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2017 , Vol. 19 >Issue 1: 28 - 38

DOI: https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2017.00028

新时期中国土地利用/覆被变化时空特征与生态环境效应专栏

北京市高速公路周边土地利用变化对景观格局的影响

  • 张映雪 , 1 ,
  • 莫文波 , 1 ,
  • 王勇 , 2*, * ,
  • 庄大方 2
展开
  • 1. 长沙理工大学交通运输工程学院,长沙 410114
  • 2. 中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室,北京 100101
*通讯作者：王 勇（1975-）,男,博士,副研究员,主要从事环境遥感与卫生健康GIS应用研究。E-mail: wangy@igsnrr.ac.cn

作者简介：张映雪（1970-）,女,硕士,副教授,主要从事道路选线及道路景观方面的研究。E-mail:

收稿日期: 2016-07-18

  要求修回日期: 2016-11-01

  网络出版日期: 2017-01-13

基金资助

资源与环境信息系统国家重点实验室自主创新项目（088RA90BYA）

收起

Impacts of Land Use Changes on Landscape Patterns Around Expressways in Beijing

  • ZHANG Yingxue , 1 ,
  • MO Wenbo , 1 ,
  • WANG Yong , 2, * ,
  • ZHUANG Dafang 2
Expand
  • 1. School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China;
  • 2. State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System, Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
*Corresponding author: WANG Yong, E-mail:

Received date: 2016-07-18

  Request revised date: 2016-11-01

  Online published: 2017-01-13

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《地球信息科学学报》编辑部 所有
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摘要

高速公路的快速发展在推动经济发展的同时,也对区域的生态环境产生重要的影响。在地理信息系统的支持下,本研究以北京市高速公路网10 km缓冲区为研究区域,利用缓冲区分析、空间分析、统计分析等方法探讨了高速公路周边土地利用变化对景观格局的影响规律。结果表明：① 北京市高速公路周边的土地利用类型主要以建设用地、耕地、林地为主,土地利用变化以耕地向建设用地转入最为显著;② 空间变化上,各缓冲区内土地利用变化以林地、耕地、建设用地的相互转移为主,随着与高速公路的距离增大,土地利用类型从以耕地、建设用地为主逐渐转变为以林地、耕地为主;③ 2005-2015年,各类景观的景观指数变化差异明显,其中水域的斑块密度与分离度指数变化幅度最大,耕地的形状指数增加最快,建设用地的分离度指数减少最多,这与相应的土地利用变化密切相关;④ 基于土地利用变化,北京市高速公路网对周边景观格局的影响范围约为6 km,其中林地转入建设用地以及建设用地与耕地的相互转移是引起公路周边景观空间变化差异的主要原因。

关键词： 高速公路; 土地利用; 景观格局; 缓冲区分析; 北京

本文引用格式

张映雪 , 莫文波 , 王勇 , 庄大方 . 北京市高速公路周边土地利用变化对景观格局的影响[J]. 地球信息科学学报, 2017 , 19(1) : 28 -38 . DOI: 10.3724/SP.J.1047.2017.00028

Abstract

The rapid development of the highway has important effects on the regional ecological environment while promoting economic development. With the support of geographic information system (GIS), this study took the 10 km buffer zone around expressways of Beijing as the research area and used buffer zone analysis, spatial analysis, statistical analysis and other methods to explore the influence of the land use changes around expressways on landscape patterns. The results showed that: (1) construction land, cultivated land and forest land were the main land use types around highways in Beijing during the 10 years. The main land use change was that the cultivated land was transferred into the construction land and it accounted for 80% of all imported area. (2) For the spatial changes, the main transferring changes were that forest land, cultivated land and construction land were transferred among each other. With the increase of the distance from expressways, the main land use types changed from the cultivated land and construction land into woodland and farmland. (3) In 2005-2015, the differences of landscape indices changing were obvious in each landscape type. The changes of patch density and splitting index of water were the biggest, the shape index of cultivated land showed the fastest increasing, and the splitting index of construction land reduced a lot, which were closely related to the land use transfer. (4) Based on the land use changes, the affected range of the highway network on landscape pattern was about 6 km in Beijing and it mainly caused the patch density, landscape shape index, diversity index reduced and aggregation index increased. The main reason for differences in the spatial change of the landscape around expressways was the transfers between construction land and cultivated land and the change of forest land into construction land.

Key words： expressways; land use; landscape pattern; buffer analysis; Beijing

1 引言

随着中国经济实力的不断增强,高速公路的发展速度之快是其他工程无法比拟的。据统计,到2014年,中国高速公路总里程达到11.19×104 km,远远超过大部分的西方国家。然而,高速公路在促进区域经济发展的同时,也会对生态环境造成不可忽视的影响[1]。高速公路在建设和运营过程中会对公路周边的生态系统产生诸多负面效应（如对周围生境的侵占、破坏、污染等）,严重改变了原有的地形地貌和土地利用方式,并引起区域景观格局的改变,从而造成原有生境破碎、自然生态环境恶化等一系列环境问题的产生[2]。同时,这些影响还会随着高速公路网的形成不断扩大,影响到更远的地方[3]。
面对当前环境恶化和土地资源紧缺的巨大压力,土地覆被/土地利用（LUCC）研究成为了学者们解决当前矛盾的重要突破口,特别是在高速公路周边环境保护中显得尤为重要。受高速公路廊道效应的影响[4],公路周边的土地利用变化及其对景观格局的影响有显著的空间变化差异[5-7]。例如,青藏公路周边土地利用变化的影响范围为7 km[5];青藏公路格尔木至唐古拉山段对周边1~3 km的景观造成严重影响,导致沿线景观破碎化程度加剧、景观多样性增加[6];此外,也有研究发现受地形因素的影响,高速公路建设的扩展效应影响范围为公路周边1~5 km[7]。而高速公路网的影响范围更广,公路周边土地利用变化对景观格局的影响过程更为复杂,所以需要进一步的加强研究。目前,国内外关于高速公路周边土地利用变化的研究,主要集中在高速公路的生态环境[8-9]、土地利用格局[10]、沿线土地资源规划以及高速公路周边的生态恢复等相关的研究[11-13]。关于公路路域的土地利用变化对景观格局的影响研究还处于不断探索之中,部分研究更多 侧重于将高速公路作为重要的驱动机制进行分 析[14-17],而忽略了高速公路对区域生态环境影响的间接过程,即公路周边土地利用变化对景观格局的作用过程。
作为国家的首都和重要的发达城市,北京近年来由于人口、公路及基础设施建设使城区面积不断扩大,导致土地资源极度紧张和生态环境恶化,在新一轮的城市规划战略中,迫切需要找到一条科学的途径来解决当前的矛盾。为此,本研究在地理信息系统（GIS）的支持下,以北京市高速公路网10 km缓冲区为研究区域,利用空间分析、统计分析等方法研究高速公路周边土地利用变化对区域景观格局的影响,以期为该地区土地资源的合理规划和生态环境保护提供参考依据。

