黃浦江上游水源保護區土地利用動態及驅動力分析

吳健 陳力 邱思靜 鄢忠純 蘇敬華 胡禮庭 王敏

摘要：基于0.25m分辨率航空遙感數據和土地利用及地形圖等資料，通過人工目視解譯，得到2000年、2005年、2010年和2015年上海市黃浦江上游水源保護區土地利用數據，進一步分析了各類土地利用面積變化、相互轉化以及驅動力。結果表明，從2000—2015年，隨著工業用地的增長，農業用地及水域面積都出現了縮減，城鎮用地面積比例上升。15年間，農業用地中，耕地、畜禽養殖用地面積大幅減少，降幅分別為44.17%、71.65%;水域面積降幅為6.44%;綠地林地面積大幅增加，增幅為645.94%。城鎮用地面積大幅增加，增幅為53.53%，其中各類城鎮用地面積都有所增加，工業倉儲面積增幅最大，為21.77%。從土地轉出情況來看，15年間耕地轉出面積最大，為22839.96hm2;畜禽養殖用地的轉出率最高，為91.23%。從土地轉入情況來看，15年間綠地林地轉入面積最大，為16190.32hm2;其次是工業倉儲用地轉入面積，為7979.12hm2.綜合2000—2015年研究區域發展情況、人口變化、政策影響等多種因素，分析可知城市化、工業化作為驅動力增加城鎮用地面積，環境政策影響綠地林地面積、畜禽養殖用地面積，市場調節影響水產養殖用地面積，而水源保護區土地利用類型受環境政策以及城市化雙重作用影響。

關鍵詞：黃浦江;水源保護區;土地利用;驅動力

中圖分類號：X21，X52文獻標志碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2021.02.011

AnalysisoflandusedynamicsanddrivingforcesofwatersourceprotectionareasintheupperreachesoftheHuangpuRiver

WUJian1，2，CHENLi2，3，QIUSijing4，YANZhongchun1，SUJinghua1，HULiting2，WANGMin1

（1.ShanghaiAcademyofEnvironmentalSciences，Shanghai200233，China;2.SchoolofEcologicalandEnvironmentalSciences，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200241，China;3.HangzhouSchoolAffiliatedtoEastChinaNormalUniversity，Hangzhou310000，China;4.LaboratoryforEarthSurfaceProcesses，CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences，PekingUniversity，Beijing100871，China）

Abstract：Usingacombinationof0.25mresolutionaerialremotesensingdataandtopographicmaps，thelandusedatafortheShanghaiHuangpuRiverWaterSourceProtectionAreain2000，2005，2010，and2015wereevaluatedbymeansofmanualvisualinterpretation.Withthegrowthofindustriallandfrom2000to2015，therehasbeenarelativedeclineintheproportionofagriculturallandandwaterareasandarelativeincreaseintheproportionofurbanlandareas.Inthepast15years，theareasusedforfarmingandcultivatinglivestockandpoultryhavedecreasedby44.17%and71.65%，respectively.Theareaofwaterreductionhasdecreasedby6.44%。Theareaofgreenlandforests，incontrast，hasincreasedby645.94%。Theareaofurbanlandhasincreasedby53.53%。Alltypesofurbanlandusehaveincreased，withtheareausedforindustrialstorageincreasingthemostat21.77%。Fromtheperspectiveoflandtransfer，theareaofcultivatedlandtransferredoutwardwasthelargestinthepast15years，accountingfor22，839.96hectares，andthetransfer-outwardrateoflivestockandpoultryfarminglandwasthehighestat91.23%。Theareaofgreenlandforeststransferredinwardwasthelargestat16190.32hectares;thetransferofindustrialstoragelandinwardwasthesecondlargestat7979.12hectares.Basedonananalysisofdevelopmentintheregion，populationchanges，policyimpacts，andotherfactors，ourresultsindicatethaturbanizationandindustrializationdrovetheincreasesinurbanlandareas;moreover，environmentalpoliciesaffectedgreenlandareasaswellaslivestockandpoultryfarminglandareas，marketregulationsaffectedaquaculturelandareas，andenvironmentalpoliciesandurbanizationaffectedwatersourceprotectionareas.

