江波肖洋馬文勇歐陽(yáng)志云

（1 長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，武漢 430051；2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085；3 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

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1974-2011年白洋淀土地覆蓋時(shí)空變化特征

江波1，2肖洋2馬文勇3歐陽(yáng)志云2

（1 長(zhǎng)江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，武漢 430051；2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085；3 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

摘 要在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，運(yùn)用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)對(duì)1974年、1979年、1984年、1987年、1989年、1991年、1996年、2001年、2006年和2011年10期遙感影像進(jìn)行解譯和分析，揭示了白洋淀近37年土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明：近37年白洋淀土地覆蓋類型變化極為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為水體、蘆葦?shù)?、耕?種土地覆蓋類型相互轉(zhuǎn)化。1974-2011年，水體面積從58.01 km2上升到80.07 km2，蘆葦?shù)孛娣e從104.94 km2下降到72.95 km2，水生植被從14.02 km2下降到4.27 km2。 1974-2011年，耕地、水體、蘆葦?shù)?、居民點(diǎn)轉(zhuǎn)化為其它類型的比例相對(duì)較小，分別為39.25%、34.46%、53.74% 和 18.15%。水體面積增加主要分布在地勢(shì)較低的東部和北部地區(qū)，水體面積減少主要分布在地勢(shì)較高的西南地區(qū)。水位變化、入淀徑流量變化、淀區(qū)氣候變化、人類活動(dòng)及管理政策是白洋淀土地覆蓋變化的驅(qū)動(dòng)因子。研究揭示了白洋淀土地覆蓋與人類活動(dòng)的相互作用關(guān)系，對(duì)白洋淀土地管理和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)供給具有重要意義。

關(guān)鍵詞白洋淀；土地覆蓋；土地管理；時(shí)空變化

在區(qū)域尺度上，土地覆蓋變化是影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的重要因子（Ceschia et al，2010；Fürst et al，2011；Otieno et al，2011）。開展土地覆蓋變化研究不僅可以定量化景觀的空間結(jié)構(gòu)和組成，也有利于確定不同時(shí)空尺度上土地覆蓋與人類活動(dòng)的相互作用關(guān)系，為土地管理提供重要依據(jù)。

白洋淀是華北平原最大的淡水濕地，對(duì)維持河北省、北京市、天津市等區(qū)域的生態(tài)平衡具有重要作用。由于濕地資源存在公共性和外部性問題，白洋淀濕地在流域水資源開發(fā)利用、土地管理政策中始終處于劣勢(shì)地位。受多重因素影響，白洋淀土地覆蓋變化極為復(fù)雜，濕地大面積萎縮、生態(tài)功能急劇退化，嚴(yán)重影響了白洋淀生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)供給能力。本文選取整個(gè)白洋淀為研究對(duì)象，利用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)分析了白洋淀近37年土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化，并結(jié)合水位、氣象和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，分析了白洋淀土地覆蓋變化的主要驅(qū)動(dòng)力，旨在為白洋淀土地管理和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)供給提供重要依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

白洋淀地處華北平原中部（115° 45'～116°06' E，38°44'～38°59' N），海河流域大清河水系中游。白洋淀地貌景觀以水體為主，淀底西高東低，海拔5.5～6.5 m，由143個(gè)淀泊和3 700多條溝壕組成，是華北地區(qū)最典型和代表型的湖泊和草本沼澤型濕地（劉芳等，2004；李英華等，2004）。白洋淀多年平均氣溫7～12℃，多年平均降水量550 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 637 mm。因其地處暖溫帶大陸季風(fēng)氣候區(qū)，白洋淀降水的年內(nèi)和年際差異很大，80%的降水量主要集中在7-9月（張趕年等，2013）。

