城市擴張對北京市城鄉(xiāng)結(jié)合部自然和農(nóng)業(yè)景觀的影響
——以昌平區(qū)三鎮(zhèn)為例

黃寶榮, 張慧智, 王學志

(1. 中國科學院科技政策與管理科學研究所可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究室， 北京 100190；2. 北京市農(nóng)林科學院農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展研究所， 北京 100097； 3. 中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心， 北京 100190)

城市擴張對北京市城鄉(xiāng)結(jié)合部自然和農(nóng)業(yè)景觀的影響
——以昌平區(qū)三鎮(zhèn)為例

黃寶榮1, 張慧智2,*, 王學志3

(1. 中國科學院科技政策與管理科學研究所可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究室， 北京 100190；2. 北京市農(nóng)林科學院農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展研究所， 北京 100097； 3. 中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心， 北京 100190)

城鄉(xiāng)結(jié)合部自然和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是確保城市生態(tài)安全的重要基礎。研究快速城市化背景下城鄉(xiāng)結(jié)合部自然和農(nóng)業(yè)景觀的時空演變規(guī)律和驅(qū)動因素，能夠為相關規(guī)劃的編制和保護政策的制定提供科學支撐。以北京市三個典型的城鄉(xiāng)結(jié)合部鄉(xiāng)鎮(zhèn)為例，通過對1999、2004和2010年三期SPOT遙感影像的解譯，獲取三鎮(zhèn)三個時期土地利用/覆蓋(Land Use/Land Cover, LULC)數(shù)據(jù)。在此基礎上，借助ArcGIS空間疊加功能和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，分析1999—2010年三鎮(zhèn)LULC的時空變化特征；并通過空間自相性和景觀連通性分析，研究近十年來三鎮(zhèn)建設用地的空間聚集特征以及自然和農(nóng)業(yè)景觀空間連通性的變化，分析城市擴張對三鎮(zhèn)自然和農(nóng)業(yè)景觀格局和穩(wěn)定性的影響。最后，采用定量和定性相結(jié)合的方法，分析三鎮(zhèn)自然和農(nóng)業(yè)景觀變化的驅(qū)動力。結(jié)果表明，1999—2010年三鎮(zhèn)經(jīng)歷了劇烈的LUCC過程，建設用地、林地和草地面積大幅增加，伴隨的是農(nóng)業(yè)用地和水域面積的急劇減少。各種土地利用類型之間都存在著相互轉(zhuǎn)移，特別是農(nóng)業(yè)用地向建設用地、林地和草地，以及林地向建設用地轉(zhuǎn)移明顯。新增建設用地大多通過侵占原有建設用地周邊的農(nóng)業(yè)用地和林地，而實現(xiàn)“成片蔓延式”擴張；并造成了三鎮(zhèn)自然和農(nóng)業(yè)景觀連通性的急劇下降，危及到該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構的完整性和功能的持續(xù)性。社會經(jīng)濟發(fā)展、土地利用規(guī)劃、公共政策等共同決定著三鎮(zhèn)LUCC的結(jié)構、規(guī)模和空間分布，是三鎮(zhèn)自然和農(nóng)業(yè)景觀格局演變的主要驅(qū)動力。

城鄉(xiāng)結(jié)合部；土地利用/覆蓋變化；自然和農(nóng)業(yè)景觀；景觀連通性；驅(qū)動力

城鄉(xiāng)結(jié)合部被認為是目前全球范圍內(nèi)LUCC最劇烈、人地系統(tǒng)矛盾最尖銳的地區(qū)[1]。往往分布著一定數(shù)量的包括林地、草地和濕地在內(nèi)的自然生態(tài)系統(tǒng)，以及類型多樣的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)[2- 3]。這些自然和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，能夠為城市提供必不可少的空氣凈化、氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、洪水調(diào)蓄和休閑娛樂等生態(tài)系統(tǒng)服務，是確保城市生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展的重要基礎[4- 8]。但是相關保護政策的制定和實施常常被城市和鄉(xiāng)村管理決策者所忽視[4]。稀有的自然生境和重要的農(nóng)業(yè)用地均處在由于城市持續(xù)擴張，而轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘薪ㄔO用地的壓力之下[5]。特別是我國，近年來正經(jīng)歷著快速的城市化過程，伴隨的是史無前例的城市建設和擴張熱潮。城鄉(xiāng)結(jié)合部作為城市化的前沿陣地，LUCC劇烈，自然和農(nóng)業(yè)景觀急劇減少，并帶來一系列生態(tài)和社會問題。盡管已有一些針對城鄉(xiāng)結(jié)合部土地利用結(jié)構[9- 10]、景觀格局[11- 12]、建設用地擴張[13]以及LUCC的社會經(jīng)濟發(fā)展驅(qū)動力[14- 15]方面的研究；但是快速城市化背景下，該區(qū)域自然和農(nóng)業(yè)景觀的時空演變特征，及其土地利用規(guī)劃和公共政策驅(qū)動力很少受到關注；難以為我國城鄉(xiāng)結(jié)合部自然和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的保護，及相關土地利用規(guī)劃的編制和公共政策的制定提供系統(tǒng)的科學支撐。本研究以北京市城鄉(xiāng)結(jié)合部昌平區(qū)東小口、北七家、小湯山三鎮(zhèn)為案例，研究快速城市化背景下三鎮(zhèn)的LUCC、自然和農(nóng)業(yè)景觀的時空演變特征，及其社會經(jīng)濟發(fā)展、土地利用規(guī)劃和公共政策驅(qū)動力。希望通過局部地區(qū)的研究，見微知著，為我國大城市城鄉(xiāng)結(jié)合部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)管理與保護政策的制定提供科學支撐。

