諾敏河流域土地利用與覆被變化及其對水文過程的影響

史曉亮，李 穎，趙 凱，章光新，張 丹，朱紅雷

（1．中國科學院 東北地理與農業生態研究所，吉林 長春130012；2．中國科學院大學，北京100049；3．黑龍江省齊齊哈爾水文局，黑龍江 齊齊哈爾161005）

人類對地球陸地表面的改變影響著任一尺度下的生物系統，從區域尺度的城市熱島效應和徑流模式的改變，到全球尺度的大氣環流模式的改變以及長期的物種滅絕［1］。土地利用／覆被變化則最直接體現和反映了人類活動的影響水平，因此，土地利用／覆被變化是自然和人為過程交叉最為密切的問題［2］，也是當前全球環境變化研究領域倍受關注的核心問題之一［3－4］。

在流域尺度上，由人類土地利用方式的改變而產生的土地覆被變化，深刻地改變了地表的性質，如粗糙度、反射率，影響了水熱通量的其他物理性質，也必將在各種尺度上影響冠層截留、入滲、地表徑流等水文過程［5］，改變水循環的空間格局，加速水循環要素時空分異的復雜性和不確定性，最終導致水資源供需關系發生變化，從而對流域生態、環境以及社會經濟發展等產生顯著影響。因此，流域土地利用變化及其對水文過程的影響研究就成為廣泛涉及流域水資源規劃管理以及可持續發展等領域的核心問題。

近年來，有關流域土地利用／覆被變化對水文過程影響的研究結果出現了不同甚至截然相反的觀點。多數研究認為流域森林的減少將導致徑流量的增加［6－8］，但也有研究得出相反的 結論。郝芳 華等［9］對黃河下游支流洛河上游盧氏水文站以上流域的模擬結果表明，森林的存在增加了徑流量；王根緒等［10］在河西走廊中部的馬營河流域的研究表明，自1967年以來，上游林草地大規模轉化為耕地，使流域年均徑流量減少28．12%。由此可見，隨著流域尺度的擴展，特定流域上土地利用／覆被變化的水文響應研究更為復雜，其結論難以取得一致［11］，某一自然條件和不同尺度上得出的結論不能簡單的外推［12］。因此，需要開展大量典型區域的實例研究，尋求建立土地利用／覆被變化對流域水文過程影響的一般性理論體系［10］。

大興安嶺是中國最重要的林業基地之一，也是東北和華北地區生態安全的天然屏障。新中國成立以來，經過幾十年的大規模采伐和開發，大興安嶺地區森林蓄積量銳減，進而影響到該地區的生態環境安全和可持續發展，尤其是在1998年嫩江流域出現歷史上罕見的特大洪災之后，森林的水文效應更是受到廣泛重視，因此，迫切需要研究大興安嶺地區水文過程與土地利用／覆被變化的關系。目前該地區相關研究不多，本文以嫩江上游諾敏河流域為例，在研究諾敏河流域近50a土地利用／覆被時空變化特征的基礎上，分析土地利用變化對水文過程的影響，以期為該區土地利用規劃管理和生態恢復提供依據。

1 研究區概況與研究方法

1．1 研究區概況

諾敏河位于大興安嶺中段東坡，是嫩江右岸7條1級支流之一，發源于大興安嶺支脈伊勒呼里山南麓，河長467km，在內蒙古呼倫貝爾市莫力達瓦達斡爾族自治旗尼爾基鎮附近分兩支岔注入嫩江［13］。諾敏河流域地處中高緯度，歐亞大陸東岸，屬寒溫帶大陸性氣候，冬季寒冷漫長，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季較短。多年平均氣溫－1．2℃左右，無霜期132d，歷年最高氣溫40．1℃，最低氣溫－35．4℃。流域內降雨量年際、年內變化較大，降雨年內分配極不均勻，雨季多集中在7—8月，多年平均降雨量約480mm。主要土壤類型為黑土、針葉林土、暗棕壤、腐殖質沼澤土。

