京津冀地區(qū)土地利用變化及其驅(qū)動力分析

京津冀地區(qū)土地利用變化及其驅(qū)動力分析

改革開放以來，中國的土地使用和恢復(fù)狀況發(fā)生了重大變化，特別是土壤資源管理的連續(xù)性。京津冀地區(qū)作為人口密度大、經(jīng)濟(jì)發(fā)展快、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平高、城市擴(kuò)展迅速的糧食主產(chǎn)區(qū),優(yōu)質(zhì)耕地的保護(hù)對國家糧食安全具有特別重要的意義。然而,京津冀地區(qū)在經(jīng)濟(jì)快速增長的同時,建設(shè)用地迅速增加,同時耕地持續(xù)減少。與1990年相比,2008年京津冀三地的人均地區(qū)生產(chǎn)總值分別增長近12.6倍、9.9倍和7.7倍,耕地面積分別減少43.8%、10.0%和19.7%。土地利用/覆被變化(landuse/coverchange,LUCC)的驅(qū)動力研究對理解其變化特征及制定相關(guān)政策有重要意義。其中人類活動被認(rèn)為是導(dǎo)致土地利用變化的最主要因素之一。Mottet等認(rèn)為影響農(nóng)業(yè)土地利用變化的驅(qū)動因素不僅包括農(nóng)業(yè)環(huán)境因素,還包括具體的當(dāng)?shù)匾蛩?特別是道路的建設(shè)。劉紀(jì)遠(yuǎn)等通過對我國20世紀(jì)90年代的土地利用變化特征進(jìn)行分析,認(rèn)為政策調(diào)控和經(jīng)濟(jì)驅(qū)動是導(dǎo)致土地利用變化的主要原因。朱會義等確定土地管理政策、人均居住用地的增長、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及城市擴(kuò)張是環(huán)渤海地區(qū)LUCC的主要驅(qū)動因素。綜合分析國內(nèi)外學(xué)者的研究成果,目前對土地利用和景觀綜合分析的研究較少,而且對LUCC和景觀格局變化(landscapepatternchange,LPC)的驅(qū)動力分析也缺少量化研究。為保護(hù)耕地資源,維護(hù)國家糧食安全,了解京津冀地區(qū)LUCC和LPC的驅(qū)動因素,本文從土地利用景觀結(jié)構(gòu)變化出發(fā),利用比較成熟的土地利用和景觀變化檢測方法對京津冀地區(qū)1990~2000年的LUCC和LPC進(jìn)行分析,通過相關(guān)分析和主成分分析及驅(qū)動機(jī)制指標(biāo)以尋求驅(qū)動因素的時空規(guī)律,試圖為土地的規(guī)劃、管理以及生態(tài)保護(hù)提供參考依據(jù)。1研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法1.1氣候的分布條件京津冀地區(qū)包括北京市、天津市、河北省3個省市,位于東經(jīng)113°04′~119°53′,北緯36°01′~42°37′。屬典型的暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候,冬季寒冷少雪,夏季炎熱多雨。地勢由西北向東南傾斜,西北部為山區(qū)、丘陵和高原,其間分布有盆地和谷地,中部和東南部為廣闊的平原。京津冀地區(qū)交通發(fā)達(dá),有京廣、京滬、京九、京山、京原、京通、石太等10余條鐵路和京深、京哈、黃石、青銀、石太等多條高速公路過境,是全國交通最為密集的地區(qū)之一。1.2京津冀景觀格局的時空變化本文的土地利用/覆被數(shù)據(jù)采用中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫中1990年和2000年京津冀地區(qū)1︰100000的土地利用數(shù)據(jù)。根據(jù)中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心的全國1︰100000土地利用分類體系,土地利用分類為6個一級地類,分別為:耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地。通過利用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的方法對LUCC進(jìn)行定量分析,而后在景觀多樣化、破碎化分析中,采用石玉勝提出的景觀破碎化指數(shù)(LFI)和景觀多樣化指數(shù)(LDI)對京津冀地區(qū)景觀格局的時空變化進(jìn)行了分析和探討。為了定量化分析京津冀地區(qū)LUCC和LPC的影響因素,將1990~2000年的耕地變化、LDI、LFI和社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行多元相關(guān)分析和主成分分析。