1990-2015年烏蘇里江流域土地覆被變化

康乾坤,于 皓,王宗明,張 柏,任春穎,毛德華

(1.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083;2.中國科學院 東北地理與農業生態研究所 濕地生態與環境重點實驗室,吉林 長春 130102;3.吉林建筑大學 測繪與勘查工程學院,吉林 長春 130118)

土地覆被是人類活動因素與自然環境耦合作用下形成的土地資源空間格局[1]。土地覆被變化是全球環境變化研究中的重要組成部分，是直觀表達人類活動及自然環境變化等對地表系統動態影響的度量[2]。準確而高效的描述土地覆被變化的過程是土地資源管理與規劃的基礎[3]。不同國家和地區受到自然環境及當地經濟政策等綜合因素影響，其土地覆被類型的分布和時空變化特征呈現明顯的差異性，特別是在跨境區[4]。烏蘇里江流域橫跨中俄兩國，西側位于中國境內，東側位于俄羅斯境內；該流域具有獨特的自然地理環境、豐富多樣的物種和自然資源[5]。近年來，隨著全球規模的人口增長、氣候變化、以及自然災害的頻發等種種因素，烏蘇里江流域的生態系統也受到一定程度的影響，生態系統功能在逐漸的弱化[6]。國內外學者[7-9]在土地覆被變化方面已經進行了大量研究，但在烏蘇里江流域的土地覆被變化分析較少。吳運軍等人[10]對烏蘇里江流域中國境內部分水土流失效應進行分析，結果表明研究區內土地利用結構變化發展不利于水土保持，研究區承受水土流失加劇的危險。滿衛東等人[11]利用面向對象遙感影像分類方法對烏蘇里江流域中國境內濕地景觀動態進行研究分析，結果表明天然濕地正在逐漸減少、人工濕地不斷集中化。張曉紅等人[12]對烏蘇里江水文地理研究情況展開綜述研究分析，概括了烏蘇里江水文地理的主要概況。目前僅有的研究主要針對烏蘇里江流域內部的單一的土地覆被類型進行研究和分析，缺少對該區土地覆被整體現狀描述及其時空變化特征的整體分析，尤其是烏蘇里江流域內中—俄兩國的對比分析。因此，本研究以Landsat TM/OLI遙感影像為數據源，采用基于面向對象的遙感影像分類手段和動態監測方法，獲取烏蘇里江流域1990和2015年的土地覆被分布信息，實現對中俄跨境區域土地覆被變化特征的對比分析，探索土地覆被變化的主要原因，旨在為烏蘇里江流域人地關系研究和土地資源管理提供參考，為中俄兩國土地資源可持續利用和生態環境保護奠定基礎，同時為中國東北邊境地區的相關研究提供基礎數據和科學依據。

1 研究區概況

烏蘇里江是中國與俄羅斯兩國的界江，同時也是中國東北地區黑龍江南岸的支流，地處北緯43°24′—48°54′，東經129°48′—138°6′[12]。烏蘇里江西側位于中國境內，主要包括黑龍江省的佳木斯市、雙鴨山市、雞西市以及七臺河市等地區；東側為俄羅斯領土，流經哈巴羅夫斯克邊疆區和濱海邊疆區。烏蘇里江干流河道位于中國的完達山脈和俄羅斯錫霍特山脈之間的寬闊河谷中，河道寬度100～300 m，彎曲系數約為1.13，坡降系數為0.06%～0.02%。絕大部分的河段位于低緩的平原，上中游為河谷谷地，下游多為洼地及沼澤濕地。烏蘇里江905 km的全長中，由松阿察河河口至匯入黑龍江口處為492 km，此部分為中俄兩國的界河，其余413 km則位于俄羅斯境內。烏蘇里江全長整體流域面積1.96×105km2。流域內年均氣溫約為3.9 ℃，年均降水520 mm左右[13]。