流域面積26 315km2，多年平均徑流量約4．57×109m3，多年平均流量145m3／s，主要支流有畢拉河和格尼河。距離河口42km處設有古城子水文站，斷面以上河長398km，集水面積25 230km2，是本文研究的主要區域。

1．2 研究方法

1．2．1 土地利用數據獲取方法 諾敏河流域土地利用／覆被數據集時間跨度為1954—2005年，包括5個時間點，即1954，1976，1986，2000和2005年。1954年采用某測繪局編制的第一代1∶10萬地形圖；1976年采用Landsat MSS影像，分辨率為80m；1986，2000和2005年采用Landsat TM影像，分辨率為30m。

在全國資源環境遙感時空信息平臺的土地資源專題數據詳細標準的基礎上［14］，結合區域特點，將諾敏河流域土地利用／覆被劃分為耕地、林地、草地、水域、城鄉工礦用地、沼澤地和未利用地7種類型。

土地利用／覆被數據獲取流程如下：將1∶100 000地形圖掃描輸入計算機，進行投影處理。將2000年Landsat TM影像與地形圖進行配準，在經過大氣輻射校正、幾何校正、假彩色合成和圖像增強等預處理基礎上，根據不同土地利用／覆被類型的影像色調、紋理等特征，建立相應的遙感解譯標志，在ArcMap 9．3軟件環境下，進行人機交互式判讀解譯，并查錯修改和拼接，得到2000年土地利用／覆被數據，將其作為本底數據。在此基礎上，將1986年和2005年Landsat TM影像分別與2000年遙感影像進行糾正，分別提取相鄰2個時段各土地利用類型發生變化的圖斑，獲得不同時段土地利用動態數據，通過處理得到1986年和2005年的土地利用／覆被數據。1976年土地利用數據的獲取是在2000年TM影像解譯的基礎上，通過對比1976年 MSS與2000年TM影像，解譯出動態圖斑，再通過2000年的本底數據與動態圖斑結合，得到1976年MSS影像的解譯結果。此方法通過分辨率較高的TM影像對MSS影像上的信息具有的一定的提示和補充作用，不但能使疏漏的可能性降低，而且能提高信息提取精度?；诘匦螆D的土地利用信息提取，按照地形圖地物類型與土地利用／覆被類型的對照對1954年地形圖數字化，生成矢量數據，根據土地利用／覆被分類系統進行合并歸納，并結合1976年的土地利用／覆被數據，對差異性圖斑進行土地利用／覆被動態變化判讀，生成土地利用動態變化數據，然后通過對1976年土地利用／覆被數據更新，生成1954年土地利用數據，具體提取方法參考《東北地區土地利用／覆被時空特征分析》［15］。盡管各期土地利用／覆被數據所用數據源的空間分辨率不同，但對不同的數據源采取上述相應的處理方法，實現了解譯結果在空間上的相互匹配。借助1950年代航空遙感相片對1950年代土地利用／覆被數據進行抽樣檢驗，整體判對率達到91%。1976，1986和2000年解譯結果通過土地利用詳查圖進行驗證，整體精度超過90%。對于2005年的土地利用／覆被解譯數據，通過在Google Earth的歷史高精度影像上選取驗證點的方式進行精度評價，其中，耕地、城鄉工礦用地和水域的解譯精度在94%以上，林地、沼澤地、草地和未利用地的解譯精度分別為91%，88%，87%和92%。

1．2．2 土地利用動態度 在自然和人為因素的影響下，區域內各種土地利用類型的數量在不同時間段變化的幅度和速度是不同的，而且存在空間差異［16］，土地利用動態度可以定量描述區域土地利用變化的速度，真實地反映區域土地利用／覆被中土地利用類型的變化程度。本文引用下述模型進行分析［17］：

