劉曉娜,張微微,李 紅

(北京市農(nóng)林科學(xué)院草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心,北京 100097)

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基于LUCC的密云水庫上游流域人為干擾動(dòng)態(tài)變化

劉曉娜,張微微,李 紅①

(北京市農(nóng)林科學(xué)院草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心,北京 100097)

人類活動(dòng)對(duì)地球表層的干擾所造成的影響和變化正日益增強(qiáng),正確估計(jì)人為干擾對(duì)現(xiàn)在和未來環(huán)境變化影響的程度以及疊加在自然變化上的幅度具有重大意義。選擇生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能突出、人地關(guān)系矛盾劇烈的北京市密云水庫上游流域?yàn)檠芯繀^(qū),基于2005和2013年2期SPOT 5遙感影像數(shù)據(jù),借助人為干擾度指數(shù)和GIS空間分析方法,從結(jié)構(gòu)變化、類型變化、空間變化和人為干擾度4個(gè)角度,探討密云水庫上游流域人為干擾時(shí)空動(dòng)態(tài)分異及變化特征。結(jié)果表明:(1)2005—2013年間,密云水庫上游流域景觀以林地-耕地-園地格局為主導(dǎo),土地利用變化速度加快,人類活動(dòng)對(duì)土地資源的集約利用強(qiáng)度增加。(2)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、土地開發(fā)整理、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、建設(shè)占用以及生態(tài)恢復(fù)工程是流域內(nèi)土地利用與土地覆被變化的主要因素;旱地、園地、有林地、灌木林地面積減少,菜地、草地、疏林地、建設(shè)用地和灘地增加,森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量呈退化趨勢(shì);工礦用地和未利用土地主要轉(zhuǎn)為園地、林地和草地,生態(tài)恢復(fù)工程略顯成效。(3)半干擾是流域內(nèi)主導(dǎo)的干擾景觀類型,全干擾和半干擾型景觀面積增加,無干擾型景觀面積減少,流域內(nèi)景觀的人為干擾強(qiáng)度呈現(xiàn)由深山區(qū)向淺山區(qū)逐漸增強(qiáng)的空間分異特征,交通道路沿線及人類活動(dòng)活躍地區(qū)是人為干擾強(qiáng)度增加最顯著的地區(qū)。

人為干擾;土地利用與土地覆被變化(LUCC);時(shí)空格局;密云水庫上游流域

全球氣候變化與高強(qiáng)度的人類活動(dòng)正史無前例地共同作用于人類的生存環(huán)境,并改變著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。近年來,隨著人類活動(dòng)范圍和強(qiáng)度的不斷加劇,人為干擾對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響以及生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人為干擾的響應(yīng)等問題已成為科學(xué)研究領(lǐng)域的前沿與熱點(diǎn)。人類活動(dòng)對(duì)地球表層的干擾所造成的影響和變化日益增強(qiáng),正逐漸取代自然因素成為全球環(huán)境變化的主要驅(qū)動(dòng)力[1]。針對(duì)人類活動(dòng)和全球變化之間的驅(qū)動(dòng)機(jī)制而開展的土地利用與土地覆被變化(land use and land cover change,LUCC)研究,逐漸成為全球環(huán)境變化研究的一個(gè)前沿和熱點(diǎn)領(lǐng)域[2]。作為人為干擾最直觀的表現(xiàn)形式,LUCC能夠很好地反映人為干擾的變化,正確估計(jì)人為干擾對(duì)現(xiàn)在和未來環(huán)境變化影響的程度以及疊加在自然變化上的幅度具有重大意義。目前,城鎮(zhèn)化、工業(yè)化、農(nóng)業(yè)集約化和生態(tài)化是驅(qū)動(dòng)土地利用與土地覆被以及生態(tài)系統(tǒng)格局與過程變化的4個(gè)主要人為干擾過程。

