城市土地利用的生態(tài)狀況時空變化分析

鮑文楷 謝苗苗

摘要：從土地利用動態(tài)和景觀格局分析兩個不同的角度，對2001～2009年房山區(qū)土地利用的生態(tài)狀況進行了綜合分析。結果表明：房山區(qū)的土地利用綜合動態(tài)度達到了較高水平，其中建設用地變化幅度最大。此外建設用地的破碎化程度及景觀優(yōu)勢度在上升;全區(qū)整體景觀的破碎化、無序性呈增長趨勢。導致其變化的驅動力主要包括區(qū)域GDP及城市總體規(guī)劃等社會經(jīng)濟和政策因素。

關鍵詞：土地利用變化;景觀格局分析;房山區(qū)

中圖分類號：F293.2

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）4-0196-05

1 引言

在全球環(huán)境變化的人文因素計劃中，“土地利用和土地覆被動態(tài)”（LUCC）是最受關注的核心問題之一[1]，同時它也是生態(tài)系統(tǒng)和景觀格局變化的重要因素。城市是土地利用/覆蓋變化最直接的載體，深刻地影響著區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)。然而在城市化的過程中，土地利用變化直接或間接地造成了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，如生物多樣性減少和棲息地破壞、熱島效應增強、環(huán)境污染等[2]。受到城市化擴張的影響，自然和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不斷向城市生態(tài)系統(tǒng)轉化，導致原有的景觀格局劇烈變化，進而造成物質循環(huán)和能量流動在時空受阻，最終演變?yōu)槌鞘猩鷳B(tài)環(huán)境問題。

2001- 2009年是北京城市化進程迅速推進的時期，常住人口由2001年的1364萬人增加到2009年的1860萬人;產(chǎn)業(yè)結構不斷調(diào)整：第三產(chǎn)業(yè)貢獻率由2001年的72.4%增長到2008年的92.1%，而第二產(chǎn)業(yè)比例則從26.6%下降到7.8%。隨著建成區(qū)的不斷外擴，中心城區(qū)和城郊的景觀格局及生態(tài)系統(tǒng)狀況都在發(fā)生著激烈的變化。

本研究試從土地利用變化和景觀格局這兩個不同的角度，以房山區(qū)為例，基于遙感數(shù)據(jù)生成的土地利用現(xiàn)狀圖，采用Arcgis10.3和Fragstats4.2景觀格局分析軟件，結合相關社會經(jīng)濟背景資料，以定性及定量方法探討城市生態(tài)系統(tǒng)景觀格局演變的驅動力因素分析，嘗試總結其變化規(guī)律和驅動力，以期為城市可持續(xù)土地利用和生態(tài)格局的優(yōu)化提供科學依據(jù)。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)概況

北京市房山區(qū)地處北京西南部（經(jīng)緯度范圍：115°25′～116°15′E，39°3′～39°55′N），總面積2019 km²。平均海拔高度為381.92 m，其中66%為山地、丘陵，34%為平原。房山區(qū)年平均氣溫為11.9℃，年平均降水量為582.8 mm。區(qū)內(nèi)土壤類型以褐土為主，主要分布于全區(qū)的南部和西部，其次為棕壤和潮土。

房山區(qū)歷史文化底蘊深厚，有文物保護單位328處，周口店北京人遺址是中國首批世界文化遺產(chǎn)，距今3000多年歷史的西周燕都遺址是北京建城的重要標志[3]。

2.2 數(shù)據(jù)源情況

使用具有30 m空間分辨率的美國陸地資源衛(wèi)星Landsat TM影像，對2001年和2009年的兩景數(shù)據(jù)進行系列校正后，采用監(jiān)督分類和目視修正相結合的方法，按照標準將地類分為6種，分別為草地、水域、林地、耕地、裸露用地和建設用地，分別得到2001和2009年的房山區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖[4]（圖1、2）。

3 研究方法

3.1 土地利用動態(tài)分析

3.1.1 土地利用動態(tài)度分析

（1）單一土地利用類型動態(tài)度。土地利用動態(tài)度主要是用來預測土地利用未來的變化趨勢，公式為：

式（1）中，T為研究時段（年）;K為研究期間某類型土地的利用動態(tài)度;U。為研究初期該利用類型土地的面積;Ub為研究末期該利用類型土地的面積。

（2）綜合土地利用動態(tài)度。某一研究區(qū)的綜合土地利用動態(tài)度可表示為：

式（2）中，LU_i為監(jiān)測起始時間第i類土地利用類型面積;ALU_i-j為監(jiān)測時段內(nèi)第i類土地利用類型轉為非i類土地利用類型面積的絕對值;T為監(jiān)測時段長度[5]。

