賈寶全 劉秀萍

(中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所 國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實驗室 國家林業(yè)局城市森林研究中心 北京 100091)

北京市第一道綠化隔離區(qū)樹冠覆蓋特征與景觀生態(tài)變化*

賈寶全 劉秀萍

(中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所 國家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實驗室 國家林業(yè)局城市森林研究中心 北京 100091)

【目的】 以北京市第一道綠化隔離區(qū)建設(shè)為例，利用高空間分辨率的航、衛(wèi)片信息源，分析城市林木樹冠覆蓋特征，力圖一方面準(zhǔn)確揭示北京市第一道綠化隔離區(qū)的生態(tài)建設(shè)成效，另外也試圖從景觀生態(tài)學(xué)視角揭示其格局內(nèi)在變化過程與趨勢，進(jìn)而為北京市及其他城市未來的生態(tài)建設(shè)提供借鑒。【方法】 以0.5 m分辨率的2002年航片和2013年的worldview2衛(wèi)片為基礎(chǔ)，利用econgnition面向?qū)ο蟮慕庾g技術(shù)平臺，以城市樹冠覆蓋為核心，利用景觀生態(tài)學(xué)的分析方法，從景觀動態(tài)、景觀格局變化和景觀斑塊尺度變化等方面，探討一道綠化隔離區(qū)內(nèi)的林木樹冠覆蓋特征?！窘Y(jié)果】 一道綠化隔離區(qū)林木樹冠覆蓋面積從2002年的4 832.98 hm2增加到了2013年的10 095.01 hm2，11年間共增加了20.57%； 綠地率凈增23.94%，生態(tài)用地率凈增24.11%； 斑塊平均分維數(shù)和斑塊面積形狀指數(shù)呈現(xiàn)不斷增加的特點(diǎn)； 小型斑塊和巨型斑塊的數(shù)量和面積變化幅度最為顯著，11年間數(shù)量分別減少了42 286個和130個,面積分別減少了186.08和5 457.75 hm2； 城市總體規(guī)劃、2008奧運(yùn)會的綠色需求、城市公園環(huán)建設(shè)決策和首都百萬畝平原大造林是其變化的最重要驅(qū)動因素?！窘Y(jié)論】 與建設(shè)之初相比，一道綠化隔離地區(qū)內(nèi)的林木綠地斑塊更趨向于向自然化的方向變化，同時斑塊規(guī)模呈現(xiàn)了小、中、大型斑塊數(shù)量與面積同步減少，而特大型斑塊與巨型斑塊的斑塊數(shù)量和面積同步增加的變化趨勢。第一道綠化隔離區(qū)域城市林木和綠地不僅取得面積上的急速擴(kuò)大，而且其在城市生物多樣性保護(hù)中的作用也越來越大、越來越突出。

一道綠化隔離區(qū)； 城市林木樹冠覆蓋變化； 景觀格局動態(tài)； 北京

綠化隔離帶是指在一定規(guī)模的城鎮(zhèn)或城鎮(zhèn)密集區(qū)外圍，安排較多的綠地或綠化比例較高的相關(guān)用地，形成環(huán)繞城市建成區(qū)的永久性開敞空間(汪永華, 2004)，它是包容性城市開發(fā)三大策略中對城市擴(kuò)展限制作用最強(qiáng)的形式(韓昊英等， 2010)。自20世紀(jì)30年代末在倫敦城市建設(shè)中實施城市綠化隔離帶并獲得成效以來，該建設(shè)策略先后在世界上許多大城市的發(fā)展規(guī)劃中發(fā)揮了重要作用，像莫斯科、柏林、維也納、渥太華、首爾、曼谷、香港等都是非常成功的綠化隔離帶實施案例(張懷振等， 2005； 王旭東等， 2014； 文萍等， 2015)。

