李金鹿 王琳 郝繼坤

（河北省國土資源利用規(guī)劃院，石家莊，050051）

技術應用

區(qū)域土地生態(tài)因子遙感監(jiān)測—以京津冀城市群和北方農牧交錯區(qū)為例

李金鹿 王琳 郝繼坤

（河北省國土資源利用規(guī)劃院，石家莊，050051）

面向業(yè)務化區(qū)域土地生態(tài)評估的需求，基于全國土地利用現(xiàn)狀調查基礎和遙感技術現(xiàn)狀，考慮城市建成區(qū)和區(qū)域整體的差異，本文提出一套區(qū)域土地生態(tài)因子體系?；谠撝笜梭w系，對京津冀城市群和北方農牧交錯區(qū)兩個典型的區(qū)域的2010年和2015年的土地生態(tài)狀況進行了評估。評估結果能夠正確反映兩個研究區(qū)的生態(tài)狀況和變化趨勢的差異，初步驗證了本文提出的區(qū)域土地生態(tài)因子體系的科學性，以及在全國土地利用現(xiàn)狀調查工作基礎上的高效率開展土地生態(tài)評估的可行性。

區(qū)域土地生態(tài)因子；全國土地利用現(xiàn)狀調查；遙感；京津冀城市群；北方農牧交錯區(qū)

一、引言

社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們對土地資源開發(fā)利用的強度越來越大。土地資源的高強度利用，為社會發(fā)展帶來了巨大的經(jīng)濟效益，同時諸如水土流失、土地污染、土地沙漠化等土地生態(tài)環(huán)境問題也越來越嚴重【曹志平，2001】。因此，開展土地生態(tài)狀況調查監(jiān)測與評估，加強土地生態(tài)功能保護，增強生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的監(jiān)測和管理力度，為區(qū)域經(jīng)濟開發(fā)和環(huán)境保護提供科學依據(jù)和決策支持，是促進地區(qū)經(jīng)濟和環(huán)境的和諧發(fā)展的必然要求。

隨著遙感技術的發(fā)展和《全國生態(tài)環(huán)境十年變化（2000-2010）遙感調查與評估》專項及相關研究的開展，遙感在區(qū)域生態(tài)評價得到了越來越廣泛的應用，已經(jīng)成為區(qū)域生態(tài)監(jiān)測和評價中不可缺少的技術手段【歐陽志云等，2014】。

十八屆三中全會提出的“深化生態(tài)文明體制改革”理念，更加強調生態(tài)文明建設的重要性，區(qū)域土地生態(tài)監(jiān)測和評估工作將常態(tài)化和業(yè)務化。盡管目前就如何利用遙感評價區(qū)域生態(tài)已經(jīng)進行了研究性工作【歐陽志云等，2016；宋慧敏和薛亮，2016；陳強等，2015；羅春等，2014；滕明君等，2014】，但如何基于已有的技術手段和成果，規(guī)范、高效，且以較低成本開展區(qū)域土地生態(tài)監(jiān)測和評估的業(yè)務工作，是目前亟需解決的關鍵問題。

植被狀況和土地利用類型是進行區(qū)域生態(tài)評估的核心數(shù)據(jù)。目前在植被方面，利用遙感獲取植被指數(shù)，定量反演植被覆蓋度、葉面積指數(shù)等參量，評估植被覆蓋和生長狀況的技術基本成熟，影像數(shù)據(jù)也有了一定保障。在土地利用分類方面，我國定期開展的全國土地調查土地分類，并且每年更新全國土地利用現(xiàn)狀變更調查數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)為我國區(qū)域土地生態(tài)監(jiān)測和評估業(yè)務的開展提供了堅實的基礎。本文將探討如何基于上述數(shù)據(jù)構建區(qū)域土地生態(tài)因子，并以京津冀城市群和北方農牧交錯區(qū)為例驗證其可行性。

二、區(qū)域土地生態(tài)因子

面向業(yè)務化運行的，指定基于遙感技術的區(qū)域土地生態(tài)因子的指標體系需要同時考慮三個方面的需求和約束：1）能夠反映區(qū)域的重點土地生態(tài)問題；2）有足夠的遙感數(shù)據(jù)支撐，并且信息提取的技術方法成熟；3）盡量與現(xiàn)有的業(yè)務相結合，提高效率，降低成本。