2 研究方法與數據來源

2.1 數據來源與預處理

本研究以1990年和2015年夏季覆蓋流域全境、質量良好的Landsat TM/OLI遙感影像為基礎源數據(http:∥glovis.usgs/gov)；2009年度空間分辨率為300 m的GlobCover土地覆被柵格數據為分類參考數據(歐空局GlobCover全球陸地覆蓋數據，http:∥glbalchage.nsdc.cn)；輔助數據為空間分辨率為30 m的數字高程模型〔ASTER-GDEM(v.2)，http:∥www.gscloud.cn/〕。氣象數據是由中科院所提供的1990—2015年1 km分辨率柵格影像。研究區中國境內地區的經濟、人口、農業等數據均取自黑龍江省1990—2016年的統計年鑒；俄羅斯境內相關數據取自世界銀行數據平臺(https:∥data.worldbank.org.cn/)和1990—2016年俄羅斯統計年鑒。數據預處理主要包括：對研究區遙感影像進行幾何糾正、大氣校正、輻射定標、圖幅拼接和分幅等處理。對難以判別的地物進行圖幅的增強處理，加強土地覆被目標類型的影響辨識度。

2.2 土地覆被信息提取方法及精度驗證

本研究依據東北亞地區土地資源的空間分布特征，參考國內外相關的土地覆被遙感分類體系[14-18]，對烏蘇里江流域建立土地覆被遙感分類規則集，主要包括：林地、草地、濕地、水體、火燒痕跡、裸土地、永久冰雪、農田和人工表面共計9個土地覆被類型。根據不同土地覆被類型的遙感影像特征、結合實地調查采樣點信息、地形相關因子等輔助決策信息，采用波段反射率；NDVI，RVI，SAVI，LAVI等植被指數；NDWI，mNDWI等水體指數；以及形狀、紋理等光譜特征，構建基于Landsat TM/OLI影像的土地覆被遙感分類規則集，主要土地覆被類型分類規則集如圖1所示，其中火燒痕跡、永久冰雪這兩類信息一般最后進行提取，并結合目視解譯的方法修改，最后將所有的分類信息整合，同時通過目視解譯的方法完善分類結果。

圖1 烏蘇里江流域主要土地被覆類型遙感分類規則集

本研究采用基于面向對象的多尺度分割方法[19]，對研究區1990和2015年的遙感影像進行圖像分割提取。面向對象分類方法改善了傳統基于像元分類方法的局限性，以相鄰的同質像元集合為處理單元，有效的避免了基于像元方法所產生的“椒鹽現象”，有利于實現較高精度的圖像分類和目標地物信息提取[20-21]。采用德國Definiens Imaging公司所研發的eCognition 8.64軟件對遙感影像及相關參考輔助數據進行面向對象的多尺度分割處理，通過測試和對比分析，確定圖像的分割尺度、波段權重完成圖像對象分割。結合多源輔助信息，運用分層分類、多時相輔助，變化檢測的方法完成烏蘇里江流域遙感影像的信息提取。依據分割對象的植被指數、水體指數、光譜特征、紋理形狀、地形特征等參量進行不斷調試并最終確定分類閾值。分類閾值的確立以農田覆被類型為例(見圖2)，最終完成土地覆被信息的提取。

圖2 農田覆被類型信息提取分類樹

本研究利用Google Earth平臺的高分辨率衛星影像選取覆被類型驗證點的形式，對烏蘇里江流域的分類結果進行驗證。其中Google Earth平臺上，采用835個均勻選點的形式獲取驗證點數據。在研究區內1990年驗證點共計361個，2015年驗證點474個。驗證結果表明，兩期影像土地覆被分類總體精度分別為93.5%和94.67%，kappa系數分別為0.89和0.92，總體分類精度滿足本次研究需求。

2.3 土地覆被變化監測分析方法

土地覆被類型變化的差異可以通過土地覆被類型轉出率和轉入率來集中體現[22]，即對于某一單一土地覆被類型X：

(1)

