根据土地利用现状分类标准^[12]中的分类体系,结合大清河流域实际现状建立耕地、建设用地、林地、草地、水体、未利用地6个地类。首先,利用面向对象的分类软件eCognition对遥感影像进行分割,把图像分割成若干个互不相交的非空子区域,即分类对象。然后,通过波段计算得出改进后的归一化水体指数(MNDWI)、归一化植被指数(NDVI)、归一化不透水面指数(NDISI),结合高程、坡度等信息建立适用于大清河流域的决策树分类模型,如图2所示,依此法进行土地利用信息提取并结合少量人工判读方法,获取1974—2019年8期的大清河流域土地利用分类结果。本研究制图精度均在87.35%以上,平均制图精度达92.31%。

图2 决策树分类模型

(1)土地类型年动态率与类型转移矩阵。土地利用类型年动态率以及类型转移矩阵能反映一段时期内土地类型变化情况^[13],土地类型年动态率指从起始年份到终止年份不同土地利用类型面积数量与所占百分比变化,计算方法如下:

式中:K为所研究类型土地的变化率; U_a,U_b分别为研究期初、末所研究类型土地利用类型面积; T为研究时长。

土地利用转移矩阵的理论基础是系统分析中对系统状态与状态转移的定量计算^[14]。通常土地利用转移矩阵中行表示T₁时刻土地利用类型,列表示T₂时刻土地利用类型。P_ij表示T₁-T₂期间i土地类转换为j土地类型占i土地总面积的百分比; P_ii表示T₁-T₂期间i土地利用类型仍保持不变的面积百分比。基于各年份的土地利用类型结果数据进行分析,并制作土地类型转换矩阵以及土地利用类型动态空间分布图。

(2)景观格局指数分析。景观格局指数通过对景观格局信息的抽象化,可以反映该地区土地结构组成与空间配置特征^[15]。根据研究区特点选取类型水平指数与景观水平指数两方面进行研究,其中类型水平指数选取斑块密度PD(Patch Density)、聚集度指数COHESION(Patch Cohesion Index)、面积加权平均分维数FRAC_AM(Area-Weighted Mean Fractal Dimension Index)、最大斑块指数LPI(Largest Patch Index)。通过类型水平上的景观指数计算,可以得出该区域不同土地类型的空间斑块在空间上的异质性和聚集度,以及不同类型土地所受人为干扰程度。在景观水平指数中选取聚集度指数CONTAG(Contagion Index)、斑块个数NP(Number of Patches)、香农多样性指数SHDI(Shannon's Diversity Index)、景观形状指数LSI(Landscape Shape Index)。通过对景观水平上的景观指数计算,可以得到大清河流域不同类型土地在整个研究区空间占优程度、景观形状、空间联通性及景观破碎程度^[16]。

如图3—4所示,2019年,大清河流域建设用地在平原地区分布广泛,呈现“棋盘式”分布,在西部、中西部地区多呈不规则聚集分布,可达11 117 km²。

耕地呈现先增后减趋势,分布在东部、中部平原以及中西部居民点周围,面积为29 175 km²; 水体面积受降水、蒸发以及下垫面等的综合影响,最终面积约为1 580 km²; 草地面积多年来基本稳定,多分布在耕地、林地周围,面积约为3 781 km²; 林地主要分布在西部山区、中西部低山丘陵区,受前期垦荒与后期保护的双重影响,面积为23 999 km²; 未利用地区多分布于东部、中部地区的居民点周围,面积约为227 km²。

图3 1974-2019年大清河流域土地利用类型面积变化

不同时期的土地政策对于土地资源分配具有重要影响以及强制约束力,1982—1986年“5个一号文件”的重要指导作用,使得粮食产量达历史最高,农村建设用地不断增大,标志着土地资源意识开始觉醒。1997年《关于进一步加强土地管理切实保护耕地的通知》、2000年《关于促进小城镇健康发展的若干意见》、《关于进一步做好退耕还林还草试点工作的若干意见》3个重要文件进一步规范了城镇土地利用,对于耕地保护、提高土地利用率具有重要意义,标志着对于土地的保护政策体系基本形成。2007年,“18亿亩耕地红线”的划定标志着对于土地保护体系的日趋完善。为提高研究区土地利用特征描述的科学性与合理性,将1974—2019年划分为三大阶段,即1974—1988年、1988—2001年、2001—2019年。

