北京市近二十年景觀破碎化格局的時(shí)空變化

付 剛,肖能文,喬夢(mèng)萍,齊 月,閆 冰,劉高慧,高曉奇,李俊生,*

1 中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 北京 100872 2 中國環(huán)境科學(xué)研究院, 北京 100012

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北京市近二十年景觀破碎化格局的時(shí)空變化

付 剛1,2,肖能文2,喬夢(mèng)萍1,齊 月2,閆 冰2,劉高慧2,高曉奇2,李俊生2,*

1 中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 北京 100872 2 中國環(huán)境科學(xué)研究院, 北京 100012

城市化；異質(zhì)性；景觀破碎化；空間主成分分析；移動(dòng)窗口法

人類各種社會(huì)活動(dòng)的加劇對(duì)土地覆蓋和景觀格局產(chǎn)生了劇烈的影響[1]。隨著城市化進(jìn)程的加快,尤其是城市的無序化發(fā)展,城市和城市附近的景觀呈現(xiàn)出“高度破碎化”和“景觀空間異質(zhì)性顯著”的特征[2],致使原本自然景觀由連續(xù)的地帶性分布變?yōu)椴贿B續(xù)的混合斑塊鑲嵌體,造成自然生境破碎、乃至生物棲息地喪失,嚴(yán)重影響城市生物多樣性[3],不利于城鎮(zhèn)化的可持續(xù)發(fā)展[4]。目前我國正處于城鎮(zhèn)化進(jìn)程中,城市擴(kuò)張所引起的土地覆蓋/土地利用方式的改變,會(huì)引發(fā)景觀格局的強(qiáng)烈變動(dòng)[5],生物生境也因城市化而呈現(xiàn)高度的破碎性[6],城市景觀破碎化格局能反映出生物生境和廊道的質(zhì)量狀況[7]、進(jìn)而影響生物多樣性格局[8- 9]和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[10]。因此,進(jìn)行城市破碎化格局的時(shí)空演變分析,有助于城市生物多樣性的保護(hù)和生態(tài)城市的建設(shè)[11- 12]。

破碎化是城市化進(jìn)程中景觀格局演變的重要特征[13],國內(nèi)外學(xué)者發(fā)展了大量的景觀指數(shù)進(jìn)行定量表征[14- 15],馬克明、傅伯杰等也對(duì)北京部分地區(qū)的破碎化格局進(jìn)行了研究[16- 17],在另外一些的北京市景觀格局的研究中也涉及了破碎化的內(nèi)容[18- 21],但這些研究多數(shù)未能以破碎化為核心主題進(jìn)行重點(diǎn)分析,尤其對(duì)于破碎化格局的格局特征缺乏梳理,本文在以往研究的基礎(chǔ)上,基于多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)的兩級(jí)景觀類型分類數(shù)據(jù),結(jié)合移動(dòng)窗口法和空間主成分分析法方法,定量探討快速城市化背景下北京市景觀破碎化的時(shí)空特征,揭示其時(shí)空演變規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

北京市位于華北平原北部,地跨115°25′—117°30′E,39°28′—41°05′N,總面積16410.54 km2,平均海拔43.5 m,其中最高海拔達(dá)2303 m,最低海拔僅10 m,地勢(shì)為西北高,東南低,西部和北部分屬太行山山脈和燕山山脈,東南部屬華北平原；氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候,多年平均氣溫約12.3 ℃,多年平均降雨400—600 mm,適合暖溫帶地帶性生物生存繁衍。北京市作為中國的首都,也是一座國際化的大都市,根據(jù)中國統(tǒng)計(jì)年鑒,截止到2012年北京市城區(qū)面積擴(kuò)大到12187 km2,北京市常住人口從1456.4萬人增加至2013年的2114.8萬人,GDP總量也從2003年的5007.21億元增長到2013年的19500.6億元。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源和處理

遙感數(shù)據(jù)源為北京市1993年、2003年和2013年3個(gè)時(shí)段的Landsat-TM/ETM衛(wèi)星遙感影像,利用ENVI5.0進(jìn)行圖像預(yù)處理,根據(jù)我國多個(gè)遙感監(jiān)測(cè)土地利用/覆蓋分類體系的《土地利用現(xiàn)狀分類GB/T 21010—2007》和歐陽志云等人的對(duì)全國生態(tài)系統(tǒng)分類體系[22]并結(jié)合北京地區(qū)的特點(diǎn),依據(jù)自然屬性和人為利用方式將土地覆蓋類型劃分為6個(gè)一級(jí)景觀類型：耕地、林地、草地、水域和濕地、建設(shè)用地和未利用地,以及19個(gè)二級(jí)景觀類型。抽取150個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)對(duì)3期遙感影像的分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn),其Kappa系數(shù)都達(dá)到了0.80以上(表1),符合研究要求。

