2010—2018年辽河保护区土地利用格局时空变化特征

李付杰，杨彩云，高艳妮，冯朝阳，马欢*

1.国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，中国环境科学研究院 2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院

自然保护区是保护典型生态系统和生物多样的有效措施，在保护湿地资源与生态方面发挥着巨大作用[12]，但目前多数土地利用的研究集中在全国、各流域以及各重要生态功能区等较大尺度的区域上，对于自然保护区这种小尺度的土地利用的研究较少。对于小尺度的土地利用研究来说，精确的数据处理与适合的分析方法更加重要，且需要结合保护区内外政策，以全面了解保护区土地利用时空变化特征，并为保护区进一步管理提供政策建议。笔者以我国第一个为保护河流而划定的区域——辽河保护区为研究对象，基于辽河保护区土地利用现状，通过高精度土地利用数据，全面分析2010—2018年土地利用时空变化特征及景观格局变化，以期为辽河保护区生态保护修复提供科技支撑和决策依据，促进辽河流域生态环境得到高水平保护。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

辽河保护区(121°41′E～123°55′30″E，40°47′N～43°02′N)始于东西辽河交汇处的铁岭市昌图县福德店，终于盘锦入海口，涉及铁岭、沈阳、鞍山、盘锦4个市。辽河保护区于2010年3月划定，占地面积为1 869.2 km2。辽河干流地势平坦，地貌单元比较单一，属于辽河冲积平原，河道局部蛇曲发育；铁岭市和沈阳市北部地貌类型以山区、丘陵为主，沈阳市南部、鞍山市和盘锦市的地貌类型以平原为主。

1.2 数据来源与处理

采用遥感图像为SPOT-5卫星影像(2010—2012年)、高分一号(GF-1)卫星遥感影像(2013—2018年)，利用ENVI及ArcGIS软件对遥感影像进行校正、影像融合、影像拼接及裁剪等预处理，采用面向对象分类和人机交互解译方法提取土地利用信息，并参考全国第二次土地调查和全国生态环境10年变化(2000—2010年)遥感调查评估报告，对提取的土地利用信息进行更正，借助第二次全国土地利用调查结果加以检查核实。对于详细判读中出现的疑难点、难以判读的地方通过实地勘查进行补充判读和修改，数据精度在95%以上。

1.3 研究方法

利用地理信息系统(GIS)和遥感(RS)技术，制作辽河保护区不同时期的土地利用图，分析辽河保护区土地利用空间格局变化，并利用马尔可夫模型计算出不同时期土地利用转移矩阵。在此基础上，采用单一土地利用动态度(K)和综合土地利用动态度(LC)分析辽河保护区土地利用的动态变化。研究区综合土地利用动态度[13]可表示为：

(1)

式中：LUi为起始时间第i类土地利用类型的面积，km2；T为研究时段长；ΔLUi为T时段内第i类土地利用类型转为非i类土地利用类型面积的绝对值。

单一土地利用动态度可定量描述区域土地利用变化的速度，对比较土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用趋势具有重要作用[14]，其计算公式如下：

K=[(Ua-Ub)Ua]T×100%

(2)

式中：Ua、Ub分别为研究期初和研究期末某土地利用类型的面积，km2。T设定为1年时，K即为某土地利用类型的年变化率。

景观格局分析是通过统计学方法，确定产生和控制空间格局的因子及其作用机制，比较不同景观镶嵌体的特征及其变化，探讨空间格局的尺度性质，确定景观格局和功能过程的相互关系。利用景观格局指数分析软件(Fragstats 4.1)分别计算类型水平和景观水平上的景观格局指数，引用6个景观格局指数(表1)分析辽河保护区景观格局变化。

