北京市中心城土地利用变化及其对生境的影响(1992—2016)

李方正

韩依纹

李凤仪

李 雄*

1 研究背景

作为人口高密度聚集的特大城市，近年来北京市城市化进程不断加快，建成区面积不断扩大，城市建设和人类活动导致土地利用性质的大规模变化与转移，北京市中心城由于人口最密集、功能最集中，其绿色空间被大量侵蚀、压缩，极大影响了中心城的生境质量和生物多样性。

为应对此问题，北京市政府自20世纪80年代起便展开了一系列绿地建设工程，如第一、第二道绿化隔离地区建设等。从2017—2020年，北京将在全市范围内组织开展“疏解整治促提升”专项行动，以实现空间腾退、“留白增绿”。2017年，北京市启动了城市森林建设工程，在城市中构建以乔木为主体、近自然、多层次的森林景观。“留白增绿”和城市森林建设工程为改善北京中心城生境质量和提升绿地的生态功能提供了契机。截至2017年10月，北京已建成西城菜市口项目、新街口项目和东城西革新里城市绿荫公园3个城市森林项目，大通滨河公园已完成部分建设，2018年北京16区总计建设21处城市森林。

在相关政策导向下，北京市中心城的生态环境得到持续改善，但是总体来看，绿色空间的布局还存在一定问题。目前已有针对北京城市绿色空间格局时空格局的研究[1-4]，但缺少对生态环境及生境质量的评估，无法直接指导北京市及中心城绿色空间的规划建设。INVEST模型是国内外目前应用最多的生态系统服务功能评估模型，在碳储量、土壤保持、水质净化和产水量等领域得到广泛应用[5]，也有学者通过InVEST模型，结合土地利用方式的改变来评价生境质量的变化：Leh等[6]研究了土地利用变化下加纳和科特迪瓦2个国家在2000、2005和2009年的生境质量变化情况；白健等[7]运用InVEST模型评估闽江流域生态环境质量；杜世勋等[8]以山西省省域为研究对象，运用InVEST模型，结合土地利用数据得到山西省生境质量指数和生境退化指数的空间分布格局；钟莉娜等[9]采用InVEST模型分析了大安市土地整治对生境质量的影响；陈妍等[10]评价了北京市域土地利用格局对生境质量的影响；包玉斌等[11]利用InVEST模型对陕西省黄河湿地自然保护区生境质量进行评估，研究土地利用变化对保护区生物多样性维持的影响。由以上研究可知，InVEST模型模拟多应用于国家、流域、省域、城市和保护区等尺度，从景观生态学的视角揭示土地利用动态变化对生境质量的影响和规律，有利于指导宏观土地规划策略，然而对于以中心城为代表的城市生态系统生境质量的研究则较为缺乏。中心城由于社会经济发展和环境破坏，往往是生境最为敏感脆弱的区域，通过InVEST模型的应用可将生境评价结果以地图的方式进行可视化表达。

基于以上分析，本研究的目的和创新点包含2个方面：1)将InVEST模型的应用尝试拓展到中心城尺度，模拟评价1992—2016年北京市中心城土地利用变化对生境质量、生境退化的影响，并将生境质量评级结果落实在空间层面；2)从北京城市建设实际情况出发，基于风景园林学科视角，在城市“留白增绿”、城市森林建设工程的契机下，根据InVEST模型的评价结果，可为北京市中心城城市森林建设的选址提供评价依据，并识别出中心城生境保护需要关注的生境较好或较差的敏感区域，为城市森林建设提供具体策略建议，对中心城生态环境保护及生物多样性保护有重要意义。

2 研究区域和研究方法

2.1 研究区域概况

北京市位于华北平原西北边缘(39°28′～ 41°25′N，115°25′～117°130′E)，气候类型为暖温带半湿润大陆性季风气候[12]，整体地势西北高、东南低，西部为山区，地处海河流域；地带性植被为落叶阔叶林并有温性针叶林，受人类活动影响，山区主要为次生林，平原地区主要为农田、城镇和基础设施用地[2]。区域内绿色空间用地包含了林地、草地、耕地、湿地及水域。根据《北京市总体规划(2004—2020)》的规划范围，本文研究范围为北京市中心城，总面积约1 088km2[13]。

