洋河流域沿线区域土地利用时空变化特征分析

杨雅菲,李培楠,朱向葵,孙 红

（1.北京中云伟图科技有限公司，北京102208；2.北京市门头沟区西峰寺林场，北京102300；3.国家林业和草原局森林和草原病虫害防治总站，沈阳110034）

土地资源是地球生物赖以生存的环境基础，自然和人类活动是影响其变化的两大主要因素［1］。人类活动离不开土地，同时也影响着土地利用类型的变化［2］。从20 世纪80年代以来，国内外在土地利用类型的过程、基本特征、驱动因素、研究方法、动态模拟、趋势预测以及和土地利用变化的原因分析及其对气候、流域环境、水文过程等方面的影响都做了大量的探索［3-4］。河流水系是人类不可或缺的资源，开展流域范围的土地利用变化研究，能够为流域的生态环境保护，加强流域的土地资源管理提供科学依据。朱文博等人以太行山淇河流域为例，对其2005—2015年土地利用变化进行分析，采用Markov-CLUE-S 复合模型预测2025年耕地保护及生态保护情景下的土地利用格 局［5］。Agaton M等人利用GIS和RS技术监测Citarum 流域上游的土地利用变化，分析得出快速城市化是Citarum 流域上游土地利用变化的主要驱动力［6］。罗维等利用中分辨率数据的土地利用结果分析了洋河流域1990—2013年间的土地遥感数据，估算了这些变化对流域生态服务价值的影响［7］。

洋河流域是我国北方农牧交错带的典型流域，是首都北京重要的水源保护地和生态保护屏障，对北京都市圈的生态环境保护具有很重要的地位和作用［8］。目前已有学者利用中分辨率数据对洋河整个流域和流域部分河段的土地利用变化进行了初步研究［9-13］，但是利用高分辨率数据进行土地利用时空变化特征的研究仍相当匮乏。随着张家口市与北京市联合举办2022年冬奥会筹建工作的逐步展开，利用高分辨率卫星数据研究洋河流域土地时空变化特征为冬奥会场地合理规划建设提供重要参考。本文以亚米级高分辨率遥感解译数据为基础，对洋河宣化-下花园段的土地利用格局和过程的变化进行深入地研究，以期为河流的合理开发利用与管理，为2022年北京-张家口冬奥会的生态环境保护提供重要的理论依据和决策支持。

1 研究区概况

洋河流域地处北方农牧交错区，是国家“防沙治沙”“京津风沙源”重点治理区，同时是河北省“退耕还林还草”主要区域之一［14］。流域西起内蒙古自治区兴和县和山西省阳高县，上游分布有东洋河、南洋河、西洋河三大支流。支流于万全、怀安交界处汇合，后折东南流经宣化、下花园至涿鹿、怀来交接处和桑干河一起流入官厅水库。流域总面积1.79×104 km2，干流全长约262 km。流域属大陆性季风气候，年平均降水量409.8 mm，多集中在7—9月且丰枯年交替出现，干旱指数2.0—2.5，年平均温度7.7 ℃，年日照时数2 700—3 000 h。本研究选取了洋河流张家口宣化-下花园段河流两岸1 公里范围作为研究区。

图1 研究区位置示意图

2 数据源及预处理

2.1 数据源

本研究主要采用覆盖研究区范围的Quickbird和北京二号卫星所接收的数据作为基础进行分析，其中Quickbird 卫星数据接收时间为2008年8月23日，分辨率0.5 m，北京二号卫星数据接收时间为2017年6月25日，分辨率0.8 m。利用Google earth上的高分辨率影像数据和全球30DEM 数据作为参考数据进行了卫星影像的正射、融合等系列处理。

2.2 数据预处理

参考我国现有的土地利用分类体系，结合研究区的现状特点，将遥感监测的地类分为6种一级土地类型，12 种二级土地类型（见表1 所示）。利用人工目视判读的方法进行了分类提取，结合野外调查和其他辅助数据资料对分类精度评价，2008年和2017年的分类精度均在90%左右，分类结果能够保证后续分析研究的准确度。

3 研究方法

3.1 单一土地利用动态度

单一土地利用动态度反映不同土地利用类型在一定时间段内的变化速度和幅度［15］，对比土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用趋势有重要作用，其数学模型为：

式中，Ki为i类土地在t1到t2时段内的动态度，Ki值越小，表明该类土地转化为其他类型土地的数量越少，在研究期内相对稳定：Sit1、Sit2分别表t1、t2时间上i类土地的面积。

表1 遥感监测分类指标

3.2 土地利用程度变化分析

根据土地利用的属性和遥感解译结果，结合洋河流域的土地利用分类情况。根据国内有关学者对土地利用程度分级的研究成果［16］，结合实际略作修改，将土地利用程度分为4级，每级赋予相应的分级指数。从而给出土地利用程度的定量化表达式，见表2。

