基于生态安全的区域生态空间弹性规划研究——以山东省滕州市为例

刘 颂

刘 蕾

中国正处于快速城镇化发展时期，城市扩张和人类活动高强度地改变着区域生态空间的结构与功能，造成经济发展与生态保护的矛盾日益激化。保护区域生态环境，统筹协调生态空间、城镇空间、农业空间，实现精明发展与精明保护双赢战略下的区域生态安全格局，成为新型城镇化进程中不容忽视的重要问题。

区域生态空间规划就是通过规划的正向引导，从空间上消除、削弱、控制外在压力产生的生态风险，构建保护和维护生态系统整体性和生态过程连续性的生态空间安全格局。近20年来，国内外学者围绕区域生态安全格局构建展开了广泛的研究，如陈利顶等[1]提出了目标原则与基本框架，欧定华等[2]探讨了区域生态空间规划内涵和规划技术流程，俞孔坚等[3-4]进行了诸多实践应用。从规划核心内容来看，识别“生态源地-廊道-节点”成为区域生态空间规划的基本范式[5]。大多数研究都关注识别该三要素进而构建生态网络的方法，常见的分析方法有多目标的生态适宜性分析、最小累积阻力法、生态系统服务分析[6]、基于图论的网络构建等。这些方法大多基于生态环境现状建立静态安全格局，忽视了城市发展的动态性及其对生态格局的动态干扰风险。近年来，建设空间与生态空间的动态博弈[7]受到重视，城镇发展过程的动态模拟和格局综合优化逐渐成为热点[8]，但大多追求“蓝图式”的规划目标，缺乏应对未来多种可能性的外力动态干扰的灵活性响应策略，缺少对所构建生态安全格局的有效性或合理性评价研究[5]。因此，本文以城镇扩张给生态格局带来的动态干扰风险为切入点，以实现安全格局为目标，探讨区域生态空间发展的多种可能性，通过建立生态空间安全性评价体系，评价安全格局构建的合理性，进而协调城乡空间发展，为优化区域生态空间弹性规划方法提供思路。

1 城市扩张对生态安全格局的干扰影响机制

1.1 城市扩张产生景观生态风险

城市扩张是城镇化进程的重要标志，是土地利用变化最为直接的表现形式，呈现出空间上扩张与结构的综合变化。然而盲目无序的城市扩张导致生态用地流失，区域生态系统的结构、功能及稳定性等遭到破坏，干扰了景观格局和生态过程，产生了生态风险，从而威胁区域生态安全。

图1 干扰导致生态空间格局变化的模式类型[9]

图2 生态系统动态稳定性解析[10]

1.2 城市扩张对生态安全格局的干扰过程与模式

Forman将干扰对生态安全格局影响变化的过程概括为穿孔、分割、破碎化、缩小和消失5种类型[9]，在干扰下形成边缘式、廊道式、单核心式、多核心式、散布式和随机式6种空间格局(图1)。城市扩张作为强干扰源，导致生态安全格局的穿孔、分割、破碎化、缩小变化过程都使斑块发生变化。城市扩张初期，建设用地以零星小斑块形式散布于城市核心区，建设用地集聚程度和景观格局的破碎化程度较低。随着城市扩张加快，建设用地斑块之间相互连接，用地比例上升，并将非建设用地割裂包围，景观格局破碎化程度提高。城市扩张后期被分割的非建设用地斑块逐渐缩小并最终消失，建设用地扩张速度逐渐放缓。

1.3 城市扩张使生态安全性成为连续动态变化过程

城市扩张干扰影响下，生态安全格局及其安全性的实现是一个动态变化过程。从一种相对稳定态变化为另一种相对稳定态，呈现出进化或者退化的趋势(图2)。生态空间规划的任务就是通过正向引导，顺应生态系统进化的趋势或抑制退化的方向，在满足城乡建设发展需求的同时，使生态系统发展实现新的安全格局。

2 区域生态空间弹性规划的本质属性

“弹性规划”是在空间规划中引入弹性思维，关注空间在外力干扰下的变化对系统所产生的功能和结构的影响，并预判未来可能产生的风险干扰，因地制宜地提出解决预案。弹性规划强调有针对性地、适宜性和灵活性地解决规划问题，注重“刚性和韧性”并存的规划策略。