3.1.2 土地利用轉移矩陣分析

土地利用轉移矩陣反映了某一區(qū)域期初和期末各地類面積之間相互轉化的動態(tài)過程。土地利用轉移矩陣通用形式為：

式（3）中：S代表面積，n代表轉移前后的土地利用類型數(shù)，i、j分別代表轉移前與轉移后的土地利用類型，S_ij代表轉移前的i地類轉換成轉移后的j地類的面積。

土地利用動態(tài)度分布情況如圖3所示，而該區(qū)西半部分主要為林地，變化程度相對緩和。

研究中便用 Arcgis10.3自帶的柵格計算器功能實現(xiàn)了2001～2009各地類的土地利用轉移矩陣計算。

3.2 景觀格局分析

在眾多景觀格局的分析方法中，景觀指數(shù)的應用最為廣泛。景觀指數(shù)能高度濃縮景觀格局信息，有效地反映其結構組成和空間配置等方面地特征[6]。

以2001年和2009年兩年的土地利用現(xiàn)狀柵格圖為基礎，選取斑塊、類型和景觀3個水平的格局指數(shù)[7]。本研究選取平均斑塊大?。∕PS），斑塊密度（PD），邊緣密度（ED）和最大斑塊指數(shù)（LPI）代表景觀個體單元特征;采用面積加權平均形狀指數(shù)（AWMSI）、蔓延度（CONTAG）、聚合度指數(shù)（AD代表景觀組分空間構型，用香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）表征景觀整體多樣性特征，彭建等[8]的研究表明這些指標能很好地反應景觀空間格局。建立指標后，在Fragstats4.2軟件里進行計算，分析兩年期景觀格局指數(shù)變化特征。

4 結果分析

4.1 土地利用動態(tài)度分析

2001～2009年房山區(qū)各種土地利用類型面積及變化情況如表1所示。2001年面積排在前三位的是林地、草地、耕地，而到了2009年前三位分別為林地、耕地、建設用地。

該區(qū)域9年間的綜合土地利用動態(tài)度可為0.81%，參照文獻可知[9]，陜西省全省范圍內(nèi)1900～2000年的綜合動態(tài)度也僅為0.38%，因此房山區(qū)這9年的土地利用變化幅度是相對較大的。主要表現(xiàn)在建設用地的急劇增長，由2001～2009年面積翻了幾乎1倍;其單項動態(tài)度為10.17%.為綜合動態(tài)度的12.6倍。而草地、裸露土地減少趨勢十分明顯，動態(tài)度絕對值分別為4.58%（5.7倍）和6.82%（8.4倍）;其中草地減少面積令人關注，達到了10861.38 hm²，幾乎和同期建設用地的增長面積持平。除此以外，耕地面積增長了10.3%，在該區(qū)建設用地急劇增長的背景下竟然實現(xiàn)耕地面積擴大，也許跟普遍推行的占補平衡政策密切相關。林地變化情況不顯著，9年間減少了2996.1 hm²，但在2009年仍為面積比例最大的地類，占比60.53%。水域面積在這9年間面積幾乎未發(fā)生改變，所占比例維持在0.21%。

4.2 土地利用轉移矩陣分析

動態(tài)度展示了各地類的變化幅度，但不能表示變化過程中每個地類的具體來源和去向，利用轉移矩陣可更好地描述土地利用轉變情況（表2）。

首先關注各地類的轉出情況，可以看出轉出比例最多的是裸露土地（94.42%），其中38.92%變?yōu)榱瞬莸兀?1.54%變?yōu)榱私ㄔO用地;其次是草地（68.56%），其中44.06%轉移成了耕地，24.08%轉移成了建設用地，轉出比例的大小排序是裸露土地>草地>建設用地>耕地>水域>林地。轉出比例越小，則該地類的原位置變化程度越小，表明地類占據(jù)的地域更為穩(wěn)定，抗各種自然、人類活動等因素干擾的能力就越強;但需要說明的是，轉出比例小并不代表該地類的總體變化幅度就小，因為未考慮到其他地類轉入的情況。

