基于時序特征的黃河三角洲土地覆蓋動態(tài)及驅(qū)動力分析

侯學(xué)會，李新華，徐洪彪，王 猛

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 華東都市農(nóng)業(yè)重點實驗室 山東省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究所，山東 濟南 250100；2.臨沂市水文局，山東 臨沂 276001)

1 研究背景

土地利用/土地覆蓋變化(land use and land cover change, LUCC)是生態(tài)環(huán)境變化最直接、最直觀的反映，是全球生態(tài)環(huán)境變化研究中一直被關(guān)注的熱點之一。全球氣候變化導(dǎo)致全球水熱資源重新配置，對全球土地覆蓋格局及區(qū)域LUCC動態(tài)影響較大，且近幾十年人類社會活動的非理性超越發(fā)展，帶來不同區(qū)域LUCC的空間異質(zhì)性，加劇了生態(tài)環(huán)境脆弱化程度，成為影響全球土地覆蓋變化的主要驅(qū)動力[1-2]。

黃河三角洲是世界范圍內(nèi)濕地生態(tài)系統(tǒng)中極具代表性的河口濕地之一，在全球濕地生態(tài)系統(tǒng)研究中占據(jù)重要地位[3]，是我國暖溫帶最完整、最廣闊、最年輕的濕地生態(tài)系統(tǒng)，也是我國大河三角洲中海陸變遷最活躍的地區(qū)之一[4]，且受區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的影響顯著。近年來，建設(shè)用地擴張[5]、耕地增加[6]、灘涂開墾[3]、環(huán)境污染[7]等活動導(dǎo)致黃河三角洲LUCC發(fā)生了明顯變化，生態(tài)環(huán)境不斷惡化[8]，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。并且，隨著海量遙感數(shù)據(jù)的積累及遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，使得對黃河三角洲地區(qū)濕地動態(tài)研究越來越深入，如Niu等[9]、Jiang等[10]、Kong等[11]和Hua等[12]基于長時間序列資料分析，認為在氣候變化和人為驅(qū)動的影響下，水文因素仍是黃河三角洲植被生長時空變化的主要驅(qū)動因子，而Cong等[13]和Liu等[14]則發(fā)現(xiàn)在人為驅(qū)動下，近幾十年黃河三角洲濕地面積，尤其是天然濕地面積減少比較明顯，且土地覆蓋破碎化程度逐漸加劇[15-16]。

黃河三角洲地區(qū)土地覆蓋類型復(fù)雜多樣，部分LUCC類型有明顯的時間特征。但目前已有的成果中，多使用單一時間獲取的影像進行黃河三角洲區(qū)域土地覆蓋遙感解譯[17-18]，因獲取影像成像時間存在差異，導(dǎo)致部分土地覆蓋類型存在錯分和漏分、不同研究成果之間解譯結(jié)果存在差異，并且僅在像元層面上開展監(jiān)督分類提取結(jié)果也導(dǎo)致精度有限。因此，在前人研究的基礎(chǔ)上，本文擬基于不同土地覆蓋類型在Landsat影像上的時間序列特征，結(jié)合面向?qū)ο蟮亩喑叨确指钏惴ǎ_展1985-2018年黃河三角洲LUCC遙感解譯；在此基礎(chǔ)上，分析各土地利用類型的時間動態(tài)趨勢；并從水文和社會經(jīng)濟兩個方面對研究區(qū)域內(nèi)土地覆蓋變化的驅(qū)動因素進行探討，以期為黃河三角洲生態(tài)保護政策制定提供科學(xué)參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

本研究以現(xiàn)代黃河三角洲為研究區(qū)，主要位于東營市轄區(qū)內(nèi)，包括河口區(qū)東部、墾利區(qū)北部和利津縣東部，以墾利魚洼為頂點，北起挑河口，南至宋春榮溝，陸地面積約3 000 km2，地處山東省藍黃經(jīng)濟帶的核心，研究區(qū)地理位置和范圍以及2018年真彩色影像見圖1?，F(xiàn)代黃河三角洲背陸面海，受歐亞大陸和太平洋的共同影響，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年均氣溫12.1 ℃，年均降水量551.6 mm，其中70%分布在夏季，是我國暖溫帶保存最完整、最廣闊和最年輕的濱海濕地。研究區(qū)土壤類型主要為隱域性潮土和鹽土，植被區(qū)域分布主要受土壤、水分、鹽分和人類活動的共同影響，呈明顯的海陸規(guī)律性演替[19]。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.2.1 遙感影像及預(yù)處理 根據(jù)研究區(qū)概況，挑選1985-2018年覆蓋研究區(qū)的無云或者少云遙感影像，包括Landsat5 TM、7 ETM以及8 OLI共8個時期的25景影像，空間分辨率均為30 m。為減少遙感數(shù)據(jù)成像時間不同對解譯結(jié)果精度的影響，并考慮研究區(qū)不同植被類型的生長季特征，本文盡量選用4-10月的時間序列影像進行土地覆蓋解譯，選用的遙感影像信息見表1?；贓NVI軟件對原始遙感影像進行波段合成、輻射定標(biāo)，并對不同時期影像進行幾何校正，控制誤差在0.5個像元之內(nèi)，然后以研究區(qū)矢量邊界進行裁剪，得到研究區(qū)的遙感影像。

