1984—2013年于桥水库流域土地利用变化对植被覆盖度的影响

陈赛赛，杨艳丽，孙艳玲，李崇巍，王中良

（1.天津师范大学城市与环境科学学院，天津 300387；2.天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津 300387）

1984—2013年于桥水库流域土地利用变化对植被覆盖度的影响

陈赛赛1，杨艳丽1，孙艳玲1，李崇巍1，王中良2

（1.天津师范大学城市与环境科学学院，天津 300387；2.天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津 300387）

基于天津于桥水库流域1984年、1994年、2004年和2013年4个时期的遥感数据，利用像元二分模型、ArcGIS10.2和人机交互式方法解译土地利用类型，分析于桥水库流域1984—2013年内4个时期土地利用变化对植被覆盖度的影响.结果表明：①在植被覆盖度变化方面，植被变化区域有较强的波动性和异质性，研究区内植被覆盖度呈先减小后增大的趋势，且1994年植被覆盖度最低，2004—2013年植被恢复显著，阶段性的退降后，在合理土地利用及生态建设下，植被覆盖度明显好转；②在土地利用方面，土地利用类型变化不大，主要转化类型为耕地转城镇和耕地转园地，且转型过程多发生在低山沟谷和水库周边，易造成水土流失，不利于整体区域的平衡发展，需要采取有效措施.③土地利用变化对植被覆盖度的影响具有复杂性和差异性，不同土地利用类型及其转型过程对植被的恢复效应也存在一定差异，合理搭配林、草、耕地三者间的比例，优化土地资源配置，尽量减少水土流失等不利影响对区域保持良好植被覆盖状态具有重要意义，且人类活动是区域植被变化重要的干扰因子，流域内需要有针对性的土地利用转型和生态系统优化策略.

于桥水库流域；土地利用类型；植被覆盖度；ArcGIS10.2

作为陆地生态系统的主要组成部分，植被是防止水土流失的关键因素，目前，关于植被对水土流失的影响已有大量研究［1-2］.大量种植林草可以提高地表植被覆盖，从而有效地控制水土流失，改善区域的生态系统［3-4］.因此，植被覆盖状况是重要的地区生态指标，在很大程度上可以反映一个地区的生态环境状况，所以研究植被变化及其驱动机制非常必要.植被变化是气候变化和人类活动共同作用的结果［5］，而土地利用是人类活动作用于环境与资源的一种最为显著的表现形式.土地利用及其所致的植被覆盖变化会影响生态系统的结构和功能，对区域内气候、水文、植被、生物地球化学循环以及生物多样性等产生重大影响［6］.目前国内土地利用变化对植被覆盖度影响的研究报道较少，仅见刘军会和杨光华的报道［7-8］.

于桥水库是天津工农业及生活用水的主要水源地［6］.随着城镇化建设，于桥水库流域土地利用结构与功能发生剧烈变化［9］.土地利用变化必然会导致植被覆盖的结构、类型以及区域配置状况发生明显变化，进而对流域生态系统的稳定性与均衡性产生深远影响［10-11］.因此，需要对该流域土地利用变化对植被覆盖度的影响进行研究.本研究基于 1984—2013年Landsat5和Landsat8卫星数据，在分析流域内植被变化特征的基础上，探讨不同土地利用方式对植被覆盖度的影响，分析土地利用与区域生态系统功效良性发展的关系，从而揭示区域生境变化的内因，以期通过调整土地利用方式、合理配制水肥条件、提高水资源的利用效率，为区域土地合理利用及生态环境保护提供决策支持和科学依据.