2.2 数据采集与预处理

土地利用数据选取1992、2016年中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台提供的分辨率为30m×30m的Landsat4-5 TM影像作为数据源，利用ENVI软件预处理影像数据(数据融合15m)。在ArcGIS平台中进行空间数据叠加分析，统计出各类土地利用类型之间相互转化的情况。

2.3 研究方法

InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型是由美国斯坦福大学主导开发，可基于土地利用数据对目标区域的淡水生态系统、海洋生态系统和陆地生态系统进行评估[5]。其中，InVEST的栖息地质量模块是通过栖息地及其胁迫源之间的相互作用对其进行空间量化评估[14]，根据不同生境对胁迫源的响应程度，评估不同景观格局下生境分布和退化情况[10]，从而图示化地表达目标用地的生物多样性指数。影响生物栖息地质量的因素包括栖息地本身的类型、胁迫源的胁迫强度、栖息地和胁迫源的空间距离、栖息地对胁迫源的敏感程度等方面，因此利用InVEST模型评估北京中心城土地利用对生境质量的影响时要应用生物多样性模块进行生境质量评价，评价时需要输入各期土地利用/覆被图、威胁因子、威胁因子最大影响距离及权重、生境对各类威胁因子的敏感度及保护程度。

1)生境质量指数。

采用生境质量指数评价生境质量的具体计算公式如下：

式中，Qxj为土地利用类型j中栅格x的生境质量；Hj为土地利用类型j的生境适宜度；k为半饱和常数，通常取Dxj最大值的一半；z为模型默认参数；Dxj为土地利用类型j栅格x的生境胁迫强度，通过式(2)计算获得。

式中，R为胁迫因子；y为r中的栅格数；Yr为胁迫因子所占栅格数；Wr为胁迫因子的权重，取值0～1，以表明胁迫因子对所有生境的相对破坏力；βx为栅格x的可达性水平，值越接近1，表示越容易到达；Sjr为土地利用类型对胁迫因子r的敏感性，值越接近1，越敏感；irxy为栅格y中胁迫因子ry对栅格x的胁迫水平，通过式(3)计算获得。

式中，dxy为栅格x与栅格y之间的直线距离；drmax为胁迫因子r的最大影响距离。

模型借助ArcGIS平台运行在空间上表达生境质量的演变情况。

2)生境退化指数。

生境退化指数与地类对威胁因子的敏感度、各地类距离威胁因子的空间位置、威胁因子的数量等因素有关，一般认为地类对某威胁因子的敏感性程度越高，则该威胁因子对地类生境退化度的影响也就越大，其计算公式如下：

3 结果与分析

3.1 北京市中心城土地利用变化特征

为深入了解北京市中心城土地类型之间的空间转移情况，本研究利用ArcGIS平台对土地利用数据进行数据空间叠加，并绘制4种绿色空间转化为其他地类的空间分布情况，以分析北京市中心城土地利用转化情况。

北京中心城1992—2016年土地利用转换中，各土地利用类型均发生了不同程度的变化(图1)，绿色空间用地面积共转出(减少)43 105.32hm2，转入(增加)12 843.44hm2，总计减少28 585.20hm2，其中耕地在各类用地面积增加过程中，贡献率最大。非绿色空间用地面积共转出(减少)4 271.02hm2，共转入(增加)34 532.91hm2，总计增加28 585.20hm2，建设用地在各类用地面积减少过程中贡献率最大。

1992—2016年耕地共减少26 003.46hm2，其中转入2 393.52hm2，主要来自于林地(733.74hm2)和建设用地(1 387.79hm2)、湿地及水域(231.13hm2)，其中非绿色空间用地转入贡献率最高。耕地转出为其他地类的面积为28 396.99hm2，由于城市扩张和交通的发展，大部分耕地主要转向建设用地(21 868.74hm2)，呈片状集中转移的区域为四环外北部、东部及东南部。受公园建设和造林活动的影响，有部分耕地转出为林地(5 028.76hm2)、草地(1 323.46hm2)、湿地及水域(176.03hm2)，主要分布在一道和二道绿化隔离带、西郊三山五园地区、东郊的郊野公园地区以及昌平、海淀和朝阳部分平原造林区域。

