北京城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應及驅動力

藺雪芹，王岱，劉旭

1. 首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院，北京 100048；2. 中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101

北京城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應及驅動力

藺雪芹1，王岱2*，劉旭1

1. 首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院，北京 100048；2. 中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101

摘要：城市土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境響應是全球環(huán)境變化研究的重要組成部分，是可持續(xù)發(fā)展研究的核心問題。大都市作為人口和產(chǎn)業(yè)密集地區(qū)，城市土地利用變化劇烈，由此帶來的生態(tài)環(huán)境問題更為顯著。在新型城鎮(zhèn)化建設背景下，研究大都市城市空間擴展及其生態(tài)環(huán)境響應，對提高大都市土地利用效能，轉變經(jīng)濟增長方式和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要指導意義。文章基于北京市遙感影像數(shù)據(jù)及相關社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，構建北京市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應評價指標體系和模型，對1995─2010年北京市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應進行了綜合評價并分析其驅動力。研究認為：1995─2010年北京市各區(qū)縣空間擴展的社會經(jīng)濟壓力指數(shù)不斷增大，首都功能核心區(qū)和城市功能拓展區(qū)各區(qū)縣社會經(jīng)濟壓力指數(shù)上升幅度最大，城市發(fā)展新區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)各區(qū)縣上升趨勢較為平緩；除東城區(qū)和西城區(qū)外，各區(qū)縣土地利用狀態(tài)指數(shù)有所下降，降低幅度較大的區(qū)縣有通州、順義、大興、平谷和昌平，較小的區(qū)縣有朝陽、海淀、豐臺、石景山和密云；除通州和大興外，各區(qū)縣空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)均呈上升趨勢，凈變化量較大的區(qū)縣主要位于首都功能核心區(qū)，生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)和城市發(fā)展新區(qū)各區(qū)縣凈變化量較小；除通州、順義、延慶和昌平外，各區(qū)縣城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應綜合指數(shù)均有所提高，其中東城、西城、海淀和朝陽凈變化量較大，順義、平谷和懷柔凈變化量較小，空間格局表現(xiàn)出“中心低、外圍高、東南低、西北高”的特征；人口增長、城市化、經(jīng)濟發(fā)展、建設用地高速擴展、生態(tài)用地減少等對北京城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應具有重要影響。

關鍵詞：空間擴展；生態(tài)環(huán)境響應；時空分異；驅動力；北京

引用格式：藺雪芹，王岱，劉旭. 北京城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應及驅動力[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(7): 1159-1165.

LIN Xueqin, WANG Dai, LIU Xu. Eco-environment Response to Urban Spatial Expansion and Its Driving Forces in Beijing [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(7): 1159-1165.