图4 1974-2019大清河流域土地覆被变化

根据流转面积的大小,该流域土地利用类型流转的主要方式包括以下几种变化形式,依次为:耕地转化为建设用地、林地转化为耕地、林地退化为草地、裸地转化为耕地、裸地转化为建设用地、草地转化为耕地。除了林地与草地的相互流转外,其余5种转化形式都与耕地与建设用地有关。由此可知,大清河流域土地利用变化的核心类型是耕地与建设用地。

如表2所示,建设用地的转入类型在在前期主要以草地、未利用地为主,后又挤占大量耕地。1974—1988年,虽然增速较大,但主要是草地和未利用地转化为建设用地; 在1988年以后占用耕地现象频发。由此可知,在进行城市扩张的初期,为了保证粮食产量,先将未利用土地以及草地开发为建设用地,而后随着城镇化的加快,在有限的土地资源制约下,建设用地侵占耕地问题日益突出。

如表2—4所示,耕地的转入主要以草地、未利用地为主,同时也存在部分池塘、湿地退化为水田,将丘陵地区林地开垦为耕地。在1974—1988年,未利用地、草地的开垦比率较大,水田开垦比例在23.74%。如表3所示,1988年之后草地、未利用地的开垦比例开始下降,这是因为草地等类型土壤肥力较好、开垦难度较低。后期能继续开垦的草地面积已经很小。由于水田的经济效益明显好于旱地,使得湿地退化为水田、耕地现象严重^[17]。

耕地的转出地类主要以建设用地、草地、林地、未利用地为主。在1974—1988年,耕地面积呈扩张趋势,几乎没有转出; 在1988年后,出现建设用地加速侵占耕地的趋势。如表4所示,在2001—2019年,建设用地侵占耕地面积已达13.90%。同时由于退耕还林还草的政策影响,分别有10.05%,4.29%的耕地流转为林地、草地。

表2 1974-1988年土地利用类型转移矩阵

表3 1988-2001年土地利用类型转移矩阵

表4 2001-2019年土地利用类型转移矩阵

1974—2019年,大清河流域土地利用类型变化动态如图5所示,该地域土地类型变化特征主要包含以下两个方面:

(1)建设用地呈现连续扩张趋势,且主要分布在东部、中部平原与西部的高山盆地,多以耕地或林地转化为建设用地。1974—2019年,在东部地区,共计有8 325 km²面积的耕地转化为建设用地; 从扩张规模与区域看,城市建设用地扩张规模大于农村、东部大于西部、平原大于山区; 从扩张速度看,建设用地增幅不断加大,在3个时期内建设用地扩张速度分别为:91.85 km²/a,220.30 km²/a,341.28 km²/a。建设用地对耕地的侵占呈现加剧趋势,围绕中心城区“摊大饼式”扩张问题突出。1988年之后,东部、中部平原地区加大了对草地、未利用的开发程度,分别有402 km²,1 053 km²的草地、未利用地成为建设用地。

(2)1974—1988年,耕地处于单向转入期且面积显著增加。耕地的扩张主要在中西部低山丘陵区,集中于保定市太行山东麓,将水土肥力较好的林地开垦为耕地,开垦面积达3 391 km²; 1988年之后,耕地变化由单向转化变为双向转化,耕地转入、转出程度剧烈,垦荒速度放缓。耕地的转入由初期的城镇周边变为边远地区、由大清河上游变为下游、由开垦旱地变为开垦水田、由大范围开垦变为小区域垦荒。同时又出现,原先开垦的耕地又被建设用地挤占,这在中部的保定中心城区、北京房山区、天津的大港区表现明显; 2001年后,耕地变化程度加剧。中西部地区的早期开垦的耕地出现退耕还林还草现象,分别有3 477 km²,1 485 km²耕地重新变为林地、草地。在此时期,耕地的转入量小于耕地的转出量。

