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Spatio-temporal variability of habitat quality in BeijingTianjinHebei Area based on land use change.

基于土地利用变化的京津冀生境质量时空演变


土地利用变化是全球变化的核心内容,评估土地利用变化引起的生境质量时空分异性是区域生态规划的基础,能为土地利用规划和土地管理政策制定提供科学依据.本文在分析京津冀2000—2010年土地利用变化的基础上,以InVEST模型对生境质量进行总体评估,并基于流域划分,借助剖面线和空间自相关深入分析了生境质量格局时空分异性.结果表明:2000—2010年,研究区主要土地利用变化类型为:耕地转为建设用地、林地和草地间的相互转换及水体转为耕地,这导致景观结构异质性的减弱和破碎度的提升.两时期生境质量格局整体表现为东南部和南部较低、北部和西部较高.其中,东南部和南部2010年生境质量明显下降,发生了一定生境退化乃至丧失现象.各流域生境质量具有明显分段特征,较多样点在2010年出现不同程度退化,但也有部分有所改善.该区生境质量格局空间分布集聚性有所增强.2000年“高高”型生境质量流域空间聚集区为滦河流域和白河流域上游地区,“低低”型聚集区集中在永定河中下游和潮白河流域部分地区.2010年“高高”型和“低低”型空间聚集区在原有基础上各自向西南方向有所扩展.

Land use change is the core content of global change. To achieve sustainable land use planning, it is necessary to evaluate the habitat quality pattern and its spatiotemporal variation resulted from land use change, which can provide basis for the formulation of land management policy. Based on the analysis of land use change from 2000 to 2010, this study investigated the spatio-temporal variation of habitat quality pattern of BeijingTianjinHebei Area. We used the watershed profile sampling points and spatial autocorrelation analysis based on watershed subdivision. The results showed that the main land use change types from 2000 to 2010 in this area included the transition from cultivated land to construction land, the transition between forest and grassland, and the transition from water bodies to cultivated land. This land use/cover change process led to the decrease of heterogeneity of landscape structure and increase of fragmentation. The overall spatial pattern of habitat quality was that southeast and south areas were relatively lower, while north and west areas were relatively higher. The analysis based on watershed profile showed that the habitat quality of each watershed presented significant difference in each part. Habitat quality of most sampling points degraded in a way, while some improved compared with 2000. In general, the habitat quality of the bottom part of Luanhe River basin, the medium part of BaiChaobaiChaobaixin River basin, the medium and the bottom part of Yongding River basin and medium part of LaozhangFudongpaiBeipai River basin were poor and volatile, while other parts were relatively good. There was a decreasing agglomeration characteristic of distribution of habitat quality in BeijingTianjinHebei Area under the disturbance of human activities. Areas of high habitat quality in 2000 were mainly located in Luanhe River basin and top part of Baihe basin. Areas of low habitat quality were mainly located in medium and bottom part of Yongding River basin and some parts of Chaobai River basin. However, the areas of high habitat quality and areas with low habitat quality of 2010 had both expanded towards southwest.


全 文 :基于土地利用变化的京津冀生境质量时空演变∗
吴健生1,2  曹祺文1∗∗  石淑芹3  黄秀兰1  卢志强1
( 1北京大学城市规划与设计学院城市人居环境科学与技术重点实验室, 广东深圳 518055; 2北京大学城市与环境学院, 北京
100871; 3天津工业大学管理学院, 天津 300387)
摘  要  土地利用变化是全球变化的核心内容,评估土地利用变化引起的生境质量时空分异
性是区域生态规划的基础,能为土地利用规划和土地管理政策制定提供科学依据.本文在分
析京津冀 2000—2010年土地利用变化的基础上,以 InVEST 模型对生境质量进行总体评估,
并基于流域划分,借助剖面线和空间自相关深入分析了生境质量格局时空分异性.结果表明:
2000—2010年,研究区主要土地利用变化类型为:耕地转为建设用地、林地和草地间的相互转
换及水体转为耕地,这导致景观结构异质性的减弱和破碎度的提升.两时期生境质量格局整
体表现为东南部和南部较低、北部和西部较高.其中,东南部和南部 2010 年生境质量明显下
降,发生了一定生境退化乃至丧失现象.各流域生境质量具有明显分段特征,较多样点在 2010
年出现不同程度退化,但也有部分有所改善.该区生境质量格局空间分布集聚性有所增强.
2000年“高高”型生境质量流域空间聚集区为滦河流域和白河流域上游地区,“低低”型聚集
区集中在永定河中下游和潮白河流域部分地区.2010 年“高高”型和“低低”型空间聚集区在
原有基础上各自向西南方向有所扩展.
关键词  土地利用变化; 生境质量; InVEST; 流域; 京津冀
∗国家自然科学基金项目(41130534)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: caoqiwengufeng@ 163.com
2015⁃02⁃13收稿,2015⁃08⁃21接受.