伴隨我國進入城鎮(zhèn)化加速發(fā)展階段，城市規(guī)?？焖贁U張，由此帶來的一系列生態(tài)環(huán)境問題已成為制約我國城市可持續(xù)發(fā)展的重要因素。關于城市土地利用變化和空間擴張與生態(tài)環(huán)境二者關系國內外已有諸多研究。主要有以下幾個方面：（1）城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應要素研究。包括城市空間擴展對大氣成分及氣候變化的影響（Meyer et al.，2003），對水文變化的影響（Croke et al.，2004；Mark et al.，2003），對土壤性質的影響（Islam et al.，2000；郭旭東等，2001），對自然災害的影響（史培軍，2003）等。（2）城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境影響要素辨析。陳瑩認為土地利用規(guī)模結構變化及水資源減少是造成北京生態(tài)環(huán)境質量變動的重要原因（陳瑩等，2007），王宏偉等（2008）認為農業(yè)活動的開發(fā)造成各用地類型的消長轉化以及人文經(jīng)濟活動是生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因，卞正富和張燕平（2006）探討了煤礦區(qū)土地利用格局的演變對環(huán)境的影響。（3）城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應評價。一些學者通過遙感圖像解譯信息如歸一化植被指數(shù)、地面輻射溫度、MODIS地表溫度等對區(qū)域空間擴展的生態(tài)環(huán)境影響進行了評價（Arthur et al.，2003；楊山等，2003；李洪義等，2006），一些學者將土地利用結構、河網(wǎng)密度、水土侵蝕強度、森林覆蓋率等作為評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量變化的重要組成部分，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量進行評價（黃寶榮等，2008；徐鵬煒等，2006），一些學者基于生態(tài)系統(tǒng)服務價值、生態(tài)足跡等對城市空間擴張的生態(tài)環(huán)境響應進行評價（徐超平等，2010；鄭辛酉等，2006），我國環(huán)境保護總局于2006年提出的基于遙感影像解譯的生態(tài)環(huán)境狀況評價指標體系及方法，也成為諸多學者對大都市區(qū)空間擴張的生態(tài)環(huán)境影響進行評價的有效手段（王瑤等，2007；楊楠等，2008；張華等，2008）。（4）城市空間擴展的生態(tài)安全格局分析。俄羅斯地理學家認為保護景觀多樣性在一定程度上決定了土地覆被和利用的可持續(xù)性。存在的自然生態(tài)系統(tǒng)越多，區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定性越大（陳百明等，2003），在我國岳書平等（2006）、李俊祥等（2004）從景觀生態(tài)學的角度對區(qū)域空間擴展的生態(tài)安全格局進行了研究。（5）城市空間擴展的生態(tài)響應預測、生態(tài)導向的大都市區(qū)空間擴展模擬預測研究。如Bewket et al.（2005）預測了未來土地利用/覆被潛在變化對水溫水資源的影響，Allan et al.（2002）以保護區(qū)域水質為目標，建立了小流域土地利用格局優(yōu)化模型，何春陽等（2003）考慮道路交通、河流、綠地、面狀水體等約束因素基礎上，從城鎮(zhèn)用地數(shù)量最優(yōu)和結構最佳的角度，對北京大都市區(qū)發(fā)展格局進行了預測。已有研究對城市空間擴展與生態(tài)環(huán)境二者關系進行了較為全面的研究，但重空間擴展與生態(tài)環(huán)境的因果關系確認，輕空間擴展對生態(tài)環(huán)境的影響因素剖析；且效果評價多，過程研究少。本文以1995─2010年北京市土地利用變化和社會經(jīng)濟發(fā)展數(shù)據(jù)為基礎，基于P-S-R壓力-狀態(tài)-響應模型，構建北京城市空間擴張的生態(tài)環(huán)境響應評價綜合指標體系和評價模型，對1995─2010年北京市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應進行評價，并從社會經(jīng)濟發(fā)展、土地利用變化各要素入手，分析北京市城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應的驅動力。研究對于優(yōu)化城市空間擴展模式，促進城市和生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展，建立資源節(jié)約和環(huán)境友好型社會具有重要意義。

1　研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1構建北京城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應綜合評價指標體系

在壓力-狀態(tài)-響應（P-S-R）概念模型框架下，遵循科學性、綜合性、簡明普適性、可獲性、可持續(xù)性、動態(tài)性原則，采用頻度統(tǒng)計分析法、理論分析法和專家咨詢法得到北京城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應評價指標體系。指標體系包括社會經(jīng)濟壓力、土地利用狀態(tài)、生態(tài)環(huán)境響應3個方面共17個指標。其中社會經(jīng)濟壓力指標7個，土地利用狀態(tài)指標5個，生態(tài)環(huán)境響應指標5個。由于各指標存在量綱差異，其性質有正有負，缺乏可比性，本文利用半升梯形模糊隸屬度函數(shù)模型來解決各指標因量綱不同而難以匯總的問題，并在SPSS 18.0中利用主成分分析法確定各標準層的權重值以及各具體指標相應對于所屬標準層的權重值（見表1）。其中生物豐度指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、污染負荷指數(shù)、土地退化指數(shù)根據(jù)2006年頒布的中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準《生態(tài)環(huán)境質量評級技術規(guī)范（試行）》（HJ/T192─2006）的規(guī)定計算。

1.2構建北京城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應綜合評價模型

采用加權綜合函數(shù)法構建北京城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應綜合評價模型如下：

表1　北京城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應綜合評價指標體系Table 1 The evaluation index system of eco-environmental response to spatial expansion in Beijing

式中，F(xiàn)j表示第j區(qū)縣土地利用變化的生態(tài)環(huán)境響應綜合評價指數(shù)；M1、M2、M3分別代表社會經(jīng)濟壓力指數(shù)、土地利用變化指數(shù)和生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)；α1、α2、α3分別表示3個評價標準層的權重值；v1m、v2m、v3m分別表示3個評價標準層中第m個具體指標的權重值；Φ1mj、Φ1mj、Φ3mj分別代表3個評價標準層中第j個區(qū)縣第m個具體指標的歷年得分值；pi表示第i個評價標準層中具體指標的個數(shù)，i=1, 2, 3。

1.3構建北京城市空間擴展生態(tài)響應影響因素分析模型

基于上述分析，辨析社會經(jīng)濟發(fā)展壓力、土地利用要素變化對城市空間擴展生態(tài)環(huán)境響應的影響。理論上，社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境變化之間存在曲線關系（Markus，2002；黃金川等，2003）。因此，本文借助SPSS 18.0軟件，采用相關分析中的一次和二次曲線擬合法來探討社會經(jīng)濟壓力要素和土地利用要素變化對生態(tài)環(huán)境響應的影響。建立空間擴展生態(tài)環(huán)境響應影響因素分析模型如下：

