大都市郊區(qū)土地利用時(shí)空演變特征與生境質(zhì)量評(píng)價(jià)

石小偉，馮廣京，蘇培添，何改麗，鄒逸江，王小鋒

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，哈爾濱 150030；2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理與法學(xué)院，哈爾濱 150030；3. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)土地經(jīng)濟(jì)與自然資源管理研究中心，哈爾濱 150030；4. 浙江農(nóng)林大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，杭州 311300；5. 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210023；6. 自然資源部海岸帶開發(fā)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210023；7. 寧波大學(xué)地理與空間信息技術(shù)系，寧波 315211；8. 河南省地質(zhì)博物館，鄭州 450046）

0 引 言 1

作為土地利用/覆被變化（Land Use /Cover Change，LUCC）重要研究內(nèi)容之一，土地利用轉(zhuǎn)型是指伴隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，與之相對(duì)應(yīng)的區(qū)域土地利用形態(tài)在時(shí)間序列上發(fā)生動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。大都市土地利用轉(zhuǎn)型對(duì)其郊區(qū)的生境質(zhì)量影響越發(fā)顯著，特別是都市區(qū)“建設(shè)用地外擴(kuò)”引發(fā)郊區(qū)生態(tài)環(huán)境的水土流失、大氣污染、生態(tài)系統(tǒng)退化等一系列問題。大都市郊區(qū)生境質(zhì)量引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。土地利用轉(zhuǎn)型在大都市郊區(qū)生境質(zhì)量評(píng)價(jià)中至關(guān)重要，特別是，大都市圈高速發(fā)展對(duì)郊區(qū)土地利用轉(zhuǎn)型引起生境質(zhì)量變化中基于不同地類轉(zhuǎn)移優(yōu)劣態(tài)勢(shì)尚未得到充分認(rèn)識(shí)，因此，定量表征大都市郊區(qū)土地利用轉(zhuǎn)型對(duì)其生境質(zhì)量影響機(jī)制問題亟待破解[1]。

國內(nèi)學(xué)者關(guān)于區(qū)域生境質(zhì)量的研究主要集中在生境質(zhì)量研究尺度[2-4]、生境服務(wù)功能[5-8]、區(qū)域生境適宜度[9-12]和生境安全格局[13-17]方面。在研究模式上，區(qū)域生境質(zhì)量研究分為靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析兩種[18-21]。在靜態(tài)生境質(zhì)量研究方面，唐秀美等[10]基于生態(tài)系統(tǒng)靜態(tài)恢復(fù)假說，討論了北京市海淀區(qū)自然恢復(fù)的作用，提出了引導(dǎo)型大都市生境自修復(fù)模式及其結(jié)構(gòu)特征。在動(dòng)態(tài)生境質(zhì)量演變方面，傅麗華等[11]對(duì)長株潭都市群生物物種視角進(jìn)行生境質(zhì)量評(píng)價(jià)，并研究了生物生態(tài)環(huán)境空間演變特征。在生境安全評(píng)估研究方面，石小偉等[12]采用GIS和Fragstats模型計(jì)算各研究土地生態(tài)單元的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并對(duì)基于土地利用格局的浙中城市群潛在生境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)；臧淑英等[13]借鑒景觀生態(tài)學(xué)理論引入景觀生境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，對(duì)大慶市景觀生境風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分布特征及空間關(guān)聯(lián)格局進(jìn)行研判。在土地景觀格局視域生境質(zhì)量研究方面，許妍等[14]對(duì)基于土地利用動(dòng)態(tài)變化的太湖地區(qū)生境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)生境屏障區(qū)的土地利用轉(zhuǎn)移格局時(shí)空分布特征與變化特點(diǎn)進(jìn)行研究；余新曉等[15]由對(duì)生境服務(wù)體系中水源涵養(yǎng)功能展開評(píng)價(jià)，并對(duì)生境服務(wù)體系中各個(gè)景觀類型結(jié)果進(jìn)行比較分析，以探討生境服務(wù)功能與景觀格局變化的關(guān)系。

國外學(xué)者主要從森林[22]、自然區(qū)[23]、流域[24]、海洋[25]等特定區(qū)域的生境質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，但在典型人地互動(dòng)區(qū)域類型的城市郊區(qū)還鮮少應(yīng)用，且隨著研究技術(shù)方法更新，因而國外學(xué)者[26-29]又轉(zhuǎn)向“3S”技術(shù)（GIS、RS、GPS）和綜合模型構(gòu)建。Mansoor等[26]利用ASTER數(shù)據(jù)分析了1970—2000年期間非洲森林覆被變化的基礎(chǔ)上，從時(shí)間、空間兩個(gè)方面評(píng)價(jià)了其對(duì)碳儲(chǔ)量、土壤保持的動(dòng)態(tài)影響，為研究區(qū)域生境建設(shè)及管控提供理論基礎(chǔ)；Herrmann等[27]采用通過借鑒系統(tǒng)工程的理論與方法，選擇相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行生態(tài)約束，構(gòu)建委內(nèi)瑞拉生境質(zhì)量格局，并在此基礎(chǔ)上對(duì)鄉(xiāng)村土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；Alain等[28]基于CLUE-S模型的物種入侵及景觀破碎化對(duì)區(qū)域生境質(zhì)量進(jìn)行了探討。Sanchez-Canales等[29]運(yùn)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)地中海流域的降水分布及蒸發(fā)進(jìn)行了敏感性分析，并在此基礎(chǔ)上研究各個(gè)敏感因子在流域內(nèi)的空間分布。