由于城市建成區(qū)與整個地區(qū)的生態(tài)問題的關注重點有所不同，因此需要在兩個尺度，從不同的側面評價區(qū)域土地生態(tài)。城市建成區(qū)的生態(tài)環(huán)境與人居密切相關，此外人工建設的非透水面對城市的水、熱循環(huán)有重要的影響【徐永明和劉勇洪，2013】，因此本文提出三類城市建成區(qū)的土地生態(tài)指標：建成區(qū)面積及分布、非滲透地表面積及分布、人居生態(tài)環(huán)境。

在區(qū)域整體上，不同的土地利用類別很大程度上能夠反映出人類活動對區(qū)域生態(tài)的影響。植被分布和生長狀況對環(huán)境的變化響應敏感，并且提供關鍵生態(tài)服務功能。耕地是一種特殊的人工植被，不僅關系到國家的糧食安全，而且對區(qū)域生態(tài)環(huán)境有重要影響。因此本文提出四類區(qū)域整體的土地生態(tài)指標：各土地利用類型面積與分布、植被狀況及生態(tài)服務功能、耕地數(shù)量和質量、耕地潛力及風險。

第二次全國土地調查將土地利用現(xiàn)狀分為12類：耕地、園地、林地、草地、商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、公共管理與公共服務用地、特殊用地、交通運輸用地、水利及水利設施用地，以及其他土地。目前在現(xiàn)有的相關土地調查業(yè)務的支撐下，上述土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)每年更新。全國土地調查的分類體系，在很大程度上能夠滿足城市建成區(qū)與整個區(qū)域的土地生態(tài)評估所需要的土地利用信息。至于植被生長信息，目前遙感已經(jīng)有足夠的數(shù)據(jù)和成熟的方法能夠提供植被覆蓋范圍和生長狀況的信息，在較大尺度甚至有成熟的遙感定量反演產品。

基于上述考慮，面向業(yè)務化生態(tài)評估的需求，立足全國土地調查工作的基礎和遙感技術現(xiàn)狀，本文提出如下27個區(qū)域土地生態(tài)因子（表1）。

三、研究區(qū)

3.1 京津冀城市群

京津冀城市群位于11304E～11953E，3601 N～4237N，包括北京市、天津市和河北省3個省市，北京市、天津市以及河北省11個地級市，共計164個縣級行政單位，土地總面積21.6萬km2。該區(qū)地勢由西北向東南傾斜，地貌類型多樣，西部有壩上高原、燕山和太行山地，中部和東南部有廣闊的山麓平原、低平原和濱海平原。該區(qū)屬于典型的溫帶半濕潤半干旱大陸性氣候，降水量自東南向西北遞減。區(qū)域土地利用類型也呈現(xiàn)自東南種植業(yè)用地向西北林牧業(yè)用地過渡的空間格局。該區(qū)面臨的主要生態(tài)問題有水資源短缺，太行山、燕山土壤侵蝕和壩上高原荒漠化加劇，平原洼淀萎縮及消失，海岸及河口生態(tài)系統(tǒng)退化等。

3.2 北方農牧交錯區(qū)

北方農牧交錯區(qū)位于10320E～12351E，3327 N～4801N，主要分布于降水量300～450mm，干燥度1～2的內蒙古南緣和長城沿線。北方農牧交錯區(qū)呈條帶狀分布，跨越黑龍江省、吉林省、遼寧省、北京市、河北省、山西省、陜西省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、內蒙古自治區(qū)等10個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市），占地面積16.8萬km2。

北方農牧交錯區(qū)受自然不利因素、人為活動、沙漠化、現(xiàn)代農牧交錯帶錯位和經(jīng)濟地理等因素的影響，致使該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境惡化，主要體現(xiàn)為沙漠化急劇發(fā)展、可利用土地資源銳減；草地退化、沙化、鹽漬化嚴重，承載力下降。

四、數(shù)據(jù)與提取方法

如表1所示，除了建成區(qū)總面積及空間分布、耕地灌溉保證率、耕地后備資源數(shù)量及分布和后備耕地資源立地條件等4個因子之外，其它23個因子均基于遙感數(shù)據(jù)計算。由于全國土地利用現(xiàn)狀調查的保密性，本文的結果是基于遙感數(shù)據(jù)獨立提取出來的。其中區(qū)域整體的植被狀況及生態(tài)服務功能5個因子采用MODIS的數(shù)據(jù)產品，其它14個因子均基于Landsat系列的遙感影像數(shù)據(jù)進行目視解譯。耕地數(shù)量質量特征中的4個指標是在目視解譯結果的基礎上通過如下方法計算得到。

