基于最小累積阻力模型的北京市生態用地規劃研究

張繼平,喬 青, 劉春蘭,*,王海華, 裴 廈

1 北京市環境保護科學研究院,北京 100037 2 國家城市環境污染控制工程技術研究中心,北京 100037 3 國家環境保護工業廢水污染控制工程技術(北京)中心,北京 100037

基于最小累積阻力模型的北京市生態用地規劃研究

張繼平1,2,3,喬 青1,2,3, 劉春蘭1,2,3,*,王海華1,2,3, 裴 廈1,2,3

1 北京市環境保護科學研究院,北京 100037 2 國家城市環境污染控制工程技術研究中心,北京 100037 3 國家環境保護工業廢水污染控制工程技術(北京)中心,北京 100037

生態用地規劃強調對區域生態系統結構與功能的保護,增強社會經濟發展的生態環境支撐能力。從保障首都基本生態安全、改善大氣環境質量、建設宜居城市的角度出發,通過對北京市生態重要性進行綜合評價,明確北京市重要生態用地空間分布特征。在此基礎上,采用最小累積阻力模型(MCR),以重要生態用地為“源”,以土地覆被類型、距道路距離和距居民點距離作為阻力因子生成阻力面,模擬重要生態用地空間擴張過程,進而設置生態用地規劃情景,并從景觀連通性、生態功能保障度及與現狀建設用地沖突情況等3個方面對不同情景下的生態用地規劃方案進行保護效能評價,最終提出北京市生態用地的適宜規模和優化布局方案。研究結果表明：北京市重要生態用地總面積為9879 km2,占市域總面積的60.20%；生態用地的適宜規模為12417 km2,占市域總面積的75.67%,其中,平原區生態用地的適宜規模為2944 km2,占平原區總面積的46.45%,主要分布于建成區的外圍過渡地帶；山區生態用地的適宜規模為9473 km2,占山區總面積的94.05%。

生態用地；最小累積阻力模型(MCR)；土地利用規劃；北京市

生態用地具有涵養水源、調節小氣候、凈化空氣、保護野生生物、提供游憩場所等生態功能,是一個區域生態環境質量好壞的晴雨表[1-2]。隨著社會經濟的高速發展和城市加速擴張,生產建設對土地的需求越來越高,使得原有的生態用地被大量擠占,許多具有特殊生態價值的土地如森林、草地、濕地等喪失其生態功能,使本來就十分脆弱的生態系統日趨惡化,進而導致諸多環境問題[3]。與此同時,人們生活水平也在逐步提高,對生活質量的要求越來越高,在這種背景下,合理規劃生態用地,保護必需的生態用地,使其發揮良好的生態環境調節功能,是保障城市生態安全、提高居民生活環境質量的重要保障[4- 5]。近年來,我國在自然資源管理中對生態用地的保護日臻重視,尤其在各類空間管制規劃中,對生態用地的保護都給予了很高的關注[6- 8]。

目前,國內外關于生態用地規劃方法大概可以分為兩類。一類是基于生態功能重要性或生態敏感性評價進行的生態用地劃分[9- 10],這種方法重視土地屬性和自身生態功能,但忽視生態用地在空間上的聯系。另一類意識到通過格局優化可提高生態用地效能,因此在生態功能重要性評價的基礎上,再基于景觀生態學的基本原理進行生態用地規劃。張林波等[11]將Forman的景觀生態概念模型[12]與生態功能重要性評價結合起來,分別以市域面積的30%、40%、50%和60%提取相應的生態用地,并定性分析了4種情景下格局的連通程度,最終將50%定為深圳市最小生態用地的規模。關小克[13]采用與張林波類似的方法,提取了北京市市域面積的40%,50%,60%作為生態用地的情景,認為60%的情景下可以將全境內的生態種子斑塊予以關聯,建議至少將60%國土面積作為北京市的生態用地。俞孔堅等[14]強調生態用地的“最小”概念,即通過最少面積的保護實現最大生態保護的功效,以北京市東三鄉為例,采用最小累積阻力模型(MCR)分析了基于雨洪管理和生物保護需求的生態用地。采用最小累積阻力模型研究生態用地的方法可以在關注土地斑塊本身生態功能大小的基礎上,更加關注斑塊之間的生態聯系,強調通過提高景觀連通性等格局優化策略促進生態功能的高效發揮[15- 16]。現有生態用地的相關研究多以自然保護區、風景名勝區等各類生態保護用地的空間分布數據為基礎進行分析[17-20],尚缺少對生態質量、城市主要環境問題及居民對宜居的要求等方面的綜合考量,因此,估算得到的生態用地規模稍顯片面。

