長(zhǎng)江水系湖泊型流域生態(tài)用地長(zhǎng)時(shí)間序列時(shí)空變化分析*

陳忠媛，高永年

(1 中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所 流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100)(2021年3月8日 收稿；2021年5月14日 收修改稿)

長(zhǎng)江水系湖泊眾多，中國(guó)5大淡水湖中的4個(gè)即鄱陽(yáng)湖、洞庭湖、太湖和巢湖均位于長(zhǎng)江流域，另外還擁有大量的中小型湖泊。湖泊型流域作為湖泊的集水區(qū)域[1]在長(zhǎng)江流域的面積占比超30%，在長(zhǎng)江水系中扮演著水量調(diào)節(jié)、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)、水質(zhì)凈化等十分重要的生態(tài)服務(wù)功能，“湖廣熟天下足”的諺語(yǔ)也表明歷史上湖泊對(duì)人類生存與生活產(chǎn)生了極大的影響。作為湖泊型流域生態(tài)功能主要載體的生態(tài)用地對(duì)長(zhǎng)江大保護(hù)具有重要作用，生態(tài)用地的變化與自然氣候及社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件有著極大的相互作用關(guān)系[2-7]。Wei等[8]研究發(fā)現(xiàn)，流域土地退化對(duì)湖庫(kù)水質(zhì)變化的RDA雙軸解釋率達(dá)到58.6%，說(shuō)明流域土地退化對(duì)湖庫(kù)水質(zhì)變化有顯著的貢獻(xiàn)；土地退化過(guò)程中，流域內(nèi)大量生態(tài)型土地轉(zhuǎn)化為退化型土地；Spearman相關(guān)分析結(jié)果表明湖庫(kù)流域中生態(tài)型土地對(duì)湖庫(kù)水質(zhì)的作用是有利的，生態(tài)型土地占比越大，NH3-N、CODMn、TN、TP越小，DO越高，水質(zhì)越好?？梢?jiàn)，研究長(zhǎng)江水系湖泊型流域生態(tài)用地變化對(duì)于湖泊水質(zhì)演變與保護(hù)乃至長(zhǎng)江的水生態(tài)改善具有重要意義。

“生態(tài)用地”由國(guó)內(nèi)學(xué)者提出，主要研究方向包括區(qū)域/城市生態(tài)用地、生態(tài)用地的內(nèi)涵、分類與時(shí)空格局等[9-16]，而在國(guó)外的土地分類研究中并未將生態(tài)用地作為一項(xiàng)獨(dú)立和專門的類型名稱加以明確提出，但是在其土地分類體系及生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值研究中已經(jīng)滲透了生態(tài)用地的思想[17-18]，有很多學(xué)者對(duì)單一生態(tài)用地類型進(jìn)行了生態(tài)評(píng)價(jià)與時(shí)空變化研究[19-20]。在生態(tài)用地變化方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均進(jìn)行了大量研究，大多是利用土地轉(zhuǎn)移矩陣、土地利用動(dòng)態(tài)度、土地利用程度綜合指數(shù)、Markov轉(zhuǎn)移概率矩陣[21]等方法進(jìn)行區(qū)域性或單一土地類型變化研究。國(guó)內(nèi)有關(guān)生態(tài)用地的研究主要集中在西北、西南以及三江平原一帶，主要是對(duì)草地、林地、濕地變化的長(zhǎng)時(shí)間序列研究，時(shí)間跨度一般為20世紀(jì)中后期到21世紀(jì)初，變化情況主要表現(xiàn)為林地喪失、草地退化以及濕地減少[22-26]等。國(guó)外關(guān)于生態(tài)用地的變化研究也是區(qū)域性的，但呈現(xiàn)出來(lái)的變化趨勢(shì)各地區(qū)卻各有不同，在巴西森林喪失的情況下[27]，美國(guó)東部、歐洲等地區(qū)的森林覆蓋率卻表現(xiàn)出基本保持不變甚至有所增加的趨勢(shì)[28-31]。引起生態(tài)用地發(fā)生變化的驅(qū)動(dòng)因子有很多，主要受自然因素與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)驅(qū)動(dòng)因子的研究也包括了這兩大類，但生態(tài)用地變化更多地來(lái)源于人類活動(dòng)，因此，學(xué)者更傾向于研究社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素給生態(tài)用地變化帶來(lái)的影響。國(guó)內(nèi)的研究主要有2種方向，一種是只選取人口、經(jīng)濟(jì)、政策等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行研究[32-33]，另一種認(rèn)為自然因素是基礎(chǔ)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素是催化劑，所以既選取了如地形地貌、氣候、植被等自然因素，又選取了政策、人口、道路修建等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素[34-35]。國(guó)外的研究在驅(qū)動(dòng)因子的選擇上更直接一些，在對(duì)森林變化的研究中，主要的驅(qū)動(dòng)因子有農(nóng)業(yè)擴(kuò)張、木材制造加工業(yè)、造林活動(dòng)等[29,31,36]，因此有學(xué)者將驅(qū)動(dòng)因子分為商業(yè)驅(qū)動(dòng)的森林采伐、農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)換、林業(yè)、野火和城市化5大類[20]。還有的研究只選取一個(gè)因素對(duì)生態(tài)用地進(jìn)行分析，如密西西比河濕地棲息地研究中，選擇運(yùn)河的建設(shè)作為驅(qū)動(dòng)因子展開(kāi)研究[37]，還有選擇公路網(wǎng)的發(fā)展對(duì)泰國(guó)羅布泊省的土地利用進(jìn)行分析[38]。在對(duì)土耳其森林的研究中，森林覆蓋率增加的一個(gè)驅(qū)動(dòng)因子為社會(huì)壓力，即對(duì)于砍伐森林及非法砍伐的社會(huì)壓力導(dǎo)致人們減少了砍伐行為，從而降低了森林干擾率，最終使得森林覆蓋率增加[36]。

