北京城市空间扩展的生态环境响应及驱动力

  本文关键词：北京城市空间扩展的生态环境响应及驱动力，由笔耕文化传播整理发布。

生态环境学报 2015, 24(7): 1159-1165 Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor@jeesci.com

北京城市空间扩展的生态环境响应及驱动力

蔺雪芹，王岱*，刘旭

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1. 首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048；2. 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101

摘要：城市土地利用变化及其生态环境响应是全球环境变化研究的重要组成部分，是可持续发展研究的核心问题。大都市作为人口和产业密集地区，城市土地利用变化剧烈，由此带来的生态环境问题更为显著。在新型城镇化建设背景下，研究大都市城市空间扩展及其生态环境响应，对提高大都市土地利用效能，转变经济增长方式和实现可持续发展具有重要指导意义。文章基于北京市遥感影像数据及相关社会经济数据，构建北京市空间扩展的生态环境响应评价指标体系和模型，对1995─2010年北京市空间扩展的生态环境响应进行了综合评价并分析其驱动力。研究认为：1995─2010年北京市各区县空间扩展的社会经济压力指数不断增大，首都功能核心区和城市功能拓展区各区县社会经济压力指数上升幅度最大，城市发展新区和生态涵养发展区各区县上升趋势较为平缓；除东城区和西城区外，各区县土地利用状态指数有所下降，降低幅度较大的区县有通州、顺义、大兴、平谷和昌平，较小的区县有朝阳、海淀、丰台、石景山和密云；除通州和大兴外，各区县空间扩展的生态环境响应指数均呈上升趋势，净变化量较大的区县主要位于首都功能核心区，生态涵养区和城市发展新区各区县净变化量较小；除通州、顺义、延庆和昌平外，各区县城市空间扩展的生态环境响应综合指数均有所提高，其中东城、西城、海淀和朝阳净变化量较大，顺义、平谷和怀柔净变化量较小，空间格局表现出“中心低、外围高、东南低、西北高”的特征；人口增长、城市化、经济发展、建设用地高速扩展、生态用地减少等对北京城市空间扩展的生态环境响应具有重要影响。 关键词：空间扩展；生态环境响应；时空分异；驱动力；北京 DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.07.013

中图分类号：X21 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2015）07-1159-07

引用格式：蔺雪芹，王岱，刘旭. 北京城市空间扩展的生态环境响应及驱动力[J]. 生态环境学报, 2015, 24(7): 1159-1165. LIN Xueqin, WANG Dai, LIU Xu. Eco-environment Response to Urban Spatial Expansion and Its Driving Forces in Beijing [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(7): 1159-1165.

伴随我国进入城镇化加速发展阶段，城市规模快速扩张，由此带来的一系列生态环境问题已成为制约我国城市可持续发展的重要因素。关于城市土地利用变化和空间扩张与生态环境二者关系国内外已有诸多研究。主要有以下几个方面：（1）城市空间扩展的生态环境响应要素研究。包括城市空间扩展对大气成分及气候变化的影响（Meyer et al.，2003），对水文变化的影响（Croke et al.，2004；Mark et al.，2003），对土壤性质的影响（Islam et al.，2000；郭旭东等，2001），对自然灾害的影响（史培军，2003）等。（2）城市空间扩展的生态环境影响要素辨析。陈莹认为土地利用规模结构变化及水资源减少是造成北京生态环境质量变动的重要原因（陈莹等，2007），王宏伟等（2008）认为农业活动的开发造成各用地类型的消长转化以及人文经济活动是生态环境恶化的主要原因，卞正富和张燕平（2006）探讨了煤矿区土地利用格局的演变对环境的影响。（3）城市空间扩展的生态环境响应评

基金项目：北京市自然科学基金项目（8122015）

价。一些学者通过遥感图像解译信息如归一化植被

指数、地面辐射温度、MODIS地表温度等对区域空间扩展的生态环境影响进行了评价（Arthur et al.，2003；杨山等，2003；李洪义等，2006），一些学者将土地利用结构、河网密度、水土侵蚀强度、森林覆盖率等作为评价区域生态环境质量变化的重要组成部分，对区域生态环境质量进行评价（黄宝荣等，2008；徐鹏炜等，2006），一些学者基于生态系统服务价值、生态足迹等对城市空间扩张的生态环境响应进行评价（徐超平等，2010；郑辛酉等，2006），我国环境保护总局于2006年提出的基于遥感影像解译的生态环境状况评价指标体系及方法，也成为诸多学者对大都市区空间扩张的生态环境影响进行评价的有效手段（王瑶等，2007；杨楠等，2008；张华等，2008）。（4）城市空间扩展的生态安全格局分析。俄罗斯地理学家认为保护景观多样性在一定程度上决定了土地覆被和利用的可持续性。存在的自然生态系统越多，区域生态稳定性越

