全 文 ：北京昌平区城镇化过程与空间特征研究 3
张　峰　张新时 3 3
(中国科学院植物研究所植被数量生态学重点实验室 ,北京 100093)
【摘要】　城市化作为一种巨大而又毫无计划的蔓延过程 ,强烈地影响着全球的大面积土地 ,而且产生了深
刻的社会和生态效应 ,因此全面了解城市化的生态学效应的研究已成为国际城市生态学研究的前沿领域.
基于昌平区 1989、1996 和 2001 年 3 期土地利用景观数据提取城镇用地信息 ,采用城镇扩展强度指数和景
观格局指数对昌平平原区城镇化过程与空间特征进行了深入研究. 结果表明 ,昌平平原区有 3 种主要的城
镇化模式 ,即都市边缘带状城镇扩展模式、交通主轴线状城镇扩展模式和卫星城面状城镇扩展模式. 昌平
区城镇化过程主要集中在研究时段的前期 (1989～1996 年) . 都市边缘带状城镇扩展区内 ,前期以城镇斑
块面积独立扩展和新的城镇斑块不断产生 2 种方式为主 ,而后期以城镇斑块面积的合并扩展为主 ;交通主
轴线状城镇扩展区则为城镇斑块面积独立扩展、合并扩展 ,以及新城镇斑块的产生 3 种方式同步进行 ;最
后 ,在卫星城面状城镇扩展区 ,前期以城镇用地的合并扩张为主 ,后期则表现为卫星城周边新的城镇用地
不断涌现. 城镇扩展强度指数和城镇景观格局指数结合使用 ,能较好地揭示昌平城镇化过程与空间特征.
关键词 　城镇化 　城镇扩展强度指数 　景观格局指数 　北京昌平区
文章编号 　1001 - 9332 (2005) 06 - 1128 - 05 　中图分类号 　Q149 　文献标识码 　A
Urbanization expanding process and its spatial characteristics in Changping District of Beijing ,China. ZHAN G
Feng ,ZHAN G Xinshi ( L aboratory of Quantitative V egetation Ecology , Institute of Botany , Chinese Academy
of Sciences , Beijing 100093 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2005 ,16 (6) :1128～1132.
Urbanization is a massive and unplanned experiment that already affects large acreages worldwide ,and has pro2
found social and ecological consequences for both urban and rural residents. Therefore ,to comprehensively quanti2
fy the urbanization process and to investigate its ecological consequences become the central issues in urban eco2
logical studies. Combining urbanization expanding index with landscape metrics ,this paper quantified the urban2
ization expanding process and the urbanization spatial characteristics in Changping District of Beijing. The results
showed that there were three main urbanization models , i . e. ,urban fringe belt2expending model ,main trans2
portation routes line2expending model ,and satellite city panel2expending model. The urbanization expansion index
showed that urbanization mainly took place during the period from 1989 to 1996 ,and the urban landscape metrics
indicated that there were urban patches isolated expanding and new urban patches emerged from 1989 to 1996 ,
mainly amalgamated expanding from 1996 to 2001 in urban fringe belt2expanding region. In transportation routes
line2expanding region ,the urban patches isolated expanding ,amalgamated expanding and new urban patches e2
merging took place simultaneously ,and mainly urban patches amalgamated expanding during the former period ,
and new urban patches constantly turning up around satellite city during the latter in satellite city panel2expand2
ing region. This study showed that urbanization expansion integrating landscape metrics might reveal the urban2
ization expanding process and its spatial characteristics ,and would be a good example for the application of land2
scape metrics.
Key words 　Urbanization , Urbanization expanding index , Landscape metrics , Changping District .3 国家重点基础研究发展规划资助项目 ( G2000018607) .3 3 通讯联系人.
2004 - 07 - 20 收稿 ,2004 - 11 - 29 接受.
