本文摘要：摘要：未來城市發(fā)展更加需要依托城市群這一載體，區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化是其能否保持可持續(xù)發(fā)展的重要基
摘要：未來城市發(fā)展更加需要依托城市群這一載體，區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化是其能否保持可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。本研究基于2000年—2020年三期MODIS遙感數(shù)據(jù)，通過劃分城市綠色空間及構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)RSEI模型，輔以趨勢分析等方法，定量分析城市化背景下京津冀地區(qū)土地生態(tài)環(huán)境的時空動態(tài)變化和演變規(guī)律。結(jié)果表明：(1)京津冀地區(qū)主要綠色空間為中、高植被密度區(qū)并呈逐年增加的趨勢。隨著城市灰色空間以及人造綠色空間增加，轉(zhuǎn)換為無植被覆蓋區(qū)和低植被覆蓋區(qū)的面積占13.58%;(2)植被密度整體呈上升趨勢并可劃分為個梯度，第一梯度為張家口、承德和保定個城市，占整個上升區(qū)的61%。植被密度減少的轉(zhuǎn)換類型主要存在于較高城市化水平的城市;(3)研究區(qū)東部和南部生態(tài)狀況改善明顯，中西部、北部以及部分城市中心呈緩慢下降趨勢。不同綠色空間生態(tài)指數(shù)發(fā)生正向轉(zhuǎn)換時生態(tài)狀況呈提升狀態(tài)，發(fā)生負向轉(zhuǎn)換時生態(tài)狀況呈下降趨勢，下降速率(0.0385/a)高于提升速率(0.0261/a)。研究結(jié)果可以為京津冀地區(qū)合理發(fā)展和科學(xué)治理綠色空間提供科學(xué)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，對區(qū)域經(jīng)濟、社會和環(huán)境的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展具有實踐意義。
關(guān)鍵詞：城市綠色空間;RSEI;時空演變;城市化
1引言
中國被認為是目前城市化速度最快的發(fā)展中國家，城市人口數(shù)量龐大，能源消耗量及碳排放量仍處于“雙上升”階段[1]。中國城市人口在2016年已經(jīng)相當(dāng)于世界平均水平，達到57.35%;預(yù)計2030年將達到75%[2]。綠色可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)已經(jīng)成為我國城市化發(fā)展的主流，隨著城鎮(zhèn)化的迅速推進和城市用地的快速擴張，原有的城市綠色空間遭受大幅度的破壞，空間格局變化巨大。綠色空間作為城市評判生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)，被廣泛化地認為一定程度上反映了該地區(qū)的自然條件和人類活動的變化。
20世紀(jì)后半期，國內(nèi)外開始廣泛開展人類活動與生態(tài)環(huán)境之間響應(yīng)關(guān)系的定性與定量研究，并從單一角度、單一因子發(fā)展為多角度、多因子、多尺度的研究[35]。遙感技術(shù)因其快速、實時、長時序觀測、覆蓋范圍廣等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用[6,7]，通過遙感技術(shù)實現(xiàn)對城市化進程中土地生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測分析，可以探索城市化建設(shè)與生態(tài)環(huán)境發(fā)展之間的同步性與關(guān)聯(lián)性[8]，進而促進城市化進程中社會、經(jīng)濟與生態(tài)的健康可持續(xù)發(fā)展。