北京是我國實施綠化隔離政策最早、持續(xù)時間最長的城市。第一道綠化隔離帶建設(shè)構(gòu)想于1958年提出，1992年啟動建設(shè)，2000年全面啟動實施(楊小鵬， 2009)，2003年基本建設(shè)完成于(Yangetal., 2007)。目前，對北京市綠化隔離帶研究成果主要集中在宏觀規(guī)劃制定(徐波等， 2001； 歐陽志云等， 2005)、規(guī)劃實施成效評價(王昊等， 2011； Yangetal., 2007； 韓昊英等, 2010； 甘霖， 2012)、土地利用及其開發(fā)模式(曾贊榮等， 2014)、建設(shè)機(jī)制(李海琳， 2015)、綠地變化分析(張保鋼等， 2008； 孫小鵬等， 2012； 孟媛等， 2015)、游憩開發(fā)利用(藍(lán)斌才， 2009； 郭竹梅等， 2009； 李玏等， 2015)、監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(劉忠卿等， 2008； 張良等， 2011； 劉清麗等， 2012)等方面。通過對不同年份一道隔離區(qū)內(nèi)土地覆被現(xiàn)狀的遙感解譯結(jié)果分析認(rèn)為，一道隔離區(qū)實際的建設(shè)規(guī)模與規(guī)劃相比，規(guī)模萎縮(閔?，摰?， 2003)，沒有起到維護(hù)“分散集團(tuán)式”空間布局的作用(Yangetal., 2007)。由于這些研究工作都是在第一道綠化隔離地區(qū)建設(shè)高峰剛剛結(jié)束之后開展的，其依據(jù)的信息源存在2個短板： 時效性差和空間分辨率太低，無法全面、準(zhǔn)確描述破碎化程度深、景觀異質(zhì)性強(qiáng)的城市區(qū)域的地表覆蓋狀況。隨著Quickbird、Worldview高分2號等國內(nèi)外高分辨率商用遙感影像的普及，這為第一道綠化隔離區(qū)建設(shè)成效分析提供了重要的技術(shù)保障。本研究以2002年和2013年0.5 m分辨率的航、衛(wèi)片為基本信息源，以城市林木樹冠覆蓋特征為核心，利用景觀生態(tài)學(xué)的原理與方法，評價其10余年的建設(shè)成效，以期為北京市及其他城市未來的生態(tài)建設(shè)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

北京市位于華北平原西北部(115°25′—117°30′E，39°28′—41°05′N)，總面積為1 641 054 hm2,其中山區(qū)面積約占62%, 平原區(qū)面積約占38%。氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫12.3 ℃，多年平均降水400～600 mm。截止2015年，其建成區(qū)面積、常住人口、GDP總量分別達(dá)到了1 289.3 km2、2 170.5萬人和23 014.6億元，分別較2002年增加了634.8 km2、747.3萬人和18 699.6億元； 城市園林綠化覆蓋率從2002年的45.5%增加到了2015年的59%，人均公園綠地面積也從10.66 m2提高到了16 m2。北京地區(qū)土壤處于暖溫帶半濕潤地區(qū)的褐土地帶，褐土分布廣泛，占全市土地面積64.65%。全市植被由以櫟屬(Quercus)、椴屬(Tilia)、白蠟樹屬(Fraxinus)、槭屬(Acer)和楊屬(Populus)等落葉闊葉喬木樹種占優(yōu)勢的落葉闊葉林及以油松(Pinustabulaeformis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)占優(yōu)勢的溫性針葉林組成，原始植被較少，絕大多數(shù)為次生植被群落。本研究的北京城市第一道綠化隔離區(qū)域主要集中在三環(huán)路與五環(huán)路之間。

2 研究方法

2.1影像數(shù)據(jù)

由于北京市綠化隔離建設(shè)區(qū)域(一道和二道綠化隔離區(qū))全部位于六環(huán)路外1 km以內(nèi)的區(qū)域內(nèi)，本次研究選用了覆蓋該區(qū)域的分辨率為0.5 m的2002年8—9月真彩色航片，以及2013年8—9月的worldview2衛(wèi)星影像(包括了0.5 m的全色波與1.8 m多光譜波段)。在ERDAS2014平臺下，先對所有影像數(shù)據(jù)都進(jìn)行幾何精校正和正射校正(校正誤差控制在1個像元以內(nèi))，之后再對2013年的worldview2衛(wèi)星影像在ERDAS2014的ATCOR2 模塊下進(jìn)行大氣校正。

2.2樹冠覆蓋為核心的地表覆蓋景觀斑塊分類及其遙感解譯

根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部林務(wù)局的定義，城市林木樹冠覆蓋(Urban tree canopy, UTC)是指當(dāng)從樹木上空垂直觀察時，樹木葉層、樹枝、樹干所覆蓋的地表面積。樹冠覆蓋是與城市森林評價及其健康與穩(wěn)定性優(yōu)化關(guān)聯(lián)度最大的指標(biāo)，從20世紀(jì)60年代城市森林概念產(chǎn)生與學(xué)科建立以來，在歐美這些較早發(fā)展城市森林的國家中，一直將其作為評價、監(jiān)測、規(guī)劃城市森林的最重要指標(biāo)。以樹冠覆蓋為核心的地表覆蓋景觀斑塊分類一般包括林木樹冠覆蓋、草地、不透水地表、農(nóng)田、水體和裸土地等6個一級類(賈寶全等， 2013)。林木樹冠覆蓋包括了林地、果園、城市樹木和灌木等二級類別； 草地包括了草坪草地、天然草地和荒草地； 不透水地表包括了建筑物、道路、廣場和其他的人造的非泥土質(zhì)地表； 農(nóng)田包括了種植農(nóng)作物的土地和菜地； 水體包括了河流、湖泊、水庫、坑塘和其他一些開闊水面； 裸土地主要指泥土質(zhì)、沒有植被覆蓋的地表，主要包括果園裸土地、基建裸土地、綠化地帶裸土地、水岸裸土地和閑置裸土地。

