乡村人居林是指在农村居住区及其周边，为保障乡村生活生产安全、提高生活品质、丰富乡村文化内涵及发展农村经济建设的以林木为主体的植物群落(邱尔发等，2013)，乡村人居林建设既是生态环境建设的基础，也是农村经济建设的重要组成部分, 在改善农村生态环境、美化绿化村民居住环境和改善农村景观过程中发挥了积极作用。国外对乡村人居林建设非常重视，英国专门成立了一个“探索未来建设城市森林一般和特殊情况下的可能性”的联合研究组(Mark，2000), 出台《乡村法》来应对乡村环境不断遭到破坏的威胁；美国大力加强城市周边乡村基础设施建设和生态环境建设，尤其重视居住区周围绿化建设(Catharinus，1997)，且出台了《野地法》(1964)。相比国外，我国人居林建设起步相对较晚，虽然已取得一定成效，但建设模式仍在探索。目前，在乡村人居林研究中，有关人居林真实情况的基础数据较少(马明娟，2014)，因此开展乡村人居林资料收集，可以有效推进乡村人居林建设，改善农村生态环境，同时也可为其他乡村人居林研究提供参考。

树冠覆盖是一种简单有效的量化森林生态效益的指标，且能够较好地衡量研究地区的生态环境质量。目前，对树冠覆盖的研究多集中于建成区或市域范围内树冠覆盖现状分析，如王近秋等(2011)以上海浦东新区为例，应用ArcGIS判读2007年遥感影像分析了浦东新区现有树冠覆盖情况；贾宝全等(2015)以山东省安丘市凌河镇为例，分析了其2009年乡村人居生态林现状与用地潜力；朱耀军等(2011)以广州市主城区为例，目视解译出2005年树冠覆盖情况，利用Fragstats3.3软件对其景观格局特征进行了分析；高美蓉等(2014)以厦门本岛为例，利用QuickBird影像目视解译出2009年树冠覆盖情况，并分析了其与热岛效应的关系。而对乡村人居林树冠覆盖动态变化的分析还属空白。研究乡村人居林动态变化可为未来城市规划提供管理目标以及实现管理目标的准则，为乡村人居林建设管理者提供参考，对于指导乡村人居林建设具有重要的理论和实践价值(贾宝全等，2013)。生态系统服务功能已成为研究热点(肖路等，2016)，植被的生态系统服务功能主要体现在固碳释氧、美化环境、净化空气、温湿度调节、滞尘降噪、传承乡村生态文化和增加居民收入等方面(施玉书等，2001；祝功武，2007；de la Barrera et al., 2016)。目前，我国森林生态效益研究主要集中于城市内部，对于乡村人居林生态效益的研究几乎空白，研究乡村人居林生态系统服务功能可对未来农村发展提供重要参考。

根据《2004—2020年北京城市总体规划》，顺义新城毗邻北京副中心，是北京副中心的重要生态绿色屏障、东部发展带的重要节点和重点发展的新城之一，是带动区域发展的临空产业中心和先进制造业基地。牛栏山-马坡镇是顺义新城建设中心区，也是未来顺义发展的产业核心区，在持续的快速经济发展背景下，两地土地利用格局已发生并有可能持续发生剧烈变化(李世峰，2016)。鉴于此，本研究以处于北京边缘地区的牛栏山-马坡镇为研究区，利用2001年航空影像以及2015年卫星影像，运用ArcGIS10.2目视解译研究区人居林树冠覆盖情况，研究北京边缘地区的人居林结构特征、动态变化及其所提供的生态效益，并提出合理性建议，以期为未来农村发展和生态文明建设提供参考。

1 研究区概况与研究方法 1.1 研究区概况

牛栏山-马坡镇位于北京市顺义外边缘区(图 1)，地理位置40°00′—40°18′N, 116°28′—116°58′E，面积7 092.79 hm²，是顺义新城规划建设的重点区域，近年来城镇化建设速度大幅度加快，其基础设施供应能力和社会服务水平显著提升。该区域属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均气温11.5 ℃，最低气温-19.1 ℃，最高气温40.5 ℃。年日照时数2 750 h，无霜期195天左右。年均相对湿度50%，年均降水量约625 mm，是华北地区降水量较均衡的地区之一，全年降水的75%集中在夏季。常驻人口6.6万人，其中农业人口2.6万人、非农业人口3万人、流动人口1万人。2015年完成属地财税收入23亿元，公共财政预算收入7.2亿元，规模以上工业产值205.57亿元，区域经济结构由传统农业逐步向高效、生态、现代农业转变，综合生产能力和产业化水平日益提高，镇域经济呈现跨越式增长趋势。

