城市擴張導致京津冀區域生境質量下降

鄧 越,蔣衛國,王文杰,呂金霞,陳 坤

1 北京師范大學地理科學學部, 環境遙感與數字城市北京市重點實驗室,北京 100875 2 北京師范大學地理科學學部, 地表過程與資源生態國家重點實驗室,北京 100875 3 中國環境科學研究院,北京 100012

生境多樣性,作為生物多樣性的重要組成部分,通過確保生態系統功能穩定以及恢復力,從而為人類提供生態福祉[1]。然而,在過去的幾十年中,人類活動已造成大量的生境喪失、生境破碎和生境質量下降等各種不利后果,對人類福祉產生不利影響[2-3]。特別地,城鎮化導致的土地利用變化活動,通過影響物質流、能量流在生境斑塊之間的循環過程,從而改變區域生境分布格局和功能[4]。京津冀區域,作為中國經濟發展的重要核心之一,該地區經歷了快速的城鎮化過程和高強度的土地利用變化,給京津冀地區生態系統帶來了巨大外界壓力,環境惡化不斷加劇, 嚴重威脅區域生境質量,因此,分析京津冀生境質量時空變化特征,對于區域生態安全具有重要作用。

基于生境質量指標體系評估生境質量是常用的方法之一[5-7]。如王強等[5]構建10項指標(如流太、河床底質等)用以評估東河河流生境質量。這類方法一般側重于生境適宜度的評估,而忽視了威脅源的影響[8]。InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)是美國自然資本項目組開發的、用于評估生態系統服務功能量及其經濟價值、支持生態系統管理和決策的一套模型系統[9]。模型集成多種生態系統服務功能評估模塊,如生境質量模型、碳儲量模型等已得到國內外學者的諸多應用[10-21]。InVEST生境質量模型將土地利用/覆蓋圖作為生境,從生境自然屬性和外在威脅導致的生境退化度兩方面計算生境質量得分[9]。Sallustio等[10]基于該模型分析了意大利自然保護區的生境質量變化,表明生境質量高低和保護區的保護等級有一定關系。劉智方等[16]基于該模型評估了福建省2000—2010年生境質量變化情況,表明福建省大部分地區生境質量較高,然而東南沿海地區受建設用地大量擴張的影響而生境質量較低。一些研究者也采用InVEST模型分析京津冀生境變化特征。如陳妍等[8]基于InVEST模型分析1990—2010年北京市生境質量變化情況,表明海淀、朝陽、石景山和豐臺四區, 永定、潮白兩河以及海拔75—100 m左右的平原山區交界地帶的生境質量退化最為嚴重。吳健生等[17]利用InVEST 模型分析了京津冀地區2000—2010年土地利用變化引起的生境質量的時空演變,研究結果2000—2010年,由于景觀結構異質性的減弱和破碎度的提升,京津冀地區東南部和南部生境質量較低、北部和西部較高。

本文在國內外學者研究的基礎上,以京津冀為研究區,利用InVEST 模型,首先在市域尺度上分析京津冀生境質量的時空變化,然后結合景觀指數法,分析不同等級的生境斑塊景觀格局變化特征,以期為京津冀區域未來的生態保護規劃和安全保障研究提供一定的支持。

1 研究區概況

圖1 研究區位置及地貌Fig.1 Location of the study area and its topography

京津冀地區由北京、天津兩個直轄市和河北省下轄11地級市(保定、承德、滄州、邯鄲、衡水、廊坊、秦皇島、石家莊、唐山、邢臺、張家口)組成(圖1)。該區地處中國華北平原,其高程范圍約為-52—2836 m,具有東南低、西北高空間分布特點。京津冀氣候屬典型的溫帶半濕潤半干旱季風氣候,主要特征表現為春秋干旱多風,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥[19]。根據統計數據,從2005—2015年,京津冀地區經濟取得迅速發展,其地區生產總值從2005年20771.5億元上升至2015年69867.9億元,約增長3.4倍。其中, 2015 年北京、天津、河北生產總值分別占32.9%、23.7%和43.4%(圖2)。

