基于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評估的土地利用規(guī)劃研究
——以北京市為例

倪永薇

劉 陽

閻姝伊

艾 昕

鄭 曦*

城市高速發(fā)展引發(fā)土地利用格局不斷變化，環(huán)境污染問題日益嚴重，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)遭受極大威脅。區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)為人類生存提供物質(zhì)基礎(chǔ)和生態(tài)服務(wù)，健康的生態(tài)系統(tǒng)具有生態(tài)多樣性、穩(wěn)定性和可恢復性[1]，保持生態(tài)系統(tǒng)健康是保證實現(xiàn)經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[2]。面對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化對城市可持續(xù)發(fā)展的影響，人們開始關(guān)注城市土地利用規(guī)劃與生態(tài)系統(tǒng)健康之間的關(guān)系，探究以科學的規(guī)劃方式提高城市的人居環(huán)境質(zhì)量。

隨著城市化進程的逐步推進，大部分城市向著集約式、生態(tài)性發(fā)展[3]。目前，城市規(guī)劃發(fā)展研究或根據(jù)城市形態(tài)劃分為歷史型發(fā)展和緊湊型發(fā)展[4]，或根據(jù)城市發(fā)展目標劃分為自然發(fā)展、保護優(yōu)先發(fā)展、建設(shè)優(yōu)先發(fā)展和糧食安全發(fā)展等[5]。土地利用規(guī)劃影響著城市發(fā)展，城市發(fā)展對土地利用變化具有主導影響力，因而對土地利用變化的模擬是探討土地利用規(guī)劃的重要基礎(chǔ)[6]。隨著遙感和模型理論的發(fā)展，各種土地利用預(yù)測模型不斷優(yōu)化，應(yīng)用較為廣泛的模型主要包括細胞自適應(yīng)CA-Markov模型[7]、系統(tǒng)動力學模型(SD)和SLEUTH城市增長模型[8]等。通過模型運算與模擬，獲取土地利用時空格局變化與演變過程，可為土地利用管理策略提供借鑒，具有較強實用性。

城市土地利用覆被類型的時空變化直接引起生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的改變，并影響區(qū)域植被生長狀況、生物物質(zhì)循環(huán)與多樣性[9]。區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康被認為是環(huán)境管理的終極目標[10]，健康的生態(tài)系統(tǒng)在人類活動干擾下可以維持自身結(jié)構(gòu)與功能的完整性[11]，因此，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康可表征土地利用的生態(tài)狀況。目前，生態(tài)系統(tǒng)健康評估方法可分為指示物種法和指標體系法，其中指標體系法因開展系統(tǒng)、全面的生態(tài)系統(tǒng)健康評估而被廣泛應(yīng)用。Costanza等提出的“活力-組織力-恢復力”評價體系是學界公認的生態(tài)系統(tǒng)健康評估體系[12]，側(cè)重于評價區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)物理健康，即生態(tài)系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)的完整性和可持續(xù)性。健康的生態(tài)系統(tǒng)能持續(xù)地提供一系列有價值的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，隨著相關(guān)理論研究的深入[10，13-14]，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)被認為是社會-自然耦合視角下評價生態(tài)系統(tǒng)功能健康的指標[10]，可用于完善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康體系框架。目前，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量被廣泛應(yīng)用于評估自然資本[15]，如謝高地[16]等在此基礎(chǔ)上進行了改進，發(fā)布了中國單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量表[17]，在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方面取得了重要進展。因此，本文將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與傳統(tǒng)的“活力-組織力-恢復力”生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系相結(jié)合，為后續(xù)規(guī)劃打下堅實的理論基礎(chǔ)。