1　研究地区与方法

1.1研究区概况

于桥水库地处燕山山脉南麓，位于39°56′～40°23′N，117°26′～118°12′E，天津蓟县城东4 km处，地跨津、冀两省市，是天津市重要的饮用水水源地.于桥水库流域东西长66 km，南北宽50 km，面积达2 060 km2，属于中国燕山纬向构造体系.该流域主要是农业地域，流域地形和地势自东北向西南呈阶梯状下降，西北部为中山区；中山区向南逐渐降低为低山丘陵区；中部为地势平坦的冲积平原，中道山在平原中部将其分隔成北山、北川、中山、南川和南山的“三山两川”地貌格局.于桥水库流域由小面积的中山、大面积的低山丘陵以及不连续的平原组成，以流水剥蚀地貌为主［12］.该流域水系发达，河网密度大，有淋河、沙河和黎河3条主要入库河流.该地区属暖温带大陆性季风型半干旱气候，年均降水量在700 mm以上，降水量季节性分配差异较大，汛期（7—9月）降雨量约占全年降雨总量的83%.流域内主要土壤类型有棕壤、褐土和潮土，在全国土壤分区中属褐土地区［13-14］.

1.2数据来源与处理

分别选取1984年、1994年、2004年和2013年6—9月的遥感影像数据，其中前3年遥感数据来自Landsat5，2013年的遥感数据来自Landsat8，所有数据空间分辨率均为30 m.影像主要选自夏秋两季，该时段植物长势最好，植被覆盖度高，既有利于从遥感影像上提取植被覆盖信息，又便于与其他土地利用类型进行区分，有利于目视解译工作的进行.辅助数据为地类控制点野外调查（GPS）数据和国家基础地理信息中心（NGCC）的1∶50 000矢量地形数据；利用1∶50 000数字高程模型提取流域边界；采用2012年10月资源3号卫星数据验证解译后地物，其分辨率为2.1 m.

首先，从遥感影像中提取地物类型.在ENVI 5.0软件支持下对各期影像数据进行校正、图像增强等预处理，用由DEM生成的流域边界进行图像裁剪，获得研究区.采用最大似然分类法对各期影像进行监督分类和非监督分类.然后，根据土地利用分类系统，在遥感影像上选取若干明显地物差异的典型地区，记录其地理坐标，通过GPS定位在实地进行野外观测并记录.在实地调查结果的基础上，结合实地考察资料与高分辨率资源3号卫星影像进行对比，利用ArcGIS10.2进行分类后处理，精度评价所得解译结果表明分类精度均大于84%，Kappa系数值均大于0.77，说明分类效果较好，可以满足较大尺度研究的需要.最后结合于桥水库流域实地景观类型和分类后处理遥感影像，确定裸地、城镇、林地、水体、耕地、园地、草地共7大土地类别.

1.3植被覆盖度遥感反演

由于归一化植被指数（NDVI）与植被长势、生物量、植被覆盖度和叶面积指数等具有较强相关性，且可以部分消除辐照条件变化对反演参数的影响，因此，用NDVI构建像元二分模型反演植被覆盖度［15］.

式（1）和式（2）中：F为植被覆盖度；NDVIS为裸土或无植被覆盖区NDVI值，用NDVImin值代替；NDVIV为完全被植被覆盖区NDVI值，用NDVImax表示；NIR和R分别为近红外波段和红光波段的反射值.其中，NDVImin和NDVImax分别表示最小和最大NDVI值.取值时，取给定置信度区间的最大值与最小值.置信度的取值主要由图像大小和图像清晰度等情况决定.因此用Quantile分类方法将classes设为200，找出相应的裂点，在NDVI频率累积表上取频率为0.5%的NDVI为NDVImin，取频率为99.5%的NDVI值为NDVImax.

1.4植被覆盖度变化分析

利用植被覆盖度均值和相邻时期标准化差异指数分析植被覆盖度变化特征［16］

式（3）中：NDI（x，y）为标准化差异指数；（x，y）′为不同时期植被覆盖度之差；M为总行数；N为总列数；NDI（x，y）＞1表示植被恢复，即植被覆盖度升高，地表植被状况趋于良性发展；NDI（x，y）＜-1表示植被退降，即表示植被覆盖度降低与植被退化，地表植被覆盖状况变差；-1＜NDI（x，y）＜1表示植被稳定，地表植被覆盖度变化不大，趋于稳定.