表1 一級(jí)景觀類型分類結(jié)果精度檢驗(yàn)情況

2.2 景觀格局指數(shù)

為了衡量北京市20 a來的景觀格局變化情況,選取以下幾個(gè)景觀指數(shù)：斑塊數(shù)量(NP)、平均斑塊面積、景觀形狀指數(shù)(LSI)、連接度指數(shù)(CONNECT)、分離度指數(shù)(DIVISON)、聚合度指數(shù)(AI)和Shannon`s多樣性指數(shù)(SHDI)[23]。

2.3 空間主成分分析法

空間主成分分析是在地理信息系統(tǒng)中,通過空間坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn),將各空間的多變量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)[24],并給出各新主成分及其貢獻(xiàn)率。利用空間主成分分析能夠高度保留空間信息[25],由于每個(gè)空間變量為空間二維柵格矩陣數(shù)據(jù),所以空間主成分分析法常在ArcGIS等空間數(shù)據(jù)計(jì)算平臺(tái)中進(jìn)行分析。

2.4 景觀破碎化指標(biāo)

采用移動(dòng)窗口空間分析法研究北京全市的景觀空間分布格局,研究表明當(dāng)移動(dòng)窗口為2 km×2 km時(shí)能更好的反映出城市景觀破碎格局的情況[26],利用Fragstates 3.4的移動(dòng)窗口模塊,建立2 km×2 km的矩形窗口,以窗口為基本分析單元,將計(jì)算得到景觀指數(shù)賦予窗口中心柵格,并從影像圖像的左上方柵格依次移動(dòng)窗口進(jìn)行計(jì)算得到景觀指數(shù)空間分布格局[27]。

在ArcGIS 10.0平臺(tái)下,選取4個(gè)能反映出景觀破碎方面的指標(biāo)：景觀聚合度(AI)指數(shù)、景觀分離度(DIVISION)指數(shù)、景觀斑塊密度(PD)指數(shù)和景觀豐富度(PRD)指數(shù),分別利用移動(dòng)窗口法計(jì)算其景觀一級(jí)和二級(jí)分類類型數(shù)據(jù)下的景觀指數(shù),并將各景觀指數(shù)進(jìn)行無量綱標(biāo)準(zhǔn)歸一化處理,然后利用空間主成分分析法將各時(shí)間段的8個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間主成分計(jì)算主成分及貢獻(xiàn)度,選擇累積貢獻(xiàn)度大于97%的主成分,并按各空間主成分的權(quán)重,在ArcGIS 10.0的加權(quán)總和模塊中合成各期景觀破碎度,之后將其進(jìn)行極差法標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到北京市破碎度指數(shù)。并以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在ArcGIS 10.0中計(jì)算得到不同時(shí)間階段的景觀破碎化格局的變化幅度數(shù)據(jù)。

以北京中軸線和長安街交點(diǎn)為中心點(diǎn),建立8個(gè)方向的4條樣線,分析景觀破碎化的時(shí)空演變關(guān)系。建立覆蓋北京全市的空間網(wǎng)點(diǎn)矩陣(點(diǎn)間隔為1 km,共15327個(gè)點(diǎn)),提取景觀數(shù)據(jù)至網(wǎng)點(diǎn)矩陣中,然后利用ArcGIS10.0的空間分析模塊和SPSS20分析景觀指數(shù)的空間關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 北京市土地覆蓋和景觀指數(shù)的時(shí)空變化特征

由圖1、表2可知,20 a間北京市發(fā)生顯著的城市化現(xiàn)象,核心城市規(guī)模擴(kuò)大,建設(shè)用地顯著增加,耕地大幅減少,其中,建設(shè)用地面積增加1000.8 km2,增加了47.14%；耕地和建設(shè)用地的變化程度最大,草地和未利用土地面積變化不大,其中林地面積減少了169.79 km2,減少1.73%；水域和濕地減少幅度最大,減少了125.38 km2,減少24.14%；耕地面積減少了787.93 km2,減少21.86%。

表2 北京市一級(jí)景觀類型土地覆蓋面積變化情況

圖1 北京市一級(jí)景觀類型分布格局Fig.1 Distribution patterns of first grade landscape classes in Beijing City

