基于时序特征的黄河三角洲土地覆盖动态及驱动力分析

侯学会，李新华，徐洪彪，王 猛

(1.农业农村部 华东都市农业重点实验室 山东省农业可持续发展研究所，山东 济南 250100；2.临沂市水文局，山东 临沂 276001)

1 研究背景

土地利用/土地覆盖变化(land use and land cover change, LUCC)是生态环境变化最直接、最直观的反映，是全球生态环境变化研究中一直被关注的热点之一。全球气候变化导致全球水热资源重新配置，对全球土地覆盖格局及区域LUCC动态影响较大，且近几十年人类社会活动的非理性超越发展，带来不同区域LUCC的空间异质性，加剧了生态环境脆弱化程度，成为影响全球土地覆盖变化的主要驱动力[1-2]。

黄河三角洲是世界范围内湿地生态系统中极具代表性的河口湿地之一，在全球湿地生态系统研究中占据重要地位[3]，是我国暖温带最完整、最广阔、最年轻的湿地生态系统，也是我国大河三角洲中海陆变迁最活跃的地区之一[4]，且受区域经济发展的影响显著。近年来，建设用地扩张[5]、耕地增加[6]、滩涂开垦[3]、环境污染[7]等活动导致黄河三角洲LUCC发生了明显变化，生态环境不断恶化[8]，引起了国内外学者的广泛关注。并且，随着海量遥感数据的积累及遥感技术的不断发展，使得对黄河三角洲地区湿地动态研究越来越深入，如Niu等[9]、Jiang等[10]、Kong等[11]和Hua等[12]基于长时间序列资料分析，认为在气候变化和人为驱动的影响下，水文因素仍是黄河三角洲植被生长时空变化的主要驱动因子，而Cong等[13]和Liu等[14]则发现在人为驱动下，近几十年黄河三角洲湿地面积，尤其是天然湿地面积减少比较明显，且土地覆盖破碎化程度逐渐加剧[15-16]。

黄河三角洲地区土地覆盖类型复杂多样，部分LUCC类型有明显的时间特征。但目前已有的成果中，多使用单一时间获取的影像进行黄河三角洲区域土地覆盖遥感解译[17-18]，因获取影像成像时间存在差异，导致部分土地覆盖类型存在错分和漏分、不同研究成果之间解译结果存在差异，并且仅在像元层面上开展监督分类提取结果也导致精度有限。因此，在前人研究的基础上，本文拟基于不同土地覆盖类型在Landsat影像上的时间序列特征，结合面向对象的多尺度分割算法，开展1985-2018年黄河三角洲LUCC遥感解译；在此基础上，分析各土地利用类型的时间动态趋势；并从水文和社会经济两个方面对研究区域内土地覆盖变化的驱动因素进行探讨，以期为黄河三角洲生态保护政策制定提供科学参考。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

本研究以现代黄河三角洲为研究区，主要位于东营市辖区内，包括河口区东部、垦利区北部和利津县东部，以垦利鱼洼为顶点，北起挑河口，南至宋春荣沟，陆地面积约3 000 km2，地处山东省蓝黄经济带的核心，研究区地理位置和范围以及2018年真彩色影像见图1。现代黄河三角洲背陆面海，受欧亚大陆和太平洋的共同影响，属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，年均气温12.1 ℃，年均降水量551.6 mm，其中70%分布在夏季，是我国暖温带保存最完整、最广阔和最年轻的滨海湿地。研究区土壤类型主要为隐域性潮土和盐土，植被区域分布主要受土壤、水分、盐分和人类活动的共同影响，呈明显的海陆规律性演替[19]。

2.2 数据来源与处理

2.2.1 遥感影像及预处理 根据研究区概况，挑选1985-2018年覆盖研究区的无云或者少云遥感影像，包括Landsat5 TM、7 ETM以及8 OLI共8个时期的25景影像，空间分辨率均为30 m。为减少遥感数据成像时间不同对解译结果精度的影响，并考虑研究区不同植被类型的生长季特征，本文尽量选用4-10月的时间序列影像进行土地覆盖解译，选用的遥感影像信息见表1。基于ENVI软件对原始遥感影像进行波段合成、辐射定标，并对不同时期影像进行几何校正，控制误差在0.5个像元之内，然后以研究区矢量边界进行裁剪，得到研究区的遥感影像。

2.2.2 水文资料 本研究中使用的水文资料主要来自水利部黄河水利委员会发布的黄河水资源公报中利津站1976-2018年共43 a的实测径流量和输沙量数据。

2.2.3 社会经济数据 社会经济发展是黄河三角洲土地覆盖变化的又一主要驱动力，本文选取GDP和人口数据两个经济指标作为研究区土地覆盖变化的主要人为驱动因素[20]。因研究区主要覆盖河口区和垦利区，因此，本研究中依据山东省统计年鉴、东营市统计年鉴、东营市国民经济和社会发展统计公报的1990-2018年的河口和垦利统计年鉴中的两区总GDP和总人口数据进行分析。

