東江流域2001-2013年土地利用/覆被類型變化的時空特征及成因

孫 琳, 唐國平, 竇乙峰, 劉永林, 吳裕珍

(中山大學 水資源與環境系, 廣東 廣州 510275)

人類社會經濟活動和自然環境變化是造成地表土地利用/覆被類型發生變化的主要原因[1]，這種變化不僅改變陸地表層物質循環和生命過程，也影響區域生態環境的質量和資源的可持續利用[1-2]。鑒于土地利用/覆被類型變化在生態環境保護和資源可持續利用方面的重要性，探討其時空變化特征[3-4]、成因以及機理[5]已成為全球環境變化研究的前沿與熱點。

中國“十三五”規劃支持珠江三角洲地區建設開放創新轉型升級新高地，即建設粵港澳大灣區。東江流域是珠三角和香港的重要飲用水源地，也是珠三角可持續發展戰略中重要的一環。流域社會經濟的發展和自然環境的變化不僅改變區域土地利用/覆被類型的結構，也影響流域生態環境的質量和資源的可持續利用[6]。本文旨在利用土地利用/覆被類型遙感影像數據，結合土地利用評價指標和灰色關聯分析，量化東江流域2001—2013年土地利用/覆被類型變化的時空特征和成因，區分人類活動和自然環境變化對流域土地利用/覆被類型變化的貢獻率，進而為優化流域土地利用方式、保護流域生態環境和支持粵港澳大灣區的建設提供有益的信息和科技支撐。

1 研究資料與方法

1.1 研究區概況

東江為珠江水系主要干流之一，發源于江西省尋烏縣椏髻缽，自東北向西南流入廣東省境內，是廣東目前綜合開發利用程度最高的水系[7]。流域面積35 340 km2，干流全長562 km[8]。東江上游位于江西省龍川縣以上的流域范圍，多為低山丘陵地貌，平均縱比降為2.21‰。龍川縣合河壩至觀音閣流域為東江中游，以丘陵和平原地貌為主，平均縱比降為0.31‰。觀音閣至入海口流域為東江下游，以臺地和沖積平原地貌為主，平均縱比降為0.17‰[9]。

東江流域(113°52′—115°52′E，22°38′—25°14′N)屬亞熱帶季風性氣候，雨熱同期，降水主要集中于夏秋兩季，年平均降雨量1 750 mm，年平均氣溫為20.4 ℃[10]。流域內大部分區域植被狀態良好，以常綠闊葉林、草被和人工營造的針葉林為主[11]，森林覆蓋度為68.77%，但流域內土壤侵蝕等生態環境問題嚴重，年平均侵蝕總量高達1.62×109t，土壤侵蝕總面積為2 457.04 km2，占全流域面積的7%[12]。東江流域土壤類型主要為地帶性土壤，赤紅壤主要分布在海拔<300 m的低丘和山腳，紅壤多分布在300～500 m的低山丘陵，黃壤分布在500～900 m的中低山區[13]。東江流域經濟結構和人口分布空間差異明顯，上中游地區人口密度較小，以農耕活動為主，高新技術產業薄弱。下游地區人口密度大，經濟發展迅速，廣州、深圳和東莞等地成為廣東省經濟最為發達的地區。

1.2 數據來源和處理

本文選用2001—2013年MODIS土地覆被類型遙感影像數據(MCD12Q1)馬里蘭大學(UMD格式)分類方案，數據空間分辨率為500 m，質量控制(QC)數據范圍為0～97，說明像元已經進行反演，質量優。本文使用人機交互的方式提取東江流域土地利用/覆被類型遙感數據，參照中國科學院土地利用遙感監測分類體系[14]以及實際樣本資料，將東江流域土地利用/覆被類型劃分為水域、常綠闊葉林、混合林、灌叢、草地、耕地和城鎮用地7類，并統一為WGS84坐標系。選取245個典型特征點野外調查數據，結合廣東省、江西省歷年土地利用專題圖件對影像解譯結果進行驗證，解譯精度高達84.5%。

1.3 土地利用/覆被類型變化評價指標及方法

本文采用土地利用類型變化量、變化率以及土地利用綜合指數3個指標來定量分析2001—2013年東江流域土地利用/覆被類型變化的時空特征。

土地利用/覆被類型類型變化量(UT)表示某土地利用/覆被類型類型相對研究初期面積數量變化的大小，土地利用/覆被類型類型變化率(KT)表示研究末期土地利用/覆被類型類型面積相對研究初期浮動的程度。計算公式為：