近30年來，京津冀地區(qū)在推進城鄉(xiāng)經(jīng)濟社會高速發(fā)展的同時，遭遇了一系列資源環(huán)境問題和國土生態(tài)安全威脅，生態(tài)環(huán)境治理需求極為迫切[9,10]。隨著國家的一系列有關(guān)生態(tài)環(huán)境保護政策的出臺，京津冀地區(qū)也在迫切的給出相應(yīng)措施，2015年批準(zhǔn)實施《京津冀協(xié)同發(fā)展生態(tài)保護規(guī)劃》，首次規(guī)定了京津冀地區(qū)生態(tài)環(huán)保紅線，并規(guī)定了環(huán)境質(zhì)量底線和資源消耗上線。
面對國家在京津冀地區(qū)部署的重大戰(zhàn)略，客觀并及時地對生態(tài)環(huán)境的動態(tài)變化實時監(jiān)測，這不僅是對國家政策的支持，更是京津冀地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)工作得以順利開展的前提，是整個京津冀地區(qū)發(fā)展建設(shè)規(guī)劃的迫切需求。本研究基于遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)以及城市綠色空間數(shù)據(jù)，對京津冀地區(qū)生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測和評估，分析和研究城市化背景下該地區(qū)土地生態(tài)環(huán)境的時空動態(tài)變化和演變規(guī)律，可以為京津冀地區(qū)城市化更加合理的發(fā)展和科學(xué)治理綠色空間提供數(shù)據(jù)和依據(jù)，對區(qū)域經(jīng)濟、社會和環(huán)境的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。
2數(shù)據(jù)和方法
2.1研究區(qū)概況
京津冀地區(qū)包括北京、天津兩個直轄市以及河北11個地級市，地處北緯36°05′42°40′，東經(jīng)113°27′119°50′之間。該城市群位于華北平原北端，整體地勢呈現(xiàn)出西北高東南低的地形特點，地貌類型多樣包括平原、山地、丘陵等，西部有京北第一草原(壩上草原)、燕山和太行山山系，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。近年來，京津冀地區(qū)人口大量集中，人類活動的程度和范圍不斷擴大，城市建設(shè)用地不斷擴張，經(jīng)濟增長快速。
2.2數(shù)據(jù)來源與處理
在本次研究所采用的衛(wèi)星遙感影像是由美國國家航空航天局NASA的EOS/MODIS提供的，其中Modis數(shù)據(jù)類型包括：MOD09A1(8天最大反射率合成，空間分辨率500m)，MOD11A2(地表溫度數(shù)據(jù)，空間分辨率1km)，MOD13A1(16天植被覆蓋指數(shù)，空間分辨率500m)。影像數(shù)據(jù)時間跨度為2000年7月—2020年八月，七八月份是全年內(nèi)植被覆蓋度極高的月份，所下載的影像數(shù)據(jù)盡量挑選研究區(qū)域影像云量少，數(shù)據(jù)反映度最佳的。
2.3研究方法
2.3.1城市綠色空間定義
城市綠色空間(UrbanGreenspace,UGS)在景觀學(xué)中的廣義概念中是城市環(huán)境中所覆蓋的任何一種植被[11]。隨著對城市綠色空間研究的進一步發(fā)展，其研究區(qū)域主要指城市內(nèi)部環(huán)境與周邊環(huán)境所覆蓋植被的區(qū)域，是城市中自然或者半自然的土地利用狀態(tài)[12,13]。歸一化植被指數(shù)(NDVI)可以很好地反映植物生長狀態(tài)以及區(qū)域土地生態(tài)狀況，特別是在受到人類活動擾動強烈的城市地區(qū)[14]。通過NDVI閾值劃分，可以將城市的綠色空間劃分為四個類型[15,16]：
1)無植被覆蓋地表：主要為城市灰色空間，包括裸地、不透水面等;2)低植被密度區(qū)：主要為城市及周邊的人造城市綠色空間如公園、道路防護林及荒草地、疏林地等;3)中植被密度區(qū)：主要為半自然城市綠色空間，如新造林地、植物園、城市社區(qū)林地、草地等;4)高植被密度區(qū)：包括自然城市綠色空間如森林、苗圃和連片的耕地等。
