北京市城市擴張及其生態(tài)效應研究

侯蘭功，喬 標

（1.滁州學院 地理信息與旅游學院，安徽 滁州239000；2.中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，北京100048）

土地利用與土地覆被變化反映了人類與自然界相互影響與交互作用最直接和密切的關系［1］，其結(jié)果可能導致土地資源和水資源的供需關系發(fā)生變化，從而對區(qū)域生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟社會發(fā)展等多方面產(chǎn)生顯著影響。當前，許多國內(nèi)外學者分別從全球、洲際、區(qū)域（流域）以及地塊等尺度，探討了土地利用變化對區(qū)域氣候、水文水資源、生物多樣性和生物地球化學循環(huán)等環(huán)境要素的影響［2－4］，但對于受人類活動影響最為強烈、土地利用變化最為劇烈的城市化地區(qū)，專門分析其生態(tài)環(huán)境效應的文獻尚不多見［5－7］。目前已經(jīng)有大量的學者開始關注北京市人口快速集聚、城鎮(zhèn)用地迅速擴張的現(xiàn)象，然而研究主要集中于流動人口［8－9］、耕地流失［10－11］、居住用地區(qū)位變化［12］，或部分地區(qū)城鎮(zhèn)用地的空間擴張［13］，很少有學者研究北京市城鎮(zhèn)用地的空間擴張?zhí)卣骷捌渖鷳B(tài)環(huán)境效應。本文借助于GIS空間分析和生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價手段，定量探討20世紀90年代以來北京市城鎮(zhèn)用地擴張的時空分異格局與生態(tài)效應。

1 研究區(qū)概況

北京是中國的首都，也是全國的政治中心、文化中心和重要的經(jīng)濟中心。在行政區(qū)劃上，共轄18個區(qū)縣。全市土地總面積16 807.8km2，其中山地面積占62%，平原面積占38%。北京市常住人口1 961萬人，全市人口密度1 341人／km2。屬于典型的暖溫帶大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。

2 研究方法

2.1 遙感圖像的處理與解譯

本文采用1990年、2000年和2007年3個時期的遙感影像數(shù)據(jù)（來源于中國科學院地理科學與資源研究所數(shù)據(jù)中心和北京師范大學）。在Erdas Imagine 8.3和ArcGIS 9.0軟件的支持下，對三期遙感影像數(shù)據(jù)進行幾何校正和波段優(yōu)化組合，并通過圖像融合、增強與裁減處理，形成遙感解譯的基礎影像圖；以1∶100 000地形圖為依據(jù)，參照中科院“八五”重大應用項目“國家資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查與動態(tài)研究”的土地資源分類系統(tǒng)［14］，將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)用地和未利用地6種類型；建立遙感解譯標志進行影像解譯。

2.2 GIS空間分析

根據(jù)遙感解譯獲得三個時期的土地利用矢量數(shù)據(jù)，運用GIS空間分析技術(shù)，將其轉(zhuǎn)換成30m×30m的Grid數(shù)據(jù)，按土地利用分類信息對土地利用柵格數(shù)據(jù)進行分層提取，得到不同時期城鎮(zhèn)用地的柵格數(shù)據(jù)；然后根據(jù)地圖代數(shù)原理，進行空間疊加分析和緩沖區(qū)分析，數(shù)學模型為

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價方法

根據(jù)國內(nèi)外學者相關研究的經(jīng)驗積累，在中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值的基礎上［15－16］，將氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性保護、食物生產(chǎn)、原材料和娛樂文化9個方面的價值相加，即可得到與各種土地利用類型相對應的生態(tài)價值系數(shù)（表1）。生態(tài)系統(tǒng)服務價值的計算公式為：

式中：V——研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總價值；Pi——單位面積上第i種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù)；Ai——研究區(qū)內(nèi)第i種土地利用類型的總面積。

表1 各種土地利用類型的生態(tài)價值系數(shù)萬元／（km2·a）

3 北京市城鎮(zhèn)用地擴張的時空分異格局

3.1 城鎮(zhèn)用地的動態(tài)變化特征

20世紀90年代以來，北京市城鎮(zhèn)用地面積的增長趨勢十分顯著。在近17a內(nèi)城鎮(zhèn)用地面積由1990年的1 471.74km2增長到2007年的3 237.44 km2，年增長率為5.79%；2000—2007年城鎮(zhèn)用地比重與年增長率相對于2000年之前顯著增加，反映出2000年以后北京市的城鎮(zhèn)化建設速度明顯提升（表2）。

表2 1990－2007年北京市城鎮(zhèn)用地面積變化情況

3.2 城鎮(zhèn)用地變化的空間分異格局

3.2.1 圈層推進特征 以北京市的三環(huán)路、四環(huán)路、五環(huán)路和六環(huán)路為界限，可以將北京市劃分為5個區(qū)域。自1990年以來，這5個區(qū)域城鎮(zhèn)用地的擴張速度和城鎮(zhèn)用地率的變化呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域分異特征（表3）。城市用地的擴張呈現(xiàn)出顯著的圈層推進的特點，土地利用強度呈現(xiàn)出由中心城區(qū)逐漸向近郊及遠郊區(qū)發(fā)生強弱轉(zhuǎn)換的變化趨勢。