表1 景观格局指数及其生态学意义

2 结果与分析

2.1 土地利用变化时空格局

2010—2018年辽河保护区土地利用类型面积及占比如表2所示。由表2可知，辽河保护区土地利用由林地、草地、湿地、水体、耕地和建设用地6种类型构成。2010年(保护区划定初期)，保护区内主要土地利用类型为湿地、耕地和水体，三者合计共占保护区面积的81.3%；林地、建设用地和草地面积较小。2011年，受辽河保护区划定和相关政策实施的影响，保护区内耕地面积大幅减少，占比从33.5%降至8.3%；与此同时，草地面积占比由0.4%提高至23.5%。除2011年外，保护区内各土地利用类型面积整体变化不大，湿地始终是保护区内面积占比最大的土地利用类型，并且整体呈增长趋势，到2018年面积占比达43.5%；从2011年起，草地成为保护区内面积占比第二的土地利用类型，其面积占比在不同年份有小幅波动，但整体维持在22.2%～25.5%；水体是保护区内面积占比第三的土地利用类型，维持在17.2%～19.0%，整体呈波动上升趋势；耕地面积持续下降，在2017年降到最低，2018年略有上升；林地和建设用地面积占比变化不大。

2010—2018年辽河保护区土地利用空间分布如图1所示。由图1可知，2010年耕地在辽河两岸广泛分布，2011年之后耕地主要分布在台安县南部、新民市中部、铁岭县西北部、法库县东北部等河段附近。湿地作为保护区最大的土地利用类型主要分布在辽河沿岸与河口区域，其中沿海滩涂在湿地中的面积占比由2010年的26.6%降至2018年的21.3%，随着辽河沿岸退耕还湿，内陆滩涂在湿地中的面积占比增至78.7%。2011年之后草地面积明显增加，主要分布在辽河沿岸。自2011年起，保护区内整体维持着以湿地、草地、水体为主导，耕地、林地、建设用地零星分布的格局。

表2 2010—2018年辽河保护区土地利用类型面积及占比

图1 2010—2018年辽河保护区土地利用空间分布Fig.1 Land use spatial distribution from 2010 to 2018 in Liaohe Conservation Area

2.2 土地利用变化强度

2.2.1综合土地利用动态度

2011—2018年辽河保护区综合土地利用动态度变化如图2所示。由图2可知，2011—2018年辽河保护区综合土地利用动态度较高年份为2011年、2014年和2018年。其中，2011年发生土地利用类型变化的总面积为549 km2，综合土地利用动态度为14.69%；2014年发生土地利用类型变化的总面积为339 km2，综合土地利用动态度为9.07%；2018年发生土地利用类型变化的总面积为226 km2，综合土地利用动态度为6.05%；其余各年份土地利用变化不剧烈，综合土地利用动态度均在4%以下。

图2 2011—2018年辽河保护区综合土地利用动态度变化 Fig.2 Dynamic degree change of the comprehensive land use from 2011 to 2018 in Liaohe Conservation Area

图3 辽河保护区各土地利用类型对综合土地利用动态度贡献率Fig.3 Contribution rate of land use types to the comprehensive land use dynamic degree in Liaohe Conservation Area

辽河保护区各土地利用类型对综合土地利用动态度的贡献率如图3所示。由图3可知，2011年对综合土地利用动态度贡献率最大的是耕地，占2011年土地变化面积的86.96%，其主要转变为草地，约占耕地转变为其他类型面积的85%；耕地转变为草地的区域主要分布在保护区的中部和上部，下部及河口区域分布较少(图4)。2014年对综合土地利用动态度贡献率最大的分别是草地、湿地、耕地和水体，其土地变化面积分别占2014年土地变化面积的32.92%、26.80%、17.54%、12.88%，其中，草地主要转变为湿地，约占草地转变为其他类型面积的50%；湿地主要转变为水体和草地，分别占湿地转变为其他类型面积的48%和40%；耕地主要转变为草地，约占耕地转变为其他类型面积的58%。2018年对综合土地利用动态度贡献率最大的依次是草地、湿地、水体和耕地，其土地变化面积分别占2018年土地变化面积的36.94%、28.75%、13.22%、13.19%，其中，草地主要转变为湿地和耕地，分别占草地转变为其他类型面积的51%和38%；湿地主要转变为水体和草地，分别占湿地转变为其他类型面积的47%和37%；水体主要转变为湿地，约占水体转变为其他类型面积82%。

图4 2010—2011年辽河保护区土地利用类型转变Fig.4 Change of land use type from 2010 to 2011 in Liaohe Conservation Area

2.2.2单一土地利用动态度

注：2011年草地单一土地利用动态度为5 807%,数据未放在图中。图5 2011—2018年辽河保护区单一土地利用动态度变化Fig.5 Dynamic degree change of single land use from 2011 to 2018 in Liaohe Conservation Area