UT=Ub-Ua

(1)

(2)

式中：T——研究歷時，通常取年為單位；UT——時間序列T內某種土地利用/覆被類型的面積變化量(km2)；KT——時間序列T內某種土地利用/覆被類型的面積變化率(%)；Ua，Ub——研究期初與研究期末某種土地利用/覆被類型的面積數量(km2)。

土地利用綜合指數(La)表示研究區土地利用實際開發程度的高低，計算方法如下[14]：

(3)

式中：La——區域土地利用綜合指數；n——土地利用/覆被類型總數；Ai——第i種土地利用/覆被類型對應的分級指數(見表1)；Ci——第i類土地利用/覆被類型占研究區總面積的百分比。

表1 土地利用程度分級賦值

此外，本文利用轉移矩陣來量化各土地利用/覆被類型間相互轉化的數量特征以及轉化趨勢，其基本形式如下[15]：

(4)

式中：Sij——研究期內第i類土地利用/覆被類型轉化成第j類土地利用/覆被類型的面積(km2)；n——區域內土地利用/覆被類型的總數。

1.4 分析土地利用/覆被類型變化的驅動力

基于查閱廣東省、江西省各市縣統計年鑒和閱讀文獻獲得的2001—2013年東江流域社會經濟等相關數據，本文定義了4類驅動因子： ①人口(常住人口數)； ②經濟發展水平(地方生產總值、社會消費品零售總額)和結構(農業總產值、林業總產值、規模以上工業總產值)； ③城市化建設程度(農作物播種面積、施工建筑面積)； ④技術革新(農業機械總動力)。基于上述4類因子，本文采用灰色關聯分析法量化各類驅動因子與各土地利用/覆被類型面積變化的關聯度。

灰色關聯分析的基本步驟如下： ①建立參考數列和比較數列。參考數列為各土地利用/覆被類型的面積數據，比較數列為經濟指標(驅動因子)； ②利用均值化變換方法(公式5)對參考數列和比較數列進行歸一化處理； ③計算關聯系數。首先計算歸一化處理后比較數列與參考數列差的絕對值，將差列絕對值的最大值(Δmax)和最小值(Δmin)代入公式(6)求得關聯系數； ④計算和排列關聯度。同一驅動因子不同年份對應的關聯系數平均值即為關聯度。關聯度大的驅動因子即可看成是影響對應土地類型變化的主要因素，反之亦然。

(5)

式中：yi(k)——第i級參考(比較)數列的第k項驅動因子的歸一化數據；xi(k)——第i級參考(比較)數列的第k項驅動因子原數據；m——每項驅動因子對應的數值個數。

(6)

式中：Li(k)——第i級比較數列第k項驅動因子對應的關聯系數； Δmax，Δmin——差列絕對值的最大值和最小值； Δi(k)——第i級比較數列第k項驅動因子的歸一化處理后數值。

2 結果與分析

2.1 東江流域土地利用/覆被類型變化的時空模式

圖1展示了2001—2013年東江流域各土地利用/覆被類型面積的變化趨勢。結果表明，常綠闊葉林和城鎮用地呈現顯著遞增趨勢(p<0.02；圖1a,1f)，灌叢和草地呈現顯著遞減趨勢(p<0.01；圖1c,1d)。混合林和耕地也呈現遞減趨勢，但該趨勢統計上不顯著(p>0.10；圖1b,1e)。

流域內常綠闊葉林在流域內分布最為廣泛，并且隨時間推移，其優勢地位日益凸顯。研究初期，常綠闊葉林主要分布在東江中游的東源市、新豐縣和連平縣，總面積占全流域的33.7%；隨時間推移，其分布范圍以新豐江水庫為中心呈放射狀增長；到研究末期，常綠闊葉林在全流域均有分布，覆被面積高達53.7%，以下游和中游面積增加最明顯。混合林研究初期約占全流域的12.4%，2001—2004年面積急劇下降，2004年后在3個流域變化相對平緩，至研究末期約占總流域面積4.6%，主要分布在東江源區的安遠縣、尋烏縣以及中游的連平縣、和平縣(圖2b)。灌叢與草地的變化類似，草地面積2006年出現短暫的峰值(約占全流域的34.2%)，總體逐年遞減，至2013年下降到19.6%，草地面積遞減主要發生在東江中游和下游(圖2d)。耕地面積在2005年達到峰值，約占全流域面積的20.9%，但2012年減少至13.4%，主要發生在人口密集、地勢平坦的下游流域(圖2e)。城鎮用地面積下游>中游>上游，狀態比較穩定。研究末期在東江下游發生顯著增長(圖2f)，隨著時間推移，這種空間的差異性將呈增大趨勢。

