海河流域土地利用及覆盖变化研究

温利华，王永芹，张广录，刘红耀，王翠丽

（1.邯郸学院地理与旅游系，河北 邯郸 056005；2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，石家庄 050021；3.邢台市农业科学研究院，河北 邢台 054000）

生态环境变化已成为全球生态学界关注的焦点，而作为具有自然和人文双重属性的土地利用/覆盖是人类活动与自然环境相互作用的集中反映[1]。土地利用/覆盖变化可引起许多自然现象和生态过程的变化，如土壤养分和水分的变化、地表径流与侵蚀、生物多样性的分布和生物地球化学循环等[2－7]。因此，把握导致区域土地利用/覆盖变化的时空过程，弄清驱动这一过程的关键因素及作用方式，有助于调整人类自身活动，对区域资源优化配置、保护和改善区域生态环境、促进区域可持续发展战略顺利实施具有重要的理论和应用意义。

海河流域地处我国中西部干旱半干旱地区，流域内包括京、津、冀、晋、豫、鲁、蒙、辽8省（自治区、直辖市）。流域内有首都北京、直辖市天津，石家庄、唐山、秦皇岛、廊坊、保定、邯郸、邢台等25座大中城市，该流域是我国经济较发达地区以及重要的工业基地和高新技术产业基地，在国家经济发展中具有重要战略地位。而自从上世纪50年代末和80年代初的农村经济体制改革以来，流域内的土地利用结构急剧变化，水资源强度开发与水资源短缺制约了该流域的可持续发展，水资源、水环境和生态问题突出，主要表现为河道断流干涸、湿地萎缩、河口生态恶化、地下水严重超采、水土流失加剧、水污染加剧、生物多样性减少等，土地利用变化的重要环境反应是水文行为的变化，而水文行为变化又会影响环境反应并反作用于土地利用，二者相互制约且密切关联[8－12]。因此，土地利用/覆盖变化的研究必将对该流域生态修复的水资源保障措施以及水资源优化配置、水污染防治及防灾减灾提供可借鉴的理论依据。本文以海河流域为研究对象，利用1970～2008年五期MSS和TM/ETM卫星遥感数据获取该区域1970、1980、1990年初和2000年初的地表土地覆盖特征。在GIS支持下，结合区域自然和社会经济资料，分析阐述近30年来海河流域土地利用/覆盖变化的时空过程，并初步探讨驱动这一过程的关键因素。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

海河流域东临渤海，西倚太行，南界黄河，北接蒙古高原，流域总面积31.82万km2，占全国总面积的3.3%，全流域总地势是西北高东南低，大致分高原、山地及平原三种地貌类型。西部为山西高原和太行山区，北部为蒙古高原和燕山山区，面积18.94万km2，占60%；东部和东南部为平原，面积12.84万km2，占40%。该流域冬季受西伯利亚大陆性气团控制，寒冷少雪；春季受蒙古大陆性气团影响，风速大，气候干燥，蒸发量大，往往形成干旱天气；夏季受海洋性气团影响，比较湿润，气温高，降雨量多，且多暴雨，但因历年夏季太平洋副热带高压的进退时间、强度、影响范围等很不一致，致使降雨量的变差大，旱涝时有发生；秋季为夏冬的过渡季节，一般年份秋高气爽，降雨量较少。流域年平均气温在1.5～14℃，年平均相对湿度50%～70%；年平均降水量539 mm，属半湿润半干旱地带；年平均陆面蒸发量470 mm，水面蒸发量1 100 mm。

1.2 数据来源与研究方法

采用1970年、1980年MSS影像，1990年TM影像，2000年、2008年ETM+影像，1996年以来的土地统计数据，海河流域8省市行政区图及相关统计资料，其中遥感数据经几何配准和数据重采样后，分辨率统一为28.5 m×28.5 m，校准误差小于0.5个像元。海河流域遥感影像镶嵌采用用最小灰度差原则进行拼接，接缝处灰度加权平滑，用直方图匹配方法进行灰度调整。