(2)

式中：ΔXin為后一時刻(t2)條件下，其他土地覆被類型轉為該土地覆被類型的總面積數；ΔXout為前一時刻(t1)條件下，該土地覆被類型轉為其他土地覆被類型的總面積數；Xi(t1)為t1時刻第i項土地覆被類型的總面積。該模型主要針對于單一土地覆被類型的總體變化格局的度量。

利用土地覆被變化轉移矩陣可以具體、精確地反映出土地覆被變化的動態特征[20]。其主要表達在具體的時間間隔中，土地覆被變化的定量表述，其數學表達式為：

(3)

式中：S為某時間間隔內的土地覆被轉移矩陣；Sij為該時間間隔內由土地覆被類型i轉化為類型j的具體定量表達；n為土地覆被的類型數。

3 結果分析

3.1 烏蘇里江流域土地覆被現狀及動態變化

本研究對烏蘇里江流域1990，2015年的兩期Landsat衛星影像進行遙感解譯、處理后，得到烏蘇里江流域土地覆被類型空間分布圖(見封3，附圖6)，各個土地覆被類型面積統計特征詳見表1。2015年烏蘇里江流域最主要的土地覆被類型為林地，總面積1.18×105km2，占流域總面積的59.85%，主要分布于烏蘇里江東側地區；第二大土地覆被類型為農田，總面積3.91×104km2，占比19.55%，農田主要分布于烏蘇里江干流的西側以及興凱湖周邊地區；濕地總面積為2.28×105km2，占比11.64%，主要集中分布于中俄邊界以東地區以及興凱湖東側地區；水體面積6 253.27 km2，占比3.18%，主要集中于興凱湖地區；人工表面積、裸土地、永久積雪等土地覆被類型在流域內相對較少，占比均不超過2%。依據烏蘇里江流域1990—2015年的土地覆被類型面積變化以及其變化幅度，可以看出，農田是流域內變化幅度最大的覆被類型，面積呈顯著增長趨勢(+6 089.69 km2)，增長率18.40%。農田的變化區域主要分布于流域西北部、西部、以及中部中俄邊界西側等地區；水體和人工表面也呈現增趨勢(281.24，159.2 km2)，增長率為4.74%和6.3%。以上3種覆被類型26 a間呈現增長趨勢，濕地、草地、林地等覆被類型呈現出不同程度的面積削減，其中以濕地最為嚴重，同1990年相比面積減少5 683.51 km2，減少率為19.91%。林地和草地變化幅度相對較小，減少率分別為0.71%和0.39%。火燒痕跡由于2015年未監測出其存在，減少比例為100%。

表1 烏蘇里江流域1990和2015年土地覆被類型面積統計結果

3.2 烏蘇里江流域中國境內區域土地覆被動態變化

烏蘇里江流域中位于中國境內的區域總面積6.11×104km2，約占流域總面積的1/3。通過對分類結果的分析，農田是該區域最主要的土地覆被變化類型，其次為林地和濕地。其余土地覆被類型轉入轉出率均在5%以下。具體的面積統計及土地覆被類型轉化數據詳見表2—3。對比表2中各土地覆被類型的類型間轉移矩陣可以看出，1990—2015年流域中國境內面積增加的土地覆被類型依次為：農田、水體和人工表面，農田是面積增長最大的覆被類型(+6 089.59 km2)，增長率22.45%；水體增加14.38%(+290.17 km2)，人工表面有所增長(+145.03 km2)，增長率12.4%。流域中國境內面積減少的土地覆被類型為：濕地、林地、草地和裸土地，濕地是面積減小最顯著的土地覆被類型(-5 685.28 km2)，減少率為56.40%；其次為林地(-720.22 km2)，減少比例為3.51%；草地面積減少較小(-116.82 km2)，但相對于草地總體減少比例較高，為55.88%；裸土地的變化面積最小(-2.48 km2)，但同樣變化幅度較大，減少率53.6%。

