大运河北京段地表覆盖变化与景观格局演变

谢文瑄 祝晓坤 张翼然 丁 月 齐景怡

(1. 北京市测绘设计研究院, 北京 100038; 2. 城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京 100038)

0 引言

举世闻名的京杭大运河,是世界上开凿最早、里程最长的人工运河,距今已有2 500多年的历史。它见证了我国古代漕运与水利工程,承载着文明的交融与传承,对我国南北地区之间农业、经济、文化的发展和交流发挥着重要作用[1]。在经历了隋、唐、元、明、清时期的繁荣之后,大运河在近现代时期走向了衰落,运河地位急剧下降,沿线城市的发展一度停滞不前[2]。随着2002年南水北调东线工程的实施和2014年“中国大运河”项目成功入选世界文化遗产名录,运河整体的保护与利用迎来了新的机遇与挑战[3]。2017年,习近平总书记多次做出重要批示指示,为大运河保护和传承指明了方向。2019年,《大运河文化保护传承利用实施规划》和《北京市大运河文化保护传承利用五年行动计划(2018—2022年)》印发,从战略层面对大运河文化带建设进行了顶层设计,标志着大运河文化带建设工作正式开启了全新的篇章。

北京与京杭大运河关系密切,隋唐时期是中原政权的边防重镇,元、明、清时期成为国家首都,是大运河北部的终点城市。大运河北京段横跨昌平、海淀、西城、东城、朝阳和通州六区(图1),沿线古闸、古坝、桥梁、码头等文物和遗址分布密集、种类丰富、积淀深厚,是文化传承的重要载体,也是保护工作的重中之重。

然而，长期以来,大运河面临着遗产保护压力大、资源环境形势严峻、生态空间挤占严重等突出问题和困难[4]。研究地表覆盖变化,是理解景观格局演变过程和影响机制的基础,对于实现资源可持续利用和维持生态平衡具有重要意义[5-6]。当前,地表覆盖变化分析和景观格局演变评估等方面的研究方法已较为成熟,学者们在各类区域广泛开展了相关试验与探索[5-9],但京杭大运河北京段区域还缺乏此方面的定量分析研究。因此,在北京快速城市化与利益驱动的背景下,及时有效地开展运河生态廊道的动态监测和定量评估,揭示演变特征,对于促进生态环境提升、统筹运河沿线区域社会发展、探索高质发展新路径,具有一定的理论和实践意义,也可为运河遗产监测区的保护、规划和可持续发展提供一定的决策支撑。

1 研究区概况

京杭大运河北京段是我国历史性通航河道,曾具有与物资运输、存储和交易相匹配的设施及功能,在水运、排涝等方面贡献巨大。由于历史原因,目前已不具备货物运输等运河功能,仅部分河道保留较好,主要作为北京市的排水河道[10-11]。大运河北京段自北向南共包括京密引水渠、南长河、坝河、通惠河(包含玉河故道)和北运河五条主要河道。本文的研究区为运河遗产监测区,即河道中心线向外扩展1 km的缓冲区覆盖范围(图1),处于116°6′50″～116°56′46″E,39°44′49″～40°11′56″N之间,总面积308.3 km2。

图1 研究区范围

2 数据与方法

2.1 数据

本文使用的地表覆盖分类数据分别来自2015、2018和2020年的北京市地理国情监测成果。在地表覆盖数据的分类体系中,包括种植土地、林草覆盖、房屋建筑、铁路与道路、构筑物、人工堆掘地、裸露地表和水域8个地表覆盖一级类、53个二级类。

2.2 方法

2.2.1地表覆盖变化分析

基于ArcGIS软件平台,对2015、2018和2020年三期地表覆盖情况进行分类汇总统计、变化程度分析和转移矩阵分析,分别从变化类型、变化幅度和变化流量的角度全面反映研究区2015—2020年间的地表覆盖变化情况。其中,地表覆盖变化动态度可反映某时段某区域内各地表覆盖类型变化的剧烈程度[12]。

(1)