現(xiàn)階段，有關(guān)土地利用規(guī)劃和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的研究較為全面，但仍存在一定局限：1)基于情景模擬的土地利用規(guī)劃研究大多純粹地分析土地利用類型變化及其機制，少量文獻從景觀格局[18-19]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[20-21]等角度探索城市發(fā)展規(guī)劃的更優(yōu)解，但上述指標體系角度均較為單一，無法將生態(tài)系統(tǒng)的時空分異規(guī)律、相關(guān)區(qū)域資源與環(huán)境問題進行綜合考慮，使得最終的規(guī)劃決策具有一定的片面性；2)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評估體系綜合生態(tài)、風景園林、人文地理等理論，分析城市化過程中的生態(tài)和社會問題[14，22-23]，更多地聚焦于過去或者現(xiàn)狀的城市發(fā)展分析，擁有較為完善的評價體系[24-25]，但是既有的生態(tài)系統(tǒng)健康評估中缺乏對未來城市土地利用規(guī)劃評估的對比研究，因此需要做進一步探討。

本研究的目的在于建立耦合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評估體系，探討未來更健康合理的城市土地利用規(guī)劃方式。當下北京提出減量發(fā)展戰(zhàn)略定位，堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的生態(tài)文明建設(shè)方針，構(gòu)建出4種北京2027年土地利用情景，分別為自然發(fā)展、快速發(fā)展、多目標保護和森林建設(shè)。首先采用CA-Markov模型分析2007和2017年土地利用類型時空變化，并預(yù)測以上4種情景下的土地利用類型，然后進行區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評價，為尋求可促進生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展的最優(yōu)規(guī)劃方法提供依據(jù)(圖1)。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

北京市位于39°40′～40°20′N、116°00′～117°00′E，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，總面積約16 410.54km2。地勢西北高、東南低，西、北和東北部三面環(huán)山，東南部為平原。土地利用類型以建設(shè)用地、林地和耕地為主，大量的建設(shè)用地集中在平原地區(qū)，并呈現(xiàn)輻射趨勢，林地主要分布在西部及北部的山地，耕地主要分布在建設(shè)用地外圍的城郊區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)來源和處理

通過ENVI5.3將地理空間數(shù)據(jù)云2007和2017年北京市的30m×30m Landsat TM遙感影像解譯為林地、草地、耕地、建設(shè)用地、水域和未利用地6種用地類型(圖2)。利用ArcGIS10.2對北京市30m分辨率的數(shù)字高程和坡度等進行可視化。采用CA-Markov模型基于以上數(shù)據(jù)模擬北京市2027年土地利用分布，并借助Fragstas4.2分析研究區(qū)景觀格局指數(shù)。

圖1 研究框架

2 研究方法

2.1 土地利用模擬：CA-Markov模型

CA-Markov模型由離散動力學CA模型和土地利用數(shù)據(jù)化預(yù)測Markov模型結(jié)合構(gòu)成，具有強大的空間計算和模擬能力，在土地利用時空變化表達方面具有一定優(yōu)勢，可較好地模擬區(qū)域土地利用時空格局。利用Markov模型根據(jù)2007和2017年土地利用類型獲取各類用地轉(zhuǎn)移概率，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)城市發(fā)展目標調(diào)整各情景土地利用轉(zhuǎn)移概率。根據(jù)每類用地的屬性進行相關(guān)自然與社會要素的配置，確定限制條件和影響因素。其中，水域被認為是所有用地類型的限制條件，高程、坡度和距離市中心距離為3類影響因素(圖3)。將3類影響因素根據(jù)AHP層次分析法創(chuàng)建對比矩陣，確定影響因素對每一類土地利用類型的適宜權(quán)重，并結(jié)合多標準評價MCE分析獲取完整的適宜性圖集(圖4)。

圖2 2007、2017年土地利用類型

將不同情景下的轉(zhuǎn)移概率與適應(yīng)性圖集相結(jié)合，經(jīng)過檢驗確保模擬Kappa系數(shù)在0.85以上，具有較高的準確度。以2017年的土地利用類型為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用CA-Markov模型進行2027年城市土地利用情景模擬。

