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(nóng)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）

技術(shù)應(yīng)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(nóng)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(wù)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(diào)查基礎(chǔ)和遙感技術(shù)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?biāo)體系，對京津冀城市群和北方農(nóng)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(jìn)行了評估。評估結(jié)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(yàn)證了本文提出的區(qū)域土地生態(tài)因子體系的科學(xué)性，以及在全國土地利用現(xiàn)狀調(diào)查工作基礎(chǔ)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(diào)查；遙感；京津冀城市群；北方農(nóng)牧交錯區(qū)

一、引言

社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對土地資源開發(fā)利用的強(qiáng)度越來越大。土地資源的高強(qiáng)度利用，為社會發(fā)展帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)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(yán)重【曹志平，2001】。因此，開展土地生態(tài)狀況調(diào)查監(jiān)測與評估，加強(qiáng)土地生態(tài)功能保護(hù)，增強(qiáng)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(jì)開發(fā)和環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和決策支持，是促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的和諧發(fā)展的必然要求。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展和《全國生態(tài)環(huán)境十年變化（2000-2010）遙感調(diào)查與評估》專項(xiàng)及相關(guān)研究的開展，遙感在區(qū)域生態(tài)評價(jià)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為區(qū)域生態(tài)監(jiān)測和評價(jià)中不可缺少的技術(shù)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(qiáng)調(diào)生態(tài)文明建設(shè)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(wù)化。盡管目前就如何利用遙感評價(jià)區(qū)域生態(tài)已經(jīng)進(jìn)行了研究性工作【歐陽志云等，2016；宋慧敏和薛亮，2016；陳強(qiáng)等，2015；羅春等，2014；滕明君等，2014】，但如何基于已有的技術(shù)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(wù)工作，是目前亟需解決的關(guān)鍵問題。

植被狀況和土地利用類型是進(jìn)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(shù)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(diào)查土地分類，并且每年更新全國土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)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(wù)的開展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文將探討如何基于上述數(shù)據(jù)構(gòu)建區(qū)域土地生態(tài)因子，并以京津冀城市群和北方農(nóng)牧交錯區(qū)為例驗(yàn)證其可行性。

二、區(qū)域土地生態(tài)因子

面向業(yè)務(wù)化運(yùn)行的，指定基于遙感技術(shù)的區(qū)域土地生態(tài)因子的指標(biāo)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(diǎn)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(shù)方法成熟；3）盡量與現(xiàn)有的業(yè)務(wù)相結(jié)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(guān)注重點(diǎn)有所不同，因此需要在兩個尺度，從不同的側(cè)面評價(jià)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(guān)，此外人工建設(shè)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(biāo)：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(yīng)敏感，并且提供關(guān)鍵生態(tài)服務(wù)功能。耕地是一種特殊的人工植被，不僅關(guān)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(biāo)：各土地利用類型面積與分布、植被狀況及生態(tài)服務(wù)功能、耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量、耕地潛力及風(fēng)險(xiǎn)。

第二次全國土地調(diào)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(wù)用地、特殊用地、交通運(yùn)輸用地、水利及水利設(shè)施用地，以及其他土地。目前在現(xiàn)有的相關(guān)土地調(diào)查業(yè)務(wù)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(diào)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(chǎn)品。

基于上述考慮，面向業(yè)務(wù)化生態(tài)評估的需求，立足全國土地調(diào)查工作的基礎(chǔ)和遙感技術(shù)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(jì)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(nóng)牧交錯區(qū)

北方農(nóng)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(nèi)蒙古南緣和長城沿線。北方農(nóng)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(nèi)蒙古自治區(qū)等10個省（自治區(qū)、直轄市），占地面積16.8萬km2。

