拉林河流域土地利用变化及其生态环境效应分析

刘洪超，吕 军，王 铭，李兴丽，郭 蒙

(1.松辽流域水资源保护局 松辽水环境科学研究所，吉林 长春130021；2.东北师范大学 泥炭沼泽研究所，吉林 长春 130024；3.东北师范大学 国家环境保护湿地生态与植被恢复重点实验室，吉林 长春 130024；4.长白山湿地与生态吉林省联合重点实验室，吉林 长春 130024)

拉林河为松花江的一级支流，流域内土地肥沃、人口密集，是国家重要的商品粮基地。随着区域社会经济的高速发展，拉林河流域的土地利用发生了剧烈变化，而不合理的开发导致土壤侵蚀加快，流域旱涝灾害频率增加，面源污染严重，生态环境向恶化方向发展[1]。近年来，已有学者关注到拉林河流域生态安全问题，并开展了流域水资源及水质评价[1-5]、土壤重金属污染[6]、土壤侵蚀[7-8]等一系列相关研究，但该流域土地覆被变化的相关研究还十分缺乏。

本研究利用Landsat TM遥感数据，在GIS空间分析功能支持下，分析1976—2015年拉林河土地利用变化的时空过程、基本特征和生态环境效应，对深入认识和研究东北老工业基地农业开发对生态环境的影响，采取合理的土地管理对策，保障流域的生态安全以促进水土资源可持续利用具有重要意义。

1 研究区概况

1.1 地理位置

拉林河发源于黑龙江省五常市张广才岭山脉的老爷岭，自东南向西北流经黑龙江省哈尔滨市的五常市、尚志市、阿城区、双城区和吉林省吉林市的舒兰市、长春市的榆树市、松原市的扶余市，在距哈尔滨150 km处注入松花江。拉林河河长450 km，其中省界河长约233 km。拉林河流域位于东经125°34′～128°34′、北纬44°00′～45°30′，东临牡丹江流域，北侧为蚂蚁河、阿什河及松花江干流流域，西南与第二松花江流域为邻，流域面积19 923 km2，其中：黑龙江省流域面积11 222 km2，占全流域面积的56.33%；吉林省流域面积8 701 km2，占43.67%。

1.2 气候条件

拉林河流域属中温带大陆性季风气候区，冬季较为寒冷，年平均气温3 ℃左右，极端最低气温-40.9 ℃，极端最高气温35.6 ℃，年积温2 500～2 700 ℃；多年平均降水量500～800 mm，上游大、下游小，6—8月降水量占全年的70%以上；年平均蒸发量1 000～1 500 mm；年日照时数2 400～2 600 h，无霜期110～140 d，土壤最大冻深2 m。

1.3 社会经济概况

拉林河流域土地肥沃，人口密集，为黑、吉两省重要的粮食生产基地之一，主要作物有水稻、玉米、大豆和谷子。据2013年统计资料，拉林河流域内有7市(区)，总人口369万人，耕地面积96.66万hm2，GDP为707亿元，粮食总产量729万t[9-10]。

2 数据处理与研究方法

本研究的数据来自于1976、2000和2015年的Landsat TM卫星遥感影像。根据拉林河区域土地利用类型影像特征，建立解译标志。土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6个一级类型。在ArcGIS 10.0软件环境下，进行人机交互式影像解译，获得1976、2000和2015年研究区土地利用解译图。在所建立的土地利用图形数据库的支持下，运用空间统计方法，选取面积比例、平均斑块面积、斑块数量等景观指数分析景观结构变化特征，选取斑块密度、多样性、优势度、均匀度等景观指数分析异质性变化。相关指数的计算方法及原理见文献[11]。

3 结果与分析

3.1 流域土地利用变化

从拉林河流域1976、2000和2015年三期的土地利用状况(图1)可以看出：流域内面积分布最广的是耕地，约占流域总面积的50%；其次是林地，约占40%；草地、未利用地、建设用地和水域所占面积较小，这4类用地仅占研究区面积的10%左右。这与本区域的环境本底和人类活动有关：拉林河流域上游多山地丘陵，自然环境导致林地面积较大；而作为黑龙江省和吉林省优质水稻和玉米种植区，耕地自然为其土地主要利用类型。

由表1可知：1976—2015年，拉林河流域土地利用面积变化最为明显的类型为耕地，其面积共增加了24.90万hm2，建设用地也表现出增加的趋势，增加了1.49万hm2；而林地、草地、水域和未利用地面积均表现为减少的趋势，其中面积减少最多的为林地，减少了15.43万hm2，草地减少了6.56万hm2，未利用地减少了3.99万hm2，水域变化最小，减少了0.42万hm2。以上变化表明，拉林河流域1976—2015年人类活动不断加剧，大面积的林地和草地被开垦为农田。

