北京郊區(qū)土地利用變化及其生態(tài)效應研究

萬 利, 孫麗慧, 譚 靖, 田自強

(1.農業(yè)部 資源遙感與數(shù)字農業(yè)重點開放實驗室, 北京 100081;2.中國環(huán)境科學研究院 流域水生態(tài)保護技術研究室, 北京 100012; 3.北京東方泰坦科技股份有限公司, 北京 100083)

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北京郊區(qū)土地利用變化及其生態(tài)效應研究

萬 利1,2, 孫麗慧2, 譚 靖3, 田自強2

(1.農業(yè)部 資源遙感與數(shù)字農業(yè)重點開放實驗室, 北京 100081;2.中國環(huán)境科學研究院 流域水生態(tài)保護技術研究室, 北京 100012; 3.北京東方泰坦科技股份有限公司, 北京 100083)

以京郊3個具有不同功能的區(qū)(縣)為例，利用從1996年、2005年TM影像中獲取的土地利用數(shù)據(jù)，在分析研究區(qū)近10年的土地利用變化的基礎上，通過構建生態(tài)價值指數(shù)(EVI)和土地利用變化的生態(tài)價值轉移率(TREV)，從土地利用變化所引起的各類型間生態(tài)價值轉移的方向、幅度等方面對北京郊區(qū)土地利用變化的生態(tài)效應進行定量研究。結果表明：1996—2005年研究區(qū)的林地、草地、建設用地增加，而耕地、水域和未利用地減少，各土地利用類型的變化速度依次為建設用地>水域>耕地>草地>林地>未利用地；從區(qū)域看，土地利用相對變化速率從快到慢依次是城市功能拓展區(qū)(朝陽區(qū))、城市發(fā)展新區(qū)(順義區(qū))、生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)(密云縣)；從類型變化看，以耕地、水域的轉出和建設用地的轉入為主。研究時段內研究區(qū)的生態(tài)價值指數(shù)總體呈下降的趨勢，各區(qū)縣的區(qū)域生態(tài)價值指數(shù)差異較大，且相對差異還在擴大，其指數(shù)下降速度從快到慢依次是朝陽區(qū)、順義區(qū)、密云縣；同時從分布變化看，EVI中值波動區(qū)減少，EVI較低區(qū)和EVI低值區(qū)增加，導致了研究區(qū)總生態(tài)價值指數(shù)有所下降。

土地利用; 生態(tài)效應; 北京市; GIS

自從1995年國際地圈與生物圈計劃(IGBP)和國際全球變化人文因素計劃(IHDP)共同推出土地利用/土地覆被變化(Land Use and Land Cover Change，LUCC)計劃以來，區(qū)域LUCC及其生態(tài)環(huán)境效應就一直是國際LUCC研究的重要內容之一[1-2]。LUCC可引起許多自然現(xiàn)象和生態(tài)過程的變化，如土壤養(yǎng)分和水分的變化，生物多樣性的分布和生物地球化學循環(huán)等[3]，并且LUCC所造成的影響也遠遠超出其所在的時空范圍[4]。深入研究土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應對了解區(qū)域的生態(tài)環(huán)境變化，促進區(qū)域經(jīng)濟與環(huán)境的協(xié)調發(fā)展具有重要意義。

目前，土地利用變化的生態(tài)效應研究主要分為3類：(1) LUCC對區(qū)域氣候、土壤、水文以及生物多樣性等單個環(huán)境要素的影響研究[5-12]；(2) 在生態(tài)系統(tǒng)服務功能的基礎上，通過對各土地利用類型定量賦值來綜合評價土地利用變化的生態(tài)環(huán)境效應[13-14]；(3) 通過計算景觀指數(shù)來分析土地利用變化產生的景觀生態(tài)效應[15-17]。由于LUCC與各環(huán)境要素間的相互作用機制的復雜性，國內外現(xiàn)有的土地利用變化的生態(tài)效應研究還主要集中于區(qū)域土地利用變化的區(qū)域氣候、水文效應及對生物多樣性的影響等環(huán)境要素的單因素定性相關分析[5-12]，針對特定區(qū)域LUCC的綜合生態(tài)環(huán)境效應的定量分析相對較少。

