基于生态系统稳定目标下的城市空间增长上限研究——以北京市为例，本文主要内容关键词为：北京市论文,为例论文,上限论文,生态系统论文,目标论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
修回时间：2012-05-17
中图分类号：F291.1 文献标识码：A 文章编号：1000-8462(2012)06-0053-06
任何城市均处于一定质量下的生态环境中，其形成和发展都受到生态系统和环境容量的支撑与约束[1-4]。地形地貌、气候、水文、植被、大气、土壤等自然地理要素相互交叉组合在一起，构成了城市化空间发展的生态环境背景。各要素反映出来的生态环境特征，直接影响到城市空间扩展的规模、方向以及结构。生态系统既提供了城市化扩张所需的建设空间，又为人类生活休闲活动提供了生态空间。城市生产生活活动在占用、使用生态空间的过程中，既要满足人类需求又须保障生态系统稳定，才能使人口、资源、环境协调发展[5-6]。
本文基于区域生态系统约束分析，对城市空间增长上限进行评价，主旨就是保障生态系统稳定与人地关系协调、可持续发展。鉴于生态系统对城市空间增长的影响机理难以定量化，以及相关数据搜集难度较大等原因，因此本文主要是以区域人居环境的相对最优化为原则，以北京市为例，通过土地生态适宜性分析，并借鉴国外城市空间结构发展规律，对处于一定经济发展阶段和生产技术要素投入水平下的城市空间增长上限及边界进行确定。
土地生态适宜性是指由土地内在自然属性所决定的对特定用途的适宜或限制程度[7]。土地利用生态适宜性评价是把生态规划的思想和方法运用于适宜性评价，通过生态要素对给定土地利用方式的适宜性程度进行评价[8-9]。在实际工作中，土地适宜性评价主要用于由人类要求、意愿或一些未来活动的预测而确定土地利用最适合的方式或者区域最佳的空间格局[10-11]。本文从城市化角度进行适宜性分析，研究生态景观单元是否适宜于人类的开发利用活动。适宜于城市化建设的空间其生态可占用性高，而适宜于生态建设的空间其可占用性低。
1 研究区概况与数据来源
1.1 研究区概况
北京市位于华北平原的西北端，西部和北部系太行山脉和燕山山脉。全市面积16410.54
，东西宽160km，南北长176km。北京地貌类型可分为山地、丘陵和台地、平原三种类型。以山地为主，坡度＞25°的陡坡面积约占2/3。由于平原地区地质条件较为脆弱，存在各类地质灾害的易发区，最不适宜建设和较不适宜建设的区域达654，占平原面积的12％。
北京长期以来摊大饼式的扩张，不仅带来了严重的城市病问题，还占用大量的隔离绿地、城郊少数林地、草地和有限的河湖水系，造成城郊开敞空间的大量流失。1996—2004年新增建设用地占用林、草、水等土地总量达156，主要分布在远郊区[12]。北京郊区平原地带原来曾分布的各类自然景观、城郊结合部大量的生态缓冲湿地，多被转化为建设用地。
图1 北京1975—2008年城市化空间拓展趋势
Fig.1 The trend of expansion of urban space in Beijing， from 1975 to 2008
在“保护绿地”和“拓展城市空间”的两难选择中，北京城市规划中所规划的绿化隔离带不断被蚕食，北京在1959年明确的围绕市中心区的绿化隔离带有300多，这一面积到1982年减少到260，1992年减少到244，而这244的范围内，非建筑面积只有160多。北京2001年的第一绿化带将近70％被建设项目所占用[13]。总的来看，在北京1040的规划市区内，绿化面积依然匮乏。世界上一些著名大城市目前的建设用地与绿化用地的比例约为1∶2，而北京相差甚远。世界城市人均占有公共绿地面积一般在30
以上，而目前北京仅为15。
1.2 数据来源
