基于LUCC的密云水库上游流域人为干扰动态变化

刘晓娜,张微微,李 红

(北京市农林科学院草业与环境研究发展中心,北京 100097)



基于LUCC的密云水库上游流域人为干扰动态变化

刘晓娜,张微微,李 红①

(北京市农林科学院草业与环境研究发展中心,北京 100097)

人类活动对地球表层的干扰所造成的影响和变化正日益增强,正确估计人为干扰对现在和未来环境变化影响的程度以及叠加在自然变化上的幅度具有重大意义。选择生态系统服务功能突出、人地关系矛盾剧烈的北京市密云水库上游流域为研究区,基于2005和2013年2期SPOT 5遥感影像数据,借助人为干扰度指数和GIS空间分析方法,从结构变化、类型变化、空间变化和人为干扰度4个角度,探讨密云水库上游流域人为干扰时空动态分异及变化特征。结果表明:(1)2005—2013年间,密云水库上游流域景观以林地-耕地-园地格局为主导,土地利用变化速度加快,人类活动对土地资源的集约利用强度增加。(2)农业结构调整、土地开发整理、经济发展、建设占用以及生态恢复工程是流域内土地利用与土地覆被变化的主要因素;旱地、园地、有林地、灌木林地面积减少,菜地、草地、疏林地、建设用地和滩地增加,森林生态系统质量呈退化趋势;工矿用地和未利用土地主要转为园地、林地和草地,生态恢复工程略显成效。(3)半干扰是流域内主导的干扰景观类型,全干扰和半干扰型景观面积增加,无干扰型景观面积减少,流域内景观的人为干扰强度呈现由深山区向浅山区逐渐增强的空间分异特征,交通道路沿线及人类活动活跃地区是人为干扰强度增加最显著的地区。

人为干扰;土地利用与土地覆被变化(LUCC);时空格局;密云水库上游流域

全球气候变化与高强度的人类活动正史无前例地共同作用于人类的生存环境,并改变着生态系统的结构与功能。近年来,随着人类活动范围和强度的不断加剧,人为干扰对生态系统的影响以及生态系统对人为干扰的响应等问题已成为科学研究领域的前沿与热点。人类活动对地球表层的干扰所造成的影响和变化日益增强,正逐渐取代自然因素成为全球环境变化的主要驱动力[1]。针对人类活动和全球变化之间的驱动机制而开展的土地利用与土地覆被变化(land use and land cover change,LUCC)研究,逐渐成为全球环境变化研究的一个前沿和热点领域[2]。作为人为干扰最直观的表现形式,LUCC能够很好地反映人为干扰的变化,正确估计人为干扰对现在和未来环境变化影响的程度以及叠加在自然变化上的幅度具有重大意义。目前,城镇化、工业化、农业集约化和生态化是驱动土地利用与土地覆被以及生态系统格局与过程变化的4个主要人为干扰过程。

密云水库上游流域是北京市一级自然保护区,生态系统服务功能突出,生态环境脆弱且敏感,人为干扰典型,人地关系矛盾剧烈[3],流域内土地利用变化与生态系统服务功能变化与居民福祉密切相关[4]。农业活动是主要的人类活动方式,农业化肥农药的过分投入、农村畜禽养殖等农业生产活动将引起农业非点源污染,引起氮磷严重流失,是导致流域水质下降、水体富营养化的主要原因[5-7]。城镇化和工业化等人类活动频繁,建设用地扩张带来不透水面的增加,生活污水排放以及流域上游工业污染源大部分没有废水处理措施,这些导致流域内地表径流增加,水质净化服务功能衰退,水库污染富营养化趋势显著,流域生态环境保护压力巨大[6,8-10]。自2000年以来,流域内相继实施了稻改旱工程、退耕还林、京津风沙源治理和清洁小流域建设等一系列生态恢复政策与措施,对生态环境改善起到了良好作用,表现比较突出的是林地面积增加,以植树造林和水土保持为中心的生态建设等措施有效地减少了流域内水土流失和入库泥沙量[11],但是生态恢复的综合效果评价有待加强。由此可见,密云水库流域农业集约化、城镇化、工业化和生态化等典型人为干扰突出,而目前对该地区人为干扰动态过程分析明显不足,特别是基于LUCC的人为干扰强度评价有待加强。人为干扰强度可以反映人类活动的强弱、对LUCC的影响以及LUCC对人为干扰的响应。在系统分析人为干扰强度空间格局与聚类的基础上,可以实现对人为干扰的积极干预,从而促进区域人地关系的协调发展[12-14]。目前,对人为干扰强度的评价主要采用单一型指标和综合型指标2种,其中,单一型指标主要是以能够反映人类活动强度的指标代替,如人为影响指数[15]、道路密度[16]、森林干扰度[17]、生态干扰度[18]和人为干扰度[13]等。人为干扰度指数(hemeroby index,HI,Ih)的确定依据是人类活动频率和人类活动程度对生态系统或景观的综合影响程度,与土地利用类型结合紧密,成为当前基于LUCC开展人为干扰强度评价的优选指标[13,18-20]。

