城市邊緣區土地利用景觀格局變化分析＊

唐秀美 陳百明 路慶斌 方琳娜

(1.中國科學院地理科學與資源研究所,北京100101;2.中國科學院研究生院,北京100049;3.中國環境科學研究院,北京100012;4.北京師范大學地理學與遙感科學學院,北京100875)

城市邊緣區土地利用景觀格局變化分析＊

唐秀美1,2陳百明1路慶斌3方琳娜4

(1.中國科學院地理科學與資源研究所,北京100101;2.中國科學院研究生院,北京100049;3.中國環境科學研究院,北京100012;4.北京師范大學地理學與遙感科學學院,北京100875)

以北京市大興區為例,以1993、2001、2007年3期土地利用圖為基礎,對城市邊緣區的土地利用景觀格局變化情況進行了分析。首先對3期土地利用圖進行統計分析,得到了各類土地利用類型的面積變化情況,在此基礎上,利用景觀格局分析軟件FRAGSTAS分別計算三個時期土地利用圖的景觀指數。結果表明:①大興區的景觀類型主體是耕地和建設用地。從1993-2007年,大興區的土地利用類型面積發生了很大的變化,其中,耕地面積持續減少,林地、建設用地面積持續增加,園地、草地、水域、荒土地面積先增加后減少;②大興區景觀格局的總體破碎化程度逐年增加,斑塊形狀相似性變小,形狀越來越不規則,景觀分離度持續增加,各類景觀組分面積比例差別在逐漸縮小,景觀中各組分分配越來越均勻,某一種或幾種景觀組分占優勢的情況越來越小;③耕地、園地、林地、草地、水域及荒土地呈現出較為一致的變化規律,即景觀的破碎程度加大,分離度增大,形狀變得越來越不規則,并且分布越來越分散。建設用地的變化規律略有不同,建設用地的景觀破碎度增加,但是形狀變得規則,并且分布變得相對聚集。

城市邊緣區;土地利用;景觀格局;大興

土地利用是自然基礎上人類活動的直接反映。土地利用/土地覆蓋是由各種類型的斑塊組成的,具有顯著的空間特征和時間特點[1]。土地利用格局具有典型的空間異質性,在空間上表現為不同土地利用類型斑塊的鑲嵌,反映了土地生態過程的作用結果[2]。景觀格局是指異質景觀要素的數量、規模、形狀及其空間分布模式[3],是景觀異質性的具體表現,也是各種生態過程在不同尺度上作用的結果[4]。景觀斑塊的類型、形狀、大小、數量和空間組合既是各種干擾因素相互作用的結果,又影響著該區域的生態過程和邊緣效應[5]。當前國內外對景觀格局的研究多集中于區域景觀格局分析[6-9]、多時相格局動態變化[10-15]、景觀面積轉換等方面[16-20]。城市化在土地利用景觀上的表現主要是大量農用地或未利用地轉化為城市建設用地的過程。經濟發展迅速的快速城市化地區,由于人類活動強烈,土地利用景觀變化迅速,已成為土地利用變化研究的重點區域[20-21]。大興區是距北京中心城區最近的城市發展新區,位于京津冀增長極要地,是北京面向環渤海經濟圈的橋頭堡,有“北京門戶”之稱,北京城市化進程對該區土地利用產生顯著影響。大興區是支撐北京城市空間結構戰略轉型的重要區域,承擔城市中心區人口和產業疏散功能,其土地利用變化、土地利用效率直接影響到北京市土地的合理高效配置,關系到北京市經濟、社會的可持續發展。因此,本研究選取大興區為研究對象,以1993、2001、2007年三期土地利用現狀圖為基礎,對大興區的土地利用景觀格局變化進行了分析,以期找到作為城市邊緣區的大興區在城市化過程中的土地利用景觀格局的變化趨勢,探討研究區域土地利用存在的問題及其對策,為區域土地利用和城市規劃提供依據,從而促進土地高效利用和社會可持續發展。

1 研究區域與數據來源

大興區位于北京市南部,地理坐標介于東經116°12′-116°43′,北緯 39°26′-39°50′之間 ,東西寬、南北長均為 44 km,土地總面積103 595 hm2。大興區地處永定河沖積平原,東臨通州區,南臨河北省固安縣、霸縣等,西與房山區隔永定河為鄰,分別與房山區、豐臺區、朝陽區、通州區相鄰,是距離北京市最近的遠郊區。全區轄14個建制鎮,526個自然村。大興區的區位優勢得天獨厚,是北京市惟一擁有兩個新興衛星城的郊區。近年來北京市發展迅速,土地利用變化顯著,大興區尤為明顯。

