1990-2015年乌苏里江流域土地覆被变化

康乾坤,于 皓,王宗明,张 柏,任春颖,毛德华

(1.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083;2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 湿地生态与环境重点实验室,吉林 长春 130102;3.吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院,吉林 长春 130118)

土地覆被是人类活动因素与自然环境耦合作用下形成的土地资源空间格局[1]。土地覆被变化是全球环境变化研究中的重要组成部分，是直观表达人类活动及自然环境变化等对地表系统动态影响的度量[2]。准确而高效的描述土地覆被变化的过程是土地资源管理与规划的基础[3]。不同国家和地区受到自然环境及当地经济政策等综合因素影响，其土地覆被类型的分布和时空变化特征呈现明显的差异性，特别是在跨境区[4]。乌苏里江流域横跨中俄两国，西侧位于中国境内，东侧位于俄罗斯境内；该流域具有独特的自然地理环境、丰富多样的物种和自然资源[5]。近年来，随着全球规模的人口增长、气候变化、以及自然灾害的频发等种种因素，乌苏里江流域的生态系统也受到一定程度的影响，生态系统功能在逐渐的弱化[6]。国内外学者[7-9]在土地覆被变化方面已经进行了大量研究，但在乌苏里江流域的土地覆被变化分析较少。吴运军等人[10]对乌苏里江流域中国境内部分水土流失效应进行分析，结果表明研究区内土地利用结构变化发展不利于水土保持，研究区承受水土流失加剧的危险。满卫东等人[11]利用面向对象遥感影像分类方法对乌苏里江流域中国境内湿地景观动态进行研究分析，结果表明天然湿地正在逐渐减少、人工湿地不断集中化。张晓红等人[12]对乌苏里江水文地理研究情况展开综述研究分析，概括了乌苏里江水文地理的主要概况。目前仅有的研究主要针对乌苏里江流域内部的单一的土地覆被类型进行研究和分析，缺少对该区土地覆被整体现状描述及其时空变化特征的整体分析，尤其是乌苏里江流域内中—俄两国的对比分析。因此，本研究以Landsat TM/OLI遥感影像为数据源，采用基于面向对象的遥感影像分类手段和动态监测方法，获取乌苏里江流域1990和2015年的土地覆被分布信息，实现对中俄跨境区域土地覆被变化特征的对比分析，探索土地覆被变化的主要原因，旨在为乌苏里江流域人地关系研究和土地资源管理提供参考，为中俄两国土地资源可持续利用和生态环境保护奠定基础，同时为中国东北边境地区的相关研究提供基础数据和科学依据。

1 研究区概况

乌苏里江是中国与俄罗斯两国的界江，同时也是中国东北地区黑龙江南岸的支流，地处北纬43°24′—48°54′，东经129°48′—138°6′[12]。乌苏里江西侧位于中国境内，主要包括黑龙江省的佳木斯市、双鸭山市、鸡西市以及七台河市等地区；东侧为俄罗斯领土，流经哈巴罗夫斯克边疆区和滨海边疆区。乌苏里江干流河道位于中国的完达山脉和俄罗斯锡霍特山脉之间的宽阔河谷中，河道宽度100～300 m，弯曲系数约为1.13，坡降系数为0.06%～0.02%。绝大部分的河段位于低缓的平原，上中游为河谷谷地，下游多为洼地及沼泽湿地。乌苏里江905 km的全长中，由松阿察河河口至汇入黑龙江口处为492 km，此部分为中俄两国的界河，其余413 km则位于俄罗斯境内。乌苏里江全长整体流域面积1.96×105km2。流域内年均气温约为3.9 ℃，年均降水520 mm左右[13]。

2 研究方法与数据来源

2.1 数据来源与预处理

本研究以1990年和2015年夏季覆盖流域全境、质量良好的Landsat TM/OLI遥感影像为基础源数据(http:∥glovis.usgs/gov)；2009年度空间分辨率为300 m的GlobCover土地覆被栅格数据为分类参考数据(欧空局GlobCover全球陆地覆盖数据，http:∥glbalchage.nsdc.cn)；辅助数据为空间分辨率为30 m的数字高程模型〔ASTER-GDEM(v.2)，http:∥www.gscloud.cn/〕。气象数据是由中科院所提供的1990—2015年1 km分辨率栅格影像。研究区中国境内地区的经济、人口、农业等数据均取自黑龙江省1990—2016年的统计年鉴；俄罗斯境内相关数据取自世界银行数据平台(https:∥data.worldbank.org.cn/)和1990—2016年俄罗斯统计年鉴。数据预处理主要包括：对研究区遥感影像进行几何纠正、大气校正、辐射定标、图幅拼接和分幅等处理。对难以判别的地物进行图幅的增强处理，加强土地覆被目标类型的影响辨识度。