1 研究地區(qū)和方法

1.1 研究地區(qū)

圖1 研究區(qū)位圖Fig.1 Location of study area

東小口、北七家和小湯山三鎮(zhèn)位于北京市昌平區(qū)東南角和北京市中軸線的北延伸線上，與北京市中心城區(qū)相鄰(圖1)，是北京市的上風上水區(qū)域。三鎮(zhèn)地理位置相鄰，但城市化程度、人口及經(jīng)濟發(fā)展水平呈現(xiàn)較為明顯的城鄉(xiāng)梯度，是研究城市擴張對城鄉(xiāng)結(jié)合部生態(tài)影響的合適區(qū)域。東小口鎮(zhèn)毗鄰奧運公園，占地面積32.8平方公里，2010年轄16個行政村和40個社區(qū)居委會，常住人口為35.94萬，城市化特征明顯，但仍保有一定數(shù)量的農(nóng)村社區(qū)。北七家鎮(zhèn)占地面積56.8km2，2010年轄19個行政村和16個居委會，常住人口13萬人，城市社區(qū)和農(nóng)村社區(qū)混雜，呈現(xiàn)較為明顯的城鄉(xiāng)交錯特征；小湯山鎮(zhèn)占地面積70.1km2，2010年轄24個行政村和3個居委會，常住人口4.2萬人，以自然和鄉(xiāng)村景觀為主，但近年來城市景觀不斷增加，逐漸呈現(xiàn)出一定的城鄉(xiāng)交錯的特征。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用分類

自1986年SPOT- 1衛(wèi)星發(fā)射以來，SPOT系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)由于具有較高的空間分辨率和相對可以接受的數(shù)據(jù)成本，成為城鄉(xiāng)結(jié)合部LULC信息的提取中應用得最為廣泛的衛(wèi)星數(shù)據(jù)[16- 18]。本研究中使用的土地利用數(shù)據(jù)均采用SPOT遙感影像在ERDAS Imagine 9.2中遙感分類解析得來。3個時期SPOT遙感影像拍攝時間分別為1999年4月、2004年7月和2010年10月(表1)。

表1 SPOT遙感影像數(shù)據(jù)特征

首先將各時期的多光譜和高光譜遙感影像在ERDAS Imagine 9.2中進行融合，融合影像的空間分辨率分別為20、10m和10m；然后將融合的影像進行投影并轉(zhuǎn)換為UTM/WGS84坐標系統(tǒng)，利用野外GPS調(diào)查控制點對各時期的融合影像進行精確地形校正；最后采用非監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法將融合影像分為如下類型：城鎮(zhèn)用地(包括居民區(qū)、道路、硬地面和裸露的建設用地等)、農(nóng)業(yè)用地(包括農(nóng)田和果園)、林地(包括人工林和綠化林)、水域(包括河流、水庫、公園水域和魚塘等)和草地(包括園藝綠化草地、高爾夫草地和河灘草地等)。

采用野外GPS調(diào)查控制點對分類結(jié)果進行精度檢驗，1999年、2004年和2010年的土地利用分類精度分別為87.32%、93.56%和94.31%。為了便于統(tǒng)計，將1999年的土地利用分類結(jié)果進行臨近值重采樣到10m分辨率。

根據(jù)3期土地利用分類圖，計算1999—2010年三鎮(zhèn)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，結(jié)合ArcGIS空間疊加分析，分析1999—2010年三鎮(zhèn)土地利用以及自然和農(nóng)業(yè)景觀的動態(tài)變化情況。

1.2.2 建設用地的空間自相關分析

空間自相關分析(Spatial autocorrelation analysis)是檢驗具有空間位置的某要素的觀測值是否顯著地與其相鄰空間點上的觀測值相關聯(lián)，包括全局空間自相關和局部空間自相關[19- 20]。全局空間自相關是對屬性在整個區(qū)域空間特征的描述，判斷某現(xiàn)象在特定的區(qū)域內(nèi)是否有聚集特征存在。計算全局空間自相關的指數(shù)很多，最常用的指標是Moran′s I指數(shù)。具體公式參考相關文獻[19- 20]。Moran′s I值介于-1—1 之間，大于0 為正相關，值越大反映分析的變量在空間上越聚集；小于0為負相關，值越小反映分析的變量在空間上越分散；而當值等于0 時, 表示變量在空間上隨機分布。

本研究采用全局空間自相關性Moran′s I指數(shù)分析十年來研究區(qū)域建設用地的空間聚集程度的變化，以及新增建設用地和已有建設用地的空間分布關系。首先，利用ArcGIS10.0，將研究區(qū)域劃分為500m×500m正方形網(wǎng)格，并將正方形網(wǎng)格圖與三期建設用地分布圖相疊加，統(tǒng)計每個網(wǎng)格的的建設用地面積百分比。然后，利用ArcGIS 10.0空間統(tǒng)計模塊，對三鎮(zhèn)三期各網(wǎng)格單元的建設用地面積百分比進行全局空間自相關性分析，得到研究區(qū)域三期建設用地全局空間自相關Moran′s I 指數(shù)值。

