大興安嶺漠河-塔河地區土地利用及生態狀況動態分析

陳卓， 陳建平， 劉濤， 周傳芳， 宋昊南， 姜平

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院， 北京 100083； 2.中國地質調查局哈爾濱自然資源綜合調查中心， 哈爾濱 150086)

土地利用隨時間不斷變化與相互轉換[1]，是自然、社會與經濟三者的綜合，也是人地關系的載體[2-3]，開展基于土地利用的生態評價及其動態研究有助于促進生態環境保護與可持續發展，并反映人類活動[4]與自然環境對土地利用的改造作用。

大興安嶺位于中國東北地區，在應對氣候變化和保障國家生態安全方面具有重要作用，其曾作為國家重點木材生產基地，進行了長期、大規模的采伐作業，2014年停止采伐后轉為以生態建設為主的森林資源系統保護、經營和利用[5]，植被覆蓋率高、水資源豐富。研究區位于大興安嶺北部，包含漠河市、塔河縣全境及呼瑪縣、額爾古納市、根河市部分區域，以額爾古納河、黑龍江為界，坐標范圍為120°00′E～126°37′E，52°00′N～53°35′N，為低山丘陵地貌，西南高、東北低，最高海拔約1 400 m。區內屬寒溫帶大陸性季風氣候，最熱和最冷月份分別為1月份和7月份，降水主要集中在7、8月份，河流包括額木爾河、盤古河、大西爾根氣河、呼瑪河等[6]，喬木樹種有樟子松、興安落葉松、白樺、山楊、黑樺、蒙古櫟等為主。

遙感對于地物屬性的多時段變化研究及區域信息提取具有先天優勢[7-11]，其信息提取分析已從單景、兩期、多期影像逐漸發展為長時序變化監測研究[12-13]，為掌握大興安嶺漠河-塔河地區土地利用類型和生態環境變化及影響因素，采用Landsat系列數據，對研究區1985年、1998年、2008年和2018年土地利用類型進行目視解譯，總結土地利用轉化特征，并計算生態環境狀況指數，分析變化驅動因素，以期進一步掌握生態現狀及變化規律，促進生態保護與可持續發展。

1 數據及預處理

Landsat系列衛星的首星發射于1972年7月，具有海量的歷史數據，且單景覆蓋范圍廣，適合進行大區域中比例尺的遙感信息提取及變化分析，研究區面積大、時段跨越30年，故選用Landsat平臺作為影像數據來源，本次研究中1985年、2008年選擇Landsat-5 TM數據，其包含7個波段，涉及紅、綠、藍、近紅外、短波紅外及熱紅外，其中熱紅外波段空間分辨率為120 m，其余波段空間分辨率為30 m；1998年選擇Landsat-7 ETM+數據，其包含8個波段，涉及全色、紅、綠、近紅外、短波紅外及熱紅外，其中全色波段空間分辨率為15 m，熱紅外波段空間分辨率為60 m，其余波段空間分辨率為30 m；2018年采用Landsat-8 OLI數據，其包含12個波段，涉及全色、紅、綠、藍、近紅外、短波紅外及熱紅外，其中全色波段空間分辨率為15 m，熱紅外波段空間分辨率為100 m，其余波段空間分辨率為30 m。

大氣會改變地物各波段數值的相對大小[14]，即便對于目視解譯，也會影響肉眼判斷，所以需對影像進行大氣校正處理，使各像元波普曲線總體趨勢與實際相符。由于研究區面積較大，需將多景影像進行拼接組合，影像的地理精度為重中之重，此次以地形圖為基準，采用均勻的地理控制點，對影像進行精幾何校正，將地理誤差控制在一個像元之內。進行多時相土地利用對比時，不同時相影像之間的地理誤差會影響地物轉化分析，所以此次以2018年拼接影像為基準，對鑲嵌影像再次進行幾何配準檢查(圖1)，使不同時相的影像地理誤差滿足土地利用轉化分析的要求。

圖1 不同時相影像配準效果Fig.1 Geometric registration between images with different stages

2 研究方法

分析包括土地利用、生態環境狀況和動態分析，主要流程為對土地利用類型建立解譯標志并進行提取后，在土地利用的基礎上計算生態環境狀況指數，最后根據土地利用相互轉化情況得到變化的主要影響因素。

