京津冀城市群土地利用/覆被時空格局變化

楊 浩

(1.北京市社會科學院，北京100871； 2.北京大學經濟學院，北京 100101)

土地利用/覆被變化(land use and land cover change，LUCC)作為聯系地球系統四大圈層(大氣圈、水圈、生物圈與巖石圈)的關鍵紐帶，被認為是全球環境變化的重要組成部分和主要影響因素[1]。近年來，伴隨城鎮化和工業化進程的持續推進所帶來的人類活動范圍的無限制擴大使得土地資源特別是城市土地資源的供需矛盾不斷惡化。同時，無序的基礎設施建設與房地產開發等生產建設活動導致用地結構不合理行為，加劇了土地利用/覆被狀況的改變，嚴重制約了區域生態環境的健康和可持續發展。2015年國家發改委、環境部發布的《京津冀區域協同發展生態環境保護規劃》明確指出：“京津冀城市群生態保障能力不足，主要體現在生態空間總量不足、生態質量相對不高和生態資源分布不均。”這在我國眾多城市群中具有較強的典型性和代表性。因此，研究京津冀城市群的土地利用/覆被變化，分析引發變化的驅動因素，對城市群健康、可持續發展有重要的現實意義。

目前，學術界關于土地利用/覆被變化的研究較多。許艷等選取4個時相的TM遙感影像為數據源，分析了江蘇省1980年以來海岸帶土地利用/覆被變化的時空動態特征，揭示了地域差異與梯度分異特征，并提出了江蘇省海岸帶土地利用結構表現為生態用地占比高、城鎮與農村居民點占比低的特征[2]。王萍等以Landsat TM遙感影像解譯數據為基礎，從空間分布變化、結構變化、類型轉換及景觀破碎度等角度，定量分析了西安市土地利用/土地覆被變化及建成區的擴展狀況，并提出了10年間西安市耕地面積顯著減少、空間分布上由城市中心向周邊縣區迅速擴張、導致周邊連續分布的植被及未利用地趨勢景觀破碎化加劇的結論[3]。李麗國等以烏魯木齊為研究區域，選取3期的土地利用及統計年鑒數據，從土地利用結構、土地利用幅度變化、土地利用速度變化、土地利用程度變化4個方面分析了不同時期LUCC的轉移變化情況和規律，研究結果表明，烏魯木齊市土地利用以牧草地、耕地和林地為主，園地、林地和水域面積減少最多，耕地、未利用土地和城鎮、村莊及工礦用地面積增加較為明顯[4]。目前，無論是對城市的土地利用/覆被變化還是對LUCC的驅動機制研究均取得了較為顯著的成果，但從研究區域上看，已有研究主要集中于單體城市或縣域，而基于城市群尺度對土地利用/覆被變化規律的研究則相對缺乏。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

京津冀城市群是我國三大城市群之一，位于中國東部沿海的北部地區，通過京津唐等主要城市帶引向中國北方腹地，城市群和工業區分布密集，是帶動我國經濟快速增長和參與國際經濟合作的主要平臺。根據住房和城鄉建設部《京津冀城市群協調發展規劃2008—2020》的界定，京津冀城市群的空間范圍涵蓋北京市、天津市和河北省的完整行政轄區，總面積21.36萬km2，占國土面積的2.3%。由2個直轄市、11個地級市組成，下轄67個區、22個縣級市和119個縣。作為全國的政治、文化中心，京津冀城市群集聚了全國7.23%的人口，創造了11.3%的國內生產總值，城鎮化水平達到60.7%。近年來，隨著該地區環境污染程度和資源消耗程度的進一步加重，區域資源環境承載能力也急劇下降，現已經成為制約地區發展的主要因素之一。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用變化測算 京津冀城市群土地利用數據是利用LandsatTM/ETM影像進行人工目視解譯方式獲取。近幾十年來，基于LandsatTM/ETM數據的遙感影像分類和變化檢測技術被廣泛應用于土地覆蓋制圖和變化情況監測研究中[5]。LandsatTM/ETM采用波段band4、band3、band2假彩色合成，并以1 ∶10萬地形圖糾正，平均位置誤差不超過30 M(1個像元)的數字高程模型(digital elevation model，DEM)，即可對遙感數據進行正射校正，消除由于地形起伏造成的像元像素值(digital number，DN)的變化，能夠較好地對京津冀城市群的土地利用類型進行判讀。同時，本研究通過建立土地利用轉移矩陣來揭示2003—2015年京津冀城市群各土地利用類型之間的相互轉換情況。土地利用轉移矩陣作為能夠反映研究區域內某一時段期初和期末各地類面積之間相互轉化的動態過程信息的有效方法，包括區域某時間點的各地類面積數據，而且還含有更為豐富的期初各地類面積轉出和期末各地類面積轉入的信息。一般用二維表來表達，從二維表中可以快速查看各個地類間相互轉化的具體情況。土地利用轉移矩陣通用形式[6-8]為：