Keywords：HuangpuRiver;watersourceprotectionarea;landuse;drivingforce

0引言

土地利用/土地覆被變化（LUCC）是人類活動與自然環境相互作用最直接的表現形式，也是人類社會經濟活動與自然生態過程交互和連接的紐帶[1-2]，土地利用的類型、格局和強度對碳、氮和水等物質循環以及生態系統服務產生不同的影響，也關系到資源環境的可持續利用與發展[3-5]。土地利用/土地覆蓋變化的主要驅動力是人類自身[6]。飲用水源保護區一般是指為了獲得清潔安全的水資源建立的、以集中供水取水口為中心的地理區域[7-8]。黃浦江上游水源保護區是上海市主要的水源地之一，供水規模一度達5×106m3/d，曾承擔全市超過50%的飲用水供給量[9]。黃浦江上游水源保護區受人為因素及人類活動影響較大，以往針對該區域的研究多集中于環境質量或生態效益領域，主要分析該水源保護區水質、水環境、農業環境、生態涵養林生態效應等方面[9-16]，較少學者從土地科學的視角詳細全面地分析其土地利用的時空變化。因此，為豐富該事關民生“熱點區域”的研究，本研究以上海市黃浦江上游水源保護區為研究區域，分析2000—2015年土地利用變化的時空格局，揭示水源保護區土地利用變化的基本特征及其主要驅動力，為后續水源保護和管理提供科學依據。

1研究區域與方法

1.1研究區概況

黃浦江為湖源型感潮河流，上游地勢平坦，屬于湖泊相沉積平原，坡度平緩，土質以黏土為主，表層地貌受人類活動影響，形成塘浦河渠縱橫貫通的格局。該研究區域地處長江三角洲沖積平原河網地區，屬于亞熱帶海洋性季風氣候，氣候濕潤、四季分明、光照充分、熱量豐裕、降水充沛，年平均氣溫16℃，全年無霜期230d，年平均降水1074.2mm。為了提高飲用水水源水質，保證市民飲水安全，1985年以來上海市先后通過《上海市黃浦江上游水源保護條例》《上海市飲用水水源保護條例》及其實施細則，確定了由奉賢區、金山區、閔行區、青浦區、松江區、浦東新區和徐匯區部分地區組成的水源保護區，面積達1058km2，占上海全市總面積的16.6%[17]，具體研究區域范圍詳見圖1.

上海市2015年生產總值（GDP）為24964.99億元，用于環境保護的資金投入708.83億元，相當于上海市生產總值的2.8%。隨著近年來水源保護措施的實施與加強，飲用水源區工業發展受到一定限制，但以工業為主導的產業現狀仍在一定程度上加大了水源保護的難度[9，14]。

1.2數據來源及處理

本研究的數據以0.25m分辨率航空遙感影像為基本參照，以上海城市坐標為定位體系，同時參考相關的土地利用資料和地形圖資料進行綜合分析判斷，由人工目視解譯而成。針對上海地形圖進行了遙感影像定位匹配的幾何正射矯正，確保土地分類解譯所得的用地圖斑具有較高的定位精度;將遙感影像無縫鑲嵌，以方便土地分類解譯時的判斷和邊界提取;為了更加準確地對土地類型進行區分，將土地利用類型直觀化，結合航空遙感圖像建立了遙感解譯標志，最終得到2000年、2005年、2010年和2015年黃浦江上游水源保護區土地利用數據。根據城市生態系統中土地利用/土地覆蓋標準（DB31/T314.1—2004），本研究將土地劃分為城鎮用地、農業用地、水域及其他用地（在建或待建用地）4種一級地類，其中城鎮用地包括工業倉儲、交通、公共建筑、居住、市政設施5種二級地類用地，農業用地包括綠地林地、耕地、畜禽養殖、水產養殖4種二級地類用地，共11種用地類型[18]。

