拉林河流域土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析

劉洪超，呂 軍，王 銘，李興麗，郭 蒙

(1.松遼流域水資源保護局 松遼水環(huán)境科學(xué)研究所，吉林 長春130021；2.東北師范大學(xué) 泥炭沼澤研究所，吉林 長春 130024；3.東北師范大學(xué) 國家環(huán)境保護濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點實驗室，吉林 長春 130024；4.長白山濕地與生態(tài)吉林省聯(lián)合重點實驗室，吉林 長春 130024)

拉林河為松花江的一級支流，流域內(nèi)土地肥沃、人口密集，是國家重要的商品糧基地。隨著區(qū)域社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，拉林河流域的土地利用發(fā)生了劇烈變化，而不合理的開發(fā)導(dǎo)致土壤侵蝕加快，流域旱澇災(zāi)害頻率增加，面源污染嚴重，生態(tài)環(huán)境向惡化方向發(fā)展[1]。近年來，已有學(xué)者關(guān)注到拉林河流域生態(tài)安全問題，并開展了流域水資源及水質(zhì)評價[1-5]、土壤重金屬污染[6]、土壤侵蝕[7-8]等一系列相關(guān)研究，但該流域土地覆被變化的相關(guān)研究還十分缺乏。

本研究利用Landsat TM遙感數(shù)據(jù)，在GIS空間分析功能支持下，分析1976—2015年拉林河土地利用變化的時空過程、基本特征和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，對深入認識和研究東北老工業(yè)基地農(nóng)業(yè)開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的影響，采取合理的土地管理對策，保障流域的生態(tài)安全以促進水土資源可持續(xù)利用具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理位置

拉林河發(fā)源于黑龍江省五常市張廣才嶺山脈的老爺嶺，自東南向西北流經(jīng)黑龍江省哈爾濱市的五常市、尚志市、阿城區(qū)、雙城區(qū)和吉林省吉林市的舒蘭市、長春市的榆樹市、松原市的扶余市，在距哈爾濱150 km處注入松花江。拉林河河長450 km，其中省界河長約233 km。拉林河流域位于東經(jīng)125°34′～128°34′、北緯44°00′～45°30′，東臨牡丹江流域，北側(cè)為螞蟻河、阿什河及松花江干流流域，西南與第二松花江流域為鄰，流域面積19 923 km2，其中：黑龍江省流域面積11 222 km2，占全流域面積的56.33%；吉林省流域面積8 701 km2，占43.67%。

1.2 氣候條件

拉林河流域?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，冬季較為寒冷，年平均氣溫3 ℃左右，極端最低氣溫-40.9 ℃，極端最高氣溫35.6 ℃，年積溫2 500～2 700 ℃；多年平均降水量500～800 mm，上游大、下游小，6—8月降水量占全年的70%以上；年平均蒸發(fā)量1 000～1 500 mm；年日照時數(shù)2 400～2 600 h，無霜期110～140 d，土壤最大凍深2 m。

1.3 社會經(jīng)濟概況

拉林河流域土地肥沃，人口密集，為黑、吉兩省重要的糧食生產(chǎn)基地之一，主要作物有水稻、玉米、大豆和谷子。據(jù)2013年統(tǒng)計資料，拉林河流域內(nèi)有7市(區(qū))，總?cè)丝?69萬人，耕地面積96.66萬hm2，GDP為707億元，糧食總產(chǎn)量729萬t[9-10]。

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

本研究的數(shù)據(jù)來自于1976、2000和2015年的Landsat TM衛(wèi)星遙感影像。根據(jù)拉林河區(qū)域土地利用類型影像特征，建立解譯標志。土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6個一級類型。在ArcGIS 10.0軟件環(huán)境下，進行人機交互式影像解譯，獲得1976、2000和2015年研究區(qū)土地利用解譯圖。在所建立的土地利用圖形數(shù)據(jù)庫的支持下，運用空間統(tǒng)計方法，選取面積比例、平均斑塊面積、斑塊數(shù)量等景觀指數(shù)分析景觀結(jié)構(gòu)變化特征，選取斑塊密度、多樣性、優(yōu)勢度、均勻度等景觀指數(shù)分析異質(zhì)性變化。相關(guān)指數(shù)的計算方法及原理見文獻[11]。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域土地利用變化

