北京市中心城土地利用變化及其對(duì)生境的影響(1992—2016)

李方正

韓依紋

李鳳儀

李 雄*

1 研究背景

作為人口高密度聚集的特大城市，近年來北京市城市化進(jìn)程不斷加快，建成區(qū)面積不斷擴(kuò)大，城市建設(shè)和人類活動(dòng)導(dǎo)致土地利用性質(zhì)的大規(guī)模變化與轉(zhuǎn)移，北京市中心城由于人口最密集、功能最集中，其綠色空間被大量侵蝕、壓縮，極大影響了中心城的生境質(zhì)量和生物多樣性。

為應(yīng)對(duì)此問題，北京市政府自20世紀(jì)80年代起便展開了一系列綠地建設(shè)工程，如第一、第二道綠化隔離地區(qū)建設(shè)等。從2017—2020年，北京將在全市范圍內(nèi)組織開展“疏解整治促提升”專項(xiàng)行動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)空間騰退、“留白增綠”。2017年，北京市啟動(dòng)了城市森林建設(shè)工程，在城市中構(gòu)建以喬木為主體、近自然、多層次的森林景觀?！傲舭自鼍G”和城市森林建設(shè)工程為改善北京中心城生境質(zhì)量和提升綠地的生態(tài)功能提供了契機(jī)。截至2017年10月，北京已建成西城菜市口項(xiàng)目、新街口項(xiàng)目和東城西革新里城市綠蔭公園3個(gè)城市森林項(xiàng)目，大通濱河公園已完成部分建設(shè)，2018年北京16區(qū)總計(jì)建設(shè)21處城市森林。

在相關(guān)政策導(dǎo)向下，北京市中心城的生態(tài)環(huán)境得到持續(xù)改善，但是總體來看，綠色空間的布局還存在一定問題。目前已有針對(duì)北京城市綠色空間格局時(shí)空格局的研究[1-4]，但缺少對(duì)生態(tài)環(huán)境及生境質(zhì)量的評(píng)估，無法直接指導(dǎo)北京市及中心城綠色空間的規(guī)劃建設(shè)。INVEST模型是國(guó)內(nèi)外目前應(yīng)用最多的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估模型，在碳儲(chǔ)量、土壤保持、水質(zhì)凈化和產(chǎn)水量等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5]，也有學(xué)者通過InVEST模型，結(jié)合土地利用方式的改變來評(píng)價(jià)生境質(zhì)量的變化：Leh等[6]研究了土地利用變化下加納和科特迪瓦2個(gè)國(guó)家在2000、2005和2009年的生境質(zhì)量變化情況；白健等[7]運(yùn)用InVEST模型評(píng)估閩江流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；杜世勛等[8]以山西省省域?yàn)檠芯繉?duì)象，運(yùn)用InVEST模型，結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)得到山西省生境質(zhì)量指數(shù)和生境退化指數(shù)的空間分布格局；鐘莉娜等[9]采用InVEST模型分析了大安市土地整治對(duì)生境質(zhì)量的影響；陳妍等[10]評(píng)價(jià)了北京市域土地利用格局對(duì)生境質(zhì)量的影響；包玉斌等[11]利用InVEST模型對(duì)陜西省黃河濕地自然保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，研究土地利用變化對(duì)保護(hù)區(qū)生物多樣性維持的影響。由以上研究可知，InVEST模型模擬多應(yīng)用于國(guó)家、流域、省域、城市和保護(hù)區(qū)等尺度，從景觀生態(tài)學(xué)的視角揭示土地利用動(dòng)態(tài)變化對(duì)生境質(zhì)量的影響和規(guī)律，有利于指導(dǎo)宏觀土地規(guī)劃策略，然而對(duì)于以中心城為代表的城市生態(tài)系統(tǒng)生境質(zhì)量的研究則較為缺乏。中心城由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境破壞，往往是生境最為敏感脆弱的區(qū)域，通過InVEST模型的應(yīng)用可將生境評(píng)價(jià)結(jié)果以地圖的方式進(jìn)行可視化表達(dá)。