密云水庫上游流域是北京市一級(jí)自然保護(hù)區(qū),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能突出,生態(tài)環(huán)境脆弱且敏感,人為干擾典型,人地關(guān)系矛盾劇烈[3],流域內(nèi)土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化與居民福祉密切相關(guān)[4]。農(nóng)業(yè)活動(dòng)是主要的人類活動(dòng)方式,農(nóng)業(yè)化肥農(nóng)藥的過分投入、農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)將引起農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染,引起氮磷嚴(yán)重流失,是導(dǎo)致流域水質(zhì)下降、水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因[5-7]。城鎮(zhèn)化和工業(yè)化等人類活動(dòng)頻繁,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張帶來不透水面的增加,生活污水排放以及流域上游工業(yè)污染源大部分沒有廢水處理措施,這些導(dǎo)致流域內(nèi)地表徑流增加,水質(zhì)凈化服務(wù)功能衰退,水庫污染富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)顯著,流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)壓力巨大[6,8-10]。自2000年以來,流域內(nèi)相繼實(shí)施了稻改旱工程、退耕還林、京津風(fēng)沙源治理和清潔小流域建設(shè)等一系列生態(tài)恢復(fù)政策與措施,對(duì)生態(tài)環(huán)境改善起到了良好作用,表現(xiàn)比較突出的是林地面積增加,以植樹造林和水土保持為中心的生態(tài)建設(shè)等措施有效地減少了流域內(nèi)水土流失和入庫泥沙量[11],但是生態(tài)恢復(fù)的綜合效果評(píng)價(jià)有待加強(qiáng)。由此可見,密云水庫流域農(nóng)業(yè)集約化、城鎮(zhèn)化、工業(yè)化和生態(tài)化等典型人為干擾突出,而目前對(duì)該地區(qū)人為干擾動(dòng)態(tài)過程分析明顯不足,特別是基于LUCC的人為干擾強(qiáng)度評(píng)價(jià)有待加強(qiáng)。人為干擾強(qiáng)度可以反映人類活動(dòng)的強(qiáng)弱、對(duì)LUCC的影響以及LUCC對(duì)人為干擾的響應(yīng)。在系統(tǒng)分析人為干擾強(qiáng)度空間格局與聚類的基礎(chǔ)上,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人為干擾的積極干預(yù),從而促進(jìn)區(qū)域人地關(guān)系的協(xié)調(diào)發(fā)展[12-14]。目前,對(duì)人為干擾強(qiáng)度的評(píng)價(jià)主要采用單一型指標(biāo)和綜合型指標(biāo)2種,其中,單一型指標(biāo)主要是以能夠反映人類活動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo)代替,如人為影響指數(shù)[15]、道路密度[16]、森林干擾度[17]、生態(tài)干擾度[18]和人為干擾度[13]等。人為干擾度指數(shù)(hemeroby index,HI,Ih)的確定依據(jù)是人類活動(dòng)頻率和人類活動(dòng)程度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)或景觀的綜合影響程度,與土地利用類型結(jié)合緊密,成為當(dāng)前基于LUCC開展人為干擾強(qiáng)度評(píng)價(jià)的優(yōu)選指標(biāo)[13,18-20]。

基于2005和2013年2期SPOT 5遙感影像數(shù)據(jù),在LUCC分析的基礎(chǔ)上,借助HI和GIS空間分析方法,以密云水庫上游流域?yàn)檠芯繂卧?揭示人為干擾減少過程中(劃定生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)以來)LUCC特征,評(píng)估不同人為干擾強(qiáng)度背景下的流域景觀時(shí)空格局,凝練生態(tài)敏感區(qū)土地合理化利用以及人地關(guān)系協(xié)調(diào)發(fā)展的人為干預(yù)策略。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