图1 拉林河流域1976、2000、2015年土地利用状况

景观类型1976年面积/万hm2比例/%2000年面积/万hm2比例/%2015年面积/万hm2比例/%变化面积/万hm21976—2000年2000—2015年1976—2015年耕地89.8545.10101.9251.16114.7557.6012.0712.8324.90林地84.0242.1776.9638.6368.5934.43-7.06-8.37-15.43草地8.194.115.282.651.630.82-2.91-3.65-6.56水域4.292.154.102.063.871.94-0.19-0.23-0.42建设用地6.793.417.643.848.284.160.850.641.49未利用地6.113.063.321.672.121.06-2.79-1.2-3.99

3.2 流域景观结构变化

从景观斑块类型尺度来看(表2)，1976—2015年拉林河流域的最大斑块类型发生了一些改变，在1976—2000年斑块面积最大的是林地，而在2000—2015年林地的优势地位逐渐下降，面积最大的斑块类型变为耕地，但林地仍然占有较大比例。根据景观“斑块—基质—廊道”模式与基质判别标准[12]，拉林河流域的景观基质为林地和耕地。其中，拉林河上游的景观基质以林地为主，下游的景观基质为耕地(图1)。通过对斑块数量的统计可知，2015年各景观类型按斑块数量排序为：建设用地>林地>耕地>水域>草地>未利用地。综上， 拉林河流域是以农业、森林生态系统

表2 拉林河流域景观斑块指标

作为区域的景观基质，草地、水域(河流、水库、湖泊等)、建设用地、未利用地等景观斑块镶嵌其中。

斑块数量经常被用来描述整个景观的异质性，其值的大小与景观的破碎度有很好的正相关性。最大斑块指数的变化可以说明干扰的强度和频率，反映人类活动的方向和强弱。通过表2可以得知：耕地的斑块数量虽然在2000—2015年间略有增加，但总体上，1976—2015年间耕地斑块数量呈减少趋势，斑块数量比例降低，而最大斑块指数上升，说明1976—2015年间，流域内耕地空间分布的集中性变强；林地、草地及未利用地斑块数量均呈逐渐减少趋势；水域在1976—2010年间逐渐增加，后保持不变；建设用地的斑块数量有所下降，但斑块数量比例及最大斑块指数均有所上升。林地和草地的斑块数量比例和最大斑块指数均呈下降趋势。由此判断，虽然拉林河流域在1976—2015年间人类活动逐渐加强，但景观的破碎化程度呈下降趋势。

3.3 流域景观指数动态

从景观总体特征(表3)来看，拉林河流域1976—2015年斑块数量下降明显，由7 468个下降至6 965个，此外，斑块密度、斑块分维数、景观形状指数、香农多样性指数、香农均匀度指数、景观优势度指数均呈下降趋势，而流域的最大斑块指数呈上升趋势，说明流域景观破碎度逐渐降低，集中分布的趋向性愈加明显。

表3 拉林河流域1976—2015年景观水平指数

4 土地利用变化的区域生态环境效应分析

拉林河流域农业开发历史悠久，20世纪80年代中期以来，流域经济快速增长，由传统农业向集约化农业大力发展。然而，在经济利益驱动下，人们不合理开发利用自然资源，土地利用/覆被的显著变化导致了诸多环境问题，流域生态环境趋于脆弱，阻碍了区域经济的可持续发展。

4.1 林地、草地面积缩小，耕地面积增加，土壤侵蚀日趋严重

1976—2015年，拉林河流域林地面积减少了15.43万hm2，草地面积减少了6.56万hm2，减少的林地和草地主要转化为耕地，期间耕地面积增加了24.90万hm2。以上面积的变化主要是人类活动导致的，拉林河流域2013年粮食总产量近1 000万t，左岸榆树市连续8年为全国产粮第一县，右岸五常市是我国优质稻米之乡，在市场因素驱动下，近年来作物种植面积不断增加[5]，流域内大面积的林地和草地转化为农田。

随着流域土地利用类型的改变，土壤侵蚀成为流域严重的生态问题之一。第一次全国水利普查结果表明，流域土壤侵蚀面积5 501.54 km2，占流域总面积的27.61%[13]。在流域上游的山地丘陵区，土壤侵蚀更为严重。拉林河上游的黑龙江省部分，土壤侵蚀面积占总面积的94%，强烈、轻度和中度水力侵蚀为主要的侵蚀强度类型[10]。这是因为上游山地面积大，在地质构造、岩性、土壤性质、暴雨径流，以及陡坡垦殖导致森林植被减少等内外因素影响下，水土流失严重。