基于以上分析，本研究的目的和創(chuàng)新點(diǎn)包含2個(gè)方面：1)將InVEST模型的應(yīng)用嘗試拓展到中心城尺度，模擬評(píng)價(jià)1992—2016年北京市中心城土地利用變化對(duì)生境質(zhì)量、生境退化的影響，并將生境質(zhì)量評(píng)級(jí)結(jié)果落實(shí)在空間層面；2)從北京城市建設(shè)實(shí)際情況出發(fā)，基于風(fēng)景園林學(xué)科視角，在城市“留白增綠”、城市森林建設(shè)工程的契機(jī)下，根據(jù)InVEST模型的評(píng)價(jià)結(jié)果，可為北京市中心城城市森林建設(shè)的選址提供評(píng)價(jià)依據(jù)，并識(shí)別出中心城生境保護(hù)需要關(guān)注的生境較好或較差的敏感區(qū)域，為城市森林建設(shè)提供具體策略建議，對(duì)中心城生態(tài)環(huán)境保護(hù)及生物多樣性保護(hù)有重要意義。

2 研究區(qū)域和研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

北京市位于華北平原西北邊緣(39°28′～ 41°25′N，115°25′～117°130′E)，氣候類型為暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候[12]，整體地勢(shì)西北高、東南低，西部為山區(qū)，地處海河流域；地帶性植被為落葉闊葉林并有溫性針葉林，受人類活動(dòng)影響，山區(qū)主要為次生林，平原地區(qū)主要為農(nóng)田、城鎮(zhèn)和基礎(chǔ)設(shè)施用地[2]。區(qū)域內(nèi)綠色空間用地包含了林地、草地、耕地、濕地及水域。根據(jù)《北京市總體規(guī)劃(2004—2020)》的規(guī)劃范圍，本文研究范圍為北京市中心城，總面積約1 088km2[13]。

2.2 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

土地利用數(shù)據(jù)選取1992、2016年中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)提供的分辨率為30m×30m的Landsat4-5 TM影像作為數(shù)據(jù)源，利用ENVI軟件預(yù)處理影像數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)融合15m)。在ArcGIS平臺(tái)中進(jìn)行空間數(shù)據(jù)疊加分析，統(tǒng)計(jì)出各類土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)化的情況。

2.3 研究方法

InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型是由美國(guó)斯坦福大學(xué)主導(dǎo)開發(fā)，可基于土地利用數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的淡水生態(tài)系統(tǒng)、海洋生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估[5]。其中，InVEST的棲息地質(zhì)量模塊是通過棲息地及其脅迫源之間的相互作用對(duì)其進(jìn)行空間量化評(píng)估[14]，根據(jù)不同生境對(duì)脅迫源的響應(yīng)程度，評(píng)估不同景觀格局下生境分布和退化情況[10]，從而圖示化地表達(dá)目標(biāo)用地的生物多樣性指數(shù)。影響生物棲息地質(zhì)量的因素包括棲息地本身的類型、脅迫源的脅迫強(qiáng)度、棲息地和脅迫源的空間距離、棲息地對(duì)脅迫源的敏感程度等方面，因此利用InVEST模型評(píng)估北京中心城土地利用對(duì)生境質(zhì)量的影響時(shí)要應(yīng)用生物多樣性模塊進(jìn)行生境質(zhì)量評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)時(shí)需要輸入各期土地利用/覆被圖、威脅因子、威脅因子最大影響距離及權(quán)重、生境對(duì)各類威脅因子的敏感度及保護(hù)程度。

1)生境質(zhì)量指數(shù)。

采用生境質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)生境質(zhì)量的具體計(jì)算公式如下：

式中，Qxj為土地利用類型j中柵格x的生境質(zhì)量；Hj為土地利用類型j的生境適宜度；k為半飽和常數(shù)，通常取Dxj最大值的一半；z為模型默認(rèn)參數(shù)；Dxj為土地利用類型j柵格x的生境脅迫強(qiáng)度，通過式(2)計(jì)算獲得。