1 　引 　　言
城市生态学的主要目标之一是研究城市化的空
间格局与生态学过程之间的关系[1 ,16 ,20 ,21 ] . 城市结
构显著地影响城市内部及其外围局部的环境、生态
和社会经济过程[17 ] . 由人类活动引起的土地利用
/ 覆被的变化是人类对自然系统所施加的最主要的
影响[22 ] ,而且与城市化有关的土地利用/ 覆被变化
是深刻影响生物多样性和人类生活的最主要形
式[4 ] . 城市化作为一种巨大而又毫无计划的蔓延过
程 ,强烈地影响着全球的大面积土地 ,而且产生了深
刻的社会和生态效应[5 ,25 ] . 然而 ,这种自然景观或
者是农业景观向高度人工化都市景观的转化一直持
续着 ,并且已经城市化的区域依然在继续发生着改
变[18 ] . 因此 ,全面了解城市化的生态学效应 ,已成为
国际城市生态学研究的前沿领域.
城镇用地不断增加是快速城镇化地区景观结构
变化的最显著标志. 这一动态过程不但迅速改变了
城市地区的景观整体格局 ,还对城市周边的自然和
应 用 生 态 学 报 　2005 年 6 月 　第 16 卷 　第 6 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J un. 2005 ,16 (6)∶1128～1132
农业景观格局变化产生显著的影响[3 ,10 ,26 ] . 城镇用
地的不断增加是由城镇斑块的独立扩展、城镇斑块
的合并和新城镇斑块的不断产生共同构成的一个复
杂过程 ,该过程不但受制于城市自身的发展需求 ,还
受到地形、区位、交通等诸多内外部条件的约
束[9 ,10 ,15 ] .
对于北京这一大都市 ,土地利用/ 覆被变化的研
究从 20 世纪 90 年代末以来 ,一直是研究的热点和
焦点问题. 其研究的蓬勃发展一方面与从改革开放
以来近 20 年内 ,北京市的土地利用/ 覆被发生巨大
变化 ,提供了很好的研究素材有关 ;而另一方面更重
要的是遥感、地理信息技术的广泛应用 ,对宏观生态
学的研究起到了巨大的推动作用[24 ] . 顾朝林[6 ] 、刘
盛和等[13 ]曾对北京地区土地利用/ 覆被变化空间特
征、驱动因素等进行了系统的研究. 究其原因 ,都市
化问题是北京土地利用变化的主要驱动 ,也是土地
利用/ 覆被变化的主要内容. 关于城镇化 , 周一
星[27 ] 、宗跃光等[28 ] 、何春阳等[5 ]对北京城市化问题
从城市化模式、城市化过程等方面进行了深入研究.
可以肯定的是关于北京地区的研究已有很好的研究
积累. 然而 ,无论是北京地区的土地利用/ 覆被变化 ,
还是城市化方面的研究均是基于数量特征的研究.
因此 ,从景观生态学的角度 ,基于景观生态学的空间
概念 ,格局与生态学过程关系以及景观动态的模拟
研究等理论与方法来定量化探讨城镇化扩展模式、
过程 以 及 城 镇 化 空 间 特 征 , 具 有 重 要 意 义
的[2 ,8 ,11 ,12 ,23 ] .
北京的城郊化有 3 个圈层、8 个扇面和 6 条廊
道的发展模式[28 ] ,其中昌平区的京昌高速路 ,昌平
区的昌平卫星城、沙河卫星城 ,以及都市北缘的城乡
交错带为北京城郊化的重点区域 ,而且这些区域也
是昌平区城镇化发展的核心区域. 因此 ,本研究以北
京昌平区为例 ,详尽探讨北京都市边缘带、京昌高速
路主轴线周围以及昌平区卫星城周边 3 个主要区域
的城镇化过程与城镇化的空间特征 ,并分析城镇化
所带来的生态学问题.
2 　研究地区与研究方法
211 　研究地区和数据
基于昌平区 1989、1996 和 2001 年 3 期土地利用景观数
据 ,提取城镇用地信息 ,选取等高线 150 m 东南区域为整个
平原研究区 ,其中温榆河以南为第 1 个研究区域. 以京昌高
速路轴线为中心做 2 km 缓冲区 ,为本研究的第 2 个研究区
域. 此外以昌平区 20 世纪 70 年代的矢量图中昌平镇的核心
polygon 做 4 km 缓冲作为本研究的第 3 个研究区域 (图 1) .
图 1 　北京昌平研究区位置
Fig. 1 Study area of Changping District ,Beijing.
