京津冀地區(qū)生境質(zhì)量與景觀格局演變及關(guān)聯(lián)性

常玉旸,高 陽(yáng),謝 臻,張?zhí)熘?于希澤 (中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100193)

城鎮(zhèn)化是全球現(xiàn)代化進(jìn)程的普遍現(xiàn)象,是衡量社會(huì)進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度的重要指標(biāo)[1].隨著人類活動(dòng)的加劇以及土地覆被的變化,地表景觀格局也在以前所未有的速度發(fā)生改變.地表景觀格局的急劇變化往往意味著生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)流、能量流等受到強(qiáng)烈干擾與破壞,這會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)的格局和功能[2],威脅當(dāng)?shù)氐纳迟|(zhì)量[3].因此,在城鎮(zhèn)化背景下,人為擾動(dòng)所導(dǎo)致的景觀破碎化、景觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜化會(huì)增加區(qū)域維持生態(tài)平衡與保持生境質(zhì)量的壓力[4],這成為經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展區(qū)域普遍面臨的難題.

迄今為止,國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞生境質(zhì)量和景觀格局展開了大量研究,主要聚焦于有關(guān)生境質(zhì)量與景觀格局的理論、方法和應(yīng)用等方面[5-8],特別是在理論層面揭示了景觀格局影響生境質(zhì)量的內(nèi)在機(jī)理[4,6].但在分析二者內(nèi)在關(guān)系時(shí),大多未考慮地理現(xiàn)象的空間屬性,研究結(jié)果無法表征二者顯著相關(guān)的具體空間范圍,且多未能從時(shí)序上定量研究生境質(zhì)量和景觀格局空間關(guān)聯(lián)性的演變趨勢(shì).因此,有必要從時(shí)空演變的視角分析景觀格局變化與生境質(zhì)量的相關(guān)關(guān)系,以揭示二者的空間關(guān)聯(lián)特征.

京津冀首都經(jīng)濟(jì)圈是我國(guó)繼長(zhǎng)三角城市群、珠三角城市群之后的第三經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)極.近年來,京津冀城市群發(fā)展迅猛[9-10],然而,城市群的快速發(fā)展導(dǎo)致當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)生境格局被破壞,生物多樣性受到嚴(yán)重威脅[11].京津冀境內(nèi)包含高原、山地以及平原多種地形,是集自然生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)與核心都市區(qū)于一體的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),是開展生境質(zhì)量與景觀格局演變研究的理想對(duì)象.吳健生等[12]以流域?yàn)槌叨仍u(píng)估了京津冀地區(qū)生境質(zhì)量空間分布集聚性;鄧越等[13]從城市擴(kuò)張視角分析了城鎮(zhèn)化加劇對(duì)京津冀地區(qū)生境質(zhì)量的影響;嚴(yán)珅等[14]應(yīng)用協(xié)調(diào)發(fā)展度模型,對(duì)城鎮(zhèn)化與景觀格局的協(xié)調(diào)度進(jìn)行了定量評(píng)估.盡管很多學(xué)者研究了快速城鎮(zhèn)化地區(qū)生境質(zhì)量與景觀格局的演變趨勢(shì),但二者的時(shí)空關(guān)聯(lián)性卻鮮有研究,二者是否具有相關(guān)性、相關(guān)關(guān)系的強(qiáng)弱等問題仍未明晰.因此,本研究以京津冀地區(qū)為研究區(qū),基于生境評(píng)估、景觀分析等理論與手段,分析2000～2018 年該地區(qū)生境質(zhì)量與景觀格局演變特征,并通過地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析二者間的空間關(guān)系,旨在為京津冀地區(qū)生態(tài)保護(hù)以及土地可持續(xù)利用等提供科學(xué)支持.

1 研究區(qū)概況

京津冀地區(qū)包括北京市、天津市以及河北省的保定、唐山、廊坊、石家莊、秦皇島、張家口、承德、滄州、衡水、邢臺(tái)、邯鄲共13 個(gè)城市,位于我國(guó) 華 北 地 區(qū)(36°03′～42°40′N,113°27′～119°50′E),土地總面積約21.6×104km2,約占中國(guó)總面積的2.2%.研究區(qū)具有典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫為3～15℃,年平均降雨量為304～750mm.高程自西北向東南遞減,范圍為-18～2836m.境內(nèi)有水土保持、水源涵養(yǎng)以及防風(fēng)固沙等多個(gè)生態(tài)保護(hù)區(qū),同時(shí)也是“三北”防護(hù)林、沿海防護(hù)林等林業(yè)工程的主要項(xiàng)目區(qū).京津冀地區(qū)是國(guó)家政治、經(jīng)濟(jì)、文化和科技中心,到2018 年底,總?cè)丝跒?.127 億,生產(chǎn)總值合計(jì)84580.08 億元,占全國(guó)的8.5%.伴隨著京津冀地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平的迅猛發(fā)展,當(dāng)?shù)刭Y源與環(huán)境問題日益突顯,生態(tài)環(huán)境已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)[15].近年來,該地區(qū)建成區(qū)擴(kuò)張迅猛,2018 年該地區(qū)建成區(qū)面積達(dá)4709.61km2,占全國(guó)建成區(qū)面積的8.05%;為促進(jìn)內(nèi)部城市協(xié)同發(fā)展,該地區(qū)高效密集軌道交通網(wǎng)也逐步建成.這些密度大、擴(kuò)散性強(qiáng)的土地利用模式嚴(yán)重破壞了京津冀地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的生境結(jié)構(gòu),對(duì)該地區(qū)生境質(zhì)量、生物多樣性造成一定威脅.

