汪翡翠,汪東川,2,*,張利輝,劉金雅,胡炳旭,孫志超,陳俊合

1 天津城建大學,地質(zhì)與測繪學院,天津 300384 2 天津城建大學,天津市土木建筑結(jié)構(gòu)防護與加固重點實驗室,天津 300384

隨著城市化進程的加快,我國城鎮(zhèn)化進入到“下半程”,城市在經(jīng)濟高速發(fā)展的同時也經(jīng)歷著人口集聚、生態(tài)用地被侵占等一系列“城市化”問題[1- 4],由此導致人類和自然面臨越來越多嚴峻的考驗,這與當前社會主義生態(tài)文明觀的要求有很大差距。在國家層面上,將實行最嚴格的生態(tài)環(huán)境保護制度,形成綠色發(fā)展理念和生活方式,推動人與自然和諧發(fā)展,形成現(xiàn)代化建設(shè)新格局。

生態(tài)風險評價,作為一種重要的生態(tài)環(huán)境管理手段[5],可以為區(qū)域生態(tài)管理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持[6- 8]。關(guān)于生態(tài)風險的評價方法有很多,但基本上可以劃分為兩大類:基于風險源匯和基于景觀格局[9]?；陲L險源匯的景觀生態(tài)風險評價方法,需要識別威脅區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的風險受體和風險源[10-11]?；诰坝^格局的景觀生態(tài)風險評價方法是以土地利用變化為誘因的生態(tài)風險評價[12-13]。在缺乏生態(tài)監(jiān)測資料的歷史積累時,可以利用相對較易獲取的土地利用數(shù)據(jù)描述和評價土地利用方式的不同對生態(tài)系統(tǒng)的影響[14]。土地利用是全球生態(tài)環(huán)境變化的重要組成部分,對區(qū)域生態(tài)安全起著決定性作用。不同的土地利用方式對生態(tài)環(huán)境所產(chǎn)生的影響具有累積性和區(qū)域性[15- 17],這可以直接反映在生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成上,例如景觀要素及其功能的變化[18- 19]。很多學者從景觀格局角度出發(fā),評價區(qū)域生態(tài)風險。然而景觀尺度主要集中在流域和小尺度地區(qū)[20- 21],針對城市化發(fā)展較快的大尺度城市群區(qū)域的研究相對較少。

權(quán)重賦值是生態(tài)風險評價的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。評價指標的權(quán)重賦值可以分為定性和定量兩種方法。定性評價根據(jù)指標之間的相對大小或相對優(yōu)劣程度去對指標進行賦值,然后評價生態(tài)風險的相對變化程度[22- 23]。定量評價則通過構(gòu)建公式或模型,對生態(tài)風險進行評價[24- 31]。在實際研究中,需要根據(jù)具體的評價目標來確定合適的賦權(quán)方法。上述的定性或定量生態(tài)風險評價方法基本都是針對某一個時間點獨立進行,這已經(jīng)不能滿足探究長時間生態(tài)風險的動態(tài)轉(zhuǎn)移要求,因此需要尋求某種方法去探究它的轉(zhuǎn)移方向。曾輝等人利用地統(tǒng)計學方法對整體的生態(tài)風險進行空間分析,輔以半變異函數(shù)為工具進行生態(tài)風險指數(shù)的方向性分析[32],李明財?shù)热死每臻g重心轉(zhuǎn)移模型對城市擴張的方向進行了分析[33]。地統(tǒng)計學方法針對單個時間節(jié)點的方向性進行分析,而未考慮多個時間節(jié)點的連續(xù)方向性的分析。而重心模型則能很好地表明某個變量的轉(zhuǎn)移軌跡,且經(jīng)常被運用于經(jīng)濟、消費和人口等研究中[34-36]。