2 研究区概况

北京市位于中国华北平原东北边缘,市中心位于北纬39°54′20″,东经116°25′29″。全市土地面积达16 411 km2,包括14个区、2个县。2005年以来,北京市率先实行功能区划发展,将全市所有区县划分为四大功能区,即首都核心功能区、城市功能拓展区、城市发展新区和生态涵养发展区,如图1所示。市内西、北、东北群山环绕,西部为太行山脉,北部和东北部为军都山,东南是地势平坦的北京平原。主要的植被类型为暖温带落叶阔叶林和温性针叶林,受地形影响主要分布在城市的西部、北部以及西北部,东部和南部大部分平原地区都是城镇和农田。北京市道路网络系统极为发达,城市路网以环线为主干,先后建成了二环到六环的城市快速路,其他主干道路以此为依托,逐步形成由城市中心向外辐射的空间格局,进而将环线内外支路连接起来。到2015年北京市境内高速公路总里程达到982 km,与上年末增加持平。本研究选取的是几条出城高速和环线高速为研究对象,绝大部分高速建成通车时间在2005年以前,它们对于2005-2015年土地利用变化有比较完整的反映,如图1所示。
Fig. 1 The distribution map of the buffer zone around the expressways

图1 高速公路周边缓冲区分布图

3 数据与方法

3.1 数据来源

本研究采用的数据均来源于中国科学院资源环境科学数据中心,主要包括高速公路矢量数据、土地利用/土地覆盖数据、以及遥感影像数据。
（1）遥感影像数据。其主要来源于NASA数据共享网站,并经过正射校正等数据预处理后作为本研究基本的数据源。
（2）高速公路矢量数据。本研究收集了2015年北京市高速公路网络数据,主要包括六环、京承高速、八达岭高速、京开高速等18条北京段的主干高速公路。
（3）土地利用/土地覆被数据。本研究使用的土地利用数据主要由TM影像解译得到,数据精度达到90%以上,满足标准要求。数据主要有2005年和2015年2期,参照相关文献的分类标准[18],将土地利用类型划分6类,即耕地、林地、草地、建设用地、水域、未利用地。该数据kappa系数都在0.8以上,部分已广泛应用于土地利用变化的相关研究中[19-21]。

3.2 研究方法

3.2.1 缓冲区分析
参考已有的研究成果[22-23],本研究以1 km为间隔,利用ArcGIS的buffer功能在高速公路两侧生成10 km距离的缓冲区,以探索高速公路周边土地利用变化及其对景观格局的影响的空间规律。
3.2.2 景观指数分析
本研究分别从景观尺度和景观类型尺度来分析公路周边的景观格局变化。用来描述景观尺度的景观指数为斑块密度、景观形状指数、景观多样性指数以及聚集度指数;描述景观类型的景观指数有斑块密度、分维度指数和分离度指数。具体计算公式如表1所示,景观指数的生态学意义可参考文献[24]-[25]。
Tab. 1 Landscape indices and their calculating formula

表1 景观指数及其计算公式

景观指数 计算公式 参数意义
斑块密度(PD) PD=N/A 景观尺度中N表示景观中的斑块数,A表示景观总面积。景观类型尺度中,N表示某类景观中的斑块数,A表示某类景观斑块总面积
景观形状指数(LSI) LSI=PπA P为景观中所有斑块边界的总长度,A为景观中所有斑块面积
多样性指数(SHDI) SHDI=-∑i=1m(pi×ln pi) i为斑块类型序号,Pi为类型i在景观中的面积比例,m为斑块类型总数
聚集度指数(AI) AI=1+∑i=1m∑k=1mpigik∑k=1mgiklnpigik∑k=1mgik2lnm100 Pi为景观中i类斑块所占比例;gik为斑块i与斑块k相邻的多边形数目;m为景观中斑块类型总数,包括景观边界
分维度指数(FD) FD=2ln(Pi/4)/ln (Ai) Ai为i类斑块面积,Pi为i类斑块周长
分离度指数(SP) SPi=Di∙A/Ai， Di=(12)∙ni/A Ai第i类景观的面积;ni为第i类景观的斑块个数;A为景观总面积
3.3.3 土地利用变化及景观指数变化
本研究主要利用土地利用转移矩阵来反映土地利用类型之间的相互转化情况,并利用土地利用动态度和双向动态来刻画各土地利用类型的动态变化过程[20-21]。
单一土地动态度(LCDI)刻画的是研究区内土地利用类型在研究时段上的变化速率,它着重体现单个土地利用类型的变化状况。
单一土地利用的双向动态度（BLCDI）可以更好地表达某一类土地利用的变化过程和方向,它是单一动态度的进一步补充。
LCD I i = ( U ia - U ib ) U ia × 1 T × 100 % （1）
BLCD I i = ∑ U ij + ∑ U ji ) U i × 1 T × 100 % （2）
式中：LCDIi为研究时段内第i类土地利用类型动态度,Uia,Uib分别为研究时段开始时和结束时第i类土地利用类型的面积;BLCDIi表示第i类土地利用类型的双向动态度; ∑ U ij 代表在该时段内第i类土地利用类型变为其它类型的面积总和; ∑ U ji 代表其它土地利用类型变为第i类土地利用类型的面积总和;Ui代表研究时段开始时第i类土地利用类型的面积。
景观指数变化率（Y）是指研究区的景观指数在研究时段上相对变化率。
Y = ( X 2 - X 1 ) X 1 × 1 T × 100 % （3）
式中：Y研究时段上的景观指数变化率;X1,X2分别为研究时段开始时和结束时的景观指数,T研究时段长度。