城市是人類活動發(fā)生的主體區(qū)域。人類活動的影響并不僅僅局限于城市本身，往往蔓伸至周邊區(qū)域。城市的擴展蔓延和強烈的人類活動明顯影響著生態(tài)系統(tǒng)的服務功能。快速城市化區(qū)域是目前受人類活動干擾最為劇烈的生態(tài)系統(tǒng)，是土地和生態(tài)問題研究的熱點區(qū)域[18-24]。本文以京郊3個不同功能區(qū)(縣)為例，借助遙感技術獲取具有時空變化的土地利用數(shù)據(jù)，利用GIS技術從土地利用類型變化的數(shù)量、速度以及相互間的轉化幾方面分析研究區(qū)近10年的土地利用動態(tài)變化特征。同時，以生態(tài)系統(tǒng)服務功能衡量相應土地利用類型的相對生態(tài)價值，通過運用生態(tài)價值指數(shù)和構建土地利用變化的生態(tài)價值轉移率，嘗試從土地利用變化所引起的各類型間生態(tài)價值轉移的方向、轉移的幅度和生態(tài)價值指數(shù)變化的空間分布等方面，對研究區(qū)1996—2005年土地利用變化的生態(tài)效應開展定量研究。旨在從更深層次上揭示快速城市化過程中該區(qū)域土地利用變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響，為該區(qū)域土地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護與建設提供重要的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市的東北部，包括朝陽區(qū)、順義區(qū)和密云縣，總面積為3 684.05 km2。依據(jù)《北京市“十一五”時期功能區(qū)域發(fā)展規(guī)劃》，它們分別為城市功能拓展區(qū)、城市發(fā)展新區(qū)、生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)，總面積為3 684.05 km2。朝陽區(qū)位于北京沖洪積平原中部，地形平坦開闊，境內無山，地勢西北高東南低，是實現(xiàn)和拓展首都城市性質功能的重要區(qū)域；順義區(qū)地處燕山南麓的華北平原北部邊緣，屬于潮白河沖積扇的中、下段。地勢北高南低，平原占全區(qū)總面積的95.7%，是中心城人口與職能疏解的主要載體，同時也是未來北京經(jīng)濟重心所在；密云縣地處華北平原與蒙古高原的過渡地帶，屬燕山山脈，境內山巒起伏，地勢自北向西南傾斜，呈中部低緩、西南開闊的簸箕形；區(qū)內山地植被豐富，是國家“三北”防護林和密云水庫水源涵養(yǎng)林的重要組成部分；并有華北地區(qū)最大的水利工程——密云水庫，山地和水面占縣域面積的90%，林木覆蓋率在61%以上，是北京的生態(tài)屏障和水源保護地，是保證北京可持續(xù)發(fā)展的關鍵區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究區(qū)土地利用變化數(shù)據(jù)主要來源于1996年、2005年的Landsat TM影像解譯數(shù)據(jù)。為了滿足數(shù)據(jù)的可比性，選取季相較為一致，無云，質量較好，軌道號為123/32的兩期Landsat TM(1996-06-30，2005-07-25)影像為基礎數(shù)據(jù)，并以中科院資源環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫的北京市1∶500 000行政區(qū)劃圖、2004年1∶100 000土地利用現(xiàn)狀圖、1∶50 000地形圖、1∶50 000土壤圖和1∶50 000植被圖為輔助數(shù)據(jù)，在ERDAS IMAGINE 8.7遙感影像處理與地理信息系統(tǒng)軟件支持下，對兩個時期的北京市TM影像進行波段合成、幾何糾正、圖像增強等處理；根據(jù)建立的解譯標志，在ArcGIS 9.2的Arcedit中進行人機交互式判讀解譯；運用GPS進行外業(yè)精度調查驗證，并將所得數(shù)據(jù)在ArcInfo Workstation環(huán)境下進行編輯和修改；通過ERDAS IMAGINE中的精度評估模塊，結合野外實測數(shù)據(jù)對分類的影像進行檢驗，分類精度達90%以上；最后利用研究區(qū)2004年1∶100 000土地利用現(xiàn)狀圖對分類后影像進行修正，得到北京市兩期土地利用圖。該土地利用圖采用中科院資源環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫的6大類分類法，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6個類型。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化分析方法 利用1996年、2005年的兩期土地利用圖，從土地利用類型變化的數(shù)量、速度以及相互間的轉化幾個方面進行土地利用變化的分析，其中變化的數(shù)量為研究初期、末期的面積差值；變化速度用土地利用動態(tài)度，包括單一土地利用動態(tài)度(Single Dynamic Degree of Land Use，SDLU)和綜合土地利用動態(tài)度(Comprehensive Dynamic Degree of Land Use，CDLU)來分析；各土地利用類型的相互轉化情況用馬爾柯夫轉移矩陣來描述，具體方法參考相關文獻[4,25-26]。

