京津冀城市群土地利用生態風險的時空變化分析

汪翡翠,汪東川,2,*,張利輝,劉金雅,胡炳旭,孫志超,陳俊合

1 天津城建大學,地質與測繪學院,天津 300384 2 天津城建大學,天津市土木建筑結構防護與加固重點實驗室,天津 300384

隨著城市化進程的加快,我國城鎮化進入到“下半程”,城市在經濟高速發展的同時也經歷著人口集聚、生態用地被侵占等一系列“城市化”問題[1- 4],由此導致人類和自然面臨越來越多嚴峻的考驗,這與當前社會主義生態文明觀的要求有很大差距。在國家層面上,將實行最嚴格的生態環境保護制度,形成綠色發展理念和生活方式,推動人與自然和諧發展,形成現代化建設新格局。

生態風險評價,作為一種重要的生態環境管理手段[5],可以為區域生態管理提供理論依據和技術支持[6- 8]。關于生態風險的評價方法有很多,但基本上可以劃分為兩大類:基于風險源匯和基于景觀格局[9]。基于風險源匯的景觀生態風險評價方法,需要識別威脅區域生態系統健康的風險受體和風險源[10-11]。基于景觀格局的景觀生態風險評價方法是以土地利用變化為誘因的生態風險評價[12-13]。在缺乏生態監測資料的歷史積累時,可以利用相對較易獲取的土地利用數據描述和評價土地利用方式的不同對生態系統的影響[14]。土地利用是全球生態環境變化的重要組成部分,對區域生態安全起著決定性作用。不同的土地利用方式對生態環境所產生的影響具有累積性和區域性[15- 17],這可以直接反映在生態系統的結構和組成上,例如景觀要素及其功能的變化[18- 19]。很多學者從景觀格局角度出發,評價區域生態風險。然而景觀尺度主要集中在流域和小尺度地區[20- 21],針對城市化發展較快的大尺度城市群區域的研究相對較少。

權重賦值是生態風險評價的關鍵環節。評價指標的權重賦值可以分為定性和定量兩種方法。定性評價根據指標之間的相對大小或相對優劣程度去對指標進行賦值,然后評價生態風險的相對變化程度[22- 23]。定量評價則通過構建公式或模型,對生態風險進行評價[24- 31]。在實際研究中,需要根據具體的評價目標來確定合適的賦權方法。上述的定性或定量生態風險評價方法基本都是針對某一個時間點獨立進行,這已經不能滿足探究長時間生態風險的動態轉移要求,因此需要尋求某種方法去探究它的轉移方向。曾輝等人利用地統計學方法對整體的生態風險進行空間分析,輔以半變異函數為工具進行生態風險指數的方向性分析[32],李明財等人利用空間重心轉移模型對城市擴張的方向進行了分析[33]。地統計學方法針對單個時間節點的方向性進行分析,而未考慮多個時間節點的連續方向性的分析。而重心模型則能很好地表明某個變量的轉移軌跡,且經常被運用于經濟、消費和人口等研究中[34-36]。

京津冀地區作為我國面積較大的城市群區域,在城市群發展過程中土地利用結構的破壞導致了生態環境質量下降,阻礙了可持續發展的進程。鑒于以上背景,本文利用生態風險評價方法去識別生態風險空間分布特征,然后借助重心模型深入探討綜合高風險區域重心的時間演變過程及變化規律。

1 數據與方法

1.1 研究區概況及數據來源

京津冀地區區域總面積21.8萬km2,截止2016年底總人口達1.12億人,GDP總量7.56萬億元。行政區域范圍涉及200區(縣),其中北京16個市轄區、天津16個市轄區、河北11個地級市以及168個區(縣)。1982年《北京市建設總體規劃方案》首次提出“首都圈”概念,提出了京津冀三地協同發展的理念,包括北京、天津兩個直轄市以及河北的保定、唐山、廊坊、石家莊、秦皇島、張家口、承德、滄州、邯鄲、邢臺、衡水等11個地級市。2015年4月30日,中共中央政治局審議通過《京津冀協同發展規劃綱要》,并且制定了京津冀協同發展總體規劃綱要和生態環境保護與交通一體化專項規劃,以促進京津冀地區的可持續發展[37-38]。同時這些地區先后簽訂了以《環渤海區域合作框架協議》為代表的區域合作協議和諸多促進環境保護、經濟合作、交通合作等方面的合作協議。

研究區氣候屬于暖溫帶大陸性季風型氣候,降水分配不均勻,春秋短促且干旱多風,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥。