2.1 土地利用

在野外考察的基礎上，參考《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017)，結合大興安嶺地區覆被特征，將研究區土地利用劃分為針葉林、闊葉林、針闊混交林、灌木叢、草地、森林沼澤、灌叢沼澤、沼澤草地、水體、耕地、城鄉用地和其他土地共12類。通過對研究區的地形地貌及覆被等自然狀況進行野外調查，明確了各土地利用類型的典型色調、紋理、形狀、位置等特征，以真彩色結合假彩色影像進行人機交互解譯[15]，并通過多源多時相數據對照、三維景觀模擬和實地考察，對存疑的圖斑進行確認及修正。

2.2 生態環境狀況

以遙感為主要手段對某一區域進行生態評價的方法主要有兩類：一是通過多因子波段運算或多因子主成分分析(PCA)計算每一像元所對應的生態指數[16-17]；二是通過賦予各因子權重，計算研究區總體的生態指數。其中，波段運算方式靈活，但各因子的權重設置會受主觀影響，PCA較為客觀，但在因子很多時可能會無法獲得理想的主成分，總體指數法便于把握整體特征并分析時間變化，但無法進行空間比較分析。此次參考《生態環境狀況評價技術規范》(HJ-192—2015)，通過計算研究區總體的生態環境狀況指數(ecological index, EI)來進行評價，在計算過程中，各因子的權重分配可根據數據情況進行一定調節，可表示為[18]

IE=0.35IB+0.25IV+0.15IW+0.15(100-IL)+

0.10(100-IP)+IEL

(1)

式(1)中：IE為生態環境狀況指數；IB為生物豐度指數；IV為植被覆蓋指數；IW為水網密度指數；IL為土地脅迫指數；IP為污染負荷指數；IEL為環境限制指數。

生態環境狀況各分指數的范圍在0～100，當某一分指數超過100時則取100[19]。由于無法獲得污染負荷指數相關數據，此次將污染負荷指數從公式中剔除，并將其權重均分到其他因子，可表示為

IE=0.375IB+0.275IV+0.175IW+

0.175(100-IL)+IEL

(2)

IB=(IBI+IHQ)/2

(3)

IBI=0.20RV+0.20RP+0.20DE+

0.20ED+0.10RT+0.10(100-EI)

(4)

IHQ=ABIO(0.35SF+0.21SG+0.28SW+0.11SC+

0.04SR+0.01SO)/S

(5)

式中：IBI為生物多樣性指數；IHQ為生境質量指數；RV為歸一化野生動物豐富度；RP為歸一化野生維管束植物豐富度；DE為歸一化生態系統類型多樣性；ED為歸一化物種特有性；RT為歸一化受威脅物種豐富度；EI為歸一化外來物種入侵度；ABIO為歸一化系數，ABIO=511.264 213 106 7；SF為林地面積；SG為草地面積；SW為水域濕地面積；SC為耕地面積；SR為建設用地面積；SO為其他土地面積。

由于未獲得生物多樣性指數相關數據，此次使用生境質量指數代表生物豐度指數。

(6)

式(6)中：AVEG為歸一化系數，AVEG=0.012 116 512 4；n為研究區遙感影像像元總數；Pi為像元歸一化植被指數(normalized difference vegetation index, NDVI)，是反映地表植被覆蓋狀況的一種遙感指標[20]；因NDVI的絕對值≤1，再乘以歸一化系數后會致使IV對IE的影響可被忽略不計，饒麗[19]在進行生態環境狀況評價時將歸一化系數位于121.02～122.09，所以此次將研究區IV的歸一化系數取為121.50。

(7)

式(7)中：AL=84.370 408 398 1，為長度歸一化系數；AS=591.790 864 200 5，為面積歸一化系數；AV=86.386 954 828 1，為面積歸一化系數；LW為河流總長度；SW為水域總面積；VW為水資源量；S為研究區面積，因未能獲取水資源量，將水資源量剔除，可表示為

(8)

(9)