文章编号  1001-9332(2015)11-3457-10  中图分类号  X87  文献标识码  A
Spatio⁃temporal variability of habitat quality in Beijing⁃Tianjin⁃Hebei Area based on land
use change. WU Jian⁃sheng1,2, CAO Qi⁃wen1, SHI Shu⁃qin3, HUANG Xiu⁃lan1, LU Zhi⁃qiang1
( 1Key Laboratory for Environmental and Urban Sciences, School of Urban Planning & Design,
Peking University, Shenzhen 518055, Guangdong, China; 2College of Urban and Environmental
Sciences, Peking University, Beijing 100871, China; 3School of Management, Tianjin Polytechnic
University, Tianjin 300387, China) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(11): 3457-3466.
Abstract: Land use change is the core content of global change. To achieve sustainable land use
planning, it is necessary to evaluate the habitat quality pattern and its spatio⁃temporal variation re⁃
sulted from land use change, which can provide basis for the formulation of land management poli⁃
cy. Based on the analysis of land use change from 2000 to 2010, this study investigated the spatio⁃
temporal variation of habitat quality pattern of Beijing⁃Tianjin⁃Hebei Area. We used the watershed
profile sampling points and spatial autocorrelation analysis based on watershed subdivision. The re⁃
sults showed that the main land use change types from 2000 to 2010 in this area included the transi⁃
tion from cultivated land to construction land, the transition between forest and grassland, and the
transition from water bodies to cultivated land. This land use / cover change process led to the de⁃
crease of heterogeneity of landscape structure and increase of fragmentation. The overall spatial pat⁃
tern of habitat quality was that southeast and south areas were relatively lower, while north and west
areas were relatively higher. The analysis based on watershed profile showed that the habitat quality
of each watershed presented significant difference in each part. Habitat quality of most sampling
points degraded in a way, while some improved compared with 2000. In general, the habitat quality
of the bottom part of Luanhe River basin, the medium part of Bai⁃Chaobai⁃Chaobaixin River basin,
the medium and the bottom part of Yongding River basin and medium part of Laozhang⁃Fudongpai⁃
Beipai River basin were poor and volatile, while other parts were relatively good. There was a de⁃
应 用 生 态 学 报  2015年 11月  第 26卷  第 11期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Nov. 2015, 26(11): 3457-3466
creasing agglomeration characteristic of distribution of habitat quality in Beijing⁃Tianjin⁃Hebei Area
under the disturbance of human activities. Areas of high habitat quality in 2000 were mainly located
in Luanhe River basin and top part of Baihe basin. Areas of low habitat quality were mainly located
in medium and bottom part of Yongding River basin and some parts of Chaobai River basin. How⁃
ever, the areas of high habitat quality and areas with low habitat quality of 2010 had both expanded
towards southwest.
Key words: land use change; habitat quality; InVEST; basin; Beijing⁃Tianjin⁃Hebei Area.
    当前,国际地圈生物圈计划( IGBP)、国际全球
环境变化人文因素计划( IHDP)和世界气候研究计
划(WCRP)等国际组织都将土地利用 /覆被变化
(LUCC)作为全球变化的核心研究问题.通常认为土
地利用除具有经济、社会、文化和生产性功能外,还
具有显著的生态效应[1],如对气候变化、生态系统
地球物理化学循环过程、全球陆海相互作用等产生
重要影响[2-4] .随着人口增长、经济发展,土地利用及
其结构不断发生变化,而这一变化能够深刻影响生
境斑块之间的物质流、能量流循环过程,进而改变区
域生境分布格局和功能.因此,生境质量高低依赖于
其自身与人类土地利用之间的邻接度及土地利用的
强度,随着周边土地利用强度的增大,生境质量也随
之衰退[5-6] .深入探讨土地利用与生态过程的关系对
分析区域生态环境乃至全球环境的变化具有重要的
意义[7],也为区域生态安全格局构建和土地资源可
持续利用提供基础依据.