遙感影像數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/),其中包括1984年的Landsat 4 MSS數據、1990年的Landsat 5 TM數據、2000年,2005年和2010年的Landsat ETM數據以及2015年的Landsat 8 OLI數據。選擇6月至8月期間沒有云或少云(云量低于10%)的影像數據以確保地面特征識別和解譯的高精度。

參考國家土地利用現狀分類標準(GB/T 21010—2017)和中國科學院地理科學與資源研究所劉紀遠等在建設“中國20世紀LUCC時空平臺”建立的LUCC(土地利用/土地覆被變化)分類系統,并結合京津冀地區的實際土地分類情況將土地利用類型歸結為7個一級分類:林地、草地、濕地、耕地、人工表面、其他用地和海域。本文的海域指的是2015年的國土最大輪廓線內的每個時間節點海水面積。遙感影像解譯主要是在ArcGIS平臺上進行的。利用波段組合、圖像校正和圖像增強技術,對空間分辨率為80m(MSS)、30m(TM)和15m(ETM + / OLI)的遙感影像進行預處理。在目視解譯中使用來自調查網站的多邊形樣本和來自Google Earth的高分辨率圖像。先解譯較高分辨率的2015年遙感影像,然后將解譯后的2015年LUCC數據作為基準圖,將不同時間節點的影像進行疊加,生成各節點的土地利用/覆被數據。依據現場采樣點和谷歌地球樣本進行精度驗證,解譯結果的準確性被證實高于95%。

1.2 生態風險指數

1.2.1 生態風險指數的構建

生態風險指自然或人為因素影響下景觀格局與生態過程相互作用可能產生的不利后果[9]。生態風險指數是指不同景觀對生態環境所產生的風險值大小,用來表征不同景觀所導致生態風險的貢獻度。本文從兩個方面建立土地利用類型與基于景觀格局的生態風險之間的聯系,一是利用土地利用生態風險的主觀權重,耦合相應土地利用類型面積比例[21,31,39],二是利用景觀破碎度。景觀破碎化主要表現兩個方面,一是景觀斑塊面積由大變小的過程,二是隨著斑塊面積的減少和地理空間隔離程度的增加產生的景觀結構破碎化,可分別用斑塊密度指標和蔓延度指標來表示[7,40]。斑塊密度指標表達的是單位面積上的斑塊數,其值越大說明斑塊數量增加,斑塊形狀趨于不規則,內部斑塊面積縮小,斑塊彼此隔離越來越大,反映了景觀受干擾較強烈,景觀破碎化程度高;蔓延度是景觀連通度的指示指標,是景觀中不同斑塊類型的團聚程度或延展趨勢,是對斑塊連通水平的衡量,蔓延度越高,表明景觀中的優勢斑塊形成了良好的連接,說明景觀中起主導作用的斑塊完整性和連通性好,景觀低破碎;反之則說明景觀具有多種要素的散布格局,斑塊間連通性差、隔離度較高、破碎度高。景觀生態風險指數的計算公式如下:

(1)

式中,ERI為生態風險指數;n為土地利用類型的數量;Ai為研究區內第i種土地利用類型的總面積(km2);A為研究區內土地利用類型的總面積(km2);Wi為研究區內第i種土地利用類型所反映的生態風險強度參數,也就是不同土地利用類型生態風險的權重;F斑塊密度(個/100hm2);M為蔓延度(%)。

無論選用哪種景觀生態風險評價方法,對于評價指標的權重進行賦值都是景觀生態風險評價中至關重要的環節。根據層次分析法[21,39,41]的原理和方法確定土地利用生態風險權重。首先對土地利用類型的相對強度指標進行兩兩比較、判斷,構造出判斷矩陣;其次采用加權法計算指標的標準化權重,并進行一致性檢驗。根據一致性檢驗結果判斷所構造的矩陣是否具有滿意的一致性。本文采用AHP軟件完成如上分析,一致性比例的計算結果為0.0022(<0.01),表明判斷矩陣具有滿意的一致性,從而獲得6種土地利用類型生態風險的主觀權重分別為:林地0.0708、水域0.0961、草地0.1290、耕地0.1691、未利用地0.2238、人工表面0.3112。

1.2.2 基于格網的生態風險小區劃分

公式(1)表示景觀格局指數一方面由土地利用類型的生態風險貢獻度及其面積比構成,另一方面由斑塊密度與景觀蔓延度構成,景觀斑塊與景觀蔓延度由Fragstats 4.2軟件中的移動窗口法獲得。因此,為了能夠將土地利用類型的生態風險貢獻度及其面積比的乘積空間化,在考慮研究區空間異質性和斑塊大小的基礎上,將研究區劃分5km×5km的采樣網格,共計9053個生態風險小區(圖1)。在GIS軟件中計算生態風險小區的生態風險值,并將每個網格的值賦予該網格的中心點,最后將所有中心點值采用克里金插值法進行空間插值得到生態風險的空間分布圖[12- 13,20- 21]。

