馮 舒,孫然好,陳利頂,*

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

近年來(lái)中國(guó)城市化進(jìn)程不斷加速,中國(guó)城鎮(zhèn)化率由1978年的17.92% 顯著增加至2017年的58.52%,預(yù)計(jì) 2020 年達(dá)到 60%。土地資源需求量的迅速增加,日益激化了社會(huì)發(fā)展中資源匱乏與自然環(huán)境保護(hù)之間的矛盾[1- 2]。城市快速擴(kuò)張不可避免地將大量的森林、草地、濕地和水域等生態(tài)用地轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘薪ㄔO(shè)用地[3- 5],由此帶來(lái)諸如熱島效應(yīng)[6]、洪澇災(zāi)害[7]、灰霾效應(yīng)[8]、水污染[9]、生物多樣性降低[10]等一系列城市問(wèn)題[11- 12],對(duì)城市、區(qū)域乃至全球的生態(tài)安全造成較大的影響[13- 15]。隨著土地利用方式不斷轉(zhuǎn)變,適合生物生存的生境趨于破碎化,導(dǎo)致生境功能退化甚至喪失,成為生物多樣性降低的主要原因[16- 17]。相關(guān)研究表明,土地利用方式的改變能夠深刻影響生境斑塊之間的物質(zhì)流、能量流循環(huán)過(guò)程,進(jìn)而改變區(qū)域生境分布格局和功能[18- 20];城市化帶來(lái)的景觀破碎化可能會(huì)分離生境斑塊,通過(guò)降低景觀的結(jié)構(gòu)連接度從而阻礙生物個(gè)體在不同生境之間的遷移和擴(kuò)散[21- 22]。目前,隨著人類活動(dòng)的加劇,由于生境面積的減小和生境質(zhì)量的降低,全球范圍內(nèi)的物種消亡速度不斷加速,生物多樣性保護(hù)工作面臨巨大的挑戰(zhàn)[23]。評(píng)估生境質(zhì)量對(duì)研究生物多樣性及其保護(hù)工作有至關(guān)重要的作用,是生態(tài)環(huán)境保護(hù)和自然資源合理利用的基礎(chǔ),對(duì)維持自然生態(tài)系統(tǒng)的平衡和區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。

目前,關(guān)于土地利用與生境質(zhì)量研究可以分為兩大類:一類是通過(guò)構(gòu)建生境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系評(píng)估生境質(zhì)量,主要涉及河流[24- 25]、自然保護(hù)區(qū)[26]以及各類城市[27],研究對(duì)象多樣,通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查獲取與生境質(zhì)量有關(guān)的各項(xiàng)參數(shù),如植被類型、生物物種、坡度、坡向、海拔、水質(zhì)、土壤特性和人類干擾活動(dòng)等指標(biāo)。該方法需要較高的時(shí)間和人力成本,數(shù)據(jù)量較大,不易獲取。另一類是基于模型的評(píng)價(jià)方法,最常用的模型是由美國(guó)斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會(huì)和世界自然基金會(huì)共同開(kāi)發(fā)的InVEST模型(Integrated Valuation of Environmental Services and Tradeoffs)中的生境質(zhì)量Habitat Quality模塊,與前者相比,該模型對(duì)數(shù)據(jù)量的需求較低,計(jì)算結(jié)果空間可視化較強(qiáng)[28],可以反映不同景觀格局下的生境分布及其退化狀況,近年來(lái)基于該模型開(kāi)展了一系列生物多樣性的相關(guān)研究[29- 30],對(duì)多個(gè)尺度、不同地區(qū)的生境質(zhì)量進(jìn)行了深入評(píng)價(jià)[31- 33],為不同區(qū)域的生態(tài)保護(hù)和土地利用規(guī)劃提供了依據(jù)。

北京市經(jīng)歷了快速的城市化進(jìn)程,不斷增加的城市用地對(duì)各類生態(tài)用地帶來(lái)了巨大的壓力,是開(kāi)展城市化和土地利用變化對(duì)生態(tài)環(huán)境影響研究的理想場(chǎng)所[34]。本研究通過(guò)分析2000—2015年北京市不同土地利用類型的時(shí)空變化特征,并借助InVEST-Habitat Quality 模型,評(píng)估2000、2005、2010和2015年4個(gè)時(shí)段的生境退化程度和生境質(zhì)量變化情況,分析北京市不同區(qū)域的空間分布特征和區(qū)域差異,識(shí)別生境保護(hù)過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的敏感區(qū)域,揭示土地利用動(dòng)態(tài)變化及其空間格局特征對(duì)生境質(zhì)量的影響。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 北京市行政邊界及高程圖Fig.1 Administrative boundary and elevation of Beijing