2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

(1)遙感數(shù)據(jù).2000 年、2010 年、2018 年30m 分辨率LUCC數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn).該數(shù)據(jù)以 Landsat-TM/ETM 和Landsat 8 的30m 多光譜影像為信息源,基于高分辨率遙感地面調(diào)查觀測(cè)技術(shù),結(jié)合人機(jī)交互解譯方法處理得到,分類精度達(dá)85%以上,華北地區(qū)遙感圖像獲取時(shí)相為5 月上旬至10 月中旬.該數(shù)據(jù)根據(jù)土地資源利用屬性和自然屬性,分別將土地利用類型分為6 個(gè)一級(jí)地類和25 個(gè)二級(jí)地類.根據(jù)研究需要,本文將沼澤地歸為濕地,沙地、鹽堿地、裸土地等未利用地歸并為裸地.

(2)行政區(qū)劃及道路數(shù)據(jù).基礎(chǔ)地理信息行政區(qū)邊界、主要公路和主要鐵路等矢量數(shù)據(jù)下載于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)(http://nfgis.nsdi.gov.cn/).并運(yùn)用ArcGIS 軟件將主要交通路網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù).

(3)高程數(shù)據(jù).在地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)上(http://www.gscloud.cn)下載DEM 數(shù)據(jù),空間分辨率為90m.

3 研究方法

3.1 研究思路

基于土地利用覆被數(shù)據(jù),運(yùn)用InVest 模型評(píng)估研究區(qū)2000～2018 年生境質(zhì)量,并利用ArcGIS 平臺(tái)柵格計(jì)算器工具、空間質(zhì)心模型分析18a 間京津冀生境質(zhì)量演變特征;其次,根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn),選取相應(yīng)的景觀格局指數(shù),采用Fragstats 軟件計(jì)算各類指數(shù)以反映研究區(qū)景觀格局空間分異情況;最后,以網(wǎng)格為基礎(chǔ)地理單元,分別運(yùn)用SPSS 軟件、GeoDA 軟件對(duì)生境質(zhì)量與景觀格局指數(shù)二者間的相關(guān)關(guān)系及空間關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析.

3.2 生境質(zhì)量評(píng)價(jià)

采用InVEST 模型進(jìn)行生境質(zhì)量評(píng)估,該模型現(xiàn)廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估[16].其中,生境質(zhì)量(Habitat Quality)和生境稀缺性作為生物多樣性的反映,可以通過評(píng)估某一地區(qū)各種生境類型或植被類型的范圍和這些類型各自的退化程度來表達(dá)[17].該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以替代詳查的方法在短時(shí)間內(nèi)定量監(jiān)測(cè)生境質(zhì)量的變化.生境質(zhì)量計(jì)算結(jié)合生境的敏感度和外界威脅強(qiáng)度;生境質(zhì)量由4個(gè)變量決定,包括威脅因子的影響距離、生境對(duì)威脅因子的敏感度、生境與威脅源的距離及土地受法律保護(hù)程度.計(jì)算生境質(zhì)量前首先需要計(jì)算生境退化度,計(jì)算公式如下[18]:

式中:Dxj、R、Yr和ωr分別代表生境退化度、威脅源的個(gè)數(shù)、威脅源的柵格數(shù)及威脅源r 的權(quán)重;ry為柵格y 的脅迫值;irxy表示柵格y 對(duì)柵格x 的脅迫水平;βx 是威脅源對(duì)柵格x 的可接近性;Sjr表示生境類型 j 對(duì)威脅源r 的敏感度;dxy表示生境對(duì)威脅源的歐氏距離;drmax代表威脅源r 對(duì)生境的最大干擾半徑.

在生境退化度基礎(chǔ)上計(jì)算生境質(zhì)量,公式如下[18]:

式中:Qxj代表生境質(zhì)量指數(shù);Dxj表示生境退化度;Hj為生境適宜度;k 代表半飽和常數(shù),數(shù)值為最大退化度的一半;z 表示歸一化常量,一般取值2.5.