2 數據和方法

2.1 數據來源

研究搜集了京津冀2005年和2015年兩期100 m空間分辨率土地利用數據。數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)。100 m空間分辨率數據可以避免碎小生境的存在。根據研究需要,在ArcGIS中將土地利用類型歸并為耕地、林地、草地、水體、城鎮用地、農村住宅用地、工礦建設用地以及未利用地等8種類型。主要公路和鐵路數據等矢量數據來源于1∶400萬國家基礎地理信息數據庫(http://www.cehui8.com/3S/GIS/20130702/205.html)。

圖2 2005—2015年京津冀GDP增長Fig.2 The increase of GDP in the Beijing-Tianjin-Hebei Area from 2005 to 2015

2.2 生境質量模型

InVEST生境質量模型將土地利用/覆蓋圖作為生境,從生境自然屬性和外在威脅導致的生境退化度兩方面計算生境質量得分[9]。生境退化度計算如下式所示:

(1)

(2)

式中,Dxj表示生境類型j中第x個生境像元的生境退化度。r為生境的威脅源;y為威脅源r中的柵格。dxy為生境的x像元與威脅源的y像元的距離。wr和drmax則分別作為為威脅源r的權重和最大影響范圍。βx表示地方保護政策等影響,本研究中暫未考慮。Sjr表示每種生境對不同威脅源的相對敏感程度。

除了考慮外界脅迫造成的生境退化,生境質量計算還需要考慮生境自然屬性。生境質量得分計算如下式所示:

(3)

式中,Qxj表示生境類型j中第x個生境像元的生境質量得分;Hj表示生境類型j的生境適宜度,當不考慮具體物種的生境情況下,H值為二變量值(1:生境;0:非生境)。z和k采用模型默認參數,分別為2.5和0.5。

城鎮用地、農村住宅用地、工礦建設用地人類活動劇烈,而未利用地生態環境惡劣,因此將其作為非生境,其他用地類型,如耕地、林地、草地和水域等則作為生境[8,16-18]。InVEST生境質量模型中需要輸入的威脅源參數信息和生境敏感性參數信息,則根據相關研究[8,17],進行設定。表1展示了本研究選定的生境威脅源及其最大影響距離和權重,表2展示了不同生境的生境適宜度及對不同威脅源的敏感程度。

表1 威脅源及其最大影響距離和權重

表2 生境對各威脅源的敏感性

2.3 景觀指數法

城鎮化進程不僅影響生境質量程度,同樣影響其生境斑塊的景觀格局。因此研究相關選擇景觀格局指數,從類型水平和景觀水平兩種尺度,分析生境斑塊的景觀格局變化特征。選擇的景觀指數有斑塊數量 (Number of Patches, NP) 、 斑塊密度 (Patch Density,PD),平均斑塊面積(Mean of Patch Area,Area_MN) 、最大斑塊指數(Largest Patch Index,LPI)、 凝聚度指數(Cohesion Index,COHESION)和蔓延度指數 (Contag Index,CONTAG)[17,22]。具體計算則在Fragstats 4.2 軟件完成。

3 結果

3.1 京津冀生境面積變化

研究首先統計了2005—2015年京津冀區域內生境面積變化特征,其結果如表3所示。2005年,京津冀生境面積191297.8 km2,其中耕地生境面積107222.6 km2, 林地生境面積43760.6 km2,草地生境面積34443.6 km2,水域生境面積5871.0 km2。2015年,京津冀生境面積總共減少了7134.2 km2,占2005年生境面積的3.7%。從不同生境類型看,耕地、草地和水域生境面積分別減少5081.0、1695.1、421.6 km2,分別占對應類型生境面積的4.7%,4.9%和7.2%。與此同時,林地生境面積增加63.6 km2。從不同市級區劃來看,北京、保定、石家莊、邢臺等四市生境損失較為嚴重,生境損失面積分別達1007.2、1002.7、924.9 km2、以及955.8 km2,分別占京津冀生境損失的14.1%、14.0%、13.0%和13.4%。其中,耕地生境損失為主要損失源。

表3 2005—2015年京津冀區域生境面積變化/km2

3.2 京津冀生境質量時序變化

2005—2015年京津冀地區總體生境質量變化如圖3所示。從2005—2015年,京津冀生境質量總體呈下降趨勢,其生境質量平均得分從0.88降至0.83,下降5.69%。2005年,北京、天津、唐山以及廊坊等四市生境質量較低,均低于0.80。至2015年,四市生境質量更是降低至0.70左右。保定、邯鄲、石家莊以及邢臺等四市生境質量下降幅度同樣較為明顯。2005年,四市生境質量分別約為0.87、0.85、0.87以及0.88。至2015年,四市生境質量分別約為0.80、0.77、0.77以及0.78。與此同時,承德,秦皇島以及張家口等三市生境質量較高,其下降程度也較低。