為有效甄別大都市郊區(qū)生境系統(tǒng)對(duì)各種土地利用類型相互轉(zhuǎn)換過程響應(yīng)機(jī)制[30]，本研究基于大都市郊區(qū)土地利用轉(zhuǎn)型對(duì)其生境質(zhì)量系統(tǒng)評(píng)價(jià)具有以下特點(diǎn)：1）強(qiáng)調(diào)把都市郊區(qū)微觀土地利用系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)視為整體，側(cè)重微觀區(qū)域土地利用轉(zhuǎn)型與生態(tài)系統(tǒng)之間的復(fù)雜聯(lián)系；2）重視城市郊區(qū)多種土地利用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成的累積性影響，強(qiáng)調(diào)從對(duì)單一時(shí)間截面、單一類型的橫向研究向長時(shí)間序列、多類型綜合縱深研究；3）強(qiáng)調(diào)生境系統(tǒng)退化演變與大都市郊區(qū)土地系統(tǒng)內(nèi)各組分、功能之間的復(fù)雜聯(lián)系。通過對(duì)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、過程和功能的模型測(cè)度，實(shí)現(xiàn)大都市郊區(qū)土地利用轉(zhuǎn)型與生境質(zhì)量長期可持續(xù)發(fā)展，且不僅僅局限于短期、單項(xiàng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)或者自然環(huán)境保護(hù)目標(biāo)。

武清區(qū)是京津大都市郊區(qū)重要的生態(tài)核心區(qū)，更是京津冀都市區(qū)的“生態(tài)協(xié)同戰(zhàn)略”重要支點(diǎn)。以天津大都市郊區(qū)武清區(qū)為研究對(duì)象，基于1980—2018年遙感影像數(shù)據(jù)，分析其土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)、轉(zhuǎn)換特征及其生境質(zhì)量評(píng)估，有助于揭示大都市郊區(qū)土地利用轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)特征，探索大都市郊區(qū)生境質(zhì)量格局演變態(tài)勢(shì)，優(yōu)化大都市郊區(qū)國土空間格局，促進(jìn)大都市郊區(qū)土地利用和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

1 數(shù)據(jù)來源、研究區(qū)概況與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)處理

從中國科學(xué)院遙感衛(wèi)星地面接收站獲取1980、1990、2000、2010、2018年的遙感影像，天津市武清區(qū)的覆蓋范圍較小，天津地處溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏秋季多雨，春冬季節(jié)少雨，因此很難獲取相同時(shí)相、清晰度又較高的遙感影像，拍攝時(shí)間主要為晴朗春季和少云的冬季，云覆蓋率低于5%。遙感影像數(shù)據(jù)具體見表1。影像處理：首先進(jìn)行空間校正等初步處理，借助ArcGIS將天津市行政矢量圖進(jìn)行疊加裁剪出武清區(qū)研究范圍，再對(duì)影像進(jìn)行解譯，借助ENVI5.3識(shí)別地類功能生成影像圖，解譯精度2018年高達(dá)89.71%，其他年份在85%～95%之間，滿足精度要求。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)情況Table 1 Remote sensing image data

采用《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T21010—2017）分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)武清區(qū)遙感影像進(jìn)行解譯。解譯過程中要保證高精度以及分類原則的客觀性，將武清區(qū)土地利用類型分為8類：耕地、草地、農(nóng)村居民點(diǎn)用地、未利用地、林地、水域及水利設(shè)施用地、特殊用地、城鎮(zhèn)用地（如表2）。根據(jù)不同屬性的用地類型采取相對(duì)應(yīng)的人工解譯、機(jī)器解譯和人工交互解譯手段。其中建設(shè)用地大類細(xì)分為城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)用地兩種類型，兩類建設(shè)用地分開解譯適合小區(qū)域各種地類變化分析，并且對(duì)有解譯爭議的二級(jí)地類用地采取了實(shí)地考查方法，保證解譯的正確性。

表2 研究區(qū)域遙感分類系統(tǒng)以及解譯手段類別Table 2 Category of regional remote sensing classification system and means of interpretation

1.2 研究區(qū)概況

武清區(qū)地處京津大都市之間郊區(qū)（圖1），地處116°46′～117°19′E，39°07′～39°42′N，東西寬41.8 km，南北長65.2 km。屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。年平均氣溫為12.2°C，年平均降水量為557.3 mm，無霜期212 d。地處華北沖積平原下端，地勢(shì)平緩，自北、西、南向東南海河入海方向傾斜。2018年區(qū)域總產(chǎn)值達(dá)1 226.51億元，約占天津市GDP的6.52%，常住人口達(dá)119.15萬人。作為天津市連接北京市的重要通道廊道，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展推動(dòng)下，多條高速公路和鐵路穿過，土地利用轉(zhuǎn)型較為劇烈，特別是由過去粗放利用土地、經(jīng)濟(jì)外延增長向集約利用土地、經(jīng)濟(jì)內(nèi)涵增長轉(zhuǎn)變，土地利用轉(zhuǎn)型從外延擴(kuò)展轉(zhuǎn)向內(nèi)涵挖潛轉(zhuǎn)變。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用轉(zhuǎn)型分析

