雄安新區(qū)土地利用變化及其對生態(tài)質量的影響

潘 婷，王懿祥，劉憲釗，徐成立，劉志軍

（1.浙江農林大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 311300；2.浙江農林大學 省部共建亞熱帶森林培育國家重點實驗室，浙江 杭州 311300；3.浙江農林大學 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室，浙江 杭州 311300；4.中國林業(yè)科學研究院 資源信息研究所 國家林業(yè)和草原局森林經營與生長模擬重點實驗室，北京 100091；5.中國雄安集團生態(tài)建設投資有限公司，河北 保定 071699）

城鎮(zhèn)化進程的加快和建設用地的快速擴張，導致城鎮(zhèn)區(qū)域土地利用結構發(fā)生了巨大變化，人地矛盾日益突出，造成植被破壞、水土流失和土地荒漠化等一系列生態(tài)問題。如何正確認識土地利用變化對城鎮(zhèn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響，是國內外研究的一個重要課題。目前有關土地利用變化的生態(tài)效應研究多集中于大氣環(huán)境[1]、水體[2]、土壤[3]等自然環(huán)境方面，多采用生態(tài)系統(tǒng)服務價值(ESV）[4]、景觀生態(tài)指數(shù)[5-6]、生態(tài)環(huán)境質量指數(shù)(EV）[7]等方法。已有研究發(fā)現(xiàn)：快速城鎮(zhèn)化導致的土地利用變化會引起水環(huán)境惡化、土壤質量改變、植被嚴重退化等生態(tài)環(huán)境問題[8-9]；造林綠化和生態(tài)修復能降低景觀破碎化程度，提高生境質量[10]；人工湖泊、濕地公園的增多會降低陸地生態(tài)服務功能，增加濕地生態(tài)服務功能[11]。當前研究多集中在傳統(tǒng)的城鎮(zhèn)化擴張對景觀格局和生態(tài)效應的影響，對于少數(shù)新型化城鎮(zhèn)建設中土地利用的轉變和生態(tài)質量影響的研究并不多見。

雄安新區(qū)是承載著“千年大計、國家大事”的創(chuàng)新型城市，始終堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的理念，遵循“先植綠、后建城”的建設思路，將森林作為新區(qū)有生命的基礎設施，設計伴隨城市生長的復層、異齡、混交的“千年秀林”，最大限度降低城市建設和發(fā)展中建筑不透水面取代地表原有的自然生態(tài)系統(tǒng)而形成的生態(tài)環(huán)境壓力。雄安新區(qū)城鎮(zhèn)化擴張和綠色基底“千年秀林”的建設綜合影響著新區(qū)的生態(tài)環(huán)境質量，因此，科學客觀地開展生態(tài)質量監(jiān)測評估、評價基礎設施建設對生態(tài)質量的影響，可為雄安新區(qū)后期生態(tài)建設和城市管理提供重要依據(jù)。本研究以雄安新區(qū)3 個縣為研究區(qū)，基于2000、2017 和2020 年3 期土地利用數(shù)據(jù)，利用遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing ecological index，RSEI）模型評價生態(tài)質量的時空變化特征，剖析土地利用變化對生態(tài)質量的影響，揭示土地利用變化的生態(tài)效應，以期為優(yōu)化雄安新區(qū)土地利用管理、保護生態(tài)環(huán)境提供理論支撐。

1 研究區(qū)域數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

雄安新區(qū)地處北京、天津、保定腹地，包括容城、雄縣、安新3 個縣及其周邊部分區(qū)域，總面積為1 770.00 km2，38°43′～39°10′N、115°38′～116°20′E，四季分明，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年均氣溫為12.4 ℃，年均降水量為495.1 mm，屬于典型的暖溫帶季風型半濕潤半干旱氣候。地處太行山東麓沖洪積平原前緣地帶，全境地勢西北高，東南低，海拔5～26 m，為緩傾平原，土層深厚，地勢開闊。由于白洋淀水域面積較大且影響評價效果，所以本研究剔除雄安新區(qū)周邊水域，研究區(qū)總面積為1 571.69 km2(圖1）。