本研究采用官方文件對生態用地的界定[6],將具有重要生態功能的草地、林地和濕地視為生態用地,綜合考慮北京市的自然環境狀況、城市發展水平及市民對生活質量的要求,從保障首都基本生態安全、改善大氣環境質量、建設宜居城市的角度出發,基于對北京市生態重要性評價,明確北京市重要生態用地空間分布特征。在此基礎上,采用最小累積阻力模型(MCR),模擬分析北京市重要生態用地空間擴張過程,進而通過情景劃定和生態用地保護效能評估,提出北京市生態用地的適宜規模和優化布局方案,為首都生態環境保護和城市規劃設計提供技術支撐。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

北京市地處華北平原西北邊緣, 39°26′—41°03′N, 115°25′—117°30′E,總面積為16410 km2。地勢西北高、東南低。西部山地屬太行山脈,北部山地屬燕山山脈,北部與內蒙古高原相連。山地一般海拔1000—1500 m,平原海拔20—60 m。北京屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,年平均氣溫10—12℃,年平均降水量600 mm左右,降水季節分配不均,全年降水的75%集中在夏季。全年無霜期180—200 d。冬季多偏北或西北風,夏季多偏南或東南風。北京市擁有森林、草地、灌叢、濕地、農田與城鎮等多種生態系統類型,在自然環境與人類活動的相互作用下,北京市自然生態系統、農業生態系統和城市生態系統表現為以城區為核心的圈層結構[3]。根據2014年SPOT衛星影像解譯結果,北京市建設用地面積為3165.99 km2,占北京市總面積的19.29%；平原地區主要分布以人工植被為主的農田生態系統,面積2563.89 km2,占比為15.62%；遠郊山區多為森林生態系統,面積8888.09 km2,占比為54.14%。草地、濕地等生態系統面積占比較小。

1.2 研究方法

1.2.1 最小累積阻力模型

最小累積阻力模型指物種在從源到目的地運動過程中所需耗費代價的模型, 它最早由Knaapen于1992年提出[21], 之后該模型被應用到多種自然生態或人文過程的研究[22-28]。MCR模型在眾多的應用中,充分展示了其在分析各種過程在水平空間擴張方面的良好適應性和可擴張性,其計算公式如下：

(1)

式中，MCR指最小累積阻力值,Dij指生態用地從源i到j的空間距離；Ri表示柵格i對生態用地空間擴張的阻力系數。∑表示柵格i與源j之間穿越所有單元的距離和阻力的累積；f表示最小累積阻力與生態過程的正相關關系。該模型可通過ArcGIS的cost-distance模塊實現。

1.2.2 模型假設

將最小累積阻力模型用于生態用地規劃的研究是建立在以下假設中進行的,即生態用地擴張可以被看作是在空間水平方向上,生態用地從“源”沿“空間阻力面”擴張的過程。在此假設前提下,生態用地在水平擴張過程中,由于土地覆被的空間異質性,在不同的土地單元所受阻力不一,可以根據累積阻力值確定生態用地的面積和布局。

1.2.3 擴張源確定

本研究將北京市重要生態用地視為生態用地規劃中的擴張源,重要生態用地通過生態重要性評價確定。本研究以保障首都基本生態安全、改善大氣環境及建設宜居城市為目標,開展生態用地重要性評價,評價分兩個層次進行。

