永定河上游流域土地利用變化及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究

侯 蕾，彭文啟，劉培斌，陳渠昌，渠曉東，董 飛

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水環(huán)境研究所，北京 100038；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；3.北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048）

1 研究背景

土地利用變化［1］是人類活動(dòng)與自然環(huán)境相互作用最直接的表現(xiàn)形式，是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)行為與自然生態(tài)過程交互和鏈接的紐帶［2］。長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土地利用變化從不同角度進(jìn)行了研究。丑慶川等［3］整理闡述了土地利用變化的分析方法；在流域尺度，近年來定量化分析土地利用變化的水文效應(yīng)研究為流域水資源管理和規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)［4-7］；于興修等［8］闡述了土地利用變化的環(huán)境效應(yīng)的研究進(jìn)展與動(dòng)向，并重點(diǎn)對(duì)土地利用變化的土壤和水環(huán)境效應(yīng)研究趨勢(shì)進(jìn)行了分析；隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，土地利用變化對(duì)環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)的影響越來越顯著，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究主要集中于土地利用變化對(duì)大氣成分和區(qū)域氣候變化［9］、生物多樣性［10］、地下水［11-12］、地表徑流［13］和水環(huán)境［14-15］等生態(tài)環(huán)境單一因素的研究；近年來國(guó)內(nèi)的學(xué)者針對(duì)土地利用變化對(duì)區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境的效應(yīng)進(jìn)行了研究，研究區(qū)域從生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)或經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)發(fā)展到經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)［16-18］。

近幾十年來，永定河流域的生態(tài)環(huán)境問題越來越顯著，尤其20世紀(jì)80年代后，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，該區(qū)域人口增加，取用水量增加，地下水資源量減少，下墊面條件（土地利用/覆被）劇烈變化，永定河流域部分河段出現(xiàn)了斷流，河道徑流量嚴(yán)重下降，生態(tài)系統(tǒng)退化。目前，對(duì)于永定河流域的土地利用變化的研究已經(jīng)開展，張玉虎等［19］、王海平等［20］采用傳統(tǒng)的分析方法分別對(duì)永定河典型山區(qū)-門頭溝區(qū)、永定河（北京段）的土地利用變化的格局以及過程進(jìn)行了定量研究；張琳等［21］基于1980年、2000年的遙感影像分析了海河流域各支流的土地利用/覆被變化，揭示了海河流域土地利用/覆被變化的規(guī)律。針對(duì)以上研究，目前多數(shù)研究集中在分析永定河典型區(qū)域的土地利用變化，而對(duì)于永定河上游流域土地利用變化的評(píng)價(jià)及其生態(tài)環(huán)境的效應(yīng)研究較少。本研究基于土地利用數(shù)據(jù)，應(yīng)用ArcGIS平臺(tái)，對(duì)永定河上游流域土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了分析，旨在進(jìn)一步認(rèn)識(shí)永定河上游流域下墊面條件的變化情況，為更合理的改善生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)支撐。

2 研究區(qū)概況

永定河流域是海河流域的七大水系之一，該區(qū)處于干旱和濕潤(rùn)氣候的過渡地帶，屬中緯度大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，寒暑懸殊。流域多年平均降水不足450 mm，且徑流量年內(nèi)分配很不均勻，80%左右集中在汛期。該研究區(qū)（圖1）為永定河上游流域（官?gòu)d水庫(kù)以上），地跨山西、內(nèi)蒙古、河北等省、自治區(qū)、直轄市。地理坐標(biāo)為111°58′—116°22′E ，38°50′—41°16′N ，研究區(qū)面積約為 4.3 萬km2，山區(qū)面積占80%。地勢(shì)自西北向東南傾斜，西北為山區(qū)，海拔高程一般為500～1000 m，山區(qū)內(nèi)山巒起伏，地形復(fù)雜，河流坡陡流急，且水土流失嚴(yán)重。

