京津冀城市群土地利用/覆被時(shí)空格局變化

楊 浩

(1.北京市社會(huì)科學(xué)院，北京100871； 2.北京大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，北京 100101)

土地利用/覆被變化(land use and land cover change，LUCC)作為聯(lián)系地球系統(tǒng)四大圈層(大氣圈、水圈、生物圈與巖石圈)的關(guān)鍵紐帶，被認(rèn)為是全球環(huán)境變化的重要組成部分和主要影響因素[1]。近年來，伴隨城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)所帶來的人類活動(dòng)范圍的無限制擴(kuò)大使得土地資源特別是城市土地資源的供需矛盾不斷惡化。同時(shí)，無序的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與房地產(chǎn)開發(fā)等生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)導(dǎo)致用地結(jié)構(gòu)不合理行為，加劇了土地利用/覆被狀況的改變，嚴(yán)重制約了區(qū)域生態(tài)環(huán)境的健康和可持續(xù)發(fā)展。2015年國(guó)家發(fā)改委、環(huán)境部發(fā)布的《京津冀區(qū)域協(xié)同發(fā)展生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》明確指出：“京津冀城市群生態(tài)保障能力不足，主要體現(xiàn)在生態(tài)空間總量不足、生態(tài)質(zhì)量相對(duì)不高和生態(tài)資源分布不均?！边@在我國(guó)眾多城市群中具有較強(qiáng)的典型性和代表性。因此，研究京津冀城市群的土地利用/覆被變化，分析引發(fā)變化的驅(qū)動(dòng)因素，對(duì)城市群健康、可持續(xù)發(fā)展有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，學(xué)術(shù)界關(guān)于土地利用/覆被變化的研究較多。許艷等選取4個(gè)時(shí)相的TM遙感影像為數(shù)據(jù)源，分析了江蘇省1980年以來海岸帶土地利用/覆被變化的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征，揭示了地域差異與梯度分異特征，并提出了江蘇省海岸帶土地利用結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為生態(tài)用地占比高、城鎮(zhèn)與農(nóng)村居民點(diǎn)占比低的特征[2]。王萍等以Landsat TM遙感影像解譯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從空間分布變化、結(jié)構(gòu)變化、類型轉(zhuǎn)換及景觀破碎度等角度，定量分析了西安市土地利用/土地覆被變化及建成區(qū)的擴(kuò)展?fàn)顩r，并提出了10年間西安市耕地面積顯著減少、空間分布上由城市中心向周邊縣區(qū)迅速擴(kuò)張、導(dǎo)致周邊連續(xù)分布的植被及未利用地趨勢(shì)景觀破碎化加劇的結(jié)論[3]。李麗國(guó)等以烏魯木齊為研究區(qū)域，選取3期的土地利用及統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，從土地利用結(jié)構(gòu)、土地利用幅度變化、土地利用速度變化、土地利用程度變化4個(gè)方面分析了不同時(shí)期LUCC的轉(zhuǎn)移變化情況和規(guī)律，研究結(jié)果表明，烏魯木齊市土地利用以牧草地、耕地和林地為主，園地、林地和水域面積減少最多，耕地、未利用土地和城鎮(zhèn)、村莊及工礦用地面積增加較為明顯[4]。目前，無論是對(duì)城市的土地利用/覆被變化還是對(duì)LUCC的驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究均取得了較為顯著的成果，但從研究區(qū)域上看，已有研究主要集中于單體城市或縣域，而基于城市群尺度對(duì)土地利用/覆被變化規(guī)律的研究則相對(duì)缺乏。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