2.2.4 土地覆盖数据解译与分析 研究区土地覆盖解译主要基于eCognition和ArcGIS软件。利用预处理后的多时相Landsat数据，根据历史资料及地面调查数据，分析不同土地利用类型在Landsat影像上的时序特征，并结合图像分割、监督分类等方法对8个时期遥感影像进行土地覆盖专题解译。根据2018年实测的104个地面调查数据对解译精度进行评价，并基于ArcGIS软件对不同时期的土地利用图层进行叠加分析，计算不同土地覆盖类型之间的马尔柯夫转移矩阵，对研究区1985-2018年LUCC的时间维特征进行分析；利用图层的属性表，计算出土地利用类型转移概率。

根据研究区土地利用特征，参考前人研究成果[21-23]，本文中将黄河三角洲土地覆盖类型分为滨海湿地、河流湿地、沼泽湿地、草甸湿地、河滩地、水库坑塘、盐田养殖场、沟渠湿地、水田、旱地农田、建设用地、盐碱撂荒地等12种类型，其中，滨海湿地、河流湿地、沼泽湿地、草甸湿地和河滩地属于天然湿地，而水库坑塘、盐田养殖塘、沟渠湿地和水田归为人工湿地。基于2018年11月3日获取的104个地面调查数据进行解译精度评价，结果表明，各类地物的解译精度均在90%以上，总体Kappa系数为0.85，且得到的其它时期的解译结果与历史资料具有较好的一致性，分类结果满足研究需要。

3 结果与分析

3.1 土地覆盖类型面积及其变化

1985-2018年研究区不同土地覆盖类型的分布状况和面积见图2和表2。根据图2和表2，除滨海湿地外，研究区主要土地覆盖类型为沼泽湿地、草甸湿地、旱地农田及盐碱撂荒地；与1985年相比，2018年研究区滨海湿地、沼泽湿地、草甸湿地的面积明显减少，而盐田养殖塘面积增加比较显著，由1985年的0.015 4×104hm2增加到2018年的4.655 3×104hm2，且空间分布向海、向内不断扩张(图2)。另外，在整个研究时间段内，水库坑塘、水田等人工湿地虽然在数量上增加不多，但增加幅度比较大，1985-2018年水库坑塘和水田分别由0.110 2×104、0.272 7×104hm2增加到1.143 5×104、2.525 6×104hm2，分别增加937.66%、826.15%。

图2 1985-2018年研究区不同土地覆盖类型分布状况

表2 1985-2018年年研究区各土地覆盖类型面积104 hm2

1985-2018年研究区天然湿地和人工湿地面积变化见图3。由图3可看出，自1985年以来，现代黄河三角洲湿地面积变化比较显著，天然湿地面积虽有波动，但总体呈减少趋势，1985-2018年期间，天然湿地共减少9.984 7×104hm2，平均每年的减少率为1.12%，其中沼泽湿地和草甸湿地的变化尤为明显；而人工湿地面积则逐渐增大，由1985年的0.448 2×104hm2增加到2018年的8.777 1×104hm2，年平均增加率达到54.66%，主要是盐田养殖场和水田面积的增加。

图3 1985-2018年研究区天然湿地和人工湿地面积变化

计算了1985-2018年研究区各土地覆盖类型动态度，其结果见表3。由表3可见。1985-2018年期间，天然湿地变化速度最快的时段是1985-1990年，动态度为-28.38%，且除河滩地外，其他类型的天然湿地表现出明显的萎缩，然而人工湿地在1985-1990年表现为急速增加，增加幅度为414.07%，尤其是盐田养殖场，增加幅度达到4 122.73%。另外，研究区人工湿地在2005-2010年间也表现出快速增长的态势，主要来自于水稻的大面积种植(水田动态度达1 014.90%)。

表3 1985-2018年研究区各土地覆盖类型动态度 %

3.2 土地覆盖类型动态转移

仅以1985年与2018年两期数据为例分析不同土地覆盖类型间的动态转移特点，其转移概率矩阵如表4所示。

表4显示，2018年与1985年相比所减少的天然湿地主要转变成为旱地农田、盐田养殖场、撂荒地和水田等，例如，消失的草甸湿地、沟渠湿地和河滩地主要转为盐碱撂荒地，而河流湿地也有14%的面积转化为沼泽湿地。

表4 1985-2018年黄河三角洲土地覆盖类型转移概率矩阵 %

计算结果表明，与1985年相比，2018年有19.69%的草甸湿地、25.26%的沟渠湿地和34.45%的沼泽湿地等转变为盐田养殖池；有23.8%的草甸湿地、34.3%的沟渠湿地、44.82%的河滩地、52.82%的水田和22.74%的旱地农田转化为盐碱撂荒地；而消失的河流湿地主要转变为草甸湿地(22.23%)；也有绝大部分的河滩地(47.20%)和盐碱撂荒地(30.14%)被开垦成旱地农田。