4 结果与分析

4.1 高速公路周边土地利用变化

4.1.1 土地利用变化的时序分析
本研究以北京市建成通车的主干高速公路网为研究对象,利用ArcGIS 10.1中的缓冲区分析,建立10 km的缓冲区域,如图2所示。10 km的缓冲区面积涵盖了北京绝大部分的城区范围,且土地利用类型以耕地、林地、建设用地为主。建设用地主要集中于城市的中部,成“摊大饼”式的团块状分布,耕地分布多而广,主要包围着建设用地,林地主要分布在东北和西北角。2005-2015年,耕地面积减少幅度较大,建设用地的向外扩张趋势明显。
10年间,北京市高速公路周边的土地利用空间特征发生明显的改变,但土地利用类型一直以耕地、林地、建设用地为主。2005年时耕地、林地、建设用地的面积比重分别为40.49%,22.97%,28.45%（图3）,耕地的面积最大;到2015年,三者的面积分别达到35.68%,21.25%,36.80%。可以看出,建设用地快速扩张趋势明显,林地和耕地面积变化幅度较大,草地、水域以及未利用地由于本身面积较少,变化较为平稳,特别是未利用地的面积比重,基本可以忽略不计。
Fig. 2 Distribution of land use types around expressways of Beijing in 2005 and 2015

图2 2005年和2015年北京市高速公路周边的土地利用类型分布

Fig. 3 Area proportion of land use types aroundexpressways of Beijing in 2005 and 2015

图3 2005年和2015年北京市高速公路周边的土地利用类型面积比重

为深入分析这一变化差异,本研究计算了2005-2015年公路10 km范围的土地利用转移矩阵,其中未利用地面积少（不足1 km2）且占比非常小（<0.1%）,所以不作具体研究,如表2所示。首先,耕地、草地、水域是主要的转出类型。土地类型转移过程中,水域、草地、耕地转出的面积较多,分别占2005年各自面积的52.03%、28.40%、26.24%,单一土地利用动态度显示,除了建设用地稳步增加之外,其他的类型都减少,可见公路周边各土地类型发展存在一定的方向性,土地利用变化以满足城市扩张需要为主。同时,建设用地,水域、草地是主要的转入类型。三者的转入面积占2015年各自面积的31.38%、24.92%、19.25%,其中建设用地的转入面积最大,水域的转入面积相对较小,而土地利用的双向动态度显示,水域的双向动态度最高,说明水域的双向变化较大,土地利用转移速度较快。此外,在建设用地所有转入类型中,耕地转入的面积比重约占到80%,可见耕地转为建设用地是公路周边土地利用变化的主要特征。
Tab. 2 The transfer matrix of land use around expressways of Beijing during 2005-2015 (km2)

表2 2005-2015年北京市高速公路周边土地利用的转移矩阵（km2）

土地类型 耕地 林地 草地 水域 建设用地 汇总 转出/%
耕地 2588.36 71.29 29.91 25.29 793.42 3509.20 26.24
林地 154.60 1697.21 18.47 7.40 113.17 1990.85 14.75
草地 24.18 49.07 271.95 4.34 30.26 379.80 28.40
水域 87.18 9.23 6.57 153.66 63.70 320.34 52.03
建设用地 238.34 14.91 9.81 13.96 2188.58 2465.60 11.24
汇总 3092.68 1841.77 336.76 204.66 3189.29 - -
转入/% 16.31 7.85 19.25 24.92 31.38 - -
动态度 -2.37 -1.50 -2.27 -7.22 5.87 - -
双向动态度 8.12 4.40 9.09 13.59 10.36 - -
4.1.2 土地利用的空间变化差异
为分析10 km缓冲区内土地利用的空间变化差异,本研究分别计算2005年和2015年不同土地利用类型占各缓冲区的面积比重,如图4所示。2个年份中,同一缓冲区中各土地利用类型面积比重差异较大,同时,每个土地利用类型在各缓冲区内的面积比重随着与高速公路的距离增加表现出一定变化趋势。在各个距离的缓冲区内,耕地、林地和建设用地始终是主要的土地利用类型,三者的面积之和均超过90%;建设用地和林地的面积比重随着缓冲区距离增加分别表现出明显的上升和下降的趋势,2005年,在3~4 km处缓冲区林地的面积比重开始超过建设用地,到2015年,林地的面积比重在5~6 km缓冲区开始超过建设用地,说明随着时间的推移,高速公路对周边土地利用变化的影响范围也在进一步扩大;耕地的面积比重虽然在各个缓冲区内变化不大,但均超过30%;草地和水域分别存在着缓慢增加和小幅波动的趋势。由此可见,空间分布上,建设用地、林地与高速公路都有着高度的空间关联性;耕的面积变化虽然保持稳定,但面积比重较高,所以随着与高速公路的距离增加,土地利用类型从以耕地、建设用地为主逐渐转变为以林地、耕地为主。
Fig. 4 The area proportions of Land use types around highways to every buffer area of Beijing in 2005 and 2015

图4 2005年和2015年北京市高速公路周边土地利用类型占各缓冲区的面积比重

Fig. 5 The area proportions of transferring areas of land use types to each buffer area of Beijing during 2005-2015

图5 2005-2015年北京市各缓冲区内土地利用类型转移面积占缓冲区面积的比重

Fig. 6 Spatial distribution of land use transfer in buffer zone of Beijing expressways and urban function zoning