1.5土地利用变化分析

根据土地利用分类面积和相邻时期变化过程重要性指数分析土地利用变化特征，

式（4）中：C（m，n）为2个相邻时期内第m类土地利用类型转变为第n类的重要性指数，用以表明变化过程重要程度，值越大说明该类变化愈重要，反之，则不重要；S（m，n）为第m类土地利用转变为第n类的面积；S为总变化面积.

2　结果与分析

2.1植被覆盖度变化特征

遥感反演得到的 1984年、1994年、2004年和2013年的植被覆盖度情况如图1所示.

图1　不同年份植被覆盖度空间分布Fig.1　Spatial distribution of vegetation coverage in different years

对图1进行统计可知，4期植被覆盖度均值分别为58.10%、39.83%、46.75%和63.49%，这表明研究区内植被覆盖度呈现先减后增的趋势，且1994年植被覆盖度最低.同时，由图1可知，1984—2004年水库周边整体植被覆盖度较低，2013年库区及低山沟谷地区植被覆盖状况显著改善.

利用式（3），对不同时期植被覆盖度的变化进行统计，分析植被覆盖度变化特征，结果如图2和表1所示.

图2　不同时期植被覆盖度变化空间分布Fig.2　Spatial distribution of vegetation coverage change in different periods

表1　不同时期植被覆盖面积变化比例Tab.1　Area ratios of vegetation coverage change in different periods　%

由表1可知，1994—2013年间，植被覆盖面积退降比例变化不大.1984—2004年，植被退降区域主要集中分布于平原区各居民点周围及中部低山沟谷区；1994—2004年，植被退降趋势明显；而2004—2013年，植被退降区域主要分布在水库周边及西北部的中山区，其中库区退降主要是由于复垦现象及水生植物减少之故，表明水库水质有所改善.3个不同时期，植被稳定面积的比例均最大，1984—1994年约为75.24%，为最大值，以后每10年约下降5%，稳定类型主要分布在附近海拔较高区域.恢复类型广泛分布于北部林区（1994—2004年）及3条入库河流地区（2004—2013年）.呈恢复趋势的植被面积在此期间持续增加，约以每10年4%的速度持续上升，1984—1994年，水库周边及中部低山沟谷区的植被退降状况明显，1994—2004年，西北部中山林区植被状况转好，2004—2013年，中部及南部地区植被呈现大面积的恢复趋势，植被恢复比例上升显著.

30年间，植被覆盖面积以稳定趋势为主，稳定与恢复比例之和保持在86%左右，但随时间和区域的变化存在一定差异.退降与恢复比例相当，均保持较低水平，总体变化幅度不大，恢复面积比例持续上升，植被覆盖度波动性较大，植被退降后有所恢复.西北部中山林区植被呈稳定—恢复—退降型；中部低山区呈退降—退降（加剧）—恢复型，且2004—2013年，该区植被与前期相比，呈明显好转趋势.植被整体上呈退降趋势的面积有所增加，直至2004年，植被退降面积达到最大后又有小幅减少.

2.2土地利用变化特征

利用ArcGIS10.2和人机交互式解译法得到1984、1994、2004和2013年4年的土地利用图，结果如图3所示.此外，对不同时期土地利用的分类面积进行统计，结果如表2所示.

图3　不同年份土地利用空间分布Fig.3　Spatial distribution of land use in different years

表2　土地利用分类面积统计Tab.2　Area statistics of different land use types　km2

1984—1994年，土地利用变化面积为498.71 km2，1994—2004年，土地利用变化面积为399.93 km2，2004—2013年间土地利用变化面积为422.75 km2，土地利用变化面积自1984年到2013年先减少后略升，且1984—1994年，面积变化最为显著.1984—2013年间林地减少383.22 km2，与1984年相比面积少一半以上；耕地减少193.09 km2，裸地面积略有减少；城镇用地增加134.65 km2，园地增加324.22 km2，草地和水体面积则是波动上升，土地利用变化的主导类型是林地、园地、耕地和城镇建设用地.

