北京市土地利用变化及其生态环境效应研究

姚罗兰，马 杰，李英军，李魁明

（1. 北京农业职业学院国际教育学院，北京 100012；2. 防灾科技学院应急管理学院，河北 三河 065201）

在经济社会发展加速转型时期，人类活动导致土地利用格局的改变，直接或间接影响着生态环境。Costanza 等[1]学者依据效用价值理论和均衡价值理论等估算了全球生态系统服务价值（ESV）。自此，生态系统服务概念和价值研究得到广泛重视[2]，近年来，土地利用变化对ESV 的影响研究，已成为生态学、地理学和环境科学等学科的研究热点。从研究空间尺度上看，有以行政区[3-5]、城市群[6-7]、经济区[8-9]等社会经济功能区为评价对象的；有以生态功能区[10-11]为评价对象的；有以流域[12]、高原[13]、山地[14]、盆地[15]等自然地理单元为评价对象的。从研究方法上看，ESV 的评估一般将物质量评价法和价值量评价法结合进行研究[16-17]，其中以基于土地利用类型的生态系统服务价值系数法[4-9]的评估应用最广泛。

城市的扩展蔓延和强烈的人类活动对生态系统的服务功能影响显著。按照《北京市城市总体规划（2016年—2030 年）》，北京市将坚持优化城市空间布局，大幅度提高生态规模与质量。鉴于此，针对北京市土地利用变化对生态系统造成的影响，根据谢高地等[18]提出的ESV 评估体系，分析2000—2018 年北京市土地利用变化引起的ESV 变化规律，为研究区土地利用规划、环境修复与保护提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

北京是我国首都，2018 年末，常住人口2 153.6万人，城镇化率86.6%，总面积16 410.54 km2，毗邻津冀，辖16个市辖区。北京市地处华北平原，燕山以南，西靠太行山余脉。地势西北高、东南低，地貌类型以山地为主，山地主要分布于西北部；平原多分布于东南部。

1.2 数据来源与处理

使用中国科学院资源环境科学与数据中心的北京市2005、2010 和2018 年3 期Landsat TM 数据。根据中科院资源环境信息数据库分类法，将北京市划分为耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地6 大类土地利用类型。用SPSS 19.0 软件进行数据相关性处理。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用分析法为定量分析北京市土地利用变化，引入单一土地利用类型动态度、土地利用强度指数。

式（1）中，K 为某一土地类型动态度；Ua、Ub分别表示某研究时段该土地利用类型的面积；T 为研究年限的跨度。

式（2）中，L 代表土地利用强度指数；Ai代表第i 种土地利用类型的分级指数，其值参考文献[19]获取；Ci代表该种土地利用类型的面积比重。

1.3.2 生态服务价值测算借鉴相关研究成果，采用以研究区单位面积粮食产量与全国单位面积粮食产量之比计算出北京单位面积生态系统服务价值当量：2000、2010 和2018 年分别为1 541.30、1 706.15 和1 976.30 元/hm2。结合北京市的实际情况根据公式（3）计算出北京市的ESV。

式（4）中，Ik为k 年的生态敏感指数，ESVj、ESVk分别为j 年和k 年的生态系统服务价值，Lj、Lk分别为j 年和k 年的土地利用强度。

2 结果分析

2.1 土地利用动态变化

由图1 可知，2000—2018 年，北京市土地利用结构以林地、耕地和建设用地为主，2000 年，这3 种土地类型的比重分别为48.57%、20.14%和15.60%，共占总面积的84.31%，2018 年的比重分别为50.85%、14.13%和21.20%，共占总面积的86.18%。可以看出，北京市林地变化平稳，耕地迅速减少，建设用地扩张明显。2000—2018 年，各类型土地面积变化最大的为耕地和建设用地。15 a 间，耕地减少了986.59 km2，比重由2000 年的20.14%降至2018 年的14.13%；建设用地增加了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 种类型的面积变化幅度不大。

图1 北京市2000、2010 和2018 年各类型土地利用面积

从不同阶段来看（图2），2000—2010 年与2010—2018 年，耕地面积分别减少了960.47 和26.12 km2，减幅动态度由2.92%降到0.22%，表明北京市耕地面积减小的趋势基本得到控制；建设用地面积分别增加了660.75 和257.92 km2，增幅动态度分别为2.58%和1.60%，表明城市建设扩张明显；2000—2010 年草地和水域面积减幅动态度不大，但在2010—2018 年减幅分别为1.97%和2.20%；林地作为北京市最大的土地利用类型，研究时段内处于增长态势，主要得益于北京市造林工程的实施和山区草地转换为林地。未利用土地变化幅度较大，2000—2010 年增幅较大，2010—2018 年大幅下降。

图2 2000—2018 年北京市单一土地利用动态度

2.2 土地利用变化下的生态系统服务价值分析

按照公式（2），分别计算出北京市2000 年、2010 年、2018 年的土地利用强度指数（图3），由2000 年的2.50 上升至2010 年的2.51，2018 年增加至2.55，与北京市ESV 变化趋势一致。