人口的持续增长对土地利用的空间格局产生影响。1980—2017年大清河流域总人口由2 136万增长至2 842万,增长33.05%,平均增长速度为19.08万人/年。在人口的持续增长与有限的土地资源矛盾中,一方面,新增人口引发新增的就业、住房等社会需求,并由此促进经济发展、加速城镇化建设; 另一方面,人口的快速增长带来新的劳动力,由此带来的经济发展间接加速了流域内土地利用类型的流转。

从1988年后,农村建设面积对耕地的侵占成为耕地重要流向,约占耕地流出总面积的28.18%,面积可达2 898.75 km²。农村建设用地的增加,其主要原因是农村人口数量扩张以及农村人均居住面积增大。

将大清河流域县级年鉴统计资料与遥感图像结合,分析农村人口增加与居民地扩张之间的关系,由图9可知,在人口不断增长的情况下,农村建设用地面积与人口数量呈正相关,即农村人口数量的增长是农村建设用地变换的主要原因之一。除人口总量之外,随着人均居住面积的加大,农村建设用地不断增长。因此,在大清河流域的农村地区,人口成为耕地转换为建设用地的重要原因之一^[21]。

图8 大清河流域气温、降水量、蒸发量变化

图9 大清河流域人口与土地关系

京津冀地区是我国经济发展的动力源之一,自1974年以来,特别是改革开放以后,京津冀地区人均GDP增长11.33%。经济的跨域式发展带来了大量的就业岗位。为了保障北京、天津在京津冀地区上发展核心地位,必须提供更多生产、生活空间。在有限的土地资源下,建设用地的扩张必然挤占了其他类型的土地。1988年后建设用地以4.64%的速度扩张的同时,耕地正以4.97%的速度锐减。同时由于城镇化的影响,大批农村人口进城务工,在1988年后共有4.29%的耕地撂荒。在2019年京津冀地区GDP较2000年增长75 232亿元,人均GDP增长26万元。尽管京津冀地区的经济得以快速发展,但是由于三地不同的政治地位、政府制度设计、非官方力量共同作用使得京津地区发展不平衡^[22]。如图 10所示,自1978年以来北京、天津、河北、人均GDP年增长率分别为10.0%,12.6%,15.4%。虽然河北地区经济增速最大,由于河北人均GDP净值较小,经济总量远落后于京津地区。在大清河流域内部,北京、天津、河北地区建设用地增速分别5.12%,5.74%,4.82%。由此可知人均GDP数量对于土地利用类型变化尤其是建设用地变化有显著影响。

图 10 京津冀地区人均GDP

政策制度对于土地转换具有强制性。家庭联产承包责任制,极大调动农民生产积极性,在1974—1988年,大清河流域耕地面积增加4 866 km²,但是过度的垦荒造成了生态环境的恶化。由于大清河流域对京津冀地区的重要生态作用,2001年开展“退耕还林还草”工作,太行山绿化工程成为我国十大林业重点工程之一^[23]。实施以来,在大清河流域中西部地区开展了广泛的封山育林、退耕还林、开荒种树工作,在2001—2019年,耕地面积下降15.67%,林地、草地面积分别增长1 390 km²,2 435 km²。

近年来,耕地保护需求与城镇化建设扩张的冲突明显,中国以7%的耕地面积养活了21%的人民^[24],人多地少的现状使得耕地保护成为基本国策。然而在城镇化进程中,由于城市扩张必然导致的城镇建设面积增大,使得耕地与建设用地使用的冲突加剧。在大清河流域,1974—2019年耕地流出面积约为10 252 km²,其中建设用地占用已达7 866 km²,占耕地流出总面积的76.73%。由于耕地保护以及近年来关于农村土地“三权分置”政策的有效实施。46 a间,在耕地流失面积最大的区域也是耕地流入量最大的区域。在该流域共有7 569 km²的其他类型土地转化为耕地,约占耕地流出总量的73.82%,耕地保护政策在很大程度上缓解了耕地与建设用地的冲突^[25]。