2.2 土地覆被信息提取方法及精度验证

本研究依据东北亚地区土地资源的空间分布特征，参考国内外相关的土地覆被遥感分类体系[14-18]，对乌苏里江流域建立土地覆被遥感分类规则集，主要包括：林地、草地、湿地、水体、火烧痕迹、裸土地、永久冰雪、农田和人工表面共计9个土地覆被类型。根据不同土地覆被类型的遥感影像特征、结合实地调查采样点信息、地形相关因子等辅助决策信息，采用波段反射率；NDVI，RVI，SAVI，LAVI等植被指数；NDWI，mNDWI等水体指数；以及形状、纹理等光谱特征，构建基于Landsat TM/OLI影像的土地覆被遥感分类规则集，主要土地覆被类型分类规则集如图1所示，其中火烧痕迹、永久冰雪这两类信息一般最后进行提取，并结合目视解译的方法修改，最后将所有的分类信息整合，同时通过目视解译的方法完善分类结果。

图1 乌苏里江流域主要土地被覆类型遥感分类规则集

本研究采用基于面向对象的多尺度分割方法[19]，对研究区1990和2015年的遥感影像进行图像分割提取。面向对象分类方法改善了传统基于像元分类方法的局限性，以相邻的同质像元集合为处理单元，有效的避免了基于像元方法所产生的“椒盐现象”，有利于实现较高精度的图像分类和目标地物信息提取[20-21]。采用德国Definiens Imaging公司所研发的eCognition 8.64软件对遥感影像及相关参考辅助数据进行面向对象的多尺度分割处理，通过测试和对比分析，确定图像的分割尺度、波段权重完成图像对象分割。结合多源辅助信息，运用分层分类、多时相辅助，变化检测的方法完成乌苏里江流域遥感影像的信息提取。依据分割对象的植被指数、水体指数、光谱特征、纹理形状、地形特征等参量进行不断调试并最终确定分类阈值。分类阈值的确立以农田覆被类型为例(见图2)，最终完成土地覆被信息的提取。

图2 农田覆被类型信息提取分类树

本研究利用Google Earth平台的高分辨率卫星影像选取覆被类型验证点的形式，对乌苏里江流域的分类结果进行验证。其中Google Earth平台上，采用835个均匀选点的形式获取验证点数据。在研究区内1990年验证点共计361个，2015年验证点474个。验证结果表明，两期影像土地覆被分类总体精度分别为93.5%和94.67%，kappa系数分别为0.89和0.92，总体分类精度满足本次研究需求。

2.3 土地覆被变化监测分析方法

土地覆被类型变化的差异可以通过土地覆被类型转出率和转入率来集中体现[22]，即对于某一单一土地覆被类型X：

(1)

(2)

式中：ΔXin为后一时刻(t2)条件下，其他土地覆被类型转为该土地覆被类型的总面积数；ΔXout为前一时刻(t1)条件下，该土地覆被类型转为其他土地覆被类型的总面积数；Xi(t1)为t1时刻第i项土地覆被类型的总面积。该模型主要针对于单一土地覆被类型的总体变化格局的度量。

利用土地覆被变化转移矩阵可以具体、精确地反映出土地覆被变化的动态特征[20]。其主要表达在具体的时间间隔中，土地覆被变化的定量表述，其数学表达式为：

(3)