1.3.2 土地利用變化的生態(tài)效應評價方法 土地利用通過區(qū)域生態(tài)進程和服務間的相互作用直接影響區(qū)域生態(tài)服務價值[27-28]。土地利用類型和生態(tài)系統(tǒng)類型密切相關，通過生態(tài)服務價值可以將土地利用類型和生態(tài)系統(tǒng)類型關聯(lián)起來?？紤]到在中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值中，測算的某些數(shù)據(jù)可能存在較大偏差[29]。為消除或減弱這種偏差對研究結果的影響，本文參照謝高地等[29]提出的“中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值”之間的比例關系，并結合研究區(qū)的實際情況，確定不同土地利用類型的相對生態(tài)價值[13](Relative Ecological Value，REV)(表1)。

表1 研究區(qū)不同土地利用類型的相對生態(tài)價值 元/(hm2·a)

其中，林地的生態(tài)價值為最高，將其相對生態(tài)價值賦為1.0；耕地依其與林地生態(tài)服務功能的中國平均值之間的比例關系，賦值為0.316；草地依其與林地生態(tài)服務功能的中國平均值之間的比例關系，賦值為0.331；由于研究區(qū)水域季節(jié)性強，實際生態(tài)系統(tǒng)服務功能低于林地，其賦值相應降低；而建設用地與未利用地因為謝高地等研究中缺乏相關數(shù)據(jù)而未進行估價，其賦值參照當?shù)貙嶋H及與其他土地利用類型生態(tài)價值的比例關系而定。然后在不同土地利用類型的相對生態(tài)價值的基礎上，通過構建生態(tài)價值指數(shù)和土地利用變化的生態(tài)價值轉移率來實現(xiàn)區(qū)域土地利用/土地覆被變化的生態(tài)效應的定量評價。具體如下：

(1) 生態(tài)價值指數(shù)(Ecological Value Index，EVI)。該指數(shù)是在綜合考慮研究區(qū)域內各土地利用類型的面積比例和其相應的相對生態(tài)價值的情況下，定量表征一定土地利用格局下區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量的總體狀況，其數(shù)學表達式[30]為：

EVIi=ViRi

(1)

(2)

式中：EVIi——第i種土地利用類型的生態(tài)價值指數(shù)；EVI——整個區(qū)域總的生態(tài)價值指數(shù)；Vi——某一土地利用類型的相對生態(tài)價值；Ri——第i種土地利用類型在整個研究區(qū)中的面積百分比；m——土地利用類型的數(shù)量。

(2) 構建土地利用變化的生態(tài)價值轉移率(Transfer Rate of the Ecological Value，TREV)。該指數(shù)是在綜合考慮研究區(qū)域內各土地利用類型之間轉移的面積及其相應的土地利用類型的相對生態(tài)價值的情況下，定量表征土地利用變化所引起的各類型間生態(tài)價值轉移的方向和幅度，從而實現(xiàn)對區(qū)域土地利用變化的生態(tài)效應進行定量研究。其數(shù)學表達式如下：

TREVi→j=[(Vi-Vj)Ri→j/T]×100%

(3)

式中：Ri→j——第i種土地利用類型向第j種土地利用類型轉移的面積；Vi，Vj——第i種和第j種土地利用類型的相對生態(tài)價值；T——某一區(qū)域各轉移類型的總生態(tài)價值指數(shù)。

2 土地利用變化分析

2.1 土地利用變化的數(shù)量和速度

1996—2005年，隨著北京城市化的快速發(fā)展，研究區(qū)各土地利用類型有大量的轉出和轉入，土地利用類型的數(shù)量和結構均發(fā)生了較大的改變。耕地和林地是研究區(qū)的主要土地利用類型(附圖2)，其總和占研究區(qū)總土地面積的61%以上。草地、建設用地面積增加，比重分別增加到10.86%，21.70%，其中建設用地的增加速度最快，變化率達到46.32%。耕地大幅度減少，北京雖然每年都以土地整理、復墾、農業(yè)結構調整等方式增加耕地，但增加速度遠小于耕地減少的速度，1996—2005年共減少189.08 km2，占1996年耕地面積的16.63%。水域減少速度最快，9年間變化率為-27.26%，減幅達到-72.19 km2。1996—2005年各土地利用類型面積變化大小依次為建設用地>耕地>水域>草地>林地>未利用地。