基于2005和2013年2期SPOT 5遥感影像数据,在LUCC分析的基础上,借助HI和GIS空间分析方法,以密云水库上游流域为研究单元,揭示人为干扰减少过程中(划定生态涵养区以来)LUCC特征,评估不同人为干扰强度背景下的流域景观时空格局,凝练生态敏感区土地合理化利用以及人地关系协调发展的人为干预策略。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

密云水库上游流域地处北京市东北部,流域内有潮河和白河2大水系,是北京市的重要生态涵养区与水源保护地,跨延庆、怀柔和密云3个区,流域范围为北京境内潮河和白河的上游流域,面积为3 534.23 km2,约占北京市土地面积的21.54%。流域内密云水库是华北最大的水库和北京市唯一的地表水饮用水源地,该流域是生态环境建设和污染防治的首要区域。特殊的地理环境和水源地的重要地位,也决定了密云水库上游流域是典型的生态敏感区和生态脆弱区。所以,任何自然或人为因素的干扰都有可能导致该流域生态系统格局与过程的变化和影响人地系统的演变过程[12,15]。

1.2 研究方法

1.2.1 遥感数据源

主要采用2005和2013年SPOT 5高分辨率遥感影像,其中,全色空间分辨率为2.5 m,多光谱空间分辨率为10 m。基于ENVI 5.1和PCI 10.1遥感影像处理软件,分别对2个时期的影像进行大气校正、辐射校正等预处理,基于研究区内1∶1万地形图和地面控制点,对影像进行正射校正,误差控制在0.5个像元,将校正后的影像进行融合,获得研究区空间分辨率为5 m的融合影像。

1.2.2 分类体系与人为干扰度赋值

根据研究目的,参考《全国土地利用现状分类》以及陈爱莲等[18]的生态干扰度指数景观类型分类系统,采用二级分类体系,包括耕地、园地、草地、林地、水域、建设用地和未利用土地7个一级地类以及菜地、旱地、园地、草地、有林地、灌木林地、疏林地、河流、水库坑塘、滩地、城镇用地、农村居民用地、其他建设用地和未利用土地14个二级地类,并进一步将分类结果确定为无干扰型、半干扰型和全干扰型3种景观。Ih参照陈爱莲等[18]和肖翠等[13]研究成果的确定方法(表1),进一步确定Ih<0.30为无干扰,0.30≤Ih≤0.80为半干扰,Ih>0.80为全干扰。

表1 密云水库上游流域景观类型及其人为干扰度赋值

Table 1 Landscape types and assignment of hemeroby index in the upper streams of the Miyun Reservoir Watershed

一级类型二级类型含义Ih无干扰河流一、二级永久性河流0.23(几乎无人为干扰)滩地河滩地0.17有林地针叶林、阔叶林、针阔混交林带0.28半干扰水库坑塘人工水库0.30(人为、自然作用灌木林地灌木林地0.50参半,主要为农业、疏林地稀疏林地0.50养殖业等生态草地草地,包括人工草地0.55系统)园地果林0.55菜地菜地,包括大棚0.75旱地旱地0.70未利用土地裸岩、裸土0.72全干扰城镇用地城镇建设用地0.99(人造地物)农村居民用地农村居民建设用地0.95其他建设用地工矿、交通用地0.98