式中：S为某时间间隔内的土地覆被转移矩阵；Sij为该时间间隔内由土地覆被类型i转化为类型j的具体定量表达；n为土地覆被的类型数。

3 结果分析

3.1 乌苏里江流域土地覆被现状及动态变化

本研究对乌苏里江流域1990，2015年的两期Landsat卫星影像进行遥感解译、处理后，得到乌苏里江流域土地覆被类型空间分布图(见封3，附图6)，各个土地覆被类型面积统计特征详见表1。2015年乌苏里江流域最主要的土地覆被类型为林地，总面积1.18×105km2，占流域总面积的59.85%，主要分布于乌苏里江东侧地区；第二大土地覆被类型为农田，总面积3.91×104km2，占比19.55%，农田主要分布于乌苏里江干流的西侧以及兴凯湖周边地区；湿地总面积为2.28×105km2，占比11.64%，主要集中分布于中俄边界以东地区以及兴凯湖东侧地区；水体面积6 253.27 km2，占比3.18%，主要集中于兴凯湖地区；人工表面积、裸土地、永久积雪等土地覆被类型在流域内相对较少，占比均不超过2%。依据乌苏里江流域1990—2015年的土地覆被类型面积变化以及其变化幅度，可以看出，农田是流域内变化幅度最大的覆被类型，面积呈显著增长趋势(+6 089.69 km2)，增长率18.40%。农田的变化区域主要分布于流域西北部、西部、以及中部中俄边界西侧等地区；水体和人工表面也呈现增趋势(281.24，159.2 km2)，增长率为4.74%和6.3%。以上3种覆被类型26 a间呈现增长趋势，湿地、草地、林地等覆被类型呈现出不同程度的面积削减，其中以湿地最为严重，同1990年相比面积减少5 683.51 km2，减少率为19.91%。林地和草地变化幅度相对较小，减少率分别为0.71%和0.39%。火烧痕迹由于2015年未监测出其存在，减少比例为100%。

表1 乌苏里江流域1990和2015年土地覆被类型面积统计结果

3.2 乌苏里江流域中国境内区域土地覆被动态变化

乌苏里江流域中位于中国境内的区域总面积6.11×104km2，约占流域总面积的1/3。通过对分类结果的分析，农田是该区域最主要的土地覆被变化类型，其次为林地和湿地。其余土地覆被类型转入转出率均在5%以下。具体的面积统计及土地覆被类型转化数据详见表2—3。对比表2中各土地覆被类型的类型间转移矩阵可以看出，1990—2015年流域中国境内面积增加的土地覆被类型依次为：农田、水体和人工表面，农田是面积增长最大的覆被类型(+6 089.59 km2)，增长率22.45%；水体增加14.38%(+290.17 km2)，人工表面有所增长(+145.03 km2)，增长率12.4%。流域中国境内面积减少的土地覆被类型为：湿地、林地、草地和裸土地，湿地是面积减小最显著的土地覆被类型(-5 685.28 km2)，减少率为56.40%；其次为林地(-720.22 km2)，减少比例为3.51%；草地面积减少较小(-116.82 km2)，但相对于草地总体减少比例较高，为55.88%；裸土地的变化面积最小(-2.48 km2)，但同样变化幅度较大，减少率53.6%。

表2 乌苏里江流域中国境内区域1990-2015年土地覆被类型间转化面积 km2

对比表3中转入转出率数据，湿地的减少主要转化为农田(-5 416.77 km2)，占区域内湿地总体面积的53.74%，产生变化的区域多集中在流域的北部地区(抚远、密山、鸡东及宝清等地)。林地的削减也主要转化为农田(-1 206.2 km2)，转出率5.89%，但同时，26.87%的草地转化为林地；水体有所增加，主要来源为湿地的转化(+245.46 km2)。流域中国境内，各类型间存在交替变化，既有转出又有转入，土地覆被变化作用较为广泛。

表3 乌苏里江流域中国境内区域1990-2015年各土地覆被类型变化率转移矩阵 %

3.3 乌苏里江流域俄罗斯境内区域土地覆被动态变化

乌苏里江流域总面积的2/3位于俄罗斯境内，总面积1.35×105km2，依据遥感分类结果对比分析，与中国境内地区农田占比近半数的情况不同，俄罗斯境内最主要的土地覆被类型为林地，总面积为9.78×104km2，约占流域俄罗斯境内区域总面积的72%，在区域内均匀分布，占主导地位。湿地是第二大土地覆被类型，总面积1.85×104km2，占区域总面积的13.65%，湿地集中分布于兴凯湖地区以及中—俄边境东侧的东南部地区，其他区域也有零散分布。其余的土地覆被类型面积较小，流域总面积占比均不足5%，依所占比例大小依次为草地、农田、水体、裸土地、人工表面及永久冰雪。在2015年影像监测中亦未见有火烧痕迹覆被类型的出现，其具体数据见表4。乌苏里江流域俄罗斯境内区域各个土地覆被类型变化均不明显，去除2015年影像监测中未见有的火烧痕迹类型，其余土地覆被类型的面积变化率均不超过2%，其中林地削减了123.7 km2，是面积变化最大的覆被类型，减少率0.13%，草地增长了92.49 km2，是增长幅度最大的覆被类型，增长率1.53%。两者均属于面积变化较大的覆被类型，相较于各自总体面积而言，变化幅度均不明显。其他土地覆被类型变化幅度与变化面积均远小于上述两者，转入转出率均低于1%。