1.2 研究方法 1.2.1 数据来源

研究数据包括2001和2015年2期土地利用数据，其中2001年土地利用数据来源于北京市国土局1:1万土地利用图，2015年土地利用数据根据Worldview 2高分影像目视解译结合实地验证得到。人居林树冠覆盖根据2001年航片和2015年Worldview 2高分影像目视解译得到，其分辨率均为0.5 m。研究区年均降水量与年均气温从国家气象科学数据共享服务平台(http://data.cma.cn)获取，经济数据来源于北京市顺义区统计年鉴，平原造林及相关绿化统计数据由北京市顺义区园林绿化局提供。

1.2.2 牛栏山-马坡镇人居林结构情况获取

对人居林进行分类国内外尚没有统一标准，本研究根据不同用地类型，将人居林划分为庭院林、道路林、水岸林、苗木基地林、经果林、用材林和农田林网；按照不同功能，将人居林划分为生产环境林和生活环境林。生产环境林主要包括水岸林、苗木基地林、经果林、用材林和农田林网，生活环境林主要包括庭院林和道路林。其中，庭院林是指附属于农户住宅和庭院周边，可以改善、美化环境并具有一定经济价值的乡村人居林；道路林是指种植在乡村道路两旁，具有护路、美化和净化环境并为行人或车辆提供一定庇荫的条带状乡村人居林；水岸林是指在村庄范围内河渠、水库、堤坝沿线，以护坡、护岸和美化环境为主要目的，同时给村民提供一定休憩场所的乡村人居林；农田林网是指为改善农田小气候和保证农作物丰产、稳产而营造的防护林。

为了解牛栏山-马坡镇乡村人居林结构特征并获取树冠覆盖地面实际数据，笔者于2016年4月8日—5月10日展开了实地调查。考虑到样本点的类型、位置以及数量等情况，本研究共随机选取35个样本点，包括7个典型行政村、14条道路(国道、乡道、村道、铁道)、4个水域(河流、池塘)、4个工矿用地、4块林地(有林地、苗圃)和2个农田林网。人居林结构调查内容包括庭院林、道路林、农田林网、水岸林、经果林、苗木基地林和用材林。对于道路林、农田林网和水岸林，选取50 m长样带进行每木检尺；对于庭院林、用材林、经果林和苗圃，采用20 m×20 m样方法进行调查。

1.2.3 人居林树冠覆盖目视解译过程及精度检验

利用ArcGIS10.2结合遥感影像勾画人居林树冠斑块，采用国际通用的Kappa系数对解译数据进行精度检验。不同类型人居林由于斑块数量不同，须进行差异化处理：对于斑块数量超过1 000的人居林，利用ArcGIS10.2随机选取5%的斑块进行检验；对于斑块数量低于1 000的人居林，对全部斑块进行检验。然后通过实地勘测来判断解译是否正确，最后利用SPSS进行Kappa系数一致性检验。Kappa系数可以反映不同土地类型和分类结果与真实地物空间分布的一致性，当Kappa系数小于0.40时，说明二者一致性不理想；当Kappa系数在0.40~0.75之间时，说明二者一致性一般；当Kappa系数大于0.75时，说明二者具有很好的一致性(王敏等，2015)。对于2001年解译情况，本研究采取走访老村民的形式进行验证。

1.2.4 人居林树冠覆盖动态变化计算

采用绝对变化量和年均变化率2个指标定量分析人居林树冠覆盖的变化情况，前者表示人居林树冠覆盖面积变化(式1)，后者表示人居林树冠覆盖变化的剧烈程度(式2)，以土地利用动态度公式表达(王秀兰等，1999)。

$ \Delta u = {U_{\rm{b}}} - {U_{\rm{a}}}; $

(1)

$ K = \frac{{{U_{\rm{b}}} - {U_{\rm{a}}}}}{{{U_{\rm{a}}}}} \times \frac{1}{T} \times 100\% 。$

(2)

式中：U_a、U_b分别为研究初期与末期某乡村人居林树冠面积；T为研究时段。

1.2.5 基于i-Tree模型的人居林生态效益评估

i-Tree模型由美国林务局开发，主要用于城市和社区林业分析及效益评估，以实地调查为基础，既可以通过抽样法实现对较大区域的城市森林生态效益评估，也可以采用全部调查法实现对较小区域的研究，所得结果准确度较高，且研究结果自动生成报告。i-Tree模型自发布以来已被国外大量的社区、非盈利组织、咨询机构、志愿者和学生用于研究个体树木、街道、城市甚至整个国家的森林树木状况，但国内对该模型的应用还比较少。本研究根据以往研究(Kim，2016；Soares et al., 2011)以及研究区实际情况，通过随机取样确定56个样本点，每个样本点面积为0.04 hm²。2016年6—7月实测每个样本点林木信息，包括树高、冠幅、用地类型、参照物信息和树冠缺失率等，结合空气污染和气象数据，利用i-Tree模型Eco模块量化牛栏山-马坡镇人居林提供的生态效益。