目前国内外基于土地利用的生境质量研究,根
据其研究方法和研究尺度不同,大体可分为两类:一
类是基于实地调查的生境质量评价研究,以小城
市[8]、河流[9]、自然保护区[10]等小尺度居多,通常利
用样带法或样方法进行植物调查、动物调查,获取与
生境质量有关的各项参数,构建评价体系并基于层
次分析等方法进行评价.但此类方法囿于较高的采
样时间成本和人力成本,长时间跨度数据不易获取,
时间动态分析难以进行.另一类是基于 InVEST 模
型[11-12]、SolVES 模型[13]等生态评估模型进行的定
量研究,有县域[14]、山区[15]、流域[16]、州[17]等不同
尺度.其中,InVEST 模型是目前发展最成熟、应用最
多的生态功能评估模型[18],其基于生境胁迫的评估
方法也得到较多推广[19-20] .但此类研究以多重生态
系统服务权衡为主,鲜有深入探讨由土地利用变化
引起的生境质量时空分异性,针对具有复杂人类活
动特征的大尺度区域研究也不多见.为此,本文以包
含多种生态系统类型的快速城市化区域京津冀为研
究区,采用 InVEST 模型从时空分异角度模拟该区
域的生境质量格局及其演变,并基于流域划分,借助
剖面线采样和空间自相关分析法,对京津冀基于土
地利用变化的生境质量进行了深入评估,以期为区
域生态保护实践和土地利用规划提供基础依据.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
京津冀包括北京、天津和河北省 3 个省市
(36°01′—42°37′ N,113°04′—119°53′ E),土地总面
积 21.44×104 km2 .该区属典型的温带半湿润半干旱
季风气候,四季分明,春秋干旱多风,夏季高温多雨,
冬季寒冷干燥.海拔约为-2~2841 m,地势由西北向
东南倾斜(图 1).地貌类型众多,包括坝上高原、燕
山和太行山地、山麓平原、低平原和滨海平原等.由
东南向西北,土地覆被以沿海滩涂、湿地、耕地、城
市、灌丛、森林、森林草原和草原依次更替.
该区是除长三角和珠三角外的第三大一体化发
展区域,但日益增大的人类活动强度给生态系统带
来了巨大压力,环境恶化趋势严重,其表现如城市污
染总体较严重,太行山、燕山土壤侵蚀和坝上高原荒
漠化加剧,平原洼淀萎缩及消失,海岸及河口生态系
图 1  京津冀地理位置及高程
Fig.1  Location of Beijing⁃Tianjin⁃Hebei Area and its DEM.
8543 应  用  生  态  学  报                                      26卷
统退化,地面沉降和海水入侵及沙尘频繁侵袭
等[21],对该区生境质量乃至生态可持续发展造成了
较大威胁.
1􀆰 2  数据准备
京津冀 2000和 2010年土地覆被数据源于国家
基础地理信息中心研制的全球 30 m 地表覆被产品
(GlobeLand30) (http: / / www.globallandcover. com / ),
分类利用的影像为 30 m 多光谱影像,包括 Landsat
TM 5、ETM+多光谱影像和中国环境减灾卫星(HJ⁃
1)多光谱影像.该套产品将空间分辨率提高了 1 个
数量级,总体分类精度均达到 80%[22] .根据研究需
要,将土地覆被归并为耕地、林地、草地、水体、建设
用地和裸地等 6种类型.主要道路(一二级道路)、次
要道路(三四级道路)、高速公路和铁路等矢量数据
由“国家基础地理信息系统( http: / / nfgis. nsdi. gov.
cn / )”提供,用作 InVEST 模型的输入参数之一.
SRTM 90 m 空间分辨率 DEM 下载自 http: / / srtm.
csi.cgiar.org / ,用于确定流域水系和划分子流域.
1􀆰 3  研究方法
1􀆰 3􀆰 1土地利用变化分析   首先,利用土地转移矩
阵掌握研究初期各类型土地的流失去向以及研究末
期各土地利用类型的来源与构成[23] .其次,基于常用
性、简化性等原则,选取多样性指数、均匀度指数、蔓延
度指数和破碎度指数从空间构型上进一步分析土地利
用景观格局特征及其演变.各指数计算方法和生态学
意义可参阅文献[24-26].
1􀆰 3􀆰 2 InVEST 模型生境质量模块   InVEST 模型是由
斯坦福大学( Stanford University)开发,大自然保护协
会(The Nature Conservancy)和世界自然基金会(World
Wide Fund for Nature)联合支持的生态系统服务功能
评估模型,能辅助自然资源管理决策.在其生境质量子
模块中,假定生境质量受制于反映人类活动强度的土
地利用方式,生境的范围缩减或质量下降可能带来区
域土地利用生态效应的恶化.该模型中生境质量是 4
个变量的函数:胁迫因子的影响距离、生境对各胁迫因
子的敏感性、生境与胁迫因子源的距离及土地受法律
保护程度.胁迫因子对生境的影响随距离的增大呈指
数型衰减.由于京津冀土地法律保护工作比较到位,本
文主要考虑前 3个变量的影响.为得到生境质量,需先
计算得到生境退化程度,计算公式为[27]:
Dxj =∑

r = 1

Y r
y = 1
wr


r = 1
wr
æ
è
ç
ç
ö
ø
÷
÷ ry irxyβxS jr (1)
式中:Dxj为生境退化程度;R 为胁迫因子个数;wr 为胁
迫因子 r的权重;Yr 为胁迫因子层在地类层上的栅格
个数;ry 为地类层每个栅格上胁迫因子的个数;βx 为法
律保护程度;S jr为 j类型土地覆被对胁迫因子 r的敏感
性.