密云水庫上游流域地處北京市東北部,流域內(nèi)有潮河和白河2大水系,是北京市的重要生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)與水源保護(hù)地,跨延慶、懷柔和密云3個(gè)區(qū),流域范圍為北京境內(nèi)潮河和白河的上游流域,面積為3 534.23 km2,約占北京市土地面積的21.54%。流域內(nèi)密云水庫是華北最大的水庫和北京市唯一的地表水飲用水源地,該流域是生態(tài)環(huán)境建設(shè)和污染防治的首要區(qū)域。特殊的地理環(huán)境和水源地的重要地位,也決定了密云水庫上游流域是典型的生態(tài)敏感區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)。所以,任何自然或人為因素的干擾都有可能導(dǎo)致該流域生態(tài)系統(tǒng)格局與過程的變化和影響人地系統(tǒng)的演變過程[12,15]。

1.2 研究方法

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)源

主要采用2005和2013年SPOT 5高分辨率遙感影像,其中,全色空間分辨率為2.5 m,多光譜空間分辨率為10 m?；贓NVI 5.1和PCI 10.1遙感影像處理軟件,分別對(duì)2個(gè)時(shí)期的影像進(jìn)行大氣校正、輻射校正等預(yù)處理,基于研究區(qū)內(nèi)1∶1萬地形圖和地面控制點(diǎn),對(duì)影像進(jìn)行正射校正,誤差控制在0.5個(gè)像元,將校正后的影像進(jìn)行融合,獲得研究區(qū)空間分辨率為5 m的融合影像。

1.2.2 分類體系與人為干擾度賦值

根據(jù)研究目的,參考《全國(guó)土地利用現(xiàn)狀分類》以及陳愛蓮等[18]的生態(tài)干擾度指數(shù)景觀類型分類系統(tǒng),采用二級(jí)分類體系,包括耕地、園地、草地、林地、水域、建設(shè)用地和未利用土地7個(gè)一級(jí)地類以及菜地、旱地、園地、草地、有林地、灌木林地、疏林地、河流、水庫坑塘、灘地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民用地、其他建設(shè)用地和未利用土地14個(gè)二級(jí)地類,并進(jìn)一步將分類結(jié)果確定為無干擾型、半干擾型和全干擾型3種景觀。Ih參照陳愛蓮等[18]和肖翠等[13]研究成果的確定方法(表1),進(jìn)一步確定Ih<0.30為無干擾,0.30≤Ih≤0.80為半干擾,Ih>0.80為全干擾。

表1 密云水庫上游流域景觀類型及其人為干擾度賦值

Table 1 Landscape types and assignment of hemeroby index in the upper streams of the Miyun Reservoir Watershed

一級(jí)類型二級(jí)類型含義Ih無干擾河流一、二級(jí)永久性河流0.23(幾乎無人為干擾)灘地河灘地0.17有林地針葉林、闊葉林、針闊混交林帶0.28半干擾水庫坑塘人工水庫0.30(人為、自然作用灌木林地灌木林地0.50參半,主要為農(nóng)業(yè)、疏林地稀疏林地0.50養(yǎng)殖業(yè)等生態(tài)草地草地,包括人工草地0.55系統(tǒng))園地果林0.55菜地菜地,包括大棚0.75旱地旱地0.70未利用土地裸巖、裸土0.72全干擾城鎮(zhèn)用地城鎮(zhèn)建設(shè)用地0.99(人造地物)農(nóng)村居民用地農(nóng)村居民建設(shè)用地0.95其他建設(shè)用地工礦、交通用地0.98

Ih為干擾度指數(shù)。

1.2.3 土地利用與土地覆被分類

采用面向?qū)ο蠓诸惙椒?以eCognition 8.0軟件平臺(tái)為基礎(chǔ),在2006和2014年野外采樣數(shù)據(jù)集(圖1)以及Google Earth高清影像基礎(chǔ)上,選擇基于光譜特征、紋理特征、形狀特征、地形特征和類相關(guān)特征等,建立分類規(guī)則集。采用誤差矩陣分析方法,2005和2013年分類總精度均達(dá)90%以上,能夠滿足分析需求。同時(shí),進(jìn)一步通過目視解譯修正分類結(jié)果,并根據(jù)2009年北京山區(qū)森林小班數(shù)據(jù)進(jìn)一步修正分類結(jié)果,最終獲得2005和2013年密云水庫上游流域土地利用與土地覆被分類圖(圖2)。