從表2—3可以看出，耕地的平均減速是21.01 km2/a，其中相對減速最快的是朝陽區(qū)，動態(tài)度為-3.57%；水域的平均減速是8.02 km2/a，其中相對減速最快的是密云縣，動態(tài)度為-3.63%；建設用地的平均增速是28.12 km2/a，密云縣是增速最快的，動態(tài)度為10.66%，其次是順義區(qū)，其動態(tài)度為8.03%，說明建設用地在不斷向遠郊擴張；林地在朝陽區(qū)、順義區(qū)和密云縣均為減少，其中朝陽區(qū)的林地相對變化速率最快，動態(tài)度為-3.08%；除順義區(qū)外，未利用地在朝陽區(qū)和密云縣均呈增加趨勢，增加速率相差不大。單一土地利用類型動態(tài)度的分析表明，研究區(qū)土地利用類型的變化速度依次為建設用地>水域>耕地>草地>未利用地>林地。從綜合土地利用動態(tài)度(表3)來看，各區(qū)縣從1996—2005年的土地利用相對變化速率不大，但存在區(qū)域差異，其中朝陽區(qū)的相對變化速率最快，綜合土地利用動態(tài)度為0.13%，其次是順義區(qū)，密云縣的相對變化速率最慢。

2.2 土地利用變化的方向

由土地利用轉移矩陣可知，研究區(qū)各土地利用類型之間的相互轉化都存在(表4)，其中耕地和水域的轉出率較高，建設用地的轉入率較高。耕地平均每年遞減1.85%，水域平均每年遞減3.03%，而建設用地的年平均遞增率為5.15%。相比之下，林地、草地、未利用地的年變化率不大，分別為-0.10%，0.58%，-0.12%(表3)。轉化面積在10 km2以上的有8種，根據(jù)面積大小依次為：耕地轉為建設用地、水域轉為草地、水域轉為耕地、林地轉為建設用地、建設用地轉為耕地、草地轉為建設用地、水域轉為建設用地(表4)。

表2 研究區(qū)土地利用變化

表3 研究區(qū)1996-2005年土地利用動態(tài)變化指數(shù) %

另外，從表4還可以看：(1) 林地是研究區(qū)相對穩(wěn)定的土地利用類型，向其他土地利用類型轉化的面積只占很小的比例(2.24%)，建設用地是林地轉出的主要方向；(2) 耕地、水域均屬于變化較大的土地利用類型，耕地約20.01%轉為建設用地，水域約13.77%轉為草地，約12.61%轉為耕地。其中被建設用地占用的耕地主要是以遠郊平原區(qū)(順義)的優(yōu)質耕地為主，其數(shù)量占研究區(qū)全部耕地面積減少量的50%以上；(3) 建設用地向其他類型轉化的面積較少，本身面積還一直呈上升趨勢，很大一部分是由耕地轉出而來；(4) 草地主要向建設用地轉化，但轉移比例較小；(5) 未利用地的比重較小(0.42%)，轉出率較低且主要向耕地和建設用地轉化，原因是未利用地中荒草地所占比例較高，裸巖地開發(fā)利用難度大，且大部分散落分布在基礎設施條件差的山區(qū)，未利用地可供開發(fā)利用潛力較小，因此也是研究區(qū)相對穩(wěn)定的土地利用類型?？偟膩碚f，研究區(qū)土地利用變化幅度大，變化類型多樣，以耕地、水域的轉出和建設用地的轉入類型為主。

3 土地利用變化的生態(tài)效應分析

3.1 總體生態(tài)效應

區(qū)域生態(tài)價值指數(shù)的總變動是區(qū)域內各土地利用類型變化綜合作用的結果。1996—2005年研究區(qū)生態(tài)價值指數(shù)總體呈下降的趨勢，由1996年的0.563 5下降到2005年的0.531 7，區(qū)域變化率為-5.64%(表5)。耕地、林地、水域、未利用地的生態(tài)價值指數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢，其中水域的生態(tài)價值指數(shù)下降最多，為-0.017 0；草地、建設用地的生態(tài)價值指數(shù)有所上升，建設用地的生態(tài)價值指數(shù)上升最多，為0.002 7。在相當程度上這兩種趨勢相互間抵消，使其總體上維持相對穩(wěn)定，區(qū)域整體的生態(tài)價值指數(shù)波動不是太大，大致維持在0.55左右的水平。因此區(qū)域生態(tài)價值指數(shù)的穩(wěn)定并不意味著生態(tài)環(huán)境沒有發(fā)生改變。由表6可以看出，耕地轉為林地的生態(tài)價值轉移率為74.71%，是導致研究區(qū)生態(tài)改善的主導土地利用轉移類型。耕地轉為建設用地(45.69%)、林地轉為建設用地(14.82%)、水域轉為耕地(13.28%)的生態(tài)價值轉移率之和為73.79%，是導致研究區(qū)生態(tài)環(huán)境退化的主導土地利用轉移類型。因此，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境改善的主要原因是具有相對較低的生態(tài)價值的土地利用類型(主要是耕地)轉化為具有相對較高的生態(tài)價值的土地利用類型(如林地、水域等)。而大量耕地被建設用地所占用，是研究區(qū)生態(tài)環(huán)境退化的主要原因。