1.2.3 自然和農(nóng)業(yè)景觀連通性分析

通過景觀連通性分析評價建設用地擴張對三鎮(zhèn)自然和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)格局和穩(wěn)定性的影響。連通性是指景觀對生態(tài)流的便利或阻礙程度[21]。維持良好的自然和農(nóng)業(yè)景觀連通性是保護生物多樣性、維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[22]和開放空間可達性的關鍵因素之一。由于自然和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)均在維護城市良好的生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮重要的作用，本研究將相鄰的自然景觀斑塊和農(nóng)業(yè)景觀斑塊歸并，作為同類景觀，采用整體連通性指數(shù)(integral index of connectivity，IIC) 和可能連通性指數(shù)(probability of connectivity，PC) 對自然-農(nóng)業(yè)景觀全局連通性進行評價[23- 24]。

IIC的計算如式(1)所示：

(1)

式中,n為景觀中自然-農(nóng)業(yè)景觀斑塊總數(shù)；ai和aj分別為斑塊i和斑塊j的面積;nlij為斑塊i與斑塊j之間的連接數(shù)；AL為背景景觀的面積。0≤IIC≤l，IIC越大，反映自然-農(nóng)業(yè)景觀斑塊間的景觀連通性越好。

PC的計算如式(2)所示：

(2)

指數(shù)的計算借助Conefor Inputs for ArcGIS10.0和軟件Conefor Sensinode 2.6完成。在此過程中，需要指定景觀中生境斑塊連通的距離閾值。考慮到斑塊間生態(tài)流的可流通性和生態(tài)用地的可達性，本研究在計算IIC值時，將斑塊連通與否的距離閾值設為500m；在計算PC時，設置在500m距離閾值時，斑塊間的連通的可能性為0.5。

1.2.4 自然和農(nóng)業(yè)景觀變化的驅(qū)動力分析

由于缺乏足夠的社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)，很難用定量模型分析三鎮(zhèn)自然和農(nóng)業(yè)景觀變化的驅(qū)動力。根據(jù)已有的一些零散的社會經(jīng)濟發(fā)展數(shù)據(jù)和豐富的各類政策、規(guī)劃資料，本研究嘗試采用定性和定量相結(jié)合的方法，從社會經(jīng)濟發(fā)展、土地利用規(guī)劃和公共政策三個方面分析三鎮(zhèn)自然和農(nóng)業(yè)景觀變化驅(qū)動力。

2 結(jié)果與討論

2.1 自然和農(nóng)業(yè)景觀格局的時空演變特征

1999—2010年，昌平區(qū)三鎮(zhèn)經(jīng)歷了劇烈的LUCC過程。城鎮(zhèn)建設用地急劇增加，伴隨的是農(nóng)業(yè)用地和水域明顯減少(表2，圖2)；與眾多研究中所反映的城市擴張導致城鄉(xiāng)結(jié)合部林業(yè)用地和草地的大幅減少[25- 28]不同，本研究中三鎮(zhèn)的林業(yè)用地和草地面積均大幅增加，使三鎮(zhèn)自然景觀的總面積有所增加，與近年來北京市大力推動城市綠化和兩道綠化隔離帶建設有關。

表2 各鎮(zhèn)不同時期土地利用結(jié)構

圖2 通過SPOT影像解譯獲取的各期土地覆蓋圖Fig.2 Interpreted land cover maps in each period developed from SPOT images

分階段看，1999年，三鎮(zhèn)以農(nóng)業(yè)用地為主，建設用地和林業(yè)用地相對較少；同時，作為北京市的上風上水之地，水域面積也相對較多。1999—2004年，三鎮(zhèn)建設用地、林業(yè)用地和草地均有所增加，但農(nóng)業(yè)用地和水域均大幅減少。2004—2010年三鎮(zhèn)建設用地擴張更為劇烈，伴隨的是更多的農(nóng)業(yè)用地的喪失，但此階段，林地的增幅也較大，使自然景觀成為該區(qū)域面積最大的景觀類型。

東小口是三鎮(zhèn)中離北京城市中心區(qū)最近的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，相應地也更早受到城鎮(zhèn)化的影響。1999年，該鎮(zhèn)建設用地面積百分比已達到40.42%，但農(nóng)業(yè)用地依然保持了37.41%的比例，呈現(xiàn)典型的城鄉(xiāng)交錯的景觀特征；到2010年建設用地所占比例增加到58.78%，林業(yè)用地也增加到28.55%，而農(nóng)業(yè)用地則下降到1.67%，已呈現(xiàn)出典型的城市建成區(qū)的景觀特征。1999年，北七家鎮(zhèn)仍以農(nóng)業(yè)用地為主，但建設用地也占據(jù)了一定的比例，處于由近郊農(nóng)村向城鄉(xiāng)交錯帶過度的階段；到2010年，建設用地已占主導地位，但仍保存有少量的農(nóng)業(yè)用地和為數(shù)不少的農(nóng)村社區(qū)，正處于城鄉(xiāng)交錯帶向城市建成區(qū)過渡的階段。小湯山鎮(zhèn)離城市中心區(qū)相對較遠，1999年農(nóng)業(yè)用地占主導地位，建設用地所占比例較小，呈現(xiàn)出較為典型的近郊農(nóng)村地區(qū)的景觀特征；到2010年，建設用地面積大幅增加，已呈現(xiàn)出較為典型的城鄉(xiāng)交錯的景觀特征。總體而言，三鎮(zhèn)LULC和景觀格局均呈現(xiàn)出典型的城鄉(xiāng)梯度特征，受北京市“攤大餅”式的城市擴張模式[29]的影響。