圖1 2001-2013年東江流域各土地利用/覆被類型面積的變化趨勢

2.2 流域各土地利用/覆被類型變化的程度分析

如表2所示，不同土地利用/覆被類型面積變化量可以看出，常綠闊葉林與草地、混合林呈此消彼長關系，上游面積變化量表現為：常綠闊葉林>混合林>草地，中下游面積變化量為：常綠闊葉林>草地>混合林。

流域內灌叢和耕地面積也發生較大變化，耕地面積變化主要發生在下游(詳見圖2e)，灌叢面積變化主要在中下游。城鎮用地面積變化相對穩定，僅下游略有增長。水域面積在中游呈增長趨勢，但在上游和下游遞減。

表2 東江流域2001-2013年土地利用/覆被類型變化情況

從變化率上看，常綠闊葉林在全流域變化率為59.4%，是增長速度最快的類型，增長速率為：上游>下游>中游。灌叢為流域內面積減少最劇烈的類型，變化率高達-63.6%，上、中游近90%的灌叢消失，下游50.7%的灌叢轉化成了其他土地類型。與灌叢變化相似，混合林、草地在上中下游同樣呈現明顯的遞減趨勢(圖2c,2d)，以下游變化最為突出，混合林、草地分別減少75.0%和49.1%。耕地在全流域面積增長了6.8%，變化速率是下游>上游>中游。

流域土地利用程度綜合指數為224.9，維持在中游水平，說明流域開發程度位于發展期，仍具有充裕的上升空間，隨著時間的推移，受珠江三角洲經濟群的輻射影響加強，流域土地開發利用如城市建設活動將更加頻繁。

圖2 2001-2013年東江上中下游各土地利用/覆被類型面積的變化趨勢

2.3 各土地利用/覆被類型之間的轉化關系

如表3所示，研究期間流域內常綠闊葉林面積劇增了59.4%(約6 661.0 km2)，其增加面積主要來源于草地(36.1%)和混合林(18.6%)。混合林轉化量是上游>中游>下游，比例依次為43.1%，32.0%和27.0%，草地轉化量則是下游>中游>上游，比例依次為52.7%，60.1%和64.0%。混合林和草地轉出面積除了大部分轉化成常綠闊葉林外，二者之間的相互轉化以及轉化成耕地的比重也較大。耕地面積的增加主要來自于草地，但由于存在相互轉化，僅517 km2草地完全轉化為耕地。城鎮用地在上、中游向其他類型用地轉化不明顯，僅下游區域面積增長2.2%(28.8 km2)，其中50.4%來自于灌叢，48.7%來源于耕地。灌叢的轉化相對平均，面積減少中的20.7%轉化為常綠闊葉林，15.5%轉化為耕地，14.2%轉化為草地，10.3%轉化為混合林。

表3 2001-2013年東江流域土地利用/覆被類型轉移矩陣 km2

2.4 東江流域土地利用/覆被類型變化的驅動力

圖3分別展示了灰色關聯分析在上中下游地區分析的結果。如圖3所示，東江流域2001—2013年上中下游常綠闊葉林變化主導驅動力差異明顯。上游，常綠闊葉林變化與社會消費品零售總額(0.93)、林業總產值(0.95)以及農業機械化總動力(0.95)等因子高度關聯(圖3a)，經濟發展和技術革新為主要驅動力。

注：人口驅動力包括PRP(常住人口)； 經濟驅動力包括GDP(地方性生產總值)、SCG(社會消費品零售總額)、APV(農業總產值)、FPV(林業總產值)、GPV(規模以上工業總產值)； 城市化發展驅動力包括CPA(農作物播種面積)、BCA(建筑施工面積)； 技術驅動力包括PAM(農業機械化總動力)。

