黃淮海流域水土資源時(shí)空變化特征分析案例1課題目的為了揭示黃淮海流域多年水土資源的時(shí)空演變過程，本章節(jié)基于6期土地利用數(shù)據(jù)、1998~2016年NDVI數(shù)據(jù)、2000~2015年NPP數(shù)據(jù)、1980~2016年降水?dāng)?shù)據(jù)，分別從時(shí)間、空間方面來對(duì)流域水土資源時(shí)空演變的動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行定量分析。2土地利用變化分析通過遙感解譯，將黃淮海流域土地利用劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6類，在ARCGIS軟件中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，得到1980、1990、1995、2000、2005、2010年六期土地利用數(shù)據(jù)（如圖3-1式），再對(duì)其進(jìn)行不同類型面積統(tǒng)計(jì)后，得出表3-1和圖3-2的土地利用現(xiàn)狀對(duì)比分析結(jié)果。從結(jié)果大致判斷，黃淮海流域在過去30年內(nèi)不同土地利用類型發(fā)生變化的數(shù)量及程度皆有不同。圖3-1黃淮海流域2010年土地利用現(xiàn)狀圖Fig3-1Landusemapof2015inHuang-Huai-HaiRiverBasin由表3-1和圖3-2可知，黃淮海流域主要以耕地、林地和草地為主，面積總和約占流域總面積的85.81%（2010年）。其中，耕地占比最大為41.02%，其次是草地約為31.60%，水域面積最小，占比僅有2.49%。在1980~2010年間，黃淮海流域建設(shè)用地面積整體上呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，而林地面積僅略微增加，草地、水域、耕地、未利用地面積呈現(xiàn)不同程度的降低趨勢(shì)。其中，耕地面積在不斷下降，整體從1980年的606996km2減小至2010年的594444km2，對(duì)全國(guó)面積的比例從41.88%減少到41.02%，減少率為2.07%，平均每年的減少速率約為418.4km2/年。特別是在2000~2005年間，耕地面積減少最多，為6857km2。草地面積先增加、后減少、再增加，但總體面積減少，從1980年的462870km2減少到2010年的457896km2，占比從31.94%下降到了31.60%，減少率為1.07%，平均每年的減少速率為165.8km2/年。在2000~2005年間草地減少面積最多，為2488km2。水域面積先是顯著減少、后有輕微增加，但總體上面積還是減少了，從1980年的37332km2減少到2010年的36074km2，占比從2.58%下降到2.49%，減少率為3.37%，平均每年減少速率為41.9km2/年，在1980~1990年水域面積減少最多，為2491km2。未利用地則先減少、后增加、再減少，總體面積還是減少了，從1980年的78179km2減少到2010年的77115km2，占比從5.39%下降到5.32%，減少率為1.36%，平均每年的減少速率為35.5km2/年。其中1990~1995年間未利用地面積減少最多，為2277km2。林地則是先輕微減少、后逐步增加，最終總面積增加了，從1980年的188948km2擴(kuò)大到2010年的191160km2，占比從13.04%增加到13.19%，增加率為1.17%，平均每年增加的速率為73.7km2/年。在2000~2005年間，林地面積增加最多，為2265km2。建設(shè)用地是唯一一個(gè)保持顯著增長(zhǎng)的土地利用類型，整體面積從1980年的74886km2增長(zhǎng)到2010年的92527km2，占比從5.17%增加到6.38%，增長(zhǎng)率為23.56%，平均每年的增加速率為588km2/年。1990~1995年和2000~2005年是建設(shè)用地面積增加值最大的兩個(gè)時(shí)間段，增量分別為4998km2和4868km2。總體上來看，1980~2010年間除建設(shè)用地和林地外，其余四類的面積都有減小，而耕地減小的速率最大為418.4km2/年。而建設(shè)用地則與之相反，呈現(xiàn)顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)，且增長(zhǎng)速率比耕地減少的速率還大，為588km2/年。