2. 国家林业与草原局林木培育重点实验室, 北京 100091;
3. 国家林业与草原局城市森林研究中心, 北京 100091
2. Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation, State Forestry and Grassland Administration, Beijing 100091, China;
3. Research Centre of Urban Forestry, State Forestry and Grassland Administration, Beijing 100091, China
城乡交错区是城市和乡村的过渡性区域[1], 也是城镇化进程中最前沿的区域, 土地利用类型变化激烈, 生态环境状况最不稳定, 人增地减矛盾尖锐[2]。城市外延的扩展和乡村的城镇化, 导致城乡交错区域景观特征既有别于城市，又有异于乡村[3]。在2007年《中华人民共和国城乡规划法》出台之前, 这一区域及其外的广大乡村地区, 由于缺乏法律层面的上位保障, 生态与景观风貌保护一直处于被动状态, 生态环境问题易被忽视, 是城乡生态建设的最薄弱环节。国内许多学者对城乡交错区进行研究, 但主要关注的是城乡交错区的建筑环境, 以及有关生活垃圾、生活污水和固体废弃物等的环境问题[4-6], 对生态方面的需求和问题关注不够。北京市是我国城市发展最快的地区之一, 其城乡交错区生态环境问题具有一定的典型性和代表性。乡村绿化对改善城乡交错区人居环境、促进人与自然和谐相处具有积极影响, 而目前衡量乡村绿化的常用指标是四旁(即宅旁、路旁、水旁、村旁)绿化和林木绿化率等指标, 其涵盖范围既包括生活空间, 又包括生产空间, 同时还包括生态空间。由于这些指标仅提供了数量方面的信息, 而没有质量方面的要求, 因此, 不能很好地刻画乡村生活空间的人居环境。而农村环境中人地矛盾最突出、生态需求最强烈的区域处于居民点(或聚落)内部, 为此, 笔者在研究范围上聚焦于反映农村居民生活环境的居民点上, 以这一空间乡村人居林为切入点, 在衡量指标上借用目前国外城市森林研究中广泛应用的林木树冠覆盖(urban tree canopy, UTC)指标[7], 既可以明晰人居林的变化特点、过程和趋势, 也可为今后的乡村建设提供理论和实践指导。
1 研究区域概况北京市是全国的政治中心、文化中心, 典型大都市的代表, 位于华北平原北部(39.28°~41.05° N, 115.25°~117.30° E), 西北倚太行山, 北靠燕山, 与天津和河北相邻, 气候为典型的北温带半湿润大陆性季风气候区, 平均气温为12.3 ℃, 平均降水量为600 mm。北京市域总面积为1.64万km2, 由山区和平原两种地貌构成, 其中, 山区面积占总面积的62%, 平原区面积占38%。根据文献[8], 目前北京市城乡交错区位于5~6环之间, 故选取的研究区域以第二道绿化隔离区即六环外1 km范围为最外边界, 以二环路为最内边界, 研究区面积为2 366.00 km2, 在行政区上涉及朝阳区和石景山区全部, 海淀区和丰台区绝大部分区域, 以及房山区、门头沟区、昌平区、顺义区、通州区和大兴区部分区域。研究区域以平原区为主, 主要由农业植被和城市绿地构成, 土壤类型以潮土、褐土为主, 另有少量砂姜黑土、水稻土、粗骨土、棕壤和风沙土分布, 农村居民点呈集中型分布。截至2017年, 北京市常住人口为2 170.7万人, 地区生产总值为28 000.4亿元, 全市森林覆盖率为43.0%, 城市绿化覆盖率和人均公园绿地面积分别为48.42%和16.20 m2。2017年1—9月北京市城镇居民人均可支配收入为46 296.42元, 农村居民人均可支配收入为19 346.78元。
2 研究方法 2.1 数据来源及处理采用覆盖研究区域的分辨率为0.5 m的2002年8—9月真彩色航片和2013年8—9月WordView-2卫星影像解译的城市林木树冠覆盖及其他地表覆盖分布图, 2002和2013年总体精度分别为92.23%和96.02%, Kappa系数分别为0.861 3和0.923 1[9], 并利用2001和2013年1:1万研究区土地利用现状数据。采用ArcGIS 10.4软件, 以自然村为单位, 结合2001和2013年土地利用现状图中的农村居民点用地类型, 在2002和2013年影像上目视勾绘农村居民点边界。