3.2.2 沿線擴張?zhí)卣?以北京市的8條主要高速公路為中心，進行3km緩沖區(qū)分析發(fā)現(xiàn)：1990—2000年間，主要交通線兩側(cè)并不是北京市城鎮(zhèn)用地變化最為劇烈的區(qū)域，然而到了2000年以后，北京市城鎮(zhèn)用地沿交通線向外擴張的趨勢開始顯現(xiàn)。在1990—2007年的17a內(nèi)，京石高速、京開高速和機場高速兩側(cè)的城鎮(zhèn)用地率分別提高了40.59，36.18，32.19個百分點，是北京市城鎮(zhèn)用地沿交通線擴張的主要方向（表4）。鑒于京承高速、京塘高速和京開高速的城鎮(zhèn)用地率相對較低，并且保持著較快的增長率，這三條高速有可能成為未來北京市城鎮(zhèn)用地沿交通線擴張的主要方向。

表3 1990－2007年各圈層城鎮(zhèn)用地變化情況

表4 1990－2007年主要交通線兩側(cè)3km范圍內(nèi)城鎮(zhèn)用地變化情況

3.2.3 據(jù)點擴張?zhí)卣?將1990年和2000年北京市土地利用圖進行對比分析發(fā)現(xiàn)，除了各區(qū)縣城區(qū)周邊外，亞運村、東風鄉(xiāng)和十八里店鄉(xiāng)等周邊區(qū)域的城鎮(zhèn)用地變化最為劇烈。

由表5可以看出，以上述地點為中心，進行3km緩沖區(qū)分析發(fā)現(xiàn)：這三個區(qū)域是北京市城鎮(zhèn)用地增長最為顯著的區(qū)域，年增長率均超過了10%，遠遠高于全市平均水平；1990年這三個區(qū)域的城鎮(zhèn)用地率分別為29.43%，34.40%，23.49%，到2000年時已經(jīng)分別上升至93.27%，89.48%，96.18%。10a間，城鎮(zhèn)用地率分別提高了63.83，55.09，72.68個百分點。由于城鎮(zhèn)用地率已經(jīng)占了很高的比重，因此，在2000—2007年間，這些區(qū)域城鎮(zhèn)用地的擴張速度相對緩慢。

表5 1990－2000年北京市其他幾個土地利用變化較為強烈的中心

4 城鎮(zhèn)用地擴張的生態(tài)效應分析

由于城市用地擴張主要來自于對耕地和林地、草地、水域等土地類型的占用，因此可以從生態(tài)系統(tǒng)服務價值的角度，來探討城鎮(zhèn)用地擴張所產(chǎn)生的生態(tài)效應。在1990—2000年間，由于城鎮(zhèn)用地的擴張，直接導致耕地和林地分別減少了742.08km2和17.55km2，生態(tài)系統(tǒng)服務價值總共損失了51 164.17萬元；在2000—2007年間，由于城鎮(zhèn)用地的擴張，直接導致耕地和林地分別減少了977.17km2和202.7 km2，生態(tài)系統(tǒng)服務價值總共損失了167 032.32萬元。在近17a內(nèi)，由于城鎮(zhèn)用地的擴張，直接導致耕地面積和林地分別減少了1 719.25km2和220.25 km2，生態(tài)系統(tǒng)服務價值最終減少了218 196.49萬元（表6）。

5 結(jié)論

（1）自20世紀90年代以來北京市城鎮(zhèn)用地向郊區(qū)擴張的趨勢非常明顯，擴張主要發(fā)生在中心城區(qū)的外圍地區(qū)，在總體上呈現(xiàn)出自中心城向近郊區(qū)逐層推進的攤大餅式的擴張?zhí)卣鳎越紖^(qū)和遠郊區(qū)主要沿線為據(jù)點的外延式擴張?zhí)卣?，土地利用強度正呈現(xiàn)出由中心城區(qū)逐漸向近郊及遠郊區(qū)發(fā)生強弱轉(zhuǎn)換的變化趨勢。

（2）由于城鎮(zhèn)用地的擴張，直接導致耕地面積和林地面積在近17a內(nèi)分別減少了1 719.25km2和220.25km2，生態(tài)系統(tǒng)服務價值最終減少了218 196.49萬元。在各區(qū)縣中，房山區(qū)的城鎮(zhèn)用地擴張最為顯著，損失的生態(tài)系統(tǒng)服務價值也最多達到了33 992萬元／a；其次為朝陽區(qū)和大興區(qū)，損失的生態(tài)系統(tǒng)服務價值也分別達到了18 959萬元／a和18 787萬元／a（圖1）?？梢?，大面積的耕地和林地、草地及水域被城鎮(zhèn)用地所代替，一方面大大減少了全市的綠地覆蓋面積，影響著生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮；另一方面也使得城鎮(zhèn)周邊，尤其是城鎮(zhèn)擴張最為劇烈的近郊區(qū)的綠色屏障逐漸減弱甚至消失，生態(tài)效應急劇下降。

表6 北京市城鎮(zhèn)用地擴張對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響

圖1 1990－2007年間各區(qū)縣城鎮(zhèn)用地擴張面積及其相應的生態(tài)系統(tǒng)服務價值損失

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