京津冀土地利用轉(zhuǎn)型及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析

姚羅蘭 李魁明

摘要 基于2000、2018年京津冀土地利用遙感解譯數(shù)據(jù)，依托土地利用功能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型模型、土地利用功能的空間性轉(zhuǎn)型模型和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)模型分析京津冀地區(qū)生態(tài)環(huán)境受土地利用轉(zhuǎn)型產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明，生活用地增加明顯，生產(chǎn)用地有所減少，生態(tài)用地總量變化不顯著;土地利用功能空間格局穩(wěn)定，變化不明顯;北京市為生態(tài)用地和生產(chǎn)用地發(fā)展重心，生態(tài)用地向東南方向偏移，生產(chǎn)用地向西南方向偏移，生活用地發(fā)展重心位于河北省，向北部偏移;整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低，低質(zhì)量區(qū)面積增加，但是空間格局變化較小。

關(guān)鍵詞 土地利用轉(zhuǎn)型;生態(tài)環(huán)境效應(yīng);京津冀地區(qū)

中圖分類號(hào) X 321? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2022）12-0075-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.12.019

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Analysis of Land Use Transition and Ecological Environment Effect in Beijing-Tianjin-Hebei Region

YAO Luo-lan1，LI Kui-ming2

（1.School of International Education，Beijing Agricultural Vocational College，Beijing 100012;2.School of Emergency Management，Institute of Disaster Prevention，Sanhe，Hebei 065201）

Abstract Based on the remote sensing interpretation data of land use in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2000 and 2018，the influence of land use transformation on the ecological environment in Beijing-Tianjin-Hebei region is analyzed based on the transformation model of land use function structure，the spatial transformation model of land use function and the ecological environment effect model.The results showed that the living land increased significantly，the production land decreased，and the total ecological land did not change significantly.The spatial pattern of land use function was stable and the change was not obvious.Beijing was the center of development of ecological land and productive land，ecological land shifted to the southeast，productive land shifted to the southwest，and residential land shifted to the north in Hebei Province.The overall ecological environment quality decreased，the low quality area increased，but the spatial pattern changed little.

Key words Land use transition;Ecological environment effect;Beijing-Tianjin-Hebei region

土地利用轉(zhuǎn)型指在某些外力作用的推動(dòng)下，使得某區(qū)域的土地利用形態(tài)通過(guò)人類的社會(huì)行為將其變成其他類土地利用形態(tài)[1-2]，通過(guò)土地利用轉(zhuǎn)型的研究，能夠更直觀地分析土地利用形態(tài)的演變特征，并分析其影響因素，從而優(yōu)化土地結(jié)構(gòu)類型，使土地的利用效率變得更高，有利于我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與民生改善[3-4]。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指一定時(shí)空范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)承載物種生存的能力[5]，土地利用變化是影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要因素[6]，掌握土地利用轉(zhuǎn)型的過(guò)程中所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵問(wèn)題，可以更清晰地評(píng)估生態(tài)環(huán)境質(zhì)量并分析其變化趨勢(shì)，提出生態(tài)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)區(qū)域。

京津冀地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局中最具活力和潛力的前沿陣地，但近年來(lái)快速城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)的改變也給該區(qū)域帶來(lái)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。了解京津冀地區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)變化、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)因素對(duì)于為京津冀整合戰(zhàn)略提供科學(xué)有效的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、恢復(fù)和優(yōu)化管理指導(dǎo)至關(guān)重要。目前，對(duì)于京津冀土地利用及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究較多，但是側(cè)重點(diǎn)各有不同[7-9]。該研究從生產(chǎn)、生活和生態(tài)功能用地角度，利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、重心模型、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)等方法，對(duì)土地利用轉(zhuǎn)型變化和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量結(jié)構(gòu)、空間差異變化分析，為將來(lái)向生態(tài)高度發(fā)展提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況 京津冀地區(qū)位于華北平原北部，地勢(shì)西北高東南低，地貌以平原為主，包括北京、天津兩大直轄市以及河北省的11個(gè)地級(jí)市，共13個(gè)地級(jí)市以上行政單元，總面積 21.72萬(wàn)km2，占全國(guó)總面積的2.26%。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)京津冀地區(qū)原本脆弱的生態(tài)環(huán)境造成了巨大壓力。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理 該研究使用的2000、2018年兩期土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，空間分辨率為1 km×1 km，土地利用種類包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6個(gè)一級(jí)類型，24個(gè)二級(jí)類型用地。

依據(jù)各土地利用類型的主導(dǎo)功能，把6大類24子類土地利用類型分為生產(chǎn)用地、生態(tài)用地、生活用地，對(duì)各二級(jí)土地利用類型進(jìn)行生態(tài)環(huán)境指數(shù)賦值[10-12]，具體如表1所示。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用功能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型模型。