表2 土地利用程度类型分级表

土地利用的综合指数模型是将土地利用的综合指标进行数学综合，形成一个连续分布的综合指数，其数值的大小综合反映了某一地区土地利用的程度，计算模型为：

式中：L为研究区的土地利用程度综合指数；Ai为研究区内第i类土地利用程度分级指数；Ci为研究区内第i类土地利用程度分级面积百分比；n为土地利用程度分级数。

3.3 生态系统服务价值变化分析

土地利用变化改变土地原有的生态服务价值和功能，利用Constanza［17］等人在全球生态系统服务价值的估算方法，计算研究区的生态损失价值，计算公式如下：

式中：V为研究区的生态系统服务总价值；Pi为在单位面积上土地利用类型i的生态服务总价值（百元/km2），Ai为研究内土地利用类型i分布面积（km2）。

由于Costanza 等人的估算是在全球尺度上进行的，将之应用于洋河流域这一特定区域，不免出现估计的偏差，为减少这一偏差，结合谢高地等对全国土地生态功能服务价值系数的研究［18-19］，得到洋河流域的生态服务价值系数如表3所示。

表3 单位面积土地利用类型生态服务价值表

4 结果与分析

4.1 土地利用时空特征分析

2008-2017年洋河流域沿线区域的土地面积变化如表4所示。洋河流域沿河区域土地主要类型以耕地、林地和草地为主，三者之和约占总面积的80%以上。2008—2017 十年间洋河流域的沿河区域草地、耕地面积减少，林地、工矿用地、交通用地和未利用地面积增加，林地增加面积最大。这可能与洋河流域核心区域张家口市的均GDP 从2008年以来一直处于增长状态有关（见图2），耕地、草地被大量基础公共设施建设占用有关，该结论与其他研究相类似［20-21］。另外，北方的退耕还林还草政策［22-23］是导致洋河流域耕地减少，林地增加的主要原因。

表4 2008-2017各土地利用类型面积统计表（公顷）

图2 张家口市2008-2017年生产总值图

土地的转移情况如表5所示，土地的转移主要发生在草地、林地和耕地之间相互转移，转移面积较大。此外，还有一部分的耕地、草地、林地向工矿用地、交通用地和未利用地进行了转移，说明在2008—2017年间洋河流域沿线区域的开展了大量的基础公共设施和经济开发建设。

表5 2008-2017土地转移矩阵 （公顷）

4.2 土地利用时空演变分析

2008—2017这十年间洋河沿线单一土地利用类型变化的速度（动态度）k 变化如表6 所示，其中湖泊增幅最大，其次未利用地、交通用地、工矿用地等，耕地草地有明显的减幅，没有变化的是城市绿地。说明该时段内洋河沿线受人类活动的影响较大，水利工程、交通路网以及工业设施的建设较多。

表6 2008—2017年洋河沿线单一土地利用类型的动态度

2008—2017年这十年间洋河沿线土地利用程度综合指数如表7所示，从表中可以看出洋河流域土地利用程度有所提高，表明人类活动对该区域的土地利用影响增大。

表7 2008—2017年洋河沿线土地利用程度综合指数

4.3 土地利用生态服务价值变化分析

2008—2017年这十年间洋河沿线土地利用总体生态服务价值增加161.65 万元，除耕地和草地外，其他土地利用类型均有所增长，其中林地增长最大，增长了236.92 万元，其次河流增长了80.86 万元。耕地和草地分别减少了52.5 万元和131.29万元。林地、耕地、草地等植被的变化是洋河沿线生态价值的变化的主要影响因子。

表8 2008—2017年洋河沿线土地利用生态服务价值及其变化 （万元）

5 结论

利用2008—2017年洋河流域沿线亚米级高分辨率数据，分析流域沿线1 km 范围内土地利用变化的情况，主要得到以下结论：

（1）2008—2017年洋河流域沿线的主要土地利用类型是林地、耕地和草地。在该期间内草地、耕地面积减少，林地、未利用地和公路面积增加，林地变化幅度相对较大。土地的转移主要发生在草地、林地和耕地之间的相互转移，而且转移面积较大，还有一部分的耕地、草地、林地向公路和工矿用地进行了转移。

（2）2008—2017年洋河流域沿线单一土地利用类型变化的最大的是湖泊，其次是未利用地、交通用地、工矿用地等，且从2008—2017 统计土地利用程度综合指数增加，表明这十年间洋河沿线受人类活动的影响较大。

（3）2008—2017年洋河流域沿线土地利用的总体生态服务价值增加，除耕地和草地的生态服务价值减少外，其他土地利用类型生态服务价值均有所增加，其中林地的生态服务价值增加最大。林地、耕地、草地等植被的变化是洋河沿线生态价值的主要影响因子。

洋河流域是官厅水库上游水源区，同时也是2022年北京冬奥会场馆建设所在地，研究该区域河流沿线的土地利用变化特征对整个流域及北京水资源、生态环境建设具有重要的现实意义。本研究只选取了洋河的局部区域进行了研究，具有一定的典型性和代表性，下一步还需要从整个流域范围出发利用长时序的高分辨率卫星影像数据分析土地利用变化情况及其对生态环境的影响。