式(9)中：AERO=236.043 567 794 8，為侵蝕歸一化系數，SH為重度侵蝕面積；SM為中度侵蝕面積；SR為建設用地面積；SO為其他土地脅迫面積；S為研究區總面積。

研究區植被分布廣，降低了水流對土壤的直接影響，路塹、廢棄的小型采石場坡度陡，但主體為巖石，抗沖刷能力較強，此次將區內的路塹、采石場等其他土地作為中等侵蝕。

除上述定量因子外，規范中引入了環境限制指數，作為約束性指標，當研究區出現嚴重影響人類生產生活安全的生態破壞和環境污染事項時，如重大生態破壞、環境污染和突發環境事件等，可根據嚴重程度對生態環境狀況評價的最高等級進行限制并進行相應降級處理。漠河-塔河地區內未發生相關環境問題，此次環境限制指數不對生態環境狀況評價產生影響。

2.3 動態分析

土地利用類型的變化首先是用面積增減表征，除此之外，動態度K反映了單位時段內土地利用的變化程度，計算公式為[21]

(10)

式(10)中：K為土地利用變化的動態度；ax和ay分別為某種土地利用在前一時相和后一時相的面積；T為時相間隔時間。

土地利用轉換是土地利用變化的主要表現[22],轉移矩陣來源于系統分析中對系統狀態及轉移的定量描述，可直觀地反映某一時期內的土地相互轉化情況[23]，在轉移矩陣中，X1、X2，…,Xn為前一時相的n類土地利用，Y1、Y2,…,Yn為后一時相的n類土地利用，矩陣中的各元素aij為第i種土地利用向第j種土地利用轉化的面積(表1)，計算途徑與文獻[24]相同。安國強等[25]同時利用比重轉移矩陣(表2)對山東省生態用地變化進行了研究，矩陣中的各元素rij為第i種土地利用向第j種土地利用轉化的面積在第i種土地利用中所占的比例，即

(11)

式(11)中：rij為第i種土地利用向第j種土地利用轉化的面積在第i種土地利用中所占的比例；aij為第i種土地利用向第j種土地利用轉化的面積；Xi為第i種土地利用原面積。

土地利用變化主要由建設占用、耕地占用和自然環境三種因素影響[25]，此次將轉移矩陣中的城鄉用地作為建設占用、耕地作為耕地占用，其余土地利用合并為自然環境因素Ai3(表3)，再生成比重轉移矩陣(表4)，表3、表4中的前一時相土地利用數量為n-2，表示只統計除城鄉用地、耕地之外的土地利用。

表1 轉移矩陣Table 1 Transfer matrix

表2 比重轉移矩陣Table 2 Ratio transfer matrix

表3 轉移矩陣Table 3 Transfer matrix

表4 比重轉移矩陣Table 4 Ratio transfer matrix

(12)

(13)

式中：Ri3為第i種土地利用向自然用地轉化的面積在第i種土地利用中所占的比例；Ai3為第i種土地利用向自然用地轉化的面積；Aij為在每個i行中(即X1～Xn-2這n-2個地類中)，除去建設用地和耕地之外的其他用地類型向Xi轉換面積的總和；Xi為第i種土地利用原面積。

而后計算建設占用、耕地占用和自然三者的驅動力指數，即利用比重轉移矩陣(表4)，將三者的比重均一化為0～100，計算公式為[25]

(14)