耕地和草地面積減少最多的時(shí)間段為2000~2005年，水域面積減少最多為1980~1990年，未利用地面積減少最多為1990~1995年，而林地和建設(shè)用地面積增加最多的分別為2000~2005年和1990~1995年。上述現(xiàn)象表明，隨時(shí)間推移，黃淮海流域內(nèi)人類活動(dòng)對(duì)土地的開發(fā)利用水平逐漸變大，流域的社會(huì)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展速度越來越快。圖3-2黃淮海流域1980~2010年土地利用面積變化利用Arcgis軟件，分析1980~2010年間黃淮海流域土地利用空間變化特征，并進(jìn)行轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算，得到結(jié)果如表3-2和圖3-3。從圖表中可看出，在1980~2010年間，流域96.30%的地區(qū)土地利用類型未出現(xiàn)轉(zhuǎn)變。而出現(xiàn)轉(zhuǎn)變的區(qū)域中，耕地和草地轉(zhuǎn)出的面積較大，分別為23791km2和14591km2，其中耕地轉(zhuǎn)出面積的61.31%為建設(shè)用地，其次是轉(zhuǎn)為草地、水域；而草地轉(zhuǎn)出面積最多的為耕地，占比約40.76%，其次是轉(zhuǎn)為未利用地、林地。建設(shè)用地、耕地和草地轉(zhuǎn)入的面積較大，分別為17850km2、11239km2和9617km2，其中轉(zhuǎn)為建設(shè)用地區(qū)域的81.71%為耕地，其次是草地、水域；轉(zhuǎn)為耕地區(qū)域的52.92%為草地，其次是水域、未利用地；轉(zhuǎn)為草地區(qū)域的37.96%為耕地，其次是建設(shè)用地。多種土地利用轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出數(shù)據(jù)綜合來看，1980~2010年間耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、草地轉(zhuǎn)為耕地、草地轉(zhuǎn)為未利用地、耕地轉(zhuǎn)為草地、未利用地轉(zhuǎn)為草地所占面積較大，分別為14586km2、5948km2、3927km2、3651km2、3166km2。其中耕地轉(zhuǎn)建設(shè)用地主要分布在流域東部沿海的渤海灣區(qū)域，草地轉(zhuǎn)耕地主要分布在流域西北部的寧夏平原和河套平原區(qū)域，草地轉(zhuǎn)未利用區(qū)域主要分布在流域西南角的黃河源頭區(qū)域，耕地轉(zhuǎn)草地和未利用地轉(zhuǎn)草地區(qū)域主要分布在流域中部的黃土高原區(qū)域?？傮w上看，流域東部建設(shè)用地變化較大，主要是因?yàn)闁|部屬平原地帶，人口城市集中，由于城鎮(zhèn)化發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)需求導(dǎo)致建設(shè)用地變化。流域中部是草地、耕地變化較大，可能是因?yàn)橹胁繀^(qū)域存在有“塞上江南”和“塞外米倉(cāng)”之稱的寧夏平原和河套平原，近幾十年由于人口增長(zhǎng)，糧食需求較大，耕地變多。而草地變多則可能是因?yàn)樵邳S土高原區(qū)域，為了固土防沙，從而種植了大量草甸。流域西部未利用地變化較大，可能是由于該區(qū)域人煙稀少、土地貧瘠，難以利用。表3-21980-2010年黃淮海流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table3-2Landuse/coverchangematrixofHuangHuaiHaiBasinfrom1980to20152010年土地利用(km2)總計(jì)耕地林地草地水域建設(shè)用地未利用地1980年土地利用(km2)耕地58320523673651256414586623606996林地821185674187410939476188948草地5948271544827987111303927462870水域284113688831848102359637332建設(shè)用地10312385274677474886未利用地152625631666257177188978179總計(jì)594444191160457896360699252777115圖3-3黃淮海流域1980~2010年土地利用轉(zhuǎn)移變化空間分布圖Fig3-3SpatialtransformationmapoflanduseinHuangHuaiHaiBasinfrom1980to20103NDVI變化分析在ARCGIS軟件中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪與重投影（保證投影與土地利用數(shù)據(jù)一致），得到1998~2016年季度、年度NDVI數(shù)據(jù)。