2.2 不同土地利用類型間的總體轉(zhuǎn)移特征

1999—2010年，昌平三鎮(zhèn)各種土地利用類型之間存在劇烈的相互轉(zhuǎn)移過程(表3)。從表4可以看出，大部分建設用地維持其原有的利用類型(68.21%)，但也有相當一部分轉(zhuǎn)換為自然用地(29.83%)，其中包括20.21%的林地和9.27%的草地；農(nóng)村居民點拆遷、改造所騰退出來的部分農(nóng)村建設用地，被轉(zhuǎn)換為城市綠化或綠化隔離帶用地。大部分農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)換為建設用地(32.23%)和林地(31.77%)，除了城市擴張占用造成農(nóng)業(yè)用地喪失外，城市綠化和環(huán)城綠化隔離帶的建設，也促使大量的農(nóng)業(yè)用地通過“退耕還綠”，轉(zhuǎn)換為自然用地。僅有部分林地維持其原有的利用類型(31.64%)，大部分轉(zhuǎn)換為建設用地(43.98%)、草地(14.23%)和農(nóng)業(yè)用地(9.22%)；盡管城市綠化和環(huán)城綠化隔離帶的建設使三鎮(zhèn)林地總面積不斷增加，但伴隨的是原有天然次生林或成熟人工林的大幅減少，所帶來的負面影響不容忽視。僅有少量水域維持其原有的利用類型(20.71%)，大部分轉(zhuǎn)換為林地(29.92%)、建設用地(26.95%)和草地(15.03%)；建設用地的直接占用，以及城市發(fā)展對水資源的過度開采，導致大片水域枯萎并轉(zhuǎn)變其他土地利用類型，是三鎮(zhèn)水域面積大幅減少的主要原因。把林地、水域和草地統(tǒng)稱為自然用地，則有超過半數(shù)的自然用地維持其原有的非生產(chǎn)用地的特征(53.62%)，其余38.02%轉(zhuǎn)換為建設用地、8.36%轉(zhuǎn)換為農(nóng)業(yè)用地。1999—2010年城市擴張新占4043.97hm2自然和農(nóng)業(yè)用地，其中，農(nóng)業(yè)用地占64.04%，林地占26.94%，水域占6.97%，草地占2.04%，以農(nóng)業(yè)用地和林地為主。

從建設用地與自然和農(nóng)業(yè)用地間相互轉(zhuǎn)換的空間特征來看(圖3)，自然和農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)換為建設用地多發(fā)生在已有建設用地的周邊，或者交通干道的兩側(cè)，反映了前期土地利用格局和交通基礎設施的布局對LUCC的影響[5]。而由建設用地轉(zhuǎn)換為自然和農(nóng)業(yè)用地的斑塊多零散分布，經(jīng)實地調(diào)查，大多數(shù)為原有的農(nóng)村居民點經(jīng)拆遷、改造后轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒莸亍慕ㄔO用地的全局空間自相關性Moran′s I指數(shù)(表4)也可以看出，1999、2004、2010年，三鎮(zhèn)建設用地均呈顯著的空間自相關性，空間聚集特征明顯；而且隨著時間的推移，其空間自相關性逐步增強，也反映了新增建設用地大多分布在已有建設用地周邊，呈“成片蔓延式”擴張的特征。

表3 研究區(qū)域1999—2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表4 1999—2010年三鎮(zhèn)建設用地的全局Moran′s I值

2.3 自然-農(nóng)業(yè)景觀的連通性

三鎮(zhèn)三個時期自然-農(nóng)業(yè)景觀連通性指數(shù)IIC值和PC值如圖4和圖5所示。可以看出，1999年，小湯山和北七家兩鎮(zhèn)的IIC值和PC值均較高，自然和農(nóng)業(yè)用地的空間連通性較好；而東小口鎮(zhèn)的IIC值和PC值均較低，自然和農(nóng)業(yè)用地的空間連通性較差。隨著時間的推移，三鎮(zhèn)IIC值和PC值均不斷下降，受建設用地擴張的影響，自然和農(nóng)業(yè)用地面積不斷減少，斑塊間的距離不斷加大，空間連通性也逐漸降低。特別是小湯山和北七家兩鎮(zhèn)，IIC值分別由0.6833和0.5037下降到0.2442和0.1143，自然和農(nóng)業(yè)用地的空間連通性大幅下降，反映城市擴張對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的完整性和穩(wěn)定性破壞明顯。相比較而言，PC值的下降幅度相對較小。主要原因在于PC在測度過程中，一些破碎化的小型斑塊作為中間斑塊，發(fā)揮墊腳石的作用[30]，提高在IIC測度中不連通的斑塊連通的可能性。

從空間上看，無論是哪一年，IIC和PC均呈現(xiàn)明顯的城鄉(xiāng)梯度，小湯山鎮(zhèn)遠離中心城區(qū)，受城市擴張的干擾破壞相對較小，自然和農(nóng)業(yè)景觀的空間連通性明顯好于北七家和東小口兩鎮(zhèn)；而東小口鎮(zhèn)則靠近中心城區(qū)，受城市擴張的影響較大，自然和農(nóng)業(yè)景觀的空間連通性一直都較差。

圖4 三鎮(zhèn)3個時期生態(tài)用地的景觀整體連通性指數(shù)(IIC)和可能連通性指數(shù)(PC)Fig.4 The values of IIC and PC of ecological landscape in each town

