劉菁華,李偉峰,周偉奇,韓立建,錢(qián)雨果,鄭曉欣

1 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

京津冀城市群景觀格局變化機(jī)制與預(yù)測(cè)

劉菁華1,2,李偉峰1,*,周偉奇1,韓立建1,錢(qián)雨果1,鄭曉欣1

1 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

“城市群”是我國(guó)新型城鎮(zhèn)化的主體形態(tài),對(duì)推進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義,但其聚集連片的快速擴(kuò)張模式對(duì)資源環(huán)境的壓力持續(xù)增加,已經(jīng)成為制約未來(lái)可持續(xù)的瓶頸。以我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最為活躍,但生態(tài)環(huán)境問(wèn)題十分突出的京津冀城市群為例,基于CLUE-S模型,模擬分析了1990—2010年京津冀城市群景觀格局的變化特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制,并預(yù)測(cè)了未來(lái)景觀格局的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明,(1)1990—2010年京津冀城市群景觀格局變化顯著。其中,人工表面持續(xù)增加,耕地明顯下降,林地和草地格局的變化也存在明顯的時(shí)序差異；(2)京津冀城市群景觀格局的變化主要受自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素的綜合影響,且不同景觀類(lèi)型之間的驅(qū)動(dòng)機(jī)制存在明顯差異。其中,林地更易在地勢(shì)較高、坡度較大的西部地區(qū)分布,而河流、人工表面等更易在平坦低洼的區(qū)域分布；此外,不同景觀類(lèi)型變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制存在顯著的時(shí)序差異,例如,人工表面受地形的影響程度逐步降低,呈現(xiàn)更加離散的分布,且其分布特征由較早時(shí)期的向市中心集聚分布發(fā)展為逐漸遠(yuǎn)離市中心并向鐵路、高速路周邊集聚的趨勢(shì)；(3)經(jīng)檢驗(yàn),CLUE-S模型能夠較好地動(dòng)態(tài)模擬京津冀城市群的土地覆蓋格局的變化特征,模型的Kappa指數(shù)達(dá)0.84。模擬預(yù)測(cè)結(jié)果顯示,未來(lái)(2020年)景觀格局演變的顯著特征是人工表面將持續(xù)增加,耕地將繼續(xù)顯著減少。北京、天津、唐山和石家莊等核心城市的景觀格局變化將最為顯著。

京津冀城市群；CLUE-S模型；景觀格局；驅(qū)動(dòng)機(jī)制

Abstract： Urban agglomeration is the major form of China′s new urbanization, which has greatly advanced national economic development. However, rapid regional urbanization has posed serious pressures on ecosystems, and it restricts the sustainable development of cities. We studied the Beijing-Tianjin-Hebei Metropolitan Region (BTH), which is undergoing rapid urbanization but is also facing many ecological environmental problems, as a case example to analyze the dynamics of landscape change and their driving factors during 1990—2010. To do this, we used the logistic model and simulated changes in land-cover by using the CLUE-S model. Then, we predicted the changing trends of the landscape patterns of BTH in 2020. The results were as follows: (1) there was a marked change in the landscape patterns of BTH during 1990—2010. The proportion of the artificial surface clearly continued to increase, whereas that of the cultivated land significantly decreased. The spatial configurations of forest land and grassland showed obvious temporal changes; (2) The major drivers of land-cover changes of BTH included both topographic and social-economic factors. Moreover, for different landscape types, the driving dynamics varied. For instance, the forested lands were more likely to occur northeast of BTH at high elevation and steep slopes while the water body, artificial surface and other landscape types were more likely to occur in plains and low-lying areas. The driving forces of landscape change also changed temporally. An example of this is how the distribution of artificial surface changed from being close to the central area in 1990—2000 to being away from the center, thus closer to railways and highways; (3) The CLUE-S model was robust in its application for the simulations of land-use dynamic changes of BTH, and the kappa index was 0.84. By 2020, the artificial surface of BTH was predicted to increase whereas cultivated land would continue to decrease. The most stark changes in landscape patterns should occur in core cites such as Beijing, Tianjin, Tangshan, and Shijiazhuang.

