氣團控制，寒冷少雪；春季受蒙古大陸性氣團影響，風速大，氣候干燥，蒸發(fā)量大，往往形成干旱天氣；夏季受海洋性氣團影響，比較濕潤，氣溫高，降雨量多，且多暴雨，但因歷年夏季太平洋副熱帶高壓的進退時間、強度、影響范圍等很不一致，致使降雨量的變差大，旱澇時有發(fā)生；秋季為夏冬的過渡季節(jié)，一般年份秋高氣爽，降雨量較少。流域年平均氣溫在1.5～14℃，年平均相對濕度50%～70%；年平均降水量539 mm，屬半濕潤半干旱地帶；年平均陸面蒸發(fā)量470 mm，水面蒸發(fā)量1 100 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

采用1970年、1980年MSS影像，1990年TM影像，2000年、2008年ETM+影像，1996年以來的土地統(tǒng)計數(shù)據(jù)，海河流域8省市行政區(qū)圖及相關統(tǒng)計資料，其中遙感數(shù)據(jù)經(jīng)幾何配準和數(shù)據(jù)重采樣后，分辨率統(tǒng)一為28.5 m×28.5 m，校準誤差小于0.5個像元。海河流域遙感影像鑲嵌采用用最小灰度差原則進行拼接，接縫處灰度加權平滑，用直方圖匹配方法進行灰度調整。

2008年9月對研究區(qū)土地利用類型進行初步調查，利用GARMIN GPSl2C手持式GPS定位，記錄、拍照的土地覆蓋類型與衛(wèi)星影像圖比較分析。應用ERDAS圖像處理軟件，采用監(jiān)督分類和目視解譯相結合方法完成遙感影像土地利用解譯，為了提高遙感影像中土地利用變化信息精度，對遙感影像進行拉伸增強、彩色變換和圖像融合增強處理，依據(jù)土地資源分類標準《土地利用現(xiàn)狀分類》，參照全國生態(tài)遙感監(jiān)測土地利用/覆蓋分類體系并結合海河流域的土地覆蓋特征，確立該區(qū)的土地利用分類體系，土地利用類型一級分類為耕地、果園、林地、草地、水域和水利設施用地、工業(yè)用地、交通實施用地、住宅用地和其它土地共9類及20個二級類，參考同期的地面資料計算其分類錯誤矩陣和Kappa指數(shù)，對五期遙感影像的分類結果進行精度檢驗，Kappa指數(shù)均大于0.80，能夠滿足研究要求。將處理好的遙感影像圖轉入GIS軟件中，采用ARCGIS軟件的空間分析功能，得到海河流域1970～1990年和1990～2008年土地利用變化圖，提取土地利用變化信息，分析土地利用動態(tài)及空間格局變化。

2 結果與分析

2.1 海河流域土地利用變化數(shù)量特點

土地利用動態(tài)度（表1、2）用來描述某種土地利用類型在研究區(qū)段內的變化劇烈程度，其數(shù)值的大小也在一定程度上反映了當?shù)赝恋乩玫母窬肿兓卣?。結果顯示：自1970年以來至本世紀初，流域內土地利用一直以耕地和林地為主導，但林地面積變化不大，耕地面積卻逐年減少，1970年耕地面積為135 550.15 km2，2008年減少至114 452.89 km2；但工業(yè)用地面積卻迅速增加，至2008年，工業(yè)用地面積增加為2 583.41 km2。另外果園的年變化率較大，工業(yè)用地、住宅用地和果園從1970～2008年的土地利用動態(tài)變化度呈迅速增長的趨勢，果園的土地利用動態(tài)度增幅達到44.31%，但耕地和其他用地的變化率呈明顯負增長，林地基本保持平衡狀態(tài)，水域及水利設施用地和交通運輸用地的年變化率比較小。由于種植結構的調整劇烈，經(jīng)濟效益高的生產(chǎn)性用地類型表現(xiàn)出明顯的增長，如工業(yè)用地和果園。另一方面，人口的增長需要更多的住房來滿足人們的需要，住宅用地明顯增加。