圖1 研究區生態風險小區的劃分示意圖Fig.1 Sketch map of ecological risk community in research area

1.3 生態風險重心

“重心”的概念源于力學中重心的概念。重心是指在某一區域之內,如果把該區域看作是一個質地均勻的平面,那么,這個平面上便存在一個支點,使平面保持平衡,該支點就是該區域的重心點[39]。在本文中,生態風險重心是指用生態風險分區中的綜合高風險區替代區域質量時形成的重心,即在生態風險發展過程中,在綜合高風險區域空間上存在一點,在該點前后左右各個方向上的生態風險力量對比保持相對均衡,該點就是生態綜合高風險重心。

本文采用幾何重心法來衡量某一屬性的空間分布狀況[41],計算公式如下:

(2)

式中,X、Y分別表示生態風險重心的行號、列號,準確表達了重心的地理位置;Xi分別為第i個綜合高風險次級區域(即每一個柵格單元)中心的行號,Yi分別為第i個綜合高風險次級區域(即每一個柵格單元)中心的列號,Mi為第i個綜合高風險次級區域的屬性值。由式(2)可知,影響重心遷移的因素是各柵格單元綜合高風險區的空間坐標和屬性值的大小。

2 結果與分析

2.1 生態風險的時空格局分析

生態風險的時空格局及演變特征是區域景觀生態環境質量的直接反映,也代表生態系統受外界脅迫與抗脅迫能力的強弱。根據公式(1)計算獲得1984—2015年土地利用生態風險圖(圖2),并提取各類生態風險區域分布面積并計算其所占比例。

圖2 1984—2015年土地利用生態風險時空分布Fig.2 Spatial and temporal distribution of land use ecological risk from 1984 to 2015

如圖2和表1所示,京津冀城市群的生態風險越來越嚴重。其中,較高風險區和高風險區都呈現出不斷擴張趨勢,較高風險區的上升趨勢較明顯,高風險區所占比例從0.069%增加至0.262%,較高風險區所占比例從0.679%增加至1.825%,高風險區和較高風險區與城市建設用地的吻合度較高,對應面積也呈逐漸增加的趨勢。表明建設區域周邊生態風險正在不斷地加劇。低風險區主要分布在滄州市、衡水市、北京市北部、保定市西部、邢臺市東部和邯鄲市東部,并且所占比例呈現出下降趨勢,從80.744%降低至68.252%,而較低風險區面積有所增加,所占比例從14.843%降低至23.370%,較小程度上加劇了生態風險。中等風險區呈現出上升趨勢,所占比例由3.665%上升至6.292%。景觀高風險區呈點狀分布于北京北部、天津中部、保定北部、石家莊西部以及張家口西部以及承德市西北部。京津冀城市群區域的較高風險區由呈面狀零散分布變化至面狀連片分布。其中高風險區和較高風險區多位于各大城市的中心城區附近,佐證了城市化的快速發展對生態風險影響顯著。

表1 土地利用生態風險等級比例/%

2.2 13個地級市綜合高風險區比例分析

如表2所示,在研究時間內,各地級市綜合高風險區的變化各不相同。其中,北京市、天津市面積增長百分點分別達到了13.15%和14.85%;唐山市、廊坊市大于零,分別為2.27%和0.56%;滄州市和衡水市幾乎沒變化;邢臺市、邯鄲市、秦皇島市、石家莊市、保定市、張家口市和承德市的面積變化百分比小于零,其中,邢臺市和邯鄲市面積降低幅度較小,承德市綜合高風險區的面積降低百分比最大,達到了10.40%,其次是張家口市。在1984年,承德市和張家口市綜合高風險區所占比例較高,分別為27.85%、和20.48%,而在廊坊市、張家口滄州市和衡水市所占比例均為0.00%;在2015年,北京綜合高風險區所占的比例達到了最高,達到了22.64%,其次是承德市和天津市。

2.3 生態綜合高風險區的重心轉移

由于廊坊市、滄州市和衡水市的綜合高風險區所占比例較小,所以選擇其余10個地級市進行綜合高風險區重心的計算。根據公式(2)獲取1984—1990年、1990—2000年、2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年5個階段內研究區內綜合高風險區的重心轉移(圖3)。