表2 烏蘇里江流域中國境內區域1990-2015年土地覆被類型間轉化面積 km2

對比表3中轉入轉出率數據，濕地的減少主要轉化為農田(-5 416.77 km2)，占區域內濕地總體面積的53.74%，產生變化的區域多集中在流域的北部地區(撫遠、密山、雞東及寶清等地)。林地的削減也主要轉化為農田(-1 206.2 km2)，轉出率5.89%，但同時，26.87%的草地轉化為林地；水體有所增加，主要來源為濕地的轉化(+245.46 km2)。流域中國境內，各類型間存在交替變化，既有轉出又有轉入，土地覆被變化作用較為廣泛。

表3 烏蘇里江流域中國境內區域1990-2015年各土地覆被類型變化率轉移矩陣 %

3.3 烏蘇里江流域俄羅斯境內區域土地覆被動態變化

烏蘇里江流域總面積的2/3位于俄羅斯境內，總面積1.35×105km2，依據遙感分類結果對比分析，與中國境內地區農田占比近半數的情況不同，俄羅斯境內最主要的土地覆被類型為林地，總面積為9.78×104km2，約占流域俄羅斯境內區域總面積的72%，在區域內均勻分布，占主導地位。濕地是第二大土地覆被類型，總面積1.85×104km2，占區域總面積的13.65%，濕地集中分布于興凱湖地區以及中—俄邊境東側的東南部地區，其他區域也有零散分布。其余的土地覆被類型面積較小，流域總面積占比均不足5%，依所占比例大小依次為草地、農田、水體、裸土地、人工表面及永久冰雪。在2015年影像監測中亦未見有火燒痕跡覆被類型的出現，其具體數據見表4。烏蘇里江流域俄羅斯境內區域各個土地覆被類型變化均不明顯，去除2015年影像監測中未見有的火燒痕跡類型，其余土地覆被類型的面積變化率均不超過2%，其中林地削減了123.7 km2，是面積變化最大的覆被類型，減少率0.13%，草地增長了92.49 km2，是增長幅度最大的覆被類型，增長率1.53%。兩者均屬于面積變化較大的覆被類型，相較于各自總體面積而言，變化幅度均不明顯。其他土地覆被類型變化幅度與變化面積均遠小于上述兩者，轉入轉出率均低于1%。

表4 烏蘇里江流域俄羅斯境內區域1990-2015年土地覆被類型間轉化面積 km2

3.4 中-俄跨境區域土地覆被分布對比分析

中—俄兩國烏蘇里江流域土地覆被類型的時空間分布具有較為明顯的差異，依據上述結果：中國部分是以農田和林地為主要覆被類型，俄羅斯部分則以林地和濕地為主。流域內俄羅斯境內面積為中國境內面積的2倍有余，其林地和濕地面積更是遠超中國部分，約為中國部分的4倍；在中國境內占據主導地位的土地覆被類型是農田，其面積為俄羅斯部分的5.5倍。中—俄兩國在土地覆被類型的空間分布上存在巨大的差異(圖3)。

圖3 烏蘇里江流域中-俄境內區域1990-2015年土地覆被類型面積對比

3.5 中-俄跨境區域土地覆被類型間轉化對比

中—俄兩國境內區域的土地覆被類型間轉化也存在明顯差異，主要表現在農田、草地、林地和濕地這四種變化明顯的土地覆被類型間：①農田轉入。中國境內農田面積的增長主要來源于濕地(5 416.7 km2)和林地(1 206.2 km2)的轉化；俄羅斯境內的農田變化微弱。②林地轉出。中俄兩國林地面積均有所縮減，中國境內1 206.2 km2的林地轉化為農田，但同時544.25 km2的其它覆被類型轉化為林地；俄羅斯境內的林地縮減面積的73.8%轉化為草地。③草地轉出。中國境內61.3%的草地轉化為其他土地覆被類型，主要轉化為林地、農田和濕地；俄境內草地呈現略微的增加的趨勢，主要是由于林地轉化而來。④濕地轉出。濕地在中國境內總面積的56.4%轉化為其他覆被類型，主要轉化為農田。俄境內基本無變化。