表4 研究區(qū)1996-2005年土地利用轉移矩陣

注：Bij表示k時期i種土地利用類型轉變?yōu)閗+1時期j種土地利用類型的比例，Cij表示k+1時期的j種土地利用中由k時期的i種土地利用類型轉化而來的比例。

表5 研究區(qū)土地利用生態(tài)價值變化

表6 土地利用變化的正、反向生態(tài)價值轉移率 %

注：正向生態(tài)價值轉移率為正，反向生態(tài)價值轉移率為負。

3.2 生態(tài)效應的時空分異

由于各區(qū)縣受城市擴散影響的程度及經(jīng)濟發(fā)展水平各不相同，研究區(qū)內各區(qū)縣的土地利用類型的地域分布差異明顯，其區(qū)域生態(tài)價值指數(shù)高低懸殊、差異較大，并且相對差異還在擴大。1996年研究區(qū)的區(qū)域生態(tài)價值指數(shù)極大值是極小值的4.46倍，2005年增加為5.66倍(表7)。結合北京市行政功能區(qū)劃進一步分析發(fā)現(xiàn)，城市功能拓展區(qū)——朝陽區(qū)的區(qū)域生態(tài)價值指數(shù)最低，并且下降速度最快，1996—2005年的區(qū)域生態(tài)變化率為-21.45%；城市發(fā)展新區(qū)——順義區(qū)的建設用地面積大幅度增加，耕地面積顯著減少，各地類(建設用地除外)的生態(tài)價值系數(shù)都在減少，以耕地的生態(tài)價值系數(shù)減少最為顯著，該區(qū)的區(qū)域生態(tài)價值指數(shù)在1996—2005年下降，下降速度僅次于朝陽區(qū)，區(qū)域生態(tài)變化率為-13.68%；生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)——密云縣耕地、水域面積減少，林地、草地、建設用地面積增加，區(qū)域生態(tài)變化率為-3.31%，區(qū)域生態(tài)價值指數(shù)下降速度最慢，主要原因是密云縣林地較多，植樹造林、退耕還林生態(tài)改善作用較大。但林地和草地面積的增加所帶來的生態(tài)價值指數(shù)的增加不能補償因建設用地面積增加和耕地面積減少而引起的區(qū)域生態(tài)價值指數(shù)的下降，最后得到的區(qū)域生態(tài)價值系數(shù)還是下降的。

表7 研究區(qū)土地利用生態(tài)價值變化

3.2.1 土地生態(tài)價值的空間分布 根據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)EVI值的不同，將研究區(qū)劃分為：EVI高值區(qū)、EVI較高區(qū)、EVI中值波動區(qū)、EVI較低區(qū)和EVI低值區(qū)。其步驟是：對一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)內各土地利用類型的面積比例，依據(jù)其相應的相對生態(tài)價值進行加權求和，得到該鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用的EVI；然后以各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的EVI為基準，運用ArcGIS 9.2的自然斷點法將研究區(qū)85個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的1996年與2005年兩期土地利用生態(tài)價值結果分為5級：高值區(qū)(>2.79)、較高區(qū)(0.84～2.79)、中值波動區(qū)(0.39～0.84)、較低區(qū)(0.12～0.39)和低值區(qū)(0～0.12)。從附圖3可以看出：1996年，EVI高值區(qū)主要分布在位于密云水庫上游的4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)；EVI較高區(qū)主要分布在密云縣的10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)；EVI中值波動區(qū)主要分布在順義區(qū)的11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，密云縣的河南寨鎮(zhèn)，朝陽區(qū)的金盞地區(qū)；EVI較低區(qū)主要分布在順義區(qū)的8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，朝陽區(qū)的4個地區(qū)，密云縣的十里堡鎮(zhèn)和密云鎮(zhèn)；EVI低值區(qū)主要分布在朝陽區(qū)的38個地區(qū)，順義區(qū)的首都機場、石園街道、光明街道、勝利街道，密云縣的檀營滿族蒙鄉(xiāng)。2005年在1996年的基礎上有所變化，順義區(qū)的南法信鎮(zhèn)由EVI較低區(qū)轉為EVI低值區(qū)，仁和鎮(zhèn)由EVI中值波動區(qū)轉為EVI較低區(qū)；朝陽區(qū)的來廣營由EVI較低區(qū)轉為EVI低值區(qū)，金盞地區(qū)由EVI中值波動區(qū)轉為EVI較低區(qū)。