1.3研究方法

1.3.1土地利用類型變化率

土地利用類型變化率表達的是研究區一定時間范圍內某種土地利用類型的數量變化情況[19-20]，其計算公式為

式（1）中：V為研究時段內某一土地利用類型的變化率;Ua和Ub分別為研究期初及研究期末某一種土地利用類型的數量;T為研究時段長，當T的時段設定為年時，V的值就是該研究區某種土地利用類型的年變化率。

1.3.2土地利用類型轉移矩陣分析方法

轉移矩陣可全面而具體地分析區域土地利用類型變化的結構特征與各類型變化的方向。該方法來源于系統分析中對系統狀態與狀態轉移的定量描述，為國際、國內所常用。具體為

式（2）中：n代表土地利用類型數;i、j分別代表研究期初與研究期末的土地利用類型;Sij代表研究期內土地利用類型i轉換為土地利用類型j的面積。

轉移矩陣的意義在于它不但可以反映研究期初、研究期末的土地利用類型結構，而且可以反映研究時段內各土地利用類型的轉移變化情況，便于了解研究期初各類型土地的流失去向以及研究期末各土地利用類型的來源與構成[20-21]。

1.3.3Circos可視化方法

Circos是由開發語言Perl編寫的一款原計劃用于可視化生物基因組數據的軟件，鑒于其能夠實現多種數據的可視化，目前被廣泛運用于多個領域[22-23]。Circos軟件能將矩陣轉化為可視化效果更好的弦圖，計算不同用地情況的流動轉化情況，對土地數據在不同類別中轉化情況的時空可視化分析。

2結果與分析

2.1各類土地利用面積變化

2000年、2005年、2010年、2015年水源保護區不同土地利用類型的面積及分布情況如圖2、圖3所示。

從農業用地來看，其是水源保護區的主要用地類型，2000年研究區域內農業用地（包括綠地林地、耕地、畜禽養殖用地、水產養殖用地）為75358.67hm2，占總面積的64.52%，但到2015年下降到36.16%，用地轉出較明顯。2000—2005年，農業用地中綠地林地用地、水產養殖用地面積擴增，二者分別以196.98%、46.61%的增幅擴增了4541.60hm2、2760.58hm2，而耕地和畜禽養殖用地分別以26.31%和15.99%的減幅減少了17554.84hm2和65.70hm2;2005—2010年，在農業用地中，只有綠地林地面積以137.81%的增幅增加了9436.16hm2，而其他農業用地均出現縮減，耕地、畜禽養殖用地、水產養殖用地面積分別減少了10844.84hm2、170.01hm2、567.43hm2，減幅分別為22.06%、49.26%、6.54%;2010—2015年，農業用地同前5年變化相似，只有綠地林地面積以5.62%的增幅增加了915.11hm2，耕地、畜禽養殖用地、水產養殖用地面積分別減少了1067.54hm2、58.63hm2、3251.61hm2，降幅分別為2.79%、33.48%、40.07%。

從城鎮用地來看，2000年城鎮用地（包括工業倉儲、交通、公共建筑、居住）為22638.64hm2，占總面積的19.38%，但到2015年上升到30.32%，呈快速增長態勢。2000—2005年，城鎮用地中的每一地類均有所增加，工業倉儲、交通、公共建筑、居住分別增加了3399.69hm2、997.83hm2、655.19hm2、616.08hm2，增幅分別為52.90%、39.31%、41.35%、5.14%;2005—2010年，各類城鎮建設用地持續增加，工業倉儲、交通、公共建筑、居住用地面積分別增加了2634.70hm2、969.70hm2、1097.31hm2、329.96hm2，增幅分別為26.81%、27.42%、48.99%、2.62%;2010—2015年，各類城鎮建設用地中除了工業倉儲略有下降外，交通、公共建筑、居住、市政設施分別繼續增加747.66hm2、7.77hm2、421.37hm2、914.89hm2，增幅分別為16.59%、0.23%、3.26%、465.24%。

從水域來看，2000年水域面積為17101.73hm2，占比14.64%，2015年下降到13.70%。2000—2005年，水域面積減少263.66hm2，減幅1.54%;2005—2010年，水域縮減面積多于前一個5年，以3.68%的減幅減少了619.43hm2;2005—2010年，水域面積以1.35%的降幅減少了218.82hm2.