京津冀地區(qū)作為我國面積較大的城市群區(qū)域,在城市群發(fā)展過程中土地利用結(jié)構(gòu)的破壞導致了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降,阻礙了可持續(xù)發(fā)展的進程。鑒于以上背景,本文利用生態(tài)風險評價方法去識別生態(tài)風險空間分布特征,然后借助重心模型深入探討綜合高風險區(qū)域重心的時間演變過程及變化規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

京津冀地區(qū)區(qū)域總面積21.8萬km2,截止2016年底總?cè)丝谶_1.12億人,GDP總量7.56萬億元。行政區(qū)域范圍涉及200區(qū)(縣),其中北京16個市轄區(qū)、天津16個市轄區(qū)、河北11個地級市以及168個區(qū)(縣)。1982年《北京市建設(shè)總體規(guī)劃方案》首次提出“首都圈”概念,提出了京津冀三地協(xié)同發(fā)展的理念,包括北京、天津兩個直轄市以及河北的保定、唐山、廊坊、石家莊、秦皇島、張家口、承德、滄州、邯鄲、邢臺、衡水等11個地級市。2015年4月30日,中共中央政治局審議通過《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》,并且制定了京津冀協(xié)同發(fā)展總體規(guī)劃綱要和生態(tài)環(huán)境保護與交通一體化專項規(guī)劃,以促進京津冀地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[37-38]。同時這些地區(qū)先后簽訂了以《環(huán)渤海區(qū)域合作框架協(xié)議》為代表的區(qū)域合作協(xié)議和諸多促進環(huán)境保護、經(jīng)濟合作、交通合作等方面的合作協(xié)議。

研究區(qū)氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L型氣候,降水分配不均勻,春秋短促且干旱多風,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥。

遙感影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),其中包括1984年的Landsat 4 MSS數(shù)據(jù)、1990年的Landsat 5 TM數(shù)據(jù)、2000年,2005年和2010年的Landsat ETM數(shù)據(jù)以及2015年的Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)。選擇6月至8月期間沒有云或少云(云量低于10%)的影像數(shù)據(jù)以確保地面特征識別和解譯的高精度。

參考國家土地利用現(xiàn)狀分類標準(GB/T 21010—2017)和中國科學院地理科學與資源研究所劉紀遠等在建設(shè)“中國20世紀LUCC時空平臺”建立的LUCC(土地利用/土地覆被變化)分類系統(tǒng),并結(jié)合京津冀地區(qū)的實際土地分類情況將土地利用類型歸結(jié)為7個一級分類:林地、草地、濕地、耕地、人工表面、其他用地和海域。本文的海域指的是2015年的國土最大輪廓線內(nèi)的每個時間節(jié)點海水面積。遙感影像解譯主要是在ArcGIS平臺上進行的。利用波段組合、圖像校正和圖像增強技術(shù),對空間分辨率為80m(MSS)、30m(TM)和15m(ETM + / OLI)的遙感影像進行預處理。在目視解譯中使用來自調(diào)查網(wǎng)站的多邊形樣本和來自Google Earth的高分辨率圖像。先解譯較高分辨率的2015年遙感影像,然后將解譯后的2015年LUCC數(shù)據(jù)作為基準圖,將不同時間節(jié)點的影像進行疊加,生成各節(jié)點的土地利用/覆被數(shù)據(jù)。依據(jù)現(xiàn)場采樣點和谷歌地球樣本進行精度驗證,解譯結(jié)果的準確性被證實高于95%。

1.2 生態(tài)風險指數(shù)

