密怀顺水源保护区土地利用演化驱动因素分析

张雨航， 安同艳, 史芫芫, 范 清， 孙长虹， 何 炜*

(1.北京市环境保护科学研究院， 北京 100037； 2.国家城市环境污染控制工程技术研究中心， 北京 100037)

土地利用/覆盖变化(LUCC)是人类活动和自然要素共同作用的结果，被认为是全球环境变化和可持续发展的重要内容[1-2]。国际人文因素计划(International Human Dimensions Program，IHDP)和国际地圈与生物圈计划(Internaitonal Geosphere-biosphere Program，IGBP)共同确立的国际间计划LUCC中，将区域土地利用与覆盖变化对水量、水质、水循环的影响作为关注热点问题，也是我国中长期科学技术发展重大战略需求和基础研究方向之一[3-4]。研究土地利用结构变化规律，对土地利用调控、合理利用土地、促进区域社会经济发展具有重要意义[5]，同时也有利于发现土地利用结构发生变化对环境产生的潜在风险。可以说土地利用/覆盖变化的相关研究依旧是当今的研究热点。任杰等[6]利用Landsat-MSS/TM/ETM等数据，对伊犁盆地1980—2015年期间的土地利用/覆被变化及驱动因素进行研究，研究显示社会经济因素是研究区土地覆被变化的主要推动因素；毛鸿欣等[7]基于地理信息系统(geographic information system，GIS)空间分析系统对银川平原土地利用变化时空格局进行研究，结果为银川平原土地资源的合理整治和修复提供借鉴；王译著等[8]对昆明市呈贡区2003—2018年土地利用动态变化时空特征研究，结果显示城市发展进程中建设用地和绿地呈增加趋势，而耕地则明显减少。可见，时间尺度上土地利用/覆盖变化研究让人们对关注区域的社会、经济、环境发展内在关系有了更清晰的认识。

密怀顺地区是北京第八水厂和怀柔应急水源地的所在地，是重要的水源保护区，2015年前由于人口经济的快速增长，导致地下水超采，地下水位下降明显，形成局部的降落漏斗，威胁北京市供水结构安全。2014年底南水北调进京后，部分盈余水量开始通过潮白河河道回补地下水，密怀顺地区成为热点研究地区，地下水回补可能带来的区域水环境安全问题引起了众多学者关注，这些研究主要集中在南水北调补水后引起的水位和水质方面的变化研究[9-15]。何亚平等[16]对潮白河地区2018年12月与2017年同期相比，研究发现区域地下水位升幅在6～8 m，回补中心区升幅达12 m，影响范围达到124.5 km2；张雨航等[17]对密怀顺地区地下水中硝酸盐氮时空变化进行研究，发现耕地属性地块地下水中硝酸盐氮相对较高。以往研究未考虑到土地利用变化对环境的累积效应，在水位抬升过程中，对地下水环境的风险可能随之升高[18]。对密怀顺水源保护区土地利用时空演化规律及驱动因素的研究，有助于揭示保护区土地利用变化的内在动力，完善保护区面源风险的认知，揭露农业用地对地下水产生的隐蔽性风险，为北京市饮用水源安全、居民饮水安全和水源保护措施提供科学依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 密怀顺研究区概况

密怀顺地区是北京市顺义、怀柔、密云三区接壤地区(图1)，是第八水厂和怀柔应急水源地的所在地，是北京市重要的水源保护区。研究区面积约486.93 km2，范围为东经116°30′～117°，北纬40°10′～40°30′。属于半湿润半干旱季风气候，年平均降水量为615.6 mm。密怀顺地区，历史上曾经是北京市重要的农耕区，由于近些年社会经济发展，首都战略定位转变，农耕区面积不断缩小。

1.2 土地利用数据

利用2012年、2015年、2018年Spot5遥感影像数据提取土地利用类型，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域和湿地、建设用地、未利用地。

1.2 研究方法

基于转移矩阵数学模型，利用ArcGIS,对土地利用解译数据进行空间分析，可全面而又具体地刻画区域土地利用变化的结构特征与各用地类型变化的方向，该方法来源于系统分析中对系统状态与状态转移的定量描述。S为转移矩阵数学模型，可表示为

(1)

式(1)中：S为土地利用总面积；Snn为土地利用转化面积，其中n为土地利用类型。

采用土地利用变化率指数R来分析研究时段内土地利用类型的变化幅度，其计算公式为

(2)

式(2)中：Ri为研究时段第i类土地利用的变化率，%,；Si,initial为研究时段初第i类土地利用的面积，Si,late为研究时段末第i类土地利用的面积。

采用土地利用动态变化强度指数M表征研究时段内某类土地利用转为其他类土地利用的难易程度，其表达式为

(3)