15年間，耕地、畜禽養殖用地、水產養殖用地和水域均持續減少。耕地、畜禽養殖用地、水產養殖用地和水域減少面積分別為29467.22hm2、294.34hm2、1058.46hm2、1101.91hm2，減幅分別為44.17%、71.65%、17.87%和6.44%，其中耕地面積減少得最多，畜禽養殖用地減幅最高。剩余其他類別用地面積均為增加，其中綠地林地增幅為645.94%。

從空間分布來看（見圖3），耕地分布于整個研究區內，水域、水產養殖用地分布在淀山湖及其附近的小型湖泊周邊，綠地林地主要分布于黃浦江干、支流沿岸及鄰近地帶，而工業用地集中于水源保護區下界，即松江區及閔行區的部分工業區內，公共用地分布在工業用地或居住用地集中區域。

2.2土地利用的相互轉化

從轉移矩陣可以看出（見表1和圖4），15年間的主要變化體現在耕地的轉出上。2000—2005年耕地主要轉出方向為綠地林地、水產養殖、工業倉儲和其他用地，其中綠地林地占比最大，為23.75%;2005—2010年耕地主要轉出方向仍為綠地林地，占比高達54.50%，同比增長91.90%;2010—2015年耕地轉出放緩，轉為綠地林地占比為34.22%，同比下降79.00%，同期水產養殖用地大量轉入耕地。

從各類土地的轉出來看，15年間耕地轉出面積最大，主要轉向為綠地林地、工業倉儲、其他用地，轉移面積分別為13769.05hm2、5970.27hm2和3100.64hm2.畜禽養殖用地的轉出率最高，為91.23%，主要轉移為工業倉儲和其他用地。其次為其他用地，其轉出率為90.77%，主要轉移為工業倉儲、居住和綠地林地，轉移面積為351.01hm2、386.09hm2和260.29hm2.水域中有721.01hm2轉移為耕地，除此之外，還向綠地林地、居住、工業倉儲和其他用地轉移。居住用地則主要轉移為耕地、工業倉儲和其他用地。

從各類土地轉入情況來看，綠地林地的轉入面積最大，有13769.05hm2來自于耕地，除此之外，還有水產養殖用地和居住用地及其他類型的少量轉入;流向耕地的4297.94hm2土地中，有1486.94hm2來自于水產養殖用地，其他類型的轉入量很少;工業倉儲及居住用地的轉入也都主要來自耕地，共5970.27hm2;其他用地的轉入增幅最大5736.43hm2的轉入面積中，有3100.64hm2來自耕地，而853.02hm2的居住用地和610.92hm2水產養殖用地的轉入也是其他用地比較主要的轉入來源。從空間分布來看，耕地向工業用地轉換主要集中在閔行區、松江區原有工業區外圍;耕地向水產養殖用地的轉入，主要集中在上游湖區附近;綠地林地由其他地類的轉入主要發生在黃浦江干、支流沿岸;耕地與居住地相互轉化使居住用地的分布更加集中;在工業區、居住區集中地，部分工業用地、居住用地轉化為公共建筑。總的來說，15年間水源保護區的土地類型轉化促成了耕地大量流失并破碎化、綠地林地沿江分布、工業重心更加集中于水源保護區下界的格局。

