京津冀土地利用转型及生态环境效应分析

姚罗兰 李魁明

摘要 基于2000、2018年京津冀土地利用遥感解译数据，依托土地利用功能结构转型模型、土地利用功能的空间性转型模型和生态环境效应模型分析京津冀地区生态环境受土地利用转型产生的影响。结果表明，生活用地增加明显，生产用地有所减少，生态用地总量变化不显著;土地利用功能空间格局稳定，变化不明显;北京市为生态用地和生产用地发展重心，生态用地向东南方向偏移，生产用地向西南方向偏移，生活用地发展重心位于河北省，向北部偏移;整体生态环境质量降低，低质量区面积增加，但是空间格局变化较小。

关键词 土地利用转型;生态环境效应;京津冀地区

中图分类号 X 321  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2022）12-0075-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.12.019

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Analysis of Land Use Transition and Ecological Environment Effect in Beijing-Tianjin-Hebei Region

YAO Luo-lan1，LI Kui-ming2

（1.School of International Education，Beijing Agricultural Vocational College，Beijing 100012;2.School of Emergency Management，Institute of Disaster Prevention，Sanhe，Hebei 065201）

Abstract Based on the remote sensing interpretation data of land use in Beijing-Tianjin-Hebei region in 2000 and 2018，the influence of land use transformation on the ecological environment in Beijing-Tianjin-Hebei region is analyzed based on the transformation model of land use function structure，the spatial transformation model of land use function and the ecological environment effect model.The results showed that the living land increased significantly，the production land decreased，and the total ecological land did not change significantly.The spatial pattern of land use function was stable and the change was not obvious.Beijing was the center of development of ecological land and productive land，ecological land shifted to the southeast，productive land shifted to the southwest，and residential land shifted to the north in Hebei Province.The overall ecological environment quality decreased，the low quality area increased，but the spatial pattern changed little.

Key words Land use transition;Ecological environment effect;Beijing-Tianjin-Hebei region

土地利用转型指在某些外力作用的推动下，使得某区域的土地利用形态通过人类的社会行为将其变成其他类土地利用形态[1-2]，通过土地利用转型的研究，能够更直观地分析土地利用形态的演变特征，并分析其影响因素，从而优化土地结构类型，使土地的利用效率变得更高，有利于我国社会经济的发展与民生改善[3-4]。生态环境质量指一定时空范围内生态系统承载物种生存的能力[5]，土地利用变化是影响生态环境质量的重要因素[6]，掌握土地利用转型的过程中所产生的生態环境效应是生态环境保护的关键问题，可以更清晰地评估生态环境质量并分析其变化趋势，提出生态环境保护重点区域。

京津冀地区是我国经济发展格局中最具活力和潜力的前沿阵地，但近年来快速城镇化和工业化进程导致土地利用结构的改变也给该区域带来了严重的生态环境问题。了解京津冀地区土地利用动态变化、生态环境质量的驱动因素对于为京津冀整合战略提供科学有效的区域生态系统保护、恢复和优化管理指导至关重要。目前，对于京津冀土地利用及生态环境效应的研究较多，但是侧重点各有不同[7-9]。该研究从生产、生活和生态功能用地角度，利用土地利用转移矩阵、重心模型、生态环境质量指数等方法，对土地利用转型变化和生态环境质量结构、空间差异变化分析，为将来向生态高度发展提供依据。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况 京津冀地区位于华北平原北部，地势西北高东南低，地貌以平原为主，包括北京、天津两大直辖市以及河北省的11个地级市，共13个地级市以上行政单元，总面积 21.72万km2，占全国总面积的2.26%。在社会经济迅速发展的同时，也对京津冀地区原本脆弱的生态环境造成了巨大压力。

1.2 数据来源与处理 该研究使用的2000、2018年两期土地利用/覆盖数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所的环境科学与数据中心，空间分辨率为1 km×1 km，土地利用种类包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6个一级类型，24个二级类型用地。

依据各土地利用类型的主导功能，把6大类24子类土地利用类型分为生产用地、生态用地、生活用地，对各二级土地利用类型进行生态环境指数赋值[10-12]，具体如表1所示。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用功能结构转型模型。

土地利用结构与变化方向的分析是以转移矩阵作为基础，通过矩阵的形式表达土地利用类型的转换面积，具体展现土地利用类型之间的转换特征[13]。数学表达式为：

Sij=S11…S1n

Sn1…Snn（1）

式中，S为土地面积;n为地类的个数;i为研究初期地类;j为研究末期地类。

1.3.2 土地利用功能空间转型模型。

利用重心模型对京津冀地区土地利用功能空间转换进行了分析。重心模型通过分析一定时期内不同功能类型重心转移的方向和路径，直接反映土地利用功能空间转换的时空变化特征。数学表达式为[14]：

= ni=1（XiSi）/ ni=1Si（2）

= ni=1（YiSi）/ ni=1Si（3）

式中，和是某地类的重心坐标，Xi和Yi是第i个空间单元的地理中心坐标，n是空间单元的个数，Si是第i个空间单元的某地类面积。

1.3.3 土地利用转型的生态环境效应模型。

区域生态环境质量指数（EV）[14-17]是通过计算各区域（单元）内生产用地、生态用地和生活用地不同的生态质量水平和面积比例，定量描述各区域（单元）整体的生态环境质量状况。EV的计算基础是不同时期京津冀地区“三生”用地的面积变化数据，并不是对区域生态系统质量指标的直接观测[18]，利用土地利用网格采样的方法对EV进行空间化处理，通过计算每个生态单元的EV，以此作为样点中心的区域生态环境质量指数。数学表达式为：

