密懷順?biāo)幢Ｗo(hù)區(qū)土地利用演化驅(qū)動因素分析

張雨航， 安同艷, 史芫芫, 范 清， 孫長虹， 何 煒*

(1.北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院， 北京 100037； 2.國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心， 北京 100037)

土地利用/覆蓋變化(LUCC)是人類活動和自然要素共同作用的結(jié)果，被認(rèn)為是全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容[1-2]。國際人文因素計劃(International Human Dimensions Program，IHDP)和國際地圈與生物圈計劃(Internaitonal Geosphere-biosphere Program，IGBP)共同確立的國際間計劃LUCC中，將區(qū)域土地利用與覆蓋變化對水量、水質(zhì)、水循環(huán)的影響作為關(guān)注熱點問題，也是我國中長期科學(xué)技術(shù)發(fā)展重大戰(zhàn)略需求和基礎(chǔ)研究方向之一[3-4]。研究土地利用結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，對土地利用調(diào)控、合理利用土地、促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[5]，同時也有利于發(fā)現(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化對環(huán)境產(chǎn)生的潛在風(fēng)險。可以說土地利用/覆蓋變化的相關(guān)研究依舊是當(dāng)今的研究熱點。任杰等[6]利用Landsat-MSS/TM/ETM等數(shù)據(jù)，對伊犁盆地1980—2015年期間的土地利用/覆被變化及驅(qū)動因素進(jìn)行研究，研究顯示社會經(jīng)濟(jì)因素是研究區(qū)土地覆被變化的主要推動因素；毛鴻欣等[7]基于地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)空間分析系統(tǒng)對銀川平原土地利用變化時空格局進(jìn)行研究，結(jié)果為銀川平原土地資源的合理整治和修復(fù)提供借鑒；王譯著等[8]對昆明市呈貢區(qū)2003—2018年土地利用動態(tài)變化時空特征研究，結(jié)果顯示城市發(fā)展進(jìn)程中建設(shè)用地和綠地呈增加趨勢，而耕地則明顯減少?？梢?，時間尺度上土地利用/覆蓋變化研究讓人們對關(guān)注區(qū)域的社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境發(fā)展內(nèi)在關(guān)系有了更清晰的認(rèn)識。

密懷順地區(qū)是北京第八水廠和懷柔應(yīng)急水源地的所在地，是重要的水源保護(hù)區(qū)，2015年前由于人口經(jīng)濟(jì)的快速增長，導(dǎo)致地下水超采，地下水位下降明顯，形成局部的降落漏斗，威脅北京市供水結(jié)構(gòu)安全。2014年底南水北調(diào)進(jìn)京后，部分盈余水量開始通過潮白河河道回補(bǔ)地下水，密懷順地區(qū)成為熱點研究地區(qū)，地下水回補(bǔ)可能帶來的區(qū)域水環(huán)境安全問題引起了眾多學(xué)者關(guān)注，這些研究主要集中在南水北調(diào)補(bǔ)水后引起的水位和水質(zhì)方面的變化研究[9-15]。何亞平等[16]對潮白河地區(qū)2018年12月與2017年同期相比，研究發(fā)現(xiàn)區(qū)域地下水位升幅在6～8 m，回補(bǔ)中心區(qū)升幅達(dá)12 m，影響范圍達(dá)到124.5 km2；張雨航等[17]對密懷順地區(qū)地下水中硝酸鹽氮時空變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)耕地屬性地塊地下水中硝酸鹽氮相對較高。以往研究未考慮到土地利用變化對環(huán)境的累積效應(yīng)，在水位抬升過程中，對地下水環(huán)境的風(fēng)險可能隨之升高[18]。對密懷順?biāo)幢Ｗo(hù)區(qū)土地利用時空演化規(guī)律及驅(qū)動因素的研究，有助于揭示保護(hù)區(qū)土地利用變化的內(nèi)在動力，完善保護(hù)區(qū)面源風(fēng)險的認(rèn)知，揭露農(nóng)業(yè)用地對地下水產(chǎn)生的隱蔽性風(fēng)險，為北京市飲用水源安全、居民飲水安全和水源保護(hù)措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 密懷順研究區(qū)概況

密懷順地區(qū)是北京市順義、懷柔、密云三區(qū)接壤地區(qū)(圖1)，是第八水廠和懷柔應(yīng)急水源地的所在地，是北京市重要的水源保護(hù)區(qū)。研究區(qū)面積約486.93 km2，范圍為東經(jīng)116°30′～117°，北緯40°10′～40°30′。屬于半濕潤半干旱季風(fēng)氣候，年平均降水量為615.6 mm。密懷順地區(qū)，歷史上曾經(jīng)是北京市重要的農(nóng)耕區(qū)，由于近些年社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，首都戰(zhàn)略定位轉(zhuǎn)變，農(nóng)耕區(qū)面積不斷縮小。