在此基础上,计算得到生境质量得分:
Qxj =H j 1-
Dzxj
Dzxj+k

æ
è
ç
ö
ø
÷
æ
è
ç
ö
ø
÷ (2)
式中:Qxj为土地利用 /土地覆被 j 中栅格 x 的生境质
量;H j 为土地利用 /土地覆被 j 的生境属性,当仅从宏
观角度研究生境质量而不涉及具体物种时,常采用二
分法定义 H j 值,即土地利用 /土地覆被 j为生境时 H j =
1,否则为 0[27];k是半饱和常数.
建设用地是所有地表覆被类型中人类活动最集中
的体现,反映了人为活动对生境等自然系统的威胁,而
裸地植被覆盖度极低,环境条件较为恶劣.因此本文将
建设用地和裸地设定为非生境,耕地、林地、草地和水
体等设定为生境.选取主要道路、次要道路、高速公路、
铁路以及建设用地和裸地作为胁迫因子,其原因一方
面是生境质量演变主要受到人类活动的胁迫,而人类
改造地表的活动及建设用地扩张是这一胁迫因子最集
中和强烈的显示;另一方面本文主要考虑具有良好生
态效应的地类为生境,而盐碱地、沙地等裸地基本无植
被覆盖,生态系统条件恶劣且不稳定,并容易侵蚀周围
土地覆被,造成盐碱化、沙化等后果,对其他生境造成
干扰和威胁区域生态安全.各胁迫因子最大影响距离、
权重及不同生境对 6种胁迫因子敏感性的设置(表 1、
表 2)一方面参考了国内外学者在类似地区的研
究[20,28-31]和模型指导手册[27],另一方面则基于对自然
地理学、生态学等领域专家的访谈.
1􀆰 3􀆰 3空间自相关  空间自相关指地理事物的某一属
性在不同空间位置上的相关程度[32],其统计内容主要
包括空间对象与其相邻单元的空间位置关系及属性特
征.空间自相关分析分为全局自相关分析和局部自相
关分析.全局自相关分析能检测属性值在整个区域的
空间关联模式,描述其在整个区域上有无集聚效应[33] .
表 1  胁迫因子及其最大影响距离和权重
Table 1   Treats and their maximum distance of influence
and weight
胁迫因子
Threats
最大影响距离
Maximum distance
of influence
权重
Weight
主要道路 Main road 10 0.6
次要道路 Minor road 5 0.4
高速公路 Expressway 8 0.5
铁路 Railway 7 0.5
建设用地 Construction land 12 1.0
裸地 Bare land 5 0.2
954311期                        吴健生等: 基于土地利用变化的京津冀生境质量时空演变           
表 2  生境对各胁迫因子的敏感性
Table 2  Sensitivity of habitat types to each threat
地类
Land type
主要道路
Main road
次要道路
Minor road
高速公路
Expressway
铁路
Railway
建设用地
Construction land
裸地
Bare land
耕地 Cultivated land 0.8 0.6 0.7 0.6 1.0 0.5
林地 Forest 0.9 0.7 0.7 0.8 1.0 0.5
草地 Grassland 0.9 0.7 0.7 0.8 1.0 0.8
水域 Water 0.6 0.4 0.5 0.5 0.8 0.4
全局 Moran 指数是最常用的度量指标,其值域为
[-1,1],正值为正相关,负值为负相关,为零时不相
关.局部自相关分析则可帮助掌握空间属性的异质
性特征,计算每个空间单元与邻近单元就某一属性
的相关程度[34],识别聚集区域的空间位置和范围,
可借助 Moran散点图和 LISA 集聚图来表示.将 Mo⁃
ran散点图各象限内的散点与显著性水平(P<0.05)
相结合得到 LISA集聚图,通过该图能清楚看到局部
空间相关性的分布格局.
2  结果与分析
2􀆰 1  土地利用变化
2􀆰 1􀆰 1土地利用转移矩阵分析  2000 和 2010 年,耕
地、林地和草地均为研究区主要地类,构成了景观基
质(图2) .2000—2010年,京津冀经历了较强烈的
图 2  2000和 2010年各地类面积
Fig.2  Area of each land use type in 2000 and 2010.
LUCC过程:耕地面积减少 3723.67 km2,减幅最大,
为 3.2%;水体减少 41.96 km2,减幅为 1.0%.林地、草
地、建设用地和裸地均有不同程度增加,其中,建设
用地剧烈扩张,增加了 2674. 43 km2,增幅高达
18􀆰 1%;林地和草地也有较多增长,分别转入 406.49
和 686.93 km2,增幅达 1.0%和 1.8%;裸地仅增加
2􀆰 54 km2,但由于其基数较小,故减幅较大,为
3􀆰 7%.因此,建设用地急剧扩张、耕地资源快速减少
是该时期京津冀土地利用变化的一大特点.