1.2.1 生態(tài)風險指數(shù)的構(gòu)建

生態(tài)風險指自然或人為因素影響下景觀格局與生態(tài)過程相互作用可能產(chǎn)生的不利后果[9]。生態(tài)風險指數(shù)是指不同景觀對生態(tài)環(huán)境所產(chǎn)生的風險值大小,用來表征不同景觀所導致生態(tài)風險的貢獻度。本文從兩個方面建立土地利用類型與基于景觀格局的生態(tài)風險之間的聯(lián)系,一是利用土地利用生態(tài)風險的主觀權(quán)重,耦合相應(yīng)土地利用類型面積比例[21,31,39],二是利用景觀破碎度。景觀破碎化主要表現(xiàn)兩個方面,一是景觀斑塊面積由大變小的過程,二是隨著斑塊面積的減少和地理空間隔離程度的增加產(chǎn)生的景觀結(jié)構(gòu)破碎化,可分別用斑塊密度指標和蔓延度指標來表示[7,40]。斑塊密度指標表達的是單位面積上的斑塊數(shù),其值越大說明斑塊數(shù)量增加,斑塊形狀趨于不規(guī)則,內(nèi)部斑塊面積縮小,斑塊彼此隔離越來越大,反映了景觀受干擾較強烈,景觀破碎化程度高;蔓延度是景觀連通度的指示指標,是景觀中不同斑塊類型的團聚程度或延展趨勢,是對斑塊連通水平的衡量,蔓延度越高,表明景觀中的優(yōu)勢斑塊形成了良好的連接,說明景觀中起主導作用的斑塊完整性和連通性好,景觀低破碎;反之則說明景觀具有多種要素的散布格局,斑塊間連通性差、隔離度較高、破碎度高。景觀生態(tài)風險指數(shù)的計算公式如下:

(1)

式中,ERI為生態(tài)風險指數(shù);n為土地利用類型的數(shù)量;Ai為研究區(qū)內(nèi)第i種土地利用類型的總面積(km2);A為研究區(qū)內(nèi)土地利用類型的總面積(km2);Wi為研究區(qū)內(nèi)第i種土地利用類型所反映的生態(tài)風險強度參數(shù),也就是不同土地利用類型生態(tài)風險的權(quán)重;F斑塊密度(個/100hm2);M為蔓延度(%)。

無論選用哪種景觀生態(tài)風險評價方法,對于評價指標的權(quán)重進行賦值都是景觀生態(tài)風險評價中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。根據(jù)層次分析法[21,39,41]的原理和方法確定土地利用生態(tài)風險權(quán)重。首先對土地利用類型的相對強度指標進行兩兩比較、判斷,構(gòu)造出判斷矩陣;其次采用加權(quán)法計算指標的標準化權(quán)重,并進行一致性檢驗。根據(jù)一致性檢驗結(jié)果判斷所構(gòu)造的矩陣是否具有滿意的一致性。本文采用AHP軟件完成如上分析,一致性比例的計算結(jié)果為0.0022(<0.01),表明判斷矩陣具有滿意的一致性,從而獲得6種土地利用類型生態(tài)風險的主觀權(quán)重分別為:林地0.0708、水域0.0961、草地0.1290、耕地0.1691、未利用地0.2238、人工表面0.3112。

1.2.2 基于格網(wǎng)的生態(tài)風險小區(qū)劃分

公式(1)表示景觀格局指數(shù)一方面由土地利用類型的生態(tài)風險貢獻度及其面積比構(gòu)成,另一方面由斑塊密度與景觀蔓延度構(gòu)成,景觀斑塊與景觀蔓延度由Fragstats 4.2軟件中的移動窗口法獲得。因此,為了能夠?qū)⑼恋乩妙愋偷纳鷳B(tài)風險貢獻度及其面積比的乘積空間化,在考慮研究區(qū)空間異質(zhì)性和斑塊大小的基礎(chǔ)上,將研究區(qū)劃分5km×5km的采樣網(wǎng)格,共計9053個生態(tài)風險小區(qū)(圖1)。在GIS軟件中計算生態(tài)風險小區(qū)的生態(tài)風險值,并將每個網(wǎng)格的值賦予該網(wǎng)格的中心點,最后將所有中心點值采用克里金插值法進行空間插值得到生態(tài)風險的空間分布圖[12- 13,20- 21]。