耕地集中連片度（破碎度）采用斑塊密度（PD）和斑塊平均面積（MPS）表征耕地破碎度。其中PD是指100公頃單位耕地面積所具有的斑塊個數(shù)，能夠反映區(qū)域耕地空間結構的復雜程度及人類活動對景觀的干擾程度。值越大，單位面積耕地含有的斑塊個數(shù)越多、平均斑塊面積越小，破碎化程度就越高。斑塊平均面積（MPS）是指在斑塊級別上等于某一斑塊類型的總面積除以該類型的斑塊數(shù)目，單位為個/公頃（ha）。在景觀結構分析中，一般認為MPS值越小的斑塊類型越破碎。

農田防護林網(wǎng)密度采用如下方法估算：對耕地作200米緩沖區(qū)，提取緩沖區(qū)范圍與相交的林地，該部分林地視為農田防護林，該部分林地面積占總耕地面積的比值即為農田防護林網(wǎng)密度。河網(wǎng)密度定義為河流水面面積與耕地面積的比值。農田道路通達性定義為與耕地相連通的交通用地的面積與耕地面積的比值。

五、結果分析

5.1 城市建成區(qū)

5.1.1 非滲透地表

京津冀城市群建成區(qū)的非滲透地表的比例顯著大于北方農牧交錯區(qū)建成區(qū)。其中，京津冀城市群建成區(qū)人工建筑用地占比超過25%，而北方農牧交錯區(qū)不足8%；京津冀城市群建成區(qū)的道路用地占比約4%，而北方農牧交錯區(qū)不足1%。2015年北方農牧交錯區(qū)的人工建筑用地占比相對2010年上升約1.2%，京津冀城市群的變化不顯著。兩個區(qū)域建成區(qū)的非滲透地表的差異與兩者的城市化水平的差距吻合。

下圖2和圖3為京津冀城市群和北方農牧交錯區(qū)2010年和2015年度城市建成區(qū)地表覆被狀況：

5.1.2 人居生態(tài)環(huán)境

京津冀城市群和北方農牧交錯區(qū)的建成區(qū)中植被占比均最高，分別超過60%和80%。2015年植被占比相對2010年京津冀城市群建成區(qū)上升約1.5%，而北方農牧交錯區(qū)建成區(qū)則下降了約1.5%，在一定程度上說明前者的生態(tài)在改善，而后者在退化。研究中獲取的Landsat影像有限，影像之間的季相可對比性不夠，因此不能從植被指數(shù)和覆蓋度方面進行可靠的分析和比較。

京津冀城市群建成區(qū)水體占比比北方農牧交錯區(qū)建成區(qū)高1%，這表明前者的水資源狀況略好于后者，這與兩個區(qū)的所處地帶水分條件差異相符。此外，兩個區(qū)的建成區(qū)的水體占比均下降了大約0.5%，這說明兩者的濕地和水資源都可能在退化。

5.2 區(qū)域整體

5.2.1 土地利用類型

京津冀城市群的建設用地和交通用地的比例明顯高于北方農牧交錯區(qū)，反映出了兩個區(qū)的城市化水平的差距。京津冀城市群的耕地比例略高于北方農牧交錯區(qū)，但草地顯著低于北方農牧交錯區(qū)，反映京津冀城市群以農業(yè)為主，而北方農牧交錯區(qū)農牧并重。水利和水利設施用地的占比京津冀城市群高于北方農牧交錯區(qū)約0.5%，說明前者的水利條件略好于后者。

相對2010年，2015年京津冀城市群的耕地占比下降2.38%，林地占比上升1.72%，這可能與退耕還林有關，說明生態(tài)環(huán)境有所改善。2015年北方農牧交錯區(qū)耕地占比下降0.45%，林地占比下降0.35%，但草地占比上升0.99%，說明北方農牧交錯區(qū)草地在恢復。下圖5和圖6是京津冀城市群和北方農牧交錯區(qū)2010年及2015年區(qū)域整體土地利用現(xiàn)狀分布圖：

5.2.2 耕地

如表2所示，兩個研究區(qū)的耕地集中連片度均上升，破碎度均下降，且北方農牧交錯區(qū)的變化幅度大于京津冀城市群。北方農牧交錯區(qū)的農田防護林網(wǎng)密度顯著升高，京津冀城市群卻明顯下降，由于時間跨度短，防護林密度變化不可能如此大。此外，農田道路通達性兩個區(qū)都大幅下降。這兩個指標的變化可能與耕地集中連片度上升有關。兩個研究區(qū)河網(wǎng)密度相當，但是北方農牧交錯區(qū)2015年明顯下降，這可能與2015年該區(qū)域的干旱有關。

