2017, Vol. 37文章信息
- 付刚, 肖能文, 乔梦萍, 齐月, 闫冰, 刘高慧, 高晓奇, 李俊生
- FU Gang, XIAO Nengwen, QIAO Mengping, QI Yue, YAN Bing, LIU Gaohui, GAO Xiaoqi, LI Junsheng.
- 北京市近二十年景观破碎化格局的时空变化
- Spatial-temporal changes of landscape fragmentation patterns in Beijing in the last two decades
- 生态学报. 2017, 37(8): 2551-2562
- Acta Ecologica Sinica. 2017, 37(8): 2551-2562
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201510232141
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文章历史
- 收稿日期: 2015-10-23
- 网络出版日期: 2016-10-19
2. 中国环境科学研究院, 北京 100012
2. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
人类各种社会活动的加剧对土地覆盖和景观格局产生了剧烈的影响[1]。随着城市化进程的加快, 尤其是城市的无序化发展, 城市和城市附近的景观呈现出“高度破碎化”和“景观空间异质性显著”的特征[2], 致使原本自然景观由连续的地带性分布变为不连续的混合斑块镶嵌体, 造成自然生境破碎、乃至生物栖息地丧失, 严重影响城市生物多样性[3], 不利于城镇化的可持续发展[4]。目前我国正处于城镇化进程中, 城市扩张所引起的土地覆盖/土地利用方式的改变, 会引发景观格局的强烈变动[5], 生物生境也因城市化而呈现高度的破碎性[6], 城市景观破碎化格局能反映出生物生境和廊道的质量状况[7]、进而影响生物多样性格局[8-9]和生态系统服务[10]。因此, 进行城市破碎化格局的时空演变分析, 有助于城市生物多样性的保护和生态城市的建设[11-12]。
破碎化是城市化进程中景观格局演变的重要特征[13], 国内外学者发展了大量的景观指数进行定量表征[14-15], 马克明、傅伯杰等也对北京部分地区的破碎化格局进行了研究[16-17], 在另外一些的北京市景观格局的研究中也涉及了破碎化的内容[18-21], 但这些研究多数未能以破碎化为核心主题进行重点分析, 尤其对于破碎化格局的格局特征缺乏梳理, 本文在以往研究的基础上, 基于多时相遥感数据的两级景观类型分类数据, 结合移动窗口法和空间主成分分析法方法, 定量探讨快速城市化背景下北京市景观破碎化的时空特征, 揭示其时空演变规律。
1 研究区概况北京市位于华北平原北部, 地跨115°25′—117°30′E, 39°28′—41°05′N, 总面积16410.54 km2, 平均海拔43.5 m, 其中最高海拔达2303 m, 最低海拔仅10 m, 地势为西北高, 东南低, 西部和北部分属太行山山脉和燕山山脉, 东南部属华北平原；气候属于暖温带半湿润大陆性季风气候, 多年平均气温约12.3 ℃, 多年平均降雨400—600 mm, 适合暖温带地带性生物生存繁衍。北京市作为中国的首都, 也是一座国际化的大都市, 根据中国统计年鉴, 截止到2012年北京市城区面积扩大到12187 km2, 北京市常住人口从1456.4万人增加至2013年的2114.8万人, GDP总量也从2003年的5007.21亿元增长到2013年的19500.6亿元。
2 研究方法 2.1 数据来源和处理遥感数据源为北京市1993年、2003年和2013年3个时段的Landsat-TM/ETM卫星遥感影像, 利用ENVI5.0进行图像预处理, 根据我国多个遥感监测土地利用/覆盖分类体系的《土地利用现状分类GB/T 21010—2007》和欧阳志云等人的对全国生态系统分类体系[22]并结合北京地区的特点, 依据自然属性和人为利用方式将土地覆盖类型划分为6个一级景观类型：耕地、林地、草地、水域和湿地、建设用地和未利用地, 以及19个二级景观类型。抽取150个检验点对3期遥感影像的分类结果进行精度检验, 其Kappa系数都达到了0.80以上 (表 1), 符合研究要求。
