北京市土地景觀格局研究

冼欣顏

（北京林業大學林學院，北京 100083）

1 研究概述

1.1 研究目的

在人類社會的發展進程中，城市化是體現社會經濟發展的重要環節。我國的城市不斷深化發展，人口急劇增多，城市化的進程在近些年突飛猛進。

北京市作為國家的首都和國際化大都市，其城市化進程中的土地利用變化研究對中國城市化發展乃至世界的城市化發展都具有重要意義。

景觀格局指目標區域的空間格局，研究該區域的大小和形狀各異的景觀要素在空間上的排列和組合，包括景觀組成單元的類型、數目及空間分布[1]。

景觀格局變化是組成景觀的各個景觀要素在一定時空尺度內發生變化引起景觀空間結構的變化[2]。只有通過恢復和重建景觀生態環境，才能夠構建出安全的區域生態格局，因此在衡量城市化進程時，分析土地利用的景觀格局顯得尤為重要[3]。區域土地利用變化分析是景觀格局變化分析的實際應用。建立土地利用變化模型是深入了解土地利用變化的原因和過程的重要途徑，可以用于預測未來的發展變化的趨勢和環境對景觀格局造成的影響。

土地利用轉移矩陣是馬爾可夫模型在土地利用變化中的應用。土地利用轉移矩陣可以揭示不同類型土地利用之間的轉移速度，對于研究人類對土地的利用方式和使用狀況或土地的社會、經濟屬性具有重要的意義，使研究者能夠從數學角度分析土地利用的變化情況。

本次研究中，主要分析北京市不同年份的土地利用變化，并對未來土地利用變化趨勢進行預測。

1.2 研究區概況

北京市位于華北平原太行山脈、燕山山脈的交接部位，地勢西北高聳，東南低緩，西部、北部和東北部是連綿不斷的群山，東南是一片緩緩向渤海傾斜的平原。

北京市屬于暖溫帶半濕潤氣候區，四季分明，春秋短促，冬夏較長。

2 使用Fragstats進行景觀格局分析

2.1 計算過程

北京城區3個年份的類型水平上10個景觀格局指數如表1所示。

表1 北京城區3個年份的類型水平上10個景觀格局指數

北京城區3個年份的景觀水平上4個景觀格局指數如表2所示。

表2 北京城區3個年份的景觀水平上4個景觀格局指數

2.2 結果分析

對于大城市的土地利用變化，計算不同土地類型的面積和占比、斑塊數和邊緣密度等指標更有意義。通過表格可以看出，不同年份這些指標的差異都較為明顯，較容易看出產生的變化。

邊界密度（ED）用于揭示景觀或類型被邊界分割的程度，是景觀破碎化程度的直接反映，邊界密度越高，反映景觀破碎度越高；邊界密度越大，表明景觀（類型）的邊緣效應顯著，具有較強的開放性，易于與周圍斑塊的物質進行能量流流通。

Shannon多樣性指數（SHDI）反映景觀要素的多少及各景觀要素所占比例的變化。景觀由單要素構成時，景觀是勻質的，其多樣性指數為0。隨著景觀類型的增加或者隨著不同類型的景觀類型分布的更均衡，多樣性指數也會上升，各景觀類型所占比例相等時，其景觀多樣性最強；各景觀類型所占比例差異增大，景觀的多樣性下降，取值范圍≥0。

Shannon均勻度指數（SHEI）是描述景觀由少數幾個主要景觀類型控制的程度。范圍介于0～1之間。整個景觀中只有一個斑塊時，Shannon均勻度指數為0；整個景觀中的分布極不均衡時，指數接近0；整個景觀中的類型分布極其均勻時，均勻度指數為1。

蔓延度（CONTAG）是景觀水平的指數，單位為%，與邊緣密度呈負相關。一個類型的斑塊占據了景觀中較大的面積、邊緣密度較低時，景觀的蔓延度較高；斑塊的分散度較低時，景觀也會具有較高的蔓延度。以1999年為例，相較于1984年和1991年未利用土地增多，土地類型豐富度得到了提高，SHEI為0.6736，說明景觀中不止一個斑塊，且分布不均勻。蔓延度超過50%，說明有至少一個類型的斑塊占據景觀中的較大面積。面積百分比的變化趨勢與總面積的變化趨勢類似，農田、城市、綠地、水體的面積百分比變化過程與近15年間相應地類的總面積變化相同。

分析斑塊數可知，農田斑塊數1984～1991年略有增加，1991～1999年稍有降低；綠地斑塊數1984～1991年有輕微增加，總體變化不大，但1991～1999年綠地斑塊數大幅度減少；城市斑塊數在15年內每個階段都存在均勻減少的情況，下降幅度較為穩定；1984～1991年，水體斑塊的數量增加約2倍，1991～1999年，斑塊數減少。