KeyWords: BTH; CLUE-S model; landscape pattern; driving mechanism

“城市群”通常是以一個(gè)或幾個(gè)大城市為核心,與周邊一系列不同規(guī)模的中小城市,通過(guò)空間上以及功能上的緊密聯(lián)系與協(xié)作分工,形成的具有明確的發(fā)展定位和層次結(jié)構(gòu)清晰的區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心[1]。城市群最初在發(fā)達(dá)國(guó)家中形成并發(fā)展起來(lái),隨著發(fā)展中國(guó)家城市化進(jìn)程的快速推進(jìn),城市群已經(jīng)成為推動(dòng)發(fā)展中國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心動(dòng)力[1- 4]。但是,隨著城市群規(guī)模的不斷發(fā)展,這種集中連片的城市發(fā)展模式對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的疊加影響持續(xù)加大,城市群區(qū)域的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越突出。例如,淡水資源嚴(yán)重短缺、地下水超采過(guò)量、土地開(kāi)發(fā)與農(nóng)田保護(hù)矛盾越來(lái)越尖銳、大氣污染和水環(huán)境惡化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)重制約著京津冀地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[5]。因此,深入解析城市群的發(fā)展模式及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制,科學(xué)地預(yù)測(cè)城市群未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),是合理規(guī)劃城市群發(fā)展布局、優(yōu)化城市群國(guó)土空間開(kāi)發(fā)以及解析城市群生態(tài)環(huán)境問(wèn)題產(chǎn)生根源的重要支撐,也是推進(jìn)我國(guó)區(qū)域協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

城市群地區(qū)的景觀格局演變過(guò)程與變化規(guī)律,以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)受到越來(lái)越多的關(guān)注。通常,城市群覆蓋的空間范圍廣、人口稠密、人類(lèi)活動(dòng)密集,因此,城市群的景觀格局與演變,及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制較單個(gè)城市復(fù)雜很多。目前,國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究主要集中在地學(xué)、社會(huì)-經(jīng)濟(jì)與景觀生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域。例如,從區(qū)位經(jīng)濟(jì)學(xué)角度,一些研究分析了城市群的人口、經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施、政策以及文化生活等特征要素的時(shí)空格局與演變規(guī)律,并發(fā)展了相關(guān)理論方法,例如,城市群的人口與產(chǎn)業(yè)布局與發(fā)展的點(diǎn)軸發(fā)展理論、核心-邊緣理論、城市增長(zhǎng)序貫?zāi)Ｐ偷萚6- 13]；從城市地學(xué)角度,一些研究探討了城市群不同城市空間結(jié)構(gòu)與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等職能的時(shí)空格局與相互作用規(guī)律,并提出了相關(guān)理論方法,如城市空間相互作用理論、空間擴(kuò)散理論,城市空間發(fā)展的引力模型、潛力模型以及空間斷裂點(diǎn)模型等[14-15]；從景觀生態(tài)學(xué)角度,一些研究分析了城市群區(qū)域的景觀類(lèi)型、結(jié)構(gòu)與格局,及其時(shí)空變化特征與規(guī)律[16- 18]。綜上所述,當(dāng)前關(guān)于城市群的發(fā)展特征與驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究中,從區(qū)位經(jīng)濟(jì)、人文地理或景觀生態(tài)學(xué)等不同學(xué)科視角的研究較多,考慮多學(xué)科交叉的城市群時(shí)空格局演變與驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究較少。

目前,許多研究表明,模型是模擬與預(yù)測(cè)城市時(shí)空格局動(dòng)態(tài)演變過(guò)程的有效方法,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者通過(guò)構(gòu)建模型的方法對(duì)不同類(lèi)型的城市擴(kuò)張演變過(guò)程進(jìn)行了模擬與預(yù)測(cè)。其中,比較成熟并被廣泛應(yīng)用的模型主要有統(tǒng)計(jì)分析模型、系統(tǒng)模型、空間分析模型及綜合模型[19]。其中,統(tǒng)計(jì)分析模型易于結(jié)合遙感影像進(jìn)行定量化分析,但由于一些決策和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素難以實(shí)現(xiàn)空間化,使模型在空間分析上存在劣勢(shì)；系統(tǒng)模型在處理多要素的相互作用具有優(yōu)勢(shì),但在空間要素的動(dòng)態(tài)變化模擬方面存在不足；而空間分析模型,例如,元胞自動(dòng)機(jī)模型,適用于小空間尺度、目標(biāo)要素的空間特征較為一致的城市,不適合大尺度且目標(biāo)要素的時(shí)空分布特征復(fù)雜的城市群區(qū)域；而近些年發(fā)展起來(lái)的綜合模型,例如森林退化模型DELTA、CLUE-S模型等,綜合了上面介紹的幾種模型的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn),提高了針對(duì)大空間尺度以及不同目標(biāo)要素的時(shí)空分布與變化特征的模擬效果,彌補(bǔ)了單一模型的不足[20]。

綜上所述,本研究將針對(duì)城市群這一重要的區(qū)域城市化模式,以京津冀城市群為研究案例,應(yīng)用CLUE-S模型,綜合考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)以及自然多要素的影響,系統(tǒng)模擬分析了京津冀城市群景觀格局的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程與驅(qū)動(dòng)機(jī)制,在此基礎(chǔ)上,預(yù)測(cè)了京津冀城市群未來(lái)景觀格局的演變趨勢(shì),以期為京津冀城市群的協(xié)同發(fā)展規(guī)劃與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域介紹