式中，R為脅迫因子；y為r中的柵格數(shù)；Yr為脅迫因子所占柵格數(shù)；Wr為脅迫因子的權(quán)重，取值0～1，以表明脅迫因子對(duì)所有生境的相對(duì)破壞力；βx為柵格x的可達(dá)性水平，值越接近1，表示越容易到達(dá)；Sjr為土地利用類型對(duì)脅迫因子r的敏感性，值越接近1，越敏感；irxy為柵格y中脅迫因子ry對(duì)柵格x的脅迫水平，通過式(3)計(jì)算獲得。

式中，dxy為柵格x與柵格y之間的直線距離；drmax為脅迫因子r的最大影響距離。

模型借助ArcGIS平臺(tái)運(yùn)行在空間上表達(dá)生境質(zhì)量的演變情況。

2)生境退化指數(shù)。

生境退化指數(shù)與地類對(duì)威脅因子的敏感度、各地類距離威脅因子的空間位置、威脅因子的數(shù)量等因素有關(guān)，一般認(rèn)為地類對(duì)某威脅因子的敏感性程度越高，則該威脅因子對(duì)地類生境退化度的影響也就越大，其計(jì)算公式如下：

3 結(jié)果與分析

3.1 北京市中心城土地利用變化特征

為深入了解北京市中心城土地類型之間的空間轉(zhuǎn)移情況，本研究利用ArcGIS平臺(tái)對(duì)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)空間疊加，并繪制4種綠色空間轉(zhuǎn)化為其他地類的空間分布情況，以分析北京市中心城土地利用轉(zhuǎn)化情況。

北京中心城1992—2016年土地利用轉(zhuǎn)換中，各土地利用類型均發(fā)生了不同程度的變化(圖1)，綠色空間用地面積共轉(zhuǎn)出(減少)43 105.32hm2，轉(zhuǎn)入(增加)12 843.44hm2，總計(jì)減少28 585.20hm2，其中耕地在各類用地面積增加過程中，貢獻(xiàn)率最大。非綠色空間用地面積共轉(zhuǎn)出(減少)4 271.02hm2，共轉(zhuǎn)入(增加)34 532.91hm2，總計(jì)增加28 585.20hm2，建設(shè)用地在各類用地面積減少過程中貢獻(xiàn)率最大。

1992—2016年耕地共減少26 003.46hm2，其中轉(zhuǎn)入2 393.52hm2，主要來自于林地(733.74hm2)和建設(shè)用地(1 387.79hm2)、濕地及水域(231.13hm2)，其中非綠色空間用地轉(zhuǎn)入貢獻(xiàn)率最高。耕地轉(zhuǎn)出為其他地類的面積為28 396.99hm2，由于城市擴(kuò)張和交通的發(fā)展，大部分耕地主要轉(zhuǎn)向建設(shè)用地(21 868.74hm2)，呈片狀集中轉(zhuǎn)移的區(qū)域?yàn)樗沫h(huán)外北部、東部及東南部。受公園建設(shè)和造林活動(dòng)的影響，有部分耕地轉(zhuǎn)出為林地(5 028.76hm2)、草地(1 323.46hm2)、濕地及水域(176.03hm2)，主要分布在一道和二道綠化隔離帶、西郊三山五園地區(qū)、東郊的郊野公園地區(qū)以及昌平、海淀和朝陽部分平原造林區(qū)域。

