基于城市森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價的鄭州市土地利用規(guī)劃研究

張鈺岑 馮嘉悅 馮 策 逯瑞星 劉晨暉 張淑梅*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院，鄭州 450003；2.北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，北京 100080）

將城市森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價納入土地利用規(guī)劃，對實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)具有重要意義。以鄭州市為研究區(qū)域，基于2009年和2019年兩期土地利用數(shù)據(jù)，使用CA-Markov模型預(yù)測了4類發(fā)展情景下鄭州市2029年的土地利用情況，通過構(gòu)建耦合城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的城市森林生態(tài)系統(tǒng)健康評估體系，對4類發(fā)展情景下的城市森林生態(tài)系統(tǒng)作健康評價，以此討論最優(yōu)土地利用策略。結(jié)果顯示，生態(tài)城市建設(shè)情景下的城市健康值較2019年增加了19.01%，增幅最大；快速發(fā)展情景下的城市健康值則降低了17.03%，降幅最大。此外，城市核心性斑塊的數(shù)量和面積對城市森林生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生了顯著影響。為實(shí)現(xiàn)最大化的林地擴(kuò)張收益和有效提升城市森林生態(tài)系統(tǒng)的健康水平，可采用在高增量生態(tài)廊道和潛在生態(tài)廊道處增加林地建設(shè)的土地利用規(guī)劃策略。

城市森林；土地利用模擬；土地利用規(guī)劃；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；生態(tài)系統(tǒng)健康評價

城市森林生態(tài)系統(tǒng)作為現(xiàn)代城市的重要有機(jī)組成部分，在城市生態(tài)環(huán)境改善和經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中扮演著關(guān)鍵性的角色[1]。土地利用是城市空間的外在物質(zhì)表征，其變化能客觀反映土地利用的空間特征與變化規(guī)律，有利于協(xié)調(diào)快速發(fā)展背景下生態(tài)環(huán)境與土地資源合理利用的關(guān)系[2]。作為城市空間的重要配置手段，土地利用規(guī)劃對城市發(fā)展起到了關(guān)鍵的指引作用[3]。因此，在當(dāng)今高強(qiáng)度的城市開發(fā)背景下，城市森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和發(fā)展亟需與城市土地利用規(guī)劃緊密協(xié)調(diào)，以緩解人與自然的緊張關(guān)系。

健康的城市生態(tài)系統(tǒng)可協(xié)調(diào)城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的自然過程、經(jīng)濟(jì)過程和社會過程之間的關(guān)系，促進(jìn)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的各方面協(xié)調(diào)高效可持續(xù)發(fā)展[4]。評估城市生態(tài)系統(tǒng)的健康水平對制定合理有效的生態(tài)系統(tǒng)健康保護(hù)策略至關(guān)重要。20世紀(jì)90年代，以Costanza[5]為代表提出的指標(biāo)體系法由活力、組織力和恢復(fù)力[6]三部分組成，其評價結(jié)果較為全面且與生態(tài)系統(tǒng)健康的原則較為相符，應(yīng)用最為廣泛。趙艷[7]以VOR模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用綜合指標(biāo)法建立評價體系計算了廣州市森林健康值；燕守廣[8]基于VOR-ESV評價模型，并將人類脅迫納入準(zhǔn)則層，構(gòu)建出生態(tài)保護(hù)紅線的生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型，對南京市生態(tài)保護(hù)管控區(qū)進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)健康評價。谷瑞麗[9]構(gòu)建VORS評價模型，以格網(wǎng)為研究單元對2000年、2010年和2020年黃河下游城市群生態(tài)系統(tǒng)健康水平進(jìn)行了動態(tài)評價。劉一鳴[10]基于鄰域變異度和人為干擾修正后的VOR-ESV評價模型，定量化地評估了我國東海海岸地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，并分析其時序變化特征和空間分異規(guī)律。對比上述定量評價城市生態(tài)系統(tǒng)健康的評估方法，評價指標(biāo)雖逐漸趨于完善，但僅局限于過去時空下的研究，缺乏對未來時空演變下的健康評價，因而無法用于分析城市林地資源結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略。