图6 北京市高速公路缓冲区内土地利用转移的空间分布和城市功能区划

受人类活动影响,公路周边的这种土地利用空间变化差异与土地利用转移密切相关。为进一步分析公路周边土地利用的空间变化特征,本研究计算了各缓冲区内土地利用类型转化面积占该缓冲区的比重,如图5所示。各缓冲区内土地利用类型转移有着明显的差异,主要以建设用地、林地与耕地相互转化为主。如图6所示,耕地的转入类型主要以建设用地为主,六环以内的转入最为显著,转入面积最多的是在1~2 km范围内,面积比重达到11.32%,且随着与高速公路的距离增加,转入的面积逐步减少。在林地的转移变化中,建设用地和耕地是其主要转入对象,在2~3 km处,林地转入建设用地的面积达到最大（1.78%）,转入面积主要靠近西六环,且相对分散,在3~4 km处,林地转入耕地的面积开始超过转入建设用地的面积,在4~5 km处林地转入耕地的面积比重也达到最大（2.2%）,且主要位于八达岭高速缓冲区内,分布相对集中,之后两类转入面积同步呈现出不同程度的减少;在草地、水域的转入类型中,转入面积普遍较少,本研究将二者的转入面积比重合并为其他转移类型,如图5所示,随着与高速公路距离的增加,其他转移类型的面积比重变化较为平稳,空间差异较小;在建设用地转入类型中,耕地是其主要的转入对象,转入建设用地的面积主要分布在东部、南部的平原地区,并随着与高速公路的距离增加而减少,在5~6 km处,减少速度开始变缓,与此同时,建设用地转入为其他类型的面积比重在各个缓冲区的差异较小。
综上所述,各缓冲区内以林地、耕地、建设用地的相互转入较为明显,耕地转入建设用地的面积比重明显大于建设用地转化为耕地的面积比重（图6）,且随着与高速公路的距离增加而减少。林地转入为建设用地、耕地的面积比重随着与高速公路的距离增加,呈现出先增加后减少的趋势,在3~4 km处,林地转入耕地的面积开始超过转入建设用地。不难发现,绝大部分土地利用的转移变化都集中在城市发展新区以及部分的城市功能扩展区（五环以外）（图6（a）、（b））,且距离高速公路越近,土地利用变化越显著。2005年以来,受政府划区发展政策的影响,作为城市发展新区的房山、大兴、通州、昌平和顺义一直扮演着卫星城区的角色,极大地缓解了中心城区（城市功能拓展区）交通、人口、环境等各方面矛盾。研究时段上,城市功能拓展区的人口密度和GDP分别相对增长42.05%、2.4%,而城市发展新区分别相对增长70%,4.1%[28];2008年北京奥运会的筹办大力推进城市基础设施建设,促进了现代服务业的快速发展,部分城市功能拓展区的土地资源得到重新规划,城市发展新区进行了产业结构调整,第三产业比重明显升高[28]。最终,在政府政策、社会、经济等各类驱动因子的刺激下,建设用地的快速扩张成为区域内土地利用变化的主要特征,考虑到地形的影响,耕地成为首要的转移类型,林地次之,而交通是区域经济发展的动脉,高速公路是满足区域可达性的基本条件[29],离高速越近,区域间的联系越为紧密,所以公路周边的土地利用变化更加明显。

4.2 缓冲区土地利用变化对景观格局的影响

4.2.1 缓冲区景观类型尺度的变化差异
景观格局分析主要以描述斑块及斑块之间的特征为基础,探索这些特征的时空变异规律。本研究从描述景观斑块的破碎程度、景观斑块间的距离以及景观斑块的形状出发,选取斑块密度、景观分离度以及分维度指数对缓冲区的景观格局进行分析,如表3所示。各类景观的景观指数变化幅度差异明显。首先,各类景观的斑块密度变化大小排序为：水域>耕地>林地>草地>建设用地,各景观类型的斑块密度呈现下降的趋势,其中水域的斑块密度减少得最快,说明各类景观的斑块出现明显的聚集效应,斑块面积增大,分布趋于集中。其次,各类景观的分离度变化大小排序为：水域>建设用地>林地>草地>耕地,其中,耕地和建设用地的分离度减小,而草地、林地、水域的分离度明显增加,说明受人类活动的影响,耕地和建设用地的斑块分布更为聚集,其他景观类型的斑块分布相对分散,特别是水域,斑块间的距离明显增加。最后,从分维度指数来看,各类景观的变化幅度大小排序为：耕地>林地>水域>建设用地>草地,其中,建设用地的分维度指数明显减少,其他景观类型呈现出增加的趋势,说明建设用地的斑块面积趋于简单、规整,而其他景观类型斑块变得复杂化。对比前面的土地利用变化可发现,水域斑块本身大而少,研究时段上斑块密度一直较小,且分离度指数高,而它的转出（52%）远大于转入（24%）,即单一土地利用动态度最高,斑块减少得最快,所以其斑块密度减少幅度和分离度指数的增加幅度也是最大的,表明水域的快速转移一定程度上是造成水域斑块减少,分离度指数增加的主要原因;耕地大面积转为建设用地的同时,耕地的分维度指数大幅增加,而建设用地的分维数指数和分离度指数大幅减少,说明耕地包围建设用地,耕地的大面积转出使得其原有斑块的形状趋于复杂化,而建设用地在被转入的过程中,受人类活动因素干扰,使斑块形状趋于规整,斑块间距减少,联系更为紧密。可见,土地利用类型间的相互转化在一定程度上是造成景观类型变化的主导因子。
Tab. 3 Analysis of landscape types in 10 km buffer area of Beijing expressways during 2005-2015