為反映流域內(nèi)植被覆蓋分布空間差異，對(duì)1998~2016年的年NDVI值取平均，得到圖3-4的黃淮海流域1998~2016年NDVI均值空間分布圖。由圖可知，黃淮海流域NDVI值值域?yàn)?.005~0.895，均值為0.63，整體分布是從東南至西北遞減。其中，NDVI高值區(qū)域主要集中在黃淮海東部的黃淮海平原地區(qū)，這里是我國(guó)重要的糧棉油生產(chǎn)基地，多數(shù)區(qū)域主要被用作耕地種植農(nóng)作物。NDVI低值區(qū)域主要集中于流域西北部的陰山山脈南部和內(nèi)流區(qū)附近，這里氣候地理?xiàng)l件較差，植被稀疏，分布著少量林地和草地。而在NDVI低值區(qū)域中，存在兩塊區(qū)域NDVI值較高，分別是河套平原和寧夏平原。這里地勢(shì)相對(duì)平坦，水土資源較好，農(nóng)用地面積較大，所以NDVI值偏高。總的來看，黃淮海流域NDVI均值的分布表現(xiàn)出明顯的經(jīng)度地帶性特征，并與流域三階地形分布相符。圖3-4黃淮海流域1998~2016年NDVI均值空間分布Fig3-4SpatialdistributionoftheNDVImeanintheHuanghuaihaiBasinfrom1998to2016黃淮海流域1998~2016年年NDVI時(shí)間變化趨勢(shì)如圖3-5所示。從時(shí)間變化上看，19a來流域年均NDVI整體呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，其線性回歸趨勢(shì)的斜率為0.0049。其中，1998、2011、2015年出現(xiàn)顯著下降，2012、2013出現(xiàn)顯著上升，其余年份的NDVI均值均穩(wěn)定在線性回歸直線附近，最大值出現(xiàn)在2013年為0.6774，最小值出現(xiàn)在1999年為0.5760。這說明，近些年來植被覆蓋情況相較于20世紀(jì)末有很大改善，國(guó)家開始逐漸重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)。圖3-5黃淮海流域1998~2016年年NDVI時(shí)間變化曲線圖Fig3-5AnnualNDVItimevariationcurvechartintheHuanghuaihaiBasinfrom1998to2016圖3-6黃淮海流域1998~2016年年NDVI空間變化趨勢(shì)和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果圖Fig3-6AnnualNDVIspatialvariationtrendandtrendsignificancechartintheHuanghuaihaiBasinfrom1998to2016基于一元線性回歸趨勢(shì)分析法對(duì)19a來NDVI空間變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3-6。1998-2016年年NDVI的變化斜率介于-0.042~0.058范圍內(nèi)，斜率大于零的區(qū)域?yàn)?7.06%，代表在這些區(qū)域年NDVI呈增加趨勢(shì)，與之相反，斜率小于零的12.94%區(qū)域年NDVI呈降低趨勢(shì)。其中，經(jīng)過顯著性檢驗(yàn)，存在55.55%的區(qū)域呈極顯著變化p<0.01），這些區(qū)域主要為NDVI趨勢(shì)變化中高度正增長(zhǎng)和高度負(fù)增長(zhǎng)分布地區(qū)；存在12.28%的區(qū)域?yàn)轱@著變化（p<0.05），主要為部分正增長(zhǎng)區(qū)域；剩下32.17%的區(qū)域變化趨勢(shì)不顯著。19a來流域年NDVI變化斜率整體上呈現(xiàn)中間高、兩端低的趨勢(shì)。