212 　研究方法
本文的城镇化是指空间上非城镇土地利用/ 覆被单元向
城镇土地利用/ 覆被单元的转化. 为了有效地利用 GIS 技术
进行城市化过程与空间特征分析 ,本研究采用以下指标 :1)
城镇化的净变化量. 为区域城镇化过程中非城镇土地利用/
覆被单元向城镇土地利用/ 覆被单元面积转移的总数. 2) 城
镇化的扩展强度指数. 为城镇化的净变化量占区域总面积的
百分比. 3)城镇化的年扩展强度指数. 为扩展强度指数与时
间 (年)之比. 它便于不同研究时期、不同研究区域城镇化速
度以及强度的比较. 4) 城镇化空间特征. 城镇面积 ( urban
area ,UA) 、城镇面积占研究区面积的百分比 (percentage of
urban landscape ,PUL) 、城镇斑块数 (number of urban patches ,
NU P) 、城镇平均斑块大小 (mean urban patch size ,MU PS) 以
及城镇斑块密度 (urban patch density ,U PD) . 计算软件采用
国际流行的景观结构数量化软件包 FRA GSTA TS 313 [19 ] .
3 　结果与分析
311 　平原区整体城镇化
平原研究区总面积 63 352198 hm2 ,从 1989～
2001 年 ,城镇用地面积总和由 14 459167 hm2 ,经
19 785106 hm2 ,增至 22 829185 hm2 ,所占比例由
22182 % ,31123 %达到 36104 % (表 1) . 城镇化的空
间特征体现在城镇斑块数量 (NU P) 和城镇斑块密
度 ( U PD) 的先降后增 , 而平均城镇斑块的面积
(MU PS)则呈先增后降的趋势 ,其原因在于前期城
表 1 　昌平平原区整体城镇化概况
Table 1 Urbanization in the whole plain area
年份
Year
UA
(hm2)
PUL
( %)
NUP UPD MUPS
(hm2)
1989 14 459167 22182 789 1125 18133
1996 19 785106 31123 718 1113 27156
2001 22 829185 36104 890 1140 25165
UA :城镇面积 Urban area ; PUL :城镇面积占研究区面积百分比 Per2
centage of urban landscape ;NUP :城镇斑块数 Number of urban patch2
es ;UPD :城镇斑块密度 Urban patch density ;MUPS :城镇平均斑块大
小 Mean urban patch size. 下同 The same below.
92116 期 　　　　　　　　　　　　　张 　峰等 :北京昌平区城镇化过程与空间特征研究 　　　　　　　　　　　
镇化主要形式为城镇斑块面积的独立扩展和城镇斑
块合并扩展 ,从而导致 NU P 和 U PD 降低 ,而 MPS
增加 ,而后期有新的且相对较小的城镇斑块的不断
产生 ,从而 NU P 和 U PD 增加 ,而 MPS 降低.
　　北京市土地利用变化主要表现为农用地向非农
用地的转变 ,即城市蔓延、轴向扩展和郊区城市化等
3 种增长形式[6 ] . 昌平区囊括了这 3 种典型的城镇
扩展模式 :1)都市边缘带状城镇扩展模式. 该区域有
两种发展形式 ,即连片发展和渐进发展. 连片发展是
指以回龙观和东小口经济适用房为主的文化居住
区 ,它的产生是城乡过渡带内城市蔓延的主要形式.
渐进发展是指中关村科技园区昌平园 (国家级高新
技术开发区) 、中关村科技园区生命科学园和以沙河
高教园区为重点的教育产业区在昌平区的兴建与发
展.该区域已成为北京都市功能外延的主要输入区
(图 2) . 2)交通主轴线状城镇扩展模式. 从回龙观边
缘集团沿京昌高速路自南而北有回龙观、史各庄、沙
河、马池口、昌平城区、南口等镇沿轴分布 (图 3) . 昌
平“卫星城”为政治中心和科技园区 ,马池口与沙河
图 2 　都市边缘带状城镇扩展区
Fig. 2 Urban fringe belt2expanding region.
　
图 3 　昌平交通主轴线状城镇扩展区
Fig. 3 Main transportation routes line2expanding region.
图 4 　昌平卫星城面状城镇扩展区
Fig. 4 Changping satellite city panel2expanding region.