为全面了解京津冀土地利用变化的结构特征与
各地类变化方向[23],构建土地利用转移矩阵 (表
3).2000—2010 年,研究区耕地中有 93.3%较为稳
定,并未发生地类转换,减少的耕地主要转出为建设
用地和草地,所占比例分别为 2.9%和 2.7%,并有
0.4%转出为林地,反映出耕地成为研究期间该区建
设用地快速扩张的一大重要来源及河北省自 2002
年所全面开展的退耕还林还草工程的直接效益.林
地保留也较多(90.3%),其转出类型主要为草地,所
占比例为 8.7%.草地中有 83.2%保持稳定,转出部
分以林地、耕地为主,所占比例为 10.4%和 4.7%,并
有 1.3%转为建设用地,表明该区生态建设取得一定
效益,但也存在着可能导致生态退化的毁草开荒等
行为. 水域转出类型主要为耕地,所占比例为
14􀆰 7%,此外分别有 4.1%和 3.2%转为草地和建设
用地.建设用地虽然呈现出明显扩张趋势,但仍有
8􀆰 6%转为耕地,这可能与“空心村”、废旧宅基地整
表 3  京津冀 2000—2010年土地利用转移矩阵
Table 3  Land use transition matrix of Beijing⁃Tianjin⁃Hebei Area in 2000-2010 (%)
年份
Year
地类
Land type
2010
耕地
Cultivated land
林地
Forest
草地
Grassland
水域
Water
建设用地
Construction land
裸地
Bare land
2000 耕地 Cultivated land 93.3 0.4 2.7 0.6 2.9 0.1
林地 Forest 0.9 90.3 8.7 0.0 0.1 0.0
草地 Grassland 4.7 10.4 83.2 0.3 1.3 0.1
水域 Water 14.7 1.6 4.1 76.3 3.2 0.1
建设用地 Construction land 8.6 0.2 0.4 0.3 90.5 0.0
裸地 Bare land 1.9 0.5 27.6 0.2 2.0 67.8
0643 应  用  生  态  学  报                                      26卷
理工作有关.裸地变化率最大,主要转出为草地,所
占比例为 27.6%,同时也分别有 1.9%和 2.0%成为
新增耕地和建设用地的来源.因此,耕地转为建设用
地、林地和草地间的相互转换及水体转为耕地是
2000—2010年京津冀主要的土地利用变化类型.
2􀆰 1􀆰 2景观多样性和空间构型变化  在分析土地利
用数量变化的基础上,基于景观格局视角进一步探
究京津冀 LUCC 特征(表 4).多样性指数和均匀度
指数能反映景观中斑块类型的丰富程度和比例大
小,其值越大表明斑块类型越多或各景观组分所占
比例越接近.京津冀的景观多样性指数和均匀度指
数分别由 2000 年的 1.2210 和 0.6815 增加为 2010
年的 1.2506和 0.6980,反映出景观结构异质性的减
弱有一定均衡化趋势.2000年,各景观组分中耕地所
占比例最大,约 54%,构成景观基质.林地和草地二
者面积之和所占比例超过 37%,也是重要的景观组
分.2010年,建设用地急剧扩张及伴随而来的耕地面
积减少,加之林地、草地不同程度的增加,各景观组
分所占面积比例差异变小,导致景观多样性指数和
均匀度指数增大.
蔓延度指数可测度同一景观组分的集聚程度,
其值越大,表明斑块集聚程度越高,连通性较好,反
之则说明景观由较多小斑块组成.2000和 2010年蔓
延度指数分别为 46.8810 和 45. 3564,属于中等水
平,表明景观中存在一定大斑块现象,主要有耕地、
林地和草地等斑块.蔓延度指数的降低,表明斑块数
目的增多和平均面积的减小,其原因可能与该区各
县域在研究时段内新增部分小型建设用地斑块、而
较少增加大型建设用地斑块有关.小型建设用地斑
块的大量增加势必导致原有大型耕地、草地等斑块
的减小,从而使得蔓延度指数降低.这与描述景观空
间结构复杂性和割裂、破碎程度的破碎度指数的变
化相一致.该指数在 2000—2010年由 0.0365增大为
0.0380,说明在具有一定随机性的人类活动干扰下
景观结构复杂程度提高,整体破碎化趋势上升,加大
了该区维持生态平衡和保持生境质量的压力.