式中，Y是因變量，為空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)，X為自變量，分別為人口密度（X1）、城市化水平（X2）、人均GDP（X3）、非農產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占GDP比重（X4）、地均GDP（X5）、萬元GDP能耗（X6）、單位工業(yè)用水工業(yè)產(chǎn)值（X7）、建設用地面積比重（X8）、建設用地擴展強度（X9）、建設用地開發(fā)強度（X10）、人均耕地面積（X11）、人均林地面積（X12），α0、α1、α2為模型參數(shù)，ε為誤差隨機項。

1.4數(shù)據(jù)來源

本文研究所用土地利用變化數(shù)據(jù)來源于1995、2000、2005、2010年4個年份北京市遙感影像（SPOTHE TM遙感影像數(shù)據(jù)），其他社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于1995、2000、2005、2010年北京市及各區(qū)縣統(tǒng)計年鑒、北京區(qū)域統(tǒng)計年鑒、中國區(qū)域經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒。

2　結果與分析

2.1空間擴展的社會經(jīng)濟壓力指數(shù)時空變化特征

從時間變化看，1995─2010年北京市各區(qū)縣空間擴展的社會經(jīng)濟壓力指數(shù)不斷增大（圖1）。其中，首都功能核心區(qū)包括東城區(qū)、西城區(qū)，城市功能拓展區(qū)包括海淀區(qū)、朝陽區(qū)、石景山區(qū)和豐臺區(qū)社會經(jīng)濟壓力指數(shù)上升幅度最大，上升趨勢最為明顯；城市發(fā)展新區(qū)包括通州區(qū)、順義區(qū)、房山區(qū)、大興區(qū)、昌平區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)包括懷柔區(qū)、平谷區(qū)、門頭溝區(qū)、密云縣、延慶縣等社會經(jīng)濟壓力指數(shù)上升趨勢較為平緩；社會經(jīng)濟壓力指數(shù)多年平均值較高的區(qū)縣為首都核心功能區(qū)的東城、西城和城市功能拓展區(qū)的豐臺、朝陽、海淀；多年平均值較低的區(qū)縣為城市功能拓展區(qū)的石景山和生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)的房山、平谷、延慶。從空間分布來看，1995─2010年北京市空間擴展的社會經(jīng)濟壓力指數(shù)整體表現(xiàn)為“中心高、外圍低，東南高、西北低”的空間分布格局。北京空間擴展的社會經(jīng)濟壓力指數(shù)的時空變化特征與各區(qū)縣所承擔的主要城市功能相關。首都功能核心區(qū)是首都政治、文化、國際交往、教育科研和金融管理中心，人口密集，現(xiàn)代服務業(yè)集聚，高新技術產(chǎn)業(yè)比重高，經(jīng)濟活動密度大，單位產(chǎn)出效能高，使得這兩個區(qū)域總體社會經(jīng)濟活動壓力較大，且增長較快；城市發(fā)展新區(qū)服務業(yè)具有一定規(guī)模，是北京市現(xiàn)代制造業(yè)和現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的主要載體，社會經(jīng)濟活動壓力較首都功能核心區(qū)和城市功能拓展區(qū)小；生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)是首都生態(tài)屏障和水源保護地，工業(yè)基礎薄弱，產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間相對較小，社會經(jīng)濟壓力最小，且增幅較慢。

圖1　1995─2010年北京城市空間擴展的社會經(jīng)濟壓力指數(shù)和土地利用狀態(tài)指數(shù)空間分異Fig. 1 Social-economic pressure index and land use status index of spatial expansion in Beijing (1995─2010)