面向?qū)ο蟮姆诸惣夹g(shù)對于監(jiān)測城市林木樹冠覆蓋變化是非常有效的，本研究以eCongnition Developer 9.0軟件為解譯平臺，通過反復(fù)試驗獲取最優(yōu)分割、解譯參數(shù)(表1，2)，以分層解譯模式完成研究區(qū)域的影像解譯工作，通過檢驗， 2002和2013年影像的分類結(jié)果總體精度分別達(dá)到了92.23%和96.02%，Kappa系數(shù)分別達(dá)到了0.8613和0.9231。

表1 2002年三環(huán)路與五環(huán)路之間分割參數(shù)和各層用途Tab.1 Parameters of multi-resolution segmentation and object layers between 3th and 5th Ring Road in 2002

表2 2013年三環(huán)路與五環(huán)路之間分割參數(shù)和各層用途Tab.2 Parameters of multi-resolution segmentation and object layers between 3rd and 5th Ring Road in 2013

2.3景觀格局指數(shù)

景觀格局分析在ARCGIS 10.2.2平臺上使用Patch Analyst 5.2 軟件完成。選用的景觀格局指數(shù)包括： 斑塊數(shù)目、斑塊總面積(hm2)、平均斑塊面積(hm2)、平均斑塊邊緣密度(m)、平均斑塊分維數(shù)、平均形狀指數(shù)、斑塊面積標(biāo)準(zhǔn)差、香儂多樣性指數(shù)和香儂均勻度指數(shù)。所有格局分析都在整個景觀和斑塊類型2個尺度上進(jìn)行。

2.4景觀斑塊分級

景觀斑塊的大小不同，其生態(tài)學(xué)意義差別很大。目前對于斑塊大小的劃分不同學(xué)者之間因為研究區(qū)域、研究對象、研究目標(biāo)的不同而差異很大。本研究參照了吳澤民(2011)在研究安徽省合肥市城市森林結(jié)構(gòu)時所提出的標(biāo)準(zhǔn)： 小斑塊≤500 m2、500 m2<中斑塊≤2 000 m2、2 000 m2<大斑塊≤10 000 m2、10 000 m2<特大斑塊≤50 000 m2、巨斑塊>50 000 m2。

2.5數(shù)據(jù)處理

首先，在arcgis平臺下，利用北京市林業(yè)局提供的二道綠化隔離區(qū)邊界矢量圖層，對ecognition平臺下解譯的0.5 m柵格數(shù)據(jù)文件進(jìn)行切割操作，形成研究區(qū)域內(nèi)2002和2013年的柵格圖層，再利用arcgis的柵格數(shù)據(jù)重分類功能，將全部的二級分類數(shù)據(jù)統(tǒng)一歸并到一級分類體系下。其次，對重分類后的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行兩方面的數(shù)據(jù)操作： 一方面，直接利用arcgis空間分析中的列聯(lián)表(Tabulate Area)分析功能，完成景觀轉(zhuǎn)移概率矩陣數(shù)據(jù)的分析與結(jié)果提取； 另一方面，利用arcgis中的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能，將研究區(qū)域的柵格數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)換為shp格式的矢量數(shù)據(jù)。第三，在arcgis平臺上，對上述矢量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行面積與周長計算，在此基礎(chǔ)上，利用arcgis平臺上的Patch Analyst 5.2模塊，完成景觀尺度和景觀斑塊類型尺度上的景觀格局指數(shù)分析； 同時將前述矢量數(shù)據(jù)中的林木樹冠覆蓋景觀斑塊類型單獨(dú)提取出來，之后再按照斑塊大小的分級標(biāo)準(zhǔn)，對其進(jìn)行重分類，最后對重分類的林木樹冠覆蓋數(shù)據(jù)在arcgis平臺上進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計。上述所有數(shù)據(jù)分析的原始結(jié)果都以dbf數(shù)據(jù)庫的形式保存，將該數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)在Excel軟件中打開并重新保存為Excel格式，之后的分析工作都在Excel軟件平臺上完成。

3 結(jié)果與分析

3.1北京市一道綠化隔離區(qū)景觀類型總體變化

eCongnition的解譯結(jié)果見圖1。從圖1可以看出， 2013年與2002年相比，明顯呈現(xiàn)出“一少兩多”的特點(diǎn)，即耕地明顯減少，而樹冠覆蓋與草地則明顯增多。從空間分布上看，若以東西長安街軸線分隔南、北來看，北部增減最為明顯，呈現(xiàn)了連片成團(tuán)的分布格局； 若以南北中軸線分隔東、西來看，則樹冠覆蓋和草地增加的總的空間分布要相對均衡一些。從GIS統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看(表3)，2002—2013年，不透水地表的面積比例從49.58%增加到了50%，雖然增幅不大，但其擁有高的景觀連通度，根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)的“斑塊-基質(zhì)-廊道”范式中的景觀基質(zhì)判別標(biāo)準(zhǔn)(Forman， 2006)，其為名副其實的景觀基質(zhì)，對整個區(qū)域景觀的變化起著主要的控制作用，這表明在整個一道綠化隔離地區(qū)內(nèi)，以不透水地表為標(biāo)志的城市化過程始終是這一區(qū)域最重要的變化過程。