參考 InVEST 模型用戶指南及前人研究基礎(chǔ)[18-20],人類利用程度越高的地類對(duì)生境的威脅越嚴(yán)重[4],因此本文將耕地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、工礦用地、裸地及主要道路設(shè)定為主要生境脅迫因子.耕地與建設(shè)用地是人類活動(dòng)威脅生境的主要區(qū)域,具有較強(qiáng)的擴(kuò)張性;京津冀西北部、北部土地沙化、水土流失問題較為嚴(yán)重,鹽堿地、裸土地、沙地等裸地對(duì)外部生境具有侵蝕作用,會(huì)嚴(yán)重影響周圍生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12],因此本研究將土地分類系統(tǒng)中除沼澤地之外的未利用地認(rèn)定為生境脅迫因子,按照沼澤地特性,將其重分類為水體(濕地).對(duì)于威脅因子,人類活動(dòng)強(qiáng)度越高的土地類型,其對(duì)周圍生境生物多樣性的影響越大;對(duì)于生境來說,一般認(rèn)為人工景觀基本不具有適宜度,而越原始、越復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),其生境適宜度則越高[20].因此,參照已有研究[13,18,21]及研究區(qū)自身特點(diǎn),設(shè)定威脅因子最大影響距離、權(quán)重以及生境對(duì)威脅因子敏感程度(表1、表2).通過利用ArcGIS10.2 對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類、矢量轉(zhuǎn)柵格等預(yù)處理,形成土地利用、脅迫因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù),以用于模型計(jì)算.

表1 威脅因子及其最大影響距離和權(quán)重Table 1 Treats and their maximum distance of influence and weight

表2 生境適宜度及其對(duì)威脅因子的敏感性Table 2 Sensitivity of habitat types to each threat

3.3 空間質(zhì)心模型

為明晰生境質(zhì)量時(shí)空變化趨勢(shì),選取空間質(zhì)心模型,通過分析各研究時(shí)段不同生境質(zhì)量等級(jí)區(qū)域分布質(zhì)心,以從空間上描述區(qū)域生境質(zhì)量的時(shí)空演變特征.該模型以輸入要素質(zhì)心的坐標(biāo)為數(shù)據(jù)源,以不同斑塊的面積作為權(quán)重,從而構(gòu)造全部同類要素在空間上的幾何質(zhì)心[22],該模型已被廣泛應(yīng)用于地理學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域,模型計(jì)算公式如下:

空間質(zhì)心轉(zhuǎn)移距離:

式中:Xt和Yt分別是t 時(shí)期的某一生境質(zhì)量等級(jí)質(zhì)心坐標(biāo);Xi和Yi是某生境質(zhì)量等級(jí)第i 個(gè)斑塊的質(zhì)心坐標(biāo);Cti為第i 個(gè)斑塊的面積;Lt+1表示從t 到t+1 時(shí)期生境質(zhì)量空間質(zhì)心轉(zhuǎn)移距離;n 是生境質(zhì)量等級(jí)的斑塊總數(shù)目.本研究以生境斑塊為基礎(chǔ)地理要素,以生境質(zhì)量值作為劃分依據(jù),計(jì)算不同生境質(zhì)量等級(jí)對(duì)應(yīng)的全部生境斑塊的空間質(zhì)心,并測(cè)度不同年份各生境質(zhì)量等級(jí)的質(zhì)心轉(zhuǎn)移距離.

3.4 景觀格局指數(shù)

本文運(yùn)用景觀格局指數(shù)表征景觀格局演變情況[23],選取最大面積指數(shù)(LPI)、邊緣密度(ED)、分離度(DIVISION)、香農(nóng)多樣性(SHDI)和香農(nóng)均勻度(SHEI)五個(gè)景觀格局指數(shù)[24-25],運(yùn)用網(wǎng)格分析法,以10km×10km 網(wǎng)格測(cè)度單元[26-27],將京津冀地區(qū)劃分為2 337 個(gè)網(wǎng)格,將預(yù)處理后的土地覆被數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源輸入Fragstats 4.2 軟件平臺(tái),得出各網(wǎng)格景觀格局指數(shù).然后運(yùn)用ArcGIS10.2 平臺(tái)的普通克里格插值功能,得到2000 年、2010 年和2018 年景觀格局指數(shù)分布圖,以定量描述京津冀地區(qū)景觀格局的時(shí)空演變特征,并得到相應(yīng)年份的空間分布圖.

