黄浦江上游水源保护区土地利用动态及驱动力分析

2021-11-10吴健陈力邱思静鄢忠纯苏敬华胡礼庭王敏

华东师范大学学报（自然科学版） 2021年2期

吴健陈力邱思静鄢忠纯苏敬华胡礼庭王敏

摘要：基于0.25m分辨率航空遙感数据和土地利用及地形图等资料，通过人工目视解译，得到2000年、2005年、2010年和2015年上海市黄浦江上游水源保护区土地利用数据，进一步分析了各类土地利用面积变化、相互转化以及驱动力。结果表明，从2000—2015年，随着工业用地的增长，农业用地及水域面积都出现了缩减，城镇用地面积比例上升。15年间，农业用地中，耕地、畜禽养殖用地面积大幅减少，降幅分别为44.17%、71.65%;水域面积降幅为6.44%;绿地林地面积大幅增加，增幅为645.94%。城镇用地面积大幅增加，增幅为53.53%，其中各类城镇用地面积都有所增加，工业仓储面积增幅最大，为21.77%。从土地转出情况来看，15年间耕地转出面积最大，为22839.96hm2;畜禽养殖用地的转出率最高，为91.23%。从土地转入情况来看，15年间绿地林地转入面积最大，为16190.32hm2;其次是工业仓储用地转入面积，为7979.12hm2.综合2000—2015年研究区域发展情况、人口变化、政策影响等多种因素，分析可知城市化、工业化作为驱动力增加城镇用地面积，环境政策影响绿地林地面积、畜禽养殖用地面积，市场调节影响水产养殖用地面积，而水源保护区土地利用类型受环境政策以及城市化双重作用影响。

关键词：黄浦江;水源保护区;土地利用;驱动力

中图分类号：X21，X52文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2021.02.011

AnalysisoflandusedynamicsanddrivingforcesofwatersourceprotectionareasintheupperreachesoftheHuangpuRiver

WUJian1，2，CHENLi2，3，QIUSijing4，YANZhongchun1，SUJinghua1，HULiting2，WANGMin1

（1.ShanghaiAcademyofEnvironmentalSciences，Shanghai200233，China;2.SchoolofEcologicalandEnvironmentalSciences，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200241，China;3.HangzhouSchoolAffiliatedtoEastChinaNormalUniversity，Hangzhou310000，China;4.LaboratoryforEarthSurfaceProcesses，CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences，PekingUniversity，Beijing100871，China）

Abstract：Usingacombinationof0.25mresolutionaerialremotesensingdataandtopographicmaps，thelandusedatafortheShanghaiHuangpuRiverWaterSourceProtectionAreain2000，2005，2010，and2015wereevaluatedbymeansofmanualvisualinterpretation.Withthegrowthofindustriallandfrom2000to2015，therehasbeenarelativedeclineintheproportionofagriculturallandandwaterareasandarelativeincreaseintheproportionofurbanlandareas.Inthepast15years，theareasusedforfarmingandcultivatinglivestockandpoultryhavedecreasedby44.17%and71.65%，respectively.Theareaofwaterreductionhasdecreasedby6.44%。Theareaofgreenlandforests，incontrast，hasincreasedby645.94%。Theareaofurbanlandhasincreasedby53.53%。Alltypesofurbanlandusehaveincreased，withtheareausedforindustrialstorageincreasingthemostat21.77%。Fromtheperspectiveoflandtransfer，theareaofcultivatedlandtransferredoutwardwasthelargestinthepast15years，accountingfor22，839.96hectares，andthetransfer-outwardrateoflivestockandpoultryfarminglandwasthehighestat91.23%。Theareaofgreenlandforeststransferredinwardwasthelargestat16190.32hectares;thetransferofindustrialstoragelandinwardwasthesecondlargestat7979.12hectares.Basedonananalysisofdevelopmentintheregion，populationchanges，policyimpacts，andotherfactors，ourresultsindicatethaturbanizationandindustrializationdrovetheincreasesinurbanlandareas;moreover，environmentalpoliciesaffectedgreenlandareasaswellaslivestockandpoultryfarminglandareas，marketregulationsaffectedaquaculturelandareas，andenvironmentalpoliciesandurbanizationaffectedwatersourceprotectionareas.

