1研究概述1.1研究目的在人类社会的发展进程中，城市化是体现社会经济发展的重要环节。我国的城市不断深化发展，人口急剧增多，城市化的进程在近些年突飞猛进。北京市作为国家的首都和国际化大都市，其城市化进程中的土地利用变化研究对中国城市化发展乃至世界的城市化发展都具有重要意义。景观格局指目标区域的空间格局，研究该区域的大小和形状各异的景观要素在空间上的排列和组合，包括景观组成单元的类型、数目及空间分布[1]。景观格局变化是组成景观的各个景观要素在一定时空尺度内发生变化引起景观空间结构的变化[2]。只有通过恢复和重建景观生态环境，才能够构建出安全的区域生态格局，因此在衡量城市化进程时，分析土地利用的景观格局显得尤为重要[3]。区域土地利用变化分析是景观格局变化分析的实际应用。建立土地利用变化模型是深入了解土地利用变化的原因和过程的重要途径，可以用于预测未来的发展变化的趋势和环境对景观格局造成的影响。土地利用转移矩阵是马尔可夫模型在土地利用变化中的应用。土地利用转移矩阵可以揭示不同类型土地利用之间的转移速度，对于研究人类对土地的利用方式和使用状况或土地的社会、经济属性具有重要的意义，使研究者能够从数学角度分析土地利用的变化情况。本次研究中，主要分析北京市不同年份的土地利用变化，并对未来土地利用变化趋势进行预测。1.2研究区概况北京市位于华北平原太行山脉、燕山山脉的交接部位，地势西北高耸，东南低缓，西部、北部和东北部是连绵不断的群山，东南是一片缓缓向渤海倾斜的平原。北京市属于暖温带半湿润气候区，四季分明，春秋短促，冬夏较长。2使用Fragstats进行景观格局分析2.1计算过程北京城区3个年份的类型水平上10个景观格局指数如表1所示。10.3969/j.issn.2096-1936.2021.19.008.T001表1北京城区3个年份的类型水平上10个景观格局指数年份类型总面积CA/hm2面积占比PLAND/%斑块数NP边缘密度ED平均斑块面积AREA_MN/hm2平均斑块形状指数SHAPE_MN平均最近邻体距离ENN_MN/m临近占比PLADJ/%景观凝结度指数COHESION聚集度AI1984农田37 804.6849.396 11 13581.699 333.308 12.012 899.326 787.578 399.628 487.713 7绿地18 381.4224.017 42 39884.120 67.665 32.203 589.232 773.689 897.217 073.853 2城市18 057.1523.593 71 34051.974 413.475 51.957 9143.265 583.467 799.491 583.654 5水体1 947.872.545 13858.289 75.059 41.790 6304.561 775.569 593.514 376.088 01991农田27 570.2436.023 71 42461.773 619.361 11.794 1113.894 887.122 699.102 387.280 3城市30 977.4640.475 61 128623.225 527.462 31.928 0113.533 688.269 799.751 388.420 5绿地13 170.4217.208 72 50962.098 25.249 32.001 2105.925 972.884 794.648 273.075 9水体4 473.005.844 580916.101 25.529 01.599 5202.289 579.334 094.287 479.691 61999农田20 006.3726.140 61 33744.859 514.963 61.743 4141.500 987.121 598.178 687.306 7绿地24 462.9031.963 61 72676.826 114.173 21.945 396.574 381.222 599.215 981.378 7水体2 130.662.784 04978.274 84.287 01.626 0253.939 377.707 689.442 278.216 4城市29 589.3936.661 997054.960 90.900 01.825 9122.203 289.328 199.781 989.484 2未利用1.800.002 420.020 40.900 01.988 1241.867 735.000 068.777 345.161 3北京城区3个年份的景观水平上4个景观格局指数如表2所示。