京津冀城市群是我國(guó)三大城市群之一，位于中國(guó)東部沿海的北部地區(qū)，通過京津唐等主要城市帶引向中國(guó)北方腹地，城市群和工業(yè)區(qū)分布密集，是帶動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)和參與國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作的主要平臺(tái)。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《京津冀城市群協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)劃2008—2020》的界定，京津冀城市群的空間范圍涵蓋北京市、天津市和河北省的完整行政轄區(qū)，總面積21.36萬km2，占國(guó)土面積的2.3%。由2個(gè)直轄市、11個(gè)地級(jí)市組成，下轄67個(gè)區(qū)、22個(gè)縣級(jí)市和119個(gè)縣。作為全國(guó)的政治、文化中心，京津冀城市群集聚了全國(guó)7.23%的人口，創(chuàng)造了11.3%的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值，城鎮(zhèn)化水平達(dá)到60.7%。近年來，隨著該地區(qū)環(huán)境污染程度和資源消耗程度的進(jìn)一步加重，區(qū)域資源環(huán)境承載能力也急劇下降，現(xiàn)已經(jīng)成為制約地區(qū)發(fā)展的主要因素之一。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用變化測(cè)算 京津冀城市群土地利用數(shù)據(jù)是利用LandsatTM/ETM影像進(jìn)行人工目視解譯方式獲取。近幾十年來，基于LandsatTM/ETM數(shù)據(jù)的遙感影像分類和變化檢測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于土地覆蓋制圖和變化情況監(jiān)測(cè)研究中[5]。LandsatTM/ETM采用波段band4、band3、band2假彩色合成，并以1 ∶10萬地形圖糾正，平均位置誤差不超過30 M(1個(gè)像元)的數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)，即可對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行正射校正，消除由于地形起伏造成的像元像素值(digital number，DN)的變化，能夠較好地對(duì)京津冀城市群的土地利用類型進(jìn)行判讀。同時(shí)，本研究通過建立土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來揭示2003—2015年京津冀城市群各土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)換情況。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣作為能夠反映研究區(qū)域內(nèi)某一時(shí)段期初和期末各地類面積之間相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)過程信息的有效方法，包括區(qū)域某時(shí)間點(diǎn)的各地類面積數(shù)據(jù)，而且還含有更為豐富的期初各地類面積轉(zhuǎn)出和期末各地類面積轉(zhuǎn)入的信息。一般用二維表來表達(dá)，從二維表中可以快速查看各個(gè)地類間相互轉(zhuǎn)化的具體情況。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣通用形式[6-8]為：

式中：s代表面積；n代表轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型數(shù)；i、j(i，j=1，2，…，n)分別代表轉(zhuǎn)移前與轉(zhuǎn)移后的土地利用類型；sij表示轉(zhuǎn)移前的i地類轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)移后的j地類的面積。矩陣中的每一行元素代表轉(zhuǎn)移前的i地類向轉(zhuǎn)移后的各地類的流向信息，矩陣中的每一列元素代表轉(zhuǎn)移后的j地類面積從轉(zhuǎn)移前的各地類的來源信息[9]。

1.2.2 土地利用/覆被度測(cè)算 土地覆被數(shù)據(jù)是通過MODIS全球植被指數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)掩膜出京津冀城市群2003—2015年歸一化植被指數(shù)(NDVI)并經(jīng)進(jìn)一步計(jì)算得到植被覆蓋度。通過對(duì)比分析10年間城市群土地利用/覆被變化情況進(jìn)一步研究其內(nèi)在的演化機(jī)制。中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)作為搭載在terra和aqua衛(wèi)星上的“圖譜合一”光學(xué)衛(wèi)星遙感儀器，每天可2次對(duì)京津冀城市群進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)發(fā)回的數(shù)據(jù)經(jīng)過基于像元的進(jìn)行運(yùn)算即歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetationindex，NDVI)可以比較客觀地刻畫出區(qū)域植被的生長(zhǎng)、覆蓋情況、生物量情況和植被種類情況。此外，因?yàn)镹DVI具有能夠部分消除與太陽高度角、衛(wèi)星觀測(cè)角、地形、云影等與大氣條件有關(guān)的輻射變化的影響等特性，被視為是植被生長(zhǎng)狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子，而廣泛地應(yīng)用于全球植被狀態(tài)的定量化研究[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 京津冀城市群土地利用時(shí)空格局變化