3.5 空間自相關(guān)分析

3.5.1 構(gòu)建空間權(quán)重矩陣 進(jìn)行空間自相關(guān)分析需要構(gòu)建空間權(quán)重矩陣,以定義不同網(wǎng)格空間關(guān)系.本文生境質(zhì)量分區(qū)統(tǒng)計(jì)與景觀格局指數(shù)計(jì)算均以10km×10km 的網(wǎng)格為基本單元,基于GeoDA 軟件,以網(wǎng)格編號(hào)為基礎(chǔ)變量,選取rook 鄰接構(gòu)建空間權(quán)重文件,構(gòu)建規(guī)則如下[28]:

式中:n 表示空間單元個(gè)數(shù);wij表示區(qū)域i 與j 的鄰接關(guān)系,若二者有公共邊界則賦值為1,其他情況則賦值為0.

3.5.2 全局空間自相關(guān) 為了揭示多個(gè)變量之間的空間相關(guān)性,Anselin 在空間自相關(guān)基礎(chǔ)上提出雙變量空間自相關(guān),以揭示空間單元某一特定屬性值與鄰近空間上其他屬性值的相關(guān)關(guān)系[29].雙變量的空間自相關(guān)在描述兩個(gè)地理要素的空間關(guān)聯(lián)和依賴特征上具有較高的適用性和有效性,該相關(guān)關(guān)系用全局莫蘭指數(shù)進(jìn)行表征[30].GeoDA 是進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析的專業(yè)軟件,在空間關(guān)聯(lián)性分析方面已較為成熟,目前在景觀生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及地理學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用較廣[28].因此,本研究利用GeoDA 軟件分析研究區(qū)各網(wǎng)格單元生境質(zhì)量與景觀格局指數(shù)之間的空間關(guān)聯(lián)性,公式如下[31]:

式中:I 為莫蘭指數(shù);n 為空間單元個(gè)數(shù)xi和xj分別為區(qū)域i 和j 的觀測(cè)值;wij為區(qū)域i 和j 的空間鄰接關(guān)系;S2表示觀測(cè)值的方差.I 的取值一般在[-1,1]之間;小于0 表示在空間呈負(fù)相關(guān),大于0 表示在空間呈正相關(guān);等于0 表示不相關(guān),隨機(jī)分布.該值越趨近于0,表示兩個(gè)變量間的全局相關(guān)關(guān)系越弱.本研究中網(wǎng)格為基礎(chǔ)地理單元,利用ArcGIS 中分區(qū)統(tǒng)計(jì)工具提取柵格圖層上各網(wǎng)格平均生境質(zhì)量后,將各網(wǎng)格平均生境質(zhì)量值、各景觀格局指數(shù)值作為數(shù)據(jù)源,計(jì)算得到生境質(zhì)量與各景觀格局指數(shù)的散點(diǎn)圖及全局莫蘭指數(shù).

3.5.3 局部莫蘭指數(shù) 采用局部莫蘭指數(shù)可表征一個(gè)單元與鄰近單元屬性值的相關(guān)程度,通常采用局部莫蘭指數(shù)進(jìn)行表征,并在z 檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上繪制LISA 分布圖.本研究通過GeoDA 分析研究區(qū)網(wǎng)格單元生境質(zhì)量與鄰近網(wǎng)格單元景觀格局指數(shù)的空間相關(guān)程度,公式如下:

式中:n 是空間單元數(shù)量,xi和xj分別表示單元i 和單元j 的觀測(cè)值,wij為區(qū)域i 和j 的空間鄰接關(guān)系;S2表示觀測(cè)值的方差.本處理仍以各網(wǎng)格平均生境質(zhì)量值、各景觀格局指數(shù)值作為數(shù)據(jù)源,通過空間局部自相關(guān)分析得到兩個(gè)變量的LISA 聚類圖.

4 結(jié)果與討論

4.1 生境質(zhì)量格局特征

2000 年、2010 年和2018 年京津冀地區(qū)生境質(zhì)量空間格局見圖1.根據(jù)生境質(zhì)量分值將生境劃分為高質(zhì)量區(qū)、次高質(zhì)量區(qū)、次低質(zhì)量區(qū)以及低質(zhì)量區(qū)四類(表3).從空間分布來看,2000～2018 年京津冀地區(qū)生境質(zhì)量均表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性,整體為“東南低,西北高”的分布態(tài)勢(shì).高質(zhì)量區(qū)主要分布于燕山-太行山一帶,張家口壩上高原為次低質(zhì)量區(qū)與次高質(zhì)量區(qū)編織狀分布,南部、東南部平原區(qū)整體生境質(zhì)量水平較低,建成區(qū)為主的低質(zhì)量區(qū)呈點(diǎn)狀分布,東南部其他區(qū)域則為大規(guī)模的次低質(zhì)量區(qū).