2.2 區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評估框架

區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評估的基礎(chǔ)和核心是構(gòu)建合理的指標體系[26]。傳統(tǒng)的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評估通常采用“活力-組織力-恢復力”體系衡量單元生態(tài)系統(tǒng)的物理健康水平，側(cè)重于生態(tài)系統(tǒng)本身的完整性和可持續(xù)性。但是，僅對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析是不完整的。Lackey等指出生態(tài)系統(tǒng)的全面性和整體性需要考慮生態(tài)系統(tǒng)對人類的作用[27]，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為表征人與自然耦合的生態(tài)系統(tǒng)健康的重要評價體系，是聯(lián)系土地利用對人類活動的影響與生態(tài)系統(tǒng)健康的重要橋梁。因此，本文構(gòu)建的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康(H)評價指標體系包括生態(tài)系統(tǒng)物理健康(PH)和生態(tài)系統(tǒng)功能健康(FH)兩部分。其中，PH涵蓋了“活力(V)-組織力(O)-恢復力(R)”3項評價內(nèi)容；FH則由生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值組成。整個評估體系在維持自身結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)過程的穩(wěn)定性與可持續(xù)性的同時，也確保了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)性。計算公式為：

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)物理健康(PH)

生態(tài)系統(tǒng)物理健康(PH)表達了空間單元維持空間格局、生態(tài)過程，以及調(diào)整和恢復外部干擾的能力。為保證PH與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的數(shù)量級可比性，采用如下公式進行計算[25]：

圖3 影響因素

圖4 6類用地適宜性圖集

生態(tài)系統(tǒng)活力(V)由生態(tài)系統(tǒng)的植物凈初級生產(chǎn)力(NPP)進行評估[28-29](表1)。

生態(tài)系統(tǒng)組織力(O)指生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過分析已有研究選取景觀格局指數(shù)，結(jié)合區(qū)域特征從景觀異質(zhì)性(LH)、景觀連通性(LC)和重要生態(tài)功能斑塊(森林等)連通性(CC)3個方面[30]，選取香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、面積加權(quán)平均斑塊分形維數(shù)指標(AWMPFD)、景觀破碎指數(shù)(FN1)、景觀蔓延指數(shù)(CONT)、林地破碎度指數(shù)(FN2)和斑塊凝聚度指數(shù)(COHESION)6項研究指標進行研究。由于描述生態(tài)系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)的景觀異質(zhì)性和景觀連通性都會影響生態(tài)系統(tǒng)的健康，且二者不能相互替代，因此二者權(quán)重相等，設(shè)定為0.35；考慮城市整體系統(tǒng)與重要生態(tài)功能斑塊的生態(tài)意義，故將權(quán)重設(shè)置為0.3[24]。所有選定的景觀指標均由Fragstats4.2測算。計算公式為：

圖5 4種情景模擬下的土地利用

生態(tài)系統(tǒng)恢復力(R)指區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)受到外部干擾后恢復其原始結(jié)構(gòu)和功能的能力[21，31]。生態(tài)系統(tǒng)的恢復力與土地利用類型密切相關(guān)[32]，生態(tài)系統(tǒng)越簡單，其恢復力越強。對不同土地利用類型的面積占比加權(quán)生態(tài)系統(tǒng)恢復系數(shù)的總和進行生態(tài)系統(tǒng)恢復力的量化與評估，并通過專家評估和相關(guān)文獻查閱[23-24，30]，確定各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)恢復系數(shù)(表2)。計算公式為：

式中，R為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)彈性；Ai為土地利用類型i的面積；RCi為土地利用類型i的生態(tài)系統(tǒng)恢復系數(shù)；n為土地利用類型的數(shù)量。

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)功能健康(FH)

北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估參考Costanza發(fā)布的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估模型[16]與謝高地等改進的中國單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量表[17-18]，計算不同土地利用類型提供的4類服務(wù)價值。

表1 不同土地利用類型NPP值

表2 不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)恢復力系數(shù)

表3 情景1、2土地利用面積轉(zhuǎn)移概率(單位：%)

表4 情景3、4土地利用面積轉(zhuǎn)移概率(單位：%)