圖1 野外采樣點(diǎn)

1.2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法

通過土地利用結(jié)構(gòu)、單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度(K)和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度(S)[21]、土地利用綜合程度指數(shù)(La)[22]以及轉(zhuǎn)移矩陣等指數(shù)和方法,綜合分析密云水庫上游流域LUCC的時(shí)空特征,進(jìn)而評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)土地覆被干擾強(qiáng)度的時(shí)空變化。其中,K和S可以反映區(qū)域土地利用的變化速度,而La可以反映土地利用變化強(qiáng)度或人類活動(dòng)對(duì)土地覆被的干擾程度。

圖2 密云水庫上游流域土地利用與土地覆被分類

人為干擾強(qiáng)度時(shí)空變化評(píng)價(jià)也可通過HI變化來實(shí)現(xiàn)?；贏rcGIS 10.0空間疊加分析,將2個(gè)時(shí)相的HI相加取平均值,作為干擾總強(qiáng)度指數(shù)(THI,It,h)。該值越大,表示人為干擾總強(qiáng)度越高;反之,人為干擾總強(qiáng)度越低[13]。將2個(gè)時(shí)相的干擾度指數(shù)相減取絕對(duì)值,作為干擾平穩(wěn)度指數(shù)(HSI,Ih,s),該值越大,說明人為干擾越強(qiáng)烈,景觀存在跳躍性干擾,人為干擾度不平穩(wěn)。根據(jù)已有研究成果和該研究區(qū)特征,劃分為高度平穩(wěn)(0≤Ih,s<0.05)、中度平穩(wěn)(0.05≤Ih,s<0.30)和低度平穩(wěn)(Ih,s≥0.30)3種類型來反映人為干擾的強(qiáng)弱。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用與土地覆被動(dòng)態(tài)分析

根據(jù)對(duì)密云水庫上游流域土地利用與土地覆被結(jié)構(gòu)變化特征的分析(表2),密云水庫上游流域土地利用與土地覆被呈現(xiàn)林地-耕地-園地景觀格局特征,林地占絕對(duì)主導(dǎo),是土地利用的基質(zhì)和最主要的土地覆被類型,其中,40%以上是有林地;園地是主導(dǎo)土地利用類型,其次是旱地,兩者面積之和占12%以上。2005—2013年間,除旱地、園地、有林地、灌木林地和河流面積呈減少特征外,其他地類面積均呈增加趨勢(shì);草地、疏林地和其他建設(shè)用地是面積增加較多的地類,而有林地是面積減少最多的地類;菜地增速最快,年均增長(zhǎng)率為22.42%,其后依次是其他建設(shè)用地和未利用土地,年均增速分別為5.08%和4.62%,城鎮(zhèn)用地增速最緩,年增長(zhǎng)率為0.10%。由此可見,自2005年以來,密云水庫流域人類活動(dòng)強(qiáng)度增加,受農(nóng)業(yè)集約化和城鎮(zhèn)化等人為干擾過程影響,流域內(nèi)表現(xiàn)出土地利用向集約化和城鎮(zhèn)化方向發(fā)展。

表2 密云水庫上游流域土地利用與土地覆被結(jié)構(gòu)變化特征

Table 2 Characteristics of the variation of the structure of land use and land cover in the upper streams of the Miyun Reservoir Watershed