與北京市行政功能區(qū)劃相結合分析發(fā)現(xiàn)，EVI高值區(qū)和EVI較高區(qū)主要分布在密云縣；EVI中值波動區(qū)主要分布順義區(qū)，它在《北京城市總體規(guī)劃(2004—2020年)》中被定為北京市東部發(fā)展帶的重要節(jié)點，北京重點發(fā)展的新城之一；EVI較低區(qū)主要分布在城市發(fā)展新區(qū)和城市功能拓展區(qū)；EVI低值區(qū)主要分布在朝陽區(qū)，在順義區(qū)潮白河西岸也有少量分布，這里是順義的中心區(qū)。

結合地形地貌與氣候等因素分析發(fā)現(xiàn)：(1) EVI高值區(qū)自然條件較為優(yōu)越，多位于西北部山地森林植被覆蓋度高、人為干擾少、水資源豐富的水庫上游生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)。整個區(qū)域包括由石城子、馮家峪、不老屯等組成的庫北水源涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)，大部分屬于云蒙山山地；地貌以中低山為主，并有河谷和少量丘陵；地勢西北高、東南低；森林覆蓋率達76%左右，西北部中低山分布有遼東櫟林、山楊林、萌生叢及灌叢區(qū)；區(qū)內水資源豐富，密云水庫最高水位水面面積可達到188 km2；(2) EVI較高區(qū)主要集中分布于東北部山區(qū)，水庫下游平原和丘陵地帶。其中：東北部山區(qū)以中低山為主，林地為主導土地利用類型，區(qū)內分布有中山山楊林、遼東櫟林及灌叢區(qū)；水庫下游平原和丘陵地帶地勢相對平坦，地貌類型為洪沖積平原、階地和河漫灘，土層深厚，耕地相對集中連片。水庫下游平原地帶經(jīng)濟發(fā)展較好，縣城及其周邊受人為干擾相對較多。區(qū)內草地為主導土地利用類型。東南部低山、丘陵分布有灌叢、灌草叢、人工林、果園及農田區(qū)；(3) EVI中值波動區(qū)主要分布在順義區(qū)東北部的山地—丘陵地區(qū)，西部的平原地區(qū)。土壤類型以褐土和潮土為主，草甸沼澤土零星分布于各類積水洼地，土壤礦質養(yǎng)分豐富，保水保肥能力強，多為農用土壤；區(qū)內土地利用類型以耕地和草地為主；(4) EVI較低區(qū)和EVI低值區(qū)分布較為集中，約50%以上的EVI較低區(qū)分布在順義區(qū)的城區(qū)所在地，EVI低值區(qū)約80%以上在朝陽區(qū)的城區(qū)所在地，該區(qū)域位于北京沖洪積平原中部，溫榆河沖積平原和通惠河以南的潮土地區(qū)，地形平坦開闊，區(qū)內人口和產業(yè)發(fā)展速度較快，大面積為相對生態(tài)價值較低的城市建設用地；順義區(qū)EVI低值區(qū)主要分布在位于順義區(qū)潮白河西岸的中心區(qū)，土地利用類型以建設用地為主，周邊分布少量耕地。

3.2.2 土地利用生態(tài)價值的變化趨勢 從研究時段各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地利用的EVI值變化來看，土地利用變化的生態(tài)效應主要包括兩種變化類型區(qū)(圖1)：(1) EVI穩(wěn)定區(qū)，土地利用生態(tài)價值在研究時間段內趨于穩(wěn)定。該區(qū)包括69個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街區(qū)，分別為朝陽區(qū)的42個街區(qū)，順義區(qū)的15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和密云縣的12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積2 436.29 km2，占整個研究區(qū)的66.13%；(2) EVI減少區(qū)，土地利用生態(tài)價值在研究時間段內不斷減少。該區(qū)包括朝陽區(qū)的崔各莊和金盞地區(qū)，順義區(qū)的8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和密云縣的6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積1 247.76 km2，占整個研究區(qū)的33.87%。

位于朝陽區(qū)的EVI穩(wěn)定區(qū)緊鄰城市建成區(qū)分布，區(qū)內土地利用結構相對穩(wěn)定，以相對生態(tài)價值較低的建設用地為主，比重達該區(qū)總面積的63.15%以上，由圖1可以看出，位于朝陽區(qū)的EVI穩(wěn)定區(qū)屬于EVI較低區(qū)和EVI低值區(qū)趨于穩(wěn)定；1996—2005年，朝陽區(qū)建設用地的擴展以連續(xù)蔓延為主，且城鎮(zhèn)用地、農村居民點和其他建設用地相互混雜，呈無序狀態(tài)向外以“攤大餅”的形式擴張。分布在朝陽區(qū)外邊緣的EVI減少區(qū)(崔各莊和金盞地區(qū))，正是這種“攤大餅”式的擴張使得大量耕地被建設用地侵占的結果。