社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于1990年、2000年和2008年的北京、天津和河北經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計年鑒。通過統(tǒng)計方法進(jìn)行分析過程中,為了簡化研究方法和計算量,本文選取兩條典型樣帶(圖1),并對樣帶內(nèi)LUCC和LPC的驅(qū)動因素進(jìn)行了定量化計算。1.2.1斑塊密度變化的求解景觀破碎化指數(shù)(landscapefragmentationindex,LFI)是指一定空間和時間單元內(nèi)土地利用斑塊密度的變化,用下式計算:式中,t為研究時段的起始時間,t+1為研究時段的結(jié)束時間,NPt為計算單元內(nèi)研究時段開始時的斑塊個數(shù),NPt+1為計算單元內(nèi)研究時段期末的斑塊個數(shù),A指計算單元的總面積,(i,j)表示計算單元的位置。1.2.2香農(nóng)多樣性指數(shù)sh有效周延甲菌n景觀多樣性指數(shù)(landscapediversificationindex,LDI)指一個區(qū)域景觀類型的多樣性和分布的均勻性,反映景觀的復(fù)雜性。計算公式如下:式中,SHDI指香農(nóng)多樣性指數(shù)(Shannondiversityindex),Pi表示斑塊類型i所占景觀面積的比例,t指研究時段的起始時間,t+1指研究時段的結(jié)束時間,(i,j)表示計算單元的位置。上述兩個指數(shù)可以從土地利用景觀的角度,對LUCC和LPC進(jìn)行分析,進(jìn)而了解特定時間內(nèi)區(qū)域間的LUCC和LPC的變化強度。2結(jié)果與分析2.1土地使用、冠層形狀變化和景觀結(jié)構(gòu)變化2.1.1不同類型土地的自然分布1990~2000年間京津冀地區(qū)建設(shè)用地增長迅速,造成了耕地大量減少,尤其在北京、天津、石家莊等大中城市最為明顯(圖2),城市周圍大量耕地被轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,水域有所減少,林地、草地和未利用地略有變化(表1)。各類用地的增加大多來源于耕地,僅耕地變化量就占總變化量的78.05%,而且大量耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地;由于林草地的判別誤差,導(dǎo)致許多林草地的互相轉(zhuǎn)化;而未利用地轉(zhuǎn)為耕地主要來自于土地開發(fā)整理的貢獻(xiàn)。從總量上看,10年間建設(shè)用地面積增長率為21.05%,其次是水域和耕地。這主要是由于城市擴(kuò)張、居民點擴(kuò)大以及道路的建設(shè)占用了大量耕地,造成許多耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。由此可以看出,LUCC中耕地成為最大的貢獻(xiàn)者,而且在LUCC中人類活動是LUCC的主要驅(qū)動因素。2.1.2景觀元素變化本文引入LFI和LDI,從土地景觀的角度對京津冀地區(qū)的LPC進(jìn)行分析。圖3為采用3km×3km的移動窗口計算得出的京津冀地區(qū)的LFI和LDI,顏色越深表示斑塊越趨于一體化、類型的單一化,顏色越淺越趨于破碎化、多樣化。無論顏色加深還是變淺均代表了LUCC和LPC的變化強度在增加,只是方向相反。從圖3中可以看出北京市區(qū)趨于一體化,而城市外圍趨于破碎化、多樣化;承德市、張家口市由于10年來退耕還林等生態(tài)建設(shè)導(dǎo)致LPC比較突出;各城鎮(zhèn)及農(nóng)村居民地的擴(kuò)張或變化,也引起了LDI和LFI的變化?？傮w而言,LPC可劃分兩類,即生態(tài)政策影響區(qū)和社會經(jīng)濟(jì)影響區(qū)。西部山區(qū)和燕山地區(qū)主要受生態(tài)政策的影響,土地利用景觀波動性比較大;城市和農(nóng)村居民點附近受人口、經(jīng)濟(jì)的擾動,導(dǎo)致景觀趨于破碎化。結(jié)合圖2可以發(fā)現(xiàn),景觀變化強烈的地區(qū)也主要為耕地與其他地類交錯的區(qū)域,因此耕地變化與LPC也有著一定的一致性。2.2土地使用、屋頂層破壞和景觀結(jié)構(gòu)變化的動力分析2.2.1北京等城市和北京市兩大區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較本文選取兩條具有代表性的樣帶(圖1),樣帶中各縣(市、區(qū))人口、經(jīng)濟(jì)、交通、高程等自然社會經(jīng)濟(jì)狀態(tài)基本上反映了京津冀地區(qū)的自然和社會經(jīng)濟(jì)特征。兩個樣帶中各縣(市、區(qū))既有地帶的連續(xù)性,又有社會經(jīng)濟(jì)和自然狀況差異性,且兩樣帶間也存在著一定的差異。