北京位于華北平原西北部的邊緣(39°26′—41°03′N,115°25′—117°30′E),是平原與高原、山地的交接地帶,面積為16410.5 km2。西部和北部被連綿不絕的群山所環(huán)抱,平均海拔1000—1500 m,占北京市總面積的62%,其余地區(qū)為平原區(qū),平均海拔20—60 m(圖1)。地處中緯度,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,春、秋短促,多年平均氣溫12.3℃,年降水量約400—600 mm,區(qū)域內(nèi)地帶性植被類型是暖溫帶落葉闊葉林。近年來(lái)隨著城市化的不斷增強(qiáng),大部分平原地區(qū)已成為農(nóng)田和城鎮(zhèn),不斷增加的城市用地對(duì)其他用地類型帶來(lái)了巨大的壓力,隨著土地利用類型的不斷變化,城市的景觀格局發(fā)生了較大的改變。

圖2 北京市不同發(fā)展規(guī)劃區(qū)Fig.2 Different development planning area of Beijing

北京市包括東城、西城、海淀、朝陽(yáng)、豐臺(tái)、門頭溝、石景山、房山、通州、順義、昌平、大興、懷柔、平谷、延慶、密云等16個(gè)市轄區(qū),早在《北京城市總體規(guī)劃(2004—2020年)》以及2005年正式發(fā)布的《中共北京市委北京市人民政府關(guān)于區(qū)縣功能定位及評(píng)價(jià)指標(biāo)的指導(dǎo)意見(jiàn)》中,已根據(jù)不同的發(fā)展定位將全市劃分為首都功能核心區(qū)(東城區(qū)、西城區(qū))、城市功能拓展區(qū)(朝陽(yáng)區(qū)、海淀區(qū)、石景山區(qū)、豐臺(tái)區(qū))、城市發(fā)展新區(qū)(昌平區(qū)、順義區(qū)、通州區(qū)、大興區(qū)、房山區(qū))、生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)(門頭溝區(qū)、延慶區(qū)、懷柔區(qū)、密云區(qū)、平谷區(qū))等4個(gè)功能區(qū)域(圖2),并在最新發(fā)布的《北京城市總體規(guī)劃(2016年—2035年)》中有所體現(xiàn)。關(guān)于土地利用變化對(duì)生境質(zhì)量的影響,近些年在不同地區(qū)已開(kāi)展了一系列相關(guān)工作[29- 30,32],多數(shù)是在整個(gè)研究區(qū)尺度上進(jìn)行的分析和探討,本文基于前人研究,選擇在北京市四大功能分區(qū)的基礎(chǔ)上開(kāi)展工作,進(jìn)一步討論生態(tài)用地的變化與生境質(zhì)量之間的關(guān)系,順應(yīng)了北京市不同城市區(qū)域的發(fā)展規(guī)劃,對(duì)研究結(jié)果的分析也將更有針對(duì)性和現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 景觀格局分析

基于全國(guó)生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查與評(píng)估的土地利用分類數(shù)據(jù),進(jìn)一步結(jié)合不同時(shí)期遙感圖像對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化處理,并在2010年土地利用分類的基礎(chǔ)上,結(jié)合2015年Landsat 8影像數(shù)據(jù)通過(guò)人工目視解譯出2015年的土地利用分類圖,最終得到北京市2000年、2005年、2010年和2015年分辨率為30 m的4期土地利用數(shù)據(jù)。分為林地、草地、濕地、人工表面、耕地、裸地等6種類型。根據(jù)后期研究需要,將林地細(xì)分為有林地、灌木林地、疏林地、其他林地,耕地劃分為水田和旱地,人工表面細(xì)分為工礦用地、交通用地和居住區(qū)。運(yùn)用ArcGIS軟件將2000和2005年、2005年和2010年、2010年和2015年3組數(shù)據(jù)分別疊加,獲得土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,通過(guò)分析獲得各類型土地的流失去向以及研究末期各土地利用類型的構(gòu)成與來(lái)源。