2.2空間擴展的土地利用狀態(tài)指數(shù)時空變化特征

從時間變化來看，1995─2010年北京市各區(qū)縣除東城區(qū)和西城區(qū)土地利用狀態(tài)指數(shù)有所升高外，其余各區(qū)縣土地利用狀態(tài)指數(shù)均呈下降態(tài)勢，其中凈減少量較大的區(qū)縣為通州、順義、大興、平谷和昌平，凈減少量較小的區(qū)縣為朝陽、海淀、豐臺、石景山和密云（圖1）。土地利用狀態(tài)指數(shù)多年平均值較高的區(qū)縣為延慶、大興、順義和通州；多年平均值較低的區(qū)縣為東城和西城。從空間分布來看，北京市土地利用狀態(tài)指數(shù)整體表現(xiàn)為“中心低，外圍高”的空間格局。土地利用狀態(tài)指數(shù)的時空變化特征與各區(qū)縣土地資源特質和開發(fā)利用水平密切相關。首都功能核心區(qū)和城市功能拓展區(qū)地形平坦，主要以建設用地面積為主，林地和草地面積總量和人均水平較低，使得這兩個區(qū)域土地利用狀態(tài)指數(shù)較低。與首都功能核心區(qū)和城市功能拓展區(qū)相比，城市發(fā)展新區(qū)建設用地比重、建設用地擴展強度、開發(fā)強度相對較低，同時人均耕地面積和林地面積相對較高，因此這一區(qū)域總體土地利用狀態(tài)指數(shù)高于首都功能核心區(qū)和城市功能拓展區(qū)，但是作為北京市疏散中心城區(qū)人口和產(chǎn)業(yè)的重要區(qū)域，土地利用狀態(tài)多年不斷下降。生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)林地和草地面積比重大，建設用地比重小，同時產(chǎn)業(yè)活動和人口壓力小，使得這一區(qū)域土地利用狀態(tài)指數(shù)較高，同時隨著這一區(qū)域環(huán)保型工業(yè)和總部經(jīng)濟等的發(fā)展，部分區(qū)縣如平谷、懷柔等土地利用狀態(tài)指數(shù)出現(xiàn)下降趨勢。

2.3空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)時空變化特征

從時間變化來看，1995─2010年北京市各區(qū)縣空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)除通州和大興兩個區(qū)有所下降外，其他各區(qū)縣均呈上升趨勢（圖2）。其中首都核心功能區(qū)各區(qū)縣凈變化量較大，生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)和城市發(fā)展新區(qū)各區(qū)縣凈變化量較小，城市發(fā)展新區(qū)的通州和大興甚至出現(xiàn)了負增長?？臻g擴展的生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)多年平均值較高的區(qū)縣為生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)的門頭溝、房山、昌平、延慶、懷柔和密云；多年平均值較低的區(qū)縣為首都核心功能區(qū)的東城、西城和城市功能拓展區(qū)的石景山、朝陽、豐臺、海淀。從空間分布來看，北京市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)整體呈現(xiàn)出“中心低、外圍高，東南低、西北高”的空間格局特征。由于制造業(yè)外遷、城市功能提升以及產(chǎn)業(yè)結構轉型升級，首都功能核心區(qū)和城市功能拓展區(qū)制造業(yè)比重降低，以金融、咨詢、法律等為主的現(xiàn)代服務業(yè)快速發(fā)展，導致經(jīng)濟活動的生態(tài)環(huán)境負向影響減弱，同時產(chǎn)業(yè)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境需求提高，造成這一地區(qū)城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)較低，但是多年增長率高。而城市發(fā)展新區(qū)，由于承擔疏散中心城區(qū)人口和產(chǎn)業(yè)的職能，制造業(yè)及相關服務業(yè)不斷集聚，造成生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)雖高于首都功能核心區(qū)和城市功能拓展區(qū)，但是多年波動變化，沒有顯著提升。而外圍的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)由于土地利用結構中生態(tài)用地面積大、比重高，且發(fā)展職能為強化生態(tài)修復與水源保護，因此城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)最高，且大部分區(qū)縣多年有不斷增長的態(tài)勢。

圖2　1995─2010年北京市土地利用變化的生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)空間分異Fig. 2 Eco-environment response index and its comprehensive index of spatial expansion in Beijing (1995─2010)

2.4空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應綜合指數(shù)時空變化特征

從時間變化來看，1995─2010年除通州、順義、延慶和昌平的空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應綜合評價指數(shù)略有下降，其余各區(qū)縣該指數(shù)均有所提高，其中東城、西城、海淀和朝陽凈變化量較大，平谷和懷柔凈變化量較小。多年平均值較高的區(qū)縣為密云延慶和昌平；多年平均值較低的區(qū)縣為東城、西城、豐臺和石景山。從空間分布來看，北京市土地利用變化的生態(tài)環(huán)境響應綜合評價指數(shù)整體表現(xiàn)為“中心低、外圍高，東南低、西北高”的空間格局（圖2）?？梢钥闯觯紤]社會經(jīng)濟壓力和土地利用變化狀態(tài)，首都功能核心區(qū)空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應綜合指數(shù)值最小但增長迅猛，尤其是2005─2010年，東城區(qū)和西城區(qū)生態(tài)環(huán)境響應綜合指數(shù)年均增速分別達到16.47%和14.48%，遠大于其他區(qū)縣2.39%的平均增速；城市功能拓展區(qū)中海淀區(qū)和朝陽區(qū)空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應綜合指數(shù)數(shù)值和增速遠大于豐臺區(qū)和石景山區(qū)，后者2000─2005年快速增大，其余年份穩(wěn)步上升；城市發(fā)展新區(qū)生態(tài)環(huán)境響應綜合指數(shù)較大，但由于近些年社會經(jīng)濟載荷日益增大，導致生態(tài)環(huán)境響應綜合指數(shù)波動緩慢上升，甚至有一些區(qū)縣生態(tài)環(huán)境響應綜合指數(shù)出現(xiàn)波動下降，如大興區(qū)、通州區(qū)和昌平區(qū)；生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)環(huán)境響應綜合指數(shù)最大，但受到產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及經(jīng)濟實力等方面的影響，生態(tài)涵養(yǎng)保障能力相對較低，多年波動緩慢上升。