式中：s代表面積；n代表轉移前后的土地利用類型數；i、j(i，j=1，2，…，n)分別代表轉移前與轉移后的土地利用類型；sij表示轉移前的i地類轉換成轉移后的j地類的面積。矩陣中的每一行元素代表轉移前的i地類向轉移后的各地類的流向信息，矩陣中的每一列元素代表轉移后的j地類面積從轉移前的各地類的來源信息[9]。

1.2.2 土地利用/覆被度測算 土地覆被數據是通過MODIS全球植被指數產品數據掩膜出京津冀城市群2003—2015年歸一化植被指數(NDVI)并經進一步計算得到植被覆蓋度。通過對比分析10年間城市群土地利用/覆被變化情況進一步研究其內在的演化機制。中分辨率成像光譜儀(moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)作為搭載在terra和aqua衛星上的“圖譜合一”光學衛星遙感儀器，每天可2次對京津冀城市群進行觀測。觀測發回的數據經過基于像元的進行運算即歸一化植被指數(normalized difference vegetationindex，NDVI)可以比較客觀地刻畫出區域植被的生長、覆蓋情況、生物量情況和植被種類情況。此外，因為NDVI具有能夠部分消除與太陽高度角、衛星觀測角、地形、云影等與大氣條件有關的輻射變化的影響等特性，被視為是植被生長狀態及植被覆蓋度的最佳指示因子，而廣泛地應用于全球植被狀態的定量化研究[10]。

2 結果與分析

2.1 京津冀城市群土地利用時空格局變化

2003—2015年京津冀城市群土地利用時空變化較為明顯(圖1、表1)。總體來看，京津冀城市群土地利用類型整體結構未發生明顯變化，發生土地利用變化的總面積為3 465 km2， 占 全區域總面積的 14.97%。 土地利用變化最為明顯的為耕地和城市建設用地，其中耕地面積從2003年的121.47×103km2，減少到2015年的118.96×103km2，減少面積為2.5×103km2，城鎮建設用地面積增加2.75×103km2，增加面積占京津冀城市群總面積的1.32%，其中增加的城市建設用地主要集中在北京市、天津市。草地、濕地面積分別減少 0.14×103km2和0.15×103km2，其他土地利用類型的面積基本未發生變化。

表1 2003—2015年京津冀城市群各土地利用類型面積及比例

2003—2015年，京津冀城市群的城鎮建設用地增加 2 754 km2，主要由草地、濕地和耕地轉換，其中耕地轉為城鎮建設用地2 511 km2，占新增城鎮建設用地的91.18%，其次是濕地，占新增城鎮建設用地的4.25%。耕地、草地、濕地存在不同程度的互相轉換，這主要是由各區域對土地利用需求的不同所導致。此外，退耕還林面積為72 km2(表2)。