利用景觀格局指數(shù)的方法,選取斑塊面積所占景觀百分比(PLAND)、斑塊類型面積(CA)、平均斑塊面積(MPS)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、Shannon 多樣性指數(shù)(SHDI)等多個(gè)常用的指標(biāo)進(jìn)一步分析土地利用景觀格局特征及其演變,這些指數(shù)能在一定程度上反映景觀格局的面積、形狀等空間構(gòu)型特征以及景觀的異質(zhì)性和破碎化程度,為進(jìn)一步探討土地利用景觀格局變化與生境質(zhì)量變化之間的關(guān)系提供依據(jù)。所有景觀格局指數(shù)的計(jì)算在FRAGSTATS 4.2軟件中完成,各指數(shù)含義和生態(tài)學(xué)意義見(jiàn)參考文獻(xiàn)[35- 37]。

1.3 生境質(zhì)量分析

通過(guò)InVEST模型生境質(zhì)量(Habitat Quality)模塊評(píng)估區(qū)域景觀水平上的生境變化特征,該模型結(jié)合不同地類對(duì)各威脅因子的敏感性和外界威脅強(qiáng)度得到研究區(qū)生境質(zhì)量的分布,通過(guò)生境質(zhì)量的高低來(lái)評(píng)價(jià)研究區(qū)的生物多樣性,反映生態(tài)系統(tǒng)能夠?yàn)槲锓N提供生存繁衍條件的潛在能力[31- 32]。該模型基于人類活動(dòng)影響因子進(jìn)行評(píng)價(jià),通過(guò)考慮威脅因子的影響距離和權(quán)重、威脅因子的強(qiáng)度、威脅因子對(duì)生境的威脅水平、法律保護(hù)程度(由于北京市土地法律保護(hù)工作開(kāi)展較好,本研究將值設(shè)置為1)以及各土地類型對(duì)威脅因子的敏感性等因素,計(jì)算出研究區(qū)的生境退化度和生境質(zhì)量,通過(guò)模型結(jié)果反映土地利用動(dòng)態(tài)變化與生境質(zhì)量的相關(guān)變化規(guī)律。相關(guān)的生境評(píng)價(jià)指標(biāo)及意義詳見(jiàn)表1。

表1 生境評(píng)價(jià)指標(biāo)及意義

本研究將空曠用地、交通用地、居住地、耕地和裸地作為威脅因子,在模型推薦值的基礎(chǔ)上,根據(jù)研究區(qū)的自身特點(diǎn),并結(jié)合類似地區(qū)已有研究結(jié)果,確定各威脅因子的最大影響距離和權(quán)重、不同土地利用類型的生境適宜度以及各土地利用類型對(duì)不同威脅因子的相對(duì)敏感程度。生境適宜度取值范圍為0—1,值越大,生境適宜性越強(qiáng),一般情況下,越接近自然的、相對(duì)越復(fù)雜的系統(tǒng)其生境適宜度越大,敏感性相對(duì)較低,單一的人工環(huán)境基本不具備生境適宜性。因此,本研究將林地中的有林地和灌木林地的生境適宜度設(shè)為1,所有人工表面的生境適宜度設(shè)為0,各威脅因子最大影響距離和權(quán)重、不同土地利用類型的生境適宜度及其對(duì)5種威脅因子敏感性的設(shè)置如表2、3所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 北京市土地利用變化

從2000年到2015年,耕地、林地和草地始終為北京市的主要地類,構(gòu)成了基質(zhì)。15年間,研究區(qū)土地覆被發(fā)生了較為明顯的變化(圖3),人工表面、林地、草地的面積均有不同程度的增加,分別增加了40%(868 km2)、6%(541 km2) 和19%(154 km2),其中,人工表面增幅最大;而濕地、耕地均下降了約30%,減少面積分別為140 km2和1438 km2,耕地面積減幅最大。主要的生態(tài)用地(林地、草地、濕地)所占比例總體增加了5.71%(約555 km2),但增幅逐漸減小。其中,林地、草地呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì),濕地面積先降低后增加,2000—2005年間降低幅度最大,2010年之后面積有所增加。耕地面積在2000—2010年間變化幅度最為顯著,下降了32%,2010年之后減少的趨勢(shì)有所緩解?？傮w來(lái)看,建設(shè)用地急劇擴(kuò)張、耕地資源快速減少是該時(shí)期北京市土地利用變化的主要特點(diǎn)。