10.3969/j.issn.2096-1936.2021.19.008.T002表2北京城区3个年份的景观水平上4个景观格局指数年份蔓延度CONTAG/%丰富度PR香农多样性指数SHDI香农均匀度指数SHEI198446.126 351.149 40.714 1199144.329 651.22690.762 3199951.942 061.206 90.673 62.2结果分析对于大城市的土地利用变化，计算不同土地类型的面积和占比、斑块数和边缘密度等指标更有意义。通过表格可以看出，不同年份这些指标的差异都较为明显，较容易看出产生的变化。边界密度（ED）用于揭示景观或类型被边界分割的程度，是景观破碎化程度的直接反映，边界密度越高，反映景观破碎度越高；边界密度越大，表明景观（类型）的边缘效应显著，具有较强的开放性，易于与周围斑块的物质进行能量流流通。Shannon多样性指数（SHDI）反映景观要素的多少及各景观要素所占比例的变化。景观由单要素构成时，景观是匀质的，其多样性指数为0。随着景观类型的增加或者随着不同类型的景观类型分布的更均衡，多样性指数也会上升，各景观类型所占比例相等时，其景观多样性最强；各景观类型所占比例差异增大，景观的多样性下降，取值范围≥0。Shannon均匀度指数（SHEI）是描述景观由少数几个主要景观类型控制的程度。范围介于0~1之间。整个景观中只有一个斑块时，Shannon均匀度指数为0；整个景观中的分布极不均衡时，指数接近0；整个景观中的类型分布极其均匀时，均匀度指数为1。蔓延度（CONTAG）是景观水平的指数，单位为%，与边缘密度呈负相关。一个类型的斑块占据了景观中较大的面积、边缘密度较低时，景观的蔓延度较高；斑块的分散度较低时，景观也会具有较高的蔓延度。以1999年为例，相较于1984年和1991年未利用土地增多，土地类型丰富度得到了提高，SHEI为0.6736，说明景观中不止一个斑块，且分布不均匀。蔓延度超过50%，说明有至少一个类型的斑块占据景观中的较大面积。面积百分比的变化趋势与总面积的变化趋势类似，农田、城市、绿地、水体的面积百分比变化过程与近15年间相应地类的总面积变化相同。分析斑块数可知，农田斑块数1984~1991年略有增加，1991~1999年稍有降低；绿地斑块数1984~1991年有轻微增加，总体变化不大，但1991~1999年绿地斑块数大幅度减少；城市斑块数在15年内每个阶段都存在均匀减少的情况，下降幅度较为稳定；1984~1991年，水体斑块的数量增加约2倍，1991~1999年，斑块数减少。分析边缘密度可知，农田的边缘密度1984~1999年存在均匀大幅度下降的情况，1999年农田边缘密度近似为1984年的一半；绿地斑块数1984~1999年先减少后增多；城市和水体的边缘密度变化的趋势类似，1984~1991年边缘密度增加，1991~1999年边缘密度降低，城市边缘密度远高于水体的边缘密度。分析平均斑块面积可知，1984~1991年农田平均斑块面积持续减少，1984~1991年段减少幅度较大，1991~1999年段减少幅度较小；绿地的平均斑块面积从1984~1991年先减少，后续由于相关部门在开发规划的过程中逐渐提高对绿化的重视，得以增加；城市的平均斑块面积在近15年间持续增加，1984~1991年增幅较大，1991~1999年增幅较小；水体的平均斑块面积1984~1999年没有明显变化。分析平均斑块形状指标可知，15年间4个用地类型的数值均减小，不同时间段和不同用地类型之间略有差异。分析最近邻体距离可知，1984~1999年农田的最近邻体距离持续升高，增幅平稳；绿地的指标在15年间先增加后减少；城市平均最近邻体距离1984~1991年期间减少，1991~1999年略有回升；水体的平均最近邻体距离明显比其他三种地类高，其变化趋势类似城市，先减少后增加。分析邻近百分比可知，农田的邻近百分比在15年内没有发生明显变化；绿地的邻近百分比1984~1991年无明显变化，1999年略有增加；城市的邻近百分比15年间持续稳定小幅增加；水体地邻近百分比先增加后减少，整体变化较小。聚集度的变化趋势类似邻近百分比的变化趋势，不同的是水体聚集度在15年内持续稳定的小幅增加。