拉林河流域土地利用變化及其生態環境效應分析

劉洪超，呂 軍，王 銘，李興麗，郭 蒙

(1.松遼流域水資源保護局 松遼水環境科學研究所，吉林 長春130021；2.東北師范大學 泥炭沼澤研究所，吉林 長春 130024；3.東北師范大學 國家環境保護濕地生態與植被恢復重點實驗室，吉林 長春 130024；4.長白山濕地與生態吉林省聯合重點實驗室，吉林 長春 130024)

拉林河為松花江的一級支流，流域內土地肥沃、人口密集，是國家重要的商品糧基地。隨著區域社會經濟的高速發展，拉林河流域的土地利用發生了劇烈變化，而不合理的開發導致土壤侵蝕加快，流域旱澇災害頻率增加，面源污染嚴重，生態環境向惡化方向發展[1]。近年來，已有學者關注到拉林河流域生態安全問題，并開展了流域水資源及水質評價[1-5]、土壤重金屬污染[6]、土壤侵蝕[7-8]等一系列相關研究，但該流域土地覆被變化的相關研究還十分缺乏。

本研究利用Landsat TM遙感數據，在GIS空間分析功能支持下，分析1976—2015年拉林河土地利用變化的時空過程、基本特征和生態環境效應，對深入認識和研究東北老工業基地農業開發對生態環境的影響，采取合理的土地管理對策，保障流域的生態安全以促進水土資源可持續利用具有重要意義。

1 研究區概況

1.1 地理位置

拉林河發源于黑龍江省五常市張廣才嶺山脈的老爺嶺，自東南向西北流經黑龍江省哈爾濱市的五常市、尚志市、阿城區、雙城區和吉林省吉林市的舒蘭市、長春市的榆樹市、松原市的扶余市，在距哈爾濱150 km處注入松花江。拉林河河長450 km，其中省界河長約233 km。拉林河流域位于東經125°34′～128°34′、北緯44°00′～45°30′，東臨牡丹江流域，北側為螞蟻河、阿什河及松花江干流流域，西南與第二松花江流域為鄰，流域面積19 923 km2，其中：黑龍江省流域面積11 222 km2，占全流域面積的56.33%；吉林省流域面積8 701 km2，占43.67%。

1.2 氣候條件

拉林河流域屬中溫帶大陸性季風氣候區，冬季較為寒冷，年平均氣溫3 ℃左右，極端最低氣溫-40.9 ℃，極端最高氣溫35.6 ℃，年積溫2 500～2 700 ℃；多年平均降水量500～800 mm，上游大、下游小，6—8月降水量占全年的70%以上；年平均蒸發量1 000～1 500 mm；年日照時數2 400～2 600 h，無霜期110～140 d，土壤最大凍深2 m。

1.3 社會經濟概況

拉林河流域土地肥沃，人口密集，為黑、吉兩省重要的糧食生產基地之一，主要作物有水稻、玉米、大豆和谷子。據2013年統計資料，拉林河流域內有7市(區)，總人口369萬人，耕地面積96.66萬hm2，GDP為707億元，糧食總產量729萬t[9-10]。

2 數據處理與研究方法

本研究的數據來自于1976、2000和2015年的Landsat TM衛星遙感影像。根據拉林河區域土地利用類型影像特征，建立解譯標志。土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6個一級類型。在ArcGIS 10.0軟件環境下，進行人機交互式影像解譯，獲得1976、2000和2015年研究區土地利用解譯圖。在所建立的土地利用圖形數據庫的支持下，運用空間統計方法，選取面積比例、平均斑塊面積、斑塊數量等景觀指數分析景觀結構變化特征，選取斑塊密度、多樣性、優勢度、均勻度等景觀指數分析異質性變化。相關指數的計算方法及原理見文獻[11]。

3 結果與分析

3.1 流域土地利用變化

從拉林河流域1976、2000和2015年三期的土地利用狀況(圖1)可以看出：流域內面積分布最廣的是耕地，約占流域總面積的50%；其次是林地，約占40%；草地、未利用地、建設用地和水域所占面積較小，這4類用地僅占研究區面積的10%左右。這與本區域的環境本底和人類活動有關：拉林河流域上游多山地丘陵，自然環境導致林地面積較大；而作為黑龍江省和吉林省優質水稻和玉米種植區，耕地自然為其土地主要利用類型。

由表1可知：1976—2015年，拉林河流域土地利用面積變化最為明顯的類型為耕地，其面積共增加了24.90萬hm2，建設用地也表現出增加的趨勢，增加了1.49萬hm2；而林地、草地、水域和未利用地面積均表現為減少的趨勢，其中面積減少最多的為林地，減少了15.43萬hm2，草地減少了6.56萬hm2，未利用地減少了3.99萬hm2，水域變化最小，減少了0.42萬hm2。以上變化表明，拉林河流域1976—2015年人類活動不斷加劇，大面積的林地和草地被開墾為農田。