圖1 研究區(qū)位置及范圍Fig.1 Location and range of the study areas

京津冀城市群地處環(huán)渤海核心地帶,地勢(shì)西北高、東南低,區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯。京津冀包括北京、天津兩大直轄市以及河北省的石家莊、唐山、保定、廊坊、張家口、承德、秦皇島、滄州、衡水、邢臺(tái)與邯鄲11個(gè)地級(jí)市(圖1)。截至2014年,作為我國(guó)最具影響力的城市群,京津冀城市群土地面積僅占全國(guó)2.3%,而生產(chǎn)總值為6.65萬(wàn)億元,占全國(guó)10.5%,總?cè)丝谡既珖?guó)8.1%,其中,北京和天津等中心城市的城鎮(zhèn)化率分別高達(dá)86.4%和82.3%,高于全國(guó)平均水平54.8%(數(shù)據(jù)來(lái)源：北京市統(tǒng)計(jì)局)。雖然京津冀城市群的戰(zhàn)略地位突出,但存在著明顯的區(qū)域內(nèi)部發(fā)展不均衡問(wèn)題,例如,河北的人均GDP不足京津一半。隨著京津冀地區(qū)快速城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進(jìn),其區(qū)域景觀格局也必然產(chǎn)生劇烈變化。

1.2 景觀格局特征提取

京津冀城市群的景觀類(lèi)型主要包括林地、草地、水體、耕地、人工表面與未利用地六大類(lèi)型。景觀特征的提取主要基于Landsat- 5 TM遙感影像,利用面向?qū)ο蠛突厮菹嘟Y(jié)合的土地利用/覆被信息提取方法,獲得了1990、2000、2010年3期的土地利用/覆被分類(lèi)圖,并結(jié)合高分辨率遙感數(shù)據(jù)和野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)遙感解譯數(shù)據(jù)進(jìn)行修正及驗(yàn)證,以保證分類(lèi)精度[21]。其中1990年遙感影像的總體解譯精度是87.67%,2000年及2010年的總體解譯精度均超過(guò)了96%。

1.3 CLUE-S模型介紹

1.3.1 CLUE-S模型的概念及原理

CLUE-S(the Conversion of Land Use and its Effects at Small regional extent)模型是荷蘭瓦赫寧根大學(xué)“土地利用變化與影響”研究小組在CLUE模型的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的[22],如今已被國(guó)內(nèi)外很多研究者采用[23- 27]。CLUE-S模型的基本假設(shè)條件為,一個(gè)地區(qū)的土地覆被/利用變化受該地區(qū)土地利用需求驅(qū)動(dòng),且該地區(qū)的土地利用分布格局總是與土地需求與自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)[23]。在此假設(shè)的基礎(chǔ)上,CLUE-S模型依托于非空間的土地需求模塊以及空間分配模塊,運(yùn)用系統(tǒng)論的方法處理不同土地覆蓋類(lèi)型之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同土地利用變化的同步模擬[28]。

1.3.2 基于Logistic回歸的驅(qū)動(dòng)力分析

Logistic回歸分析被廣泛應(yīng)用于土地覆蓋格局變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究,針對(duì)土地覆蓋格局特征和各種驅(qū)動(dòng)因素,運(yùn)用逐步Logistic回歸篩選對(duì)土地覆被格局影響較為顯著的因子,剔除影響不顯著的因子,從而估計(jì)式(1)中的系數(shù)β,獲得不同驅(qū)動(dòng)因素與土地覆蓋類(lèi)型分布的關(guān)系。

(1)

式中,Pi表示區(qū)域單元內(nèi)土地類(lèi)型i可能出現(xiàn)的概率；Xk,i表示與土地類(lèi)型i產(chǎn)生概率有關(guān)的特征變量,即影響該土地類(lèi)型演變的驅(qū)動(dòng)因素；βk,i是它們對(duì)應(yīng)的系數(shù),表現(xiàn)為當(dāng)其他因素不變時(shí),特征Xk,i增加一個(gè)單位所帶來(lái)的Pi的變化；β0是常數(shù)項(xiàng)。

綜合現(xiàn)有的城市化地區(qū)土地覆蓋變化驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究[29- 31],城市土地覆蓋格局變化主要受自然和人類(lèi)活動(dòng)的雙重影響。本研究通過(guò)融合多源數(shù)據(jù),基于文獻(xiàn)調(diào)研和京津冀城鎮(zhèn)化現(xiàn)狀,考慮了多重變量的共線(xiàn)性,篩選了高程、坡度,以及到河流、海岸線(xiàn)的距離作為影響土地覆被格局變化的自然驅(qū)動(dòng)要素；還選取了到鐵路、國(guó)道、高速路、市中心距離這些與城鎮(zhèn)化緊密相關(guān)的可達(dá)性要素,人口、產(chǎn)業(yè)比重等社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素,以及采用燈光指數(shù)作為空間上直接反映人類(lèi)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度及范圍的驅(qū)動(dòng)因子(表1)。