人口密度数据采用2000和2010年第五、六次人口普查获得的行政村(街道)数据。鉴于目前的统计年鉴中人口数据还达不到行政村统计口径, 只有每10 a 1次的人口普查数据, 才能达到行政村这一口径, 故采用距离此次影像采集时间2002和2013年最近的2000和2010年人口数据。具体的数据处理过程:先在行政村面状矢量边界图层上计算以行政村为单位的人口密度, 然后提取行政村的多边形边界质心, 将行政区域人口密度赋予该质心点, 之后再利用ArcGIS 10.4软件, 通过Kring空间插值方法, 生成目前所采用的面状人口密度图层。
2.2 林木树冠覆盖借鉴城市林木树冠覆盖(UTC)这一指标来衡量农村人居林。根据美国农业部林务局的定义, UTC指当从树木上面垂直观察时, 树木叶层、树枝和树干所覆盖的地表面积[10]。林木树冠覆盖率(R, %)计算公式为R=(Su/St)×100%。其中, Su为农村居民点内UTC面积, hm2; St为农村居民点总面积, hm2。
2.3 林木树冠覆盖度分级为了研究不同覆盖度农村居民点的等级分布情况, 对农村居民点林木树冠覆盖度进行分级分析。林木树冠覆盖度等级划分参照斑块粒级和树冠盖度等级方法[11-12], 以树冠覆盖率均值(21.76%)为中心点, 上、下依次加减0.5、1、1.5倍标准差(12.84)所得的值为分界点(2.50%、15.34%、28.18%和41.02%), 对分界值进行精准估算并取“半整”(即以0.5作为分界线), 将北京市城乡交错区居民点林木树冠覆盖度划分为极低覆盖度(≤2.50%)、低覆盖度(>2.50%~15.50%)、中覆盖度(>15.50%~28.00%)、高覆盖度(>28.00%~41.00%)和极高覆盖度(>41.00%)5个等级。
2.4 土地利用现状分类及土地利用转移概率矩阵土地是生态系统的载体, 土地利用格局的变化可以直接影响生态环境, 土地资源的合理利用对实现可持续发展目标具有重要意义[13]。为了进一步探讨空间稳定的自然村用地类型转化对生态用地稳定性的影响, 对2002和2013年同时存在的自然村村域范围进行土地转移概率矩阵分析, 根据2001和2013年土地利用现状图将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域和湿地、建设用地以及未利用地6类, 利用土地转移概率矩阵分析土地利用类型的变化情况, 可以直观地看出土地利用类型是如何转入和转出的, 其数学公式为
| $ {P_{ij}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{P_{11}}}& \ldots &{{P_{1n}}}\\ \vdots &{}& \vdots \\ {{P_{n1}}}& \ldots &{{P_{nn}}} \end{array}} \right] 。$ | (1) |
式(1)中, Pij为土地利用类型i转变为土地利用类型j的概率; n为土地利用类型数。矩阵中每一行数字相加等于100%[14]。
2.5 景观格局指数景观格局指数指能够高度浓缩景观格局信息, 反映其结构组成和空间配置某些方面特征的定量指标[15]。采用平均斑块大小(MPS)、边缘密度(ED)、平均斑块形状指数(MSI)、平均斑块分维数(MPFD)、香农多样性指数(SDI)和香农均匀度指数(SEI)6种景观格局指数分析2002—2013年农村居民点景观格局变化情况。
3 结果与分析 3.1 北京城乡交错区农村居民点用地变化由图 1可知, 2002—2013年研究区域农村居民点总体呈现不断减少趋势, 2013年不仅分布范围由11 a前的2~6环缩小至3~6环, 而且其重点分布区域也退居到5~6环外1 km范围。从具体数量(表 1)上来看, 以自然村为单位, 与2002年相比, 2013年农村居民点数量减少428个, 面积减少6 437.85 hm2。从空间分布上来看, 11 a间, 2~6环外1 km范围内, 农村居民点分别减少14、50、91和273个, 3环内农村居民点完全消失, 3~5环之间仅有19个农村居民点, 94.85%的农村居民点分布于5~6环外1 km范围内, 这说明北京城市化进程的加快, 导致城乡交错区农村居民点数量迅速减少, 且城市化进程是沿着环路逐渐向外扩张发展的。
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图 1 北京市城乡交错区农村居民点及林木树冠覆盖(UTC)分布 Fig. 1 Distribution map of rural settlements and UTC in urban and rural interlaced areas of Beijing |