式中：K——研究時段內某一土地利用類型動態度；Ua，Ub——研究期開始和結束時某一土地利用類型的數量；T——研究時段。

1．2．3 降雨徑流數據獲取與處理 流域水文氣象數據選取1957—2005年的數據。水文數據采用古城子水文站實測徑流數據，來源于齊齊哈爾水文局。降雨數據來源于中國氣象科學數據共享服務網（http：∥cdc．cma．gov．cn）的年值和月值數據集。根據研究區內及周邊地區小二溝、圖里河、博克圖、富裕、扎蘭屯5個氣象站的數據，以泰森多邊形面積作為權重值來計算流域降雨量。

2 諾敏河流域土地利用與覆被格局時空變化分析

2．1 1954年以來諾敏河流域土地利用與覆被動態變化過程

土地利用類型的數量變化反映在不同類型面積總量的變化上，通過分析土地利用／覆被類型的總量變化，可以掌握土地利用變化總趨勢及其結構變化特征［16］。通過對5期土地利用／覆被空間數據進行統計和對比分析，獲取到1954—2005年諾敏河流域土地利用／覆被變化的總體情況（表1）。

表1 1954－2005年不同時期諾敏河流域土地利用與覆被面積變化 km2

表1的結果表明，從1954—1976年，諾敏河流域土地利用／覆被變化顯著。耕地面積由29．05km2急劇增加到800．96km2，平均每年增加35．09km2，其動態度高達120．78%，是各種土地利用類型中動態變化最顯著的。城鄉工礦用地在22a增加32．31km2，盡管變化總量不大，但由于1954年初始面積較少，因此動態度也達到20．93%。林地面積由18 885．33km2下降到18 549．02km2，平均每年減少15．29km2。草地則由1954年的1 649．86km2縮減到1 288．5km2，在22a間共減少361．36km2。沼澤地22a間減少106．09km2，年均減少4．82km2。由于水域和未利用地所占面積比重極少，因此動態變化不明顯。建國初期，隨著大興安嶺林區的開發，以及大量林業工人的涌入，林地被大規模采伐。而為滿足林業工人的生活需要，大量農田在此期間不斷被開墾，尤其是在地勢平坦、交通相對方便的流域下游地區，大量適宜開墾的林草地和沼澤地被開墾成耕地。

在1976—1986年的10a，諾敏河流域的土地利用／覆被變化依然顯著。耕地面積持續增加，在1976年的基礎上，耕地面積共計增加了1 520．11km2，平均每年增加152．01km2。城鄉工礦用地也增加39．82km2。在此期間，林地和草地面積則分別減少1 271．74km2和290．66km2。與1954—1976年相比，耕地的開墾，以及林地和草地減少的速度明顯增加。這是由于改革開放以后，隨著農林業機械化程度的不斷提高與交通條件的便利，使許多開發初期不便開發的地區得到了進一步開墾。

1986—2000年諾敏河流域各土地利用類型的變化趨勢為：耕地持續增加，共計增長439．76km2；林地和草地面積仍然大規模減少；城鄉工礦用地、水域和未利用地的面積沒有變化。分析其原因，1998年8月以來，隨著大興安嶺天然林保護工程的實施，大興安嶺林管局大量林業工人下崗，部分地區人口甚至出現負增長的情況，另外，由于部分居民點為零散分布，在遙感影像上較難解譯獲取。

隨著大興安嶺天然林保護工程的實施，2000—2005年，耕地平均每年增加1．98km2，相對于前幾個時期，耕地開墾速度明顯放緩。與此同時，林地面積略有增加，相對于2000年，林地增加30．4km2，大興安嶺天然林保護工程初見成效。而草地面積則減少39．27km2，其中大多被開墾為耕地。其他土地利用類型面積變化較小。相對于其他時期，2000—2005年各土地利用類型變化并不顯著。