2.2 海河流域土地利用動態(tài)變化特點

全面的理解環(huán)境變化及其演化機制需要深入的研究產(chǎn)生這些變化的潛在時空過程，本文主要通過對五期土地利用與覆蓋類型圖進行兩兩疊加建立轉移概率矩陣（見表3、4）的方法，深一步探討海河流域各種土地利用與覆蓋類型相互轉換的內在機制。

表1 1970～2008年海河流域土地利用類型數(shù)量變化Table 1 Quantity change of types land use from 1970 to 2008 in Haihe river basin (km2)

1970年研究區(qū)內土地利用類型以耕地（水田、旱地）、林地（灌木林、疏林）和草地為主。1970至1990年土地利用類型轉化交錯復雜，變化較大的為耕地和果園，其次為工業(yè)用地。由于種植結構的調整，經(jīng)濟效益高的果園等產(chǎn)業(yè)用地面積迅速增加，而耕地卻在這一期間轉化為果園、工業(yè)用地、住宅用地和其它土地利用類型。與上一階段相比，1990年相至2008年期間，流域內的果園、工業(yè)用地和住宅用地持續(xù)增加，而耕地卻持續(xù)減少，其他用地（包括濕地）同樣持續(xù)減少，這對海河流域的生態(tài)環(huán)境造成不良影響。這一階段正是我國大力提倡生態(tài)修復、生態(tài)建設的關鍵時期，在這一背景條件下，該區(qū)內植被得到一定的恢復，與此同時，隨著退耕還林政策的實施，大面積的耕地轉入林地，這使林地的面積也得到增加，就在國家加大生態(tài)環(huán)境保護力度的同時，也有破壞森林和毀林開荒的情況發(fā)生，表現(xiàn)為林地轉化為耕地和工業(yè)用地。

總體來看，從1970年至2008年期間各個土地利用類型的轉化比較復雜，每一種土地利用類型是向多個方向轉化，既有正向的也有負向的，耕地向其它土地利用類型的轉化比較明顯，林地、草地、工業(yè)用地和住宅用地由從耕地轉化而來。

表2 1970～2008年海河流域土地利用變化動態(tài)度Table 2 Dynamic degree of land use change from 1970 to 2008 in Haihe river basin (%)

表3 研究區(qū)1970～1990年土地利用轉移概率矩陣Table 3 Land use change transition probability matrix from 1970 to 1990 in the study area

2.3 土地利用動態(tài)變化驅動因素分析

土地利用動態(tài)變化驅動因素是指導致土地利用方式和目的發(fā)生變化的自然環(huán)境和社會經(jīng)濟因素，自然環(huán)境因素主要包括氣候變動、植物演替、土壤類型變化過程、自然資源的有效性等；社會經(jīng)濟驅動因素則主要包括人口變化、貧富狀況、經(jīng)濟增長、政治經(jīng)濟結構以及價值觀念等方面[13]。海河流域土地利用/覆蓋變化一方面與自然環(huán)境演變相關，另一方面與人類活動的不斷增強密切有關。

表4 研究區(qū)1990～2008年土地利用轉移概率矩陣Table 4 Land use change transition probability matrix from 1990 to 2008 in the study area

2.3.1 自然環(huán)境因素

研究表明，土壤屬性和氣候條件對土地利用結構具有制約作用[14]。海河流域處于我國西北部干旱半干旱地區(qū)，海河流域土壤劃分為內蒙古栗鈣土綿土區(qū)、華北山地棕壤褐土區(qū)、海河平原黃壚土潮土鹽土區(qū)，流域地形地貌獨特復雜，其地貌類型包括高山高原、低丘、中山、低山河谷和山間盆地，且流域內夏季氣候不穩(wěn)定，降雨強度大，時間短促，容易引起水土流失，水土流失不僅會導致耕地面積數(shù)量減少和質量下降，而且對林地資源也會造成破壞。