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表 1 北京市城乡交错区农村居民点用地沿环路统计 Table 1 Statistics of rural residential areas along ring road in urban-rural intersection of Beijing |
由表 2可知, 2002—2013年, 受城镇化影响, 北京市城乡交错区农村居民点UTC面积和UTC斑块数量分别减少868.20 hm2和142 942个, 而总体林木树冠覆盖率由19.54%增加至22.15%, UTC平均斑块面积增加0.05 hm2, 农村居民点平均树冠覆盖面积和单位面积树冠覆盖率分别增加3.72 hm2和7.23百分点, 农村居民点平均面积由26.78 hm2增加至40.39 hm2。这说明农村居民点平均面积扩大, 土地集约程度提高, 有利于提高土地利用效率, 可用于协调的土地空间增加, 对于UTC的发展有促进作用。
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表 2 北京市城乡交错区农村居民点林木树冠覆盖(UTC)统计 Table 2 UTC statistics of rural residential areas in urban and rural interlaced areas of Beijing |
由表 3可知, 无论是2002年还是2013年, 农村居民点林木树冠覆盖率均呈现沿着环路增加而增加的变化趋势, 且2013年3~4环和4~5环林木树冠覆盖率均高于2002年, 5~6环外1 km林木树冠覆盖率仅比2002年低0.52百分点, 这说明随着环路的增加, 城市化程度降低, 农村居民点林木树冠覆盖率提高, 绿化情况变好。
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表 3 北京市城乡交错区农村居民点UTC沿环路统计 Table 3 Statistics of UTC along the ring road in rural residential areas in Beijing |
由表 4可知, 2002、2013年农村居民点均主要集中在低覆盖度和中覆盖度等级, 数量占比分别为33.12%和51.69%、26.02%和38.21%。与2002年相比, 2013年极低覆盖度农村居民点完全消失, 高覆盖度和极高覆盖度等级农村居民点个数所占比例均有所提高, 分别提高14.27和6.45百分点。与2002年相比, 2013年北京城乡交错区农村居民点林木树冠覆盖度整体和绿化状况有所提高。初步分析覆盖度分级的变化原因有4个:(1)这11 a间树木本身生长量不断增加, 使得UTC增加; (2)社会主义新农村建设使得农村生态建设的投入与力度加大, 促进了生态环境的改善; (3)造林模式的改变, 自2001年北京申奥成功以来, 借助绿色奥运会这个契机, 北京市平原与城市绿化造林不再采用小的实生苗, 而采用大苗(胸径大于8 cm), 一次性造林, 一次性成林; (4)在新农村改造和重建过程中, 优先选择生态环境较差、空心化严重、经济发展落后的农村村落进行土地整理, 致使极低覆盖度农村居民点消失[16]。
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表 4 2002—2013年农村居民点树冠覆盖等级划分统计 Table 4 Statistics on crown coverage of rural residential areas from 2002 to 2013 |
随着城市化的发展和农村土地整理的推进, 有的农村居民点消失, 有的农村居民点重组、新增, 2002—2013年空间稳定、保留下来的居民点面积为6 381.28 hm2, 11 a间UTC面积减少168.45 hm2, 林木树冠覆盖率由19.03%减少至16.39%, UTC斑块数量减少21 155个, 平均斑块大小增加0.01 hm2(表 5)。这说明在这11 a间, 保留的农村居民点UTC破碎化程度减轻, 但林木树冠覆盖率有所下降。
