城市土地利用的生态状况时空变化分析

鲍文楷 谢苗苗

摘要：从土地利用动态和景观格局分析两个不同的角度，对2001～2009年房山区土地利用的生态状况进行了综合分析。结果表明：房山区的土地利用综合动态度达到了较高水平，其中建设用地变化幅度最大。此外建设用地的破碎化程度及景观优势度在上升;全区整体景观的破碎化、无序性呈增长趋势。导致其变化的驱动力主要包括区域GDP及城市总体规划等社会经济和政策因素。

关键词：土地利用变化;景观格局分析;房山区

中图分类号：F293.2

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）4-0196-05

1 引言

在全球环境变化的人文因素计划中，“土地利用和土地覆被动态”（LUCC）是最受关注的核心问题之一[1]，同时它也是生態系统和景观格局变化的重要因素。城市是土地利用/覆盖变化最直接的载体，深刻地影响着区域的生态系统。然而在城市化的过程中，土地利用变化直接或间接地造成了一系列的生态环境问题，如生物多样性减少和栖息地破坏、热岛效应增强、环境污染等[2]。受到城市化扩张的影响，自然和农业生态系统不断向城市生态系统转化，导致原有的景观格局剧烈变化，进而造成物质循环和能量流动在时空受阻，最终演变为城市生态环境问题。

2001- 2009年是北京城市化进程迅速推进的时期，常住人口由2001年的1364万人增加到2009年的1860万人;产业结构不断调整：第三产业贡献率由2001年的72.4%增长到2008年的92.1%，而第二产业比例则从26.6%下降到7.8%。随着建成区的不断外扩，中心城区和城郊的景观格局及生态系统状况都在发生着激烈的变化。

本研究试从土地利用变化和景观格局这两个不同的角度，以房山区为例，基于遥感数据生成的土地利用现状图，采用Arcgis10.3和Fragstats4.2景观格局分析软件，结合相关社会经济背景资料，以定性及定量方法探讨城市生态系统景观格局演变的驱动力因素分析，尝试总结其变化规律和驱动力，以期为城市可持续土地利用和生态格局的优化提供科学依据。

2 研究区与数据源

2.1 研究区概况

北京市房山区地处北京西南部（经纬度范围：115°25′～116°15′E，39°3′～39°55′N），总面积2019 km²。平均海拔高度为381.92 m，其中66%为山地、丘陵，34%为平原。房山区年平均气温为11.9℃，年平均降水量为582.8 mm。区内土壤类型以褐土为主，主要分布于全区的南部和西部，其次为棕壤和潮土。

房山区历史文化底蕴深厚，有文物保护单位328处，周口店北京人遗址是中国首批世界文化遗产，距今3000多年历史的西周燕都遗址是北京建城的重要标志[3]。

2.2 数据源情况

使用具有30 m空间分辨率的美国陆地资源卫星Landsat TM影像，对2001年和2009年的两景数据进行系列校正后，采用监督分类和目视修正相结合的方法，按照标准将地类分为6种，分别为草地、水域、林地、耕地、裸露用地和建设用地，分别得到2001和2009年的房山区土地利用现状图[4]（图1、2）。

3 研究方法

3.1 土地利用动态分析

3.1.1 土地利用动态度分析

（1）单一土地利用类型动态度。土地利用动态度主要是用来预测土地利用未来的变化趋势，公式为：

式（1）中，T为研究时段（年）;K为研究期间某类型土地的利用动态度;U。为研究初期该利用类型土地的面积;Ub为研究末期该利用类型土地的面积。

（2）综合土地利用动态度。某一研究区的综合土地利用动态度可表示为：

式（2）中，LU_i为监测起始时间第i类土地利用类型面积;ALU_i-j为监测时段内第i类土地利用类型转为非i类土地利用类型面积的绝对值;T为监测时段长度[5]。