本次评价以北京市2000年土地利用矢量数据作为研究的基础数据，数据格式为Shpfile格式(比例尺1∶10万)。该数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，利用陆地卫星TM的数字图像作为原始数据源，含土地利用1级类型6个，2级类型31个，解译分类的定位误差为小于两个像元(60m)。此外还包括DEM栅格数据(比例尺1∶1万)；生态系统服务价值栅格数据(比例尺1∶10万)；森林公园、风景名胜区数据空间分布矢量数据(比例尺1∶10万)。
2 研究方法
2.1 方法概述
最小累积阻力是反映最小费用距离的重要概念[14-16]，反映了物种在从源到目的地运动过程中所需耗费的最小代价[17-18]。最小累积阻力值反映了物种运动的潜在可能性及趋势，通过单元最小累积阻力的大小可判断该单元与源单元的连通性和相似性[19-20]。从城市扩张的角度来讲，阻力值反映的是对不同景观单元对于城市空间扩张的阻力或适宜程度。最小累积阻力模型最早由Knappen等于1992年提出[17]，经国内俞孔坚等[18]、陈利顶等[21]的修改用下式表示：
式中：MCR是最小累积阻力值；
表示物种从源j到景观单元i的空间距离；
表示景观单元i对某物种运动(或者说城市空间扩张)的阻力系数；∑表示单元i与源j之间所穿越所有单元的距离和阻力的累积；min表示被评价的斑块对于不同的源取累积阻力最小值；f表示最小累积阻力与城市化过程的正相关关系，是一个单调递增函数。
本文借助最小费用距离分析模拟了城市空间从初始城市建成区源向周围空间扩展的过程，最小累积阻力小的地方适宜于城市空间扩展，而最小累积阻力大的地方相对而言不适宜于人类开发建设。一般来讲，源斑块对于城市化过程是最适宜的、也是最能被占用的；最小累积阻力值越高的区域，越不适宜于城市化扩张，可占用性越低[22-23]。
2.2 模型假设
本文将区域土地的用途划分为两大类，适宜建设的用地和适宜生态的用地，生态保护用地是最适宜的生态用地，城镇用地是最适宜的建设用地。生态保护用地的扩张，受土地生态重要性的刺激和推进；城镇用地的扩张，受土地生态重要性的约束。
由于土地生态适宜性评价的目的是确定生态系统或生态空间是否适宜于人类生产、生活活动的开展，没有解决这种占用是否会对整个生态系统的结构和功能产生负面影响、是否会对人类生产及生活产生负反馈的问题。因此，本文研究的出发点在于，城市空间增长过程中如何实现生态效益最大化，也就是城镇用地扩张过程中如何实现适宜生态建设的空间满足生态价值的最优，不破坏任一处生态适宜空间，并非找寻生态系统崩溃极限下的城市空间增长上限，而是在满足人居环境最优化的城市空间增长上限。
2.3 参数选择
2.3.1 主要操作步骤。在实际工作中，最小累积阻力模型的操作步骤为：首先，确定源，即扩张的起点；其次，确定阻力表面，为每一个景观单元赋以相应的阻力值；最后，计算每一个景观单元到源的最小累积阻力值。
2.3.2 扩张源的确定。在本文中，选择2000年北京行政地域内的城市建成区作为城镇用地的扩张源，包括了城市主城区及周边新城、郊区区县乡镇的建成区。
2.3.3 阻力面的确定。本文从土地利用/土地覆被类型、地形坡度、生态功能(包括森林公园、风景名胜区)、生态价值等4个方面建立景观过程阻力评价体系。一般情况下，土地的地形越复杂、生态价值越大、敏感性越强，生态功能越高就越不利于城市空间的增长而越有利于生态空间的发展。在评价单因素的阻力时，将阻力按最高赋予500、最小赋予1，阻力分值的赋予通过专家打分方式获得。景观阻力评价单元为100m×100m的栅格，最小累积阻力计算利用ArcGIS空间分析中的cost-distance模块实现。
3 研究结果
3.1 景观单元阻力值设计
