基于區域生態系統健康評估的土地利用規劃研究
——以北京市為例

倪永薇

劉 陽

閻姝伊

艾 昕

鄭 曦*

城市高速發展引發土地利用格局不斷變化，環境污染問題日益嚴重，區域生態系統遭受極大威脅。區域生態系統為人類生存提供物質基礎和生態服務，健康的生態系統具有生態多樣性、穩定性和可恢復性[1]，保持生態系統健康是保證實現經濟與社會可持續發展的基礎[2]。面對區域生態系統退化對城市可持續發展的影響，人們開始關注城市土地利用規劃與生態系統健康之間的關系，探究以科學的規劃方式提高城市的人居環境質量。

隨著城市化進程的逐步推進，大部分城市向著集約式、生態性發展[3]。目前，城市規劃發展研究或根據城市形態劃分為歷史型發展和緊湊型發展[4]，或根據城市發展目標劃分為自然發展、保護優先發展、建設優先發展和糧食安全發展等[5]。土地利用規劃影響著城市發展，城市發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劃的重要基礎[6]。隨著遙感和模型理論的發展，各種土地利用預測模型不斷優化，應用較為廣泛的模型主要包括細胞自適應CA-Markov模型[7]、系統動力學模型(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系統結構與功能的改變，并影響區域植被生長狀況、生物物質循環與多樣性[9]。區域生態系統健康被認為是環境管理的終極目標[10]，健康的生態系統在人類活動干擾下可以維持自身結構與功能的完整性[11]，因此，區域生態系統健康可表征土地利用的生態狀況。目前，生態系統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、全面的生態系統健康評估而被廣泛應用。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系統健康評估體系[12]，側重于評價區域生態系統物理健康，即生態系統自身結構的完整性和可持續性。健康的生態系統能持續地提供一系列有價值的生態系統服務，隨著相關理論研究的深入[10，13-14]，生態系統服務被認為是社會-自然耦合視角下評價生態系統功能健康的指標[10]，可用于完善區域生態系統健康體系框架。目前，生態系統服務價值當量被廣泛應用于評估自然資本[15]，如謝高地[16]等在此基礎上進行了改進，發布了中國單位面積生態系統服務價值當量表[17]，在生態系統服務價值評估方面取得了重要進展。因此，本文將生態系統服務與傳統的“活力-組織力-恢復力”生態系統健康評價體系相結合，為后續規劃打下堅實的理論基礎。

現階段，有關土地利用規劃和區域生態系統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]、生態系統服務[20-21]等角度探索城市發展規劃的更優解，但上述指標體系角度均較為單一，無法將生態系統的時空分異規律、相關區域資源與環境問題進行綜合考慮，使得最終的規劃決策具有一定的片面性；2)區域生態系統健康評估體系綜合生態、風景園林、人文地理等理論，分析城市化過程中的生態和社會問題[14，22-23]，更多地聚焦于過去或者現狀的城市發展分析，擁有較為完善的評價體系[24-25]，但是既有的生態系統健康評估中缺乏對未來城市土地利用規劃評估的對比研究，因此需要做進一步探討。

本研究的目的在于建立耦合生態系統服務的區域生態系統健康評估體系，探討未來更健康合理的城市土地利用規劃方式。當下北京提出減量發展戰略定位，堅持生態優先、綠色發展的生態文明建設方針，構建出4種北京2027年土地利用情景，分別為自然發展、快速發展、多目標保護和森林建設。首先采用CA-Markov模型分析2007和2017年土地利用類型時空變化，并預測以上4種情景下的土地利用類型，然后進行區域生態系統健康評價，為尋求可促進生態環境健康發展的最優規劃方法提供依據(圖1)。

1 研究區域和數據來源

1.1 研究區域

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、北和東北部三面環山，東南部為平原。土地利用類型以建設用地、林地和耕地為主，大量的建設用地集中在平原地區，并呈現輻射趨勢，林地主要分布在西部及北部的山地，耕地主要分布在建設用地外圍的城郊區域。

1.2 數據來源和處理

通過ENVI5.3將地理空間數據云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分辨率的數字高程和坡度等進行可視化。采用CA-Markov模型基于以上數據模擬北京市2027年土地利用分布，并借助Fragstas4.2分析研究區景觀格局指數。

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模型和土地利用數據化預測Markov模型結合構成，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勢，可較好地模擬區域土地利用時空格局。利用Markov模型根據2007和2017年土地利用類型獲取各類用地轉移概率，并在此基礎上根據城市發展目標調整各情景土地利用轉移概率。根據每類用地的屬性進行相關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AHP層次分析法創建對比矩陣，確定影響因素對每一類土地利用類型的適宜權重，并結合多標準評價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

將不同情景下的轉移概率與適應性圖集相結合，經過檢驗確保模擬Kappa系數在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數據，利用CA-Markov模型進行2027年城市土地利用情景模擬。

2.2 區域生態系統健康評估框架

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

2.2.1 生態系統物理健康(PH)

生態系統物理健康(PH)表達了空間單元維持空間格局、生態過程，以及調整和恢復外部干擾的能力。為保證PH與生態系統服務的數量級可比性，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

