密懷順水源保護區土地利用演化驅動因素分析

張雨航， 安同艷, 史芫芫, 范 清， 孫長虹， 何 煒*

(1.北京市環境保護科學研究院， 北京 100037； 2.國家城市環境污染控制工程技術研究中心， 北京 100037)

土地利用/覆蓋變化(LUCC)是人類活動和自然要素共同作用的結果，被認為是全球環境變化和可持續發展的重要內容[1-2]。國際人文因素計劃(International Human Dimensions Program，IHDP)和國際地圈與生物圈計劃(Internaitonal Geosphere-biosphere Program，IGBP)共同確立的國際間計劃LUCC中，將區域土地利用與覆蓋變化對水量、水質、水循環的影響作為關注熱點問題，也是我國中長期科學技術發展重大戰略需求和基礎研究方向之一[3-4]。研究土地利用結構變化規律，對土地利用調控、合理利用土地、促進區域社會經濟發展具有重要意義[5]，同時也有利于發現土地利用結構發生變化對環境產生的潛在風險。可以說土地利用/覆蓋變化的相關研究依舊是當今的研究熱點。任杰等[6]利用Landsat-MSS/TM/ETM等數據，對伊犁盆地1980—2015年期間的土地利用/覆被變化及驅動因素進行研究，研究顯示社會經濟因素是研究區土地覆被變化的主要推動因素；毛鴻欣等[7]基于地理信息系統(geographic information system，GIS)空間分析系統對銀川平原土地利用變化時空格局進行研究，結果為銀川平原土地資源的合理整治和修復提供借鑒；王譯著等[8]對昆明市呈貢區2003—2018年土地利用動態變化時空特征研究，結果顯示城市發展進程中建設用地和綠地呈增加趨勢，而耕地則明顯減少。可見，時間尺度上土地利用/覆蓋變化研究讓人們對關注區域的社會、經濟、環境發展內在關系有了更清晰的認識。

密懷順地區是北京第八水廠和懷柔應急水源地的所在地，是重要的水源保護區，2015年前由于人口經濟的快速增長，導致地下水超采，地下水位下降明顯，形成局部的降落漏斗，威脅北京市供水結構安全。2014年底南水北調進京后，部分盈余水量開始通過潮白河河道回補地下水，密懷順地區成為熱點研究地區，地下水回補可能帶來的區域水環境安全問題引起了眾多學者關注，這些研究主要集中在南水北調補水后引起的水位和水質方面的變化研究[9-15]。何亞平等[16]對潮白河地區2018年12月與2017年同期相比，研究發現區域地下水位升幅在6～8 m，回補中心區升幅達12 m，影響范圍達到124.5 km2；張雨航等[17]對密懷順地區地下水中硝酸鹽氮時空變化進行研究，發現耕地屬性地塊地下水中硝酸鹽氮相對較高。以往研究未考慮到土地利用變化對環境的累積效應，在水位抬升過程中，對地下水環境的風險可能隨之升高[18]。對密懷順水源保護區土地利用時空演化規律及驅動因素的研究，有助于揭示保護區土地利用變化的內在動力，完善保護區面源風險的認知，揭露農業用地對地下水產生的隱蔽性風險，為北京市飲用水源安全、居民飲水安全和水源保護措施提供科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 密懷順研究區概況

密懷順地區是北京市順義、懷柔、密云三區接壤地區(圖1)，是第八水廠和懷柔應急水源地的所在地，是北京市重要的水源保護區。研究區面積約486.93 km2，范圍為東經116°30′～117°，北緯40°10′～40°30′。屬于半濕潤半干旱季風氣候，年平均降水量為615.6 mm。密懷順地區，歷史上曾經是北京市重要的農耕區，由于近些年社會經濟發展，首都戰略定位轉變，農耕區面積不斷縮小。

1.2 土地利用數據

利用2012年、2015年、2018年Spot5遙感影像數據提取土地利用類型，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域和濕地、建設用地、未利用地。

1.2 研究方法

基于轉移矩陣數學模型，利用ArcGIS,對土地利用解譯數據進行空間分析，可全面而又具體地刻畫區域土地利用變化的結構特征與各用地類型變化的方向，該方法來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述。S為轉移矩陣數學模型，可表示為

(1)

式(1)中：S為土地利用總面積；Snn為土地利用轉化面積，其中n為土地利用類型。

采用土地利用變化率指數R來分析研究時段內土地利用類型的變化幅度，其計算公式為

(2)

式(2)中：Ri為研究時段第i類土地利用的變化率，%,；Si,initial為研究時段初第i類土地利用的面積，Si,late為研究時段末第i類土地利用的面積。

采用土地利用動態變化強度指數M表征研究時段內某類土地利用轉為其他類土地利用的難易程度，其表達式為

(3)