表3 2005-2015年北京市高速公路10 km缓冲区的景观类型分析

斑块密度 分维度指数 分离度指数
2005年 2015年 变化率/% 2005年 2015年 变化率/% 2005年 2015年 变化率/%
草地 0.039 0.028 -27.649 1.118 1.119 0.045 19 558.227 21 075.143 7.756
1.090
耕地 0.089 0.034 -62.275 1.113 2.120 44.601 42.938 -3.729
建设用地 0.267 0.202 -24.241 1.065 1.063 -0.225 57.481 28.665 -50.132
林地 0.065 0.032 -50.853 1.083 1.102 1.708 141.028 172.687 22.449
水域 0.074 0.027 -63.612 1.074 1.080 0.559 17 405.056 40 312.530 131.614
4.2.2 缓冲区景观尺度的空间变化差异
区域景观尺度的景观格局特征反映是整体景观结构的生态过程[26]。为从不同侧面刻画景观格局变化,本研究计算了各个缓冲区内的斑块密度,景观形状指数,多样性指数以及聚集度指数,如图7所示。2005-2015年,除聚集度指数有所增加外,其他景观指数均有不同程度减少,且各景观指数在缓冲区内的有着明显的空间变化规律。图7（a）中, 2个年份的斑块密度在1~2 km内显著上升,之后随着与高速公路的距离增加缓慢增长,且2个年份间的差距也有所减小,在5~6 km处减小得最为显著;图7（b）中,景观形状指数在1~2km处有明显的突变,在1~2 km的缓冲区内显著上升,2 km之后又快速下降,同时随着与高速公路距离的增加,2个年份的景观形状指数曲线差距明显减小,在5~6 km处有显著减小趋势,之后2条曲线保持一定的差距逐步下降;图7（c）中,随着与高速公路的距离增大,景观多样性指数缓慢上升,在5~6 km处,两条曲线基本重叠;图7(d)中,聚合度指数曲线在1~2 km缓冲区内快速下降,在5~6 km处,2个年份的聚合度指数差距最小,之后2条曲线保持一定间隔上下波动。由此可知,随着与高速公路距离的增加,2005年与2015年各缓冲区内景观指数差异有明显减小的趋势,在缓冲区达到6 km时差异减少得最为显著,这与前面2015年林地面积比重在缓冲区6 km处超过建设用地的范围基本一致,可见,通过土地利用变化,高速公路对周边景观格局的影响范围大约在6 km处,主要造成斑块密度、景观形状指数、多样性指数减少,聚合度指数增加,并在缓冲区1~ 2 km处的影响最为强烈,该区域的土地利用类型主要以建设用地为主,人类活动干扰较为严重。在快速城市化的影响下,建设用地在一定程度上支配着区域景观格局的改变,特别是高速公路周边。2005-2015年,北京市高速公路6 km缓冲区基本覆盖了城市绝大部分基础设施用地,商业办公区以及居民住宅用地,建设用地斑块需高度聚集以适应区域社会经济发展的需要,所以聚合度指数增加。与此同时,建设用地沿环城高速向四周蔓延,扩张过程中一直保持与城市中部斑块的整体性,斑块面积增大使得斑块密度减少,棋盘式的空间布局使得斑块形状趋于规整,景观形状指数也有所降低。最终,各类斑块向建设用地转化,斑块间的面积差异明显增加,建设用地的优势突出,从而引起多样性指数下降。
综上分析,无论类型尺度,还是景观尺度,各个尺度的景观指数变化均与建设用地变化密切相关。为深入探讨缓冲区内土地利用变化对景观格局的影响机制,本研究以2015年各缓冲区内的景观指数为因变量,即斑块密度(Y1),景观形状指数(Y2),景观多样性指数(Y3),聚合度指数(Y4),以建设用地的转入面积比重与转出面积比重作为自变量,即建设用地转入耕地(X1),耕地转入建设用地(X2),建设用地转入林地(X3),林地转入建设用地(X4),建设用地转入草地(X5),草地转入建设用地(X6),建设用地转入水域(X7),水域转入建设用地(X8),采用逐步线性回归的方法进行回归分析,结果如表4所示。
Fig.7 Patch density, landscape shape index, diversity index and aggregation index in each buffer area of Beijing in 2005 and 2015

图7 2005年和2015年北京市各缓冲区内的斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、多样性指数(SHDI)和聚合度指数(AI)

Tab. 4 Results of stepwise regression analysis

表4 逐步回归分析结果

2015年各缓冲区景观指数 预测变量 回归方程 R2
斑块密度(Y1) 建设用地转耕地(X1) Y1=1.474-0.012X1 R2=0.95(sig=0.00)
景观形状指数(Y2) 林地转建设用地(X4) Y2=23.132+0.617X4 R2=0.60(sig=0.01)
景观多样性指数(Y3) 耕地转建设用地(X2) Y3=1.365-0.001X2 R2=0.92(sig=0.00)
聚合度指数(Y4) 建设用地转耕地(X1) Y4=95.078+0.22X1 R2=0.97(sig=0.00)
回归结果显示,林地转入建设用地以及耕地与建设用地的相互转化是引起缓冲区景观指数空间差异的主要因子。研究时段上,公路周边的土地利用布局一直以耕地、林地和建设用地为主,林地斑块集中分布于山区,生态涵养的管理策略使得林地受到城市扩张影响较小,建设用地斑块在快速扩张中一直保持“摊大饼”的块状格局,斑块密度变化最小（表3）,而耕地则受路网等基础设施分割严重,建设用地向耕地转移使得原本分离的耕地斑块融合或者重构,以致整体景观的斑块密度减少,因此转移面积大小最终决定了区域间的斑块密度差异。林地转入建设用地引起的景观形状指数空间差异,主要依赖于地形的影响。研究区的林地一般分布于山区或坡度较高的区域,林地转化而来的建设用地斑块受地形的影响难以保持整体上的规整,所以转化的面积越大,景观形状指数越高,但侵占林地生态系统,易使自然生态系统功能受损。景观多样性指数主要是用来表征景观斑块类型的多少以及类型间的面积差异,值越大说明各斑块类型分布越均匀[26]。耕地向建设用地转移是整体景观改变的主要特征,建设用地大面积扩张并成为优势斑块类型使得斑块间的面积差异明显增大,从而导致区域景观多样性指数下降,且越接近高速下降幅度越大。在这一过程中,耕地生态系统大幅削减,农业生态保护未引起足够的重视。对比2005年和2015年的聚合指数可知（图7（d））,研究区整体的景观斑块在研究初期就呈现出较高的聚集性,随着北京区县功能区划以及农业发展政策的引导[27],建设用地转入耕地使得耕地斑块趋于集中,原本被分割的斑块得到合并并成团分布,斑块间的连通性增加,聚合度指数上升,而该类转移变化在高速公路周边呈现出明显的廊道效应（即越靠近高速,转移面积越大）,最终造成聚合度指数的空间变化差异。综上所述,建设用地转入耕地以及林地、耕地向建设用地的转移是造成缓冲区景观格局空间变化差异的主要因素,转移过程中引起的耕地生态系统锐减以及林地生态功能受损不容忽视,今后对建设用地扩张的限制以及农田和林地的生态管理可纳入高速公路周边土地利用规划的重点考虑范畴。