表1 去除共線(xiàn)性后的驅(qū)動(dòng)因子匯總

數(shù)據(jù)來(lái)源：高程和坡度通過(guò)DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；距離因子通過(guò)ArcGIS計(jì)算空間各點(diǎn)到特定矢量距離；城鎮(zhèn)人口比重等社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)源于中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒(1990—2011)；DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)為大尺度的城市化研究提供了一種新的數(shù)據(jù)手段,已有研究表明燈光強(qiáng)度/面積數(shù)據(jù)分別于人口密度、GDP有高度相關(guān)性,故研究嘗試采用燈光指數(shù)來(lái)表征城市化水平對(duì)景觀格局的影響[32]。結(jié)合模型運(yùn)算能力和熵理論將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一為600m×600m分辨率的柵格數(shù)據(jù)。

2.3.3 模型模擬精度驗(yàn)證

CLUE-S模型的精度校驗(yàn)分為兩個(gè)部分。一個(gè)是應(yīng)用ROC(Relative Operating Characteristic)值對(duì)Logistic回歸結(jié)果中驅(qū)動(dòng)因素的解釋能力進(jìn)行校驗(yàn),來(lái)定量衡量模型模擬效果[33]。ROC值越高,Logistic回歸方程對(duì)土地利用分布格局的解釋能力越強(qiáng),通常ROC值在0.7以上,就說(shuō)明Logistic方程的判別能力較好,可利用CLUE-S模型繼續(xù)空間分配?？臻g模擬之后,可通過(guò)Kappa指數(shù)評(píng)價(jià)模擬精度[34]。

2 研究結(jié)果與討論

2.1 京津冀城市群景觀格局動(dòng)態(tài)變化特征

1990—2010年,京津冀城市群景觀類(lèi)型組成具有明顯的時(shí)空變化特征(表2)。

表2 京津冀景觀格局組成特征(1990—2010)

整體上,1990—2010年京津冀城市群的人工表面持續(xù)增長(zhǎng),20a內(nèi)增加了66.75%；同時(shí),耕地顯著下降,減少10.32%,耕地被侵占現(xiàn)象嚴(yán)重。此外,植被景觀格局也存在明顯的時(shí)空變化,例如,1990—2000年間草地增長(zhǎng)了2955.60 km2,而2000—2010年的增幅相對(duì)緩慢；1990—2000年間林地面積減少1703.88 km2,而2000—2010年有所增加,京津冀的植被覆蓋呈現(xiàn)由草地逐漸向林地過(guò)渡的特點(diǎn)。

2.2 京津冀城市群景觀格局演變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

Logistic回歸結(jié)果如表3、表4所示。Logistic回歸結(jié)果的判別能力由ROC值進(jìn)行檢驗(yàn)。隨著ROC值的增加,Logistic回歸方程的解釋能力逐漸上升。整體上看,Logistic回歸模型對(duì)整個(gè)京津冀城市群各土地覆蓋類(lèi)型的分布解釋能力較強(qiáng),六類(lèi)土地覆蓋的ROC值均超過(guò)0.70,說(shuō)明logistic回歸方程對(duì)各地類(lèi)分布格局有較好解釋能力,其中,林地、水體及耕地的ROC值均在0.90左右,表明Logistic回歸對(duì)這幾種地類(lèi)判別能力最好,回歸的結(jié)果可以較好地用于驅(qū)動(dòng)機(jī)制分析研究以及未來(lái)對(duì)土地覆蓋格局變化的模擬與預(yù)測(cè)當(dāng)中。

表3 1990—2000各土地覆蓋類(lèi)型的logistic逐步回歸結(jié)果

表4 2000—2010各土地覆蓋類(lèi)型的logistic逐步回歸結(jié)果

2.2.1 京津冀城市群景觀格局驅(qū)動(dòng)機(jī)制的空間分異特征

從上述表中可以看出,不同時(shí)期影響京津冀城市群不同景觀類(lèi)型變化的驅(qū)動(dòng)因子有顯著差別。以2000—2010年各土地覆蓋類(lèi)型的Logistic逐步回歸結(jié)果(表4)為例。

