基于RS+GIS的粵港澳大灣區(qū)水土流失時(shí)空演變分析

廖小龍，姜欣彤，李金明，于百順

(1.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610；2.水利部 水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

粵港澳大灣區(qū)是繼紐約灣區(qū)、舊金山灣區(qū)、東京灣區(qū)之后的世界第四大灣區(qū)，隨著“9+2”粵港澳城市群互聯(lián)互通格局的構(gòu)建，迅速的城市化發(fā)展也為粵港澳大灣區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)和維護(hù)提出了更高的要求[1]。黨中央、國(guó)務(wù)院高度重視粵港澳大灣區(qū)建設(shè)，2019年2月印發(fā)的《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》明確了粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的五大戰(zhàn)略定位，并提出了建設(shè)國(guó)際一流灣區(qū)，打造高質(zhì)量發(fā)展典范的目標(biāo)，對(duì)強(qiáng)化水資源安全保障、推進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)等提出了明確要求。

水土流失是我國(guó)最嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一，不僅對(duì)我國(guó)生態(tài)安全、糧食安全和防洪安全造成威脅，而且制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[2]。分析水土流失發(fā)展趨勢(shì)和變化規(guī)律是水土保持各項(xiàng)工作的基礎(chǔ)，對(duì)于進(jìn)一步加強(qiáng)水土保持監(jiān)管、貫徹落實(shí)國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)決策與部署具有重要意義[3]。傳統(tǒng)的水土流失監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法耗時(shí)多、周期長(zhǎng)，無(wú)法對(duì)大范圍的水土流失類(lèi)型、強(qiáng)度、分布和變化等情況實(shí)施監(jiān)控，給水土保持工作帶來(lái)了諸多不便。隨著“3S”技術(shù)的迅速發(fā)展，RS與GIS相結(jié)合的水土流失監(jiān)測(cè)方法相比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法，可以更精確便捷地對(duì)水土流失時(shí)空演變進(jìn)行有效分析[4-5]。因此，本研究采用RS與GIS相結(jié)合的水土流失監(jiān)測(cè)方法，探究粵港澳大灣區(qū)核心城市近20年來(lái)水土流失面積的演變過(guò)程，并對(duì)影響水土流失的主要因子進(jìn)行時(shí)空演變分析，以期對(duì)粵港澳大灣區(qū)水土流失預(yù)防和治理工作提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

粵港澳大灣區(qū)(圖1)位于北緯21°25′～24°30′、東經(jīng)111°12′～115°35′E，其城市群由廣州、深圳、珠海、佛山、東莞、中山、惠州、江門(mén)、肇慶9個(gè)市和香港、澳門(mén)2個(gè)特別行政區(qū)組成，地處珠江下游，區(qū)域面積5.5萬(wàn) km2；屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫22 ℃左右，夏季多雨且臺(tái)風(fēng)頻繁，冬季冷暖變化無(wú)常；屬南方紅壤丘陵區(qū)，典型地帶性土壤為紅壤、赤紅壤和磚紅壤，土壤抗蝕性較差，存在較為嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象[6]，尤其東莞、佛山、廣州(除從化和增城外)位于廣東省國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)防治區(qū)——東南沿海開(kāi)發(fā)監(jiān)督區(qū)[7]，水土流失面積大、范圍廣，面蝕、溝蝕及花崗巖風(fēng)化殼發(fā)育的崩崗等對(duì)土地資源造成極大破壞；2017 年末常住人口約6 956.93 萬(wàn)人，地區(qū)生產(chǎn)總值為10.18萬(wàn)億元，折合1.6 萬(wàn)億美元，位列四大灣區(qū)第二位，僅次于東京灣區(qū)的1.8 萬(wàn)億美元[8]。本研究以粵港澳大灣區(qū)9個(gè)市為研究范圍。

圖1 研究區(qū)域邊界

2 數(shù)據(jù)資料與技術(shù)路線

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

選用300 m精度的土地利用(LUCC)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，時(shí)間選取2000、2005、2010、2015、2018年共五期，數(shù)據(jù)來(lái)源于歐洲航天局(European Space Agency)；250 m精度數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)，來(lái)源于中科院地理科學(xué)與資源研究所；所用歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)NASA航天中心發(fā)布的2000—2018年MOD13Q1產(chǎn)品，軌道號(hào)為h28v06，時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m。為使不同數(shù)據(jù)源保持精度一致，將NDVI和DEM數(shù)據(jù)重采樣至300 m精度。

2.2 技術(shù)路線

本研究基于RS+GIS技術(shù)，采用全數(shù)字化工作流程，充分利用遙感影像解譯、植被覆蓋度反演、地形坡度因子計(jì)算、多因子空間疊加分析等技術(shù)，利用多因子綜合判別法，完成水土流失強(qiáng)度分級(jí)，分析粵港澳大灣區(qū)水土流失狀況，技術(shù)路線見(jiàn)圖2。