借助ArcGIS10.5軟件，對(duì)武清區(qū)1980—2018年各期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，得到該區(qū)域不同時(shí)期的土地利用轉(zhuǎn)換情況，以此分析區(qū)域不同時(shí)期土地利用轉(zhuǎn)換方向、轉(zhuǎn)換面積和轉(zhuǎn)移速率，揭示區(qū)域土地利用的變化過程[20]。

土地利用動(dòng)態(tài)度可較好的揭示區(qū)域土地利用轉(zhuǎn)型速率，一般可分為單一和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度，分別表征著區(qū)域在特定時(shí)間內(nèi)某單一類型和整個(gè)研究區(qū)的土地利用轉(zhuǎn)型情況[21]。

單一動(dòng)態(tài)度可較為直觀地體現(xiàn)區(qū)域某特定土地利用類型的變化速率，其計(jì)算公式為

式中Ki表示區(qū)域某研究期內(nèi)i種地類的動(dòng)態(tài)度；Ua，Ub表示研究初期與末期i種地類的面積（hm2）；T對(duì)應(yīng)研究期間隔。

綜合動(dòng)態(tài)度可定量表征區(qū)域各地類的變化速率，也可反映區(qū)域地類受外在影響劇烈程度[21]，其表達(dá)式為

式中LC表示區(qū)域綜合土地利用動(dòng)態(tài)度；LUi表示區(qū)域i種地類初期的面積（hm2）；ΔLUi-j表示區(qū)域i種地類在某時(shí)間段轉(zhuǎn)換為第j種地類的面積（hm2）；T對(duì)應(yīng)研究期間隔。

1.3.2 生境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

生境質(zhì)量評(píng)價(jià)主要借助InVEST模型的Habitat Quality模塊，利用每種地類威脅的相對(duì)影響、生境類型對(duì)每一種威脅的相對(duì)敏感性，生境柵格與威脅源之間的距離，將土地覆被和生物多樣性威脅因素的信息生成生境質(zhì)量地圖。模型假設(shè)生境質(zhì)量值高的區(qū)域能夠更好地支持生物多樣性的發(fā)展，生境質(zhì)量值降低的區(qū)域則表示生物多樣性的可持續(xù)性、彈性、自我恢復(fù)能力的降低[5-7]。

生境質(zhì)量模塊主要包括生境退化度和生境質(zhì)量評(píng)價(jià)，其生境退化度公式為[5-7]

式中irxy為柵格y中的威脅因子r對(duì)柵格x的影響；dxy是柵格x和y之間的線性距離；drmax是威脅r的最大作用距離；Dxj為土地利用類型j中柵格x的生境退化度；wr為不同威脅因子的權(quán)重；ry為威脅因子強(qiáng)度；βx為生境抗干擾的水平；Sjr為不同生境對(duì)不同威脅因子的敏感程度。生境退化度介于0～1之間，值越大退化程度明顯。

生境質(zhì)量計(jì)算公式

式中Qxj是土地利用類型j中柵格x的生境質(zhì)量；Hxj為土地利用類型j中x的生境適宜性；k是半飽和常數(shù)。生境質(zhì)量值在0～1之間，值越高生境質(zhì)量越好。

基于實(shí)際指標(biāo)賦權(quán)與預(yù)期指標(biāo)賦權(quán)相結(jié)合的原則選擇天津市武清區(qū)土地利用類型設(shè)置各威脅因子的相對(duì)權(quán)重、最大威脅距離、空間衰退類型及各地類對(duì)威脅因子的生境適宜度如表3。威脅因子為對(duì)應(yīng)的權(quán)重（表4），借鑒已有成果[20-24]，本研究采用賦值方法為生態(tài)結(jié)構(gòu)變量賦值法。

表3 威脅因子權(quán)重與影響距離Table 3 Weight and influence distance of threat factors

表4 生境威脅因子與威脅緩解因子屬性Table 4 Habitat threat factors and mitigation factors for threats

2 結(jié)果與分析

2.1 武清區(qū)土地利用時(shí)空變化特征

2.1.1 土地利用時(shí)空變化總體特征

從總體變化分析來看，武清區(qū)1980—2018年5期土地利用數(shù)據(jù)（表5）以旱地為主導(dǎo)，各年份占總面積比例依次為76.39%、76.21%、75.89%、75.10%、65.49%，均大于65%，表明旱地為武清區(qū)的主要用地類型，更是重要的農(nóng)業(yè)用地。

表5 1980—2018年武清區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化表Table 5 Land use structure Change in Wuqing District from 1980 to 2018 hm2