1.2 土地利用數(shù)據(jù)

利用2012年、2015年、2018年Spot5遙感影像數(shù)據(jù)提取土地利用類型，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域和濕地、建設(shè)用地、未利用地。

1.2 研究方法

基于轉(zhuǎn)移矩陣數(shù)學(xué)模型，利用ArcGIS,對土地利用解譯數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析，可全面而又具體地刻畫區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征與各用地類型變化的方向，該方法來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述。S為轉(zhuǎn)移矩陣數(shù)學(xué)模型，可表示為

(1)

式(1)中：S為土地利用總面積；Snn為土地利用轉(zhuǎn)化面積，其中n為土地利用類型。

采用土地利用變化率指數(shù)R來分析研究時段內(nèi)土地利用類型的變化幅度，其計算公式為

(2)

式(2)中：Ri為研究時段第i類土地利用的變化率，%,；Si,initial為研究時段初第i類土地利用的面積，Si,late為研究時段末第i類土地利用的面積。

采用土地利用動態(tài)變化強(qiáng)度指數(shù)M表征研究時段內(nèi)某類土地利用轉(zhuǎn)為其他類土地利用的難易程度，其表達(dá)式為

(3)

式(3)中：Mi=n為某類土地利用的轉(zhuǎn)出強(qiáng)度；Si,out/in表示某類土地利用的轉(zhuǎn)出/入面積；∑Si,out/in表示土地利用類型的轉(zhuǎn)出/轉(zhuǎn)入面積總和。

采用土地利用轉(zhuǎn)變傾向度指數(shù)H表征某類土地利用轉(zhuǎn)入/轉(zhuǎn)出傾向其他類土地利用的強(qiáng)度，以轉(zhuǎn)入地類面積占該地類轉(zhuǎn)出總面積的百分比表示，科表示為

(4)

式(4)中：Hi→j為由i類轉(zhuǎn)為j類土地利用的傾向強(qiáng)度，Si→j為由i類轉(zhuǎn)為j類土地利用的面積；∑Si,/non-iin為土地類型i轉(zhuǎn)為其他非i土地類型的總面積。

2 結(jié)果與討論

2.1 土地利用變化率

遙感影像數(shù)據(jù)解譯得到密懷順研究區(qū)2012、2015、2018年的土地利用類型圖(圖2)，2012年和2015年土地利用類型接近，而2018年和2015年相比明顯發(fā)生了較大變化(圖3)。相比2012年，2015年耕地面積減少16.09 km2(減幅8.2%)，林地面積增加14.92 km2(增幅22.53%)，水域和濕地面積增加0.94 km2(增幅8.13%)，草地面積增加2.97 km2(增幅11.34%)，建設(shè)用地面積增加2.79 km2(增幅1.64%)，未利用地面積減少5.52 km2(減幅33.25%)。相比2015年，2018年耕地面積減少84 km2(減幅46.60%)，林地面積增加74.77 km2(增幅92.15%)，水域和濕地面積增加8.46 km2(增幅67.46%)，草地面積增加4.39 km2(增幅15.07%)，建設(shè)用地面積減少4.03 km2(減幅2.33%)；未利用地面積增加0.42 km2(增幅3.79%)?？梢?012—2018年，密懷順研究區(qū)土地利用發(fā)生了劇烈變化，這種變化主要集中在2015年后，因此將2015年后土地利用的空間變化作為重點，利用轉(zhuǎn)移矩陣揭示其內(nèi)在變化。

圖2 2012、2015和2018年密懷順研究區(qū)土地利用類型Fig.2 Land usetypes of Mihuaishun research area in 2012, 2015 and 2018

圖3 2012—2018年土地利用變化Fig.3 Land use change from 2012 to 2018

2.2 土地利用變化矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反映了一個區(qū)域在2個時點間土地利用變化的數(shù)量結(jié)構(gòu)特征與各用地類型變化的方向，在土地利用變化分析中具有重要意義?；贏rcGIS技術(shù)對兩期土地利用圖進(jìn)行疊置分析從而獲得土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，研究兩期之間各土地利用類型的轉(zhuǎn)移變化情況，了解研究期初各類型土地的流失去向以及研究期末各類型土地的來源與構(gòu)成，重點研究密懷順?biāo)幢Ｗo(hù)區(qū)2015—2018年土地利用矩陣詳細(xì)變化情況(表1)，從宏觀、中觀、微觀三個維度對土地利用進(jìn)行研究分析，其中宏觀指的是土地利用變化率指數(shù)，中觀指的是土地利用動態(tài)變化強(qiáng)度指數(shù)，微觀指的是土地利用轉(zhuǎn)變傾向度指數(shù)，從而全面掌握研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移的內(nèi)在規(guī)律。