2003—2015年京津冀城市群土地利用時(shí)空變化較為明顯(圖1、表1)。總體來看，京津冀城市群土地利用類型整體結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，發(fā)生土地利用變化的總面積為3 465 km2， 占 全區(qū)域總面積的 14.97%。 土地利用變化最為明顯的為耕地和城市建設(shè)用地，其中耕地面積從2003年的121.47×103km2，減少到2015年的118.96×103km2，減少面積為2.5×103km2，城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增加2.75×103km2，增加面積占京津冀城市群總面積的1.32%，其中增加的城市建設(shè)用地主要集中在北京市、天津市。草地、濕地面積分別減少 0.14×103km2和0.15×103km2，其他土地利用類型的面積基本未發(fā)生變化。

表1 2003—2015年京津冀城市群各土地利用類型面積及比例

2003—2015年，京津冀城市群的城鎮(zhèn)建設(shè)用地增加 2 754 km2，主要由草地、濕地和耕地轉(zhuǎn)換，其中耕地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地2 511 km2，占新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地的91.18%，其次是濕地，占新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地的4.25%。耕地、草地、濕地存在不同程度的互相轉(zhuǎn)換，這主要是由各區(qū)域?qū)ν恋乩眯枨蟮牟煌鶎?dǎo)致。此外，退耕還林面積為72 km2(表2)。

表2 京津冀城市群2003—2015年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

2.2 京津冀城市群植被覆蓋時(shí)空格局變化

2003—2015年京津冀城市群年均與季均植被覆蓋度的變化均呈現(xiàn)出時(shí)空異質(zhì)性(圖2、表3)。城市群的年均植被覆蓋度增加了0.02，對(duì)比各季節(jié)平均植被覆蓋度后可知，夏季植被覆蓋度增加最大，達(dá)0.10，秋季增加0.02，冬季未出現(xiàn)明顯變化，春季植被覆蓋度降低0.02。分析各城市植被覆蓋度變化情況后可以看出，張家口市年均植被覆蓋度增加 0.06，其夏季植被覆蓋度增加0.16，增加最為明顯；承德次之，年均植被覆蓋度增加0.04，夏季植被覆蓋度增加0.14；北京市和衡水市夏季植被覆蓋度均增加0.10，增加幅度明顯。春季各城市植被覆蓋度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中，石家莊市春季植被覆蓋度降低0.07，邯鄲市次之，植被覆蓋度降低0.06；天津市除夏季植被覆蓋度略有增加外，其他季節(jié)植被覆蓋度均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；張家口市秋季植被覆蓋度增加0.06，而唐山市、廊坊市植被覆蓋度均呈明顯降低趨勢(shì)，分別降低0.04、0.03。冬季各城市植被覆蓋度變化不明顯，主要集中在 ±0.02 之間。

2003—2015年不同土地利用類型變化對(duì)年均和季均植被覆蓋度影響明顯。從表4可以看出，城鎮(zhèn)建設(shè)用地侵占生態(tài)用地導(dǎo)致土地利用類型轉(zhuǎn)變引發(fā)的植被覆蓋度變化最為明顯，其中，林地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地年均植被覆蓋度降低最多，達(dá)到0.16；耕地次之，耕地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地年均植被覆蓋度降低0.15；濕地、草地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地導(dǎo)致年均植被覆蓋度降低0.08、0.07。退耕還林、還草是植被覆蓋度增加的主要原因。其中耕地轉(zhuǎn)為林地年均植被覆蓋度增加0.08，耕地轉(zhuǎn)為草地年均植被覆蓋度增加約0.06。此外，草地轉(zhuǎn)為林地年均植被覆蓋度也有明顯增加，達(dá)到0.06。當(dāng)草地和濕地開墾為耕地時(shí)，年均植被覆蓋度分別降低0.03、0.01。從季均植被覆蓋度的變化來看，京津冀城市群夏季的土地利用類型產(chǎn)生變化所引至的區(qū)域植被覆蓋度變化較為明顯。對(duì)比各季節(jié)土地利用類型變化所導(dǎo)致的植被覆蓋度變化后可以看出，夏季植被覆蓋度變化最為明顯，春秋季次之，冬季變化不明顯。此外，在其他用地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地的區(qū)域，夏季植被覆蓋度降低略高于春季和秋季。耕地、 草地轉(zhuǎn)為林地后夏季植被覆蓋度分別增加0.22、0.19，明顯高于其他季節(jié)。耕地轉(zhuǎn)為濕地后夏季植被覆蓋度增加0.13。

