本文摘要：摘要：未來城市發展更加需要依托城市群這一載體，區域生態環境的變化是其能否保持可持續發展的重要基
摘要：未來城市發展更加需要依托城市群這一載體，區域生態環境的變化是其能否保持可持續發展的重要基礎。本研究基于2000年—2020年三期MODIS遙感數據，通過劃分城市綠色空間及構建遙感生態指數RSEI模型，輔以趨勢分析等方法，定量分析城市化背景下京津冀地區土地生態環境的時空動態變化和演變規律。結果表明：(1)京津冀地區主要綠色空間為中、高植被密度區并呈逐年增加的趨勢。隨著城市灰色空間以及人造綠色空間增加，轉換為無植被覆蓋區和低植被覆蓋區的面積占13.58%;(2)植被密度整體呈上升趨勢并可劃分為個梯度，第一梯度為張家口、承德和保定個城市，占整個上升區的61%。植被密度減少的轉換類型主要存在于較高城市化水平的城市;(3)研究區東部和南部生態狀況改善明顯，中西部、北部以及部分城市中心呈緩慢下降趨勢。不同綠色空間生態指數發生正向轉換時生態狀況呈提升狀態，發生負向轉換時生態狀況呈下降趨勢，下降速率(0.0385/a)高于提升速率(0.0261/a)。研究結果可以為京津冀地區合理發展和科學治理綠色空間提供科學數據和理論依據，對區域經濟、社會和環境的可持續協調發展具有實踐意義。
關鍵詞：城市綠色空間;RSEI;時空演變;城市化
1引言
中國被認為是目前城市化速度最快的發展中國家，城市人口數量龐大，能源消耗量及碳排放量仍處于“雙上升”階段[1]。中國城市人口在2016年已經相當于世界平均水平，達到57.35%;預計2030年將達到75%[2]。綠色可持續發展和生態文明建設已經成為我國城市化發展的主流，隨著城鎮化的迅速推進和城市用地的快速擴張，原有的城市綠色空間遭受大幅度的破壞，空間格局變化巨大。綠色空間作為城市評判生態環境的重要指標，被廣泛化地認為一定程度上反映了該地區的自然條件和人類活動的變化。
20世紀后半期，國內外開始廣泛開展人類活動與生態環境之間響應關系的定性與定量研究，并從單一角度、單一因子發展為多角度、多因子、多尺度的研究[35]。遙感技術因其快速、實時、長時序觀測、覆蓋范圍廣等優點被廣泛應用[6,7]，通過遙感技術實現對城市化進程中土地生態環境動態監測分析，可以探索城市化建設與生態環境發展之間的同步性與關聯性[8]，進而促進城市化進程中社會、經濟與生態的健康可持續發展。
近30年來，京津冀地區在推進城鄉經濟社會高速發展的同時，遭遇了一系列資源環境問題和國土生態安全威脅，生態環境治理需求極為迫切[9,10]。隨著國家的一系列有關生態環境保護政策的出臺，京津冀地區也在迫切的給出相應措施，2015年批準實施《京津冀協同發展生態保護規劃》，首次規定了京津冀地區生態環保紅線，并規定了環境質量底線和資源消耗上線。
面對國家在京津冀地區部署的重大戰略，客觀并及時地對生態環境的動態變化實時監測，這不僅是對國家政策的支持，更是京津冀地區生態環境建設工作得以順利開展的前提，是整個京津冀地區發展建設規劃的迫切需求。本研究基于遙感生態指數(RSEI)以及城市綠色空間數據，對京津冀地區生態環境進行監測和評估，分析和研究城市化背景下該地區土地生態環境的時空動態變化和演變規律，可以為京津冀地區城市化更加合理的發展和科學治理綠色空間提供數據和依據，對區域經濟、社會和環境的可持續協調發展具有重要意義。
2數據和方法
2.1研究區概況
京津冀地區包括北京、天津兩個直轄市以及河北11個地級市，地處北緯36°05′42°40′，東經113°27′119°50′之間。該城市群位于華北平原北端，整體地勢呈現出西北高東南低的地形特點，地貌類型多樣包括平原、山地、丘陵等，西部有京北第一草原(壩上草原)、燕山和太行山山系，屬溫帶大陸性季風氣候。近年來，京津冀地區人口大量集中，人類活動的程度和范圍不斷擴大，城市建設用地不斷擴張，經濟增長快速。