笔者认为，针对区域生态空间的弹性规划是对未来发展的一种预判，通过研究未来可能出现的生态风险及应对方法，旨在对城市发展、资源的合理空间配置与利用有较强的适应性和指导性。其本质属性可以概括为以下几个方面。1)动态性：即打破以往静态观和确定性的思维方式，强调以变化和动态观为前提来诠释生态系统的稳定态。在面对规划中系统的内外部环境及干扰的不确定性，动态思想使规划更好地适应变化发展。2)多样性：即体现于多目标性、方案的多情景、规划方法和决策的多样性等，注重“刚性+韧性”结合，有利于灵活与适宜地解决未来不确定性问题。3)协调性：即规划具有复杂性特征，繁杂的各要素间相互制约、相互影响。因此协调各要素间的博弈关系，有利于协调各方的决策。

3 区域生态空间弹性规划

3.1 方法步骤

基于弹性规划的特点，本研究提出了针对区域生态空间的“动态多情景模拟预测-生态空间安全性评价-方案协调弹性响应”3步规划方法。

步骤一，建立城镇空间发展的预测模型，以不同约束条件预测未来城乡发展愿景下土地覆被的多情景预案。城镇发展的不确定性或不同目标导向，会产生不同诉求的规划预案及相应预案可能存在的景观生态风险。因此，多情景预案研究成为弹性规划解决不确定性问题的有效方式。本研究采用CA-MARKOV模型对未来空间发展的土地覆被进行模拟，以无约束条件、底线约束、中等约束和理想约束条件4个安全等级参与未来城镇和生态空间格局的多情景预测。

步骤二，对不同预案的区域生态格局进行辨识和安全性评价。区域生态空间弹性规划主要目标是通过优化生态空间格局来提升生态空间的安全性。城市扩张风险源对生态安全格局的干扰影响机制表明，城市扩张与区域生态空间格局存在明确的风险源与风险受体关系，因此本研究基于“压力-状态-响应”生态安全评价模型构建了“城市扩张生态风险分析-生态空间格局状态-生态空间格局管控等级响应”的生态安全性评价指标体系(表1)。

1)压力维度，主要测度研究外力干扰下产生的生态风险，分为自然风险和人为风险。本文侧重城市扩张产生的人为生态风险。2)状态维度，研究风险干扰发生后，生态空间的状态变化，即对生态系统健康性状态的诊断。生态系统健康由组成生态空间的景观格局构成与要素组成两方面的状态特征反映[11]。景观格局构成状态包含结构稳定性和功能连通性；而要素组成特征由景观要素系统健康性反映，具体指标包括生态系统活力、弹性力、生态系统服务价值[11-13]。3)响应维度，是对解决问题的管控分析。就生态空间安全性而言，侧重对生态空间格局管控等级的研究。依据生态重要性程度划分管控空间层级。在响应维度度量中，重点评价外力干扰影响前后，生态空间格局的重要性等级变化情况。

图3 滕州市2005—2015年土地利用分布及演变

步骤三，多方案比选与确定。在安全性综合评估结果的基础上，将生态空间安全性与城镇空间发展建设需求以及农业空间发展需求统筹考虑，确定适宜性方案，实现生态空间、城镇空间与农业空间的协调发展。

3.2 研究区概况与数据处理

滕州市位于山东省南部，地处淮海经济区和鲁南经济带的中心位置，辖17个镇、4个街道办事处、1 246个行政村(居)，2017年底常住人口171万人，全市总面积1 485km2。2005年起，滕州市进入快速城市化阶段；到2017年，城镇化率由41.8%上升至58%。

研究获取覆盖滕州市的3个时相LANDSAT TM遥感影像，分别为2005年4月13日、2010年9月18日、2015年4月25日，空间分辨率均为30m。经过几何纠正和大气校正，采取监督分类中最大似然法和目视解译相结合对遥感影像进行解译，得到滕州市3个时期的耕地、湿地、林地、水域和建设用地(包含居民点用地、工矿用地和交通用地)5类用地分布，解译结果满足精度要求(图3)。