其中NDVI顯著增長(zhǎng)的地區(qū)主要分布在黃土高原區(qū)域，這主要受當(dāng)?shù)囟嗄陙砥旅嬷卫?、溝坡?lián)合治理、小流域綜合治理和退耕還林草工程的影響，使得生態(tài)環(huán)境的改善異常明顯。到2017年時(shí)，黃土高原地區(qū)的植被覆蓋率較之于1999年（退耕還林、還草前）增大了約33%，入黃的泥沙量年均消減至兩億噸以下（國(guó)家林業(yè)和草原局政府網(wǎng)/中國(guó)科學(xué)報(bào)報(bào)告）。而NDVI顯著降低的地區(qū)主要分布在華北平原區(qū)域，這主要是因?yàn)樵摰刂饕脖粸檗r(nóng)作物，但近幾十年來由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城鎮(zhèn)化擴(kuò)張的需要，部分區(qū)域耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，使得NDVI值出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)現(xiàn)象?？偟膩碚f，黃淮海流域NDVI空間分布自東南至西北遞減。1998~2016年以來，流域年NDVI均值緩慢增長(zhǎng)中，67.83%的區(qū)域年NDVI變化趨勢(shì)顯著，主要增長(zhǎng)區(qū)域位于黃土高原，但在華北平原地區(qū)NDVI值存在零散降低的現(xiàn)象。4NPP變化分析在ARCGIS軟件中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪與重投影（保證投影與土地利用數(shù)據(jù)一致），得到2000~2015年季度、年度NPP數(shù)據(jù)。為探究流域內(nèi)植物凈初級(jí)生產(chǎn)力分布空間差異，對(duì)2000~2015年的年NPP值取平均，得到圖3-7的黃淮海流域2000~2015年NPP均值空間分布圖。從圖中可以看出，近16a來年均NPP分布具有較強(qiáng)的空間分異性，整體上呈現(xiàn)由東南至西北遞減的趨勢(shì)，值域?yàn)?~546g·C/(m2·年)，均值為225.48g·C/(m2·年)。其中，NPP高值區(qū)域主要分布于流域西南部瑪曲濕地和流域東南角華北平原區(qū)域?，斍鷿竦乇蛔u(yù)為“黃河之腎”，該地水源充足，草原遼闊，是亞洲第一天然優(yōu)質(zhì)牧場(chǎng)，故此區(qū)域NPP較高；而流域東南部的華北平原水熱條件較好，耕地農(nóng)田面積大，農(nóng)作物播種面積廣，NPP也較高。NPP低值區(qū)域主要集中在流域西北部的賀蘭山區(qū)和陰山南部?jī)?nèi)蒙古地區(qū)，這里自然條件差，NPP就偏低。在NPP低值區(qū)域，存在河套平原、寧夏平原兩處NPP值相對(duì)較高的區(qū)域，這是由于這兩地水源豐富，便于灌溉墾殖，使得其農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)，農(nóng)作物種植面積廣，NPP就偏高。圖3-7黃淮海流域2000~2015年NPP均值空間分布Fig3-7SpatialdistributionoftheNPPmeanintheHuanghuaihaiBasinfrom2000to2015為了解16a來NPP具體的時(shí)空變化趨勢(shì)，本研究基于已有年NPP數(shù)據(jù)分析了黃淮海流域2000~2015年年NPP時(shí)間變化曲線，結(jié)果如圖3-8。從其中可以得出，16a來年NPP均值呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，其線性回歸趨勢(shì)的斜率為2.4255。其中，2001、2011、2013年出現(xiàn)顯著下降，2004出現(xiàn)顯著上升，其余年份的NDVI均值均穩(wěn)定在線性回歸直線附近，最大值出現(xiàn)在2015年為267.38g·C/(m2·年)，最小值出現(xiàn)在2001年為199.84g·C/(m2·年)，最大值是最小值1.34倍?；谝辉€性回歸趨勢(shì)分析法對(duì)16a來NPP空間變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3-9。從空間變化趨勢(shì)來看，2000-2016年NPP的變化斜率介于-29~28范圍內(nèi)，NPP呈增加趨勢(shì)的區(qū)域?yàn)?1.68%，其中明顯增大的區(qū)域主要集中在黃土高原地區(qū)，這里由于退耕還林還草政策的影響，林地和草地種植規(guī)模擴(kuò)大，NPP值變高。