2.4 自然和農(nóng)業(yè)景觀格局變化的驅(qū)動力

城鄉(xiāng)結(jié)合部自然和農(nóng)業(yè)景觀的變化是不同尺度上多種力量共同作用的結(jié)果[31]。考慮到數(shù)據(jù)資料的可獲取性，本研究重點分析三鎮(zhèn)自然和農(nóng)業(yè)景觀的社會經(jīng)濟發(fā)展、土地利用規(guī)劃和公共政策驅(qū)動力。

2.4.1 宏觀社會經(jīng)濟驅(qū)動

由于缺乏足夠鎮(zhèn)域時間序列統(tǒng)計數(shù)據(jù)，三鎮(zhèn)自然和農(nóng)業(yè)景觀變化的驅(qū)動力無法通過統(tǒng)計學模型分析。但是，通過一些零散的數(shù)據(jù)，也可以判斷，近十年當?shù)厣鐣?jīng)濟的快速發(fā)展對自然和農(nóng)業(yè)景觀具有重要影響。2000—2010年，昌平區(qū)地區(qū)生產(chǎn)總值(現(xiàn)價)由58.1億元增加到399.9億元，伴隨的是第二、第三產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。特別是2001年北京奧運會的成功申辦，北部地區(qū)再次成為北京城市空間發(fā)展的重點，帶來奧北地區(qū)經(jīng)濟的繁榮，各類工業(yè)園區(qū)、批發(fā)市場、商業(yè)中心、會展中心、度假村和別墅區(qū)不斷涌現(xiàn)，推動了區(qū)域LUCC。奧北別墅區(qū)已成為北京市三大最知名的別墅區(qū)之一，其中大部分別墅分布在小湯山、北七家和東小口三鎮(zhèn)，加劇了三鎮(zhèn)土地的低密度利用。除了經(jīng)濟發(fā)展外，人口增長也常被認為是城鄉(xiāng)結(jié)合部LUCC的最直接驅(qū)動力[14,32- 33]。城市建成區(qū)面積的增加常常與城市人口的增長具有高度的相關性[34- 35]。根據(jù)全國第五次和第六次人口普查，2000—2010年三鎮(zhèn)常住人口急劇增加，由12.16萬增加到67.58萬，增加457.98%；而同期三鎮(zhèn)建設用地面積由4039.90hm2增加到6799.47hm2，增加68.31%，農(nóng)業(yè)用地面積由8035.47hm2減少到2137.03hm2，減少了73.41%。可見，三鎮(zhèn)人口的增長與建設用地擴張和農(nóng)業(yè)用地的急劇減少存在密不可分的關系。但是，從人均建設用地來看，人口增長對城市建設用地的擴張和農(nóng)業(yè)用地的減少的驅(qū)動作用在三鎮(zhèn)存在較大的差異。2000年三鎮(zhèn)人均建設用地相差不大，均呈低密度發(fā)展模式；但到2010年，三鎮(zhèn)差異懸殊，小湯山人均建設用地高達395.71m2，是東小口的7.49倍，北七家的3.87倍；十年間東小口和北七家人均建設用地大幅下降，而小湯山卻小幅上升。從這一角度來看，人口的增長和建設用地的擴張、以及農(nóng)業(yè)用地的減少并非簡單的因果關系，而是一種相互促進的關系。一方面，三鎮(zhèn)作為中心城區(qū)疏散人口的重要目的地，住房需求旺盛，促進了居住區(qū)和配套商業(yè)區(qū)的迅猛發(fā)展，以及建設用地的急劇擴張和農(nóng)業(yè)用地的急劇較少；加上流動人口的大量涌入，也帶動了當?shù)亍巴咂?jīng)濟”[36]的繁榮，私搭亂建泛濫，加劇了建設用地的無序擴張。另一方面，土地財政促使地方政府大力推動工業(yè)園區(qū)、商業(yè)中心、批發(fā)市場的建設，促進土地的城鎮(zhèn)化，并創(chuàng)造眾多就業(yè)機會，促進人口的遷入和聚集。

2.4.2 土地利用規(guī)劃驅(qū)動

土地利用規(guī)劃往往控制著土地利用方向和規(guī)模，對區(qū)域LUCC具有不可忽視的影響。城鄉(xiāng)結(jié)合部作為多尺度地理空間的一部分，自然和農(nóng)業(yè)景觀的演變自然受到多尺度土地利用規(guī)劃的影響。

在市級層面，1993年出臺的《北京市城市總體規(guī)劃(1991—2010年)》中就明確要求，促進城市發(fā)展重點逐步從市區(qū)向郊區(qū)轉(zhuǎn)移，建立由市區(qū)、衛(wèi)星城、中心鎮(zhèn)和一般建制鎮(zhèn)組成的四級城鎮(zhèn)體系，昌平區(qū)作為規(guī)劃中的14個衛(wèi)星城之一，需要承擔市區(qū)延伸的部分功能。2005年出臺的《北京市城市總體規(guī)劃(2004—2020)》進步一提出了構建“兩軸-兩帶-多中心”的城市空間結(jié)構，昌平屬于“兩帶”中的“西部發(fā)展帶”，并被規(guī)劃為11個新城之一，承擔疏解中心城區(qū)人口和功能、集聚新的產(chǎn)業(yè)，帶動區(qū)域發(fā)展的功能；同時，規(guī)劃將北京市域范圍劃分四個次區(qū)域，昌平山前平原被劃分為西部次區(qū)域，作為北京市城市未來發(fā)展的重要地區(qū)。《北京市土地利用總體規(guī)劃(2006—2020年)》把北京市劃分為四大土地利用區(qū)，其中，昌平平原區(qū)被劃分為城市發(fā)展新區(qū)，作為北京發(fā)展現(xiàn)代制造業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主要載體，也是北京疏散中心城區(qū)產(chǎn)業(yè)與人口的重要區(qū)域。城市發(fā)展新區(qū)的規(guī)劃定位，使北京市在建設用地供給、產(chǎn)業(yè)布局方面向昌平平原區(qū)傾斜，促進了人口和產(chǎn)業(yè)的聚集，也導致了農(nóng)業(yè)景觀的大量喪失。根據(jù)北京市第五次、第六次人口普查數(shù)據(jù)，2000—2010年，昌平區(qū)常住人口增加了170.08%，是北京市常住人口增長率最大的區(qū)縣，而這些新增的常住人口也多聚集于接近北京中心城區(qū)的昌平平原區(qū)。