Ih为干扰度指数。

1.2.3 土地利用与土地覆被分类

采用面向对象分类方法,以eCognition 8.0软件平台为基础,在2006和2014年野外采样数据集(图1)以及Google Earth高清影像基础上,选择基于光谱特征、纹理特征、形状特征、地形特征和类相关特征等,建立分类规则集。采用误差矩阵分析方法,2005和2013年分类总精度均达90%以上,能够满足分析需求。同时,进一步通过目视解译修正分类结果,并根据2009年北京山区森林小班数据进一步修正分类结果,最终获得2005和2013年密云水库上游流域土地利用与土地覆被分类图(图2)。

图1 野外采样点

1.2.4 评价指标与方法

通过土地利用结构、单一土地利用类型动态度(K)和综合土地利用动态度(S)[21]、土地利用综合程度指数(La)[22]以及转移矩阵等指数和方法,综合分析密云水库上游流域LUCC的时空特征,进而评价人类活动对土地覆被干扰强度的时空变化。其中,K和S可以反映区域土地利用的变化速度,而La可以反映土地利用变化强度或人类活动对土地覆被的干扰程度。

图2 密云水库上游流域土地利用与土地覆被分类

人为干扰强度时空变化评价也可通过HI变化来实现。基于ArcGIS 10.0空间叠加分析,将2个时相的HI相加取平均值,作为干扰总强度指数(THI,It,h)。该值越大,表示人为干扰总强度越高;反之,人为干扰总强度越低[13]。将2个时相的干扰度指数相减取绝对值,作为干扰平稳度指数(HSI,Ih,s),该值越大,说明人为干扰越强烈,景观存在跳跃性干扰,人为干扰度不平稳。根据已有研究成果和该研究区特征,划分为高度平稳(0≤Ih,s<0.05)、中度平稳(0.05≤Ih,s<0.30)和低度平稳(Ih,s≥0.30)3种类型来反映人为干扰的强弱。

2 结果与分析

2.1 土地利用与土地覆被动态分析

根据对密云水库上游流域土地利用与土地覆被结构变化特征的分析(表2),密云水库上游流域土地利用与土地覆被呈现林地-耕地-园地景观格局特征,林地占绝对主导,是土地利用的基质和最主要的土地覆被类型,其中,40%以上是有林地;园地是主导土地利用类型,其次是旱地,两者面积之和占12%以上。2005—2013年间,除旱地、园地、有林地、灌木林地和河流面积呈减少特征外,其他地类面积均呈增加趋势;草地、疏林地和其他建设用地是面积增加较多的地类,而有林地是面积减少最多的地类;菜地增速最快,年均增长率为22.42%,其后依次是其他建设用地和未利用土地,年均增速分别为5.08%和4.62%,城镇用地增速最缓,年增长率为0.10%。由此可见,自2005年以来,密云水库流域人类活动强度增加,受农业集约化和城镇化等人为干扰过程影响,流域内表现出土地利用向集约化和城镇化方向发展。

表2 密云水库上游流域土地利用与土地覆被结构变化特征

Table 2 Characteristics of the variation of the structure of land use and land cover in the upper streams of the Miyun Reservoir Watershed

土地利用类型2005年2013年面积/km2比例/%面积/km2比例/%变化面积/km2单一土地利用类型动态度K/%菜地 2.230.06 6.230.18 4.0022.42旱地198.005.60197.005.57-1.00-0.06园地238.006.73230.046.51-7.96-0.42草地77.992.2189.112.5211.121.78有林地1460.0041.311430.0040.46-30.00-0.26灌木林地858.0024.28852.0024.11-6.00-0.09疏林地479.0013.55488.0013.819.000.23河流11.770.3310.650.30-1.12-1.19水库坑塘90.182.5592.742.622.560.35滩地37.471.0639.301.111.830.61城镇用地4.800.144.840.140.040.10农村居民用地37.341.0639.011.101.670.56其他建设用地26.570.7537.371.0610.805.08未利用土地13.070.3717.900.514.834.62