北京市一級(jí)景觀類型的土地覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣(表3),顯示：1993—2003年498 km2的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,而同期10.96%的水域和濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀?003—2013年建設(shè)用地的土地增加依舊顯著,其中耕地和林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的土地面積最大,分別為194、64.689 km2。結(jié)合景觀類型分布圖(圖1),20年間城郊地區(qū)的耕地成片轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,密云水庫的周邊濕地和水域大幅轉(zhuǎn)為耕地,且前10 a的變化幅度大于后10 a?？傮w而言,北京市快速城市化過程中在土地利用和景觀覆蓋上主要變化是城郊耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,濕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾徒ㄔO(shè)用地,建設(shè)用地快速持續(xù)擴(kuò)張。

表4顯示：全市斑塊總數(shù)增加了15.26%；景觀形狀指數(shù)(LSI)也從88.426增加到98.897；景觀斑塊的平均面積縮小了15.35%；景觀斑塊之間的連接性降低等,說明北京市景觀格局呈現(xiàn)破碎化發(fā)展的趨勢(shì)。

3.2 北京市景觀破碎化時(shí)空格局變化特征

利用ArcGIS 10.0的空間主成分分析法得到的8個(gè)景觀指標(biāo)的主成分結(jié)果如下(表5)。

表3 北京市1993年到2003年一級(jí)景觀類型土地覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣

表4 北京市全市景觀水平的景觀指數(shù)

表5 空間主成分分析的各主成分的特征值、比值及權(quán)重

1993—2013年3期北京市景觀破碎度指數(shù)的空間分布格局(圖2)顯示：北京市景觀破碎度最大區(qū)域主要位于中心城區(qū)的城郊,北京市西、北部山區(qū)的景觀破碎度較低；1993-2013年山區(qū)林地和核心大城區(qū)的景觀破碎度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。從整體上看,北京市景觀破碎化格局空間異質(zhì)性和復(fù)雜性較高。

圖3 北京市景觀破碎度指數(shù)時(shí)空變化格局Fig.3 The variation of landscape fragmentation index on temporal and spatial in Beijing City

另外,景觀破碎度的時(shí)間變化上顯示(圖3)：20 a間北京核心城市區(qū)域內(nèi)景觀破碎度指數(shù)降低,而城郊交錯(cuò)區(qū)的景觀破碎化加??；密云水庫周邊區(qū)域景觀破碎度指數(shù)大幅增加,其變化可能是由于濕地衰退和耕地入侵所致；山區(qū)林地的景觀破碎度降低,說明北京的林地恢復(fù)工作取得了積極進(jìn)展,但也說明山區(qū)林地二級(jí)景觀類型可能趨于單一化。從時(shí)間序列來看,北京市的景觀破碎度變化趨勢(shì)在時(shí)間階段上也明顯表現(xiàn)出不同的變化特征,景觀破碎度變化幅度上前10年大于后10年,且后一個(gè)階段的變化主要是位于新興城鎮(zhèn)和交通道路樞紐附近。

將北京市景觀破碎度指數(shù)等比例劃分為5個(gè)等級(jí)進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)(表4),從中發(fā)現(xiàn)：破碎化程度位于等級(jí)兩端的極低、高和極高程度區(qū)域的面積大幅增加,而中度和低度破碎化程度區(qū)域的面積連續(xù)降低,說明北京市景觀破碎化格局分化,破碎化正在向兩端發(fā)展,表現(xiàn)出“兩極化”發(fā)展的趨勢(shì)。

由表2和圖4顯示：北京市耕地總面積減少,但耕地內(nèi)各破碎化程度等級(jí)的比例變化較小；林地的極低破碎化程度類型占比增加；草地20年間變化轉(zhuǎn)折最大,前10年草地面積減少21.62%,而后10年又增加了78.09%,但在破碎化程度等級(jí)上草地表現(xiàn)出持續(xù)的兩極化現(xiàn)象；水域和濕地表現(xiàn)出的破碎化增大的趨勢(shì)；而建設(shè)用地的破碎化程度等級(jí)占比的變化幅度較小。

表6 北京市不同破碎化程度的面積比

圖4 各景觀類型的不同破碎化程度等級(jí)面積比Fig.4 Area percentage of different landscape types on five fragmentation degrees

