北京市土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究

姚羅蘭，馬 杰，李英軍，李魁明

（1. 北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院國(guó)際教育學(xué)院，北京 100012；2. 防災(zāi)科技學(xué)院應(yīng)急管理學(xué)院，河北 三河 065201）

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展加速轉(zhuǎn)型時(shí)期，人類活動(dòng)導(dǎo)致土地利用格局的改變，直接或間接影響著生態(tài)環(huán)境。Costanza 等[1]學(xué)者依據(jù)效用價(jià)值理論和均衡價(jià)值理論等估算了全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（ESV）。自此，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概念和價(jià)值研究得到廣泛重視[2]，近年來(lái)，土地利用變化對(duì)ESV 的影響研究，已成為生態(tài)學(xué)、地理學(xué)和環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的研究熱點(diǎn)。從研究空間尺度上看，有以行政區(qū)[3-5]、城市群[6-7]、經(jīng)濟(jì)區(qū)[8-9]等社會(huì)經(jīng)濟(jì)功能區(qū)為評(píng)價(jià)對(duì)象的；有以生態(tài)功能區(qū)[10-11]為評(píng)價(jià)對(duì)象的；有以流域[12]、高原[13]、山地[14]、盆地[15]等自然地理單元為評(píng)價(jià)對(duì)象的。從研究方法上看，ESV 的評(píng)估一般將物質(zhì)量評(píng)價(jià)法和價(jià)值量評(píng)價(jià)法結(jié)合進(jìn)行研究[16-17]，其中以基于土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)法[4-9]的評(píng)估應(yīng)用最廣泛。

城市的擴(kuò)展蔓延和強(qiáng)烈的人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能影響顯著。按照《北京市城市總體規(guī)劃（2016年—2030 年）》，北京市將堅(jiān)持優(yōu)化城市空間布局，大幅度提高生態(tài)規(guī)模與質(zhì)量。鑒于此，針對(duì)北京市土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成的影響，根據(jù)謝高地等[18]提出的ESV 評(píng)估體系，分析2000—2018 年北京市土地利用變化引起的ESV 變化規(guī)律，為研究區(qū)土地利用規(guī)劃、環(huán)境修復(fù)與保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

北京是我國(guó)首都，2018 年末，常住人口2 153.6萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率86.6%，總面積16 410.54 km2，毗鄰津冀，轄16個(gè)市轄區(qū)。北京市地處華北平原，燕山以南，西靠太行山余脈。地勢(shì)西北高、東南低，地貌類型以山地為主，山地主要分布于西北部；平原多分布于東南部。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

使用中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心的北京市2005、2010 和2018 年3 期Landsat TM 數(shù)據(jù)。根據(jù)中科院資源環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù)分類法，將北京市劃分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地6 大類土地利用類型。用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性處理。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用分析法為定量分析北京市土地利用變化，引入單一土地利用類型動(dòng)態(tài)度、土地利用強(qiáng)度指數(shù)。

式（1）中，K 為某一土地類型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別表示某研究時(shí)段該土地利用類型的面積；T 為研究年限的跨度。

式（2）中，L 代表土地利用強(qiáng)度指數(shù)；Ai代表第i 種土地利用類型的分級(jí)指數(shù)，其值參考文獻(xiàn)[19]獲取；Ci代表該種土地利用類型的面積比重。

1.3.2 生態(tài)服務(wù)價(jià)值測(cè)算借鑒相關(guān)研究成果，采用以研究區(qū)單位面積糧食產(chǎn)量與全國(guó)單位面積糧食產(chǎn)量之比計(jì)算出北京單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量：2000、2010 和2018 年分別為1 541.30、1 706.15 和1 976.30 元/hm2。結(jié)合北京市的實(shí)際情況根據(jù)公式（3）計(jì)算出北京市的ESV。

式（4）中，Ik為k 年的生態(tài)敏感指數(shù)，ESVj、ESVk分別為j 年和k 年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，Lj、Lk分別為j 年和k 年的土地利用強(qiáng)度。