2011—2018年辽河保护区单一土地利用动态度变化如图5所示。由图5可知，除2011年外，保护区内各土地利用类型单一土地利用动态度均在±20%之内变动，其中草地、耕地、林地波动相对较大，建设用地、湿地、水体波动相对较小。2011年草地面积变化最大，其动态度为5 807%，主要原因是耕地转化为草地；2013年草地动态度也较大，为15.04%。耕地动态度较大年份有2011年、2014年和2016年，分别为-75.18%、-12.57%和-13.31%；林地主要在2014年有较大变化，其动态度为19.32%，主要是由于有16.6 km2草地、4.6 km2建设用地和3 km2耕地转变为林地。建设用地变动较大的年份为2011年和2018年，其动态度分别为-9.66%和9.61%，2011年减少的面积主要去向是湿地，2018年增加的面积主要来源为湿地、草地、林地，占比分别为34%、18%、18%。湿地变化较大的年份为2011年和2013年，其动态度分别为7.01%和-7.44%，2011年面积增加的部分主要来源是耕地，占当年转变为湿地面积的77%，2013年减少的面积主要去向为草地，占当年湿地转出面积的76%。

2.3 土地利用转移矩阵

辽河保护区土地利用类型转移矩阵如表3所示。由表3可知，2010—2011年土地利用类型转移的主要方向是耕地转变为草地和湿地及湿地转变为草地，转变面积分别为403.7、63.9、20.1 km2，其他类型之间的转移较少。2011—2014年土地利用类型转移的主要方向是耕地与草地、湿地与草地及湿地与水体之间的相互转变，其中34.9 km2耕地转变为草地，33.2 km2草地转变为耕地，45.9 km2湿地转变为草地，32.7 km2草地转变为湿地，43.1 km2湿地转变为水体，36.7 km2水体转变为湿地。2014—2018年土地利用类型转移的主要方向是耕地与草地之间的相互转变，其中52.2 km2耕地转变为草地，35.3 km2草地转变为耕地；其次是草地和湿地之间的相互转变，其中60.8 km2草地转变为湿地，17 km2湿地转变为草地；水体和湿地之间的转变面积也较大，其中25.5 km2水体转变为湿地，33.9 km2湿地转变为水体。

从转移强度来看，2010—2011年发生土地利用类型转移的面积共计549 km2，转移强度为29%；2011—2014年发生土地利用类型转移的面积共计340 km2，转移强度为18%；2014—2018年发生土地利用类型转移的面积共计280 km2，转移强度为15%。整体来看，土地利用类型的转移强度不断降低，分布趋于稳定。

表3 2010—2018年辽河保护区土地利用类型转移矩阵

2.4 生态系统格局

2.4.1景观水平格局特征

2010—2018年辽河保护区景观水平格局特征参数如表4所示。由表4可知，2010—2018年辽河保护区斑块密度整体呈上升趋势，平均斑块面积呈减小趋势，主要是因为保护区退耕等措施的实施，耕地面积不断减少，林地和草地面积不断增加，生态系统处在正向演替过程。随着斑块密度的增加和平均斑块面积的减小，斑块边缘密度不断增加，但其在2018年降低，这与保护区的景观形状指数变化规律一致，景观形状指数降低表明景观形状变得简单，这也是2018年斑块边缘密度降低的主要原因。保护区内聚集度指数没有明显变化，说明各景观斑块的聚集程度没有明显变化；蔓延度指数在2011年明显降低，2011年之后整体呈上升趋势，说明景观的连通性逐渐变好。

表4 2010—2018年辽河保护区景观水平格局特征参数

2.4.2类型水平格局特征

2010—2018年辽河保护区类型水平景观格局特征参数如表5所示。由表5可知，由于撂荒导致草地面积呈现明显增长趋势，草地斑块密度在2011年显著提高，之后基本保持稳定，在2018年又明显增加，其原因一方面是耕地等土地利用类型向草地转化，另一方面是林地斑块增加对原有斑块的分割。耕地在2011年斑块密度、平均斑块面积突然变小，之后基本保持稳定；2010—2018年建设用地、湿地、水体的斑块密度和斑块面积仅在较小范围内波动。林地在各土地利用类型中的斑块密度最大，但平均斑块面积最小，主要是由于林地在保护区内呈点状分散分布，也与林地处于演替前期有关。2011年之后，保护区内总体呈现出以草地、湿地为主要景观类型，林地、耕地、建设用地点缀其中的景观格局。