本研究所采用的數據為1993、2001、2007年北京市土地利用調查數據。土地利用分類方法參考2007年土地利用現狀分類國家標準。

2 土地利用與景觀格局變化分析

2.1 土地利用變化

對三期土地利用現狀圖件進行統計分析,結合大興區的實際情況,將大興區的土地利用類型劃分為7大類,在GIS中進行統計計算,得到各用地類型的面積及比例(見表1)。

表1 大興區1993、2001、2007年各土地利用類型面積及比例Tab.1 Area and proportion of land use types in Daxing District in 1993,2001 and 2007

從表1中可以看出,大興區最主要的用地類型為耕地和建設用地。從1993年到2007年,大興區的土地利用類型面積發生了很大的變化,其中,耕地面積持續減少;林地、建設用地面積持續增加,園地、草地、水域、荒土地面積先增加后減少。其中變化較為劇烈的為耕地和建設用地,耕地面積由1993年的68 516.64 hm2減少到2007年的41 398.74 hm2。建設用地面積由1993年的16 131.48 hm2增加到2007年的31 532.09 hm2。

2.2 土地利用景觀格局變化

土地利用變化格局的定量分析可以從景觀指數的變化上反映出來。景觀指數是指能夠高度濃縮景觀格局信息反映其結構組成和空間分布特征的定量指標。由于景觀生態學研究的主要對象是景觀格局的空間結構、功能、變化以及景觀規劃管理等,因此,景觀生態學家對空間格局的定量分析提出了許多不同指標,如景觀多樣性、均勻度、優勢度、分離度、破碎度等指數,為景觀空間格局的研究奠定了基礎。

本研究利用景觀格局定量化分析軟件FRAGSTAS分別計算三個時期(1993年,2001年,2007年)的土地利用現狀圖的景觀指數并通過此定量地分析大興區土地類型景觀格局變化情況。在FRAGSTATS提供的三種應用水平中,本文從景觀水平和斑塊類型水平兩個層次對景觀格局進行計算分析。有關景觀指數的計算方法及其生態學涵義見表2。

表2 景觀格局特征指標及其生態學意義Tab.2 Diagnostic index and ecological meaning of the spatial pattern of landscape

將土地利用圖轉成Grid格式后導入景觀格局分析軟件FRAGSTATS中,分別計算大興區 1993、2001、2007年的土地利用類型景觀指數。研究根據實際情況選取部分景觀指標進行計算,計算結果見表3。

從表3中可以看出,大興區景觀總斑塊數目隨著時間的推移是呈現上升的趨勢,同時,斑塊密度也呈現上升趨勢,斑塊密度反映了景觀的破碎化程度,斑塊密度逐步增加,說明大興區的景觀格局的破碎化程度逐年增加,表明人類活動對生態環境的影響隨著時間的推移在不斷加劇,人類活動對景觀的干擾程度也在逐年加大;景觀平均分維數先減少,后略有增加,平均分維數指數意味著斑塊的自相似程度,從一定程度上反映了人類活動對斑塊的影響程度。平均分維數減少說明斑塊形狀相似性變小,形狀越來越不規則;景觀分離度由1993年的0.582 8增加到2001年的0.965 9,直至2007年的0.968 2,增加幅度很大,特別是1993-2007年,景觀分離度是指景觀類型空間分布的集散程度,說明大興區景觀受人為影響較為劇烈;景觀多樣性指數持續上升,均勻度指數也呈現上升的趨勢,而優勢度指數是連年下降的趨勢,表明各類景觀組分面積比例差別在逐漸縮小,景觀中各組分分配越來越均勻,某一種或幾種景觀組分占優勢的情況越來越小,且景觀整體結構受人類活動影響較大。

表3 大興區1993、2001、2007年景觀格局總體特征值變化Tab.3 The total eigenvalue of the landscape patterns in Daxing District in 1993,2001 and 2007

表4 1993年、2001、2007年大興區景觀斑塊類型特征值變化Tab.4 The patches’eigenvalue of the landscape patterns in 1993,2001 and 2007 in Daxing District