2 結(jié)果分析

2.1 土地利用動(dòng)態(tài)變化

由圖1 可知，2000—2018 年，北京市土地利用結(jié)構(gòu)以林地、耕地和建設(shè)用地為主，2000 年，這3 種土地類型的比重分別為48.57%、20.14%和15.60%，共占總面積的84.31%，2018 年的比重分別為50.85%、14.13%和21.20%，共占總面積的86.18%。可以看出，北京市林地變化平穩(wěn)，耕地迅速減少，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張明顯。2000—2018 年，各類型土地面積變化最大的為耕地和建設(shè)用地。15 a 間，耕地減少了986.59 km2，比重由2000 年的20.14%降至2018 年的14.13%；建設(shè)用地增加了918.67 km2，比重由2000 年的15.60%降至2018 年的21.20%；林地、草地、水域、未利用土地4 種類型的面積變化幅度不大。

圖1 北京市2000、2010 和2018 年各類型土地利用面積

從不同階段來(lái)看（圖2），2000—2010 年與2010—2018 年，耕地面積分別減少了960.47 和26.12 km2，減幅動(dòng)態(tài)度由2.92%降到0.22%，表明北京市耕地面積減小的趨勢(shì)基本得到控制；建設(shè)用地面積分別增加了660.75 和257.92 km2，增幅動(dòng)態(tài)度分別為2.58%和1.60%，表明城市建設(shè)擴(kuò)張明顯；2000—2010 年草地和水域面積減幅動(dòng)態(tài)度不大，但在2010—2018 年減幅分別為1.97%和2.20%；林地作為北京市最大的土地利用類型，研究時(shí)段內(nèi)處于增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，主要得益于北京市造林工程的實(shí)施和山區(qū)草地轉(zhuǎn)換為林地。未利用土地變化幅度較大，2000—2010 年增幅較大，2010—2018 年大幅下降。

圖2 2000—2018 年北京市單一土地利用動(dòng)態(tài)度

2.2 土地利用變化下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分析

按照公式（2），分別計(jì)算出北京市2000 年、2010 年、2018 年的土地利用強(qiáng)度指數(shù)（圖3），由2000 年的2.50 上升至2010 年的2.51，2018 年增加至2.55，與北京市ESV 變化趨勢(shì)一致。

圖3 2000、2010 和2018 年北京市ESV 和土地利用強(qiáng)度指數(shù)變化

按照公式（3），求出北京市2000、2010、2018年的ESV 分別為380.30 億、421.29 億和479.72 億元。從數(shù)值分析（表1），北京市ESV 呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，2000—2018 年增加了99.42 億元，其中2000—2010 年增長(zhǎng)了約40.99 億元，2010—2018 年增加了58.43 億元。

表1 北京市2000、2010 和2018 年生態(tài)系統(tǒng)單項(xiàng)服務(wù)價(jià)值

相關(guān)性分析結(jié)果表明，北京市土地利用強(qiáng)度與ESV 呈現(xiàn)正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為0.987，通過(guò)0.01 水平雙邊顯著性靈敏性檢驗(yàn)。

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)間序列分析從數(shù)值分析，北京市ESV 呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，2000—2018 年ESV 增加了99.42 億元，其中2000—2010 年增長(zhǎng)了約40.99 億元，2010—2018 年增加了58.43 億元。

從土地利用類型上看，林地對(duì)ESV 貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到了65%以上，2000—2018 年期間，林地的ESV增加了85.90 億元；其次是水域，貢獻(xiàn)率達(dá)20%左右，但研究期間為減少趨勢(shì)，2000—2018 年減少了10.77 億元。草地、耕地和未利用土地的貢獻(xiàn)率較低。2000—2018 年草地的ESV 在30 億元左右，貢獻(xiàn)率約7%；耕地的ESV 小幅度下降，2000—2018 年減少了1.95 億元，未利用土地的ESV 變化不大。

2.2.2 單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化從生態(tài)功能構(gòu)成一級(jí)內(nèi)容來(lái)看，調(diào)節(jié)服務(wù)與支持服務(wù)始終是北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的核心功能；從所占比例分析，各類服務(wù)所占比例變化幅度較小，說(shuō)明2000—2018 北京市各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)較為穩(wěn)定，且其中調(diào)節(jié)服務(wù)所占比例一直保持在70%左右，其次為支持服務(wù)，所占比例一直保持在18%左右，文化服務(wù)與供給服務(wù)所占比例都較小。從數(shù)值特征分析，4 類服務(wù)與總體價(jià)值走勢(shì)一致，都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