38 a間耕地面積變化也最為顯著，面積減少了17 155.44 hm2，下降幅度為14.27%。農(nóng)田面積下降明顯，從1980年（4 686.39 hm2）縮減到2018年（673.83 hm2），減少了4 012.56 hm2，縮減幅度達(dá)85.62%，這種態(tài)勢(shì)結(jié)果是自然原因和人為原因共同造成的，自然原因是局部土地沙化，更重要是人為原因：近38年天津大都市城鎮(zhèn)用地不斷擴(kuò)張，而擴(kuò)張方式基本上是靠占用都市近郊土地，特別是占用耕地。但近10年隨著耕地保護(hù)制度深入推進(jìn)，這種趨勢(shì)呈現(xiàn)轉(zhuǎn)態(tài)。林地中，有林地和疏林地面積上升，增長了2 901.60、116.46 hm2，而其他林地面積下降。草地面積以高覆蓋度草地面積大幅上升，從1980年的238.95 hm2增長到2018年的2 290.23 hm2，增長了2 051.28 hm2，而中和低覆蓋度草地面積均縮減，主要原因是武清區(qū)“四清一綠”行動(dòng)加快實(shí)施，特別是“京津之翼·生態(tài)武清”政策落實(shí)，有效地保護(hù)草地和林地的綠化建設(shè)。水域面積不斷上升，從1980年（8 278.92 hm2）增長到2018年（14 686.65 hm2），增長了6 407.73 hm2，上升幅度達(dá)77.40%。這是因?yàn)槲淝鍏^(qū)近10年不斷加強(qiáng)對(duì)大黃堡濕地保護(hù)區(qū)等水域生態(tài)區(qū)的規(guī)劃保護(hù)政策以及對(duì)境內(nèi)永定河、北運(yùn)河、青龍灣河的生態(tài)修復(fù)工程的建設(shè)。城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地面積呈上升趨勢(shì)，其城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、交通建設(shè)用地均呈上升趨勢(shì)，其中農(nóng)村居民點(diǎn)面積在城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地占比較大，從1980年（14 047.65 hm2）增長到2018年（20 855.88 hm2），增長了6 808.23 hm2；而工交建設(shè)用地和城鎮(zhèn)用地面積也趨于快速上升，38年間增長幅度達(dá)161.99%、154.41%，表明武清區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)使得建設(shè)用地急劇擴(kuò)張，特別是清新城京津公路走廊建設(shè)、武清新城開發(fā)和舊城改造等工程用地建設(shè)。未利用地面積大幅縮減，從1980年（2 245.95 hm2）縮減到2018年（106.29 hm2），減少了2 139.66 hm2，也表明其他地類向未利用地的擴(kuò)張。特殊用地類型在研究區(qū)內(nèi)的規(guī)模極小，且特殊用地類型轉(zhuǎn)移趨勢(shì)變化不顯著，轉(zhuǎn)出率和轉(zhuǎn)入率均較低，38年轉(zhuǎn)移率基本態(tài)勢(shì)保持穩(wěn)定。

2.1.2 土地利用結(jié)構(gòu)的變化差異

通過?；鶊D可以清晰的體現(xiàn)各年份間土地利用主要轉(zhuǎn)換方向、面積等特征。1980—2000年，土地利用轉(zhuǎn)換方向較少且轉(zhuǎn)換面積較小，共向外轉(zhuǎn)移了1 978.02 hm2，僅占總面積的1.26%，表明武清區(qū)在該時(shí)間段內(nèi)人類活動(dòng)對(duì)土地利用強(qiáng)度較小，土地利用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。主要轉(zhuǎn)換類型以耕地和未利用地為主，分別向外轉(zhuǎn)移了1 697.85、266.76 hm2，占轉(zhuǎn)移面積的85.84%、13.49%。耕地集中向水域（1 302.66 hm2）和農(nóng)村居民點(diǎn)用地（394.2 hm2）轉(zhuǎn)換，未利用地則主要向水域轉(zhuǎn)換（266.31 hm2）。其他地類較穩(wěn)定，發(fā)生轉(zhuǎn)換類型較少。2000—2018年，土地利用轉(zhuǎn)換類型明顯增加，發(fā)生轉(zhuǎn)移面積大幅增長，共向外轉(zhuǎn)移了42 083.91 hm2，占總面積的26.73%。該時(shí)間段以耕地發(fā)生轉(zhuǎn)換面積最大，向外轉(zhuǎn)移了28 102.77 hm2，占轉(zhuǎn)移面積的66.78%，耕地集中向城鎮(zhèn)用地（18 100.08 hm2）和水域（5 745.24 hm2）轉(zhuǎn)換。林地大幅向耕地和城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)換，這種“城進(jìn)林退”“城擴(kuò)耕縮”態(tài)勢(shì)表明武清區(qū)城鎮(zhèn)化過程中侵占林地、耕地形勢(shì)仍然嚴(yán)峻。草地與水域突出向城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)用地和耕地轉(zhuǎn)移，城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地轉(zhuǎn)出面積較小，僅向外轉(zhuǎn)換了5 713.47 hm2，集中轉(zhuǎn)向耕地（4 470.84 hm2）。未利用地向各地類均有發(fā)生轉(zhuǎn)換，以向水域（1 622.34 hm2）轉(zhuǎn)進(jìn)面積較大。1980—2018年與2000—2018年轉(zhuǎn)換類型具有相似性，以耕地、水域、農(nóng)村居民點(diǎn)用地、未利用地發(fā)生轉(zhuǎn)換面積最大（圖2）。