3　北京市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應驅動力

采用2010年16個區(qū)縣空間擴展生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)和2010年16個區(qū)縣社會經(jīng)濟壓力相關指標、土地利用變化相關指標，包括人口密度（X1）、城市化水平（X2）、人均GDP（X3）、非農產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占GDP比重（X4）、地均GDP（X5）、萬元GDP能耗（X6）、單位工業(yè)用水工業(yè)產(chǎn)值（X7）、建設用地面積比重（X8）、建設用地擴展強度（X9）、建設用地開發(fā)強度（X10）、人均耕地面積（X11）、人均林地面積（X12）等12個指標。根據(jù)公式（2）、公式（3），利用SPSS軟件，分別對城市空間擴展生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)Y與X1、…X11之間進行一次方程、二次方程擬合回歸，來分析城市空間擴展生態(tài)環(huán)境響應的社會經(jīng)濟和土地利用變化驅動因素（表2）。

表2　2010年北京市城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應驅動力Table 2 The driving forces of eco-environment response to spatial expansion in Beijing in 2010

3.1人口增長、城市化推進是北京空間擴展生態(tài)環(huán)境負向演化的重要因素

人口密度變化和生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)之間表現(xiàn)出顯著的二次曲線關系，即隨著人口密度的增大，空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)呈先下降后上升的變化趨勢。但是，目前大部分區(qū)縣都位于二次曲線的左側，即人口密度增大，城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)減小。從各功能區(qū)變化來看，首都功能核心區(qū)、城市功能拓展區(qū)、城市發(fā)展新區(qū)、生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)依次隨著人口密度的減少，生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)增大。這是因為人口增長帶來城市建設用地需求上升，進而改變土地規(guī)模和結構，增強了對土地利用的干預程度，進而使土地利用程度和生態(tài)環(huán)境質量發(fā)生了相應的變化。城市化水平與生態(tài)環(huán)境響應之間也呈現(xiàn)出較為顯著的二次曲線關系，且大部分曲線位于曲線的左側，即隨著城市化水平的提高，生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)下降。從各功能區(qū)變化來看，由首都功能核心區(qū)、城市功能拓展區(qū)、城市發(fā)展新區(qū)到生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，隨著城市化水平的降低，生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)不斷提高。北京在快速城市化發(fā)展的過程中，人口不斷增加、經(jīng)濟擴展、地域擴張，在這個過程中城市有機體內的各種細胞不斷分裂生殖和更新發(fā)展，并通過資源利用和能源消耗不斷向區(qū)域排放廢物，進而影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量的變化。

3.2經(jīng)濟發(fā)展尚未對城市空間擴展生態(tài)環(huán)境效應帶來顯著正向推動作用

人均GDP與生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)之間表現(xiàn)為較為顯著的二次函數(shù)關系。隨著人均GDP的不斷提高，生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)先下降后升高。這也符合經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境變化之間的“環(huán)境庫茲涅茲倒U型曲線”關系。但大部分曲線目前位于曲線的左側，即隨著人均GDP的提高，生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)下降，生態(tài)環(huán)境惡化。只有海淀區(qū)、朝陽區(qū)、東城區(qū)、西城區(qū)、順義區(qū)位于曲線的右側，即人均GDP提高，生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)增大，生態(tài)環(huán)境好轉。從國際經(jīng)驗來看，當人均GDP達到8000美元時，生態(tài)環(huán)境質量達到峰值之后開始下降。2010年北京市各區(qū)縣人均GDP已經(jīng)超過8000美元，但并沒有帶來生態(tài)環(huán)境的顯著好轉。選擇非農產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占GDP比重，地均GDP、萬元GDP能耗、單位工業(yè)用水工業(yè)產(chǎn)值與生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)進行相關性分析，非農產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值與其呈較為顯著的負向線性相關關系，即非農產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占GDP比重越大，城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)越小，生態(tài)環(huán)境狀況變差；單位工業(yè)用水工業(yè)產(chǎn)值用水與生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)呈較為顯著的二次曲線關系，即單位工業(yè)用水工業(yè)產(chǎn)值增大，生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)變大，生態(tài)環(huán)境質量好轉；其余兩個指標和生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)相關性不明顯。這說明，雖然北京市及各區(qū)縣經(jīng)濟發(fā)展已進入較高階段，但是隨著產(chǎn)業(yè)結構轉型、結構調整和技術進步等，并沒有帶來生態(tài)環(huán)境的顯著好轉，相反由于經(jīng)濟發(fā)展對于水資源的過度消耗，擠占生態(tài)用水，導致生態(tài)用地減少，生態(tài)環(huán)境質量惡化。