從拉林河流域1976、2000和2015年三期的土地利用狀況(圖1)可以看出：流域內(nèi)面積分布最廣的是耕地，約占流域總面積的50%；其次是林地，約占40%；草地、未利用地、建設(shè)用地和水域所占面積較小，這4類用地僅占研究區(qū)面積的10%左右。這與本區(qū)域的環(huán)境本底和人類活動有關(guān)：拉林河流域上游多山地丘陵，自然環(huán)境導(dǎo)致林地面積較大；而作為黑龍江省和吉林省優(yōu)質(zhì)水稻和玉米種植區(qū)，耕地自然為其土地主要利用類型。

由表1可知：1976—2015年，拉林河流域土地利用面積變化最為明顯的類型為耕地，其面積共增加了24.90萬hm2，建設(shè)用地也表現(xiàn)出增加的趨勢，增加了1.49萬hm2；而林地、草地、水域和未利用地面積均表現(xiàn)為減少的趨勢，其中面積減少最多的為林地，減少了15.43萬hm2，草地減少了6.56萬hm2，未利用地減少了3.99萬hm2，水域變化最小，減少了0.42萬hm2。以上變化表明，拉林河流域1976—2015年人類活動不斷加劇，大面積的林地和草地被開墾為農(nóng)田。

圖1 拉林河流域1976、2000、2015年土地利用狀況

景觀類型1976年面積/萬hm2比例/%2000年面積/萬hm2比例/%2015年面積/萬hm2比例/%變化面積/萬hm21976—2000年2000—2015年1976—2015年耕地89.8545.10101.9251.16114.7557.6012.0712.8324.90林地84.0242.1776.9638.6368.5934.43-7.06-8.37-15.43草地8.194.115.282.651.630.82-2.91-3.65-6.56水域4.292.154.102.063.871.94-0.19-0.23-0.42建設(shè)用地6.793.417.643.848.284.160.850.641.49未利用地6.113.063.321.672.121.06-2.79-1.2-3.99

3.2 流域景觀結(jié)構(gòu)變化

從景觀斑塊類型尺度來看(表2)，1976—2015年拉林河流域的最大斑塊類型發(fā)生了一些改變，在1976—2000年斑塊面積最大的是林地，而在2000—2015年林地的優(yōu)勢地位逐漸下降，面積最大的斑塊類型變?yōu)楦?，但林地仍然占有較大比例。根據(jù)景觀“斑塊—基質(zhì)—廊道”模式與基質(zhì)判別標準[12]，拉林河流域的景觀基質(zhì)為林地和耕地。其中，拉林河上游的景觀基質(zhì)以林地為主，下游的景觀基質(zhì)為耕地(圖1)。通過對斑塊數(shù)量的統(tǒng)計可知，2015年各景觀類型按斑塊數(shù)量排序為：建設(shè)用地>林地>耕地>水域>草地>未利用地。綜上， 拉林河流域是以農(nóng)業(yè)、森林生態(tài)系統(tǒng)

表2 拉林河流域景觀斑塊指標

作為區(qū)域的景觀基質(zhì)，草地、水域(河流、水庫、湖泊等)、建設(shè)用地、未利用地等景觀斑塊鑲嵌其中。

斑塊數(shù)量經(jīng)常被用來描述整個景觀的異質(zhì)性，其值的大小與景觀的破碎度有很好的正相關(guān)性。最大斑塊指數(shù)的變化可以說明干擾的強度和頻率，反映人類活動的方向和強弱。通過表2可以得知：耕地的斑塊數(shù)量雖然在2000—2015年間略有增加，但總體上，1976—2015年間耕地斑塊數(shù)量呈減少趨勢，斑塊數(shù)量比例降低，而最大斑塊指數(shù)上升，說明1976—2015年間，流域內(nèi)耕地空間分布的集中性變強；林地、草地及未利用地斑塊數(shù)量均呈逐漸減少趨勢；水域在1976—2010年間逐漸增加，后保持不變；建設(shè)用地的斑塊數(shù)量有所下降，但斑塊數(shù)量比例及最大斑塊指數(shù)均有所上升。林地和草地的斑塊數(shù)量比例和最大斑塊指數(shù)均呈下降趨勢。由此判斷，雖然拉林河流域在1976—2015年間人類活動逐漸加強，但景觀的破碎化程度呈下降趨勢。

3.3 流域景觀指數(shù)動態(tài)