圖1 永定河上游流域位置

3 數(shù)據(jù)來源及研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源及處理永定河上游流域20世紀(jì)70年代末期（1980年）、80年代末期（1990年）、90年代末期（2000年）以及2010年的4期土地利用/覆被數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供，分辨率為30m×30m。該數(shù)據(jù)是根據(jù)劉紀(jì)遠(yuǎn)［22］提出的中國(guó)科學(xué)院土地資源分類系統(tǒng)，利用永定河上游流域20世紀(jì)70年代末期（1980年）、80年代末期（1990年）、90年代末期（2000年）以及2010年的Landsat-MSS/TM/ETM遙感圖像，通過人機(jī)交互解譯生成，并利用野外調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和糾正，精度可靠。該分類體系主要有兩級(jí)（表1）：將研究區(qū)的土地利用類型進(jìn)行處理，主要對(duì)耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和未利用土地6個(gè)類型（一級(jí)分類系統(tǒng)）進(jìn)行分析；土地利用二級(jí)分類系統(tǒng)有較高分辨率，且體現(xiàn)了生態(tài)差異性，根據(jù)研究區(qū)域特征，參考國(guó)內(nèi)相關(guān)研究，對(duì)二級(jí)分類體系下的土地利用類型所具有的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行賦值［23］。

表1 土地利用分類系統(tǒng)及其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)賦值

3.2 研究方法土地資源數(shù)量變化可以用土地利用動(dòng)態(tài)度來表示。

（1）單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度。單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度［3，24］表達(dá)的是某研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況，其表達(dá)式為：

式中：K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)T為時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，K的值就是該研究某種土地利用類型年變化率。

（2）土地利用綜合動(dòng)態(tài)度。研究區(qū)的綜合土地利用動(dòng)態(tài)度［24］可表示為：

式中：LUi為監(jiān)測(cè)起始時(shí)間第i類土地利用類型面積；ΔLUi-j為監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非i類土地利用類型面積的絕對(duì)值；T為監(jiān)測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度。當(dāng)T的時(shí)段設(shè)定為年時(shí)，LC的值就是該研究區(qū)土地利用年變化率。

土地利用動(dòng)態(tài)度定量地描述了土地利用的變化速度，對(duì)預(yù)算未來土地利用變化趨勢(shì)有積極作用。

（3）土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是表征土地利用類型之間在一定時(shí)段內(nèi)相互轉(zhuǎn)移的一種有效的工具，從而總體上把握土地利用的轉(zhuǎn)移態(tài)勢(shì)。在ArcGIS10.2平臺(tái)下，對(duì)1980年、1990年、2000年以及2010年4期的土地利用數(shù)據(jù)兩兩疊加分析，對(duì)所得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別獲得1980—1990年、1990—2000年以及2000—2010年以分析流域土地利用時(shí)空格局動(dòng)態(tài)。

單一土地利用轉(zhuǎn)出率［20］主要反映某一土地利用類型在某一時(shí)期內(nèi)轉(zhuǎn)化為其他地類的幅度，計(jì)算公式為：

式中：Ti為地類i在t0～tk時(shí)期內(nèi)的土地利用轉(zhuǎn)出率；Tij為地類在t0～tk時(shí)期內(nèi)地類i轉(zhuǎn)化為j的面積；Lt0為地類i在t0時(shí)刻的面積；n為研究區(qū)土地利用類型數(shù)量；單一土地利用轉(zhuǎn)入率主要反映某一土地利用類型在某一時(shí)期內(nèi)由其他地類轉(zhuǎn)化而來的幅度，Mi為地類在t0到tk時(shí)期內(nèi)的土地利用轉(zhuǎn)入率；Mij為地類在t0到tk時(shí)期內(nèi)由地類j轉(zhuǎn)化為地類i的面積；Lik為地類i在tk時(shí)刻的面積。

（4）區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)及土地利用變化類型生態(tài)貢獻(xiàn)率［23］。綜合考慮區(qū)域各土地利用所具有的生態(tài)質(zhì)量及面積比例，定量表征某一區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的總體狀況，其表達(dá)式為：