圖2 水土流失遙感監(jiān)測(cè)流程

3 遙感分析方法

3.1 土壤侵蝕等級(jí)劃分

根據(jù)土壤侵蝕類(lèi)型劃分區(qū)域，廣東省所屬區(qū)域?yàn)閹X南平原丘陵區(qū)，水土流失以水力侵蝕為主。因此，基于《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)中的水力侵蝕分級(jí)模型進(jìn)行粵港澳大灣區(qū)土壤侵蝕等級(jí)劃分。

3.2 地形坡度提取

對(duì)DEM進(jìn)行slope分析提取坡度，并按照《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)中的坡度等級(jí)進(jìn)行重分類(lèi)，將粵港澳大灣區(qū)坡度劃分為平地(0～5°)、緩坡(5°～8°)、中等坡(8°～15°)、較陡坡(15°～25°)、陡坡(25°～35°)和極陡坡(>35°)6級(jí)。

3.3 植被覆蓋度反演

根據(jù)MODIS遙感影像進(jìn)行植被覆蓋度反演。首先，利用MRT(MODIS Reprojection Tool)技術(shù)及MVC(Max Value Composition)方法對(duì)MOD13Q1遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行處理，得到NDVI值。然后，通過(guò)MRT技術(shù)對(duì)遙感影像進(jìn)行拼接和重投影處理，并提取NDVI波段，利用柵格計(jì)算工具將原始NDVI資料從-10 000～10 000的浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)化為-1～1之間的標(biāo)準(zhǔn)值。本研究在計(jì)算時(shí)只考慮有植被覆蓋的區(qū)域，因此將柵格中河流、湖泊、巖石和裸土等NDVI值小于0的像元設(shè)置為空值以剔除非植被覆蓋區(qū)域。本研究利用MVC進(jìn)行月最大值合成作為月NDVI值，再對(duì)月NDVI值進(jìn)行最大值合成作為年NDVI值?；谙裨帜Ｐ屠弥脖恢笖?shù)估算植被覆蓋度[9]，計(jì)算公式為

VFC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(1)

式中：NDVIsoil為完全是裸土或無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；NDVIveg為完全被植被覆蓋區(qū)域的NDVI值。

3.4 土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移分析

影響水土流失的主要因子有土地利用類(lèi)型、植被覆蓋度、地形、降雨侵蝕力和土壤可蝕性等。由于地形、降雨侵蝕力和土壤侵蝕性在短期內(nèi)變化非常小，所以當(dāng)前水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)內(nèi)容是土地利用類(lèi)型和植被覆蓋度[10]。本研究對(duì)粵港澳大灣區(qū)2000年以來(lái)的植被覆蓋度時(shí)空演變進(jìn)行分析，選取2000年作為研究初期，2018年作為研究末期進(jìn)行土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣能反映在研究時(shí)段內(nèi)初期和末期各地類(lèi)相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，包括各地類(lèi)相互轉(zhuǎn)化的面積及轉(zhuǎn)化方向[11]。

4 研究成果與分析

4.1 土壤侵蝕面積變化

基于上述方法，計(jì)算得到2000、2005、2010、2015、2018年粵港澳大灣區(qū)各等級(jí)土壤侵蝕空間分布(圖3)和核心城市土壤侵蝕面積(圖4)。

圖3 2000、2005、2010、2015、2018年粵港澳大灣區(qū)各等級(jí)土壤侵蝕空間分布

圖4 2000、2005、2010、2015、2018年粵港澳大灣區(qū)核心城市土壤侵蝕面積變化

(1)從土壤侵蝕面積變化來(lái)看，總體上近20年來(lái)粵港澳大灣區(qū)土壤侵蝕面積呈減少趨勢(shì)，總面積從2000年的23 820.63 km2下降到2018年的18 420.20 km2，減少率為300.02 km2/a，土壤侵蝕面積占國(guó)土面積比例由43.3%減小到33.5%；各市中，珠海、中山、肇慶水土流失狀況較輕，江門(mén)、深圳、惠州水土流失狀況較嚴(yán)重。

(2)從土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)變化情況來(lái)看，總體上近20年來(lái)粵港澳大灣區(qū)各強(qiáng)度土壤侵蝕面積均呈減少趨勢(shì)，其中中度和輕度侵蝕減少明顯，中度侵蝕占國(guó)土面積比例由12.90%減小到7.13%，輕度侵蝕由7.14%減小到4.65%；各市各侵蝕強(qiáng)度土壤侵蝕面積均呈減少趨勢(shì)，只有深圳的劇烈侵蝕面積有少量增加。

4.2 地形坡度分析

地形坡度等級(jí)劃分結(jié)果表明，粵港澳大灣區(qū)平地、緩坡、中等坡、較陡坡、陡坡、極陡坡面積分別占土地總面積的16.23%、7.92%、11.63%、7.32%、9.8%、47.1%?？臻g分布上，陡坡集中分布在大灣區(qū)東北部和西北部非城鎮(zhèn)中心區(qū)域，珠三角地區(qū)地形相對(duì)平坦。坡度對(duì)侵蝕強(qiáng)度影響較大，陡坡區(qū)域水土流失較強(qiáng)烈。

