陳宇佳，張俊，張平，王陳哲，況瑋婕，陳炯賓

1. 國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830；

2. 山東理工大學(xué) 建筑工程與空間信息學(xué)院，淄博 255000

1 引 言

土地資源是人類(lèi)生存的重要環(huán)境條件和基本的生產(chǎn)資料，對(duì)土地的合理利用是實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源可持續(xù)利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)（徐建春等，2021）。但隨著人口增加，食物需求也在不斷增加，對(duì)土地不合理的開(kāi)發(fā)利用日益嚴(yán)重，全球的土地資源正在不斷退化（Wang 等，2008）。土地退化威脅著人類(lèi)的生存環(huán)境和發(fā)展，影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的平衡，已成為世界范圍內(nèi)備受關(guān)注的重要環(huán)境問(wèn)題（Eswaran 等，2019）。為了應(yīng)對(duì)土地退化給人類(lèi)生存發(fā)展帶來(lái)的挑戰(zhàn)，許多國(guó)際和區(qū)域目標(biāo)被制定出來(lái)，用以防治和改善退化的土地（Sims 等，2019）。2015 年，《聯(lián)合國(guó)防治荒漠化公約》（United Nations Convention to Combat Desertification，UNCCD）提出了土地退化中性（land degradation neutrality，LDN）的概念，又稱(chēng)為土地退化零增長(zhǎng)。LDN 的定義是，在一定時(shí)空尺度與生態(tài)系統(tǒng)范圍內(nèi)，保障生態(tài)系統(tǒng)功能與服務(wù)，以及保持或增加健康土地資源的數(shù)量與質(zhì)量以維持糧食安全的一種生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)（Cowie 等，2018）。隨后，LDN 成了可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（sustainable development goal，SDG）15.3 的重要目標(biāo)之一，旨在建立一個(gè)不再出現(xiàn)土地退化的世界。

LDN 的監(jiān)測(cè)主要是基于SDG 15.3.1 土地退化評(píng)估方法進(jìn)行。國(guó)內(nèi)外研究做了許多相關(guān)工作。Dengiz（2018）利用該方法，對(duì)2001~2015 年亞洲Gediz 河流域的土地狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明該區(qū)域大部分的土地呈現(xiàn)退化狀態(tài)或具有退化的早期跡象；Moonrut 等（2021）利用該指標(biāo)框架對(duì)2017~2020 年泰國(guó)Saraburi 省農(nóng)業(yè)區(qū)的土地狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估，研究表明從長(zhǎng)期看該區(qū)域具有土地退化的趨勢(shì)。鄭欣雨等（2023）、Zhao 等（2023）利用SDG15.3.1 指標(biāo)框架及其改進(jìn)的方法分別對(duì)2001~2020 年的蒙古高原地區(qū)和2000~2020 年的內(nèi)蒙古地區(qū)進(jìn)行了土地狀態(tài)評(píng)估，研究表明，蒙古高原及內(nèi)蒙古地區(qū)實(shí)現(xiàn)了土地退化零增長(zhǎng)目標(biāo)。目前，雖然已有利用LDN 的土地退化方法進(jìn)行了相關(guān)評(píng)估研究，但針對(duì)長(zhǎng)時(shí)序演變特征的LDN 本土化實(shí)證研究還較少（Han 等，2019；鄭欣雨等，2023）。因此，開(kāi)展空間詳細(xì)、長(zhǎng)時(shí)序區(qū)域土地退化空間型監(jiān)測(cè)的評(píng)價(jià)工作，對(duì)于掌握區(qū)域退化土地更精細(xì)的空間分布及動(dòng)態(tài)趨勢(shì)，從而進(jìn)行科學(xué)的預(yù)防工作具有重要意義。

京津冀地區(qū)是中國(guó)的“首都經(jīng)濟(jì)圈”，屬于京畿重地，戰(zhàn)略地位十分重要。京津冀一體化是覆蓋北京市、天津市和河北省的重大區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略，中國(guó)政府多次提到要促進(jìn)京津冀地區(qū)的協(xié)同發(fā)展，其土地狀況勢(shì)必會(huì)影響區(qū)域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)合作和社會(huì)發(fā)展，但到目前為止，京津冀地區(qū)關(guān)于SDG15.3.1 土地狀況的空間型監(jiān)測(cè)研究還較少。

因此，本文利用GlobeLand30、MODIS NDVI和SoilGrids250m 數(shù)據(jù)，采用SDG 15.3.1 的土地退化評(píng)估方法，對(duì)京津冀地區(qū)2000~2020 年的土地退化情況進(jìn)行了分析，獲得了京津冀地區(qū)空間分辨率為250 m 的土地退化空間分布結(jié)果，并評(píng)估京津冀地區(qū)SDG 15.3 狀態(tài)及變化趨勢(shì)。這將有助于京津冀地區(qū)生態(tài)規(guī)劃管理提供支撐，推動(dòng)京津冀協(xié)同發(fā)展。