首先,進行單項生態重要性評價,包括：

1)生態功能重要性評價 從生態質量和生態功能兩個方面進行評估。其中,生態質量評估以植被覆蓋度及生物量為主要的生態質量因子進行分析。植被覆蓋度以空間分辨率為250 m的MODIS NDVI數據為數據源,在對數據進行拼接、剪裁、投影轉換、濾波去噪等預處理的基礎上,獲取2000—2015年NDVI各年度平均值,在此基礎上,計算植被覆蓋度。最后,計算植被覆蓋度的多年平均值。生物量通過建立森林、草地和農田等典型樣地生物量與光譜反射率的擬合關系得到。在對植被覆蓋度及生物量進行重要性分級的基礎上,明確北京市高生態質量區域的空間分布。

生態功能評估內容主要包括水源涵養、土壤保持、生物多樣性等。水源涵養功能評估綜合考慮地表覆蓋類型、發育度指數、徑流系數等因素,采用程根偉等[29]提出的水源涵養量計算公式對北京市生態系統水源涵養功能進行估算；土壤保持功能主要基于北京市月降水量、土壤類型、地形、植被覆蓋度及土地利用等數據,采用通用土壤流失方程USLE(Universal Soil Loss Equation)[30]估算土壤侵蝕量,明確土壤侵蝕敏感性；生物多樣性維持功能采用InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型下的生物多樣性評價模塊[31]進行評估,該模型釆用土地利用/土地覆蓋信息,結合各種對生物多樣性構成威脅的生態威脅因子,在區域景觀格局上對其生境質量、生境退化狀況及生境多樣性情況進行總體評價。該模型需要的空間分析數據有生態威脅因子的影響范圍、土地利用類型數據、各土地利用類型對于生態威脅因子的敏感程度等。威脅因子的影響范圍通過計算其與生態系統中各地類斑塊的空間距離來確定。本研究綜合考慮北京市城鎮交通工具限制和經濟發展水平,對最大影響距離、權重及相關性指數進行設置。同時,依照生態學和景觀生態學中生物多樣性保護的一般性要求,把不同地類對威脅因子的敏感度按照由高到低的原則來劃分,進而分析得到具有較高生物多樣性維持功能的區域。為與生態質量評估的評價單元保持一致,生態功能評價過程中涉及到的各因子的評價單元均設置為250 m。

2)改善大氣環境的生態功能重要性評價 不同森林類型的滯塵及吸收污染物能力有所不同,同一森林類型,由于群落結構特征的不同,其滯塵及吸收污染物能力也存在差異。本研究依托北京市森林二類調查小班數據,以森林類型、優勢樹種、分布面積、蓄積量、植被蓋度等為主要指標,識別出具有較高滯塵及吸收污染物能力的重要生態用地。

3)改善人居環境重要性評價 根據北京市地貌特征、自然環境特征及生態系統分布特征,針對山區、平原區及城區等3個不同地域單元的綠地系統特征及關鍵綠地進行分析和識別。同時,綜合考慮重要北京市生態屏障、重要生態走廊,以及森林公園、自然保護區、水源地保護區、風景名勝區等各類保護用地,確定改善人居環境的重要生態用地。

在完成單項生態功能重要性評價的基礎上,將柵格數據轉換為矢量數據,進而在ArcGIS軟件平臺下進行空間疊加,對空間上重疊的區域進行合并處理,最終明確北京市重要生態用地的空間分布特征。

1.2.4 阻力面確定

以北京市重要生態用地為“源”,分析生態用地從“源”向外擴張過程中所遇到的累積阻力。本研究主要考慮的阻力因子包括土地覆被類型、距道路距離和距居民點的距離。根據生態用地性質,對北京市土地覆被類型的擴張阻力等級進行排序,并設定阻力系數。根據距離道路和居民點的距離,設定不同級別,分別設置阻力系數。根據土地覆被類型、距道路距離和距居民點距離等3個阻力因子的阻力系數,分別生成阻力因子的柵格數據,對三層阻力柵格數據進行求和運算,得到生態用地擴張的空間阻力面數據。

