基于最小累積阻力模型的北京市生態(tài)用地規(guī)劃研究

張繼平,喬 青, 劉春蘭,*,王海華, 裴 廈

1 北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,北京 100037 2 國(guó)家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心,北京 100037 3 國(guó)家環(huán)境保護(hù)工業(yè)廢水污染控制工程技術(shù)(北京)中心,北京 100037

基于最小累積阻力模型的北京市生態(tài)用地規(guī)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(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,北京 100037 2 國(guó)家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心,北京 100037 3 國(guó)家環(huán)境保護(hù)工業(yè)廢水污染控制工程技術(shù)(北京)中心,北京 100037

生態(tài)用地規(guī)劃強(qiáng)調(diào)對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的保護(hù),增強(qiáng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境支撐能力。從保障首都基本生態(tài)安全、改善大氣環(huán)境質(zhì)量、建設(shè)宜居城市的角度出發(fā),通過(guò)對(duì)北京市生態(tài)重要性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),明確北京市重要生態(tài)用地空間分布特征。在此基礎(chǔ)上,采用最小累積阻力模型(MCR),以重要生態(tài)用地為“源”,以土地覆被類(lèi)型、距道路距離和距居民點(diǎn)距離作為阻力因子生成阻力面,模擬重要生態(tài)用地空間擴(kuò)張過(guò)程,進(jìn)而設(shè)置生態(tài)用地規(guī)劃情景,并從景觀連通性、生態(tài)功能保障度及與現(xiàn)狀建設(shè)用地沖突情況等3個(gè)方面對(duì)不同情景下的生態(tài)用地規(guī)劃方案進(jìn)行保護(hù)效能評(píng)價(jià),最終提出北京市生態(tài)用地的適宜規(guī)模和優(yōu)化布局方案。研究結(jié)果表明：北京市重要生態(tài)用地總面積為9879 km2,占市域總面積的60.20%；生態(tài)用地的適宜規(guī)模為12417 km2,占市域總面積的75.67%,其中,平原區(qū)生態(tài)用地的適宜規(guī)模為2944 km2,占平原區(qū)總面積的46.45%,主要分布于建成區(qū)的外圍過(guò)渡地帶；山區(qū)生態(tài)用地的適宜規(guī)模為9473 km2,占山區(qū)總面積的94.05%。

生態(tài)用地；最小累積阻力模型(MCR)；土地利用規(guī)劃；北京市

生態(tài)用地具有涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)小氣候、凈化空氣、保護(hù)野生生物、提供游憩場(chǎng)所等生態(tài)功能,是一個(gè)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好壞的晴雨表[1-2]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市加速擴(kuò)張,生產(chǎn)建設(shè)對(duì)土地的需求越來(lái)越高,使得原有的生態(tài)用地被大量擠占,許多具有特殊生態(tài)價(jià)值的土地如森林、草地、濕地等喪失其生態(tài)功能,使本來(lái)就十分脆弱的生態(tài)系統(tǒng)日趨惡化,進(jìn)而導(dǎo)致諸多環(huán)境問(wèn)題[3]。與此同時(shí),人們生活水平也在逐步提高,對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高,在這種背景下,合理規(guī)劃生態(tài)用地,保護(hù)必需的生態(tài)用地,使其發(fā)揮良好的生態(tài)環(huán)境調(diào)節(jié)功能,是保障城市生態(tài)安全、提高居民生活環(huán)境質(zhì)量的重要保障[4- 5]。近年來(lái),我國(guó)在自然資源管理中對(duì)生態(tài)用地的保護(hù)日臻重視,尤其在各類(lèi)空間管制規(guī)劃中,對(duì)生態(tài)用地的保護(hù)都給予了很高的關(guān)注[6- 8]。