通過對整個研究時段的土地利用數據統計分析表明，諾敏河流域主要的土地利用類型為林地、草地、耕地和沼澤地，其中林地是諾敏河流域的主導景觀。但自1954年以來，諾敏河流域林草地面積大幅度減少，分別減少1 940．1km2和748．99km2。與林草地大面積減少相對應，耕地呈現大面積增加的趨勢，1954—2005年，耕地占土地總面積的比例從0．12%增加到10．98%，面積增加2 741．7km2。而從不同時期各土地利用／覆被類型動態度的變化情況可以看出（表2），由于林草地在1954年所占面積比重較大，盡管整個研究時段林草地面積減少顯著，但是動態變化并不明顯；而耕地在1954—2005年間變化最為顯著，動態度達到了185．05%。盡管城鄉工礦用地和未利用地變化總量不大，但由于1954年初始面積較少，因此在整個研究時段動態度也分別達到20．49%和30．38%。其他土地利用／覆被類型動態變化不明顯。

表2 1954－2005年不同時期諾敏河流域土地利用與覆被動態度 %

2．2 1954年以來諾敏河流域土地利用與覆被空間變化過程

為從空間上分析1954年以來諾敏河流域的土地利用變化過程，本研究通過將相鄰2個時期的土地利用／覆被數據疊加，并根據研究區的具體情況，將各種土地利用類型間相互轉化關系歸納為耕地開墾、城鄉工礦用地擴張、林地和草地增加等轉換類型。

1954—1976年，林草地向耕地的轉變是主要的土地利用變化過程，在此期間，林地采伐和耕地開墾主要集中在流域下游地勢平坦地區。隨著機械化程度的提高，在1976—1986年，森林采伐和耕地開墾速度明顯加快，整個研究流域8．89%的土地利用類型發生轉變，耕地開墾占所有土地利用變化過程的66．7%，是該時期最主要的土地利用變化類型，并且耕地開墾也逐漸向流域中上游地區轉移。1986—2000年，河流兩岸的林地持續被開墾為耕地，但是隨著1998年大興安嶺天然林保護工程的實施，2000—2005年該地區林地采伐和耕地開墾的速率明顯降低，土地利用變化較小，且為零散分布。

3 土地利用與覆被變化對水文過程的影響分析

3．1 諾敏河流域土地利用與覆被變化對年徑流的影響

從表1可以看出，諾敏河流域土地利用變化主要發生在1990s之前，尤其是1976—1986年，流域下游大量林草地被開墾為耕地。本文選擇1957—1986年（前期）和1987—2005（后期）2個時段分析土地利用／覆被變化對水文過程的影響。

自1957年以來，諾敏河流域年均降雨和徑流變化劇烈（圖1），整體呈現遞增趨勢，但徑流變化更為明顯。為有效分析土地利用變化對水文動態的影響，分別對土地利用2個時段的降雨—徑流進行回歸分析，比較同一降雨條件下的徑流差異。圖2表示諾敏河流域兩期土地利用的降雨徑流關系圖，擬合1957—1986年降雨—徑流關系數據得到式（2），擬合1987—2005年降雨—徑流關系數據得到式（3）。