從其他地表覆蓋類型的變化過程看，以林木樹冠覆蓋的增加最為明顯，11年間，面積增加了5 262.03 hm2，面積比例增加了20.57%，年均增幅分別達(dá)到了478.37 hm2和1.87%，而減少最顯著的為裸土地和農(nóng)田，11年間分別減少了4 117.34和2 156.7 hm2，減少比例分別達(dá)到了16.10%和8.43%。

11年間，綠地率(林木樹冠覆蓋面積與草地覆蓋面積之和占區(qū)域土地面積比例)從21%增加到了44.94%，凈增23.94%； 生態(tài)用地率(林木樹冠覆蓋面積、草地面積和水域面積之和占區(qū)域土地面積比例)從23.8%增加到了47.91%，凈增24.11%，年均凈增2.19%； 綠色生態(tài)空間面積(林木樹冠覆蓋面積、草地覆蓋面積、水面與農(nóng)田面積之和)(孫海清等， 2007)從8 435.11 hm2增加到了12 443.80 hm2，凈增4 008.69 hm2，但由于耕地絕對面積減少，導(dǎo)致綠色生態(tài)空間的增幅比例不大，只有15.67%。

3.2景觀斑塊類型動態(tài)變化

景觀動態(tài)變化是景觀生態(tài)學(xué)的三大核心問題之一，它利用轉(zhuǎn)移概率矩陣分析不同景觀要素內(nèi)部的相互轉(zhuǎn)換過程。北京市一道綠化隔離區(qū)2002—2013年各景觀斑塊類型轉(zhuǎn)移概率矩陣分析結(jié)果見表4。

圖1 北京市一道綠化隔離區(qū)樹冠覆蓋空間分布圖Fig.1 The urban tree canopy(UTC) and other land surface cover changes from 2002 to 2013

斑塊類型Patchtype20022013變化Change面積Area/hm2比例Ratio(%)面積Area/hm2比例Ratio(%)面積Area/hm2比例Ratio(%)林木樹冠覆蓋Urantreecanopy4832.9818.9010095.0139.475262.0320.57草地Grassland537.392.101397.425.46860.023.36裸土地Bareland4459.8917.44342.551.34-4117.34-16.10不透水地表Impervioussurface12680.1449.5812788.7950.00108.650.42水域Waterbody716.792.80760.132.9743.340.17農(nóng)田Agricultureland2347.959.18191.240.75-2156.70-8.43合計Total25575.15100.0025575.15100.000.000.00

表4 第一道綠化隔離區(qū)2002—2013年景觀類型轉(zhuǎn)移概率矩陣Tab.4 The transition matrix of different patch types in the first green belt from 2002 to 2013 %

從表4和圖2可以看出，第一道綠化隔離區(qū)內(nèi)最穩(wěn)定的景觀斑塊類型有3個： 林木樹冠覆蓋、不透水地表和水域，在2002—2013年，其保持不變的概率都在60%以上； 而最不穩(wěn)定的景觀類型為裸土地和農(nóng)田，其變化的概率分別達(dá)到了98.93%和94.79%，這也是該區(qū)域生態(tài)建設(shè)用地與城市建設(shè)用地最重要的來源類型，其中裸土地的主要變化去向是生態(tài)功能更強(qiáng)的林木樹冠覆蓋類型，該方向的變化面積占該類型總面積的63.58%，而農(nóng)田向林木樹冠覆蓋用地和城建用地的變化比例相差不大，分別為38.98%和43.89%。從全部6個景觀斑塊類型的變化方向看， 林木樹冠覆蓋和不透水地表，其轉(zhuǎn)移概率都在10%以上，而向其他類型變化的概率絕大多數(shù)都在5%以內(nèi)，這既體現(xiàn)出了該區(qū)域強(qiáng)烈的城市化變化特征，另一方面也體現(xiàn)出了生態(tài)過程得以強(qiáng)化的變化特點(diǎn)。但林木樹冠覆蓋斑塊類型中有33.75%的面積轉(zhuǎn)化為不透水地表，說明一道綠化隔離區(qū)內(nèi)生態(tài)建設(shè)和生態(tài)破壞2個過程同時存在，對于生態(tài)建設(shè)而言，只有空間上的長期穩(wěn)定，才能夠保障其生態(tài)效益的穩(wěn)定有效發(fā)揮，這種情況在今后的城市綠地維護(hù)與進(jìn)一步建設(shè)過程中應(yīng)該引起重視，并盡量予以避免。