式中：EVt為區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；LUi和Ci為該區(qū)域內(nèi)t時(shí)期第i種土地利用類型的面積和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（見表1）；TA為該區(qū)域總面積；N為區(qū)域內(nèi)土地利用類型數(shù)量。

土地利用變化類型生態(tài)貢獻(xiàn)率指某一種土地利用類型變化所導(dǎo)致的區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的改變，其表達(dá)式為：

式中：LEI為土地利用變化類型生態(tài)貢獻(xiàn)率；LEt、LEt+1分別為某種土地利用變化類型所反映的變化初期和末期土地利用類型所具有生態(tài)質(zhì)量指數(shù)；LA為該變化類型的面積；TA為區(qū)域總面積。

4 結(jié)果分析

4.1 永定河上游流域土地利用變化規(guī)律

4.1.1 永定河上游流域土地利用面積變化 永定河上游流域土地利用類型在數(shù)量組成、時(shí)間變化及空間構(gòu)成上存在一定的差異，4期土地利用類型的面積所占比例由大到小排列，為耕地＞草地＞林地＞城鄉(xiāng)、工礦、居民用地＞水域＞未利用土地，在數(shù)量上（圖2），其中以耕地為主，其面積所占比例達(dá)到45%左右；草地與林地次之，分別所占比例為29%、20%左右；水域與城鄉(xiāng)、工礦、居民用地面積較少，分別所占比例為1.5%、2.6%左右；植被覆蓋度較高，其中沙地、鹽堿地、沼澤地、裸土地、裸巖石質(zhì)地等未利用土地的面積極少，所占比例為0.5%左右。

從年變化（如圖3）上分析，30年（1980—2010年）間，永定河上游流域土地利用類型整體上的變化較為緩慢：林地以及城鄉(xiāng)、工礦、居民用地增加，其中林地增加面積約為1 066 km2，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地增加面積約為1 254 km2；耕地、草地、水域、未利用土地均減少，耕地減少約為1 261 km2，草地減少約779 km2，水域減少約158 km2，未利用土地減少約121 km2。增加與減少的土地利用面積基本保持一致。

1980—1990年，研究?jī)?nèi)草地以及城鄉(xiāng)、工礦、居民用地、未利用土地呈增加趨勢(shì)，耕地、林地、水域呈減少趨勢(shì)；1990—2000年，研究區(qū)內(nèi)水域以及城鄉(xiāng)、工礦、居民用地呈增加趨勢(shì)，耕地、林地、草地以及未利用土地呈減少趨勢(shì)；2000—2010年，研究區(qū)內(nèi)林地與城鄉(xiāng)、工礦、居民用地呈增加趨勢(shì)，耕地、草地、水域、未利用土地呈減少趨勢(shì)。

4.1.2 永定河上游流域土地利用變化強(qiáng)度 永定河上游流域各土地利用類型各時(shí)段動(dòng)態(tài)度（如表2）起伏不大，變化率的絕對(duì)值均不超過10%。從單一土地利用動(dòng)態(tài)角度，1980—1990年間，草地、未利用土地以及城鄉(xiāng)、工礦、居民用地的動(dòng)態(tài)度大于0，年增加率分別為0.12%、0.32%、1.06%，耕地、林地、水域的動(dòng)態(tài)度小于0，年減少率分別為0.04%、0.22%、0.42%。單一土地利用動(dòng)態(tài)度的絕對(duì)值反映了土地利用類型面積變化速度的大小，因此，1980—1990年間，流域內(nèi)城鄉(xiāng)、工礦、居民用地的變化速度最大，其次為水域、未利用土地，耕地的變化速度最??；1990—2000年間，流域內(nèi)除了水域面積以及城鄉(xiāng)、工礦、居民用地增加外，其余土地利用類型面積均減少，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地變化速度最大，其次為未利用土地，林地、草地的變化速度最小；2000—2010年間，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地持續(xù)增加，變化速度最大，另外林地也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，未利用土地、耕地、草地、水域面積縮減，其中未利用土地減少速度較大。