表2 威脅因子最大影響距離和權(quán)重

表3 土地利用類型的生境適宜度及其對(duì)各威脅因子的敏感性

圖3 2000—2015年各土地利用類型面積Fig.3 Area of land use type from 2000 to 2015

2000年到2015年間,4個(gè)不同區(qū)域的主要土地利用類型具有明顯的差異。其中,僅占全市面積1%的首都功能核心區(qū)和8%的城市發(fā)展新區(qū)的主要土地利用類型均為人工表面,其所占區(qū)域面積的比例分別為90%和60%以上,北京市50%以上的人工表面分布在這兩個(gè)區(qū)域;由于地勢(shì)較為平坦,全市60%以上的耕地分布在城市發(fā)展新區(qū);生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)面積最大,包含了全市70% 以上的林地和草地。目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于生態(tài)用地的內(nèi)涵界定和分類等還未形成明確統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[38],由于耕地為生物提供的生境適宜性比較有限,本研究將林地、草地、濕地視為主要的生態(tài)用地?？梢钥闯?4個(gè)不同區(qū)域的主要生態(tài)用地面積均有所增加,增長(zhǎng)最多的為城市功能拓展區(qū)(9%),變化最小的是首都功能核心區(qū)(表4);此外,城市發(fā)展新區(qū)的人工表面增長(zhǎng)最快(近60%),耕地面積減少最多(27%)?？傮w看來(lái),由于區(qū)域發(fā)展定位不同,4個(gè)功能區(qū)域具有不同的發(fā)展特點(diǎn),表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異。

表4 不同區(qū)域類型的主要特征

根據(jù)3個(gè)時(shí)段的土地利用變化矩陣(表5),可以看出,從2000年到2015年建設(shè)用地的擴(kuò)張最為明顯,耕地和濕地的降幅最為顯著,約19.25%的耕地和11.27%濕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。從不同時(shí)期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)看,林地面積始終較為穩(wěn)定,在不同時(shí)期內(nèi),均有95%以上的林地保持不變,其次是草地(85%左右);濕地在2000—2005年轉(zhuǎn)出比例最大,之后有所緩解;耕地的轉(zhuǎn)出比例在2000—2010年較高,隨后減緩;除了轉(zhuǎn)化為人工表面,減少的耕地還轉(zhuǎn)出為林地和草地,減少的濕地轉(zhuǎn)為耕地、林地和草地。總體來(lái)看,耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、林地和草地間的相互轉(zhuǎn)換及濕地轉(zhuǎn)為耕地是2000—2015年北京市主要的土地利用變化類型。

表5 2000—2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

2.2 土地利用格局特征及其演變

類型水平上的景觀指數(shù)表明(表6),林地的平均斑塊面積(MPS)以及斑塊面積所占景觀面積比例(PLAND)遠(yuǎn)大于其他類型,主要以大面積的斑塊形式存在,聚集程度較高,分布較為集中,其次是耕地;從2000年到2015年,雖然林地和草地的面積均有所增加,但逐年增長(zhǎng)的斑塊數(shù)(NP)與斑塊密度(PD)導(dǎo)致平均斑塊面積(MPS)下降,從而導(dǎo)致總體斑塊破碎化程度加大;與之相反,人工表面隨著城市的不斷擴(kuò)張,在向城市外圍擴(kuò)展的同時(shí),不同年份的NP、PD和MPS均有所增加,反映出城市建設(shè)用地不僅數(shù)量增多,面積也逐漸增大,呈現(xiàn)出“攤大餅”式的發(fā)展模式;濕地和耕地由于其他用地的侵占,平均面積逐漸降低,破碎化趨勢(shì)有增無(wú)減。

表6 北京市2000—2015年類型水平上景觀指數(shù)變化

MPS:平均斑塊面積,Mean patch size;PLAND:斑塊面積所占景觀百分比,Percent of landscape;NP:斑塊數(shù)量,Number of patches;PD:斑塊密度,Patch density

景觀水平上的景觀指數(shù)表明(圖4),從2000年到2015年,蔓延度指數(shù)(CONTAG)、香濃多樣性指數(shù)(SHDI)均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),景觀形狀指數(shù)(LSI)則逐年增加,表明整體景觀斑塊面積有減小的趨勢(shì),斑塊的聚集程度降低,形狀趨于復(fù)雜,景觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性逐漸降低,整體景觀的破碎化程度加大。由于各區(qū)域的發(fā)展特征不同,4個(gè)區(qū)域的景觀異質(zhì)性和破碎化程度也有所差異,其中,城市發(fā)展新區(qū)雖然具有較高的SHDI,但是較低CONTAG和較高的LSI值表明該區(qū)域的景觀異質(zhì)性和破碎化程度在4個(gè)區(qū)域類型中是最高的;由于首都功能核心區(qū)的景觀類型較為單一,90%以上均為人工表面,景觀整體性較強(qiáng),該區(qū)域的景觀異質(zhì)性和破碎化程度最低(圖5)。