綜上來(lái)看，研究者對(duì)生態(tài)用地從不同角度開(kāi)展了系列研究并取得了階段性進(jìn)展，但以湖泊型流域特別是長(zhǎng)江水系湖泊型流域?yàn)閱卧?，以生態(tài)用地為對(duì)象的長(zhǎng)時(shí)間序列研究尚未有系統(tǒng)開(kāi)展。為此，本文基于長(zhǎng)江流域1980—2015年7期土地利用數(shù)據(jù)，以長(zhǎng)江流域內(nèi)200多個(gè)湖泊型流域?yàn)閱卧到y(tǒng)分析湖泊型流域生態(tài)用地的長(zhǎng)時(shí)間序列時(shí)空變化，以期為湖泊型流域土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整和布局優(yōu)化、乃至長(zhǎng)江大保護(hù)相關(guān)決策提供支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文以長(zhǎng)江水系湖泊型流域?yàn)檠芯繀^(qū)(圖1)。長(zhǎng)江流域內(nèi)有229個(gè)面積≥5 km2的湖泊，如鄱陽(yáng)湖、太湖、洞庭湖等，這些湖泊的流域總面積達(dá)54.6萬(wàn)km2，占長(zhǎng)江流域面積178萬(wàn)km2的30.7%。湖泊型流域在長(zhǎng)江源區(qū)、上中下游均有分布，其中源區(qū)有33個(gè)，面積為1.54萬(wàn)km2，約為湖泊型流域總面積的2.83%；上游有9個(gè)，面積為0.41萬(wàn)km2，約占0.75%；中游有128個(gè)，面積為45.6萬(wàn)km2，約占83.55%；下游有59個(gè)，面積為6.95萬(wàn)km2，約占12.74%。研究區(qū)主要屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，降水豐沛、雨熱同期，水熱資源豐富，生態(tài)類型多樣；長(zhǎng)江水系湖泊型流域經(jīng)度跨度大，涉及行政區(qū)多，主要涵蓋16個(gè)省、市、自治區(qū)，如鄂、湘、贛、皖、蘇、滬等；中下游湖泊型流域人口稠密，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，工農(nóng)業(yè)發(fā)展水平高；上游及源區(qū)湖泊型流域人口相對(duì)稀疏，自然生態(tài)條件相對(duì)脆弱。

1.2 數(shù)據(jù)及其來(lái)源

使用的數(shù)據(jù)包括土地利用、數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)和湖泊邊界。土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心，是基于Landsat遙感影像，通過(guò)人工目視解譯生成的1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015年空間分辨率為1 km的土地利用柵格數(shù)據(jù)(圖1)，土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6個(gè)一級(jí)類型以及25個(gè)二級(jí)類型(表1)，土地利用一級(jí)類型綜合評(píng)價(jià)精度達(dá)到93%以上，二級(jí)類型分類綜合精度達(dá)90%以上[39]。DEM數(shù)據(jù)選擇的是SRTM地形數(shù)據(jù)(圖1)，空間分辨率為90 m，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心。湖泊邊界數(shù)據(jù)(圖1)來(lái)源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心湖泊-流域分中心，湖泊面積≥5 km2。