土地利用類型2005年2013年面積/km2比例/%面積/km2比例/%變化面積/km2單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度K/%菜地 2.230.06 6.230.18 4.0022.42旱地198.005.60197.005.57-1.00-0.06園地238.006.73230.046.51-7.96-0.42草地77.992.2189.112.5211.121.78有林地1460.0041.311430.0040.46-30.00-0.26灌木林地858.0024.28852.0024.11-6.00-0.09疏林地479.0013.55488.0013.819.000.23河流11.770.3310.650.30-1.12-1.19水庫坑塘90.182.5592.742.622.560.35灘地37.471.0639.301.111.830.61城鎮(zhèn)用地4.800.144.840.140.040.10農(nóng)村居民用地37.341.0639.011.101.670.56其他建設(shè)用地26.570.7537.371.0610.805.08未利用土地13.070.3717.900.514.834.62

通過對(duì)密云水庫上游流域整體土地利用變化的分析,發(fā)現(xiàn)2005和2013年該區(qū)域La分別為215.92和216.35,La僅提高0.43,但遠(yuǎn)低于北京市整體提高水平(1.61),說明近8 a來雖然流域內(nèi)人類活動(dòng)對(duì)土地資源的利用強(qiáng)度增加,但遠(yuǎn)低于北京市整體增加水平,而且流域內(nèi)土地資源的開發(fā)主要是對(duì)現(xiàn)有地類的內(nèi)涵挖掘,由此可見,自2005年將該流域劃定為生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)以來,流域內(nèi)受眾多水源保護(hù)和禁止開發(fā)等政策措施的影響顯著。2005—2013年間,該區(qū)域S為15.70%,說明近8 a來土地利用變化速度增加,人為干擾強(qiáng)度增加。

基于2005和2013年土地利用與土地覆被分類結(jié)果,采用轉(zhuǎn)移矩陣方法,分析近8 a來不同地類的轉(zhuǎn)移變化特征(表3)。2005—2013年間,密云水庫上游流域發(fā)生轉(zhuǎn)移的地類主要是河流、灘地、未利用土地和旱地,主要轉(zhuǎn)為灘地、草地和園地,農(nóng)村居民用地和水庫坑塘變化最小。具體而言,菜地有8.49%轉(zhuǎn)為旱地和建設(shè)用地,轉(zhuǎn)為旱地、農(nóng)村居民用地和其他建設(shè)用地的概率比值為3.74∶1∶1,增加的菜地主要來源于旱地和其他建設(shè)用地,主要是受農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與土地整理等政策措施的影響。旱地主要分布在密云水庫東北部,在近8 a間僅有89.15%保持不變,主要轉(zhuǎn)為草地、菜地、園地和建設(shè)用地,占整個(gè)轉(zhuǎn)移量的近73.00%,農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及建設(shè)占用是其主導(dǎo)因素。此外,2.68%的旱地和1.88%的旱地轉(zhuǎn)為草地和灘地,結(jié)合發(fā)生轉(zhuǎn)移旱地的空間位置以及2014年野外調(diào)研訪談來看,主要是因?yàn)榻邓疁p少致使河流水量減少造成灌溉缺乏而產(chǎn)生的撂荒[23]。園地主要分布于水庫周邊與道路沿線,在近8 a來呈減少趨勢(shì),主要轉(zhuǎn)為旱地和其他建設(shè)用地,主要是因?yàn)檗r(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及交通運(yùn)輸用地發(fā)展。有林地的0.96%和1.37%分別轉(zhuǎn)為灌木林地和疏林地,占整個(gè)轉(zhuǎn)移量的80.62%,說明研究區(qū)內(nèi)近8 a間林地質(zhì)量下降,森林生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出一定的退化趨勢(shì)。灌木林地一方面被開發(fā)為園地,另一方面主要轉(zhuǎn)為疏林地,說明人類活動(dòng)對(duì)土地資源的開發(fā)范圍不斷擴(kuò)大。河流面積在近8 a來減少顯著,主要轉(zhuǎn)為灘地,占整個(gè)轉(zhuǎn)移量的80.72%,氣候變化是其主導(dǎo)因素。灘地面積略有增加,主要轉(zhuǎn)為旱地、草地、河流和水庫坑塘,除部分因?yàn)槿藶殚_發(fā)活動(dòng)外,其他變化主要是自然環(huán)境變化所致。由于密云水庫上游流域存在礦石資源,雖進(jìn)行嚴(yán)格生態(tài)環(huán)境保護(hù),但仍有部分工礦用地[24];近8 a來,其他建設(shè)用地面積增加顯著,其中主要是交通運(yùn)輸用地增加,而工礦用地經(jīng)生態(tài)恢復(fù)工程主要轉(zhuǎn)為園地、林地和草地,占整個(gè)轉(zhuǎn)移面積的54.80%。未利用土地包括裸巖和裸土,其中,裸土主要轉(zhuǎn)為草地,而裸巖大多轉(zhuǎn)為工礦用地和林地,這充分說明人類對(duì)于土地資源的開發(fā)利用強(qiáng)度不斷增加。