目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于生態(tài)用地規(guī)劃方法大概可以分為兩類(lèi)。一類(lèi)是基于生態(tài)功能重要性或生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)進(jìn)行的生態(tài)用地劃分[9- 10],這種方法重視土地屬性和自身生態(tài)功能,但忽視生態(tài)用地在空間上的聯(lián)系。另一類(lèi)意識(shí)到通過(guò)格局優(yōu)化可提高生態(tài)用地效能,因此在生態(tài)功能重要性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,再基于景觀生態(tài)學(xué)的基本原理進(jìn)行生態(tài)用地規(guī)劃。張林波等[11]將Forman的景觀生態(tài)概念模型[12]與生態(tài)功能重要性評(píng)價(jià)結(jié)合起來(lái),分別以市域面積的30%、40%、50%和60%提取相應(yīng)的生態(tài)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(tài)用地的規(guī)模。關(guān)小克[13]采用與張林波類(lèi)似的方法,提取了北京市市域面積的40%,50%,60%作為生態(tài)用地的情景,認(rèn)為60%的情景下可以將全境內(nèi)的生態(tài)種子斑塊予以關(guān)聯(lián),建議至少將60%國(guó)土面積作為北京市的生態(tài)用地。俞孔堅(jiān)等[14]強(qiáng)調(diào)生態(tài)用地的“最小”概念,即通過(guò)最少面積的保護(hù)實(shí)現(xiàn)最大生態(tài)保護(hù)的功效,以北京市東三鄉(xiāng)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(hù)需求的生態(tài)用地。采用最小累積阻力模型研究生態(tài)用地的方法可以在關(guān)注土地斑塊本身生態(tài)功能大小的基礎(chǔ)上,更加關(guān)注斑塊之間的生態(tài)聯(lián)系,強(qiáng)調(diào)通過(guò)提高景觀連通性等格局優(yōu)化策略促進(jìn)生態(tài)功能的高效發(fā)揮[15- 16]?，F(xiàn)有生態(tài)用地的相關(guān)研究多以自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等各類(lèi)生態(tài)保護(hù)用地的空間分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析[17-20],尚缺少對(duì)生態(tài)質(zhì)量、城市主要環(huán)境問(wèn)題及居民對(duì)宜居的要求等方面的綜合考量,因此,估算得到的生態(tài)用地規(guī)模稍顯片面。

本研究采用官方文件對(duì)生態(tài)用地的界定[6],將具有重要生態(tài)功能的草地、林地和濕地視為生態(tài)用地,綜合考慮北京市的自然環(huán)境狀況、城市發(fā)展水平及市民對(duì)生活質(zhì)量的要求,從保障首都基本生態(tài)安全、改善大氣環(huán)境質(zhì)量、建設(shè)宜居城市的角度出發(fā),基于對(duì)北京市生態(tài)重要性評(píng)價(jià),明確北京市重要生態(tài)用地空間分布特征。在此基礎(chǔ)上,采用最小累積阻力模型(MCR),模擬分析北京市重要生態(tài)用地空間擴(kuò)張過(guò)程,進(jìn)而通過(guò)情景劃定和生態(tài)用地保護(hù)效能評(píng)估,提出北京市生態(tài)用地的適宜規(guī)模和優(yōu)化布局方案,為首都生態(tài)環(huán)境保護(hù)和城市規(guī)劃設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

北京市地處華北平原西北邊緣, 39°26′—41°03′N(xiāo), 115°25′—117°30′E,總面積為16410 km2。地勢(shì)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(nèi)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(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫10—12℃,年平均降水量600 mm左右,降水季節(jié)分配不均,全年降水的75%集中在夏季。全年無(wú)霜期180—200 d。冬季多偏北或西北風(fēng),夏季多偏南或東南風(fēng)。北京市擁有森林、草地、灌叢、濕地、農(nóng)田與城鎮(zhèn)等多種生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型,在自然環(huán)境與人類(lèi)活動(dòng)的相互作用下,北京市自然生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和城市生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)為以城區(qū)為核心的圈層結(jié)構(gòu)[3]。根據(jù)2014年SPOT衛(wèi)星影像解譯結(jié)果,北京市建設(shè)用地面積為3165.99 km2,占北京市總面積的19.29%；平原地區(qū)主要分布以人工植被為主的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),面積2563.89 km2,占比為15.62%；遠(yuǎn)郊山區(qū)多為森林生態(tài)系統(tǒng),面積8888.09 km2,占比為54.14%。草地、濕地等生態(tài)系統(tǒng)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中所需耗費(fèi)代價(jià)的模型, 它最早由Knaapen于1992年提出[21], 之后該模型被應(yīng)用到多種自然生態(tài)或人文過(guò)程的研究[22-28]。MCR模型在眾多的應(yīng)用中,充分展示了其在分析各種過(guò)程在水平空間擴(kuò)張方面的良好適應(yīng)性和可擴(kuò)張性,其計(jì)算公式如下：