生態系統活力(V)由生態系統的植物凈初級生產力(NPP)進行評估[28-29](表1)。

生態系統組織力(O)指生態系統的結構穩定性。通過分析已有研究選取景觀格局指數，結合區域特征從景觀異質性(LH)、景觀連通性(LC)和重要生態功能斑塊(森林等)連通性(CC)3個方面[30]，選取香農多樣性指數(SHDI)、面積加權平均斑塊分形維數指標(AWMPFD)、景觀破碎指數(FN1)、景觀蔓延指數(CONT)、林地破碎度指數(FN2)和斑塊凝聚度指數(COHESION)6項研究指標進行研究。由于描述生態系統不同結構的景觀異質性和景觀連通性都會影響生態系統的健康，且二者不能相互替代，因此二者權重相等，設定為0.35；考慮城市整體系統與重要生態功能斑塊的生態意義，故將權重設置為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

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

式中，R為區域生態系統彈性；Ai為土地利用類型i的面積；RCi為土地利用類型i的生態系統恢復系數；n為土地利用類型的數量。

2.2.2 生態系統功能健康(FH)

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

表1 不同土地利用類型NPP值

表2 不同土地利用類型生態系統恢復力系數

表3 情景1、2土地利用面積轉移概率(單位：%)

表4 情景3、4土地利用面積轉移概率(單位：%)

3 結果與分析

3.1 土地利用特征分析

3.1.1 土地利用轉換分析

北京市的規劃與發展堅持生態優先、綠色發展的生態文明建設方針，結合現狀建設條件，選取自然發展、快速發展、多目標保護和森林建設4種情景模擬北京市2027年土地利用變化(圖5)。

情景1為自然發展，即按照城市發展歷史軌跡和現有趨勢，依據北京市2007—2017年的土地利用轉移概率進行模擬(表3)；情景2為快速發展，只強調重點進行具有較高社會經濟價值的建設用地發展，擴大城市建成區面積，在水域面積保持不變的情況下，林地、草地、耕地向建設用地轉移概率增加30%，其他用地向建設用地轉移概率增加50%(表3)；情景3為多目標保護，旨在加強對林地、草地、水域等生態用地的保護，同時考慮到北京城市經濟發展需求，保持建設用地及耕地轉移概率不變，只將其他用地向林地、草地的轉移概率分別增加10%和5%(表4)；情景4為森林建設，該情景參照《北京市森林城市建設發展規劃(2018—2035年)》《北京市新一輪百萬畝造林綠化行動計劃2018建設總體方案》中的森林建設策略，優先擴大林地面積，降低建設用地擴張速度，將其他5種用地向林地轉移概率增加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、建設用地和其他用地轉移概率呈下降趨勢，耕地降幅最大，下降了9.42%，建設用地略有下降，約0.56%(表5)。土地利用類型的變化分析結果與北京市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、大型生態廊道為骨架的森林城市生態格局。

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的區域建設用地大量增加，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%的建設用地轉換為林地、草地和水域等生態用地，增幅分別為10.24%、5.61%和0.22%；情景4與2017年數據相比，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，其次為建設用地723.15km2、草地158.31km2。

綜合來看，除了快速發展外，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的優勢條件；建設用地均呈下降趨勢，說明城市的建設更趨向集約式發展，為其他生態用地提供更多空間。

3.2 區域生態系統健康評估

以2017年土地利用數據作為參照進行區域生態系統健康評估分析，探討比現狀更為健康的城市土地利用規劃方式。從各情景下的H、PH、FH數值可得(表7)，除情景2出現負值外，其余情景均呈現良好的增長趨勢；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，特別是林地等生態用地對區域生態系統健康有重要影響；4類情景中除了情景2中的V指標呈現較高負值外，其余情景中的V、O、R均呈改善趨勢，說明情景2的生態系統物理健康呈現負值主要受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；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%，說明由于除建設用地以外的用地大量減少，極大降低了生態系統功能健康與物理健康下的生態系統活力；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系統，其面積的大幅度增加會帶來區域初級生產力、生態系統恢復力，以及生態系統服務價值的極大提升。

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種生態系統健康評估結果

4 結論與討論

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

本文基于CA-Markov模型，按照城市發展目標劃分自然發展、快速發展、多目標保護和森林建設4種情景對土地利用進行預測分析，4種情景下的區域生態系統健康數據與2017年數據相比，只有快速發展情景下呈現了負增長，其他3種情景均有良好增長，特別是森林建設發展下的區域生態系統健康增幅為8.63%。由土地利用和健康數據可得，建設用地過多占用其他用地，會對區域生態系統健康產生不利影響，草地、水域，特別是林地等生態用地對區域生態系統健康有重要的正影響，這和林地較高的NPP、恢復力與生態系統價值有極大關聯。因此，北京需堅持生態優先、集約化發展建設用地、加大森林用地建設，從而更大幅度地提升區域生態系統健康。

現階段，區域生態系統健康評估缺少對城市土地利用規劃的應用研究，但已被廣泛應用于現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域生態系統建立評估體系相組合的研究方法，對于城市的土地利用規劃具有一定的適用性，并能更加客觀地進行規劃決策。若將研究方法應用于不同的城市，從土地利用模擬的角度，需要明確未來城市發展目標定義的發展情景與各類用地轉移概率；從區域生態系統健康的角度，由于健康沒有絕對的衡量標準，評估體系中的指標權重可根據具體研究區域設定。

注：文中圖片均由作者繪制。