2 研究區(qū)域概況

京津冀地區(qū)處于 113°27′~119°50′E、36°05′~42°40′N(xiāo)，南北長(zhǎng)735 km，東西寬576 km，陸域總面積約2.172×105km2，占全國(guó)總面積的2.27%（張蓬濤等，2021；趙安周等，2021）。京津冀地區(qū)位于華北地區(qū)，西北部與北部背靠燕山山脈地勢(shì)較高，大部分為山區(qū)，南部與東部為華北平原地形較為平坦，大多為平原區(qū)，共包括北京市、天津市兩個(gè)直轄市及河北省所轄的13 個(gè)城市（圖1）。氣候上京津冀地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，四季分明（王海軍等，2018）。植被地域性差異顯著，北部壩上地區(qū)主要為草地與林地，由北向南自然植被逐漸減少，以農(nóng)田為主（徐勇等，2020）。

圖1 2020 年京津冀土地覆蓋及城市分布Fig.1 Land cover and urban distribution in the Beijing-Tianjin-Hebei region in 2020

3 方法與數(shù)據(jù)

3.1 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

對(duì)于SDG15.3.1 土地退化評(píng)估中涉及的土地覆蓋、土地生產(chǎn)力和土壤有機(jī)碳三個(gè)指標(biāo)，本文分別采用GlobeLand30、MOD13Q1 NDVI 和SoilGrids250m作為數(shù)據(jù)源，地圖投影統(tǒng)一為WGS_1984_UTM_Zone_50N。

3.1.1 Terra MODIS NDVI 數(shù)據(jù)

本文所采用的NDVI 時(shí)間序列數(shù)據(jù)來(lái)自2000~2020 年 Terra MODIS 陸地植被指數(shù)產(chǎn)品中的MOD13Q1 V6.1 產(chǎn)品，空間分辨率為250 m。利用均值法對(duì)每年5~8 月的最大NDVI 求取均值，計(jì)算得到年生長(zhǎng)季平均NDVI 時(shí)間序列，從而獲得了2000~2020 年時(shí)序生產(chǎn)力數(shù)據(jù)。

3.1.2 GlobeLand30 數(shù)據(jù)

GlobeLand30 是國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心研發(fā)的全球30 m 空間分辨率土地覆蓋產(chǎn)品（Chen 等，2015，2016）。該數(shù)據(jù)集包含10 個(gè)主要的地表覆蓋類(lèi)型，分別是耕地、森林、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪。

為了進(jìn)行土地退化監(jiān)測(cè)，本文將GlobeLand30土地覆蓋類(lèi)別中的草地和灌木地歸為一類(lèi)，劃分為草地，苔原、裸地、冰川和永久積雪都劃分為其他（Sims 等，2019）。這樣就可將GlobeLand30 土地覆蓋類(lèi)別重新分類(lèi)為UNCCD 要求的七個(gè)土地覆蓋類(lèi)別，分別為林地、草地、耕地、濕地、人工表面、其他和水體（Gonzalez-Roglich 等，2019）。

將GlobeLand30 土地覆蓋重分類(lèi)后，為了將其空間分辨率升尺度為250 m，本文對(duì)每年重分類(lèi)后的土地覆蓋數(shù)據(jù)采用最鄰近分配法先進(jìn)行重采樣，將空間分辨率為30 m 的土地覆蓋數(shù)據(jù)重采樣為50 m。單元尺寸為5 像素×5 像素，并計(jì)算每個(gè)類(lèi)別所占的百分比，所占百分比最大的類(lèi)別就代表了該250 m 空間分辨率影像所表示的土地覆蓋類(lèi)別，這樣就獲得了2000 年、2010 年和2020年的土地覆蓋數(shù)據(jù)。

3.1.3 SoilGrids250m 數(shù)據(jù)

SoilGrids250m 產(chǎn)品的最新版本（v2.0）由國(guó)際土壤參考和資料中心（International Soil Reference and Information Centre，ISRIC）提供（Simons 等，2020）。該產(chǎn)品以250 m 空間分辨率繪制了全球的土壤屬性地圖，并提供了全球土壤剖面前30 cm表層土的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)（de Sousa 等，2020）。

SoilGrids250m 產(chǎn)品是一個(gè)靜態(tài)數(shù)據(jù)。而長(zhǎng)時(shí)間序列、大尺度的土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)又是難以獲取的（Montanarella 等，2015）。因此，相關(guān)研究采用土地覆蓋與土壤有機(jī)碳結(jié)合技術(shù)生成2000 年、2010年和2020年的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)（Zhao等，2023；鄭欣雨等，2023）：

式中，SOCref為土壤有機(jī)碳的參照值，本文用SoilGrids250m 中表層30 cm 的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)表示；FLU 為土地利用因素，反映與土地覆蓋類(lèi)型相關(guān)的碳儲(chǔ)量變化；FMG 為管理因素，代表土地利用部門(mén)具體的主要管理措施；FI 為輸入因素，代表不同的土壤碳輸入水平。但在許多地區(qū)有關(guān)管理措施和土壤碳輸入水平的明確的空間信息是很難獲取的。因此只能采用土地利用因素來(lái)估計(jì)碳儲(chǔ)量的變化，即FMG 和FI 設(shè)置為1（Sims 等，2021）。土地利用因素可以通過(guò)基于土地覆蓋變化的土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)換系數(shù)獲得，見(jiàn)表1。京津冀屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，因此，本文將f設(shè)置為0.69。基于2000 年、2010 年和2020 年的土地覆蓋數(shù)據(jù)可獲得每個(gè)像元的土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，根據(jù)式（1）得到3 年的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)SOCfinal。