2 研究方法

本研究使用的遙感影像為L(zhǎng)andsat MSS （1974和1979年）和Landsat TM/ETM （1984、1987、1989、1991、1996、2001、2006和2011年）。使用1∶5 0 000地形圖與相應(yīng)時(shí)期的遙感影像進(jìn)行幾何精校正，校正后的影像重采樣為30 m×30 m，將投影統(tǒng)一，最后按照濕地邊界裁剪影像。通過相關(guān)性分析進(jìn)行波段選擇，選擇波段4、3、2并配以紅（R） 綠（G）藍(lán)（B）3種顏色生成假彩色合成圖，進(jìn)行下一步處理。根據(jù)對(duì)研究區(qū)的先驗(yàn)知識(shí)，選取應(yīng)用最為廣泛的歸一化植被指數(shù) （NDVI） 來表達(dá)研究區(qū)植被信息，對(duì)影像進(jìn)行銳化處理 （HSV銳化、PC銳化）。在原有波段的基礎(chǔ)上再結(jié)合NDVI波段和實(shí)際考察點(diǎn)，采用監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法，將影像分類為耕地、居民點(diǎn)、林地、水體、水生植被、蘆葦?shù)?、干草地和裸?種類型，并采用3×3移動(dòng)窗口聚類法消除結(jié)果中的斑點(diǎn)。分類精度評(píng)價(jià)結(jié)果表明，1974、1979、1984、1987、1989、1991、1996、2001、2006和2011年解譯結(jié)果的 Kappa系數(shù)分別為0.86、0.82、0.80、0.87、0.85、0.92、0.88、0.80、0.90和0.91，均滿足分類精度要求。借助ENVI軟件，基于分類結(jié)果，計(jì)算不同時(shí)段土地覆蓋類型轉(zhuǎn)移矩陣。

3 結(jié)果與分析

3.1 白洋淀土地覆蓋類型變化

圖1　白洋淀1974-2011年土地覆蓋類型分布

白洋淀濕地分布較為廣泛，除1983-1988年5年干淀期以外，白洋淀濕地面積占總土地覆蓋面積的比例 （包括水體、蘆葦?shù)?、水生植被?一直保持在45%以上。從白洋淀1974-2011年10個(gè)時(shí)期的土地覆蓋類型分布圖看 （圖1），白洋淀水體、蘆葦?shù)睾透?種土地覆蓋類型相互轉(zhuǎn)換，變化過程極為復(fù)雜。1974-2011年，白洋淀濕地面積經(jīng)歷了先減小，后增加，再減少的變化過程，濕地面積從176.97 km2下降到157.29 km2。水體面積從58.01 km2（18.02%）上升到80.07 km2（24.88%），增加了22.06 km2（38.03%）； 蘆葦?shù)孛娣e從104.94 km2（32.60%）下降到72.95 km2（22.67%），下降了31.99 km2（30.48%）。37年間，白洋淀耕地面積從69.14 km2（21.48%） 上升到127.68 km2（39.67%），增加了58.54 km2（84.67%）。37年間，居民點(diǎn)面積一直穩(wěn)步增加，從1.51 km2（0.47%） 上升到18.23 km2（5.66%），增加了近11倍 （表1和表2）。除居民點(diǎn)面積在整個(gè)時(shí)間序列上呈穩(wěn)步的增加趨勢(shì)外，其它土地覆蓋類型在不同的時(shí)間段表現(xiàn)出不一樣的變化趨勢(shì)。

3.2 白洋淀1974-2011年土地覆蓋類型轉(zhuǎn)移

不同時(shí)期土地覆蓋類型的主要轉(zhuǎn)變方向不同，土地覆蓋類型轉(zhuǎn)化率變化極為復(fù)雜。1974-2011年，林地、水生植被、干草地、裸地轉(zhuǎn)化為其它土地覆蓋類型的比例很大，分別為95.18%、96.82%、98.58%、99.72%。耕地、水體、蘆葦?shù)剞D(zhuǎn)化為其它類型的比例分別為39.25%、34.46%和53.74%。而居民點(diǎn)轉(zhuǎn)化為其它土地覆蓋類型的比例相對(duì)較小，僅為18.15%。1974-2011年，各土地覆蓋類型的轉(zhuǎn)移特征一方面與各土地覆蓋類型占總面積的比例有關(guān)，另一方面與自然和人類活動(dòng)等驅(qū)動(dòng)因素有關(guān)。受氣候干旱、人類活動(dòng)及政策干擾等多方面因素驅(qū)動(dòng)，白洋淀土地覆蓋轉(zhuǎn)移特征在不同時(shí)段存在較大差異。