作者简介：蔺雪芹（1980年生），副教授，博士，主要研究方向为区域可持续发展。E-mail: lin-xueqin@139.com

*通讯作者：王岱。E-mail: wangdai@igsnrr.ac.cn

收稿日期：2015-03-18

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大（陈百明等，2003），在我国岳书平等（2006）、李俊祥等（2004）从景观生态学的角度对区域空间扩展的生态安全格局进行了研究。（5）城市空间扩展的生态响应预测、生态导向的大都市区空间扩展模拟预测研究。如Bewket et al.（2005）预测了未来土地利用/覆被潜在变化对水温水资源的影响，Allan et al.（2002）以保护区域水质为目标，建立了小流域土地利用格局优化模型，何春阳等（2003）考虑道路交通、河流、绿地、面状水体等约束因素基础上，从城镇用地数量最优和结构最佳的角度，对北京大都市区发展格局进行了预测。已有研究对城市空间扩展与生态环境二者关系进行了较为全面的研究，但重空间扩展与生态环境的因果关系确认，轻空间扩展对生态环境的影响因素剖析；且效果评价多，过程研究少。本文以1995─2010年北京市土地利用变化和社会经济发展数据为基础，基于P-S-R压力-状态-响应模型，构建北京城市空间扩张的生态环境响应评价综合指标体系和评价模型，对1995─2010年北京市空间扩展的生态环境响应进行评价，并从社会经济发展、土地利用变化各要素入手，分析北京市城市空间扩展的生态环境响应的驱动力。研究对于优化城市空间扩展模式，促进城市和生态环境协调发展，建立资源节约和环境友好型社会具有重要意义。

表1 北京城市空间扩展的生态环境响应综合评价指标体系 Table 1 The evaluation index system of eco-environmental response to

spatial expansion in Beijing

指标层

指标性质

名称 权重

人口密度/(人/平方公里) 0.090正向

城市化水平/% 0.014正向 人均GDP/(元/人) 0.147正向

社会经

0.294非农产业产值占GDP比重/% 0.024正向

济压力

地均GDP/(万元/平方公里) 0.383正向 万元GDP能耗/(吨标准煤) 0.158负向 单位工业用水工业产值/(万元/立方米) 0.184正向

建设用地面积比重/% 0.231负向 建设用地扩展强度/% 0.103负向

土地利

0.356建设用地开发强度/(万元/平方公里) 0.100正向

用状态

人均耕地面积/(平方公里/人) 0.216正向 人均林地面积/(平方公里/人) 0.350正向

生物丰度指数 0.003正向 水网密度指数 0.154正向

生态环

0.350植被覆盖指数 0.635正向

境响应

污染负荷指数 0.192负向 土地退化指数 0.016负向 标准层 名称权重

的生态环境响应综合评价模型如下：

Fj=M1+M2+M3=α1?(v1m×Φ1mj)+α2?(v2m×Φ2mj)+α3?(v3m×Φ3mj)

m=1

m=1

m=1

p1p2p3

1 研究方法和数据来源

1.1 构建北京城市空间扩展的生态环境响应综合评价指标体系

在压力-状态-响应（P-S-R）概念模型框架下，遵循科学性、综合性、简明普适性、可获性、可持续性、动态性原则，采用频度统计分析法、理论分析法和专家咨询法得到北京城市空间扩展的生态环境响应评价指标体系。指标体系包括社会经济压力、土地利用状态、生态环境响应3个方面共17个指标。其中社会经济压力指标7个，土地利用状态指标5个，生态环境响应指标5个。由于各指标存在量纲差异，其性质有正有负，缺乏可比性，本文利用半升梯形模糊隶属度函数模型来解决各指标因量纲不同而难以汇总的问题，并在SPSS 18.0中利用主成分分析法确定各标准层的权重值以及各具体指标相应对于所属标准层的权重值（见表1）。其中生物丰度指数、水网密度指数、植被覆盖指数、污染负荷指数、土地退化指数根据2006年颁布的中华人民共和国环境保护行业标准《生态环境质量评级技术规范（试行）》（HJ/T192─2006）的规定计算。

