楊雅菲,李培楠,朱向葵,孫 紅

（1.北京中云偉圖科技有限公司，北京102208；2.北京市門頭溝區(qū)西峰寺林場(chǎng)，北京102300；3.國(guó)家林業(yè)和草原局森林和草原病蟲害防治總站，沈陽(yáng)110034）

土地資源是地球生物賴以生存的環(huán)境基礎(chǔ)，自然和人類活動(dòng)是影響其變化的兩大主要因素［1］。人類活動(dòng)離不開土地，同時(shí)也影響著土地利用類型的變化［2］。從20 世紀(jì)80年代以來，國(guó)內(nèi)外在土地利用類型的過程、基本特征、驅(qū)動(dòng)因素、研究方法、動(dòng)態(tài)模擬、趨勢(shì)預(yù)測(cè)以及和土地利用變化的原因分析及其對(duì)氣候、流域環(huán)境、水文過程等方面的影響都做了大量的探索［3-4］。河流水系是人類不可或缺的資源，開展流域范圍的土地利用變化研究，能夠?yàn)榱饔虻纳鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)，加強(qiáng)流域的土地資源管理提供科學(xué)依據(jù)。朱文博等人以太行山淇河流域?yàn)槔?，?duì)其2005—2015年土地利用變化進(jìn)行分析，采用Markov-CLUE-S 復(fù)合模型預(yù)測(cè)2025年耕地保護(hù)及生態(tài)保護(hù)情景下的土地利用格 局［5］。Agaton M等人利用GIS和RS技術(shù)監(jiān)測(cè)Citarum 流域上游的土地利用變化，分析得出快速城市化是Citarum 流域上游土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)力［6］。羅維等利用中分辨率數(shù)據(jù)的土地利用結(jié)果分析了洋河流域1990—2013年間的土地遙感數(shù)據(jù)，估算了這些變化對(duì)流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值的影響［7］。

洋河流域是我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的典型流域，是首都北京重要的水源保護(hù)地和生態(tài)保護(hù)屏障，對(duì)北京都市圈的生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有很重要的地位和作用［8］。目前已有學(xué)者利用中分辨率數(shù)據(jù)對(duì)洋河整個(gè)流域和流域部分河段的土地利用變化進(jìn)行了初步研究［9-13］，但是利用高分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用時(shí)空變化特征的研究仍相當(dāng)匱乏。隨著張家口市與北京市聯(lián)合舉辦2022年冬奧會(huì)籌建工作的逐步展開，利用高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究洋河流域土地時(shí)空變化特征為冬奧會(huì)場(chǎng)地合理規(guī)劃建設(shè)提供重要參考。本文以亞米級(jí)高分辨率遙感解譯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)洋河宣化-下花園段的土地利用格局和過程的變化進(jìn)行深入地研究，以期為河流的合理開發(fā)利用與管理，為2022年北京-張家口冬奧會(huì)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供重要的理論依據(jù)和決策支持。

1 研究區(qū)概況

洋河流域地處北方農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，是國(guó)家“防沙治沙”“京津風(fēng)沙源”重點(diǎn)治理區(qū)，同時(shí)是河北省“退耕還林還草”主要區(qū)域之一［14］。流域西起內(nèi)蒙古自治區(qū)興和縣和山西省陽(yáng)高縣，上游分布有東洋河、南洋河、西洋河三大支流。支流于萬全、懷安交界處匯合，后折東南流經(jīng)宣化、下花園至涿鹿、懷來交接處和桑干河一起流入官?gòu)d水庫(kù)。流域總面積1.79×104 km2，干流全長(zhǎng)約262 km。流域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均降水量409.8 mm，多集中在7—9月且豐枯年交替出現(xiàn)，干旱指數(shù)2.0—2.5，年平均溫度7.7 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 700—3 000 h。本研究選取了洋河流張家口宣化-下花園段河流兩岸1 公里范圍作為研究區(qū)。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究主要采用覆蓋研究區(qū)范圍的Quickbird和北京二號(hào)衛(wèi)星所接收的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，其中Quickbird 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收時(shí)間為2008年8月23日，分辨率0.5 m，北京二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收時(shí)間為2017年6月25日，分辨率0.8 m。利用Google earth上的高分辨率影像數(shù)據(jù)和全球30DEM 數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)進(jìn)行了衛(wèi)星影像的正射、融合等系列處理。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