表1 土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分類體系

1.3 研究方法

1.3.1 湖泊型流域邊界生成

基于SRTM DEM空間分辨率為90 m的高程數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS劃分生成各湖泊流域邊界，劃分過(guò)程主要包括6步，即原始DEM填洼、流向生成、流量累積、出水口(傾瀉點(diǎn))創(chuàng)建、傾瀉點(diǎn)捕捉和流域劃定。原始DEM填洼主要是采用ArcGIS水文工具箱中的Fill工具“刪除”DEM中的凹陷；流向生成主要為采用Flow Direction工具基于填洼后的DEM數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)柵格的水流方向；流量累積以Flow Direction生成的柵格流向數(shù)據(jù)作為輸入，輸出柵格匯流累積量計(jì)算數(shù)據(jù)。出水口(傾瀉點(diǎn))創(chuàng)建與捕捉相對(duì)復(fù)雜，為提高精度，對(duì)匯流累積量進(jìn)行分級(jí)，并選擇最大匯流累積量與湖泊邊界數(shù)據(jù)的交點(diǎn)作為傾瀉點(diǎn)；由于部分湖泊存在2個(gè)或2個(gè)以上的傾瀉點(diǎn)從而產(chǎn)生一定的誤差，因此采用人工輔助判斷，篩選符合實(shí)際的傾瀉點(diǎn)；利用Watershed工具輔助流向柵格和傾瀉點(diǎn)分布數(shù)據(jù)計(jì)算得到以傾瀉點(diǎn)為湖泊“出水口”的湖泊集水區(qū)域，將多個(gè)傾瀉點(diǎn)生成的湖泊流域柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù)再進(jìn)行合并處理，即得到湖泊的流域邊界。最終生成的229個(gè)湖泊型流域邊界如圖1所示，其中流域面積在100 km2以下的有87個(gè)，100～<500 km2的有86個(gè)，500～<2 000 km2的有35個(gè)，≥2 000 km2的有21個(gè)。

圖1 長(zhǎng)江水系面積不小于5 km2的湖泊及其流域分布以及長(zhǎng)江流域土地利用示意圖

1.3.2 生態(tài)用地重分類

基于研究區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)，將生態(tài)用地分為林地、草地、濕地3個(gè)一級(jí)類型、13個(gè)二級(jí)類型。林地按照郁閉度及自然屬性主要?jiǎng)澐譃橛辛值?、灌木林、疏林地、其他林?個(gè)二級(jí)類型；草地基于植被覆蓋度及自然屬性主要?jiǎng)澐譃楦吒采w度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地3個(gè)二級(jí)類型；濕地主要來(lái)源于土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分類體系中的水域和未利用地，主要包括河渠、湖泊、水庫(kù)坑塘、灘涂、灘地、沼澤地6個(gè)二級(jí)類型，本文濕地未將水田和永久性冰川雪地包含在內(nèi)。

1.3.3 生態(tài)用地變化指標(biāo)

1)生態(tài)用地綜合動(dòng)態(tài)度。生態(tài)用地綜合動(dòng)態(tài)度為研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)用地發(fā)生變化的面積之和占區(qū)域總面積的比例，用于計(jì)算某一時(shí)段內(nèi)整個(gè)區(qū)域全部生態(tài)用地的變化速率，能夠反映出區(qū)域內(nèi)各種因素對(duì)生態(tài)用地變化的綜合影響，借鑒文獻(xiàn)[40]的動(dòng)態(tài)度思想，將生態(tài)用地動(dòng)態(tài)度計(jì)算公式改進(jìn)為

(1)

式中：Z表示生態(tài)用地綜合動(dòng)態(tài)度，Sij表示第i種地類轉(zhuǎn)化為第j種地類的面積，m表示生態(tài)用地類型數(shù)，n表示土地利用類型數(shù)，T為時(shí)間段。

2)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣[41](表2)不僅可以反映某一區(qū)域某一時(shí)段期初與期末土地利用類型結(jié)構(gòu)，而且可以反映各地類之間的面積相互轉(zhuǎn)化情況，便于了解期初各地類的流失去向及期末各地類的來(lái)源與構(gòu)成。本文通過(guò)計(jì)算流域土地利用轉(zhuǎn)移面積，并計(jì)算其占總土地面積的百分比來(lái)構(gòu)成矩陣，以此研究生態(tài)用地的轉(zhuǎn)移情況。

表2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

2 結(jié)果與討論

2.1 生態(tài)用地總體變化趨勢(shì)

2.1.1 面積及其占比

1980—2015年湖泊型流域生態(tài)用地面積與占比均呈現(xiàn)“先逐步上升—后波動(dòng)穩(wěn)定—再快速下降”3階段趨勢(shì)(圖2)。第1階段生態(tài)用地面積由1980年的347 949 km2增加到1995年的349 451 km2，增加0.43%；第2階段生態(tài)用地面積未發(fā)生明顯變化，占總面積的比例維持在64%±0.02%以內(nèi)；第3階段，生態(tài)用地快速減少，2015年相較2010年減少888 km2；但仍較1980年多508 km2，2015年相較1980年增加0.15%。

圖2 1980—2015年湖泊型流域生態(tài)用地面積及其占比變化

生態(tài)用地一級(jí)類中，林地占比最高，各年份林地占生態(tài)用地面積的比例基本維持在81%左右；其次為草地，各年份面積占比約10%；濕地占比最少，基本保持在9%以內(nèi)。1980—2015年，林地面積占比總體呈下降趨勢(shì)，2015年面積相較1980年減少0.47%；但林地面積在1980—2010年間未發(fā)生顯著變化，2015年較2010年陡然減少1 216 km2。草地面積及其占比變化趨勢(shì)一致，基本都呈先增后減再增的態(tài)勢(shì)，最大值出現(xiàn)在1990年，面積和占比分別為3.58萬(wàn)km2和10.26%，最小值出現(xiàn)在2010年，面積和占比分別為3.46萬(wàn)km2和9.91%。濕地面積和占比總體均呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，2015年面積相較1980年增加2 405 km2，占比增加0.68%。

