北京市生态安全格局及城市增长预景

文献来源：俞孔坚,王思思,李迪华,李春波.北京市生态安全格局及城市增长预景[J].生态学报,2009,29(03):1189-1204.

城市生态安全格局（Ecological Security Pattern）是城市自然生命支持系统的关键性格局。它维护城市生态系统结构和过程健康与完整，维护区域与城市生态安全，是实现精明保护与精明增长的刚性格局，也是城市及其居民持续地获得综合生态系统服务的基本保障。中国近30年的经济高速增长与快速城市化，堪称世界奇迹，然而高强度的人类活动和不恰当的土地利用方式，使脆弱的城市生态环境面临巨大压力[1]。城市生态安全格局的相关研究和实践正是在这一宏观背景下发展起来的。

 
国际上，早在19世纪末，奥姆斯特德、霍华德等人就从改善城市人居环境的角度出发，提出了“公园系统”（Park System）和“花园城市”（Garden City）等理论并开展了相关实践，对后世的城市规划和生态规划产生了深远影响。1950年代在西方逐渐兴起的以绿道（Greenway）运动为代表的生态网络构建逐渐成为自然资源保护的新热点[2~5]。20世纪80年代诞生的生态基础设施（Ecological Infrastructure）和绿色基础设施（Green Infrastructure）概念，将重要生态资源作为国土生命支持系统的关键性格局进行规划和建设，被认为是实现精明保护的重要途径。目前区域和城市尺度的绿色基础设施规划研究已在美国马里兰州、芝加哥、明尼苏达、波特兰等市展开[6]。

在我国，生态安全格局被认为是实现区域或城市生态安全的基本保障和重要途径[7~12]。近十年我国学者对生态安全格局的定义、理论基础和构建方法等方面展开了研究 [13~14]。其中生态安全格局的构建方法是生态安全格局研究的重点和难点。基于生态适宜性和垂直生态过程进行的生态敏感性和生态系统服务的重要性分析，是关键生态地段辨识的常用方法，目前较为成熟和系统，被国内学者所广泛采用。20世纪80年代以来蓬勃发展的景观生态学为生态安全格局提供了新的理论基础和方法，包括“最优景观格局”[15],“景观安全格局( Landscape security pattern)” 和“生态安全格局”（Ecological Security Pattern）[16~17]等。由我国学者提出的“景观安全格局”和“生态安全格局”理论已在不同尺度、不同区域的关键生态地段的辨识和生态安全格局的构建中得到广泛应用[16~23]。此外，由于生态安全格局研究所具有的综合性和复杂性，包括预景（Scenario）、干扰分析、GAP分析在内的多种分析方法也被应用到研究中[24]。

 
生态安全格局研究的尺度和范围较广。研究区域早期集中在自然保护区和风景名胜区[18]，近年来针对生态脆弱地区[25]，经济快速发展地区，以及重大工程的生态安全格局[26~27]的研究逐渐增多。其中快速城市化地区的生态安全格局构建已成为生态、地理、城市规划等学科共同关注的热点。不同学者对东营、威海、菏泽、台州、兰州、沈阳等城市[20~23，28~29]生态安全格局的构建及其对于城市扩张的响应等进行了卓有成效的探讨。

经历近三十年来的快速发展，北京面临着一系列资源环境制约，国土生态安全面临严重威胁，包括：水资源严重短缺，河湖调蓄能力明显下降；土地后备资源不足，节约性和集约化利用程度有待提高；建成区“摊大饼”式扩张，城市空间结构不尽合理；景观破碎化趋势明显，绿色空间尚没有形成有机系统等[30~32]。如何从空间上协调社会经济发展和生态环境保护的关系，实现精明增长与精明保护的双赢，已经成为紧迫而现实的问题。本研究应用景观安全格局理论和方法，探讨区域和城市生态安全格局的构建方法，并提出保障北京市生态长远安全的土地利用格局与实施战略，具有重要的理论和现实意义。 
    