Keywords：HuangpuRiver;watersourceprotectionarea;landuse;drivingforce

0引言

土地利用/土地覆被变化（LUCC）是人类活动与自然环境相互作用最直接的表现形式，也是人类社会经济活动与自然生态过程交互和连接的纽带[1-2]，土地利用的类型、格局和强度对碳、氮和水等物质循环以及生态系统服务产生不同的影响，也关系到资源环境的可持续利用与发展[3-5]。土地利用/土地覆盖变化的主要驱动力是人类自身[6]。饮用水源保护区一般是指为了获得清洁安全的水资源建立的、以集中供水取水口为中心的地理区域[7-8]。黄浦江上游水源保护区是上海市主要的水源地之一，供水规模一度达5×106m3/d，曾承担全市超过50%的饮用水供给量[9]。黄浦江上游水源保护区受人为因素及人类活动影响较大，以往针对该区域的研究多集中于环境质量或生态效益领域，主要分析该水源保护区水质、水环境、农业环境、生态涵养林生态效应等方面[9-16]，较少学者从土地科学的视角详细全面地分析其土地利用的时空变化。因此，为丰富该事关民生“热点区域”的研究，本研究以上海市黄浦江上游水源保护区为研究区域，分析2000—2015年土地利用变化的时空格局，揭示水源保护区土地利用变化的基本特征及其主要驱动力，为后续水源保护和管理提供科学依据。

1研究区域与方法

1.1研究区概况

黄浦江为湖源型感潮河流，上游地势平坦，属于湖泊相沉积平原，坡度平缓，土质以黏土为主，表层地貌受人类活动影响，形成塘浦河渠纵横贯通的格局。该研究区域地处长江三角洲冲积平原河网地区，属于亚热带海洋性季风气候，气候湿润、四季分明、光照充分、热量丰裕、降水充沛，年平均气温16℃，全年无霜期230d，年平均降水1074.2mm。为了提高饮用水水源水质，保证市民饮水安全，1985年以来上海市先后通过《上海市黄浦江上游水源保护条例》《上海市饮用水水源保护条例》及其实施细则，确定了由奉贤区、金山区、闵行区、青浦区、松江区、浦东新区和徐汇区部分地区组成的水源保护区，面积达1058km2，占上海全市总面积的16.6%[17]，具体研究区域范围详见图1.

上海市2015年生产总值（GDP）为24964.99亿元，用于环境保护的资金投入708.83亿元，相当于上海市生产总值的2.8%。随着近年来水源保护措施的实施与加强，饮用水源区工业发展受到一定限制，但以工业为主导的产业现状仍在一定程度上加大了水源保护的难度[9，14]。

1.2数据来源及处理

本研究的数据以0.25m分辨率航空遥感影像为基本参照，以上海城市坐标为定位体系，同时参考相关的土地利用资料和地形图资料进行综合分析判断，由人工目视解译而成。针对上海地形图进行了遥感影像定位匹配的几何正射矫正，确保土地分类解译所得的用地图斑具有较高的定位精度;將遥感影像无缝镶嵌，以方便土地分类解译时的判断和边界提取;为了更加准确地对土地类型进行区分，将土地利用类型直观化，结合航空遥感图像建立了遥感解译标志，最终得到2000年、2005年、2010年和2015年黄浦江上游水源保护区土地利用数据。根据城市生态系统中土地利用/土地覆盖标准（DB31/T314.1—2004），本研究将土地划分为城镇用地、农业用地、水域及其他用地（在建或待建用地）4种一级地类，其中城镇用地包括工业仓储、交通、公共建筑、居住、市政设施5种二级地类用地，农业用地包括绿地林地、耕地、畜禽养殖、水产养殖4种二级地类用地，共11种用地类型[18]。