自然影響因素方面,高程、坡度兩個(gè)因子對(duì)京津冀六類(lèi)土地覆蓋類(lèi)型的演變都影響最為顯著。例如,對(duì)于林地,隨著高程和坡度的增加,Exp(B)>1,林地分布概率增大,說(shuō)明林地更易在相對(duì)陡峭的山地或高山分布,而與之相對(duì)的草地、水體、耕地、人工表面和未利用地都更易在平坦、地勢(shì)較低的位置分布,幾種地類(lèi)中水體受坡度影響最大,坡度每降低1°,水體的分布概率就增加10.80%。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響要素方面,交通網(wǎng)絡(luò)體系布局與距市中心距離對(duì)京津冀六類(lèi)土地覆蓋類(lèi)型的演變都有不同程度的影響。例如,林地在靠近鐵路以及遠(yuǎn)離市中心和高速路的位置分布概率增加；草地更傾向于在靠近市中心、鐵路和高速路以及遠(yuǎn)離國(guó)道的位置分布；水體分布更易遠(yuǎn)離市中心、國(guó)道和高速路；耕地在靠近市中心、國(guó)道和高速路,且遠(yuǎn)離鐵路的位置有分布概率增加的趨勢(shì)；人工表面在靠近鐵路和高速路以及遠(yuǎn)離市中心的位置分布概率提高。此外,城市總?cè)丝跀?shù)量與除人工表面之外的其他地類(lèi)均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),且結(jié)合燈光指數(shù)可以看出人工表面的分布概率與人類(lèi)活動(dòng)呈現(xiàn)正相關(guān),而其他地類(lèi)受人類(lèi)活動(dòng)影響多呈負(fù)相關(guān),揭示了京津冀人類(lèi)活動(dòng)的增加對(duì)自然與半自然景觀格局的變化干擾很大。

2.2.2 京津冀城市群景觀格局驅(qū)動(dòng)機(jī)制的時(shí)序變化特征

對(duì)于不同階段,土地覆蓋格局變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制有所差異。其中,林地、草地、耕地以及人工表面這4類(lèi)土地覆蓋格局變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制的時(shí)序差異最為明顯。

首先,林地、草地作為與生態(tài)保護(hù)緊密相關(guān)的土地覆蓋類(lèi)型,其驅(qū)動(dòng)機(jī)制在不同階段有明顯分異。自然影響要素方面,對(duì)于1990—2000年和2000—2010年兩個(gè)不同階段,到海岸線(xiàn)距離對(duì)林地分布概率的影響有所變化,距離海岸線(xiàn)距離越遠(yuǎn),林地分布概率由1990—2000年的逐漸增加到2000—2010年的逐漸減小。道路交通體系方面,1990—2000年林地在遠(yuǎn)離國(guó)道、靠近高速路的位置分布概率增加,而草地在遠(yuǎn)離高速路的位置分布概率增加；2000—2010年林地在遠(yuǎn)離高速路距離的位置分布概率增加,草地在靠近高速路的位置分布概率增加。另一方面,草地由隨著城鎮(zhèn)人口比重分布概率增加(1990—2000年)到隨之下降(2000—2010年),也表明草地慢慢向人類(lèi)活動(dòng)較小、城市化欠發(fā)達(dá)地區(qū)轉(zhuǎn)移。

其次,作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ),耕地的分布概率在不同階段的驅(qū)動(dòng)機(jī)制也有所變化。自然影響要素方面,1990—2000年和2000—2010年兩階段,高程每增加100 m,耕地分布概率分別減小3.59%和0.25%,揭示了耕地受地勢(shì)影響程度降低的趨勢(shì)。道路交通體系對(duì)耕地的影響主要表現(xiàn)在隨時(shí)間逐漸由遠(yuǎn)離高速路向靠近高速路分布。三產(chǎn)比重對(duì)耕地分布概率的影響由正轉(zhuǎn)負(fù),也表明了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型對(duì)于耕地的抑制作用隨時(shí)間的推移更加顯著。

最后,對(duì)于與城市化密切相關(guān)的人工表面而言,自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素的影響具有更為明顯的時(shí)序差異。自然影響要素方面,高程和坡度對(duì)人工表面分布概率的影響程度隨時(shí)間逐漸降低。1990—2000年和2000—2010年兩階段,高程每增加100 m,人工表面分布概率減小1.20%和0.60%；坡度每增加1°,人工表面分布概率分別減小6.95%和4.29%,這可能說(shuō)明早期人工表面更易在平坦、地勢(shì)較低的位置分布,而隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、時(shí)間推移,平地上逐漸達(dá)到飽和,人工表面未來(lái)有向高地、坡地演進(jìn)的趨勢(shì)。另一方面,人工表面的分布概率由靠近海岸線(xiàn)逐漸增加到減小,也體現(xiàn)了城市發(fā)展向內(nèi)陸轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。人為要素方面,道路交通體系對(duì)人工表面的影響有明顯的時(shí)序差異,具體表現(xiàn)在2000—2010年人工表面分布更易受道路影響,靠近高速路和鐵路分布概率顯著增加。再者,1990—2000年,人工表面向市中心集聚,而2000—2010年,人工表面逐漸偏離市中心,呈現(xiàn)空間上離散的擴(kuò)張趨勢(shì),表明京津冀城市群逐漸實(shí)現(xiàn)由單核向多中心發(fā)展,有助于經(jīng)濟(jì)一體化的促進(jìn)。1990—2010整個(gè)時(shí)間段人工表面的增加都與總?cè)丝诔尸F(xiàn)正相關(guān),但2000—2010年階段二產(chǎn)、三產(chǎn)比重均與人工表面分布概率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),這說(shuō)明京津冀地區(qū)已進(jìn)入新的發(fā)展階段,經(jīng)濟(jì)及人工表面的發(fā)展方式更集約,經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)人工表面的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)減小[35]。