2.3土地利用變化驅動力分析

2.3.1城鎮用地變化驅動力分析

15年間，大量農村人口不斷向城鎮聚集，城鎮化水平不斷提高。伴隨著城市開發程度加強[24-27]，黃浦江上游地區各類城鎮用地（工業倉儲、交通用地、公共建筑、居住用地、市政設施等）面積都持續增加。與此同時，上海市以“推進土地向規模經營集中、推進工業向園區集中、推進農民居住向城鎮集中”為主要內容的“三個集中”推進郊區城鎮化發展的政策在土地管理中發揮了重要作用[28]。這些政策促使閔行、松江工業區的規模擴大，形成了更大的工業產業集群，并在工業區附近建設了集中的住宅區。伴隨著城市化進程，城市人口增加促使居住用地面積增加。在這些人口密集的工業區、住宅區中心又興建了大量的公共建筑，而原本分散的居住地復墾為耕地或轉變為工業區一部分。無論是工業發展還是人口增加，對市政交通的需求都會增強，因而造成交通運輸、市政設施用地的增加。不過，2009年《上海市飲用水水源保護條例》實施以后，由于水源保護生態補償制度的建立，以及對新增排污建設項目的限制，黃浦江上游地區工業用地快速擴張趨勢得到遏制。2010—2015年期間，工業用地總面積略有下降。環境基礎設施的不斷完善，也削弱了生產生活污染排放對水質的影響。對社會經濟要素和土地利用進行相關性分析，結果顯示，總人口數量和城鎮用地總量呈極顯著正相關（r=0.99，p<0.01），工業總產值和城鎮用地總量呈顯著正相關（r=0.96，p<0.05），表明人口導入以及工業發展是城鎮用地快速擴張的源動力。

2.3.2耕地變化驅動力分析

自2003年起，上海市啟動了黃浦江水源涵養林建設工程，這項生態工程建設使得15年間耕地向綠地林地轉化面積占耕地總轉出面積的41.12%，黃浦江干、支流沿岸的耕地大面積轉化為綠地林地[29]。同時，工業化、城市化過程也侵占了大量耕地，這是由于水源保護區大多數為郊區，隨著15年間上海市城市化進程的提速，大量耕地轉化為工業倉儲、交通用地、公共設施及居住用地，城市化與耕地保護矛盾進一步凸顯。另外，近年來，水產品和漁業生態服務的需求持續上升[30]，受市場需求變化的影響，上海市在“十五”期間積極推動水產品產業發展，其中“三帶一環一港”包括了環淀山湖6666.67hm2淡水蝦類和特種魚優勢產業帶[31-32]。因此受市場需求、政策導向的影響，環淀山湖地區部分耕地轉化為水產養殖用地，出現了向水產養殖業發展的農業轉型趨勢。從轉移矩陣還可以看出，在耕地大量流向綠地林地、工業倉儲等類型的同時，還存在反向流動，耕地總轉入量達到3634.49hm2，這是由于上海市在推進郊區城鎮化發展時“三個集中”及“宅基地復墾”的政策驅動了區域內部的空間結構調整。

2.3.3綠地林地、畜禽養殖用地變化驅動力分析

自2003年起，黃浦江水源涵養林建設工程啟動，按江河兩側200m寬度規劃實施，共涉及青浦、松江、金山、奉賢、閔行5個區18個鄉（鎮）。2009年頒布的《上海市飲用水水源保護條例》進一步明確，飲用水水源保護區和準保護區內應當預留水源涵養林用地。其目的一方面是阻止農業、工業及生活污水向河道直接排放，起到截污作用;另一方面保持水土、涵養水源，可以在一定程度上對生態建設起到積極作用[30]。因此，15年間綠地林地用地面積顯著增加，增幅達645.94%，黃浦江干流、主要支流沿岸及附近區域植被覆蓋狀況明顯改善。

2014年，上海頒布《上海市畜禽養殖管理辦法》，將畜禽養殖分為禁止養殖區、控制養殖區和適度養殖區。2005年，黃浦江上游水源保護區劃為畜禽禁養區，全面清退區域內部畜禽養殖。為了保證水源地安全，水源保護區內200多家規模化畜禽場搬遷或關閉，畜禽養殖用地面積在15年間持續減小，減幅達到71.65%。根據孫焱婧等[33]的研究，黃浦江上游水源保護區，養殖場產生的有機污染（COD/BOD）占總污染的30%左右，水質存在的問題主要是氨氮和總大腸桿菌超標，因此，該環境調控政策可以有效減少畜禽養殖糞便等對水質的破壞，有效地改善水源保護區水質。