北方農(nóng)牧交錯區(qū)受自然不利因素、人為活動、沙漠化、現(xiàn)代農(nóng)牧交錯帶錯位和經(jīng)濟(jì)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(yán)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(jì)算。由于全國土地利用現(xiàn)狀調(diào)查的保密性，本文的結(jié)果是基于遙感數(shù)據(jù)獨(dú)立提取出來的。其中區(qū)域整體的植被狀況及生態(tài)服務(wù)功能5個因子采用MODIS的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其它14個因子均基于Landsat系列的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行目視解譯。耕地?cái)?shù)量質(zhì)量特征中的4個指標(biāo)是在目視解譯結(jié)果的基礎(chǔ)上通過如下方法計(jì)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(jié)構(gòu)的復(fù)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(jié)構(gòu)分析中，一般認(rèn)為MPS值越小的斑塊類型越破碎。

農(nóng)田防護(hù)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(nóng)田防護(hù)林，該部分林地面積占總耕地面積的比值即為農(nóng)田防護(hù)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(nóng)田道路通達(dá)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(jié)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(nóng)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(nóng)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(nóng)牧交錯區(qū)不足1%。2015年北方農(nóng)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(nóng)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(nóng)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(nóng)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(jìn)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(nóng)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(shè)用地和交通用地的比例明顯高于北方農(nóng)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(nóng)牧交錯區(qū)，但草地顯著低于北方農(nóng)牧交錯區(qū)，反映京津冀城市群以農(nóng)業(yè)為主，而北方農(nóng)牧交錯區(qū)農(nóng)牧并重。水利和水利設(shè)施用地的占比京津冀城市群高于北方農(nóng)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(guān)，說明生態(tài)環(huán)境有所改善。2015年北方農(nóng)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(nóng)牧交錯區(qū)草地在恢復(fù)。下圖5和圖6是京津冀城市群和北方農(nóng)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(nóng)牧交錯區(qū)的變化幅度大于京津冀城市群。北方農(nóng)牧交錯區(qū)的農(nóng)田防護(hù)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(hù)林密度變化不可能如此大。此外，農(nóng)田道路通達(dá)性兩個區(qū)都大幅下降。這兩個指標(biāo)的變化可能與耕地集中連片度上升有關(guān)。兩個研究區(qū)河網(wǎng)密度相當(dāng)，但是北方農(nóng)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(guān)。

5.2.3 植被狀況及生態(tài)服務(wù)功能

植被指數(shù)與綠度

由于MODIS相關(guān)產(chǎn)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(nóng)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(nóng)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(jié)果分析2個區(qū)域兩年的植被覆蓋度變化情況，并對計(jì)算的結(jié)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(dá)60%以上，這部分區(qū)域可能對應(yīng)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(qiáng)。北方農(nóng)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(dāng)，可能對應(yīng)著林地、耕地和草地?？傮w而言北方農(nóng)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(nóng)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(guān)。

葉面積指數(shù)

本文基于MODISLAI 8天時間分辨率的產(chǎn)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(nóng)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(nèi)LAI達(dá)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(nóng)牧交錯區(qū)，這是可能是由于北方農(nóng)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(chǎn)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(nóng)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(nóng)牧交錯區(qū)的情況相符。

六、結(jié)論

本文面向業(yè)務(wù)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(diào)查基礎(chǔ)和遙感技術(shù)現(xiàn)狀，提出了一套區(qū)域土地生態(tài)因子體系?；谠撝笜?biāo)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?cái)?shù)量和質(zhì)量，以及植被狀況及生態(tài)服務(wù)功能等關(guān)鍵土地生態(tài)信息。基于該指標(biāo)體系，對京津冀城市群和北方農(nóng)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(jìn)行了評估。本文沒有采用全國土地利用現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，遙感影像人工判讀和定量反演結(jié)果在精度有一定局限性。但評估結(jié)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(yàn)證了本文提出的區(qū)域土地生態(tài)因子體系的科學(xué)性，也說明在全國土地利用現(xiàn)狀調(diào)查工作基礎(chǔ)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(chǔ)上進(jìn)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(jià)模型【薛惠敏等，2016】，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域土地生態(tài)定量綜合評估。

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