式(3)中：Mi=n为某类土地利用的转出强度；Si,out/in表示某类土地利用的转出/入面积；∑Si,out/in表示土地利用类型的转出/转入面积总和。

采用土地利用转变倾向度指数H表征某类土地利用转入/转出倾向其他类土地利用的强度，以转入地类面积占该地类转出总面积的百分比表示，科表示为

(4)

式(4)中：Hi→j为由i类转为j类土地利用的倾向强度，Si→j为由i类转为j类土地利用的面积；∑Si,/non-iin为土地类型i转为其他非i土地类型的总面积。

2 结果与讨论

2.1 土地利用变化率

遥感影像数据解译得到密怀顺研究区2012、2015、2018年的土地利用类型图(图2)，2012年和2015年土地利用类型接近，而2018年和2015年相比明显发生了较大变化(图3)。相比2012年，2015年耕地面积减少16.09 km2(减幅8.2%)，林地面积增加14.92 km2(增幅22.53%)，水域和湿地面积增加0.94 km2(增幅8.13%)，草地面积增加2.97 km2(增幅11.34%)，建设用地面积增加2.79 km2(增幅1.64%)，未利用地面积减少5.52 km2(减幅33.25%)。相比2015年，2018年耕地面积减少84 km2(减幅46.60%)，林地面积增加74.77 km2(增幅92.15%)，水域和湿地面积增加8.46 km2(增幅67.46%)，草地面积增加4.39 km2(增幅15.07%)，建设用地面积减少4.03 km2(减幅2.33%)；未利用地面积增加0.42 km2(增幅3.79%)。可见2012—2018年，密怀顺研究区土地利用发生了剧烈变化，这种变化主要集中在2015年后，因此将2015年后土地利用的空间变化作为重点，利用转移矩阵揭示其内在变化。

图2 2012、2015和2018年密怀顺研究区土地利用类型Fig.2 Land usetypes of Mihuaishun research area in 2012, 2015 and 2018

图3 2012—2018年土地利用变化Fig.3 Land use change from 2012 to 2018

2.2 土地利用变化矩阵

土地利用转移矩阵反映了一个区域在2个时点间土地利用变化的数量结构特征与各用地类型变化的方向，在土地利用变化分析中具有重要意义。基于ArcGIS技术对两期土地利用图进行叠置分析从而获得土地利用转移矩阵，研究两期之间各土地利用类型的转移变化情况，了解研究期初各类型土地的流失去向以及研究期末各类型土地的来源与构成，重点研究密怀顺水源保护区2015—2018年土地利用矩阵详细变化情况(表1)，从宏观、中观、微观三个维度对土地利用进行研究分析，其中宏观指的是土地利用变化率指数，中观指的是土地利用动态变化强度指数，微观指的是土地利用转变倾向度指数，从而全面掌握研究区土地利用转移的内在规律。

2.2.1 稳定性分析

转移矩阵(表1)显示研究区总面积为486.93 km2，2015—2018年有187.07 km2各类用地属性发生变化，299.86 km2的用地属性未发生变化，总体稳定性为61.58%。各用地类型稳定性(图4)从高到低分别为建设用地、林地、水域和湿地、耕地、草地、未利用地，稳定性分别为80.33%、70.93%、70.41%、40.67%、21.88%和15.61%，因此未利用地、草地和耕地发生土地利用属性的转变较为强烈。

图4 2015—2018年土地利用稳定性Fig.4 Land use stability from 2015 to 2018

2.2.2 动态变化强度分析

据研究区2015—2018年土地利用转移矩阵表(表1)，2015—2018年期间研究区土地利用发生动态变化的面积是187.07 km2，占研究区面积的38.42%。

表1 2015—2018年密怀顺研究区土地利用矩阵

从转移矩阵可以看出(表1和图5)研究时段内，土地利用类型净转入的有林地、水域和湿地、草地、未利用地，面积分别为74.76、8.45、4.39、0.42 km2，净转出的有耕地、建设用地，面积分别为84.01、4.03 km2，绝对面积林地和耕地变化最大。转出强度耕地(51.38%)>建设用地(18.118%)>草地(12.16%)>林地(11.31%)>未利用地(5%)>水域和湿地(1.98%)；转入强度林地(51.27%)>建设用地(16.02%)>草地(14.50%)>水域和湿地(6.50%)>耕地(6.48%)>未利用地(5.22%)。草地和未利用地稳定性虽然低，但其绝对面积变化小，并非研究区最为活跃的土地利用类型；林地虽然稳定性高，但其变化绝对面积较大。因此，2015—2018年土地利用变化更为剧烈，主要动态变化特征是耕地的转出和林地的转入。

图5 2015—2018年土地利用转出和转入Fig.5 Land use transfer-out and transfer-in from 2015 to 2018