2 结果与分析 2.1 人居林结构分析 2.1.1 2015年人居林科、属、种组成特征分析

2016年4月8日—5月10日，在牛栏山-马坡镇共调查3 264株乔木和271株灌木(表 1)。从人居林树种来看，乔木共有25个科37个属68个种，灌木共有16个科20个属25个种。庭院林科、属、种最多，几乎涵盖研究区调查的所有科、属、种类型；苗木基地林其次。村内道路林以国槐(Sophora japonica)、杜仲(Eucommia ulmoides)为主，村外道路林以毛白杨(Populus tomentosa)、柳(Salix spp.)为主，水岸林以杨(Populus spp.)、柳为主。从人居林数量组成(表 2)来看，优势科类以豆科(Leguminosae)最多，胡桃科(Juglandaceae)、柿树科(Ebenaceae)相对较少；优势属以槐属(Sophora)最多，柿属(Diospyros)相对较少；人居林个体数量以国槐最多，毛白杨相对较少。总的来说，牛栏山-马坡镇人居林仍以乡土树种为主。

2.1.2 人居林优势树种组成特征分析

由图 2可知，牛栏山-马坡镇数量排名前十的树种个体数量累计达61.82%，基本能够反映和代表整个研究区乡村人居林整体情况，国槐所占比例最高，毛白杨比例最少，仅占3.41%。优势树种主要分布在生产生态兼用型、经济型和观赏型3类，其中生产生态兼用型树种在所有类型中最多，占总株数的35.99%，包括国槐、刺槐(Robinia pseudoacacia)、构树(Broussonetia papyrifera)、杨树等乡土树种；其次为经济型树种，占总株数的13.05%，包括香椿(Toona sinensis)、银杏(Ginkgo biloba)。研究区内观赏树种很多，但数量不多，属于优势树种的仅有海棠(Malus×malusmicro)和大叶黄杨(Buxus megistophylla)，所占比例为11.78%。

2.1.3 不同类型人居林结构特征比较

不同类型人居林树种生长指标见表 3。从乔木树种生长指标看，道路林和水岸林胸径较大，用材林胸径较小；树高大小依次为用材林>水岸林>道路林>农田林网>苗木基地林>庭院林>经果林；经果林冠幅最大，苗木基地林冠幅最小；水岸林和道路林枝下高最高。从灌木树种生长指标来看，农田林网和用材林地径较大，道路林和经果林地径较小；树高用材林最高，农田林网最低；冠幅大小依次为庭院林>苗木基地林>农田林网>水岸林>用材林>道路林>经果林；枝下高经果林最高，苗木基地林最低。

2.2 人居林树冠覆盖空间格局变化分析

根据牛栏山-马坡镇2001和2015年高分影像，目视解译出2001—2015年人居林空间格局图(图 3)，得到牛栏山-马坡镇人居林树冠面积及斑块格局空间变化。从图 3可以看出，2015年比2001年人居林明显增加，增加地区主要分布在中部和东部区域且大斑块增加明显；2015年比2001年人居林减少区域主要分布在东南地区以及牛栏山镇北部边缘地区；2001—2015年人居林树冠覆盖未变化区域主要分布在牛栏山镇中部和马坡镇中部。

由表 4可知，2001年牛栏山-马坡镇人居林面积为419.96 hm²，所占比例为农田林网(29.89%)>庭院林(26.89%)>经果林(15.09%)>用材林(12.47%)>水岸林(9.02%)>道路林(4.05%)>苗木基地林(2.59%)。2015年牛栏山-马坡镇人居林面积为1 260.60 hm²，所占比例为苗木基地林(33.66%)>庭院林(23.17%)>水岸林(21.53%)>用材林(13.57%)>农田林网(4.37)>道路林(2.63%)>经果林(1.07%)。与2001年相比，2015年人居林面积增加842.64 hm²，其中农田林网、经果林面积减少，苗木基地林、庭院林、水岸林和用材林面积显著增加。总的来说，与2001年相比，2015年人居林面积有显著性提高，不同人居林动态变化剧烈程度依次为苗木基地林>水岸林>经果林>农田林网>道路林>庭院林。