式中,Ri为某时段内i种地表覆盖类型的变化动态度;T为时段长度；Ua、Ub分别为起始时点和终止时点某种地表覆盖类型的面积。

2.2.2景观格局分析

景观格局分析是研究区域景观配置、功能和动态的基础[5]。景观指数是能够高度浓缩景观格局信息、反映其结构组成和空间配置特征的定量指标[17],是有效评价景观格局特征的重要手段。本文参考已有研究[5,13-16],基于Fragstats软件,选取斑块密度(Patch Density, PD)、景观形状指数(Landscape Shape Index, LSI)、和聚集度指数(Aggregation Index, AI)三个指标对研究区2015—2020年间的景观格局动态进行定量评估。

3 结果与讨论

3.1 地表覆盖变化

3.1.1类型

大运河北京段遗产监测区范围内,各地表覆盖类型在2015、2018、2020年的面积占比排序特征基本保持一致(图2)。其中,林草覆盖面积最大,2020年有11 368.7 km2,占研究区总面积的36.9%。其次是房屋建筑,占比约23.4%。种植土地、铁路与道路、构筑物占比均在10%左右。裸露地表面积最小,2020年仅有0.2 km2。

图2 大运河各年份地表覆盖类型面积

2015—2020年,研究区地表覆盖变化明显,总体呈现出“四降四升”的变化特征(表1)。房屋建筑、构筑物、种植土地和裸露地表面积持续下降,林草覆盖、铁路与道路和水域面积持续增加,人工堆掘地先大幅增加、后小幅降低。

3.1.2幅度

2015—2020年,在四个面积增加的地类中,林草覆盖面积增量最大,共增加了1 459.3 km2,增长动态度为2.9%。其次是人工堆掘地,其面积先增加了978.6 km2,后降低了233.9 km2,总体增长动态度高达11.3%。水域面积占比则由4.8%,逐步增至5.4%,面积增长动态度为2.4%。铁路与道路面积总体增量最小,从3 114.2 km2增加到了3 270.0 km2,共增加了155.8 km2,增长动态度为1.0%(表1)。

在面积减少的四种地类中,房屋建筑和种植土地面积降幅远大于构筑物和裸露地表(表1)。其中,房屋建筑降幅最大,从8 523.8 km2降至7 225.7 km2,共减少了1 298.1 km2,区域面积占比总共下降了4.2%。其次是种植土地,面积共减少了999.6 km2,区域占比降低了3.2%,下降动态度为5.9%。裸露地表面积从19.3 km2降至0.2 km2,由于基数小,面积下降动态度高达19.8%,是变化最为剧烈的地类。

表1 遗产监测区各年份地表覆盖类型面积及占比

3.1.3流量

2015—2020年,各类地表覆盖类型间变化流量多样(表2)。其中,裸露地表变化最为剧烈,仅0.8%未发生变化,87.7%转变成了水域和林草覆盖。其次,70%以上的人工堆掘地转变成了林草覆盖、房屋建筑和构筑物等地类。构筑物和种植土地特征相似,60%左右的面积未发生变化,其余40%左右分别转变成了林草覆盖、人工堆掘地和房屋建筑等地类。

表2 2015—2020年地表覆盖变化转移矩阵

相反,95.4%的水域未发生改变,仅4.6%转变成了林草覆盖、人工堆掘地和构筑物等地类。铁路与道路与之相似,93.6%未发生变化。房屋建筑中77.8%未发生变化,12.1%转变成了林草覆盖,是除构筑物和种植土地以外,林草覆盖的主要来源。

3.2 景观格局指数

3.2.1斑块密度(PD)

斑块密度表示每百公顷内斑块的数量,可反映景观的破碎度和完整性,其值越大、表示破碎化程度越高[17]。如表3所示,林草覆盖、房屋建筑、铁路与道路、构筑物的斑块密度显著高于其他四种地类,表明其碎化程度远高于其他地类。