“卫星城”作为市区产业疏散地以地方工业为主 ,南
口以机械、轻工、建材工业为主 ,回龙观与西三旗联
合为商贸、仓储业城等各具特点. 中间主纵轴属于新
技术产业为支柱的工业城镇主纵轴 ,它将以国家级
科技园区为支柱的产业相对集中、高校和科研单位
智力与产业结合为特点 ,以新技术、新产品、新企业
创名牌带动全县走向国际化经济发展中心轴. 3) 卫
星城面状城镇扩展模式. 1984 年 5 月 ,昌平县成为
北京市近期重点建设的卫星城之一 ,其城市规划与
建设突出以旅游服务和高教科研的城镇性质. 1999
年经国务院批准 ,撤县设区 ,称昌平区. 昌平区昌平
卫星城、沙河卫星城是中国首都北京的卫星城 ,以高
教、科技、旅游为特色. 本研究以探讨昌平卫星城城
镇化过程及特征为主 (图 4) .
312 　城镇化过程的特征
城镇化过程主要集中在前一阶段 ,即 1989～
1996 年. 由表 2 可见 ,都市边缘带状城镇扩展区 ,
1989～1996 年城镇增加面积 2 887138 hm2 ,远大于
1996～2001 城镇增加量 342118 hm2 . 1989～1996
年城镇化的年变化率为 11128 % ,远大于 1996～
2001 的 1105 %. 主轴线两侧前后 2 阶段的城镇化年
变化率分别为 6178 %、1132 % ,昌平卫星城分别为
6173 %、1122 % ,同样也体现出前一阶段 ( 1989～
1996)的城镇化速度高于后一阶段 (1996～2001) . 原
因在于城镇化的前期是外延式的空间扩张 ,而后期
则体现为内涵式的发展.
　　1989～1996 年 ,都市边缘带状城镇扩展区的城
镇化强度高于交通主轴线状城镇扩展区和卫星城面
状城镇扩展区 ;而后期 1996～2001 年 ,城镇化强度
0311　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
则表现为交通主轴线状城镇扩展区略大于卫星城面
状城镇扩展区 ,略大于都市边缘带状城镇扩展区.
表 2 　城镇化过程
Table 2 Characteristics of urbanization expanding process
类别
Types
年代
Period
A
(15 454 hm2)
B
(11 474 hm2)
C
(9 124 hm2)
城镇面积 1989 3 655126 4 299112 3 247156
Urban area (hm2) 1996 6 542164 633817 4 778128
2001 6 884182 6 757183 5 069134
城镇化的净变化量 1989～1996 2 887138 2039158 1 530172
Net increased urbanization 1996～2001 342118 419113 291106
area (hm2) 1989～2001 3 229156 2 458171 1 821178
扩展强度指数 1989～1996 78199 47144 47113
Expanding intensity 1996～2001 5123 6161 6109
index ( %) 1989～2001 88135 57119 56110
年平均扩展强度指数 1989～1996 11128 6178 6173
Annual expanding intensity 1996～2001 1105 1132 1122
index ( %) 1989～2001 7136 4177 4167
A :都市边缘带状城镇扩展区 Urban fringe belt2expanding region ;B :交通主轴线状城镇扩展区
Main transportation routes line2expanding region ;C :卫星城面状城镇扩展区 Changping satellite
city panel2expanding region. 下同 The same kelow.
313 　城镇化空间特征
31311 都市边缘带状城镇扩展区 (A) 　1989～2001
年 NU P 和 U PD 均先增加后降低 ,而 MU PS 持续增
加 (表 3) ,表明该区在前半期以城镇斑块面积独立
扩展和新的城镇斑块产生为主 ,且城镇斑块面积扩
展程度大于新产生城镇斑块水平 ,才能保证 MU PS
的持续增长 ,而后半期则主要表现在城镇斑块面积
的合并扩展.
表 3 　城镇化空间特征
Table 3 Spatial characteristics of urbanization
年份
Year
UA
(hm2)
PUL
( %)
NUP UPD MUPS
(hm2)
A 1989 3655126 2316514 124 018023 2914779
1996 6542164 4213345 161 110418 4016375
2001 6884182 4415494 133 018606 5117656
B 1989 4299112 3714677 78 016798 5511169
1996 633817 5512431 106 019238 5917991
2001 6757183 581895 115 110022 5817637
C 1989 3247156 3515928 94 110302 3415485
1996 4778128 5213693 79 018658 6014846
2001 5069134 5515593 103 111289 4912169
31312 交通主轴线状城镇扩展区 (B) 　研究时段内 ,
NU P、U PD 和 MU PS 基本呈持续增加趋势 (表 3) ,
表明该区城镇斑块面积独立扩展、合并扩展及新城
镇斑块的产生大体同步进行.