(1)

式中，MCR指最小累積阻力值,Dij指生態(tài)用地從源i到j(luò)的空間距離；Ri表示柵格i對(duì)生態(tài)用地空間擴(kuò)張的阻力系數(shù)?！票硎緰鸥駃與源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(tài)過(guò)程的正相關(guān)關(guān)系。該模型可通過(guò)ArcGIS的cost-distance模塊實(shí)現(xiàn)。

1.2.2 模型假設(shè)

將最小累積阻力模型用于生態(tài)用地規(guī)劃的研究是建立在以下假設(shè)中進(jìn)行的,即生態(tài)用地?cái)U(kuò)張可以被看作是在空間水平方向上,生態(tài)用地從“源”沿“空間阻力面”擴(kuò)張的過(guò)程。在此假設(shè)前提下,生態(tài)用地在水平擴(kuò)張過(guò)程中,由于土地覆被的空間異質(zhì)性,在不同的土地單元所受阻力不一,可以根據(jù)累積阻力值確定生態(tài)用地的面積和布局。

1.2.3 擴(kuò)張?jiān)创_定

本研究將北京市重要生態(tài)用地視為生態(tài)用地規(guī)劃中的擴(kuò)張?jiān)?重要生態(tài)用地通過(guò)生態(tài)重要性評(píng)價(jià)確定。本研究以保障首都基本生態(tài)安全、改善大氣環(huán)境及建設(shè)宜居城市為目標(biāo),開(kāi)展生態(tài)用地重要性評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)分兩個(gè)層次進(jìn)行。

首先,進(jìn)行單項(xiàng)生態(tài)重要性評(píng)價(jià),包括：

1)生態(tài)功能重要性評(píng)價(jià) 從生態(tài)質(zhì)量和生態(tài)功能兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估。其中,生態(tài)質(zhì)量評(píng)估以植被覆蓋度及生物量為主要的生態(tài)質(zhì)量因子進(jìn)行分析。植被覆蓋度以空間分辨率為250 m的MODIS NDVI數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、剪裁、投影轉(zhuǎn)換、濾波去噪等預(yù)處理的基礎(chǔ)上,獲取2000—2015年NDVI各年度平均值,在此基礎(chǔ)上,計(jì)算植被覆蓋度。最后,計(jì)算植被覆蓋度的多年平均值。生物量通過(guò)建立森林、草地和農(nóng)田等典型樣地生物量與光譜反射率的擬合關(guān)系得到。在對(duì)植被覆蓋度及生物量進(jìn)行重要性分級(jí)的基礎(chǔ)上,明確北京市高生態(tài)質(zhì)量區(qū)域的空間分布。