式(14)中：Fij為第j種因素對第i種土地利用的驅動指數；Rij為表4中的元素，min(Rij)為第i行中的最小元素，max(Rij)為第i行中的最大元素。

根據驅動力指數可得到各土地利用變化主要受哪些因素影響，取100時表示屬最主要影響因素，取0時表示屬最次要影響因素。

3 結果與討論

3.1 土地利用

此次將研究區土地利用分為針葉林、闊葉林、針闊混交林、灌木叢、草地、森林沼澤、灌叢沼澤、沼澤草地、水體、耕地、城鄉用地和其他土地共12類(圖2)。結果顯示2018年研究區針葉林39 069.96 km2，占總面積的70.17%，闊葉林6 455.64 km2，占總面積的11.59%，混交林6 017.31 km2，占總面積的10.81%；灌木叢1 129.81 km2，占總面積的2.03%；草地339.63 km2，占總面積的0.61%；森林沼澤48.53 km2，占總面積的0.09%；灌叢沼澤947.48 km2，占總面積的1.70%；沼澤草地344.07 km2，占總面積的0.62%；水體435.79 km2，占總面積的0.78%；城鄉用地201.99 km2，占總面積的0.36%；耕地393.71 km2，占總面積的0.71%；其他土地297.97 km2，占總面積的0.54%(表5)。研究區30年來植被覆蓋率始終在98%左右，屬高覆蓋[26]，森林、濕地和水體對資源與環境承載力具有重要作用[27]，研究區森林、濕地和水體總體占比大，主體生態功能齊全，其中森林、水體在區內均勻分布，濕地和耕地在東部分布更加連續和明顯。

圖2 漠河-塔河地區土地利用演化Fig.2 Land use Changes in Mohe-Tahe district

表5 研究區各年度土地利用面積及變化Table 5 Areas and changes of different land use types in study area

3.2 生態環境狀況

生物豐度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數分別反映研究區的生物多樣性條件、植被發育程度和水資源的豐富程度等生態環境指標，土地脅迫指數則反映了研究區因建筑、水土流失等所造成的環境壓力。生態狀況指數代表了一個地區的總體生態水平，結果顯示1985年、1998年、2008年和2018年4個時相的生態環境狀況指數分別為65.10、66.26、67.46和76.93(表6)，《生態環境狀況評價技術規范》(HJ 192—2015)中根據生態環境狀況指數將生態環境分為優、良、一般、較差和差5個等級：EI≥75為優，55≤EI<75為良，35≤EI<55為一般，20≤EI<35為較差，EI<20為差，可見研究區1985年、1998年和2008年的生態環境狀況為良好，2018年主要得益于更高的植被覆蓋指數，總體呈優秀。

表6 研究區各時相生態環境狀況指數及變化Table 6 Ecological index and changes at different phases

3.3 動態分析

1985—2018年，面積增加最多的依次為耕地(151.21 km2)、其他土地(105.00 km2)和城鄉用地(69.06 km2)，增加動態度最高的同樣依次為耕地(2.08)、其他土地(1.81)和耕地(1.73)。面積減少最多的依次為針葉林(-138.86 km2)、灌叢沼澤(-63.08 km2)，減少動態度最高的依次為草地(-0.77%)、灌叢沼澤(-0.21%)(表5、圖2)，總體來看，表現為耕地、城鄉用地、其他土地的增加和草地、灌叢沼澤、針葉林的減少。通過4個時相的土地利用變化分析，可見針葉林、針闊混交林、闊葉林、灌木叢、草地、森林沼澤、灌叢沼澤、沼澤草地、水體、耕地、城鄉用地和其他土地的變異系數分別為0.002、0.004、0.001、0.029、0.124、0.008、0.027、0.016、0.022、0.217、0.190、0.173，波動程度最大的依次為耕地、城鄉用地、其他土地和草地，這些土地利用主要集中于居民地及其鄰近區域，與人類活動關系較為密切。1985—2018年間，耕地主要由草地、闊葉林、針葉林等轉化而來，這與部分草地、林地鄰近居民區，地勢平坦、易于開墾有關，其他土地主要由針葉林、灌木叢、灌叢沼澤、水體等轉化而來，可能主要受修路和水位變化影響，城鄉用地主要由針葉林、闊葉林、灌木叢等轉化而來；針葉林主要轉化為灌木叢、草地、耕地、城鄉用地、水體等，個別區域的林地發生了輕微退化，灌叢沼澤主要轉化為沼澤草地、針葉林、耕地、其他土地等，草地主要轉化為耕地、針葉林、混交林，灌木草地與林地之間的相互轉化較為頻繁(表7)。