2.2數據來源與處理
在本次研究所采用的衛星遙感影像是由美國國家航空航天局NASA的EOS/MODIS提供的，其中Modis數據類型包括：MOD09A1(8天最大反射率合成，空間分辨率500m)，MOD11A2(地表溫度數據，空間分辨率1km)，MOD13A1(16天植被覆蓋指數，空間分辨率500m)。影像數據時間跨度為2000年7月—2020年八月，七八月份是全年內植被覆蓋度極高的月份，所下載的影像數據盡量挑選研究區域影像云量少，數據反映度最佳的。
2.3研究方法
2.3.1城市綠色空間定義
城市綠色空間(UrbanGreenspace,UGS)在景觀學中的廣義概念中是城市環境中所覆蓋的任何一種植被[11]。隨著對城市綠色空間研究的進一步發展，其研究區域主要指城市內部環境與周邊環境所覆蓋植被的區域，是城市中自然或者半自然的土地利用狀態[12,13]。歸一化植被指數(NDVI)可以很好地反映植物生長狀態以及區域土地生態狀況，特別是在受到人類活動擾動強烈的城市地區[14]。通過NDVI閾值劃分，可以將城市的綠色空間劃分為四個類型[15,16]：
1)無植被覆蓋地表：主要為城市灰色空間，包括裸地、不透水面等;2)低植被密度區：主要為城市及周邊的人造城市綠色空間如公園、道路防護林及荒草地、疏林地等;3)中植被密度區：主要為半自然城市綠色空間，如新造林地、植物園、城市社區林地、草地等;4)高植被密度區：包括自然城市綠色空間如森林、苗圃和連片的耕地等。
對照2000—2020年全球地表覆蓋成果，選取研究區范圍內的30m分辨率地表覆蓋數據，疊加后進行隨機采樣，判斷京津冀地區2000年、2010年和2020年個年份不同地表覆蓋類型，最終得到表中用于劃分綠色空間的NDVI閾值。根據不同植被密度分別設置像元編碼無植被覆蓋區、低植被密度區、中植被密度區、高植被密度區4];將研究期分為2000—2010、2010—2020及2000—2020三個階段，前一時刻與后一時刻的像元編碼以十位數和個位數的組合形式成為綠色空間變化的像元編碼，因此得到京津冀地區城市綠色空間變化時空圖譜。
2.3.2RSEI模型構建
遙感生態指數RESI，是反映被評價區域生態環境質量狀況的一系列指數的綜合評價方法，本文利用MODIS數據提取的是綠度(NDVI)、濕度(WET)、干度(NDSI)、熱度(LST)這種生態因子來生成遙感生態指數[6,7,18]。
2.3.3空間生態變化趨勢分析
采用一元線性回歸分析模擬2000—2020年研究區每個柵格單元RSEI的變化趨勢，該方法基于最小二乘法逐柵格擬合年像元值的斜率，可以綜合反映其變化趨勢。
3結果與討論
3.1城市綠色空間時空演變分析
3.1.1城市綠色空間時間變化特征
京津冀地區主要綠色空間為中、高植被密度區并呈逐年增加的趨勢，無植被覆蓋區和低植被覆蓋區呈現逐年遞減趨勢。通過對研究區土地植被密度進行統計，獲得不同時段植被密度區的分布及其變化情況，2000年、2010年和2020年京津冀地區不同植被密度下的綠色空間分布。
研究區主要綠色空間為中、高植被密度區，分布在東北及東南地區。2000年中、高植被密度區占整個區域面積的比例為78.34%，中植被密度區為主要區域，占41.30%;到2010年中、高植被密度區的占比上升到86.41%，且高植被密度區呈現快速增長的趨勢并超過中密度區達到57.33%;而2020年兩個區域占整個地區的90.01%，中、高植被密度區的面積差距進一步加大，高植被密度區進一步增加至65.12%。
根據2002年—2020年的全國城鄉建設統計年鑒，隨著城市化的發展京津冀地區的城市建成區面積從2570.62km增加到4802.19km，本研究中無植被覆蓋區和低植被密度區主要在水域、城市建設區及其周邊區域，呈現出逐年遞減的趨勢，這一結果主要受到城市發展過程中對城市綠地的建設與保護的影響。