土地利用結(jié)構(gòu)與變化方向的分析是以轉(zhuǎn)移矩陣作為基礎(chǔ)，通過(guò)矩陣的形式表達(dá)土地利用類型的轉(zhuǎn)換面積，具體展現(xiàn)土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換特征[13]。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Sij=S11…S1n

Sn1…Snn（1）

式中，S為土地面積;n為地類的個(gè)數(shù);i為研究初期地類;j為研究末期地類。

1.3.2 土地利用功能空間轉(zhuǎn)型模型。

利用重心模型對(duì)京津冀地區(qū)土地利用功能空間轉(zhuǎn)換進(jìn)行了分析。重心模型通過(guò)分析一定時(shí)期內(nèi)不同功能類型重心轉(zhuǎn)移的方向和路徑，直接反映土地利用功能空間轉(zhuǎn)換的時(shí)空變化特征。數(shù)學(xué)表達(dá)式為[14]：

= ni=1（XiSi）/ ni=1Si（2）

= ni=1（YiSi）/ ni=1Si（3）

式中，和是某地類的重心坐標(biāo)，Xi和Yi是第i個(gè)空間單元的地理中心坐標(biāo)，n是空間單元的個(gè)數(shù)，Si是第i個(gè)空間單元的某地類面積。

1.3.3 土地利用轉(zhuǎn)型的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)模型。

區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（EV）[14-17]是通過(guò)計(jì)算各區(qū)域（單元）內(nèi)生產(chǎn)用地、生態(tài)用地和生活用地不同的生態(tài)質(zhì)量水平和面積比例，定量描述各區(qū)域（單元）整體的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。EV的計(jì)算基礎(chǔ)是不同時(shí)期京津冀地區(qū)“三生”用地的面積變化數(shù)據(jù)，并不是對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的直接觀測(cè)[18]，利用土地利用網(wǎng)格采樣的方法對(duì)EV進(jìn)行空間化處理，通過(guò)計(jì)算每個(gè)生態(tài)單元的EV，以此作為樣點(diǎn)中心的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

EVi= nj=1（Aij×Rj）/TAi（4）

式中，EVi為京津冀第i個(gè)生態(tài)單元的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（i=1，2，…，n）;Aij為第i個(gè)生態(tài)單元內(nèi)第j種地類的面積;Rj為第j種地類的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);n為研究區(qū)土地利用類型數(shù)量;TAi為第i個(gè)生態(tài)單元的土地總面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化分析

2.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化。

從土地利用結(jié)構(gòu)上看，2000—2018年京津冀地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)主要是耕地，其次是林地、草地，2000年耕地、林地、草地分別占區(qū)域總面積的50.81%、20.72%和16.32%，三者之和占總面積的87.85%;2018年耕地、林地、草地分別占區(qū)域總面積的46.14%、21.13% 和15.75%，三者之和占總面積的83.02%。這3類主要用地總面積有所減少，其中耕地變化較大。水域面積占比由2000年的2.99%增加至2018年的3.41%，水域面積的增加得益于南水北調(diào)工程，使地表徑流量增加。建設(shè)用地占比從2000年的8.21%增加至2018年的12.80%;未利用地占比不多，從2000年的0.96%下降至2018年的0.75%。2000—2018年各類型土地面積變化較大的為耕地和建設(shè)用地。18年間耕地減少了9 742 km2，建設(shè)用地增加了9 992 km2，林地、草地、水域、未利用土地4種類型的面積變化幅度不大（圖1）。

2.1.2 土地利用功能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。

用土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣模型計(jì)算出各土地利用類型變化面積（表2），京津冀地區(qū)2000—2018年土地利用功能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的基本特征為建設(shè)用

地面積的增加和耕地面積的減少。在“三生空間”角度表現(xiàn)為生活用地的增加和生產(chǎn)用地的減少。草地的轉(zhuǎn)出方向主要為林地和耕地，轉(zhuǎn)出面積分別為7 293.27和7 020.02 km2;建設(shè)用地的流轉(zhuǎn)方向主要以耕地為主，轉(zhuǎn)出面積為7 946.12 km2;耕地的轉(zhuǎn)出方向主要為建設(shè)用地和草地，轉(zhuǎn)出面積分別為16 329.51和7 253.09 km2;林地的主要轉(zhuǎn)出方向?yàn)椴莸?，轉(zhuǎn)出面積為6 760.48 km2;水域的主要轉(zhuǎn)出方向?yàn)楦?，轉(zhuǎn)出面積為1 961.28 km2;未利用地的主要轉(zhuǎn)出方向?yàn)楦?，轉(zhuǎn)出面積為844.48 km2。