2.1.2 綜合動(dòng)態(tài)度

1980—2015年各時(shí)間段，湖泊型流域生態(tài)用地綜合動(dòng)態(tài)度(表3)總體呈現(xiàn)“波浪式振動(dòng)”狀態(tài)，年份末尾數(shù)為0至5的時(shí)間段綜合動(dòng)態(tài)度較大，其他時(shí)間段綜合動(dòng)態(tài)度相對(duì)較小，較大時(shí)間段的動(dòng)態(tài)度約為較小時(shí)間段的2倍。2010—2015年，生態(tài)用地綜合動(dòng)態(tài)度最大，主要表現(xiàn)為林地向建設(shè)用地與草地、耕地向濕地轉(zhuǎn)移，既包含生態(tài)用地與非生態(tài)用地之間的相互轉(zhuǎn)變，也包含生態(tài)用地內(nèi)部的轉(zhuǎn)變。1990—1995年的生態(tài)用地綜合動(dòng)態(tài)度與2010—2015年相差不大，但這段時(shí)期生態(tài)用地的變化主要體現(xiàn)在耕地向濕地與林地、草地向林地轉(zhuǎn)移，非生態(tài)用地轉(zhuǎn)入的面積與生態(tài)用地內(nèi)部轉(zhuǎn)變的面積較大。2000—2005、2005—2010年，大部分生態(tài)用地轉(zhuǎn)移都是從耕地轉(zhuǎn)向濕地，其次是草地轉(zhuǎn)向林地以及林地轉(zhuǎn)向建設(shè)用地，這兩段時(shí)期城市化進(jìn)程逐漸加速，且國(guó)家提出退耕還林還湖的政策。1980—1990年時(shí)段內(nèi)大部分土地轉(zhuǎn)移是耕地轉(zhuǎn)向濕地，其次是林地轉(zhuǎn)向草地。1995—2000年生態(tài)用地綜合動(dòng)態(tài)度最低，表示這一時(shí)期內(nèi)人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)用地變化的影響程度最低，主要變化表現(xiàn)在耕地轉(zhuǎn)向濕地，林地、濕地轉(zhuǎn)向耕地。

表3 各時(shí)段湖泊型流域生態(tài)用地綜合動(dòng)態(tài)度

2.2 差別化類型與區(qū)域湖泊型流域生態(tài)用地變化趨勢(shì)

2.2.1 從湖泊大小等級(jí)分類角度

結(jié)合已有的湖泊大小等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)[42-45]，以湖泊面積為依據(jù)將湖泊分為小型湖泊(5～<10 km2)、中型湖泊(10～<50 km2)、大型湖泊(50～<500 km2)和特大型湖泊(≥500 km2)，并分析了它們對(duì)應(yīng)的湖泊型流域在1980—2015年期間生態(tài)用地的面積變化情況(圖3)。在1980—2015年這35年間，不同等級(jí)湖泊對(duì)應(yīng)的湖泊型流域內(nèi)生態(tài)用地的面積及其變化特征既有相似點(diǎn)，又有不同之處。相似點(diǎn)在于4個(gè)級(jí)別湖泊型流域生態(tài)用地中林地的總面積最大，濕地都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在2010—2015年期間生態(tài)用地均表現(xiàn)為減少趨勢(shì)。但不同之處更為明顯，首先，4個(gè)級(jí)別湖泊型流域的生態(tài)用地面積總量相差較大，小型湖泊對(duì)應(yīng)的流域(103個(gè))雖然數(shù)量多，但生態(tài)用地面積平均值僅為6 046 km2；中型湖泊對(duì)應(yīng)流域的數(shù)量(90個(gè))是大型湖泊(32個(gè))的近3倍，但生態(tài)用地面積的平均值卻只多了不到1/4，分別為30 228 km2和22 930 km2，且中型湖泊對(duì)應(yīng)流域的濕地面積始終多于草地面積，而大型湖泊對(duì)應(yīng)流域則是草地面積大于濕地面積；特大型湖泊的數(shù)量最少，僅有4個(gè)，分別是巢湖、太湖、洞庭湖和鄱陽(yáng)湖，但它們對(duì)應(yīng)流域的生態(tài)用地面積卻最大，平均值為312 056 km2。