圖2 穩(wěn)定斑塊類型與不穩(wěn)定斑塊變化后類型空間分布Fig.2 Distribution of the stable and unstable patches

3.3景觀格局變化

從整個景觀水平來看(表5)，其呈現(xiàn)出了多樣性和均勻度下降的變化特征，與之伴隨的是斑塊數(shù)量從2002年的141 586個，減少到了2013年的71 240個，減少率達(dá)到了49.7%，在斑塊數(shù)量減少的同時，平均斑塊面積則從0.181 hm2，增加到了0.359 hm2。從斑塊形狀指數(shù)來看，其從2002年的1.862增加到了2013年的1.890，這說明景觀斑塊形狀越發(fā)不規(guī)則、斑塊越來越離散； 從斑塊平均邊緣密度看，其從190.177 m增加到了339.394 m，這說明景觀被邊界割裂的程度在升高，景觀斑塊的空間連通度有所降低； 平均斑塊分維數(shù)從1.645增加到了1.723，這表明景觀斑塊的復(fù)雜性程度在增高，景觀斑塊的穩(wěn)定性有所增加。這些不同格局指數(shù)的變化表明，整個一道綠化隔離區(qū)域內(nèi)景觀的破碎化程度在加深，景觀斑塊空間分布的均勻化趨勢在減弱，景觀邊緣的生態(tài)過程更趨活躍。

從景觀斑塊類型水平來看，林木樹冠覆蓋斑塊類型的平均斑塊分維數(shù)和平均斑塊形狀指數(shù)同時呈現(xiàn)了下降的變化趨勢，這說明林木樹冠覆蓋斑塊的形狀越來越規(guī)則，受的人類活動影響程度也越發(fā)強(qiáng)烈； 草地斑塊的景觀格局指數(shù)變化與整個景觀尺度的相關(guān)指數(shù)的變化趨勢保持了高度的一致性； 不透水地表與農(nóng)田的變化趨勢一致，除了平均斑塊與斑塊面積標(biāo)準(zhǔn)差雙降低之外，其余景觀格局指數(shù)與景觀尺度水平的格局指數(shù)變化同步，這一方面說明這2種景觀類型的破碎化程度在加深，另一方面也說明景觀斑塊類型的面積大小的差異程度在減弱，其分布更趨向于平均值方向； 裸土地斑塊類型與景觀水平的格局指數(shù)變化趨勢有異的指標(biāo)只有斑塊面積標(biāo)準(zhǔn)差，該指標(biāo)呈現(xiàn)了微弱降低的變化趨勢，這說明2013年該類型景觀斑塊的大小分布與2002年相比，更趨向于平均斑塊大小的趨勢； 水體景觀類型的格局指數(shù)只有平均斑塊大小的變化趨勢與整個景觀水平的變化趨勢不同，其值從2002年的0.583降低到了2013年的0.573，說明其景觀破碎化程度在加深。總體來看，斑塊類型尺度的景觀格局指數(shù)的變化在絕大多數(shù)的景觀指數(shù)上呈現(xiàn)了與整個景觀水平一致的變化趨勢，除林木樹冠覆蓋斑塊類型外，其變化的差異性主要體現(xiàn)在斑塊平均面積的降低與斑塊面積標(biāo)準(zhǔn)差的減少上，這表明景觀斑塊類型水平上的景觀破碎化程度要高于景觀水平的破碎化程度。

3.4斑塊規(guī)模

景觀斑塊大小是一個重要的景觀特征參數(shù)，其對景觀的能流、物流、物種流有重要影響，因此，植被斑塊大小一直是自然保護(hù)區(qū)建設(shè)與城市公園景觀設(shè)計的關(guān)注焦點(diǎn)(Formanetal., 1990； 鄧毅， 2007)。從表6的數(shù)據(jù)來看，研究區(qū)域的林木樹冠覆蓋斑塊在數(shù)量上以小斑塊為主， 2002和2013年的小斑塊數(shù)量占比分別達(dá)到了88.4%和80.05%，中斑塊的數(shù)量占比分別為8.11%和13.1%，二者合計的數(shù)量占比都達(dá)到了90%以上，因此，總體上第一道綠化隔離區(qū)的斑塊數(shù)量上以中、小型斑塊為主。但從面積上來看，2個年度的中小型斑塊總面積分別占林木樹冠覆蓋總面積的29.47%和11.36%，而特大型斑塊和巨型斑塊的面積合計分別達(dá)到了48.71%和78.36%，尤其是面積大于50 000 m2的巨型斑塊的面積在2002和2013年分別占到了24.27%和65.69%。