式中：X1，X2——年均降雨量（mm）；Y1，Y2——年均徑流深（mm）。

圖1 諾敏河流域降雨和徑流過程變化趨勢

圖2 諾敏河流域年降雨－徑流深關系

從式（2），（3）可以看出，流域降雨與徑流之間不具有顯著的線性關系，降雨是構成徑流的主要因素但有其他因素對徑流也起著重要作用，而且由于前期土地利用變化顯著，降雨徑流的相關性明顯低于后期。從圖2中趨勢線的斜率可以看出，諾敏河流域后期土地利用較前期徑流量增加，即森林覆被率低、耕地面積較大的土地利用較植被條件較好的土地利用年產流量增加。根據式（2），（3）分別預測得到整個研究時段逐年同一降雨條件下的不同徑流深，結果表明根據式（3）得到的預測值較根據式（2）得到的預測值增加2．6%～18．4%。盡管存在其他因素影響流域徑流過程，但本文利用不同時期降雨徑流擬合經驗模型分別預測模擬在同一降雨情況下的徑流變化情況，基本剔除了降雨因素的影響。研究結果表明，相同降雨條件下，土地利用后期的降雨產流量較土地利用前期的產流量有所增加。比較前后2個時段徑流隨降雨的變化率，后期土地利用隨降雨增加徑流增加較快。同時，由圖2所示，2曲線在降雨量＜294mm處相交，隨降雨量增大，2曲線分離較遠，表明研究區隨降雨的增加，土地利用／覆被對徑流的影響效應增強。

3．2 諾敏河流域土地利用變化對月徑流的影響

圖3表示不同土地利用時期多年月均降雨量和徑流變化。圖3顯示，在不同時期月均降雨量變化較小的情況下，土地利用后期的徑流量，尤其是夏季汛期的徑流明顯大于前期。進一步對2期土地利用的月降雨徑流進行回歸擬合，其中1987—2005年數據擬合效果較好，擬合方程如下：

式中：H——多年平均月徑流深（mm）；P——多年平均月降雨量（mm）。

圖3 諾敏河流域降雨與徑流月變化

由于降雨變化的影響，流域前、后期產流量不具有直接可比性。為分析土地利用變化對產流量的影響，并減小降雨因素的影響，采用式（4）計算1957—1986年平均各月降雨相應的預測徑流量，獲得同一降雨、不同土地利用覆被條件下的對比徑流量。圖4為1957—1986年月均累積降雨、實測和預測徑流分布圖。

圖4 諾敏河流域1957－1986年累積降雨－徑流年內分布

從圖4中可以看出，總體上徑流與降雨變化趨勢一致。各月產流量在1—5月無明顯差別，而6—10月預測值比觀測值有所增加，尤其在7—9月的夏季汛期，土地利用變化對徑流量影響更加顯著。而10月以后曲線基本平行，表明該階段土地利用變化對徑流影響較小。因此，可以認為諾敏河流域土地利用，尤其是森林植被的變化對徑流的影響在生長季表現明顯，這與相關研究結論相似［18－19］。

4 結 論

（1）在20世紀50年代初，諾敏河流域以林地、沼澤地和草地為主要景觀類型，其中林地占流域面積的74%，是該流域的主導景觀。但是經過50a的土地開發利用，大面積林草地被墾殖為耕地，耕地面積劇增2 741．7km2，占整個研究流域的面積比例由20世紀50年代的0．12%急劇增加到10．98%，動態變化最為顯著。而林地和草地則分別減少1 940．1km2和748．99km2。

（2）土地利用變化過程分析結果表明，諾敏河流域土地利用變化的空間格局明顯。從1954年以來，林草地向耕地的轉變是主要的土地利用變化過程。隨著機械化程度的提高，林地采伐和耕地開墾活動呈現由下游逐漸向中上游地區移動的趨勢，但隨著1998年大興安嶺天然林保護工程的實施，諾敏河流域耕地開墾速率呈現明顯放緩趨勢，而且林地面積略有增加。

（3）諾敏河流域土地利用結構發生的明顯變化對年徑流量產生了影響，后期土地利用較前期森林覆被較好時期的產流能力有所提高。隨著降雨的增多，土地利用變化對徑流的影響效應隨之增強，并且土地利用／覆被對流域徑流的影響在生長季具有明顯差異。

本文基于諾敏河流域長時間序列水文觀測和土地利用／覆被數據，運用回歸擬合方法分析了土地利用／覆被變化對水文過程的影響，研究了大興安嶺地區典型流域森林采伐開發活動對水文過程的影響，但只是對土地利用／覆被變化的水文動態響應進行簡單的描述，缺乏機理機制方面的深入研究。因此，需要進一步利用分布式水文模型，由流域土地利用／覆被變化對水文過程造成的結果研究轉向對水文過程影響的過程和機理的揭示，在不同空間位置上研究土地利用對水文過程的影響程度，從而為流域合理的土地利用開發和管理提供更具針對性的參考。

