1974-2011年白洋淀土地覆蓋時空變化特征

江波肖洋馬文勇歐陽志云

（1 長江水資源保護科學研究所，武漢 430051；2 中國科學院生態環境研究中心 城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085；3 中國科學院地理科學與資源研究所 陸地水循環及地表過程重點實驗室，北京 100101）

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1974-2011年白洋淀土地覆蓋時空變化特征

江波1，2肖洋2馬文勇3歐陽志云2

（1 長江水資源保護科學研究所，武漢 430051；2 中國科學院生態環境研究中心 城市與區域生態國家重點實驗室，北京 100085；3 中國科學院地理科學與資源研究所 陸地水循環及地表過程重點實驗室，北京 100101）

摘 要在野外調查的基礎上，運用遙感和地理信息系統技術對1974年、1979年、1984年、1987年、1989年、1991年、1996年、2001年、2006年和2011年10期遙感影像進行解譯和分析，揭示了白洋淀近37年土地覆蓋動態變化。結果表明：近37年白洋淀土地覆蓋類型變化極為復雜，主要表現為水體、蘆葦地、耕地3種土地覆蓋類型相互轉化。1974-2011年，水體面積從58.01 km2上升到80.07 km2，蘆葦地面積從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、蘆葦地、居民點轉化為其它類型的比例相對較小，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較低的東部和北部地區，水體面積減少主要分布在地勢較高的西南地區。水位變化、入淀徑流量變化、淀區氣候變化、人類活動及管理政策是白洋淀土地覆蓋變化的驅動因子。研究揭示了白洋淀土地覆蓋與人類活動的相互作用關系，對白洋淀土地管理和生態系統服務可持續供給具有重要意義。

關鍵詞白洋淀；土地覆蓋；土地管理；時空變化

在區域尺度上，土地覆蓋變化是影響生態系統服務供給的重要因子（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構和組成，也有利于確定不同時空尺度上土地覆蓋與人類活動的相互作用關系，為土地管理提供重要依據。

白洋淀是華北平原最大的淡水濕地，對維持河北省、北京市、天津市等區域的生態平衡具有重要作用。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利用、土地管理政策中始終處于劣勢地位。受多重因素影響，白洋淀土地覆蓋變化極為復雜，濕地大面積萎縮、生態功能急劇退化，嚴重影響了白洋淀生態系統服務可持續供給能力。本文選取整個白洋淀為研究對象，利用遙感和地理信息系統技術分析了白洋淀近37年土地覆蓋動態變化，并結合水位、氣象和社會經濟數據，分析了白洋淀土地覆蓋變化的主要驅動力，旨在為白洋淀土地管理和生態系統服務可持續供給提供重要依據。

1 研究區概況

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個淀泊和3 700多條溝壕組成，是華北地區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，多年平均蒸發量為1 637 mm。因其地處暖溫帶大陸季風氣候區，白洋淀降水的年內和年際差異很大，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Landsat 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地形圖與相應時期的遙感影像進行幾何精校正，校正后的影像重采樣為30 m×30 m，將投影統一，最后按照濕地邊界裁剪影像。通過相關性分析進行波段選擇，選擇波段4、3、2并配以紅（R） 綠（G）藍（B）3種顏色生成假彩色合成圖，進行下一步處理。根據對研究區的先驗知識，選取應用最為廣泛的歸一化植被指數 （NDVI） 來表達研究區植被信息，對影像進行銳化處理 （HSV銳化、PC銳化）。在原有波段的基礎上再結合NDVI波段和實際考察點，采用監督分類和目視解譯相結合的方法，將影像分類為耕地、居民點、林地、水體、水生植被、蘆葦地、干草地和裸地8種類型，并采用3×3移動窗口聚類法消除結果中的斑點。分類精度評價結果表明，1974、1979、1984、1987、1989、1991、1996、2001、2006和2011年解譯結果的 Kappa系數分別為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，基于分類結果，計算不同時段土地覆蓋類型轉移矩陣。