圖1 2000～2018 年京津冀地區(qū)生境質(zhì)量空間格局Fig.1 Spatial distribution of habitat quality in Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2018

圖2 2000～2018 年京津冀地區(qū)生境質(zhì)量變化Fig.2 Variation of habitat quality in Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2018

從時(shí)間分布來看,18a 間低質(zhì)量區(qū)面積明顯增加,到2018 年低質(zhì)量區(qū)面積增加8829.16km2,占全域比例增長(zhǎng)4.1%,主要集中在城鎮(zhèn)周邊區(qū)域,源自城市擴(kuò)張,以北京、天津以及石家莊等大都市擴(kuò)張最為明顯;次低質(zhì)量區(qū)與次高質(zhì)量區(qū)表現(xiàn)出減少趨勢(shì),分別減少9293.84km2和1317.39km2,占全域面積比例分別減少4.31%和0.61%;而生境質(zhì)量高質(zhì)量區(qū)為先減后增,到2010 年減少837.01km2,2010 年到2018 年增加2617.03km2.

為實(shí)現(xiàn)2000～2018年京津冀地區(qū)生境質(zhì)量動(dòng)態(tài)增減情況空間可視化,利用ArcGIS10.2 平臺(tái)柵格計(jì)算器工具將2018年與2000年生境質(zhì)量進(jìn)行差值計(jì)算,采用Jenks 自然斷點(diǎn)法將計(jì)算結(jié)果分為劇烈降低、輕微降低、無變化、輕微增加以及劇烈增加五類,結(jié)果見圖2.從圖中可以看出,伴隨著城鎮(zhèn)化加劇,城鎮(zhèn)外圍生境質(zhì)量劇烈降低,城市不斷擴(kuò)張使得城郊的耕地、林地等生境被改造為建設(shè)用地,原始生境轉(zhuǎn)為威脅因子使得威脅程度進(jìn)一步加劇.京津冀北部生境質(zhì)量大面積提高,唐山、秦皇島沿海區(qū)域、滄州大部分區(qū)域以及西南部太行山脈地區(qū)輕微增加.然而,京津大都市圈以及南部城市群生境質(zhì)量大面積衰減,這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)迅猛、大都市效應(yīng)使得該區(qū)域人口密度增加,人類活動(dòng)愈加劇烈;平坦的地勢(shì)為交通干線升級(jí)、工礦用地?cái)U(kuò)張?zhí)峁┝吮匾獥l件,這些城市景觀擠壓、分割周圍的生境,導(dǎo)致這些區(qū)域生境質(zhì)量連片降低.

表3 2000～2018 年間京津冀地區(qū)生境質(zhì)量等級(jí)面積變化Table 3 Habitat quality proportion change in Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2018

圖3 2000～2018 年京津冀地區(qū)不同生境質(zhì)量等級(jí)區(qū)域質(zhì)心分布Fig.3 The evolution of habitat quality centroids in Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2018

4.2 生境質(zhì)量空間質(zhì)心演變

京津冀地區(qū)不同生境質(zhì)量等級(jí)空間質(zhì)心演變特征見圖4 和表4.整體來看,低質(zhì)量區(qū)與次高質(zhì)量區(qū)在“東西”方向移動(dòng),次低質(zhì)量區(qū)與高質(zhì)量區(qū)空間質(zhì)心“南北”方向偏移.低質(zhì)量區(qū)在2000～2010年移動(dòng)速度明顯高于2010～2018 年,直線移動(dòng)距離為14839.75m,從質(zhì)心區(qū)位來看,低質(zhì)量區(qū)空間質(zhì)心逐漸遷移至京津冀中心地帶.次低質(zhì)量區(qū)空間質(zhì)心移動(dòng)速率較為穩(wěn)定,呈“先東北,后西北”方向移動(dòng),直線移動(dòng)距離為2819.56m,為四個(gè)等級(jí)中最短.次高質(zhì)量區(qū)與高質(zhì)量區(qū)呈“迂回型”遷移,次高質(zhì)量區(qū)第二時(shí)段移動(dòng)速率明顯放緩,先向東北移動(dòng)3669.26m,再向西南移動(dòng)509.92m,整體向東北方向移動(dòng)3162.17m.高質(zhì)量區(qū)在2010～2018 年移動(dòng)速率明顯提高,移動(dòng)距離總計(jì)5944.11m,這是由于該時(shí)段內(nèi)渤海灣沿海區(qū)域有連片的高質(zhì)量區(qū)增長(zhǎng),對(duì)該等級(jí)生境質(zhì)量區(qū)空間質(zhì)心移動(dòng)影響顯著.

圖4 2000～2018 年京津冀地區(qū)景觀格局指數(shù)空間分布Fig.4 Spatial distribution of landscape pattern index in Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2018

表4 2000～2018 年間京津冀地區(qū)生境質(zhì)量等級(jí)空間質(zhì)心遷移距離(m)Table 4 The transfer distance of habitat quality centroids in Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2018(m)

4.3 景觀格局指數(shù)時(shí)空演變特征

京津冀地區(qū)景觀格局異質(zhì)性明顯.從各景觀格局指數(shù)分布特征來看(圖4),最大斑塊面積指數(shù)(LPI)總體表現(xiàn)出西北低,東南高;邊緣密度指數(shù)(ED)、分離度指數(shù)(DIVISION)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)以及香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)分布相對(duì)一致,低值區(qū)集中在東南部,西北部分值較高.

