大運河北京段地表覆蓋變化與景觀格局演變

謝文瑄 祝曉坤 張翼然 丁 月 齊景怡

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

舉世聞名的京杭大運河,是世界上開鑿最早、里程最長的人工運河,距今已有2 500多年的歷史。它見證了我國古代漕運與水利工程,承載著文明的交融與傳承,對我國南北地區之間農業、經濟、文化的發展和交流發揮著重要作用[1]。在經歷了隋、唐、元、明、清時期的繁榮之后,大運河在近現代時期走向了衰落,運河地位急劇下降,沿線城市的發展一度停滯不前[2]。隨著2002年南水北調東線工程的實施和2014年“中國大運河”項目成功入選世界文化遺產名錄,運河整體的保護與利用迎來了新的機遇與挑戰[3]。2017年,習近平總書記多次做出重要批示指示,為大運河保護和傳承指明了方向。2019年,《大運河文化保護傳承利用實施規劃》和《北京市大運河文化保護傳承利用五年行動計劃(2018—2022年)》印發,從戰略層面對大運河文化帶建設進行了頂層設計,標志著大運河文化帶建設工作正式開啟了全新的篇章。

北京與京杭大運河關系密切,隋唐時期是中原政權的邊防重鎮,元、明、清時期成為國家首都,是大運河北部的終點城市。大運河北京段橫跨昌平、海淀、西城、東城、朝陽和通州六區(圖1),沿線古閘、古壩、橋梁、碼頭等文物和遺址分布密集、種類豐富、積淀深厚,是文化傳承的重要載體,也是保護工作的重中之重。

然而，長期以來,大運河面臨著遺產保護壓力大、資源環境形勢嚴峻、生態空間擠占嚴重等突出問題和困難[4]。研究地表覆蓋變化,是理解景觀格局演變過程和影響機制的基礎,對于實現資源可持續利用和維持生態平衡具有重要意義[5-6]。當前,地表覆蓋變化分析和景觀格局演變評估等方面的研究方法已較為成熟,學者們在各類區域廣泛開展了相關試驗與探索[5-9],但京杭大運河北京段區域還缺乏此方面的定量分析研究。因此,在北京快速城市化與利益驅動的背景下,及時有效地開展運河生態廊道的動態監測和定量評估,揭示演變特征,對于促進生態環境提升、統籌運河沿線區域社會發展、探索高質發展新路徑,具有一定的理論和實踐意義,也可為運河遺產監測區的保護、規劃和可持續發展提供一定的決策支撐。

1 研究區概況

京杭大運河北京段是我國歷史性通航河道,曾具有與物資運輸、存儲和交易相匹配的設施及功能,在水運、排澇等方面貢獻巨大。由于歷史原因,目前已不具備貨物運輸等運河功能,僅部分河道保留較好,主要作為北京市的排水河道[10-11]。大運河北京段自北向南共包括京密引水渠、南長河、壩河、通惠河(包含玉河故道)和北運河五條主要河道。本文的研究區為運河遺產監測區,即河道中心線向外擴展1 km的緩沖區覆蓋范圍(圖1),處于116°6′50″～116°56′46″E,39°44′49″～40°11′56″N之間,總面積308.3 km2。

圖1 研究區范圍

2 數據與方法

2.1 數據

本文使用的地表覆蓋分類數據分別來自2015、2018和2020年的北京市地理國情監測成果。在地表覆蓋數據的分類體系中,包括種植土地、林草覆蓋、房屋建筑、鐵路與道路、構筑物、人工堆掘地、裸露地表和水域8個地表覆蓋一級類、53個二級類。

2.2 方法

2.2.1地表覆蓋變化分析

基于ArcGIS軟件平臺,對2015、2018和2020年三期地表覆蓋情況進行分類匯總統計、變化程度分析和轉移矩陣分析,分別從變化類型、變化幅度和變化流量的角度全面反映研究區2015—2020年間的地表覆蓋變化情況。其中,地表覆蓋變化動態度可反映某時段某區域內各地表覆蓋類型變化的劇烈程度[12]。

(1)