圖1 雄安新區(qū)研究區(qū)2020 年 Landsat OLI/TIRS影像示意圖Figure 1 Sketch map of three counties of Xiong’an New Area

1.2 數(shù)據(jù)源及預處理

影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(www.gscloud.cn），參照前人的研究結論[12-13]，4 月中下旬至5 月上旬為研究區(qū)冬小麥Triticumaestivum的拔節(jié)生長期，該階段小麥在遙感影像上表現(xiàn)為“綠地”，且林木在此期間開始展葉生長，因此選取2000 年4 月22 日、2017 年5 月7 日(OLI/TIRS）和2020 年4 月29 日(OLI/TIRS） Landsat 遙感影像作為耕地及林地信息提取的數(shù)據(jù)源，且云量較低(低于10%），質量完好，空間分辨率為30 m。由于地表反射率會受到光照與大氣因素的影響，不同時相的影像存在地形上的變化差異，因此，在計算各分量指標前，需要對這3 期影像進行輻射定標[14]、大氣校正等預處理。為消除因大氣吸收和散射造成的輻射誤差，利用FLAASH 模型進行大氣校正[15]，最后利用雄安新區(qū)行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)裁剪出研究區(qū)預處理后的影像。

2 研究方法

2.1 土地利用類型解譯

參照文獻[16]，基于ENVI 5.3 平臺，采用最大似然法監(jiān)督分類方法，將研究區(qū)土地利用類型分為未利用地、耕地、林地、建設用地和水域等5 類。采用誤差矩陣精度評價法，利用谷歌地球(Google Earth）高分辨率影像對分類結果進行檢驗，3 期影像監(jiān)督分類結果總體精度分別為91.26%、90.89%和92.14%，Kappa 系數(shù)分別為0.84、0.81 和0.85，分類效果較好，精度滿足研究需求。

2.2 遙感生態(tài)指數(shù)計算

利用2000、2017 和2020 年Landsat 遙感影像數(shù)據(jù)，提取濕度分量(WET）、歸一化植被指數(shù)(NDVI）、地表溫度(LST）和歸一化建筑-裸土指數(shù)(NDSI），分別代表濕度、綠度、熱度和干度指標，構建遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI），具體方法參照文獻[17-21]，并以像元作為評價單元，對雄安新區(qū)生態(tài)質量變化狀況進行評價分析。運用等間距分級方法，將生態(tài)質量指數(shù)(RSEI）劃分為5 個等級，即[0, 0.2）、[0.2,0.4）、[0.4, 0.6）、[0.6, 0.8）和[0.8, 1.0]，分別對應生態(tài)質量差、較差、中等、良和優(yōu)。

2.3 土地利用變化與生態(tài)質量的相關性分析

為揭示雄安新區(qū)土地利用變化與生態(tài)質量之間時空變化的定量關系，基于ArcGIS 10.4 的Fishnet 工具，將研究區(qū)按1 km×1 km 的大小劃分網(wǎng)格，剔除邊緣的碎小網(wǎng)格后共1 455 個網(wǎng)格，利用分區(qū)統(tǒng)計功能統(tǒng)計各網(wǎng)格的信息，具體公式參照文獻[22]，如下：RLij=ALUij/AGj×100%；RAIj=AEIj/AGj×100%；RADj=AEDj/AGj×100%。其中，RLij為第j個網(wǎng)格內第i種土地利用類型轉移方式占網(wǎng)格面積的比例；ALUij為第j個網(wǎng)格內第i種土地利用類型轉移方式面積；RAIj(RADj）為第j個網(wǎng)格內生態(tài)質量改善(退化）面積占網(wǎng)格面積的比例；AEIj(AEDj）為第j個網(wǎng)格內生態(tài)質量改善(退化）面積；AGj為第j個網(wǎng)格的面積。

運用SPSS 21 的相關與回歸分析方法，分析顯著影響雄安新區(qū)生態(tài)質量改善(退化）的土地利用轉移方式，進而擬合兩者之間的關系，RAI=f(RLm）或RAD=f(RLn），揭示土地利用變化的生態(tài)質量響應與生態(tài)效應。

