基于区域生态系统健康评估的土地利用规划研究——以北京市为例

倪永薇

刘 阳

阎姝伊

艾 昕

郑 曦*

城市高速发展引发土地利用格局不断变化，环境污染问题日益严重，区域生态系统遭受极大威胁。区域生态系统为人类生存提供物质基础和生态服务，健康的生态系统具有生态多样性、稳定性和可恢复性[1]，保持生态系统健康是保证实现经济与社会可持续发展的基础[2]。面对区域生态系统退化对城市可持续发展的影响，人们开始关注城市土地利用规划与生态系统健康之间的关系，探究以科学的规划方式提高城市的人居环境质量。

随着城市化进程的逐步推进，大部分城市向着集约式、生态性发展[3]。目前，城市规划发展研究或根据城市形态划分为历史型发展和紧凑型发展[4]，或根据城市发展目标划分为自然发展、保护优先发展、建设优先发展和粮食安全发展等[5]。土地利用规划影响着城市发展，城市发展对土地利用变化具有主导影响力，因而对土地利用变化的模拟是探讨土地利用规划的重要基础[6]。随着遥感和模型理论的发展，各种土地利用预测模型不断优化，应用较为广泛的模型主要包括细胞自适应CA-Markov模型[7]、系统动力学模型(SD)和SLEUTH城市增长模型[8]等。通过模型运算与模拟，获取土地利用时空格局变化与演变过程，可为土地利用管理策略提供借鉴，具有较强实用性。

城市土地利用覆被类型的时空变化直接引起生态系统结构与功能的改变，并影响区域植被生长状况、生物物质循环与多样性[9]。区域生态系统健康被认为是环境管理的终极目标[10]，健康的生态系统在人类活动干扰下可以维持自身结构与功能的完整性[11]，因此，区域生态系统健康可表征土地利用的生态状况。目前，生态系统健康评估方法可分为指示物种法和指标体系法，其中指标体系法因开展系统、全面的生态系统健康评估而被广泛应用。Costanza等提出的“活力-组织力-恢复力”评价体系是学界公认的生态系统健康评估体系[12]，侧重于评价区域生态系统物理健康，即生态系统自身结构的完整性和可持续性。健康的生态系统能持续地提供一系列有价值的生态系统服务，随着相关理论研究的深入[10，13-14]，生态系统服务被认为是社会-自然耦合视角下评价生态系统功能健康的指标[10]，可用于完善区域生态系统健康体系框架。目前，生态系统服务价值当量被广泛应用于评估自然资本[15]，如谢高地[16]等在此基础上进行了改进，发布了中国单位面积生态系统服务价值当量表[17]，在生态系统服务价值评估方面取得了重要进展。因此，本文将生态系统服务与传统的“活力-组织力-恢复力”生态系统健康评价体系相结合，为后续规划打下坚实的理论基础。

现阶段，有关土地利用规划和区域生态系统健康的研究较为全面，但仍存在一定局限：1)基于情景模拟的土地利用规划研究大多纯粹地分析土地利用类型变化及其机制，少量文献从景观格局[18-19]、生态系统服务[20-21]等角度探索城市发展规划的更优解，但上述指标体系角度均较为单一，无法将生态系统的时空分异规律、相关区域资源与环境问题进行综合考虑，使得最终的规划决策具有一定的片面性；2)区域生态系统健康评估体系综合生态、风景园林、人文地理等理论，分析城市化过程中的生态和社会问题[14，22-23]，更多地聚焦于过去或者现状的城市发展分析，拥有较为完善的评价体系[24-25]，但是既有的生态系统健康评估中缺乏对未来城市土地利用规划评估的对比研究，因此需要做进一步探讨。

本研究的目的在于建立耦合生态系统服务的区域生态系统健康评估体系，探讨未来更健康合理的城市土地利用规划方式。当下北京提出减量发展战略定位，坚持生态优先、绿色发展的生态文明建设方针，构建出4种北京2027年土地利用情景，分别为自然发展、快速发展、多目标保护和森林建设。首先采用CA-Markov模型分析2007和2017年土地利用类型时空变化，并预测以上4种情景下的土地利用类型，然后进行区域生态系统健康评价，为寻求可促进生态环境健康发展的最优规划方法提供依据(图1)。