圖1 土地生態(tài)價值變化空間分布

位于順義區(qū)的EVI中值波動的穩(wěn)定區(qū)，主要分布在縣域東北部與密云交界的丘陵山地區(qū)域；EVI較低值的穩(wěn)定區(qū)主要分布在順義中心區(qū)北部、西北部的3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)；EVI低值的穩(wěn)定區(qū)主要分布在潮白河西岸的順義中心區(qū)，區(qū)內以建設用地為主，土地利用結構相對穩(wěn)定。順義區(qū)絕大部分地勢平坦，適宜農業(yè)耕作，耕地比重大。研究時段內順義區(qū)的耕地面積減少顯著，且多分布在沿河兩岸，由圖1可以看出，順義區(qū)的EVI減少區(qū)主要分布在潮白河西南岸和東南岸的8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，均為EVI中值波動區(qū)和EVI較低區(qū)的減少。

密云縣的EVI值變化受地形地貌的限制。全縣的地貌特征是三面群山環(huán)繞、中部低緩、西南開口的簸箕形，EVI值變化則是穩(wěn)定區(qū)三面環(huán)繞，減少區(qū)分布其間；EVI高值的穩(wěn)定區(qū)主要分布在縣域西北部的山地區(qū)域，EVI較高值的穩(wěn)定區(qū)主要分布在潮河流域、庫南地區(qū)的西部和東南部的丘陵地區(qū)。與密云縣發(fā)展規(guī)劃相結合分析發(fā)現(xiàn)，EVI減少區(qū)分布于水庫上游生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)和水庫下游城鎮(zhèn)、產業(yè)發(fā)展區(qū)。其中：水庫上游生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)(不老屯鎮(zhèn)、高嶺鎮(zhèn)、太師屯鎮(zhèn))的地貌類型以中低山、丘陵和河谷為主，是生態(tài)維護和水源保護的核心區(qū)域。1996—2005年，該區(qū)域具有較低相對生態(tài)價值的建設用地有所增加，而具有較高相對生態(tài)價值的水域面積有所減少，從而導致該區(qū)域EVI高值區(qū)和EVI較高區(qū)的面積減少。水庫下游城鎮(zhèn)、產業(yè)發(fā)展區(qū)(溪翁莊鎮(zhèn)、密云鎮(zhèn)和十里堡鎮(zhèn))的產業(yè)相對聚集，是密云未來經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)域，人口相對密集，生態(tài)環(huán)境壓力相對較大。研究時段內區(qū)域的土地利用變化特征是以建設用地對耕地的侵占為主，建設用地比例上升，具有較高相對生態(tài)價值的耕地比例逐步下降，從而導致該區(qū)域EVI較低區(qū)和EVI較高區(qū)的面積減少。

4 結論與討論

4.1 結 論

(1) 近10年間，林地、草地、建設用地面積均有不同程度的增加，而耕地、水域和未利用地面積均有不同程度的減少。各土地利用類型的變化速度依次為建設用地>水域>耕地>草地>林地>未利用地。同時區(qū)內各土地利用類型之間均存在著相互轉化，以耕地、水域的轉出和建設用地的轉入為主。

(2) 各區(qū)縣在研究時段內的土地利用相對變化速率不大，但存在區(qū)域差異。相對變化速率從快到慢依次是城市功能拓展區(qū)(朝陽區(qū))、城市發(fā)展新區(qū)(順義區(qū))、生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)(密云縣)；就不同土地利用類型而言，耕地、林地在朝陽區(qū)變化最快，水域、建設用地在密云縣變化最快，草地、未利用地在順義區(qū)變化最快。

(3) 研究區(qū)生態(tài)價值指數(shù)總體呈現(xiàn)下降的趨勢，具體表現(xiàn)在EVI中值波動區(qū)面積減少，EVI較低區(qū)和EVI低值區(qū)面積增加，從而導致研究區(qū)總體EVI有所下降。不同的土地利用類型及其變化所帶來的生態(tài)效應是不同的，生態(tài)環(huán)境改善和退化的兩種趨勢并存。耕地、水域和建設用地變化對生態(tài)環(huán)境的影響是負面的，林地、草地的變化則提高了生態(tài)價值指數(shù)，改善了生態(tài)環(huán)境。