表4 乌苏里江流域俄罗斯境内区域1990-2015年土地覆被类型间转化面积 km2

3.4 中-俄跨境区域土地覆被分布对比分析

中—俄两国乌苏里江流域土地覆被类型的时空间分布具有较为明显的差异，依据上述结果：中国部分是以农田和林地为主要覆被类型，俄罗斯部分则以林地和湿地为主。流域内俄罗斯境内面积为中国境内面积的2倍有余，其林地和湿地面积更是远超中国部分，约为中国部分的4倍；在中国境内占据主导地位的土地覆被类型是农田，其面积为俄罗斯部分的5.5倍。中—俄两国在土地覆被类型的空间分布上存在巨大的差异(图3)。

图3 乌苏里江流域中-俄境内区域1990-2015年土地覆被类型面积对比

3.5 中-俄跨境区域土地覆被类型间转化对比

中—俄两国境内区域的土地覆被类型间转化也存在明显差异，主要表现在农田、草地、林地和湿地这四种变化明显的土地覆被类型间：①农田转入。中国境内农田面积的增长主要来源于湿地(5 416.7 km2)和林地(1 206.2 km2)的转化；俄罗斯境内的农田变化微弱。②林地转出。中俄两国林地面积均有所缩减，中国境内1 206.2 km2的林地转化为农田，但同时544.25 km2的其它覆被类型转化为林地；俄罗斯境内的林地缩减面积的73.8%转化为草地。③草地转出。中国境内61.3%的草地转化为其他土地覆被类型，主要转化为林地、农田和湿地；俄境内草地呈现略微的增加的趋势，主要是由于林地转化而来。④湿地转出。湿地在中国境内总面积的56.4%转化为其他覆被类型，主要转化为农田。俄境内基本无变化。

1990—2015年俄境内土地覆被的类型间的转入转出率均不超过2%，土地覆被类型的面积变化微弱，从而表现出俄罗斯地区土地覆被类型的空间格局稳定性较高。

4 中-俄跨境区域土地覆被变化驱动力分析

4.1 自然地理因素

近些年来乌苏里江流域气温的逐渐变冷、降水量的波动变化，是人烟稀少的乌苏里江流域土地覆被变化的重要自然地理因素[24]。乌苏里江流域地区1990—2015年年均气温呈逐渐下降趋势(见图4)，农作物霜冻期随之增加，不利于农业耕作；单位面积的耕作产出也会因此而减少，在农业不断发展的前提下，农田的需求会因此而增加，致使林地、草地以及湿地等转为耕地[25]。

图4 乌苏里江流域1990-2015年气温及降水变化趋势

另一方面流域内降水虽整体以平缓增势增长，但年际间降水波动较大，通过对比中俄两国境内区域的土地覆被变化情况，在几近相同的气温、降水条件下，中国境内土地覆被类型变化明显，俄罗斯境内土地覆被类型变化微弱，由此可知自然地理因素虽然会对土地覆被变化产生一定的影响作用，但并不是该流域主要的驱动力因素。

地形因素也是影响土地覆被变化的重要因素之一[26]，随着坡度的升高，居住成本不断提升，水流由缓至快、水土流失加剧，导致农业耕作困难。乌苏里江流域71.29%的土地集中在海拔500 m以下的区域，85.31%的土地集中于坡度15°以下的区域(详见表5)。

表5 地形因子与土地覆被变化类型空间分析结果 km2

土地覆被类型发生转化的地区里主要以低海拔、低坡度等特征为主，林地由于其自身的特殊性较多地出现在高海拔和大坡度地区，农田和湿地的转化多发生在坡度6°以下、海拔150 m以下的地区，占比均超过转化总面积的90%。由此可见低海拔、低坡度是土地覆被转化的主要发生区域。

4.2 人类活动因素

土地覆被变化是各种相关因素综合作用下的结果，自然因素主要影响土地覆被的空间格局，人类活动因素则作用于土地覆被的时空间变化[27]。

本文通过人口因素、农业生产、和农业宏观政策三个方面来分析人类活动对乌苏里江流域土地覆被变化的影响。

4.2.1 人口因素 人口的增长是人类活动作用加剧的主要动力[28]。根据黑龙江省1990—2015年的统计年鉴数据，乌苏里江流域中国境内1990—2015年人口变化呈现微弱下降趋势，从1990年的494.63万人到2015年的472.6万人，人口总数有所下降。农业人口所占比重由1990年的52%降至2015年的41.2%，农业人口比例减少，城镇化迁移加剧，致使中国境内人工表面的增加。流域俄罗斯境内人口由1990年的122.41万人减至2015年的119.04万人。人工表面基本无变化。由此说明人口结构的变化导致人工表面的扩张，人口因素对土地覆被变化存在一定的影响作用，但不是乌苏里江流域土地覆被变化的主要驱动力因素。