2003—2015年土地覆被變化的年均和季均植被覆蓋度差異明顯(表5)。盡管土地利用類型未發(fā)生變化，但由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)或利用強(qiáng)度的變化導(dǎo)致了植被覆蓋度發(fā)生了變化。

表4 2003—2015年主要土地利用類型變化的年均和季均植被覆蓋度變化

表5 2003—2015年土地覆被變化年均和季均植被覆蓋度變化

比較各土地利用類型年均植被覆蓋度變化后發(fā)現(xiàn)，除城鎮(zhèn)建設(shè)用地植被覆蓋度降低0.01外，其他土地利用類型均呈增加趨勢(shì)，其中草地年均植被覆蓋度增加0.05，林地植被覆蓋度增加0.04，明顯高于濕地、耕地和裸地。比較各季節(jié)土地利用類型覆蓋度變化情況后可知，春季植被覆蓋度整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，其中耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地的春季植被覆蓋度均降低0.03。夏季各土地利用類型植被覆蓋度均呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，特別是林地和草地，植被覆蓋度分別增加0.15和0.14，明顯高于其他土地利用類型，耕地和裸地的植被覆蓋度分別增加0.08和0.07。秋季的植被覆蓋度變化較夏季穩(wěn)定，基本與年均植被覆蓋度一致。冬季各土地利用類型的植被覆蓋度均未發(fā)生明顯變化。

3 結(jié)論與對(duì)策建議

3.1 結(jié)論

3.1.1 2003—2015年京津冀城市群土地利用變化的面積較大，城鎮(zhèn)建設(shè)用地增速明顯，且主要來源為耕地 2003—2015年京津冀城市群土地類型以耕地為主，面積占區(qū)域總面積的57.11%。城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積占區(qū)域總面積的3.27%。土地利用變化的總面積為3 465 km2，占全區(qū)域總面積的14.97%。新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積為2.75千km2，主要集中在北京市和天津市，并且新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地的來源主要為耕地。

3.1.2 京津冀城市群年均植被覆蓋度總體略有增加，退耕還林、還草及部分城市植被覆蓋度快速增長(zhǎng)是主要影響因素 其中，京津冀城市群退耕還林面積為72 km2。年均植被覆蓋度總體上呈現(xiàn)北高南低的分布特征；承德市植被覆蓋度最高，達(dá)0.40；張家口市年均植被覆蓋度增加最為明顯，達(dá)0.06。對(duì)比各季節(jié)土地利用類型變化所導(dǎo)致的植被覆蓋度變化發(fā)現(xiàn)，夏季植被覆蓋度變化最為明顯，而其他季節(jié)變化不明顯。

3.1.3 耕地、草地、濕地與城鎮(zhèn)建設(shè)用地互相轉(zhuǎn)換面積的情況嚴(yán)重，限制了植被覆蓋度總量的增加 其中，城鎮(zhèn)建設(shè)用地侵占生態(tài)用地導(dǎo)致土地利用類型改變，進(jìn)而引發(fā)植被覆蓋度的變化最為明顯，林地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地后年均植被覆蓋度降低最多，達(dá)0.16；耕地次之，耕地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地后年均植被覆蓋度降低0.15；濕地、草地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地導(dǎo)致年均植被覆蓋度降低0.08、0.07。

