北京城市擴張的生態底線

1 引言
1.1 關于生態系統服務和安全格局
　　生態系統服務(Ecosystems services)是人類從生態系統中獲得的產品和服務，是人類賴以生存的恩惠之源。通常，生態系統服務被歸納為4類：調節服務、供給服務、支持功能和文化服務[1-7]。然而在我國快速城市化進程中，不合理的人類活動極大地改變了生態系統的結構，導致生態系統提供服務的能力降低，嚴重威脅可持續發展和居民生活質量。如何在巨大的發展壓力和較為脆弱的生態條件下，有效地維護和恢復城市的生態系統服務，協調城市發展和生態保護之間的矛盾，實現精明發展與精明保護，已成為當代中國學術界和政府決策部門所必須面對的嚴峻挑戰。正如保護基本農田已成為我國糧食安全的底線一樣，維護城市基本生態系統服務也應該成為我國城市生態安全的底線。
　　當前，我國學者在城市生態系統服務價值評估、生態系統健康評價、景觀格局變化與生態效應、生態安全等方面展開了卓有成效的研究[8-14]。然而，對于人地關系高度緊張的快速城市化地區來說，更具現實意義的問題是：如何判別和保護城市擴張的生態底線？這方面的探討有待進一步開展。從土地規劃和城市空間擴張的角度來說，城市生態安全的底線是維護最低限度生態系統服務的安全格局。我們在城市規劃和建設時，必須優先識別和保護自然提供的關鍵生態系統服務以及維護這些服務的空間格局，然后適應性地選擇我們的棲息地，來確定我們城市的形態和空間格局。
　　確定生態系統服務的安全格局需要明確兩個問題：
　　第一，城市生態系統中哪些是關鍵的、不可替代的、需要持續存在的基本生態系統服務？
　　第二，維護這些基本生態系統服務的最低生態安全格局如何確定？

1.2 城市基本生態系統服務和生態底線
　　盡管生態系統提供的四大類服務是同等重要的，但城市生態環境的條件決定了必須優先保護一些關鍵性的生態系統服務。定義生態系統服務的基本性必須同時考慮以下幾個方面：
　　（1）必不可少性：這些生態系統服務應由生態系統中的關鍵因子提供和創造，它們在生態系統中的重要性十分突出，且對人類福祉具有重大影響并且不可或缺，如水、空氣和食物；
　　（2）地域關聯性：這些生態系統服務無法從系統外輸入、不能用技術代替或代價極為高昂。例如，盡管糧食生產雖然非常重要，但它并沒有地域性，所以在大城市中并不構成城市生態系統的基本生態服務；盡管雨洪調節可以通過跨地域水利工程來實現，但成本巨大，因此應盡量在本地域內實現，也屬于土地生態系統的基本生態服務。
　　（3）尺度關聯性：生態系統過程和服務只在特定的時空尺度上才能顯著地表現出來，如水過程的調節功能的體現必須在全流域范圍內來認識。對于大城市來說，生態系統服務應重點考慮景觀和區域尺度上來考慮；
　　（4）土地關聯性：城市規劃或土地利用規劃主要通過土地利用類型和布局對生態系統進行影響，這些生態系統服務應與土地利用類型和空間布局緊密相關。
　　具有上述特性的生態系統服務可定義為城市的基本生態系統服務，包括水文調節、氣候調節、水資源供給、生物多樣性保護、文化審美與啟智等。這些生態系統服務在城市發展中是不可或缺、不可替代的，同時也是人們通過城市規劃等手段能夠進行恢復和保育的。維護這些基本生態服務的安全格局，就是城市發展的生態底線。