參考我國(guó)現(xiàn)有的土地利用分類體系，結(jié)合研究區(qū)的現(xiàn)狀特點(diǎn)，將遙感監(jiān)測(cè)的地類分為6種一級(jí)土地類型，12 種二級(jí)土地類型（見表1 所示）。利用人工目視判讀的方法進(jìn)行了分類提取，結(jié)合野外調(diào)查和其他輔助數(shù)據(jù)資料對(duì)分類精度評(píng)價(jià)，2008年和2017年的分類精度均在90%左右，分類結(jié)果能夠保證后續(xù)分析研究的準(zhǔn)確度。

3 研究方法

3.1 單一土地利用動(dòng)態(tài)度

單一土地利用動(dòng)態(tài)度反映不同土地利用類型在一定時(shí)間段內(nèi)的變化速度和幅度［15］，對(duì)比土地利用變化的區(qū)域差異和預(yù)測(cè)未來土地利用趨勢(shì)有重要作用，其數(shù)學(xué)模型為：

式中，Ki為i類土地在t1到t2時(shí)段內(nèi)的動(dòng)態(tài)度，Ki值越小，表明該類土地轉(zhuǎn)化為其他類型土地的數(shù)量越少，在研究期內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定：Sit1、Sit2分別表t1、t2時(shí)間上i類土地的面積。

表1 遙感監(jiān)測(cè)分類指標(biāo)

3.2 土地利用程度變化分析

根據(jù)土地利用的屬性和遙感解譯結(jié)果，結(jié)合洋河流域的土地利用分類情況。根據(jù)國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者對(duì)土地利用程度分級(jí)的研究成果［16］，結(jié)合實(shí)際略作修改，將土地利用程度分為4級(jí)，每級(jí)賦予相應(yīng)的分級(jí)指數(shù)。從而給出土地利用程度的定量化表達(dá)式，見表2。

表2 土地利用程度類型分級(jí)表

土地利用的綜合指數(shù)模型是將土地利用的綜合指標(biāo)進(jìn)行數(shù)學(xué)綜合，形成一個(gè)連續(xù)分布的綜合指數(shù)，其數(shù)值的大小綜合反映了某一地區(qū)土地利用的程度，計(jì)算模型為：

式中：L為研究區(qū)的土地利用程度綜合指數(shù)；Ai為研究區(qū)內(nèi)第i類土地利用程度分級(jí)指數(shù)；Ci為研究區(qū)內(nèi)第i類土地利用程度分級(jí)面積百分比；n為土地利用程度分級(jí)數(shù)。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化分析

土地利用變化改變土地原有的生態(tài)服務(wù)價(jià)值和功能，利用Constanza［17］等人在全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的估算方法，計(jì)算研究區(qū)的生態(tài)損失價(jià)值，計(jì)算公式如下：

式中：V為研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值；Pi為在單位面積上土地利用類型i的生態(tài)服務(wù)總價(jià)值（百元/km2），Ai為研究?jī)?nèi)土地利用類型i分布面積（km2）。

由于Costanza 等人的估算是在全球尺度上進(jìn)行的，將之應(yīng)用于洋河流域這一特定區(qū)域，不免出現(xiàn)估計(jì)的偏差，為減少這一偏差，結(jié)合謝高地等對(duì)全國(guó)土地生態(tài)功能服務(wù)價(jià)值系數(shù)的研究［18-19］，得到洋河流域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)如表3所示。

表3 單位面積土地利用類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值表

4 結(jié)果與分析

4.1 土地利用時(shí)空特征分析

2008-2017年洋河流域沿線區(qū)域的土地面積變化如表4所示。洋河流域沿河區(qū)域土地主要類型以耕地、林地和草地為主，三者之和約占總面積的80%以上。2008—2017 十年間洋河流域的沿河區(qū)域草地、耕地面積減少，林地、工礦用地、交通用地和未利用地面積增加，林地增加面積最大。這可能與洋河流域核心區(qū)域張家口市的均GDP 從2008年以來一直處于增長(zhǎng)狀態(tài)有關(guān)（見圖2），耕地、草地被大量基礎(chǔ)公共設(shè)施建設(shè)占用有關(guān)，該結(jié)論與其他研究相類似［20-21］。另外，北方的退耕還林還草政策［22-23］是導(dǎo)致洋河流域耕地減少，林地增加的主要原因。