| 年份Year | 1993 | 2003 | 2013 |
| 总精度Total accuracy/% | 84.000 | 84.667 | 83.333 |
| Kappa系数Kappa coefficient | 0.807 | 0.817 | 0.801 |
为了衡量北京市20 a来的景观格局变化情况, 选取以下几个景观指数：斑块数量 (NP)、平均斑块面积、景观形状指数 (LSI)、连接度指数 (CONNECT)、分离度指数 (DIVISON)、聚合度指数 (AI) 和Shannon`s多样性指数 (SHDI)[23]。
2.3 空间主成分分析法空间主成分分析是在地理信息系统中, 通过空间坐标轴的旋转, 将各空间的多变量数据转换为少数几个综合指标[24], 并给出各新主成分及其贡献率。利用空间主成分分析能够高度保留空间信息[25], 由于每个空间变量为空间二维栅格矩阵数据, 所以空间主成分分析法常在ArcGIS等空间数据计算平台中进行分析。
2.4 景观破碎化指标采用移动窗口空间分析法研究北京全市的景观空间分布格局, 研究表明当移动窗口为2 km×2 km时能更好的反映出城市景观破碎格局的情况[26], 利用Fragstates 3.4的移动窗口模块, 建立2 km×2 km的矩形窗口, 以窗口为基本分析单元, 将计算得到景观指数赋予窗口中心栅格, 并从影像图像的左上方栅格依次移动窗口进行计算得到景观指数空间分布格局[27]。
在ArcGIS 10.0平台下, 选取4个能反映出景观破碎方面的指标：景观聚合度 (AI) 指数、景观分离度 (DIVISION) 指数、景观斑块密度 (PD) 指数和景观丰富度 (PRD) 指数, 分别利用移动窗口法计算其景观一级和二级分类类型数据下的景观指数, 并将各景观指数进行无量纲标准归一化处理, 然后利用空间主成分分析法将各时间段的8个数据进行空间主成分计算主成分及贡献度, 选择累积贡献度大于97%的主成分, 并按各空间主成分的权重, 在ArcGIS 10.0的加权总和模块中合成各期景观破碎度, 之后将其进行极差法标准化处理, 得到北京市破碎度指数。并以此数据为基础, 在ArcGIS 10.0中计算得到不同时间阶段的景观破碎化格局的变化幅度数据。
以北京中轴线和长安街交点为中心点, 建立8个方向的4条样线, 分析景观破碎化的时空演变关系。建立覆盖北京全市的空间网点矩阵 (点间隔为1 km, 共15327个点), 提取景观数据至网点矩阵中, 然后利用ArcGIS10.0的空间分析模块和SPSS20分析景观指数的空间关系。
3 结果与分析 3.1 北京市土地覆盖和景观指数的时空变化特征由图 1、表 2可知, 20 a间北京市发生显著的城市化现象, 核心城市规模扩大, 建设用地显著增加, 耕地大幅减少, 其中, 建设用地面积增加1000.8 km2, 增加了47.14%；耕地和建设用地的变化程度最大, 草地和未利用土地面积变化不大, 其中林地面积减少了169.79 km2, 减少1.73%；水域和湿地减少幅度最大, 减少了125.38 km2, 减少24.14%；耕地面积减少了787.93 km2, 减少21.86%。
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| 图 1 北京市一级景观类型分布格局 Fig. 1 Distribution patterns of first grade landscape classes in Beijing City |
| 年份 Year |
耕地/km2 Farmland |
林地/km2 Woodland |
草地/km2 Grassland |
水域和湿地/km2 Waters and Wetlands |
建设用地/km2 Construction Land |
未利用土地/km2 Unutilized Land |
| 1993 | 3605.02 | 9788.82 | 332.49 | 519.2 | 2123 | 48.71 |
| 2003 | 3105.23 | 9630.64 | 276.11 | 408.57 | 2920.44 | 76.23 |
| 2013 | 2816.92 | 9619.09 | 409.03 | 393.86 | 3123.85 | 54.49 |