圖4 2000—2015年北京市景觀水平上景觀指數(shù)變化Fig.4 Landscape index changes at landscape level in Beijing from 2000 to 2015CONTAG:蔓延度指數(shù),Contagion index;LSI:景觀形狀指數(shù),Landscape shape index;SHDI:Shannon 多樣性指數(shù),Shannon′s diversity index

圖5 2000—2015年不同區(qū)域景觀水平上景觀指數(shù)變化Fig.5 Landscape index changes at landscape level in different districts from 2000 to 2015

2.3 生境退化度時(shí)空變化特征

2000年到2015年間,北京市生境退化程度逐漸增加,并且表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異(圖6)。在平原區(qū),起初生境退化度分值最高的是首都功能核心區(qū)外圍,主要集中在朝陽(yáng)區(qū)、海淀區(qū)、石景山區(qū)和豐臺(tái)區(qū)等4個(gè)行政區(qū)(城市功能拓展區(qū))以及豐臺(tái)與房山區(qū)的交界處,此外,基本上整個(gè)平原-山區(qū)交界地帶的生境都有較為嚴(yán)重的退化,隨著時(shí)間的推移,由于建設(shè)用地的不斷擴(kuò)張,生境退化逐漸向城市中心外圍(城市發(fā)展新區(qū))擴(kuò)展,表明這類區(qū)域受生態(tài)威脅因子影響的程度逐漸升高。將2015年和2000年的生境退化度柵格圖相減得到2000—2015年北京市生境退化度變化(圖7),“+”代表2015年生境退化度高于2000年,相減之后的值為正值,“-”則代表2000年生境退化度較高,相減之后值為負(fù)?？梢钥闯?15年間變化最為顯著的是城市功能拓展區(qū)和城市發(fā)展新區(qū),其次是平谷區(qū)、密云區(qū)、懷柔區(qū)的南部以及延慶區(qū)的西南部,其中的紅色部分表明這些區(qū)域的生境退化度增加較為明顯,生境受到威脅的程度加劇,而藍(lán)色部分代表生境退化度有所下降。

圖6 2000—2015年北京市生境退化度和生境質(zhì)量Fig.6 Habitat degradation and habitat quality in Beijing from 2000 to 2015

2.4 生境質(zhì)量時(shí)空變化特征

將計(jì)算出的生境質(zhì)量劃分為5個(gè)等級(jí),分別為0.0—0.2、0.2—0.4、0.4—0.6、0.6—0.8、0.8—1.0(圖6)。可以看出,北京市生境質(zhì)量表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異,其中,由于大面積的森林覆蓋,西北部和西部山區(qū)生境質(zhì)量較高,取值多處于0.8—1.0之間,中部平原地區(qū)、延慶縣平原地區(qū)以及平原-山區(qū)交界處生境質(zhì)量較低,多在0.4以下,首都功能核心區(qū)和城市功能拓展區(qū)的取值普遍較低(0.2以下)。城市中心到城市外圍的生境質(zhì)量逐漸升高,而伴隨著城市不斷向外擴(kuò)展,原有的生境轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌耐{因子,繼續(xù)威脅周邊生境的質(zhì)量,生境質(zhì)量的降低也表現(xiàn)出向外擴(kuò)張的態(tài)勢(shì)。