圖1 研究區(qū)生態(tài)風險小區(qū)的劃分示意圖Fig.1 Sketch map of ecological risk community in research area

1.3 生態(tài)風險重心

“重心”的概念源于力學中重心的概念。重心是指在某一區(qū)域之內(nèi),如果把該區(qū)域看作是一個質(zhì)地均勻的平面,那么,這個平面上便存在一個支點,使平面保持平衡,該支點就是該區(qū)域的重心點[39]。在本文中,生態(tài)風險重心是指用生態(tài)風險分區(qū)中的綜合高風險區(qū)替代區(qū)域質(zhì)量時形成的重心,即在生態(tài)風險發(fā)展過程中,在綜合高風險區(qū)域空間上存在一點,在該點前后左右各個方向上的生態(tài)風險力量對比保持相對均衡,該點就是生態(tài)綜合高風險重心。

本文采用幾何重心法來衡量某一屬性的空間分布狀況[41],計算公式如下:

(2)

式中,X、Y分別表示生態(tài)風險重心的行號、列號,準確表達了重心的地理位置;Xi分別為第i個綜合高風險次級區(qū)域(即每一個柵格單元)中心的行號,Yi分別為第i個綜合高風險次級區(qū)域(即每一個柵格單元)中心的列號,Mi為第i個綜合高風險次級區(qū)域的屬性值。由式(2)可知,影響重心遷移的因素是各柵格單元綜合高風險區(qū)的空間坐標和屬性值的大小。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)風險的時空格局分析

生態(tài)風險的時空格局及演變特征是區(qū)域景觀生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的直接反映,也代表生態(tài)系統(tǒng)受外界脅迫與抗脅迫能力的強弱。根據(jù)公式(1)計算獲得1984—2015年土地利用生態(tài)風險圖(圖2),并提取各類生態(tài)風險區(qū)域分布面積并計算其所占比例。

圖2 1984—2015年土地利用生態(tài)風險時空分布Fig.2 Spatial and temporal distribution of land use ecological risk from 1984 to 2015

如圖2和表1所示,京津冀城市群的生態(tài)風險越來越嚴重。其中,較高風險區(qū)和高風險區(qū)都呈現(xiàn)出不斷擴張趨勢,較高風險區(qū)的上升趨勢較明顯,高風險區(qū)所占比例從0.069%增加至0.262%,較高風險區(qū)所占比例從0.679%增加至1.825%,高風險區(qū)和較高風險區(qū)與城市建設(shè)用地的吻合度較高,對應(yīng)面積也呈逐漸增加的趨勢。表明建設(shè)區(qū)域周邊生態(tài)風險正在不斷地加劇。低風險區(qū)主要分布在滄州市、衡水市、北京市北部、保定市西部、邢臺市東部和邯鄲市東部,并且所占比例呈現(xiàn)出下降趨勢,從80.744%降低至68.252%,而較低風險區(qū)面積有所增加,所占比例從14.843%降低至23.370%,較小程度上加劇了生態(tài)風險。中等風險區(qū)呈現(xiàn)出上升趨勢,所占比例由3.665%上升至6.292%。景觀高風險區(qū)呈點狀分布于北京北部、天津中部、保定北部、石家莊西部以及張家口西部以及承德市西北部。京津冀城市群區(qū)域的較高風險區(qū)由呈面狀零散分布變化至面狀連片分布。其中高風險區(qū)和較高風險區(qū)多位于各大城市的中心城區(qū)附近,佐證了城市化的快速發(fā)展對生態(tài)風險影響顯著。

