基于遥感数据的海河流域近30年土地利用变化及归因分析

徐好峰，白亮亮，朱晓春

(1.水利部海河水利委员会引滦工程管理局，天津 300170;2.水利部海河水利委员会科技咨询中心，天津 300170)

土地覆被变化对区域能量平衡、水量平衡和水循环过程具有重要影响，是全球陆地表层过程研究的基础[1-5]。气候变化和强人类活动对水循环系统的双重作用，直接影响水循环特征和水资源转换过程。因此，研究土地覆被的时空变化特征及其归因分析，有助于解析、量化水资源转换过程和开发利用情况，服务于流域区域水资源管理。

1980—2016年，海河流域的水资源开发利用程度达105.7%，经济社会快速发展和水资源的不合理开发利用，导致过度超采，引发了地面沉降，形成地下水漏斗区域，引起河流干涸、湿地萎缩、海水入侵等一系列的生态环境问题[6-9]。客观分析土地覆被的时间和空间变化特征，为进一步研究强人类活动影响下海河流域水循环/产汇流过程、用水效率以及水资源合理开发利用提供支撑[10-12]。

1 研究区域与数据

1.1 海河流域概况

海河流域东临渤海，西倚太行山脉，南临黄河，北接蒙古高原[13]。流域高程空间差异较大，地势由西北向东南递减，大致划分为高原、山地和平原3种地貌。海河流域1956—2016年平均降水量527mm，1980—2016年平均水面蒸发量1043mm，属于温带半湿润、半干旱大陆性季风气候。海河流域高程分布如图1所示。

图1 海河流域高程分布

1.2 土地覆被数据

本文采用的土地覆被数据来源于欧空局气候变化计划(https://www.esa-landcover-cci.org)，该数据空间分辨率为300m×300m，由欧洲空间局通过ENVISAT/MERIS和SPOT-VGT遥感影像制作生成，总体精度为74%，具有较高的数据质量[14-16]，本文中的土地利用/覆被分类采用联合国粮农组织规定的22个分类[17-18]。文章主要分析海河流域耕地、林地、草地、城镇、裸地和水体等主要土地覆被类型的时空变化特征。土地覆被类型详见表1。

2 结果与分析

2.1 土地覆被时间变化

海河流域1992—2020年近30年不同土地覆被类型面积统计情况见表2。海河流域总面积为3184.9万hm2，其中农田、林地、草地面积较大，分别占整个海河流域面积的52.4%、21.5%和20.8%，城镇、水体和裸地面积较小，分别占整个海河流域面积的4.4%、0.9%和0.01%。海河流域不同土地覆被类型面积的年际变化趋势图如图2所示。从图2可看出，城镇和农田面积变化趋势最为明显，其中城镇面积由1992年的57.7万hm2增加到2020年的248.1万hm2，耕地面积由1992年的1727.4万hm2减少到2020年的1576.3万hm2。林地、草地和水体面积变化趋势相对较小，分别由1992年的690.0万、678.3万、31.3万hm2减少到2020年的678.1万、653.8万、28.3万hm2。

图2 1992—020年海河流域不同土地覆被类型年际变化趋势图

海河流域土地覆被类型变化较明显的城镇和耕地占比年际变化情况如图3所示。其中，城镇面积增加了190.4万hm2，占流域面积的比重由1992年的1.8%增加到2020年的7.8%；耕地面积减少了151.1万hm2，由1992年的54.2%减少到2020年的49.5%。林地、草地和水体面积分别减少了12.0万、24.5万、3.0万hm2。详见表2。从图3可以看出，2000年后，经济社会进入快速发展阶段，居住、交通、工商业用等城镇用地扩张速度加快，面积增加趋势明显；耕地和其他土地覆被类型受到了挤占，尤其是耕地面积，减小趋势明显。

表2 1992—2020年海河流域不同土地覆被类型面积 单位：万hm2

图3 海河流域城镇和耕地面积占比变化

2.2 土地覆被空间变化

从选取的1992、2000、2010和2020年海河流域地表覆被类型空间分布来看，耕地主要分布在流域中东部水源条件较好的平原地区，西部山区水源条件相对较差，分布较少；城镇主要分布在流域中东部的华北平原；林地和草地等雨养自然植被主要分布在流域西部和北部山区。同时，近30年来海河流域城镇向四周扩张，面积增加尤为明显；城镇周边耕地、林地和草地一定程度上被挤占，面积减小；裸地和水体面积占比较小，同时受遥感影像空间分辨率限制，在空间分布图上并未表现出明显变化。