2000年到2015年間,生境質(zhì)量整體呈現(xiàn)逐年降低的趨勢(shì),總值下降了2%。將2015年和2000年的生境質(zhì)量柵格圖相減得到2000—2015年北京市生境質(zhì)量變化圖(圖7),變化值大于0的地區(qū)代表2015年生境質(zhì)量高于2000年,生境質(zhì)量得到提升,小于0則代表生境質(zhì)量有所下降,由于生境質(zhì)量范圍取值為0—1,當(dāng)變化值為1時(shí),生境質(zhì)量提升顯著(從0提升到1),表明這些地區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到明顯的改善,當(dāng)變化值為-1時(shí),生境質(zhì)量下降明顯(從1降低到0)。通過(guò)2000—2015年北京市生境質(zhì)量變化可以看出,生境質(zhì)量下降最為明顯的是城市功能拓展區(qū)外圍,以及城市發(fā)展新區(qū)的大部分地區(qū)。其中,表現(xiàn)最為突出的是昌平區(qū)的東部、順義區(qū)、通州區(qū)、大興區(qū)以及房山區(qū)的東部小范圍區(qū)域,而平谷區(qū)、密云區(qū)中部、延慶縣以及昌平區(qū)西部的生境質(zhì)量有較為明顯的提升。值得關(guān)注的是,與整體趨勢(shì)相反,首都功能核心區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)的生境質(zhì)量總值逐漸升高,反映出核心區(qū)的綠地建設(shè)和生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的生態(tài)建設(shè)取得了一定成效(表7)。

圖7 2000—2015年北京市生境退化度和生境質(zhì)量變化Fig.7 The changes of habitat degradation and habitat quality in Beijing from 2000 to 2015

年份Year首都功能核心區(qū)Core functional zone城市功能拓展區(qū)Urban function extended zone城市發(fā)展新區(qū)New urban development zone生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)Ecological conservation zone北京市Beijing20007174 393238 3796684 8171607 12368703 20057316 377121 3707104 8196363 12287904 20107529 358400 3624456 8254224 12244609 20157699 326779 3511621 8275675 12121772

3 討論

3.1 土地利用變化影響生態(tài)用地的流失

21世紀(jì)城市化及其土地利用變化將是對(duì)環(huán)境影響最大的因素之一,土地利用是人類活動(dòng)與自然環(huán)境之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié),由土地利用變化引起的景觀格局改變對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響不容忽視[11]。生態(tài)用地是城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,具有十分顯著的生態(tài)服務(wù)功能[39],具有適當(dāng)比例和合理布局的城市生態(tài)用地能夠保障城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和居民生活質(zhì)量所必需的基本生態(tài)服務(wù)功能[40- 41]。結(jié)果表明,從2000年到2015年,北京市生態(tài)用地所占比例總體增加了5.71%,但是生境質(zhì)量總值卻下降了2%。隨著人工表面的擴(kuò)張,具有重要生態(tài)功能的濕地面積減少了約30%,雖然林、草地的面積均有不同程度增加,但由于受到各威脅因子的影響,其平均斑塊面積減小,總體斑塊的破碎化程度加大,在一定程度上影響生態(tài)用地之間的連通性,生物可利用的生境數(shù)量減少,導(dǎo)致其發(fā)揮生態(tài)效益的能力下降,是引起整體生境質(zhì)量降低的原因之一,也是某種意義上生態(tài)用地功能的“流失”。由此看來(lái),生態(tài)用地的流失不僅表現(xiàn)為被其他土地利用類型的侵占,也體現(xiàn)在其生態(tài)功能的減弱甚至喪失。因此,為了避免土地利用變化過(guò)程中生態(tài)用地的流失,未來(lái)關(guān)于生態(tài)用地的保護(hù)和設(shè)置,不僅要保證生態(tài)用地的適宜面積,還要注重其結(jié)構(gòu)組成和空間配置,提高生態(tài)用地的整體質(zhì)量,從而提升生態(tài)服務(wù)價(jià)值。

3.2 城市不同區(qū)域的生境質(zhì)量存在差異

生境質(zhì)量反映了環(huán)境能夠?yàn)閭€(gè)體或種群的生存提供適宜生存條件的能力,主要受生境的適宜性程度和退化程度兩方面的影響[42]。研究表明,生境質(zhì)量下降最明顯的是城市功能拓展區(qū)外圍以及城市發(fā)展新區(qū)的大部分地區(qū),而首都功能核心區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)的生境質(zhì)量總值逐漸升高,反映出不同區(qū)域?yàn)樯锾峁┥车哪芰Σ煌?。究其原?生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)有大面積的森林覆蓋,人為干擾較弱,生境適宜性程度高,因此能維持較高的生境質(zhì)量,近年來(lái)隨著生態(tài)建設(shè)的不斷加強(qiáng),生境質(zhì)量得到提升;隨著“見(jiàn)縫插綠”、“拆后還綠”、“留白增綠”等工程的實(shí)施,首都功能核心區(qū)的綠地建設(shè)也取得了一定的成效,是生境質(zhì)量提升的主要原因。相比之下,城市功能拓展區(qū)和城市發(fā)展新區(qū)分布著大量的人工表面,建設(shè)用地急劇擴(kuò)張、耕地資源快速減少在這些區(qū)域表現(xiàn)的尤為明顯,生態(tài)用地破碎化程度加強(qiáng),生境適宜性較弱,生境退化度高,導(dǎo)致生境質(zhì)量下降明顯;此外,雖然耕地提供的生境適宜性較低,但是在計(jì)算生境質(zhì)量時(shí)仍被列為生境考慮,研究期間耕地面積嚴(yán)重減少,也在一定程度上導(dǎo)致了生境質(zhì)量的降低。有研究表明,北京市的景觀格局演變特征在東南部平原區(qū)的變化最劇烈,西、北部林地和林、耕交錯(cuò)帶的景觀格局對(duì)城市化響應(yīng)最為強(qiáng)烈[43]。因此,這些區(qū)域應(yīng)該成為未來(lái)城市發(fā)展和規(guī)劃過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的敏感區(qū)域。