［1］ DeFries R，Eshleman K N．Land－use change and hydrologic process：A major focus for the future［J］．Hydrologic Processes，2004，18（11）：2183－2186．

［2］ 李秀彬．全球環境變化研究的核心領域：土地利用／土地覆被變化的國際研究動向［J］．地理學報，1996，51（6）：553－558．

［3］ 劉紀遠，劉明亮，莊大方，等．中國近期土地利用變化的空間格局分析［J］．中國科學：地球科學，2002，32（12）：1031－1040．

［4］ 黃方，劉湘南，劉權，等．遼河中下游流域土地利用變化及其生態環境效應［J］．水土保持通報，2004，24（6）：18－21．

［5］ Cao Wenzhi，Bowden W B，Davie T，et al．Modelling impacts of land cover change on critical water resources in the Motueka River Catchment，New Zealand［J］．Water Resources Management，2009，23（1）：137－151．

［6］ Zhang Youkuan，Schilling K E．Increasing streamflow and baseflow in Mississippi River since the 1940s：Effect of land use change［J］．Journal of Hydrology，2006，324（1／4）：412－422．

［7］ Wang Sufen，Kang Shaozhong，Zhang Lu，et al．Modelling hydrological response to different land－use and climate change scenarios in the Zamu River basin of Northwest China［J］．Hydrological Processes，2008，22（14）：2502－2510．

［8］ Mao Dazhi，Keith A C．Impacts of landuse change on hydrologic responses in the Great Lakes region［J］．Journal of Hydrology，2009，374（1／2）：71－82．

［9］ 郝芳華，陳利群，劉昌明，等．土地利用變化對產流和產沙的影響分析［J］．水土保持學報，2004，18（3）：5－8．

［10］ 王根緒，張鈺，劉桂民，等．馬營河流域1967—2000年土地利用變化對河流徑流的影響［J］．中國科學：地球科學，2005，35（7）：671－681．

［11］ Githui F，Mutua F，Bauwens W．Estimating the impacts of land－cover change on runoff using the soil and water assessment tool（SWAT）：Case study of Nzoia catchment，Kenya［J］．Hydrological Sciences Journal，2009，54（5）：899－908．

［12］ 黃奕龍，傅伯杰，陳利頂．生態水文過程研究進展［J］．生態學報，2003，23（3）：580－587．

［13］ 楊悅奉，張俊海，張嵐．諾敏河流域水力資源梯級開發前景展望［J］．東北水利水電，2006，24（259）：5－6．

［14］ 劉紀遠，張增祥，莊大方，等．20世紀90年代中國土地利用變化遙感信息時空分析［M］．北京：科學出版社，2005．

［15］ 張樹文，張養貞，李穎，等．東北地區土地利用／覆被時空特征分析［M］．北京：科學出版社，2006．

［16］ 宋開山，劉殿偉，王宗明，等．1954年以來三江平原土地利用變化及驅動力［J］．地理學報，2008，63（1）：93－104．

［17］ 劉紀遠，布和敖斯爾．中國土地利用變化現代過程時空特征的研究：基于衛星遙感數據［J］．第四紀研究，2000，20（3）：229－239．

［18］ Hornbeck J W，Martin C W，Eagar C．Summary of water yield experiments at Hubbard Brook experimental forest，new Hampshire［J］．Canadian Journal of Forestry Research，1997，27（12）：2043－2052．

［19］ 張曉明，曹文洪，余新曉，等．黃土丘陵溝壑區典型流域土地利用／覆被變化的徑流調節效應［J］．水利學報，2009，40（6）：641－650．