圖2 永定河上游流域各土地利用類型面積分布圖

圖3 永定河上游流域1980—2010年土地利用面積變化圖

表2 永定河上游流域土地利用動(dòng)態(tài)變化

整體上，1980—2010年間，隨著城市化的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)自然干擾日益嚴(yán)重，流域內(nèi)土地利用變化速度最大的是城鄉(xiāng)、工礦、居民用地，呈增加趨勢(shì)，其次為未利用土地，呈減少趨勢(shì)。

從綜合土地利用動(dòng)態(tài)度（表2）的角度，1980—1990、1990—2000、2000—2010年的動(dòng)態(tài)度分別為0.06%、0.19%、0.6%。相對(duì)于2000—2010年，1980—1990、1990—2000年綜合土地利用動(dòng)態(tài)度較小，說明該兩個(gè)時(shí)段各土地利用類型變化較??；2000—2010年間綜合土地利用動(dòng)態(tài)度較大，每年每100 km2，土地利用面積變化為0.6 km2，其變化幅度相對(duì)較大，土地利用類型變化較大。

本研究對(duì)永定河上游流域1980—1990、1990—2000、2000—2010年3個(gè)時(shí)段土地利用轉(zhuǎn)換特征進(jìn)行了分析。

1980—1990年間，永定河上游流域內(nèi)耕地主要轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)、工礦、居民用地，轉(zhuǎn)化面積為100.61 km2；林地主要轉(zhuǎn)化為草地，轉(zhuǎn)化面積為225.29 km2；草地、水域、未利用土地以及城鄉(xiāng)、工礦、居民用地的轉(zhuǎn)化均較少。

1990—2000年間，各土地利用類型間的轉(zhuǎn)化面積較少，土地利用變化甚微。

2000—2010年間，耕地轉(zhuǎn)化為林地，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和草地，轉(zhuǎn)化面積依次為887.03、829.96和522.82 km2；林地轉(zhuǎn)化為草地，耕地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地，轉(zhuǎn)化面積依次為274.79、157.84和91.06 km2；草地轉(zhuǎn)化為林地，耕地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地，轉(zhuǎn)化面積依次為854.59、715.06和216.23 km2；水域主要轉(zhuǎn)化為耕地，轉(zhuǎn)化面積為132.53 km2；城鄉(xiāng)、工礦、居民用地主要轉(zhuǎn)化為耕地，轉(zhuǎn)化面積為124.11 km2；未利用土地主要轉(zhuǎn)化為耕地、草地，轉(zhuǎn)化面積為93.12、37.15 km2（見表3）。

綜上，不同時(shí)段，隨著自然、經(jīng)濟(jì)條件以及人為影響的變化，土地利用格局也伴隨著變化。1980—1990年、1990—2000年這兩個(gè)時(shí)段永定河上游流域每種土地利用類型的轉(zhuǎn)出率或轉(zhuǎn)入率基本上均小于10%（見表4），土地利用類型總體上變化較小，相對(duì)而言，2000—2010年，永定河上游流域每種土地利用類型的轉(zhuǎn)出率或轉(zhuǎn)入率均大于10%（見表4），土地利用變化強(qiáng)度較大。

表3 2000—2010年研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 （單位：km2）

表4 研究區(qū)1980—2010年土地利用變化情況

4.2 永定河上游流域生態(tài)環(huán)境變化與驅(qū)動(dòng)因素分析2000—2010年土地利用變化強(qiáng)度較大，文中基于2000年和2010年土地利用變化分析永定河上游流域的生態(tài)環(huán)境變化。根據(jù)公式（3），計(jì)算得到研究區(qū)2000年和2010年區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，結(jié)果分別為0.4230、0.4290，永定河上游流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)年均上升0.07%。從計(jì)算結(jié)果可知，2000—2010年間研究區(qū)總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量略有好轉(zhuǎn)，呈上升趨勢(shì)，總體上維持著區(qū)域生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