5 结论与讨论

本研究结合土地利用/土地覆盖数据和高速公路矢量数据,利用地理信息系统,统计分析方法以及缓冲区分析等方法,研究了北京市高速公路周边土地利用变化对景观格局的影响。
（1)10年间北京市高速公路周边的土地利用类型主要以建设用地、耕地、林地为主,土地利用变化以耕地向建设用地转入为最为显著。2005-2015年间缓冲区内的建设用地、耕地、林地的面积比重总和均达到90%以上,2005年时耕地面积比重最高,到2015时,建设用地的面积比重最大,在所有转入建设用地的面积中,有近80%面积比重来自于耕地,可见耕地向建设用地的转移趋势明显。
（2）空间变化上,各缓冲区内土地利用变化主要以林地、耕地、建设用地的相互转化为主,随着与高速公路的距离增大,土地利用类型从以耕地、建设用地为主逐渐转变为以林地、耕地为主。各缓冲区内,耕地转入建设用地的面积比重明显大于建设用地转入耕地的面积比重,且随着与高速公路的距离增加而减少。林地转入建设用地、耕地的面积比重随着与高速公路的距离增加,呈现出先增加后减少的趋势,且在3~4 km处,林地转入建设用地的面积开始小于转入耕地的面积。最终,随着与高速公路的距离增加,林地的面积比重逐渐增大,建设用地的面积比重逐步减少,而耕地的面积比重一直较高,在各缓冲区内均超过30%,且空间差异较小。
（3）2005-2015年,各类景观的景观指数变化差异明显,这与相应的土地利用变化密切相关。各类景观的斑块密度存在明显的减小趋势,其中减少最多的是水域,而水域较高的土地利用动态度是造成水域斑块快速减少,斑块间距增大的重要因素;耕地向建设用地大面积转入的同时,耕地的形状指数增加最多,斑块形状趋于简单,而建设用地的分离度指数减少得最快,斑块间的距离显著减少,联系更为紧密。
（4）基于土地利用变化,北京市高速公路网络对周边景观格局的影响范围约为6 km,主要造成斑块密度、景观形状指数、多样性指数减少,以及聚集度指数增加,其中建设用地转入耕地以及林地、耕地向建设用地转移是引起缓冲区景观空间变化差异的主要因素。在这一过程中,建设用地快速扩张引起的农田生态系统锐减以及自然生态功能受阻需引起足够的重视。
高速公路对区域生态环境的影响过程错综复杂,本研究仅从高速公路周边环境出发,通过土地利用变化特征,综合考虑政府政策、经济和社会因子,间接地探讨高速公路对周边景观格局的影响过程,并利用回归分析从数据结构上挖掘引起研究末期景观格局空间差异的驱动因素,虽然存在一定的局限性,但分析结果与实际情况基本相符。事实上,北京市高速公路网10 km缓冲区已基本涵盖了近50%的城市面积,是整个城市的重点规划区域,建议在保护耕地的基础上,限制耕地向其他类型转化,合理规划区域路网结构,划定建设用地扩张边界,加强林地生态维护与管理,以促进土地资源合理利用。

The authors have declared that no competing interests exist.

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张景华,封志明,姜鲁光.土地利用/土地覆被分类系统研究进展[J].资源科学,2011,33(6):1195-1203.土地利用/土地覆被变化是全球变化研究中的一个重要内容，而土地利用/土地覆被分类又是研究土地覆被变化的重要前提，它既影响着分类结果的表达，也决定着分类数据的应用领域。本文简要回顾和评述了国内外土地利用/土地覆被分类系统的研究进展。研究认为，土地利用/土地覆被分类系统，1970年代之前以土地利用分类为主，着重于土地用途的差异，主要用于土地利用现状调查和土地利用制图；1970年代随着遥感和计算机技术的发展，以土地覆被为主的分类系统迅速发展起来，它着重于土地类型的差异，主要用于土地覆被变化研究。研究指出，目前的土地利用/土地覆被分类系统一般都适用于特定研究目的和研究尺度，没有统一标准，这种土地分类系统的不兼容性，给土地覆被数据的汇总、分析与共享带来了诸多不便。但一个“万能”的土地分类系统又是不存在的。鉴于此，研究认为一个标准土地分类系统应该是多级的、开放的系统，高级别的土地覆被类型可以直接基于遥感影像进行识别，以便于实现分类数据的比较和共享；低级别的土地覆被类型可以根据特定研究目的灵活制定，以满足特定的研究需要。

[ Zhang J H, Feng Z M, Jiang L G.Progress on studies of land use/land cover classification systems[J]. Resources Science, 2011,33(6):1195-1203. ]

[19]
庄大方,邓祥征,战金艳,等.北京市土地利用变化的空间分布特征[J].地理研究,2002,21(6):667-674.土地利用变化是全球变化中的重要组成部分,是短期内人类活动对自 然环境施加影响的显著表现形式.本文基于遥感和地理信息系统技术,利用Landsat TM 图像的解译成果,分析了北京市1985～2000年土地利用变化的空间分布特征.研究表明,在这15年的时间里,北京市林地和城乡、工矿、居住用地的转移 趋势明显,两者的转移率分别达到40.78%和37.60%,主要以林地内部、林地向草地转移、居住用地的内部和工矿废弃地还林还草等类型为主.同时,各 类土地利用类型的净变化呈现出明显的区域差异.