京津冀北部以及西部太行山-燕山山地區(qū)各類斑塊邊緣形狀復(fù)雜,景觀類型多樣且分布均勻,同類景觀分離度較高.這是由于山區(qū)海拔高、坡度大,自然條件導(dǎo)致景觀更為多樣、異質(zhì);與此同時(shí),山地的自然條件限制了人類活動(dòng),景觀類型以自然景觀為主.京津冀南部、東南部?jī)?yōu)勢(shì)景觀斑塊面積大,景觀邊緣平整,同類景觀表現(xiàn)出集聚效應(yīng),景觀類型較為單一,景觀格局占比失衡.該區(qū)域地處平原區(qū),地勢(shì)平坦,為優(yōu)勢(shì)景觀規(guī)模連片提供了自然支撐;同時(shí),該區(qū)域人口密集,水源較為充足,人類生產(chǎn)活動(dòng)強(qiáng)度高,對(duì)自然景觀改造程度較強(qiáng).作為我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)之一,耕地為該地區(qū)優(yōu)勢(shì)景觀,且經(jīng)營(yíng)方式多為規(guī)模經(jīng)營(yíng),因此景觀斑塊面積大,形狀規(guī)則,景觀類型單一;城鎮(zhèn)區(qū)高強(qiáng)度的土地利用模式也使得各類斑塊密集分布、斑塊之間被路網(wǎng)分割,邊緣密度低.

從時(shí)間序列來看,18a 間,京津冀地區(qū)景觀總體格局較為穩(wěn)定,山區(qū)景觀格局變動(dòng)不明顯,東南部城市群指數(shù)值變化顯著.東南部城市群除LPI 指數(shù)降低之外,其他指數(shù)均有一定程度增長(zhǎng).城鎮(zhèn)化進(jìn)程中,城市景觀要素不斷增加、擴(kuò)張,耕地被開發(fā)為建設(shè)用地,威脅到了耕地景觀面積優(yōu)勢(shì),使其LPI 指數(shù)下降.此外,城鎮(zhèn)用地、工礦用地?cái)U(kuò)張,利用形式趨于多樣化,使斑塊邊界愈加復(fù)雜,同類景觀分離程度增加,景觀多樣性及分布均勻度有所提高.

4.4 景觀格局與生境質(zhì)量關(guān)系

4.4.1 景觀格局與生境質(zhì)量相關(guān)關(guān)系 基于SPSS平臺(tái)對(duì)2337 個(gè)網(wǎng)格單元生境質(zhì)量與各景觀格局指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析,得到2000 年、2010 年以及2018年京津冀地區(qū)生境質(zhì)量與景觀格局指數(shù)各類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(表5).由表5 可知,18a 間,京津冀地區(qū)生境質(zhì)量與景觀格局特征始終保持中等或低度的相關(guān)關(guān)系,其中,僅有LPI 與生境質(zhì)量呈負(fù)相關(guān),其余各指標(biāo)呈正相關(guān),且所有相關(guān)分析結(jié)果均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.01).從時(shí)間序列來看,各指數(shù)相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均呈下降趨勢(shì),這表明京津冀地區(qū)生境質(zhì)量與景觀格局雖具備一定相關(guān)性,但二者間的相關(guān)關(guān)系正在減弱.

圖5 生境質(zhì)量與景觀格局指數(shù)全局空間自相關(guān)分析結(jié)果Fig.5 Moran scatter plots for habitat quality and landscape pattern index

4.4.2 景觀格局與生境質(zhì)量全局空間自相關(guān)分析傳統(tǒng)的雙變量相關(guān)分析是對(duì)同一樣本點(diǎn)的不同屬性值進(jìn)行比對(duì),以得到全部樣本整體的相關(guān)系數(shù),雖能體現(xiàn)雙變量的相關(guān)關(guān)系,但未考慮地理現(xiàn)象的空間屬性.生境質(zhì)量與景觀格局作為具有空間分布特征的地學(xué)變量,有必要從空間尺度分析二者的耦合關(guān)系,因此,本文基于GeoDA 平臺(tái),通過構(gòu)建2337 個(gè)網(wǎng)格空間權(quán)重矩陣,以分析京津冀地區(qū)生境質(zhì)量與景觀格局特征的空間分布規(guī)律.