表2 京津冀城市群2003—2015年土地利用類型轉移矩陣

2.2 京津冀城市群植被覆蓋時空格局變化

2003—2015年京津冀城市群年均與季均植被覆蓋度的變化均呈現出時空異質性(圖2、表3)。城市群的年均植被覆蓋度增加了0.02，對比各季節平均植被覆蓋度后可知，夏季植被覆蓋度增加最大，達0.10，秋季增加0.02，冬季未出現明顯變化，春季植被覆蓋度降低0.02。分析各城市植被覆蓋度變化情況后可以看出，張家口市年均植被覆蓋度增加 0.06，其夏季植被覆蓋度增加0.16，增加最為明顯；承德次之，年均植被覆蓋度增加0.04，夏季植被覆蓋度增加0.14；北京市和衡水市夏季植被覆蓋度均增加0.10，增加幅度明顯。春季各城市植被覆蓋度總體呈現下降趨勢，其中，石家莊市春季植被覆蓋度降低0.07，邯鄲市次之，植被覆蓋度降低0.06；天津市除夏季植被覆蓋度略有增加外，其他季節植被覆蓋度均呈現降低趨勢；張家口市秋季植被覆蓋度增加0.06，而唐山市、廊坊市植被覆蓋度均呈明顯降低趨勢，分別降低0.04、0.03。冬季各城市植被覆蓋度變化不明顯，主要集中在 ±0.02 之間。

2003—2015年不同土地利用類型變化對年均和季均植被覆蓋度影響明顯。從表4可以看出，城鎮建設用地侵占生態用地導致土地利用類型轉變引發的植被覆蓋度變化最為明顯，其中，林地轉為城鎮建設用地年均植被覆蓋度降低最多，達到0.16；耕地次之，耕地轉為城鎮建設用地年均植被覆蓋度降低0.15；濕地、草地轉為城鎮建設用地導致年均植被覆蓋度降低0.08、0.07。退耕還林、還草是植被覆蓋度增加的主要原因。其中耕地轉為林地年均植被覆蓋度增加0.08，耕地轉為草地年均植被覆蓋度增加約0.06。此外，草地轉為林地年均植被覆蓋度也有明顯增加，達到0.06。當草地和濕地開墾為耕地時，年均植被覆蓋度分別降低0.03、0.01。從季均植被覆蓋度的變化來看，京津冀城市群夏季的土地利用類型產生變化所引至的區域植被覆蓋度變化較為明顯。對比各季節土地利用類型變化所導致的植被覆蓋度變化后可以看出，夏季植被覆蓋度變化最為明顯，春秋季次之，冬季變化不明顯。此外，在其他用地轉為城鎮建設用地的區域，夏季植被覆蓋度降低略高于春季和秋季。耕地、 草地轉為林地后夏季植被覆蓋度分別增加0.22、0.19，明顯高于其他季節。耕地轉為濕地后夏季植被覆蓋度增加0.13。

2003—2015年土地覆被變化的年均和季均植被覆蓋度差異明顯(表5)。盡管土地利用類型未發生變化，但由于其內部結構或利用強度的變化導致了植被覆蓋度發生了變化。

表4 2003—2015年主要土地利用類型變化的年均和季均植被覆蓋度變化

表5 2003—2015年土地覆被變化年均和季均植被覆蓋度變化

比較各土地利用類型年均植被覆蓋度變化后發現，除城鎮建設用地植被覆蓋度降低0.01外，其他土地利用類型均呈增加趨勢，其中草地年均植被覆蓋度增加0.05，林地植被覆蓋度增加0.04，明顯高于濕地、耕地和裸地。比較各季節土地利用類型覆蓋度變化情況后可知，春季植被覆蓋度整體呈現降低趨勢，其中耕地和城鎮建設用地的春季植被覆蓋度均降低0.03。夏季各土地利用類型植被覆蓋度均呈現顯著增加的趨勢，特別是林地和草地，植被覆蓋度分別增加0.15和0.14，明顯高于其他土地利用類型，耕地和裸地的植被覆蓋度分別增加0.08和0.07。秋季的植被覆蓋度變化較夏季穩定，基本與年均植被覆蓋度一致。冬季各土地利用類型的植被覆蓋度均未發生明顯變化。