表3 2005—2013年密云水庫上游流域土地利用與土地覆被變化轉(zhuǎn)移矩陣

Table 3 Transfer matrix of land use and land cover change in the upper streams of the Miyun Reservoir Watershed during 2005-2013

土地利用類型 轉(zhuǎn)移率1)/%菜地旱地園地草地有林地灌木林地疏林地河流水庫坑塘灘地城鎮(zhèn)用地農(nóng)村居民用地其他建設(shè)用地未利用土地菜地91.515.530000000001.481.480旱地1.8389.151.792.680.320.070.070.080.471.880.090.341.190.04園地0.176.4891.050.390.360.150.22000.0600.150.900.07草地02.720.0693.730.090.410.390.050.170.5400.030.571.24有林地00.060.110.0797.110.961.37000.1100.010.140.06灌木林地00.040.690.360.5597.270.56000.0500.070.230.18疏林地00.030.260.591.790.2696.50000.0400.020.270.24河流00.200.072.110.480.890.5476.71018.80000.200水庫坑塘00.6700000098.650.62000.060灘地02.030.096.170.130.2003.608.1177.4400.091.440.70城鎮(zhèn)用地000000000096.1303.870農(nóng)村居民用地0.070.130.090.09000000099.230.370.02其他建設(shè)用地1.270.421.691.371.051.050.21001.050.211.4890.200未利用土地0003.881.330.970.1510.7100003.2679.70

1)指2005年i種土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)?013年j種土地利用類型面積占2005年i種土地利用類型面積的比例。

2.2 人為干擾度動(dòng)態(tài)分析

根據(jù)陳愛蓮等[18]的景觀類型分類系統(tǒng),將密云水庫上游流域土地利用與土地覆被類型按照無干擾、半干擾和全干擾3種類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到2個(gè)時(shí)相3種干擾類型景觀之間的轉(zhuǎn)化情況,分析流域內(nèi)2005—2013年間人為干擾強(qiáng)度變化規(guī)律。

2005—2013年間,密云水庫上游流域全干擾和半干擾型景觀面積呈增加趨勢(shì),而無干擾類型面積呈減少趨勢(shì),全干擾和半干擾類型主要分布在水庫周邊或地形起伏度相對(duì)較小的地區(qū)(圖3)。

半干擾是主導(dǎo)的干擾景觀類型,面積比例在55%以上,8 a來面積增加16.55 km2,其次是無干擾景觀類型,面積比例在42%左右,8 a來面積減少29.06 km2,全干擾景觀面積僅占2%左右,8 a來面積增加12.51 km2,流域內(nèi)景觀呈現(xiàn)受人類活動(dòng)影響加劇的變化特征。