表1 基于土地覆蓋變化的土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)換系數(shù)Tab.1 Soil organic carbon conversion coefficients based on land cover changes

3.2 SDG15.3.1 土地退化評(píng)估方法

SDG15.3.1 土地退化空間型評(píng)估流程，共有三個(gè)重要子指標(biāo)，即土地覆蓋、土壤有機(jī)碳和土地生產(chǎn)力，如圖2 所示。其中，土地覆蓋可以反映土地資源的利用情況，土地生產(chǎn)力可以反映土地的健康情況和生產(chǎn)能力變化，土壤有機(jī)碳則反映了生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)功能（Sims 等，2021）。在對(duì)三個(gè)指標(biāo)分布進(jìn)行評(píng)估后，利用1OAO（the one out, all out）原則計(jì)算土地退化綜合目標(biāo)，即若三個(gè)指標(biāo)的像元都被識(shí)別為改善，則將結(jié)果判定為改善；若所有指標(biāo)均為穩(wěn)定，則認(rèn)為結(jié)果穩(wěn)定；否則，如果一項(xiàng)指標(biāo)被確認(rèn)為退化，則該像元土地狀況將被判定為有退化風(fēng)險(xiǎn)（Sims 等，2021）。研究將分為基準(zhǔn)期t0（2000~2010 年）、評(píng)估期t1（2010~2020 年）兩個(gè)階段。其中，基準(zhǔn)期作為參考期，是SDG15.3.1目標(biāo)評(píng)估的參考基準(zhǔn)。通過(guò)與基準(zhǔn)期相比，判斷評(píng)估期內(nèi)新增退化土地的面積和新增改善土地面積之間的關(guān)系。如果前者大于后者，則表明土地退化零增長(zhǎng)目標(biāo)未實(shí)現(xiàn)；若小于則表明研究區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了土地退化零增長(zhǎng)目標(biāo)。

3.2.1 土地覆蓋評(píng)估

長(zhǎng)時(shí)間序列的土地覆蓋變換評(píng)估對(duì)收集土地退化信息具有重要作用。UNCCD 將土地覆蓋分為七類(lèi)，分別為林地、草地、耕地、濕地、人工表面、其他和水體，并定義了除水體之外的六類(lèi)土地覆蓋類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)換（Sims 等，2021）。通過(guò)它們之間的轉(zhuǎn)換可以識(shí)別出關(guān)鍵的土地轉(zhuǎn)移過(guò)程，如表2 所示。同時(shí)生成基準(zhǔn)期和評(píng)估期起止年份七類(lèi)土地覆蓋類(lèi)型的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，利用關(guān)鍵土地轉(zhuǎn)移過(guò)程，可以確定出土地覆蓋轉(zhuǎn)換與土地狀態(tài)（退化、穩(wěn)定、改善）之間的關(guān)系，如圖3 所示。

表2 土地轉(zhuǎn)移過(guò)程與土地類(lèi)型轉(zhuǎn)換之間的關(guān)系Tab.2 Relationships between land transfer processes and land cover conversions

圖3 土地覆蓋類(lèi)型轉(zhuǎn)換與土地狀態(tài)之間的關(guān)系Fig. 3 Relationships between land cover conversions and land status

3.2.2 土地生產(chǎn)力評(píng)估

土地生產(chǎn)力是土地的生物生產(chǎn)能力，是維持人類(lèi)的食物、纖維和燃料的來(lái)源，反映了土地健康和生產(chǎn)能力的長(zhǎng)期變化（Sims 等，2019）。土地生產(chǎn)力可以通過(guò)生產(chǎn)力趨勢(shì)、生產(chǎn)力狀態(tài)和生產(chǎn)力表現(xiàn)三個(gè)子指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估（Sims 等，2021）。

1）生產(chǎn)力趨勢(shì)

生產(chǎn)力趨勢(shì)反映了土地生產(chǎn)力隨時(shí)間變化的速率，基準(zhǔn)期和評(píng)估期間的土地生產(chǎn)力趨勢(shì)采用Thiel-Sen 中值和Mann-Kendall 檢驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。Thiel-Sen 中值是一種魯棒的非參數(shù)方法，可以減少數(shù)據(jù)異常值的影響（Sharma 和Ojha，2019）：

式中，Xj、Xi分別為像元X在時(shí)間j和i的生產(chǎn)力值。

Mann-Kendall 是非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，用于確定趨勢(shì)的顯著性（Mann，1945）。在得到Z統(tǒng)計(jì)量后，給定顯著性水平α=0.05，當(dāng)Z的絕對(duì)值大于1.96時(shí)，生產(chǎn)力趨勢(shì)通過(guò)了置信水平為95%的顯著性檢驗(yàn)，其趨勢(shì)結(jié)果分為退化（β<0,Z<–1.96），改善（β>0,Z>1.96）和穩(wěn)定（–1.96≤Z≤1.96）（Sims 等，2021；Zhao 等，2023）。