式(3)中：Mi=n為某類土地利用的轉出強度；Si,out/in表示某類土地利用的轉出/入面積；∑Si,out/in表示土地利用類型的轉出/轉入面積總和。

采用土地利用轉變傾向度指數H表征某類土地利用轉入/轉出傾向其他類土地利用的強度，以轉入地類面積占該地類轉出總面積的百分比表示，科表示為

(4)

式(4)中：Hi→j為由i類轉為j類土地利用的傾向強度，Si→j為由i類轉為j類土地利用的面積；∑Si,/non-iin為土地類型i轉為其他非i土地類型的總面積。

2 結果與討論

2.1 土地利用變化率

遙感影像數據解譯得到密懷順研究區2012、2015、2018年的土地利用類型圖(圖2)，2012年和2015年土地利用類型接近，而2018年和2015年相比明顯發生了較大變化(圖3)。相比2012年，2015年耕地面積減少16.09 km2(減幅8.2%)，林地面積增加14.92 km2(增幅22.53%)，水域和濕地面積增加0.94 km2(增幅8.13%)，草地面積增加2.97 km2(增幅11.34%)，建設用地面積增加2.79 km2(增幅1.64%)，未利用地面積減少5.52 km2(減幅33.25%)。相比2015年，2018年耕地面積減少84 km2(減幅46.60%)，林地面積增加74.77 km2(增幅92.15%)，水域和濕地面積增加8.46 km2(增幅67.46%)，草地面積增加4.39 km2(增幅15.07%)，建設用地面積減少4.03 km2(減幅2.33%)；未利用地面積增加0.42 km2(增幅3.79%)。可見2012—2018年，密懷順研究區土地利用發生了劇烈變化，這種變化主要集中在2015年后，因此將2015年后土地利用的空間變化作為重點，利用轉移矩陣揭示其內在變化。

圖2 2012、2015和2018年密懷順研究區土地利用類型Fig.2 Land usetypes of Mihuaishun research area in 2012, 2015 and 2018

圖3 2012—2018年土地利用變化Fig.3 Land use change from 2012 to 2018

2.2 土地利用變化矩陣

土地利用轉移矩陣反映了一個區域在2個時點間土地利用變化的數量結構特征與各用地類型變化的方向，在土地利用變化分析中具有重要意義。基于ArcGIS技術對兩期土地利用圖進行疊置分析從而獲得土地利用轉移矩陣，研究兩期之間各土地利用類型的轉移變化情況，了解研究期初各類型土地的流失去向以及研究期末各類型土地的來源與構成，重點研究密懷順水源保護區2015—2018年土地利用矩陣詳細變化情況(表1)，從宏觀、中觀、微觀三個維度對土地利用進行研究分析，其中宏觀指的是土地利用變化率指數，中觀指的是土地利用動態變化強度指數，微觀指的是土地利用轉變傾向度指數，從而全面掌握研究區土地利用轉移的內在規律。

2.2.1 穩定性分析

轉移矩陣(表1)顯示研究區總面積為486.93 km2，2015—2018年有187.07 km2各類用地屬性發生變化，299.86 km2的用地屬性未發生變化，總體穩定性為61.58%。各用地類型穩定性(圖4)從高到低分別為建設用地、林地、水域和濕地、耕地、草地、未利用地，穩定性分別為80.33%、70.93%、70.41%、40.67%、21.88%和15.61%，因此未利用地、草地和耕地發生土地利用屬性的轉變較為強烈。

圖4 2015—2018年土地利用穩定性Fig.4 Land use stability from 2015 to 2018

2.2.2 動態變化強度分析

據研究區2015—2018年土地利用轉移矩陣表(表1)，2015—2018年期間研究區土地利用發生動態變化的面積是187.07 km2，占研究區面積的38.42%。

表1 2015—2018年密懷順研究區土地利用矩陣

從轉移矩陣可以看出(表1和圖5)研究時段內，土地利用類型凈轉入的有林地、水域和濕地、草地、未利用地，面積分別為74.76、8.45、4.39、0.42 km2，凈轉出的有耕地、建設用地，面積分別為84.01、4.03 km2，絕對面積林地和耕地變化最大。轉出強度耕地(51.38%)>建設用地(18.118%)>草地(12.16%)>林地(11.31%)>未利用地(5%)>水域和濕地(1.98%)；轉入強度林地(51.27%)>建設用地(16.02%)>草地(14.50%)>水域和濕地(6.50%)>耕地(6.48%)>未利用地(5.22%)。草地和未利用地穩定性雖然低，但其絕對面積變化小，并非研究區最為活躍的土地利用類型；林地雖然穩定性高，但其變化絕對面積較大。因此，2015—2018年土地利用變化更為劇烈，主要動態變化特征是耕地的轉出和林地的轉入。

圖5 2015—2018年土地利用轉出和轉入Fig.5 Land use transfer-out and transfer-in from 2015 to 2018