生態(tài)功能評(píng)估內(nèi)容主要包括水源涵養(yǎng)、土壤保持、生物多樣性等。水源涵養(yǎng)功能評(píng)估綜合考慮地表覆蓋類(lèi)型、發(fā)育度指數(shù)、徑流系數(shù)等因素,采用程根偉等[29]提出的水源涵養(yǎng)量計(jì)算公式對(duì)北京市生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行估算；土壤保持功能主要基于北京市月降水量、土壤類(lèi)型、地形、植被覆蓋度及土地利用等數(shù)據(jù),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(píng)價(jià)模塊[31]進(jìn)行評(píng)估,該模型釆用土地利用/土地覆蓋信息,結(jié)合各種對(duì)生物多樣性構(gòu)成威脅的生態(tài)威脅因子,在區(qū)域景觀格局上對(duì)其生境質(zhì)量、生境退化狀況及生境多樣性情況進(jìn)行總體評(píng)價(jià)。該模型需要的空間分析數(shù)據(jù)有生態(tài)威脅因子的影響范圍、土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)、各土地利用類(lèi)型對(duì)于生態(tài)威脅因子的敏感程度等。威脅因子的影響范圍通過(guò)計(jì)算其與生態(tài)系統(tǒng)中各地類(lèi)斑塊的空間距離來(lái)確定。本研究綜合考慮北京市城鎮(zhèn)交通工具限制和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,對(duì)最大影響距離、權(quán)重及相關(guān)性指數(shù)進(jìn)行設(shè)置。同時(shí),依照生態(tài)學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)中生物多樣性保護(hù)的一般性要求,把不同地類(lèi)對(duì)威脅因子的敏感度按照由高到低的原則來(lái)劃分,進(jìn)而分析得到具有較高生物多樣性維持功能的區(qū)域。為與生態(tài)質(zhì)量評(píng)估的評(píng)價(jià)單元保持一致,生態(tài)功能評(píng)價(jià)過(guò)程中涉及到的各因子的評(píng)價(jià)單元均設(shè)置為250 m。

2)改善大氣環(huán)境的生態(tài)功能重要性評(píng)價(jià) 不同森林類(lèi)型的滯塵及吸收污染物能力有所不同,同一森林類(lèi)型,由于群落結(jié)構(gòu)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(lèi)調(diào)查小班數(shù)據(jù),以森林類(lèi)型、優(yōu)勢(shì)樹(shù)種、分布面積、蓄積量、植被蓋度等為主要指標(biāo),識(shí)別出具有較高滯塵及吸收污染物能力的重要生態(tài)用地。

3)改善人居環(huán)境重要性評(píng)價(jià) 根據(jù)北京市地貌特征、自然環(huán)境特征及生態(tài)系統(tǒng)分布特征,針對(duì)山區(qū)、平原區(qū)及城區(qū)等3個(gè)不同地域單元的綠地系統(tǒng)特征及關(guān)鍵綠地進(jìn)行分析和識(shí)別。同時(shí),綜合考慮重要北京市生態(tài)屏障、重要生態(tài)走廊,以及森林公園、自然保護(hù)區(qū)、水源地保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等各類(lèi)保護(hù)用地,確定改善人居環(huán)境的重要生態(tài)用地。

在完成單項(xiàng)生態(tài)功能重要性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù),進(jìn)而在ArcGIS軟件平臺(tái)下進(jìn)行空間疊加,對(duì)空間上重疊的區(qū)域進(jìn)行合并處理,最終明確北京市重要生態(tài)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(tài)用地為“源”,分析生態(tài)用地從“源”向外擴(kuò)張過(guò)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(lèi)型、距道路距離和距居民點(diǎn)的距離。根據(jù)生態(tài)用地性質(zhì),對(duì)北京市土地覆被類(lèi)型的擴(kuò)張阻力等級(jí)進(jìn)行排序,并設(shè)定阻力系數(shù)。根據(jù)距離道路和居民點(diǎn)的距離,設(shè)定不同級(jí)別,分別設(shè)置阻力系數(shù)。根據(jù)土地覆被類(lèi)型、距道路距離和距居民點(diǎn)距離等3個(gè)阻力因子的阻力系數(shù),分別生成阻力因子的柵格數(shù)據(jù),對(duì)三層阻力柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行求和運(yùn)算,得到生態(tài)用地?cái)U(kuò)張的空間阻力面數(shù)據(jù)。

1.2.5 北京市最小生態(tài)用地規(guī)模與格局耦合分析與評(píng)價(jià)

根據(jù)北京市重要生態(tài)用地空間分布數(shù)據(jù)及阻力面數(shù)據(jù),運(yùn)用ArcGIS中的cost-distance模塊進(jìn)行累積阻力計(jì)算,得到重要生態(tài)用地“源”在市域范圍內(nèi)空間擴(kuò)張的阻力值?；贛CR阻力值建立的頻率序列識(shí)別出“拐點(diǎn)值”,根據(jù)不同拐點(diǎn)值形成不同的生態(tài)用地規(guī)劃情景方案。進(jìn)而,從景觀連通性、生態(tài)功能保障度及與現(xiàn)狀建設(shè)用地沖突情況等3個(gè)方面對(duì)不同生態(tài)用地規(guī)劃方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,確定北京市生態(tài)用地的適宜規(guī)模與優(yōu)化布局方案。