1.2.5 北京市最小生態用地規模與格局耦合分析與評價

根據北京市重要生態用地空間分布數據及阻力面數據,運用ArcGIS中的cost-distance模塊進行累積阻力計算,得到重要生態用地“源”在市域范圍內空間擴張的阻力值。基于MCR阻力值建立的頻率序列識別出“拐點值”,根據不同拐點值形成不同的生態用地規劃情景方案。進而,從景觀連通性、生態功能保障度及與現狀建設用地沖突情況等3個方面對不同生態用地規劃方案進行綜合評價,根據評價結果,確定北京市生態用地的適宜規模與優化布局方案。

圖1 北京市重要生態用地空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of pivotal ecological land

2 研究結果

2.1 北京市重要生態用地空間分布

為明確北京市重要生態用地的空間分布,本研究對北京市全市域的植被覆蓋度、生物量、水源涵養功能、土壤保持功能、生物多樣性維持功能、改善大氣環境的生態功能重要性和改善人居環境重要性等要素分別進行了評估,并對評估結果進行空間疊加分析,進而明確北京市重要生態用地空間分布(圖1)。北京市重要生態用地總面積達9879 km2,占北京市市域總面積的60.20%,主要分布于北京市山區,城區和平原區呈零散分布。

2.2 生態用地擴張的阻力面

在生態用地擴張過程中,不同的土地覆被類型會產生不同的阻力,根據生態用地性質及結構特征,北京市土地覆蓋類型的生態阻力等級可進行如下排序：林地<水域和濕地<草地<未利用地<耕地<建設用地。各種地表覆蓋的相對阻力系數分別擬定在0—500之間。同時,道路和居民點也會對生態用地的擴散產生阻力,距離道路和居民點越近,則生態用地的擴張阻力越大。生態用地擴張的阻力因子及其阻力系數見表1。需要指出,這些阻力系數是由研究組根據專家意見和有關資料得出的相對值,只反映相對的阻力概念,不是絕對的。但由于阻力面計算的目的是要反映相對的趨勢,所以,相對意義上的阻力系數仍然具有意義[16]。基于各阻力因子的阻力系數,通過柵格運算得到的生態用地擴張的阻力面數據(圖2)。

表1 生態用地擴張阻力因子與阻力系數

2.3 北京市生態用地規劃的情景模式分析

2.3.1 北京市生態用地規劃的情景模式設定

根據北京市重要生態用地空間分布數據及阻力面數據,運用ArcGIS中的cost-distance模塊進行累積阻力計算,得到重要生態用地“源”在市域范圍內擴張的累積阻力值(圖3)。

圖2 生態用地擴張阻力系數空間分布圖 Fig.2 Spatial distribution of resistance coefficients of ecological land expansion

圖3 生態用地擴張累積阻力分級圖 Fig.3 Cumulative resistance classification of spatial expansion of ecological land

總體而言,北京市山區以林地為主,生態用地空間擴張阻力相對較小,適于生態用地的擴張。北京市建成區、各區縣建成區、平原區耕地分布地區,尤其是東南部耕地集中分布區范圍內的阻力較高,不宜于生態用地的擴張。

基于生態用地空間擴張阻力分析結果,根據重要生態用地“源”在市域范圍內擴張的累積阻力值柵格數據的頻數統計數據,識別頻數序列中的“拐點值”分別為1000,100000和300000,根據這3個拐點(圖4),分別設定3種北京市生態用地規劃情景,如圖5所示。

2.3.2 不同生態用地規劃情景的生態保護效能評價

為確定最佳的生態用地規劃情景,本研究從景觀格局、生態功能保障度及與現狀建設用地沖突情況等3個方面對3種規劃情景下的生態用地保護效能進行評價,并結合北京市土地利用現狀及社會經濟發展背景進行綜合分析。