1.2 构建北京城市空间扩展的生态环境响应综合评价模型

采用加权综合函数法构建北京城市空间扩展

（1）

式中，Fj表示第j区县土地利用变化的生态环境响应综合评价指数；M1、M2、M3分别代表社会经济压力指数、土地利用变化指数和生态环境响应指数；α1、α2、α3分别表示3个评价标准层的权重值；v1m、v2m、v3m分别表示3个评价标准层中第m个具体指标的权重值；Φ1mj、Φ1mj、Φ3mj分别代表3个评价标准层中第j个区县第m个具体指标的历年得分值；pi表示第i个评价标准层中具体指标的个数，i=1, 2, 3。

1.3 构建北京城市空间扩展生态响应影响因素分析模型

基于上述分析，辨析社会经济发展压力、土地利用要素变化对城市空间扩展生态环境响应的影响。理论上，社会经济发展与生态环境变化之间存在曲线关系（Markus，2002；黄金川等，2003）。因此，本文借助SPSS 18.0软件，采用相关分析中的一次和二次曲线拟合法来探讨社会经济压力要素和土地利用要素变化对生态环境响应的影响。建立空间扩展生态环境响应影响因素分析模型如下：

Y=α0+α1X+ε （2） Y=α0+α1X+α2X2+ε （3） 式中，Y是因变量，为空间扩展的生态环境响应指数，X为自变量，分别为人口密度（X1）、城市化水平（X2）、人均GDP（X3）、非农产业产值占

、地均GDP（X5）、万元GDP能耗GDP比重（X4）

（X6）、单位工业用水工业产值（X7）、建设用地面积比重（X8）、建设用地扩展强度（X9）、建设用地开

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发强度（X10）、人均耕地面积（X11）、人均林地面

，α0、α1、α2为模型参数，ε为误差随机项。 积（X12）

1.4 数据来源

本文研究所用土地利用变化数据来源于1995、2000、2005、2010年4个年份北京市遥感影像（SPOTHE TM遥感影像数据），其他社会经济数据来源于1995、2000、2005、2010年北京市及各区县统计年鉴、北京区域统计年鉴、中国区域经济统计年鉴。

2 结果与分析

2.1 空间扩展的社会经济压力指数时空变化特征

从时间变化看，1995─2010年北京市各区县空间扩展的社会经济压力指数不断增大（图1）。其中，首都功能核心区包括东城区、西城区，城市功能拓展区包括海淀区、朝阳区、石景山区和丰台区社会经济压力指数上升幅度最大，上升趋势最为明显；城市发展新区包括通州区、顺义区、房山区、大兴区、昌平区和生态涵养发展区包括怀柔区、平谷区、门头沟区、密云县、延庆县等社会经济压力指数上升趋势较为平缓；社会经济压力指数多年平均值较高的区县为首都核心功能区的东城、西城和城市功能拓展区的丰台、朝阳、海淀；多年平均值较低的区县为城市功能拓展区的石景山和生态涵养发展区的房山、平谷、延庆。从空间分布来看，1995─2010年北京市空间扩展的社会经济压力指数整体表现为“中心高、外围低，东南高、西北低”的空间分布格局。北京空间扩展的社会经济压力指数的时空变化特征与各区县所承担的主要城市功能相关。首都功能核心区是首都政治、文化、国际交往、

(a)社会经济压力指数

教育科研和金融管理中心，人口密集，现代服务业集聚，高新技术产业比重高，经济活动密度大，单位产出效能高，使得这两个区域总体社会经济活动压力较大，且增长较快；城市发展新区服务业具有一定规模，是北京市现代制造业和现代农业发展的主要载体，社会经济活动压力较首都功能核心区和城市功能拓展区小；生态涵养区是首都生态屏障和水源保护地，工业基础薄弱，产业发展空间相对较小，社会经济压力最小，且增幅较慢。

2.2 空间扩展的土地利用状态指数时空变化特征

从时间变化来看，1995─2010年北京市各区县除东城区和西城区土地利用状态指数有所升高外，其余各区县土地利用状态指数均呈下降态势，其中净减少量较大的区县为通州、顺义、大兴、平谷和昌平，净减少量较小的区县为朝阳、海淀、丰台、石景山和密云（图1）。土地利用状态指数多年平均值较高的区县为延庆、大兴、顺义和通州；多年平均值较低的区县为东城和西城。从空间分布来看，北京市土地利用状态指数整体表现为“中心低，外围高”的空间格局。土地利用状态指数的时空变化特征与各区县土地资源特质和开发利用水平密切相关。首都功能核心区和城市功能拓展区地形平坦，主要以建设用地面积为主，林地和草地面积总量和人均水平较低，使得这两个区域土地利用状态指数较低。与首都功能核心区和城市功能拓展区相比，城市发展新区建设用地比重、建设用地扩展强度、开发强度相对较低，同时人均耕地面积和林地面积相对较高，因此这一区域总体土地利用状态指数高于首都功能核心区和城市功能拓展区，但是作