为了合理刻画土地利用的变化过程，首先利用式（4）计算各类变化过程的重要性指数，然后统计相邻时期土地利用转化类型面积，再结合土地利用空间分布情况（图3）归纳出不同时期主要土地利用变化过程的空间分布，结果如图4所示.由图4可知，1984—1994年，土地利用变化以林地—园地、林地—耕地及耕地—城镇为主，而耕地—园地类型零散分布于研究区内；在一些耕地被占用为城镇建设用地时，水库面积有所增大，原有围垦现象得到改善.1994—2004年，研究区西北林区有所减少，主要以林地转园地类型为主，草地面积明显增加；同时城镇建设用地进一步增加，于桥水库部分水域被围垦为耕地及园地，导致水域面积迅速减少.2004—2013年间以耕地转城镇和耕地转园地为主，耕地转城镇主要发生在中部低山沟谷及平原地区，耕地转园地广布于北部海拔较高的沟谷阶地地区.此外，研究区中部低山区有大量耕地转为城镇及园地，西北林区也被大量开发利用.30年间，从土地转型过程的空间分布情况来看，园地扩张大部分分布于低山丘陵和阶地地区，通常表现为原有园地斑块向周边蔓延式扩张；城镇扩张有2种分布形式，一是原有居民点不断同化周边其他用地类型，形成更大的城镇用地斑块，二是交通干道建设形成的显著线性扩张区域；南部地区土地利用方式变化不大；研究区中部的土地利用强度＞西北部的土地利用强度＞南部的土地利用强度.

2.3土地利用转型对植被覆盖度的影响

土地利用转型即一种土地覆盖类型替代另一种覆盖类型，对不同时期不同转型过程所对应的植被覆盖度均值进行统计，结果如表3所示.

图4　不同时期土地利用变化空间分布Fig.4　Spatial distribution of land use change in different periods

由表3可以看出，1984—1994年期间转型过程的植被覆盖度均值下降幅度较大，表明土地利用在人为干预下，生态环境受到破坏.相同时段内耕地转为城镇的覆盖度均值下降最大，可见城镇化建设进程中大量绿色用地被占用，造成植被覆盖度均值下降较大.林地转耕地、林地转园地以及耕地转园地均覆盖度降低，可见林地对地表植被影响更大.1994—2004年，林地转耕地和耕地转城镇2种类型植被覆盖度均值的降幅减小，表明耕地覆盖度相比有所好转，城镇化建设区域缓慢；而林地转园地与耕地转园地的植被覆盖度均值增长幅度相当，约为8%，这可能与此期间大量种植园林作物有关，而园林作物长势较好.2004—2013年，所有转换类型均呈现上升趋势，耕地转园地覆盖度增加值均明显大于林地转为耕地及林地转园地的增加值，表明园地变化不大，而耕地转为园地对当地植被恢复效果更显著.而耕地转城镇覆盖度均值上升表明研究区内开始注重城镇内部绿化带建设，整体来看，植被覆盖度均值水平较高.

对图4与图2相同时段对应叠加分析，统计不同转型过程的植被覆盖度变化面积比例，结果如表4所示.