表4為各個景觀的特征值變化情況。從1993-2007年,耕地面積持續減少,但斑塊數量和景觀密度持續增加,平均分維數和分離度也持續增加。說明耕地在面積減少的同時,景觀破碎度增加,分離度變大,分布越來越分散,形狀越來越不規則;園地面積持續增加,斑塊數量和景觀密度增加,平均分維數變化較小,略有增加,景觀分離度變化較少,略有降低。說明園地面積增加的同時,園地變得更加分散,形狀不規則,同時,破碎度增加,景觀一直分布較為分散;林地面積增加,同時斑塊數量和景觀密度持續增加,平均分維數增加,景觀分離度一直較高。說明林地面積增加的同時,變得越來越分散,形狀更不規則,景觀分布較為分散;草地面積先增加后減少,但是斑塊數量一直增加,斑塊密度先增加后減少,平均分維數有所降低,景觀分離度一直較高,說明草地面積變化的同時,草地的破碎度增加,但是形狀相對變化的規則,景觀分布分散;水域面積先增加后減少,斑塊數量、斑塊密度和平均分維數也是先增加后減少,景觀分類度有所降低,說明水域景觀特征值的變化與水域的面積變化相對應,總體景觀特征變化幅度不大;建設用地面積持續增加,斑塊數量和景觀密度先增加,后略有減少,平均分維數先減少,后略有增加,景觀分離度持續減少,說明建設用地面積增加的同時,景觀破碎度增加,但是景觀形狀變得規則,并且分布變得相對聚集。荒土地的面積先增加后略有減少,斑塊數量和景觀密度也是先增加后減少,平均分維數先增加后略有減少,景觀分類度一直較高,說明荒土地從1993年到2001年面積增加較多,景觀變得分散,形狀愈加不規則,但之后的變化相對較小。

3 結 語

城市化是社會經濟發展的必然。一般而言,城市化的過程對城市的景觀格局有顯著影響。在城市化初期,當異質性的城市景觀進入以農業景觀為基質的區域時,會使景觀的多樣性和均勻度逐漸增加,景觀被分割導致區域破碎度增加,斑塊數量多而面積較小;城市進一步發展,大量的農田、水面和農村居住景觀斑塊迅速減少;進入城市化末期,注重規模效應和滾動開發使城市景觀成片出現、斑塊面積增加,破碎化降低、景觀的多樣性和均勻度減少,景觀變得單調,大興區城市景觀各類型的面積比例及其變化,很好地說明了城市化對城市景觀格局變化的作用。大興區作為城市邊緣區,是城鄉過渡性地帶和農業用地與非農用地的復合區。具備典型的城市邊緣區土地利用特點,土地利用類型多樣,結構復雜,但以耕地、居民點及獨立工礦用地為主。研究發現,從1993年到2007年,大興區在城市化過程中,景觀受到人類活動的嚴重干擾,斑塊空間分布不斷分散和破碎化,分離度和破碎度指標增加,研究區的景觀異質性程度在逐漸提高,土地利用向著多樣化和均勻化方向發展。說明大興區的城市化過程還處于中前期。分析大興區土地利用景觀格局變化的原因,主要是由于地處城市邊緣區,土地開發利用程度逐年提高,在北京市中心城的強輻射下,城鎮化水平提高,建設用地區位意義越來越明顯,土地利用變化強烈。本研究對大興區的景觀格局分析,得到了區域景觀的分布特點和格局變化情況,為該區域的城鎮發展規劃提供了有力的調控依據。

References)

[1]張本昀,申懷飛,鄭敬剛,等.河南省土地利用景觀格局分析[J].資源科學,2009,31(2):317-323.[Zhang Benyun,Shen Huaifei,Zheng Jinggang,et al.GIS-based Analysis on the Landscape Spatial Patterns of Land-use in Henan Province[J].Resources Science,2009,31(2):317-323.]

[2]吳波,慈龍駿.毛烏素沙地景觀格局變化研究[J].生態學報,2001,21(2):191-196.[Wu Bo,Ci Longjun.Temporal and Spatial Patterns of Landscape in the Mu Us Sandland,Northern China[J].Acta Ecologica Sinica,2001,21(2):191-196.]

[3]劉茂松,張明娟.景觀生態學原理與方法[M].北京:化學工業出版社,2004:1-3.[Liu Maosong,Zhang Mingjuan.The Principle and Method of Landscape Ecology[M].Beijing:Pressof Chemistry Industry,2004:1-3.]

[4]陳文波,肖篤寧,李秀珍.景觀空間分析的特征和主要內容[J].生態學報,2002,22(7):1135-1142.[Chen Wenbo,Xiao Duning,Li Xiuzhen.The Characteristics and Contents of Landscape Spatial Analysis[J].Acta Ecologica Sinica,2002,22(7):1135-1142.]