表 4  京津冀 2000—2010年景观格局指数变化
Table 4  Changes of landscape metrics in Beijing⁃Tianjin⁃
Hebei Area in 2000-2010
年份
Year
多样性指数
SHDI
均匀度指数
SHEI
蔓延度指数
CONTAG
破碎度指数
FN
2000 1.2210 0.6815 46.8810 0.0365
2010 1.2506 0.6980 45.3564 0.0380
2􀆰 2  京津冀生境质量的时空演变
2􀆰 2􀆰 1区域生境质量总体评估  运行生境质量模块
得到京津冀 2000 和 2010 年生境质量空间分布图
(图 3).2000年整体生境质量出现东南部和南部低、
北部和西部高的趋势.东南部和南部生境质量分值
多在 0.7以下,存在较多 0~0.3 等级的生境,大型斑
块主要分布在北京、天津、石家庄、秦皇岛等大型城
市周边区域,小型斑块则多零散分布于东南部和西
北部等区域.由于距城市较近或位于主要路网连结
处,上述生境受到较多人为活动的干扰,导致其生境
质量也最差.北部和西部生境质量整体较优,分值多
在 0.6以上,但距离主要道路较近的生境质量也较
差,分值集中在 0.4 ~ 0.7.少部分位于路网连接点附
近的生境质量得分低至 0~0.3,零星分布于研究区.
与 2000年相比,2010 年京津冀地区生境质量
空间分布格局呈现出明显的东南部和南部较低、北
部和西部较高的特征,特别是东南部和南部生境质
量明显下降,0.5 ~ 0.7 和 0.7 ~ 0.9 等级的生境增多.
究其原因,一方面得分 0 ~ 0.3 的低质量生境大斑块
呈蔓延式扩大,并继续影响周边区域,导致更多的低
质量生境出现.另一方面,京津冀特别是平原区,在
2010年形成了许多小型建设用地斑块,使得原有集
中连片的自然景观破碎化.在这一快速城镇化过程
中有较多耕地和草地被占用为建设用地,即原有生
境转变为新的胁迫因子,出现了生境丧失现象,且新
的胁迫因子将继续威胁其周边生境的质量.
2􀆰 2􀆰 2基于流域的生境质量时空演变   基于 SRTM
90 m DEM,在 GIS平台中利用水文分析工具提取京
津冀主要水系,根据海河流域水系分布情况,确定出
滦河流域、白河⁃潮白河⁃潮白新河、永定河流域与老
漳河⁃滏东排河⁃北排河等 4 大水系及 134 个子流域
(图 4).沿上述流域延伸方向布设剖面线,剖面线上
的样点序号由小到大对应水系的上中下段,以分析
各流域不同段位生境质量特征及其演变.所划分的
子流域则作为识别京津冀生境质量空间分布关联模
式的基本评价单元.
1)滦河流域剖面线生境质量时空演变.滦河流
域剖面线样点的生境质量具有明显的分段特征(图
5a).上段地区(样点 1~230)两时期生境质量整体较
优,总体上 2010 年略低于 2000 年,但差距较小.该
部分样带穿过的区域主要为围场县和隆化县,属于
重要的生态涵养区.中段地区(样点 231 ~ 460)两时
期生境质量整体低于上段,并有部分极低生境质量
样点出现,总体上 2010年略低于 2000年,出现不同
164311期                        吴健生等: 基于土地利用变化的京津冀生境质量时空演变           
图 3  京津冀生境质量空间分布
Fig.3  Spatial distribution of habitat quality in Beijing⁃Tianjin⁃
Hebei Area.
a)2000; b)2010.
图 4  京津冀流域剖面线及子流域划分
Fig.4  Watershed profile and sub⁃watershed dividing of Beijing⁃
Tianjin⁃Hebei Area.
①②③④分别为滦河流域、白河⁃潮白河⁃潮白新河流域、永定河流域
及老漳河⁃滏东排河⁃北排河流域的剖面线 ①②③④ referred to profile
of Luanhe River basin, Bai⁃Chaobai⁃Chaobaixin River basin, Yongding
River basin and Laozhang⁃Fudongpai⁃Beipai River basin.
程度的退化现象,但也有部分有所改善的样点.该部
分样带主要穿过承德市辖区、承德县和宽城县,从而
导致部分低质量样点的出现.下段地区(样点 431 ~
667)生境质量相对最差,同 2000 年生境质量相比,
2010年下降幅度较大,退化趋势明显.该部分样带主
要穿过迁安县、卢龙县和昌黎县.因此,滦河流域
2010年生境质量整体低于 2000 年,上游以生态涵
养功能为主,中游在具有随机性的人为活动干扰下
变化相对剧烈,下游则有明显生境退化现象.