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

2 研究結(jié)果

2.1 北京市重要生態(tài)用地空間分布

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

2.2 生態(tài)用地?cái)U(kuò)張的阻力面

在生態(tài)用地?cái)U(kuò)張過(guò)程中,不同的土地覆被類(lèi)型會(huì)產(chǎn)生不同的阻力,根據(jù)生態(tài)用地性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征,北京市土地覆蓋類(lèi)型的生態(tài)阻力等級(jí)可進(jìn)行如下排序：林地<水域和濕地<草地<未利用地<耕地<建設(shè)用地。各種地表覆蓋的相對(duì)阻力系數(shù)分別擬定在0—500之間。同時(shí),道路和居民點(diǎn)也會(huì)對(duì)生態(tài)用地的擴(kuò)散產(chǎn)生阻力,距離道路和居民點(diǎn)越近,則生態(tài)用地的擴(kuò)張阻力越大。生態(tài)用地?cái)U(kuò)張的阻力因子及其阻力系數(shù)見(jiàn)表1。需要指出,這些阻力系數(shù)是由研究組根據(jù)專家意見(jiàn)和有關(guān)資料得出的相對(duì)值,只反映相對(duì)的阻力概念,不是絕對(duì)的。但由于阻力面計(jì)算的目的是要反映相對(duì)的趨勢(shì),所以,相對(duì)意義上的阻力系數(shù)仍然具有意義[16]?；诟髯枇σ蜃拥淖枇ο禂?shù),通過(guò)柵格運(yùn)算得到的生態(tài)用地?cái)U(kuò)張的阻力面數(shù)據(jù)(圖2)。

表1 生態(tài)用地?cái)U(kuò)張阻力因子與阻力系數(shù)

2.3 北京市生態(tài)用地規(guī)劃的情景模式分析

2.3.1 北京市生態(tài)用地規(guī)劃的情景模式設(shè)定

根據(jù)北京市重要生態(tài)用地空間分布數(shù)據(jù)及阻力面數(shù)據(jù),運(yùn)用ArcGIS中的cost-distance模塊進(jìn)行累積阻力計(jì)算,得到重要生態(tài)用地“源”在市域范圍內(nèi)擴(kuò)張的累積阻力值(圖3)。

圖2 生態(tài)用地?cái)U(kuò)張阻力系數(shù)空間分布圖 Fig.2 Spatial distribution of resistance coefficients of ecological land expansion

圖3 生態(tài)用地?cái)U(kuò)張累積阻力分級(jí)圖 Fig.3 Cumulative resistance classification of spatial expansion of ecological land

總體而言,北京市山區(qū)以林地為主,生態(tài)用地空間擴(kuò)張阻力相對(duì)較小,適于生態(tài)用地的擴(kuò)張。北京市建成區(qū)、各區(qū)縣建成區(qū)、平原區(qū)耕地分布地區(qū),尤其是東南部耕地集中分布區(qū)范圍內(nèi)的阻力較高,不宜于生態(tài)用地的擴(kuò)張。

基于生態(tài)用地空間擴(kuò)張阻力分析結(jié)果,根據(jù)重要生態(tài)用地“源”在市域范圍內(nèi)擴(kuò)張的累積阻力值柵格數(shù)據(jù)的頻數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),識(shí)別頻數(shù)序列中的“拐點(diǎn)值”分別為1000,100000和300000,根據(jù)這3個(gè)拐點(diǎn)(圖4),分別設(shè)定3種北京市生態(tài)用地規(guī)劃情景,如圖5所示。

2.3.2 不同生態(tài)用地規(guī)劃情景的生態(tài)保護(hù)效能評(píng)價(jià)

為確定最佳的生態(tài)用地規(guī)劃情景,本研究從景觀格局、生態(tài)功能保障度及與現(xiàn)狀建設(shè)用地沖突情況等3個(gè)方面對(duì)3種規(guī)劃情景下的生態(tài)用地保護(hù)效能進(jìn)行評(píng)價(jià),并結(jié)合北京市土地利用現(xiàn)狀及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景進(jìn)行綜合分析。