此外，林地轉(zhuǎn)出10 069.72hm2，主要轉(zhuǎn)向建設(shè)用地(8 949.21hm2)，轉(zhuǎn)出范圍較為分散，主要集中在中心城北部，也是四環(huán)內(nèi)非綠色空間用地轉(zhuǎn)入的主要來源，由道路建設(shè)或拓寬引起的林地轉(zhuǎn)出為非綠色空間用地多呈線狀分布，如八達(dá)嶺高速建設(shè)區(qū)域、長(zhǎng)安街東延建設(shè)區(qū)域、西北五環(huán)路建設(shè)區(qū)域等。林地轉(zhuǎn)出為耕地(733.74hm2)、草地(266.17hm2)、濕地及水域(120.6hm2)分布也較為零散，多集中在海淀區(qū)南部和朝陽區(qū)東部、北部。林地的轉(zhuǎn)入量為7 826.61hm2，明顯高于草地、林地、濕地及水域的轉(zhuǎn)入量，主要由耕地(5 028.76hm2)和建設(shè)用地(2 251.45hm2)轉(zhuǎn)入，林地總面積減少2 243.11hm2。

此外，濕地及水域面積共減少2 426.90hm2，在中心城區(qū)呈現(xiàn)零星狀轉(zhuǎn)出，其中絕大多數(shù)轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地(2 379.66hm2)。草地的面積穩(wěn)定增加(411.6hm2)。草地轉(zhuǎn)入的面積為2 095.06hm2，轉(zhuǎn)出面積為1 683.47hm2。

3.2 北京中心城土地利用變化對(duì)生境的影響

3.2.1 威脅因子敏感度及威脅因子屬性

圖1 北京市中心城1992—2016年各綠色空間類型轉(zhuǎn)換空間分布(作者繪)

《北京城市總體規(guī)劃(2016—2035)》中將森林、河流和湖泊等生態(tài)價(jià)值較高的現(xiàn)狀生態(tài)用地劃入生態(tài)控制線。因此，本研究將林地、濕地及水域的生境適宜性定為最高，并參照InVEST模型的前人研究，基于Terrado等[16]、Sulistyawan等[17]、Polasky等[18]的研究參數(shù)，結(jié)合北京市中心城生態(tài)環(huán)境實(shí)際情況，對(duì)各地類生境適宜性、威脅因子敏感度、威脅因子屬性等賦值，將最適合作為生境、最接近自然系統(tǒng)生境環(huán)境的林地的生境適宜度定為1[18]；濕地、水域和草地較適合作為自然生境，其適宜度設(shè)定為0.85和0.72[15]；耕地為人工化大型種植斑塊，植被類型單一，易受人類活動(dòng)脅迫，生境適宜度較低，將其設(shè)定為0.55[13]；未利用地因植被覆蓋度極低，故將其生境適宜度定為0.2[16]；將無植被覆蓋、最不適合作為自然生境的建設(shè)用地的生境適宜度設(shè)定為0.15[15]。在各地類中耕地、建設(shè)用地和未利用地生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)單一，易脅迫周邊土地覆被，因此將以上3類用地作為生態(tài)威脅因子，各生境類型對(duì)生態(tài)威脅因子的敏感度具體見表1。三大生態(tài)威脅因子的衰退類型均為線性，各威脅因子的最大影響距離和權(quán)重等指數(shù)見表2[19]。

3.2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

利用InVEST模型評(píng)價(jià)北京市中心城生境質(zhì)量狀況和生境退化情況?；谇逦年U述和比較區(qū)域內(nèi)土地利用變化對(duì)生境質(zhì)量的影響，綜合考量INVEST的運(yùn)算結(jié)果[11]，將2期的生境質(zhì)量指數(shù)運(yùn)算結(jié)果劃分為高度生境(0.71～1.00)、中度生境(0.21～0.70)和一般生境(0.14～0.20)3個(gè)區(qū)間；生境退化指數(shù)分為高度退化(0.25～0.35)、重度退化(0.11～0.249)、輕度退化(0.01～0.10)和無退化(0)4個(gè)區(qū)間。