得益于“天然林保護工程”、2014年采伐的徹底停止及生態保護政策，植被覆蓋指數在2008—2018年顯著升高，由于建筑用地的增加及道路修筑產生的部分土石采場，土地脅迫指數也有較明顯的升高，生物豐度指數和水網密度指數較為穩定，變異系數均小于0.02。根據生態環境狀況指數變化ΔEI的絕對值，可將其劃分為4個等級，分別為無明顯變化：|ΔEI|<1，略微變化：1<|ΔEI|<3為，明顯變化：3<|ΔEI|<8，顯著變化：|ΔEI|≥8，此外，如果生態環境狀況指數所對應的等級發生改變，如由一般變為良好、良好變為優秀等，則認為生態環境狀況發生明顯變化。通過生態狀況指數變化可見，研究區1985—1998年、1998—2008年生態環境狀況略微變好，2008—2018年生態環境狀況顯著變好，生態環境狀況的改善主要發生在2008—2018年(表6)。

表7 1985—2018年土地利用變化轉移矩陣Table 7 Transfer matrix of land use types from 1985 to 2018

根據表3、表4，式(11)～式(13)，得到各驅動力指數如表8所示，各土地利用變化的影響因素有所差異，闊葉林變化的主要影響因素為自然環境和耕地開發；草地和沼澤草地變化的主要影響因素為耕地開發和自然環境，這類土地利用位于平緩的溝谷及河流兩側，部分區域接近居民地；針葉林、混交林、灌木叢、森林沼澤、灌叢沼澤、水體和其他土地的主要驅動力為自然環境。從耕地、城鄉用地、其他土地的增加及草地、灌叢沼澤、針葉林的減少來看，自然環境和耕地開發對研究區土地利用變化起主導作用，其中又以自然環境為主，由于嚴格的生態保護政策及較小的居民地、耕地基數，人類活動對研究區主體生態功能的影響較小。自然環境中，1961—2016年大興安嶺地區年均溫度呈明顯增加的特征，氣溫傾向率為0.4 ℃/10a[6]，1973—2012年塔河上游流域年降水量變化幅度很小，年潛在蒸散發量上升速率為1.38 mm/a，1988—2001年、2001—2012年平均年徑流量降低為4.18 mm/a[28]，Han等[29]在對不同土地利用蒸散發變化情況進行研究時，發現大部分自然景觀區蒸散發為增加趨勢，而居民地和耕地蒸散發為減少趨勢，徑流量的減小和蒸散發的增加可能造成部分河段砂礫質河漫灘出露、土壤含水量下降，形成裸地。全球氣候變暖導致地表蒸發散增加，帶來的干旱將會成為影響東北森林植被活動的主要因素[30]，同時多年凍土退化導致凍土隔水效應減弱，更多地表水入滲轉化為地下水[28]，使原地潛水位下降，可能造成了部分灌叢沼澤的減少。

表8 各土地利用變化驅動力指數Table 8 Driving force index of land use type changes

4 結論

(1)漠河-塔河地區的土地利用以林地為主，其次為濕地和灌木，1985—2018年來植被覆蓋率約為98%。林地在全區中均勻分布，濕地和耕地在東部區域分布更加連續和明顯。期間面積增加最多也最明顯的為耕地、其他土地和城鄉用地，面積減少最多的為針葉林、草地和灌叢沼澤，減少最明顯的為草地和灌叢沼澤。總體來看，研究區表現為耕地、城鄉用地、其他土地的增加和草地、灌叢沼澤、針葉林的減少。

(2)研究區1985—1998年、1998—2008年生態環境狀況略微變好，2008—2018年生態環境狀況顯著變好，主要得益于“天然林保護工程”、2014年采伐的徹底停止及嚴格的生態保護政策。生態環境狀況的改善主要發生于2008—2018年，由良好提升為優秀，與2019年全國生態環境質量總體改善，環境風險態勢保持穩定的總趨勢一致。

(3)通過將土地利用、生態環境狀況及動態分析結合起來，可以在查明研究區資源環境現狀、定量評價生態環境狀況的同時，確定變化的主要影響因素。通過分析可知，除闊葉林、草地和沼澤草地變化的主要影響因素為耕地開發和自然環境外，自然環境和耕地開發對研究區土地利用變化起主導作用，其中又以自然環境為主，人類活動對研究區主體生態功能的總體影響較小。