本研究采用Fragstats 4.2景觀格局分析軟件,對(duì)3種生態(tài)用地規(guī)劃情景的景觀格局指數(shù)進(jìn)行分析。主要計(jì)算生態(tài)用地的連通性指數(shù)和聚集度指數(shù),指數(shù)值越高,表明生態(tài)用地的空間分布格局越有利于生態(tài)功能的發(fā)揮,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

為定量分析各情景的生態(tài)功能保障度,本研究將生態(tài)用地占比最大的情景三視為生態(tài)功能得到100%保障,在此前提下,綜合考慮主要的生態(tài)功能保護(hù)類(lèi)型和面積,設(shè)置不同權(quán)重,對(duì)情景一和情境二的生態(tài)用地生態(tài)功能保障度進(jìn)行評(píng)價(jià)。假設(shè)生態(tài)用地總的生態(tài)功能保障度為1,則生態(tài)功能、改善大氣環(huán)境功能和改善人居環(huán)境等三大類(lèi)別的權(quán)重依次為0.5,0.3和0.2。其中,反映生態(tài)功能的5個(gè)指標(biāo)：植被覆蓋度、單位面積生物量、土壤侵蝕敏感度、水源涵養(yǎng)量及生物多樣性維持功能各占生態(tài)功能保護(hù)效能的20%；滯塵及吸收污染物功能各占改善大氣環(huán)境保護(hù)效能的50%；自然保護(hù)區(qū)、山區(qū)關(guān)鍵林地、建成區(qū)綠地、道路防護(hù)林、河流水系及飲用水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)各占改善人居環(huán)境保護(hù)效能的10%、10%、30%、20%、20%和10%。在ArcGIS中,根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重,生成每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重柵格,將所有指標(biāo)權(quán)重柵格進(jìn)行求和運(yùn)算,得到生態(tài)功能保障度權(quán)重柵格圖層。在此基礎(chǔ)上,與各情景下的生態(tài)用地空間分布數(shù)據(jù)相結(jié)合,統(tǒng)計(jì)出不同情境下生態(tài)用地生態(tài)功能保障度的總權(quán)重。將情境一和情境二的生態(tài)用地生態(tài)功能保障度總權(quán)重與情境三進(jìn)行比較,最終得到各情景下生態(tài)用地的生態(tài)功能保障度,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 累積阻力值與柵格數(shù)量的關(guān)系Fig.4 Relationship of cumulative resistance value and grid number

圖5 北京市生態(tài)用地規(guī)劃情景設(shè)定Fig.5 Planning scenarios of ecological land of Beijing City

同時(shí),將3種情景下的生態(tài)用地空間分布與現(xiàn)狀建設(shè)用地空間分布進(jìn)行疊加分析,分析不同情景下的生態(tài)用地空間布局與現(xiàn)狀建設(shè)用地布局的空間沖突情況,并進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)(表2)。