3.3建設用地的高速擴展對生態(tài)環(huán)境的負向變化影響顯著

建設用地面積比重和生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)之間表現(xiàn)出顯著的相關關系，即隨著建設用地面積的增大，生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)增大，生態(tài)環(huán)境惡化。說明人口增長、城市化快速推進、經(jīng)濟高速發(fā)展帶來的建設用地面積規(guī)模增大，是影響土地利用變化生態(tài)環(huán)境響應的重要因素。同時選取建設用地擴張強度、建設用地開發(fā)強度與生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)進行相關分析，發(fā)現(xiàn)二者之間并沒有顯著的相關關系。北京市單位建設用地GDP產(chǎn)值由1995年的6843.97萬元/km2增加至2010年的40461.56萬元/km2，單位建設用地工業(yè)產(chǎn)值由1995年的2395.86萬元/km2，增加至2010年的7923.97萬元/km2，城市建設土地集約利用程度高于全國平均水平，且不斷提高，但并沒有明顯帶動土地利用生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)的的增大或減小幅度的降低。

3.4耕地減少對生態(tài)環(huán)境的負向影響大，林地增加正向影響大

人均耕地面積、人均林地面積和生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)之間呈線性正相關關系，即隨著人均耕地面積增加，人均林地面積增大，生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)增大。二者變化對于生態(tài)環(huán)境均具有較為顯著的影響。1995─2010年北京市耕地面積不斷減少，林地面積不斷增多，說明林地面積增多對北京市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應正向影響大，而耕地面積減少對北京市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應負向影響大（圖3）。

圖3　北京城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應機制Fig. 3 The mechanism of eco-environment response to spatial expansion in Beijing

4　結論與討論

4.1結論

本文以北京市各區(qū)縣土地利用變化、社會經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)環(huán)境變化等相關數(shù)據(jù)為基礎，構建北京城市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應評價指標體系和模型，對1995─2010年北京市空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應時空變化特征及其驅動力進行分析，得到如下結論：

（1）北京市各區(qū)縣空間擴展的社會經(jīng)濟壓力指數(shù)不斷增大，其中首都功能核心區(qū)和城市功能拓展區(qū)社會經(jīng)濟壓力指數(shù)多年均值較高且上升幅度最大，社會經(jīng)濟壓力指數(shù)整體表現(xiàn)為“中心高、外圍低，東南高、西北低”的空間分布格局；除東城區(qū)和西城區(qū)外，北京市各區(qū)縣土地利用狀態(tài)指數(shù)均呈下降態(tài)勢，其中多年平均值較低的區(qū)縣為東城和西城，凈減少量較大的區(qū)縣主要位于城市發(fā)展新區(qū)，凈減少量較小的區(qū)縣主要位于城市功能拓展區(qū)和外圍生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，土地利用狀態(tài)指數(shù)表現(xiàn)為“中心低，外圍高”的空間格局；北京市各區(qū)縣空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)均總體呈上升趨勢，首都核心功能區(qū)各區(qū)縣凈增長量較大，生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)和城市發(fā)展新區(qū)各區(qū)縣凈增長量較小，生態(tài)環(huán)境響應指數(shù)整體呈現(xiàn)出“中心低、外圍高，東南低、西北高”的空間格局特征；除通州、順義、延慶和昌平外，北京各區(qū)縣空間擴展的生態(tài)環(huán)境響應綜合指數(shù)均有所提高，其中位于首都功能核心區(qū)和城市功能拓展區(qū)的東城、西城、海淀和朝陽凈變化量較大，生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的平谷和懷柔凈變化量較小，生態(tài)環(huán)境響應綜合評價指數(shù)整體表現(xiàn)為“中心低、外圍高，東南低、西北高”的空間格局。

