基于空間多準則的城鎮建設用地的生態耦合調控途徑

余卓芮 劉鈺 張蘇

摘? 要：我國城鎮化進程中的建設用地快速擴張，已成為城鄉可持續發展的重要脅迫，城鄉規劃實踐亟需生態空間調控的理論和技術支撐。本研究以福州為案例，在生態敏感性和生態系統服務評價的基礎上，構建了基于空間多準則的生態耦合調控途徑。生態耦合調控方案實證結果顯示，適建區具有較高的生態敏感區位熵和較低的生態系統服務密度，生態耦合途徑可以同步調控城鎮建設引發的生態風險和對生態系統的干擾，從而降低決策風險。本研究對維護區域生態安全，支持城鄉規劃決策有重要意義。

關鍵詞：建設用地;生態敏感性;生態系統服務;空間多準則;福州

中圖分類號：TU984? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）05-0014-05

Abstract： A sensitivities and ecosystem services were evaluated， using Fuzhou as a case study. Then， a spatially explicit MCDM approach was proposed for coupling ecological sensitivity and ecosystem service to regulate the urban sprawl. At last， ecological control zoning was made and evaluated based on the construction land expansion during 2000-2010. Results suggested that the ecological coupling approach can balance the tradeoffs between ecological sensitivity and ecosystem services， and support the sustainable urban planning.

Keywords： construction land; ecological sensitivity; ecosystem service; MCDM; Fuzhou

伴隨快速城鎮化進程，建設用地的快速擴張已成為我國土地利用變化的重要特征[1]，并造成了植被破壞、生物多樣性減少等一系列生態問題，削弱了生態系統服務的供給能力[2]。生態空間的管控和城鎮開發邊界的劃定已成為城鄉規劃研究的熱點和實踐的迫切需求。我國現有的城鄉和生態規劃的研究和實踐大多基于國務院西部地區開發領導小組辦公室、國家環境保護總局發布的《生態功能區劃技術暫行規程》的框架，將生態敏感性與生態系統服務評價結果作為城鎮開發邊界劃定的主要決策依據。由于生態敏感性評價關注的是潛在生態風險的形成機制和主導因素[3]，生態系統服務評估則著眼于生態過程機制和生態產品的產出[4];實證研究表明兩者評價結果中適宜、限制和禁止開發的地域會存在較大差異[5-6]。由此導致規劃實踐中往往顧此失彼，成為生態空間調控科學決策的重要制約，而現有研究對其決策風險的分析還涉及較少。

近年來國內外一些學者嘗試將生態敏感性和生態系統服務進行綜合分析，從而同時降低城鎮建設活動的生態風險和對生態系統服務的干擾。Schr■ter等在《Science》上發表了全球變化背景下歐洲生態系統服務的脆弱性評估成果[7]。唐秀美等基于生態適宜性綜合指數對章丘市耕地的生態系統服務價值進行了修正[8]，張浩等將生態系統服務價值作為評價因子納入了生態適宜性的空間疊加過程[9]，也有學者在土地利用的生態分類和生態紅線劃分中，依次進行生態敏感性和生態系統服務評價，但并未進行系統耦合[10-11]。上述研究或將生態敏感性和生態系統服務作為輔助因子，納入對方的評價體系;或者只是將兩者作為獨立的評價標準。為充分融合兩者的優勢，有必要進一步探索生態敏感性和生態系統服務的系統耦合方法，以實現更為全面和科學的生態空間調控。

空間多準則是一種將GIS與傳統多準則決策分析相結合，用來解決包含空間維度的，從可能相互矛盾的標準中篩選出最優方案的決策方法。在其支持下，可對空間格局差異較大的諸多決策因子進行協調，進而形成最優的空間決策;因此在地震評價，抗洪管理，城市公共設施布局，土地利用優化等領域得到了廣泛應用。要將評價結果的空間格局差異較大的生態敏感性與生態系統服務進行耦合，空間多準則是適宜的途徑，但現有的相關研究較少。