2.2.1 穩(wěn)定性分析

轉(zhuǎn)移矩陣(表1)顯示研究區(qū)總面積為486.93 km2，2015—2018年有187.07 km2各類用地屬性發(fā)生變化，299.86 km2的用地屬性未發(fā)生變化，總體穩(wěn)定性為61.58%。各用地類型穩(wěn)定性(圖4)從高到低分別為建設(shè)用地、林地、水域和濕地、耕地、草地、未利用地，穩(wěn)定性分別為80.33%、70.93%、70.41%、40.67%、21.88%和15.61%，因此未利用地、草地和耕地發(fā)生土地利用屬性的轉(zhuǎn)變較為強(qiáng)烈。

圖4 2015—2018年土地利用穩(wěn)定性Fig.4 Land use stability from 2015 to 2018

2.2.2 動態(tài)變化強(qiáng)度分析

據(jù)研究區(qū)2015—2018年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表(表1)，2015—2018年期間研究區(qū)土地利用發(fā)生動態(tài)變化的面積是187.07 km2，占研究區(qū)面積的38.42%。

表1 2015—2018年密懷順研究區(qū)土地利用矩陣

從轉(zhuǎn)移矩陣可以看出(表1和圖5)研究時段內(nèi)，土地利用類型凈轉(zhuǎn)入的有林地、水域和濕地、草地、未利用地，面積分別為74.76、8.45、4.39、0.42 km2，凈轉(zhuǎn)出的有耕地、建設(shè)用地，面積分別為84.01、4.03 km2，絕對面積林地和耕地變化最大。轉(zhuǎn)出強(qiáng)度耕地(51.38%)>建設(shè)用地(18.118%)>草地(12.16%)>林地(11.31%)>未利用地(5%)>水域和濕地(1.98%)；轉(zhuǎn)入強(qiáng)度林地(51.27%)>建設(shè)用地(16.02%)>草地(14.50%)>水域和濕地(6.50%)>耕地(6.48%)>未利用地(5.22%)。草地和未利用地穩(wěn)定性雖然低，但其絕對面積變化小，并非研究區(qū)最為活躍的土地利用類型；林地雖然穩(wěn)定性高，但其變化絕對面積較大。因此，2015—2018年土地利用變化更為劇烈，主要動態(tài)變化特征是耕地的轉(zhuǎn)出和林地的轉(zhuǎn)入。

圖5 2015—2018年土地利用轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入Fig.5 Land use transfer-out and transfer-in from 2015 to 2018

2.2.3 轉(zhuǎn)變傾向度分析

土地利用轉(zhuǎn)變傾向度可以消除土地利用未發(fā)生變化面積對轉(zhuǎn)換面積的影響，能更好地反映土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢信息。耕地的凈轉(zhuǎn)出面積最大，林地的凈轉(zhuǎn)入面積最大，而水域和濕地的增幅達(dá)到67.46%，因此著重研究這三類土地利用屬性的內(nèi)在變化規(guī)律。研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)出/轉(zhuǎn)入傾向度(表2)可得出耕地轉(zhuǎn)出傾向度從高到低依次是林地、建設(shè)用地、草地、未利用地、水域和濕地，轉(zhuǎn)出傾向度依次為70.98%、16.83%、9.19%、2.15%和0.85%，耕地屬性發(fā)生的變化主要轉(zhuǎn)入林地；林地轉(zhuǎn)入傾向度從高到低依次是耕地、建設(shè)用地、草地、未利用地、水域和濕地，轉(zhuǎn)入傾向強(qiáng)度依次為71.13%、14.99%、10.27%、2.79%和0.83%，林地新增面積主要來源為耕地；水域和濕地轉(zhuǎn)入傾向度從高到低依次是草地、未利用地、建設(shè)用地、耕地和林地，轉(zhuǎn)入傾向度依次是52.72%、24.69%、10.44%、6.72%和5.43%。因此2015—2018年最為活躍的土地屬性轉(zhuǎn)變即是耕地屬性轉(zhuǎn)入林地屬性。

表2 2015—2018年密懷順研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)出/轉(zhuǎn)入傾向度