接下來分析各地類的來源情況，在此只選擇增長速度最快的兩個地類即建設用地和耕地作為典型代表來分析。

首先要關注的是建設用地，其轉入情況如圖4所示。從圖上容易讀出，2009年的建設用地有34.18%來自于原來的建設用地，27.84%來自于草地，19.78%來自于耕地，16.47%來自于林地，其余來自于裸露土地和水域的較少;由此可以發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象：建設用地僅有1.6%來自于裸露土地，同時裸露土地只有不到1/3變?yōu)榻ㄔO用地，但占耕地建設的情況卻高達將近20%，這說明建設用地開發(fā)時利用閑置后備土地資源的程度偏低，對耕地尤其是良田的破壞應當引起重視。

圖5所示的是耕地的來源示意圖，可以看出末期的耕地有64.31%來自于原來的耕地，29.57%的來自于草地，剩余的5%左右來自于其他4類。結合上文發(fā)現(xiàn)：接近30%的初期耕地經(jīng)過9年的時間變?yōu)槠渌仡?，而在末期的耕地有接?0%的耕地來自于草地，說明失去的原耕地絕大部分都是由草地補償?shù)摹Ｒ虼吮M管這9年間耕地的面積總體上增加，但相當于近1/3的耕地被置換成了草地，盡管筆者未能獲得新增耕地的土壤、地形等耕作條件的數(shù)據(jù)以作出質量評價，但有理由推測從草地轉換而來的耕地的質量并不理想。

4.3 景觀格局分析

4.3.1 個體水平的動態(tài)變化特征

斑塊密度（PD）、邊緣密度（ED）和平均斑塊大?。?MPS）能很好地指示景觀的破碎化程度，最大斑塊指數(shù)（LPI）可以反應出景觀的優(yōu)勢類型，即某一地類的主導程度。

首先，關注斑塊密度（PD）和邊緣密度（ED）值，其中建設用地的PD和ED分別在2001年和2009年排在第一位（如圖6），有趣的是，草地的PD和ED分別在2009年和2001年排在第一位;而與此同時兩期的MPS基本維持不變，最大的都是林地，說明林地破碎程度很低;此外可以看出建設用地和草地是這一時期破碎程度最高的兩個地類。值得關注的是，耕地的破碎度是第三高的，兩年期的ED和PD值都很高。

其次，關注最大斑塊指數(shù)（LPI）的動態(tài)特征，在研究時段內(nèi)，林地一直是該區(qū)最優(yōu)勢的類型，但建設用地的優(yōu)勢度呈明顯的上升趨勢，而耕地和草地的優(yōu)勢度明顯下降;其他用地斑塊類型的景觀特征保持相對穩(wěn)定。

4.3.2 景觀水平的動態(tài)變化特征

由表3可以清晰地看出，從2001～2009年該區(qū)內(nèi)的蔓延度（CONTAG）、加權平均形狀指數(shù)（AWMSI）和聚合度指數(shù)（AI）均表現(xiàn)出了不同程度上的下降。其中AI和CONTAG的降低均反映了全區(qū)范圍內(nèi)的景觀連通性、聚集性降低而破碎程度增大。而AWMSI的降低反映了景觀形狀的復雜程度和不規(guī)則形有所降低，主要是由于在全區(qū)范圍內(nèi)景觀類型主要以林地和耕地為主，因此林地、耕地斑塊的整理、合并工程可能是導致總體不規(guī)則度下降的主要原因。

景觀多樣性指數(shù)（SHDI）反映了景觀的復雜性，一般而言其值越大表明景觀內(nèi)各組分分布更均勻。盡管指數(shù)增大程度較微弱，但也體現(xiàn)出了從全區(qū)的變化水平看，景觀多樣性是增大的，景觀分布模式也趨于合理。

盡管在這9年間建設用地面積比例擴大，城市化程度不斷提高，但需要指出的是房山區(qū)的建設用地尚未成為主導地類，因此建設用地的快速擴張未能造成顯著的全區(qū)域范圍景觀多樣性下降，盡管這一現(xiàn)象在很多針對其他城市的研究中已有較明顯的體現(xiàn)[10]。