圖2 1992和2016年生境質(zhì)量評(píng)估

圖3 1992和2016年生境質(zhì)量空間分布

圖4 1992和2016年生境退化評(píng)估

圖5 1992和2016年北京市中心城生境退化空間分布

1)生境質(zhì)量。

由表3可看出，1992年生境質(zhì)量相較2016年較優(yōu)，高度生境占到17.3%，中度生境占32.3%，一般生境占50.4%。至2016年，高度生境面積縮小3.8%，主要分布于西北部山區(qū)和中心城大型城市公園；中度生境大幅縮減，較1992年降低了24%，空間分布更加破碎，主要位于五環(huán)外；一般生境面積上升了27.8%，共增加30 306.24km2，反映了建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的空間特征(圖2、3)。以上變化表明，1992—2016年生境質(zhì)量退化嚴(yán)重，從土地利用類型的轉(zhuǎn)移變化情況來看，中心城區(qū)的林地、草地、濕地和水域等高度生境零星轉(zhuǎn)移為一般生境，建設(shè)用地向外圍擴(kuò)張導(dǎo)致以耕地為主的大片中度生境退化為一般生境，由此可見，生境適宜性較高的綠色空間用地轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地是這一時(shí)期生境質(zhì)量退化的主要原因。

2)生境退化。

由表4可看出，北京中心城1992—2016年自然生境輕度退化所占比例最大，由1992年的68.3%上升至2016年的80.5%，由于建設(shè)用地對(duì)生態(tài)威脅因子敏感度較低，輕度退化生境主要為中心城建設(shè)用地；由于耕地的轉(zhuǎn)出，重度退化生境的比例由1992年的22.3%下降至2016年的10.1%(圖4)，主要分布在四環(huán)外耕地區(qū)域和西北部山區(qū)高度退化區(qū)域周邊，高度退化生境和無退化生境面積不變，高度退化生境多被建設(shè)用地包圍，對(duì)生態(tài)威脅因子敏感度較高的林地、草地、濕地和水域；無退化生境主要為中心城未利用地(圖5)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

1)北京中心城綠色空間在1992—2016年有明顯的銳減，降低比例為27.81%，其中耕地比例減少23.87%(24 680.01hm2)，凈轉(zhuǎn)向建設(shè)用地面積為20 480.95hm2，凈轉(zhuǎn)向林地4 295.02hm2。林地面積減少2 243.11hm2，主要轉(zhuǎn)向建設(shè)用地，凈轉(zhuǎn)出面積為6 697.96hm2，林地轉(zhuǎn)入貢獻(xiàn)率最高的為耕地。濕地及水域濕地、水域減少2 426.90hm2，主要轉(zhuǎn)向建設(shè)用地，凈轉(zhuǎn)出面積為2 379.66hm2。研究期草地面積穩(wěn)定增加，轉(zhuǎn)入貢獻(xiàn)率最高的為耕地(1 323.46hm2)。北京中心城土地利用的變化反映了1992—2016年城市化的進(jìn)程，綠色空間減少的區(qū)域主要在中心城外圈(五環(huán)外)，由于一道、二道綠隔，郊野公園，大型城市公園和平原造林等工程的建設(shè)，中心城區(qū)綠色空間有明顯增加，極大影響了北京市中心城綠色空間的布局和結(jié)構(gòu)。

2)1992—2016年，北京中心城生境質(zhì)量分布情況發(fā)生重大變化，最突出特征是外圈的綠色屏障讓步于建設(shè)用地的開發(fā)，高度生境在中心城中呈孤島狀分布，由于一道、二道綠化隔離帶的建設(shè)，局部區(qū)域高度生境分布集中，如東北四環(huán)、五環(huán)片區(qū)，高度生境構(gòu)成的主體為城市公園、郊野公園、高爾夫球場(chǎng)等綠色空間。生境質(zhì)量的分布和規(guī)模具體變化情況為：以建設(shè)用地為典型地類的一般生境面積顯著增加，占總面積的78.2%，主要是由中級(jí)生境退化形成；中度生境以耕地為主要類型，由于耕地的大量轉(zhuǎn)出，中度生境面積縮減24%；高度生境面積較為穩(wěn)定，僅降低3.8%，主要土地利用類型林地、草地、濕地及水域之間有相互轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，生境面積縮小主要是由于這些綠色空間用地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移。