2.3 京津冀城市群景觀格局變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

2.3.1 模擬精度驗(yàn)證與預(yù)測(cè)

基于CLUE-S模型模擬的2010年京津冀土地覆蓋/利用格局與2010年實(shí)際現(xiàn)狀的對(duì)比分析表明,模型模擬的Kappa系數(shù)為0.84,通常Kappa系數(shù)的最低允許判別精度為0.7[36],說(shuō)明應(yīng)用CLUE-S模型對(duì)京津冀城市群景觀格局的動(dòng)態(tài)模擬具有較好的模擬效果。

由于城市化區(qū)域的景觀格局是在人類(lèi)活動(dòng)的影響下逐漸變化的,而人類(lèi)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng),如人口和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)等也是逐步變化的,因此,某一時(shí)段景觀格局的變化機(jī)制與距其最近時(shí)段的景觀格局變化機(jī)制關(guān)系最為密切,故而假設(shè)2010—2020年期間影響土地利用格局的驅(qū)動(dòng)要素與2010年相似,結(jié)合土地需求與各類(lèi)景觀的歷史轉(zhuǎn)移規(guī)則,模擬預(yù)測(cè)了2020年京津冀城市群的景觀格局分布特征(圖2)。

圖2 不同時(shí)期京津冀土地利用分布圖Fig.2 land-use patterns in BTH from various periods

2.3.2 京津冀城市群土地覆蓋格局的變化趨勢(shì)

如表5所示,較2010年,京津冀城市群的林地、草地和人工表面都有一定程度的增加,其中人工表面增加了17.02%；水體、耕地和未利用地都有一定比例的減少,耕地退化依然嚴(yán)重；林地和草地繼續(xù)增加,植被覆蓋的增加有助于京津冀城市群生態(tài)環(huán)境的改善,但耕地、水體的減少以及人工表面過(guò)快的增速對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響仍需引起重視。

表5 2010—2020年人工表面的數(shù)量變化

從景觀類(lèi)型轉(zhuǎn)換方式看,1990—2010年3個(gè)時(shí)期人工表面增長(zhǎng)的主要來(lái)源于對(duì)耕地的侵占,其次是林地與水體；減少的耕地主要轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯け砻?其次是林地(表6)。從空間分布看(圖3),人工表面的增長(zhǎng)主要發(fā)生在北京、天津,以及河北省主要城市如石家莊和唐山,不同城市的人工表面增長(zhǎng)來(lái)源并不相同。例如,北京2010—2020年增加的人工表面,71.3%來(lái)自于耕地,19.8%來(lái)源于林地；天津新增的人工表面80.4%來(lái)自耕地,14.6%來(lái)自水體；唐山新增的人工表面85.4%由耕地轉(zhuǎn)化,6.7%和6.3%由林地和水體轉(zhuǎn)換；石家莊的新增人工表面有81.0%來(lái)自于耕地,15.1%來(lái)源于林地。對(duì)比發(fā)現(xiàn),經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的北京、天津、唐山等核心城市的人工表面增加幅度大,而張家口、承德等欠發(fā)達(dá)地區(qū),由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及地理位置的劣勢(shì),人工表面增加幅度較緩。

表6 不同時(shí)期人工表面的轉(zhuǎn)移來(lái)源

圖3 不同時(shí)期人工表面轉(zhuǎn)移來(lái)源的空間分布Fig.3 The transformation location to artificial surface in various periods

3 結(jié)論

本文應(yīng)用CLUE-S模型,通過(guò)綜合考慮自然、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)等因子,模擬分析了京津冀城市群景觀格局的時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制,并對(duì)京津冀城市群未來(lái)景觀格局的變化趨勢(shì)做了模擬預(yù)測(cè),主要結(jié)論如下：

(1)1990—2010年京津冀城市群景觀格局變化顯著。其中,人工表面的變化最為顯著,增加了66.75%,耕地退化嚴(yán)重,林地和草地格局的變化存在明顯的時(shí)序差異,京津冀城市群的植被覆蓋呈現(xiàn)由草地逐漸向林地過(guò)渡的趨勢(shì)。

(2)1990—2010年京津冀城市群景觀格局的演變主要受自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素的綜合影響。但是,不同景觀類(lèi)型變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制存在明顯差異,林地更易在地勢(shì)較高、坡度較大的西部分布,而河流、人工表面等更易在平坦低洼的位置分布；人工表面和人口呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。此外,不同時(shí)段的景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制也有差異,例如,人工表面受地形影響程度逐漸降低,且呈現(xiàn)了更加離散,從向市中心集聚到遠(yuǎn)離市中心并逐步向鐵路、高速路集聚的趨勢(shì)。