3.3 区域生态空间格局的多情景动态模拟与预测

3.3.1 建立模拟预测模型

通过解译获得滕州市2005和2010年土地利用/覆被，建立MARKOV转移概率矩阵，将采用CA-MARKOV模拟的滕州市2015年土地利用/覆被与解译的2015年土地利用/覆被进行比较。一般当一致性检验系数Kappa≥0.75时，模拟与实际土地利用之间具有较高的一致性，模拟效果良好，模拟结果精度较高。本研究中，Kappa=0.840 1，说明本模型作为预测模型的置信度较高。

3.3.2 判识现状生态空间格局及分级

本研究采用水资源、地质灾害、生物多样性保护、文化遗迹和景观游憩五大因子，经垂直生态过程的空间叠置法和水平生态过程的最小累积阻力方法，综合判定滕州市2015年生态空间格局后，按生态重要性将其进一步划分出生态空间格局等级，根据等级设定了底线生态空间格局、中等生态空间格局和理想生态空间格局3种情景，其目的在于为目标年(本研究为2030年)的生态空间模拟预测设定约束条件，以及多情景预案对2015年生态空间格局的生态风险干扰分析做准备。

表1 生态空间格局安全性评价指标体系

图4 无约束条件下2030年生态空间格局

图5 底线约束条件下2030年生态空间格局

图6 中等约束条件下2030年生态空间格局

图7 理想约束条件下2030年生态空间格局

3.3.3 模拟预测2030年4种情景下的生态空间格局

将上述情景分别设定为无约束、底线约束、中等约束、理想约束条件对目标年份2030年城市空间发展进行模拟预测(注：基本保护农田均作为约束条件)，获得4种情景下的2030年土地利用/覆被(图4～7)。

3.4 生态空间格局安全性评价

采用3.1节建立的生态空间安全性评价体系，对模拟2030年4种情景的生态空间安全性进行评价与比较分析。

3.4.1 压力维度

根据联合国人道主义事务部(Department of Humanitarian Affairs，UNDHA)于1991年[14]提出风险评价模型Risk＝Hazard×Vulnerability，本研究建立城市扩张风险源对景观格局的风险干扰评价模型为“生态风险指数＝生态危险度×生态易损度”。

其中，生态危险度是指城市扩张风险源对景观格局影响程度，是描述城市空间扩张变化速度和程度的指标，最常采用的是城市扩张强度指数[15]。生态易损度是对景观格局为风险受体所引起的生态损害程度分析，其度量最常采用的景观格局指数包括景观损失度指数、景观干扰度指数和景观脆弱度指数[16-20]。

在4种情景模拟中，显然在无约束条件下城市建设用地无序扩张产生的景观生态危险度高于其他3种基于不同程度生态约束情景下产生的景观生态危险度。

3.4.2 状态维度

1)结构稳定性。是斑块稳定性(包括斑块特征稳定性、斑块密度稳定性)、基质稳定性和整体稳定性的综合体现。在4种模拟情景的结构稳定性结果中，斑块特征稳定性与斑块密度稳定性、整体稳定性数值逐渐增高，而基质稳定性越趋近于1，稳定性就越高。

2)功能连通性。研究采用距离梯度法确定适宜距离阈值，根据山东省滕州市动植物物种及其搜索范围进行调查，确定鸟类的活动范围在30～3 200m，一些中小型哺乳动物和两栖类爬行动物的扩散范围在50～1 000m，因此研究设定100、500、1 000、1 500、2 000、2 500和3 000m 7个距离梯度值。而在距离1 500m处呈现出明显拐点，由此确定适宜的距离阈值为1 500m，并应用于4种模拟情景的功能连通性分析中进行结果比较，理想条件下情景功能连通性最高，说明景观格局的结构与功能状态最佳。

3)系统健康性。由生态系统活力度、生态系统弹性力度、生态系统服务价值综合体现系统健康性。在4种模拟情景下的系统健康性结果比较中，理想条件约束下的系统健康性数值最高，说明该条件下模拟产生的生态系统健康性优于其他三者。