北京市一级景观类型的土地覆盖转移矩阵 (表 3), 显示：1993—2003年498 km2的耕地转变为建设用地, 而同期10.96%的水域和湿地转变为耕地；2003—2013年建设用地的土地增加依旧显著, 其中耕地和林地转为建设用地的土地面积最大, 分别为194、64.689 km2。结合景观类型分布图 (图 1), 20年间城郊地区的耕地成片转为建设用地, 密云水库的周边湿地和水域大幅转为耕地, 且前10 a的变化幅度大于后10 a。总体而言, 北京市快速城市化过程中在土地利用和景观覆盖上主要变化是城郊耕地转变为建设用地, 湿地转变为耕地和建设用地, 建设用地快速持续扩张。
| 年份 Year |
景观类型/km2 Landscape types |
耕地/km2 Farmland |
林地/km2 Woodland |
草地/km2 Grassland |
水域和湿地/km2 Waters and wetlands |
建设用地/km2 Construction land |
未利用地/km2 Unutilized land |
| 1993—2003 | 耕地 | 3038.133 | 28.599 | 21.783 | 12.281 | 498.000 | 5.531 |
| 林地 | 2.169 | 9572.703 | 9.684 | 5.148 | 194.926 | 4.705 | |
| 草地 | 0.294 | 1.264 | 220.401 | 8.183 | 89.449 | 13.188 | |
| 水域和湿地 | 56.887 | 21.114 | 17.294 | 381.789 | 35.674 | 6.513 | |
| 建设用地 | 7.021 | 7.320 | 5.437 | 1.005 | 2102.072 | 0.087 | |
| 未利用地 | 0.110 | 0.325 | 1.854 | 0.215 | 0.000 | 46.170 | |
| 2003—2013 | 耕地 | 2791.108 | 53.341 | 55.171 | 6.335 | 194.796 | 3.863 |
| 林地 | 8.129 | 9542.888 | 11.488 | 2.310 | 64.689 | 1.821 | |
| 草地 | 2.268 | 1.624 | 234.838 | 9.526 | 26.636 | 1.562 | |
| 水域和湿地 | 7.413 | 4.882 | 10.945 | 364.006 | 19.705 | 1.670 | |
| 建设用地 | 6.686 | 14.873 | 79.335 | 1.999 | 2816.159 | 1.068 | |
| 未利用地 | 0.791 | 1.939 | 17.499 | 9.720 | 1.754 | 44.492 |
表 4显示：全市斑块总数增加了15.26%；景观形状指数 (LSI) 也从88.426增加到98.897；景观斑块的平均面积缩小了15.35%；景观斑块之间的连接性降低等, 说明北京市景观格局呈现破碎化发展的趋势。
| 年份 Year |
斑块数量/个 NP (Number of Patches) |
平均斑块面积/km2 AREA (Mean Patch Area) |
景观形状指数 LSI (Landscape Shape Index) |
连接度指数 CONNECT (Connect Index) |
分离度指数 DIVISION (Division Index) |
聚合度指数 AI (Aggregation Index) |
Shannon′s多样性指数 SHDI (Shannon′s Diversity Index) |
| 1993 | 20986 | 0.782 | 88.426 | 0.1316 | 0.791 | 95.967 | 1.111 |
| 2003 | 22482 | 0.730 | 92.455 | 0.1298 | 0.790 | 95.778 | 1.121 |
| 2013 | 24765 | 0.662 | 98.897 | 0.1271 | 0.796 | 95.476 | 1.131 |
利用ArcGIS 10.0的空间主成分分析法得到的8个景观指标的主成分结果如下 (表 5)。