表2 3種生態(tài)用地規(guī)劃情景對(duì)比

2.4 北京市最小生態(tài)用地規(guī)模與布局

由圖5和表2可知：3種情景下山區(qū)的生態(tài)用地規(guī)模均較大,平原區(qū)生態(tài)用地的規(guī)模及格局有較大差異性。情景一的生態(tài)用地規(guī)模,尤其是平原區(qū)的生態(tài)用地規(guī)模較小,從生態(tài)用地空間布局來(lái)看,雖然與現(xiàn)狀建設(shè)用地的沖突較小,但是沒(méi)有形成有效的隔離帶,無(wú)法有效控制城市的無(wú)序擴(kuò)張,生態(tài)用地的景觀連通性較低,無(wú)法有效發(fā)揮生態(tài)功能；情景二的生態(tài)用地規(guī)模較情景一有所增加,尤其體現(xiàn)在平原區(qū)生態(tài)用地規(guī)模的增加。在建成區(qū)周邊出現(xiàn)了較為明顯的楔形生態(tài)用地通道及環(huán)形生態(tài)用地隔離帶,生態(tài)用地的規(guī)模和格局能夠保證生態(tài)用地的各項(xiàng)生態(tài)功能得到較大程度的發(fā)揮；情景三的生態(tài)用地規(guī)模最大,景觀連通度、生態(tài)功能保障度最大,但是,大面積的生態(tài)用地一方面與北京市建成區(qū)的現(xiàn)有規(guī)模沖突較大,一方面占用了平原區(qū)相當(dāng)面積的基本農(nóng)田。綜合考慮城市土地利用現(xiàn)狀、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景以及區(qū)域糧食安全等問(wèn)題,該方案雖為生態(tài)用地規(guī)劃的理想方案,卻與城市總體發(fā)展和規(guī)劃不協(xié)調(diào),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(tài)用地的空間優(yōu)化布局方案。對(duì)該情景下的生態(tài)用地規(guī)模及布局進(jìn)行分析可知：北京市生態(tài)用地的適宜規(guī)模為12417 km2,占市域總面積的75.67%,其中,平原區(qū)生態(tài)用地適宜規(guī)模為2944 km2,占平原區(qū)總面積的46.45%,主要分布于建成區(qū)的外圍過(guò)渡地帶；山區(qū)生態(tài)用地適宜規(guī)模為9473 km2,占山區(qū)總面積的94.05%。

3 結(jié)論與討論

本研究采用最小累積阻力模型對(duì)北京市生態(tài)用地的適宜規(guī)模和優(yōu)化布局方案進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：北京市生態(tài)用地的適宜規(guī)模為12417 km2,占市域總面積的75.67%。在已有相關(guān)研究中,關(guān)小克等人[13]通過(guò)對(duì)生態(tài)用地的生態(tài)服務(wù)功能、景觀空間結(jié)構(gòu)和生態(tài)敏感性的全面分析,構(gòu)建生態(tài)用地空間重要性的評(píng)價(jià)模型,并以重要生態(tài)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(diǎn)生態(tài)用地的情景,提出北京市城市生態(tài)用地空間的布局模式,最終建議將至少60%國(guó)土面積列入重點(diǎn)生態(tài)用地,并給予嚴(yán)格保護(hù)。歐陽(yáng)志云等[3]在明確北京市生態(tài)安全與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的關(guān)系基礎(chǔ)上分析了北京市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性及其空間格局,規(guī)劃了保障北京市生態(tài)安全的7 類(lèi)生態(tài)用地,總面積共計(jì)5137.37 km2,占北京市域面積的31.31%。與以上研究結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),本文研究得到的生態(tài)用地適宜規(guī)模較高,空間上基本囊括了相關(guān)研究結(jié)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(tài)安全對(duì)生態(tài)用地的需求,同時(shí)針對(duì)北京市目前面臨的主要環(huán)境問(wèn)題和城市建設(shè)目標(biāo),增加了對(duì)改善大氣環(huán)境質(zhì)量和建設(shè)宜居城市對(duì)生態(tài)用地需求的考量,使得研究結(jié)果更切合實(shí)際,符合城市發(fā)展需要。

本研究的實(shí)踐證明,最小累積阻力模型在城市生態(tài)用地規(guī)劃中的應(yīng)用可行,該方法相對(duì)較客觀,操作性較強(qiáng),其在城市規(guī)劃領(lǐng)域的深入推廣應(yīng)用還需學(xué)者不斷研究完善。研究過(guò)程中,生態(tài)用地?cái)U(kuò)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(lái)研究中,可進(jìn)一步增加地形、距各類(lèi)保護(hù)區(qū)距離、距主城區(qū)距離等阻力因子,細(xì)化阻力面數(shù)據(jù)。同時(shí),未來(lái)可嘗試采用定量的方法確定出最優(yōu)的生態(tài)用地規(guī)劃情景,使得研究結(jié)果更為客觀。

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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(xué)基金(8154046,5164031);北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(Z161100001116017);國(guó)家自然科學(xué)基金(41371486)

2016- 06- 12; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)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(tài)用地規(guī)劃研究.生態(tài)學(xué)報(bào),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.