图3 2000、2010 和2018 年北京市ESV 和土地利用强度指数变化

按照公式（3），求出北京市2000、2010、2018年的ESV 分别为380.30 亿、421.29 亿和479.72 亿元。从数值分析（表1），北京市ESV 呈现上升的趋势，2000—2018 年增加了99.42 亿元，其中2000—2010 年增长了约40.99 亿元，2010—2018 年增加了58.43 亿元。

表1 北京市2000、2010 和2018 年生态系统单项服务价值

相关性分析结果表明，北京市土地利用强度与ESV 呈现正相关，相关性系数为0.987，通过0.01 水平双边显著性灵敏性检验。

2.2.1 生态系统服务价值时间序列分析从数值分析，北京市ESV 呈现上升的趋势，2000—2018 年ESV 增加了99.42 亿元，其中2000—2010 年增长了约40.99 亿元，2010—2018 年增加了58.43 亿元。

从土地利用类型上看，林地对ESV 贡献率最大，达到了65%以上，2000—2018 年期间，林地的ESV增加了85.90 亿元；其次是水域，贡献率达20%左右，但研究期间为减少趋势，2000—2018 年减少了10.77 亿元。草地、耕地和未利用土地的贡献率较低。2000—2018 年草地的ESV 在30 亿元左右，贡献率约7%；耕地的ESV 小幅度下降，2000—2018 年减少了1.95 亿元，未利用土地的ESV 变化不大。

2.2.2 单项生态系统服务价值变化从生态功能构成一级内容来看，调节服务与支持服务始终是北京市生态系统服务的核心功能；从所占比例分析，各类服务所占比例变化幅度较小，说明2000—2018 北京市各类生态系统服务较为稳定，且其中调节服务所占比例一直保持在70%左右，其次为支持服务，所占比例一直保持在18%左右，文化服务与供给服务所占比例都较小。从数值特征分析，4 类服务与总体价值走势一致，都呈现上升趋势。

从生态功能构成二级内容来看，气候调节、水文调节的贡献率最多，都大于20%，其次是土壤保持、生物多样性保护、气体调节、净化环境和美学景观，其贡献率均大于5%，最少的是粮食生产、原料生产、水资源供给和维持养分循环，贡献率在3%以下。2000—2018 年，北京市的单项生态服务价值量增加趋势，气候调节和水文调节增加最多，分别为25.23亿和24.04 亿元，仅粮食生产单项生态服务价值量在2000—2010 年减少了0.7 亿元。

2.3 ESV 敏感性分析

根据公式（4）计算出北京市2000—2018 年土地利用变化下的生态敏感指数，发现其呈现减小—增加的变化过程，即由2000 年的18.12 降低到2010 年的8.63，2018 年增加为11.83。参照敏感性相关研究成果[20-22]，2000 年北京市为中敏感区域（12.18～23.36），2010 和2018 年为低敏感区域（1～12.18）。

生态敏感性较高说明该区域生态系统受土地利用变化的影响大，应引起高度重视。2000—2010 年，北京市经济发展较快，年均GDP 增速大于10%，经济的发展带动了城市用地的扩张，建设用地增加了660.75 km2，耕地面积减少960.47 km2，变化幅度均较大，其他生态用地变化不大。2010—2018 年，北京市经济增速趋于平稳，年均GDP 增速在8%以下，建设用地增加了257.92 km2，耕地面积减少26.12 km2，变化幅度均小于2000—2010 年，且未利用土地增加了173.02 km2。可以看出，经济的高速发展带来的土地利用强度的变化对北京市的ESV 影响强烈。

3 结论与讨论

（1）2000—2018 年，北京市土地利用结构以林地、耕地和建设用地为主，北京市林地变化平稳，耕地迅速减少，建设用地扩张明显。耕地减幅动态度由2000—2010 年的2.92%降到2010—2018 年的0.22%，表明北京市耕地面积减小的趋势基本得到控制。

（2）北京市生态系统服务价值呈现上升的趋势，2000—2018 年ESV 增加了99.42 亿元，其中2000—2010 增 长 了 约40.99 亿 元，2010—2018 年 增 加 了58.43 亿元。北京市土地利用强度与ESV 呈现正相关，主要是因为林地对生态系统服务价值贡献率最大，达到了65%以上。调节服务与支持服务始终是北京市生态系统服务的核心功能；其中气候调节、水文调节的贡献率最多。

（3）2000—2018 年北京市土地利用变化的生态敏感性指数呈现减小—增加的变化过程，经济的高速发展带来的土地利用强度的变化对北京市的ESV 影响强烈。

（4）根据北京市土地利用和ESV 变化情况，提出以下建议：严格按照《北京市城市总体规划（2016年—2030 年）》，坚守建设用地规模底线，严格落实土地用途管制制度；注重水土保持，发挥水域生态价值重要作用；重视耕地整理复垦，逐步提高耕地生态价值。

（5）该研究将辖区面积16 410.54 km2作为一个整体，未进行分区讨论，其内部差异被忽视。下一步将评价单元放到更微观的区域，从时空上进行更加详细的分析。