3.3 北京市景觀破碎化的方向性特征

利用樣線分析破碎化格局的方向性差異,圖5、圖6顯示：中心點(diǎn)的東南、西北方向上在30 km時(shí)其破碎度最高,其余方向方均在距離20 km時(shí)破碎度水平及其變化幅度最大,總體上北京市破碎化的空間格局上在方向上變化不明顯,沒有表現(xiàn)出方向性偏好。

圖5 樣線上的破碎度指數(shù)變化情況Fig.5 The changes of fragmentation index on sample lines

圖6 樣線上的破碎度指數(shù)變化幅度Fig.6 The variation ranges of fragmentation index on sample lines

3.4 北京市景觀破碎化的距離關(guān)系特征

圖7 破碎度指數(shù)與到城市中心點(diǎn)的距離關(guān)系 Fig.7 The relationships between fragmentation index and distance to the center of the city

如圖7所示,北京市近城郊區(qū)域內(nèi)(距離城市中心點(diǎn)55 km內(nèi))隨距離的增加破碎度均值先增加后減小。同時(shí)圖8、表7進(jìn)一步顯示其為倒“U”型二次函數(shù)關(guān)系,城郊交錯(cuò)區(qū)(距離城市中心點(diǎn)20—35 km范圍內(nèi))景觀破碎度最高,且最高點(diǎn)區(qū)域具有外延趨勢(shì)。

圖8 到中心點(diǎn)的距離與景觀破碎度指數(shù)關(guān)系的二次函數(shù)擬合示意圖(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.8 The quadratic functions about relationships between fragmentation index and distance

表7 景觀破碎度指數(shù)與距離函數(shù)擬合情況

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

當(dāng)前,國內(nèi)外對(duì)景觀破碎化的研究主要利用景觀指數(shù)模型結(jié)合空間遙感技術(shù),進(jìn)行區(qū)域景觀破碎化格局的分析[28],近年來基于多時(shí)相的遙感影像研究景觀格局的動(dòng)態(tài)變化及模型構(gòu)建[29- 31]的方法取得了良好的效果,但對(duì)破碎化的研究缺乏較統(tǒng)一的計(jì)量方法[32],以往多數(shù)是采用景觀指數(shù)的方法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行整體性的定量描述[33],而對(duì)景觀破碎化的空間格局研究較少。目前,景觀破碎化格局研究方法主要有：從形態(tài)學(xué)的角度研究破碎化過程的方法[34]；基于有效網(wǎng)格評(píng)估[35]及網(wǎng)格連通性[36]的方法；采用核密度估算與移動(dòng)窗口法的基于路網(wǎng)格局的方法[37]；基于景觀鑲嵌度指數(shù)的森林破碎度動(dòng)態(tài)模擬[38]；以及在城市化背景下的基于斑塊密度[39]形狀指數(shù)等景觀指數(shù)[40- 42]的方法。本文綜合多種空間分析方法,尤其是結(jié)合景觀指數(shù)法和移動(dòng)窗口法的優(yōu)點(diǎn),使用多期時(shí)間序列遙感影像的兩級(jí)景觀分類體系獲得的景觀破碎度指標(biāo),其較高的空間精度能夠滿足空間格局和時(shí)間序列的變化特征研究。

景觀格局指數(shù)可以定量反映其結(jié)構(gòu)組成與空間分布的特征和景觀格局的時(shí)空變化[43],目前景觀格局指數(shù)很多,本文的景觀破碎指標(biāo)主要選取了景觀聚合度(AI)指數(shù)、景觀分離度(DIVISION)指數(shù)、景觀斑塊密度(PD)指數(shù)和景觀豐富度(PRD)指數(shù)4個(gè)指標(biāo),這4個(gè)指數(shù)在一、二級(jí)景觀類型數(shù)據(jù)間的相關(guān)性系數(shù)分別為：0.286、0.354、0.708和0.886,能分別體現(xiàn)兩級(jí)數(shù)據(jù)間的差異性和相關(guān)性,也能反映景觀破碎化格局狀況[30,44- 46],且在2 km半徑的移動(dòng)窗口尺度下的空間連續(xù)性較好[47- 48],利于空間數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析。