分析景观凝结度指数可知，农田景观凝结度指数1984~1999年持续下降，后一阶段的降幅略大于前一阶段；绿地景观凝结度指数1984~1991年有较大幅度增加，1991~1999年凝结度指数略有降低；城市的凝结度指数1984~1991年大幅下跌，1991~1999年大幅升高，1999年景观凝结度指数略高于1984年；水体凝结度指数1984~1991年略有上升，1991年后由于城市建设出现大幅下跌。3区域土地利用变化分析为了解土地利用变化的成因和过程，预测未来发展变化趋势及环境影响，可构建土地利用变化模型深入了解，也是土地利用变化研究的主要方法。本次研究中，研究者采用土地资源数量变化模型分析土地利用动态变化，并了解其变化发展趋势。3.1土地利用特征分析利用Fragstats对1984、1991、1999年北京城区土地利用图中各土地利用类型（5类）的面积进行统计，取CA指数，根据计算结果填写计算结果整理表。调查的六种一级类型的土地，除未利用土地在1991年相较于1984年未发生变化以外，其他每一级类型的面积三年的大小都发生了变化，但这六级土地类型总面积大小一直为76 191.12 hm2，未发生改变，说明土地利用类型是从一级转变为另一级的，并未出现新增土地类型或某种土地类型丧失的现象（除1999年多出了未利用土地外）。分析总面积可知，1984~1999年农田的总面积大幅下降，且每个时段之间下降的幅度没有较大差别，1999年农田的总面积近似1984年的一半；1984~1991年绿地的总面积下降较快，但1991年后由于对生态环境的重视使绿地面积得到较大恢复，1999年的绿地总面积已经超过1984年；1984~1991年城市化进展迅速，城市总面积得到大幅上升，1991年的城市总面积近似1984年城市面积的2倍，但1991~1999年城市面积不增加反而减少，可能是对城市生态的重视程度提高，与绿地总面积的增加存在关系；水体总面积在15年前后未发生明显变化，1991年达到峰值，但1991~1999年水体总面积恢复到与1984年近似的水平。北京北部地区3个年份土地利用分类面积如表3所示。10.3969/j.issn.2096-1936.2021.19.008.T003表3北京北部地区3个年份土地利用分类面积一级类型1984年CA1991年CA1999年CA合计76 191.1276 191.1276 191.12耕地37 804.6827 570.2420 006.37绿地（林地和草地）18 057.1513 170.4224 462.90水域1 947.874 473.002 130.66城市18 381.4230 977.4629 589.39未利用土地001.80hm23.2土地利用变化幅度区域土地利用变化包括土地利用类型的面积变化、空间变化和质量变化。土地利用类型的面积变化体现在不同土地利用类型的总量变化，研究者可以通过了解土地利用变化的总态势和土地利用结构的变化，达到分析土地利用类型的总量变化的目的。通过研究各类型的土地面积变化量，可以衡量研究土地利用变化幅度。本次研究根据数据求出3个年份之间各土地类型面积变化量，如表4所示。10.3969/j.issn.2096-1936.2021.19.008.T004表41984~1999年北京城区土地利用变化分类面积土地利用类型1984年面积百分比1991年面积百分比1999年面积百分比1984~1991面积变化量1991~1999面积变化量合计1.001.001.0000耕地49.6236.1926.26-13.43-9.93绿地（林地和草地）24.1317.2932.11-6.8414.82水域2.565.872.803.31-3.07城市23.7040.6638.8416.96-1.82未利用土地00000%3.3土地利用变化速度区域土地利用变化速度可采用土地利用动态度指标定量描述。土地利用动态度以土地利用类型的面积为基础，反映了各土地利用类型面积的变化速度，对比较土地利用变化的区域差异和预测未来土地利用变化趋势都具有重要的作用，如表5所示。10.3969/j.issn.2096-1936.2021.19.008.T005表51984~1999年北京城区土地利用动态度分析年份参数耕地绿地水域城市未利用地1984~1991年年间面积变化/hm²-10 234.44-521 1.002 525.1412 920.310年变化率/%-3.87-4.0518.5210.22—年综合变化率/%2.8831992~1999年年间面积变化/hm²-7 563.8711 292.48-2 342.341 388.071.8年变化率/%-3.4310.72-6.55-0.56—年综合变化率/%1.8453.4分析与讨论1984~1999年期间，北京的耕地面积不断减少，绿地面积1984~1991年减少，1992~1999年又出现较大提升，水域的面积先增长后下降，最后基本无变化，城市用地的面积1984~1991年大幅度上升。