（2）人口增長、城市化、建設用地高速擴展對北京市生態(tài)環(huán)境的負向影響顯著；經(jīng)濟發(fā)展水平對城市空間擴展生態(tài)環(huán)境響應正向演化的推動作用不顯著，相反經(jīng)濟發(fā)展對水資源的過度消耗，導致生態(tài)用地減少，生態(tài)環(huán)境惡化；生態(tài)用地總量減少是引起生態(tài)環(huán)境負向演化的主要因素，其中耕地減少對生態(tài)環(huán)境的負向影響最大，林地增加正向影響大。

4.2討論

未來北京城市空間擴展必須由規(guī)模擴張為主的粗放式擴張向以控制開發(fā)強度為主的精細化擴張轉變，加強現(xiàn)有城市空間的結構優(yōu)化、內潛挖掘，促進地下空間開發(fā)、縱向擴展，實現(xiàn)以新城建設為核心的組團式擴展和以生態(tài)空間建設為中心的可持續(xù)擴展模式；同時，在世界城市和新型城鎮(zhèn)化建設大背景下，北京經(jīng)濟在發(fā)展動力轉換、產(chǎn)業(yè)結構深度調整和升級過程中，要更注重高端引領、創(chuàng)新驅動、綠色發(fā)展，實現(xiàn)經(jīng)濟效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、技術含量高的發(fā)展；在人口方面，需要繼續(xù)加強人口調控管理，控制人口增長，加快人口疏解，統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展，優(yōu)化城鎮(zhèn)空間布局，以促進社會經(jīng)濟與資源、環(huán)境的均衡協(xié)調發(fā)展。

參考文獻：

ALLAN I, PETERSON J. 2002. Spatial modeling in decision support for land-use planning: a demonstration from the Lallal catchment, Victoria, Ausrialia [J]. Australian Geographical Studies, 40(1): 84-92.

ARTHUR H S T, CARLSONB T N, CLARKER K C. 2003. Satellite and ground-based microclimate and hydrologic analyses coupled with a regional urban growth model [J]. Remote Sensing of Enbironment, 86(3): 385-400.

BEWKET W, GEERT S. 2005. Dynamics in land cover and its effect on stream flow in the Chemoga watershed, Blue Nile basin, Ethiopia [J]. Hydrological Process, 19(2): 445-458.

CROKE B F W, MERRITT W S, JAKEMAN A J. 2004. A dynamic model for predicting hydrologic response to land cover changes in gauged and ungauged catchments [J]. Journal of Hydrology, 291(1): 115-131.

ISLAM K R, WEIL R R. 2000. Land use effects on soil quality in a tropical forest ecosystem of Bangladesh [J]. Agriculture. Ecosystems and Environment, 79(1): 9-16.

MARKUS. 2002. Technical progress, structural change, and the environment Kuznets curve [J]. Ecological Economics, 42(3): 381-389.

MARK S J, WILLIAM F C, VISHAL K M, et al. 2003. Application of two hydrologic models with different runoff mechanisms to a hillslope dominated watershed in the northeastern US: a comparison of HSPF and SMR [J]. Journal of Hydrology, 284(1): 57-76.

MEYER W B, TURNER B L. 2003. Human population growth and global land-use/cover change [J]. Annual Review of Ecology and Systematic, 23(1): 39-61.

卞正富, 張燕平. 2006. 徐州煤礦區(qū)土地利用格局演變分析[J]. 地理學報, 61(4): 349-358.

陳百明, 劉新衛(wèi), 楊紅. 2003. LUCC研究的最新進展評述[J]. 地理科學進展, 22(1): 22-29.

陳瑩, 宮輝力, 李小娟. 2007. 北京市生態(tài)環(huán)境質量動態(tài)變化及其影響因素分析[J]. 首都師范大學學報(自然科學版), 28(6): 83-87.

郭旭東, 傅伯杰, 陳利頂, 等. 2001. 低山丘陵區(qū)土地利用方式對土壤質量的影響[J]. 地理學報, 56(4): 447-455.

何春陽, 陳晉, 史培軍, 等. 2003. 大都市區(qū)城市擴展模型-以北京市擴展模擬為例[J]. 地理學報, 58(2): 294-304.

黃寶榮, 歐陽志云, 張慧智, 等. 2008. 中國省級行政區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性評價[J]. 生態(tài)學報, 28(1): 327-337.

黃金川, 方創(chuàng)琳. 2003. 城市化與生態(tài)環(huán)境交互耦合機制與規(guī)律性分析[J]. 地理研究, 22(2): 211-220.

李洪義, 史舟, 沙晉明, 等. 2006. 基于人口神經(jīng)網(wǎng)絡的生態(tài)環(huán)境質量遙感評價[J]. 應用生態(tài)學報, 17(8): 1475-1480.