2.3 驅(qū)動因素分析

基于轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)思想，在土地利用時空變化中有著得天獨厚的優(yōu)勢，區(qū)別于傳統(tǒng)的土地利用研究方法在宏觀層面上對土地利用的變化進(jìn)行研究，土地利用的轉(zhuǎn)移矩陣可以從宏觀、中觀、微觀3個層次逐層剝絲抽繭，掌握土地利用的內(nèi)在變化規(guī)律。2012—2018年密懷順?biāo)幢Ｗo(hù)區(qū)土地利用格局變化最明顯的特征是2015年后變化強(qiáng)度明顯高于2015年前，耕地、林地、水域和濕地變化幅度最大；2015年后林地、水域和濕地、草地、未利用地，呈現(xiàn)凈轉(zhuǎn)入趨勢，耕地、建設(shè)用地呈現(xiàn)凈轉(zhuǎn)出趨勢；最為活躍的土地屬性轉(zhuǎn)變即是耕地轉(zhuǎn)入林地。對于區(qū)域尺度特征的土地利用變化，國家政策引導(dǎo)會起到關(guān)鍵的作用。2012年7月，《北京市主體功能區(qū)規(guī)劃》公布，明確提出北京市懷柔、密云等5個區(qū)為生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)，是首都生態(tài)屏障和重要水源保護(hù)地；2012年8月《北京市林地保護(hù)利用規(guī)劃(2010—2020年)》獲市政府批準(zhǔn)，同時2012年北京市正式啟動平原區(qū)百萬畝造林工程，一系列政策組合是耕地面積大幅減少，林地面積大幅增加，耕地屬性地塊轉(zhuǎn)入林地屬性地塊的內(nèi)在原因。而2014年底南水北調(diào)進(jìn)京，按照“喝、存、補(bǔ)”的工作要求，除直接供水廠和水庫存水外，還將盈余水回補(bǔ)地下和城市河湖，直接或間接影響了北京市水資源分布格局，而密懷順研究區(qū)河道除直接接受南水北調(diào)補(bǔ)給外，也有來自己密云水庫泄流補(bǔ)給，這是研究區(qū)2015年后水域和濕地大幅增加的主要原因。建設(shè)用地先增后減是受到2015年初提出的疏解“北京非首都功能”影響，以及屬地實施的治理“散亂污”和清理違章建筑等政策所致?？梢?，密懷順研究區(qū)土地利用變化特點與背后政策驅(qū)動力息息相關(guān)。

3 結(jié)論

(1)2012—2018年密懷順研究區(qū)耕地、未利用地面積呈現(xiàn)減少趨勢，林地、水域和濕地、草地面積呈現(xiàn)增長趨勢，建設(shè)用地先增后減。從變化率情況來看2015年后的變化強(qiáng)度是2015年前的5.24倍。

(2)2015—2018年土地利用類型凈轉(zhuǎn)入的有林地、水域和濕地、草地、未利用地，面積分別為74.76、8.45、4.39、0.42 km2，凈轉(zhuǎn)出的有耕地、建設(shè)用地，面積分別為84.01、4.03 km2，絕對面積林地和耕地變化最大，反映出整個研究時段以耕地的轉(zhuǎn)出和林地的轉(zhuǎn)入為主要動態(tài)變化因子。

(3)2015年后耕地轉(zhuǎn)出面積的70.98%轉(zhuǎn)為林地，轉(zhuǎn)入林地面積的71.13%來源于耕地，耕地轉(zhuǎn)為林地的面積是68.23 km2，耕地屬性地塊轉(zhuǎn)為林地是最主要的流向特征。這一特征與《北京市主體功能區(qū)規(guī)劃》《北京市林地保護(hù)利用規(guī)劃(2010—2020年)》和平原區(qū)百萬畝造林工程相關(guān)。

(4)2015年后密懷順?biāo)幢Ｗo(hù)區(qū)的水域和濕地面積加速擴(kuò)大，2015—2018年面積增加了8.46 km2，增幅為67.46%，；建設(shè)用地面積2012—2015年增加了2.79 km2，2015—2018年面積減少了4.03 km2。

(5)在研究土地利用變化內(nèi)在規(guī)律特點和驅(qū)動因素的同時，保護(hù)區(qū)有約84.13 km2的耕地屬性地塊未發(fā)生變化，受到施用農(nóng)藥化肥的持續(xù)影響，對地下水產(chǎn)安全產(chǎn)生威脅；同時也需要關(guān)注耕地屬性地塊轉(zhuǎn)為其他屬性地塊面積達(dá)到96.12 km2，往往在現(xiàn)狀調(diào)研中掩蓋了曾經(jīng)的耕地屬性特征，忽視了耕地屬性地塊對環(huán)境具有累積賦存效應(yīng)，受降雨入滲影響，對地下水存在潛在風(fēng)險。因此，在后續(xù)的研究中需關(guān)注耕地屬性地塊對地下水環(huán)境影響外，還需開展對耕地屬性地塊轉(zhuǎn)為其它用地屬性地塊的相關(guān)研究，排除一切可能對水源保護(hù)區(qū)地下水產(chǎn)生影響的因素，全面保障北京市飲用水供水體系安全。