2 方法論：生態安全格局及其構建
　　根據景觀格局-過程原理，生態系統服務的維護需要特定的景觀格局，這個維護城市生態系統服務的空間格局就是“生態安全格局”[15-16]。如同市政基礎設施一樣，生態安全格局就是城市發展所賴以持續的生態基礎設施，它為城市及其居民提供綜合的生態系統服務，維持城市生態系統結構和過程健康與完整，是維護區域與城市生態安全、實現精明保護與精明增長、建設宜居城市的基本保障和重要途徑[17]。
　　在快速城市化和人地關系高度緊張的背景下，生態安全格局應強調最低限度的景觀生態結構對于生態系統服務的貢獻。為此，相關研究要強調最低生態安全格局的概念，即通過最少量土地的保護，保障城市最基本的生態系統服務。維護這些基本生態系統服務的安全格局就是城市擴張的“生態底線”，是城市發展不可突破的剛性格局，或者叫最少生態用地[18]。
　　20世紀90年代，生態安全格局（Ecological Security Pattern）被作為維護生態過程安全的關鍵性格局而提出來，是景觀安全格局（Landscape Security Pattern）的一種[15-16]。景觀安全格局旨在解決如何在有限的國土面積上，以最高效的景觀格局來維護土地上的生態過程，歷史文化過程，游憩過程等的健康與安全的問題。它以景觀生態學理論為基礎，基于景觀過程和格局的關系，通過景觀過程（包括城市的擴張、物種的空間運動、水和風的流動、災害過程的擴散等）的分析和模擬，來判別對這些過程的健康與安全具有關鍵意義的景觀元素、空間位置及空間聯系[18~19]。景觀安全格局還融合了可辯護規劃思想、博弈論、門檻理論、生態承載力和生態經濟學中的安全標準思想，其作為判別和建立生態安全格局的有效途徑，已在多項研究中得到應用和檢驗[19~24]。
　　本研究以中國快速城市化的典型代表——北京市為例，研究保障北京市基本生態系統服務的最低生態安全格局，以此作為城市空間發展和土地利用的生態底線。本研究可以為城市規劃和土地利用規劃提供理論和方法論方面的借鑒。

