基于遙感數(shù)據(jù)的海河流域近30年土地利用變化及歸因分析

徐好峰，白亮亮，朱曉春

(1.水利部海河水利委員會引灤工程管理局，天津 300170;2.水利部海河水利委員會科技咨詢中心，天津 300170)

土地覆被變化對區(qū)域能量平衡、水量平衡和水循環(huán)過程具有重要影響，是全球陸地表層過程研究的基礎[1-5]。氣候變化和強人類活動對水循環(huán)系統(tǒng)的雙重作用，直接影響水循環(huán)特征和水資源轉(zhuǎn)換過程。因此，研究土地覆被的時空變化特征及其歸因分析，有助于解析、量化水資源轉(zhuǎn)換過程和開發(fā)利用情況，服務于流域區(qū)域水資源管理。

1980—2016年，海河流域的水資源開發(fā)利用程度達105.7%，經(jīng)濟社會快速發(fā)展和水資源的不合理開發(fā)利用，導致過度超采，引發(fā)了地面沉降，形成地下水漏斗區(qū)域，引起河流干涸、濕地萎縮、海水入侵等一系列的生態(tài)環(huán)境問題[6-9]?？陀^分析土地覆被的時間和空間變化特征，為進一步研究強人類活動影響下海河流域水循環(huán)/產(chǎn)匯流過程、用水效率以及水資源合理開發(fā)利用提供支撐[10-12]。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 海河流域概況

海河流域東臨渤海，西倚太行山脈，南臨黃河，北接蒙古高原[13]。流域高程空間差異較大，地勢由西北向東南遞減，大致劃分為高原、山地和平原3種地貌。海河流域1956—2016年平均降水量527mm，1980—2016年平均水面蒸發(fā)量1043mm，屬于溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候。海河流域高程分布如圖1所示。

圖1 海河流域高程分布

1.2 土地覆被數(shù)據(jù)

本文采用的土地覆被數(shù)據(jù)來源于歐空局氣候變化計劃(https://www.esa-landcover-cci.org)，該數(shù)據(jù)空間分辨率為300m×300m，由歐洲空間局通過ENVISAT/MERIS和SPOT-VGT遙感影像制作生成，總體精度為74%，具有較高的數(shù)據(jù)質(zhì)量[14-16]，本文中的土地利用/覆被分類采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織規(guī)定的22個分類[17-18]。文章主要分析海河流域耕地、林地、草地、城鎮(zhèn)、裸地和水體等主要土地覆被類型的時空變化特征。土地覆被類型詳見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地覆被時間變化

海河流域1992—2020年近30年不同土地覆被類型面積統(tǒng)計情況見表2。海河流域總面積為3184.9萬hm2，其中農(nóng)田、林地、草地面積較大，分別占整個海河流域面積的52.4%、21.5%和20.8%，城鎮(zhèn)、水體和裸地面積較小，分別占整個海河流域面積的4.4%、0.9%和0.01%。海河流域不同土地覆被類型面積的年際變化趨勢圖如圖2所示。從圖2可看出，城鎮(zhèn)和農(nóng)田面積變化趨勢最為明顯，其中城鎮(zhèn)面積由1992年的57.7萬hm2增加到2020年的248.1萬hm2，耕地面積由1992年的1727.4萬hm2減少到2020年的1576.3萬hm2。林地、草地和水體面積變化趨勢相對較小，分別由1992年的690.0萬、678.3萬、31.3萬hm2減少到2020年的678.1萬、653.8萬、28.3萬hm2。

圖2 1992—020年海河流域不同土地覆被類型年際變化趨勢圖

海河流域土地覆被類型變化較明顯的城鎮(zhèn)和耕地占比年際變化情況如圖3所示。其中，城鎮(zhèn)面積增加了190.4萬hm2，占流域面積的比重由1992年的1.8%增加到2020年的7.8%；耕地面積減少了151.1萬hm2，由1992年的54.2%減少到2020年的49.5%。林地、草地和水體面積分別減少了12.0萬、24.5萬、3.0萬hm2。詳見表2。從圖3可以看出，2000年后，經(jīng)濟社會進入快速發(fā)展階段，居住、交通、工商業(yè)用等城鎮(zhèn)用地擴張速度加快，面積增加趨勢明顯；耕地和其他土地覆被類型受到了擠占，尤其是耕地面積，減小趨勢明顯。

表2 1992—2020年海河流域不同土地覆被類型面積 單位：萬hm2

圖3 海河流域城鎮(zhèn)和耕地面積占比變化

2.2 土地覆被空間變化

從選取的1992、2000、2010和2020年海河流域地表覆被類型空間分布來看，耕地主要分布在流域中東部水源條件較好的平原地區(qū)，西部山區(qū)水源條件相對較差，分布較少；城鎮(zhèn)主要分布在流域中東部的華北平原；林地和草地等雨養(yǎng)自然植被主要分布在流域西部和北部山區(qū)。同時，近30年來海河流域城鎮(zhèn)向四周擴張，面積增加尤為明顯；城鎮(zhèn)周邊耕地、林地和草地一定程度上被擠占，面積減??；裸地和水體面積占比較小，同時受遙感影像空間分辨率限制，在空間分布圖上并未表現(xiàn)出明顯變化。