圖3 綜合高風險區重心移動軌跡Fig.3 Comprehensive high risk areas center of gravity trajectory

如圖3所示,綜合高風險區重心轉移方向可以大致分為3類:向首都轉移、向東部沿海區域變化和按照自身要求轉移。向轉移發展的地級市有保定市,其中,北京既要控制人口,又要減少城鄉建設用地的規模,保定優越的地理位置勢必就將成北京人口和產業疏解的重點方向;向東部海域發展的地級市有天津市和唐山市,其中,天津市是由于濱海新區的快速發展,天津的城市規劃可以被形象的概括為“一個扁擔兩頭挑”,即以海河為帶狀中心和發展軸線,一頭是中心城區,一頭是濱海新區。隨著濱海新區在2005年開始被寫入“十一五”規劃并納入國家發展戰略,成為國家重點支持開發開放的國家級新區。2010年,濱海新區生產總值達到5030.11億元,超過浦東新區,增速為25.1%;唐山加大了各類新區的開發力度,南堡經濟開發區,曹妃甸新區、鳳凰新城、空港工業園區等新區的建設極大促進了GDP的增長及產業空間與結構調整[42]。按照自身要求發展的地級市有北京市、邯鄲市、石家莊市、邢臺市、秦皇島市、承德市和張家口市,北京市積極推進京津冀一體化發展、加強生態環境保護、推動產業升級轉移,且由于北京北部山區的阻攔作用,重心開始向東偏南方向轉移;邯鄲在加快邯鄲西部礦區污染源治理、深化大氣污染防治的同時建立了邯鄲經濟開發區和冀南新區等發展新區[43],一方面邯鄲西部的生態環境得到了一定的改善,另一方面邯鄲市東部地區的生態風險有了一定的加劇;石家莊市的地理位置決定了城市發展方向,因為其西部地處太行山中段,東部為滹沱河沖積平原;邢臺市的《邢臺市城市總體規劃》 (2005—2020)指出:未來城市將主要向東南和西北方向發展,從2008年的邢臺重點發展西北新區到現在的重點發展邢東新區,實現了中心城區建設方向的戰略東移;秦皇島既是全國綜合交通樞紐城市,又是旅游城市,將建設成為一流國際旅游城市為目標,推進完成新一輪城市總體規劃編制、土地利用總體規劃和秦皇島港口總體規劃調編,高標準制定國際旅游城市總體規劃,制定落實建設國際旅游城市的實施意見,加快形成層次完善、結構合理、體現國際一流要求的旅游規劃體系;承德市的生態風險轉移方向分兩個階段,在1984—1990年向東南方向發展,1990—2015年向西北方向發展,一方面是因為城市方向,另一方面則是水土流失問題所導致的生態風險轉移方向發生了變化;張家口市相比較于1984年,2015年的風險位置位于其西部,張家口市由于其草原的破碎化(道路切割)對生態系統產生了負面的影響,從而導致了生態風險重心的轉移。考慮研究區尺度范圍較大,加強城市之間降低生態風險的能力是京津冀區域生態一體化的重點。人類活動所導致的城市擴張是生態風險的主要來源,所以在土地利用規劃和城市規劃布局時,應注意合理的功能分區。

3 結論

本文基于土地利用數據,利用生態風險評價分析和重心方法,分析了1984—2015年京津冀地區土地利用時生態風險時空分布特征,并在此基礎上對土地利用綜合高風險區的轉移過程進行分析,得到以下結論:

(1)從京津冀城市群區域格局把握土地利用生態風險,生態風險總體上呈上升趨勢,并且生態風險格局存在明顯的時空分異,綜合高風險區域主要分布在地級市中心城區周邊區域,土地利用生態風險調控的重點是北京市、天津市。

(2)京津冀城市群各地級市綜合高風險的變化各不相同,但是各個地級生態風險變化有3種情況:上升、下降和基本不變。對于生態風險升高和幾乎不變的區域,要加強城市內部生態的建設,對于生態風險下降的區域在加強內部建設的同時,加強與鄰近地區的聯系。從區域的角度考慮生態風險的影響,加強各個城市之間的生態聯系,積極促進京津冀生態一體化。

(3)京津冀城市群綜合高風險對生態環境的影響具有一定的區域性,各個地級市之間的生態環境的變化既有相同之處,也有不同之處,主要表現在各地級市綜合高風險區的重心轉移方向上。根據地級市的生態風險重心,積極調整土地利用結構,加強城市之間的生態凝聚力,發展成為生態環境更加良好的城市群。

本文利用斑塊密度、景觀蔓延度及土地利用類型面積比及其主觀權重對土地利用生態風險定量化評價方法進行了探索與嘗試,還存在一定的不足。土地利用生態風險的影響因素、表征狀態及其影響結果都是十分復雜的,以土地利用數據為基礎,以人類活動所導致的生態風險為主要研究對象的生態風險指數的構建有待進一步研究。