徐好峰，白亮亮，朱曉春

(1.水利部海河水利委員會(huì)引灤工程管理局，天津 300170;2.水利部海河水利委員會(huì)科技咨詢中心，天津 300170)

土地覆被變化對(duì)區(qū)域能量平衡、水量平衡和水循環(huán)過(guò)程具有重要影響，是全球陸地表層過(guò)程研究的基礎(chǔ)[1-5]。氣候變化和強(qiáng)人類活動(dòng)對(duì)水循環(huán)系統(tǒng)的雙重作用，直接影響水循環(huán)特征和水資源轉(zhuǎn)換過(guò)程。因此，研究土地覆被的時(shí)空變化特征及其歸因分析，有助于解析、量化水資源轉(zhuǎn)換過(guò)程和開(kāi)發(fā)利用情況，服務(wù)于流域區(qū)域水資源管理。

1980—2016年，海河流域的水資源開(kāi)發(fā)利用程度達(dá)105.7%，經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展和水資源的不合理開(kāi)發(fā)利用，導(dǎo)致過(guò)度超采，引發(fā)了地面沉降，形成地下水漏斗區(qū)域，引起河流干涸、濕地萎縮、海水入侵等一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[6-9]?？陀^分析土地覆被的時(shí)間和空間變化特征，為進(jìn)一步研究強(qiáng)人類活動(dòng)影響下海河流域水循環(huán)/產(chǎn)匯流過(guò)程、用水效率以及水資源合理開(kāi)發(fā)利用提供支撐[10-12]。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 海河流域概況

海河流域東臨渤海，西倚太行山脈，南臨黃河，北接蒙古高原[13]。流域高程空間差異較大，地勢(shì)由西北向東南遞減，大致劃分為高原、山地和平原3種地貌。海河流域1956—2016年平均降水量527mm，1980—2016年平均水面蒸發(fā)量1043mm，屬于溫帶半濕潤(rùn)、半干旱大陸性季風(fēng)氣候。海河流域高程分布如圖1所示。

圖1 海河流域高程分布

1.2 土地覆被數(shù)據(jù)

本文采用的土地覆被數(shù)據(jù)來(lái)源于歐空局氣候變化計(jì)劃(https://www.esa-landcover-cci.org)，該數(shù)據(jù)空間分辨率為300m×300m，由歐洲空間局通過(guò)ENVISAT/MERIS和SPOT-VGT遙感影像制作生成，總體精度為74%，具有較高的數(shù)據(jù)質(zhì)量[14-16]，本文中的土地利用/覆被分類采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織規(guī)定的22個(gè)分類[17-18]。文章主要分析海河流域耕地、林地、草地、城鎮(zhèn)、裸地和水體等主要土地覆被類型的時(shí)空變化特征。土地覆被類型詳見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地覆被時(shí)間變化

海河流域1992—2020年近30年不同土地覆被類型面積統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。海河流域總面積為3184.9萬(wàn)hm2，其中農(nóng)田、林地、草地面積較大，分別占整個(gè)海河流域面積的52.4%、21.5%和20.8%，城鎮(zhèn)、水體和裸地面積較小，分別占整個(gè)海河流域面積的4.4%、0.9%和0.01%。海河流域不同土地覆被類型面積的年際變化趨勢(shì)圖如圖2所示。從圖2可看出，城鎮(zhèn)和農(nóng)田面積變化趨勢(shì)最為明顯，其中城鎮(zhèn)面積由1992年的57.7萬(wàn)hm2增加到2020年的248.1萬(wàn)hm2，耕地面積由1992年的1727.4萬(wàn)hm2減少到2020年的1576.3萬(wàn)hm2。林地、草地和水體面積變化趨勢(shì)相對(duì)較小，分別由1992年的690.0萬(wàn)、678.3萬(wàn)、31.3萬(wàn)hm2減少到2020年的678.1萬(wàn)、653.8萬(wàn)、28.3萬(wàn)hm2。

圖2 1992—020年海河流域不同土地覆被類型年際變化趨勢(shì)圖

海河流域土地覆被類型變化較明顯的城鎮(zhèn)和耕地占比年際變化情況如圖3所示。其中，城鎮(zhèn)面積增加了190.4萬(wàn)hm2，占流域面積的比重由1992年的1.8%增加到2020年的7.8%；耕地面積減少了151.1萬(wàn)hm2，由1992年的54.2%減少到2020年的49.5%。林地、草地和水體面積分別減少了12.0萬(wàn)、24.5萬(wàn)、3.0萬(wàn)hm2。詳見(jiàn)表2。從圖3可以看出，2000年后，經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)入快速發(fā)展階段，居住、交通、工商業(yè)用等城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張速度加快，面積增加趨勢(shì)明顯；耕地和其他土地覆被類型受到了擠占，尤其是耕地面積，減小趨勢(shì)明顯。

表2 1992—2020年海河流域不同土地覆被類型面積 單位：萬(wàn)hm2

圖3 海河流域城鎮(zhèn)和耕地面積占比變化

2.2 土地覆被空間變化

從選取的1992、2000、2010和2020年海河流域地表覆被類型空間分布來(lái)看，耕地主要分布在流域中東部水源條件較好的平原地區(qū)，西部山區(qū)水源條件相對(duì)較差，分布較少；城鎮(zhèn)主要分布在流域中東部的華北平原；林地和草地等雨養(yǎng)自然植被主要分布在流域西部和北部山區(qū)。同時(shí)，近30年來(lái)海河流域城鎮(zhèn)向四周擴(kuò)張，面積增加尤為明顯；城鎮(zhèn)周邊耕地、林地和草地一定程度上被擠占，面積減??；裸地和水體面積占比較小，同時(shí)受遙感影像空間分辨率限制，在空間分布圖上并未表現(xiàn)出明顯變化。