[5]許慧,王家驥.景觀生態學的理論與應用[M].北京:中國環境科學出版社,1993:9-209.[Xu Hui,Wang Jiayji.The Theory and Application of Landscape Ecology[M].Beijing:Press of Chinese Environmental Science,1993:9-209.]

[6]陳瑞琴,孫希華.區域土地利用及土地覆蓋的空間格局研究:以濟南泉域為例[J].山東師范大學學報:自然科學版,2004,19(1):63-67.[Chen Ruiqin,Sun Xihua,The Spatial Pattern Analysis of Regional Land Use and Land Cover:A Case Study of Jinan City in Shandong[J].Journal of Shangdong Normal University:Natural Science,2004,19(1):63-67.]

[7]王憲禮,肖篤寧,布仁倉,等.遼河三角洲濕地的景觀格局分析[J].生態學報,1997,17(3):317-323.[Wang Xianli,Xiao Duning,Bu Rencang,et al.Analysis on Landscape Patterns of Liaohe Delta Wetland[J].Acta Ecologica Sinica,1997,17(3):317-323.]

[8]常學禮,鄔建國.科爾沁沙地景觀格局特征分析[J].生態學報,1998,18(3):225-232.[Chang Xueli,Wu Jianguo.Spatial Analysis of Pattern of SandyLandscapes in Kerqin Inner Mongolia[J].Acta Ecologica Sinica,1998,18(3):225-232.]

[9]趙峰,鞠洪波,劉華,等.基于生態工程區的土地利用變化和景觀格局分析:以內蒙古達拉特旗為例[J].西北林學院學報,2010,25(1):216-220.[Zhao Feng,Ju Hongbo,Liu Hua,et al.Land-use Changes and Landscape Analysis in the of Ecological Project Region:A Case Study in Dalate Country [J].Journal of Northwest Forestry University,2010,25(1):216-220.]

[10]田光進,張增祥,張國平,等.基于遙感與GIS的海口市景觀格局動態演化[J].生態學報,2002,22(7):1028-1034.[Tian Guangjin,Zhang Zengxiang,Zhang Guoping,et al.Landscape Dynamic Change Pattern of Haikou city by TM Imagery and GIS[J].Acta Ecologica Sinica,2002,22(7):1028-1034.]

[11]曾輝,江子瀛.深圳市龍華地區快速城市化過程中的景觀結構研究——城市建設用地結構及異質性特征分析[J].應用生態學報,2000,11(4):567-572.[Zeng Hui,Jiang Ziying.Landscape Structure study of Longhua Area in Shenzhen City During the Fast Urbanization Process:Structure and Heterogeneity Analysis of Urban Construction Land[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2000,11(4):567-572.]

[12]趙淑清,方精云,陳安平,等.洞庭湖區近50年土地利用/覆蓋的變化研究[J].長江流域資源與環境,2002,11(6):536-542.[Zhao Shuqing,Fang Jingyun,Chen Anping,et al.Land Use/Cover Changes in Dongting Lake Area Between 1955-1998[J].Resources and Environm ent in the Yangtze Basin,2002,11(6):536-542.]

[13]侯鈺榮,安沙舟.塔里木河干流景觀格局的時空變化分析[J].干旱區資源與環境,2010,24(3):44-50.[Hou Yurong,An Shazhou.Spatio-temporal Changes of Landscape Patterns in Mainstream of Tarim River[J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2010,24(3):44-50.]

[14]劉曉雙,黃建文,鞠洪波.海南省霸王嶺天然林保護工程區景觀格局動態分析[J].福建林學院學報,2010,30(1):28-33.[Liu Xiaoshuang,HuangJianwen,Ju H ongbo.T emporal Dynamicsof Landscape Pattern in the Protected Natural Forest Area of Bawangling,Hainan[J].Journal of Fujian College of Forestry,2010,30(1):28-33.]

[15]段崢,宋現鋒,石敏俊.密云縣土地利用景觀格局時空變化及驅動力分析[J].水土保持研究,2009,16(5):55-60.[Duan Zheng,Song Xianfeng,Shi Minjun.Changes of Spatial Landscape Pattern and Driving Forces in Miyun County During 1992-2006[J].Research of Soil and Water Conservation,2009,16(5):55-60.]

[16]馬明國,王雪梅,角媛梅,等.基于RS與 GIS的干旱區綠洲景觀格局變化研究——以金塔綠洲為例[J].中國沙漠,2003,23(1):53-58.[Ma Guoming,Wang Xuemei,Jiao Yuanmei,et al.Studyon the Change of Landscape Patternof Oasis in arid Region Basedon Rs and GIS Methods-application of Jinta Oasis[J].Journal of Desert Research,2003,23(1):53-58.]