圖3 京津冀地區生境質量變化(2005—2015)Fig.3 Habitat quality changes in the Beijing-Tianjin-Hebei area from 2005—2015

研究分析了京津冀區域內耕地、林地、草地、水域生境質量變化情況,結果如表4所示。整體上看,京津冀區內林地和草地生境質量最高,水域生境質量次之,耕地生境質量最低。從下降程度看,耕地生境質量下降最為嚴重,為0.025;其次為水域生境,下降0.006。林地和草地生境質量下降幅度分別為0.002和0.003。從不同城市看,2005—2015年,北京市耕地生境質量最低,下降程度也較高。2005年和2015年,北京市耕地生境質量分別為0.871和0.806,下降0.065。其次保定市耕地生境質量變化也較為明顯,2005和2015年分別為0.923和0.868,下降0.055。廊坊市林地生境質量相對較低,且下降程度最為嚴重,下降幅度達0.027。然而衡水市林地生境質量有所提高,提高幅度達0.021。滄州市由于草地生境喪失,因此草地生境損失最為嚴重。此外,可以發現滄州市水域生境質量增加0.013。另外,廊坊、北京和唐山水域生境質量下降最為嚴重,三者分別達0.037、0.018和0.017。

表4 津冀地區不同生境類型質量變化(2005—2015)

3.3 京津冀生境質量空間變化

京津冀生境質量整體較高。為突出兩時段的生境變化格局,將京津冀生境質量按0.6,0.7,0.8,0.9等間距為閾值,分級展示京津冀生境質量空間分布,結果如圖4所示?？偟恼f來,京津冀生境質量空間分布呈現出明顯的空間分布特征。東南部和南部生境質量較低,而北部和西北部生境質量較高。從2005—2015年,京津冀生境質量退化的空間格局同樣呈現出東南部和南部退化較為嚴重,而北部西北部退化較為輕微的空間特征,并且生境質量下降嚴重的區域主要沿著北京-保定-石家莊-邢臺-邯鄲軸線。在2005年,生境質量位于0.6—0.8的斑塊主要沿著北京-廊坊-唐山軸線。至2015年,該類生境斑塊出現在天津、保定、石家莊、邢臺等地。另外,從圖3可以發現,2005—2015年,生境質量位于0.9—1的斑塊大部分轉換為0.8—0.9的生境斑塊。

根據上文生境質量分級情況,分析不同生境質量等級內的景觀格局變化特征,類型水平上的景觀指數變化如圖5所示。京津冀區內的生境斑塊NP和PD指數呈上升趨勢,表明京津冀生境斑塊破碎度劇,尤其對于生境質量位于0.8—1的生境斑塊,其破碎度最為嚴重。從LPI指數看,生境質量位于0.7—0.8以及0.9—1的生境斑塊呈下降趨勢,而其他等級的生境斑塊呈上升趨勢。從AREA_MN指數看,生境質量位于0—0.8的斑塊呈現下降趨勢。從COHESION指數分析,生境質量位于0—0.7斑塊呈現明顯上升趨勢。另外,生境質量位于0.8—0.9的生境斑塊也存在輕微的上升趨勢。景觀水平分析結果如圖6所示。從2005—2015年,NP和PD增加,而LPI,AREA_MN和CONTAGE呈下降,表明受京津冀區域發展影響,京津冀生境斑塊景觀破碎度加劇。

圖4 京津冀生境質量空間分布 ((1)北京、(2)保定、(3)石家莊)Fig.4 Spatial distribution of habitat quality in the Beijing-Tianjin-Hebei area ((1) Beijing, (2) Baoding, (3) Shijiazhuang)

圖5 類型水平景觀指數變化Fig.5 Landscape index changes on class metric

圖6 景觀格局指數計算結果Fig.6 The calculation results of landscape pattern index

4 討論

京津冀生境類型的空間分布差異決定了生境質量的空間差異。京津冀西北和北部地形以山區為主,生境類型以林地為主,因此不易受人類活動影響。此外,受“退耕還林”政策影響,京津冀林地生境面積從2005年到2015年增長63.6 km2,因此,該區域林地生境質量較高,如承德,張家口等市。京津冀南部和東南部地形以平原為主,生境類型以耕地為主。而隨著經濟發展,人口增加、城市擴張等因素,京津冀耕地生境損失最為嚴重,約2295.05 km2耕地轉換為城鎮用地,而新擴張的城鎮用地等威脅源又對鄰近耕地生境產生脅迫。因此,耕地生境質量下降程度最為嚴重。