土地利用模式直接影響著生態(tài)系統(tǒng)的健康，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和人口密集地區(qū)尤為明顯[11]。同時，城市的快速擴(kuò)張不斷改變著土地資源的轉(zhuǎn)化，帶來了諸多生態(tài)環(huán)境問題。分析和模擬城市擴(kuò)張的機(jī)制，并對城市未來土地利用變化的風(fēng)險進(jìn)行預(yù)警，利于合理調(diào)控城市的發(fā)展[12]。目前常用的土地利用預(yù)測模型主要有CA-Markov模型、CLUE-S模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等，其中CA-Markov模型具備強(qiáng)大的土地利用空間模擬能力和長期預(yù)測能力的優(yōu)勢，被成功應(yīng)用于許多國家和地區(qū)的案例研究[13]。羅雙曉[14]基于CA-Markov模型，對成都市天府新區(qū)土地時空變化進(jìn)行了預(yù)測，并對該區(qū)未來土地利用發(fā)展趨勢進(jìn)行了評價。倪永薇[15]基于CA-Markov模型預(yù)測了北京市2029年不同發(fā)展情景下的土地利用情況，同步構(gòu)建區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系對不同發(fā)展模式進(jìn)行健康評價，探討了最優(yōu)城市發(fā)展模式下的土地利用策略。劉強(qiáng)[16]基于CA-Markov模型，預(yù)測了海南島不同發(fā)展情景下的土地利用空間分布格局，定量分析了海南島未來的土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。上述基于土地利用模擬的健康評價或生境評價方法雖不局限于單一時空下的研究，但未探究時空變化情形下重要生態(tài)斑塊的演化情況，因而無法厘清城市生態(tài)系統(tǒng)健康與城市土地利用變化間的相互制約機(jī)制。

鄭州市為特大城市，據(jù)《鄭州統(tǒng)計年鑒》（https://tjj.zhengzhou.gov.cn），2009 - 2019年間，鄭州市城區(qū)建成面積由1 478 km2增至2 884 km2；城區(qū)人口由688萬人增至1 054萬人，人均森林占有率由0.97 m2/人增至2.42 m2/人。鄭州雖在城市森林建設(shè)方面有著顯著進(jìn)步，但人均森林占有率水平仍遠(yuǎn)低于中國的均值。10年間的高強(qiáng)度城市開發(fā)使鄭州市土地利用類型大量轉(zhuǎn)化，林地、耕地的破碎化程度隨之增加，對城市生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生不利影響，亟待探討當(dāng)前與未來的鄭州市土地利用狀況與鄭州市生態(tài)系統(tǒng)健康的時空演變規(guī)律和相互制約機(jī)制。因此，文章以構(gòu)建健康的城市森林生態(tài)系統(tǒng)為目標(biāo)，采用土地利用模擬和生態(tài)系統(tǒng)健康評估的方法，定量分析各發(fā)展情景下鄭州市2029年城市森林生態(tài)系統(tǒng)的健康系數(shù)，以期推演各類城市發(fā)展模式下的鄭州市森林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，結(jié)合鄭州市森林斑塊空間分布和健康數(shù)值空間分布特征，為城市開發(fā)中的土地利用規(guī)劃提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

鄭州市位于華北平原南部黃河中下游，全市總面積7 511 km2，地勢呈階梯狀，從中山到低山、丘陵再到平原，土地利用類型以建設(shè)用地、林地、耕地為主，建設(shè)用地集中在市域中部偏北的主城區(qū)，市域東南象限的新鄭市、航空港區(qū)，東部的中牟縣，西部的滎陽市、上街區(qū)、鞏義市，市域西南象限的新密市、登封市，林地主要分布在西部及西南部山區(qū)，耕地主要分布在主城區(qū)西部、東部及東南部平原。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

（1）遙感影像數(shù)據(jù)。鄭州市2009年、2019年的Landsat TM遙感影像，來源于地理空間數(shù)據(jù)云（https://www.gscloud.cn），使用ENVI5.3將遙感影像解譯為林地、草地、耕地、建設(shè)用地、水域和其他用地（圖1）。