3.3 生態(tài)用地質(zhì)量是生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵

生境質(zhì)量是指生態(tài)系統(tǒng)提供適宜個(gè)體與種群持續(xù)發(fā)展生存條件的能力,可以在一定程度上反映出區(qū)域的生物多樣性狀況[32]。研究表明,由于生境面積的減小和生境質(zhì)量的降低,全球27%的哺乳動(dòng)物都存在著較高的滅絕風(fēng)險(xiǎn)[23],快速的城市化過(guò)程造成自然生境破碎化、生境質(zhì)量下降,使城市物種面臨了極大的挑戰(zhàn),是生物多樣性減少最主要的驅(qū)動(dòng)力[44- 45]。結(jié)果表明,2000年到2015年,生態(tài)用地所占比例總體增加了5.71%,但是生境質(zhì)量總值卻下降了2%,究其原因,除了受到各威脅因子的影響,其平均斑塊面積減小,總體斑塊的破碎化程度加大,是導(dǎo)致整體的生境質(zhì)量降低的原因之一,不利于生物多樣性的維持和保護(hù)。相關(guān)研究表明,生境斑塊的大小和連接度水平在很大程度上影響物種的遷移、生存和豐富度[46],隨著不同生境之間連通性的加強(qiáng),生境質(zhì)量有所提升,生物多樣性呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)[47]。此外,雖然北京市首都功能核心區(qū)的生境質(zhì)量有所提升,綠地建設(shè)取得了一定的成效,并且未來(lái)隨著“拆后還綠”、“留白增綠”工程的實(shí)施,北京市將會(huì)再建設(shè)一批城市森林公園、市民身邊的“口袋公園”,從而提升城市綠色空間,但是這些綠地大部分為人工綠地,與生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的自然綠地相比,生態(tài)效益較弱,雖然綠地面積有所增加,但所能提升的生境質(zhì)量究竟有多少,值得探討。并且模型計(jì)算時(shí),并沒(méi)有針對(duì)特定的物種,而生境適宜性的確定需要結(jié)合具體的物種,才更有目的性和意義。

作為城市景觀重要的組成部分,生態(tài)用地在城市生態(tài)系統(tǒng)中的重要性已成為廣泛的共識(shí),提高城市中生態(tài)用地的質(zhì)量不僅能夠改善城市的生態(tài)環(huán)境,還有利于多種生態(tài)系統(tǒng)功能與服務(wù)的發(fā)揮。由于城市不同區(qū)域的生境質(zhì)量存在差異,未來(lái)關(guān)于生態(tài)用地的構(gòu)建,更應(yīng)關(guān)注不同區(qū)域的功能和特點(diǎn),有針對(duì)性的開(kāi)展規(guī)劃才能實(shí)現(xiàn)生態(tài)功能的不斷優(yōu)化。如,在首都功能核心區(qū),維護(hù)現(xiàn)有綠地的同時(shí)繼續(xù)開(kāi)展小微綠地填補(bǔ)等相關(guān)的綠地建設(shè),改善市民身邊的綠色環(huán)境;生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)是首都重要的生態(tài)屏障和水源保護(hù)地,擁有豐富的歷史文化遺產(chǎn)和自然旅游資源,應(yīng)以生態(tài)維護(hù)、水源保護(hù)、適度旅游和生態(tài)農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)為主,嚴(yán)格控制淺山區(qū)的開(kāi)發(fā)建設(shè),加強(qiáng)綠化建設(shè)和生態(tài)恢復(fù);城市功能拓展區(qū)和城市發(fā)展新區(qū)的平原面積廣闊,具有良好的自然環(huán)境、資源條件和得天獨(dú)厚的區(qū)位優(yōu)勢(shì),在推進(jìn)城市化進(jìn)程時(shí),要根據(jù)資源環(huán)境條件,科學(xué)合理的確定開(kāi)發(fā)模式、規(guī)模和強(qiáng)度,加強(qiáng)綠地等生態(tài)環(huán)境建設(shè),維護(hù)城市的綠色生態(tài)空間。