通过对密云水库上游流域整体土地利用变化的分析,发现2005和2013年该区域La分别为215.92和216.35,La仅提高0.43,但远低于北京市整体提高水平(1.61),说明近8 a来虽然流域内人类活动对土地资源的利用强度增加,但远低于北京市整体增加水平,而且流域内土地资源的开发主要是对现有地类的内涵挖掘,由此可见,自2005年将该流域划定为生态涵养区以来,流域内受众多水源保护和禁止开发等政策措施的影响显著。2005—2013年间,该区域S为15.70%,说明近8 a来土地利用变化速度增加,人为干扰强度增加。

基于2005和2013年土地利用与土地覆被分类结果,采用转移矩阵方法,分析近8 a来不同地类的转移变化特征(表3)。2005—2013年间,密云水库上游流域发生转移的地类主要是河流、滩地、未利用土地和旱地,主要转为滩地、草地和园地,农村居民用地和水库坑塘变化最小。具体而言,菜地有8.49%转为旱地和建设用地,转为旱地、农村居民用地和其他建设用地的概率比值为3.74∶1∶1,增加的菜地主要来源于旱地和其他建设用地,主要是受农业结构调整与土地整理等政策措施的影响。旱地主要分布在密云水库东北部,在近8 a间仅有89.15%保持不变,主要转为草地、菜地、园地和建设用地,占整个转移量的近73.00%,农业结构调整以及建设占用是其主导因素。此外,2.68%的旱地和1.88%的旱地转为草地和滩地,结合发生转移旱地的空间位置以及2014年野外调研访谈来看,主要是因为降水减少致使河流水量减少造成灌溉缺乏而产生的撂荒[23]。园地主要分布于水库周边与道路沿线,在近8 a来呈减少趋势,主要转为旱地和其他建设用地,主要是因为农业结构调整以及交通运输用地发展。有林地的0.96%和1.37%分别转为灌木林地和疏林地,占整个转移量的80.62%,说明研究区内近8 a间林地质量下降,森林生态系统表现出一定的退化趋势。灌木林地一方面被开发为园地,另一方面主要转为疏林地,说明人类活动对土地资源的开发范围不断扩大。河流面积在近8 a来减少显著,主要转为滩地,占整个转移量的80.72%,气候变化是其主导因素。滩地面积略有增加,主要转为旱地、草地、河流和水库坑塘,除部分因为人为开发活动外,其他变化主要是自然环境变化所致。由于密云水库上游流域存在矿石资源,虽进行严格生态环境保护,但仍有部分工矿用地[24];近8 a来,其他建设用地面积增加显著,其中主要是交通运输用地增加,而工矿用地经生态恢复工程主要转为园地、林地和草地,占整个转移面积的54.80%。未利用土地包括裸岩和裸土,其中,裸土主要转为草地,而裸岩大多转为工矿用地和林地,这充分说明人类对于土地资源的开发利用强度不断增加。

表3 2005—2013年密云水库上游流域土地利用与土地覆被变化转移矩阵

Table 3 Transfer matrix of land use and land cover change in the upper streams of the Miyun Reservoir Watershed during 2005-2013

土地利用类型 转移率1)/%菜地旱地园地草地有林地灌木林地疏林地河流水库坑塘滩地城镇用地农村居民用地其他建设用地未利用土地菜地91.515.530000000001.481.480旱地1.8389.151.792.680.320.070.070.080.471.880.090.341.190.04园地0.176.4891.050.390.360.150.22000.0600.150.900.07草地02.720.0693.730.090.410.390.050.170.5400.030.571.24有林地00.060.110.0797.110.961.37000.1100.010.140.06灌木林地00.040.690.360.5597.270.56000.0500.070.230.18疏林地00.030.260.591.790.2696.50000.0400.020.270.24河流00.200.072.110.480.890.5476.71018.80000.200水库坑塘00.6700000098.650.62000.060滩地02.030.096.170.130.2003.608.1177.4400.091.440.70城镇用地000000000096.1303.870农村居民用地0.070.130.090.09000000099.230.370.02其他建设用地1.270.421.691.371.051.050.21001.050.211.4890.200未利用土地0003.881.330.970.1510.7100003.2679.70