1方法论

景观安全格局以景观生态学理论和方法为基础，通过景观过程（包括城市的扩张、物种的空间运动、水和风的流动、灾害过程的扩散等）的分析和模拟，来判别对这些过程的安全与健康具有关键意义的景观元素、空间位置及空间联系，这种关键性元素、战略位置和联系所形成的格局就是景观安全格局[16~17]。景观安全格局旨在解决如何在有限的国土面积上、以最高效的景观格局、维护土地生态过程、历史文化过程、游憩过程等的安全与健康的问题。景观安全格局包括维护生态过程安全与健康的生态安全格局、维护乡土遗产真实性与完整性的文化遗产安全格局、维护生态游憩过程安全与健康的游憩安全格局，等等。特别需要说明的是，本文以生态安全格局代替更广意义的景观安全格局概念，一方面是为了强调维护生态过程的绝对重要意义，同时也因为文化遗产和游憩过程的安全格局都是建立在生态基底之上的，因而，在这里生态安全格局在这里具有广泛的含义。

本研究针对北京市生态问题，重点研究综合水安全格局、地质灾害安全格局、生物保护安全格局、文化遗产安全格局和游憩安全格局。

针对每个过程的景观安全格局，其具体技术路线如下[16~17]：

（1）确定源：即过程的源，如生物的核心栖息地作为物种扩散和动物活动过程的源，文化遗产点作为乡土文化景观保护和体验的源，公园和风景名胜区作为游憩活动的源。主要通过资源的空间分布数据和适宜性分析来确定。

（2）判别空间联系：通过景观过程（包括自然过程，如水的流动；生物过程，如物种的空间运动； 人文过程，如人的游憩体验等）的分析和模拟，来判别对这些过程的健康与安全具有关键意义的景观格局，包括缓冲区、源间连接、辐射道和战略点等，并根据各格局的拐点和作用，划分出低、中、高三种不同安全水平。

（3）提出优化策略：针对某一生态过程和安全格局的具体要求，提出空间格局和土地利用的调整策略与建议。

将Steinitz[33]的景观规划框架与生态基础设施理论以及景观安全格局途径相结合，形成了具有可操作的北京市生态安全格局(景观安全格局)的总体研究框架（图1）。

2北京市生态安全格局的构建

2.1 针对单一景观过程的安全格局

 
2.1.1 综合水安全格局

 
快速城市化导致城市水文过程的根本改变：人口的快速膨胀导致水资源严重短缺；不透水铺装面积的增加致使内涝频发；雨水资源大量流失，亟待深度开发利用；地下水采补失衡，引起湿地萎缩；工程化措施对水文过程造成负面影响。城市水系统和水环境的完整与健康已成为制约北京可持续发展的关键环节。

本研究以恢复天然水文过程和维护城市雨洪安全为目标，运用ArcGIS空间分析技术，对洪水、地表径流等过程进行分析和模拟，构建洪水安全格局和雨水安全格局，并考虑地表和地下水源保护以及地下水补给，叠加形成综合水安全格局。

(1)洪水安全格局

综合洪水过程模拟、历史洪涝灾害分析，构建洪水安全格局。

首先，根据地形图和地形高程数据，判别现状具有调蓄洪水功能的区域，包括市域内的各级河流、湖泊、水库、坑塘和低洼地。

其次，根据水文过程模拟，确定径流汇水点作为控制水流的战略点，并根据分流部位和等级，形成多层次的等级体系。

第三，根据洪水风险频率确定安全水平。洪水风险频率根据城市的重要程度、所在地域的洪灾类型，以及历史性洪水灾害等因素来确定。水利部《关于加强海河流域近期防洪建设的若干意见》，确定北京城市防洪标准将达200年一遇。本研究根据可获得的准确降水数据及上述依据，确定了20、50、200年一遇作为不同安全水平的标准。结合数字高程模型，模拟洪水过程，得到不同洪水风险频率下的淹没范围，并结合历史洪涝灾害数据[34]，分析北京市历史洪涝淹没范围。将上述两种淹没范围进行叠加，确定洪水发生频率的高、中、低区域，确定出防洪的关键区域和空间位置，从而建立多层次的滞洪湿地系统，形成不同安全水平的洪水安全格局。

