北京市城市擴張及其生態效應研究

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.中國電子信息產業發展研究院，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］，其結果可能導致土地資源和水資源的供需關系發生變化，從而對區域生態環境及經濟社會發展等多方面產生顯著影響。當前，許多國內外學者分別從全球、洲際、區域（流域）以及地塊等尺度，探討了土地利用變化對區域氣候、水文水資源、生物多樣性和生物地球化學循環等環境要素的影響［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，專門分析其生態環境效應的文獻尚不多見［5－7］。目前已經有大量的學者開始關注北京市人口快速集聚、城鎮用地迅速擴張的現象，然而研究主要集中于流動人口［8－9］、耕地流失［10－11］、居住用地區位變化［12］，或部分地區城鎮用地的空間擴張［13］，很少有學者研究北京市城鎮用地的空間擴張特征及其生態環境效應。本文借助于GIS空間分析和生態系統服務價值評價手段，定量探討20世紀90年代以來北京市城鎮用地擴張的時空分異格局與生態效應。

1 研究區概況

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濟中心。在行政區劃上，共轄18個區縣。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據（來源于中國科學院地理科學與資源研究所數據中心和北京師范大學）。在Erdas Imagine 8.3和ArcGIS 9.0軟件的支持下，對三期遙感影像數據進行幾何校正和波段優化組合，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，參照中科院“八五”重大應用項目“國家資源環境遙感宏觀調查與動態研究”的土地資源分類系統［14］，將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、城鎮用地和未利用地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

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

2.3 生態系統服務價值評價方法

根據國內外學者相關研究的經驗積累，在中國陸地生態系統單位面積生態服務價值的基礎上［15－16］，將氣體調節、氣候調節、水源涵養、土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性保護、食物生產、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價值系數（表1）。生態系統服務價值的計算公式為：

式中：V——研究區生態系統服務總價值；Pi——單位面積上第i種土地利用類型的生態系統服務價值系數；Ai——研究區內第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價值系數萬元／（km2·a）

3 北京市城鎮用地擴張的時空分異格局

3.1 城鎮用地的動態變化特征

20世紀90年代以來，北京市城鎮用地面積的增長趨勢十分顯著。在近17a內城鎮用地面積由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化建設速度明顯提升（表2）。

表2 1990－2007年北京市城鎮用地面積變化情況

3.2 城鎮用地變化的空間分異格局

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

3.2.2 沿線擴張特征 以北京市的8條主要高速公路為中心，進行3km緩沖區分析發現：1990—2000年間，主要交通線兩側并不是北京市城鎮用地變化最為劇烈的區域，然而到了2000年以后，北京市城鎮用地沿交通線向外擴張的趨勢開始顯現。在1990—2007年的17a內，京石高速、京開高速和機場高速兩側的城鎮用地率分別提高了40.59，36.18，32.19個百分點，是北京市城鎮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用地沿交通線擴張的主要方向。

表3 1990－2007年各圈層城鎮用地變化情況

表4 1990－2007年主要交通線兩側3km范圍內城鎮用地變化情況

3.2.3 據點擴張特征 將1990年和2000年北京市土地利用圖進行對比分析發現，除了各區縣城區周邊外，亞運村、東風鄉和十八里店鄉等周邊區域的城鎮用地變化最為劇烈。

由表5可以看出，以上述地點為中心，進行3km緩沖區分析發現：這三個區域是北京市城鎮用地增長最為顯著的區域，年增長率均超過了10%，遠遠高于全市平均水平；1990年這三個區域的城鎮用地率分別為29.43%，34.40%，23.49%，到2000年時已經分別上升至93.27%，89.48%，96.18%。10a間，城鎮用地率分別提高了63.83，55.09，72.68個百分點。由于城鎮用地率已經占了很高的比重，因此，在2000—2007年間，這些區域城鎮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 城鎮用地擴張的生態效應分析

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，因此可以從生態系統服務價值的角度，來探討城鎮用地擴張所產生的生態效應。在1990—2000年間，由于城鎮用地的擴張，直接導致耕地和林地分別減少了742.08km2和17.55km2，生態系統服務價值總共損失了51 164.17萬元；在2000—2007年間，由于城鎮用地的擴張，直接導致耕地和林地分別減少了977.17km2和202.7 km2，生態系統服務價值總共損失了167 032.32萬元。在近17a內，由于城鎮用地的擴張，直接導致耕地面積和林地分別減少了1 719.25km2和220.25 km2，生態系統服務價值最終減少了218 196.49萬元（表6）。

5 結論

（1）自20世紀90年代以來北京市城鎮用地向郊區擴張的趨勢非常明顯，擴張主要發生在中心城區的外圍地區，在總體上呈現出自中心城向近郊區逐層推進的攤大餅式的擴張特征，以近郊區和遠郊區主要沿線為據點的外延式擴張特征，土地利用強度正呈現出由中心城區逐漸向近郊及遠郊區發生強弱轉換的變化趨勢。

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

表6 北京市城鎮用地擴張對生態系統服務價值的影響

圖1 1990－2007年間各區縣城鎮用地擴張面積及其相應的生態系統服務價值損失

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