從生態(tài)功能構(gòu)成二級(jí)內(nèi)容來(lái)看，氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)率最多，都大于20%，其次是土壤保持、生物多樣性保護(hù)、氣體調(diào)節(jié)、凈化環(huán)境和美學(xué)景觀，其貢獻(xiàn)率均大于5%，最少的是糧食生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、水資源供給和維持養(yǎng)分循環(huán)，貢獻(xiàn)率在3%以下。2000—2018 年，北京市的單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值量增加趨勢(shì)，氣候調(diào)節(jié)和水文調(diào)節(jié)增加最多，分別為25.23億和24.04 億元，僅糧食生產(chǎn)單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值量在2000—2010 年減少了0.7 億元。

2.3 ESV 敏感性分析

根據(jù)公式（4）計(jì)算出北京市2000—2018 年土地利用變化下的生態(tài)敏感指數(shù)，發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)減小—增加的變化過(guò)程，即由2000 年的18.12 降低到2010 年的8.63，2018 年增加為11.83。參照敏感性相關(guān)研究成果[20-22]，2000 年北京市為中敏感區(qū)域（12.18～23.36），2010 和2018 年為低敏感區(qū)域（1～12.18）。

生態(tài)敏感性較高說(shuō)明該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)受土地利用變化的影響大，應(yīng)引起高度重視。2000—2010 年，北京市經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，年均GDP 增速大于10%，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動(dòng)了城市用地的擴(kuò)張，建設(shè)用地增加了660.75 km2，耕地面積減少960.47 km2，變化幅度均較大，其他生態(tài)用地變化不大。2010—2018 年，北京市經(jīng)濟(jì)增速趨于平穩(wěn)，年均GDP 增速在8%以下，建設(shè)用地增加了257.92 km2，耕地面積減少26.12 km2，變化幅度均小于2000—2010 年，且未利用土地增加了173.02 km2?？梢钥闯觯?jīng)濟(jì)的高速發(fā)展帶來(lái)的土地利用強(qiáng)度的變化對(duì)北京市的ESV 影響強(qiáng)烈。

3 結(jié)論與討論

（1）2000—2018 年，北京市土地利用結(jié)構(gòu)以林地、耕地和建設(shè)用地為主，北京市林地變化平穩(wěn)，耕地迅速減少，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張明顯。耕地減幅動(dòng)態(tài)度由2000—2010 年的2.92%降到2010—2018 年的0.22%，表明北京市耕地面積減小的趨勢(shì)基本得到控制。

（2）北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，2000—2018 年ESV 增加了99.42 億元，其中2000—2010 增 長(zhǎng) 了 約40.99 億 元，2010—2018 年 增 加 了58.43 億元。北京市土地利用強(qiáng)度與ESV 呈現(xiàn)正相關(guān)，主要是因?yàn)榱值貙?duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到了65%以上。調(diào)節(jié)服務(wù)與支持服務(wù)始終是北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的核心功能；其中氣候調(diào)節(jié)、水文調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)率最多。

（3）2000—2018 年北京市土地利用變化的生態(tài)敏感性指數(shù)呈現(xiàn)減小—增加的變化過(guò)程，經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展帶來(lái)的土地利用強(qiáng)度的變化對(duì)北京市的ESV 影響強(qiáng)烈。

（4）根據(jù)北京市土地利用和ESV 變化情況，提出以下建議：嚴(yán)格按照《北京市城市總體規(guī)劃（2016年—2030 年）》，堅(jiān)守建設(shè)用地規(guī)模底線，嚴(yán)格落實(shí)土地用途管制制度；注重水土保持，發(fā)揮水域生態(tài)價(jià)值重要作用；重視耕地整理復(fù)墾，逐步提高耕地生態(tài)價(jià)值。

（5）該研究將轄區(qū)面積16 410.54 km2作為一個(gè)整體，未進(jìn)行分區(qū)討論，其內(nèi)部差異被忽視。下一步將評(píng)價(jià)單元放到更微觀的區(qū)域，從時(shí)空上進(jìn)行更加詳細(xì)的分析。