表1 土地利用生態(tài)風險等級比例/%

2.2 13個地級市綜合高風險區(qū)比例分析

如表2所示,在研究時間內(nèi),各地級市綜合高風險區(qū)的變化各不相同。其中,北京市、天津市面積增長百分點分別達到了13.15%和14.85%;唐山市、廊坊市大于零,分別為2.27%和0.56%;滄州市和衡水市幾乎沒變化;邢臺市、邯鄲市、秦皇島市、石家莊市、保定市、張家口市和承德市的面積變化百分比小于零,其中,邢臺市和邯鄲市面積降低幅度較小,承德市綜合高風險區(qū)的面積降低百分比最大,達到了10.40%,其次是張家口市。在1984年,承德市和張家口市綜合高風險區(qū)所占比例較高,分別為27.85%、和20.48%,而在廊坊市、張家口滄州市和衡水市所占比例均為0.00%;在2015年,北京綜合高風險區(qū)所占的比例達到了最高,達到了22.64%,其次是承德市和天津市。

2.3 生態(tài)綜合高風險區(qū)的重心轉(zhuǎn)移

由于廊坊市、滄州市和衡水市的綜合高風險區(qū)所占比例較小,所以選擇其余10個地級市進行綜合高風險區(qū)重心的計算。根據(jù)公式(2)獲取1984—1990年、1990—2000年、2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年5個階段內(nèi)研究區(qū)內(nèi)綜合高風險區(qū)的重心轉(zhuǎn)移(圖3)。

圖3 綜合高風險區(qū)重心移動軌跡Fig.3 Comprehensive high risk areas center of gravity trajectory

如圖3所示,綜合高風險區(qū)重心轉(zhuǎn)移方向可以大致分為3類:向首都轉(zhuǎn)移、向東部沿海區(qū)域變化和按照自身要求轉(zhuǎn)移。向轉(zhuǎn)移發(fā)展的地級市有保定市,其中,北京既要控制人口,又要減少城鄉(xiāng)建設(shè)用地的規(guī)模,保定優(yōu)越的地理位置勢必就將成北京人口和產(chǎn)業(yè)疏解的重點方向;向東部海域發(fā)展的地級市有天津市和唐山市,其中,天津市是由于濱海新區(qū)的快速發(fā)展,天津的城市規(guī)劃可以被形象的概括為“一個扁擔兩頭挑”,即以海河為帶狀中心和發(fā)展軸線,一頭是中心城區(qū),一頭是濱海新區(qū)。隨著濱海新區(qū)在2005年開始被寫入“十一五”規(guī)劃并納入國家發(fā)展戰(zhàn)略,成為國家重點支持開發(fā)開放的國家級新區(qū)。2010年,濱海新區(qū)生產(chǎn)總值達到5030.11億元,超過浦東新區(qū),增速為25.1%;唐山加大了各類新區(qū)的開發(fā)力度,南堡經(jīng)濟開發(fā)區(qū),曹妃甸新區(qū)、鳳凰新城、空港工業(yè)園區(qū)等新區(qū)的建設(shè)極大促進了GDP的增長及產(chǎn)業(yè)空間與結(jié)構(gòu)調(diào)整[42]。按照自身要求發(fā)展的地級市有北京市、邯鄲市、石家莊市、邢臺市、秦皇島市、承德市和張家口市,北京市積極推進京津冀一體化發(fā)展、加強生態(tài)環(huán)境保護、推動產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)移,且由于北京北部山區(qū)的阻攔作用,重心開始向東偏南方向轉(zhuǎn)移;邯鄲在加快邯鄲西部礦區(qū)污染源治理、深化大氣污染防治的同時建立了邯鄲經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和冀南新區(qū)等發(fā)展新區(qū)[43],一方面邯鄲西部的生態(tài)環(huán)境得到了一定的改善,另一方面邯鄲市東部地區(qū)的生態(tài)風險有了一定的加劇;石家莊市的地理位置決定了城市發(fā)展方向,因為其西部地處太行山中段,東部為滹沱河沖積平原;邢臺市的《邢臺市城市總體規(guī)劃》 (2005—2020)指出:未來城市將主要向東南和西北方向發(fā)展,從2008年的邢臺重點發(fā)展西北新區(qū)到現(xiàn)在的重點發(fā)展邢東新區(qū),實現(xiàn)了中心城區(qū)建設(shè)方向的戰(zhàn)略東移;秦皇島既是全國綜合交通樞紐城市,又是旅游城市,將建設(shè)成為一流國際旅游城市為目標,推進完成新一輪城市總體規(guī)劃編制、土地利用總體規(guī)劃和秦皇島港口總體規(guī)劃調(diào)編,高標準制定國際旅游城市總體規(guī)劃,制定落實建設(shè)國際旅游城市的實施意見,加快形成層次完善、結(jié)構(gòu)合理、體現(xiàn)國際一流要求的旅游規(guī)劃體系;承德市的生態(tài)風險轉(zhuǎn)移方向分兩個階段,在1984—1990年向東南方向發(fā)展,1990—2015年向西北方向發(fā)展,一方面是因為城市方向,另一方面則是水土流失問題所導致的生態(tài)風險轉(zhuǎn)移方向發(fā)生了變化;張家口市相比較于1984年,2015年的風險位置位于其西部,張家口市由于其草原的破碎化(道路切割)對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了負面的影響,從而導致了生態(tài)風險重心的轉(zhuǎn)移。考慮研究區(qū)尺度范圍較大,加強城市之間降低生態(tài)風險的能力是京津冀區(qū)域生態(tài)一體化的重點。人類活動所導致的城市擴張是生態(tài)風險的主要來源,所以在土地利用規(guī)劃和城市規(guī)劃布局時,應(yīng)注意合理的功能分區(qū)。