圖1 拉林河流域1976、2000、2015年土地利用狀況

景觀類型1976年面積/萬hm2比例/%2000年面積/萬hm2比例/%2015年面積/萬hm2比例/%變化面積/萬hm21976—2000年2000—2015年1976—2015年耕地89.8545.10101.9251.16114.7557.6012.0712.8324.90林地84.0242.1776.9638.6368.5934.43-7.06-8.37-15.43草地8.194.115.282.651.630.82-2.91-3.65-6.56水域4.292.154.102.063.871.94-0.19-0.23-0.42建設用地6.793.417.643.848.284.160.850.641.49未利用地6.113.063.321.672.121.06-2.79-1.2-3.99

3.2 流域景觀結構變化

從景觀斑塊類型尺度來看(表2)，1976—2015年拉林河流域的最大斑塊類型發生了一些改變，在1976—2000年斑塊面積最大的是林地，而在2000—2015年林地的優勢地位逐漸下降，面積最大的斑塊類型變為耕地，但林地仍然占有較大比例。根據景觀“斑塊—基質—廊道”模式與基質判別標準[12]，拉林河流域的景觀基質為林地和耕地。其中，拉林河上游的景觀基質以林地為主，下游的景觀基質為耕地(圖1)。通過對斑塊數量的統計可知，2015年各景觀類型按斑塊數量排序為：建設用地>林地>耕地>水域>草地>未利用地。綜上， 拉林河流域是以農業、森林生態系統

表2 拉林河流域景觀斑塊指標

作為區域的景觀基質，草地、水域(河流、水庫、湖泊等)、建設用地、未利用地等景觀斑塊鑲嵌其中。

斑塊數量經常被用來描述整個景觀的異質性，其值的大小與景觀的破碎度有很好的正相關性。最大斑塊指數的變化可以說明干擾的強度和頻率，反映人類活動的方向和強弱。通過表2可以得知：耕地的斑塊數量雖然在2000—2015年間略有增加，但總體上，1976—2015年間耕地斑塊數量呈減少趨勢，斑塊數量比例降低，而最大斑塊指數上升，說明1976—2015年間，流域內耕地空間分布的集中性變強；林地、草地及未利用地斑塊數量均呈逐漸減少趨勢；水域在1976—2010年間逐漸增加，后保持不變；建設用地的斑塊數量有所下降，但斑塊數量比例及最大斑塊指數均有所上升。林地和草地的斑塊數量比例和最大斑塊指數均呈下降趨勢。由此判斷，雖然拉林河流域在1976—2015年間人類活動逐漸加強，但景觀的破碎化程度呈下降趨勢。

3.3 流域景觀指數動態

從景觀總體特征(表3)來看，拉林河流域1976—2015年斑塊數量下降明顯，由7 468個下降至6 965個，此外，斑塊密度、斑塊分維數、景觀形狀指數、香農多樣性指數、香農均勻度指數、景觀優勢度指數均呈下降趨勢，而流域的最大斑塊指數呈上升趨勢，說明流域景觀破碎度逐漸降低，集中分布的趨向性愈加明顯。

表3 拉林河流域1976—2015年景觀水平指數

4 土地利用變化的區域生態環境效應分析

拉林河流域農業開發歷史悠久，20世紀80年代中期以來，流域經濟快速增長，由傳統農業向集約化農業大力發展。然而，在經濟利益驅動下，人們不合理開發利用自然資源，土地利用/覆被的顯著變化導致了諸多環境問題，流域生態環境趨于脆弱，阻礙了區域經濟的可持續發展。

4.1 林地、草地面積縮小，耕地面積增加，土壤侵蝕日趨嚴重

1976—2015年，拉林河流域林地面積減少了15.43萬hm2，草地面積減少了6.56萬hm2，減少的林地和草地主要轉化為耕地，期間耕地面積增加了24.90萬hm2。以上面積的變化主要是人類活動導致的，拉林河流域2013年糧食總產量近1 000萬t，左岸榆樹市連續8年為全國產糧第一縣，右岸五常市是我國優質稻米之鄉，在市場因素驅動下，近年來作物種植面積不斷增加[5]，流域內大面積的林地和草地轉化為農田。

隨著流域土地利用類型的改變，土壤侵蝕成為流域嚴重的生態問題之一。第一次全國水利普查結果表明，流域土壤侵蝕面積5 501.54 km2，占流域總面積的27.61%[13]。在流域上游的山地丘陵區，土壤侵蝕更為嚴重。拉林河上游的黑龍江省部分，土壤侵蝕面積占總面積的94%，強烈、輕度和中度水力侵蝕為主要的侵蝕強度類型[10]。這是因為上游山地面積大，在地質構造、巖性、土壤性質、暴雨徑流，以及陡坡墾殖導致森林植被減少等內外因素影響下，水土流失嚴重。