分析邊緣密度可知，農田的邊緣密度1984～1999年存在均勻大幅度下降的情況，1999年農田邊緣密度近似為1984年的一半；綠地斑塊數1984～1999年先減少后增多；城市和水體的邊緣密度變化的趨勢類似，1984～1991年邊緣密度增加，1991～1999年邊緣密度降低，城市邊緣密度遠高于水體的邊緣密度。

分析平均斑塊面積可知，1984～1991年農田平均斑塊面積持續減少，1984～1991年段減少幅度較大，1991～1999年段減少幅度較小；綠地的平均斑塊面積從1984～1991年先減少，后續由于相關部門在開發規劃的過程中逐漸提高對綠化的重視，得以增加；城市的平均斑塊面積在近15年間持續增加，1984～1991年增幅較大，1991～1999年增幅較小；水體的平均斑塊面積1984～1999年沒有明顯變化。

分析平均斑塊形狀指標可知，15年間4個用地類型的數值均減小，不同時間段和不同用地類型之間略有差異。

分析最近鄰體距離可知，1984～1999年農田的最近鄰體距離持續升高，增幅平穩；綠地的指標在15年間先增加后減少；城市平均最近鄰體距離1984～1991年期間減少，1991～1999年略有回升；水體的平均最近鄰體距離明顯比其他三種地類高，其變化趨勢類似城市，先減少后增加。

分析鄰近百分比可知，農田的鄰近百分比在15年內沒有發生明顯變化；綠地的鄰近百分比1984～1991年無明顯變化，1999年略有增加；城市的鄰近百分比15年間持續穩定小幅增加；水體地鄰近百分比先增加后減少，整體變化較小。

聚集度的變化趨勢類似鄰近百分比的變化趨勢，不同的是水體聚集度在15年內持續穩定的小幅增加。

分析景觀凝結度指數可知，農田景觀凝結度指數1984～1999年持續下降，后一階段的降幅略大于前一階段；綠地景觀凝結度指數1984～1991年有較大幅度增加，1991～1999年凝結度指數略有降低；城市的凝結度指數1984～1991年大幅下跌，1991～1999年大幅升高，1999年景觀凝結度指數略高于1984年；水體凝結度指數1984～1991年略有上升，1991年后由于城市建設出現大幅下跌。

3 區域土地利用變化分析

為了解土地利用變化的成因和過程，預測未來發展變化趨勢及環境影響，可構建土地利用變化模型深入了解，也是土地利用變化研究的主要方法。本次研究中，研究者采用土地資源數量變化模型分析土地利用動態變化，并了解其變化發展趨勢。

3.1 土地利用特征分析

利用Fragstats對1984、1991、1999年北京城區土地利用圖中各土地利用類型（5類）的面積進行統計，取CA指數，根據計算結果填寫計算結果整理表。

調查的六種一級類型的土地，除未利用土地在1991年相較于1984年未發生變化以外，其他每一級類型的面積三年的大小都發生了變化，但這六級土地類型總面積大小一直為76 191.12 hm2，未發生改變，說明土地利用類型是從一級轉變為另一級的，并未出現新增土地類型或某種土地類型喪失的現象（除1999年多出了未利用土地外）。

分析總面積可知，1984～1999年農田的總面積大幅下降，且每個時段之間下降的幅度沒有較大差別，1999年農田的總面積近似1984年的一半；1984～1991年綠地的總面積下降較快，但1991年后由于對生態環境的重視使綠地面積得到較大恢復，1999年的綠地總面積已經超過1984年；1984～1991年城市化進展迅速，城市總面積得到大幅上升，1991年的城市總面積近似1984年城市面積的2倍，但1991～1999年城市面積不增加反而減少，可能是對城市生態的重視程度提高，與綠地總面積的增加存在關系；水體總面積在15年前后未發生明顯變化，1991年達到峰值，但1991～1999年水體總面積恢復到與1984年近似的水平。

北京北部地區3個年份土地利用分類面積如表3所示。

表3 北京北部地區3個年份土地利用分類面積 單位：hm2

3.2 土地利用變化幅度

區域土地利用變化包括土地利用類型的面積變化、空間變化和質量變化。土地利用類型的面積變化體現在不同土地利用類型的總量變化，研究者可以通過了解土地利用變化的總態勢和土地利用結構的變化，達到分析土地利用類型的總量變化的目的。通過研究各類型的土地面積變化量，可以衡量研究土地利用變化幅度。本次研究根據數據求出3個年份之間各土地類型面積變化量，如表4所示。