2.3.2 社會經(jīng)濟因素

土地利用與經(jīng)濟發(fā)展之間，尤其是耕地與人口、GDP、工業(yè)增加值、服務業(yè)增加值、投資及城市化水平等社會經(jīng)濟指標存在強相關關系[15]。土地利用與經(jīng)濟發(fā)展之間存在著耕地減少，工業(yè)、商業(yè)等非農(nóng)用地擴大的必然過程。海河流域GDP從1980年的1 592億元增加到2003年的25 750億元，增長了15倍。人均GDP從1980年的1 638元增長至2004年的1.92萬元，是全國平均水平的1.38倍，但流域內各地經(jīng)濟發(fā)展不平衡，北京市天津市人均GDP達到中等發(fā)達國家水平，平原區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，GDP占全流域的82%，而山區(qū)GDP只占18%。流域內工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展必然帶動城鎮(zhèn)的擴大。多數(shù)耕地資源都是以城鎮(zhèn)為中心向四周擴散，城鎮(zhèn)的急劇擴大必然要以犧牲耕地資源為代價，耕地面積必然顯著減少，工業(yè)用地、住宅用地、交通運輸用地及水利設施用地等都有不同程度的增加。

產(chǎn)業(yè)結構調整同樣會引起土地利用結構的變化，種植產(chǎn)業(yè)值和林業(yè)產(chǎn)業(yè)值穩(wěn)定增長，糧食產(chǎn)量翻番，但傳統(tǒng)的耕地種植效益要遠遠小于特色經(jīng)濟所帶來的經(jīng)濟效益，農(nóng)民為了增加自身收入，加大了園地的開墾，園地面積從1970年的110.13 km2增長到1 964.58 km2增幅近20倍，水田和旱地轉入經(jīng)濟效益比較明顯的棉花、油料、麻類、煙葉等生產(chǎn)領域。

人口增加也對區(qū)域土地利用空間格局變化產(chǎn)生影響[16]。20世紀80年代以來，海河流域經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展，1980～2005年人口自然增長率雖呈降低趨勢，但流域總人口從9 721萬人增加至1.34億人，增長了38%。人口的增加，一方面會引起各種社會需求，如住房需求、就業(yè)需求，由此促進城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的發(fā)展，工業(yè)用地、住宅用地和交通運輸用地明顯增加；另一方面人口增加也會帶來勞動力急劇增加從而促進經(jīng)濟發(fā)展間接影響土地利用狀況。

3 結論

a.從1970～2008年土地利用變化的分析，海河流域目前正處于快速工業(yè)化階段，該流域土地利用規(guī)模和結構發(fā)生很大變化，生產(chǎn)性用地用地（工業(yè)用地和果園）快速增長—耕地面積的迅速減少是研究區(qū)土地利用/覆蓋變化過程的突出表現(xiàn)，也正是該區(qū)域土地利用變化格局的顯著特點。另外該流域通過近年來的生態(tài)修復與治理，環(huán)境得到一定改善，林地面積變化不大，但耕地面積顯著減少，工業(yè)用地與住宅用地等其他用地明顯增加，而且這種變化也存在很大的空間差異性。

b.海河流域土地利用/覆蓋變化驅動力方面，主要受到自然和人為雙層因素的影響，自然因素又受限制于人為因素。自然生態(tài)條件制約研究區(qū)內土地利用類型格局和數(shù)量的分布，受海拔高度和坡度的影響，林地多分布丘陵區(qū)、低山區(qū)，其它類型則多分布在海拔較低、坡度較緩的平原區(qū)。另一方面，受經(jīng)濟利益的驅動區(qū)內種植結構呈現(xiàn)出了耕地面積持續(xù)下降，果園面積持續(xù)上升的雙向動態(tài)變化，雖然這種動態(tài)變化能夠提高農(nóng)民的收入帶來可觀的經(jīng)濟效益，但是這種打破傳統(tǒng)的高強度的耕作模式勢必對該區(qū)域微環(huán)境及資源的可持續(xù)發(fā)展帶來一定的負面效應。

c.海河流域土地資源豐富，發(fā)展農(nóng)業(yè)的潛力很大，應把農(nóng)業(yè)和水利基礎設施建設放在重要位置，本世紀初水域及水利設施用地大幅度增加，而耕地面積卻從上世紀70年代至今逐年減少，目前對海河流域造成嚴重生態(tài)威脅的問題就是耕地資源非農(nóng)化，特別是耕地轉化成工業(yè)用地與住宅用地問題尤其明顯，各級土地管理部門應采取切實有效的措施遏制流域內耕地不合理非農(nóng)化，保證經(jīng)濟效益社會效益和生態(tài)效益協(xié)調增長。

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