3 結(jié)論

本文基于土地利用數(shù)據(jù),利用生態(tài)風險評價分析和重心方法,分析了1984—2015年京津冀地區(qū)土地利用時生態(tài)風險時空分布特征,并在此基礎(chǔ)上對土地利用綜合高風險區(qū)的轉(zhuǎn)移過程進行分析,得到以下結(jié)論:

(1)從京津冀城市群區(qū)域格局把握土地利用生態(tài)風險,生態(tài)風險總體上呈上升趨勢,并且生態(tài)風險格局存在明顯的時空分異,綜合高風險區(qū)域主要分布在地級市中心城區(qū)周邊區(qū)域,土地利用生態(tài)風險調(diào)控的重點是北京市、天津市。

(2)京津冀城市群各地級市綜合高風險的變化各不相同,但是各個地級生態(tài)風險變化有3種情況:上升、下降和基本不變。對于生態(tài)風險升高和幾乎不變的區(qū)域,要加強城市內(nèi)部生態(tài)的建設(shè),對于生態(tài)風險下降的區(qū)域在加強內(nèi)部建設(shè)的同時,加強與鄰近地區(qū)的聯(lián)系。從區(qū)域的角度考慮生態(tài)風險的影響,加強各個城市之間的生態(tài)聯(lián)系,積極促進京津冀生態(tài)一體化。

(3)京津冀城市群綜合高風險對生態(tài)環(huán)境的影響具有一定的區(qū)域性,各個地級市之間的生態(tài)環(huán)境的變化既有相同之處,也有不同之處,主要表現(xiàn)在各地級市綜合高風險區(qū)的重心轉(zhuǎn)移方向上。根據(jù)地級市的生態(tài)風險重心,積極調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu),加強城市之間的生態(tài)凝聚力,發(fā)展成為生態(tài)環(huán)境更加良好的城市群。

本文利用斑塊密度、景觀蔓延度及土地利用類型面積比及其主觀權(quán)重對土地利用生態(tài)風險定量化評價方法進行了探索與嘗試,還存在一定的不足。土地利用生態(tài)風險的影響因素、表征狀態(tài)及其影響結(jié)果都是十分復雜的,以土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以人類活動所導致的生態(tài)風險為主要研究對象的生態(tài)風險指數(shù)的構(gòu)建有待進一步研究。