福州市是建設用地快速擴張的典型地區，2000～2010年建設用地從359.3平方公里增長到1283.1平方公里，新增面積為2000年原有面積的2.6倍;其土地利用的快速變化已對區域生態環境產生了一定影響。隨著海峽西岸經濟區建設戰略的實施，福州建設用地還有進一步增長的趨勢，亟需對其生態空間進行科學調控。

本研究在對福州市生態敏感性和生態系統服務評價的基礎上，分析了兩者作為獨立準則時的生態空間調控的決策風險;提出了基于空間多準則的生態敏感性與生態系統服務的耦合途徑，制定了多個情景的生態調控空間區劃;最后通過生態區位熵和生態系統服務密度指數，對生態耦合調控方案進行了實證分析。本研究對完善生態評價與規劃理論，支持城鄉規劃決策都有重要意義。

1 研究方法

1.1 生態敏感性評價

基于實地調研以及與福州當地專家的訪談，識別了福州市的主要生態敏感問題為酸雨、地質災害、土壤侵蝕、飲用水源水質。參考福建省生態功能區劃的生態敏感性評價成果[12]，并根據福州的實際情況進行調整和完善，建立了福州生態敏感性評價標準，相關評價因子見表1，各因子的評價細則和模型詳見本文作者的前期成果[5，13]。基于生態敏感性評價結果，獲得1-5級的生態敏感性分級賦值，從而將區域劃定為生態敏感性從低到高的五級分區。

1.2 生態系統服務評估

謝高地等制定的我國生態系統生態服務價值當量因子表[14]在國內生態系統服務評估中得到了廣泛應用。通過將獲取自中國科學院資源環境科學數據中心的福州市土地利用類型統一到謝高地當量因子表中的相應類型，從而實現對生態系統服務的評價，進而獲得1-5級的生態系統服務分級賦值，從而將區域劃定為生態系統服務從低到高的五級分區。

1.3 基于空間多準則的生態耦合途徑

為降低生態決策風險，本研究提出了基于空間局域化和多準則決策函數的生態耦合途徑，技術路線如圖1所示：

首先，進行空間局域化劃分。基于兩種生態評價結果賦值分別進行空間分區，并在ArcGIS支持下進行Intersect操作，使得每個空間局域都具有唯一的（x，y）二元生態分級賦值。圖1為簡便表達，只顯示了兩級的x和y的賦值，在實際工作中可在ArcGIS的支持下進行n級賦值的空間局域化操作，形成n2個空間局域，本研究中n=5。

其次，構建二元的多準則決策函數。基于1.1節和1.2節的結果，可分別獲得相互獨立的生態敏感分級M與生態系統服務分級S。為實現兩者的耦合，參考相關研究成果[15，16]，構建二元的多準則決策函數，可以獲得m個生態耦合分級O。圖1為便于表達，取m=4。本研究將生態耦合分級設定為m=3，分別對應適建區、限建區和禁建區，與《城市規劃編制辦法（建設部令第146號）》的相關要求相銜接。

最后，以具有唯一的二元生態賦值（x，y）的空間局域為單元，將其二元生態賦值（x，y）輸入多準則決策函數，獲得該空間局域的生態耦合分級O，通過空間歸并形成生態空間的調控方案。

1.4 基于生態耦合控制區劃的實證分析

為評價生態耦合調控方案，本研究提出了生態敏感性區位熵和生態系統服務分區密度兩個指標，并結合福州市建設用地擴張進程（2000-2010年）進行實證分析。

生態敏感性區位熵的計算方法見公式（1）：

其中，I12為生態敏感分級賦值為1-2的地域與適建區的交叉地域的面積，A12為生態敏感分級賦值為1-2的地域的面積，S為適建區的面積，A為整個區域的面積。熵值大于1，則說明適建區可以有效的集中生態敏感性較低的地域。

生態系統服務分區密度的計算方法見公式（2）：

其中，Ei為第i種用地類型的生態系統服務價值當量，Ai為第i種用地類型的面積，A為生態耦合分區的面積。

2 結果與分析

2.1 城鎮開發邊界劃定的決策風險

基于1.1和1.2節的方法，在福州市域進行了生態敏感性和生態系統服務評價。兩者評價結果在城鎮建設適宜區位、等級和空間格局都存在較大差異（圖2和3）。特別是作為國家級戰略開發區的平潭綜合實驗區，生態敏感性結果顯示平潭島北部地區適宜進行開發，而生態系統服務評價結果顯示全島絕大部分都不宜進行開發。由此可見，將生態敏感性與生態系統服務作為獨立的決策準則，會導致生態空間調控方案具有較大的決策風險。