圖3 不同大小等級(jí)湖泊對(duì)應(yīng)流域1980—2015年生態(tài)用地面積變化

其次，不同級(jí)別湖泊對(duì)應(yīng)流域的生態(tài)用地變化趨勢(shì)不同，小型湖泊對(duì)應(yīng)流域的生態(tài)用地面積在1980—2005年處于上升狀態(tài)，但2005—2015開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，林地也是下降趨勢(shì)，草地和濕地的變化趨勢(shì)大致相反，且在2005年濕地面積首次超過(guò)草地面積；中型湖泊和大型湖泊對(duì)應(yīng)流域的生態(tài)用地面積變化趨勢(shì)大致相同，在1980—1990年和2000—2005年有大幅度的上升，在1990—2000年和2005—2010年也在上升但幅度較小，在2010—2015年出現(xiàn)下降趨勢(shì)，林地、草地、濕地在該2個(gè)級(jí)別類型的變化趨勢(shì)也大致相同；大型湖泊對(duì)應(yīng)流域的生態(tài)用地在1980—1995年大幅度增加，在1995—2015年持續(xù)減少，尤其在2010—2015年出現(xiàn)大幅度的減少，林地和草地則是波動(dòng)變化的。

2.2.2 從長(zhǎng)江的源區(qū)、上游、中游、下游分區(qū)角度

根據(jù)長(zhǎng)江水系的源區(qū)、上游、中游、下游分區(qū)，分析不同區(qū)域1980—2015年湖泊型流域生態(tài)用地的面積變化情況(圖4)。在1980—2015年這35年間，生態(tài)用地在長(zhǎng)江水系不同分區(qū)的湖泊型流域均發(fā)生了不同程度和不同趨勢(shì)的變化，但從結(jié)果上而言，相較于1980年，2015年源區(qū)、中游和下游湖泊型流域的生態(tài)用地是增加的，上游湖泊型流域的生態(tài)用地則是減少的。

圖4 1980—2015年長(zhǎng)江水系不同分區(qū)湖泊型流域生態(tài)用地面積變化

源區(qū)33個(gè)湖泊型流域的生態(tài)用地類型主要是草地，各年份占比約為82.13%，其次是濕地，林地最少。草地面積是先增加后減少，在1995年達(dá)到最高值9 229 km2；濕地面積變化和草地相反，呈現(xiàn)先減少后增加的狀態(tài)，并在1995年降到最低，為1 949 km2；林地則一直沒(méi)有顯著變化，始終保持在9 km2左右；生態(tài)用地總體呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，在1990年為最低值，說(shuō)明1980—1990年間草地的增加量小于濕地的減少量，但變化幅度均很小。

上游9個(gè)湖泊型流域的生態(tài)用地類型主要是林地，各年份占比約為52.15%，其次是草地，濕地最少。林地面積變化呈現(xiàn)波浪式狀態(tài)，并在2015年降為最小值，為1 436 km2；草地的面積始終呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，并在2015年減少到最小值723 km2；濕地面積在1980—2010年呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但在2010—2015年保持穩(wěn)定；生態(tài)用地總面積在1980—1995年是上升的，說(shuō)明林地和濕地的增加面積多于草地的減少面積，在1990—2015年是下降的，盡管林地呈現(xiàn)波動(dòng)、濕地大體呈現(xiàn)上升，但依然沒(méi)有草地面積減少得多。

中游128個(gè)湖泊型流域的生態(tài)用地類型主要是林地，各年份占比約為86.31%，草地面積和濕地相差不大，草地各年份占比約為7.40%，濕地約為6.29%。林地和草地呈現(xiàn)出相反的波動(dòng)狀態(tài)，在林地面積增加的同時(shí)，草地面積表現(xiàn)為減少，林地面積在2015年最少，為268 173 km2，草地面積在2010年最少，為22 480 km2；濕地面積始終保持上升趨勢(shì)，并在2015年達(dá)到最大值；生態(tài)用地總面積在1980—1995年呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，1995—2010年穩(wěn)定減少，2010—2015年快速減少，主要因?yàn)檫@一時(shí)期的林地面積銳減，草地和濕地面積的增加幅度則較小。

下游59個(gè)湖泊型流域的生態(tài)用地類型主要是林地，各年份占比約為54.86%，其次是濕地，草地最少。林地面積大體上呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，在2015年降到最低；草地面積先增加后穩(wěn)定再上升，并在1990年達(dá)到最高值2 002 km2；濕地面積始終是上升狀態(tài)，但在1980—1990年和2000—2005年間較其他時(shí)段上升幅度更大；生態(tài)用地總面積在1980—2010年間增加，2010—2015年間略微下降，并且同濕地一樣，在1980—1990年和2000—2005年間較其他時(shí)段上升幅度更大。

2.3 生態(tài)用地轉(zhuǎn)移

2.3.1 生態(tài)用地轉(zhuǎn)移矩陣

相較于1980年，2015年林地、草地、濕地面積保持不變的占比分別為51.21%、6.14%、5.12%，林地、草地的面積都相對(duì)減少，濕地面積增加；其中林地的變化幅度最小，減少0.47%，濕地的變化幅度最大，增加8.29%，草地減少幅度為1.61%。林地的去向主要是建設(shè)用地和草地，來(lái)源主要是草地和耕地；草地的去向主要是林地，主要來(lái)源也是林地；濕地的去向主要是耕地和建設(shè)用地，來(lái)源主要是耕地。生態(tài)用地3個(gè)地類內(nèi)部之間的相互轉(zhuǎn)化最少，即林地、草地、濕地之間的相互轉(zhuǎn)化面積最少，為3 008 km2，僅占總轉(zhuǎn)移量的15.01%；其次是生態(tài)用地與非生態(tài)用地之間的轉(zhuǎn)化，面積為8 428 km2，占總轉(zhuǎn)移量的42.05%；而轉(zhuǎn)化最多是非生態(tài)用地3個(gè)地類內(nèi)部之間的轉(zhuǎn)化，面積為8 605 km2，占總轉(zhuǎn)移量的42.94%(表4)。