2000—2020年間研究區的綠色空間發生了不同程度的變化。中植被密度區向高植被密度區的轉換面積占比最大，占總變化的54.92%，且在不同城市均為主要轉換類型;其次為低植被密度向中、高植被密度轉換，分別為18.80%和9.21%;而植被密度下降的主要類型為高植被密度向中植被密度轉換和中植被密度向低植被密度轉換，分別占總變化量的6.28%和4.43%;由其他密度類型中轉為無植被覆蓋區和低植被覆蓋區的比例為9.15%，這部分轉換量主要受城市擴張過程中灰色空間及人造綠色空間產生的影響，主要集中在中部、東部及東南地區。
分階段來看，2000—2010年間植被密度有所改善的區域主要分布在張家口、承德、天津、滄州等地，2010—2020年植被密度有所改善的地區主要為西北部——張家口、承德、石家莊和保定及北京、天津的城市中心地帶;植被密度減少的空間分布在2000—2010主要為保定、石家莊、邢臺和邯鄲及北京、天津的城市中心地帶，2010—2020主要為東部和東南地區，尤其是沿海城市。
20年的時間里研究區的植被密度整體呈上升趨勢，表統計了研究區不同階段中各個城市植被密度提升的面積，結果表示2000—2010階段和2010—2020階段不同城市的植被密度有提升也有下降，結合圖所反映京津冀不同城市綠色空間轉換的主要類型統計結果，可以將研究區劃分為個變化梯度，第一梯度為張家口、承德和保定個城市，占整個上升區的61%，第二梯度為北京、天津、石家莊、唐山和滄州，第三梯度為秦皇島、邯鄲、邢臺、廊坊和衡水。張家口和承德位于京津冀地區的西北部與保定的北部地區一起承擔著區域的水源涵養與水土保持功能，通過太行山綠化、北方防沙帶等工程，使得公益林和天然林得到很好保護與修復。
北京、天津、石家莊、唐山等城市作為城市化程度較高地區，植被密度改善的區域相對集中在城市中心，這類城市更加注重已有的綠色空間的建設和保護;東部天津、滄州沿海地區受濱海濕地生態修復和退化林修復工程的影響，臨海地區的植被密度改善明顯，主要為無植被覆蓋區向中植被密度區轉化及低植被密度區向高植被密度區轉化。衡水、邯鄲、邢臺等城市位于華北農業生態區，植被受人類活動如農作物的夏收和秋收等影響會呈現植被密度變化的波動，但整體表現比較平穩，城市的西部、北部區域植被密度呈逐年遞增的趨勢。在兩種主要植被密度減少的轉換類型中，各個城市所占的比例主要為較高城市化水平的城市如北京、天津、石家莊、唐山等。
3.2京津冀地區生態環境質量綜合評價
2000年、2010年以及2020年第一主成分的貢獻率均在90%上，包含了項指標中多數與生態環境質量相關的主要信息，可以用于分析研究區生態環境質量。研究區的生態狀況總體呈上升趨勢，其SEI均值由2000年的0.4109上升至2020年的0.6845，上升了66.59%，反映京津冀地區整體生態環境得到改善，其中2000—2010年RSEI改善速率為0.0143/a，2010—2020年間為0.0131/a。為反映2000—2020年京津冀地區RSEI的空間分布情況，將RSEI值劃分為個等級，每個等級間隔0.2，分別代表生態狀況差[0,0.2]，較差(0.2,0.4]，中等(0.4,0.6]，良(0.6,0.8]和優(0.8,1]。
2000年生態狀況高值區主要分布在北京、承德、唐山、廊坊、保定等地，RSEI>0.6的區域占比為29.58%;2010年生態狀況高值區在2000年的基礎上向周邊擴大，主要為區域的東部和南部，以及承德和張家口的南部地區，RSEI>0.6的區域占比為60.74%;2020年生態指數高值區主要分布在地區的東部和南部，面積占比較2010年有所減少，RSEI>0.6的區域占比為49.38%。京津冀地區的生態指數中等及以下的區域總體來看呈逐漸減少的趨勢，2000年、2010年和2020年分別占比為70.42%、39.26%和50.62%，空間分布從環中心區域發展為主要集中在北部、西北山區及北京、天津等城市中心。