4.2 水資源短缺，水體污染嚴重，水質惡化

目前，拉林河流域水資源開發利用程度相對較高，流域水質總體較差。流域內2013年總供水量為24.96億m3，其中地表水為17.54億m3，地下水為7.42億m3。流域現狀水資源開發利用程度為53.80%(近5年平均值)，其中地表水開發利用程度為46.42%，地下水開發利用程度達80.85%。此外，由于拉林河水資源年際間豐枯變化劇烈，年內分配不均勻，灌溉用水高峰期與天然來水枯水期重合，加之目前拉林河上缺少水資源調節工程，基本上是按水資源天然分配狀態開發利用，因此灌溉臨界期供需矛盾十分尖銳，存在著嚴重的季節性水資源短缺問題[4]。

拉林河流域地下水是黑龍江省哈爾濱市的五常市、尚志市、雙城區和吉林省的舒蘭市、榆樹市、扶余市農業灌溉和生活用水的主要來源之一，流域內分布有大量灌區，灌區開發過程中使用的化肥、農藥等會對流域水質造成一定影響。張正等[4]的研究結果表明，2007—2015年拉林河吉黑緩沖區2段水質為Ⅲ～Ⅳ類，水質狀況相對較差，超標因子為氨氮和總磷，其中氨氮和總磷全年過半數月份超標，氨氮最高超標1.4倍，總磷最高超標2.55倍。

拉林河流域地下水位動態變化具有明顯的周期性，然而隨著人工灌溉及局部地區開采深層承壓水和超量開采地下水等人類活動的影響，地下水位持續下降，地下水的動態平衡被打破。由于不合理的灌溉方式導致土壤中鹽分增多，拉林河下游平原灌區局部地區有零星鹽漬化現象出現。而拉林河流域地下水水質超標嚴重，66.7%的水質監測點地下水水質為Ⅴ類，水質超標因子主要為鐵、錳、氨氮、硝酸鹽4類[14]。拉林河流域是黑龍江省糧食主產區，2013年氮肥施用量高達3.1萬t，磷肥施用量為2.3萬t，年總氮流失量達8 019 t[7]，農業生產中化肥、農藥等的過量使用是地下水中氨氮、硝酸鹽含量超標的最主要原因。

隨著國家商品糧生產基地的進一步發展，拉林河流域的水生態面臨著水資源短缺和水質惡化的威脅，因此必須統籌好農業發展與河流、濕地保護的關系。

4.3 濕地面積萎縮，生態功能下降，生態環境惡化

沼澤濕地是天然的蓄水庫，具有重要的蓄水調洪等生態功能。拉林河流域自1949年后修建了眾多的水庫、灌區等，水庫的修建占用了林地、草地等，灌區的開發是開墾沼澤地或旱改水。將20世紀50年代與2015年的土地利用現狀圖進行疊加分析，發現拉林河流域有870 km2的泡沼濕地轉化為農田，其中轉換成水田的面積占沼澤濕地面積減少量的55%，轉化成旱田的面積占44%。轉換成水田的沼澤濕地主要集中在吉林扶余洪泛區濕地自然保護區、拉林河河口，以及卡岔河和牤牛河與拉林河的交匯區域內，這些區域大部分已經被開發成灌區，比如拉林灌區、友誼灌區、龍鳳山灌區、磨盤山灌區等，卡岔河沿岸的沼澤濕地雖然沒有被正式開發成灌區，但是已經被開墾成了水田。因此，灌區的開發是沼澤濕地面積減少的主要原因。

流域內的雙城區在20世紀70年代以前有濕地面積4萬余hm2，因20世紀70年代在沿松花江、拉林河的濕地開挖人工水渠，進行毀濕、毀草種地，再加上上游修建水庫、灌溉農田過度用水使來水減少，故整個流域濕地退化、沙化嚴重，原有濕地銳減到現在的2.7萬hm2[15]。

流域內有著豐富的生物資源，分布著4個自然保護區和2個森林公園。但1949年以來，特別是改革開放以來，一方面由于人口劇增，毀林開荒現象一直比較嚴重，使大量森林植被遭到破壞，另一方面由于經濟建設的需要，水利水電工程等的建設和灌區的大規模開發也對生態環境造成了嚴重破壞。

5 結 論

本研究基于已建立的拉林河流域資源環境遙感數據庫，定量分析了1976—2015年拉林河流域土地利用時空變化特點。研究表明，1976—2015年，隨著人口的增加和經濟的發展，拉林河流域耕地和建設用地表現出持續增長趨勢，且空間分布的集中性不斷變強；林地、草地和未利用地面積都為減少趨勢，而減少的林地和草地均轉化為耕地。不合理的農業開發已經引起拉林河流域土壤侵蝕量增加、土壤退化、河流水質惡化和生物多樣性減少等生態環境效應，亟待采取有效的措施對流域生態環境進行綜合治理。