海河流域不同土地覆被类型面积占比年代际变幅情况见表3。其中，农田、林地、草地、城市、裸地和水体面积占比在2000—2010年期间的变幅最大，分别为-4.47%、-0.99%、-2.18%、142.19%、24.43%和-10.26%；2010—2020年期间的变幅次之，分别为-4.12%、-0.24%、-0.75%、43.14%、43.64%和-1.58%；与其他年代际相比，1992—2000年期间的变幅相对较小，分别为-0.37%、-0.61%、-0.6%、24.13%、-21.63%和2.34%。整体而言，2000年以来经济社会发展和城镇一体化加快，人类生产活动和土地利用开发强度加大。其中变化最明显的为城镇，面积不断扩张；农田、林地、草地、水体等土地覆被类型的面积受到挤占，均呈减少趋势。

表3 海河流域不同土地覆被类型面积占比年代际变幅 单位：%

2.3 土地覆盖变化归因分析

土地覆被变化受自然条件和人类活动双重影响。其中降水、气温、地形地貌等自然条件对土地覆被变化起决定性作用，制约土地覆被类型和空间分布特征。而人口迁移、经济社会发展、水资源开发利用等人类活动，对土地覆被空间格局变化起主导和推进作用。

2.3.1自然条件影响

降水和气温作为量化气候变化的重要因子，其反映的气候条件对土地覆被类型和时空分布特征具有制约作用，如农田主要分布在中东部华北平原等地区，其生长除天然降雨外，还需要人为灌溉来维持；而林地和草地等自然植被分布在西部山区，其生长主要依靠降水来维持。同时，海河流域呈西北部高中东部低，地形地貌等自然空间特征一定程度上影响湖泊、河网等土地覆被类型的空间分布和面积变化。

海河流域耕地以旱作为主，降水作为农业生产和植被生长的重要水源之一，其变化直接影响农业生产规模和植被覆盖程度，但流域气候类型并未显著改变，因此，下垫面类型和植被格局也未发生明显变化。另一方面，降水和气温等气象因子的变化将直接或间接影响地表水资源量的补偿和消耗过程，流域降水减少引起的径流减少和温度上升引起的蒸散增加，一定程度上导致了平原湖泊和河网水面面积的减少。

2.3.2人类活动影响

海河流域位居京畿，经济增长、人口转移和城镇化进程较快，城镇和交通用地呈辐射状向周边扩张，其中京津冀及京广铁路沿线地区城镇面积扩张尤为明显，面积呈逐年增加趋势；平原区耕地受城镇和交通用地挤压，不断向居住、交通、工商业用地转移，面积呈逐年减少趋势；农业生产规模扩大和地下水超采引起地下水水位急剧下降，地下水地表水补给关系和蓄满产流模式发生改变，导致地表径流量减少，引起河网水体面积萎缩；水土保持措施实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发，一定程度上导致地表产汇流减少，间接引起平原河网水面面积的减少。随着南水北调工程、引黄入冀补淀工程、河湖复苏、农业节水等工程和非工程措施的实施，外调水源增加和地下水压减，对地下水恢复带来积极影响，未来地表河湖、水网面积一定程度上将会增加。

3 结语

海河流域土地覆被类型空间分布和变化受自然因素和强人类活动共同作用，人类活动是影响土地覆被类型变化的主导因素。2000年前，人类活动影响较小，土地覆被类型较稳定，各类型相互转移速度较慢；2000年后，强人类活动导致土地覆被类型相互转移程度持续加深。准确量化流域土地覆被类型的时空变化特征和转移过程，客观分析其驱动机制，对流域水循环分析、水资源评价和管理具有重要的指导意义。此外，本文所采用的土地覆被影像数据的空间分辨率为300m，一定程度上限制了如河流、湖泊等面积较小覆被类型的准确提取，后续可采用多源、高分辨率影像做进一步的补充分析。