圖1 鄭州市2009年、2019年土地利用類型Fig.1 Land use types of Zhengzhou in 2009 and 2019

（2）DEM及交通矢量數(shù)據(jù)。鄭州市全域的高程和坡度數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云（https://www.gscloud.cn）；鄭州市的公路、鐵路、高速公路的矢量數(shù)據(jù)，來源于OpenStreetMap（https://www.openstreetmap.org）。在ArcGIS10.4中將公路、鐵路、高速公路等矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)，保證與土地利用數(shù)據(jù)柵格像元大小、地理空間坐標(biāo)系、投影相同（圖2）。

（3）土地利用類型轉(zhuǎn)移概率及適宜性圖集。以2009年和2019年兩期土地利用類型為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在IDRISI中使用Markov模型得到各類土地利用類型的轉(zhuǎn)移概率。本次研究將水域設(shè)為限制條件，將高程、坡度、距離市中心的距離和交通現(xiàn)狀作為4種影響土地利用變化的因素。在此基礎(chǔ)上根據(jù)城市生態(tài)規(guī)劃方針調(diào)整土地利用類型的轉(zhuǎn)移概率，利用層次分析法結(jié)合多準(zhǔn)則評價分析得到完整的土地類型轉(zhuǎn)移適宜性圖集（圖3）。

圖3 適宜性圖集Fig.3 Suitability atlas

2 研究方法

2.1 土地利用模擬

將鄭州市2019年的土地利用類型、適宜性圖集、2009 - 2019年的用地轉(zhuǎn)移概率作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在IDRISI中使用CA-Markov模型對2029年的城市土地利用情況進(jìn)行模擬。結(jié)合鄭州市發(fā)展現(xiàn)狀及鄭州市有關(guān)森林建設(shè)的相關(guān)規(guī)劃，本次研究設(shè)置了自然發(fā)展、快速發(fā)展、政府引導(dǎo)和生態(tài)城市建設(shè)4種發(fā)展情景。

情景一為自然發(fā)展，使用2009 - 2019年鄭州市的土地利用轉(zhuǎn)移概率，模擬自然發(fā)展下鄭州市2029年的土地利用情況（表1），作為其他三類模擬情景的對比樣本；情景二為快速發(fā)展，參數(shù)設(shè)置為三類生態(tài)用地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移概率增加20%，模擬城市建成區(qū)高速擴(kuò)張下鄭州市2029年的土地利用情況；情景三為政府引導(dǎo)，參數(shù)設(shè)置為建設(shè)用地、耕地、其他用地向林地、草地的轉(zhuǎn)移概率分別增加10%和5%（表2），模擬政府調(diào)控下各類生態(tài)用地均衡發(fā)展的鄭州市2029年的土地利用情況；情景四為生態(tài)城市建設(shè)，根據(jù)《河南省“十四五”國土空間生態(tài)修復(fù)和森林河南建設(shè)規(guī)劃》《森林鄭州生態(tài)建設(shè)規(guī)劃（2020 - 2035年）》等政策提出的森林覆蓋率、森林儲蓄量等指標(biāo)要求，將參數(shù)設(shè)置為草地、耕地、建設(shè)用地、其他用地向林地的轉(zhuǎn)移概率增加15%，模擬森林生態(tài)城市建設(shè)下鄭州市2029年的土地利用情況。

表1 情景一和情景二的土地利用面積轉(zhuǎn)移概率（單位：%）Tab.1 Probability of land use area transition in scenario 1 and scenario 2

表2 情景三和情景四的土地利用面積轉(zhuǎn)移概率（單位：%）Tab.2 Probability of land use area transition in scenario 3 and scenario 4

2.2 生態(tài)系統(tǒng)健康評價

構(gòu)建生態(tài)健康評價體系是研究的關(guān)鍵。在現(xiàn)有的研究中，“活力—組織力—恢復(fù)力”評價體系側(cè)重于生理物理范疇。Rapport[17-19]提出的生態(tài)系統(tǒng)健康（H）包含生態(tài)系統(tǒng)能否滿足人類社會的需求[20]。本次評估同時考慮生態(tài)系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)與生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值，即：“生態(tài)系統(tǒng)物理健康（PH）+生態(tài)系統(tǒng)功能健康（FH）”兩部分組成的評價指標(biāo)體系。計算見公式（1）。