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用特征分析

3.1.1 土地利用轉(zhuǎn)換分析

北京市的規(guī)劃與發(fā)展堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的生態(tài)文明建設(shè)方針，結(jié)合現(xiàn)狀建設(shè)條件，選取自然發(fā)展、快速發(fā)展、多目標保護和森林建設(shè)4種情景模擬北京市2027年土地利用變化(圖5)。

情景1為自然發(fā)展，即按照城市發(fā)展歷史軌跡和現(xiàn)有趨勢，依據(jù)北京市2007—2017年的土地利用轉(zhuǎn)移概率進行模擬(表3)；情景2為快速發(fā)展，只強調(diào)重點進行具有較高社會經(jīng)濟價值的建設(shè)用地發(fā)展，擴大城市建成區(qū)面積，在水域面積保持不變的情況下，林地、草地、耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移概率增加30%，其他用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移概率增加50%(表3)；情景3為多目標保護，旨在加強對林地、草地、水域等生態(tài)用地的保護，同時考慮到北京城市經(jīng)濟發(fā)展需求，保持建設(shè)用地及耕地轉(zhuǎn)移概率不變，只將其他用地向林地、草地的轉(zhuǎn)移概率分別增加10%和5%(表4)；情景4為森林建設(shè)，該情景參照《北京市森林城市建設(shè)發(fā)展規(guī)劃(2018—2035年)》《北京市新一輪百萬畝造林綠化行動計劃2018建設(shè)總體方案》中的森林建設(shè)策略，優(yōu)先擴大林地面積，降低建設(shè)用地擴張速度，將其他5種用地向林地轉(zhuǎn)移概率增加15%(表4)。

3.1.2 土地利用面積分析

2007—2017 年的土地利用變化中(圖2)，生態(tài)用地(林地、草地、水域)面積均呈上升趨勢，其中林地增幅最為明顯，2017較2007年增長了10.36%，主要變化發(fā)生在北京西部與北部；其次為草地，較2007年增長了3.28%；其他生態(tài)用地包括草地、水域分別增長了3.28%和0.17%。相比之下，耕地、建設(shè)用地和其他用地轉(zhuǎn)移概率呈下降趨勢，耕地降幅最大，下降了9.42%，建設(shè)用地略有下降，約0.56%(表5)。土地利用類型的變化分析結(jié)果與北京市2012—2017年的百萬畝造林、退耕還林，以及城市集約發(fā)展等政策相符合，在此背景下北京形成了以大面積森林為基地、大型生態(tài)廊道為骨架的森林城市生態(tài)格局。

由表6可知，情景1的各類土地利用類型面積與2017年相近，林地、草地、水域和其他用地均有輕微增幅，面積分別增加了60.81、109.94和35.36km2，建設(shè)用地和耕地則呈下降趨勢；情景2中，在平原、溝谷等適宜城市建設(shè)的區(qū)域建設(shè)用地大量增加，比2017年增加了4 765.17km2，上漲29.12%，導致林地、耕地、草地等面積減少；情景3中，10.24%的耕地與5.47%的建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為林地、草地和水域等生態(tài)用地，增幅分別為10.24%、5.61%和0.22%；情景4與2017年數(shù)據(jù)相比，林地面積增加最為明顯，為2 487.79km2，增幅為15.18%，在此情景下，除了水域有輕微增幅外，其他用地均呈下降趨勢，其中下降最多的為耕地1 591.00km2，其次為建設(shè)用地723.15km2、草地158.31km2。

綜合來看，除了快速發(fā)展外，其他情景下林地均是最主要的用地類型，皆超過55%，這是北京市進行森林城市建設(shè)的優(yōu)勢條件；建設(shè)用地均呈下降趨勢，說明城市的建設(shè)更趨向集約式發(fā)展，為其他生態(tài)用地提供更多空間。

