基于RS+GIS的粵港澳大灣區水土流失時空演變分析

廖小龍，姜欣彤，李金明，于百順

(1.中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610；2.水利部 水利水電規劃設計總院，北京 100120)

粵港澳大灣區是繼紐約灣區、舊金山灣區、東京灣區之后的世界第四大灣區，隨著“9+2”粵港澳城市群互聯互通格局的構建，迅速的城市化發展也為粵港澳大灣區的生態環境建設和維護提出了更高的要求[1]。黨中央、國務院高度重視粵港澳大灣區建設，2019年2月印發的《粵港澳大灣區發展規劃綱要》明確了粵港澳大灣區建設的五大戰略定位，并提出了建設國際一流灣區，打造高質量發展典范的目標，對強化水資源安全保障、推進水生態文明建設等提出了明確要求。

水土流失是我國最嚴重的環境問題之一，不僅對我國生態安全、糧食安全和防洪安全造成威脅，而且制約著經濟社會的可持續發展[2]。分析水土流失發展趨勢和變化規律是水土保持各項工作的基礎，對于進一步加強水土保持監管、貫徹落實國家生態文明建設決策與部署具有重要意義[3]。傳統的水土流失監測點監測方法耗時多、周期長，無法對大范圍的水土流失類型、強度、分布和變化等情況實施監控，給水土保持工作帶來了諸多不便。隨著“3S”技術的迅速發展，RS與GIS相結合的水土流失監測方法相比傳統監測方法，可以更精確便捷地對水土流失時空演變進行有效分析[4-5]。因此，本研究采用RS與GIS相結合的水土流失監測方法，探究粵港澳大灣區核心城市近20年來水土流失面積的演變過程，并對影響水土流失的主要因子進行時空演變分析，以期對粵港澳大灣區水土流失預防和治理工作提供技術支撐和理論依據。

1 研究區域概況

粵港澳大灣區(圖1)位于北緯21°25′～24°30′、東經111°12′～115°35′E，其城市群由廣州、深圳、珠海、佛山、東莞、中山、惠州、江門、肇慶9個市和香港、澳門2個特別行政區組成，地處珠江下游，區域面積5.5萬 km2；屬南亞熱帶海洋性季風氣候區，年均氣溫22 ℃左右，夏季多雨且臺風頻繁，冬季冷暖變化無常；屬南方紅壤丘陵區，典型地帶性土壤為紅壤、赤紅壤和磚紅壤，土壤抗蝕性較差，存在較為嚴重的水土流失現象[6]，尤其東莞、佛山、廣州(除從化和增城外)位于廣東省國家級水土流失重點防治區——東南沿海開發監督區[7]，水土流失面積大、范圍廣，面蝕、溝蝕及花崗巖風化殼發育的崩崗等對土地資源造成極大破壞；2017 年末常住人口約6 956.93 萬人，地區生產總值為10.18萬億元，折合1.6 萬億美元，位列四大灣區第二位，僅次于東京灣區的1.8 萬億美元[8]。本研究以粵港澳大灣區9個市為研究范圍。

圖1 研究區域邊界

2 數據資料與技術路線

2.1 數據來源

選用300 m精度的土地利用(LUCC)遙感監測數據，時間選取2000、2005、2010、2015、2018年共五期，數據來源于歐洲航天局(European Space Agency)；250 m精度數字高程數據(DEM)，來源于中科院地理科學與資源研究所；所用歸一化植被指數(NDVI)數據來自美國NASA航天中心發布的2000—2018年MOD13Q1產品，軌道號為h28v06，時間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m。為使不同數據源保持精度一致，將NDVI和DEM數據重采樣至300 m精度。

2.2 技術路線

本研究基于RS+GIS技術，采用全數字化工作流程，充分利用遙感影像解譯、植被覆蓋度反演、地形坡度因子計算、多因子空間疊加分析等技術，利用多因子綜合判別法，完成水土流失強度分級，分析粵港澳大灣區水土流失狀況，技術路線見圖2。