(3)CLUE-S模型可以較好地模擬和預(yù)測(cè)京津冀城市群景觀格局變化的過(guò)程與趨勢(shì),模型模擬的Kappa系數(shù)達(dá)0.84。京津冀城市群未來(lái)景觀格局變化的顯著特征為,人工表面將持續(xù)增加,耕地繼續(xù)顯著減少,植被覆蓋有所提升。北京、天津、唐山和石家莊等核心城市的景觀格局變化相對(duì)較大,而張家口、承德等欠發(fā)達(dá)地區(qū),由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及地理位置的劣勢(shì),景觀格局的變化相對(duì)較小。

(4)本文運(yùn)用CLUE-S模型對(duì)京津冀城市群景觀格局變化的模擬與預(yù)測(cè)結(jié)果具科學(xué)性,但也存在一定局限性。一方面受數(shù)據(jù)可獲得性的影響,部分社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)只到地市級(jí),在一定程度上影響了模擬精度；另一方面,本文并未考慮政策要素對(duì)景觀格局變化的影響。未來(lái)的研究可以采用情景分析或多目標(biāo)優(yōu)化的手段,從多角度模擬政策要素對(duì)景觀格局變化的影響,以期為優(yōu)化京津冀未來(lái)城市發(fā)展格局及可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

[1] 顧朝林. 城市群研究進(jìn)展與展望. 地理研究, 2011, 30(5): 771- 784.

[2] 方創(chuàng)琳. 改革開(kāi)放30年來(lái)中國(guó)的城市化與城鎮(zhèn)發(fā)展. 經(jīng)濟(jì)地理, 2009, 29(1): 19- 25.

[3] 方創(chuàng)琳. 中國(guó)城市群形成發(fā)育的政策影響過(guò)程與實(shí)施效果評(píng)價(jià). 地理科學(xué), 2012, 32(3): 257- 264.

[4] 方創(chuàng)琳. 中國(guó)城市群研究取得的重要進(jìn)展與未來(lái)發(fā)展方向. 地理學(xué)報(bào), 2014, 69(8): 1130- 1144.

[5] 文魁, 祝爾娟. 京津冀藍(lán)皮書(shū): 京津冀發(fā)展報(bào)告 (2013)[D]. 北京: 社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社, 2013.

[6] Friedman J R. Urbanization, Planning, and National Development. London: SAGE Publication, 1973.

[7] Friedman J R. Territory and Function: Evolution of Regional Planning. London: Edward Arnold, 1976.

[8] K J 巴頓. 城市經(jīng)濟(jì)學(xué): 理論和政策. 北京: 商務(wù)印書(shū)館, 1984.

[9] Behrens K, Thisse J F. Regional economics: A new economic geography perspective. Regional Science and Urban Economics, 2007, 37(4): 457- 465.

[10] Tabuchi T, Thisse J F. A new economic geography model of central places. Journal of Urban Economics, 2011, 69(2): 240- 252.

[11] Tabuchi T. Historical trends of agglomeration to the capital region and new economic geography. Regional Science and Urban Economics, 2014, 44: 50- 59.

[12] 張永紅. 增長(zhǎng)極理論與我國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的三大階段. 湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版). 2008, 13(6): 117- 120.

[13] 盛科榮, 孫威. 基于理論模型與美國(guó)經(jīng)驗(yàn)證據(jù)的城市增長(zhǎng)序貫?zāi)Ｊ? 地理學(xué)報(bào), 2013, 68(12): 1632- 1642.

[14] 張偉, 顧朝林. 城市與區(qū)域規(guī)劃模型系統(tǒng). 南京: 東南大學(xué)出版社, 2000.

[15] 閆衛(wèi)陽(yáng), 王發(fā)曾, 秦耀辰. 城市空間相互作用理論模型的演進(jìn)與機(jī)理. 地理科學(xué)研究進(jìn)展, 2009, 28(4): 511- 518.

[16] 匡文慧, 劉紀(jì)遠(yuǎn), 邵全琴, 何劍鋒, 孫朝陽(yáng), 田漢勤, 班藝舫. 區(qū)域尺度城市增長(zhǎng)時(shí)空動(dòng)態(tài)模型及其應(yīng)用. 地理學(xué)報(bào), 2011, 66(2): 178- 188.

[17] 郗鳳明, 賀紅士, 胡遠(yuǎn)滿(mǎn)等. 遼寧中部城市群城市增長(zhǎng)時(shí)空格局及其驅(qū)動(dòng)力. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 21(3): 707- 713.

[18] Wu W J, Zhao S Q, Zhu C, Jiang J L. A comparative study of urban expansion in Beijing, Tianjin and Shijiazhuang over the past three decades. Landscape and Urban Planning, 2015, 134: 93- 106.

[19] 裴彬, 潘韜. 土地利用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化模擬研究進(jìn)展. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2010, 29(9): 1060- 1066.