表4　不同土地利用转型过程的植被覆盖度变化面积比例Tab.4　Area ratios of vegetation coverage change of different land use transition processes　%

1984—1994年，土地利用转型过程中植被覆盖度变化面积比例以稳定为主，其中林地转耕地类型植被退降严重，高达32.93%，表明一方面林地转为耕地本身造成地表植被覆盖度降低，另一方面林地不适宜种植谷物，导致土地利用大面积退降；与此同时，林地转园地类型植被退降比例相比林地转耕地的小很多，且稳定的比例达到90.67%，表明林地转为园地类型更为适宜.1994—2004年，林地转耕地类型退降加剧，比例达到高峰的60.96%，恢复面积比例仅1.79%，林地转园地类型退降仍保持较低水平，恢复比例有所上升；相比林地转园地，耕地转园地类型也进一步退降.耕地转城镇中退降较为严重，与前期相比，植被稳定的面积比例下降幅度较大，恢复面积比例也很低，这与城镇化建设中下垫面性质改变有关.2004—2013年间，林地转耕地过程中虽然退降比例减小，但仍保持较高水平；与前期相比，林地转园地退降较为严重，从前期不到7%提升到20.33%，人工果林的弊端开始显露，因长期种植同一类树种，果林生物多样性降低，从而导致地表覆盖度降低.耕地转林地的退降比例较低，恢复面积较大，表明在林地转园地进程中，大量果林退降，人们转而加大了耕地上果树的种植强度.且耕地转城镇土地利用中植被稳定面积比例大幅上升，恢复比例创历史新高，表明近年来人们的环保意识越来越强，政府在城镇建设中也开始注重城市绿化建设.

2.4区域土地利用变化对植被覆盖度的影响

统计1984年、1994年、2004年和2013年4个时期土地利用类型变化区和未变区所对应的植被覆盖度均值，结果如表5所示.

表5　不同土地利用变化类型的植被覆盖度均值比较Tab.5　Comparisons of average vegetation coverage of different land use change types　%

由表5可知，1984—1994年，各种类型区的覆盖度均值均呈现大幅下降趋势，降幅最大可达20.1%，表明消极的转变土地利用方式使得植被退降更为突出.由图4可见，流域中部平原区及南部地区土地利用变化强度均较大.1994年后类型区内植被覆盖度均值都显著上升，其中，2004—2013年植被覆盖度均值水平较高.整体来说，1984—2013年间，研究区各类型区内植被覆盖度均值在波动中有所上升，表明土地利用转型有利于植被覆盖度恢复，研究区已步入逐步恢复阶段，若不出现大的人为干扰过程，流域内植被覆盖将有望得到持续改善.

3　结论与讨论

3.1结论

伴随着城镇化建设的进行，于桥水库流域内一系列生态问题逐步凸显出来，基于植被保护和管理的策略选择成为应对区域生态逐步恶化的重要手段.本研究基于1984年、1994年、2004年和2013年于桥水库流域4个时相的LANDSAT卫星数据，利用ArcGIS10.2和像元二分模型，对整个研究区土地利用对植被覆盖度的影响进行研究，得到以下结论：

（1）在植被覆盖度变化方面，植被覆盖度变化有较强的波动性和异质性，稳定类型主要分布在附近海拔较高区域，退降类型集中分布于平原区各居民点周围，植被退降后有所恢复.西北部中山林区植被呈稳定—恢复—退降型；中部低山区呈退降—退降（加剧）—恢复型.总体来说，研究区内植被覆盖度呈先减少后增加趋势，且1994年植被覆盖度最低，2004—2013年植被恢复更显著，阶段性的退降后在合理土地利用及生态建设下植被覆盖度有明显的好转.

（2）土地利用方面，不同转化类型在不同时期开发强度不同，有较强的时空分异特征.土地转型表现为以城镇用地增加为标志的城市化和以园地面积大幅增加为代表的商品农业发展特征.30年间，研究区主导类型与主要方向为耕地转城镇、耕地转园地，而转型过程大多发生在低山沟谷、水库周边，面积大，易造成水体流失，对整个区域的平衡发展不利，需要采取有效措施.

（3）土地利用对植被覆盖度的影响方面，各土地利用类型对植被覆盖度的贡献各异，以林地＞草地＞耕地.由此得出，合理搭配林、草、耕地三者之间的比例及优化土地资源配置，尽量减少水土流失等不利影响对区域保持良好植被覆盖状态具有重要意义.