圖2 水土流失遙感監測流程

3 遙感分析方法

3.1 土壤侵蝕等級劃分

根據土壤侵蝕類型劃分區域，廣東省所屬區域為嶺南平原丘陵區，水土流失以水力侵蝕為主。因此，基于《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)中的水力侵蝕分級模型進行粵港澳大灣區土壤侵蝕等級劃分。

3.2 地形坡度提取

對DEM進行slope分析提取坡度，并按照《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)中的坡度等級進行重分類，將粵港澳大灣區坡度劃分為平地(0～5°)、緩坡(5°～8°)、中等坡(8°～15°)、較陡坡(15°～25°)、陡坡(25°～35°)和極陡坡(>35°)6級。

3.3 植被覆蓋度反演

根據MODIS遙感影像進行植被覆蓋度反演。首先，利用MRT(MODIS Reprojection Tool)技術及MVC(Max Value Composition)方法對MOD13Q1遙感數據產品進行處理，得到NDVI值。然后，通過MRT技術對遙感影像進行拼接和重投影處理，并提取NDVI波段，利用柵格計算工具將原始NDVI資料從-10 000～10 000的浮點數轉化為-1～1之間的標準值。本研究在計算時只考慮有植被覆蓋的區域，因此將柵格中河流、湖泊、巖石和裸土等NDVI值小于0的像元設置為空值以剔除非植被覆蓋區域。本研究利用MVC進行月最大值合成作為月NDVI值，再對月NDVI值進行最大值合成作為年NDVI值?；谙裨帜Ｐ屠弥脖恢笖倒浪阒脖桓采w度[9]，計算公式為

VFC=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(1)

式中：NDVIsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區域的NDVI值；NDVIveg為完全被植被覆蓋區域的NDVI值。

3.4 土地利用類型轉移分析

影響水土流失的主要因子有土地利用類型、植被覆蓋度、地形、降雨侵蝕力和土壤可蝕性等。由于地形、降雨侵蝕力和土壤侵蝕性在短期內變化非常小，所以當前水土流失動態監測的重點內容是土地利用類型和植被覆蓋度[10]。本研究對粵港澳大灣區2000年以來的植被覆蓋度時空演變進行分析，選取2000年作為研究初期，2018年作為研究末期進行土地利用轉移矩陣分析。土地利用轉移矩陣能反映在研究時段內初期和末期各地類相互轉化的動態過程，包括各地類相互轉化的面積及轉化方向[11]。

4 研究成果與分析

4.1 土壤侵蝕面積變化

基于上述方法，計算得到2000、2005、2010、2015、2018年粵港澳大灣區各等級土壤侵蝕空間分布(圖3)和核心城市土壤侵蝕面積(圖4)。

圖3 2000、2005、2010、2015、2018年粵港澳大灣區各等級土壤侵蝕空間分布

圖4 2000、2005、2010、2015、2018年粵港澳大灣區核心城市土壤侵蝕面積變化

(1)從土壤侵蝕面積變化來看，總體上近20年來粵港澳大灣區土壤侵蝕面積呈減少趨勢，總面積從2000年的23 820.63 km2下降到2018年的18 420.20 km2，減少率為300.02 km2/a，土壤侵蝕面積占國土面積比例由43.3%減小到33.5%；各市中，珠海、中山、肇慶水土流失狀況較輕，江門、深圳、惠州水土流失狀況較嚴重。

(2)從土壤侵蝕強度等級變化情況來看，總體上近20年來粵港澳大灣區各強度土壤侵蝕面積均呈減少趨勢，其中中度和輕度侵蝕減少明顯，中度侵蝕占國土面積比例由12.90%減小到7.13%，輕度侵蝕由7.14%減小到4.65%；各市各侵蝕強度土壤侵蝕面積均呈減少趨勢，只有深圳的劇烈侵蝕面積有少量增加。