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)物理健康（PH）

生態(tài)系統(tǒng)物理健康包含活力、組織力、恢復(fù)力，計算見公式（2），其中生態(tài)系統(tǒng)活力（V）使用植物凈初級生產(chǎn)力（NPP）衡量[21]（表3）。

表3 不同土地利用類型的NPP值[21]Tab.3 NPP values of different land use types

生態(tài)系統(tǒng)組織力（O）：即生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。結(jié)合前人研究[22]，通過Fragstats4.2進(jìn)行測算，從景觀異質(zhì)性（LH）、景觀連通性（LC）和森林連通性（CC）三個方面選取SHDI、AWMPFD、FN1、CONT、FN2、COHESION 6個景觀指數(shù)用于評估組織力。考慮到景觀異質(zhì)性與景觀連通性通常呈正向關(guān)聯(lián)，在景觀異質(zhì)性較高的區(qū)域內(nèi)，景觀類型間通常也有較好的連接，兩者同等重要，因此將兩者權(quán)重均設(shè)定為0.35?？紤]到森林斑塊是城市生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要提供者，能提高生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)性，因此將森林連通性的權(quán)重設(shè)定為0.3。由此則有公式（3）。

生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力（R）指生態(tài)系統(tǒng)受到外界干擾后恢復(fù)原有功能的能力，又稱生態(tài)系統(tǒng)的彈性。根據(jù)現(xiàn)有研究確定生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的量化和評估標(biāo)準(zhǔn)，得出R的數(shù)值[23]，其公式為（4）。其中，Si為第i類土地利用類型的面積；Ri為對應(yīng)土地利用類型的恢復(fù)力系數(shù)。詳見表4。

表4 不同土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力系數(shù)[22]Tab.4 Ecosystem resilience coefficients of different land use types

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)功能健康（FH）

生態(tài)系統(tǒng)功能健康主要考量生態(tài)系統(tǒng)給人帶來的功能價值，可通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（ESV）進(jìn)行計算。本文根據(jù)中國單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量表[24]（表5），使用當(dāng)量因子法計算各土地利用類型的供給、調(diào)節(jié)、支持、文化4類服務(wù)價值。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子是指生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生生態(tài)服務(wù)相對貢獻(xiàn)的潛在能力，定義為1 hm2全國平均產(chǎn)量的農(nóng)田每年自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價值[24]，其公式為（5）。式中，Ta表示研究區(qū)在研究期間內(nèi)作物的平均基準(zhǔn)單產(chǎn)，Tb表示對應(yīng)作物的單價，1/7指在無人力耕作條件下，自然生態(tài)系統(tǒng)的食物生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價值量是人工耕作下的1/7。

表5 中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量表[24]Tab.5 Ecological service value equivalent table per unit area of China’s terrestrial ecosystems

根據(jù)《 鄭州統(tǒng)計年鑒》（https://tjj.zhengzhou.gov.cn），鄭州市主要糧食經(jīng)濟(jì)作物為小麥。2009年至2019年鄭州市小麥平均基準(zhǔn)單產(chǎn)為4 708.88 kg/hm2，最低單價為2.26元/kg，計算得到單個當(dāng)量因子的價值量約為1 520.296元。對應(yīng)土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總當(dāng)量系數(shù)、對應(yīng)土地利用類型的面積、單個當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價值量的乘積即為研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量，其公式為（6）。式中，ESV代表生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量，Vi代表第i類土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總當(dāng)量系數(shù)，Ai代表第i類土地利用類型的面積，Ef代表單個當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價值量。

表5中的農(nóng)田、森林、林地、灌草叢、裸地、水系分別對應(yīng)本研究中土地利用類型中的耕地、林地、草地、其他用地、水域。考慮到高密度城市建成區(qū)內(nèi)的建設(shè)用地難以提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，因此對該類用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總當(dāng)量系數(shù)賦值為0。將土地利用類型面積和對應(yīng)系數(shù)代入上述公式，計算得出鄭州市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地類型變化分析