(4) 各區(qū)縣的區(qū)域生態(tài)價值指數(shù)差異較大，且相對差異還在擴大。區(qū)域生態(tài)價值指數(shù)下降速度從快到慢依次是城市功能拓展區(qū)(朝陽區(qū))、城市發(fā)展新區(qū)(順義區(qū))、生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)(密云縣)。

4.2 討 論

由于LUCC與生態(tài)環(huán)境中的各環(huán)境要素間的相互作用機制的復雜性，目前針對特定區(qū)域LUCC的綜合生態(tài)環(huán)境效應的定量分析尚處于探索階段。本文在開展北京郊區(qū)土地利用變化的生態(tài)效應研究時，采用謝高地的“中國不同陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務價值”研究結果進行相對生態(tài)價值的計算，僅簡單地依據(jù)荒漠的生態(tài)服務價值來計算建設用地的相對生態(tài)價值，使最后得到的結果顯得較為粗略。研究區(qū)的生態(tài)價值指數(shù)的精確計算還有賴于研究區(qū)不同土地利用類型的生態(tài)服務價值的深入研究。而在土地利用分類系統(tǒng)的二級分類基礎上，針對具體的研究區(qū)進行相應的生態(tài)服務價值測算將是下一步要做的工作。盡管如此，通過生態(tài)價值指數(shù)和土地利用變化的生態(tài)價值轉移率對研究區(qū)土地利用變化的生態(tài)效應進行定量研究，基本上能夠反映出區(qū)域土地利用/覆被變化的總體生態(tài)效應。尤其是通過土地利用變化的生態(tài)價值轉移率計算得到的1996—2005年期間的土地利用變化的生態(tài)價值正向、反向轉移率，進一步反映出區(qū)域生態(tài)價值指數(shù)的穩(wěn)定并不意味著生態(tài)環(huán)境沒有發(fā)生改變，在相當程度上可能是正負這兩種趨勢相互間抵消，使其總體上維持相對穩(wěn)定。因此，本文所構建的土地利用變化的生態(tài)價值轉移率，不僅能夠詳細地刻畫土地利用變化所引起的各類型間生態(tài)價值轉移變化的方向，還能夠對轉移的幅度進行量化，所得結論在一定程度上可為研究區(qū)土地資源可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護與建設提供依據(jù)。

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Land Use Change and Its Ecological Effects in the Suburbs of Beijing City

WAN Li1,2, SUN Lihui2, TAN Jing3, TIAN Ziqiang2

(1.KeyLaboratoryofResourcesRemoteSensing&DigitalAgriculture,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China; 2.LaboratoryofRiverineEcologicalConservationandTechnology,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China; 3.BeijingOrientalTITANTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100083,China)

Using the data of land-use change produced from the integrating Landsat TM images of Beijing City in 1996 and 2005, we quantified the characteristics of LUCC and its ecological effects through developing regional ecological value index and transfer rate of the ecological value. The results showed that, from 1996 to 2005, the area of forestland, grassland, construction land increased while the area of cropland, water body and unused land decreased. The speed of individual land use change is in the order: construction land>water>cropland>grassland>forest>unused land. The order of land use relative change rate from big to small value is the Chaoyang District, Shunyi District, Miyun County. With the speedup of the economic development and the urbanization, the transition among the land use types in suburbs of Beijing became dramatic, among which the transition from cropland, water body to other types and from other types to construction land are the most important land use change. From 1996 to 2005, the ecological value index (EVI) in suburbs of Beijing City showed the downward trend, the improvement and degradation of ecological environment coexisted. The change of cropland, water body and construction land affected ecological environment negatively, while the increase of forestland and grassland improved the ecological environment and its ecological value index. The disparity of the regional ecological value index is still expanding in suburbs of Beijing City and the order of the regional ecological value index from big to small value is the Chaoyang District, Shunyi District, Miyun County. The area of high-EVI land decreased and the area of low-EVI land increased, which resulted in the downward trend of EVI in the study area.

land use; ecological effects; Beijing City; geographic information system

2014-09-22

2014-10-22

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07501002-009);農業(yè)部資源遙感與數(shù)字農業(yè)重點開放實驗室基金(RDA1002);北京市科技新星計劃(Z131101000413086)

萬利(1980—),女,四川綿陽人,副研究員,博士,主要從事景觀生態(tài)、3S技術與土地利用研究。E-mail:myra035@163.com

譚靖(1981—),男,湖南株洲人,高級工程師,博士,主要從事地圖學與地理信息系統(tǒng)研究。E-mail:tanjing@otitan.com

F301.24

1005-3409(2015)05-0092-08