對照2000—2020年全球地表覆蓋成果，選取研究區(qū)范圍內(nèi)的30m分辨率地表覆蓋數(shù)據(jù)，疊加后進行隨機采樣，判斷京津冀地區(qū)2000年、2010年和2020年個年份不同地表覆蓋類型，最終得到表中用于劃分綠色空間的NDVI閾值。根據(jù)不同植被密度分別設(shè)置像元編碼無植被覆蓋區(qū)、低植被密度區(qū)、中植被密度區(qū)、高植被密度區(qū)4];將研究期分為2000—2010、2010—2020及2000—2020三個階段，前一時刻與后一時刻的像元編碼以十位數(shù)和個位數(shù)的組合形式成為綠色空間變化的像元編碼，因此得到京津冀地區(qū)城市綠色空間變化時空圖譜。
2.3.2RSEI模型構(gòu)建
遙感生態(tài)指數(shù)RESI，是反映被評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況的一系列指數(shù)的綜合評價方法，本文利用MODIS數(shù)據(jù)提取的是綠度(NDVI)、濕度(WET)、干度(NDSI)、熱度(LST)這種生態(tài)因子來生成遙感生態(tài)指數(shù)[6,7,18]。
2.3.3空間生態(tài)變化趨勢分析
采用一元線性回歸分析模擬2000—2020年研究區(qū)每個柵格單元RSEI的變化趨勢，該方法基于最小二乘法逐柵格擬合年像元值的斜率，可以綜合反映其變化趨勢。
3結(jié)果與討論
3.1城市綠色空間時空演變分析
3.1.1城市綠色空間時間變化特征
京津冀地區(qū)主要綠色空間為中、高植被密度區(qū)并呈逐年增加的趨勢，無植被覆蓋區(qū)和低植被覆蓋區(qū)呈現(xiàn)逐年遞減趨勢。通過對研究區(qū)土地植被密度進行統(tǒng)計，獲得不同時段植被密度區(qū)的分布及其變化情況，2000年、2010年和2020年京津冀地區(qū)不同植被密度下的綠色空間分布。
研究區(qū)主要綠色空間為中、高植被密度區(qū)，分布在東北及東南地區(qū)。2000年中、高植被密度區(qū)占整個區(qū)域面積的比例為78.34%，中植被密度區(qū)為主要區(qū)域，占41.30%;到2010年中、高植被密度區(qū)的占比上升到86.41%，且高植被密度區(qū)呈現(xiàn)快速增長的趨勢并超過中密度區(qū)達到57.33%;而2020年兩個區(qū)域占整個地區(qū)的90.01%，中、高植被密度區(qū)的面積差距進一步加大，高植被密度區(qū)進一步增加至65.12%。
根據(jù)2002年—2020年的全國城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計年鑒，隨著城市化的發(fā)展京津冀地區(qū)的城市建成區(qū)面積從2570.62km增加到4802.19km，本研究中無植被覆蓋區(qū)和低植被密度區(qū)主要在水域、城市建設(shè)區(qū)及其周邊區(qū)域，呈現(xiàn)出逐年遞減的趨勢，這一結(jié)果主要受到城市發(fā)展過程中對城市綠地的建設(shè)與保護的影響。
2000—2020年間研究區(qū)的綠色空間發(fā)生了不同程度的變化。中植被密度區(qū)向高植被密度區(qū)的轉(zhuǎn)換面積占比最大，占總變化的54.92%，且在不同城市均為主要轉(zhuǎn)換類型;其次為低植被密度向中、高植被密度轉(zhuǎn)換，分別為18.80%和9.21%;而植被密度下降的主要類型為高植被密度向中植被密度轉(zhuǎn)換和中植被密度向低植被密度轉(zhuǎn)換，分別占總變化量的6.28%和4.43%;由其他密度類型中轉(zhuǎn)為無植被覆蓋區(qū)和低植被覆蓋區(qū)的比例為9.15%，這部分轉(zhuǎn)換量主要受城市擴張過程中灰色空間及人造綠色空間產(chǎn)生的影響，主要集中在中部、東部及東南地區(qū)。
分階段來看，2000—2010年間植被密度有所改善的區(qū)域主要分布在張家口、承德、天津、滄州等地，2010—2020年植被密度有所改善的地區(qū)主要為西北部——張家口、承德、石家莊和保定及北京、天津的城市中心地帶;植被密度減少的空間分布在2000—2010主要為保定、石家莊、邢臺和邯鄲及北京、天津的城市中心地帶，2010—2020主要為東部和東南地區(qū)，尤其是沿海城市。