中下游常綠闊葉林變化與各類驅動因子均聯系密切，各驅動力相輔相成，共同影響常綠闊葉林的變化。由于城鎮用地僅在下游發生改變，故僅對下游城鎮用地變化進行灰色關聯分析。下游與城鎮用地關聯度較高的因子為農作物播種面積、畜牧業總產值以及常住人口，關聯度依次為0.97，0.89，0.81(圖3f)，表明城市化建設、技術革新以及人口因素共同促進城鎮用地的轉化。除常綠闊葉林和城鎮用地外，其他土地類型在3個地區內受不同人為驅動力的影響程度基本一致，與常住人口、農作物播種面積以及建筑施工面積呈現顯著關聯的特征(圖3b—3e)，關聯系數平均為0.83，0.85，0.74。總體來說，按關聯度大小排序，影響東江流域土地利用/覆被類型變化的人為驅動力依次為城市化建設、人口增長、技術革新以及經濟發展。

3 討 論

3.1 東江流域土地利用/覆被類型變化的時空差異和原因

東江流域土地利用/覆被類型變化的時空特征與流域自然環境條件密切相關[7]。東江上游90%的面積為山地和丘陵，降水多且集中于夏秋兩季，易引發水土流失、山體滑坡等自然災害。地形和自然災害的易發性限制了上游的土地開發利用。中下游鄰近珠江三角洲，地勢平緩，土地具有較高的可塑性，利于開墾改造，城市化用地呈明顯增加趨勢。自然環境條件的空間分異特征與上游至下游耕地、城鎮用地面積變化的空間分布特征相吻合，如耕地面積比例(10.0%，10.2%和26.3%)與城鎮用地面積比例(0.1%，0.6%和8.6%)的分布為：下游>中游>上游，表明自然環境條件與東江流域土地利用/覆被類型空間分異特征顯著關聯。

另一方面，東江流域土地利用/覆被類型變化的時空特征也反映了人口增加、經濟增長、區域規劃政策等社會因素的影響[7]。上中下游人口和經濟發展程度下游>中游>上游。人口和經濟發展越快，耕地向城鎮用地、草地向耕地轉化程度越顯著，與下游城鎮用地顯著增加，上游耕地減少明顯趨勢相一致，說明人口與經濟發展水平的差異是造成城鎮用地、草地等在不同流域存在明顯空間差異的原因。

此外，政府決策的制定與實施也是造成東江流域土地利用/覆被類型變化具有時空異質性的重要原因。研究前期，上游流域經濟發展水平相對落后，地方財政收入主要來源于礦產資源開采及林業，對林地草地破壞嚴重。為保護東江源區生態環境，2003年江西省通過《關于加強東江源區生態環境保護和建設的決定》，要求加大森林資源管理和培育力度[16]。為改變消耗環境成本的經濟模式，贛州政府提出打造“臍橙基地”的產業定位。從2005年起，上游全面停止采伐天然闊葉樹作為商品材。這種政策的實施與上游常綠闊葉林自2006年后面積逐年遞增直接相關(圖1a)。東江中游在研究初期積極響應國家“十五”計劃，對農業結構進行戰略性調整，提倡大力發展高效生態循環農業和機械現代農業。2005年，東江中游遭遇百年一遇洪澇災害，政府加強森林資源保護，推進東江、韓江水源林及珠江防護林的建設，最終導致林地面積2006年后逐年遞增，耕地面積2005—2011年逐年遞減(圖2e)。東江下游靠近珠江三角洲，自20世紀90年代改革開放以來，廣州的快速發展和深圳特區的迅速崛起帶動惠州、東莞等周邊城市的經濟發展，推動下游城市化建設，這與下游城鎮用地面積在21世紀初明顯增長相呼應(圖2f)。

3.2 東江流域土地利用/覆被類型變化的社會經濟驅動力

3.2.1 人口增長與城市化發展 東江流域鄰近經濟發達的珠江三角洲，其開放的市場環境、多元的文化交流、龐大的人才需求吸引大量的外來人口，常住人口由2001年1 109.1萬人增長至2013年2 214.6萬人，城鎮用地面積由2001年的1 293.8 km2增長至2013年的1 322.5 km2。人口數量的增加和城市化進程的推進，一方面導致糧食和畜牧產品需求壓力增大，為應對不斷增長的需求，增大耕地面積，人們開荒、毀林、毀草造田，草地和灌叢面積持續遞減；另一方面，為滿足日益增長的住房和娛樂服務需求，非農業用地對土地的需求急劇增長，大量耕地轉化為城鎮用地，加快了農業用地的轉化[17]。