樣帶1主要包含內(nèi)陸的平原或山區(qū),而樣帶2主要包括毗鄰大城市的發(fā)達(dá)地區(qū)和濱海地區(qū),兩樣帶經(jīng)濟(jì)差異明顯(圖4)。從圖4可以看到,北京等大城市周圍地區(qū)人口多、人均GDP高、交通便利,如北京市的大興區(qū)、豐臺區(qū)等;而對于河北省的淶源縣和唐縣及北京市的門頭溝等山區(qū)人口、經(jīng)濟(jì)比較薄弱。兩樣帶的地形均是由高到低,交通便捷;同時,經(jīng)濟(jì)與交通略有相似的變化趨勢。2.2.2相關(guān)指標(biāo)和驅(qū)動因子根據(jù)上文LUCC和LPC的特征得知,LUCC中主要為耕地對建設(shè)用地等其他用地的轉(zhuǎn)換,且LPC在空間上也有類似趨勢。利用樣帶內(nèi)20個縣(市、區(qū))1990~2000年間耕地面積變化量(Y1)、LDI(Y2)和LFI(Y3)與年末總?cè)丝?X1)、鄉(xiāng)村人口(X2)、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力(X3)、地區(qū)生產(chǎn)總值(X4)、農(nóng)民人均純收入(X5)、公里里程(X6)、社會消費品零售總額(X7)和城鎮(zhèn)職工平均工資(X8)的變化量進(jìn)行相關(guān)分析,找出影響LUCC和LPC的主要相關(guān)因子或驅(qū)動因子。表2為耕地變化量、LDI和LFI與各指標(biāo)的相關(guān)矩陣,經(jīng)過相關(guān)系數(shù)檢驗后認(rèn)為耕地與鄉(xiāng)村人口、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力、農(nóng)民人均純收入、公路里程、城鎮(zhèn)職工平均工資均有一定的相關(guān)性;LDI與年末總?cè)丝凇⒌貐^(qū)生產(chǎn)總值、公里里程和社會消費品零售總額高度相關(guān);LFI與年末總?cè)丝诤凸锢锍叹哂泻芨叩南嚓P(guān)性。由于許多變量之間也存在著相關(guān)性,例如:年末總?cè)丝谂c地區(qū)生產(chǎn)總值、社會消費品零售總額高度相關(guān),地區(qū)生產(chǎn)總值與農(nóng)民人均純收入、社會消費品零售總額和城鎮(zhèn)職工平均工資的相關(guān)性也很高。為了簡化數(shù)據(jù)量,本文對各影響因素進(jìn)行主成分分析,得到社會經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、交通3個主成分,且特征值均大于1,累積貢獻(xiàn)率為83.88%。因此確定影響LUCC和LPC的主要驅(qū)動力為社會經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和交通三大驅(qū)動因素。2.2.3驅(qū)動因素的時空差異在對LUCC和LPC的驅(qū)動力分析中,由于每個地區(qū)LUCC和LPC驅(qū)動力的側(cè)重點不同,以上相關(guān)分析和主成分分析并不能很好地反映驅(qū)動因素的時空差異,甚至還會削弱地區(qū)間的差異性。因此,本文對社會經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和交通3個主成分以及地形和政策條件分別進(jìn)行分析和討論,以尋找各地區(qū)驅(qū)動力的差異性及規(guī)律性。2.2.3.土地利用的擴(kuò)張(1)人口因子。1990年以來,醫(yī)療衛(wèi)生條件的進(jìn)步,人口不斷增加,到2000年底京津冀地區(qū)人口達(dá)8176.34萬。在短短的10年間,僅北京市的外來人口就增加了202.3萬人,占總?cè)丝诘谋壤灿稍瓉淼?.72%上升到15.81%。隨著人口的增加,住房等基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施也需要相應(yīng)增加,造成城市和村莊不斷向外圍擴(kuò)張而占用大量其他用地。(2)經(jīng)濟(jì)因子。經(jīng)濟(jì)是土地利用/覆被和景觀格局變化的一個重要驅(qū)動因子。由于經(jīng)濟(jì)的刺激,勞動力向大城市或經(jīng)濟(jì)效益好的地方流動,促使城市規(guī)模擴(kuò)大并不斷向外擴(kuò)張。在農(nóng)村,農(nóng)民為了獲得更大的收益,往往不斷更換作物種植結(jié)構(gòu)或者改變土地利用類型,如糧食作物改種蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物以及未利用地或耕地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地以求獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)濟(jì)發(fā)展不僅體現(xiàn)在對本地發(fā)展的重要影響,而且對周邊地區(qū)也有一定的帶動或拉動作用,這種作用隨著距離的增加而減小。