20年的時間里研究區(qū)的植被密度整體呈上升趨勢，表統(tǒng)計了研究區(qū)不同階段中各個城市植被密度提升的面積，結(jié)果表示2000—2010階段和2010—2020階段不同城市的植被密度有提升也有下降，結(jié)合圖所反映京津冀不同城市綠色空間轉(zhuǎn)換的主要類型統(tǒng)計結(jié)果，可以將研究區(qū)劃分為個變化梯度，第一梯度為張家口、承德和保定個城市，占整個上升區(qū)的61%，第二梯度為北京、天津、石家莊、唐山和滄州，第三梯度為秦皇島、邯鄲、邢臺、廊坊和衡水。張家口和承德位于京津冀地區(qū)的西北部與保定的北部地區(qū)一起承擔(dān)著區(qū)域的水源涵養(yǎng)與水土保持功能，通過太行山綠化、北方防沙帶等工程，使得公益林和天然林得到很好保護與修復(fù)。
北京、天津、石家莊、唐山等城市作為城市化程度較高地區(qū)，植被密度改善的區(qū)域相對集中在城市中心，這類城市更加注重已有的綠色空間的建設(shè)和保護;東部天津、滄州沿海地區(qū)受濱海濕地生態(tài)修復(fù)和退化林修復(fù)工程的影響，臨海地區(qū)的植被密度改善明顯，主要為無植被覆蓋區(qū)向中植被密度區(qū)轉(zhuǎn)化及低植被密度區(qū)向高植被密度區(qū)轉(zhuǎn)化。衡水、邯鄲、邢臺等城市位于華北農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)，植被受人類活動如農(nóng)作物的夏收和秋收等影響會呈現(xiàn)植被密度變化的波動，但整體表現(xiàn)比較平穩(wěn)，城市的西部、北部區(qū)域植被密度呈逐年遞增的趨勢。在兩種主要植被密度減少的轉(zhuǎn)換類型中，各個城市所占的比例主要為較高城市化水平的城市如北京、天津、石家莊、唐山等。
3.2京津冀地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價
2000年、2010年以及2020年第一主成分的貢獻率均在90%上，包含了項指標(biāo)中多數(shù)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相關(guān)的主要信息，可以用于分析研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。研究區(qū)的生態(tài)狀況總體呈上升趨勢，其SEI均值由2000年的0.4109上升至2020年的0.6845，上升了66.59%，反映京津冀地區(qū)整體生態(tài)環(huán)境得到改善，其中2000—2010年RSEI改善速率為0.0143/a，2010—2020年間為0.0131/a。為反映2000—2020年京津冀地區(qū)RSEI的空間分布情況，將RSEI值劃分為個等級，每個等級間隔0.2，分別代表生態(tài)狀況差[0,0.2]，較差(0.2,0.4]，中等(0.4,0.6]，良(0.6,0.8]和優(yōu)(0.8,1]。
2000年生態(tài)狀況高值區(qū)主要分布在北京、承德、唐山、廊坊、保定等地，RSEI>0.6的區(qū)域占比為29.58%;2010年生態(tài)狀況高值區(qū)在2000年的基礎(chǔ)上向周邊擴大，主要為區(qū)域的東部和南部，以及承德和張家口的南部地區(qū)，RSEI>0.6的區(qū)域占比為60.74%;2020年生態(tài)指數(shù)高值區(qū)主要分布在地區(qū)的東部和南部，面積占比較2010年有所減少，RSEI>0.6的區(qū)域占比為49.38%。京津冀地區(qū)的生態(tài)指數(shù)中等及以下的區(qū)域總體來看呈逐漸減少的趨勢，2000年、2010年和2020年分別占比為70.42%、39.26%和50.62%，空間分布從環(huán)中心區(qū)域發(fā)展為主要集中在北部、西北山區(qū)及北京、天津等城市中心。
為進一步分析京津冀RSEI的空間變化，基于一元線性回歸模型，在像元尺度上進一步分析了20年來該值的變化趨勢，并將RSEI的變化趨勢分為快速下降區(qū)(slope≤0.1)、緩慢下降區(qū)(0.1
3.3不同綠色空間遙感生態(tài)指數(shù)變化分析