2000—2010年致使研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的主要土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因子主要是退耕還林、還草以及林、草地內(nèi)部的轉(zhuǎn)化（詳見表5），其中退耕還林、還草的轉(zhuǎn)化占生態(tài)貢獻(xiàn)率的54.19%，因永定河上游流域是水土流失的重點(diǎn)區(qū)域，退耕還林、還草均勻散落在永定河上游流域，主要分布在河北省張家口、尚義，山西省大同、左云、朔州等地區(qū)（詳見圖4）；林、草地內(nèi)部的轉(zhuǎn)化占生態(tài)貢獻(xiàn)率的37.82%。

2000—2010年期間導(dǎo)致研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的主要土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因子是高覆蓋草地向旱地的轉(zhuǎn)化、城鄉(xiāng)居民建設(shè)用地規(guī)模擴(kuò)大、毀林造田、圍水造田和耕地內(nèi)部轉(zhuǎn)化（詳見表5），其中城鄉(xiāng)居民建設(shè)用地?cái)U(kuò)大主要集中在張家口市市轄區(qū)、大同市市轄區(qū)、朔州市市轄區(qū)及各個(gè)縣轄區(qū)（詳見圖4），毀林造田主要集中在各支流的上游區(qū)域，圍水造田沿桑干河、洋河及各大支流呈帶狀分布；其中高覆蓋草地向旱地的轉(zhuǎn)化占生態(tài)貢獻(xiàn)率的34.23%，建設(shè)占地占生態(tài)貢獻(xiàn)率的26.03%，城鄉(xiāng)居民建設(shè)用地規(guī)模擴(kuò)大主要表現(xiàn)是耕地、林地、草地轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)居民建設(shè)用地。

5 結(jié)論

基于1980年，1990年，2000年和2010年4期土地利用數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的分析了永定河上游流域土地利用類型的格局變化。

從土地利用的數(shù)量分析，30年間永定河上游流域土地利用的面積所占比例由大到小排列為耕地＞草地＞林地＞城鄉(xiāng)、工礦、居民用地＞水域＞未利用土地。

表5 導(dǎo)致研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善和惡化的主要土地利用類型變化及貢獻(xiàn)率

圖4 導(dǎo)致研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善和惡化的主要影響因子空間分布

從土地利用動(dòng)態(tài)度以及土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣分析，1980—1990、1990—2000年，土地利用綜合動(dòng)態(tài)度分別為0.06%、0.19%，每種土地利用類型的轉(zhuǎn)出率或轉(zhuǎn)入率基本上均小于10%，土地利用變化相對(duì)較小，耕地主要轉(zhuǎn)化為林地、草地（退耕還林、還草），同時(shí)為治理水土流失修建梯田，部分耕地侵占了林地和草地，城鄉(xiāng)建設(shè)用地有增加趨勢(shì)；2000—2010年，該時(shí)段土地利用綜合動(dòng)態(tài)度較大，達(dá)到了6%，每種土地利用類型的轉(zhuǎn)出率或轉(zhuǎn)入率均大于10%，由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的發(fā)展，其中城鄉(xiāng)、工礦、居民用地不斷擴(kuò)張，建設(shè)占地不斷增加，耕地向林、草地轉(zhuǎn)化明顯，未利用土地呈減少趨勢(shì)，土地利用類型面積變化較大。

從生態(tài)環(huán)境變化與驅(qū)動(dòng)因素分析，2000—2010年間永定河上游流域生態(tài)環(huán)境總體上維持著區(qū)域生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，生態(tài)環(huán)境改善和惡化的兩種趨勢(shì)并存，但生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)從0.4230上升到0.4290，整體上生態(tài)環(huán)境質(zhì)量略有好轉(zhuǎn)，呈上升趨勢(shì)。研究結(jié)果表明導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境改善的主要因素為退耕還林、還草以及林、草地內(nèi)部的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境改善的主要因素為高覆蓋草地向旱地的轉(zhuǎn)化、城鄉(xiāng)居民建設(shè)用地規(guī)模擴(kuò)大、毀林造田、圍水造田和耕地內(nèi)部轉(zhuǎn)化等。因此，在土地利用過程中，要限制或取消導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的人類活動(dòng)，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境改善力度，充分利用生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)功能，達(dá)到恢復(fù)或改善生態(tài)環(huán)境的目的。

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