[17]田光進,張增祥,周全斌,等.基于遙感與GIS的北京市土地利用動態演化模式研究[J].遙感信息,2003,(1):7-11.[Tian Guangjin,Zhang Zengxiang,Zhou Quanbin,et al.Research on Dynamic Land-use Pattern of Beijing by Remote Sensing and GIS[J].Remote Sensing Information,2003,(1):7-11.]

[18]曾輝,江子瀛,孔寧寧,等.快速城市化景觀格局的空間自相關特征分析:以深圳市龍華地區為例[J].北京大學學報:自然科學版,2000,36(6):824-831.[Zeng Hui,Jiang Ziying,K ong Ningning,et al.Auto-correlation Analysis of Landscape Pattern for a Fast Urbanization Area:A Case Study of Longhua Area,Shenzhen City[J].Acta Scientiarum Naturalium,2000,36(6):824-831.

[19]朱小華,宋小寧.石羊河流域景觀格局變化分析與轉移傾向因子[J].蘭州大學學報:自然科學版,2010,46(1):65-71.[Zhu Xiaohua,Song Xiaoning.Landscape Pattern Changes and Transition Tendency Factors in Shiyang River basin[J].Journal of Lanzhou University:Natural Sciences,2010,46(1):65-71.]

[20]趙峰,鞠洪波,劉華,等.基于生態工程區的土地利用變化和景觀格局分析:以內蒙古達拉特旗為例[J].西北林學院學報,2010,25(1):216-220.[Zhao Feng,Ju Hongbo,Liu Hua,et al.Land-use Changes and Landscape Analysis in the of Ecological Project Region:A Case Study in Dalate Country.Journal of Northwest Forestry University,2010,25(1):216-220.]

[21]Turner B L,Skole D,Sanderson S et a1.I and-use&Land Cover Change[R].Science/Research Plan IG BP Rep No.35.HDP Rep No.7,1995.

[22]王玉潔,李俊祥,吳健平,等.上海浦東新區城市化過程景觀格局變化分析[J].應用生態學報,2006,17(1):36-40.[Wang Yujie,Li Junxiang,WuJianping,et al.Landscape Pattern Change in Anization of Pudong New District,Shanghai[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2006,17(1):36-40.]

Analysis on the Landscape Patterns Change of Land Use in Urban Fringe Area:A Case Study in Daxing District of Beijing

TANG Xiu-mei1,2CHEN Bai-ming1LU Qing-bin3FANGLin-na4
(1.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,CAS,Beijing 100101,China;2.Gradate University of Chinese Academy of Science,Beijing 100049,China;3.Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China;4.Beijing Normal University,School of Geography,Beijing 100875,China)

Taking Daxing District of Beijing as a study area,this paper analyzes the landscape patterns change of land use in urbanfringe area based on the land use maps in 1993,2001 and 2007.The area change of land use types is calculated and analyzed based on ArcGIS.Consequently,the landscape patterns change is achieved by the software FRAGSTAS for landscape patterns analysis.The result shows that:Firstly,the most important land use types in Daxing District are cultivated land and construction land.The area of each land use type changed drastically from 1993 to 2007.The area of cultivated land decreased continuously.The area of forest land and construction land increased.The area of garden plot,grass land water body and wasteland increased from 1993 to 2001 and decreased from 2001 to 2007.Secondly,the whole landscape patterns changed greatly in Daxing District.The whole fragmentation and separation degree of landscape increased.The distribution became more and more dispersed and the landscape figure became more and more erose.The area proportion gap of each landscape reduced.It showed that the distribution of each landscape became more and more average and the there was less dominant landscape.Thirdly,the landscape patterns change of each land use type is similar,except for construction land:the fragmentation and separation degree increased,the landscape figure became more and more erose,and the distribution became more and more dispersed.But the fragmentation degree of construction land increased,the figure became more and more regular and the distribution became concentrated.

urban fringe area;land use;landscape patterns;Daxing District

F301.24

A

1002-2104(2010)08-0159-05

10.3969/j.issn.1002-2104.2010.08.029

2010-03-29

唐秀美,博士生,主要研究方向為土地利用與土地信息技術。

＊國家科技支撐計劃子課題(編號:2008BAB38B02-3)與國家自然科學基金(編號:70673097)資助。

(編輯:田 紅)