從景觀總體特征(表3)來看，拉林河流域1976—2015年斑塊數(shù)量下降明顯，由7 468個下降至6 965個，此外，斑塊密度、斑塊分維數(shù)、景觀形狀指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)、香農(nóng)均勻度指數(shù)、景觀優(yōu)勢度指數(shù)均呈下降趨勢，而流域的最大斑塊指數(shù)呈上升趨勢，說明流域景觀破碎度逐漸降低，集中分布的趨向性愈加明顯。

表3 拉林河流域1976—2015年景觀水平指數(shù)

4 土地利用變化的區(qū)域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析

拉林河流域農(nóng)業(yè)開發(fā)歷史悠久，20世紀80年代中期以來，流域經(jīng)濟快速增長，由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向集約化農(nóng)業(yè)大力發(fā)展。然而，在經(jīng)濟利益驅(qū)動下，人們不合理開發(fā)利用自然資源，土地利用/覆被的顯著變化導(dǎo)致了諸多環(huán)境問題，流域生態(tài)環(huán)境趨于脆弱，阻礙了區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

4.1 林地、草地面積縮小，耕地面積增加，土壤侵蝕日趨嚴重

1976—2015年，拉林河流域林地面積減少了15.43萬hm2，草地面積減少了6.56萬hm2，減少的林地和草地主要轉(zhuǎn)化為耕地，期間耕地面積增加了24.90萬hm2。以上面積的變化主要是人類活動導(dǎo)致的，拉林河流域2013年糧食總產(chǎn)量近1 000萬t，左岸榆樹市連續(xù)8年為全國產(chǎn)糧第一縣，右岸五常市是我國優(yōu)質(zhì)稻米之鄉(xiāng)，在市場因素驅(qū)動下，近年來作物種植面積不斷增加[5]，流域內(nèi)大面積的林地和草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田。

隨著流域土地利用類型的改變，土壤侵蝕成為流域嚴重的生態(tài)問題之一。第一次全國水利普查結(jié)果表明，流域土壤侵蝕面積5 501.54 km2，占流域總面積的27.61%[13]。在流域上游的山地丘陵區(qū)，土壤侵蝕更為嚴重。拉林河上游的黑龍江省部分，土壤侵蝕面積占總面積的94%，強烈、輕度和中度水力侵蝕為主要的侵蝕強度類型[10]。這是因為上游山地面積大，在地質(zhì)構(gòu)造、巖性、土壤性質(zhì)、暴雨徑流，以及陡坡墾殖導(dǎo)致森林植被減少等內(nèi)外因素影響下，水土流失嚴重。

4.2 水資源短缺，水體污染嚴重，水質(zhì)惡化

目前，拉林河流域水資源開發(fā)利用程度相對較高，流域水質(zhì)總體較差。流域內(nèi)2013年總供水量為24.96億m3，其中地表水為17.54億m3，地下水為7.42億m3。流域現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用程度為53.80%(近5年平均值)，其中地表水開發(fā)利用程度為46.42%，地下水開發(fā)利用程度達80.85%。此外，由于拉林河水資源年際間豐枯變化劇烈，年內(nèi)分配不均勻，灌溉用水高峰期與天然來水枯水期重合，加之目前拉林河上缺少水資源調(diào)節(jié)工程，基本上是按水資源天然分配狀態(tài)開發(fā)利用，因此灌溉臨界期供需矛盾十分尖銳，存在著嚴重的季節(jié)性水資源短缺問題[4]。

拉林河流域地下水是黑龍江省哈爾濱市的五常市、尚志市、雙城區(qū)和吉林省的舒蘭市、榆樹市、扶余市農(nóng)業(yè)灌溉和生活用水的主要來源之一，流域內(nèi)分布有大量灌區(qū)，灌區(qū)開發(fā)過程中使用的化肥、農(nóng)藥等會對流域水質(zhì)造成一定影響。張正等[4]的研究結(jié)果表明，2007—2015年拉林河吉黑緩沖區(qū)2段水質(zhì)為Ⅲ～Ⅳ類，水質(zhì)狀況相對較差，超標因子為氨氮和總磷，其中氨氮和總磷全年過半數(shù)月份超標，氨氮最高超標1.4倍，總磷最高超標2.55倍。