全市的景觀格局和土地覆蓋上的最顯著變化為：耕地面積大幅減少,建設(shè)用地面積快速增加,這與此前北京市景觀格局的研究是一致的[19- 20],近20 a來北京市進(jìn)入快速城市化發(fā)展階段,城市擴(kuò)張,引起景觀格局的劇烈改變[49],其中最顯著的變化是景觀破碎化增加,本文中圖1、表3也顯示出自然、農(nóng)田等連續(xù)的景觀類型被建設(shè)用地等人工設(shè)施替代,且這些區(qū)域的景觀破碎度提高,因此本文認(rèn)為在城郊區(qū)域建設(shè)用地增加是導(dǎo)致城市景觀破碎化增加的主要因素,但同時(shí)城區(qū)建設(shè)用地的增加致使高度城市化區(qū)域的景觀同質(zhì)化,建設(shè)用地增加也是城區(qū)景觀破碎化減小的主要原因,說明在不同城市化梯度下的建設(shè)用地對(duì)景觀破碎度的影響也是不同的。從全市的時(shí)空過程看,北京市破碎化格局的顯著特點(diǎn)是區(qū)域間異質(zhì)性增強(qiáng)和破碎化兩極化趨勢(shì),具有明顯的區(qū)位特征,山地林區(qū)和核心城區(qū)出現(xiàn)明顯的單一化趨勢(shì),而城郊地區(qū)的破碎化異質(zhì)性增強(qiáng),有研究表明景觀類型和土地覆蓋結(jié)構(gòu)的改變是造成區(qū)域景觀破碎化格局改變的直接原因[50],其中山地林區(qū)破碎度降低有可能是人工林的單一化造成的[51]。

空間分布上,部分區(qū)域的破碎化的空間格局具有明顯的點(diǎn)帶狀分布的特征,這可能是受道路的影響[52- 53],說明道路對(duì)破碎化也具有一定的影響。同時(shí)圖5、圖6顯示出北京市景觀破碎化格局在平原地區(qū)沒有方向性偏好,這與其城市化的擴(kuò)張呈現(xiàn)“攤大餅式”[54]在地理格局上是一致的,可以認(rèn)為北京市景觀破碎化的背后驅(qū)動(dòng)因子是城市化,也說明在城市擴(kuò)張的距離效應(yīng)對(duì)破碎化格局影響較大,破碎化與距離的變化特征表現(xiàn)出北京的城市發(fā)展的“層圈結(jié)構(gòu)”,經(jīng)分析表明在距離城市中心點(diǎn)20—35 km范圍的城郊交錯(cuò)區(qū)景觀破碎度指數(shù)最高,而這一區(qū)域又是城市核心區(qū)和郊區(qū)生態(tài)區(qū)的關(guān)鍵區(qū)域[7],景觀格局的破碎化,造成生境碎片化,進(jìn)而影響到生物多樣性的保護(hù)工作,所以這一區(qū)域應(yīng)該是此后生態(tài)防護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域[55]。

4.2 結(jié)論

利用移動(dòng)窗口法和空間主成分分析法可以得到的能夠反映景觀破碎化程度的綜合綜合指標(biāo),而且基于兩級(jí)景觀分類數(shù)據(jù)得到的破碎化指標(biāo),能充分表現(xiàn)出一級(jí)景觀內(nèi)部的差異性和二級(jí)景觀間的相關(guān)性,同時(shí)本方法還可以根據(jù)研究目標(biāo),選擇不同的尺度和指標(biāo)組合,具有良好的綜合性和適應(yīng)性,能夠準(zhǔn)確的反映區(qū)域的破碎化時(shí)空格局狀況,可以應(yīng)用在破碎化格局等的研究方面。

(1)從1993年至2013年北京市正經(jīng)歷快速城市化過程,其中,最顯著變化為城區(qū)快速擴(kuò)展,建設(shè)用地大幅增加,20 a間建設(shè)用地面積增加1000.8 km2,增長47.14%,耕地面積減少21.86%,且建設(shè)用地的增加主要來源于耕地和林地；從空間格局上看,北京市城市化呈現(xiàn)以主城區(qū)為核心向外擴(kuò)展的“攤大餅”模式。在快速發(fā)展階段中北京市景觀結(jié)構(gòu)和格局也發(fā)生了較大變化,出現(xiàn)明顯的破碎化趨勢(shì),景觀斑塊數(shù)從20986個(gè)增加到24765個(gè),增加15.26%,而景觀斑塊的平均面積減小15.35%。

(2)北京市的景觀破碎化格局在時(shí)間上表現(xiàn)為破碎化加劇的趨勢(shì),20 a間密云水庫庫區(qū)和通州區(qū)西部的景觀破碎度增加幅度最大；同時(shí)在空間上呈現(xiàn)高度的區(qū)位特征,不同區(qū)域的差異性較大,具有明顯的異質(zhì)性和復(fù)雜性,主要表現(xiàn)為：北京市景觀破碎化格局呈現(xiàn)“兩極化”的發(fā)展趨勢(shì),核心城區(qū)和山地林區(qū)的景觀破碎度持續(xù)降低,新興城區(qū)和城郊區(qū)域景觀破碎度增大,同時(shí)低破碎化區(qū)域和高破碎化區(qū)域的面積持續(xù)擴(kuò)大。從整體的分布格局上看,北京市景觀破碎度大小主要受建設(shè)用地的影響,即城市化是導(dǎo)致北京市景觀格局時(shí)空變化的主要因素。