3 北京城市擴張的生態底線
3.1 北京城市生態系統服務問題與挑戰
　　當前，北京市水土資源不足、城市發展空間回旋余地小、生態系統服務的供需矛盾十分突出[25-26]。北京市基本生態服務面臨著危機與挑戰，并集中表現在以下方面：
3.1.1 調節服務下降
　　（1）水過程的自我調節
　　（a）城市硬化地表的增加和目標單一的雨洪管理方式，造成城市排水壓力加大，雨水資源白白流失。有資料表明，北京市主城區排水河道其洪峰流量比50年代大3-4倍，近年來，城區只要2-3小時出現80-100mm降水，就出現多處內澇[27]。據1985-1997年統計，扣除過境水量，多年平均汛期徑流出境水量約7.13億m3，其中大部分為城市產生的地表徑流[28]。
　　（b）城市不透水面積的增加還阻礙了地下水回補過程，加之地下水的過度開采，北京市地下水位連年下降，2007年末地下水平均埋深22.89m，比1980年末下降15.55m，儲量減少79.6億m3，并引發了濕地萎縮、地面沉降等一系列生態環境問題[29]。
　　（c）城市建設、農業圍墾占用了大量濕地，降低了濕地在消減洪峰、滯蓄洪水和提供生境等方面的能力，部分河流湖泊出現了干涸斷流的現象[30]。
　　（d）河道渠化、固化也在一定程度上加劇了水環境的惡化，而且降低了河流在蓄滯洪水、防止侵蝕、水質凈化和提供生境等多方面的生態功能[30]。
　　（2）水土保持
　　北京的自然條件導致了水土流失的問題較為突出。北京市域范圍內地形以山地為主，其中絕大部分為坡地，坡度大于25°的陡坡面積約占三分之二，這些地區水土流失范圍分布較廣，部分地區水土流失程度嚴重，是北京市山區非常突出的土地生態環境問題。截止2000年，北京市水土流失面積約占國土總面積的24.3%，其中水土流失高度敏感區主要分布在北京北部與西部地區，面積達1977.31km2[31]。
　　（3）地質災害防護
　　北京地質條件復雜，是多種地質災害的易發區。從空間分布上看，山區是泥石流、滑坡、崩塌（滑塌）、礦山地面塌陷等地質災害的集中分布區，而平原地區則存在著地裂縫、地面沉降等地質災害的威脅。在人類開發利用各種資源的過程中，一些不合理的活動，如西部煤礦開采、山區不合理的放牧和旅游開發、平原區地下水開采、建設用地位于地裂縫附近等，為地質災害的發生埋下了隱患。
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3.1.2供給服務不足
　　（1）淡水
　　水資源短缺是制約北京可持續發展的核心問題之一。目前，北京市的供水高度依賴密云水庫等大中型水庫的蓄水和地下水資源，甚至通過大型輸水工程來緩解水資源不足的現狀。然而，城市化導致水系結構和功能的改變，如硬化地表的增加和濕地的消失等，使得自然系統蓄積與調節水資源的能力大大降低，水資源短缺的狀況進一步惡化。
　　（2）糧食
　　20世紀90年代以來，由于建設占用、農業結構調整、生態退耕及自然災害損毀等原因，北京市的耕地面積顯著減少：1992-2004年間，北京市耕地面積減少1718.57km2，年均減少143. 21 km2，耕地占總用地的比例由24.88％下降到14.41％。隨著耕地面積的大幅減少，糧食供給能力受到嚴重削弱[32]。
　　（3）生命支持
　　（a）城市化、土地開墾、水資源開發利用等多種人類活動將自然生態系統轉變成人工生態系統，直接導致生物棲息地的改變，而生物棲息地的變化又引起物種喪失，這種現象在城市近郊區尤為明顯。
　　（b）隨著人類活動干擾的加劇，北京市生物棲息地還呈現破碎化、分離化的趨勢，1997 - 2002年間北京市區斑塊數量增加106.6%，斑塊平均大小下降51.6%，分離度指數增加94.3%[33]。 　　　（c）大量殘余自然斑塊和鄉土植被從城市中鏟除，代之以非鄉土物種為主的“美化”種植，這些園林綠化工程普遍缺乏生態學常識，單一的種植結構、外來物種的引入和不恰當的養護管理，使得城市生物棲息地的質量大為下降，生物的棲息、繁殖、覓食、遷徙等過程都受到嚴重干擾[34]。
3.1.3文化服務亟待保護
　　北京悠久的歷史和燦爛的文明，孕育了豐富的鄉土遺產景觀，如古老的龍山圣林、泉水溪流、古道驛站、陵墓遺跡，等等，它們對塑造城鄉景觀特色、滿足民眾的精神和游憩需求具有重要作用。然而在快速城市化進程中，這些鄉土文化遺產尚未得到應有重視，其真實性和完整性遭到了很大破壞。因此，這些鄉土遺產景觀及它們所依存的生態環境應得到系統完整的保護，形成連續、完整的綠道網絡，成為人民教育后代以及開展生態游憩和自然教育的永久空間，并與未來遍布北京市域的自行車和步行網絡及游憩系統相結合。
　　因此，在巨大的發展壓力和有限的自然資源條件下，要想實現城市可持續發展，必須保護好“生態底線”，避免城市化過程對生態系統的結構和功能產生根本性的破壞，以實現精明保護與精明增長的雙贏。
3.2 對策與途徑：構建生態安全格局，保障城市基本生態系統服務
　　基于對基本生態服務的定義，針對北京市一些關鍵性的生態系統服務狀況，選取水文、地質災害、生物、文化遺產和游憩五大過程，運用景觀安全格局理論和GIS空間分析技術，判別維護上述各種過程安全的關鍵性空間格局，即景觀安全格局，并進一步將它們整合，構建綜合景觀安全格局。基于生態系統服務的完整概念，這個綜合的景觀安全格局可稱為生態安全格局，它是保障北京城市和區域生態安全的生態基礎設施。生態安全格局提供了城市的基本生態系統服務，同時定義了城鎮形態和城鎮發展格局（如圖1所示）。
　　在這里，糧食生產并沒有作為基本的生態服務，因為北京市的糧食完全可以通過外部輸入來解決，而且也不可能在本地實現自給自足，北京市的土地不生產糧食，不會影響城市可持續發展的根本。水的供給服務部分是可以通過南水北調工程來解決的，但土地系統的水文平衡則必須通過地域內部的水系統調節服務來實現，我們不可能指望整個北京市地下水也靠南水北調來解決，因此，讓每一滴雨水就地滲入地下，應作為生態安全格局解決的重要戰略，同時，洪澇災害也必須在地域內通過水系統進行調節；這兩個方面便成為北京市生態系統服務的核心內容。對于首都的建設“宜居城市”目標而言，生物多樣性保護、地質災害防護、鄉土文化遺產保護及游憩服務，也是北京市必需的生態系統服務。 

  圖1基本生態系統服務與生態安全格局及城鎮發展格局的關系
Fig.1 The relationship between basic ecosystem services, ecological security pattern and urban growth pattern

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3.3 北京市生態安全格局和“生態底線”
　　按照圖1的技術路線，通過基于上述五大過程的系統研究[35]，得到了北京市綜合生態安全格局（圖2）。根據生態安全格局維護生態過程和格局連續性和完整性的等級，可將其劃分為低、中、高三種安全水平，分別對應底線、滿意和理想安全格局（表1）。

表1  生態安全格局的面積、劃分依據與保護策略
Tab.1 Area, classification and protection strategy for ecological security pattern