(b)土地利用状指数

图1 1995─2010年北京城市空间扩展的社会经济压力指数和土地利用状态指数空间分异 Fig. 1 Social-economic pressure index and land use status index of spatial expansion in Beijing (1995─2010)

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为北京市疏散中心城区人口和产业的重要区域，土地利用状态多年不断下降。生态涵养发展区林地和草地面积比重大，建设用地比重小，同时产业活动和人口压力小，使得这一区域土地利用状态指数较高，同时随着这一区域环保型工业和总部经济等的发展，部分区县如平谷、怀柔等土地利用状态指数出现下降趋势。

2.3 空间扩展的生态环境响应指数时空变化特征

从时间变化来看，1995─2010年北京市各区县空间扩展的生态环境响应指数除通州和大兴两个区有所下降外，其他各区县均呈上升趋势（图2）。其中首都核心功能区各区县净变化量较大，生态涵养发展区和城市发展新区各区县净变化量较小，城市发展新区的通州和大兴甚至出现了负增长。空间扩展的生态环境响应指数多年平均值较高的区县为生态涵养发展区的门头沟、房山、昌平、延庆、怀柔和密云；多年平均值较低的区县为首都核心功能区的东城、西城和城市功能拓展区的石景山、朝阳、丰台、海淀。从空间分布来看，北京市空间扩展的生态环境响应指数整体呈现出“中心低、外围高，东南低、西北高”的空间格局特征。由于制造业外迁、城市功能提升以及产业结构转型升级，首都功能核心区和城市功能拓展区制造业比重降低，以金融、咨询、法律等为主的现代服务业快速发展，导致经济活动的生态环境负向影响减弱，同时产业发展的生态环境需求提高，造成这一地区城市空间扩展的生态环境响应指数较低，但是多年增长率高。而城市发展新区，由于承担疏散中心城区人口和产业的职能，制造业及相关服务业不断集聚，造成生态环境响应指数虽高于首都功能核心区和城

(a)生态环境响应指数

市功能拓展区，但是多年波动变化，没有显著提升。而外围的生态涵养区由于土地利用结构中生态用地面积大、比重高，且发展职能为强化生态修复与水源保护，因此城市空间扩展的生态环境响应指数最高，且大部分区县多年有不断增长的态势。

2.4 空间扩展的生态环境响应综合指数时空变化特征

从时间变化来看，1995─2010年除通州、顺义、延庆和昌平的空间扩展的生态环境响应综合评价指数略有下降，其余各区县该指数均有所提高，其中东城、西城、海淀和朝阳净变化量较大，平谷和怀柔净变化量较小。多年平均值较高的区县为密云延庆和昌平；多年平均值较低的区县为东城、西城、丰台和石景山。从空间分布来看，北京市土地利用变化的生态环境响应综合评价指数整体表现为“中心低、外围高，东南低、西北高”的空间格局（图2）。可以看出，，考虑社会经济压力和土地利用变化状态，首都功能核心区空间扩展的生态环境响应综合指数值最小但增长迅猛，尤其是2005─2010年，东城区和西城区生态环境响应综合指数年均增速分别达到16.47%和14.48%，远大于其他区县2.39%的平均增速；城市功能拓展区中海淀区和朝阳区空间扩展的生态环境响应综合指数数值和增速远大于丰台区和石景山区，后者2000─2005年快速增大，其余年份稳步上升；城市发展新区生态环境响应综合指数较大，但由于近些年社会经济载荷日益增大，导致生态环境响应综合指数波动缓慢上升，甚至有一些区县生态环境响应综合指数出现波动下降，如大兴区、通州区和昌平区；生态涵养区生态环境响应综合指数最大，但受到产业发展以及经

(b)生态环境响应综合指数

图2 1995─2010年北京市土地利用变化的生态环境响应指数空间分异

Fig. 2 Eco-environment response index and its comprehensive index of spatial expansion in Beijing (1995─2010)

  本文关键词：北京城市空间扩展的生态环境响应及驱动力，由笔耕文化传播整理发布。