4.3 植被覆蓋度變化

統(tǒng)計(jì)2000、2005、2010、2015、2018年粵港澳大灣區(qū)各市植被覆蓋度變化情況，見(jiàn)圖5。

圖5 2000、2005、2010、2015、2018年粵港澳大灣區(qū)核心城市植被覆蓋度變化

(1)從總體上看，近20年來(lái)粵港澳大灣區(qū)整體植被覆蓋度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，從2000年的61.68%增加到2018年的65.54%。

(2)在各市中，絕大多數(shù)城市植被覆蓋度在2015年前呈顯著增加趨勢(shì)，但在2015年后有略微下降的趨勢(shì)。其中，肇慶、惠州、江門(mén)的植被覆蓋度相對(duì)較高，2018年植被覆蓋度均達(dá)到75%以上；佛山、中山、東莞的植被覆蓋度相對(duì)較低，2018年植被覆蓋度不超過(guò)55%。從增長(zhǎng)率來(lái)看，深圳市的植被覆蓋度增長(zhǎng)速率最快，平均增長(zhǎng)率為43.22%/a；其次是江門(mén)市，增長(zhǎng)率為33.72%/a；中山和珠海兩市植被覆蓋度增長(zhǎng)率為負(fù)值，分別為-24.67%/a和-5.06%/a。

4.4 土地利用轉(zhuǎn)移變化

對(duì)2000—2018年粵港澳大灣區(qū)土地利用進(jìn)行轉(zhuǎn)移矩陣分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 2000—2018年粵港澳大灣區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

(1)主要土地利用類(lèi)型有耕地、林地、草地、灌木林地、濕地、水域、建筑地和裸地(按照歐航局LUCC數(shù)據(jù)說(shuō)明上分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)劃分)，其中：占比最高的類(lèi)型為耕地，占土地總面積的42.15%(2018年)；其次是林地，占土地總面積的36.07%(2018年)。

(2)近20年來(lái)耕地與草地面積均有大幅減少，減少面積占土地總面積比例分別為6.35%、1.30%；建筑地面積大幅度增加，增加面積占土地總面積比例為7.91%。

(3)不同土地利用類(lèi)型之間有相互轉(zhuǎn)化。耕地和草地主要轉(zhuǎn)換為建筑地，轉(zhuǎn)化面積分別為3 472、721 km2；一部分林地向耕地和灌木林地轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化面積分別為504、473 km2；濕地、水域、裸地等均不同程度地向建筑地轉(zhuǎn)化。

5 結(jié) 論

基于RS+GIS技術(shù)，利用多因子綜合判別法，以土地利用類(lèi)型圖、數(shù)字高程圖、MODIS遙感影像作為數(shù)據(jù)源，以《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)作為技術(shù)依據(jù)，對(duì)粵港澳大灣區(qū)9個(gè)市進(jìn)行水土流失計(jì)算分析，得到主要結(jié)論如下：

(1)水土流失方面，近20年來(lái)粵港澳大灣區(qū)各地級(jí)市水土流失均得到明顯改善，各程度土壤侵蝕面積均呈減少趨勢(shì)。各市中，珠海、中山、肇慶水土流失狀況較輕，江門(mén)、深圳、惠州水土流失狀況較嚴(yán)重。

(2)植被覆蓋度方面，近20年來(lái)粵港澳大灣區(qū)各地級(jí)市植被覆蓋度均呈增加趨勢(shì)。各市中，肇慶、惠州、江門(mén)的植被覆蓋度相對(duì)較高，佛山、中山、東莞的植被覆蓋度相對(duì)較低，深圳市的植被覆蓋度增長(zhǎng)最快。

(3)土地利用轉(zhuǎn)移方面，近20年來(lái)粵港澳大灣區(qū)耕地與草地面積均有明顯減少，建筑地面積則大幅增加。多數(shù)土地利用類(lèi)型的主要轉(zhuǎn)化方向?yàn)榻ㄖ兀徊糠至值叵蚋睾凸嗄玖值剞D(zhuǎn)化。

(4)造成粵港澳大灣區(qū)水土流失的主要原因可歸結(jié)為自然因素和人為因素，其中自然因素如山區(qū)、丘陵面積大，地形起伏大，土層較淺薄，蓄水保土能力差等；人為因素主要是城市化建設(shè)和開(kāi)發(fā)區(qū)建設(shè)等毀林開(kāi)墾導(dǎo)致了嚴(yán)重的水土流失。進(jìn)一步分析認(rèn)為，近20年來(lái)粵港澳大灣區(qū)水土流失得到改善的主要原因是植被覆蓋度的增加，而土地利用類(lèi)型的改變并非主要原因。