2.2.2 水文資料 本研究中使用的水文資料主要來自水利部黃河水利委員會發(fā)布的黃河水資源公報中利津站1976-2018年共43 a的實測徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)。

2.2.3 社會經(jīng)濟數(shù)據(jù) 社會經(jīng)濟發(fā)展是黃河三角洲土地覆蓋變化的又一主要驅(qū)動力，本文選取GDP和人口數(shù)據(jù)兩個經(jīng)濟指標(biāo)作為研究區(qū)土地覆蓋變化的主要人為驅(qū)動因素[20]。因研究區(qū)主要覆蓋河口區(qū)和墾利區(qū)，因此，本研究中依據(jù)山東省統(tǒng)計年鑒、東營市統(tǒng)計年鑒、東營市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報的1990-2018年的河口和墾利統(tǒng)計年鑒中的兩區(qū)總GDP和總?cè)丝跀?shù)據(jù)進行分析。

2.2.4 土地覆蓋數(shù)據(jù)解譯與分析 研究區(qū)土地覆蓋解譯主要基于eCognition和ArcGIS軟件。利用預(yù)處理后的多時相Landsat數(shù)據(jù)，根據(jù)歷史資料及地面調(diào)查數(shù)據(jù)，分析不同土地利用類型在Landsat影像上的時序特征，并結(jié)合圖像分割、監(jiān)督分類等方法對8個時期遙感影像進行土地覆蓋專題解譯。根據(jù)2018年實測的104個地面調(diào)查數(shù)據(jù)對解譯精度進行評價，并基于ArcGIS軟件對不同時期的土地利用圖層進行疊加分析，計算不同土地覆蓋類型之間的馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣，對研究區(qū)1985-2018年LUCC的時間維特征進行分析；利用圖層的屬性表，計算出土地利用類型轉(zhuǎn)移概率。

根據(jù)研究區(qū)土地利用特征，參考前人研究成果[21-23]，本文中將黃河三角洲土地覆蓋類型分為濱海濕地、河流濕地、沼澤濕地、草甸濕地、河灘地、水庫坑塘、鹽田養(yǎng)殖場、溝渠濕地、水田、旱地農(nóng)田、建設(shè)用地、鹽堿撂荒地等12種類型，其中，濱海濕地、河流濕地、沼澤濕地、草甸濕地和河灘地屬于天然濕地，而水庫坑塘、鹽田養(yǎng)殖塘、溝渠濕地和水田歸為人工濕地?；?018年11月3日獲取的104個地面調(diào)查數(shù)據(jù)進行解譯精度評價，結(jié)果表明，各類地物的解譯精度均在90%以上，總體Kappa系數(shù)為0.85，且得到的其它時期的解譯結(jié)果與歷史資料具有較好的一致性，分類結(jié)果滿足研究需要。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地覆蓋類型面積及其變化

1985-2018年研究區(qū)不同土地覆蓋類型的分布狀況和面積見圖2和表2。根據(jù)圖2和表2，除濱海濕地外，研究區(qū)主要土地覆蓋類型為沼澤濕地、草甸濕地、旱地農(nóng)田及鹽堿撂荒地；與1985年相比，2018年研究區(qū)濱海濕地、沼澤濕地、草甸濕地的面積明顯減少，而鹽田養(yǎng)殖塘面積增加比較顯著，由1985年的0.015 4×104hm2增加到2018年的4.655 3×104hm2，且空間分布向海、向內(nèi)不斷擴張(圖2)。另外，在整個研究時間段內(nèi)，水庫坑塘、水田等人工濕地雖然在數(shù)量上增加不多，但增加幅度比較大，1985-2018年水庫坑塘和水田分別由0.110 2×104、0.272 7×104hm2增加到1.143 5×104、2.525 6×104hm2，分別增加937.66%、826.15%。