結(jié)合土地利用模擬結(jié)果及各類土地面積比例（表6，圖4）得知，鄭州市2009 - 2019年間耕地與建設(shè)用地變化趨勢明顯，耕地降低14%，建設(shè)用地增加11.5%。該變化主要發(fā)生在鄭州市中心城區(qū)與耕地的交界處及市區(qū)東南方向，主因是近10年來鄭州市高速城市化過程中的主城區(qū)擴(kuò)張、鄭汴一體化建設(shè)及鄭州航空港經(jīng)濟(jì)區(qū)的建設(shè)。

表6 土地利用類型面積和比例Tab.6 Area and proportion of land use types

圖4 2029年4種發(fā)展情景下的土地利用類型Fig.4 Land use types under four development scenarios in 2029

2029年自然發(fā)展情景下，與2019年相比，林地增加0.67%，草地增加0.19%，耕地減少5.54%、建設(shè)用地增加4.69%，水域減少0.005%，其他用地增加0.0001%，建設(shè)用地以城市擴(kuò)張的形式增加在主城區(qū)周圍和航空港區(qū)，且原位置為耕地的轉(zhuǎn)化最為常見，城市發(fā)展延續(xù)了前十年的規(guī)律，以減少耕地為代價不斷擴(kuò)張建設(shè)用地，生態(tài)用地微弱增加，未能跟上城市擴(kuò)張的步伐。

2029年快速發(fā)展情景下，與2019年相比，林地減少6.61%、草地減少1.04%、耕地減少16.55%、建設(shè)用地增加24.2%、水域減少0.008%、其他用地減少0.002%。建設(shè)用地擴(kuò)張對耕地、林地的破壞程度顯著，主城區(qū)與縣域城市趨向融合，建設(shè)用地大幅增加。

2029年政府引導(dǎo)情景下，與2019年相比，林地增加10.48%、草地增加5.20%、耕地減少12.07%、建設(shè)用地減少3.6%、水域減少0.006%、其他用地減少0.002%。林地、草地均衡增加，建設(shè)用地擴(kuò)張得到有效抑制，新增的林地、草地主要由耕地轉(zhuǎn)化而來。

2029年生態(tài)城市建設(shè)情景下，與2019年相比，林地增加15.38%、草地減少0.90%、耕地減少11.07%、建設(shè)用地減少3.18%、水域減少0.006%、其他用地減少0.002%。生態(tài)城市建設(shè)使得林地有顯著增加，而草地、耕地等有所減少，新增的林地主要由耕地轉(zhuǎn)化而來。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)健康評估結(jié)果

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)健康評估結(jié)果（表7），2029年自然發(fā)展情景下的生態(tài)系統(tǒng)功能健康、生態(tài)系統(tǒng)物理健康、生態(tài)系統(tǒng)健康值均有微弱降低，降幅分別為0.27%、0.19%、0.23%，主因是按照當(dāng)前城市擴(kuò)張趨勢，建設(shè)用地將繼續(xù)增加，耕地將減少，林地、草地、水域等生態(tài)用地受城市擴(kuò)張脅迫緩慢增加。

2029年快速發(fā)展情景下的生態(tài)系統(tǒng)功能健康、生態(tài)系統(tǒng)物理健康、生態(tài)系統(tǒng)健康值均有明顯降低，降幅分別為26.39%、6.47%、17.03%，最不利于生態(tài)系統(tǒng)健康，主因是城市的快速擴(kuò)張侵占了林地、草地，生態(tài)系統(tǒng)物理健康、功能健康也隨生態(tài)用地的減少而大幅降低。

2029年政府引導(dǎo)情景下的生態(tài)系統(tǒng)功能健康、生態(tài)系統(tǒng)物理健康、生態(tài)系統(tǒng)健康值均有明顯增加，增幅分別為32.71%、5.42%、18.28%，此情景下各生態(tài)用地均衡發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值大幅增加，生態(tài)系統(tǒng)健康值也隨之大幅增加。