4.2 水资源短缺，水体污染严重，水质恶化

目前，拉林河流域水资源开发利用程度相对较高，流域水质总体较差。流域内2013年总供水量为24.96亿m3，其中地表水为17.54亿m3，地下水为7.42亿m3。流域现状水资源开发利用程度为53.80%(近5年平均值)，其中地表水开发利用程度为46.42%，地下水开发利用程度达80.85%。此外，由于拉林河水资源年际间丰枯变化剧烈，年内分配不均匀，灌溉用水高峰期与天然来水枯水期重合，加之目前拉林河上缺少水资源调节工程，基本上是按水资源天然分配状态开发利用，因此灌溉临界期供需矛盾十分尖锐，存在着严重的季节性水资源短缺问题[4]。

拉林河流域地下水是黑龙江省哈尔滨市的五常市、尚志市、双城区和吉林省的舒兰市、榆树市、扶余市农业灌溉和生活用水的主要来源之一，流域内分布有大量灌区，灌区开发过程中使用的化肥、农药等会对流域水质造成一定影响。张正等[4]的研究结果表明，2007—2015年拉林河吉黑缓冲区2段水质为Ⅲ～Ⅳ类，水质状况相对较差，超标因子为氨氮和总磷，其中氨氮和总磷全年过半数月份超标，氨氮最高超标1.4倍，总磷最高超标2.55倍。

拉林河流域地下水位动态变化具有明显的周期性，然而随着人工灌溉及局部地区开采深层承压水和超量开采地下水等人类活动的影响，地下水位持续下降，地下水的动态平衡被打破。由于不合理的灌溉方式导致土壤中盐分增多，拉林河下游平原灌区局部地区有零星盐渍化现象出现。而拉林河流域地下水水质超标严重，66.7%的水质监测点地下水水质为Ⅴ类，水质超标因子主要为铁、锰、氨氮、硝酸盐4类[14]。拉林河流域是黑龙江省粮食主产区，2013年氮肥施用量高达3.1万t，磷肥施用量为2.3万t，年总氮流失量达8 019 t[7]，农业生产中化肥、农药等的过量使用是地下水中氨氮、硝酸盐含量超标的最主要原因。

随着国家商品粮生产基地的进一步发展，拉林河流域的水生态面临着水资源短缺和水质恶化的威胁，因此必须统筹好农业发展与河流、湿地保护的关系。

4.3 湿地面积萎缩，生态功能下降，生态环境恶化

沼泽湿地是天然的蓄水库，具有重要的蓄水调洪等生态功能。拉林河流域自1949年后修建了众多的水库、灌区等，水库的修建占用了林地、草地等，灌区的开发是开垦沼泽地或旱改水。将20世纪50年代与2015年的土地利用现状图进行叠加分析，发现拉林河流域有870 km2的泡沼湿地转化为农田，其中转换成水田的面积占沼泽湿地面积减少量的55%，转化成旱田的面积占44%。转换成水田的沼泽湿地主要集中在吉林扶余洪泛区湿地自然保护区、拉林河河口，以及卡岔河和牤牛河与拉林河的交汇区域内，这些区域大部分已经被开发成灌区，比如拉林灌区、友谊灌区、龙凤山灌区、磨盘山灌区等，卡岔河沿岸的沼泽湿地虽然没有被正式开发成灌区，但是已经被开垦成了水田。因此，灌区的开发是沼泽湿地面积减少的主要原因。

流域内的双城区在20世纪70年代以前有湿地面积4万余hm2，因20世纪70年代在沿松花江、拉林河的湿地开挖人工水渠，进行毁湿、毁草种地，再加上上游修建水库、灌溉农田过度用水使来水减少，故整个流域湿地退化、沙化严重，原有湿地锐减到现在的2.7万hm2[15]。

流域内有着丰富的生物资源，分布着4个自然保护区和2个森林公园。但1949年以来，特别是改革开放以来，一方面由于人口剧增，毁林开荒现象一直比较严重，使大量森林植被遭到破坏，另一方面由于经济建设的需要，水利水电工程等的建设和灌区的大规模开发也对生态环境造成了严重破坏。

5 结 论

本研究基于已建立的拉林河流域资源环境遥感数据库，定量分析了1976—2015年拉林河流域土地利用时空变化特点。研究表明，1976—2015年，随着人口的增加和经济的发展，拉林河流域耕地和建设用地表现出持续增长趋势，且空间分布的集中性不断变强；林地、草地和未利用地面积都为减少趋势，而减少的林地和草地均转化为耕地。不合理的农业开发已经引起拉林河流域土壤侵蚀量增加、土壤退化、河流水质恶化和生物多样性减少等生态环境效应，亟待采取有效的措施对流域生态环境进行综合治理。