3.2.2 技術革新與社會經濟進步 隨著經濟發展、農業機械化水平提高以及城鎮用地的擴張[16]，技術驅動力和經濟驅動力的影響比重逐漸加大。東江流域農作物播種面積由2001年的6.91×105km2減少至2013年的6.78×105km2。為彌補播種面積減少帶來的農作物產量下降，東江流域促進農民合作社的發展和現代化農業科學技術的利用，加強流域土地集約程度，提高耕地單產水平，實現以較少的耕地面積滿足居民的日常需求。東江流域2013年農業總產值較2001年增加了96.4億元，農業機械化總動力高達2.81×1010kWh。在基本生活需求得以滿足的前提下，依靠市場調控、政府引導，東江流域農牧業結構開始優化升級。到2013年，第一、第二產業在地方性經濟中的比重分別減少了6.6%和5.3%，第三產業卻增長了11.8%。這種產業結構的內部調整，促進各流域土地利用/覆被類型開始向其他方向轉化，如農林用地轉為非農用地，這也部分解釋了常綠闊葉林持續增長而耕地逐漸遞減的現象[7]。

3.2.3 政府決策 21世紀初，珠江三角洲已經發展成全國市場化程度最高，市場體系最完備的地區。東江流域受市場經濟體制的影響，現代化進程不斷加快，土地資源逐漸進入市場支配，資產價值日益凸顯。在流域相關土地開發政策及發展規劃的引導下，土地向其他高收益類型發生轉化[18]。為統籌東江流域的開發建設工程及生態環境保護工作，2007年廣東正式成立東江流域管理局，負責流域綜合規劃、工程管理和水土保持等政策的執行與監督。同時，廣東省積極響應國家主體功能區規劃政策，遵循不同國土空間的自然屬性，著力構建“五大戰略格局”。其中，東江下游廣州市、深圳市、惠州市和東莞市實行嚴格的建設用地增量控制[19]，城市發展由外延擴張式轉為以節約集約為主，積極探索城市土地立體化利用模式；中、上游韶關市、河源市及梅州市為北部生態經濟區，嚴格控制開發力度，限制城鎮發展用地和農村居民點用地，對成片耕地進行標準化基本農田保護區建設。這也是為什么常綠闊葉林面積2007年后在上中下游都持續增長，但灌叢、草地和耕地面積卻持續減少，尤其在中、下游變化更明顯。此外，2003年江西省通過《關于加強東江源區生態環境保護和建設的決定》并成立東江源國家級生態功能保護區，對源區進行統籌規劃，先后實施退耕還林、珠江防護林工程等一系列項目。這些生態環境保護和重大建設工程的實施明顯提高了東江流域森林覆蓋的面積，改善了流域生態環境和水資源狀態。

4 結 論

(1) 2001—2013年東江流域土地利用/覆被類型的分布格局變化顯著。土地利用/覆被類型以常綠闊葉林、草地和耕地為主，但隨著時間推移，常綠闊葉林的主導地位日益凸顯，并以新豐江水庫為中心呈放射狀增長。

(2) 研究期內不同土地利用/覆被類型變化差異明顯。水域、耕地和城鎮用地變化輕微，灌叢、混合林和常綠闊葉林面積變化劇烈，變化率均超過50%。盡管如此，由于灌叢、混合林、常綠闊葉林和草地4種類型之間相互轉化頻繁，它們的總面積變化不大。

(3) 土地利用/覆被類型變化的區域差異明顯。上游耕地面積減少顯著，主要向常綠闊葉林和草地轉化；相反，中、下游流域總體表現混合林和草地減少明顯，耕地面積增加，并且伴隨人口增長和城市化水平的提高，耕地面積向城鎮用地轉化幅度逐漸增強。

(4) 人口增長、城市化建設、技術革新和政府決策是造成研究期間內東江流域土地利用/覆被類型發生變化的主要驅動力。但是，各類驅動力并不是孤立地發揮作用，而是相輔相成共同驅使流域內土地利用/覆被類型發生變化。

總體來說，最近10 a多東江流域的土地利用/覆被類型變化有利于流域生態環境和水資源的保護，進而有助于粵港澳大灣區的建設。