圖2 1985-2018年研究區(qū)不同土地覆蓋類型分布狀況

表2 1985-2018年年研究區(qū)各土地覆蓋類型面積104 hm2

1985-2018年研究區(qū)天然濕地和人工濕地面積變化見圖3。由圖3可看出，自1985年以來，現(xiàn)代黃河三角洲濕地面積變化比較顯著，天然濕地面積雖有波動，但總體呈減少趨勢，1985-2018年期間，天然濕地共減少9.984 7×104hm2，平均每年的減少率為1.12%，其中沼澤濕地和草甸濕地的變化尤為明顯；而人工濕地面積則逐漸增大，由1985年的0.448 2×104hm2增加到2018年的8.777 1×104hm2，年平均增加率達到54.66%，主要是鹽田養(yǎng)殖場和水田面積的增加。

圖3 1985-2018年研究區(qū)天然濕地和人工濕地面積變化

計算了1985-2018年研究區(qū)各土地覆蓋類型動態(tài)度，其結(jié)果見表3。由表3可見。1985-2018年期間，天然濕地變化速度最快的時段是1985-1990年，動態(tài)度為-28.38%，且除河灘地外，其他類型的天然濕地表現(xiàn)出明顯的萎縮，然而人工濕地在1985-1990年表現(xiàn)為急速增加，增加幅度為414.07%，尤其是鹽田養(yǎng)殖場，增加幅度達到4 122.73%。另外，研究區(qū)人工濕地在2005-2010年間也表現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢，主要來自于水稻的大面積種植(水田動態(tài)度達1 014.90%)。

表3 1985-2018年研究區(qū)各土地覆蓋類型動態(tài)度 %

3.2 土地覆蓋類型動態(tài)轉(zhuǎn)移

僅以1985年與2018年兩期數(shù)據(jù)為例分析不同土地覆蓋類型間的動態(tài)轉(zhuǎn)移特點，其轉(zhuǎn)移概率矩陣如表4所示。

表4顯示，2018年與1985年相比所減少的天然濕地主要轉(zhuǎn)變成為旱地農(nóng)田、鹽田養(yǎng)殖場、撂荒地和水田等，例如，消失的草甸濕地、溝渠濕地和河灘地主要轉(zhuǎn)為鹽堿撂荒地，而河流濕地也有14%的面積轉(zhuǎn)化為沼澤濕地。

表4 1985-2018年黃河三角洲土地覆蓋類型轉(zhuǎn)移概率矩陣 %

計算結(jié)果表明，與1985年相比，2018年有19.69%的草甸濕地、25.26%的溝渠濕地和34.45%的沼澤濕地等轉(zhuǎn)變?yōu)辂}田養(yǎng)殖池；有23.8%的草甸濕地、34.3%的溝渠濕地、44.82%的河灘地、52.82%的水田和22.74%的旱地農(nóng)田轉(zhuǎn)化為鹽堿撂荒地；而消失的河流濕地主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸闈竦?22.23%)；也有絕大部分的河灘地(47.20%)和鹽堿撂荒地(30.14%)被開墾成旱地農(nóng)田。

3.3 驅(qū)動因素分析

3.3.1 水文因素 黃河來水和泥沙淤積是導(dǎo)致研究區(qū)土地覆蓋變化的主要自然因素。本文以利津水文站1976-2018年的徑流量和輸沙量資料進行分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可看出，自1976年以來，利津站徑流量和輸沙量變化趨勢比較一致，均呈整體下降態(tài)勢，年均減少量分別為4.01×108m3、0.21×108t，減少程度比較顯著，但不同時間段的變化趨勢存在差異。受2003年黃河秋汛影響，2003年利津站徑流量和輸沙量均有明顯的增加，因此以2003年為節(jié)點進行分析。1976-2002年利津站徑流量下降趨勢比較明顯，年均減少量為12.53×108m3；2004-2017年徑流量的年減少率變緩，但仍大于1976-2018年的年減少率，為5.98×108m3。與徑流量的變化趨勢比較一致，1976-2002年利津站輸沙量年減少率高達0.32×108t，而2003-2017年輸沙量的年減少率有所減緩，為0.18×108t。