2029年生態(tài)城市建設(shè)情景下的生態(tài)系統(tǒng)功能健康、生態(tài)系統(tǒng)物理健康、生態(tài)系統(tǒng)健康值均有明顯增加，增幅分別為32.17%、7.17%、19.01%，此情景的生態(tài)系統(tǒng)健康值增幅最佳，主因是林地的大幅增加使區(qū)域活力、恢復(fù)力、生態(tài)系統(tǒng)功能健康大幅增加。

3.3 多情景發(fā)展分析

根據(jù)健康評估結(jié)果，生態(tài)城市建設(shè)情景下，城市生態(tài)系統(tǒng)健康值增幅最高，達(dá)到19.01%，表明堅持生態(tài)城市建設(shè)，加大林地保護(hù)和森林規(guī)劃建設(shè)對于城市生態(tài)系統(tǒng)健康最有益。政府引導(dǎo)發(fā)展情景下健康值增幅為18.28%，僅次于生態(tài)城市建設(shè)，在提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值方面高出生態(tài)城市建設(shè)情景0.54%，表明該發(fā)展情景下，生態(tài)系統(tǒng)健康度和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值實(shí)現(xiàn)了均衡發(fā)展。然而，在快速發(fā)展情景下，健康值卻降低了17.03%，這表明在快速發(fā)展情景下，建設(shè)用地擴(kuò)張遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了生態(tài)用地擴(kuò)張，對城市森林生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生了不利影響。

4 土地利用規(guī)劃啟示

4.1 基于生態(tài)系統(tǒng)健康數(shù)值空間分布的土地利用規(guī)劃啟示

根據(jù)鄭州市生態(tài)系統(tǒng)健康值空間分布（圖5），生態(tài)系統(tǒng)健康數(shù)值較高的區(qū)域與森林資源空間分布情況重合。高值區(qū)域主要包含嵩山國家森林公園、西北部黃河沿線區(qū)域、黃河濕地、浮戲山等位置。城市建成區(qū)內(nèi)的高值區(qū)域主要是公園綠地斑塊，但這些斑塊與西部山地、丘陵之間的生態(tài)廊道連接度較低，未形成綠地網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

圖5 生態(tài)系統(tǒng)健康數(shù)值空間分布圖Fig.5 Spatial distribution map of ecosystem health value

通過對比生態(tài)城市建設(shè)情景和政府引導(dǎo)發(fā)展情景可以發(fā)現(xiàn)，兩者的生態(tài)健康高值區(qū)分布較為穩(wěn)定，并呈現(xiàn)正向分布。在政府引導(dǎo)情景下，鄭州市西南象限（鄭登快速通道沿線）出現(xiàn)大量均質(zhì)化高值區(qū)域。結(jié)合圖4可知，主因是該區(qū)域草地的發(fā)展，而生態(tài)城市建設(shè)場景在此位置則呈現(xiàn)出散點(diǎn)高—高聚類的分布態(tài)勢。對城市土地利用規(guī)劃的啟示是：應(yīng)持續(xù)在市域西側(cè)、北側(cè)、西南側(cè)等鄰近生態(tài)源地的中低值區(qū)域增加生態(tài)用地規(guī)劃，以銜接來自西部高值區(qū)域的生態(tài)空間延伸，進(jìn)而提升高值區(qū)域的集聚性。

進(jìn)一步對比自然發(fā)展情景和快速發(fā)展情景可以發(fā)現(xiàn)，后者的低值區(qū)域在建成區(qū)邊緣出現(xiàn)明顯擴(kuò)張態(tài)勢，對以耕地為主體所構(gòu)成的中值區(qū)域造成嚴(yán)重侵蝕，生態(tài)源地邊緣的中高值區(qū)域也被割裂。結(jié)合圖4可知，主因是建成區(qū)與鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)用地的過度開發(fā)占用了原位置耕地，同時阻隔了林地擴(kuò)張的潛在生態(tài)廊道。對城市土地利用規(guī)劃的啟示是：應(yīng)嚴(yán)格控制城市邊緣區(qū)的建設(shè)用地開發(fā)，堅守耕地紅線，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)聚落的集約規(guī)劃建設(shè)方面也應(yīng)避免對潛在生態(tài)廊道的破壞。