4.2.2 农业生产 乌苏里江流域中国区域26 a以来在政策导向下农业的不断发展，与之对应的是农业总产值的稳步提升，流域中—俄境内农业总产值增长率的变化对比证实了两地区的农业发展水平的差异(图5)，流域中国境内人均农业总产值由1990年的996.31元增长至2015年的18 541元，26 a来增长明显。俄境内人均农业总产值则由3 917.7元增长至3 960.8元，增长趋势微弱。依据农业生产角度，俄罗斯境内多年来较为稳定，农田这一覆被类型未有明显变化；中国境内由于人口规模的小幅度降低，但农田面积呈现出较大幅度的增长，因此，农业生产方式的改变便成了农田扩张乃至土地覆被整体格局变化的主要驱动力因素(图6)。

图5 乌苏里江流域中俄境内区域1990-2015年农业总产值增长率对比

图6 乌苏里江流域中国区域1990-2015年农业生产总值以及农业机械总动力变化

农业机械总动力和农业机械数量的变化总体上呈相似的增长趋势，在总体人口规模略有缩减的情况下，农业机械的发展和规模的扩大化是农田扩张的主要影响因素，由于农业机械人均拥有量的增加，人均可耕作能力逐步提升，农田的需求也随之增加。伴随而来的便是农业活动的加剧，农田面积的增长，其他土地覆被类型的减少，最终农业总产值逐步提升，主要表现形式即为农田覆被类型的增长。由此可知农业生产方式和规模的改进是流域中国境内土地覆被变化的主要驱动力来源。

4.2.3 农业宏观政策 黑龙江省一直是中国粮食主产区。流域内双鸭山市、七台河市、牡丹江市均以大豆为主要农作物，佳木斯市农作物则以大豆、玉米、水稻并重。1990年，黑龙江省扩大农业生产政策出台，全省范围内大面积种植水稻、大豆等农作物，全省耕地面积10 a间由8.73×106hm2增至9.40×106hm2[29]；2004年作为全国农村税费改革首批试验点，黑龙江全省免征农业税，减轻农业人口税费压力，鼓励农业生产，扭转长期以来农业人口负担过重的局面；2013年国务院同意《黑龙江省“两大平原”现代农业综合配套改革试验总体方案》，先行在黑龙江省开始现代农业改革，明确了转变农业发展方式，提高农业综合生产能力和农民收入的目标。其后的2015年粮食产量7.62×107t，实现12 a连续增长，全国占比9.74%，产量位居全国首位。随着农业宏观政策的不断细化和完善，政策调控的影响效应已经全面带动农业的快速发展，同时也是整个乌苏里江流域土地覆被结构发生改变的重要驱动力因素。

5 结 论

(1) 1990—2015年乌苏里江流域土地覆被变化呈现出跨境分割性的差异变化，中国境内变化强度大，土地覆被类型间转化较为广泛；俄罗斯境内由于人烟稀少，人类活动作用因素较弱，生态系统较为稳定，土地覆被变化不明显、强度低。乌苏里江流域的整体变化主要来自于中国境内的土地覆被变化，俄境内整体土地覆被变化较小，转入转出率均不超过2%。

(2) 乌苏里江流域土地覆被情况总体呈现出农田的显著增加(+6 089.59 km2)、湿地的显著减少(-5 685.28 km2)、林地、草地等生态系统面积也呈现减少。农田和湿地是乌苏里江流域内变化最突出的两个土地覆被类型。在流域内部，中国境内区域主要以农田的增加为主要变化类型；俄罗斯境内区域则是以林地的削减为主要变化类型。

(3) 土地覆被变化驱动力分析表明，气温和降水对流域内土地覆被变化的影响较小；低海拔、低坡度区域是乌苏里江流域土地覆被转化的集中区域。在流域内人口规模有所缩减的情况下，得益于良好的农业发展政策、农业生产方式的改进和规模的扩大提升了农业从业人员的个体耕作能力，从而加剧了对农田的需求，由农田扩张所带来的一系列土地覆被变化则是乌苏里江流域整体土地覆被变化的主要代表。农业宏观政策、农业生产方式的改进和规模的扩大是乌苏里江流域土地覆被变化的最主要驱动力。