區域經濟發展的不平衡同樣影響生境質量空間變化分布差異。2005年,京津冀生境質量較低區域主要位于北京、天津、廊坊、唐山、石家莊等市。從圖2可以看出,這些城市都具有相對較高的GDP。而到2015年,保定、邯鄲和邢臺等地經濟有較快的發展。經濟的發展也相應的對基礎設施建設、工業、居住用地的需求增加,導致生境喪失,生境質量受到降低。而衡水、秦皇島等市經濟發展稍慢,因此,生境質量受損較為輕微。因此,從2005—2015年,生境質量下降嚴重的區域主要沿著北京-保定-石家莊-邢臺-邯鄲。滄州GDP增長也較為明顯,但滄州水域生境面積從2005年到2015年增長近329.9 km2,且主要來源于沿海區域工礦建設用地轉換,因此,滄州生境質量有所好轉。

京津冀生境質量退化受威脅源的影響,主要表現為城市擴張侵占原有生境,形成新的威脅源,造成生境面積和質量下降,如圖7所示。除了生境面積和質量下降外,城鎮擴張影響生境斑塊的景觀格局。對于高生境質量斑塊,趨向于破碎;而對于低生境斑塊,卻趨向于集聚。整體上,生境斑塊破碎度增加。生境破碎度增加,意味生境穩定性下降,對于生態安全具有重大消極影響。

圖7 京津冀地區生境類型轉換(2005—2015)Fig.7 Habitat type transformation in the Beijing-Tianjin-Hebei area

京津冀生境質量總體上較好。然而其生境喪失、生境質量下降以及生境破碎程度加劇等問題仍然明顯。未來的區域規劃中,需重點優化耕地、林地和建設用地等景觀格局,在保持合理的經濟增長基礎上加強耕地、林地和濕地保護。對于雄安新區等重點規劃區域,嚴控生態紅線,保證生境質量,從而促進京津冀整體經濟與生態保護的協調發展,保障京津冀生態安全。京津冀區域作為中國城市發展最為迅速區域之一,其面對的生態環境壓力尤為突出。本研究采用InVEST模型中生境質量模塊評估京津冀生境質量變化格局,具有簡單、空間明確等優點,可為其他地區開展類似工作提供參考。然而關于模型輸入參數如威脅源的影響范圍和權重,以及生境敏感性等參數,具有主觀性。而目前,尚沒有統一的方法設定參數,因此,在一定程度上影響生境質量評估。另外,城鎮化進程不僅僅影響生境質量,更是影響多種生態系統服務,如碳儲量、水產量等。InVEST模型集成了多種生態系統服務評估模型,未來可考慮基于該模型分析京津冀城市擴張導致的綜合生態系統服務變化,為京津冀生態安全保障提供支持。

5 結論

本研究基于InVEST 生境質量模型,評估了京津冀區域2005—2015年生境質量時空變化格局,主要研究結論如下:1)2005—2015年,京津冀生境面積減少7134.2 km2,占2005年生境面積的3.7%。耕地、草地和水域生境面積分別減少5081.0,1695.1 km2和421.6 km2,分別占對應類型生境面積的4.7%,4.9%和7.2%。2)京津冀生境質量下降,其生境質量平均得分從0.88降至0.83,下降5.69%。耕地生境質量下降最為嚴重,其次為水域生境質量。3)生境質量下降區域主要沿著北京-保定-石家莊-邢臺-邯鄲等經濟發展迅速的區域分布,并且主要表現為城市擴張侵占原有生境。4)京津冀高生境質量斑塊破碎度增加,低生境質量斑塊集聚程度增加,整體上生境斑塊破碎度增加。京津冀區域通過城市擴張等侵占原有大量生境,一方面造成生境面積的減少,另一方面則造成生境質量的下降和生境景觀的破碎化,對于生物多樣性的保護具有消極的影響,未來的區域發展規劃應當兼顧生境質量的維持和生物多樣性的保護。