2）生產(chǎn)力狀態(tài)

土地生產(chǎn)狀態(tài)是將一個(gè)像元的當(dāng)前生產(chǎn)力水平與該像元在一段時(shí)間內(nèi)的歷史生產(chǎn)力水平進(jìn)行比較，其比生產(chǎn)力趨勢(shì)對(duì)近期NDVI 的變化幅度和方向更敏感（Eva 和Michael，2013）。本文的生產(chǎn)力狀態(tài)是通過(guò)比較最近3 年的年平均生產(chǎn)力值與前8 年的年生產(chǎn)力值的分布來(lái)確定的（Sims等，2021）。

（1）計(jì)算前8 年歷史時(shí)期的生產(chǎn)力均值（μ）和標(biāo)準(zhǔn)差（σ）：

式中，y為分析年份，y–3 代表當(dāng)前分析年份前3年的年份，y–10 代表當(dāng)前分析年份前10 年的年份；Xy為第y年的年度生產(chǎn)力值。

（2）計(jì)算最近3 年比較期的生產(chǎn)力均值（）：

（3）計(jì)算Z統(tǒng)計(jì)值，對(duì)比歷史時(shí)期和比較期的生產(chǎn)力分布：

得到Z統(tǒng)計(jì)值后，為了達(dá)到監(jiān)測(cè)土地退化的目的，生產(chǎn)力狀態(tài)分為3 級(jí)標(biāo)度。無(wú)需做顯著性檢驗(yàn)，Z的劃分方式與上述生產(chǎn)力趨勢(shì)的相同（Sims 等，2021）。

3）生產(chǎn)力表現(xiàn)

生產(chǎn)力表現(xiàn)是計(jì)算當(dāng)前研究像元與其他相似生態(tài)區(qū)域生產(chǎn)力水平的差異。本文使用土壤單位（由SoilGrids250m 提供的250 m 分辨率的土壤分類(lèi)單位）和土地覆蓋（由相應(yīng)年份GlobeLand30 提供）的組合來(lái)定義這個(gè)生態(tài)區(qū)域（Conservation International，2022）。計(jì)算方法為使用生產(chǎn)力值的時(shí)間序列計(jì)算每個(gè)像元生產(chǎn)力值的平均值，然后按照定義好的生態(tài)區(qū)域提取每個(gè)區(qū)域的所有生產(chǎn)力均值并生成頻率分布，將每個(gè)區(qū)域的第90 個(gè)百分位的生產(chǎn)力均值（不采用生產(chǎn)力最大值是為了避免由于異常值存在而產(chǎn)生的誤差）定義為該生態(tài)區(qū)域內(nèi)的最大值。計(jì)算各像元的生產(chǎn)力均值與其對(duì)應(yīng)的生態(tài)區(qū)域內(nèi)最大值的比，如式（7）。如果比值小于 50%，則認(rèn)為該像元是潛在退化，否則為穩(wěn)定。有

式中，ObservedNDVI 為單個(gè)像元的生產(chǎn)力均值；NDVImax為該像元對(duì)應(yīng)生態(tài)區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)力值的最大值；Performance 為兩者的比值。

當(dāng)獲得生產(chǎn)力趨勢(shì)、生產(chǎn)力狀態(tài)和生產(chǎn)力表現(xiàn)的評(píng)估后，可以根據(jù)圖4 的規(guī)則來(lái)確定研究區(qū)域發(fā)生的土地生產(chǎn)力綜合退化類(lèi)型。

圖4 生產(chǎn)力指標(biāo)評(píng)估規(guī)則改自Hu 等（2021）Fig.4 Assessment rules for land productivity indicators

3.2.3 土壤有機(jī)碳評(píng)估

土壤有機(jī)碳是與土壤肥力和大氣CO2交換相關(guān)的基本土壤特征，是土壤有機(jī)質(zhì)的主要組成部分，通常被認(rèn)為是反映土地退化的關(guān)鍵指標(biāo)（Sanchez等，2009）。

在獲得基準(zhǔn)期和評(píng)估期起止年份的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)后，計(jì)算兩個(gè)年份之間土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的相對(duì)差異。若兩個(gè)年份之間土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量損失10%以上，則該區(qū)域被確定為退化區(qū)域；若研究期內(nèi)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量增加10%以上，則該區(qū)域被確定為改善區(qū)域，而其他區(qū)域則為穩(wěn)定區(qū)域（Sims 等，2021）。

3.2.4 土地退化綜合指標(biāo)

在對(duì)上述三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估后，利用1OAO 原則可獲得基準(zhǔn)期和評(píng)估期每個(gè)像元的土地狀態(tài)。如果一個(gè)或多個(gè)指標(biāo)顯示為退化，則該像元被判定為退化；如果三個(gè)指標(biāo)都顯示為穩(wěn)定，則該像元被判定為穩(wěn)定；其余為改善。