2.1.3 土地利用功能空間轉(zhuǎn)型。

通過(guò)ArcGIS軟件的“空間格局統(tǒng)計(jì)”制作重心變化圖（圖2），對(duì)京津冀土地功能的空間特征進(jìn)行分析。2000—2018年京津冀地區(qū)生態(tài)用地的重點(diǎn)一直是位于北京市，并向東南部的方向稍微有些偏移，但是這個(gè)方向的偏移較小，偏移量約為8 km;2000—2018年林地、耕地和建設(shè)用地占據(jù)北京市主要土地，2000年這3種土地類型占區(qū)域總面積比例分別為48.57%、20.14%和15.60%，共占總面積的84.31%，2018年占區(qū)域總面積比例分別為50.85%、14.13%和 21.20%，共占總面積的86.18%?？梢?jiàn)，北京市林地變化平穩(wěn)，耕地迅速減少，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張明顯。

生產(chǎn)用地的發(fā)展重心也一直設(shè)在北京市，并向西南部的方向推進(jìn)，偏移量比原來(lái)的生態(tài)用地稍大，約為13 km，2000—2018年生產(chǎn)用地減少了9 742 km2。

河北省一直以來(lái)都是生活用地重心的主要區(qū)域，朝北部偏移，且偏移量較大，大約有16 km。京津冀地區(qū)“三生空間”比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)型不明顯。建設(shè)用地從2000年的17 704 km2增加至2018年的27 696 km2，增加了9 992 km2，與雄安新區(qū)的建設(shè)有一定關(guān)系。

2.2 生態(tài)環(huán)境效應(yīng) 使用ArcGIS 10.2軟件中的Geostatistics Analyst工具，計(jì)算統(tǒng)計(jì)出2000和2018年的EV值，參照相關(guān)研究[19]將京津冀地區(qū)分為低質(zhì)量區(qū)（≤0.30）、中低質(zhì)量區(qū)（>0.30～0.45）、中質(zhì)量區(qū)（>0.45～0.60）、中高質(zhì)量區(qū)（>0.60～0.75）、高質(zhì)量區(qū)（>0.75）5級(jí)[18]。

2.2.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量結(jié)構(gòu)變化分析。從表3可以看出，京津冀地區(qū)整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以中質(zhì)量區(qū)為主，2000—2018年中質(zhì)量區(qū)占區(qū)域總面積的50%左右，整體上看，各類型生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)較為穩(wěn)定，變化不明顯。其中，低質(zhì)量區(qū)增幅最大，2000—2018年增加了4.37百分點(diǎn)。

2.2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間差異分析。

從圖3可以看出，2000—2018年京津冀地區(qū)北部山區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量一直很高，南部和中部比較低，主要是因?yàn)楸辈渴巧絽^(qū)，中部、南部多平原，分層比較突出，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，低質(zhì)量區(qū)面積有所增加。

3 結(jié)論與討論

從整體功能方向看，2000—2018年京津冀地區(qū)生活用地增加明顯，生產(chǎn)用地有所減少，生態(tài)用地總量變化不顯著;從6個(gè)一級(jí)土地利用類型來(lái)說(shuō)，建設(shè)用地增加幅度很大，耕地面積明顯變少，草地、林地、水域和未利用地變化幅度不明顯，比較平穩(wěn)。

從土地利用空間轉(zhuǎn)型上看，北京市一直是京津冀地區(qū)生態(tài)用地的重心所在，并在18年間向東南部的方向稍微有偏移;生產(chǎn)用地的發(fā)展重心也位于北京市，并向西南部的方向推進(jìn)，偏移幅度比生態(tài)用地大;生活用地的重心位于河北省，且向北部有明顯偏移。京津冀地區(qū)土地綜合利用格局已經(jīng)發(fā)生了非常顯著的改變，主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：城鄉(xiāng)建設(shè)用地總量的增加導(dǎo)致耕地總量的減少;土地利用的功能空間格局比較穩(wěn)定，變化不明顯;整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低，但是空間格局變化較小。

從時(shí)間上看，京津冀地區(qū)整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以中質(zhì)量區(qū)為主，各類型生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)較為穩(wěn)定;從空間上看，京津冀地區(qū)北部山區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量高，中部和南部平原區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較低。

隨著京津冀地區(qū)城市的進(jìn)一步發(fā)展，生活用地需求的上升，土地供需矛盾加劇，城市生活功能用地的發(fā)展以占用一定面積的生產(chǎn)用地為代價(jià)，影響京津冀地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

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