3.3 白洋淀1974-2011年土地覆蓋類型空間轉(zhuǎn)移特征

對(duì)白洋淀1974-2011年土地覆蓋類型空間轉(zhuǎn)移特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，耕地面積增加發(fā)生地主要分布在地勢(shì)較高的西北和西南部地區(qū)，由林地、裸地和干草地轉(zhuǎn)化而來，而耕地減少的發(fā)生地主要分布在地勢(shì)較低的北部地區(qū)，主要轉(zhuǎn)化為水體和居民點(diǎn)。居民點(diǎn)面積增加的發(fā)生地主要分布在東部地區(qū)，由耕地和林地轉(zhuǎn)化而來。林地面積減少的發(fā)生地主要分布在東部、西南和西北地區(qū)。水體面積增加的發(fā)生地主要分布在地勢(shì)較低的東部和北部地區(qū)，水體面積減少的發(fā)生地主要分布在地勢(shì)較高的西南地區(qū)，主要轉(zhuǎn)化為耕地 （圖2）。

表1　1974-2011白洋淀土地覆蓋類型面積變化 km2

表2　1974-2011白洋淀土地覆蓋類型面積比例變化 %

表3　1974-2011白洋淀土地覆蓋類型轉(zhuǎn)移矩陣

3.4 白洋淀濕地變化驅(qū)動(dòng)力

3.4.1 水位變化對(duì)白洋淀濕地變化的影響 水位變化是影響白洋淀濕地的直接因素。Pearson相關(guān)分析結(jié)果表明，在水位變化的驅(qū)動(dòng)下，水體面積和濕地總面積發(fā)生顯著變化 （p＜0.05），但水位和耕地面積、蘆葦?shù)孛娣e之間并沒有顯著的直線相關(guān)關(guān)系 （p＞0.05）。

3.4.2 入淀徑流量對(duì)白洋淀濕地的影響 入淀徑流量是白洋淀流域氣候變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的綜合反映。近年來，在流域氣候變化、大規(guī)模水利工程建設(shè)、人口增加、農(nóng)業(yè)發(fā)展等多重因素驅(qū)動(dòng)下，白洋淀入淀徑流量不斷減少，對(duì)白洋淀濕地產(chǎn)生了一定的影響（莊長(zhǎng)偉，2010； Zhuang et al，2011）。尤其是1983-1988年5年間天然入淀徑流急劇下降導(dǎo)致白洋淀干淀（白軍紅等，2013），對(duì)白洋淀濕地變化產(chǎn)生了很大影響。

3.4.3 白洋淀淀區(qū)氣候變化對(duì)白洋淀濕地的影響 過去40多年白洋淀淀區(qū)降水量呈波動(dòng)的減少趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代降水量急劇減少，蒸發(fā)量增加（梁寶成等，2007），加劇了白洋淀濕地干淀。降水和蒸發(fā)是白洋淀水文循環(huán)的主要因子，降水補(bǔ)給的減少、增發(fā)量的增加會(huì)對(duì)白洋淀濕地產(chǎn)生較大影響（Zhuang et al，2011；李英華等，2004）。