3 結果與分析

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、蘆葦地、水生植被） 一直保持在45%以上。從白洋淀1974-2011年10個時期的土地覆蓋類型分布圖看 （圖1），白洋淀水體、蘆葦地和耕地3種土地覆蓋類型相互轉換，變化過程極為復雜。1974-2011年，白洋淀濕地面積經歷了先減小，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%）； 蘆葦地面積從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，居民點面積一直穩步增加，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）。除居民點面積在整個時間序列上呈穩步的增加趨勢外，其它土地覆蓋類型在不同的時間段表現出不一樣的變化趨勢。

3.2 白洋淀1974-2011年土地覆蓋類型轉移

不同時期土地覆蓋類型的主要轉變方向不同，土地覆蓋類型轉化率變化極為復雜。1974-2011年，林地、水生植被、干草地、裸地轉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、蘆葦地轉化為其它類型的比例分別為39.25%、34.46%和53.74%。而居民點轉化為其它土地覆蓋類型的比例相對較小，僅為18.15%。1974-2011年，各土地覆蓋類型的轉移特征一方面與各土地覆蓋類型占總面積的比例有關，另一方面與自然和人類活動等驅動因素有關。受氣候干旱、人類活動及政策干擾等多方面因素驅動，白洋淀土地覆蓋轉移特征在不同時段存在較大差異。

3.3 白洋淀1974-2011年土地覆蓋類型空間轉移特征

對白洋淀1974-2011年土地覆蓋類型空間轉移特征進行分析發現，耕地面積增加發生地主要分布在地勢較高的西北和西南部地區，由林地、裸地和干草地轉化而來，而耕地減少的發生地主要分布在地勢較低的北部地區，主要轉化為水體和居民點。居民點面積增加的發生地主要分布在東部地區，由耕地和林地轉化而來。林地面積減少的發生地主要分布在東部、西南和西北地區。水體面積增加的發生地主要分布在地勢較低的東部和北部地區，水體面積減少的發生地主要分布在地勢較高的西南地區，主要轉化為耕地 （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移矩陣

3.4 白洋淀濕地變化驅動力

3.4.1 水位變化對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相關分析結果表明，在水位變化的驅動下，水體面積和濕地總面積發生顯著變化 （p＜0.05），但水位和耕地面積、蘆葦地面積之間并沒有顯著的直線相關關系 （p＞0.05）。

3.4.2 入淀徑流量對白洋淀濕地的影響 入淀徑流量是白洋淀流域氣候變化和社會經濟發展的綜合反映。近年來，在流域氣候變化、大規模水利工程建設、人口增加、農業發展等多重因素驅動下，白洋淀入淀徑流量不斷減少，對白洋淀濕地產生了一定的影響（莊長偉，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致白洋淀干淀（白軍紅等，2013），對白洋淀濕地變化產生了很大影響。

3.4.3 白洋淀淀區氣候變化對白洋淀濕地的影響 過去40多年白洋淀淀區降水量呈波動的減少趨勢，20世紀80年代降水量急劇減少，蒸發量增加（梁寶成等，2007），加劇了白洋淀濕地干淀。降水和蒸發是白洋淀水文循環的主要因子，降水補給的減少、增發量的增加會對白洋淀濕地產生較大影響（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移特征

3.4.4 人類活動及政策的影響 1974-2011年安新縣總人口數量的迅速增加和旅游業的快速發展，加大了對地下水資源的開發和利用，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，農業開墾及大面積種植蘆葦地對白洋淀濕地也產生了較大影響。

4 結論與討論

（1） 1974-2011年，白洋淀濕地面積經歷了先減小，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個時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雜，主要表現為水體、蘆葦地、耕地3種土地覆蓋類型相互轉化。

（2） 不同時期土地覆蓋類型的主要轉化方向不同，土地覆蓋類型轉化率變化極為復雜。1974-2011年，耕地、水體、蘆葦地、居民點轉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%。水體面積增加的發生地主要分布在地勢較低的東部和北部地區，水體面積減少的發生地主要分布在地勢較高的西南地區。

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

參考文獻

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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

基金項目：國家林業公益性行業科研專項（201204201） 資助

作者簡介：江波（1985-），男，博士，主要從事濕地生態系統服務評價研究。E-mail： jbshuibao415a@126.com通訊作者：歐陽志云（1962-），男，研究員，主要從事生態評價與生態規劃研究。E-mail：zyouyang@rcees.ac.cn