2000—2020年不同綠色空間生態(tài)指數(shù)呈現(xiàn)波動變化，2000—2010年間整體呈上升趨勢，2010—2020年間為下降趨勢。無植被覆蓋區(qū)2020年RSEI值達到近20年最低，有植被覆蓋的城市綠色空間的RSEI均值為0.40.65之間。低植被密度區(qū)生態(tài)指數(shù)在2020年達到最低，中植被密度區(qū)2010年生態(tài)指數(shù)最高，2020年與2000年生態(tài)狀況基本持平;高植被密度區(qū)面積逐年增加，其生態(tài)狀況總體呈上升趨勢，2020年與2010年區(qū)域生態(tài)狀況均處于良好等級。對其中主要綠色空間變化區(qū)域的生態(tài)狀況進行統(tǒng)計可知，2000年至2020年綠色空間無變化區(qū)域以及各正向轉(zhuǎn)換的變化區(qū)域RSEI均值平均增加了10.19%，增加速率為0.0261/a;各負向轉(zhuǎn)換的變化區(qū)域RSEI均值平均減少了12.59%，減少速率為0.0385/a。
4結(jié)論
京津冀地區(qū)作為北方的重要經(jīng)濟區(qū)，人類活動強烈，城市擴張在很長一段時期都將是該城市群發(fā)展的主要趨勢[21]，生態(tài)環(huán)境的變化是其能否保持可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。本文基于不同植被密度劃分城市綠色空間，并分析京津冀地區(qū)綠色空間的時空變化，運用MODIS數(shù)據(jù)通過主成分分析構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)，對京津冀地區(qū)20年的生態(tài)環(huán)境狀況時空變化特征進行分析。
結(jié)論如下：
(1)總體來看，京津冀地區(qū)城市綠色空間分布表現(xiàn)為從西北部、南部的平原區(qū)向北部丘陵區(qū)逐漸增加的趨勢，特別是燕山山脈和太行山脈地區(qū)，以森林植被類型為主，受人類活動影響較小，植被質(zhì)量常年較好。以城市灰色空間和人造綠色空間為主的無植被覆蓋區(qū)域和低植被密度區(qū)呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢，向高植被密度區(qū)的轉(zhuǎn)換在不同城市均為主要轉(zhuǎn)換類型，而不同城市的變化仍存在差異。
(2)研究區(qū)的植被密度整體呈上升趨勢并可劃分為個梯度，第一梯度為張家口、承德和保定個城市，占整個上升區(qū)的61%，通過推進太行山綠化、北方防沙帶建設(shè)等系列綠化工程，使得西北部地區(qū)植被提升程度明顯。在城市化較高的城市如北京、天津、石家莊、唐山等地，其城市中心植被密度等級上升的面積逐年增加，環(huán)城區(qū)域的植被密度等級則在下降，這類城市更加注重已有的綠色空間的建設(shè)與保護，這與趙安周等人在進行研究區(qū)的不透水表面覆蓋率的相關(guān)研究中得出的結(jié)論相近[2。
(3)京津冀地區(qū)RSEI等級主要為良好和中等，生態(tài)改善狀況地區(qū)存在顯著差異，區(qū)域的東部和南部生態(tài)狀況改善明顯，中西部、北部以及部分城市中心呈緩慢下降趨勢。
(4)研究期內(nèi)不同植被密度空間轉(zhuǎn)換會對生態(tài)指數(shù)的變化產(chǎn)生影響，總體來說，植被密度較低一級的綠色空間向較高密度綠色空間轉(zhuǎn)換其生態(tài)狀況整體呈提升狀態(tài)，在轉(zhuǎn)換為高植被密度的區(qū)域尤為明顯;較高密度綠色空間轉(zhuǎn)向較低密度綠色空間其生態(tài)狀況整體呈下降趨勢，且下降速率要高于生態(tài)狀況處于提升狀態(tài)時的速率。
(5)區(qū)域生態(tài)狀況是自然、經(jīng)濟和社會多項活動綜合影響的結(jié)果，即使SEI模型綜合考慮了四種因素，仍然要進一步考慮自然條件如高程、氣候，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等對區(qū)域生態(tài)的影響。在今后的研究中可以在此基礎(chǔ)上結(jié)合典型區(qū)域，根據(jù)區(qū)域特點分析城市發(fā)展中的自然因素和人類活動對于土地生態(tài)所產(chǎn)生的影響及耦合關(guān)系。
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作者：孫琦1,2，陳宇燦3，魯峻銘1，趙玉玲
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