3.1.2 土地利用转移矩阵分析

土地利用转移矩阵反映了某一区域期初和期末各地类面积之间相互转化的动态过程。土地利用转移矩阵通用形式为：

式（3）中：S代表面积，n代表转移前后的土地利用类型数，i、j分别代表转移前与转移后的土地利用类型，S_ij代表转移前的i地类转换成转移后的j地类的面积。

土地利用动态度分布情况如图3所示，而该区西半部分主要为林地，变化程度相对缓和。

研究中便用 Arcgis10.3自带的栅格计算器功能实现了2001～2009各地类的土地利用转移矩阵计算。

3.2 景观格局分析

在众多景观格局的分析方法中，景观指数的应用最为广泛。景观指数能高度浓缩景观格局信息，有效地反映其结构组成和空间配置等方面地特征[6]。

以2001年和2009年两年的土地利用现状栅格图为基础，选取斑块、类型和景观3个水平的格局指数[7]。本研究选取平均斑块大小（MPS），斑块密度（PD），边缘密度（ED）和最大斑块指数（LPI）代表景观个体单元特征;采用面积加权平均形状指数（AWMSI）、蔓延度（CONTAG）、聚合度指数（AD代表景观组分空间构型，用香农多样性指数（SHDI）表征景观整体多样性特征，彭建等[8]的研究表明这些指标能很好地反应景观空间格局。建立指标后，在Fragstats4.2软件里进行计算，分析两年期景观格局指数变化特征。

4 结果分析

4.1 土地利用动态度分析

2001～2009年房山区各种土地利用类型面积及变化情况如表1所示。2001年面积排在前三位的是林地、草地、耕地，而到了2009年前三位分别为林地、耕地、建设用地。

该区域9年间的综合土地利用动态度可为0.81%，参照文献可知[9]，陕西省全省范围内1900～2000年的综合动态度也仅为0.38%，因此房山区这9年的土地利用变化幅度是相对较大的。主要表现在建设用地的急剧增长，由2001～2009年面积翻了几乎1倍;其单项动态度为10.17%.为综合动态度的12.6倍。而草地、裸露土地减少趋势十分明显，动态度绝对值分别为4.58%（5.7倍）和6.82%（8.4倍）;其中草地减少面积令人关注，达到了10861.38 hm²，几乎和同期建设用地的增长面积持平。除此以外，耕地面积增长了10.3%，在该区建设用地急剧增长的背景下竟然实现耕地面积扩大，也许跟普遍推行的占补平衡政策密切相关。林地变化情况不显著，9年间减少了2996.1 hm²，但在2009年仍为面积比例最大的地类，占比60.53%。水域面积在这9年间面积几乎未发生改变，所占比例维持在0.21%。

4.2 土地利用转移矩阵分析

动态度展示了各地类的变化幅度，但不能表示变化过程中每个地类的具体来源和去向，利用转移矩阵可更好地描述土地利用转变情况（表2）。

首先关注各地类的转出情况，可以看出转出比例最多的是裸露土地（94.42%），其中38.92%变为了草地，31.54%变为了建设用地;其次是草地（68.56%），其中44.06%转移成了耕地，24.08%转移成了建设用地，转出比例的大小排序是裸露土地>草地>建设用地>耕地>水域>林地。转出比例越小，则该地类的原位置变化程度越小，表明地类占据的地域更为稳定，抗各种自然、人类活动等因素干扰的能力就越强;但需要说明的是，转出比例小并不代表该地类的总体变化幅度就小，因为未考虑到其他地类转入的情况。

接下来分析各地类的来源情况，在此只选择增长速度最快的两个地类即建设用地和耕地作为典型代表来分析。

首先要关注的是建设用地，其转入情况如图4所示。从图上容易读出，2009年的建设用地有34.18%来自于原来的建设用地，27.84%来自于草地，19.78%来自于耕地，16.47%来自于林地，其余来自于裸露土地和水域的较少;由此可以发现一个现象：建设用地仅有1.6%来自于裸露土地，同时裸露土地只有不到1/3变为建设用地，但占耕地建设的情况却高达将近20%，这说明建设用地开发时利用闲置后备土地资源的程度偏低，对耕地尤其是良田的破坏应当引起重视。

图5所示的是耕地的来源示意图，可以看出末期的耕地有64.31%来自于原来的耕地，29.57%的来自于草地，剩余的5%左右来自于其他4类。结合上文发现：接近30%的初期耕地经过9年的时间变为其他地类，而在末期的耕地有接近30%的耕地来自于草地，说明失去的原耕地绝大部分都是由草地补偿的。因此尽管这9年间耕地的面积总体上增加，但相当于近1/3的耕地被置换成了草地，尽管笔者未能获得新增耕地的土壤、地形等耕作条件的数据以作出质量评价，但有理由推测从草地转换而来的耕地的质量并不理想。