再對比自然發(fā)展情景和兩類生態(tài)系統(tǒng)健康值較高的情景可以發(fā)現(xiàn)，后兩者的高值區(qū)域在生態(tài)源地與耕地交界處大量擴(kuò)張，并呈集聚分布的趨勢，且中高值區(qū)域在原有優(yōu)勢生態(tài)廊道處增加明顯。結(jié)合圖4可知，這種變化的主因是生態(tài)用地數(shù)量和面積的大量增加。對城市土地利用規(guī)劃的啟示是：應(yīng)持續(xù)增加生態(tài)源地周圍的森林的數(shù)量和面積，同時加強(qiáng)廊道建設(shè)連接原有孤島綠地，增強(qiáng)城市森林生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力。

4.2 基于森林斑塊演化分析的土地利用規(guī)劃啟示

根據(jù)鄭州市綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)要素分布圖（圖6），可知核心斑塊呈西高東低的分布趨勢，主要集中在西部山脈和丘陵地區(qū)，這些區(qū)域擁有絕大多數(shù)的森林資源。森林退化表現(xiàn)為大量橋接區(qū)被建設(shè)用地占用，造成了森林斑塊破碎度增加，使得森林邊緣的核心區(qū)轉(zhuǎn)化為孤島。森林覆蓋率增加的主因是原橋接區(qū)（連接橋）大量轉(zhuǎn)化為核心區(qū)，這些橋接區(qū)的擴(kuò)張聯(lián)通了林地孤島和建成區(qū)內(nèi)的林地斑塊，從而使景觀連通性得到較好發(fā)展。

圖6 綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)要素分布圖Fig.6 Distribution map of green infrastructure network elements

對比生態(tài)城市建設(shè)情景和政府引導(dǎo)發(fā)展情景可以發(fā)現(xiàn)，后者的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值雖高出0.54%，但各生態(tài)用地均勻發(fā)展的模式將阻礙森林斑塊的增加，其生態(tài)系統(tǒng)活力將顯著低于前者，因此健康評估結(jié)果也將低于生態(tài)城市建設(shè)發(fā)展情景。所以，生態(tài)城市建設(shè)發(fā)展模式最利于城市生態(tài)系統(tǒng)健康。對土地利用規(guī)劃的啟示是：城市土地利用規(guī)劃應(yīng)與林地的自然增長規(guī)律相匹配，在高增量生態(tài)廊道處增加片林建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)指數(shù)增長。同時，加快橋接區(qū)的發(fā)展以連接林地孤島，為形成更多核心斑塊建立基礎(chǔ)。

進(jìn)一步對比自然發(fā)展情景和快速發(fā)展情景可以發(fā)現(xiàn)，后者的森林斑塊大量消失，主要表現(xiàn)在主城區(qū)西南方向原屬白廟鎮(zhèn)和岳村鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)的低坡度林地、主城區(qū)西部五云山和萬山區(qū)域的林地、主城區(qū)北部邙山地區(qū)林地、登封市城區(qū)南部大金店鎮(zhèn)和東華鎮(zhèn)內(nèi)的低坡度林地等區(qū)域，以上森林斑塊的消失使主城區(qū)完全孤立于西部山地與北部黃河濕地等高質(zhì)量生態(tài)區(qū)域之外，使得嵩山與箕山之間的連接度大幅降低，城市森林廊道潛在延伸空間被阻隔。對土地利用規(guī)劃的啟示是：應(yīng)著重控制城市邊緣擴(kuò)張和生態(tài)源地位置的鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)用地增加，從而避免建設(shè)用地對森林生態(tài)空間和耕地生產(chǎn)空間造成威脅，以達(dá)到保護(hù)林地孤島高危區(qū)和弱抵抗力生態(tài)廊道的目的。