在不同土地利用/土地覆被类型栅格阻力值设计时，利用北京2000年1∶10万土地利用数据，根据专家打分法获得。在对生态敏感性进行分析时，采用坡度要素进行评价，根据不同地形坡度对城市建设的阻力大小赋予阻力值。在对生态功能进行分析时将某些发挥着重要生态功能的区域，如风景名胜区、森林公园等筛选出来进行特别评价，这些土地对于城镇用地的发展有着严格的限制，因此统一赋予阻力值为500。在对生态价值进行评价时，主要借鉴了唐秀美等对于北京生态系统服务价值的相关研究成果[24]，根据生态价值的高低赋予阻力值，生态价值越高阻力值越大，反之越小(表2)。
3.2 最小累积阻力值分布
由于本次评价采用的是相对评价法，阻力值是无量纲的，因此本文借鉴生态学中的最小限制因子定律思想，采用取极值的方法确定最终的景观阻力。城镇用地扩张阻力=max(土地类型、地形坡度、生态价值、生态功能)。利用ArcGIS空间分析中的栅格计算器Raster Calculator，进行不同要素阻力值的叠加分析，得到北京区域城市空间增长的生态环境阻力分布图(图2)。
图2 北京区域城市空间增长的生态环境阻力空间分布
Fig.2 Spatial distribution of the ecological environment resistance of urban spatial growth in Beijing
以2000年北京城市建成区为源，依据图2所示阻力表面，利用ArcGIS空间分析中的Cost-distance模型，得到了如图3所示的最小累积阻力分布图。可以看出，最小累积阻力相对较低的区域多分布于中心城区和周边区县城区以及部分平原地区，而相对较高的区域则多分布在北部和西部山区。最小累积阻力的分布总体上受地形影响最大，这是因为地形是土地利用类型的重要因素之一。由于受人类所掌握的开发土地资源的生产技术条件所限，在坡度较小、地形相对简单的区域更适宜于进行城市化建设。然而，适宜城市化开发的区域却与当前农业用地的分布相重合，这也就意味着城市化空间的扩张往往侵占适宜农业生产的土地。因此，确定城市化空间增长上限、城市用地与农业用地、其他，生态用地的合理比例及空间边界，对保护基本农田、保障生态系统稳定平衡具有重要意义。
图3 北京区域城市空间增长最小累积阻力分布
Fig.3 Distribution of minimal cumulative resistance of urban spatial growth in Beijing
3.3 生态适宜性分区
根据最小累积阻力计算结果，利用ArcGIS空间分析中的“再分类(Reclassfy)”工具，选择其中的“几何周期(Geometrical Intervals)”分类模型，将最小累积阻力值划分为五个等级。阻力值反映了城市空间扩展的空间阻力，阻力值越高的地方，城市空间越难以扩展，越不适宜于城市开发建设，可占用性越小；反之，越高。根据阻力值分区结果，将北京划分为适宜建设区、限制建设区、生态优先区、生态适宜区、生态极适宜区五种类型(图4)。
图4 北京区域城市空间增长适宜性分区图
Fig.4 Map of suitability zoning of urban spatial growth in Beijing
4 结果分析
4.1 五种类型区的空间分布
适宜建设区、限制建设区、生态优先区、生态适宜区和生态极适宜区分别占北京地区总面积的18.1％、20.5％、24.4％、23.4％和13.7％。从图4中可以看出，生态极适宜区和生态适宜区主要以北部和西南部山区的自然保护区、森林公园和风景名胜区为主，其余为保护区周围生态本底较好的区域。生态优先区是区域内生态系统最为完整、生态环境质量最好的区域，承担着区域生态屏障、水源保护和生物多样性保护的重要作用。例如：官厅水库和密云水库及南部的海河流域多位于此区域内。限制建设区主要是适宜建设区的外延，对于城市空间与生态空间起到过渡、屏障的作用。适宜建设区则包含了城市主城区及周边新城、区县驻地、小城镇等建成区，但由于数据原因，没有把第一和第二道绿色隔离带区分出来。遵循水源涵养、水土保持、生物多样性保护、城市景观与区域生态景观的延续和价值的保持等原则，从生态可占用性上来讲，生态优先区、生态适宜区和生态极适宜区属于不可占用区，对该类型区域的占用会对整个区域的生态安全和景观生态价值造成较大的危害。限制建设区则属于有限度开发区域。