31313 卫星城面状城镇扩展区 ( C) 　由表 3 可见 ,
1989～1996 年主要表现为卫星城面状连片扩展 ,
NU P 和 U PD 减小 ,MU PS 增加 ,而 1996～2001 年
NU P 和 U PD 增加 ,MU PS 减小 ,体现出卫星城周边
新的城镇用地在不断涌现.
314 　城镇化的生态学效应
31411 耕地锐减 　城镇化的迅速发展是以耕地大面
积减少为代价的 ,资金、技术、人力以及物力等逐年
投入 ,导致城市化水平的提高 ,人口、城镇所占土地
面积的增加. 昌平区户籍人口由 1989 年的 407 102
增至 1996 年的 418 163 ,截止 2001 年达到 438 866
(图 5) . 研究表明 ,1989～1996 年耕地向城乡居民点
转移占 1989 年耕地的 16125 % ,1996～2001 年耕地
向城乡居民点转移占 1996 年耕地的 16113 %.
图 5 　人口和地下水位
Fig. 5 Population (a) and annual groundwater table ( b) observed by 11
stations.
31412 地下水资源质量下降 　地形和土地利用是影
响地下水位变化的关键因素[14 ] . 昌平区地下水位近
年来下降明显 ,昌平区的南口镇以及沙河、北七家以
南地区为地下水超采区 ,其中回龙观南部、东小口一
带为地下水严重超采区. 1978～2000 年昌平区 11
个地下水位站 ,即 9 # 、11 # 、25 # 、32 # 、34 # 、37
# 、48 # 、50 # 、51 # 、52 # 和 53 # (图 5) ,降低的水
位分别为 17168、9161、12112、8163、16168、14133 和
22139 m ,后 4 个地下水位站只有 1984～2000 年数
据 ,16 年内水位分别降低 12181、8188、5189 和 2173
m. 在上述地下水位台站中 ,水位最低的为 52167
m ,最高的为 1711 m. 南口地区的地下水已受到污
染 ,主要由南口镇的生活污水和工业污水的直接排
放所致. 此外 ,东沙河水也存在不同程度的污染.
4 　结 　　论
411 　昌平区有 3 种主要的城镇化模式 ,即都市边缘
带状城镇扩展模式、交通主轴线状城镇扩展模式、卫
星城面状城镇扩展模式.
13116 期 　　　　　　　　　　　　　张 　峰等 :北京昌平区城镇化过程与空间特征研究 　　　　　　　　　　　
412 　昌平区的城镇化主要集中在 1989～2001 年期
间的前期 (1989～1996) . 3 种模式在前期的城镇化
扩展强度指数远大于后期. 前期 ,都市边缘带状城镇
扩展模式的扩展强度指数大于交通主轴线状城镇扩
展模式和卫星城面状城镇扩展模式的扩展强度指
数 ,而后期则为后 2 种模式略大于前 1 种模式.
413 　对于都市边缘带状城镇扩展区 ,前期以城镇斑
块面积独立扩展、新的城镇斑块不断产生 2 种方式
为主 ,且城镇斑块面积扩展程度大于新产生城镇斑
块水平 ,而后期以城镇斑块面积的连片扩展为主 ;交
通主轴线状城镇扩展区 ,城镇斑块面积独立扩展、合
并扩展 ,以及新城镇斑块的产生 3 种方式同步进行 ;
最后 ,卫星城面状城镇扩展区的前期以城镇用地的
连片扩张为主 ,后期则表现为卫星城周边新的城镇
用地不断涌现.
414 　城镇化带来经济发展、良好社会效益的同时 ,
也产生了某些负面的社会影响 ,尤其是不可忽略的
生态学效应. 耕地锐减、地下水资源超采、严重开采
以及地下水污染等也成为具有良好区位优势、著称
“北京后花园”的昌平区所不可忽视的环境问题.
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作者简介 　张 　峰 ,女 ,1977 年生 ,博士 ,助理研究员. 主要
从事景观生态学和植被生态学研究. E2mail :zhangfeng @ib2
cas. ac. cn
2311　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