　　需要強調的是，北京市的“生態底線”不僅體現在數量上，更為重要的是，它在大地上形成了一個提供多種生態系統服務的生態功能網絡。這個格局可以表述為：以區域西、北山體和大型濕地為重要的生態源地，以林地和濕地為斑塊，通過沿水系、林帶、文化遺產線路等線性元素建立的生態廊道、文化遺產廊道和游憩廊道，構成呈基質-斑塊-廊道鑲嵌格局的生態基礎設施網絡。它提供了包括洪澇調蓄、地表和地下水資源保護、水土保持、地質災害防治、生物多樣性保護、文化遺產保護和生態游憩等在內的生態系統服務，維護了城市的基本生態安全，是北京市可持續發展和建設宜居城市的生態基礎，也是城市擴張的剛性界限。

圖2 北京市綜合生態安全格局
Fig.2 Comprehensive ecological security pattern for Beijing

 
3.4 基于生態底線的城鎮發展格局
　　在生態安全格局研究的基礎上，選取“底線安全格局”作為城市空間發展的前提，模擬未來城鎮空間發展格局（圖3）。以北京市主城區、亦莊開發區以及其他郊區縣的主要城鎮建成區等城市斑塊都作為城市空間發展的“源”，并根據人均GDP的相對大小和北京城市總體規劃（2004-2020年）中確定的新城發展規模，對城市發展潛力進行評價。

圖3 底線安全格局下的北京城鎮空間發展格局 
Fig.3 Urban growth pattern based on minimum ecological security pattern 

 
　　在分析影響城市建設用地擴張的因子基礎上，選取道路、地形（坡度）、土地利用現狀和生態基礎設施作為模擬城市空間發展的主要因子。然后根據不同景觀要素對于城市空間發展的適宜性，構建城市擴張的景觀阻力面。最后利用ArcGIS對城市空間擴展進行模擬。
模擬結果顯示（圖3），基于“低水平生態安全格局”的城鎮發展格局，由于生態安全格局嚴格的用地控制，保證了城市最基本的生態服務，構成了最低限度的生態基礎設施核心網絡。建設用地以中心城區為核心，首先進行填充式擴展，然后沿主要交通干線向外擴展，建設用地中心城區與周邊組團間有少量生態基礎設施用地。在低水平生態安全格局下，可提供建設用地和農用地約9237km2，能滿足北京市土地利用總體規劃預測的2020年3800km2 建設用地的要求，也可以同時滿足建設用地、生態用地和基本農田用地的要求。與“北京市綠地系統規劃”中的綠色空間面積（14253.6 km2）和“限建區規劃”中的禁止城鎮建設面積（13004 km2）相比，生態安全格局所占用的面積(7729 km2)更少。

4結語
　　在城市發展和生態保護的雙重壓力下，判別和保護城市的生態底線具有重要的現實意義。本文通過研究認為，城市生態底線的實質是維護最低限度生態系統服務的安全格局，也就是維護生態系統服務的最關鍵、最高效的、不可替代的土地和空間格局。生態底線保障了城市基本生態安全，是城市可持續發展的生態保障，應作為城市規劃的根本前提和城市建設不可逾越的剛性界限。
　　這正是城市“反規劃”的核心理念，即：城市的發展建設規劃必須以土地的生態過程和格局為依據和基礎，優先進行不建設區域的控制，再根據社會經濟發展需要進行建設用地規劃和布局[36-37]。這個不建設區域就是本文所論述的生態底線。因此，“反規劃”在我國的現實和理論意義就在于它強調在城市規劃中優先保護城市的生態底線，是實現城市精明保護與精明增長的有效途徑。“反規劃”及生態底線，強調優先保護基本生態系統服務的安全格局，通過對生態過程的系統分析和模擬，在大地上形成了具有多種功能的生態設施網絡，這與傳統規劃中的綠化隔離帶規劃、禁限建區規劃，在目的、功能、劃分方法和空間形態等方面存在著本質差異。
　　本文以北京市為例，對城市生態安全格局及基于低水平安全格局的城鎮發展格局進行研究，結果顯示：進行生態環境保護并不在于必須犧牲很多或更多的建設用地，也不必以犧牲土地利用的經濟價值為代價，而是可以通過科學合理的空間格局的設計，用盡可能少的土地，來保障城市基本生態系統服務及其安全格局，同時滿足城市發展的要求；這一預景還揭示了城市的空間格局是土地的生態過程和格局所界定的，是由城市的生態底線定義的，而不應該用一個意象的城市空間形態來規劃。
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