[20] 林堅(jiān), 張禹平, 李婧怡, 羅潔, 楚建群. 2013年土地科學(xué)研究重點(diǎn)進(jìn)展評(píng)述及2014年展望——土地利用與規(guī)劃分報(bào)告. 中國(guó)土地科學(xué), 2014, 28(2): 3- 12.

[21] 歐陽(yáng)志云, 王橋, 鄭華, 張峰, 侯鵬. 全國(guó)生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查評(píng)估. 中國(guó)科學(xué)院院刊, 2014, 29(4): 462- 466.

[22] Verburg P H, Soepboer W, Veldkamp A, Limpiada R, Espaldon V, Mastura S S A. Modeling the spatial dynamics of regional land use: the CLUE-S model. Environmental Management, 2002, 30(3): 391- 405.

[23] 張永民, 趙士洞, Verburg P H. CLUE-S 模型及其在奈曼旗土地利用時(shí)空動(dòng)態(tài)變化模擬中的應(yīng)用. 自然資源學(xué)報(bào), 2003, 18(3): 310- 318.

[24] Hu Y C, Zheng Y M, Zheng X Q. Simulation of land-use scenarios for Beijing using CLUE-S and Markov composite models. Chinese Geographical Science, 2013, 23(1): 92- 100.

[25] Xu L Y, Li Z X, Song H M, Yin H. Land-Use Planning for Urban Sprawl Based on the CLUE-S Model: A Case Study of Guangzhou, China. Entropy, 2013, 15(9): 3490- 3506.

[26] 馮仕超, 高小紅, 顧娟, 亢健, 郭麗峰, 吳國(guó)良, 鄒嬋. 基于CLUE-S模型的湟水流域土地利用空間分布模擬. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(3): 985- 997.

[27] 韓會(huì)然, 楊成鳳, 宋金平. 北京市土地利用空間格局演化模擬及預(yù)測(cè). 地理科學(xué)進(jìn)展, 2015, 34(8): 976- 986.

[28] 王麗艷, 張學(xué)儒, 張華, 王衛(wèi). CLUE-S模型原理與結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用進(jìn)展. 地理與地理信息科學(xué), 2010, 26(3): 73- 77.

[29] 劉濤, 曹廣忠. 城市用地?cái)U(kuò)張及驅(qū)動(dòng)力研究進(jìn)展. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2010, 29(8): 927- 934.

[30] 崔雪竹, 王要武. 城市用地?cái)U(kuò)張的社會(huì)人文驅(qū)動(dòng)機(jī)制——以上海市為例的實(shí)證研究. 土木工程學(xué)報(bào), 2012, 45(S2): 306- 310.

[31] 韓會(huì)然, 楊成鳳, 宋金平. 北京市土地利用變化特征及驅(qū)動(dòng)機(jī)制. 經(jīng)濟(jì)地理, 2015, 35(5): 148- 154.

[32] 陳晉, 卓莉, 史培軍, 一之瀨俊明. 基于DMSP/OLS數(shù)據(jù)的中國(guó)城市化過(guò)程研究——反映區(qū)域城市化水平的燈光指數(shù)的構(gòu)建. 遙感學(xué)報(bào), 2003, 7(3): 168- 175.

[33] Pontius R G Jr, Schneider L C. Land-cover change model validation by an ROC method for the Ipswich watershed, Massachusetts, USA. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2001, 85(1/3): 239- 248.

[34] Pontius R G. Quantification error versus location error in comparison of categorical maps. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 2000, 66(8): 1011- 1016.

[35] 姜海, 曲福田. 不同發(fā)展階段建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)與響應(yīng). 中國(guó)人口·資源與環(huán)境, 2009, 19(1): 70- 75.

[36] Van Janssen L L F. Accuracy assessment of satellite derived land-cover data: a review. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 1994, 60(4): 419- 426.

SimulationandpredictionofchangesinthelandscapepatternsoftheBeijing-Tianjin-HebeiMetropolitanRegionandtheirdrivingmechanisms

LIU Jinghua1,2, LI Weifeng1,*, ZHOU Weiqi1, HAN Lijian1, QIAN Yuguo1, ZHENG Xiaoxin1

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(41590841)；中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目(QYZDB-SSW-DQC034)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)(2016YFC0503004)

2016- 05- 22; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 03- 25

*通訊作者Corresponding author.E-mail: li.wf@rcees.ac.cn

10.5846/stxb201605220981

劉菁華,李偉峰,周偉奇,韓立建,錢(qián)雨果,鄭曉欣.京津冀城市群景觀格局變化機(jī)制與預(yù)測(cè).生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(16):5324- 5333.

Liu J H, Li W F, Zhou W Q, Han L J, Qian Y G, Zheng X X.Simulation and prediction of changes in the landscape patterns of the Beijing-Tianjin-Hebei Metropolitan Region and their driving mechanisms.Acta Ecologica Sinica,2017,37(16):5324- 5333.