4 研究結(jié)果

利用上述評(píng)估方法，分別對(duì)京津冀地區(qū)的土地覆蓋、土地生產(chǎn)力、土壤有機(jī)碳及土地退化綜合指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果如下。

4.1 土地覆蓋評(píng)估結(jié)果

京津冀地區(qū)2000 年、2010 年和2020 年的土地覆蓋類(lèi)型所占面積和占區(qū)域總面積的比例，見(jiàn)表3。2000 年、2010 年和2020 年京津冀地區(qū)的耕地所占面積比例最大，分別為54.36%、52.64%、48.76%，主要分布在東南部的平原地區(qū)；其次為林地和草地，主要分布在西北部的山區(qū)。林地占比分別為19.29%、19.43%、19.4%，草地占比分別為17.17%、17.57%、17.47%。

表3 京津冀地區(qū)2000 年、2010 年和2020 年土地覆蓋類(lèi)型面積比例統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Percentage statistical table of land cover types in the Beijing-Tianjin-Hebei region for the years 2000, 2010,and 2020%

由圖5、表4~表6 可知，基準(zhǔn)期2000~2010 年，土地狀態(tài)總體表現(xiàn)為退化，即退化區(qū)總面積大于改善區(qū)總面積。改善區(qū)面積為5399.31 km2，占京津冀區(qū)域總面積的2.51%，主要分布在北京市的平谷區(qū)和密云區(qū)，以及河北省的承德市，并在河北省的西部和北部也有分布。改善的主要類(lèi)型是草地轉(zhuǎn)化為林地（2082.19 km2）、草地轉(zhuǎn)化為耕地（1536.94 km2）、人工表面轉(zhuǎn)化為耕地（1201.19 km2），主要是植樹(shù)造林和農(nóng)業(yè)擴(kuò)張過(guò)程造成的改善。退化區(qū)面積為9290.81 km2，占京津冀區(qū)域總面積的4.31%，主要分布在北京市、天津市及河北省的張家口市。退化的主要類(lèi)型是林地轉(zhuǎn)化為草地（1894.06 km2）、耕地轉(zhuǎn)化為草地（2929.25 km2）、耕地轉(zhuǎn)化為人工表面（3274.56 km2），主要是農(nóng)業(yè)縮減、森林砍伐和城市擴(kuò)張過(guò)程造成的退化。

表4 基準(zhǔn)期和評(píng)估期土地覆蓋評(píng)估結(jié)果面積及占比統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Area and percentage statistical table of land cover assessment results for baseline and assessment periods

表5 京津冀地區(qū)2000~2010 年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab.5 Land use transfer matrix in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 2000 to 2010 km2

表6 京津冀地區(qū)2010~2020 年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab.6 Land use transfer matrix in the Beijing-Tianjin-Hebei region from 2010 to 2020 km2

圖5 京津冀地區(qū)土地覆蓋評(píng)估結(jié)果Fig.5 Assessment results of land cover in the Beijing-Tianjin-Hebei region

評(píng)估期2010~2020 年，土地狀態(tài)總體表現(xiàn)為退化，即退化區(qū)總面積大于改善區(qū)總面積。改善區(qū)面積為7945.88 km2，占京津冀區(qū)域總面積的3.68%，主要分布在河北省的張家口市西北部和承德市。改善的主要類(lèi)型是草地轉(zhuǎn)化為林地（2241.88 km2）、草地轉(zhuǎn)化為耕地（2355.25 km2）、耕地轉(zhuǎn)化為林地（1302.44 km2）、人工表面轉(zhuǎn)化為耕地（1867 km2），主要是植樹(shù)造林和農(nóng)業(yè)擴(kuò)張過(guò)程造成的改善。退化區(qū)面積為16630.75 km2，占京津冀區(qū)域總面積的7.70%，主要分布在北京市、天津市和河北省的城市及農(nóng)村地區(qū)。退化的主要類(lèi)型是林地轉(zhuǎn)化為草地（2735.44 km2）、耕地轉(zhuǎn)化為草地（2133.38 km2）、耕地轉(zhuǎn)化為人工表面（9870 km2），主要是森林砍伐、農(nóng)業(yè)縮減和城市擴(kuò)張過(guò)程造成的退化。