為進一步分析京津冀RSEI的空間變化，基于一元線性回歸模型，在像元尺度上進一步分析了20年來該值的變化趨勢，并將RSEI的變化趨勢分為快速下降區(slope≤0.1)、緩慢下降區(0.1
3.3不同綠色空間遙感生態指數變化分析
2000—2020年不同綠色空間生態指數呈現波動變化，2000—2010年間整體呈上升趨勢，2010—2020年間為下降趨勢。無植被覆蓋區2020年RSEI值達到近20年最低，有植被覆蓋的城市綠色空間的RSEI均值為0.40.65之間。低植被密度區生態指數在2020年達到最低，中植被密度區2010年生態指數最高，2020年與2000年生態狀況基本持平;高植被密度區面積逐年增加，其生態狀況總體呈上升趨勢，2020年與2010年區域生態狀況均處于良好等級。對其中主要綠色空間變化區域的生態狀況進行統計可知，2000年至2020年綠色空間無變化區域以及各正向轉換的變化區域RSEI均值平均增加了10.19%，增加速率為0.0261/a;各負向轉換的變化區域RSEI均值平均減少了12.59%，減少速率為0.0385/a。
4結論
京津冀地區作為北方的重要經濟區，人類活動強烈，城市擴張在很長一段時期都將是該城市群發展的主要趨勢[21]，生態環境的變化是其能否保持可持續發展的重要基礎。本文基于不同植被密度劃分城市綠色空間，并分析京津冀地區綠色空間的時空變化，運用MODIS數據通過主成分分析構建遙感生態指數，對京津冀地區20年的生態環境狀況時空變化特征進行分析。
結論如下：
(1)總體來看，京津冀地區城市綠色空間分布表現為從西北部、南部的平原區向北部丘陵區逐漸增加的趨勢，特別是燕山山脈和太行山脈地區，以森林植被類型為主，受人類活動影響較小，植被質量常年較好。以城市灰色空間和人造綠色空間為主的無植被覆蓋區域和低植被密度區呈現逐年遞減的趨勢，向高植被密度區的轉換在不同城市均為主要轉換類型，而不同城市的變化仍存在差異。
(2)研究區的植被密度整體呈上升趨勢并可劃分為個梯度，第一梯度為張家口、承德和保定個城市，占整個上升區的61%，通過推進太行山綠化、北方防沙帶建設等系列綠化工程，使得西北部地區植被提升程度明顯。在城市化較高的城市如北京、天津、石家莊、唐山等地，其城市中心植被密度等級上升的面積逐年增加，環城區域的植被密度等級則在下降，這類城市更加注重已有的綠色空間的建設與保護，這與趙安周等人在進行研究區的不透水表面覆蓋率的相關研究中得出的結論相近[2。
(3)京津冀地區RSEI等級主要為良好和中等，生態改善狀況地區存在顯著差異，區域的東部和南部生態狀況改善明顯，中西部、北部以及部分城市中心呈緩慢下降趨勢。
(4)研究期內不同植被密度空間轉換會對生態指數的變化產生影響，總體來說，植被密度較低一級的綠色空間向較高密度綠色空間轉換其生態狀況整體呈提升狀態，在轉換為高植被密度的區域尤為明顯;較高密度綠色空間轉向較低密度綠色空間其生態狀況整體呈下降趨勢，且下降速率要高于生態狀況處于提升狀態時的速率。
(5)區域生態狀況是自然、經濟和社會多項活動綜合影響的結果，即使SEI模型綜合考慮了四種因素，仍然要進一步考慮自然條件如高程、氣候，農業種植結構，產業結構等對區域生態的影響。在今后的研究中可以在此基礎上結合典型區域，根據區域特點分析城市發展中的自然因素和人類活動對于土地生態所產生的影響及耦合關系。
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作者：孫琦1,2，陳宇燦3，魯峻銘1，趙玉玲
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