4.2 国外同等级世界城市生态空间建设规律借鉴
国外世界城市一般生态空间占都市区的比重介于75％—80％之间。由于伦敦、东京、巴黎、纽约等世界城市的建设用地规模已基本趋于稳定，因此，我们可以根据其建设用地占大都市区总面积的比例来推算生态用地的比例。2005年大伦敦城市空间约为1596.2，约占大伦敦规划区域总面积的23.7％。大巴黎地区城市空间为2723，约占大巴黎地区总面积的22.7％。东京圈城市空间约占东京圈总面积的21.4％。香港城市空间占全港土地总面积的23.4％[25]。由此可见，世界城市的生态空间占都市区的比例一般较高。
4.3 生态环境对北京地域城市空间增长的供给上限
由于人类对生态环境建设与人地协调发展关注程度的高低不同，在城市化空间扩张过程中，生态用地规模存在差异。一种情况(Ⅰ)是城镇空间无序化蔓延；而另外一种情况(Ⅱ)是采取精明增长方式进行城市化建设，注重城市自身空间开发利用的高效和区域绿色空间建设。因此，前一种发展模式下的城市化空间增长上限阈值
要比后一种
要小。世界城市的生态空间占都市区的比例一般介于75％—80％之间。结合基于最小累积阻力模型的分析结果，北京区域城市化空间增长上限区间为：[1673，2821]。
图5 区域生态系统服务价值与城市化空间上限之间的关系
Fig.5 The relationship between value of regional ecosystem service and urban spatial growth limit
5 主要结论
第一，从方法论层面上来讲，最小累积阻力模型主要用于为生物多样性保护尤其是野生动物的保护寻找阻力最小的通道，依此构建生态廊道[26]。在这个过程中，阻力最小的通道或者说最适宜的生态廊道，从生态的角度而言对于维护区域生态安全空间格局是重要的。因此，也就引发出了对于生态安全而言重要区域的识别[27-28]。本文从城市角度出发，通过最小累积阻力模型得出城市空间增长适宜性分区，对于区域开发建设过程中生产、生活空间对生态空间的占用具有一定的指导意义，是从生态学的角度对景观单元开发适宜性进行的区划。
第二，阻力面的选择对于得到的最小累积阻力值空间分布格局具有重要的影响，同时也就必然影响到城市建设适宜性分区结果。因此，在生态阻力要素的选择过程中，一定是要从生态学的视角出发，选择对于城市化过程影响最大的要素作为阻力面。在本文中，选定土地利用/土地覆被类型、地形坡度、生态功能、生态价值作为主要阻力要素，其他要素还包括了土壤侵蚀敏感性、水文地质、降水量分布、自然灾害隐患、基本农田、水源保护等其他方面，应该予以纳入进来。但由于受到数据搜集不全的原因，本文只是选择了其中比较重要的要素来考虑，今后研究中应进一步完善和深化。
第三，尺度和空间范围对评价结果的影响。尺度和范围被认为是影响到景观结构及功能的重要因素[29]。从尺度上来讲，本研究结果适合于对于给定区域，特别是城市行政范围内的城市空间增长及空间格局提出宏观性的指导意见；在更加宏观的区域内需要考虑的因素则有差别。从范围上来讲，由于限定了是北京地区，区域外的生态阻力要素未被纳入，影响了评价结果；实际上，生态环境的阻力过程并不会因为行政界线的存在而受到限制，若将河北、天津等地的生态要素等纳入到阻力面的体系之中，评价结果可能会有变化。