1.3研究方法

1.3.1土地利用类型变化率

土地利用类型变化率表达的是研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况[19-20]，其计算公式为

式（1）中：V为研究时段内某一土地利用类型的变化率;Ua和Ub分别为研究期初及研究期末某一种土地利用类型的数量;T为研究时段长，当T的时段设定为年时，V的值就是该研究区某种土地利用类型的年变化率。

1.3.2土地利用类型转移矩阵分析方法

转移矩阵可全面而具体地分析区域土地利用类型变化的结构特征与各类型变化的方向。该方法来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述，为国际、国内所常用。具体为

式（2）中：n代表土地利用类型数;i、j分别代表研究期初与研究期末的土地利用类型;Sij代表研究期内土地利用类型i转换为土地利用类型j的面积。

转移矩阵的意义在于它不但可以反映研究期初、研究期末的土地利用类型结构，而且可以反映研究时段内各土地利用类型的转移变化情况，便于了解研究期初各类型土地的流失去向以及研究期末各土地利用类型的来源与构成[20-21]。

1.3.3Circos可视化方法

Circos是由开发语言Perl编写的一款原计划用于可视化生物基因组数据的软件，鉴于其能够实现多种数据的可视化，目前被广泛运用于多个领域[22-23]。Circos软件能将矩阵转化为可视化效果更好的弦图，计算不同用地情况的流动转化情况，对土地数据在不同类别中转化情况的时空可视化分析。

2结果与分析

2.1各类土地利用面积变化

2000年、2005年、2010年、2015年水源保护区不同土地利用类型的面积及分布情况如图2、图3所示。

从农业用地来看，其是水源保护区的主要用地类型，2000年研究区域内农业用地（包括绿地林地、耕地、畜禽养殖用地、水产养殖用地）为75358.67hm2，占总面积的64.52%，但到2015年下降到36.16%，用地转出较明显。2000—2005年，农业用地中绿地林地用地、水产养殖用地面积扩增，二者分别以196.98%、46.61%的增幅扩增了4541.60hm2、2760.58hm2，而耕地和畜禽养殖用地分别以26.31%和15.99%的减幅减少了17554.84hm2和65.70hm2;2005—2010年，在农业用地中，只有绿地林地面积以137.81%的增幅增加了9436.16hm2，而其他农业用地均出现缩减，耕地、畜禽养殖用地、水产养殖用地面积分别减少了10844.84hm2、170.01hm2、567.43hm2，减幅分别为22.06%、49.26%、6.54%;2010—2015年，农业用地同前5年变化相似，只有绿地林地面积以5.62%的增幅增加了915.11hm2，耕地、畜禽养殖用地、水产养殖用地面积分别减少了1067.54hm2、58.63hm2、3251.61hm2，降幅分别为2.79%、33.48%、40.07%。

从城镇用地来看，2000年城镇用地（包括工业仓储、交通、公共建筑、居住）为22638.64hm2，占总面积的19.38%，但到2015年上升到30.32%，呈快速增长态势。2000—2005年，城镇用地中的每一地类均有所增加，工业仓储、交通、公共建筑、居住分别增加了3399.69hm2、997.83hm2、655.19hm2、616.08hm2，增幅分别为52.90%、39.31%、41.35%、5.14%;2005—2010年，各类城镇建设用地持续增加，工业仓储、交通、公共建筑、居住用地面积分别增加了2634.70hm2、969.70hm2、1097.31hm2、329.96hm2，增幅分别为26.81%、27.42%、48.99%、2.62%;2010—2015年，各类城镇建设用地中除了工业仓储略有下降外，交通、公共建筑、居住、市政设施分别继续增加747.66hm2、7.77hm2、421.37hm2、914.89hm2，增幅分别为16.59%、0.23%、3.26%、465.24%。

从水域来看，2000年水域面积为17101.73hm2，占比14.64%，2015年下降到13.70%。2000—2005年，水域面积减少263.66hm2，减幅1.54%;2005—2010年，水域缩减面积多于前一个5年，以3.68%的减幅减少了619.43hm2;2005—2010年，水域面积以1.35%的降幅减少了218.82hm2.