通過對(duì)比不同年份密云水庫上游流域人為干擾度變化情況(圖4),流域內(nèi)人為干擾強(qiáng)度呈現(xiàn)由深山區(qū)向淺山區(qū)逐漸增強(qiáng)的空間分異特征。人為干擾總程度高的景觀位于道路交通沿線和密云水庫周邊地勢(shì)平坦地區(qū),人為干擾總程度中等的景觀主要位于延慶區(qū)東北部和密云區(qū)境內(nèi),人為干擾總程度低的景觀主要分布于懷柔區(qū)和延慶區(qū)西部以及密云水庫(圖4)。2005—2013年間,人為干擾平穩(wěn)度主要為高度平穩(wěn)(圖4),中度平穩(wěn)面積占3.23%,低度平穩(wěn)面積僅占0.66%,主要分布在交通道路沿線以及人為活動(dòng)本就活躍的地區(qū),干擾景觀存在跳躍性,人為干擾度不平穩(wěn),究其原因主要是農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和建設(shè)占用等影響較顯著,此外,因氣候變化所導(dǎo)致的森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量下降也是主要原因。

圖3 密云水庫上游流域景觀干擾類型空間分布

圖4 2005—2013年密云水庫上游流域人為干擾總強(qiáng)度和平穩(wěn)度變化

3 結(jié)論與展望

基于2005和2013年SPOT 5遙感影像,從結(jié)構(gòu)變化、類型變化、空間變化和人為干擾強(qiáng)度4個(gè)角度,基于LUCC定量分析了密云水庫上游流域近8 a來人為干擾強(qiáng)度的時(shí)空動(dòng)態(tài)分異特征及變化規(guī)律。

2005—2013年間,密云水庫上游流域景觀以林地-耕地-園地格局為主導(dǎo),綜合土地利用動(dòng)態(tài)度為15.70%,土地利用綜合程度指數(shù)提高0.43,流域內(nèi)土地利用變化速度加快,土地利用向集約化和城鎮(zhèn)化方向發(fā)展顯著。農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和土地開發(fā)整理是菜地、旱地、園地、林地空間與類型轉(zhuǎn)化的主要原因,建設(shè)占用是旱地、園地等減少的另一主要原因,山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來交通運(yùn)輸用地的增加,而工礦用地不斷轉(zhuǎn)為園地、林地和草地,充分說明流域內(nèi)實(shí)施生態(tài)恢復(fù)工程成效顯著。有林地、灌木林地減少,疏林地增加,有林地中轉(zhuǎn)為灌木林地和疏林地的量占總轉(zhuǎn)移量的80.62%,流域內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量呈退化趨勢(shì)。灌木林地被開發(fā)為園地,未利用土地主要轉(zhuǎn)為草地、工礦用地和林地,受流域內(nèi)生態(tài)恢復(fù)工程等的影響,人類對(duì)土地資源的開發(fā)利用強(qiáng)度增加。密云水庫上游流域主導(dǎo)的干擾景觀類型是半干擾型,自2005年以來流域內(nèi)全干擾和半干擾型景觀面積增加,而無干擾類型面積減少,流域內(nèi)景觀表現(xiàn)出明顯的人類活動(dòng)影響增強(qiáng)趨勢(shì)。人為干擾強(qiáng)度呈現(xiàn)由深山區(qū)向淺山區(qū)逐漸增強(qiáng)的空間分異特征,干擾強(qiáng)度較高和平穩(wěn)性較差的景觀主要位于交通道路沿線和密云水庫周邊地勢(shì)平坦地區(qū),農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及建設(shè)占用等是其主要原因;人為干擾強(qiáng)度較低和平穩(wěn)性中等的景觀主要位于延慶區(qū)東北部和密云區(qū)南部,生態(tài)修復(fù)工程以及氣候變化是其變化的主要因素;人為干擾強(qiáng)度較低和平穩(wěn)性較高的景觀主要分布于深山區(qū)和密云水庫。