| 年份Year | 主成分PC Layer | PC 1 | PC 2 | PC 3 | PC 4 | PC 5 |
| 1993 | 特征值 | 0.1155 | 0.01987 | 0.0111 | 0.0059 | 0.0023 |
| 特征值比值/% | 73.08 | 12.575 | 7.023 | 3.67 | 1.466 | |
| 权重/% | 74.692 | 12.852 | 7.178 | 3.751 | 1.498 | |
| 2003 | 特征值 | 0.1546 | 0.0177 | 0.0011 | 0.0005 | 0.0002 |
| 特征值比值/% | 81.401 | 9.323 | 5.695 | 2.644 | 0.9368 | |
| 权重/% | 81.401 | 9.323 | 5.695 | 2.644 | 0.9368 | |
| 2013 | 特征值 | 0.2017 | 0.02 | 0.0065 | 0.0019 | 0 |
| 特征值比值/% | 87.659 | 8.694 | 2.829 | 0.818 | 0 | |
| 权重/% | 87.659 | 8.694 | 2.829 | 0.818 | 0 |
1993—2013年3期北京市景观破碎度指数的空间分布格局 (图 2) 显示：北京市景观破碎度最大区域主要位于中心城区的城郊, 北京市西、北部山区的景观破碎度较低；1993-2013年山区林地和核心大城区的景观破碎度呈现降低趋势。从整体上看, 北京市景观破碎化格局空间异质性和复杂性较高。
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| 图 2 北京市景观破碎度指数空间分布格局 Fig. 2 Spatial patterns distribution of landscape fragmentation index in Beijing City |
另外, 景观破碎度的时间变化上显示 (图 3)：20 a间北京核心城市区域内景观破碎度指数降低, 而城郊交错区的景观破碎化加剧；密云水库周边区域景观破碎度指数大幅增加, 其变化可能是由于湿地衰退和耕地入侵所致；山区林地的景观破碎度降低, 说明北京的林地恢复工作取得了积极进展, 但也说明山区林地二级景观类型可能趋于单一化。从时间序列来看, 北京市的景观破碎度变化趋势在时间阶段上也明显表现出不同的变化特征, 景观破碎度变化幅度上前10年大于后10年, 且后一个阶段的变化主要是位于新兴城镇和交通道路枢纽附近。
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| 图 3 北京市景观破碎度指数时空变化格局 Fig. 3 The variation of landscape fragmentation index on temporal and spatial in Beijing City |
将北京市景观破碎度指数等比例划分为5个等级进行面积统计 (表 4), 从中发现：破碎化程度位于等级两端的极低、高和极高程度区域的面积大幅增加, 而中度和低度破碎化程度区域的面积连续降低, 说明北京市景观破碎化格局分化, 破碎化正在向两端发展, 表现出“两极化”发展的趋势。
由表 2和图 4显示：北京市耕地总面积减少, 但耕地内各破碎化程度等级的比例变化较小；林地的极低破碎化程度类型占比增加；草地20年间变化转折最大, 前10年草地面积减少21.62%, 而后10年又增加了78.09%, 但在破碎化程度等级上草地表现出持续的两极化现象；水域和湿地表现出的破碎化增大的趋势；而建设用地的破碎化程度等级占比的变化幅度较小。
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| 图 4 各景观类型的不同破碎化程度等级面积比 Fig. 4 Area percentage of different landscape types on five fragmentation degrees |
| 年份Year | 极低Very low/% | 低Low/% | 中Moderate/% | 高High/% | 极高Very High/% |
| 1993 | 17.64 | 27.86 | 31.19 | 22.22 | 1.09 |