此外，林地转出10 069.72hm2，主要转向建设用地(8 949.21hm2)，转出范围较为分散，主要集中在中心城北部，也是四环内非绿色空间用地转入的主要来源，由道路建设或拓宽引起的林地转出为非绿色空间用地多呈线状分布，如八达岭高速建设区域、长安街东延建设区域、西北五环路建设区域等。林地转出为耕地(733.74hm2)、草地(266.17hm2)、湿地及水域(120.6hm2)分布也较为零散，多集中在海淀区南部和朝阳区东部、北部。林地的转入量为7 826.61hm2，明显高于草地、林地、湿地及水域的转入量，主要由耕地(5 028.76hm2)和建设用地(2 251.45hm2)转入，林地总面积减少2 243.11hm2。

此外，湿地及水域面积共减少2 426.90hm2，在中心城区呈现零星状转出，其中绝大多数转出为建设用地(2 379.66hm2)。草地的面积稳定增加(411.6hm2)。草地转入的面积为2 095.06hm2，转出面积为1 683.47hm2。

3.2 北京中心城土地利用变化对生境的影响

3.2.1 威胁因子敏感度及威胁因子属性

图1 北京市中心城1992—2016年各绿色空间类型转换空间分布(作者绘)

《北京城市总体规划(2016—2035)》中将森林、河流和湖泊等生态价值较高的现状生态用地划入生态控制线。因此，本研究将林地、湿地及水域的生境适宜性定为最高，并参照InVEST模型的前人研究，基于Terrado等[16]、Sulistyawan等[17]、Polasky等[18]的研究参数，结合北京市中心城生态环境实际情况，对各地类生境适宜性、威胁因子敏感度、威胁因子属性等赋值，将最适合作为生境、最接近自然系统生境环境的林地的生境适宜度定为1[18]；湿地、水域和草地较适合作为自然生境，其适宜度设定为0.85和0.72[15]；耕地为人工化大型种植斑块，植被类型单一，易受人类活动胁迫，生境适宜度较低，将其设定为0.55[13]；未利用地因植被覆盖度极低，故将其生境适宜度定为0.2[16]；将无植被覆盖、最不适合作为自然生境的建设用地的生境适宜度设定为0.15[15]。在各地类中耕地、建设用地和未利用地生态系统相对单一，易胁迫周边土地覆被，因此将以上3类用地作为生态威胁因子，各生境类型对生态威胁因子的敏感度具体见表1。三大生态威胁因子的衰退类型均为线性，各威胁因子的最大影响距离和权重等指数见表2[19]。

3.2.2 评价结果

利用InVEST模型评价北京市中心城生境质量状况和生境退化情况。基于清晰的阐述和比较区域内土地利用变化对生境质量的影响，综合考量INVEST的运算结果[11]，将2期的生境质量指数运算结果划分为高度生境(0.71～1.00)、中度生境(0.21～0.70)和一般生境(0.14～0.20)3个区间；生境退化指数分为高度退化(0.25～0.35)、重度退化(0.11～0.249)、轻度退化(0.01～0.10)和无退化(0)4个区间。

图2 1992和2016年生境质量评估

图3 1992和2016年生境质量空间分布

图4 1992和2016年生境退化评估

图5 1992和2016年北京市中心城生境退化空间分布

1)生境质量。

由表3可看出，1992年生境质量相较2016年较优，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，高度生境面积缩小3.8%，主要分布于西北部山区和中心城大型城市公园；中度生境大幅缩减，较1992年降低了24%，空间分布更加破碎，主要位于五环外；一般生境面积上升了27.8%，共增加30 306.24km2，反映了建设用地扩张的空间特征(图2、3)。以上变化表明，1992—2016年生境质量退化严重，从土地利用类型的转移变化情况来看，中心城区的林地、草地、湿地和水域等高度生境零星转移为一般生境，建设用地向外围扩张导致以耕地为主的大片中度生境退化为一般生境，由此可见，生境适宜性较高的绿色空间用地转移为建设用地是这一时期生境质量退化的主要原因。

2)生境退化。

由表4可看出，北京中心城1992—2016年自然生境轻度退化所占比例最大，由1992年的68.3%上升至2016年的80.5%，由于建设用地对生态威胁因子敏感度较低，轻度退化生境主要为中心城建设用地；由于耕地的转出，重度退化生境的比例由1992年的22.3%下降至2016年的10.1%(图4)，主要分布在四环外耕地区域和西北部山区高度退化区域周边，高度退化生境和无退化生境面积不变，高度退化生境多被建设用地包围，对生态威胁因子敏感度较高的林地、草地、湿地和水域；无退化生境主要为中心城未利用地(图5)。