1)指2005年i种土地利用类型转变为2013年j种土地利用类型面积占2005年i种土地利用类型面积的比例。

2.2 人为干扰度动态分析

根据陈爱莲等[18]的景观类型分类系统,将密云水库上游流域土地利用与土地覆被类型按照无干扰、半干扰和全干扰3种类型进行统计,得到2个时相3种干扰类型景观之间的转化情况,分析流域内2005—2013年间人为干扰强度变化规律。

2005—2013年间,密云水库上游流域全干扰和半干扰型景观面积呈增加趋势,而无干扰类型面积呈减少趋势,全干扰和半干扰类型主要分布在水库周边或地形起伏度相对较小的地区(图3)。

半干扰是主导的干扰景观类型,面积比例在55%以上,8 a来面积增加16.55 km2,其次是无干扰景观类型,面积比例在42%左右,8 a来面积减少29.06 km2,全干扰景观面积仅占2%左右,8 a来面积增加12.51 km2,流域内景观呈现受人类活动影响加剧的变化特征。

通过对比不同年份密云水库上游流域人为干扰度变化情况(图4),流域内人为干扰强度呈现由深山区向浅山区逐渐增强的空间分异特征。人为干扰总程度高的景观位于道路交通沿线和密云水库周边地势平坦地区,人为干扰总程度中等的景观主要位于延庆区东北部和密云区境内,人为干扰总程度低的景观主要分布于怀柔区和延庆区西部以及密云水库(图4)。2005—2013年间,人为干扰平稳度主要为高度平稳(图4),中度平稳面积占3.23%,低度平稳面积仅占0.66%,主要分布在交通道路沿线以及人为活动本就活跃的地区,干扰景观存在跳跃性,人为干扰度不平稳,究其原因主要是农业结构调整和建设占用等影响较显著,此外,因气候变化所导致的森林生态系统质量下降也是主要原因。

图3 密云水库上游流域景观干扰类型空间分布

图4 2005—2013年密云水库上游流域人为干扰总强度和平稳度变化

3 结论与展望

基于2005和2013年SPOT 5遥感影像,从结构变化、类型变化、空间变化和人为干扰强度4个角度,基于LUCC定量分析了密云水库上游流域近8 a来人为干扰强度的时空动态分异特征及变化规律。

2005—2013年间,密云水库上游流域景观以林地-耕地-园地格局为主导,综合土地利用动态度为15.70%,土地利用综合程度指数提高0.43,流域内土地利用变化速度加快,土地利用向集约化和城镇化方向发展显著。农业结构调整和土地开发整理是菜地、旱地、园地、林地空间与类型转化的主要原因,建设占用是旱地、园地等减少的另一主要原因,山区经济发展带来交通运输用地的增加,而工矿用地不断转为园地、林地和草地,充分说明流域内实施生态恢复工程成效显著。有林地、灌木林地减少,疏林地增加,有林地中转为灌木林地和疏林地的量占总转移量的80.62%,流域内森林生态系统质量呈退化趋势。灌木林地被开发为园地,未利用土地主要转为草地、工矿用地和林地,受流域内生态恢复工程等的影响,人类对土地资源的开发利用强度增加。密云水库上游流域主导的干扰景观类型是半干扰型,自2005年以来流域内全干扰和半干扰型景观面积增加,而无干扰类型面积减少,流域内景观表现出明显的人类活动影响增强趋势。人为干扰强度呈现由深山区向浅山区逐渐增强的空间分异特征,干扰强度较高和平稳性较差的景观主要位于交通道路沿线和密云水库周边地势平坦地区,农业结构调整、山区经济发展以及建设占用等是其主要原因;人为干扰强度较低和平稳性中等的景观主要位于延庆区东北部和密云区南部,生态修复工程以及气候变化是其变化的主要因素;人为干扰强度较低和平稳性较高的景观主要分布于深山区和密云水库。