雙變量全局空間自相關(guān)是通過建立空間滯后模型,計(jì)算某單元因變量屬性值與鄰近空間單元自變量屬性值是否存在集聚效應(yīng),從而判定雙變量之間空間關(guān)聯(lián)性.從分析結(jié)果(圖5)可以看出,2000～2018 年京津冀地區(qū)生境質(zhì)量與景觀格局指數(shù)空間關(guān)系較為穩(wěn)定,各類景觀格局指數(shù)莫蘭散點(diǎn)在4 個(gè)象限均有分布,其中生境質(zhì)量與LPI 莫蘭散點(diǎn)在二、四象限分布較多,莫蘭指數(shù)為負(fù)值,表明生境質(zhì)量與最大斑塊面積指數(shù)具有明顯的空間負(fù)相關(guān)關(guān)系;ED、DIVISION、SHDI 以及SHEI 莫蘭指數(shù)均為正值,散點(diǎn)以一、三象限分布最多,也即生境質(zhì)量與這四類景觀格局指數(shù)空間關(guān)聯(lián)性為正相關(guān).比較各年份莫蘭指數(shù)可以發(fā)現(xiàn),2000～2018年京津冀生境質(zhì)量與景觀格局特征空間關(guān)系雖具有相關(guān)關(guān)系,但呈下降趨勢(shì),這與上述的雙變量相關(guān)分析結(jié)論吻合.

4.4.3 景觀格局特征與生境質(zhì)量局部空間自相關(guān)分析 為實(shí)現(xiàn)集聚范圍的空間可視,分析了2000年、2010 年與2018 年生境質(zhì)量與景觀格局局部自相關(guān)性,由于篇幅限制,僅展示2018 年LISA 聚類圖(圖6).圖中H-H 型表示生境質(zhì)量高值與景觀格局指數(shù)高值呈集聚效應(yīng);H-L 型表示生境質(zhì)量高值與景觀格局指數(shù)低值呈集聚效應(yīng),依此類推.對(duì)于LPI 指數(shù),H-L 型區(qū)域主要分布在承德市、唐山市和秦皇島市北部;L-H 型區(qū)域主要分布在南部、東南部城市群.ED、DIVISION、SHDI 和SHEI 的LISA 圖分布規(guī)律較為一致,均為H-H 型在太行山-燕山一帶集聚,而東南部平原城市群主要為L(zhǎng)-L 型.

根據(jù)2000 年、2010 年和2018 年三個(gè)年份LISA聚類統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表6),對(duì)比了生境質(zhì)量與各景觀格局指數(shù)主要聚類網(wǎng)格數(shù)的增減情況.結(jié)果顯示,生境質(zhì)量主要低值聚類區(qū)網(wǎng)格數(shù)量持續(xù)減少,主要高值聚類區(qū)網(wǎng)格數(shù)量波動(dòng)變化.

表5 景觀格局指數(shù)與生境質(zhì)量相關(guān)性Table 5 Correlation between landscape pattern index and habitat quality

圖6 生境質(zhì)量與景觀格局指數(shù)局部空間自相關(guān)分析結(jié)果Fig.6 LISA cluster maps of habitat quality and landscape pattern index

表6 2000～2018 年生境質(zhì)量與景觀格局指數(shù)局部自相關(guān)聚類網(wǎng)格數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistics on LISA cluster of habitat quality and landscape pattern index from 2000 to 2018

4.5 討論

4.5.1 生境質(zhì)量空間格局與演變 2000～2018 年間,京津冀地區(qū)生境質(zhì)量始終表現(xiàn)出“東南低,西北高”分布態(tài)勢(shì),與該地區(qū)地貌特征、土地覆被類型空間布局相吻合,也即西北部山區(qū)生境質(zhì)量明顯優(yōu)于東南部平原地區(qū).由于山區(qū)特殊的地理?xiàng)l件,人類對(duì)山區(qū)侵?jǐn)_程度小,各類自然景觀是良好的生物棲息地,因此該地區(qū)主要為生境質(zhì)量高質(zhì)量區(qū)與次高質(zhì)量區(qū);而東南部多為平原,且近年來該地區(qū)發(fā)展迅猛,建成區(qū)擴(kuò)張迅速,各類人工景觀的侵入嚴(yán)重威脅周圍的生境,導(dǎo)致這些區(qū)域生境質(zhì)量低下.研究結(jié)果表明,生境質(zhì)量低質(zhì)量區(qū)空間質(zhì)心逐漸西移至京津冀中心地帶,這反映出北京-保定-石家莊-邢臺(tái)-邯鄲軸線城市加速發(fā)展[13]對(duì)該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的影響;京津冀西北部壩上高原區(qū)、北部風(fēng)沙源區(qū)以及沿海鹽堿化地區(qū)生境質(zhì)量明顯改善,這可能得益于當(dāng)?shù)貙?shí)施了太行山綠化、京津風(fēng)沙源治理、三北防護(hù)林、沿海防護(hù)林、退耕還林等重大生態(tài)修復(fù)工程[32].