4 结论与讨论

4.1 结论

1)北京中心城绿色空间在1992—2016年有明显的锐减，降低比例为27.81%，其中耕地比例减少23.87%(24 680.01hm2)，净转向建设用地面积为20 480.95hm2，净转向林地4 295.02hm2。林地面积减少2 243.11hm2，主要转向建设用地，净转出面积为6 697.96hm2，林地转入贡献率最高的为耕地。湿地及水域湿地、水域减少2 426.90hm2，主要转向建设用地，净转出面积为2 379.66hm2。研究期草地面积稳定增加，转入贡献率最高的为耕地(1 323.46hm2)。北京中心城土地利用的变化反映了1992—2016年城市化的进程，绿色空间减少的区域主要在中心城外圈(五环外)，由于一道、二道绿隔，郊野公园，大型城市公园和平原造林等工程的建设，中心城区绿色空间有明显增加，极大影响了北京市中心城绿色空间的布局和结构。

2)1992—2016年，北京中心城生境质量分布情况发生重大变化，最突出特征是外圈的绿色屏障让步于建设用地的开发，高度生境在中心城中呈孤岛状分布，由于一道、二道绿化隔离带的建设，局部区域高度生境分布集中，如东北四环、五环片区，高度生境构成的主体为城市公园、郊野公园、高尔夫球场等绿色空间。生境质量的分布和规模具体变化情况为：以建设用地为典型地类的一般生境面积显著增加，占总面积的78.2%，主要是由中级生境退化形成；中度生境以耕地为主要类型，由于耕地的大量转出，中度生境面积缩减24%；高度生境面积较为稳定，仅降低3.8%，主要土地利用类型林地、草地、湿地及水域之间有相互转移的现象，生境面积缩小主要是由于这些绿色空间用地向建设用地的转移。

3)1992—2016年，北京中心城轻度退化生境的面积最大，由1992年的68.3%上升至2016年的80.5%，主要为建设用地。中心城内绿色空间用地被建设用地包围，规模较小的多表现为高度退化生境，如核心区的中南海、什刹海和天坛公园等，规模大、与其他绿色空间关系紧密的区域多表现为中度退化生境，如奥林匹克森林公园、一二道绿隔区域的郊野公园等。

4.2 讨论

在《北京城市总体规划(2016—2030)》中，中心城是疏解非首都功能的主要地区，到2035年，中心城城乡建设用地面积预计将由2017年的910km2减到818km2左右。腾退空间会作为“留白增绿”和城市森林的建设的选址，中心城生态空间品质将会显著提升。

本文研究了1992—2016年土地利用的动态演变对生境质量的影响，明确高度生境、中度生境和一般生境的空间位置和面积以及生境退化的空间分布情况，希望能够从生境角度为未来北京中心城绿地系统和生态格局构建提供参考，以期中心城生态环境的提高。

1)保护高度生境。统筹林地、草地、湿地及水域等生态资源的保护利用，严格控制生态底线，利用空间腾退契机，扩大部分区域高度生境规模，保障绿色空间只增不减。首先，中心城需依照城市森林标准提升绿地总量和质量，构建生物多样性丰富、植被立体配置和系统稳定的林地生态系统。其次，要加强湿地、水域及周边环境的综合治理，转出的河道、湿地逐渐加以恢复，提高城市水系连通性，构建健康水系网络。

2)提升中度生境。严格划定永久基本农田集中分布区，强化耕地生态功能，实现耕地数量、质量、生态三维一体保护，降低耕地对其他生境的胁迫性。

表1 生境类型对生态威胁因子的敏感度

表2 生态威胁因子属性

表3 1992—2016年生境质量面积和比例

表4 生境退化面积和比例

3)改善一般生境。根据生境质量评价，选取部分疏解腾退地块进行“留白增绿”工程建设，在建设用地中辟出道路绿廊、城市绿道等生态廊道，逐渐形成连片、连续的绿色空间格局。

4.3 问题与展望

由于InVEST模型使用的威胁因子敏感度及威胁因子属性等参数的设定没有统一的计算方法，因此本文使用的相关参数均参考模型推荐数据和前人的研究成果获得，导致模型不能准确反映生境质量分类的实际情况，具有一定的局限性。在未来的研究中应关注关键参数的确定方法，例如结合实地调研，通过实测数据验证相关参数的合理性并进行修正，提高模拟的准确性，使其更好地应用于中心城城市生境质量的评价，从而有效指导中心城绿色空间的规划建设。