表5 斑塊尺度與景觀尺度的景觀格局指數(shù)①Tab.5 The changes of the landscape pattern indexes in the patch level and landscape level from 2002 to 2013

表6 林木樹冠覆蓋斑塊大小分級統(tǒng)計Tab.6 Statistics of the urban tree canopy patch size class from 2002 to 2013 in the first green belt in Beijing

從時間動態(tài)變化上來看，第一道綠化隔離地區(qū)的林木樹冠覆蓋斑塊在2002—2013年間，呈現(xiàn)了斑塊數(shù)量大幅度下降、斑塊面積迅速增長的特點(diǎn)。2002年總的數(shù)量為91 848個， 2013年全部斑塊數(shù)量只有48 604個，減幅達(dá)47.08%； 與此同時，林木樹冠覆蓋斑塊的總面積則從2002年的4 382.98 hm2，增加到了10 094.1 hm2，增幅達(dá)到了108.86%。

2013與2002年相比，小、中、大斑塊數(shù)量分別減少了42 286，1 081和51個，斑塊面積則分別減少了186.08，91.24和16.65 hm2，特大型斑塊與巨型斑塊無論是斑塊數(shù)量還是斑塊面積都呈現(xiàn)了增加的變化特點(diǎn)， 2013年斑塊數(shù)量分別比2002年增加了44和130個，而斑塊面積則分別增加了97.33和5 457.75 hm2。

4 討論

4.1景觀變化的驅(qū)動因素

北京市一道隔離區(qū)建設(shè)從開始就是在強(qiáng)烈的人為意識指導(dǎo)下產(chǎn)生的，因此，它的發(fā)展變化一直受到人為影響的制約與促進(jìn)。對本次研究2002—2013年時段影響較大的人為事件有3個： 城市總體規(guī)劃與2008奧運(yùn)會的綠色需求、城市公園環(huán)建設(shè)決策和首都百萬畝平原大造林。

從城市規(guī)劃來看，對其影響較大的分別為1993批復(fù)的的《北京市城市建設(shè)總體規(guī)劃(1991—2010)》和2005年批復(fù)的《北京市城市建設(shè)總體規(guī)劃(2004—2020)》。1958年的城市規(guī)劃，雖然首次提出了城市綠化隔離區(qū)建設(shè)的藍(lán)圖構(gòu)想，并被以后的歷次總體規(guī)劃所繼承，但直到1993年的城市總體規(guī)劃才真正開始了北京綠化隔離地區(qū)生態(tài)建設(shè)的序幕。在1993—1999年間的19個試點(diǎn)單位建設(shè)的基礎(chǔ)上， 2000—2003年間，北京市政府先后出臺了30多項針對綠化隔離地區(qū)的政策文件，并明確提出了“10年任務(wù)3年完成”和“綠化達(dá)標(biāo)、環(huán)境優(yōu)美、經(jīng)濟(jì)繁榮、農(nóng)民致富”的目標(biāo)，從而掀起了第一道綠化隔離地區(qū)建設(shè)的高潮，根據(jù)北京市園林年鑒資料統(tǒng)計，僅這3年時間內(nèi)，每年新增的綠化面積都在2 000 hm2左右。另外，雖然原定的規(guī)劃實施完成期為2003年，但2003年之后，盡管實際的建設(shè)規(guī)模大幅度降低，但整個建設(shè)活動一直持續(xù)到了2008年，2004—2008年的5年間，累計完成造林綠化面積1 016.7 hm2，占到了2000—2008年總造林面積的11.84%。

2004年的北京城市總體規(guī)劃針對第一道綠化隔離地區(qū)建設(shè)，提出了“圍繞中心城以及第一道綠化隔離地區(qū)形成公園環(huán)”、將其建設(shè)成“具有游憩功能的景觀綠化帶和生態(tài)保護(hù)帶”， 2007年正式啟動了第一道綠化隔離地區(qū)郊野公園環(huán)建設(shè)，2007—2012年間，先后完成了新建52 個郊野公園的建設(shè)任務(wù)，加上2007年之前就已經(jīng)存在的28個公園，第一道綠化隔離地區(qū)的公園數(shù)量達(dá)到了81個，占地5 406.87 hm2，形成了初具規(guī)模的城市公園環(huán)。

除了上述的城市規(guī)劃因素之外，對北京綠化隔離地區(qū)建設(shè)具有極其重要意義的事件為2008年第28屆奧運(yùn)會的申請與舉辦。北京提出的“綠色奧運(yùn)、科技奧運(yùn)、人文奧運(yùn)”三大主題中，“綠色奧運(yùn)”無疑是2000年北京重啟第一道綠化隔離帶建設(shè)，并于2003年提出第二道綠化隔離帶建設(shè)的最重要原因。