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表 5 北京市城乡交错区保留村居民点林木树冠覆盖(UTC)统计 Table 5 UTC statistics of rural old settlements in urban and rural areas in Beijing |
为了进一步探究保留村农村居民点林木树冠覆盖率下降的原因, 对保留村整个村域范围的土地转移概率矩阵(表 6)进行分析。从空间稳定性方面来看, 2001—2013年间, 稳定性最高的土地利用类型为建设用地, 12 a保持自身不变的概率为84.50%;最不稳定的是未利用地, 其12 a间稳定性只有6.80%, 其主要转出为林地和建设用地, 转出概率分别为40.39%和38.53%;林地、草地、水域和湿地及未利用地4种生态用地保持自身不变的概率均较低, 分别为46.68%、9.06%、36.35%和6.80%。从土地转入和转出方面来看, 各地类向建设用地的转入概率均较高, 转为林地的主要有草地(26.29%)和未利用地(40.39%), 即草地和未利用地有较大的生态效益潜力, 但随着城市化的推进, 大部分生态用地转化为建设用地, 不利于生态用地的稳定和保护。
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表 6 2002—2013年保留的自然村土地利用转移概率矩阵 Table 6 Land use transfer probability matrix of old villages from 2002 to 2013 |
2002—2013年农村居民点变化模式(表 7)主要有以下几种:收缩、扩张、消失、新增以及在边缘新增或者消失, 对农村居民点变化进行分析。统计结果(表 8)显示, 收缩、消失和边缘消失模式的农村居民点林木树冠覆盖率分别为20.20%、15.54%和15.14%;扩张、新增和边缘新增模式的农村居民点林木树冠覆盖率分别为25.05%、25.70%和27.71%, 均高于20%;新增的农村居民点林木树冠覆盖率(25.70%)明显高于消失的农村居民点林木树冠覆盖率(15.54%)。
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表 7 农村居民点变化模式示意 Table 7 Schematic map of rural residential area change patterns |
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表 8 不同变化模式农村居民点变化部分林木树冠覆盖率统计 Table 8 Statistics of crown coverage rate of some trees in rural residential areas with different change modes |
由表 9可知, 从整个景观水平来看, 与2002年相比, 2013年农村居民点UTC平均斑块面积由0.02 hm2变为0.07 hm2, 平均斑块面积增加, 景观破碎化程度降低; 斑块边缘密度降低47.07%, 景观被边界割裂的程度在降低, 景观斑块的空间连通度有所升高; 平均斑块形状指数、平均斑块分维数、香农多样性指数和香农均匀度指数均有所降低, 斑块形状趋于简单化, 斑块复杂性和多样性降低, 因而不利于斑块的稳定。
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表 9 2002和2013年居民点用地自然村分类景观格局特征 Table 9 Landscape pattern characteristics of residential land of natural villages in 2002 and 2013 |
城镇化无论是在全球、区域还是地方尺度都是对环境造成巨大影响的活动之一[17]。
由人口密度分布(图 2)可知, 2000—2010年, 人口密度最高值由39 323人·km-2上升至40 623人·km-2, 最小值则上升179人·km-2。人口密度增加, 相应的建设用地也在增加。同时, 对2002和2013年不透水地表进行比较, 发现农村居民点不透水地表面积比例由51.44%增长至64.24%。