5.2.3 植被狀況及生態(tài)服務功能

植被指數(shù)與綠度

由于MODIS相關產品2015年存在較多異常值，因此本文只分析兩個區(qū)2010年植被指數(shù)與綠度的年度變化規(guī)律。津冀城市群和北方農牧交錯區(qū)的植被指數(shù)（NDVI）和綠度（GDVI）年變化曲線均單峰形態(tài)，先升后降，最高值集中在7～9月。京津冀城市群的NDVI和GDVI均略高于北方農牧交錯區(qū)，說明京津冀城市群的植被長勢較好（圖7、8）。

植被覆蓋度

根據(jù)NDVI和GDVI的分析可以看出8月份的NDVI值較高，植被生長茂盛，可以代表全年的植被生長狀況，因此本部分中基于8月份植被覆蓋度反演結果分析2個區(qū)域兩年的植被覆蓋度變化情況，并對計算的結果采用等間距重分類為5級，即低（0～20%），較低（20%～40%），中等（40%～60%），較高（60%～80%），高（80%～100%）。

京津冀城市群高植被覆蓋度區(qū)域占比高達60%以上，這部分區(qū)域可能對應著該區(qū)的耕地和林地，同時也反映了該區(qū)林地的植被覆蓋度較好，防水土流失能力較強。北方農牧交錯區(qū)的主要為高、較高和中等植被覆蓋度區(qū)，且三者比重相當，可能對應著林地、耕地和草地?？傮w而言北方農牧交錯區(qū)的植被覆蓋度較京津冀城市群差，這與兩區(qū)的植被狀況相符。在北方農牧交錯區(qū)高植被覆蓋度區(qū)下降，較高植被覆蓋度區(qū)上升，可能與2015年的干旱有關。

葉面積指數(shù)

本文基于MODISLAI 8天時間分辨率的產品合成月平均LAI。由于2010年部分LAI數(shù)據(jù)缺失，因此本文僅分析2015年LAI數(shù)據(jù)。如圖10所示，京津冀城市群和北方農牧交錯區(qū)LAI月均值的變化曲線形態(tài)類似，均呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，其中在7～8月時間段內LAI達到最大值，說明兩個區(qū)域植被的季節(jié)變化規(guī)律基本一致。兩個地區(qū)的LAI均值有較大的差異，京津冀城市群的LAI月均值顯著高于北方農牧交錯區(qū)，這是可能是由于北方農牧交錯區(qū)的植被覆蓋以草本植物為主，而京津冀城市群的植被覆蓋以耕地和林地較多。

生物量

本文以凈初級生產力NPP數(shù)據(jù)代替生物量。由于MODIS數(shù)據(jù)官網(wǎng)提供的2015年NPP數(shù)據(jù)有限，因此本文僅以2010年NPP分析2個研究區(qū)的生物量。如表3所示，盡管由于面積較小，京津冀城市群的總生物量僅為北方農牧交錯區(qū)約60%，但是單位面積生物量卻是后者的1.8倍，這與京津冀城市群水、熱條件優(yōu)于北方農牧交錯區(qū)的情況相符。

六、結論

本文面向業(yè)務化區(qū)域土地生態(tài)評估的需求，基于全國土地利用現(xiàn)狀調查基礎和遙感技術現(xiàn)狀，提出了一套區(qū)域土地生態(tài)因子體系。基于該指標體系，在城市建成區(qū)尺度包含非滲透地表和人居生態(tài)環(huán)境，在區(qū)域整體尺度包含土地利用類型、耕地數(shù)量和質量，以及植被狀況及生態(tài)服務功能等關鍵土地生態(tài)信息?；谠撝笜梭w系，對京津冀城市群和北方農牧交錯區(qū)兩個典型的區(qū)域的2010年和2015年的土地生態(tài)狀況進行了評估。本文沒有采用全國土地利用現(xiàn)狀調查結果，遙感影像人工判讀和定量反演結果在精度有一定局限性。但評估結果依然能夠正確反映兩個研究區(qū)的生態(tài)狀況和變化趨勢的差異，初步驗證了本文提出的區(qū)域土地生態(tài)因子體系的科學性，也說明在全國土地利用現(xiàn)狀調查工作基礎上的高效率開展的可行性。

今后可以在本文提出的土地生態(tài)因子的基礎上進一步完善，例如增加可以反映土壤狀況的因子，并土地生態(tài)因子與生態(tài)環(huán)境評價模型【薛惠敏等，2016】，從而實現(xiàn)區(qū)域土地生態(tài)定量綜合評估。

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