4.2 土地生產(chǎn)力評(píng)估

基于生產(chǎn)力趨勢(shì)、生產(chǎn)力狀態(tài)和生產(chǎn)力表現(xiàn)三個(gè)子指標(biāo)的評(píng)估，評(píng)估了京津冀地區(qū)基準(zhǔn)期和評(píng)估期的土地生產(chǎn)力指標(biāo)，結(jié)果如圖6、表7 所示?；鶞?zhǔn)期和評(píng)估期京津冀地區(qū)土地生產(chǎn)力總體表現(xiàn)為改善，即改善區(qū)總面積大于退化區(qū)總面積?；鶞?zhǔn)期2000~2010 年，土地生產(chǎn)力評(píng)估的退化區(qū)域主要集中在張家口市西部、滄州市和天津市交界的沿海一帶、北京市和天津市的城區(qū)，以及唐山市地區(qū)，退化區(qū)域的面積為8195.69 km2，占京津冀區(qū)域總面積的3.82%；土地生產(chǎn)力評(píng)估的改善區(qū)域在京津冀地區(qū)分布較為分散，改善區(qū)域的面積為65080.69 km2，占京津冀區(qū)域總面積的30.37%。評(píng)估期2010~2020年，土地生產(chǎn)力評(píng)估的退化區(qū)域主要分布在京津冀東南部的平原地區(qū)，在滄州市和天津市交界的沿海一帶及張家口市的西部有集中分布，退化區(qū)域的面積為10119.5 km2，占京津冀區(qū)域總面積的4.72%；土地生產(chǎn)力評(píng)估的改善區(qū)域主要分布在張家口市、承德市、北京市地區(qū)，改善區(qū)域的面積為 42070.94 km2，占京津冀區(qū)域總面積的19.64%。

表7 基準(zhǔn)期和評(píng)估期土地生產(chǎn)力評(píng)估結(jié)果面積及占比統(tǒng)計(jì)表Tab.7 Area and percentage statistical table of land productivity assessment results for baseline and assessment periods

圖6 京津冀地區(qū)土地生產(chǎn)力評(píng)估結(jié)果Fig.6 Assessment results of land productivity in the Beijing-Tianjin-Hebei region

4.3 土壤有機(jī)碳評(píng)估

由圖7、表8 可知，京津冀地區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在基準(zhǔn)期表現(xiàn)為改善，即改善區(qū)域總面積大于退化區(qū)域總面積，在評(píng)估期表現(xiàn)為退化，即改善區(qū)域總面積小于退化區(qū)域總面積。基準(zhǔn)期2000~2010 年，土壤有機(jī)碳的退化區(qū)域主要集中在北京市、天津市和廊坊市的交界處，在承德市西部和張家口市也有分布；退化區(qū)域的面積為3536.63 km2，占京津冀區(qū)域總面積的1.63%，退化主要源于草地轉(zhuǎn)化為耕地；土壤有機(jī)碳的改善區(qū)域主要分布在張家口市的西部，承德市也有少量分布，改善區(qū)域的面積為4266.88 km2，占京津冀區(qū)域總面積的1.97%，改善主要源于耕地轉(zhuǎn)化為草地。評(píng)估期2010~2020 年，土壤有機(jī)碳的退化區(qū)域在京津冀區(qū)域分布廣泛，退化區(qū)域的面積為10706 km2，占京津冀區(qū)域總面積的4.93%，退化主要源于草地轉(zhuǎn)化為耕地和耕地轉(zhuǎn)化為人工表面；土壤有機(jī)碳的改善區(qū)域在承德市南部、張家口市西部和秦皇島市地區(qū)有部分分布，改善區(qū)域的面積為4890.13 km2，占京津冀區(qū)域總面積的2.25%，改善主要源于耕地向草地、林地和濕地的轉(zhuǎn)換。

表8 基準(zhǔn)期和評(píng)估期土壤有機(jī)碳評(píng)估結(jié)果面積及占比統(tǒng)計(jì)表Tab.8 Area and percentage sttatistical table of soil organic carbon assessment results for baseline and assessment periods

4.4 土地退化綜合評(píng)估

利用上述三個(gè)指標(biāo)的結(jié)果，根據(jù)1OAO 原則，對(duì)基準(zhǔn)期和評(píng)估期的京津冀地區(qū)土地退化綜合指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)估，如圖8~9、表9 所示。

表9 基準(zhǔn)期和評(píng)估期土地退化綜合評(píng)估結(jié)果面積及占比統(tǒng)計(jì)表Tab.9 Area and percentage statistical table of comprehensive assessment results for baseline and assessment period

圖8 京津冀地區(qū)土地退化綜合評(píng)估結(jié)果Fig.8 Comprehensive assessment results of land degradation in the Beijing-Tianjin-Hebei region

圖9 京津冀地區(qū)基準(zhǔn)期和評(píng)估期土地退化綜合評(píng)價(jià)各個(gè)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率Fig.9 Contribution rates of individual indicators to the comprehensive assessment of land degradation in the Beijing-Tianjin-Hebei region during baseline and assessment periods