3.3 驱动因素分析

3.3.1 水文因素 黄河来水和泥沙淤积是导致研究区土地覆盖变化的主要自然因素。本文以利津水文站1976-2018年的径流量和输沙量资料进行分析，结果如图4所示。由图4可看出，自1976年以来，利津站径流量和输沙量变化趋势比较一致，均呈整体下降态势，年均减少量分别为4.01×108m3、0.21×108t，减少程度比较显著，但不同时间段的变化趋势存在差异。受2003年黄河秋汛影响，2003年利津站径流量和输沙量均有明显的增加，因此以2003年为节点进行分析。1976-2002年利津站径流量下降趋势比较明显，年均减少量为12.53×108m3；2004-2017年径流量的年减少率变缓，但仍大于1976-2018年的年减少率，为5.98×108m3。与径流量的变化趋势比较一致，1976-2002年利津站输沙量年减少率高达0.32×108t，而2003-2017年输沙量的年减少率有所减缓，为0.18×108t。

图4 1976-2018年利津水文站径流量和输沙量随时间变化趋势

进一步分析研究区各土地覆盖类型与主要水文因素的相关关系，计算出其相关系数见表5。根据表5，除天然湿地与径流量呈正相关关系外，人工湿地、旱地农田、建设用地及盐碱撂荒地与径流量均呈负相关关系；与径流量相比，输沙量对黄河三角洲土地覆盖的影响比较显著，输沙量的减少与天然湿地面积的变化呈显著正相关关系，而与建设用地面积变化的负相关关系比较显著。

表5 研究区土地覆盖类型与主要水文因素的相关系数

3.3.2 社会经济因素 图5显示了研究区内的垦利区和河口区1990-2018年的GDP总量和总人口随时间变化趋势。

由图5中可以看出，1990-2018年间，研究区内人口一直呈逐渐增加的态势，年增加量为0.47×104人，增加趋势不明显。而GDP的变化比较显著，且有明显的分阶段时间特征，1990-2000年间，研究区GDP增速比较缓慢，年增加量仅为2.14×108元，2001-2005年，研究区GDP开始呈现较大幅度的增加，年增长量上升到15.7×108元，从2006年起，研究区域内的GDP进入高速增长阶段，年增加量高达62.25×108元。

图5 1990-2018年研究区GDP总量和总人口随时间变化趋势

分析研究区各土地覆盖类型与主要经济因素GDP及人口的相关关系，计算出其相关系数见表6。从总体上看，GDP与人口随时间变化趋势与人工湿地、建设用地的变化趋势比较一致，呈正相关关系，且人工湿地面积的增加与GDP、人口这两个社会经济主要因子的增长呈极显著正相关关系；而天然湿地、旱地农田及盐碱撂荒地随GDP和人口的增加而减少，且天然湿地受社会经济因素的影响较为明显，呈显著负相关关系。

表6 研究区土地覆盖类型与主要经济因素的相关系数

4 结 论

基于不同土地覆盖类型在Landsat影像上的时间序列特征，结合面向对象分割算法，提取了1985-2018年8个时期的现代黄河三角洲LUCC数据，在此基础上，对该时段现代黄河三角洲LUCC的时间动态进行分析，并对研究区土地利用(土地覆盖)变化的水文因素和社会经济因素进行探讨。

(1)通过分析发现，1985-2018年现代黄河三角洲土地利用(土地覆盖)变化比较显著，总体表现为天然湿地逐渐减少，而人工湿地面积在波动中逐渐增加，两者变化的主要原因是天然湿地中的沼泽湿地和草甸湿地被开发为盐田养殖场及水田，且空间分布上向海、向内不断扩张。

(2)探究现代黄河三角洲土地利用(土地覆盖)变化的主要水文因素发现，输沙量是影响现代黄河三角洲土地利用(土地覆盖)变化的主要因素。1976年以来，虽然在不同时间段内研究区输沙量变化率存在差异，但总体呈减少趋势。输沙量的减少一方面使得研究区新生天然湿地增速降低，另一方面也使得研究区成陆面积相对稳定，促进了建设用地的增加，而且，径流量的减少导致河道内及沿河两岸的泥沙沉积，使得黄河随着水床位置不断提高，造成研究区地下水位降低，土壤含水量降低，自然湿地逐渐向旱地演化。

(3)从社会经济因素方面看，研究时间段内，研究区人口和GDP均有比较明显的增加，尤其是GDP在2005年之后有较明显的增幅，增长率高达62.25×108元/a。经济指标的增加对研究区土地利用(土地覆盖)变化影响比较显著，其中，人工湿地面积的增加与人口和GDP增长的正相关关系比较显著，而天然湿地面积的减少则与两类指标的负相关关系比较显著。