海河流域不同土地覆被類型面積占比年代際變幅情況見表3。其中，農(nóng)田、林地、草地、城市、裸地和水體面積占比在2000—2010年期間的變幅最大，分別為-4.47%、-0.99%、-2.18%、142.19%、24.43%和-10.26%；2010—2020年期間的變幅次之，分別為-4.12%、-0.24%、-0.75%、43.14%、43.64%和-1.58%；與其他年代際相比，1992—2000年期間的變幅相對較小，分別為-0.37%、-0.61%、-0.6%、24.13%、-21.63%和2.34%。整體而言，2000年以來經(jīng)濟社會發(fā)展和城鎮(zhèn)一體化加快，人類生產(chǎn)活動和土地利用開發(fā)強度加大。其中變化最明顯的為城鎮(zhèn)，面積不斷擴張；農(nóng)田、林地、草地、水體等土地覆被類型的面積受到擠占，均呈減少趨勢。

表3 海河流域不同土地覆被類型面積占比年代際變幅 單位：%

2.3 土地覆蓋變化歸因分析

土地覆被變化受自然條件和人類活動雙重影響。其中降水、氣溫、地形地貌等自然條件對土地覆被變化起決定性作用，制約土地覆被類型和空間分布特征。而人口遷移、經(jīng)濟社會發(fā)展、水資源開發(fā)利用等人類活動，對土地覆被空間格局變化起主導和推進作用。

2.3.1自然條件影響

降水和氣溫作為量化氣候變化的重要因子，其反映的氣候條件對土地覆被類型和時空分布特征具有制約作用，如農(nóng)田主要分布在中東部華北平原等地區(qū)，其生長除天然降雨外，還需要人為灌溉來維持；而林地和草地等自然植被分布在西部山區(qū)，其生長主要依靠降水來維持。同時，海河流域呈西北部高中東部低，地形地貌等自然空間特征一定程度上影響湖泊、河網(wǎng)等土地覆被類型的空間分布和面積變化。

海河流域耕地以旱作為主，降水作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和植被生長的重要水源之一，其變化直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和植被覆蓋程度，但流域氣候類型并未顯著改變，因此，下墊面類型和植被格局也未發(fā)生明顯變化。另一方面，降水和氣溫等氣象因子的變化將直接或間接影響地表水資源量的補償和消耗過程，流域降水減少引起的徑流減少和溫度上升引起的蒸散增加，一定程度上導致了平原湖泊和河網(wǎng)水面面積的減少。

2.3.2人類活動影響

海河流域位居京畿，經(jīng)濟增長、人口轉(zhuǎn)移和城鎮(zhèn)化進程較快，城鎮(zhèn)和交通用地呈輻射狀向周邊擴張，其中京津冀及京廣鐵路沿線地區(qū)城鎮(zhèn)面積擴張尤為明顯，面積呈逐年增加趨勢；平原區(qū)耕地受城鎮(zhèn)和交通用地擠壓，不斷向居住、交通、工商業(yè)用地轉(zhuǎn)移，面積呈逐年減少趨勢；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模擴大和地下水超采引起地下水水位急劇下降，地下水地表水補給關系和蓄滿產(chǎn)流模式發(fā)生改變，導致地表徑流量減少，引起河網(wǎng)水體面積萎縮；水土保持措施實施引起的植被蒸散量增加和小型蓄水工程修建增加的水面蒸發(fā)，一定程度上導致地表產(chǎn)匯流減少，間接引起平原河網(wǎng)水面面積的減少。隨著南水北調(diào)工程、引黃入冀補淀工程、河湖復蘇、農(nóng)業(yè)節(jié)水等工程和非工程措施的實施，外調(diào)水源增加和地下水壓減，對地下水恢復帶來積極影響，未來地表河湖、水網(wǎng)面積一定程度上將會增加。

3 結(jié)語

海河流域土地覆被類型空間分布和變化受自然因素和強人類活動共同作用，人類活動是影響土地覆被類型變化的主導因素。2000年前，人類活動影響較小，土地覆被類型較穩(wěn)定，各類型相互轉(zhuǎn)移速度較慢；2000年后，強人類活動導致土地覆被類型相互轉(zhuǎn)移程度持續(xù)加深。準確量化流域土地覆被類型的時空變化特征和轉(zhuǎn)移過程，客觀分析其驅(qū)動機制，對流域水循環(huán)分析、水資源評價和管理具有重要的指導意義。此外，本文所采用的土地覆被影像數(shù)據(jù)的空間分辨率為300m，一定程度上限制了如河流、湖泊等面積較小覆被類型的準確提取，后續(xù)可采用多源、高分辨率影像做進一步的補充分析。