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[ Zhuang D F, Deng X Z, Zhan J Y, et al.A study on the spatial distribution of land use change in Beijing[J]. Geographical Research, 2002,21(6):667-674. ]

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王勇,于信芳,庄大方.近30年北京市高尔夫球场时空变化特征[J].草业学报,2015,24(8):188-198.以北京市1986-2010年LandsatTM/ETM+遥感影像为基础,通过数字化和影像解译获取北京市75个面积大于6hm2的高尔夫球场数据,并利用土地利用/土地覆盖数据和地理要素数据(道路、行政区划、水域等),从时空角度研究近30年北京市高尔夫球场的时空变化特征。结果表明,1)1986年至2010年,北京市高尔夫球场经历了“初步建立、停滞发展、缓慢发展和迅速发展”的变化过程,其中1990-1999年期间高尔夫球场处于停滞发展期,2000-2005年出现缓慢发展,2005年之后迅速增长。2)并非所有高尔夫球场均呈面积增加趋势,而是具有空间差异性。3)高尔夫球场面积变化与土地利用/土地覆盖类型变化高度相关,高尔夫球场变化趋势和土地利用动态度的变化趋势保持着一致性。4)北京市高尔夫球场主要沿着具有紧邻中心城区、滨临河湖、临近快速交通线的优势空间区位分布,特别是“一环两带”地区。

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[ Wang Y, Yu X F, Zhuang D F.Temporal and spatial characteristics of Beijing golf courses over the past 30 years.[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2015,24(8):188-198. ]

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Ji W, Wang Y, Zhuang D, et al.Spatial and temporal distribution of expressway and its relationships to land cover and population: A case study of Beijing, China[J]. Transportation Research Part D Transport & Environment, 2014,32:86-96.The interaction between urban transport, land cover change and the distribution of population is a typical manifestation of the urbanization process. As high-grade road, expressway plays a significant role in promoting resource circulation and economic development. Based on the road distribution, land cover and population census data, this study specifically probed the relationship between the expressways and the land cover and population of Beijing. The results show that: (1) as the distance from an expressway increases, the amount of built-up land gradually decreased, and the transfer of land cover near the expressway was more intensive and frequent when compared with that of the whole city; (2) In 2010, a district that was less than 3聽km from both sides of the expressway and which occupies one-quarter of the entire city had concentrations of 42% industrial land, 58% of settlement land, and 76% transportation land of the entire city; (3) As for Beijing, the population density was positively correlated to road density, and population density declined with a corresponding increase in buffer distance; (4) The ring area between the Fifth and the Sixth Ring Road featured the greatest density of expressways and the most dramatic changes in both land cover and population. According to our study, there鈥檚 a positive interactive feedback relationship between the expressways, land cover and population of Beijing. Also, due to the concentration of population, industry and transport system around the expressways, special attention should be paid to environmental pollution and the inhabitants鈥 health in this area.

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[22]
唐秀美,刘玉,任艳敏,等.高速公路沿线土地利用及生态系统服务价值变化研究[J].中国农业大学学报,2016,21(2):132-139.为分析高速公路沿线土地利用及生态系统服务价值的变化规律，确定高速公路对沿线土地的影响范围，以京承高速北京段沿线10km范围的1995、2004、2009年3期TM遥感影像提取的土地利用数据为基础，基于GIS分析各种土地利用类型面积变化的特点、规律和原因，并分析了与高速公路不同距离范围内土地利用程度与生态服务价值的变化规律。结果表明：1）从1995—2009年，京承高速沿线土地用地结构发生了较大的变化，各种用地类型之间的转换较为频繁，说明高速公路的修建对于沿线土地利用类型的影响剧烈，尤其沿线农业结构调整变化明显；2）高速公路沿线土地利用程度与高速公路的距离有较大关系，土地利用程度变化最剧烈的区域为3～8km，8km外，土地利用程度变化开始减小；3）1995-2009年，京承高速沿线生态服务价值先增加后减少，由于园地面积显著增加，京承高速沿线土地生态系统服务价值的总量变化相对平稳，距离高速公路1～3km的生态系统服务价值变化最剧烈，8km外，生态系统服务价值的变化逐渐平稳。

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[ Tang X M, Liu Y, Ren Y M, et al.Profit and loss analysis on ecosystem services value based on land use change along expressway[J]. Applied Mechanics & Materials, 2016,21(2):132-139. ]

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徐盼,张晓祥,晏王波,等.城市交通干线对盐城城市发展影响的空间分析[J].地球信息科学学报,2013,15(1):29-37.本文以江苏省盐城市为例,通过1990、2000、2010年3 期盐城市域遥感影像解译,获取盐城市土地利用变化数据,并采用GIS空间分析技术,评估城市交通干线对城市发展的影响.同时,结合Model Builder建模技术,综合运用缓冲区分析、叠加分析、统计分析等方法进行快速、一站式土地利用变化分析.研究结果表明:(1)以道路沿线5km缓冲区 及道路出口10km缓冲区研究范围为最佳;(2)盐城市城市交通干线沿线5km范围内随着相应交通基础设施的建设变化非常剧烈,2000年后,高等级公 路、高速公路和铁路改建及新建导致沿线土地利用变化发展迅速,特别是204国道沿线和沈海高速沿线变化最为迅速;(3)盐城市城市交通干线沿线重要交通出 口10km范围内的变化也极大,新长铁路盐城站出口周边变化最为迅速.

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[ Xu P, Zhang X X, Yan W B, et al.Urban transportation infrastructure and its effects on regional development in Yancheng: A spatial analysis perspective[J]. Geo-information Science, 2013,15(1):29-37. ]

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李坤,杨华.近20年土地利用/覆被变化及其对景观格局影响——以重庆市北碚区为例[J].重庆师范大学学报(自然科学版),2010(3):32-35,4.基于景观格局指数的空间格局分析是当前景观生态学研究的重要基础内容,土地利用类型对景观格局指数具有显著的影响。利用1988年的TM遥感影像和2008年的中巴资源卫星数据(CBERS-02),运用RS和GIS技术,对近20年来北碚区土地利用/覆被变化及景观格局影响进行了分析,发现北碚区土地利用变化的总趋势是耕地和其他用地面积呈减少趋势;住宅用地和工矿用地、林地、水域及水利设施用地及水利设施用地呈增长趋势。从景观形状指数看,居住、工矿用地和其他用地形状趋于复杂;林地、耕地和水体,由于人类的干预趋于简单;从景观分维数和破碎度来看,居住、工矿用地等建筑用地分维数增加,其他类型分维数减小。该区域应该严格控制新建建设用地,加强生态规划,切实保护耕地。

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[ Li K, Yang H.The land use/land cover change for nearly 20 years and their impaction landscape patterns: Taking Beibei District for instance[J]. Journal of Chongqing Normal University(Natural Science), 2010,3:32-35,4. ]