分析结果可知，随着经济的发展，北京城区在15年间正在进行大规模城市化建设，农田面积不断减少，绿地面积被占用了一部分，但后续推进了生态环境的保护工作，城市绿化逐渐受到更多重视，绿地面积又大幅度增加。1984~1991年，耕地和绿地面积下降较快，表明由于城市建设需要，大量耕地和绿地转变为建设用地，导致城市面积不断增加。1992~1999年，绿地的面积快速增加，耕地面积减少的速度较1984~1991年变化较小，城市用地面积虽有所增加，但速度较1984~1991年缓慢，甚至呈负数，说明北京城区在进行城市化建设的同时，意识到了环境建设的重要性，不再因扩建城市而减少其他地类使用，并对水体和绿地面积进行了恢复和建设。由于各种土地利用类型的面积基数不同，上述结果中年变化率高的土地利用类型仅是变化速度较快的类型，并不一定是区域变化最大的主要类型。此外，分析结果忽略了土地利用变化的内在过程，仅能体现土地利用数量上的变化速度，应结合各土地类型变化的速度和幅度进行综合分析。4转移矩阵分析4.1研究结果1984~1991年的转移矩阵如表6所示。10.3969/j.issn.2096-1936.2021.19.008.T006表61984~1991年的转移矩阵类型水体城市用地绿地农田水体29.85123.4129.18337.553城市用地0.78219.96546.67632.576绿地1.70749.40112.37236.520农田0.52816.8415.65076.981%1991~1999年的转移矩阵如表7所示。10.3969/j.issn.2096-1936.2021.19.008.T007表71991~1999年的转移矩阵类型水体城市用地绿地农田水体62.6897.5536.01923.739城市用地2.87675.5838.30613.235绿地6.44827.44131.76934.343农田3.5448.69314.05873.705%两个转移矩阵表中矩阵r（i，j）表示，i类型土地向j类型土地转移的面积百分比。4.2分析与讨论1984~1999年，水体、城市、绿地、农田在转化率体现的都是转移为城市用地和农田居多。其中，水体地类转化为城市和转化为绿地的百分比数值相近；绿地除了保留自身和转化为城市外，转化为农田的比重远大于转化为水体比重；城市用地中绝大多数保留了自身，少部分转化为农田；农田除自身外，部分转化为绿地。1991~1999年，除绿地外，大部分用地类型保留了自身的部分。水体中除了继续延续自身类型外，转化为城市的比例接近1/4；绿地转化为城市用地和转化为农田的比重相差较小，比重接近于保持绿地的部分；城市地类转化为绿地的比重远高于转化为其他用地类型的比重；农田用地也是转化为绿地的比重较高。结合分析结果可知，北京城区1984~1999年城市规模发展较快，大量绿地被改造为农田。1991~1999年，城市发展的速度相对放缓，水体的保留量大幅度增加，绿地的保留量也得到了增加，在一定程度上说明生态环境的建设开始得到相应重视。5结语利用Fragstats分析北京北部地区景观格局，得知该地区在城市化的同时还经历了一个生态破坏但又逐步恢复的过程，Shannon多样性指数和Shannon均匀度指数均呈现先增后减的趋势。城市化进程使人文景观随时间变化不断替换并改变原有农业景观生态格局。绿地和城市用地的斑块数逐渐减少，说明景观由破碎走向统一，景观的抗干扰和抵御自然灾害的能力将提升。综上所述，积极建设城市绿地，发展城市林业是保护城市生态环境的有力措施。通过研究北京市北部地区3个年份土地利用专题图，即1984、1991、1999年，可以分析对比得到景观格局随时间的变化。分析北京各土地利用类型变化，可知1984~1999年城市用地面积大幅提升，符合北京市快速城市化的发展历程。绿地面积在1991年后的保留率有所提高，在一定程度上表明人们对生态环境的重视程度有所增强。城市化建设的初期，相关部门仅注重提高建设速度，忽略了生态建设，此期间城市的生态环境遭到了较为严重的破坏；后期进行建设时重点关注了环境问题，开始大力恢复的绿地建设，城市规划到后期也较为完善，因此城市用地增加速度较初期大幅下降。开展城市建设、发展经济的过程中，应当同样重视生态环境问题。