4.3 景观格局分析

4.3.1 个体水平的动态变化特征

斑块密度（PD）、边缘密度（ED）和平均斑块大小（ MPS）能很好地指示景观的破碎化程度，最大斑块指数（LPI）可以反应出景观的优势类型，即某一地类的主导程度。

首先，关注斑块密度（PD）和边缘密度（ED）值，其中建设用地的PD和ED分别在2001年和2009年排在第一位（如图6），有趣的是，草地的PD和ED分别在2009年和2001年排在第一位;而与此同时两期的MPS基本维持不变，最大的都是林地，说明林地破碎程度很低;此外可以看出建设用地和草地是这一时期破碎程度最高的两个地类。值得关注的是，耕地的破碎度是第三高的，两年期的ED和PD值都很高。

其次，关注最大斑块指数（LPI）的动态特征，在研究时段内，林地一直是该区最优势的类型，但建设用地的优势度呈明显的上升趋势，而耕地和草地的优势度明显下降;其他用地斑块类型的景观特征保持相对稳定。

4.3.2 景观水平的动态变化特征

由表3可以清晰地看出，从2001～2009年该区内的蔓延度（CONTAG）、加权平均形状指数（AWMSI）和聚合度指数（AI）均表现出了不同程度上的下降。其中AI和CONTAG的降低均反映了全区范围内的景观连通性、聚集性降低而破碎程度增大。而AWMSI的降低反映了景观形状的复杂程度和不规则形有所降低，主要是由于在全区范围内景观类型主要以林地和耕地为主，因此林地、耕地斑块的整理、合并工程可能是導致总体不规则度下降的主要原因。

景观多样性指数（SHDI）反映了景观的复杂性，一般而言其值越大表明景观内各组分分布更均匀。尽管指数增大程度较微弱，但也体现出了从全区的变化水平看，景观多样性是增大的，景观分布模式也趋于合理。

尽管在这9年间建设用地面积比例扩大，城市化程度不断提高，但需要指出的是房山区的建设用地尚未成为主导地类，因此建设用地的快速扩张未能造成显著的全区域范围景观多样性下降，尽管这一现象在很多针对其他城市的研究中已有较明显的体现[10]。

5 结论与讨论

（1）从土地利用动态变化的角度来看，2001- 2009年间的总体动态度达到了0.81%，指示了一个较快的变化时期;而具体到地类来看，变化幅度最大的是建设用地，但分析显示占据生态用地、农用地用于建设的情况比较严重。草地面积减少了41.2%，主要转变为了耕地和建设用地。此外，耕地面积实现了10.3%的增长，其来源中有近30%是草地，因此新增耕地的质量也有理由让人们担忧。在将来耕地占补平衡应在关注数量上增减挂钩的同时，更注重质量和生态上的同等置换。例如质量上的对等置换可以借助耕地质量评价来实现，但生态水平上的评价方法还有待学者专家们的进一步研究。

（2）景观格局指数从个体、类型、景观3个水平明确了快速城市化过程中景观空间结构的动态变化特征。在全区范围内，建设用地的破碎化程度在增加且其景观优势度在上升。但林地一直是该区域最优势的类型，其破碎程度维持在很低的水平。全区范围内的蔓延度和聚合度下降，表明整体景观的破碎化、无序性是在增加的，应该通过城市规划引导景观生态的进一步合理优化。

（3）本研究尝试分析了房山区这9年间生态变化的驱动力。由于城市是以人类活动为主要特征的社会一经济一自然复合生态系统[11]，其景观格局演变的过程具有比其他任何景观类型都更加复杂的驱动机制，但人类活动无疑是景观格局演变的最主要驱动因素，主要包括：①社会经济因素，指标有地区总人口、全社会固定资产总投资额、地区生产总值GDP、三种产业的比例、房地产业、城镇居民可支配收入、地方财政收入等，其从不同方面深刻影响这城市的用地格局。②城市总体规划是对一定时期辖区内的各项用地安排和综合部署，是城市经济和社会发展目标在空间上的具体落实，因此城市景观格局的变化与总体规划的实施是紧密相关的。③政策因素，包括政府投资和土地投放，产业结构调整政策等，经济的投入和土地政策的变化在很大程度上促进了城市土地利用情况和景观格局的变化。

参考文献：

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