2001—2015年人居林树冠斑块面积、斑块数量统计(表 5)显示，14年间树冠覆盖斑块数量由2001年的10 853块增加到2015年的13 048块，斑块数量增加了2 195块，平均斑块面积由原来的每块0.04 hm²增长到0.1 hm²。斑块数量增长量为庭院林>道路林>苗木基地林>水岸林，农田林网、经果林和用材林斑块数量均不同程度减少，其中农田林网斑块减少最多。除道路林平均斑块面积减小外，其他人居林平均斑块面积均不同程度增大。

2.3 人居林树冠覆盖解译精度检验分析

在ArcGIS10.2平台下，分别选取2001和2015年的2 977和2 241个斑块进行精度检验，结果见表 6、7。2001和2015年的Kappa系数都在0.8~1.0之间，说明目视解译精度非常好，解译数据比较可靠。

2.4 人居林生态效益评估分析

由表 8可知，2015年牛栏山-马坡镇人居林碳储量为36 973.77 t，年固碳量为1 325.70 t，年暴雨径流削减量为121 401.56 m³, 年释氧量为3 418.07 t，每年清除大气污染物中一氧化碳(CO)2.10 t、二氧化氮(NO₂)7.83 t、臭氧(O₃)31.98 t、直径大于或等于10 μm的颗粒物(PM₁₀)3.50 t、直径小于或等于2.5 μm的颗粒物(PM_2.5)1.29 t、二氧化硫(SO₂)5.66 t。其中，水岸林碳储量最高(19 593.43 t)，占总碳储量的52.99%。虽然水岸林与农田林网、苗木基地林、经果林、用材林面积总和相差较大，但其固碳量和释氧量相当。庭院林暴雨径流削减量最多(59 773.48 m³), 占总削减量的49.24%。总的来说，人居林对牛栏山-马坡镇固碳释氧、暴雨径流削减和清除污染物具有重要作用。

3 讨论 3.1 人居林动态变化驱动力分析

通常认为，建设用地增加等人为扰动会造成林木树冠面积减少，从而使生态系统服务价值降低。王佼佼等(2012)以北京顺义区为例，分析了土地利用变化与生态系统服务价值的关系，发现由于建设用地急剧增长，耕地和水域面积大幅度减少，造成北京顺义区2000—2008年生态系统服务价值降低。但本研究认为，城镇化并不一定会使林木树冠面积减少，反而会增加，进而提高生态系统服务价值。很多研究也证实本结论，如张蓉珍等(2013)以西安为例，研究其土地利用变化，结果发现西安1989—2009年建设用地和林地面积同时增加，但生态系统服务价值却不断减少；张艳军等(2017)以重庆市为例，研究重庆市2000—2010年生态系统服务价值时空变化，结果发现10年间建设用地不断增加，生态系统服务价值却从2000年的4 285.39亿元上升到2015年的4 621.18亿元。

从不同土地利用类型(图 4)分析研究区人居林树冠面积增大的社会经济因素。1)林地树冠面积增加。2001—2015年，牛栏山-马坡镇林地面积增加1 255.76 hm²，其中苗圃面积增加1 124.01 hm²，有林地面积增加131.75 hm²，苗木基地林的增加量占人居林总增加量的49.07%，是人居林增加的主要原因。林地增加一是由于2012年实施的首都百万亩平原造林工程使研究区林地面积显著增加(贾宝全等，2017)，根据顺义区园林绿化局统计，2012—2015年牛栏山-马坡镇平原造林面积321.63 hm²；二是2001年研究区部分树木经过14年的增长，林木树冠覆盖面积增大；三是在经济拉力上，农民趋于经济利益，大量耕地被苗木基地所取代，从而大幅度增加了苗木基地林，2001—2015年仅农田转为苗圃的面积就达到1 002 hm²。对于14年以来单位面积上苗木基地林经济收益是否大于粮食经济收益，限于数据获取原因，本研究未能给出效益对比情况，但是从农田转为苗圃地的面积来看，在一定程度上能够反映苗木基地林收益大于粮食作物收益。2)水岸林树冠面积增加。2001—2015年，牛栏山-马坡镇水域面积增加量不大，仅增加15.58 hm²，但人居林树冠面积却增幅显著，共增加233.67 hm²，这说明湖泊、河流等绿化覆盖率明显提高，其主要原因是2008年北京奥运会顺义区承载着水上项目，为实现绿色奥运，顺义区重点加强了防护林建设，开展了河岸绿化、沙荒造林等多项绿化工作(王素芹等，2008)。3)建设用地树冠面积增加。2001—2015年，牛栏山-马坡镇建设用地不断扩大，其中交通用地增加291.68 hm²，居民点增加123.31 hm²；但居民点人居林共提高179.67 hm²，交通用地人居林共增加16.21 hm²。建设用地人居林树冠面积增加，主要源于“十一五”和“十二五”期间顺义区园林绿化成效，开展了“百村万户”农村绿化、评选首都绿化美化园林小城镇、首都绿色村庄、公路绿色交通体系建设等活动，且2008年北京奥运会的开展，加大了对北京道路的绿化，尤其是顺义区道路绿化。根据北京市2008年园林绿化年鉴统计，为了迎接北京奥运会，仅白马路就栽植各种乔灌木86 670株，右堤路栽植各种乔灌木9 004株，树种主要有云杉(Picea spp.)、桧柏(Sabina chinensis)、油松(Pinus tabulaeformis)、色木槭(Acer mono)、合欢(Albizia julibrissin)、连翘(Forsythia suspensa)等，人居林树冠面积大幅提高。