3 結論與對策建議

3.1 結論

3.1.1 2003—2015年京津冀城市群土地利用變化的面積較大，城鎮建設用地增速明顯，且主要來源為耕地 2003—2015年京津冀城市群土地類型以耕地為主，面積占區域總面積的57.11%。城鎮建設用地面積占區域總面積的3.27%。土地利用變化的總面積為3 465 km2，占全區域總面積的14.97%。新增城鎮建設用地面積為2.75千km2，主要集中在北京市和天津市，并且新增城鎮建設用地的來源主要為耕地。

3.1.2 京津冀城市群年均植被覆蓋度總體略有增加，退耕還林、還草及部分城市植被覆蓋度快速增長是主要影響因素 其中，京津冀城市群退耕還林面積為72 km2。年均植被覆蓋度總體上呈現北高南低的分布特征；承德市植被覆蓋度最高，達0.40；張家口市年均植被覆蓋度增加最為明顯，達0.06。對比各季節土地利用類型變化所導致的植被覆蓋度變化發現，夏季植被覆蓋度變化最為明顯，而其他季節變化不明顯。

3.1.3 耕地、草地、濕地與城鎮建設用地互相轉換面積的情況嚴重，限制了植被覆蓋度總量的增加 其中，城鎮建設用地侵占生態用地導致土地利用類型改變，進而引發植被覆蓋度的變化最為明顯，林地轉為城鎮建設用地后年均植被覆蓋度降低最多，達0.16；耕地次之，耕地轉為城鎮建設用地后年均植被覆蓋度降低0.15；濕地、草地轉為城鎮建設用地導致年均植被覆蓋度降低0.08、0.07。

3.2 政策建議

3.2.1 強化政府耕地保護責任，提高土地資源利用效率 京津冀城市群的城鎮建設用地與耕地互換面積導致了耕地數量減少，這很大程度上是由政府對耕地的保護與監管不到位造成的。因此，應當不斷強化政府對耕地的保護責任，通過嚴查侵占耕地違法行為，實施耕地保護“首長負責制”，加強土地督察、巡查等方式，充分發揮政府在耕地保護中的“守門人”作用。同時，在城市基礎設施建設、房地產開發、新區建設等開發項目中對土地利用實施精細化管理，避免土地資源浪費情況的發生。在舊城改造、公共設施改善過程中充分發揮低利用率土地、市區內零星的棄耕地以及閑置土地的作用，切實提高城市整體的土地利用效率，減少城市發展對耕地資源的需求。

3.2.2 合理規劃土地利用布局，構建土地資源合理配置長效機制 規劃城市產業布局時，首先應當考慮城市耕地、草地、濕地、林地在城市面積中所占的比例，嚴格控制用地指標。對侵占耕地、損害城市植被等對生態環境造成危害的行業實行嚴格的禁入制度。其次是營造良好的土地行政管理環境。通過提高土地行政部門的管理水平，推進政府制度創新，充分發揮產業鏈的帶動效應，科學選擇主導產業，不斷優化產業結構，形成資源互補、優勢互助的有機整體，使區域內生產要素合理流動、資源稟賦高效利用，進而推動區域內土地資源的合理配置。

3.2.3 建立區域性生態建設補償機制，為優化城市群生態環境提供制度保障 城市土地利用/覆被變化對城市群的空氣質量、熱環境等區域生態環境因素影響明顯[11]，但現行我國法律至今未明確省、市級政府對跨區域生態損害有賠償責任的規定，間接導致了京津冀生態環境資源的保護長期處于低效率運行狀態，區域沖突難以避免。區域生態利益補償機制是以環境保護和生態系統的可持續利用為目的，運用市場和政府手段，并以經濟手段為主，調節利益相關者之間利益關系的有效制度安排。可以考慮建立區域性的政府間橫向轉移支付制度，在明確區域生態補償標準的基礎上，對區域間生態環境受損方進行補償，其本質是通過生態補償手段來協調京津冀城市群內各省、市間的生態環境保護關系。

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