15年间，耕地、畜禽养殖用地、水产养殖用地和水域均持续减少。耕地、畜禽养殖用地、水产养殖用地和水域减少面积分别为29467.22hm2、294.34hm2、1058.46hm2、1101.91hm2，减幅分别为44.17%、71.65%、17.87%和6.44%，其中耕地面积减少得最多，畜禽养殖用地减幅最高。剩余其他类别用地面积均为增加，其中绿地林地增幅为645.94%。

从空间分布来看（见图3），耕地分布于整个研究区内，水域、水产养殖用地分布在淀山湖及其附近的小型湖泊周边，绿地林地主要分布于黄浦江干、支流沿岸及邻近地带，而工业用地集中于水源保护区下界，即松江区及闵行区的部分工业区内，公共用地分布在工业用地或居住用地集中区域。

2.2土地利用的相互转化

从转移矩阵可以看出（见表1和图4），15年间的主要变化体现在耕地的转出上。2000—2005年耕地主要转出方向为绿地林地、水产养殖、工业仓储和其他用地，其中绿地林地占比最大，为23.75%;2005—2010年耕地主要转出方向仍为绿地林地，占比高达54.50%，同比增长91.90%;2010—2015年耕地转出放缓，转为绿地林地占比为34.22%，同比下降79.00%，同期水产养殖用地大量转入耕地。

从各类土地的转出来看，15年间耕地转出面积最大，主要转向为绿地林地、工业仓储、其他用地，转移面积分别为13769.05hm2、5970.27hm2和3100.64hm2.畜禽养殖用地的转出率最高，为91.23%，主要转移为工业仓储和其他用地。其次为其他用地，其转出率为90.77%，主要转移为工业仓储、居住和绿地林地，转移面积为351.01hm2、386.09hm2和260.29hm2.水域中有721.01hm2转移为耕地，除此之外，还向绿地林地、居住、工业仓储和其他用地转移。居住用地则主要转移为耕地、工业仓储和其他用地。

从各类土地转入情况来看，绿地林地的转入面积最大，有13769.05hm2来自于耕地，除此之外，还有水产养殖用地和居住用地及其他类型的少量转入;流向耕地的4297.94hm2土地中，有1486.94hm2来自于水产养殖用地，其他类型的转入量很少;工业仓储及居住用地的转入也都主要来自耕地，共5970.27hm2;其他用地的转入增幅最大5736.43hm2的转入面积中，有3100.64hm2来自耕地，而853.02hm2的居住用地和610.92hm2水产养殖用地的转入也是其他用地比较主要的转入来源。从空间分布来看，耕地向工业用地转换主要集中在闵行区、松江区原有工业区外围;耕地向水产养殖用地的转入，主要集中在上游湖区附近;绿地林地由其他地类的转入主要发生在黄浦江干、支流沿岸;耕地与居住地相互转化使居住用地的分布更加集中;在工业区、居住区集中地，部分工业用地、居住用地转化为公共建筑。总的来说，15年间水源保护区的土地类型转化促成了耕地大量流失并破碎化、绿地林地沿江分布、工业重心更加集中于水源保护区下界的格局。