表4 1980—2015年湖泊型流域生態(tài)用地轉(zhuǎn)移矩陣

2.3.2 生態(tài)用地空間轉(zhuǎn)移

從空間上來(lái)看(圖5)，首先，長(zhǎng)江中游和下游的湖泊型流域內(nèi)生態(tài)用地的轉(zhuǎn)移比源區(qū)和上游更為劇烈，一方面是由于中游與下游的湖泊型流域數(shù)量更多范圍更廣，另一方面是因?yàn)橹邢掠蔚娜祟惢顒?dòng)更為頻繁，極大地影響了生態(tài)用地的變化。

圖5 1980—2015年湖泊型流域生態(tài)用地空間轉(zhuǎn)移

其次，4個(gè)區(qū)域的湖泊型流域生態(tài)用地轉(zhuǎn)移的主要表現(xiàn)也不盡相同，中游的轉(zhuǎn)移最為復(fù)雜，其次是下游，源區(qū)和上游則較為簡(jiǎn)單。源區(qū)湖泊型流域內(nèi)生態(tài)用地轉(zhuǎn)移在大多數(shù)湖泊型流域內(nèi)均有體現(xiàn)，以草地和濕地相互轉(zhuǎn)移及其與其他用地之間的轉(zhuǎn)移為主，且相差不大，即生態(tài)用地內(nèi)部轉(zhuǎn)移與其和非生態(tài)用地之間的相互轉(zhuǎn)移大致相當(dāng)。上游的湖泊型流域生態(tài)用地轉(zhuǎn)移則主要是以生態(tài)用地的轉(zhuǎn)出及生態(tài)用地內(nèi)部轉(zhuǎn)移為主，尤其是草地、林地向城鄉(xiāng)用地的轉(zhuǎn)移與草地向林地的轉(zhuǎn)移，可以看出上游的草地流失相對(duì)嚴(yán)重。中游湖泊型流域生態(tài)用地的轉(zhuǎn)移可以再分為3個(gè)部分：洞庭湖流域、鄱陽(yáng)湖流域、湖北省內(nèi)湖泊型流域，共同點(diǎn)是流域內(nèi)生態(tài)用地向非生態(tài)用地的轉(zhuǎn)移，主要是向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移都很顯著，不同點(diǎn)在于洞庭湖流域內(nèi)東部和中部仍有大量的非生態(tài)用地向林地、濕地轉(zhuǎn)移，西部是生態(tài)用地內(nèi)部轉(zhuǎn)移與草地向非生態(tài)用地轉(zhuǎn)移更為明顯；鄱陽(yáng)湖流域內(nèi)是生態(tài)用地內(nèi)部的轉(zhuǎn)移，尤其是林地和草地的互相轉(zhuǎn)移數(shù)量較多，且在鄱陽(yáng)湖周圍，濕地向非生態(tài)用地，尤其是向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移較多；湖北省內(nèi)多為小的湖泊型流域，生態(tài)用地的轉(zhuǎn)移主要表現(xiàn)為非生態(tài)用地向濕地轉(zhuǎn)變。下游湖泊型流域內(nèi)生態(tài)用地轉(zhuǎn)移相對(duì)中游來(lái)說(shuō)較為平緩，可能與長(zhǎng)江下游多為平原，林地、草地相對(duì)耕地較少有關(guān)，因此生態(tài)用地轉(zhuǎn)移主要表現(xiàn)為非生態(tài)用地向濕地，尤其是耕地向濕地的轉(zhuǎn)移，同時(shí)也伴隨著生態(tài)用地內(nèi)部的轉(zhuǎn)移與生態(tài)用地向非生態(tài)用地的轉(zhuǎn)移。

2.4 生態(tài)用地變化原因

2.4.1 政策等相關(guān)因素

改革開(kāi)放到20世紀(jì)結(jié)束這段時(shí)期，一方面，人類活動(dòng)劇烈，木材采伐量增加與農(nóng)耕區(qū)的擴(kuò)大導(dǎo)致了林地的減少[46-48]，農(nóng)牧業(yè)開(kāi)發(fā)與氣候變化導(dǎo)致了長(zhǎng)江源區(qū)草地的退化[49-50]，政府鼓勵(lì)有計(jì)劃地開(kāi)墾荒地、圍湖造田[51]導(dǎo)致了濕地的減少；另一方面，也在加強(qiáng)對(duì)資源的保護(hù)，尤其是1998年大洪水之后，鄱陽(yáng)湖、洞庭湖等地提出要“退田還湖、平垸行洪”[52-53]，湖北省、湖南省等地也提出要“禁止毀林開(kāi)墾”、“有計(jì)劃有步驟地退耕還林、還牧、還湖”[46,54]。在兩者的共同影響下，林地和草地的面積與占比變化都呈現(xiàn)出波動(dòng)的狀態(tài)。