李俊祥, 王玉潔, 沈曉紅, 等. 2004. 上海市城鄉(xiāng)梯度景觀格局分析[J].生態(tài)學報, 24(9): 1973-1981.

史培軍, 袁藝. 2003. 土地利用變化對城市洪澇災害的影響[J]. 自然災害學報, 12(3): 6-13.

王宏偉, 張小雷, 喬木, 等. 2008. 基于GIS的伊犁河流域生態(tài)環(huán)境質量評價與動態(tài)分析[J]. 干旱區(qū)地理, 31(2): 215-221.

王瑤, 宮輝力, 李小娟. 2007. 基于GIS的北京市生態(tài)環(huán)境質量檢測與分析[J]. 國土資源遙感, 75(1): 91-96.

徐超平, 夏斌. 2010. 資源型城市土地利用變化及其對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 19(12): 2887-2891.

徐鵬煒, 趙多. 2006. 基于RS和GIS的杭州城市生態(tài)環(huán)境質量綜合評價技術[J]. 應用生態(tài)學報, 17(6): 1034-1038.

楊楠, 王小文, 卓悅. 2008. 陜南地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況綜合評價及對策[J].水土保持通報, 28(2): 190-194.

楊山, 湯軍友. 2003. 無錫市空間擴展的生態(tài)環(huán)境質量綜合評價研究[J].中國人口·資源與環(huán)境, 13(1): 65-69.

岳書平, 張樹文, 閆業(yè)超, 等. 2006. 公主嶺土地利用變化的生態(tài)效應研究[J]. 資源科學, 28(6): 161-166.

張華, 曹月, 武晶, 等. 2008. 科爾沁沙地生態(tài)環(huán)境質量綜合評價[J]. 中國人口·資源與環(huán)境, 18(2): 125-128.

鄭辛酉, 賈鐵飛, 倪少春. 2006. 基于土地利用變化的區(qū)域城市化生態(tài)效應分析-以上海城市邊緣區(qū)軸向城市化樣帶為例[J]. 資源科學, 28(6): 146-153.

Eco-environment Response to Urban Spatial Expansion and Its Driving Forces in Beijing

LIN Xueqin1, WANG Dai2*, LIU Xu1
1. College of Resources Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China; 2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China

Abstract:That of spatial expansion, land use change and their ecological effects is the core issue should be investigated in urban sustainable development, and moreover this is also a critical topic in global environment change. As densely populated and industrial areas, metropolis experiences dramatic land use changes and therefore significant ecological environment problems as well. Toward to China’s new urbanization, the investigation on spatial expansion and its eco-effects could significantly contribute to improve the land-use efficiency, transform the ways to achieve economic growth and finally meet sustainable development. This paper builds a comprehensive index system to evaluate eco-environment response to urban expansion, and then uses it to analyze the spatial differentiation of eco-environment response and driving forces in 16 districts in Beijing from 1995 to 2010, based on the remote sensing data and related economic-social data of Beijing. We reach five main conclusions: Firstly, the social economy pressure index to urban expansion of all 16 districts in Beijing rise during this period. The index of core urban area and urban function expansion area have largest growth, while that of new urban area and ecological conservation area have more gentle upward trend. Secondly, the land-use state index of districts except Dongcheng and Xicheng declined. The index of Tongzhou, Shunyi, Daxing, Pinggu and Changping have fast reduction, while Chaoyang, Haidian, Fengtai, Shijingshan and Miyun have slower reduction. Then the ecological environment index of districts except Tongzhou and Daxing showed an upward trend, with core urban area having largest growth and the ecological conservation areas and new urban area experiencing smaller growth. Fourthly, the ecological environment comprehensive index of districts except Tongzhou, Shunyi, Yanqing and Changping increased. The index of Dongcheng, Xicheng, Haidian and Chaoyang have the larger increase, while that of Shunyi, Pinggu and Huairou have the smaller increase. Beijing show spatial patterns of “l(fā)ower in center, higher in periphery” and “l(fā)ower in southeast, higher in northwest”. Finally, factors such as population growth, urbanization, economic development, expansion of urban construction land and reduction of ecological land, have huge influence on eco-environmental response to urban expansion in Beijing.

Key words:urban expansion; eco-environment response; spatiotemporal differences; driving forces; Beijing

收稿日期：2015-03-18

*通訊作者：王岱。E-mail: wangdai@igsnrr.ac.cn

作者簡介：藺雪芹（1980年生），副教授，博士，主要研究方向為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。E-mail: lin-xueqin@139.com

基金項目：北京市自然科學基金項目（8122015）

中圖分類號：X21

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2015）07-1159-07

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.07.013