EVi= nj=1（Aij×Rj）/TAi（4）

式中，EVi为京津冀第i个生态单元的区域生态环境质量指数（i=1，2，…，n）;Aij为第i个生态单元内第j种地类的面积;Rj为第j种地类的生态环境质量指数;n为研究区土地利用类型数量;TAi为第i个生态单元的土地总面积。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化分析

2.1.1 土地利用结构变化。

从土地利用结构上看，2000—2018年京津冀地区土地利用结构主要是耕地，其次是林地、草地，2000年耕地、林地、草地分别占区域总面积的50.81%、20.72%和16.32%，三者之和占总面积的87.85%;2018年耕地、林地、草地分别占区域总面积的46.14%、21.13% 和15.75%，三者之和占总面积的83.02%。这3类主要用地总面积有所减少，其中耕地变化较大。水域面积占比由2000年的2.99%增加至2018年的3.41%，水域面积的增加得益于南水北调工程，使地表径流量增加。建设用地占比从2000年的8.21%增加至2018年的12.80%;未利用地占比不多，从2000年的0.96%下降至2018年的0.75%。2000—2018年各类型土地面积变化较大的为耕地和建设用地。18年间耕地减少了9 742 km2，建设用地增加了9 992 km2，林地、草地、水域、未利用土地4种类型的面积变化幅度不大（图1）。

2.1.2 土地利用功能結构转型。

用土地利用类型转移矩阵模型计算出各土地利用类型变化面积（表2），京津冀地区2000—2018年土地利用功能结构转型的基本特征为建设用

地面积的增加和耕地面积的减少。在“三生空间”角度表现为生活用地的增加和生产用地的减少。草地的转出方向主要为林地和耕地，转出面积分别为7 293.27和7 020.02 km2;建设用地的流转方向主要以耕地为主，转出面积为7 946.12 km2;耕地的转出方向主要为建设用地和草地，转出面积分别为16 329.51和7 253.09 km2;林地的主要转出方向为草地，转出面积为6 760.48 km2;水域的主要转出方向为耕地，转出面积为1 961.28 km2;未利用地的主要转出方向为耕地，转出面积为844.48 km2。

2.1.3 土地利用功能空间转型。

通过ArcGIS软件的“空间格局统计”制作重心变化图（图2），对京津冀土地功能的空间特征进行分析。2000—2018年京津冀地区生态用地的重点一直是位于北京市，并向东南部的方向稍微有些偏移，但是这个方向的偏移较小，偏移量约为8 km;2000—2018年林地、耕地和建设用地占据北京市主要土地，2000年这3种土地类型占区域总面积比例分别为48.57%、20.14%和15.60%，共占总面积的84.31%，2018年占区域总面积比例分别为50.85%、14.13%和 21.20%，共占总面积的86.18%。可见，北京市林地变化平稳，耕地迅速减少，建设用地扩张明显。

生产用地的发展重心也一直设在北京市，并向西南部的方向推进，偏移量比原来的生态用地稍大，约为13 km，2000—2018年生产用地减少了9 742 km2。

河北省一直以来都是生活用地重心的主要区域，朝北部偏移，且偏移量较大，大约有16 km。京津冀地区“三生空间”比较稳定，转型不明显。建设用地从2000年的17 704 km2增加至2018年的27 696 km2，增加了9 992 km2，与雄安新区的建设有一定关系。

2.2 生态环境效应 使用ArcGIS 10.2软件中的Geostatistics Analyst工具，计算统计出2000和2018年的EV值，参照相关研究[19]将京津冀地区分为低质量区（≤0.30）、中低质量区（>0.30～0.45）、中质量区（>0.45～0.60）、中高质量区（>0.60～0.75）、高质量区（>0.75）5级[18]。

2.2.1 生态环境质量结构变化分析。从表3可以看出，京津冀地区整体生态环境质量以中质量区为主，2000—2018年中质量区占区域总面积的50%左右，整体上看，各类型生态环境质量区较为稳定，变化不明显。其中，低质量区增幅最大，2000—2018年增加了4.37百分点。

2.2.2 生态环境质量空间差异分析。

从图3可以看出，2000—2018年京津冀地区北部山区生态环境质量一直很高，南部和中部比较低，主要是因为北部是山区，中部、南部多平原，分层比较突出，城镇化进程的加快，低质量区面积有所增加。

3 结论与讨论

从整体功能方向看，2000—2018年京津冀地区生活用地增加明显，生产用地有所减少，生态用地总量变化不显著;从6个一级土地利用类型来说，建设用地增加幅度很大，耕地面积明显变少，草地、林地、水域和未利用地变化幅度不明显，比较平稳。

从土地利用空间转型上看，北京市一直是京津冀地区生态用地的重心所在，并在18年间向东南部的方向稍微有偏移;生产用地的发展重心也位于北京市，并向西南部的方向推进，偏移幅度比生态用地大;生活用地的重心位于河北省，且向北部有明显偏移。京津冀地区土地综合利用格局已经发生了非常显著的改变，主要体现在3个方面：城乡建设用地总量的增加导致耕地总量的减少;土地利用的功能空间格局比较稳定，变化不明显;整体生态环境质量降低，但是空间格局变化较小。

从时间上看，京津冀地区整体生态环境质量以中质量区为主，各类型生态环境质量区较为稳定;从空间上看，京津冀地区北部山区生态环境质量高，中部和南部平原区域生态环境质量较低。

随着京津冀地区城市的进一步发展，生活用地需求的上升，土地供需矛盾加剧，城市生活功能用地的发展以占用一定面积的生产用地为代价，影响京津冀地区的生态环境质量。

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