3.4.3 响应维度

响应维度是通过生态空间格局中各等级，即底线生态空间格局、中等生态空间格局、理想生态空间格局对应的管控等级变化情况来度量。本研究中将各等级分别赋值为：3、2、1，通过综合管理等级度和管理等级变化率计算，管理等级变化率最低的为理想条件下的模拟情景，说明该情景的城市扩张变化影响最小；而综合管理等级度最高的为中等条件下模拟情景，说明该情景下具有重要等级的生态空间格局所占整体空间比重最大，空间管控程度相对其他3种情景要高。

图8 4种情景生态空间格局安全性比较

图9 滕州市2030年城乡绿地系统规划图

3.4.4 综合维度

基于模糊综合评价法建立模糊综合评判矩阵，将上述压力维度、状态维度、响应维度的各度量指标进行模糊综合运算，最终获得生态空间安全性评价结果(图8)，结果显示理想条件约束下模拟情景方案的生态安全性最佳，而中等条件和底线条件下生态安全性相近。

3.5 方案协调

采用定额指标预测法中的综合增长法、指数增长法、Logistic模型预测法，以及趋势外推法和多元回归模型法对山东省滕州市2030年城乡建设用地需求总量进行预测，滕州市2030年城乡建设用地需求总量预测为348.83km2，而滕州市永久性基本农田保有量不得低于469.38km2。

通过对4种预案的土地利用规模预测(表2)同上述需求对比发现，中等约束条件下的土地利用/覆被和生态空间格局为更适宜未来统筹协调发展的方案选择。以此方案为基础，提取该情景生态安全格局中的滕州市生态空间保护规划图(图9)。

表2 滕州市2030年4种情景预测下土地利用规模(单位：hm2)

4 结论与讨论

1)在快速城镇化背景下，生态空间与建设空间发展是动态的博弈过程，需要弹性规划思维。城市扩张作为一种人为风险源对生态安全格局产生景观生态风险，迫使生态安全的实现成为连续动态变化的过程。本文分析生态风险对生态安全动态干扰影响机制，将弹性思维融入生态空间规划，认为应对生态风险的区域生态空间弹性规划的本质特性是强调动态的思维、协调的思想和规划决策选择的多样性，其优越于传统静态的规划思维与“蓝图式”的规划诉求，侧重于“刚性和韧性”并存的弹性规划策略，以适宜性和灵活性地解决规划问题。

2)区域生态空间弹性规划具有动态性、多样性和协调性特征。动态性表现为城镇扩张在时间维度上的动态模拟和风险预判；多样性体现为对未来城镇发展的多种可能性预案研究，如未来城镇发展无任何约束、底线约束、中等约束和理想约束条件等情景。区域生态空间规划不是单纯的生态用地的保护，应综合考虑城镇建设和耕地保护的用地需求，选择权衡协调下的相对最适宜方案，这体现了弹性规划的协调性。

3)区域生态空间格局是复杂生态系统，本研究提出了“动态多情景模拟预测-生态空间安全性评价-方案协调弹性响应”的区域生态空间弹性规划途径。其中，对某个时段生态安全格局的判识和分级依然需要采用当前常见的分析规划方法，但对生态安全等级的划分标准仍有待进一步深入研究。然而无论划分几个等级，“底线生态空间格局”的识别非常重要，底线生态空间格局是城乡生态空间生态价值最高、最重要的“生态内核”，应采取刚性的严格管控措施。对现存底线范围内建设活动应予以禁止、拆除，或置换于“弹性保护层”范围内，并进行必要的生态修复措施；对于未来规划新增的核心生态空间要素，将纳入生态空间格局底线划定范围内实施刚性保护策略。

4)本研究基于“压力-状态-响应”框架建立的生态安全性评价模型，将生态空间放在城镇复合生态系统中研判生态风险，体现了生态整体主义思想。但区域生态格局安全性评价体系还有待进一步验证。判定生态安全的标准，即评价指标的阈值，需要进一步研究，一般评判某个状态是否安全在很大程度上取决于相关社会群体对人类福祉的期望，因此也是动态变化的。

注：文中图片除注明外，均由作者绘制。