1 研究区域和数据来源

1.1 研究区域

北京市位于39°40′～40°20′N、116°00′～117°00′E，属暖温带半湿润大陆性季风气候，总面积约16 410.54km2。地势西北高、东南低，西、北和东北部三面环山，东南部为平原。土地利用类型以建设用地、林地和耕地为主，大量的建设用地集中在平原地区，并呈现辐射趋势，林地主要分布在西部及北部的山地，耕地主要分布在建设用地外围的城郊区域。

1.2 数据来源和处理

通过ENVI5.3将地理空间数据云2007和2017年北京市的30m×30m Landsat TM遥感影像解译为林地、草地、耕地、建设用地、水域和未利用地6种用地类型(图2)。利用ArcGIS10.2对北京市30m分辨率的数字高程和坡度等进行可视化。采用CA-Markov模型基于以上数据模拟北京市2027年土地利用分布，并借助Fragstas4.2分析研究区景观格局指数。

图1 研究框架

2 研究方法

2.1 土地利用模拟：CA-Markov模型

CA-Markov模型由离散动力学CA模型和土地利用数据化预测Markov模型结合构成，具有强大的空间计算和模拟能力，在土地利用时空变化表达方面具有一定优势，可较好地模拟区域土地利用时空格局。利用Markov模型根据2007和2017年土地利用类型获取各类用地转移概率，并在此基础上根据城市发展目标调整各情景土地利用转移概率。根据每类用地的属性进行相关自然与社会要素的配置，确定限制条件和影响因素。其中，水域被认为是所有用地类型的限制条件，高程、坡度和距离市中心距离为3类影响因素(图3)。将3类影响因素根据AHP层次分析法创建对比矩阵，确定影响因素对每一类土地利用类型的适宜权重，并结合多标准评价MCE分析获取完整的适宜性图集(图4)。

图2 2007、2017年土地利用类型

将不同情景下的转移概率与适应性图集相结合，经过检验确保模拟Kappa系数在0.85以上，具有较高的准确度。以2017年的土地利用类型为基础数据，利用CA-Markov模型进行2027年城市土地利用情景模拟。

2.2 区域生态系统健康评估框架

区域生态系统健康评估的基础和核心是构建合理的指标体系[26]。传统的区域生态系统健康评估通常采用“活力-组织力-恢复力”体系衡量单元生态系统的物理健康水平，侧重于生态系统本身的完整性和可持续性。但是，仅对生态系统结构进行分析是不完整的。Lackey等指出生态系统的全面性和整体性需要考虑生态系统对人类的作用[27]，生态系统服务作为表征人与自然耦合的生态系统健康的重要评价体系，是联系土地利用对人类活动的影响与生态系统健康的重要桥梁。因此，本文构建的区域生态系统健康(H)评价指标体系包括生态系统物理健康(PH)和生态系统功能健康(FH)两部分。其中，PH涵盖了“活力(V)-组织力(O)-恢复力(R)”3项评价内容；FH则由生态系统服务价值组成。整个评估体系在维持自身结构、功能和生态过程的稳定性与可持续性的同时，也确保了生态系统服务的可持续性。计算公式为：

2.2.1 生态系统物理健康(PH)

生态系统物理健康(PH)表达了空间单元维持空间格局、生态过程，以及调整和恢复外部干扰的能力。为保证PH与生态系统服务的数量级可比性，采用如下公式进行计算[25]：

图3 影响因素

图4 6类用地适宜性图集

生态系统活力(V)由生态系统的植物净初级生产力(NPP)进行评估[28-29](表1)。

生态系统组织力(O)指生态系统的结构稳定性。通过分析已有研究选取景观格局指数，结合区域特征从景观异质性(LH)、景观连通性(LC)和重要生态功能斑块(森林等)连通性(CC)3个方面[30]，选取香农多样性指数(SHDI)、面积加权平均斑块分形维数指标(AWMPFD)、景观破碎指数(FN1)、景观蔓延指数(CONT)、林地破碎度指数(FN2)和斑块凝聚度指数(COHESION)6项研究指标进行研究。由于描述生态系统不同结构的景观异质性和景观连通性都会影响生态系统的健康，且二者不能相互替代，因此二者权重相等，设定为0.35；考虑城市整体系统与重要生态功能斑块的生态意义，故将权重设置为0.3[24]。所有选定的景观指标均由Fragstats4.2测算。计算公式为：