式中,Ri為某時段內i種地表覆蓋類型的變化動態度;T為時段長度；Ua、Ub分別為起始時點和終止時點某種地表覆蓋類型的面積。

2.2.2景觀格局分析

景觀格局分析是研究區域景觀配置、功能和動態的基礎[5]。景觀指數是能夠高度濃縮景觀格局信息、反映其結構組成和空間配置特征的定量指標[17],是有效評價景觀格局特征的重要手段。本文參考已有研究[5,13-16],基于Fragstats軟件,選取斑塊密度(Patch Density, PD)、景觀形狀指數(Landscape Shape Index, LSI)、和聚集度指數(Aggregation Index, AI)三個指標對研究區2015—2020年間的景觀格局動態進行定量評估。

3 結果與討論

3.1 地表覆蓋變化

3.1.1類型

大運河北京段遺產監測區范圍內,各地表覆蓋類型在2015、2018、2020年的面積占比排序特征基本保持一致(圖2)。其中,林草覆蓋面積最大,2020年有11 368.7 km2,占研究區總面積的36.9%。其次是房屋建筑,占比約23.4%。種植土地、鐵路與道路、構筑物占比均在10%左右。裸露地表面積最小,2020年僅有0.2 km2。

圖2 大運河各年份地表覆蓋類型面積

2015—2020年,研究區地表覆蓋變化明顯,總體呈現出“四降四升”的變化特征(表1)。房屋建筑、構筑物、種植土地和裸露地表面積持續下降,林草覆蓋、鐵路與道路和水域面積持續增加,人工堆掘地先大幅增加、后小幅降低。

3.1.2幅度

2015—2020年,在四個面積增加的地類中,林草覆蓋面積增量最大,共增加了1 459.3 km2,增長動態度為2.9%。其次是人工堆掘地,其面積先增加了978.6 km2,后降低了233.9 km2,總體增長動態度高達11.3%。水域面積占比則由4.8%,逐步增至5.4%,面積增長動態度為2.4%。鐵路與道路面積總體增量最小,從3 114.2 km2增加到了3 270.0 km2,共增加了155.8 km2,增長動態度為1.0%(表1)。

在面積減少的四種地類中,房屋建筑和種植土地面積降幅遠大于構筑物和裸露地表(表1)。其中,房屋建筑降幅最大,從8 523.8 km2降至7 225.7 km2,共減少了1 298.1 km2,區域面積占比總共下降了4.2%。其次是種植土地,面積共減少了999.6 km2,區域占比降低了3.2%,下降動態度為5.9%。裸露地表面積從19.3 km2降至0.2 km2,由于基數小,面積下降動態度高達19.8%,是變化最為劇烈的地類。

表1 遺產監測區各年份地表覆蓋類型面積及占比

3.1.3流量

2015—2020年,各類地表覆蓋類型間變化流量多樣(表2)。其中,裸露地表變化最為劇烈,僅0.8%未發生變化,87.7%轉變成了水域和林草覆蓋。其次,70%以上的人工堆掘地轉變成了林草覆蓋、房屋建筑和構筑物等地類。構筑物和種植土地特征相似,60%左右的面積未發生變化,其余40%左右分別轉變成了林草覆蓋、人工堆掘地和房屋建筑等地類。

表2 2015—2020年地表覆蓋變化轉移矩陣

相反,95.4%的水域未發生改變,僅4.6%轉變成了林草覆蓋、人工堆掘地和構筑物等地類。鐵路與道路與之相似,93.6%未發生變化。房屋建筑中77.8%未發生變化,12.1%轉變成了林草覆蓋,是除構筑物和種植土地以外,林草覆蓋的主要來源。

3.2 景觀格局指數

3.2.1斑塊密度(PD)

斑塊密度表示每百公頃內斑塊的數量,可反映景觀的破碎度和完整性,其值越大、表示破碎化程度越高[17]。如表3所示,林草覆蓋、房屋建筑、鐵路與道路、構筑物的斑塊密度顯著高于其他四種地類,表明其碎化程度遠高于其他地類。