本研究采用Fragstats 4.2景觀格局分析軟件,對3種生態用地規劃情景的景觀格局指數進行分析。主要計算生態用地的連通性指數和聚集度指數,指數值越高,表明生態用地的空間分布格局越有利于生態功能的發揮,計算結果見表2。

為定量分析各情景的生態功能保障度,本研究將生態用地占比最大的情景三視為生態功能得到100%保障,在此前提下,綜合考慮主要的生態功能保護類型和面積,設置不同權重,對情景一和情境二的生態用地生態功能保障度進行評價。假設生態用地總的生態功能保障度為1,則生態功能、改善大氣環境功能和改善人居環境等三大類別的權重依次為0.5,0.3和0.2。其中,反映生態功能的5個指標：植被覆蓋度、單位面積生物量、土壤侵蝕敏感度、水源涵養量及生物多樣性維持功能各占生態功能保護效能的20%；滯塵及吸收污染物功能各占改善大氣環境保護效能的50%；自然保護區、山區關鍵林地、建成區綠地、道路防護林、河流水系及飲用水源地一級保護區各占改善人居環境保護效能的10%、10%、30%、20%、20%和10%。在ArcGIS中,根據各指標的權重,生成每個指標的權重柵格,將所有指標權重柵格進行求和運算,得到生態功能保障度權重柵格圖層。在此基礎上,與各情景下的生態用地空間分布數據相結合,統計出不同情境下生態用地生態功能保障度的總權重。將情境一和情境二的生態用地生態功能保障度總權重與情境三進行比較,最終得到各情景下生態用地的生態功能保障度,計算結果見表2。

圖4 累積阻力值與柵格數量的關系Fig.4 Relationship of cumulative resistance value and grid number

圖5 北京市生態用地規劃情景設定Fig.5 Planning scenarios of ecological land of Beijing City

同時,將3種情景下的生態用地空間分布與現狀建設用地空間分布進行疊加分析,分析不同情景下的生態用地空間布局與現狀建設用地布局的空間沖突情況,并進行面積統計(表2)。

表2 3種生態用地規劃情景對比

2.4 北京市最小生態用地規模與布局

由圖5和表2可知：3種情景下山區的生態用地規模均較大,平原區生態用地的規模及格局有較大差異性。情景一的生態用地規模,尤其是平原區的生態用地規模較小,從生態用地空間布局來看,雖然與現狀建設用地的沖突較小,但是沒有形成有效的隔離帶,無法有效控制城市的無序擴張,生態用地的景觀連通性較低,無法有效發揮生態功能；情景二的生態用地規模較情景一有所增加,尤其體現在平原區生態用地規模的增加。在建成區周邊出現了較為明顯的楔形生態用地通道及環形生態用地隔離帶,生態用地的規模和格局能夠保證生態用地的各項生態功能得到較大程度的發揮；情景三的生態用地規模最大,景觀連通度、生態功能保障度最大,但是,大面積的生態用地一方面與北京市建成區的現有規模沖突較大,一方面占用了平原區相當面積的基本農田。綜合考慮城市土地利用現狀、社會經濟發展背景以及區域糧食安全等問題,該方案雖為生態用地規劃的理想方案,卻與城市總體發展和規劃不協調,故而不是最佳方案。綜上所述,本研究選取情景二作為北京市最小生態用地的空間優化布局方案。對該情景下的生態用地規模及布局進行分析可知：北京市生態用地的適宜規模為12417 km2,占市域總面積的75.67%,其中,平原區生態用地適宜規模為2944 km2,占平原區總面積的46.45%,主要分布于建成區的外圍過渡地帶；山區生態用地適宜規模為9473 km2,占山區總面積的94.05%。