图5 4种情景模拟下的土地利用

生态系统恢复力(R)指区域生态系统受到外部干扰后恢复其原始结构和功能的能力[21，31]。生态系统的恢复力与土地利用类型密切相关[32]，生态系统越简单，其恢复力越强。对不同土地利用类型的面积占比加权生态系统恢复系数的总和进行生态系统恢复力的量化与评估，并通过专家评估和相关文献查阅[23-24，30]，确定各土地利用类型生态系统恢复系数(表2)。计算公式为：

式中，R为区域生态系统弹性；Ai为土地利用类型i的面积；RCi为土地利用类型i的生态系统恢复系数；n为土地利用类型的数量。

2.2.2 生态系统功能健康(FH)

北京市生态系统服务价值评估参考Costanza发布的生态系统服务价值评估模型[16]与谢高地等改进的中国单位面积生态系统服务价值当量表[17-18]，计算不同土地利用类型提供的4类服务价值。

表1 不同土地利用类型NPP值

表2 不同土地利用类型生态系统恢复力系数

表3 情景1、2土地利用面积转移概率(单位：%)

表4 情景3、4土地利用面积转移概率(单位：%)

3 结果与分析

3.1 土地利用特征分析

3.1.1 土地利用转换分析

北京市的规划与发展坚持生态优先、绿色发展的生态文明建设方针，结合现状建设条件，选取自然发展、快速发展、多目标保护和森林建设4种情景模拟北京市2027年土地利用变化(图5)。

情景1为自然发展，即按照城市发展历史轨迹和现有趋势，依据北京市2007—2017年的土地利用转移概率进行模拟(表3)；情景2为快速发展，只强调重点进行具有较高社会经济价值的建设用地发展，扩大城市建成区面积，在水域面积保持不变的情况下，林地、草地、耕地向建设用地转移概率增加30%，其他用地向建设用地转移概率增加50%(表3)；情景3为多目标保护，旨在加强对林地、草地、水域等生态用地的保护，同时考虑到北京城市经济发展需求，保持建设用地及耕地转移概率不变，只将其他用地向林地、草地的转移概率分别增加10%和5%(表4)；情景4为森林建设，该情景参照《北京市森林城市建设发展规划(2018—2035年)》《北京市新一轮百万亩造林绿化行动计划2018建设总体方案》中的森林建设策略，优先扩大林地面积，降低建设用地扩张速度，将其他5种用地向林地转移概率增加15%(表4)。

3.1.2 土地利用面积分析

2007—2017 年的土地利用变化中(图2)，生态用地(林地、草地、水域)面积均呈上升趋势，其中林地增幅最为明显，2017较2007年增长了10.36%，主要变化发生在北京西部与北部；其次为草地，较2007年增长了3.28%；其他生态用地包括草地、水域分别增长了3.28%和0.17%。相比之下，耕地、建设用地和其他用地转移概率呈下降趋势，耕地降幅最大，下降了9.42%，建设用地略有下降，约0.56%(表5)。土地利用类型的变化分析结果与北京市2012—2017年的百万亩造林、退耕还林，以及城市集约发展等政策相符合，在此背景下北京形成了以大面积森林为基地、大型生态廊道为骨架的森林城市生态格局。

由表6可知，情景1的各类土地利用类型面积与2017年相近，林地、草地、水域和其他用地均有轻微增幅，面积分别增加了60.81、109.94和35.36km2，建设用地和耕地则呈下降趋势；情景2中，在平原、沟谷等适宜城市建设的区域建设用地大量增加，比2017年增加了4 765.17km2，上涨29.12%，导致林地、耕地、草地等面积减少；情景3中，10.24%的耕地与5.47%的建设用地转换为林地、草地和水域等生态用地，增幅分别为10.24%、5.61%和0.22%；情景4与2017年数据相比，林地面积增加最为明显，为2 487.79km2，增幅为15.18%，在此情景下，除了水域有轻微增幅外，其他用地均呈下降趋势，其中下降最多的为耕地1 591.00km2，其次为建设用地723.15km2、草地158.31km2。