4 結(jié)論與展望

本研究通過(guò)分析2000—2015年北京市不同土地利用類型的時(shí)空變化特征以及生境質(zhì)量變化情況,揭示土地利用動(dòng)態(tài)變化及其空間格局特征對(duì)生境質(zhì)量的影響,得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)從2000年到2015年,北京市城市化程度不斷加強(qiáng),人工表面增加了近40%,濕地、耕地均下降了約30%,是建設(shè)用地快速擴(kuò)張的主要來(lái)源,其中,城市發(fā)展新區(qū)的人工表面增長(zhǎng)最多,增加了60%;發(fā)揮著重要生態(tài)服務(wù)功能的林地、草地、和濕地增加了5.71%,4個(gè)不同區(qū)域的主要生態(tài)用地(林地、草地、濕地)面積均有所增加,增長(zhǎng)最多的為城市功能拓展區(qū)(9%)。

(2)2000—2015年,北京市總整體景觀斑塊面積減小,斑塊的聚集程度降低,形狀趨于復(fù)雜,景觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性逐漸降低,整體景觀的破碎化程度加大,其中,城市發(fā)展新區(qū)的景觀異質(zhì)性和破碎化程度在4個(gè)區(qū)域類型中是最高的;由于各種威脅因子的存在,雖然林地和草地的面積均有所增加,但原有林、草地以及濕地的斑塊破碎化程度不斷加大。

(3)北京市生境質(zhì)量表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異,其中,西北部和西部山區(qū)生境質(zhì)量較高,但生境質(zhì)量整體呈現(xiàn)逐年降低的趨勢(shì),總體下降了2%;與整體趨勢(shì)相反,首都功能核心區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)的生境質(zhì)量總值逐漸升高,反映出這些區(qū)域的綠地和生態(tài)建設(shè)取得了一定成效;整體的生境退化度逐漸增加,最嚴(yán)重的區(qū)域在城市功能拓展區(qū)以及平原-山區(qū)交界地帶,是未來(lái)城市發(fā)展和規(guī)劃過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的敏感區(qū)域。

多年來(lái),人類在對(duì)自然資源的開(kāi)發(fā)和利用中常常只看重其經(jīng)濟(jì)價(jià)值和直接利用價(jià)值,而忽略了對(duì)生境質(zhì)量的保護(hù),導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)和功能遭受巨大的破壞,引起了一系列的生態(tài)問(wèn)題,而這些問(wèn)題又會(huì)反過(guò)來(lái)影響人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對(duì)人類福祉產(chǎn)生重大的影響[48]。如何在城市發(fā)展的過(guò)程中避免景觀趨于破碎化,能否建立景觀破碎指數(shù)與生境質(zhì)量之間的關(guān)系,找到使生境質(zhì)量大幅下降的一個(gè)破碎度閾值來(lái)指導(dǎo)保護(hù)管理實(shí)踐,這些問(wèn)題值得進(jìn)行更深入的研究和探討。怎樣在城市發(fā)展過(guò)程中使社會(huì)發(fā)展-自然資源保護(hù)-人類福祉這一過(guò)程形成一個(gè)完整的良性循環(huán),則需要政府、規(guī)劃者和科學(xué)家共同探討,在滿足城市發(fā)展需求的同時(shí)做好城市的總體規(guī)劃,尋求最適合的城市景觀格局[49]。今后計(jì)劃在研究區(qū)逐步開(kāi)展對(duì)城市化過(guò)程與生態(tài)用地變化之間的定量關(guān)系、生態(tài)用地的連通性及其環(huán)境效應(yīng)等方面的研究,并基于城市環(huán)境健康與生態(tài)安全,進(jìn)一步探討區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù),以及城市生態(tài)空間的優(yōu)化模式和調(diào)控方法。