3.2讨论

在全球变化的背景下，自然与人文因子对植被覆盖变化的影响已成为全球变化研究的热点，特别是在人类活动影响日益剧烈的今天，植被覆盖变化深刻地反映了人类活动的过程［7］.人为活动主导下的土地利用变化与自然因子的时空分异共同构成了区域植被覆盖变化的重要驱动力.因此有必要探讨人类活动对植被覆盖变化的影响.本研究针对于桥水库流域植被覆盖变化过程中缺乏人类活动的聚焦分析，以中等空间分辨率的遥感数据为基础，从最能体现人类活动的土地利用角度探讨了研究区土地利用变化对植被覆盖度的影响.结果发现，研究区域土地利用类型的转变对当地的植被覆盖度的变化在一定程度上产生影响，特别是中部平原区及南部人类活动活跃的区域，由于人地矛盾，造成耕地、林地以及未利用地开垦、复垦的现象发生，土地利用方式的转变造成区域内的植被覆盖变化剧烈.不合理的土地利用转型导致植被覆盖度下降，而这些情况在其他区域的一些研究也得到了证实［8］.当然，人类活动不仅体现在土地利用方面，其他人类活动方式以及降水丰枯、气候变化等因素也会对植被覆盖度产生一定影响，这还需要进一步探索优化配置土地利用行之有效的方式.从区域土地利用结构变化轨迹分析土地利用结构的变化规律，为探索今后研究区土地利用结构调整方向奠定基础.

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（责任编校亢原彬）

Impacts of land use changes on vegetation coverage in Yuqiao watershed from 1984 to 2013

CHEN Saisai1，YANG Yanli1，SUN Yanling1，LI Chongwei1，WANG Zhongliang2
（1.College of Urban and Environment Science，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China；2.Tianjin Key Laboratory of Water Resources and Environment，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

Based on the remote sensing data of 1984，1994，2004 and 2013 four periods，the impacts of land use change on vegetation coverage in four periods from 1984 to 2013 in Yuqiao watershed of Tianjin were analyzed using ArcGIS10.2，dimidiate pixel model and man-computer interactive method to interpret land use types.The results showed that：Firstly，from the vegetation coverage change，the vegetation change areas have strong volatility and heterogeneity.The vegetation coverage in research region shows a trend that firstly decreased and then increased.Moreover，the vegetation coverage is lowest in 1994，and the recovery of vegetation is more notable from 2004 to 2013.The vegetation coverage has an obvious improvement after phased decline through the rational land use and ecological construction.Secondly，from the land use，little change can be found in land use types.The main land conversion types show arable land turning to urban land and arable land turning to garden.And the transition process of land use occurr mainly in low mountain-valley and surroundings of reservoir，which can cause soil erosion easily and do harm to the balanced development of the whole region，so effective measures should be taken.Thirdly，the effects of land use change on vegetation coverage are complex and diverse，and the effects of different land use types and transition process on vegetation restoration are also different.So it′s significant to make a reasonable proportion of woodland，grassland and arable land and optimize the allocation of land resource so as to minimum the negative effect of soil erosion on keeping good vegetation cover state in the study area.In addition，humanactivity is the vital interference factor in regional vegetation change，so the targeted land use transformation and ecosystem optimization strategy in this region is required and urgent.

Yuqiao watershed；types of land use；vegetation coverage；ArcGIS10.2

P463.3；X171.1

A

1671-1114（2016）02-0039-08

2015-11-18

国家科技支撑计划资助项目（2012BAC07B02）；国家自然科学基金资助项目（41471001）.

陈赛赛（1992—），女，本科生.

孙艳玲（1977—），女，副教授，主要从事资源环境遥感与全球变化方面的研究.E-mail：flyling99@163.com.