如圖5,樣帶中北京市的豐臺區(qū)、通州區(qū)、大興區(qū)以及河北省無極縣距離大城市較近,而河北省清河縣、南宮市、灤縣、昌黎縣距離大城市最遠(yuǎn),由此可推斷豐臺區(qū)、通州區(qū)、大興區(qū)以及無極縣土地利用變化較強烈,尤其是耕地減少以及景觀指數(shù)變化更加突出。經(jīng)過對1990~2000年10年間的耕地變化量和景觀指數(shù)變化整理發(fā)現(xiàn),豐臺區(qū)、大興縣、通州區(qū)等與實際狀況有很好的一致性(圖6)。而其他地區(qū)受到交通、地形等因素的影響,耕地、LDI和LFI發(fā)生不同程度的變化。2.2.3.提高能力,減少濕地建設(shè)的土地利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件對土地利用/覆被與景觀格局變化的影響主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)機(jī)械的改進(jìn)、化肥施用量的增加等方面,尤其是灌溉能力的提高導(dǎo)致許多旱地和未利用地變?yōu)榱继铩＞┙蚣降貐^(qū)由于土地整理項目的實施和農(nóng)業(yè)投入的加大,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得到了改善,使得許多難以耕種的未利用地和低產(chǎn)田變?yōu)楦弋a(chǎn)田。而且,東部中低產(chǎn)田地區(qū)地下水為微咸水,農(nóng)業(yè)發(fā)展受到很大限制,然而近年來諸多科研項目的實施逐步解決了此瓶頸,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平提高,改變了土地利用現(xiàn)狀,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的大發(fā)展。2.2.3.帶動作用方面鐵路和高速公路等道路的建設(shè)直接占用了大量的耕地和其他用地。1990~2000年10年間大秦線和京九線等鐵路以及京津塘高速、京石高速,石家莊-安陽-新鄉(xiāng)高速等線路的修建,改變了原有土地類型,直接增加了交通用地的數(shù)量,從景觀上來講,增加了斑塊和廊道的數(shù)量,加快了斑塊間的物質(zhì)流動。鐵路、高速公路、國道、省道和縣道等除了溝通各個地區(qū)進(jìn)行貨物運輸外,其經(jīng)濟(jì)的帶動作用也促使附近地區(qū)土地利用的變化。鐵路和高速公路一般以站點或高速出口為原點形成經(jīng)濟(jì)的吸引和帶動,而鐵路和高速兩側(cè)的地區(qū)之間的交流反而容易被影響。國道、省道等客流量和貨流量較大,且交通方便,由此在國道、省道等兩側(cè)多建立服務(wù)設(shè)施和企業(yè),以至于國道和省道兩側(cè)建設(shè)用地增長較快。2.2.3.地形復(fù)雜度特征及政策驅(qū)動作用雖然人類活動對土地利用的干擾比自然對其的影響要大,但自然對LUCC和LPC的影響是不容忽視的。本文綜合高程、坡度和坡向的變化來描述地形復(fù)雜度,通過對地形復(fù)雜度的分析,以了解地形條件對LUCC和LPC的影響。地形復(fù)雜度是地形起伏、坡度、坡向等的變化頻率,反映了地形的破碎和復(fù)雜程度。圖7為地形復(fù)雜度的兩個表示方法或參數(shù)。圖7a為坡度變化率,即坡度的變化頻率,圖中顏色越深說明坡度的變化率越強,也就是地形的坡度變化越高,地形越復(fù)雜;圖7b為地形起伏度,是指一定區(qū)域內(nèi)柵格中最大高程與最小高程的差值,它表示地形的起伏特征。圖7b中,顏色越深同樣表示地形越復(fù)雜,但它是從地勢的起伏程度來說明地形的復(fù)雜程度的。從圖7可以看出,西部及北部山區(qū)地形較復(fù)雜,而平原地區(qū)地形較簡單。由于地形復(fù)雜的地區(qū)人口少,進(jìn)而人類活動對自然的干擾也小,以致于LUCC和LPC在平原地區(qū)表現(xiàn)較突出。政策的驅(qū)動作用也是很明顯的,但是由于其突發(fā)性和不可預(yù)測性,目前對于政策驅(qū)動作用的研究還比較少。京津冀地區(qū)在生態(tài)政策的影響下1990~2008年間西部山區(qū)還林還草造成土地利用和景觀的不同程度變化。除還林還草的生態(tài)建設(shè)政策外,土地開發(fā)整理等政策的落實,對于土地利用和景觀的變化也有重要影響。因此,政策也被認(rèn)為是LUCC和LPC的影響因素之一。3lucc和lpc的區(qū)域差異本文對LUCC和LPC進(jìn)行變化檢測,發(fā)現(xiàn)1990~2000年間北京、天津、石家莊等大城市發(fā)展