在區(qū)級層面，《昌平區(qū)土地利用總體規(guī)劃(2001—2010年)》在“重點建設用地規(guī)模和布局”規(guī)劃中指出，小湯山和北七家是規(guī)劃期內(nèi)全區(qū)重點安排建設用地的兩個試點小鎮(zhèn)，東小口則成為市區(qū)邊緣集團的組成部分，主要安排市區(qū)的部分居住和工作用地。《昌平新城規(guī)劃 2005—2020》提出構建昌平區(qū)“兩軸一帶，多點一城”的區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間總體布局和“新城-重點鎮(zhèn)-一般鎮(zhèn)-邊緣集團”的城鎮(zhèn)結(jié)構；在產(chǎn)業(yè)布局方面，東小口、北七家和小湯山三鎮(zhèn)均隸屬于兩軸之一的“東部發(fā)展軸”，主要承擔高檔居住、休閑旅游及生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)；在城鎮(zhèn)布局方面，北七家和小湯山為重點鎮(zhèn)，東小口為城市邊緣集團。規(guī)劃中三鎮(zhèn)的定位分別為：東小口主要發(fā)揮為中心城內(nèi)疏散人口的居住功能；北七家為北京市域北部為昌平及周邊地區(qū)服務的商業(yè)物流中心，綠色生態(tài)環(huán)境建設區(qū)之一，昌平區(qū)東南部農(nóng)村城鎮(zhèn)化的主要承載地；小湯山鎮(zhèn)為昌平東部的中心城鎮(zhèn)，北京的旅游、度假、康復療養(yǎng)、觀光基地，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)。由上可見，昌平區(qū)級規(guī)劃已將三鎮(zhèn)定位為重要的產(chǎn)業(yè)布局和城鎮(zhèn)化區(qū)域。而從近年來的發(fā)展趨勢來看，三鎮(zhèn)基本上按照區(qū)級規(guī)劃中的功能定位實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和人口布局。如東小口已建成天通苑、回龍觀東區(qū)等大型生活小區(qū)，常住人口也由2000年的4.41萬人增加到2010年的35.94萬人，居住功能凸顯；北七家已成為北京市北部重要的物流和服務性行業(yè)聚集區(qū)；小湯山已經(jīng)形成了以九華山莊為龍頭、近50家骨干企業(yè)為核心的溫泉旅游會展資源集群。

除綜合性規(guī)劃外，北京市兩道環(huán)城綠化隔離帶的規(guī)劃建設是三鎮(zhèn)包括林地和草地在內(nèi)的自然用地面積不斷增加的重要驅(qū)動因素。2000年，北京市編制完成《北京市區(qū)綠化隔離地區(qū)總體規(guī)劃》，并全面啟動第一道綠化隔離帶的建設工作。東小口鎮(zhèn)大部分地域在第一道綠化隔離帶范圍內(nèi)，2000年開始實施“退耕還綠”，大片的耕地和水域被轉(zhuǎn)換為林地和草地(圖2)，到2001年已完成1.2萬畝的綠化建設任務。2003年，北京市批復《北京市第二道綠化隔離地區(qū)規(guī)劃》，啟動第二道綠化隔離建設工作。第二道綠化隔離地區(qū)范圍是五環(huán)路至六環(huán)路，北七家鎮(zhèn)大部分地域、東小口和小湯山的部分地域?qū)儆诰G化隔離帶中的楔形或組團間綠色限建區(qū)，要求空間建設用地比例，提高綠化覆蓋率。綠色隔離帶的規(guī)劃建設助推了三鎮(zhèn)綠化覆蓋率的提高，大片耕地通過“退耕還綠”、部分舊村改造所騰退出來的土地通過綠化轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒莸亍Ｈ欢本┦芯G化隔離地區(qū)的政策，更多地強調(diào)“綠化”，政府在缺乏足夠?qū)嵤┵Y金的情況下，推出提出了“以綠養(yǎng)綠”的妥協(xié)性政策，通過犧牲一部分綠化面積進行土地開發(fā)以籌集綠化資金，而沒有按照規(guī)劃對建設用地擴張進行嚴格限制，導致綠色限建區(qū)建設用地面積比例遠超過規(guī)劃目標。