3 結論與討論

本研究采用最小累積阻力模型對北京市生態用地的適宜規模和優化布局方案進行了分析。結果表明：北京市生態用地的適宜規模為12417 km2,占市域總面積的75.67%。在已有相關研究中,關小克等人[13]通過對生態用地的生態服務功能、景觀空間結構和生態敏感性的全面分析,構建生態用地空間重要性的評價模型,并以重要生態用地空間為剛性框架,分別按照保留城市面積40%,50%,60%作為重點生態用地的情景,提出北京市城市生態用地空間的布局模式,最終建議將至少60%國土面積列入重點生態用地,并給予嚴格保護。歐陽志云等[3]在明確北京市生態安全與生態系統服務功能的關系基礎上分析了北京市生態系統服務功能重要性及其空間格局,規劃了保障北京市生態安全的7 類生態用地,總面積共計5137.37 km2,占北京市域面積的31.31%。與以上研究結果對比發現,本文研究得到的生態用地適宜規模較高,空間上基本囊括了相關研究結果。這一方面是由于采用的分析方法不同,另一方面是由于本研究不僅考慮了保障首都基本生態安全對生態用地的需求,同時針對北京市目前面臨的主要環境問題和城市建設目標,增加了對改善大氣環境質量和建設宜居城市對生態用地需求的考量,使得研究結果更切合實際,符合城市發展需要。

本研究的實踐證明,最小累積阻力模型在城市生態用地規劃中的應用可行,該方法相對較客觀,操作性較強,其在城市規劃領域的深入推廣應用還需學者不斷研究完善。研究過程中,生態用地擴張阻力因子的選擇帶有一定的人為主觀因素,且難免有遺漏,未來研究中,可進一步增加地形、距各類保護區距離、距主城區距離等阻力因子,細化阻力面數據。同時,未來可嘗試采用定量的方法確定出最優的生態用地規劃情景,使得研究結果更為客觀。

[1] 宗毅, 汪波. 城市生態用地的“協調—集約”度創新研究. 科學管理研究, 2005, 23(6): 32- 35, 57- 57.

[2] 楊榮金, 周申立, 王興貴. 生態用地研究進展綜述. 中國環境管理干部學院學報, 2011, 21(2): 33- 35, 63- 63.

[3] 歐陽志云, 李小馬, 徐衛華, 李煜珊, 鄭華, 王效科. 北京市生態用地規劃與管理對策. 生態學報, 2015, 35(11): 1- 14.

[4] 李暉, 易娜, 姚文璟, 王思琪, 李志英, 楊樹華. 基于景觀安全格局的香格里拉縣生態用地規劃. 生態學報, 2011, 31(20): 5928- 5936.

[5] 俞孔堅, 王思思, 李迪華, 喬青. 北京城市擴張的生態底線——基本生態系統服務及其安全格局. 城市規劃, 2010, 34(2): 19- 24.

[6] 國家環境總局. 關于深入貫徹落實《全國生態環境保護綱要》的通知. (2000- 12-06) [2016-02- 10]. http://www.zhb.gov.cn/gkml/zj/wj/200910/t20091022_172001.htm.

[7] 環境保護部. 關于印發《國家生態文明建設試點示范區指標(試行)》的通知. (2013-05- 23) [2016-03- 15]. http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bwj/201306/t20130603_253114.htm#.

[8] 周朕, 蒙吉軍, 齊楊, 彭福利. 中國生態用地重要性及其格局優化研究進展. 生態學雜志, 2016, 35(1): 218- 225.

[9] 劉昕, 谷雨, 鄧紅兵. 江西省生態用地保護重要性評價研究. 中國環境科學, 2010, 30(5): 716- 720.

[10] 謝花林, 李秀彬. 基于GIS的區域關鍵性生態用地空間結構識別方法探討. 資源科學, 2011, 33(1): 112- 119.

[11] 張林波, 李偉濤, 王維, 熊嚴軍. 基于GIS的城市最小生態用地空間分析模型研究——以深圳市為例. 自然資源學報, 2008, 23(1): 69- 78.

[12] Forman R T T, Collinge S K. Nature conserved in changing landscapes with and without spatial planning. Landscape and Urban Planning, 1997, 37(1/2): 129- 135.