4.2 地形坡度分析

地形坡度等級劃分結果表明，粵港澳大灣區平地、緩坡、中等坡、較陡坡、陡坡、極陡坡面積分別占土地總面積的16.23%、7.92%、11.63%、7.32%、9.8%、47.1%?？臻g分布上，陡坡集中分布在大灣區東北部和西北部非城鎮中心區域，珠三角地區地形相對平坦。坡度對侵蝕強度影響較大，陡坡區域水土流失較強烈。

4.3 植被覆蓋度變化

統計2000、2005、2010、2015、2018年粵港澳大灣區各市植被覆蓋度變化情況，見圖5。

圖5 2000、2005、2010、2015、2018年粵港澳大灣區核心城市植被覆蓋度變化

(1)從總體上看，近20年來粵港澳大灣區整體植被覆蓋度呈現增加趨勢，從2000年的61.68%增加到2018年的65.54%。

(2)在各市中，絕大多數城市植被覆蓋度在2015年前呈顯著增加趨勢，但在2015年后有略微下降的趨勢。其中，肇慶、惠州、江門的植被覆蓋度相對較高，2018年植被覆蓋度均達到75%以上；佛山、中山、東莞的植被覆蓋度相對較低，2018年植被覆蓋度不超過55%。從增長率來看，深圳市的植被覆蓋度增長速率最快，平均增長率為43.22%/a；其次是江門市，增長率為33.72%/a；中山和珠海兩市植被覆蓋度增長率為負值，分別為-24.67%/a和-5.06%/a。

4.4 土地利用轉移變化

對2000—2018年粵港澳大灣區土地利用進行轉移矩陣分析，結果見表1。

表1 2000—2018年粵港澳大灣區土地利用轉移矩陣 km2

(1)主要土地利用類型有耕地、林地、草地、灌木林地、濕地、水域、建筑地和裸地(按照歐航局LUCC數據說明上分類標準劃分)，其中：占比最高的類型為耕地，占土地總面積的42.15%(2018年)；其次是林地，占土地總面積的36.07%(2018年)。

(2)近20年來耕地與草地面積均有大幅減少，減少面積占土地總面積比例分別為6.35%、1.30%；建筑地面積大幅度增加，增加面積占土地總面積比例為7.91%。

(3)不同土地利用類型之間有相互轉化。耕地和草地主要轉換為建筑地，轉化面積分別為3 472、721 km2；一部分林地向耕地和灌木林地轉化，轉化面積分別為504、473 km2；濕地、水域、裸地等均不同程度地向建筑地轉化。

5 結 論

基于RS+GIS技術，利用多因子綜合判別法，以土地利用類型圖、數字高程圖、MODIS遙感影像作為數據源，以《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)作為技術依據，對粵港澳大灣區9個市進行水土流失計算分析，得到主要結論如下：

(1)水土流失方面，近20年來粵港澳大灣區各地級市水土流失均得到明顯改善，各程度土壤侵蝕面積均呈減少趨勢。各市中，珠海、中山、肇慶水土流失狀況較輕，江門、深圳、惠州水土流失狀況較嚴重。

(2)植被覆蓋度方面，近20年來粵港澳大灣區各地級市植被覆蓋度均呈增加趨勢。各市中，肇慶、惠州、江門的植被覆蓋度相對較高，佛山、中山、東莞的植被覆蓋度相對較低，深圳市的植被覆蓋度增長最快。

(3)土地利用轉移方面，近20年來粵港澳大灣區耕地與草地面積均有明顯減少，建筑地面積則大幅增加。多數土地利用類型的主要轉化方向為建筑地，一部分林地向耕地和灌木林地轉化。

(4)造成粵港澳大灣區水土流失的主要原因可歸結為自然因素和人為因素，其中自然因素如山區、丘陵面積大，地形起伏大，土層較淺薄，蓄水保土能力差等；人為因素主要是城市化建設和開發區建設等毀林開墾導致了嚴重的水土流失。進一步分析認為，近20年來粵港澳大灣區水土流失得到改善的主要原因是植被覆蓋度的增加，而土地利用類型的改變并非主要原因。