表4 2008-2017各土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)表（公頃）

圖2 張家口市2008-2017年生產(chǎn)總值圖

土地的轉(zhuǎn)移情況如表5所示，土地的轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在草地、林地和耕地之間相互轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移面積較大。此外，還有一部分的耕地、草地、林地向工礦用地、交通用地和未利用地進(jìn)行了轉(zhuǎn)移，說明在2008—2017年間洋河流域沿線區(qū)域的開展了大量的基礎(chǔ)公共設(shè)施和經(jīng)濟(jì)開發(fā)建設(shè)。

表5 2008-2017土地轉(zhuǎn)移矩陣 （公頃）

4.2 土地利用時(shí)空演變分析

2008—2017這十年間洋河沿線單一土地利用類型變化的速度（動(dòng)態(tài)度）k 變化如表6 所示，其中湖泊增幅最大，其次未利用地、交通用地、工礦用地等，耕地草地有明顯的減幅，沒有變化的是城市綠地。說明該時(shí)段內(nèi)洋河沿線受人類活動(dòng)的影響較大，水利工程、交通路網(wǎng)以及工業(yè)設(shè)施的建設(shè)較多。

表6 2008—2017年洋河沿線單一土地利用類型的動(dòng)態(tài)度

2008—2017年這十年間洋河沿線土地利用程度綜合指數(shù)如表7所示，從表中可以看出洋河流域土地利用程度有所提高，表明人類活動(dòng)對(duì)該區(qū)域的土地利用影響增大。

表7 2008—2017年洋河沿線土地利用程度綜合指數(shù)

4.3 土地利用生態(tài)服務(wù)價(jià)值變化分析

2008—2017年這十年間洋河沿線土地利用總體生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加161.65 萬元，除耕地和草地外，其他土地利用類型均有所增長(zhǎng)，其中林地增長(zhǎng)最大，增長(zhǎng)了236.92 萬元，其次河流增長(zhǎng)了80.86 萬元。耕地和草地分別減少了52.5 萬元和131.29萬元。林地、耕地、草地等植被的變化是洋河沿線生態(tài)價(jià)值的變化的主要影響因子。

表8 2008—2017年洋河沿線土地利用生態(tài)服務(wù)價(jià)值及其變化 （萬元）

5 結(jié)論

利用2008—2017年洋河流域沿線亞米級(jí)高分辨率數(shù)據(jù)，分析流域沿線1 km 范圍內(nèi)土地利用變化的情況，主要得到以下結(jié)論：

（1）2008—2017年洋河流域沿線的主要土地利用類型是林地、耕地和草地。在該期間內(nèi)草地、耕地面積減少，林地、未利用地和公路面積增加，林地變化幅度相對(duì)較大。土地的轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在草地、林地和耕地之間的相互轉(zhuǎn)移，而且轉(zhuǎn)移面積較大，還有一部分的耕地、草地、林地向公路和工礦用地進(jìn)行了轉(zhuǎn)移。

（2）2008—2017年洋河流域沿線單一土地利用類型變化的最大的是湖泊，其次是未利用地、交通用地、工礦用地等，且從2008—2017 統(tǒng)計(jì)土地利用程度綜合指數(shù)增加，表明這十年間洋河沿線受人類活動(dòng)的影響較大。

（3）2008—2017年洋河流域沿線土地利用的總體生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加，除耕地和草地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值減少外，其他土地利用類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值均有所增加，其中林地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值增加最大。林地、耕地、草地等植被的變化是洋河沿線生態(tài)價(jià)值的主要影響因子。

洋河流域是官?gòu)d水庫(kù)上游水源區(qū)，同時(shí)也是2022年北京冬奧會(huì)場(chǎng)館建設(shè)所在地，研究該區(qū)域河流沿線的土地利用變化特征對(duì)整個(gè)流域及北京水資源、生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究只選取了洋河的局部區(qū)域進(jìn)行了研究，具有一定的典型性和代表性，下一步還需要從整個(gè)流域范圍出發(fā)利用長(zhǎng)時(shí)序的高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)分析土地利用變化情況及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。