3 結果與分析

3.1 雄安新區(qū)土地利用類型時空變化分析

由圖2 和表1 可見：2000—2017 年，雄安新區(qū)土地利用變化主要為建設用地和未利用地2 類用地面積增加，林地、水域和耕地3 類用地面積減少，呈“兩增三減”的特征，其中2017 年大量耕地調整為未利用地進入后期建設規(guī)劃，未利用地新增326.30 km2，城鎮(zhèn)化擴張也增加了建設用地的面積(46.85 km2）。由于新區(qū)規(guī)劃建設和前期城鎮(zhèn)化發(fā)展，耕地減少最多(354.15 km2）。隨著新區(qū)規(guī)劃建設的快速推進，2017—2020 年間新區(qū)林地(249.23 km2）、水域(23.22 km2）面積快速增多，未利用地則快速減少(268.66 km2），該階段林地和水域面積的增加大多與可持續(xù)發(fā)展，重視生態(tài)環(huán)境保護，建設千年秀林，南水北調、引黃濟淀等水利工程措施保持白洋淀湖體水量有關[23-24]。

表1 雄安新區(qū)2000—2020 年土地利用面積變化特征Table 1 Characteristics of land use area change in Xiong’an New Area from 2000 to 2020

圖2 雄安新區(qū)2000、2017 和2020 年土地利用類型空間分布示意圖Figure 2 Spatial distribution map of land use types of Xiong’an New Area in 2000, 2017 and 2020

3.2 雄安新區(qū)遙感生態(tài)質量時空變化分析

從表2 可以看出：PC1 中WET、NDVI 為正影響指標，LST、NDSI 為負影響指標，且各指標對PC1 的貢獻度表現(xiàn)為NDVI 大于WET，NDSI 大于LST，表明NDVI 和NDSI 對雄安新區(qū)生態(tài)質量的影響較大。此外，WET 和NDVI 均值呈先下降后上升的趨勢，LST 和NDSI 均值呈先上升后下降的趨勢；RSEI 由2000 年的0.62 下降至2017 年的0.57，降幅為8.06%，由2017 年的0.57 上升至2020 年的0.59，增幅為3.5%，表明2000—2020 年雄安新區(qū)生態(tài)質量總體呈先下降后上升的趨勢。

表2 雄安新區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)主成分分析結果及各指標均值標準差統(tǒng)計結果Table 2 Principal component analysis of remote sensing ecological index in Xiong’an New Area

進一步分析不同生態(tài)質量等級的變化情況可以看出(圖3 和表3），2000 年生態(tài)質量以優(yōu)為主(55.53%），其次是良(26.19%）；2017 年以較差為主(30.44%），其次為中等(25.20%），大部分位于雄縣；而2020 年生態(tài)質量差的面積占比僅為0.62%，主要位于容城縣。其生態(tài)質量的優(yōu)劣與土地利用使用的結構模式相一致。

表3 2000—2020 年雄安新區(qū)生態(tài)質量等級面積統(tǒng)計Table 3 Area statistics of ecological quality grades from 2000 to 2020 in Xiong’an New Area

圖3 雄安新區(qū)2000—2020 年生態(tài)質量等級分布示意圖Figure 3 Distribution of Ecological Quality Grade of Xiong’an New Area from 2000 to 2020

2000—2017 年，雄安新區(qū)生態(tài)退化面積最多(845.00 km2），極少區(qū)域生態(tài)質量改善(142.62 km2），且主要分布在安新縣，在空間上呈“總體退化、局部改善”的特征。2017—2020 年，新區(qū)生態(tài)未改變面積最多(647.57 km2），且生態(tài)改善面積有所增加(473.44 km2），表明該研究區(qū)總體生態(tài)質量在這3 a 基本維持穩(wěn)定且有好轉趨勢。生態(tài)質量改善的區(qū)域主要分布于雄縣，與“千年秀林”的建設有明顯關系。該階段雄安新區(qū)更加重視生態(tài)保護，生態(tài)質量相應改善。