2015—2020年间,人工堆掘地的斑块密度增幅最大,说明该地类在面积先增加后减少的变化过程中,斑块不断增加,破碎化程度持续增强。种植土地的斑块密度降幅最大,虽然占地面积持续降低,但斑块密度逐渐降低,表明该地类不断趋于完整、成片分布。裸露地表和水域的斑块密度基本保持稳定,变化微小。

3.2.2景观形状指数(LSI)

景观形状指数主要表示斑块的规则程度或复杂程度,其值越大,表示形状越偏离正方形、越不规则、受人类活动干扰的影响越大[17]。如表3所示,铁路与道路的LSI值在194左右,远高于其他地类,表明受人类活动影响的程度最大。

表3 研究区2015—2020年景观指数统计表

2015—2020年,铁路与道路的LSI值持续降低,但变化幅度不大,表明其形状逐渐趋于规则。裸露地表的降幅最大,说明其形状趋于简单、规则。相反,人工堆掘地的LSI值增加了23.9,表明该地类的形状变得越来越不规则、受人类活动影响越来越大。水域的LSI值变化幅度微小,景观复杂程度较为稳定。

3.2.3聚集度指数(AI)

聚集度指数可用于描述景观中不同斑块的聚集程度,其值在0～100,当值越大,表示斑块聚集程度高、趋近于一个整体,其值越小,表明斑块越分散[16]。该研究区中,种植土地的聚集度指数值最大,说明其聚集度高、空间分布更为集中。铁路与道路聚集度指数最小,空间分布相对分散。

2015—2020年,裸露地表的聚集度指数值明显下降,同时其占地面积显著减少,共同表明该地类的分散程度快速增强。其余地类的聚集度较高,且指数变化幅度不大,在小范围内呈现增加或降低的趋势,斑块聚集程度较为稳定。

4 结束语

本文以中国大运河北京段遗产监测区为例,从类型、幅度、流量三个方面,详细分析了2015—2020年的地表覆盖变化特征,同时,对研究区景观格局动态进行了定量评估。主要得出以下结论:

(1)运河遗产监测区林草覆盖面积占比最大,房屋建筑、构筑物、种植土地、裸露地表面积持续降低,房屋建筑面积降幅最大,共下降了1 298.2 km2;林草覆盖、水域、铁路与道路面积持续增长,林地面积增幅最大,共增加了1 459.4 km2;人工堆掘地的面积先增加后减少,总体呈增加趋势。裸露地表面积最少,但下降动态度最大,高达19.8%。在地表覆盖变化过程中,房屋建筑、种植土地、构筑物和人工堆掘地是林草覆盖的主要来源。林草覆盖、种植土地和构筑物则是水域的主要来源。

(2)区域景观格局变化显著。人工堆掘地的斑块密度和景观形状指数值增幅最大,该地类破碎化程度不断增加、受人类活动影响越来越大、形状愈发趋于不规则。种植土地的斑块密度降幅最大,地类不断趋于成片化分布。铁路与道路的形状指数值远高于其他地类,其形状逐渐趋于规则。裸露地表的聚集度指数值下降明显,该地类分散程度急剧增加。水域的景观指数值均变化微小,景观格局稳定。

(3)地表覆盖变化和景观格局演变特征符合当前部分施行政策的预期效果。2015—2020年,林草覆盖、人工堆掘地的增加,房屋建筑、种植土地和裸露地表的减少,均反映出了《北京城市总体规划(2016—2035年)》中“减量发展”目标、“疏解整治促提升”专项行动中“留白增绿”“拆违腾地”“开墙打洞”等任务和《北京市大运河文化带保护建设规划》中保护建设工作实施落地的初步成效。可见政策驱动的人为因素是造成地表覆盖和景观格局变化的重要因素之一。在未来城市发展和大运河文化带规划建设过程中,应持续重视对大运河及周边区域的环境保护与绿化,积极减少、控制农业、工业、建筑用地对大运河的破坏程度,加大对林地、水域的保护力度,增设自然景观,不断优化大运河遗产监测区的土地利用结构和景观格局配置,进一步提升城市品质和人居环境。