保护区内景观形状指数最高的依次是建设用地、林地、水体，其中建设用地和水体景观形状指数较高主要是由交通用地以及河流等线状斑块所致，林地景观形状指数较高主要是由于其斑块面积小、斑块边缘变化强度大。相对来讲，草地、湿地、耕地形状指数较小，表明其斑块形状相对规则。从斑块聚集度来看，除草地在2011年有明显增加外，其他年份各景观类型的聚集度基本保持稳定。可以看出，保护区的划定对区域内生态系统的保护起到较大作用。

表5 2010—2018年辽河保护区类型水平景观格局特征参数

3 讨论

保护区的划定对辽河流域生态系统保护具有重要作用。2010年辽河保护区划定后，成立了辽河保护区管理局，制定了《辽宁省辽河保护区管理条例(草案)》，设立了专项资金用于辽河保护区的保护与治理。2013年9—11月，辽河保护区管理局陆续公开了一批涉及辽河保护的权力清单[15]，公布了相关处罚权的依据和流程图。这些措施有效遏制了保护区内生态破坏和违法占地等违法活动，有力保障了保护区内生态系统的稳定。

保护区内相关工程的建设及投入使用是保护区内水体、湿地面积增加的主要原因。2011年完成了辽河干流11座生态抗旱临时蓄水橡胶坝工程，2012年开工建设了开原五棵树、铁岭平顶堡、法库和平、辽中本溪—辽阳高速桥4座干流生态蓄水工程，修建了拦河坝，形成滩地、湿地，扩大了水面面积。2014年辽河保护区年降水量约为396 mm，比2013年和2012年分别降低41%和52%，然而2014年保护区内水体面积较2013年和2012年分别增加了4.2%和7.8%，在降水量明显减少的情况下实现了水体面积的增加。

退耕还草、还湿、还滩等政策的实施是保护区内土地利用格局转变的主要驱动因素。从2011年开始，对辽河干流河道两侧1 000 m以内的河滩地实施退耕还河、自然封育治理、建设生态廊道；在辽河两岸分别建设500 m宽的封育带，形成440 km2的生态廊道；实施大伙房水源保护区综合治理工程，退耕还草22.53 km2；实施沈阳卧龙湖生态保护与修复工程，完成退耕还湿1.65 km2，增加生态涵养林5.14 km2；实施“退养还滩”工程，在沿海地区恢复自然滩涂约20 km2。

4 结论

(1)辽河保护区划定初期(2010年)，保护区内主要土地利用类型为湿地、耕地和水体，合计占比为81.3%，草地面积占比仅为0.4%；通过保护区退耕还草等政策的实施，2011年耕地面积占比降低，草地面积占比在2011年提高至23.5%，其他土地利用类型面积占比基本稳定。

(2)2011—2018年辽河保护区综合土地利用动态度整体呈下降趋势，其中，2011年、2014年和2018年综合土地利用动态度较高，各土地利用类型之间转变相对剧烈。单一土地利用动态度较大的土地利用类型为耕地、草地、林地等。

(3)2010—2011年土地利用类型转移的主要方向是耕地转变为草地、湿地以及湿地转变为草地；2011—2014年以及2014—2018年土地利用类型转移的主要方向是耕地与草地、湿地与草地以及湿地与水体之间相互转变。整体来看，保护区内土地类型转移主要是生态用地内部转移，生态用地与建设用地之间转移较少，且建设用地整体呈减少趋势。

(4)2010—2018年，保护区内斑块密度整体呈上升趋势，平均斑块面积呈减小趋势，保护区退耕后生态系统开始次生演替，草地、林地斑块面积不断增加，生态系统结构逐渐趋于合理。

(5)保护区的划定及相关措施的落实促进了保护区内生态用地面积的增加，对保护区生态恢复起到了积极的作用。在政策落实的前期土地利用类型发生转变较为迅速，政策对生态系统影响的滞后性主要体现在封育之后生态系统的自然演替上。