再對比自然發(fā)展情景和兩類較高生態(tài)系統(tǒng)健康值情景可以發(fā)現(xiàn)，后兩者在生態(tài)用地斑塊上大幅增加，主要增加在龍湖北部區(qū)域、賈魯河沿線綠地、黃河南岸沿岸林地（東起京港澳高速，西至邙山地區(qū)）、南水北調(diào)沿岸綠地、萬山—岵山林地等區(qū)域，且上述區(qū)域構(gòu)成了環(huán)狀綠地系統(tǒng)，使城市綠道與主城區(qū)外側(cè)的森林斑塊緊密連接。對土地規(guī)劃的啟示是：在潛在城市生態(tài)廊道處規(guī)劃林地，加強(qiáng)城區(qū)與西部森林生態(tài)斑塊的空間連接度以優(yōu)化城市森林生態(tài)空間格局，發(fā)揮森林可持續(xù)化的生態(tài)服務(wù)功能。

5 結(jié)論與討論

本文基于鄭州市的城市規(guī)劃政策和發(fā)展目標(biāo)，設(shè)置了4種不同的城市發(fā)展模式，使用CA-Markov模型，通過設(shè)定各發(fā)展情景下的轉(zhuǎn)移概率模擬未來城市土地利用狀況，同時構(gòu)建了活力—組織力—恢復(fù)力—生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值模型，對各發(fā)展模式進(jìn)行城市森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價，結(jié)合鄭州市生態(tài)系統(tǒng)健康空間分布和城市森林斑塊分布情況，分析得出有利于城市森林健康的土地利用策略。

評價結(jié)果顯示，相較于2019年，生態(tài)城市建設(shè)情景與政府引導(dǎo)情景的健康值有顯著增加，分別為+19.01%、+18.28%，自然發(fā)展情景的健康值有微弱減少，為-0.23%，快速發(fā)展情景的健康值則大幅減少了17.03%。這表明，堅持生態(tài)城市建設(shè)，增加林地核心斑塊的面積和數(shù)量，加強(qiáng)生態(tài)廊道建設(shè)和森林規(guī)劃建設(shè)最利于城市生態(tài)系統(tǒng)健康。對土地利用規(guī)劃的啟示可從4類區(qū)域概括：（1）對于耕地生產(chǎn)區(qū)，應(yīng)嚴(yán)格控制農(nóng)村宅基地建設(shè)，推行集約化發(fā)展，嚴(yán)守耕地紅線；（2）對于城市建成區(qū)，應(yīng)在潛在生態(tài)廊道處規(guī)劃林地，將西部山區(qū)的核心生態(tài)斑塊與建成區(qū)內(nèi)的綠地孤島進(jìn)行有機(jī)銜接，從而優(yōu)化林地空間布局；（3）對于城鄉(xiāng)緩沖區(qū)，應(yīng)嚴(yán)格控制建設(shè)用地，將城市邊緣區(qū)的村落有序納入城市規(guī)劃建設(shè)，同時增補(bǔ)耕地；（4）對于林草生態(tài)區(qū)，應(yīng)在高增量生態(tài)廊道處規(guī)劃林地，拓寬森林發(fā)展空間，同時控制郊區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)用地的不合理開發(fā)，全面保護(hù)森林邊界。

與前人的研究相比，本研究的意義在于將多情景下的土地利用模擬與MSPA形態(tài)學(xué)分析相結(jié)合，深度挖掘并識別潛在生態(tài)廊道和高增量生態(tài)廊道，在土地利用規(guī)劃策略上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)瞻性規(guī)劃，將林地資源規(guī)劃至關(guān)鍵區(qū)域以獲取最大化的林地擴(kuò)張增益，從而高效增加城市核心斑塊的面積和數(shù)量，進(jìn)而優(yōu)化城市的林地空間布局，達(dá)到提升城市森林生態(tài)系統(tǒng)健康的目的。未來的工作包括：（1）采用更高精度的土地利用類型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以準(zhǔn)確識別小型生態(tài)廊道、潛在橋接區(qū)和薄弱橋接區(qū)，用以指導(dǎo)林地高增量區(qū)和薄弱區(qū)的林地規(guī)劃建設(shè)；（2）在評價體系方面，使用動態(tài)模型評價生態(tài)系統(tǒng)的活力和恢復(fù)力，并充分考慮社會驅(qū)動因素的影響；（3）在土地利用模擬方面，將通過梯度設(shè)定轉(zhuǎn)移概率，獲取更全面的土地利用模擬結(jié)果。

注：文中圖表均由作者自繪。