5 結論與討論

（1）從土地利用動態(tài)變化的角度來看，2001- 2009年間的總體動態(tài)度達到了0.81%，指示了一個較快的變化時期;而具體到地類來看，變化幅度最大的是建設用地，但分析顯示占據(jù)生態(tài)用地、農(nóng)用地用于建設的情況比較嚴重。草地面積減少了41.2%，主要轉變?yōu)榱烁睾徒ㄔO用地。此外，耕地面積實現(xiàn)了10.3%的增長，其來源中有近30%是草地，因此新增耕地的質量也有理由讓人們擔憂。在將來耕地占補平衡應在關注數(shù)量上增減掛鉤的同時，更注重質量和生態(tài)上的同等置換。例如質量上的對等置換可以借助耕地質量評價來實現(xiàn)，但生態(tài)水平上的評價方法還有待學者專家們的進一步研究。

（2）景觀格局指數(shù)從個體、類型、景觀3個水平明確了快速城市化過程中景觀空間結構的動態(tài)變化特征。在全區(qū)范圍內(nèi)，建設用地的破碎化程度在增加且其景觀優(yōu)勢度在上升。但林地一直是該區(qū)域最優(yōu)勢的類型，其破碎程度維持在很低的水平。全區(qū)范圍內(nèi)的蔓延度和聚合度下降，表明整體景觀的破碎化、無序性是在增加的，應該通過城市規(guī)劃引導景觀生態(tài)的進一步合理優(yōu)化。

（3）本研究嘗試分析了房山區(qū)這9年間生態(tài)變化的驅動力。由于城市是以人類活動為主要特征的社會一經(jīng)濟一自然復合生態(tài)系統(tǒng)[11]，其景觀格局演變的過程具有比其他任何景觀類型都更加復雜的驅動機制，但人類活動無疑是景觀格局演變的最主要驅動因素，主要包括：①社會經(jīng)濟因素，指標有地區(qū)總人口、全社會固定資產(chǎn)總投資額、地區(qū)生產(chǎn)總值GDP、三種產(chǎn)業(yè)的比例、房地產(chǎn)業(yè)、城鎮(zhèn)居民可支配收入、地方財政收入等，其從不同方面深刻影響這城市的用地格局。②城市總體規(guī)劃是對一定時期轄區(qū)內(nèi)的各項用地安排和綜合部署，是城市經(jīng)濟和社會發(fā)展目標在空間上的具體落實，因此城市景觀格局的變化與總體規(guī)劃的實施是緊密相關的。③政策因素，包括政府投資和土地投放，產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整政策等，經(jīng)濟的投入和土地政策的變化在很大程度上促進了城市土地利用情況和景觀格局的變化。

參考文獻：

[l]Turner B L I，Clark W C，Kates R W， et al_The earth as transformed by human action： global and regional changes in the biosphere over the past 300 years [M]. Cambridge： Cambridge University Press， 1993.

[2]郭濼，夏北成，劉蔚秋，等.城市化進程中廣州市景觀格局的時空變化與梯度分異[J].應用生態(tài)學報，2006，17（9）：1671～1676.

[3]張文凱，吳克寧，黃晴，等.北京市房山區(qū)土地利用生態(tài)功能分區(qū)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2017，45（12）：250～256.

[4]沈虹.大都市區(qū)城市化進程及其NPP響應研究——以北京市為例[D].北京：北京大學，2012.

[5]王秀蘭，包玉海.土地利用動態(tài)變化研究方法探討[J].地理科學進展，1999，18（1）：81～87.

[6]鄔建國，景觀生態(tài)學：格局、過程、尺度與等級[M].2版.北京：高等教育出版社，2007.

[7]李衛(wèi)鋒，王仰麟，彭建，等.深圳市景觀格局演變及其驅動因素分析[J].應用生態(tài)學報，2004，15（8）：1403～1410.

[8]彭建，王仰麟，張源，等.土地利用分類對景觀格局指數(shù)的影響[J].地理學報，2006，61（2）：157～168.

[9]雷慶玲，陜西省土地利用動態(tài)變化及景觀格局分析研究[D].南京：河海大學，2006.

[10]陽文銳.北京城市景觀格局時空變化及驅動力[J].生態(tài)學報，2015，35（13）：4357～4366.

[11]馬世駿，王如松.社會一經(jīng)濟一自然復合生態(tài)系統(tǒng)[J].生態(tài)學報，1984，4（1）：l～9.