3.2 區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評估

以2017年土地利用數(shù)據(jù)作為參照進行區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評估分析，探討比現(xiàn)狀更為健康的城市土地利用規(guī)劃方式。從各情景下的H、PH、FH數(shù)值可得(表7)，除情景2出現(xiàn)負值外，其余情景均呈現(xiàn)良好的增長趨勢；情景3、4均有較為明顯的增長，且情景4的增幅最大，說明土地利用類型中的草地、水域，特別是林地等生態(tài)用地對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康有重要影響；4類情景中除了情景2中的V指標呈現(xiàn)較高負值外，其余情景中的V、O、R均呈改善趨勢，說明情景2的生態(tài)系統(tǒng)物理健康呈現(xiàn)負值主要受V的影響。

情景1中的H、PH、FH分別有3.01%、0.52%、5.57%的增幅，這與2007—2017年整體林地、草地和水域等面積的增加有關(guān)；情景2中PH下的O、R有小幅度正增長，但是整體的H、PH、FH增幅分別為-17.04%、-1.98%、-29.79%，說明由于除建設(shè)用地以外的用地大量減少，極大降低了生態(tài)系統(tǒng)功能健康與物理健康下的生態(tài)系統(tǒng)活力；情景3中H、PH、FH均有較高增長，分別有6.74%、2.20%、11.48%的增幅，符合多目標保護情景的設(shè)計原則；情景4中的H、PH、FH均是各情景中的最高增長，分別為8.63%、3.51%和14.01%，因為林地作為北京最重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)，其面積的大幅度增加會帶來區(qū)域初級生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)恢復力，以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的極大提升。

表5 2007與2017年土地利用面積和比例

表6 2017與2027年4種情景下各類土地面積和比例

表7 2017與2027年4種生態(tài)系統(tǒng)健康評估結(jié)果

4 結(jié)論與討論

土地利用規(guī)劃是研究城市發(fā)展的載體，城市發(fā)展目標對規(guī)劃結(jié)果具有較為直接的影響，同時也是人與生態(tài)系統(tǒng)相互影響的最直接表征方式。結(jié)合生態(tài)、風景園林等多學科的理論知識，重構(gòu)了由生態(tài)系統(tǒng)物理健康(PH)和生態(tài)系統(tǒng)功能健康(FH)組成的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評估體系，將其納入土地利用規(guī)劃研究，擴充區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康和土地利用規(guī)劃等相關(guān)研究方向。

本文基于CA-Markov模型，按照城市發(fā)展目標劃分自然發(fā)展、快速發(fā)展、多目標保護和森林建設(shè)4種情景對土地利用進行預(yù)測分析，4種情景下的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康數(shù)據(jù)與2017年數(shù)據(jù)相比，只有快速發(fā)展情景下呈現(xiàn)了負增長，其他3種情景均有良好增長，特別是森林建設(shè)發(fā)展下的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康增幅為8.63%。由土地利用和健康數(shù)據(jù)可得，建設(shè)用地過多占用其他用地，會對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生不利影響，草地、水域，特別是林地等生態(tài)用地對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康有重要的正影響，這和林地較高的NPP、恢復力與生態(tài)系統(tǒng)價值有極大關(guān)聯(lián)。因此，北京需堅持生態(tài)優(yōu)先、集約化發(fā)展建設(shè)用地、加大森林用地建設(shè)，從而更大幅度地提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康。

現(xiàn)階段，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評估缺少對城市土地利用規(guī)劃的應(yīng)用研究，但已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有市域范圍的土地利用變化中，形成了較為成熟的體系。因此，將土地利用模擬與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)建立評估體系相組合的研究方法，對于城市的土地利用規(guī)劃具有一定的適用性，并能更加客觀地進行規(guī)劃決策。若將研究方法應(yīng)用于不同的城市，從土地利用模擬的角度，需要明確未來城市發(fā)展目標定義的發(fā)展情景與各類用地轉(zhuǎn)移概率；從區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的角度，由于健康沒有絕對的衡量標準，評估體系中的指標權(quán)重可根據(jù)具體研究區(qū)域設(shè)定。

注：文中圖片均由作者繪制。