圖2　1974-2011年白洋淀土地覆蓋類型空間轉(zhuǎn)移特征

3.4.4 人類活動(dòng)及政策的影響 1974-2011年安新縣總?cè)丝跀?shù)量的迅速增加和旅游業(yè)的快速發(fā)展，加大了對(duì)地下水資源的開發(fā)和利用，安新地下水埋深不斷增加（劉春蘭等，2007），加劇了白洋淀水資源的短缺。此外，農(nóng)業(yè)開墾及大面積種植蘆葦?shù)貙?duì)白洋淀濕地也產(chǎn)生了較大影響。

4 結(jié)論與討論

（1） 1974-2011年，白洋淀濕地面積經(jīng)歷了先減小，后增加，再減少的變化過程，濕地面積從176.97 km2下降到157.29 km2。從白洋淀1974-2011年10個(gè)時(shí)期的土地覆蓋類型分布圖看，白洋淀土地覆蓋類型變化極為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為水體、蘆葦?shù)?、耕?種土地覆蓋類型相互轉(zhuǎn)化。

（2） 不同時(shí)期土地覆蓋類型的主要轉(zhuǎn)化方向不同，土地覆蓋類型轉(zhuǎn)化率變化極為復(fù)雜。1974-2011年，耕地、水體、蘆葦?shù)?、居民點(diǎn)轉(zhuǎn)化為其它土地覆蓋類型的比例分別為39.25%、34.46%、53.74%和18.15%。水體面積增加的發(fā)生地主要分布在地勢(shì)較低的東部和北部地區(qū)，水體面積減少的發(fā)生地主要分布在地勢(shì)較高的西南地區(qū)。

（3） 水位變化、入淀徑流量變化、淀區(qū)氣候變化、人類活動(dòng)及管理政策是白洋淀土地覆蓋變化的驅(qū)動(dòng)因子。

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Spatiotemporal Characteristics of the Land Cover Change in Baiyangdian Lake from 1974 to 2011

JIANG Bo1，2XIAO Yang2MA Wen-Yong3OUYANG Zhi-Yun2
（1 Changjiang Water Resources Protection Institute， Wuhan 430051； 2 State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology， Research Center for Eco-Environmental Sciences， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100085 ； 3 Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes， CAS， Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100101）

AbstractBased on field investigations， an analysis was conducted using RS and GIS technologies on the RS images of Baiyangdian Lake taken respectively in 1974， 1979， 1984， 1987， 1989， 1991， 1996，2001， 2006， and 2011 in order to reveal the spatial and temporal characteristics of land cover change during the last 37 years. Results showed that the complicated variation of the land cover types in Baiyangdian from 1974 to 2011 can be mainly contributed to the reciprocal transformation among cropland， reed land， and water body. From 1974 to 2011， water area increased from 58.01 km2to 80.07 km2，reed land area decreased from 104.94 km2to 72.95 km2， aquatic vegetation area decreased from 14.02 km2to 4.27 km2. Ratios of cropland， water body， reed land， and residential area converted to other types were relatively small， respectively 39.25%， 34.46%， 53.74% and 18.15%. The increase of water body mainly occurred in lower locations in the north and east parts of Baiyangdian Lake， and the decrease of water body mainly occurred in higher locations in the southwest parts of the lake. Reed land was mainly converted to water body and cropland. Water level changes， local climate change， inflow variation，human activities and management policies were the main drivers of Baiyangdian land cover changes. Interactions between human activities and land cover changes revealed by the study are of vital importance to land management and sustainable delivery of ecosystem services.

Key wordsBaiyangdian； Land cover； Land management；Spatiotemporal change

doi:10.3969/j.issn.1673-3290.2016.01.09

收稿日期：2015-05-11

基金項(xiàng)目：國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201204201） 資助

作者簡(jiǎn)介：江波（1985-），男，博士，主要從事濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)研究。E-mail： jbshuibao415a@126.com通訊作者：歐陽(yáng)志云（1962-），男，研究員，主要從事生態(tài)評(píng)價(jià)與生態(tài)規(guī)劃研究。E-mail：zyouyang@rcees.ac.cn