表4 1984～1999年北京城區土地利用變化分類面積 單位：%

3.3 土地利用變化速度

區域土地利用變化速度可采用土地利用動態度指標定量描述。土地利用動態度以土地利用類型的面積為基礎，反映了各土地利用類型面積的變化速度，對比較土地利用變化的區域差異和預測未來土地利用變化趨勢都具有重要的作用，如表5所示。

表5 1984～1999年北京城區土地利用動態度分析

3.4 分析與討論

1984～1999年期間，北京的耕地面積不斷減少，綠地面積1984～1991年減少，1992～1999年又出現較大提升，水域的面積先增長后下降，最后基本無變化，城市用地的面積1984～1991年大幅度上升。分析結果可知，隨著經濟的發展，北京城區在15年間正在進行大規模城市化建設，農田面積不斷減少，綠地面積被占用了一部分，但后續推進了生態環境的保護工作，城市綠化逐漸受到更多重視，綠地面積又大幅度增加。

1984～1991年，耕地和綠地面積下降較快，表明由于城市建設需要，大量耕地和綠地轉變為建設用地，導致城市面積不斷增加。

1992～1999年，綠地的面積快速增加，耕地面積減少的速度較1984～1991年變化較小，城市用地面積雖有所增加，但速度較1984～1991年緩慢，甚至呈負數，說明北京城區在進行城市化建設的同時，意識到了環境建設的重要性，不再因擴建城市而減少其他地類使用，并對水體和綠地面積進行了恢復和建設。

由于各種土地利用類型的面積基數不同，上述結果中年變化率高的土地利用類型僅是變化速度較快的類型，并不一定是區域變化最大的主要類型。

此外，分析結果忽略了土地利用變化的內在過程，僅能體現土地利用數量上的變化速度，應結合各土地類型變化的速度和幅度進行綜合分析。

4 轉移矩陣分析

4.1 研究結果

1984～1991年的轉移矩陣如表6所示。

表6 1984～1991年的轉移矩陣 單位：%

1991～1999年的轉移矩陣如表7所示。

表7 1991～1999年的轉移矩陣 單位：%

兩個轉移矩陣表中矩陣r（i，j）表示，i類型土地向j類型土地轉移的面積百分比。

4.2 分析與討論

1984～1999年，水體、城市、綠地、農田在轉化率體現的都是轉移為城市用地和農田居多。其中，水體地類轉化為城市和轉化為綠地的百分比數值相近；綠地除了保留自身和轉化為城市外，轉化為農田的比重遠大于轉化為水體比重；城市用地中絕大多數保留了自身，少部分轉化為農田；農田除自身外，部分轉化為綠地。

1991～1999年，除綠地外，大部分用地類型保留了自身的部分。水體中除了繼續延續自身類型外，轉化為城市的比例接近1/4；綠地轉化為城市用地和轉化為農田的比重相差較小，比重接近于保持綠地的部分；城市地類轉化為綠地的比重遠高于轉化為其他用地類型的比重；農田用地也是轉化為綠地的比重較高。

結合分析結果可知，北京城區1984～1999年城市規模發展較快，大量綠地被改造為農田。1991～1999年，城市發展的速度相對放緩，水體的保留量大幅度增加，綠地的保留量也得到了增加，在一定程度上說明生態環境的建設開始得到相應重視。

5 結語

利用Fragstats分析北京北部地區景觀格局，得知該地區在城市化的同時還經歷了一個生態破壞但又逐步恢復的過程，Shannon多樣性指數和Shannon均勻度指數均呈現先增后減的趨勢。城市化進程使人文景觀隨時間變化不斷替換并改變原有農業景觀生態格局。綠地和城市用地的斑塊數逐漸減少，說明景觀由破碎走向統一，景觀的抗干擾和抵御自然災害的能力將提升。綜上所述，積極建設城市綠地，發展城市林業是保護城市生態環境的有力措施。

通過研究北京市北部地區3個年份土地利用專題圖，即1984、1991、1999年，可以分析對比得到景觀格局隨時間的變化。分析北京各土地利用類型變化，可知1984～1999年城市用地面積大幅提升，符合北京市快速城市化的發展歷程。綠地面積在1991年后的保留率有所提高，在一定程度上表明人們對生態環境的重視程度有所增強。

城市化建設的初期，相關部門僅注重提高建設速度，忽略了生態建設，此期間城市的生態環境遭到了較為嚴重的破壞；后期進行建設時重點關注了環境問題，開始大力恢復的綠地建設，城市規劃到后期也較為完善，因此城市用地增加速度較初期大幅下降。開展城市建設、發展經濟的過程中，應當同樣重視生態環境問題。