3.3 雄安新區(qū)土地利用變化對生態(tài)質量的影響

3.3.1 生態(tài)質量改善區(qū)土地利用變化的生態(tài)效應 由圖4 和表4 可見：2000—2017 年雄安新區(qū)生態(tài)質量改善面積比例(RAI）與建設用地轉耕地面積比(RLca）呈極顯著正相關(R=0.558，P＜0.001），與林地轉耕地面積比(RLwa）呈極顯著正相關(R=0.614，P＜0.001）；2017—2020 年RAI 與未利用地轉耕地面積比(RLua）呈極顯著正相關(R=0.753，P＜0.001），與未利用地轉林地面積比(RLuw）呈極顯著正相關(R=0.488，P＜0.001），而RAI 與耕地轉林地面積比(RLaw）負相關(R=-0.022），但相關性不顯著?；貧w方程為：yRAI=1.257xRLua+0.196 (R=0.753，P=0.000，R2=0.867），yRAI=0.727xRLuw+0.267(R=0.488，P=0.000，R2=0.739）。顯示在雄安新區(qū)(2017—2020 年）建設水平和1 km 空間尺度下，未利用地轉耕地面積比每增加10%，生態(tài)質量改善的面積比約增加13%，未利用地轉林地面積比每增加10%，生態(tài)質量改善的面積比約增加7%。

表4 雄安新區(qū)生態(tài)質量等級變化監(jiān)測統(tǒng)計Table 4 Statistics of ecological quality grade changes in Xiong’an New Area

圖4 雄安新區(qū)2000—2020 年生態(tài)質量變化情況示意圖Figure 4 Changes of ecological quality from 2000 to 2020 in Xiong’an New Area

3.3.2 生態(tài)質量退化區(qū)土地利用變化的生態(tài)效應 由表5 和表6 可見：2000—2017 年雄安新區(qū)生態(tài)質量退化區(qū)面積比例(RAD）與耕地轉未利用地面積比(RLau）呈極顯著正相關關系(R=0.714，P＜0.001），與耕地轉建設用地面積比(RLac）呈極顯著正相關關系(R=0.289，P＜0.001）；2017—2020 年，RAD 與RLac呈極顯著正相關關系(R=0.535，P＜0.001），與耕地凈退化面積比(AEDa）呈極顯著正相關關系(R=0.557，P＜0.001）?；貧w方程為：yRAD=0.816xRLau+0.437 (R=0.714，P=0.000，R2=0.851）；yRAD=0.696xAEDa+0.124(R=0.557，P=0.000，R2=0.710）。顯示在傳統(tǒng)城鎮(zhèn)化(2000—2017 年）建設水平和1 km 空間尺度下，耕地轉未利用地面積比每增加10%，生態(tài)質量的退化面積比約增加8%，而在雄安新區(qū)(2017—2020 年）建設水平和1 km 空間尺度下，耕地面積凈退化10%，生態(tài)質量退化的面積比約增加7%。

表5 雄安新區(qū)生態(tài)改善區(qū)主要土地利用類型轉移方式面積比相關性分析Table 5 Correlation analysis of the area ratio of main land use type transfer mode in improved area of Xiong’an New Area

表6 雄安新區(qū)生態(tài)退化區(qū)主要土地利用類型轉移方式面積比相關性分析Table 6 Correlation analysis of the area ratio of main land use type transfer mode in deteriorated area of Xiong’an New Area

4 討論

本研究采用分辨率為30 m 的Landsat 遙感影像，并結合Google Earth 高分辨率影像對研究區(qū)不同時期土地利用分類結果進行修正，3 期影像監(jiān)督分類結果的各類型分類精度和總體精度均＞90%，Kappa 系數(shù)在0.80 以上，表明基于30 m 空間分辨率的Landsat 遙感影像進行土地利用類型變化監(jiān)測具有非常高的可靠性。