海河流域不同土地覆被類型面積占比年代際變幅情況見(jiàn)表3。其中，農(nóng)田、林地、草地、城市、裸地和水體面積占比在2000—2010年期間的變幅最大，分別為-4.47%、-0.99%、-2.18%、142.19%、24.43%和-10.26%；2010—2020年期間的變幅次之，分別為-4.12%、-0.24%、-0.75%、43.14%、43.64%和-1.58%；與其他年代際相比，1992—2000年期間的變幅相對(duì)較小，分別為-0.37%、-0.61%、-0.6%、24.13%、-21.63%和2.34%。整體而言，2000年以來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和城鎮(zhèn)一體化加快，人類生產(chǎn)活動(dòng)和土地利用開(kāi)發(fā)強(qiáng)度加大。其中變化最明顯的為城鎮(zhèn)，面積不斷擴(kuò)張；農(nóng)田、林地、草地、水體等土地覆被類型的面積受到擠占，均呈減少趨勢(shì)。

表3 海河流域不同土地覆被類型面積占比年代際變幅 單位：%

2.3 土地覆蓋變化歸因分析

土地覆被變化受自然條件和人類活動(dòng)雙重影響。其中降水、氣溫、地形地貌等自然條件對(duì)土地覆被變化起決定性作用，制約土地覆被類型和空間分布特征。而人口遷移、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、水資源開(kāi)發(fā)利用等人類活動(dòng)，對(duì)土地覆被空間格局變化起主導(dǎo)和推進(jìn)作用。

2.3.1自然條件影響

降水和氣溫作為量化氣候變化的重要因子，其反映的氣候條件對(duì)土地覆被類型和時(shí)空分布特征具有制約作用，如農(nóng)田主要分布在中東部華北平原等地區(qū)，其生長(zhǎng)除天然降雨外，還需要人為灌溉來(lái)維持；而林地和草地等自然植被分布在西部山區(qū)，其生長(zhǎng)主要依靠降水來(lái)維持。同時(shí)，海河流域呈西北部高中東部低，地形地貌等自然空間特征一定程度上影響湖泊、河網(wǎng)等土地覆被類型的空間分布和面積變化。

海河流域耕地以旱作為主，降水作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和植被生長(zhǎng)的重要水源之一，其變化直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和植被覆蓋程度，但流域氣候類型并未顯著改變，因此，下墊面類型和植被格局也未發(fā)生明顯變化。另一方面，降水和氣溫等氣象因子的變化將直接或間接影響地表水資源量的補(bǔ)償和消耗過(guò)程，流域降水減少引起的徑流減少和溫度上升引起的蒸散增加，一定程度上導(dǎo)致了平原湖泊和河網(wǎng)水面面積的減少。

2.3.2人類活動(dòng)影響

海河流域位居京畿，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、人口轉(zhuǎn)移和城鎮(zhèn)化進(jìn)程較快，城鎮(zhèn)和交通用地呈輻射狀向周邊擴(kuò)張，其中京津冀及京廣鐵路沿線地區(qū)城鎮(zhèn)面積擴(kuò)張尤為明顯，面積呈逐年增加趨勢(shì)；平原區(qū)耕地受城鎮(zhèn)和交通用地?cái)D壓，不斷向居住、交通、工商業(yè)用地轉(zhuǎn)移，面積呈逐年減少趨勢(shì)；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大和地下水超采引起地下水水位急劇下降，地下水地表水補(bǔ)給關(guān)系和蓄滿產(chǎn)流模式發(fā)生改變，導(dǎo)致地表徑流量減少，引起河網(wǎng)水體面積萎縮；水土保持措施實(shí)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發(fā)，一定程度上導(dǎo)致地表產(chǎn)匯流減少，間接引起平原河網(wǎng)水面面積的減少。隨著南水北調(diào)工程、引黃入冀補(bǔ)淀工程、河湖復(fù)蘇、農(nóng)業(yè)節(jié)水等工程和非工程措施的實(shí)施，外調(diào)水源增加和地下水壓減，對(duì)地下水恢復(fù)帶來(lái)積極影響，未來(lái)地表河湖、水網(wǎng)面積一定程度上將會(huì)增加。

3 結(jié)語(yǔ)

海河流域土地覆被類型空間分布和變化受自然因素和強(qiáng)人類活動(dòng)共同作用，人類活動(dòng)是影響土地覆被類型變化的主導(dǎo)因素。2000年前，人類活動(dòng)影響較小，土地覆被類型較穩(wěn)定，各類型相互轉(zhuǎn)移速度較慢；2000年后，強(qiáng)人類活動(dòng)導(dǎo)致土地覆被類型相互轉(zhuǎn)移程度持續(xù)加深。準(zhǔn)確量化流域土地覆被類型的時(shí)空變化特征和轉(zhuǎn)移過(guò)程，客觀分析其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，對(duì)流域水循環(huán)分析、水資源評(píng)價(jià)和管理具有重要的指導(dǎo)意義。此外，本文所采用的土地覆被影像數(shù)據(jù)的空間分辨率為300m，一定程度上限制了如河流、湖泊等面積較小覆被類型的準(zhǔn)確提取，后續(xù)可采用多源、高分辨率影像做進(jìn)一步的補(bǔ)充分析。