隨著2011年第二道綠化隔離地區(qū)生態(tài)綠化建設(shè)工程的收尾，北京市政府在2011年又提出并部署了《北京市百萬畝平原大造林工程》項目，在2012—2013年，共在第一道綠化隔離區(qū)域的南部、西南部和東北部造林559.29 hm2，其中2012和2013年分別占69.7%和和30.3%。在造林類型中，平原大造林共包括了景觀生態(tài)林、綠色通道2個類型，沒有濕地保護(hù)與建設(shè)類型，其中景觀生態(tài)林占84.88%。

4.2規(guī)模與格局變化的過程

1992—2008年TM衛(wèi)星影像的解譯結(jié)果顯示，第一道綠化隔離區(qū)范圍內(nèi)，共完成綠地建設(shè)面積7 608 hm2，只占到了140 km2綠化規(guī)劃目標(biāo)的一半，并出現(xiàn)了綠地平均斑塊面積下降等景觀破碎化的發(fā)展趨勢(甘霖， 2012)。由本研究結(jié)果來看，第一道隔離區(qū)的綠地面積(林木樹冠覆蓋+草地)已由2002年的5 370 hm2，增加到了2013年的1 1492.43 hm2，占到了規(guī)劃目標(biāo)的82.1%，林木樹冠覆蓋和草地景觀斑塊類型的平均斑塊面積也分別由0.053和0.266 hm2提高到了0.208和1.112 hm2，這一結(jié)果既與本研究的數(shù)據(jù)源分辨率高有極大關(guān)系，同時也說明第一道綠化隔離區(qū)內(nèi)綠地斑塊的破碎化趨勢已經(jīng)得到了根本逆轉(zhuǎn)。

從不同的景觀斑塊類型變化情況來看，Yang等(2007)的研究結(jié)果顯示，1992—2005年間，一道綠化隔離地區(qū)的農(nóng)田、裸土地和水體呈現(xiàn)了面積減少的變化過程，而不透水地表、城市林木和草地呈現(xiàn)了面積增加的變化過程。本研究結(jié)果表明， 2002—2013年間不同的景觀斑塊類型也呈現(xiàn)了與前述研究結(jié)果相同的變化過程，只是在變化幅度上面存在差異。這一情況表明，以不透水地表增加和農(nóng)田面積減少為特征的城市化過程一直是北京第一道綠化隔離區(qū)域景觀變化過程的最重要內(nèi)在驅(qū)動機(jī)制，伴隨這一過程的則是林木樹冠覆蓋和草地等強(qiáng)生態(tài)功能的景觀斑塊類型同步增加，其中農(nóng)田為支撐這一變化起到了決定性作用。由表4的轉(zhuǎn)移概率矩陣分析結(jié)果可以看出， 2002—2013年的11年間， 2002年的農(nóng)田面積分別有43.89%和38.98%轉(zhuǎn)變成了建設(shè)用地和林木樹冠覆蓋用地，如果加上轉(zhuǎn)化為草地的7.79%，則農(nóng)田在該區(qū)域轉(zhuǎn)化為這3類用地的面積比例總計高達(dá)90%以上。Yang等(2007)研究結(jié)果表明， 1992—2005年間，建設(shè)用地的增幅為10%，而草地和林木覆蓋用地的增幅分別只有3%和4%，本研究結(jié)果顯示， 2002—2013年間，建設(shè)用地的增幅明顯趨緩，只有0.42%； 草地增幅為3.36%，與1992—2005年間的變幅基本持平； 而林木樹冠覆蓋類型的增幅則達(dá)到了20.57%，遠(yuǎn)高于1992—2005年間4%的增幅比例，這一差異既有遙感影像分辨率不同而造成的固有誤差因素，但高達(dá)15%的差異情況另外也說明，隨著城市化進(jìn)程的進(jìn)一步推進(jìn)，整個社會對生態(tài)環(huán)境的重視程度得到了空前的提高，而樹冠覆蓋面積的大幅度增加，對該區(qū)域城市景觀格局朝破碎化程度減弱、斑塊形狀指數(shù)增大、斑塊平均面積變大和分維數(shù)增加的方向發(fā)展起到了至為關(guān)鍵的作用。

5 結(jié)論

由于城市森林綠地系統(tǒng)具有斑塊面積小、破碎化程度高的特點(diǎn)，用中比例尺衛(wèi)片很難反映其實際的空間狀況信息。本研究利用0.5 m的2002和2013年航衛(wèi)片解譯發(fā)現(xiàn)，北京市第一道綠化隔離地區(qū)林木樹冠覆蓋從2002年的4 832.98 hm2增加到了2013年的10 095.01hm2，11年間共增加了20.57%，這表明北京市第一道綠化隔離地區(qū)的生態(tài)建設(shè)成效是非常巨大的。