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图 2 北京城乡交错区人口密度分布 Fig. 2 Population density distribution map in urban and rural interlaced areas of Beijing |
由保留村土地利用转移概率矩阵统计结果(表 10)可知, 建设用地增加14 609.73 hm2, 而林地面积则减少831.70 hm2。从消失的农村居民点范围内土地类型转化上来看, 城镇建设用地面积占比最高, 为44.91%, 而林地面积占比仅为3.90%, 耕地、草地、水域和湿地、其他建设用地以及未利用地面积占比则分别为1.80%、10.51%、0.43%、38.18%和0.27%。生态用地与城镇建设用地矛盾尖锐, 城镇化扩张不应以占用生态用地为基础, 人类居住地的扩张严重干扰了当地的生态系统, 进而导致农村生态环境被破坏[18]。何春阳等[19]对北京城市扩展模式的研究发现, 区域城镇用地的增加一方面将导致平原区耕地大量减少, 另一方面将影响区域的生态调节功能, 改变区域的生态安全格局。
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表 10 2002—2013年保留的自然村土地利用类型面积变化统计 Table 10 Statistics of land use type area change in natural old villages from 2002 to 2013 |
农村居民点整理指通过运用工程技术、调整土地产权等方式, 对村庄进行改造、归并和再利用, 使农村建设逐步集中、集约, 以提高农村居民点土地利用强度, 促进土地利用有序化、合理化、科学化, 同时改善农民生产、生活条件和农村生态环境[20]。
2002—2013年农村居民点数量减少428个, 农村居民点面积减少6 437.85 hm2, 但林木树冠覆盖率由19.54%提高到22.15%, 说明单位面积土地UTC增加, 且平均UTC斑块面积增加0.05 hm2, 即到2013年, UTC斑块面积变大且集中。这说明土地整理过程就是充分利用有限资源, 实现土地资源利用综合效益的最大化和效率最高化, 提高单位土地容积率, 用于可协调的土地空间增加, 从而使土地整理在一定程度上有利于UTC面积增加和农村生态环境改善。
3.5.3 社会主义新农村建设2005年中国共产党十六届五中全会提出要按照“生产发展、生活富裕、乡风文明、村容整洁、管理民主”的要求, 扎实推进社会主义新农村建设, 其中, “村容整洁”是社会主义新农村的有效载体和外在形态, 是改善农村人居环境的基础[21]; 2010年中国共产党十七届五中全会提出加快社会主义新农村建设, 强调建设农民幸福生活的美好家园; 2013年中央一号文件提出建设“美丽乡村”, 进一步加强农村生态建设; 2018年中央一号文件提出乡村振兴战略, 建设生态宜居的农村人居环境。《北京市总体规划(2016—2035年)》中提出要大幅扩大绿色空间规模, 提高生态服务质量, 实现城乡交错区提质增绿。大力推进第二道绿化隔离区郊野公园建设, 形成以生态农业用地为主体的环状绿化带, 加强九条楔形绿色廊道植树造林。力争到2020年绿色开敞空间面积占比提高到63%, 到2035年提高到70%。这些乡村政策始终将农村生态环境问题置于核心地位, 对提高城乡交错区农村居民点林木树冠覆盖率和改善农村生态人居环境具有重要意义。
4 讨论乡村人居林是乡村生态环境建设中最重要的前沿阵地, 在城乡交错区域尤其如此, 该区域生态环境建设的成败得失对于乡村人居生态安全与可持续发展具有重要意义。城乡交错区是城市和农村二元地域结构的过渡地区, 作为典型的生态系统交错区, 在城市格局演变过程中, 它可以缓冲城市化发展的矛盾, 是城市生态环境的保护屏障[22]。但城乡交错区特殊的地理位置使其既是实现城乡一体化、建设新农村的前沿阵地, 又是人口管理、土地利用和生态环境等问题最多、矛盾最突出的地带[23], 它除具有农村所有的生态环境问题以外, 还同时具有城市的生态环境问题。随着生活水平的提高, 人们对良好人居生态环境的要求越来越高。笔者聚焦于农村居民点生活空间, 对其乡村人居林进行研究, 对改善农村居民的生活环境、提高村民的生活质量和全面建设社会主义新农村具有重要意义。北京市城乡交错区农村居民点不断减少, 传统乡村文化景观逐渐丧失。2002—2013年北京市城乡交错区农村居民点数量减少428个, 这与北京市全市农村居民点的变化趋势相一致。