4.5.2 生境質(zhì)量與景觀格局的相關(guān)關(guān)系 本文通過SPSS 相關(guān)關(guān)系分析、GeoDA 雙變量空間自相關(guān)分析對(duì)生境質(zhì)量與景觀格局特征關(guān)系進(jìn)行了探討.結(jié)果表明,生境質(zhì)量與景觀格局指數(shù)具備相關(guān)關(guān)系,這與前人研究[33-34]結(jié)論相吻合.從時(shí)間序列來看,京津冀地區(qū)生境質(zhì)量與景觀格局特征的空間關(guān)聯(lián)性逐漸減弱,且主要表現(xiàn)為生境質(zhì)量主要低值區(qū)聚類面積減少,這與前人研究的觀點(diǎn)[35]并不完全貼切.目前大多類似研究聚焦于山區(qū)[34,36]、濕地[37]等以自然景觀為主的地區(qū)其景觀格局對(duì)生境質(zhì)量的影響,而本文選取的京津冀地區(qū)人口密度較大,高強(qiáng)度、高密度的人類活動(dòng)對(duì)地表景觀破壞嚴(yán)重.因此,從研究結(jié)果來看,該地區(qū)生境質(zhì)量與景觀格局二者關(guān)系演變特征相比于前人研究具有特殊性.本研究認(rèn)為造成該地區(qū)生境質(zhì)量與景觀格局空間關(guān)聯(lián)性逐漸減弱的原因如下:京津冀地區(qū)生境質(zhì)量主要低值聚類區(qū)分布在東南部城市群,該地區(qū)為城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)的核心區(qū)域,土地利用形式愈加多樣化,使原本大面積平整的耕地與建設(shè)用地等景觀要素形狀變得復(fù)雜,景觀類型增多,均勻度得到提高;大都市衛(wèi)星城、縣城迅速擴(kuò)張承擔(dān)了部分核心都市用地功能,同類人工景觀要素也由高度集聚開始向周邊區(qū)域擴(kuò)散,因此這些地區(qū)景觀分離度、異質(zhì)性逐漸回升.也即,對(duì)于城鎮(zhèn)化程度提高的地區(qū),其景觀格局指數(shù)似乎逐漸向自然景觀格局指數(shù)方向趨近.但即使該類地區(qū)景觀格局發(fā)生變化,多樣化的人工景觀仍會(huì)威脅周圍生境,生境質(zhì)量并不會(huì)與景觀格局指數(shù)同步“向好”,因此在高度城市化地區(qū),二者空間關(guān)聯(lián)性隨時(shí)序降低.總體而言,生境質(zhì)量與景觀格局二者間的相關(guān)關(guān)系存在一定的區(qū)域差異性[38],在自然景觀為優(yōu)勢(shì)景觀的地區(qū),自然景觀多樣、形狀復(fù)雜等特性對(duì)生境質(zhì)量具有促進(jìn)效應(yīng),而在人工景觀為優(yōu)勢(shì)景觀區(qū)域,生境質(zhì)量與景觀破碎化具有一定相關(guān)關(guān)系,但二者空間關(guān)聯(lián)性會(huì)隨時(shí)序減弱.

6 結(jié)論

6.1 京津冀地區(qū)生境質(zhì)量值與地形地貌空間分布具有較高匹配度,整體呈現(xiàn)出“東南低,西北高”的空間分布特征.2000～2018年京津冀北部以及沿海地區(qū)生境質(zhì)量大面積提高;城鎮(zhèn)外圍生境質(zhì)量劇烈降低,京津都市圈以及南部城市群生境質(zhì)量大面積衰減.低生境質(zhì)量區(qū)空間質(zhì)心明顯向西遷移;高生境質(zhì)量區(qū)空間質(zhì)心為縱向“迂回型”遷移,整體向西南移動(dòng)5944.11m.

6.2 2000～2018 年京津冀地區(qū)景觀格局特征較為穩(wěn)定,山區(qū)景觀格局變動(dòng)不明顯,東南部平原區(qū)指數(shù)值變化顯著.人工景觀的多樣化使東南部地區(qū)景觀邊界復(fù)雜,同類景觀分離程度加大,景觀趨于破碎.

6.3 生境質(zhì)量與景觀格局特征具有明顯的空間關(guān)聯(lián)性,但其相關(guān)關(guān)系隨時(shí)序減弱.生境質(zhì)量與景觀格局指數(shù)的聚類空間分異明顯.在自然景觀為優(yōu)勢(shì)景觀的地區(qū),景觀類型多樣、形狀復(fù)雜、分布均勻等特征對(duì)生境質(zhì)量具有促進(jìn)效應(yīng),而在人工景觀為優(yōu)勢(shì)景觀區(qū)域,生境質(zhì)量與景觀格局特征的聚類效應(yīng)會(huì)隨著城市化程度的提高而減弱.