综合来看，除了快速发展外，其他情景下林地均是最主要的用地类型，皆超过55%，这是北京市进行森林城市建设的优势条件；建设用地均呈下降趋势，说明城市的建设更趋向集约式发展，为其他生态用地提供更多空间。

3.2 区域生态系统健康评估

以2017年土地利用数据作为参照进行区域生态系统健康评估分析，探讨比现状更为健康的城市土地利用规划方式。从各情景下的H、PH、FH数值可得(表7)，除情景2出现负值外，其余情景均呈现良好的增长趋势；情景3、4均有较为明显的增长，且情景4的增幅最大，说明土地利用类型中的草地、水域，特别是林地等生态用地对区域生态系统健康有重要影响；4类情景中除了情景2中的V指标呈现较高负值外，其余情景中的V、O、R均呈改善趋势，说明情景2的生态系统物理健康呈现负值主要受V的影响。

情景1中的H、PH、FH分别有3.01%、0.52%、5.57%的增幅，这与2007—2017年整体林地、草地和水域等面积的增加有关；情景2中PH下的O、R有小幅度正增长，但是整体的H、PH、FH增幅分别为-17.04%、-1.98%、-29.79%，说明由于除建设用地以外的用地大量减少，极大降低了生态系统功能健康与物理健康下的生态系统活力；情景3中H、PH、FH均有较高增长，分别有6.74%、2.20%、11.48%的增幅，符合多目标保护情景的设计原则；情景4中的H、PH、FH均是各情景中的最高增长，分别为8.63%、3.51%和14.01%，因为林地作为北京最重要的陆地生态系统，其面积的大幅度增加会带来区域初级生产力、生态系统恢复力，以及生态系统服务价值的极大提升。

表5 2007与2017年土地利用面积和比例

表6 2017与2027年4种情景下各类土地面积和比例

表7 2017与2027年4种生态系统健康评估结果

4 结论与讨论

土地利用规划是研究城市发展的载体，城市发展目标对规划结果具有较为直接的影响，同时也是人与生态系统相互影响的最直接表征方式。结合生态、风景园林等多学科的理论知识，重构了由生态系统物理健康(PH)和生态系统功能健康(FH)组成的区域生态系统健康评估体系，将其纳入土地利用规划研究，扩充区域生态系统健康和土地利用规划等相关研究方向。

本文基于CA-Markov模型，按照城市发展目标划分自然发展、快速发展、多目标保护和森林建设4种情景对土地利用进行预测分析，4种情景下的区域生态系统健康数据与2017年数据相比，只有快速发展情景下呈现了负增长，其他3种情景均有良好增长，特别是森林建设发展下的区域生态系统健康增幅为8.63%。由土地利用和健康数据可得，建设用地过多占用其他用地，会对区域生态系统健康产生不利影响，草地、水域，特别是林地等生态用地对区域生态系统健康有重要的正影响，这和林地较高的NPP、恢复力与生态系统价值有极大关联。因此，北京需坚持生态优先、集约化发展建设用地、加大森林用地建设，从而更大幅度地提升区域生态系统健康。

现阶段，区域生态系统健康评估缺少对城市土地利用规划的应用研究，但已被广泛应用于现有市域范围的土地利用变化中，形成了较为成熟的体系。因此，将土地利用模拟与区域生态系统建立评估体系相组合的研究方法，对于城市的土地利用规划具有一定的适用性，并能更加客观地进行规划决策。若将研究方法应用于不同的城市，从土地利用模拟的角度，需要明确未来城市发展目标定义的发展情景与各类用地转移概率；从区域生态系统健康的角度，由于健康没有绝对的衡量标准，评估体系中的指标权重可根据具体研究区域设定。

注：文中图片均由作者绘制。