田淑敏[24]对北京市全市农村居民点的研究发现1985—2004年近20 a, 农村居民点数量呈现逐年减少趋势, 在城乡交错区农村居民点用地是城镇建设用地的主要来源[25]。随着社会的发展, 以农耕文明为基础的中国传统文化脉络、肌理被破坏, 淡化, 甚至消失[26]。社会主义新农村建设要努力做到既让农民在鸟语花香中享受愉悦的景观魅力, 又让农民在传统乡情中感受浓郁的人文气息[27]。因此, “望得见山、看得见水、记得住乡愁”的乡村景观的营造, 对传统文化和特色地域文化的传承具有重要意义。提高生态空间的稳定性对于农村生态环境的可持续发展意义重大。由土地转移概率矩阵分析可知, 建设用地最稳定且各地类向建设用地的转出概率均较高, 生态用地稳定性较低。从景观生态学角度, 根据哈伯“10%急需法则”[28], 应预留安全的生态用地, 构建点、线、面生态安全格局[29]:以农村居民点为核心点, 科学地建设生态廊道网络, 它是连接城市和乡村之间能流、物流和信息流的通道[30]。同时, 调整产业结构, 适当发展经济效益和生态效益兼顾的林果产业, 可提高农业生产力以及促进农村生态环境可持续发展[31]。
笔者对北京和山东安丘的相关研究表明, 借鉴城市林木树冠覆盖这一指标研究乡村人居林是一个很合适的路径选择。以树木为主体的乡村人居林在改善乡村环境、提升居住质量中所起的作用是无可替代的。乡村人居林的生态作用和功能不仅与其面积有关, 更取决于其质量, 即乔木数量、生物量、树冠覆盖及叶面积等[32]。但是目前衡量乡村人居环境的指标是林木绿化率和四旁绿化, 林木绿化率不能全面地体现乡村人居林的质量情况。四旁绿化既包含生活空间, 也包含生产空间, 不能准确地刻画生活空间人居生态环境, 而城市林木树冠覆盖是衡量森林健康与稳定性、生态功能服务质量的重要指标[33]。因此, 借鉴城市林木树冠覆盖率这一指标, 对乡村人居林树冠覆盖进行量化研究, 客观、准确地评价乡村人居林质量以及城乡交错区农村居民点人居环境状况。但笔者研究也存在一些不足。根据国外文献, 绝大多数情况下, 林木树冠覆盖主要以乔木为核心, 笔者研究受遥感影像分辨率制约, 在面向对象的解译过程中, 还无法将乔木和灌木完全区别开来[33], 以及对于树木因自然生长而致使林木树冠覆盖面积增加的量也未进行测量, 因此, 这在一定程度上影响了分析的完整性。尤其是受研究时间的制约, 笔者没有能够对研究区域乡村人居林结构、功能等方面进行实地调查, 也没有对相关的乡村建筑布局与林木树冠覆盖的空间耦合进行分析, 更没有针对乡村人居林树种选择的地域文化特色与差异的社会经济等方面开展人文分析。相信随着目前乡村振兴步伐的加快以及笔者后续工作的循序展开, 尤其是无人机成像技术的普及应用, 这些方面的研究工作会在未来取得进展。
5 结论(1) 2002—2013年间, 北京市城乡交错区农村居民点数量减少428个, 居民点平均面积增加13.61 hm2, 居民点平均林木树冠覆盖率由17.78%增加到25.01%, 整体的林木树冠覆盖率由19.54%增加到22.15%;2013年高覆盖度和极高覆盖度农村居民点面积所占比例比2002年分别提高14.27和6.45百分点, 极低覆盖度居民点面积占比减少0.13百分点。在城市化土地整理进程中, 农村居民点面积扩大, 有利于UTC面积的增加。
(2) 无论是2002年还是2013年, 农村居民点林木树冠覆盖率均呈现沿着环路增加而增加的趋势, 这说明随着环路的增加, 城市化程度降低, 农村居民点林木树冠覆盖率增高, 绿化情况变好。
(3) 保留村农村居民点林木树冠覆盖率由19.03%减少至16.39%。由土地转移概率矩阵分析可知, 各地类向建设用地的转出概率均较高, 且建设用地稳定性最高, 保持自身不变的概率为84.50%, 林地、草地、水域和湿地及未利用地4种生态用地保持自身不变的概率均较低, 分别为46.68%、9.06%、36.35%和6.80%, 其中, 生态效益最大的林地转出为建设用地的概率为27.68%, 即随着城市化进程的发展, 大部分生态用地转化为建设用地, 这说明城市化不利于生态用地的稳定和保护。
(4) 新增农村居民点林木树冠覆盖率(25.70%)明显高于消失农村居民点林木树冠覆盖率(15.54%)。
(5) 对不同变化模式农村居民点变化部分的统计分析显示, 扩张、新增和边缘新增模式的农村居民点林木树冠覆盖率分别为25.05%、25.70%和27.71%。
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