[13] 關小克, 張鳳榮, 王秀麗, 趙華甫, 姜廣輝. 北京市生態用地空間演變與布局優化研究. 地域研究與開發, 2013, 32(3): 119- 124.

[14] 俞孔堅, 喬青, 李迪華, 袁弘, 王思思. 基于景觀安全格局分析的生態用地研究——以北京市東三鄉為例. 應用生態學報, 2009, 20(8): 1932- 1939.

[15] 俞孔堅. 生物保護的景觀生態安全格局. 生態學報, 1999, 19(1): 8- 14.

[16] 俞孔堅, 王思思, 李迪華. 區域生態安全格局: 北京案例. 北京: 中國建筑工業出版社, 2012.

[17] 匡麗花, 葉英聰, 趙小敏. 基于最小累積阻力模型的土地生態適宜性評價——以鄱陽縣為例. 江西農業大學學報, 2014, 36(4): 903- 910.

[18] 鐘式玉, 吳箐, 李宇, 程金屏. 基于最小累積阻力模型的城鎮土地空間重構——以廣州市新塘鎮為例. 應用生態學報, 2012, 23(11): 3173- 3179.

[19] 李謙, 戴靚, 朱青, 楊桂山, 吳紹華. 基于最小阻力模型的土地整治中生態連通性變化及其優化研究. 地理科學, 2014, 34(6): 733- 739.

[20] 李晶, 蒙吉軍, 毛熙彥. 基于最小累積阻力模型的農牧交錯帶土地利用生態安全格局構建——以鄂爾多斯市準格爾旗為例. 北京大學學報: 自然科學版, 2013, 49(4): 707- 715.

[21] Knaapen J P, Scheffer M, Harms B. Estimating habitat isolation in landscape planning. Landscape and Urban Planning, 1992, 23(1): 1- 16.

[22] Dong J H, Dai W T, Shao G Q, Xu J R. Ecological network construction based on minimum cumulative resistance for the City of Nanjing, China. ISPRS International Journal of Geo-Information, 2015, 4(4): 2045- 2060.

[23] Lloret-Climent M, Amorós-Jiménez R, González-Franco L, Nescolarde-Selva J A. Coverage and invariance for the biological control of pests in Mediterranean greenhouses. Ecological Modelling, 2014, 292: 37- 44.

[24] Li F, Ye Y P, Song B W, Wang R S. Evaluation of urban suitable ecological land based on the minimum cumulative resistance model: a case study from Changzhou, China. Ecological Modelling, 2015, 318: 194- 203.

[25] Zhao X Q, Xu X H. Research on landscape ecological security pattern in aEucalyptusintroduced region based on biodiversity conservation. Russian Journal of Ecology, 2015, 46(1): 59- 70.

[26] 潘竟虎,劉曉. 基于空間主成分和最小累積阻力模型的內陸河景觀生態安全評價與格局優化——以張掖市甘州區為例. 應用生態學報, 2015, 26(10):3126- 3136.

[27] 彭晉福. 應用最小累計阻力模型模擬土地變化——以江蘇省揚中市為例[D]. 北京: 北京大學, 2000.

[28] 劉孝富, 舒儉民, 張林波. 最小累積阻力模型在城市土地生態適宜性評價中的應用——以廈門為例. 生態學報, 2010, 30(2): 421- 428.

[29] 程根偉, 石培禮. 長江上游森林涵養水源效益及其經濟價值評估. 中國水土保持科學, 2004, 2(4): 17- 20.

[30] 孫文義, 邵全琴, 劉紀遠. 黃土高原不同生態系統水土保持服務功能評價. 自然資源學報, 2014, 29(3): 365- 376.

[31] 孫傳諄, 甄霖, 王超, 胡潔, 杜秉貞. 基于InVEST模型的鄱陽湖濕地生物多樣性情景分析. 長江流域資源與環境, 2015, 24(7): 1119- 1125.