3)1992—2016年，北京中心城輕度退化生境的面積最大，由1992年的68.3%上升至2016年的80.5%，主要為建設(shè)用地。中心城內(nèi)綠色空間用地被建設(shè)用地包圍，規(guī)模較小的多表現(xiàn)為高度退化生境，如核心區(qū)的中南海、什剎海和天壇公園等，規(guī)模大、與其他綠色空間關(guān)系緊密的區(qū)域多表現(xiàn)為中度退化生境，如奧林匹克森林公園、一二道綠隔區(qū)域的郊野公園等。

4.2 討論

在《北京城市總體規(guī)劃(2016—2030)》中，中心城是疏解非首都功能的主要地區(qū)，到2035年，中心城城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積預(yù)計(jì)將由2017年的910km2減到818km2左右。騰退空間會(huì)作為“留白增綠”和城市森林的建設(shè)的選址，中心城生態(tài)空間品質(zhì)將會(huì)顯著提升。

本文研究了1992—2016年土地利用的動(dòng)態(tài)演變對(duì)生境質(zhì)量的影響，明確高度生境、中度生境和一般生境的空間位置和面積以及生境退化的空間分布情況，希望能夠從生境角度為未來北京中心城綠地系統(tǒng)和生態(tài)格局構(gòu)建提供參考，以期中心城生態(tài)環(huán)境的提高。

1)保護(hù)高度生境。統(tǒng)籌林地、草地、濕地及水域等生態(tài)資源的保護(hù)利用，嚴(yán)格控制生態(tài)底線，利用空間騰退契機(jī)，擴(kuò)大部分區(qū)域高度生境規(guī)模，保障綠色空間只增不減。首先，中心城需依照城市森林標(biāo)準(zhǔn)提升綠地總量和質(zhì)量，構(gòu)建生物多樣性豐富、植被立體配置和系統(tǒng)穩(wěn)定的林地生態(tài)系統(tǒng)。其次，要加強(qiáng)濕地、水域及周邊環(huán)境的綜合治理，轉(zhuǎn)出的河道、濕地逐漸加以恢復(fù)，提高城市水系連通性，構(gòu)建健康水系網(wǎng)絡(luò)。

2)提升中度生境。嚴(yán)格劃定永久基本農(nóng)田集中分布區(qū)，強(qiáng)化耕地生態(tài)功能，實(shí)現(xiàn)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量、生態(tài)三維一體保護(hù)，降低耕地對(duì)其他生境的脅迫性。

表1 生境類型對(duì)生態(tài)威脅因子的敏感度

表2 生態(tài)威脅因子屬性

表3 1992—2016年生境質(zhì)量面積和比例

表4 生境退化面積和比例

3)改善一般生境。根據(jù)生境質(zhì)量評(píng)價(jià)，選取部分疏解騰退地塊進(jìn)行“留白增綠”工程建設(shè)，在建設(shè)用地中辟出道路綠廊、城市綠道等生態(tài)廊道，逐漸形成連片、連續(xù)的綠色空間格局。

4.3 問題與展望

由于InVEST模型使用的威脅因子敏感度及威脅因子屬性等參數(shù)的設(shè)定沒有統(tǒng)一的計(jì)算方法，因此本文使用的相關(guān)參數(shù)均參考模型推薦數(shù)據(jù)和前人的研究成果獲得，導(dǎo)致模型不能準(zhǔn)確反映生境質(zhì)量分類的實(shí)際情況，具有一定的局限性。在未來的研究中應(yīng)關(guān)注關(guān)鍵參數(shù)的確定方法，例如結(jié)合實(shí)地調(diào)研，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證相關(guān)參數(shù)的合理性并進(jìn)行修正，提高模擬的準(zhǔn)確性，使其更好地應(yīng)用于中心城城市生境質(zhì)量的評(píng)價(jià)，從而有效指導(dǎo)中心城綠色空間的規(guī)劃建設(shè)。