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Spatial-temporal changes of landscape fragmentation patterns in Beijing in the last two decades

FU Gang1,2, XIAO Nengwen2, QIAO Mengping1, QI Yue2, YAN Bing2, LIU Gaohui2, GAO Xiaoqi2, LI Junsheng2,*

1SchoolofEnvironmentandNaturalResources,RenminUniversityofChina,Beijing100872,China2ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China

Landscape fragmentation is a major factor for ecological and environmental degradation, and it has serious impacts on rapidly urbanized regions. Over the last 20 years, urbanization in Beijing has substantially changed the surface landscape, and deeply influenced the landscape heterogeneity. However, much of the current research on the landscape fragmentation in Beijing City has focused primarily on simple landscape indexes, and only a few studies have investigated the complexity and dynamics of fragmentation characteristics on the temporal and spatial patterns. Therefore, the combined use of remote sensing-based technology to classify land use cover, employing the moving windows method of landscape metrics, and the spatial principal components analyses method have provided an useful comprehensive understanding of the spatial-temporal characteristics and changes in landscape fragmentation patterns. In this study, we were mainly concerned with landscape fragmentation during the rapid urbanization in Beijing City, throughout 1993, 2003 and 2013 based on RS and GIS. The LUCC results, which were obtained from Landsat TM/ETM, have been divided into two grades, including six classes in first grade and 19 classes in second grade. We have fully integrated the two grades of LUCC results to analyze landscape fragmentation, combined with the moving windows method and the spatial principal components analyses method. Additionally, we use transfer-matrix and distribution pattern maps to describe the course of urbanization in Beijing City. Based on the results of our study, we concluded that, there were many changes in landscape structure and pattern during the rapid urbanization in Beijing, and the dominant change was construction land, which increased by 47.16%. At the same time, farmland area has decreased by 21.86%. Landscape fragmentation indices also changed over time during this stage, the landscape patch number was increased from 20,986 to 24,765, the average area of landscape patches has reduced by 15.35%, landscape connectivity index (CONNECT) has decreased from 0.1316 to 0.1271, and landscape shape index (LSI) has increased from 88.426 to 98.897. This indicates that, in the process of rapid urbanization, landscape fragmentation has increased in Beijing City. The spatial distribution fragmentation pattern revealed substantial heterogeneity and complexity, which primarily has the following outcomes: a polarizing trend, in which locations show increased dissimilarity. The fragmentation index of urban center and mountainous regions has continued to decrease, but the fragmentation index of emerging urban and suburban regions has increased. The gross area of high fragmentation and low fragmentation has expanded. We find that urbanization is the main factor in the change of landscape fragmentation patterns, and the dramatically changed region lies in the urban-rural ecotone, where construction land has rapidly increased. There was hardly a directional preference in the fragmentation pattern. However, it has a distinct distance effect; the landscape fragmentation index first increases with increasing distance, and then decreases in an inverted “U” type function. Also, the landscape fragmentation showed a "layer ring structure" model for urban development in Beijing. The landscape fragmentation index reaches a maximum when the distance at range of 20 to 35 km. This study could provide both reference and guidance for land use management and ecological environment protection for rapidly developing areas. Also, the multifaceted research approach toward landscape patterns and their ecological processes must be explored．

urbanization; heterogeneity; landscape fragmentation; spatial principal components analyses; moving windows method

北京市財(cái)政資金項(xiàng)目(PXM2014- 178218-000005)

2015- 10- 23; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 10- 19

10.5846/stxb201510232141

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lijsh@craes.org.cn

付剛,肖能文,喬夢(mèng)萍,齊月,閆冰,劉高慧,高曉奇,李俊生.北京市近二十年景觀破碎化格局的時(shí)空變化.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(8):2551- 2562.

Fu G, Xiao N W, Qiao M P, Qi Y, Yan B, Liu G H, Gao X Q, Li J S.Spatial-temporal changes of landscape fragmentation patterns in Beijing in the last two decades.Acta Ecologica Sinica,2017,37(8):2551- 2562.