2.4.3 政策驅(qū)動

新千年以來，北京市陸續(xù)出臺的一系列土地政策，在推動北京市城鄉(xiāng)結(jié)合部自然和農(nóng)業(yè)景觀變化中發(fā)揮重要作用。特別是土地招拍掛制度以及建設用地儲備和供應制度的建立，對北京市土地市場造成巨大影響，進而影響到城鄉(xiāng)結(jié)合部地區(qū)的土地利用格局。在2002年以前，北京市土地使用權出讓方式幾乎全部為協(xié)議出讓，政府部門常常采取大量低價供地方式吸引開發(fā)商開發(fā)，促進地方經(jīng)濟的發(fā)展。2002年以后，北京市相繼出臺了一系列政策推動土地儲備和招拍掛制度的建立，到2004年，已全面落實經(jīng)營性土地使用權的招拍掛政策，強調(diào)在土地使用權出讓中發(fā)揮市場對資源基礎性配置作用。同時，為了促進土地的集約節(jié)約利用，2005年，北京市出臺《北京市國有建設用地供應辦法》，用“年度供應計劃”來調(diào)控土地市場，造成土地市場緊缺。土地市場的建立，使農(nóng)業(yè)用地必須在土地市場上與競租價格更高的建設用地進行競爭。當農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楂@得許可的建設用地時，其價格急劇上升，這對當?shù)卣⑥r(nóng)村集體組織以及農(nóng)戶出賣土地使用權具有極大經(jīng)濟刺激作用[37]。加上土地限制供應，近郊區(qū)縣政府更傾向于出讓靠近城市中心區(qū)、土地競拍價格更高的土地，以獲取更大的土地收益。但同時也會造成靠近中心城區(qū)的城鄉(xiāng)結(jié)合部地區(qū)建設用地的急劇擴張。

農(nóng)村集體經(jīng)濟組織產(chǎn)權制度改革也是城鄉(xiāng)結(jié)合部農(nóng)村城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)用地流失的重要驅(qū)動因素。自2003年2月起，北京市開始在昌平區(qū)東小口鎮(zhèn)的白坊、獅子營兩個村進行農(nóng)村集體經(jīng)濟組織產(chǎn)權制度改革試點工作，此后逐年推進。截止2010年底，三鎮(zhèn)大部分行政村已完成改革工作。該項改革在按人口確定農(nóng)戶土地承包經(jīng)營權的基礎上，將農(nóng)戶土地承包經(jīng)營權轉(zhuǎn)化為股權，農(nóng)戶依據(jù)所持有的土地股權參與集體土地經(jīng)營收益的分紅。它保護了城市化過程中失地農(nóng)民利益，提高了農(nóng)民參與城市化和城鄉(xiāng)經(jīng)濟社會一體化建設的積極性和主動性[38]，耕地保護意愿降低。況且為了提高集體土地經(jīng)營收益，農(nóng)戶和村集體更愿意將土地用途從農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)槭找娓叩牡诙偷谌a(chǎn)業(yè)建設用地。因此，可以說農(nóng)村集體經(jīng)濟組織產(chǎn)權制度改革是城鄉(xiāng)結(jié)合部農(nóng)業(yè)景觀不斷減少的助推劑。

此外，北京市郊舊村改造工作在改變城郊農(nóng)村居民點用地空間格局中發(fā)揮重要作用。北京市的舊村改造工作始于20世紀80年代，先后對北京市郊區(qū)的一些試點村進行了改造。但當時的舊村改造缺乏必要的政策支撐，多零散進行，難以大規(guī)模推進。2005年北京市政府出臺《北京市遠郊區(qū)舊村改造試點指導意見》，主要目的在于改變城郊舊村不符合可持續(xù)發(fā)展要求的低效率的土地利用模式；規(guī)定新村建設人均用地總量要控制在150km2以內(nèi)，并把“舊村改造完成后，除山區(qū)村莊外，應至少節(jié)約出40%左右的發(fā)展用地”作為舊村改造完成后的驗收標準之一。舊村改造在促進農(nóng)村集體土地騰退、減少建設用地浪費、以及農(nóng)村城市化中發(fā)揮著重要作用。本研究中，三鎮(zhèn)一些零散分布的建設用地在研究期內(nèi)轉(zhuǎn)換為自然和農(nóng)業(yè)用地(圖3)，大多為舊村拆遷改造所騰退出來的土地。但是在舊村改造政策中，為了支持農(nóng)村后續(xù)經(jīng)濟發(fā)展，允許整理出來的多余建設用地建設公租房或酒店產(chǎn)業(yè)，而且一些村莊打著舊村改造的旗號，違規(guī)建設小產(chǎn)權房，使一些村莊建設用地超標，反倒加劇了土地的低效利用。

3 結(jié)論

城鄉(xiāng)結(jié)合部自然和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是確保城市生態(tài)安全的重要基礎。但是城市的快速擴張常常使這些極為重要的自然和農(nóng)業(yè)景觀快速減少，造成區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和服務功能的急劇下降。本研究以北京市城鄉(xiāng)結(jié)合部3個典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)為例，開展快速城市化背景下城鄉(xiāng)結(jié)合部自然和農(nóng)業(yè)景觀的時空演變規(guī)律和驅(qū)動因素研究，希望見微知著，為我國大城市城鄉(xiāng)結(jié)合部地區(qū)土地利用規(guī)劃和生態(tài)保護政策的制定提供科學支撐。研究得出如下結(jié)論：

(1)1999—2010年，三鎮(zhèn)經(jīng)歷了劇烈的LUCC過程。建設用地急劇擴張，伴隨的是農(nóng)業(yè)用地和水域面積的急劇減少；而得益于北京市城市綠化和兩道環(huán)城綠化隔離帶的建設，三鎮(zhèn)林地和草地面積大幅增加，有異于很多城市城鄉(xiāng)結(jié)合部林地和草地面積隨著城市的擴張而不斷減少的趨勢。