筆者研究中有林地包括針葉林、落葉林和針闊混交林,主要是借助林業(yè)小班數(shù)據(jù)結(jié)合目視解譯獲得,解譯精度有待進(jìn)一步提高;此外,將有林地歸為無干擾類型,主要是考慮到山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)主要為自然干擾過程,且根據(jù)對(duì)研究區(qū)野外考察發(fā)現(xiàn),大部分有林地很少受到人類活動(dòng)的影響,目前的干擾景觀類型更能解釋北京山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征,但北京山區(qū)也存在人工林地類型,對(duì)于干擾景觀分類與生態(tài)效應(yīng)有待進(jìn)一步考量。筆者對(duì)人為干擾強(qiáng)度的定量研究采用單一型指標(biāo),而人為干擾度指數(shù)值主要參考已有研究結(jié)果,賦值具有一定的主觀性,雖然最終結(jié)論在一定程度上能夠反映區(qū)域的人類干擾強(qiáng)度特征,但未來應(yīng)盡量多采用綜合型評(píng)價(jià)指標(biāo),減少單一型指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響權(quán)重,同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)人為干擾強(qiáng)度的定量化研究,盡量減少主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。筆者主要從LUCC角度來研究區(qū)域人為干擾動(dòng)態(tài)變化,更多的是反映人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響,對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能突出、人地關(guān)系矛盾劇烈的密云水庫上游流域而言,未來有必要將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能列入人為干擾變化分析范疇,從而更全面地從LUCC角度研究人為干擾對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響,在體現(xiàn)山區(qū)流域生態(tài)涵養(yǎng)功能定位的基礎(chǔ)上,從城鎮(zhèn)化、工業(yè)化、農(nóng)業(yè)集約化和生態(tài)化4個(gè)角度全面分析人為干擾的數(shù)量和質(zhì)量以及時(shí)間和空間變化。

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(責(zé)任編輯： 李祥敏)

Research on Dynamics of Human Disturbance in Upper Streams of Miyun Reservoir Watershed Based on Land Use and Land Cover Change.

LIU Xiao-na, ZHANG Wei-wei, LI Hong

(Research & Development Center for Grass and Environment, Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences, Beijing 100097, China)

As the impacts of human activities on environment and nature through disturbance of the global surface have been getting more and more intensive each passing day, it is of great significance to evaluate accurately extent of the human impacts on the present and future environmental changes and superposed influences on variability of the nature. Based on the 2005 and 2013 SPOT 5 remote sensing images of the upper streams of the Miyun Reservoir Watershed, prominent in ecosystem services and fierce in man-vs-land contradictory, with the aid of hemeroby index (human disturbance index) and GIS spatial analysis method, differentiation and characteristics of the spatio-temporal variation of human disturbance in the region were explored from the perspectives of structure, landscape type, spatial distribution and human disturbance. Results show that: (1) During the period of 2005-2013, the landscape in the upper streams of the Miyun Reservoir Watershed was dominated with forest-farm-orchard, which changed rapidly, showing that human activities in intensive utilization of land resources were enhanced; (2) Agricultural structural readjustment, land development and management, economic development, construction and implementation of ecological rehabilitation projects were the main factors driving changes in land use/cover, which were demonstrated in steady reduction of upland, orchard, woods and shrubbery in area, steady expansion of vegetable land, grassland, sparse woodlands, construction land and bottom land in area, that leading to the degradation of forest ecosystems, and on the other hand conversion of industrial and mining lands and wastelands into orchards, forestlands and grasslands as achievements of the implementation of some ecological rehabilitation projects; (3) Partially disturbed landscapes were the dominant type in the region, displaying an increasing tendency from mountain area to hill area in disturbance intensity, especially along the traffic roads and around human activity centers.

human disturbance; land use and land cover change; spatial-temporal pattern; upper streams of the Miyun Reservoir Watershed

2015-11-18

中國(guó)博士后科學(xué)基金(2016M591112);環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)重大項(xiàng)目(201309001);北京市博士后工作經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目

TP79；X87；P967

A

1673-4831(2016)06-0951-07

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.06.013

劉曉娜(1986—),女,山東臨沂人,博士后,研究方向?yàn)橥恋乩门c土地覆被變化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)。E-mail: xnliu1986@163.com

① 通信作者E-mail: lihsdf@sina.com