圖4 1976-2018年利津水文站徑流量和輸沙量隨時間變化趨勢

進一步分析研究區(qū)各土地覆蓋類型與主要水文因素的相關(guān)關(guān)系，計算出其相關(guān)系數(shù)見表5。根據(jù)表5，除天然濕地與徑流量呈正相關(guān)關(guān)系外，人工濕地、旱地農(nóng)田、建設(shè)用地及鹽堿撂荒地與徑流量均呈負相關(guān)關(guān)系；與徑流量相比，輸沙量對黃河三角洲土地覆蓋的影響比較顯著，輸沙量的減少與天然濕地面積的變化呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與建設(shè)用地面積變化的負相關(guān)關(guān)系比較顯著。

表5 研究區(qū)土地覆蓋類型與主要水文因素的相關(guān)系數(shù)

3.3.2 社會經(jīng)濟因素 圖5顯示了研究區(qū)內(nèi)的墾利區(qū)和河口區(qū)1990-2018年的GDP總量和總?cè)丝陔S時間變化趨勢。

由圖5中可以看出，1990-2018年間，研究區(qū)內(nèi)人口一直呈逐漸增加的態(tài)勢，年增加量為0.47×104人，增加趨勢不明顯。而GDP的變化比較顯著，且有明顯的分階段時間特征，1990-2000年間，研究區(qū)GDP增速比較緩慢，年增加量僅為2.14×108元，2001-2005年，研究區(qū)GDP開始呈現(xiàn)較大幅度的增加，年增長量上升到15.7×108元，從2006年起，研究區(qū)域內(nèi)的GDP進入高速增長階段，年增加量高達62.25×108元。

圖5 1990-2018年研究區(qū)GDP總量和總?cè)丝陔S時間變化趨勢

分析研究區(qū)各土地覆蓋類型與主要經(jīng)濟因素GDP及人口的相關(guān)關(guān)系，計算出其相關(guān)系數(shù)見表6。從總體上看，GDP與人口隨時間變化趨勢與人工濕地、建設(shè)用地的變化趨勢比較一致，呈正相關(guān)關(guān)系，且人工濕地面積的增加與GDP、人口這兩個社會經(jīng)濟主要因子的增長呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；而天然濕地、旱地農(nóng)田及鹽堿撂荒地隨GDP和人口的增加而減少，且天然濕地受社會經(jīng)濟因素的影響較為明顯，呈顯著負相關(guān)關(guān)系。

表6 研究區(qū)土地覆蓋類型與主要經(jīng)濟因素的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié) 論

基于不同土地覆蓋類型在Landsat影像上的時間序列特征，結(jié)合面向?qū)ο蠓指钏惴ǎ崛×?985-2018年8個時期的現(xiàn)代黃河三角洲LUCC數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對該時段現(xiàn)代黃河三角洲LUCC的時間動態(tài)進行分析，并對研究區(qū)土地利用(土地覆蓋)變化的水文因素和社會經(jīng)濟因素進行探討。

(1)通過分析發(fā)現(xiàn)，1985-2018年現(xiàn)代黃河三角洲土地利用(土地覆蓋)變化比較顯著，總體表現(xiàn)為天然濕地逐漸減少，而人工濕地面積在波動中逐漸增加，兩者變化的主要原因是天然濕地中的沼澤濕地和草甸濕地被開發(fā)為鹽田養(yǎng)殖場及水田，且空間分布上向海、向內(nèi)不斷擴張。

(2)探究現(xiàn)代黃河三角洲土地利用(土地覆蓋)變化的主要水文因素發(fā)現(xiàn)，輸沙量是影響現(xiàn)代黃河三角洲土地利用(土地覆蓋)變化的主要因素。1976年以來，雖然在不同時間段內(nèi)研究區(qū)輸沙量變化率存在差異，但總體呈減少趨勢。輸沙量的減少一方面使得研究區(qū)新生天然濕地增速降低，另一方面也使得研究區(qū)成陸面積相對穩(wěn)定，促進了建設(shè)用地的增加，而且，徑流量的減少導(dǎo)致河道內(nèi)及沿河兩岸的泥沙沉積，使得黃河隨著水床位置不斷提高，造成研究區(qū)地下水位降低，土壤含水量降低，自然濕地逐漸向旱地演化。

(3)從社會經(jīng)濟因素方面看，研究時間段內(nèi)，研究區(qū)人口和GDP均有比較明顯的增加，尤其是GDP在2005年之后有較明顯的增幅，增長率高達62.25×108元/a。經(jīng)濟指標(biāo)的增加對研究區(qū)土地利用(土地覆蓋)變化影響比較顯著，其中，人工濕地面積的增加與人口和GDP增長的正相關(guān)關(guān)系比較顯著，而天然濕地面積的減少則與兩類指標(biāo)的負相關(guān)關(guān)系比較顯著。