| 2003 | 25.86 | 24.45 | 28.14 | 20.67 | 0.87 |
| 2013 | 31.13 | 19.48 | 23.52 | 23.55 | 2.33 |
利用样线分析破碎化格局的方向性差异, 图 5、图 6显示：中心点的东南、西北方向上在30 km时其破碎度最高, 其余方向方均在距离20 km时破碎度水平及其变化幅度最大, 总体上北京市破碎化的空间格局上在方向上变化不明显, 没有表现出方向性偏好。
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| 图 5 样线上的破碎度指数变化情况 Fig. 5 The changes of fragmentation index on sample lines |
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| 图 6 样线上的破碎度指数变化幅度 Fig. 6 The variation ranges of fragmentation index on sample lines |
如图 7所示, 北京市近城郊区域内 (距离城市中心点55 km内) 随距离的增加破碎度均值先增加后减小。同时图 8、表 7进一步显示其为倒“U”型二次函数关系, 城郊交错区 (距离城市中心点20—35 km范围内) 景观破碎度最高, 且最高点区域具有外延趋势。
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| 图 7 破碎度指数与到城市中心点的距离关系 Fig. 7 The relationships between fragmentation index and distance to the center of the city |
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| 图 8 到中心点的距离与景观破碎度指数关系的二次函数拟合示意图 (均值±标准误) Fig. 8 The quadratic functions about relationships between fragmentation index and distance |
| 年份Year | 回归模型The regression models | 决定系数R2 | F值 | 显著性Sig. |
| 1993 | Y1=0.3147+0.01905X1-0.0003566X12 | 0.938 | 91.16 | 0.000 |
| 2003 | Y2=0.2322+0.0233X2-0.0004199X22 | 0.956 | 133.93 | 0.000 |
| 2013 | Y3=0.1767+0.02898X3-0.0005167X32 | 0.967 | 188.46 | 0.000 |
当前, 国内外对景观破碎化的研究主要利用景观指数模型结合空间遥感技术, 进行区域景观破碎化格局的分析[28], 近年来基于多时相的遥感影像研究景观格局的动态变化及模型构建[29-31]的方法取得了良好的效果, 但对破碎化的研究缺乏较统一的计量方法[32], 以往多数是采用景观指数的方法对研究区进行整体性的定量描述[33], 而对景观破碎化的空间格局研究较少。目前, 景观破碎化格局研究方法主要有：从形态学的角度研究破碎化过程的方法[34]；基于有效网格评估[35]及网格连通性[36]的方法；采用核密度估算与移动窗口法的基于路网格局的方法[37]；基于景观镶嵌度指数的森林破碎度动态模拟[38]；以及在城市化背景下的基于斑块密度[39]形状指数等景观指数[40-42]的方法。本文综合多种空间分析方法, 尤其是结合景观指数法和移动窗口法的优点, 使用多期时间序列遥感影像的两级景观分类体系获得的景观破碎度指标, 其较高的空间精度能够满足空间格局和时间序列的变化特征研究。
景观格局指数可以定量反映其结构组成与空间分布的特征和景观格局的时空变化[43], 目前景观格局指数很多, 本文的景观破碎指标主要选取了景观聚合度 (AI) 指数、景观分离度 (DIVISION) 指数、景观斑块密度 (PD) 指数和景观丰富度 (PRD) 指数4个指标, 这4个指数在一、二级景观类型数据间的相关性系数分别为：0.286、0.354、0.708和0.886, 能分别体现两级数据间的差异性和相关性, 也能反映景观破碎化格局状况[30, 44-46], 且在2 km半径的移动窗口尺度下的空间连续性较好[47-48], 利于空间数据的计算、分析。