[25]
刘家福,王平,李京,等.土地利用格局景观指数算法与应用[J].地理与地理信息科学,2009,25(1):107-109.土地利用斑块的形态和空间格局是人类与自然长期相互作用的结果, 图形特征的时空演化可以看作是土地利用变化的一种外在表现.该文以吉林省长岭县为研究区,综合运用遥感影像和其他相关资料得到研究区1991年、1995 年和2000年的土地利用数据;借助GIS的空间分析功能,获得多时期的土地利用变化信息,并基于景观生态学原理,提取土地利用斑块形态和格局信息,分析 近圆指数、方形指数、分维数、分离度等指标及其地学机制.研究表明,受人类干扰强的斑块,近圆指数和方形指数较大,分维数较小,分离度较大;而受人类干扰 弱的斑块,近圆指数和方形指数较小,分维数较大,分离度较小.通过图形信息角度进一步发掘土地利用格局及其动态变化的驱动机制,对完善土地利用/土地覆被 时空演化过程描述与分析是一种新的尝试.

[ Liu J F, Wang P, Li J, et al.An algorithm for land-use pattern index and its application[J]. Geography and Geo-Information Science, 2009,25(1):107-109. ]

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阳文锐. 北京城市景观格局时空变化及驱动力[J].生态学报, 2015,35(13):4357-4366.2004—2020年城市总体规划以来,北京经历了快速的城市化发展期,城市景观格局发生了很大变化。采用TM遥感影像为信息源,通过RS解译建立了2003、2007和2011年北京市土地利用覆盖空间数据,利用Fragstats对景观格局特征指数进行了计算和分析,分别从全市域和六环内城市化典型地区两个尺度研究了北京市城市景观格局时空变化特征,结合社会经济、城市总体规划和城市发展政策因素,分析了北京城市景观格局变化的驱动力因素。研究结果表明,过去近10年,市域景观特征发生了深刻变化,建设用地保持较快的增长速度,其比例由15.0%上升至18.0%,相反耕地面积比例由21.3%下降至18.8%。林地一直是市域的优势景观类型,比例维持在51%以上。而六环内城市化典型地区的景观变化更加明显,建设用地比例增加近10%,是六环地区的优势景观类型,耕地比例相应减少10%。建设用地的增长主要以耕地占用为主。景观格局指数的分析表明,大尺度和小尺度的景观格局变化表现出不同的特征,市域大尺度建设用地斑块破碎化程度高,景观蔓延度、聚合度下降,景观多样性增加;而小尺度六环内的建设用地斑块破碎化趋势降低,景观蔓延度和聚合度上升,但景观多样性下降迅速。大小两个尺度的景观空间形态均表现出复杂性增加的趋势。通过景观格局变化的驱动因素分析,人口规模的增加、产业结构调整、城市总体规划的实施以及城市发展政策的变化是导致景观格局变化的主要因素。

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[ Yang W R. Spatiotemporal change and driving forces of urban landscape pattern in Beijing[J]. Acta Ecologica Sinica, 2015,35(13):4357-4366. ]

[27]
窦莉莉,郑学昌,杨珺雯,等.北京奥后夏季农业景观的变化特征分析——以北京市大兴区、通州区为例[J].北京师范大学学报(自然科学版),2015(Z1):1-7.利用2009—2013年的HJ卫星影像资料为主要数据源,借用相关地理信息数据等资料,通过建立景观格局度量指标体系,对北京市大兴区和通州区2个重点农业大区耕地范围内夏季作物农业景观格局随时间演变特征进行定量分析.结果表明:2009—2013年(奥后),冬小麦面积不断下降,同时景观斑块受外界影响破碎化程度增大,斑块形状整体表现更加规则,农业斑块边界割裂的程度愈发明显,优势景观类型逐渐不再突出.2个区域内耕地土地利用类型及景观格局变化受社会经济因素影响较大,其中人口增加与经济发展,剧烈的城市化进程占用了大量郊区和农村的耕地,从而加剧耕地内景观格局愈发复杂、破碎;政府部门相关政策,如粮食直补、农业发展规划、平原造林工程等政策的出台,对农村产业结构产生强烈的影响;城市化与交通发展均对耕地景观格局产生深刻影响,造成了农业景观格局朝破碎化、异质化和复杂化的方向发展.

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[ Dou L L, Zheng X C, Yang J W, et al.Changes in summer agricultural landscape since the 2008 Beijing Summer Olympics: A case of DaXing District and Tongzhou District, Beijing[J]. Journal of Beijing Normal University(Natural Science), 2015,Z1:1-7. ]

[28]
夏沁芳. 北京统计年鉴2015.北京:中国统计出版社,2015.中国科学院机构知识库(中国科学院机构知识库网格（CAS IR GRID）)以发展机构知识能力和知识管理能力为目标，快速实现对本机构知识资产的收集、长期保存、合理传播利用，积极建设对知识内容进行捕获、转化、传播、利用和审计的能力，逐步建设包括知识内容分析、关系分析和能力审计在内的知识服务能力，开展综合知识管理。

[ Xia Q F.Beijing statistical yearbook[M]. Beijing: China Statistics Press, 2015. ]

[29]
王成金,程佳佳.中国高速公路网的可达性格局及演化[J].地理科学,2016,36(6):803-812.在全国尺度上评价1988~2030年中国高速公路可达性的空间格局及演化。基于交通旅行时间和最短时间路径的可达性模型设计,刻画了中国高速公路网的扩张过程,评价各时段中国高速公路网的通达性及演变,包括连通城镇、交通时间和时间区位系数等,分析各地区可达性的空间差异及变化特征,以及各时段内可达性的变化差异,重点识别可达性与区位受损和收益的突出区域;结合人口和经济等属性指标,评价各城市的综合发展潜能及变化。研究发现,高速公路建设拉近了边缘地区与核心地区的时间距离,西部地区的交通条件得到了很大改善,但并没有改变各城市的区位优劣水平,而且导致城市间发展潜力的差距更加不平衡。

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[ Wang C J, Cheng J J.Spatial pattern of expressway network accessibility and evolution in China[J]. Scientia Geographica Sinica, 2016,36(6):803-812. ]

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