EcologicallanduseplanningforBeijingCitybasedontheminimumcumulativeresistancemodel

ZHANG Jiping1,2,3, QIAO Qing1,2,3, LIU Chunlan1,2,3,*, WANG Haihua1,2,3, PEI Sha1,2,3

1BeijingMunicipalResearchInstituteofEnvironmentalProtection,Beijing100037,China2NationalEngineeringResearchCenterofUrbanEnvironmentalPollutionControl,Beijing100037,China3StateEnvironmentalProtectionEngineering(Beijing)CenterforIndustrialWastewaterPollutionControl,Beijing100037,China

Ecological land planning places emphasis on protecting the structure and function of regional ecological systems and reinforcing the eco-environmental support capacity of social-economic development. Allowing for the comprehensive consideration of ecological security demands, air-quality improvement requirements, and livable city needs, we firstly identified pivotal ecological land based on an integrated evaluation of the ecological importance of Beijing City. Ecological importance was evaluated using an analysis of ecological quality and function. The key areas, with great importance to the improvement of the atmospheric and residential environments, were identified. Ecological quality was based on vegetation coverage and biomass using 3S technology. The ecological functions of water conservation, soil conservation, and biodiversity maintenance were evaluated using the integrated water storage capacity calculation, the universal soil loss equation, and InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs) model, respectively. Forest resource inventory data were used to identify key areas with great importance to the improvement of atmospheric environmental quality. Distribution maps of forest parks, nature reserves, water source conservation areas, and scenic spots were used to identify key areas of great importance to the improvement of residential environments. Pivotal ecological land was finally identified by spatial overlay analysis using the ArcGIS 10.1 software platform. Secondly, we considered the pivotal ecological land as the “source,” and built upon the resistance surface according to land use type, distance to roads, and distance to settlements to run the minimum cumulative resistance model and simulate the spatial expansion of ecological land. From this, we established three planning scenarios for ecological land. Thirdly, ecological protection effectiveness under different planning scenarios was evaluated by analyzing landscape patterns, protection levels for ecological functions, and conflicts with actual construction areas. Landscape patterns were analyzed by calculating landscape indexes using Fragstats 4.2 software. The protection level of ecological functions was determined by weight calculations. Conflicts with actual construction areas were based on spatial analysis statistics. Finally, we chose the best planning scenario, and determined the minimum scale and optimized spatial pattern for ecological land. The results showed that 1) the area of pivotal ecological land in Beijing City covered 9879 km2, accounting for 60.20% of the total area of the city; 2) the area of minimum ecological land was 12417 km2, accounting for 75.67% of the total area of the city; 3) the area of minimum ecological land in plain terrain was 2944 km2, accounting for 46.45% of total plain terrain area, and was mainly located in the surrounding transition areas of the construction areas; and 4) the area of the minimum ecological land in mountainous areas was 9473 km2, accounting for 94.05% of total mountainous area. The minimum ecological land area in this study was larger than that in other similar studies. Our study took not only the demand of ecological security into consideration but also the major environmental problems and urban construction target areas of Beijing City. The key areas with great importance to the improvement of atmospheric and residential environmental conditions were analyzed together and given ecological importance. Therefore, the minimum scale and optimized spatial pattern of ecological land in this study was more practical and corresponded with the development demands of the city.

ecological land; minimum cumulative resistance model (MCR); land use planning; Beijing City

北京市自然科學基金(8154046,5164031);北京市科技計劃項目(Z161100001116017);國家自然科學基金(41371486)

2016- 06- 12; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 05- 27

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liuchunlan@cee.cn

10.5846/stxb201606121121

張繼平,喬青, 劉春蘭,王海華, 裴廈.基于最小累積阻力模型的北京市生態用地規劃研究.生態學報,2017,37(19):6313- 6321.

Zhang J P, Qiao Q, Liu C L, Wang H H, Pei S.Ecological land use planning for Beijing City based on the minimum cumulative resistance model.Acta Ecologica Sinica,2017,37(19):6313- 6321.