3.2 政策建議

3.2.1 強(qiáng)化政府耕地保護(hù)責(zé)任，提高土地資源利用效率 京津冀城市群的城鎮(zhèn)建設(shè)用地與耕地互換面積導(dǎo)致了耕地?cái)?shù)量減少，這很大程度上是由政府對(duì)耕地的保護(hù)與監(jiān)管不到位造成的。因此，應(yīng)當(dāng)不斷強(qiáng)化政府對(duì)耕地的保護(hù)責(zé)任，通過嚴(yán)查侵占耕地違法行為，實(shí)施耕地保護(hù)“首長(zhǎng)負(fù)責(zé)制”，加強(qiáng)土地督察、巡查等方式，充分發(fā)揮政府在耕地保護(hù)中的“守門人”作用。同時(shí)，在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、房地產(chǎn)開發(fā)、新區(qū)建設(shè)等開發(fā)項(xiàng)目中對(duì)土地利用實(shí)施精細(xì)化管理，避免土地資源浪費(fèi)情況的發(fā)生。在舊城改造、公共設(shè)施改善過程中充分發(fā)揮低利用率土地、市區(qū)內(nèi)零星的棄耕地以及閑置土地的作用，切實(shí)提高城市整體的土地利用效率，減少城市發(fā)展對(duì)耕地資源的需求。

3.2.2 合理規(guī)劃土地利用布局，構(gòu)建土地資源合理配置長(zhǎng)效機(jī)制 規(guī)劃城市產(chǎn)業(yè)布局時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)考慮城市耕地、草地、濕地、林地在城市面積中所占的比例，嚴(yán)格控制用地指標(biāo)。對(duì)侵占耕地、損害城市植被等對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害的行業(yè)實(shí)行嚴(yán)格的禁入制度。其次是營(yíng)造良好的土地行政管理環(huán)境。通過提高土地行政部門的管理水平，推進(jìn)政府制度創(chuàng)新，充分發(fā)揮產(chǎn)業(yè)鏈的帶動(dòng)效應(yīng)，科學(xué)選擇主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，不斷優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，形成資源互補(bǔ)、優(yōu)勢(shì)互助的有機(jī)整體，使區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)要素合理流動(dòng)、資源稟賦高效利用，進(jìn)而推動(dòng)區(qū)域內(nèi)土地資源的合理配置。

3.2.3 建立區(qū)域性生態(tài)建設(shè)補(bǔ)償機(jī)制，為優(yōu)化城市群生態(tài)環(huán)境提供制度保障 城市土地利用/覆被變化對(duì)城市群的空氣質(zhì)量、熱環(huán)境等區(qū)域生態(tài)環(huán)境因素影響明顯[11]，但現(xiàn)行我國(guó)法律至今未明確省、市級(jí)政府對(duì)跨區(qū)域生態(tài)損害有賠償責(zé)任的規(guī)定，間接導(dǎo)致了京津冀生態(tài)環(huán)境資源的保護(hù)長(zhǎng)期處于低效率運(yùn)行狀態(tài)，區(qū)域沖突難以避免。區(qū)域生態(tài)利益補(bǔ)償機(jī)制是以環(huán)境保護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)利用為目的，運(yùn)用市場(chǎng)和政府手段，并以經(jīng)濟(jì)手段為主，調(diào)節(jié)利益相關(guān)者之間利益關(guān)系的有效制度安排。可以考慮建立區(qū)域性的政府間橫向轉(zhuǎn)移支付制度，在明確區(qū)域生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)區(qū)域間生態(tài)環(huán)境受損方進(jìn)行補(bǔ)償，其本質(zhì)是通過生態(tài)補(bǔ)償手段來協(xié)調(diào)京津冀城市群內(nèi)各省、市間的生態(tài)環(huán)境保護(hù)關(guān)系。

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