選取了武清區(qū)各時(shí)間段上發(fā)生轉(zhuǎn)移面積較大的15種轉(zhuǎn)換類型進(jìn)行空間展示（圖3），1980—2000年間，土地利用發(fā)生轉(zhuǎn)移面積較小，主要集中在武清區(qū)的東南部，主要以耕地→水域、草地→水域類型為主，轉(zhuǎn)換面積達(dá)896.58、406.08 hm2，此外，耕地→城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)換面積較大，轉(zhuǎn)換了308.07 hm2，其他轉(zhuǎn)換類型較小，零星分別于武清區(qū)。2000—2018年間，土地利用轉(zhuǎn)換空間分布迅速擴(kuò)大，廣泛分布于南部和東部區(qū)域，以耕地→農(nóng)村居民點(diǎn)（9 284.4 hm2），耕地→城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地用地（5 633.73 hm2）轉(zhuǎn)換面積最大，該地類轉(zhuǎn)換主要分布在武清東南部，這也表明在這18年間城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張速度較快，人類活動(dòng)對(duì)土地利用影響程度提升。此外，農(nóng)村居民點(diǎn)→耕地（3 743.91 hm2）、耕地→水域（3 100.68 hm2）、耕地→城鎮(zhèn)用地（2 976.03 hm2）、耕地→水域（2 644.56 hm2）、水域→耕地（2 118.69 hm2）轉(zhuǎn)換面積均較大，其中水域轉(zhuǎn)進(jìn)類型較多，集中分布于東部區(qū)域。北部轉(zhuǎn)換面積較小，集中為向城鎮(zhèn)用地轉(zhuǎn)移，如耕地→城鎮(zhèn)用地、城鎮(zhèn)用地→農(nóng)村居民點(diǎn)用地等轉(zhuǎn)換類型。

1980—2018年，土地利用轉(zhuǎn)換劇烈且空間廣泛分布，轉(zhuǎn)換類型多達(dá)73種，轉(zhuǎn)換類型以向城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地轉(zhuǎn)入為主，如以耕地→農(nóng)村居民點(diǎn)用地（9 359.1 hm2），耕地→城鎮(zhèn)用地（5 646.42 hm2）遠(yuǎn)大于其他轉(zhuǎn)換類型，廣泛分布于各個(gè)區(qū)域，以南部城鎮(zhèn)集聚區(qū)更為明顯，在38年內(nèi)武清區(qū)城區(qū)在原來基礎(chǔ)上快速向外擴(kuò)張，故在城區(qū)附近以耕地→城鎮(zhèn)用地為主。此外，農(nóng)村居民點(diǎn)用地→耕地（3 701.52 hm2）類型空間分布也較突出，零星分布于各個(gè)區(qū)域，也表明武清區(qū)對(duì)耕地的保護(hù)增大，嚴(yán)格控制耕地向城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地類型的轉(zhuǎn)移。水域的轉(zhuǎn)入類型和面積也較大，集中分布于東部地區(qū)，主要由耕地→水域（3 405.33 hm2）、草地→水域（3 246.93 hm2）類型為主。

2.1.3 土地利用動(dòng)態(tài)度評(píng)價(jià)

通過公式（1）和（2）可得到研究區(qū)不同時(shí)間段的單一和綜合土地利用動(dòng)態(tài)度（表6）。武清區(qū)土地利用綜合動(dòng)態(tài)度在1980—2018年4個(gè)時(shí)間內(nèi)不斷上升，從0.02%上升到3.07%，增長了2.87%，也表明在38 a內(nèi)武清區(qū)土地利用速率大幅提升，尤其是2000年以后，動(dòng)態(tài)度均大于1980 —2018年的整體動(dòng)態(tài)度（1.00%），如2000—2010年（2.14%）和2010—2018年（3.07）均大于2%。各地類的單一動(dòng)態(tài)度上看，城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地的土地利用變化速率保持正向增長，呈不斷上升趨勢(shì)，從1980年（0.00%）到2018年（4.84%），也反映了區(qū)域城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地的擴(kuò)張。水域的土地利用變化速率也不斷加快，從1980年（0.36%）到2018年（2.56%）。耕地土地利用變化速率呈現(xiàn)負(fù)增長，表明耕地面積的快速下降，耕地在38年間發(fā)生轉(zhuǎn)換類型較多和轉(zhuǎn)換面積較大，故動(dòng)態(tài)度呈現(xiàn)負(fù)數(shù)。林地和草地變化速率在2010—2018年變化速率大幅提升，分別達(dá)到了31.61%、467.27%。

表6 武清區(qū)各時(shí)段土地利用動(dòng)態(tài)度Table 6 Dynamic degree of land use in each period in Wuqing District %