從整個景觀尺度來看，其斑塊平均分維數(shù)和斑塊面積形狀指數(shù)呈現(xiàn)不斷增加的特點(diǎn)，這說明隨著時間延續(xù)，整個第一道隔離地區(qū)受人為影響的程度在減弱，其自然化程度在增加； 而林木樹冠覆蓋景觀斑塊類型的平均斑塊分維數(shù)和斑塊面積形狀指數(shù)呈現(xiàn)不斷降低的變化過程，這表明該類型景觀要素斑塊所受到的人為活動影響在不斷加強(qiáng)。從斑塊大小的尺度變化來看，第一道隔離區(qū)呈現(xiàn)了小、中、大斑塊數(shù)量與面積同步減少，而特大斑塊與巨型斑塊的斑塊數(shù)量和面積同步增加的變化趨勢。

從第一道綠化隔離區(qū)樹冠覆蓋變化的動因來看，《北京市城市建設(shè)總體規(guī)劃(1991—2010)》、《北京市城市建設(shè)總體規(guī)劃(2004—2020)》和“百萬畝平原大造林”工程是北京市第一道綠化隔離區(qū)景觀變化的最重要推手，2008年奧運(yùn)會舉辦與2007年的城市公園環(huán)建設(shè)是造成該區(qū)域林木樹冠覆蓋大幅增加的最重要因素。

根據(jù)國外文獻(xiàn)，絕大多數(shù)情況下，城市林木樹冠覆蓋主要以喬木為核心，由于喬木的生態(tài)功能普遍比灌木大，在土地資源極度緊張的城市地區(qū)，更傾向于發(fā)展喬木林或者是喬灌草三結(jié)合的復(fù)層城市森林。本研究受遙感影像分辨率制約，在面向?qū)ο蟮慕庾g過程中，還無法將喬木和灌木純林完全區(qū)別開來，因此，這在一定程度上影響到了分析的完整性。

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(責(zé)任編輯 于靜嫻)

UrbanTreeCanopyChangesExplainedbyLandscapeEcologicalPerspectiveaCaseStudyofFirstGreenBeltinBeijing,China

Jia Baoquan Liu Xiuping

(ResearchInstituteofForestry,ChineseAcademyofForestryKeyLaboratoryofTreeBreedingandCultivation,StateForestryAdministrationResearchCentreofUrbanForestry,StateForestryAdministrationBeijing100091)

【Objective】 The construction of urban green belt is one of the most effective approaches to preventing chaotic urban sprawl and ensuring the urban ecological security. In this research, we used tree canopy of urban forest to explore the temporal and spatial ecological effectiveness of the first green belt in Beijing from a perspective of landscape ecology. To reduce the errors of low spatial resolution remote sensing data, we used high-resolution aerial and satellite images to extract the forest canopy data thanks to the recent advancement in high resolution remote technology. 【Method】 Based on 2002 aerial photo and 2013 Worldview2 images with a resolut sensing ion of 0.5 meter, the urban forest canopy of 2002 and 2013 within the first green belt were interpreted by using the object-oriented interpreting technology platform eCognition9.0 software. Urban forest canopy within in the first green belt area was analyzed in detail from several aspects including landscape dynamics, changes of landscape pattern and scale of landscape patches.【Result】 Result indicated that urban forest canopy within the first green belt area increased from 4 832.98 hm2in 2002 to 10 095.01 hm2in 2013, equivalent to 20.57% over this years. Overall, the proportion of green land was increased by 23.94% and the proportion of ecological land increased by 24.11%. From a perspective of landscape pattern change, the MPFD and MSI index of urban forest canopy patches increased constantly. From a perspective of scale changes on patch size, small and giant patches were two most significant types, which decreased respectively by 42 286 and 130 in number, and 186.08 hm2and 5 457.75 hm2in area over 11 years. Such dramatic changes were driven by several factors including overall urban planning, and open space demand for hosting the 2008 Olympic Games, promoting the urban park development by the authorities of city, and ultimately leading to the huge urban greening project entitled with “One Million Mu Plain Afforestation Project”.【Conclusion】 Compared with the initial stage of construction, the development of urban forest canopy patches within the first green belt tends to be more natural. In the meantime, there was a changing trend that the number and area of small patches, medium patches and large patches reduced while the number and area of extra-large patches and giant patches increased synchronously. All of these trends showed that the urban forest canopy and green space of this area have achieved a rapid expansion in the area, and the belt played a more and more important role in the protection of urban biodiversity as well.

first green belt； urban tree canopy dynamics； landscape pattern changes； Beijing

S731.2; Q14;X32; F293.2(21)

A

1001-7488(2017)09-0001-10

10.11707/j.1001-7488.20170901

2016-12-29；

2017-08-10。

北京市自然科學(xué)基金項目(8152031)； 林業(yè)公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費(fèi)項目(201404301)。

*賈寶全為通訊作者。