雄安新區(qū)設立前近20 a 的生態(tài)質量變化趨勢與傳統(tǒng)城鎮(zhèn)化建設帶來的生態(tài)質量變化趨勢相似[25]。雄安新區(qū)設立后，生態(tài)優(yōu)先、綠化發(fā)展的建設理念使新區(qū)從傳統(tǒng)的外延擴張模式轉變?yōu)樯鷳B(tài)保護與經濟社會協(xié)調的內斂發(fā)展模式，“千年秀林”綠化工程對生態(tài)質量的改善起到了很大作用，尤其是雄縣東南部區(qū)域生態(tài)質量提升明顯，這與劉禮群等[16]對2014—2020 年雄安新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值增益區(qū)域評估一致，安新縣由于白洋淀及其周邊生態(tài)環(huán)境的管理嚴格，生態(tài)質量變化相對穩(wěn)定。土地利用變化會改變區(qū)域生態(tài)格局并影響生態(tài)質量變化，傳統(tǒng)城鎮(zhèn)建設方式下的土地利用變化會持續(xù)造成區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量的下降[26]。新區(qū)通過未利用地造林、退耕還林等方式建設“千年秀林”綠色基底，顯著提高了新區(qū)生態(tài)質量[27]。

傳統(tǒng)城鎮(zhèn)化擴張造成建設用地增加，新區(qū)成立節(jié)點期的耕地轉為未利用地，這些都導致了明顯的區(qū)域生態(tài)質量退化。本研究表明：耕地轉未利用面積比每增加10%，生態(tài)質量的退化面積比約增加8%，這與施婷婷等對建設用地生態(tài)評估結果相近[28]。

新區(qū)建設階段，林地的增加、未利用地的減少明顯促進了新區(qū)生態(tài)質量改善，本研究表明：未利用地向林地和耕地的轉變能有效提高新區(qū)生態(tài)質量，這與王志杰等[22]對貴陽花溪的研究結果相近。對于雄安新區(qū)而言，生態(tài)質量改善是保障生態(tài)環(huán)境狀況的關鍵原因，植被的恢復與未利用地的合理規(guī)劃對于雄安新區(qū)生態(tài)質量的改善具有積極的促進作用。由于新區(qū)林地主要由耕地和未利用地轉化而來，且新造林時間較短，森林生態(tài)系統(tǒng)尚處于早期階段，土地利用轉化帶來的生態(tài)效益增量還不明顯[29]，隨著“千年秀林”的生長，雄安新區(qū)生態(tài)質量將會持續(xù)改善。

后續(xù)研究將基于Google Earth Engine 平臺融合多個時相的影像進行信息提取，在分析區(qū)域生態(tài)質量的影響因素時，應加入生物氣候、人類活動等因子，進行全要素分析。

5 結論

本研究發(fā)現(xiàn)：2000—2017 年，雄安新區(qū)土地利用變化面積呈“兩增三減”特征，耕地主要轉向建設用地和未利用地；2017—2020 年，土地利用變化特征與傳統(tǒng)城鎮(zhèn)化階段不同，耕地與未利用地主要轉向林地。2000—2017 年雄安新區(qū)生態(tài)質量呈明顯退化趨勢，RSEI 均值由2000 年的0.62 下降到2017 年的0.57，在空間上呈“總體退化、局部改善”的特征；2017—2020 年雄安新區(qū)生態(tài)質量呈輕微改善趨勢，RSEI 均值由2017 的0.57 上升到2020 年的0.59，該研究區(qū)總體的生態(tài)質量在這3 a 基本維持穩(wěn)定且有好轉趨勢。生態(tài)質量空間分布及其變化與土地利用類型的分布變化在空間上基本吻合。生態(tài)質量較好的區(qū)域主要分布在耕地、林地等區(qū)域，生態(tài)質量退化與耕地、林地面積的退化減少和建設用地、未利用地的增加在空間上有直觀的對應關系。在當前建設水平和1 km 空間尺度下，未利用地轉耕地面積比每增加10%，生態(tài)質量改善的面積比約增加13%，未利用地轉林地面積比增加10%，生態(tài)質量改善的面積比約增加7%。這表明對于雄安新區(qū)而言，植被的恢復與建設對于生態(tài)質量的好轉具有積極的促進作用。