拉林河流域地下水位動態(tài)變化具有明顯的周期性，然而隨著人工灌溉及局部地區(qū)開采深層承壓水和超量開采地下水等人類活動的影響，地下水位持續(xù)下降，地下水的動態(tài)平衡被打破。由于不合理的灌溉方式導(dǎo)致土壤中鹽分增多，拉林河下游平原灌區(qū)局部地區(qū)有零星鹽漬化現(xiàn)象出現(xiàn)。而拉林河流域地下水水質(zhì)超標嚴重，66.7%的水質(zhì)監(jiān)測點地下水水質(zhì)為Ⅴ類，水質(zhì)超標因子主要為鐵、錳、氨氮、硝酸鹽4類[14]。拉林河流域是黑龍江省糧食主產(chǎn)區(qū)，2013年氮肥施用量高達3.1萬t，磷肥施用量為2.3萬t，年總氮流失量達8 019 t[7]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥、農(nóng)藥等的過量使用是地下水中氨氮、硝酸鹽含量超標的最主要原因。

隨著國家商品糧生產(chǎn)基地的進一步發(fā)展，拉林河流域的水生態(tài)面臨著水資源短缺和水質(zhì)惡化的威脅，因此必須統(tǒng)籌好農(nóng)業(yè)發(fā)展與河流、濕地保護的關(guān)系。

4.3 濕地面積萎縮，生態(tài)功能下降，生態(tài)環(huán)境惡化

沼澤濕地是天然的蓄水庫，具有重要的蓄水調(diào)洪等生態(tài)功能。拉林河流域自1949年后修建了眾多的水庫、灌區(qū)等，水庫的修建占用了林地、草地等，灌區(qū)的開發(fā)是開墾沼澤地或旱改水。將20世紀50年代與2015年的土地利用現(xiàn)狀圖進行疊加分析，發(fā)現(xiàn)拉林河流域有870 km2的泡沼濕地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田，其中轉(zhuǎn)換成水田的面積占沼澤濕地面積減少量的55%，轉(zhuǎn)化成旱田的面積占44%。轉(zhuǎn)換成水田的沼澤濕地主要集中在吉林扶余洪泛區(qū)濕地自然保護區(qū)、拉林河河口，以及卡岔河和牤牛河與拉林河的交匯區(qū)域內(nèi)，這些區(qū)域大部分已經(jīng)被開發(fā)成灌區(qū)，比如拉林灌區(qū)、友誼灌區(qū)、龍鳳山灌區(qū)、磨盤山灌區(qū)等，卡岔河沿岸的沼澤濕地雖然沒有被正式開發(fā)成灌區(qū)，但是已經(jīng)被開墾成了水田。因此，灌區(qū)的開發(fā)是沼澤濕地面積減少的主要原因。

流域內(nèi)的雙城區(qū)在20世紀70年代以前有濕地面積4萬余hm2，因20世紀70年代在沿松花江、拉林河的濕地開挖人工水渠，進行毀濕、毀草種地，再加上上游修建水庫、灌溉農(nóng)田過度用水使來水減少，故整個流域濕地退化、沙化嚴重，原有濕地銳減到現(xiàn)在的2.7萬hm2[15]。

流域內(nèi)有著豐富的生物資源，分布著4個自然保護區(qū)和2個森林公園。但1949年以來，特別是改革開放以來，一方面由于人口劇增，毀林開荒現(xiàn)象一直比較嚴重，使大量森林植被遭到破壞，另一方面由于經(jīng)濟建設(shè)的需要，水利水電工程等的建設(shè)和灌區(qū)的大規(guī)模開發(fā)也對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重破壞。

5 結(jié) 論

本研究基于已建立的拉林河流域資源環(huán)境遙感數(shù)據(jù)庫，定量分析了1976—2015年拉林河流域土地利用時空變化特點。研究表明，1976—2015年，隨著人口的增加和經(jīng)濟的發(fā)展，拉林河流域耕地和建設(shè)用地表現(xiàn)出持續(xù)增長趨勢，且空間分布的集中性不斷變強；林地、草地和未利用地面積都為減少趨勢，而減少的林地和草地均轉(zhuǎn)化為耕地。不合理的農(nóng)業(yè)開發(fā)已經(jīng)引起拉林河流域土壤侵蝕量增加、土壤退化、河流水質(zhì)惡化和生物多樣性減少等生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，亟待采取有效的措施對流域生態(tài)環(huán)境進行綜合治理。