2015—2020年間,人工堆掘地的斑塊密度增幅最大,說明該地類在面積先增加后減少的變化過程中,斑塊不斷增加,破碎化程度持續增強。種植土地的斑塊密度降幅最大,雖然占地面積持續降低,但斑塊密度逐漸降低,表明該地類不斷趨于完整、成片分布。裸露地表和水域的斑塊密度基本保持穩定,變化微小。

3.2.2景觀形狀指數(LSI)

景觀形狀指數主要表示斑塊的規則程度或復雜程度,其值越大,表示形狀越偏離正方形、越不規則、受人類活動干擾的影響越大[17]。如表3所示,鐵路與道路的LSI值在194左右,遠高于其他地類,表明受人類活動影響的程度最大。

表3 研究區2015—2020年景觀指數統計表

2015—2020年,鐵路與道路的LSI值持續降低,但變化幅度不大,表明其形狀逐漸趨于規則。裸露地表的降幅最大,說明其形狀趨于簡單、規則。相反,人工堆掘地的LSI值增加了23.9,表明該地類的形狀變得越來越不規則、受人類活動影響越來越大。水域的LSI值變化幅度微小,景觀復雜程度較為穩定。

3.2.3聚集度指數(AI)

聚集度指數可用于描述景觀中不同斑塊的聚集程度,其值在0～100,當值越大,表示斑塊聚集程度高、趨近于一個整體,其值越小,表明斑塊越分散[16]。該研究區中,種植土地的聚集度指數值最大,說明其聚集度高、空間分布更為集中。鐵路與道路聚集度指數最小,空間分布相對分散。

2015—2020年,裸露地表的聚集度指數值明顯下降,同時其占地面積顯著減少,共同表明該地類的分散程度快速增強。其余地類的聚集度較高,且指數變化幅度不大,在小范圍內呈現增加或降低的趨勢,斑塊聚集程度較為穩定。

4 結束語

本文以中國大運河北京段遺產監測區為例,從類型、幅度、流量三個方面,詳細分析了2015—2020年的地表覆蓋變化特征,同時,對研究區景觀格局動態進行了定量評估。主要得出以下結論:

(1)運河遺產監測區林草覆蓋面積占比最大,房屋建筑、構筑物、種植土地、裸露地表面積持續降低,房屋建筑面積降幅最大,共下降了1 298.2 km2;林草覆蓋、水域、鐵路與道路面積持續增長,林地面積增幅最大,共增加了1 459.4 km2;人工堆掘地的面積先增加后減少,總體呈增加趨勢。裸露地表面積最少,但下降動態度最大,高達19.8%。在地表覆蓋變化過程中,房屋建筑、種植土地、構筑物和人工堆掘地是林草覆蓋的主要來源。林草覆蓋、種植土地和構筑物則是水域的主要來源。

(2)區域景觀格局變化顯著。人工堆掘地的斑塊密度和景觀形狀指數值增幅最大,該地類破碎化程度不斷增加、受人類活動影響越來越大、形狀愈發趨于不規則。種植土地的斑塊密度降幅最大,地類不斷趨于成片化分布。鐵路與道路的形狀指數值遠高于其他地類,其形狀逐漸趨于規則。裸露地表的聚集度指數值下降明顯,該地類分散程度急劇增加。水域的景觀指數值均變化微小,景觀格局穩定。

(3)地表覆蓋變化和景觀格局演變特征符合當前部分施行政策的預期效果。2015—2020年,林草覆蓋、人工堆掘地的增加,房屋建筑、種植土地和裸露地表的減少,均反映出了《北京城市總體規劃(2016—2035年)》中“減量發展”目標、“疏解整治促提升”專項行動中“留白增綠”“拆違騰地”“開墻打洞”等任務和《北京市大運河文化帶保護建設規劃》中保護建設工作實施落地的初步成效。可見政策驅動的人為因素是造成地表覆蓋和景觀格局變化的重要因素之一。在未來城市發展和大運河文化帶規劃建設過程中,應持續重視對大運河及周邊區域的環境保護與綠化,積極減少、控制農業、工業、建筑用地對大運河的破壞程度,加大對林地、水域的保護力度,增設自然景觀,不斷優化大運河遺產監測區的土地利用結構和景觀格局配置,進一步提升城市品質和人居環境。