2)白河⁃潮白河⁃潮白新河流域剖面线生境质量
时空演变.该流域剖面线样点的生境质量同样具有
明显分段特征(图 5b).上段地区(样点 1~190)两时
期生境质量整体较优,2010 年部分样点生境质量有
所退化,但同 2000 年差距相对较小.该部分样带主
要穿过赤城县、延庆县和怀柔县,生态状况整体较
好.中段地区(样点 191 ~ 384)在整个流域中生境质
量最低,且波动较大,2010 年同 2000 相比退化较为
严重.该部分主要经过密云西南部、顺义、平谷南部、
三河市、宝坻西北部,由于较多建设用地的存在使得
该区生境质量受到较大影响.下段地区(样点 385 ~
478)生境质量整体优于中段,以退化样点为主.退化
严重的样点主要受到 2010年新增建设用地的影响,
但由于多数为小型建设用地斑块而非中游地区的大
型建设用地斑块,故退化程度并不如中段严重.该样
带主要包括宝坻县南部和宁河县西北部.
3)永定河流域剖面线生境质量时空演变.该流
域剖面线样点的生境质量也具有一定分段特征(图
5c).上段地区(样点 1~210)两时期生境质量整体较
好,2010年部分样点生境质量出现一定程度退化.但
也有部分样点因位于建设用地或其周边区域,生境
质量极低.该样带主要穿过宣化县和涿鹿县.中段地
区(样点 211~337)生境质量明显低于上游地区,且
波动较大,2010 年整体低于 2000 年.该部分主要经
过北京市辖区和大兴县,高度的城市化及其扩张给
自然景观造成了巨大压力,强烈且复杂的人为活动
也导致了生境质量的剧烈变化.下段地区 (样点
338~562)整体生境质量也较低,且波动更大,2010
年整体低于 2000年.由于该部分样点多数穿过耕地
与建设用地的镶嵌斑块,故一方面受建设用地的影
响而产生较多低质量生境样点,另一方面也由于部
分样点穿过较大耕地斑块、受胁迫因子影响较小而
产生生境质量相对较好的样点.这也反映了低密度
建设用地扩张同大范围蔓延式扩张相比,其对生境
的影响更具随机性和波动性.该部分样带主要包括
大兴县中南部、廊坊市和武清县.
4)老漳河⁃滏东排河⁃北排河流域剖面线生境质
量时空演变.样点生境质量的分段特征在该流域也
有所体现(图 5d).上段地区(样点 1~180)和下段地
区(样点 420 ~ 553)生境质量相对较优,且 2000 年
整体略高于 2010 年.样带上段主要包括隆尧县、新
河县和冀州市等,下段主要包括沧州市和黄骅市.中
段地区(样点 181~419)生境质量相对较低,且波动
性强,2000 年整体高于 2010 年,该部分样带主要包
括武邑县、泊头市等,位于河北省中部平原区,以耕
地和小型建设用地景观为主,加上较密集的路网,使
得生境所受扰动具有一定随机性.
2643 应  用  生  态  学  报                                      26卷
图 5  2000和 2010年流域剖面线样点生境质量
Fig.5  Habitat quality of sample points in different watershed profiles in 2000 and 2010.
a)滦河流域 Luan River basin; b)白河⁃潮白河⁃潮白新河流域 Bai⁃Chaobai⁃Chaobaixin River basin; c)永定河流域 Yongding River basin; d)老漳河⁃
滏东排河⁃北排河流域 Laozhang⁃Fudongpai⁃Beipai River basin.
2􀆰 2􀆰 3子流域生境质量空间自相关时空演变  为全
面了解京津冀基于土地利用变化的生境质量格局及
其时空分异性,从流域尺度上识别其空间分布的关
联模式.首先统计出各子流域 2000 和 2010 年的生
境总面积(km2)及单元内所有栅格的生境质量得分
总和,将得分总和除以生境总面积求得单位面积生
境质量得分值,以此作为该流域生境质量的表征.其
次,在 GeoDa中对两时期子流域生境质量格局进行
空间自相关分析,探讨其时空分异性.
由全局自相关分析可知,2000 和 2010 年基于
流域的单位面积生境质量值(分别记为 qual2000,
qual2 0 1 0 )全局Moran指数分别为 0 . 4 3 7 ( Monte
364311期                        吴健生等: 基于土地利用变化的京津冀生境质量时空演变           
图 6  基于流域的单位面积生境质量值 Moran散点图
Fig.6  Moran scatter plot for habitat quality per km2 based on
basin scale.
a)2000; b)2010. 下同 The same below.
Carlo检验,P<0.01)和 0.485(Monte Carlo 检验,P<
0.01),各流域生境质量具有一定的空间正相关性,
在空间上存在一定集聚现象.全局 Moran 指数在
2010年的增大表明流域生境质量空间集聚性有所
增强.
对 2000和 2010年流域单位面积生境质量进行
局部自相关分析,两期 Moran 散点图(图 6)中多数
点位于第 1、3象限,即高生境质量流域为高生境质
量流域包围,低生境质量流域为低生境质量流域包
围.这与京津冀生境质量整体上东南部和南部低、北
部和西部高的特征相一致.