自然影响因素中，本研究对北京市2001—2015年的年均降水量和年均气温趋势变化(图 5)进行了分析，结果表明，14年来，年均气温和年均降水量总体呈上升趋势。对于北温带半湿润大陆性季风气候来说，温度升高以及降水量增大均有利于促进林木生长，树冠冠幅增大，从而提高了研究区的树冠覆盖率。

3.2 基于i-Tree模型的人居林生态效益分析

本研究采用美国城市森林效益分析软件i-Tree 5.0模型对牛栏山-马坡镇人居林进行生态效益分析，是国内利用i-Tree模型对乡村人居林生态效益的首次评估，但该模型的开发主要是以美国当地城市的气候条件和经济水平为基础，因此该模型应用于国内需要进行修正。

1) 模型参数的修正  本研究由于数据获取原因，部分参数采用了i-Tree模型提供的默认参数，如空气污染数据采用了与北京相似地区的数据。在今后研究中，需要采用国内实际空气污染监测数据。

2) 树种匹配问题  由于i-Tree模型所提供的树种基础数据库是美国根据当地情况建立的，本研究实地调查中有一部分树种模型中没有相对应的树种名称，为此选择最为相似的种进行替代。

3.3 建议

1) 人居林树种选择方面  目前，牛栏山-马坡镇人居林主要以乡土树种为主，在今后人居林建设物种选择方面仍要以乡土树种为主，如杨树、槐树、柳树等。但为了防止物种单一，要增加树种多样性，控制好优势树种的使用率。

2) 人居林空间分布方面  要注重人居林空间分布均匀性，在不破坏基本农田、自然保护区的情况下，稳定提高现有人居林；为防止人居林破碎化增大、异质性增高，要增大平均斑块面积。

3) 人居林生态效益方面  人居林对于乡村环境改善具有重要作用，因此要不断增加人居林面积，提高人居林生态效益；尤其水岸林在提高人居林生态效益方面有着重要作用，要加强保护，严格控制人为破坏。

4 结论

本研究以牛栏山-马坡镇2015年遥感影像为基础开展人居林结构(科、属、种及优势树种)调查，并解译了人2001和2015年居林树冠覆盖空间格局，从人居林树冠面积角度计算了牛栏山-马坡镇的固碳量和碳储量。结果表明：1) 2015年研究区人居林共有25个科37个属68个种，其中优势科类以豆科最多，胡桃科、柿树科相对较少，优势属以槐属最多，柿属相对较少，个体数量以国槐最多，毛白杨相对较少，庭院林科、属、种最多。2) 2015年相比2001年，人居林树冠覆盖总面积增加842.64 hm²，增加地区主要分布在中部和东部区域且大斑块增加明显，其中农田林网、经果林面积减少，苗木基地林、庭院林、水岸林和用材林面积显著增加，研究区人居林平均斑块面积由原来的每块0.04 hm²增长到0.1 hm²，除道路林平均斑块面积减小外，其他人居林平均斑块面积均不同程度增大。3)人居林对固碳释氧、削减暴雨径流和清除污染物等具有重要作用，2015年人居林碳储量为36 973.77 t，年固碳量为1 325.70 t，年暴雨径流削减量为121 401.56 m³，年释氧量为3 418.07 t，年清除大气污染物总量为52.36 t。随着城镇化发展，城市不断向外扩张，处于城市边缘区的乡镇正面临着生态用地不断减少的威胁，因此对于牛栏山-马坡镇，要稳定增大人居林平均斑块面积并增加其树冠覆盖总面积，提高生态效益。