1990—2015年俄境內土地覆被的類型間的轉入轉出率均不超過2%，土地覆被類型的面積變化微弱，從而表現出俄羅斯地區土地覆被類型的空間格局穩定性較高。

4 中-俄跨境區域土地覆被變化驅動力分析

4.1 自然地理因素

近些年來烏蘇里江流域氣溫的逐漸變冷、降水量的波動變化，是人煙稀少的烏蘇里江流域土地覆被變化的重要自然地理因素[24]。烏蘇里江流域地區1990—2015年年均氣溫呈逐漸下降趨勢(見圖4)，農作物霜凍期隨之增加，不利于農業耕作；單位面積的耕作產出也會因此而減少，在農業不斷發展的前提下，農田的需求會因此而增加，致使林地、草地以及濕地等轉為耕地[25]。

圖4 烏蘇里江流域1990-2015年氣溫及降水變化趨勢

另一方面流域內降水雖整體以平緩增勢增長，但年際間降水波動較大，通過對比中俄兩國境內區域的土地覆被變化情況，在幾近相同的氣溫、降水條件下，中國境內土地覆被類型變化明顯，俄羅斯境內土地覆被類型變化微弱，由此可知自然地理因素雖然會對土地覆被變化產生一定的影響作用，但并不是該流域主要的驅動力因素。

地形因素也是影響土地覆被變化的重要因素之一[26]，隨著坡度的升高，居住成本不斷提升，水流由緩至快、水土流失加劇，導致農業耕作困難。烏蘇里江流域71.29%的土地集中在海拔500 m以下的區域，85.31%的土地集中于坡度15°以下的區域(詳見表5)。

表5 地形因子與土地覆被變化類型空間分析結果 km2

土地覆被類型發生轉化的地區里主要以低海拔、低坡度等特征為主，林地由于其自身的特殊性較多地出現在高海拔和大坡度地區，農田和濕地的轉化多發生在坡度6°以下、海拔150 m以下的地區，占比均超過轉化總面積的90%。由此可見低海拔、低坡度是土地覆被轉化的主要發生區域。

4.2 人類活動因素

土地覆被變化是各種相關因素綜合作用下的結果，自然因素主要影響土地覆被的空間格局，人類活動因素則作用于土地覆被的時空間變化[27]。

本文通過人口因素、農業生產、和農業宏觀政策三個方面來分析人類活動對烏蘇里江流域土地覆被變化的影響。

4.2.1 人口因素 人口的增長是人類活動作用加劇的主要動力[28]。根據黑龍江省1990—2015年的統計年鑒數據，烏蘇里江流域中國境內1990—2015年人口變化呈現微弱下降趨勢，從1990年的494.63萬人到2015年的472.6萬人，人口總數有所下降。農業人口所占比重由1990年的52%降至2015年的41.2%，農業人口比例減少，城鎮化遷移加劇，致使中國境內人工表面的增加。流域俄羅斯境內人口由1990年的122.41萬人減至2015年的119.04萬人。人工表面基本無變化。由此說明人口結構的變化導致人工表面的擴張，人口因素對土地覆被變化存在一定的影響作用，但不是烏蘇里江流域土地覆被變化的主要驅動力因素。

4.2.2 農業生產 烏蘇里江流域中國區域26 a以來在政策導向下農業的不斷發展，與之對應的是農業總產值的穩步提升，流域中—俄境內農業總產值增長率的變化對比證實了兩地區的農業發展水平的差異(圖5)，流域中國境內人均農業總產值由1990年的996.31元增長至2015年的18 541元，26 a來增長明顯。俄境內人均農業總產值則由3 917.7元增長至3 960.8元，增長趨勢微弱。依據農業生產角度，俄羅斯境內多年來較為穩定，農田這一覆被類型未有明顯變化；中國境內由于人口規模的小幅度降低，但農田面積呈現出較大幅度的增長，因此，農業生產方式的改變便成了農田擴張乃至土地覆被整體格局變化的主要驅動力因素(圖6)。