(2)三鎮(zhèn)各類土地利用類型間存在劇烈的相互轉(zhuǎn)換過程。城市擴張使大片的農(nóng)業(yè)用地和大量零散分布但卻極其重要的林地和水域轉(zhuǎn)換為城市建設用地；同時，城市新區(qū)的綠化和兩道環(huán)城綠化隔離帶的建設，也使大量的農(nóng)業(yè)用地和農(nóng)村居民點通過“退耕還綠”和“拆遷改造”等轉(zhuǎn)換為林地和草地。盡管林地和草地總面積大幅增加，但伴隨的是原有的人工成熟林和天然次生林生境的大量喪失。

(3)三鎮(zhèn)新增建設用地大多分布于原有建設用地的周邊，呈“成片蔓延”和“攤大餅”式的擴張?zhí)卣鳌Ｒ延薪ㄔO用地在空間上對相鄰區(qū)域具有擴散效應，導致建設用地斑塊面積的不斷增大，以及周邊自然和農(nóng)業(yè)景觀的不斷減少，并導致建成區(qū)自然和農(nóng)業(yè)景觀的可達性和人居環(huán)境的不斷惡化。

(4)伴隨建設用地的急劇擴張，三鎮(zhèn)自然和農(nóng)業(yè)景觀連通性急劇下降，城市擴張對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構的連通性、過程的連續(xù)性和服務功能的穩(wěn)定性破壞明顯。在空間上，三鎮(zhèn)自然和農(nóng)業(yè)景觀連通性呈現(xiàn)明顯的城鄉(xiāng)梯度，離中心城區(qū)越遠的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，自然和農(nóng)業(yè)景觀連通性也越好。

(5)城鄉(xiāng)結(jié)合部自然和農(nóng)業(yè)景觀格局的演變是社會經(jīng)濟發(fā)展、土地利用規(guī)劃、公共政策等多種因素共同作用的結(jié)果。人口增加、經(jīng)濟增長是城鄉(xiāng)結(jié)合部自然和農(nóng)業(yè)景觀變化最為直接的驅(qū)動力；但是土地利用規(guī)劃和公共政策通過控制用地規(guī)模、影響人口和產(chǎn)業(yè)布局等，對城鄉(xiāng)結(jié)合部自然和農(nóng)業(yè)景觀的演變也具有不容忽視的影響。限制城市建設用地的無序擴張政策的制定，需要考慮其驅(qū)動力的多維性和復雜性，采取更為綜合的措施，而不應僅僅依賴于環(huán)城綠化隔離帶的規(guī)劃和建設。

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The impact of the urban sprawl on natural and agricultural landscape at the urban-rural interface of Beijing: taking three towns of Changping District for example

HUANG Baorong1, ZHANG Huizhi2,*, WANG Xuezhi3

1InstituteofPolicyandManagement,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China2BeijingAcademyofAgricultureandForestrySciences,Beijing100097,China3ComputerNetworkInformationCenter,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China

Natural and agricultural landscape at the urban-rural interface is the important foundation to ensure the urban ecological security. Studying the spatio-temporal evolution of natural and agricultural landscape and its driving forces at the urban-rural interface in the context of the rapid urbanization can provide scientific support for some protection policies formulation and implementation. This paper investigates the spatial pattern of land use/land cover (LULC) in three typical townships at the urban-rural interface of Beijng by interpreting the 1999, 2004 and 2010 SPOT images. One this basis, with ArcGIS spatial overlay function and land use transition matrix, this paper tries to further investigate the spatio-temporal evolution of LULC in the study area. At the same time, the spatial autocorrelation of build land and the landscape connectivity of natural and agricultural land are measured to analysis the impact of urban sprawl on the pattern and stability of natural and agricultural ecosystems. Finally, using a combination of quantitative and qualitative methods, the driving forces of the change of natural and agricultural landscape in the study area are analyzed. The results show that, from 1999 to 2010, the town experienced a dramatic process of LUCC; build land, woodland and grassland substantially increased, accompanied by a sharp reduction of agricultural land and water area. There is dramatic mutual transfer between the various land use types, especially from agricultural land to build land, woodland, grassland, and from woodland to build land. Most of the new build land located in the neighbourhood of the existing build land, implying that the existing built-up areas have a greater influence on urban expansion. The rapid expansion of build land caused the sharp decline of the landscape connectivity of natural and agricultural land, and endangering the structural integrity and the functional stability of ecosystem in the study area. Socio-economic development, land use planning and public policy which jointly determined the LUCC structure, size and spatial distribution, were the main driving forces of pattern evolution of natural and agricultural landscape in the three towns.

urban-rural interface; land use/cover change; natural and agricultural landscape; landscape connectivity; driving forces

國家自然科學基金 (40901300); 全國生態(tài)環(huán)境十年(2000—2010 年) 變化遙感調(diào)查與評估項目(STSN- 04- 05); 中國科學院科技政策與管理研究所“一三五”重大任務“中國綠色低碳發(fā)展路線圖研究”(Y201131Z05)

2013- 02- 21; 網(wǎng)絡出版日期:2014- 03- 14

10.5846/stxb201302210287

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhanghuang1976@163.com

黃寶榮, 張慧智, 王學志.城市擴張對北京市城鄉(xiāng)結(jié)合部自然和農(nóng)業(yè)景觀的影響——以昌平區(qū)三鎮(zhèn)為例.生態(tài)學報,2014,34(22):6756- 6766.

Huang B R, Zhang H Z, Wang X Z.The impact of the urban sprawl on natural and agricultural landscape at the urban-rural interface of Beijing: taking three towns of Changping District for example.Acta Ecologica Sinica,2014,34(22):6756- 6766.