21世紀(jì)以來(lái)，城市化進(jìn)程迅速加快的同時(shí)，可持續(xù)發(fā)展的概念也得到了重視。2001年退耕還林工程正式列入國(guó)家“十五”計(jì)劃，到2003年退耕還林任務(wù)圓滿完成，與此同時(shí)，由于糧食產(chǎn)量降低，2004年該任務(wù)要求降低，2007年全面停止了退耕還林[55]，因此林地在2000—2010年之間呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但2010年之后鄱陽(yáng)湖大量還湖的土地又被返耕[56]，從而在2010—2015年出現(xiàn)下降趨勢(shì)。草地在2001—2010年因?yàn)檫^(guò)度放牧而出現(xiàn)退化狀態(tài)，因此在2000—2010年呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；在“平垸行洪、退田還湖”任務(wù)實(shí)施使得大量耕地轉(zhuǎn)為濕地的同時(shí)，對(duì)水資源的需求增加也促進(jìn)了退耕還湖力度的加大，同時(shí)促進(jìn)了水體尤其是水庫(kù)面積的增加[57-58]，因此濕地在2000—2015年的大多數(shù)湖泊型流域內(nèi)都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

2.4.2 生態(tài)用地變化驅(qū)動(dòng)因子相關(guān)性分析

以2010—2015年為例，長(zhǎng)江水系湖泊型流域城市化進(jìn)程迅速加快的同時(shí)，也在大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，但生態(tài)用地仍在減少，本文通過(guò)選取林地(x1)、草地(x2)、濕地(x3)、耕地(x4)、建設(shè)用地(x5)、其他用地(x6)、降水(x7)、氣溫(x8)、人口(x9)、GDP(x10)2015年減去2010年的差值作為變量，前6個(gè)為直接變量，x7～x10為間接變量，其中x7～x8是自然因素，x9～x10是社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，再利用SPSS軟件，選擇Spearman方法對(duì)10個(gè)變量?jī)蓛蛇M(jìn)行相關(guān)性分析，得到表5。

表5 湖泊型流域生態(tài)用地及其驅(qū)動(dòng)因子的相關(guān)性分析結(jié)果

以全流域229個(gè)湖泊型流域?yàn)闃颖?，可以看出生態(tài)用地總體與林地、濕地呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，與建設(shè)用地、其他用地呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即全流域湖泊型流域內(nèi)的生態(tài)用地的變化趨勢(shì)與林地、濕地的變化趨勢(shì)相同，與建設(shè)用地和其他用地的變化趨勢(shì)相反，因此林地的減少與建設(shè)用地的增加可以看成是生態(tài)用地減少的主要原因；林地與建設(shè)用地、GDP呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，尤其是建設(shè)用地，可以認(rèn)為建設(shè)用地的增加是林地減少的主要原因；草地只與其他用地有相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)不大；濕地與其他用地、建設(shè)用地呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中其他用地的相關(guān)性更為顯著。

源區(qū)湖泊型流域中沒(méi)有耕地和建設(shè)用地，生態(tài)用地與其他用地的相關(guān)程度很高，且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；草地和濕地呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明草地和濕地之間有互相轉(zhuǎn)換；同時(shí)濕地還與其他用地呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明濕地的增加可能來(lái)源于其他用地的減少。上游的樣本相對(duì)較少，生態(tài)用地和草地呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明生態(tài)用地的減少主要是由于草地的減少；另外濕地還與降水呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，可能是由于濕地變化的流域數(shù)量較少，只有2個(gè)，出現(xiàn)了誤差。中游和下游的湖泊型流域生態(tài)用地和林地都與建設(shè)用地呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明城鎮(zhèn)的擴(kuò)張對(duì)生態(tài)用地的減少有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)性，但中游的生態(tài)用地變化與降水、氣溫也相關(guān)，說(shuō)明自然因素在中游的驅(qū)動(dòng)作用更大；中下游林地與耕地、降水都正相關(guān)，一方面說(shuō)明林地與濕地的變化趨勢(shì)相同，另一方面說(shuō)明降水的減少對(duì)林地的減少有影響，但下游的林地與人口也呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明人口的增長(zhǎng)對(duì)林地的減少也有一定的影響；中下游草地和濕地也顯著相關(guān)，說(shuō)明中下游的大多數(shù)湖泊型流域內(nèi)，草地和濕地的變化趨勢(shì)相同，但中游的草地還與其他用地和GDP相關(guān)，下游則是濕地與其他用地更為相關(guān)。