而NPP呈減小的區(qū)域約為18.32%，其中減小趨勢(shì)明顯的區(qū)域主要集中在華北平原和呂梁山周邊地區(qū)。華北平原是由于城鎮(zhèn)化建設(shè)和社會(huì)發(fā)展所導(dǎo)致的耕地減少，NPP就下降；呂梁山周邊地區(qū)則是水熱資源不均衡，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，所導(dǎo)致的農(nóng)作物產(chǎn)量低，NPP值下降。而經(jīng)過顯著性檢驗(yàn)后，存在21.03%的區(qū)域?yàn)闃O顯著變化和16.32%的區(qū)域?yàn)轱@著變化，均主要分布于NPP變化趨勢(shì)高度正增長(zhǎng)和高度負(fù)增長(zhǎng)的地區(qū)；剩下62.65%的區(qū)域，NPP變化趨勢(shì)不顯著?？偟膩碚f，黃淮海流域NPP空間分布自西北至東南遞增。2000~2015年以來，流域年NPP均值緩慢增長(zhǎng)中，37.35%的區(qū)域年NPP變化趨勢(shì)顯著，主要增長(zhǎng)區(qū)域位于黃土高原，但在華北平原和呂梁山周邊地區(qū)NPP值存在部分降低的現(xiàn)象。整體上NPP的空間分布和時(shí)空變化同NDVI相近，符合客觀規(guī)律。圖3-8黃淮海流域2000~2015年年NPP時(shí)間變化曲線圖Fig3-8AnnualNPPtimevariationcurvechartintheHuanghuaihaiBasinfrom2000to2015圖3-9黃淮海流域2000~2015年年NPP空間變化趨勢(shì)和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果圖Fig3-9AnnualNPPspatialvariationtrendandtrendsignificancechartintheHuanghuaihaiBasinfrom2000to20155降水變化分析利用MATLAB軟件，對(duì)1980~2016年黃淮海流域961個(gè)氣象站點(diǎn)日降水量進(jìn)行提取計(jì)算分別得到月度、年度降水量數(shù)據(jù)。然后在ARCGIS中，利用地統(tǒng)計(jì)工具對(duì)黃淮海流域961個(gè)氣象站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行普通克里格插值，再利用“按腌膜提取”工具得到指定時(shí)間段黃淮海流域降水量數(shù)據(jù)。對(duì)黃淮海流域年降水值取平均，得到圖3-10的黃淮海流域1980~2016年降水量均值空間分布圖，發(fā)現(xiàn)年降水量整體上呈現(xiàn)自西北至東南遞增的趨勢(shì)，值域?yàn)?31.21~1418.62mm，均值為537.33mm。其中，高值區(qū)域主要集中在華北平原，這里屬暖溫帶季風(fēng)氣候，四季變化明顯，南部區(qū)域處于向亞熱帶過渡地區(qū)，其氣溫和降水量都比北部高。而低值區(qū)域集中于賀蘭山區(qū)和陰山南部?jī)?nèi)蒙古地區(qū)，這里受大型山脈阻隔，水汽難以到達(dá)山區(qū)，使得降水量較之其它地區(qū)偏低。圖3-10黃淮海流域1980~2016年降水量均值空間分布Fig3-10SpatialdistributionoftheprecipitationmeanintheHuanghuaihaiBasinfrom1980to2016對(duì)37a年來黃淮海流域降水年均值變化曲線進(jìn)行繪制，然后對(duì)降水量變化進(jìn)行M-K趨勢(shì)分析，得到圖3-11結(jié)果。由圖可知，1980-2016年黃淮海流域年降水量整體呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，但整體波動(dòng)較大。其中，1985、1990、1998、2003年出現(xiàn)顯著上升，1986、1997、1999、2001出現(xiàn)顯著下降，最大值出現(xiàn)在2003年為703.78mm，最小值出現(xiàn)在1997年為421.51mm。由于1997年汛期中緯度地區(qū)盛行緯向環(huán)流，在仲夏時(shí)期，黃河流域先是受到來自貝加爾湖的滯礙高壓影響，而后又受到了青藏