2.2 生態敏感性與生態系統服務的空間多準則耦合

為降低生態敏感性與生態系統服務評價結果的沖突引起的規劃決策的風險，本研究基于1.3節的空間耦合方法，形成了空間多準則支持下的城鎮建設用地調控方案，見圖4。該方案中，適建區主要分布于福州市轄區周邊及東南沿海一帶;地形主要為臺地和平原，其中福州平原是福建省沿海四大平原之一。本區農業和交通條件較好;是福州人口最密集，社會經濟發展最快、水平最高的區域;而且生態敏感度較低，單位面積產出的生態系統服務較少，適宜在現有的基礎上發展經濟和城市建設。限建區面積較小，在空間上呈零星分布。禁建區集中在福州西部與北部地區;福州主要的林地及水源保護地都分布在本區，生態敏感性和單位面積生態系統服務價值都比較高，應作為生態涵養林和水源保護的重點區域，通過規劃政策嚴格控制建設開發。

2.3 基于福州建設用地擴張的生態耦合調控實證分析

為評價生態耦合調控對生態敏感性與生態系統服務的協調能力，本研究將生態耦合方案與2000～2010年間福州的建設擴張用地進行空間疊加，獲得位于適建區、限建區和禁建區內的新增建設用地范圍;進而計算適建區內的生態敏感因子的區位熵，以及各分區內的生態系統服務密度。

結果表明，位于適建區內的新增建設用地，除土壤侵蝕外，各生態敏感因子的區位熵都大于1（見表2）。由此可知，適建區內聚集了較高比例的低敏感性地域，在適建區內進行建設可以有效降低由城鎮建設導致的生態風險。

位于各分區的新增建設用地，其生態系統服務密度見圖5。由圖可見，除食物生產外，其余8種生態系統服務在適建區內的密度都低于限建區和禁建區。由此可知，在適建區內進行建設可以有效降低城鎮建設活動對生態系統的干擾。

由于土壤侵蝕敏感度在福州市域絕大部分地區都處在“敏感”及以上級別，其調控難度較大。生態耦合調控在同時調整多個因子的前提下，適建區內的土壤侵蝕區位熵為0.98，達到了接近1的水平，說明其得到了較好的調控。食物生產服務的當量因子與其他服務差異較大，很難在維護其他服務的同時對其進行調控，由此導致適建區內新增建設用地的食物生產服務密度較高。在適建區內進行建設時，應注意耕地特別是基本農田的保護。由于糧食生產服務的價值當量較低，適建區內新增建設用地的各類生態系統服務的總密度仍低于限建區和禁建區。

3 結論與討論

本研究以城鎮建設用地快速擴張的福州市為案例，對其生態敏感性和生態系統服務進行了系統評價;并基于空間局域化和多準則決策函數，構建了對生態敏感性與生態系統服務的生態耦合調控途徑，在此基礎上提出了多種情景的調控方案。

實證研究表明，生態耦合方案中的適建區具有較高的生態敏感性區位熵;同時，適建區內的生態系統服務密度顯著低于限建區和禁建區;表明其聚集了較高比例的低生態敏感性和低生態系統服務的地域，實現了兩者的同步協調，從而有效降低規劃決策風險。

由于福州市土壤侵蝕和食物生產服務的各自的特殊性，在實際工作中應提出有針對性的土壤及耕地保護措施;結合生態耦合方案，可實現同時和全面的避免城鎮建設活動產生的生態風險和對生態系統的干擾。

本研究提出的生態敏感性與生態系統服務的調控決策風險分析方法、基于空間多準則的生態耦合調控途徑，以及生態區位熵、生態系統服務分區密度等實證評價指數，可為生態空間調控和城鄉規劃決策提供科學依據與技術支持。

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