2.2.3 轉變傾向度分析

土地利用轉變傾向度可以消除土地利用未發生變化面積對轉換面積的影響，能更好地反映土地利用類型之間相互轉換的優勢信息。耕地的凈轉出面積最大，林地的凈轉入面積最大，而水域和濕地的增幅達到67.46%，因此著重研究這三類土地利用屬性的內在變化規律。研究區土地利用類型轉出/轉入傾向度(表2)可得出耕地轉出傾向度從高到低依次是林地、建設用地、草地、未利用地、水域和濕地，轉出傾向度依次為70.98%、16.83%、9.19%、2.15%和0.85%，耕地屬性發生的變化主要轉入林地；林地轉入傾向度從高到低依次是耕地、建設用地、草地、未利用地、水域和濕地，轉入傾向強度依次為71.13%、14.99%、10.27%、2.79%和0.83%，林地新增面積主要來源為耕地；水域和濕地轉入傾向度從高到低依次是草地、未利用地、建設用地、耕地和林地，轉入傾向度依次是52.72%、24.69%、10.44%、6.72%和5.43%。因此2015—2018年最為活躍的土地屬性轉變即是耕地屬性轉入林地屬性。

表2 2015—2018年密懷順研究區土地利用類型轉出/轉入傾向度

2.3 驅動因素分析

基于轉移矩陣的數學思想，在土地利用時空變化中有著得天獨厚的優勢，區別于傳統的土地利用研究方法在宏觀層面上對土地利用的變化進行研究，土地利用的轉移矩陣可以從宏觀、中觀、微觀3個層次逐層剝絲抽繭，掌握土地利用的內在變化規律。2012—2018年密懷順水源保護區土地利用格局變化最明顯的特征是2015年后變化強度明顯高于2015年前，耕地、林地、水域和濕地變化幅度最大；2015年后林地、水域和濕地、草地、未利用地，呈現凈轉入趨勢，耕地、建設用地呈現凈轉出趨勢；最為活躍的土地屬性轉變即是耕地轉入林地。對于區域尺度特征的土地利用變化，國家政策引導會起到關鍵的作用。2012年7月，《北京市主體功能區規劃》公布，明確提出北京市懷柔、密云等5個區為生態涵養發展區，是首都生態屏障和重要水源保護地；2012年8月《北京市林地保護利用規劃(2010—2020年)》獲市政府批準，同時2012年北京市正式啟動平原區百萬畝造林工程，一系列政策組合是耕地面積大幅減少，林地面積大幅增加，耕地屬性地塊轉入林地屬性地塊的內在原因。而2014年底南水北調進京，按照“喝、存、補”的工作要求，除直接供水廠和水庫存水外，還將盈余水回補地下和城市河湖，直接或間接影響了北京市水資源分布格局，而密懷順研究區河道除直接接受南水北調補給外，也有來自己密云水庫泄流補給，這是研究區2015年后水域和濕地大幅增加的主要原因。建設用地先增后減是受到2015年初提出的疏解“北京非首都功能”影響，以及屬地實施的治理“散亂污”和清理違章建筑等政策所致。可見，密懷順研究區土地利用變化特點與背后政策驅動力息息相關。

3 結論

(1)2012—2018年密懷順研究區耕地、未利用地面積呈現減少趨勢，林地、水域和濕地、草地面積呈現增長趨勢，建設用地先增后減。從變化率情況來看2015年后的變化強度是2015年前的5.24倍。

(2)2015—2018年土地利用類型凈轉入的有林地、水域和濕地、草地、未利用地，面積分別為74.76、8.45、4.39、0.42 km2，凈轉出的有耕地、建設用地，面積分別為84.01、4.03 km2，絕對面積林地和耕地變化最大，反映出整個研究時段以耕地的轉出和林地的轉入為主要動態變化因子。

(3)2015年后耕地轉出面積的70.98%轉為林地，轉入林地面積的71.13%來源于耕地，耕地轉為林地的面積是68.23 km2，耕地屬性地塊轉為林地是最主要的流向特征。這一特征與《北京市主體功能區規劃》《北京市林地保護利用規劃(2010—2020年)》和平原區百萬畝造林工程相關。

(4)2015年后密懷順水源保護區的水域和濕地面積加速擴大，2015—2018年面積增加了8.46 km2，增幅為67.46%，；建設用地面積2012—2015年增加了2.79 km2，2015—2018年面積減少了4.03 km2。

(5)在研究土地利用變化內在規律特點和驅動因素的同時，保護區有約84.13 km2的耕地屬性地塊未發生變化，受到施用農藥化肥的持續影響，對地下水產安全產生威脅；同時也需要關注耕地屬性地塊轉為其他屬性地塊面積達到96.12 km2，往往在現狀調研中掩蓋了曾經的耕地屬性特征，忽視了耕地屬性地塊對環境具有累積賦存效應，受降雨入滲影響，對地下水存在潛在風險。因此，在后續的研究中需關注耕地屬性地塊對地下水環境影響外，還需開展對耕地屬性地塊轉為其它用地屬性地塊的相關研究，排除一切可能對水源保護區地下水產生影響的因素，全面保障北京市飲用水供水體系安全。