京津冀地區(qū)土地退化綜合評(píng)價(jià)在基準(zhǔn)期和評(píng)估期都表現(xiàn)為改善，即改善區(qū)域的總面積大于退化區(qū)域總面積。其中，土地生產(chǎn)力的變化在基準(zhǔn)期和評(píng)估期對(duì)土地狀態(tài)的評(píng)估起了主導(dǎo)作用，其次為土地覆蓋，土壤有機(jī)碳變化的作用最小。基準(zhǔn)期2000~2010 年，土地退化的區(qū)域主要分布于張家口市西部和北部，北京市、天津市、石家莊市、唐山市、邯鄲市和邢臺(tái)市的城市區(qū)域，以及天津市和滄州市的沿海地帶。退化區(qū)域的總面積為18004.06 km2，占京津冀區(qū)域總面積的8.41%。其中，三個(gè)指標(biāo)均表現(xiàn)為退化的區(qū)域占0.06%，由三個(gè)指標(biāo)中任意兩個(gè)指標(biāo)主導(dǎo)退化的區(qū)域占1.21%，由土地覆蓋主導(dǎo)的退化區(qū)域占3.09%，由土地生產(chǎn)力主導(dǎo)的退化區(qū)域占3.37%，由土壤有機(jī)碳主導(dǎo)的退化區(qū)域占0.68%。土地改善的區(qū)域主要分布在石家莊市西部、保定市西部、承德市、唐山市北部、秦皇島市北部、滄州市、衡水市、北京市周邊及天津市北部。改善區(qū)域的總面積為64899.88 km2，占京津冀區(qū)域總面積的30.32%。其中，三個(gè)指標(biāo)均表現(xiàn)為改善的區(qū)域占0.2%，由三個(gè)指標(biāo)中任意兩個(gè)指標(biāo)主導(dǎo)的改善區(qū)域占0.88%，由土地覆蓋主導(dǎo)的改善區(qū)域占0.69%，由土地生產(chǎn)力主導(dǎo)的改善區(qū)域占28.54%。

評(píng)估期2010~2020 年，土地退化的區(qū)域主要分布在京津冀的平原地區(qū)，在天津市和滄州市的沿海地帶較為集中。退化區(qū)域的總面積為27413.69 km2，占京津冀區(qū)域總面積的12.8%。其中，三個(gè)指標(biāo)均表現(xiàn)為退化的區(qū)域占0.4%，由三個(gè)指標(biāo)中的任意兩個(gè)指標(biāo)主導(dǎo)的退化區(qū)域占3.8%，由土地覆蓋主導(dǎo)的退化區(qū)域占3.54%，由土地生產(chǎn)力主導(dǎo)的退化區(qū)域占3.99%，由土壤有機(jī)碳主導(dǎo)的退化區(qū)域占1.08%。土地改善的區(qū)域主要分布在邯鄲市西部、邢臺(tái)市西部、保定市西北部、張家口市、承德市北部、唐山市區(qū)域，以及北京市和天津市的城中心。改善區(qū)域的總面積為42957.13 km2，占京津冀區(qū)域總面積的20.06%。其中，三個(gè)指標(biāo)均表現(xiàn)為改善的區(qū)域占0.2%，由三個(gè)指標(biāo)中任意兩個(gè)指標(biāo)主導(dǎo)的改善區(qū)域占1.35%，由土地覆蓋主導(dǎo)的改善區(qū)域占0.97%，由土地生產(chǎn)力主導(dǎo)的改善區(qū)域占17.54%。

通過(guò)將基準(zhǔn)期和評(píng)估期的土地狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比和疊加，結(jié)果如圖10（a）、表10 所示。然后，按照?qǐng)D2 的方法將這些疊加組合分成退化和未退化兩類(lèi)，即基準(zhǔn)期為退化的在評(píng)估期為穩(wěn)定的區(qū)域加上評(píng)估期為退化的區(qū)域劃分為退化，其余區(qū)域劃分為未退化，劃分結(jié)果見(jiàn)圖10（b）。判斷新增退化土地與新增改善土地面積的大小關(guān)系得到當(dāng)前（2020 年）土地退化綜合評(píng)價(jià)的總體情況。2000~2020 年京津冀地區(qū)土地退化綜合評(píng)價(jià)的總體情況是退化區(qū)域的面積為33707.94 km2，占京津冀區(qū)域總面積的15.75%，主要分布在張家口市西部、唐山市、石家莊市、邯鄲市、邢臺(tái)市、北京市和天津市地區(qū)。與基準(zhǔn)期相比，京津冀地區(qū)評(píng)估期新增退化區(qū)域面積為21041.12 km2，新增改善區(qū)域面積為31828.38 km2，新增改善區(qū)域面積大于新增退化區(qū)域面積，京津冀地區(qū)在2000~2020 年達(dá)到了土地退化零增長(zhǎng)目標(biāo)。

表10 京津冀地區(qū)基準(zhǔn)期和評(píng)估期土地退化疊加面積統(tǒng)計(jì)Tab.10 Statistical table of overlaid land degradation areas in the Beijing-Tianjin-Hebei region during baseline and assessment periods km2

圖10 京津冀地區(qū)基準(zhǔn)期和評(píng)估期土地退化疊加（a）與基于SDG15.3.1 的京津冀地區(qū)土地退化（b）Fig.10 Overlay of land degradation in the Beijing-Tianjin-Hebei region during baseline and assessment periods (a) and based on SDG15.3.1 (b)