笔者研究中有林地包括针叶林、落叶林和针阔混交林,主要是借助林业小班数据结合目视解译获得,解译精度有待进一步提高;此外,将有林地归为无干扰类型,主要是考虑到山区森林生态系统主要为自然干扰过程,且根据对研究区野外考察发现,大部分有林地很少受到人类活动的影响,目前的干扰景观类型更能解释北京山区的生态系统结构特征,但北京山区也存在人工林地类型,对于干扰景观分类与生态效应有待进一步考量。笔者对人为干扰强度的定量研究采用单一型指标,而人为干扰度指数值主要参考已有研究结果,赋值具有一定的主观性,虽然最终结论在一定程度上能够反映区域的人类干扰强度特征,但未来应尽量多采用综合型评价指标,减少单一型指标对评价结果的影响权重,同时应加强人为干扰强度的定量化研究,尽量减少主观因素对评价结果的影响。笔者主要从LUCC角度来研究区域人为干扰动态变化,更多的是反映人类活动对生态系统结构的影响,对于生态系统服务功能突出、人地关系矛盾剧烈的密云水库上游流域而言,未来有必要将生态系统服务功能列入人为干扰变化分析范畴,从而更全面地从LUCC角度研究人为干扰对生态系统的影响,在体现山区流域生态涵养功能定位的基础上,从城镇化、工业化、农业集约化和生态化4个角度全面分析人为干扰的数量和质量以及时间和空间变化。

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(责任编辑： 李祥敏)

Research on Dynamics of Human Disturbance in Upper Streams of Miyun Reservoir Watershed Based on Land Use and Land Cover Change.

LIU Xiao-na, ZHANG Wei-wei, LI Hong

(Research & Development Center for Grass and Environment, Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences, Beijing 100097, China)

As the impacts of human activities on environment and nature through disturbance of the global surface have been getting more and more intensive each passing day, it is of great significance to evaluate accurately extent of the human impacts on the present and future environmental changes and superposed influences on variability of the nature. Based on the 2005 and 2013 SPOT 5 remote sensing images of the upper streams of the Miyun Reservoir Watershed, prominent in ecosystem services and fierce in man-vs-land contradictory, with the aid of hemeroby index (human disturbance index) and GIS spatial analysis method, differentiation and characteristics of the spatio-temporal variation of human disturbance in the region were explored from the perspectives of structure, landscape type, spatial distribution and human disturbance. Results show that: (1) During the period of 2005-2013, the landscape in the upper streams of the Miyun Reservoir Watershed was dominated with forest-farm-orchard, which changed rapidly, showing that human activities in intensive utilization of land resources were enhanced; (2) Agricultural structural readjustment, land development and management, economic development, construction and implementation of ecological rehabilitation projects were the main factors driving changes in land use/cover, which were demonstrated in steady reduction of upland, orchard, woods and shrubbery in area, steady expansion of vegetable land, grassland, sparse woodlands, construction land and bottom land in area, that leading to the degradation of forest ecosystems, and on the other hand conversion of industrial and mining lands and wastelands into orchards, forestlands and grasslands as achievements of the implementation of some ecological rehabilitation projects; (3) Partially disturbed landscapes were the dominant type in the region, displaying an increasing tendency from mountain area to hill area in disturbance intensity, especially along the traffic roads and around human activity centers.

human disturbance; land use and land cover change; spatial-temporal pattern; upper streams of the Miyun Reservoir Watershed

2015-11-18

中国博士后科学基金(2016M591112);环保公益性行业科研专项经费重大项目(201309001);北京市博士后工作经费资助项目

TP79；X87；P967

A

1673-4831(2016)06-0951-07

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.06.013

刘晓娜(1986—),女,山东临沂人,博士后,研究方向为土地利用与土地覆被变化、生态系统服务功能评价。E-mail: xnliu1986@163.com

① 通信作者E-mail: lihsdf@sina.com