2008年9月对研究区土地利用类型进行初步调查，利用GARMIN GPSl2C手持式GPS定位，记录、拍照的土地覆盖类型与卫星影像图比较分析。应用ERDAS图像处理软件，采用监督分类和目视解译相结合方法完成遥感影像土地利用解译，为了提高遥感影像中土地利用变化信息精度，对遥感影像进行拉伸增强、彩色变换和图像融合增强处理，依据土地资源分类标准《土地利用现状分类》，参照全国生态遥感监测土地利用/覆盖分类体系并结合海河流域的土地覆盖特征，确立该区的土地利用分类体系，土地利用类型一级分类为耕地、果园、林地、草地、水域和水利设施用地、工业用地、交通实施用地、住宅用地和其它土地共9类及20个二级类，参考同期的地面资料计算其分类错误矩阵和Kappa指数，对五期遥感影像的分类结果进行精度检验，Kappa指数均大于0.80，能够满足研究要求。将处理好的遥感影像图转入GIS软件中，采用ARCGIS软件的空间分析功能，得到海河流域1970～1990年和1990～2008年土地利用变化图，提取土地利用变化信息，分析土地利用动态及空间格局变化。

2 结果与分析

2.1 海河流域土地利用变化数量特点

土地利用动态度（表1、2）用来描述某种土地利用类型在研究区段内的变化剧烈程度，其数值的大小也在一定程度上反映了当地土地利用的格局变化特征。结果显示：自1970年以来至本世纪初，流域内土地利用一直以耕地和林地为主导，但林地面积变化不大，耕地面积却逐年减少，1970年耕地面积为135 550.15 km2，2008年减少至114 452.89 km2；但工业用地面积却迅速增加，至2008年，工业用地面积增加为2 583.41 km2。另外果园的年变化率较大，工业用地、住宅用地和果园从1970～2008年的土地利用动态变化度呈迅速增长的趋势，果园的土地利用动态度增幅达到44.31%，但耕地和其他用地的变化率呈明显负增长，林地基本保持平衡状态，水域及水利设施用地和交通运输用地的年变化率比较小。由于种植结构的调整剧烈，经济效益高的生产性用地类型表现出明显的增长，如工业用地和果园。另一方面，人口的增长需要更多的住房来满足人们的需要，住宅用地明显增加。

2.2 海河流域土地利用动态变化特点

全面的理解环境变化及其演化机制需要深入的研究产生这些变化的潜在时空过程，本文主要通过对五期土地利用与覆盖类型图进行两两叠加建立转移概率矩阵（见表3、4）的方法，深一步探讨海河流域各种土地利用与覆盖类型相互转换的内在机制。

表1 1970～2008年海河流域土地利用类型数量变化Table 1 Quantity change of types land use from 1970 to 2008 in Haihe river basin (km2)

1970年研究区内土地利用类型以耕地（水田、旱地）、林地（灌木林、疏林）和草地为主。1970至1990年土地利用类型转化交错复杂，变化较大的为耕地和果园，其次为工业用地。由于种植结构的调整，经济效益高的果园等产业用地面积迅速增加，而耕地却在这一期间转化为果园、工业用地、住宅用地和其它土地利用类型。与上一阶段相比，1990年相至2008年期间，流域内的果园、工业用地和住宅用地持续增加，而耕地却持续减少，其他用地（包括湿地）同样持续减少，这对海河流域的生态环境造成不良影响。这一阶段正是我国大力提倡生态修复、生态建设的关键时期，在这一背景条件下，该区内植被得到一定的恢复，与此同时，随着退耕还林政策的实施，大面积的耕地转入林地，这使林地的面积也得到增加，就在国家加大生态环境保护力度的同时，也有破坏森林和毁林开荒的情况发生，表现为林地转化为耕地和工业用地。

总体来看，从1970年至2008年期间各个土地利用类型的转化比较复杂，每一种土地利用类型是向多个方向转化，既有正向的也有负向的，耕地向其它土地利用类型的转化比较明显，林地、草地、工业用地和住宅用地由从耕地转化而来。

表2 1970～2008年海河流域土地利用变化动态度Table 2 Dynamic degree of land use change from 1970 to 2008 in Haihe river basin (%)

表3 研究区1970～1990年土地利用转移概率矩阵Table 3 Land use change transition probability matrix from 1970 to 1990 in the study area

2.3 土地利用动态变化驱动因素分析

土地利用动态变化驱动因素是指导致土地利用方式和目的发生变化的自然环境和社会经济因素，自然环境因素主要包括气候变动、植物演替、土壤类型变化过程、自然资源的有效性等；社会经济驱动因素则主要包括人口变化、贫富状况、经济增长、政治经济结构以及价值观念等方面[13]。海河流域土地利用/覆盖变化一方面与自然环境演变相关，另一方面与人类活动的不断增强密切有关。