2.3.4水域變化驅動力分析

值得注意的是，研究區雖然為水源保護區，但水域面積出現了少量縮減的現象。15年內水域面積減少了1101.91hm2，減幅為6.44%。分析轉移矩陣可以發現，水域主要轉移為耕地、水產養殖用地、綠地林地、居住用地和工業倉儲，轉移類型比較豐富。這種土地利用的變化可能與研究區所處地理環境有關，研究區處于長江三角洲沖積平原，河網發達，小規模河塘較多，在農業用地、城鎮建設過程中，一些小型水域會被填平，導致水域面積減少。因此，水域變化的驅動性因素主要是人為因素。

3結論與展望

（1）上海黃浦江上游水源保護區土地利用數據（2000年、2005年、2010年及2015年）分析結果表明，農業用地和水域面積減少，城鎮用地面積增加。農業用地中，耕地、畜禽養殖用地面積大幅減少，綠地林地面積大幅增加，水產養殖用地面積有所增加，而每類城鎮用地面積都有所增加。說明第一個5年為耕地開發建設階段與大力加強生態環境改善階段;而第二個5年為建成階段，這部分耕地經歷了建成為工業倉儲、居住用地、交通、公共設施的過程;第三個5年為生態環境改善的穩定階段。因此可以看出，城市化、工業化的驅動會增加城鎮用地面積，而政策可以影響土地類型的空間布局。

（2）轉移矩陣及土地利用空間分布分析結果表明，2000—2005年，有4529.23hm2的耕地轉化為綠地林地用地，4491.57hm2耕地轉化為其他用地;2005—2010年，耕地仍主要轉為綠地林地，占轉出耕地面積比例高達54.50%，剩余耕地中大多數轉化為各類城鎮建設用地;2010—2015年，耕地轉為各項用地量逐漸平穩，并有大量水產養殖用地轉為耕地。耕地的大量減少和破碎化應引起相關部門的高度重視，在后續政策制定時需多考慮耕地保護的問題。

（3）為提高飲用水水源水質，保證飲用水安全，上海不斷加強飲用水水源保護，先后頒布《上海市黃浦江上游水源保護條例》《上海市飲用水水源保護條例》等地方法規。分析土地利用驅動性因素發現，以綠地林地面積大幅增加、畜禽養殖面積減少為特征的農業用地變化，主要受相關環境政策的影響，而水產養殖用地的增加可能受政策和市場因素調節;城鎮建設用地對耕地的侵占，主要受城市化進程的影響，城鎮建設用地的空間布局受城鎮化建設的相關政策約束。自《上海市黃浦江上游水源保護條例》《上海市飲用水水源保護條例》等法規政策實施以來，飲用水水源保護生態補償財政轉移支付等相關制度的建立，以及限制畜禽養殖、嚴控新建項目等水源保護政策的出臺，促進了區域內社會、經濟、環境的協調發展。因此，水源保護區的土地利用類型主要是受政策及城市化進程的影響。城市化進程增加了水環境壓力，而環境基礎設施硬件及環境制度政策軟件的建立和完善則對水質有改善作用。值得關注的是，15年間土地利用類型的轉化使工業重心更大量集中于水源保護區下界，這勢必為該區域的生態環境保護帶來更大壓力，相關政府部門需持續加強監測監管。

（4）本文側重于分析15年間土地利用動態變化及驅動力，而相關土地管理政策對土地利用變化所造成黃浦江上游水源保護區的生態、環境的影響未做詳細說明。因此，下一步研究將側重于對土地利用變化相關的生態環境效應分析，為水源保護區土地資源的合理開發利用和土地管理提供理論參考和科學依據。

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（責任編輯：李萬會）