2.2 武清區(qū)生境退化度時(shí)空變化特征

基于天津武清區(qū)內(nèi)土地利用類型及其時(shí)空轉(zhuǎn)移特征的變化（圖4），深入的闡述武清區(qū)生境質(zhì)量變化原因，并運(yùn)行Habitat Quality模塊得到武清區(qū)各年份生境退化度圖層，以自然斷點(diǎn)法進(jìn)行劃分為輕度、中度、高度3個(gè)等級(jí)，以此進(jìn)行時(shí)空格局分析?？傮w上看，武清區(qū)在38年里土地利用退化以輕度退化為主，但高等級(jí)退化區(qū)域呈擴(kuò)散趨勢(shì)，集中分布在人類活動(dòng)密集區(qū)，土地利用退化度隨著城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張而擴(kuò)散，尤其是武清區(qū)交通建設(shè)強(qiáng)度不斷提升，如京滬高速、京津高速、京津唐高速線網(wǎng)穿過武清區(qū)，多條鐵路線聯(lián)系著北方省份，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)引起周圍用地類型的轉(zhuǎn)變，加劇了武清區(qū)土地利用的退化。

從時(shí)間上看，1980年土地利用退化度以輕度退化為主，面積占比達(dá)93.35%，中度退化集中分布在研究區(qū)東部，面積占比僅為3.75%，該區(qū)域以水域?yàn)橹?，水域附近人類活?dòng)較為頻繁，由此土地利用退化度較高。高度退化區(qū)面積較?。?.90%），在空間上零星分布，集中于城鎮(zhèn)用地地類。1990和2000年生境退化度空間分布格局較為相似，中度退化區(qū)面積持續(xù)下降，面積占比從1990年（3.69%）到2000年（4.26%），高度退化區(qū)面積零散布局于全區(qū)。2010年，土地利用退化度保持基本格局，中度退化區(qū)更為集中分布于研究區(qū)東部，高度退化度以河流、道路為中心呈現(xiàn)線條狀分布。2018年武清區(qū)土地利用退化度以輕度退化為主導(dǎo)（78.85%），但中度和高度退化區(qū)面積大幅上升。中度退化區(qū)以武清區(qū)南部城鎮(zhèn)用地為中心向四周擴(kuò)張，中度退化面積達(dá)到27 038.16 hm2，面積占比上升為17.18%。高度退化區(qū)空間分布更為突出，面積占比從1980年（2.90%）上升到2018年（3.97%），空間布局呈現(xiàn)以城鎮(zhèn)用地為中心，交通線路、河流水系為連接線，廣泛分布于武清區(qū)。

2.3 武清區(qū)生境質(zhì)量時(shí)空演變特征

通過InVEST模型得到武清區(qū)5個(gè)年份的生境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，參考前人研究[26]并結(jié)合京津大都市郊區(qū)特質(zhì)將其劃分為5個(gè)等級(jí)，如低（0.0～0.2）、較低（0.2～0.4）、中（0.4～0.6）、較高（0.6～0.8）、高（0.8～1.0），并對(duì)其進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)（表7）和空間展示。時(shí)間上看，武清區(qū)生境質(zhì)量平均值分別為1980年（0.457 4）、1990年（0.458 0）、2000年（0.459 5）、2010年（0.448 0）、2018年（0.437 2），在38 a間均處于中等級(jí)生境質(zhì)量，且生境質(zhì)量平均值趨于先上升而后下降，2000—2010年和2010—2018年下降幅度較大。表明在人類活動(dòng)強(qiáng)度加深的情況下，武清區(qū)生境質(zhì)量整體上趨于下降，且生境質(zhì)量水平一般。各個(gè)年份上，生境質(zhì)量均已中等級(jí)占主導(dǎo)地位，面積占比分別為1980年（79.42%）、1990年（79.24%）、2000年（78.35%）、2010年（76.37%）、2018年（65.92%），中等級(jí)面積趨于下降，面積縮減了21 254.40 hm2，下降幅度達(dá)17.00%。其次為低等級(jí)生境質(zhì)量，面積趨于上升，增長了14 484.60 hm2，上升幅度達(dá)76.71%，各年份占比也均不斷提升，表明武清區(qū)生境質(zhì)量趨于下降，低等級(jí)面積擴(kuò)散。較低等級(jí)面積較小，且呈下降趨勢(shì)。低與較低等級(jí)生境質(zhì)量面積擴(kuò)散的主要原因是城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張導(dǎo)致了區(qū)域受威脅源脅迫上升，從而使得生境質(zhì)量降低。而較高和高等級(jí)生境質(zhì)量區(qū)面積趨于擴(kuò)大，增長了3 956.58 hm2，上升幅度為36.37%，較高等級(jí)區(qū)各年份面積占比為1980年（6.91%），1990年（7.10%）、2000年（7.91%）、2010年（8.28%）、2018年（9.42%）。生境質(zhì)量高等級(jí)區(qū)面積較小，但趨于上升，38年內(nèi)增長了4 952.88 hm2，1980—2010年變化較小，而2010—2018年面積快速增長，從2010年（112.41 hm2）上升到2018年（5 334.66 hm2）。較高、高生境質(zhì)量面積的增長主要受生境適宜性較高的水域影響，研究區(qū)在38 a里水域面積呈擴(kuò)大趨勢(shì)，故也引起區(qū)域生境質(zhì)量高值區(qū)的擴(kuò)散。

表7 不同等級(jí)生境質(zhì)量分類面積Table 7 Different levels of habitat quality classification area hm2