表4 研究区1990～2008年土地利用转移概率矩阵Table 4 Land use change transition probability matrix from 1990 to 2008 in the study area

2.3.1 自然环境因素

研究表明，土壤属性和气候条件对土地利用结构具有制约作用[14]。海河流域处于我国西北部干旱半干旱地区，海河流域土壤划分为内蒙古栗钙土绵土区、华北山地棕壤褐土区、海河平原黄垆土潮土盐土区，流域地形地貌独特复杂，其地貌类型包括高山高原、低丘、中山、低山河谷和山间盆地，且流域内夏季气候不稳定，降雨强度大，时间短促，容易引起水土流失，水土流失不仅会导致耕地面积数量减少和质量下降，而且对林地资源也会造成破坏。

2.3.2 社会经济因素

土地利用与经济发展之间，尤其是耕地与人口、GDP、工业增加值、服务业增加值、投资及城市化水平等社会经济指标存在强相关关系[15]。土地利用与经济发展之间存在着耕地减少，工业、商业等非农用地扩大的必然过程。海河流域GDP从1980年的1 592亿元增加到2003年的25 750亿元，增长了15倍。人均GDP从1980年的1 638元增长至2004年的1.92万元，是全国平均水平的1.38倍，但流域内各地经济发展不平衡，北京市天津市人均GDP达到中等发达国家水平，平原区经济发达，GDP占全流域的82%，而山区GDP只占18%。流域内工业化、产业化的发展必然带动城镇的扩大。多数耕地资源都是以城镇为中心向四周扩散，城镇的急剧扩大必然要以牺牲耕地资源为代价，耕地面积必然显著减少，工业用地、住宅用地、交通运输用地及水利设施用地等都有不同程度的增加。

产业结构调整同样会引起土地利用结构的变化，种植产业值和林业产业值稳定增长，粮食产量翻番，但传统的耕地种植效益要远远小于特色经济所带来的经济效益，农民为了增加自身收入，加大了园地的开垦，园地面积从1970年的110.13 km2增长到1 964.58 km2增幅近20倍，水田和旱地转入经济效益比较明显的棉花、油料、麻类、烟叶等生产领域。

人口增加也对区域土地利用空间格局变化产生影响[16]。20世纪80年代以来，海河流域经济社会持续发展，1980～2005年人口自然增长率虽呈降低趋势，但流域总人口从9 721万人增加至1.34亿人，增长了38%。人口的增加，一方面会引起各种社会需求，如住房需求、就业需求，由此促进城镇化和工业化的发展，工业用地、住宅用地和交通运输用地明显增加；另一方面人口增加也会带来劳动力急剧增加从而促进经济发展间接影响土地利用状况。

3 结论

a.从1970～2008年土地利用变化的分析，海河流域目前正处于快速工业化阶段，该流域土地利用规模和结构发生很大变化，生产性用地用地（工业用地和果园）快速增长—耕地面积的迅速减少是研究区土地利用/覆盖变化过程的突出表现，也正是该区域土地利用变化格局的显著特点。另外该流域通过近年来的生态修复与治理，环境得到一定改善，林地面积变化不大，但耕地面积显著减少，工业用地与住宅用地等其他用地明显增加，而且这种变化也存在很大的空间差异性。

b.海河流域土地利用/覆盖变化驱动力方面，主要受到自然和人为双层因素的影响，自然因素又受限制于人为因素。自然生态条件制约研究区内土地利用类型格局和数量的分布，受海拔高度和坡度的影响，林地多分布丘陵区、低山区，其它类型则多分布在海拔较低、坡度较缓的平原区。另一方面，受经济利益的驱动区内种植结构呈现出了耕地面积持续下降，果园面积持续上升的双向动态变化，虽然这种动态变化能够提高农民的收入带来可观的经济效益，但是这种打破传统的高强度的耕作模式势必对该区域微环境及资源的可持续发展带来一定的负面效应。

c.海河流域土地资源丰富，发展农业的潜力很大，应把农业和水利基础设施建设放在重要位置，本世纪初水域及水利设施用地大幅度增加，而耕地面积却从上世纪70年代至今逐年减少，目前对海河流域造成严重生态威胁的问题就是耕地资源非农化，特别是耕地转化成工业用地与住宅用地问题尤其明显，各级土地管理部门应采取切实有效的措施遏制流域内耕地不合理非农化，保证经济效益社会效益和生态效益协调增长。

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