全市的景观格局和土地覆盖上的最显著变化为：耕地面积大幅减少, 建设用地面积快速增加, 这与此前北京市景观格局的研究是一致的[19-20], 近20 a来北京市进入快速城市化发展阶段, 城市扩张, 引起景观格局的剧烈改变[49], 其中最显著的变化是景观破碎化增加, 本文中图 1、表 3也显示出自然、农田等连续的景观类型被建设用地等人工设施替代, 且这些区域的景观破碎度提高, 因此本文认为在城郊区域建设用地增加是导致城市景观破碎化增加的主要因素, 但同时城区建设用地的增加致使高度城市化区域的景观同质化, 建设用地增加也是城区景观破碎化减小的主要原因, 说明在不同城市化梯度下的建设用地对景观破碎度的影响也是不同的。从全市的时空过程看, 北京市破碎化格局的显著特点是区域间异质性增强和破碎化两极化趋势, 具有明显的区位特征, 山地林区和核心城区出现明显的单一化趋势, 而城郊地区的破碎化异质性增强, 有研究表明景观类型和土地覆盖结构的改变是造成区域景观破碎化格局改变的直接原因[50], 其中山地林区破碎度降低有可能是人工林的单一化造成的[51]。
空间分布上, 部分区域的破碎化的空间格局具有明显的点带状分布的特征, 这可能是受道路的影响[52-53], 说明道路对破碎化也具有一定的影响。同时图 5、图 6显示出北京市景观破碎化格局在平原地区没有方向性偏好, 这与其城市化的扩张呈现“摊大饼式”[54]在地理格局上是一致的, 可以认为北京市景观破碎化的背后驱动因子是城市化, 也说明在城市扩张的距离效应对破碎化格局影响较大, 破碎化与距离的变化特征表现出北京的城市发展的“层圈结构”, 经分析表明在距离城市中心点20—35 km范围的城郊交错区景观破碎度指数最高, 而这一区域又是城市核心区和郊区生态区的关键区域[7], 景观格局的破碎化, 造成生境碎片化, 进而影响到生物多样性的保护工作, 所以这一区域应该是此后生态防护的重点区域[55]。
4.2 结论利用移动窗口法和空间主成分分析法可以得到的能够反映景观破碎化程度的综合综合指标, 而且基于两级景观分类数据得到的破碎化指标, 能充分表现出一级景观内部的差异性和二级景观间的相关性, 同时本方法还可以根据研究目标, 选择不同的尺度和指标组合, 具有良好的综合性和适应性, 能够准确的反映区域的破碎化时空格局状况, 可以应用在破碎化格局等的研究方面。
(1) 从1993年至2013年北京市正经历快速城市化过程, 其中, 最显著变化为城区快速扩展, 建设用地大幅增加, 20 a间建设用地面积增加1000.8 km2, 增长47.14%, 耕地面积减少21.86%, 且建设用地的增加主要来源于耕地和林地；从空间格局上看, 北京市城市化呈现以主城区为核心向外扩展的“摊大饼”模式。在快速发展阶段中北京市景观结构和格局也发生了较大变化, 出现明显的破碎化趋势, 景观斑块数从20986个增加到24765个, 增加15.26%, 而景观斑块的平均面积减小15.35%。
(2) 北京市的景观破碎化格局在时间上表现为破碎化加剧的趋势, 20 a间密云水库库区和通州区西部的景观破碎度增加幅度最大；同时在空间上呈现高度的区位特征, 不同区域的差异性较大, 具有明显的异质性和复杂性, 主要表现为：北京市景观破碎化格局呈现“两极化”的发展趋势, 核心城区和山地林区的景观破碎度持续降低, 新兴城区和城郊区域景观破碎度增大, 同时低破碎化区域和高破碎化区域的面积持续扩大。从整体的分布格局上看, 北京市景观破碎度大小主要受建设用地的影响, 即城市化是导致北京市景观格局时空变化的主要因素。
(3) 北京的景观破碎化格局的时空变化在平原区域没有明显的方向性偏好, 但却具有明显的距离效应, 景观破碎度指数与到城市中心点的距离呈现显著的倒“U”型函数关系, 其中, 2013年的破碎度距离函数为：Y3=0.1767+0.02898X3-0.0005167X32。同时, 其破碎化格局体现出北京的城市发展的“层圈结构”模式, 老城区破碎度降低, 建设用地平均斑块面积增加, 而新兴城区破碎化程度较高, 在城市扩展区, 尤其是20—35 km处的景观破碎度化程度最大。
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