從空間分布上看（圖5），生境質(zhì)量低值區(qū)以武清區(qū)城區(qū)為核心集中分布，且零星分布于武清區(qū)各個(gè)區(qū)域，主要與農(nóng)村居民點(diǎn)的空間分布相對(duì)應(yīng)，也表明城鎮(zhèn)用地作為生境質(zhì)量的主要威脅源，對(duì)周邊地類的脅迫能力較高，降低其地類的生境質(zhì)量。而生境質(zhì)量高值區(qū)集中分布于武清區(qū)東部，對(duì)應(yīng)土地利用類型為水域，水域生境適宜性高，且周邊建設(shè)用地的脅迫影響較小，使得區(qū)域以水域?yàn)楹诵某尸F(xiàn)高等級(jí)生境質(zhì)量的集聚區(qū)。1980—2018年生境質(zhì)量空間分布格局較為類似，低和高等級(jí)生境質(zhì)量區(qū)都趨于上升，低等級(jí)生境質(zhì)量區(qū)面積有1980年的較零散分別到成片布局，而較高生境質(zhì)量區(qū)以東部的水域?yàn)楹诵南蛲鈹U(kuò)散，高生境質(zhì)量區(qū)由小區(qū)域分布到2018年的較為顯著分布于武清區(qū)各個(gè)區(qū)域。

通過疊加分析得到武清區(qū)生境質(zhì)量轉(zhuǎn)換類型空間分布圖（圖6），武清區(qū)生境質(zhì)量轉(zhuǎn)換類型較為復(fù)雜，轉(zhuǎn)換類型種類分別為1980（11種）、1990年（13種）、2000年（17種）、2018年（17種），發(fā)生轉(zhuǎn)換空間分布范圍趨于擴(kuò)散。

1980—2000年，生境質(zhì)量轉(zhuǎn)換類型較少，且轉(zhuǎn)換面積較小，集中于東部區(qū)域，主要轉(zhuǎn)換類型以中→較高為主，轉(zhuǎn)換類型達(dá)1303.29 hm2，表明在該段時(shí)間內(nèi)生境質(zhì)量趨于提高，其次為中→低（394.2 hm2）、較低→較高（266.31hm2），其他轉(zhuǎn)換類型面積較小。

2000—2018年，土地利用生境質(zhì)量轉(zhuǎn)換類型增多，集中于東部與南部區(qū)域，該時(shí)間段內(nèi)以中→低（18 105.12 hm2）為主導(dǎo)類型，表明該時(shí)間段內(nèi)生境質(zhì)量降低，低等級(jí)生境質(zhì)量區(qū)域面積增長。其次中→較高（5 903.91 hm2）、低→中（4 470.84 hm2）、中→高（4 030.92 hm2）、較高→中（3 768.84 hm2）、較低→較高（1 622.34 hm2）、較高→低（1 612.53 hm2）轉(zhuǎn)換面積均較大，其他轉(zhuǎn)換類型均小于1 000 hm2。1980—2018年，生境質(zhì)量轉(zhuǎn)換類型空間分布更為突出，尤其是城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地、水域等地類的生境質(zhì)量轉(zhuǎn)換更為頻繁，沿交通線路、水系分布也較為集中分布。生境質(zhì)量轉(zhuǎn)換也以中→低（18 544.95 hm2）為主導(dǎo)類型，其次為中→較高（6 810.93 hm2），兩者分別反映了區(qū)域生境質(zhì)量惡化與好轉(zhuǎn)的不同區(qū)域。而其他類型中，生境質(zhì)量由低向高等級(jí)轉(zhuǎn)換的類型較多，如低→中（4 421.25 hm2）、中→高（4 031.73 hm2）、較低→較高（1 888.56hm2）、低→較高（810.9 hm2）、較高→高（591.84 hm2）、低→高（400.68 hm2）、較低→高（280.44 hm2）等類型，而由高到低的生境質(zhì)量轉(zhuǎn)換類型主要為較高→中（3 480.48 hm2）、較高→低（1 499.13 hm2）、高→中（251.37 hm2）。

3 討 論

以多種土地利用系統(tǒng)類型快速城市化大都市郊區(qū)——“京津之翼武清區(qū)”為研究區(qū)，借助InVEST模型的Habitat Quality模塊從時(shí)空分異角度模擬大都市郊區(qū)的生境質(zhì)量格局及其演變分析，較好地反映了京津大都市郊區(qū)不同地類之間凈轉(zhuǎn)型對(duì)郊區(qū)生境系統(tǒng)質(zhì)量變化的影響程度，基于天津市武清區(qū)土地利用轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)下的生境質(zhì)量評(píng)價(jià)影響程度進(jìn)行了深入評(píng)估，以及生境質(zhì)量空間分布特征進(jìn)行分析，以期為京津大都市郊區(qū)生態(tài)保護(hù)實(shí)踐和土地利用規(guī)劃提供基礎(chǔ)依據(jù)。