源區(qū)、上游、中游、下游4個(gè)區(qū)域湖泊型流域的生態(tài)用地變化的驅(qū)動(dòng)因子結(jié)果既有相似，又有差異。源區(qū)幾乎沒(méi)有人類活動(dòng)，上游的樣本相對(duì)較少，驅(qū)動(dòng)因子較為集中或不顯著；中游與下游人類活動(dòng)較為激烈，建設(shè)用地都極大地影響了生態(tài)用地的變化，但中游的城市化程度相對(duì)下游來(lái)說(shuō)較低，下游湖泊型流域包含的城鎮(zhèn)在2010—2015年已經(jīng)是一個(gè)發(fā)展得比較成熟的狀態(tài)了，而對(duì)于中游的部分城市來(lái)說(shuō)才剛剛起步，因此中游生態(tài)用地與建設(shè)用地的相關(guān)系數(shù)較下游來(lái)說(shuō)數(shù)值更大。

3 主要結(jié)論

本文基于湖泊型流域邊界和土地利用數(shù)據(jù)，分析1980—2015年長(zhǎng)江水系湖泊型流域生態(tài)用地的時(shí)空變化，得到以下主要結(jié)論：

1)1980—2015年長(zhǎng)江水系湖泊型流域生態(tài)用地面積和占比均呈現(xiàn)“先逐步上升—后波動(dòng)穩(wěn)定—再快速下降”3階段趨勢(shì)，生態(tài)用地一級(jí)類中林地占比最高且總體呈下降趨勢(shì)，草地面積及其占比基本都呈先增后減再增的態(tài)勢(shì)，濕地面積和占比總體均呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，湖泊型流域生態(tài)用地綜合動(dòng)態(tài)度總體呈現(xiàn)“波浪式振動(dòng)”狀態(tài)。

2)在1980—2015年這35年間，生態(tài)用地及其一級(jí)類在不同分區(qū)的湖泊型流域內(nèi)有著不同的變化。從湖泊大小等級(jí)分類角度來(lái)看，4個(gè)類型湖泊型流域生態(tài)用地面積總量相差較大，小型湖泊對(duì)應(yīng)的流域生態(tài)用地最少，其次大型和中型，特大型湖泊數(shù)量少但生態(tài)用地面積最大；且不同類別的湖泊型流域的生態(tài)用地變化趨勢(shì)盡管都是先上升后下降，但對(duì)應(yīng)的年份不同。從長(zhǎng)江水系不同分區(qū)的角度來(lái)看，相較1980年，2015年源區(qū)、中游和下游湖泊型流域的生態(tài)用地是增加的，上游湖泊型流域的生態(tài)用地則是減少的；林地在源區(qū)未發(fā)生明顯變化，在其他3個(gè)區(qū)域都減少；草地在源區(qū)和下游增加，在上游和中游減少；濕地在源區(qū)保持穩(wěn)定，其他3個(gè)區(qū)域都呈持續(xù)增加狀態(tài)。

3)2015年相較1980年，生態(tài)用地內(nèi)部的相互轉(zhuǎn)移量最少，而生態(tài)用地和非生態(tài)用地之間的轉(zhuǎn)移量及非生態(tài)用地內(nèi)部的相互轉(zhuǎn)移量各占總轉(zhuǎn)移量的42%以上；生態(tài)用地在長(zhǎng)江源區(qū)、上游、中游和下游4個(gè)區(qū)域的湖泊型流域內(nèi)空間轉(zhuǎn)移不盡相同，中游的轉(zhuǎn)移最為劇烈和復(fù)雜，其次是下游，源區(qū)和上游則較為平緩與簡(jiǎn)單。

4)湖泊型流域生態(tài)用地的變化原因有很多，2000年以前，采伐木材、開(kāi)發(fā)農(nóng)牧業(yè)、圍湖造田等導(dǎo)致了各類生態(tài)用地的波動(dòng)變化，2000年之后，退耕還林、退田還湖、修建水庫(kù)等，使得生態(tài)用地呈現(xiàn)平穩(wěn)的變化趨勢(shì)；相關(guān)性分析結(jié)果表明，不同區(qū)域的驅(qū)動(dòng)因素都各有不同，但對(duì)于大多數(shù)湖泊型流域來(lái)說(shuō)，建設(shè)用地的增加，如城鎮(zhèn)的擴(kuò)張都是2010—2015年期間引起生態(tài)用地減少的主要原因之一。

可以看出，中國(guó)在大力發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，也帶來(lái)了一定的負(fù)面生態(tài)問(wèn)題，長(zhǎng)江流域尤為明顯，因此提出“共抓大保護(hù)、不搞大開(kāi)發(fā)”是必經(jīng)的歷史進(jìn)程，但如果要進(jìn)行必要的城市化建設(shè)，也可以考慮將“占補(bǔ)平衡”的主體從耕地?cái)U(kuò)展到生態(tài)用地，或者采取別的可行的政策。