2.3土地利用变化驱动力分析

2.3.1城镇用地变化驱动力分析

15年间，大量农村人口不断向城镇聚集，城镇化水平不断提高。伴随着城市开发程度加强[24-27]，黄浦江上游地区各类城镇用地（工业仓储、交通用地、公共建筑、居住用地、市政设施等）面积都持續增加。与此同时，上海市以“推进土地向规模经营集中、推进工业向园区集中、推进农民居住向城镇集中”为主要内容的“三个集中”推进郊区城镇化发展的政策在土地管理中发挥了重要作用[28]。这些政策促使闵行、松江工业区的规模扩大，形成了更大的工业产业集群，并在工业区附近建设了集中的住宅区。伴随着城市化进程，城市人口增加促使居住用地面积增加。在这些人口密集的工业区、住宅区中心又兴建了大量的公共建筑，而原本分散的居住地复垦为耕地或转变为工业区一部分。无论是工业发展还是人口增加，对市政交通的需求都会增强，因而造成交通运输、市政设施用地的增加。不过，2009年《上海市饮用水水源保护条例》实施以后，由于水源保护生态补偿制度的建立，以及对新增排污建设项目的限制，黄浦江上游地区工业用地快速扩张趋势得到遏制。2010—2015年期间，工业用地总面积略有下降。环境基础设施的不断完善，也削弱了生产生活污染排放对水质的影响。对社会经济要素和土地利用进行相关性分析，结果显示，总人口数量和城镇用地总量呈极显著正相关（r=0.99，p<0.01），工业总产值和城镇用地总量呈显著正相关（r=0.96，p<0.05），表明人口导入以及工业发展是城镇用地快速扩张的源动力。

2.3.2耕地变化驱动力分析

自2003年起，上海市启动了黄浦江水源涵养林建设工程，这项生态工程建设使得15年间耕地向绿地林地转化面积占耕地总转出面积的41.12%，黄浦江干、支流沿岸的耕地大面积转化为绿地林地[29]。同时，工业化、城市化过程也侵占了大量耕地，这是由于水源保护区大多数为郊区，随着15年间上海市城市化进程的提速，大量耕地转化为工业仓储、交通用地、公共设施及居住用地，城市化与耕地保护矛盾进一步凸显。另外，近年来，水产品和渔业生态服务的需求持续上升[30]，受市场需求变化的影响，上海市在“十五”期间积极推动水产品产业发展，其中“三带一环一港”包括了环淀山湖6666.67hm2淡水虾类和特种鱼优势产业带[31-32]。因此受市场需求、政策导向的影响，环淀山湖地区部分耕地转化为水产养殖用地，出现了向水产养殖业发展的农业转型趋势。从转移矩阵还可以看出，在耕地大量流向绿地林地、工业仓储等类型的同时，还存在反向流动，耕地总转入量达到3634.49hm2，这是由于上海市在推进郊区城镇化发展时“三个集中”及“宅基地复垦”的政策驱动了区域内部的空间结构调整。

2.3.3绿地林地、畜禽养殖用地变化驱动力分析

自2003年起，黄浦江水源涵养林建设工程启动，按江河两侧200m宽度规划实施，共涉及青浦、松江、金山、奉贤、闵行5个区18个乡（镇）。2009年颁布的《上海市饮用水水源保护条例》进一步明确，饮用水水源保护区和准保护区内应当预留水源涵养林用地。其目的一方面是阻止农业、工业及生活污水向河道直接排放，起到截污作用;另一方面保持水土、涵养水源，可以在一定程度上对生态建设起到积极作用[30]。因此，15年间绿地林地用地面积显著增加，增幅达645.94%，黄浦江干流、主要支流沿岸及附近区域植被覆盖状况明显改善。

2014年，上海颁布《上海市畜禽养殖管理办法》，将畜禽养殖分为禁止养殖区、控制养殖区和适度养殖区。2005年，黄浦江上游水源保护区划为畜禽禁养区，全面清退区域内部畜禽养殖。为了保证水源地安全，水源保护区内200多家规模化畜禽场搬迁或关闭，畜禽养殖用地面积在15年间持续减小，减幅达到71.65%。根据孙焱婧等[33]的研究，黄浦江上游水源保护区，养殖场产生的有机污染（COD/BOD）占总污染的30%左右，水质存在的问题主要是氨氮和总大肠杆菌超标，因此，该环境调控政策可以有效减少畜禽养殖粪便等对水质的破坏，有效地改善水源保护区水质。