由 LISA集聚图(图 7)可知,2000 年“高高”型
生境质量流域的空间聚集区主要分布在北部滦河流
域和白河流域上游地区,反映该区生境质量整体较
好,可定位为生态涵养区.“低低”型空间聚集区域多
集中在永定河中下游和潮白河流域部分地区,表明
其生境质量处于较低水平.“高低”和“低高”型区域
并未出现明显集聚.2010年“高高”型空间聚集区域
同 2000年相比在西南方向有所扩展,反映了近年来
该区生态退耕政策的效益,今后仍需做好对上述流
域的生态保护工作,维持其生态涵养功能.“低低”型
生境质量流域的空间聚集区域则向滏东排河方向有
图 7  基于流域的单位面积生境质量得分 LISA集聚图
Fig.7  LISA cluster maps of habitat quality score per km2 based
on basin scale.
一定外推,再次验证了“摊大饼”式的城市扩张对生
境的威胁性.永定河流域附近 2010 年出现少量“高
低”型集聚区,其生境质量极易受到周围低质量流
域的影响,应加强生态治理,划定并严格守护生态
“红线”,提高生态系统健康水平以规避不可持续发
展带来的恶果.
3  讨    论
本文以京津冀这一快速城镇化、人类活动密集
而复杂,且生态系统类型众多、LUCC 过程显著的地
区为研究区,分析了主要道路、次要道路、高速公路、
铁路以及建设用地和裸地等对生境的胁迫,并从流
域尺度关注了土地利用变化所引起的生境质量时空
分异性.研究成果能为该区及其他类似区域的生态
保护实践和可持续土地规划与管理提供科学依据.
2000—2010年,该区土地利用变化基本趋势为
建设用地、林地和草地大幅增加,耕地减少较多,水
体和裸地变化相对较小,呈现出建设用地急剧扩张、
耕地资源快速减少的特点.主要的土地利用变化类
型包括耕地转为建设用地、林地和草地间的相互转
换及水体转为耕地.在人口增长、经济发展、农业生
产条件等因素[35]驱动下,建设用地扩张侵占了部分
耕地、草地和林地,一方面存在一定因发展而产生的
4643 应  用  生  态  学  报                                      26卷
刚性需求:2000—2010年北京、天津、河北省地区生
产总值分别由 2478.76、1701.88 和 5043.96 亿元增
长为 14113.60、9224.46和 20394.26亿元[36-38],增长
率高达 469.4%、442.0%和 304.3%,如此快速的增长
需要相应数量的建设用地来承载.另一方面城乡结
合部和部分郊区农户也出于获取更高经济收益的目
的而倾向于将耕地转为建设用地.
上述土地利用变化过程导致景观结构异质性有
所减弱、破碎化程度提升.总体上,生境质量整体呈
现出东南部和南部较低、北部和西部较高的空间格
局.基于流域的分析表明,生境质量在各流域具有明
显的分段特征及一定空间集聚性,整体上 2010 年生
境质量低于 2000 年,但也有部分区域有所改善.滦
河流域下段、白河⁃潮白河⁃潮白新河流域中段、永定
河流域中下段及老漳河⁃滏东排河⁃北排河流域中段
生境质量较差且波动性大,而其余部分相对较优.上
述特征产生的可能原因在于:东南部和南部多为平
原区,频繁的人类活动对生境产生了较强烈的人为
干扰,使生境质量受到影响;而北部和西部多为山
地、高原,由地形主导形成的各种小生境为丰富的生
物多样性提供了基础[14],构成了良性的土地利用生
态效应.此外,受退耕还林还草等生态政策的影响,
林地、草地有所增加,部分流域生境质量也相应得到
了改善.
白杨等[39]认为,森林生态系统对涵养水源、环
境净化和固碳释氧等具有重要作用,郑江坤等[40]则
证实了土地利用变化是生态服务价值变化的直接原
因.因此,在今后流域(特别是部分生境质量较低的
流域中下游)土地规划和生态保护工作中需优化林
地、耕地、建设用地等景观格局,在保持合理的经济
增长基础上也应配置必要的生态用地.此外,今后城
镇化发展过程中也应注意对城市空间形态的研究和
控制,避免低密度、低效率的零散式建设用地扩张,
加强农村闲置宅基地等土地综合整治工作,以减少
其对生境影响的随机性和波动性,提高生态用地连
通性和生态系统稳定性.
本研究尚存在一定不足之处,如受限于区域大
尺度生境质量遥感定量直接监测指标的缺乏,目前
只能开展基于胁迫的生境质量间接评估.进一步工
作中可考虑利用 InVEST 模型其他子模块,从物质
量角度模拟该区土地利用变化所引起的各项生态系
统服务的改变,提高生态效应评估的综合性.
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作者简介  吴健生,男,1965年生,教授. 主要从事景观生态
与土地利用研究. E⁃mail: wujs@ pkusz.edu.cn
责任编辑  杨  弘
6643 应  用  生  态  学  报                                      26卷