圖5 烏蘇里江流域中俄境內區域1990-2015年農業總產值增長率對比

圖6 烏蘇里江流域中國區域1990-2015年農業生產總值以及農業機械總動力變化

農業機械總動力和農業機械數量的變化總體上呈相似的增長趨勢，在總體人口規模略有縮減的情況下，農業機械的發展和規模的擴大化是農田擴張的主要影響因素，由于農業機械人均擁有量的增加，人均可耕作能力逐步提升，農田的需求也隨之增加。伴隨而來的便是農業活動的加劇，農田面積的增長，其他土地覆被類型的減少，最終農業總產值逐步提升，主要表現形式即為農田覆被類型的增長。由此可知農業生產方式和規模的改進是流域中國境內土地覆被變化的主要驅動力來源。

4.2.3 農業宏觀政策 黑龍江省一直是中國糧食主產區。流域內雙鴨山市、七臺河市、牡丹江市均以大豆為主要農作物，佳木斯市農作物則以大豆、玉米、水稻并重。1990年，黑龍江省擴大農業生產政策出臺，全省范圍內大面積種植水稻、大豆等農作物，全省耕地面積10 a間由8.73×106hm2增至9.40×106hm2[29]；2004年作為全國農村稅費改革首批試驗點，黑龍江全省免征農業稅，減輕農業人口稅費壓力，鼓勵農業生產，扭轉長期以來農業人口負擔過重的局面；2013年國務院同意《黑龍江省“兩大平原”現代農業綜合配套改革試驗總體方案》，先行在黑龍江省開始現代農業改革，明確了轉變農業發展方式，提高農業綜合生產能力和農民收入的目標。其后的2015年糧食產量7.62×107t，實現12 a連續增長，全國占比9.74%，產量位居全國首位。隨著農業宏觀政策的不斷細化和完善，政策調控的影響效應已經全面帶動農業的快速發展，同時也是整個烏蘇里江流域土地覆被結構發生改變的重要驅動力因素。

5 結 論

(1) 1990—2015年烏蘇里江流域土地覆被變化呈現出跨境分割性的差異變化，中國境內變化強度大，土地覆被類型間轉化較為廣泛；俄羅斯境內由于人煙稀少，人類活動作用因素較弱，生態系統較為穩定，土地覆被變化不明顯、強度低。烏蘇里江流域的整體變化主要來自于中國境內的土地覆被變化，俄境內整體土地覆被變化較小，轉入轉出率均不超過2%。

(2) 烏蘇里江流域土地覆被情況總體呈現出農田的顯著增加(+6 089.59 km2)、濕地的顯著減少(-5 685.28 km2)、林地、草地等生態系統面積也呈現減少。農田和濕地是烏蘇里江流域內變化最突出的兩個土地覆被類型。在流域內部，中國境內區域主要以農田的增加為主要變化類型；俄羅斯境內區域則是以林地的削減為主要變化類型。

(3) 土地覆被變化驅動力分析表明，氣溫和降水對流域內土地覆被變化的影響較小；低海拔、低坡度區域是烏蘇里江流域土地覆被轉化的集中區域。在流域內人口規模有所縮減的情況下，得益于良好的農業發展政策、農業生產方式的改進和規模的擴大提升了農業從業人員的個體耕作能力，從而加劇了對農田的需求，由農田擴張所帶來的一系列土地覆被變化則是烏蘇里江流域整體土地覆被變化的主要代表。農業宏觀政策、農業生產方式的改進和規模的擴大是烏蘇里江流域土地覆被變化的最主要驅動力。