武清區(qū)的生境質(zhì)量總體上處于中等級(jí)水平，但是京津“雙核”下武清區(qū)建設(shè)用地急劇擴(kuò)張導(dǎo)致其生境質(zhì)量的持續(xù)下降。所以未來決策者如何維持生境質(zhì)量不會(huì)退化且恢復(fù)“京津之翼”地區(qū)的生境質(zhì)量是一個(gè)關(guān)鍵的問題。未來大都市郊區(qū)的城市土地利用規(guī)劃中，土地規(guī)劃和生態(tài)保護(hù)工作中需優(yōu)化林地、耕地、建設(shè)用地等空間格局，在保持合理的經(jīng)濟(jì)增長基礎(chǔ)上也應(yīng)配置必要的生態(tài)用地。從政策層面分析，在未來城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中，應(yīng)當(dāng)在保證生境質(zhì)量維持在較高水平的基礎(chǔ)上，著重開發(fā)武東北、武西南、武東南等地區(qū)，協(xié)調(diào)好經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生境質(zhì)量維持之間的關(guān)系，促進(jìn)武清區(qū)整體經(jīng)濟(jì)與生態(tài)保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

本研究只考慮了生境質(zhì)量對(duì)于土地利用變化的響應(yīng)，深入研究可以結(jié)合模型的其他子模塊，定量評(píng)估土地利用變化對(duì)于多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化，如:碳儲(chǔ)量、水源涵養(yǎng)、土壤理化性質(zhì)等，綜合的評(píng)估土地利用變化的生態(tài)效應(yīng)。

4 結(jié) 論

基于天津市郊區(qū)武清區(qū)38 a土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合InVEST模型對(duì)其進(jìn)行生境質(zhì)量評(píng)價(jià)，主要結(jié)論為：

1）武清區(qū)土地利用以耕地為主導(dǎo)，耕地面積下降明顯，城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地面積快速增長，未利用地面積大幅縮減，林地和草地占比較小。土地利用類型轉(zhuǎn)換劇烈，耕地轉(zhuǎn)移面積最大，林地和草地集中向城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地轉(zhuǎn)移，水域集中轉(zhuǎn)向耕地，城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地轉(zhuǎn)移面積較大，未利用地轉(zhuǎn)換面積較小，但轉(zhuǎn)移概率最為劇烈。土地利用綜合動(dòng)態(tài)度增長了2.87%，各地類上，城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)用地和水域的土地利用變化速率保持正向增長，耕地變化速率呈現(xiàn)負(fù)增長?？傮w來講，“城擴(kuò)耕縮”、“人進(jìn)草退”態(tài)勢(shì)仍然嚴(yán)峻，局部年份也有“草進(jìn)水進(jìn)”的轉(zhuǎn)態(tài)。

2）武清區(qū)土地利用退化以輕度退化為主，但高等級(jí)退化區(qū)域呈擴(kuò)散趨勢(shì)，空間差異上呈“東南＞西南＞東北”的退化格局，且具有一定的延續(xù)性和空間慣性特征。此外武清區(qū)土地利用退化度隨著郊區(qū)內(nèi)部建設(shè)用地的擴(kuò)張而擴(kuò)散，集聚區(qū)以郊區(qū)城鎮(zhèn)用地為中心，離散區(qū)以郊區(qū)交通線路、河流水系為次中心的區(qū)域化擴(kuò)散，呈現(xiàn)出明顯“集聚—離散”的分布特征，具有顯著的空間差異性。因此，大都市郊區(qū)的生境優(yōu)化應(yīng)注重郊區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地的合理規(guī)劃和交通干道、河流水系的生態(tài)整治。

3）總體上武清區(qū)生境質(zhì)量處于中等級(jí)，但中等級(jí)面積趨于下降，低等級(jí)生境質(zhì)量面積趨于上升，較低等級(jí)面積較小，且呈下降趨勢(shì)，較高和高等級(jí)生境質(zhì)量區(qū)面積趨于擴(kuò)大。生境質(zhì)量低值區(qū)以武清區(qū)城區(qū)為核心集中分布，且零星分布于武清區(qū)各個(gè)區(qū)域。生境質(zhì)量高值區(qū)集中分布于武清區(qū)東部。1980—2000年，生境質(zhì)量轉(zhuǎn)換類型較少，且轉(zhuǎn)換面積較小，集中于東部區(qū)域，主要轉(zhuǎn)換類型以中→較高（1 303.29 hm2）為主。2000—2018年，土地利用生境質(zhì)量轉(zhuǎn)換類型增多，集中于東部與南部區(qū)域，該時(shí)間段內(nèi)以中→低（18 105.12 hm2）為主導(dǎo)類型。1980—2010年生境質(zhì)量轉(zhuǎn)換類型較為集中，近10年發(fā)生轉(zhuǎn)換空間分布范圍趨于分散，總體轉(zhuǎn)換空間態(tài)勢(shì)呈“集中—分散”分布特征。

4）在我國推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化發(fā)展，特別是加強(qiáng)跨區(qū)域都市圈建設(shè)中，需要加快大都市圈建設(shè)對(duì)都市郊區(qū)土地利用轉(zhuǎn)型引起的生境質(zhì)量變化影響的研究，嚴(yán)格保護(hù)大都市郊區(qū)生態(tài)源地，統(tǒng)籌調(diào)控大都市郊區(qū)生態(tài)安全分區(qū)，推進(jìn)大都市郊區(qū)生態(tài)廊道和全域生態(tài)節(jié)點(diǎn)建設(shè)。