5 討 論

（1）通過(guò)土地覆蓋、土地生產(chǎn)力和土壤有機(jī)碳的綜合分析，可以從土地利用、土地健康和土地生物化學(xué)功能三個(gè)角度較全面地評(píng)價(jià)土地退化狀態(tài)。通過(guò)對(duì)京津冀地區(qū)2000~2020 年土地退化的研究，結(jié)果表明，由土地覆蓋反應(yīng)的土地狀態(tài)的改變相對(duì)較少，退化主要由城市擴(kuò)張、森林砍伐和農(nóng)業(yè)縮減造成，改善主要由農(nóng)業(yè)擴(kuò)張和植樹(shù)造林造成，這些土地轉(zhuǎn)移過(guò)程人類(lèi)行為明顯。土壤有機(jī)碳的變化較為緩慢，導(dǎo)致土地狀態(tài)發(fā)生變化的區(qū)域較小。土地生產(chǎn)力導(dǎo)致土地狀態(tài)改變的區(qū)域最大，起到了主導(dǎo)因素，這是因?yàn)?，京津冀地區(qū)的耕地、林地和草地占領(lǐng)了絕大部分區(qū)域，這些區(qū)域植被特征明顯，所以受到土地生產(chǎn)力變化的影響較大。

（2）京津冀地區(qū)2000~2020 年土地退化綜合評(píng)估整體情況是較好的，改善區(qū)域大于退化區(qū)域?；鶞?zhǔn)期的退化區(qū)域主要集中在張家口市地區(qū)，以及北京市、天津市、唐山市、石家莊市、邯鄲市和邢臺(tái)市這些經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的地區(qū)。評(píng)估期張家口市地區(qū)土地退化的情況明顯改善，北京市、天津市和唐山市的中心城區(qū)的土地退化也得到了改善，但東南平原地區(qū)土地退化的區(qū)域明顯增多。說(shuō)明在2010~2020 年，北京市、天津市和唐山市等城市注重環(huán)境的治理。同時(shí)，京津冀地區(qū)生態(tài)工程的實(shí)施也起到了相應(yīng)的效果，如1979 年開(kāi)始的“三北”防護(hù)林工程和2002 年開(kāi)始的京津風(fēng)沙源治理工程（蔣美琛，2020；紀(jì)平等，2022），促進(jìn)了京津冀地區(qū)西北地區(qū)環(huán)境的變好，特別是張家口市地區(qū)。東南平原地區(qū)是河北省主要的糧食產(chǎn)區(qū)，其退化土地的增多，對(duì)應(yīng)著2010~2020 年這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

（3）目前，各國(guó)學(xué)者對(duì)SDG 15.3.1 陸續(xù)開(kāi)展了研究。這些研究針對(duì)具體區(qū)域調(diào)整了SDG 15.3.1 實(shí)踐指南中的相關(guān)計(jì)算方法和數(shù)據(jù)。特別是數(shù)據(jù)，其質(zhì)量直接關(guān)乎土地退化評(píng)估的結(jié)果。目前，作為用于識(shí)別土地覆蓋變化的數(shù)據(jù)，GlobeLand30 具有30 m的空間分辨率和較高的驗(yàn)證精度。NDVI 數(shù)據(jù)的質(zhì)量對(duì)土地生產(chǎn)力的評(píng)估至關(guān)重要，MOD13Q1 V6.1產(chǎn)品空間分辨率只有250 m。雖然可以使用Landsat系列數(shù)據(jù)生產(chǎn)長(zhǎng)時(shí)間序列并具有30 m 空間分辨率的NDVI 數(shù)據(jù)，但涉及較大區(qū)域時(shí)，會(huì)有影像拼接和云遮擋的問(wèn)題，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)是難以獲取和缺失的，本文根據(jù)已有研究（鄭欣雨等，2023；Zhao 等，2023），基于SoilGrids250m數(shù)據(jù)，并采用土地覆蓋與土壤有機(jī)碳結(jié)合技術(shù)生成了土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)。然而，生成數(shù)據(jù)的質(zhì)量受到了許多因素的影響。因此，在針對(duì)具體區(qū)域土地退化評(píng)估時(shí)，可以考慮使用相關(guān)區(qū)域的土壤普查數(shù)據(jù)或其他相關(guān)調(diào)查研究數(shù)據(jù)，生成該區(qū)域具有更高空間分辨率和更高精度的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量產(chǎn)品，以支持SDG15.3.1 土地退化的評(píng)估。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)京津冀區(qū)域，采用SDG 15.3.1 土地退化評(píng)估的計(jì)算框架，對(duì)基準(zhǔn)期2000~2010 年和評(píng)估期2010~2020 年土地退化的情況進(jìn)行了空間型評(píng)估，獲得了京津冀地區(qū)空間分辨率為250 m 的土地退化空間分布結(jié)果，并判定了京津冀地區(qū)2000~2020 年期間是否達(dá)到土地退化零增長(zhǎng)目標(biāo)。結(jié)果表明：京津冀地區(qū)基準(zhǔn)期和評(píng)估期土地狀態(tài)都表現(xiàn)為改善，即改善區(qū)域面積大于退化區(qū)域面積；以基準(zhǔn)期為參考，評(píng)估期新增退化土地的面積小于新增改善土地的面積，京津冀地區(qū)2000~2020 年實(shí)現(xiàn)了土地退化零增長(zhǎng)目標(biāo)。研究結(jié)果將有助于改善京津冀地區(qū)生態(tài)規(guī)劃管理的決策。