2.2.3 转变倾向度分析

土地利用转变倾向度可以消除土地利用未发生变化面积对转换面积的影响，能更好地反映土地利用类型之间相互转换的优势信息。耕地的净转出面积最大，林地的净转入面积最大，而水域和湿地的增幅达到67.46%，因此着重研究这三类土地利用属性的内在变化规律。研究区土地利用类型转出/转入倾向度(表2)可得出耕地转出倾向度从高到低依次是林地、建设用地、草地、未利用地、水域和湿地，转出倾向度依次为70.98%、16.83%、9.19%、2.15%和0.85%，耕地属性发生的变化主要转入林地；林地转入倾向度从高到低依次是耕地、建设用地、草地、未利用地、水域和湿地，转入倾向强度依次为71.13%、14.99%、10.27%、2.79%和0.83%，林地新增面积主要来源为耕地；水域和湿地转入倾向度从高到低依次是草地、未利用地、建设用地、耕地和林地，转入倾向度依次是52.72%、24.69%、10.44%、6.72%和5.43%。因此2015—2018年最为活跃的土地属性转变即是耕地属性转入林地属性。

表2 2015—2018年密怀顺研究区土地利用类型转出/转入倾向度

2.3 驱动因素分析

基于转移矩阵的数学思想，在土地利用时空变化中有着得天独厚的优势，区别于传统的土地利用研究方法在宏观层面上对土地利用的变化进行研究，土地利用的转移矩阵可以从宏观、中观、微观3个层次逐层剥丝抽茧，掌握土地利用的内在变化规律。2012—2018年密怀顺水源保护区土地利用格局变化最明显的特征是2015年后变化强度明显高于2015年前，耕地、林地、水域和湿地变化幅度最大；2015年后林地、水域和湿地、草地、未利用地，呈现净转入趋势，耕地、建设用地呈现净转出趋势；最为活跃的土地属性转变即是耕地转入林地。对于区域尺度特征的土地利用变化，国家政策引导会起到关键的作用。2012年7月，《北京市主体功能区规划》公布，明确提出北京市怀柔、密云等5个区为生态涵养发展区，是首都生态屏障和重要水源保护地；2012年8月《北京市林地保护利用规划(2010—2020年)》获市政府批准，同时2012年北京市正式启动平原区百万亩造林工程，一系列政策组合是耕地面积大幅减少，林地面积大幅增加，耕地属性地块转入林地属性地块的内在原因。而2014年底南水北调进京，按照“喝、存、补”的工作要求，除直接供水厂和水库存水外，还将盈余水回补地下和城市河湖，直接或间接影响了北京市水资源分布格局，而密怀顺研究区河道除直接接受南水北调补给外，也有来自己密云水库泄流补给，这是研究区2015年后水域和湿地大幅增加的主要原因。建设用地先增后减是受到2015年初提出的疏解“北京非首都功能”影响，以及属地实施的治理“散乱污”和清理违章建筑等政策所致。可见，密怀顺研究区土地利用变化特点与背后政策驱动力息息相关。

3 结论

(1)2012—2018年密怀顺研究区耕地、未利用地面积呈现减少趋势，林地、水域和湿地、草地面积呈现增长趋势，建设用地先增后减。从变化率情况来看2015年后的变化强度是2015年前的5.24倍。

(2)2015—2018年土地利用类型净转入的有林地、水域和湿地、草地、未利用地，面积分别为74.76、8.45、4.39、0.42 km2，净转出的有耕地、建设用地，面积分别为84.01、4.03 km2，绝对面积林地和耕地变化最大，反映出整个研究时段以耕地的转出和林地的转入为主要动态变化因子。

(3)2015年后耕地转出面积的70.98%转为林地，转入林地面积的71.13%来源于耕地，耕地转为林地的面积是68.23 km2，耕地属性地块转为林地是最主要的流向特征。这一特征与《北京市主体功能区规划》《北京市林地保护利用规划(2010—2020年)》和平原区百万亩造林工程相关。

(4)2015年后密怀顺水源保护区的水域和湿地面积加速扩大，2015—2018年面积增加了8.46 km2，增幅为67.46%，；建设用地面积2012—2015年增加了2.79 km2，2015—2018年面积减少了4.03 km2。

(5)在研究土地利用变化内在规律特点和驱动因素的同时，保护区有约84.13 km2的耕地属性地块未发生变化，受到施用农药化肥的持续影响，对地下水产安全产生威胁；同时也需要关注耕地属性地块转为其他属性地块面积达到96.12 km2，往往在现状调研中掩盖了曾经的耕地属性特征，忽视了耕地属性地块对环境具有累积赋存效应，受降雨入渗影响，对地下水存在潜在风险。因此，在后续的研究中需关注耕地属性地块对地下水环境影响外，还需开展对耕地属性地块转为其它用地属性地块的相关研究，排除一切可能对水源保护区地下水产生影响的因素，全面保障北京市饮用水供水体系安全。