2.3.4水域变化驱动力分析

值得注意的是，研究区虽然为水源保护区，但水域面积出现了少量缩减的现象。15年内水域面积减少了1101.91hm2，减幅为6.44%。分析转移矩阵可以发现，水域主要转移为耕地、水产养殖用地、绿地林地、居住用地和工业仓储，转移类型比较丰富。这种土地利用的变化可能与研究区所处地理环境有关，研究区处于长江三角洲冲积平原，河网发达，小规模河塘较多，在农业用地、城镇建设过程中，一些小型水域会被填平，导致水域面积减少。因此，水域变化的驱动性因素主要是人为因素。

3结论与展望

（1）上海黄浦江上游水源保护区土地利用数据（2000年、2005年、2010年及2015年）分析结果表明，农业用地和水域面积减少，城镇用地面积增加。农业用地中，耕地、畜禽养殖用地面积大幅减少，绿地林地面积大幅增加，水产养殖用地面积有所增加，而每类城镇用地面积都有所增加。说明第一个5年为耕地开发建设阶段与大力加强生态环境改善阶段;而第二个5年为建成阶段，这部分耕地经历了建成为工业仓储、居住用地、交通、公共设施的过程;第三个5年为生态环境改善的稳定阶段。因此可以看出，城市化、工业化的驱动会增加城镇用地面积，而政策可以影响土地类型的空间布局。

（2）转移矩阵及土地利用空间分布分析结果表明，2000—2005年，有4529.23hm2的耕地转化为绿地林地用地，4491.57hm2耕地转化为其他用地;2005—2010年，耕地仍主要转为绿地林地，占转出耕地面积比例高达54.50%，剩余耕地中大多数转化为各类城镇建设用地;2010—2015年，耕地转为各项用地量逐渐平稳，并有大量水产养殖用地转为耕地。耕地的大量减少和破碎化应引起相关部门的高度重视，在后续政策制定时需多考虑耕地保护的问题。

（3）为提高饮用水水源水质，保证饮用水安全，上海不断加强饮用水水源保护，先后颁布《上海市黄浦江上游水源保护条例》《上海市饮用水水源保护条例》等地方法规。分析土地利用驱动性因素发现，以绿地林地面积大幅增加、畜禽养殖面积减少为特征的农业用地变化，主要受相关环境政策的影响，而水产养殖用地的增加可能受政策和市场因素调节;城镇建设用地对耕地的侵占，主要受城市化进程的影响，城镇建设用地的空间布局受城镇化建设的相关政策约束。自《上海市黄浦江上游水源保护条例》《上海市饮用水水源保护条例》等法规政策实施以来，饮用水水源保护生态补偿财政转移支付等相关制度的建立，以及限制畜禽养殖、严控新建项目等水源保护政策的出台，促进了区域内社会、经济、环境的协调发展。因此，水源保护区的土地利用类型主要是受政策及城市化进程的影响。城市化进程增加了水环境压力，而环境基础设施硬件及环境制度政策软件的建立和完善则对水质有改善作用。值得关注的是，15年间土地利用类型的转化使工业重心更大量集中于水源保护区下界，这势必为该区域的生态环境保护带来更大压力，相关政府部门需持续加强监测监管。

（4）本文侧重于分析15年间土地利用动态变化及驱动力，而相关土地管理政策对土地利用变化所造成黄浦江上游水源保护区的生态、环境的影响未做详细说明。因此，下一步研究将侧重于对土地利用变化相关的生态环境效应分析，为水源保护区土地资源的合理开发利用和土地管理提供理论参考和科学依据。

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