(2)雨水利用安全格局

通过雨水下渗适宜性分析、地下水超采区分析和山区水土流失分析，综合确定市域雨水利用的关键性空间格局，如山前冲、洪积扇等，构建北京市雨水利用安全格局，并根据不同土地利用类型制定雨洪管理措施，在洪水安全格局和雨水安全格局的基础上，考虑地表和地下水源保护以及地下水补给，叠加形成综合水安全格局（图2）。根据不同等级安全水平，提出了不同的限制建设要求和水生态恢复措施。

2.1.2 地质灾害安全格局

基于对泥石流、滑坡、滑塌、崩塌、矿山地面塌陷、地面沉降、地裂缝和水土流失等多种地质灾害要素的空间分布，确定地质灾害的源；通过对各地质灾害类型的诱因和灾害易发区内土地利用格局的分析，确定对地质灾害防护起关键作用的区域和空间联系。缓冲区的范围受地质灾害的类型、发育强度、分布状况、发生频率、地形地质条件、降水条件及人类活动强度等因素影响。并据此划定了地质灾害安全格局的低、中、高安全水平，提出了相应的限制建设要求和灾害防治措施。

2.1.3 生物保护安全格局

北京市多样化的自然环境，孕育了丰富的生境和动植物资源。目前北京市的生物多样性保护面临以下问题：城建用地的无序扩张造成栖息地面积减少和破碎化；大型工程设施的建设切断了生物迁徙的廊道；自然保护区、风景区、森林公园等良好的生物栖息地之间缺乏有效连接[35]。针对上述问题，本研究从区域和景观层次上识别生物多样性保护的关键过程和空间格局，形成城乡连续的乡土生境和生物廊道系统，从而保护区域生物栖息地和生态系统的完整和健康。

通过指示物种和焦点物种（Focal species）来进行生物多样性保护，是目前国际通用的行之有效的做法[36-40]。为此，确定了本次研究指示性物种的选择标准：（1）能够指示北京市生态环境现状，并对其他物种及各类栖息地具有指示作用；（2）具有生物学上的代表性；（3）为广大民众所喜闻乐见。北京市的鸟类保护级别高且栖息地多样，选取具有代表的留鸟和候鸟作为区域生物多样性的指示物种较为合适。经过对待选指示性物种的进一步分析，最终确定以大白鹭（Egretta alba）、绿头鸭（Anas platyrhynchos）和环颈雉（Phasianus colchicus）作为指示物种。

根据指示性物种的生活习性，分析不同土地覆盖和土地利用类型对于生物活动的适宜性，判别现状和潜在的核心栖息地。运用最小累计阻力模型（MCR）分别模拟指示性物种穿越不同景观基面（土地覆盖和土地利用）的过程，建立最小累积阻力面。生成的阻力面表示从源（栖息地）到空间某一点的易达程度，从而模拟物种水平扩散的行为模式。根据最小阻面，判别缓冲区、源间连接、辐射道以及战略点，构建每一个指示物种的安全格局[16～17]。最后将三个物种的安全格局叠加整合，构建起北京市生物保护安全格局（图4）。概括起来，该格局的总体建设战略包括：

（1）建立绝对保护的栖息地核心区：严格保护区域大型森林、河湖湿地生态系统，禁止城市建设和围垦侵占； 

（2）建立生物栖息地缓冲区：低山丘陵地带及农田景观，是生物栖息地缓冲区的主体，应限制城市建设的过度侵占，发展生态农业和进行生态管理；

（3）构建生物廊道系统：生物廊道对于景观连接性具有关键性作用，廊道的连接性、宽度和构成应符合生物保护的要求。

（4）培育生物保护战略点：战略点包括生物迁徙的踏脚石、生物廊道交汇处、生物廊道与城市道路的交叉点等，在这些关键性节点上进行生态恢复，设立动物通道。