北京城市扩张的生态底线

1 引言
1.1 关于生态系统服务和安全格局
　　生态系统服务(Ecosystems services)是人类从生态系统中获得的产品和服务，是人类赖以生存的恩惠之源。通常，生态系统服务被归纳为4类：调节服务、供给服务、支持功能和文化服务[1-7]。然而在我国快速城市化进程中，不合理的人类活动极大地改变了生态系统的结构，导致生态系统提供服务的能力降低，严重威胁可持续发展和居民生活质量。如何在巨大的发展压力和较为脆弱的生态条件下，有效地维护和恢复城市的生态系统服务，协调城市发展和生态保护之间的矛盾，实现精明发展与精明保护，已成为当代中国学术界和政府决策部门所必须面对的严峻挑战。正如保护基本农田已成为我国粮食安全的底线一样，维护城市基本生态系统服务也应该成为我国城市生态安全的底线。
　　当前，我国学者在城市生态系统服务价值评估、生态系统健康评价、景观格局变化与生态效应、生态安全等方面展开了卓有成效的研究[8-14]。然而，对于人地关系高度紧张的快速城市化地区来说，更具现实意义的问题是：如何判别和保护城市扩张的生态底线？这方面的探讨有待进一步开展。从土地规划和城市空间扩张的角度来说，城市生态安全的底线是维护最低限度生态系统服务的安全格局。我们在城市规划和建设时，必须优先识别和保护自然提供的关键生态系统服务以及维护这些服务的空间格局，然后适应性地选择我们的栖息地，来确定我们城市的形态和空间格局。
　　确定生态系统服务的安全格局需要明确两个问题：
　　第一，城市生态系统中哪些是关键的、不可替代的、需要持续存在的基本生态系统服务？
　　第二，维护这些基本生态系统服务的最低生态安全格局如何确定？

1.2 城市基本生态系统服务和生态底线
　　尽管生态系统提供的四大类服务是同等重要的，但城市生态环境的条件决定了必须优先保护一些关键性的生态系统服务。定义生态系统服务的基本性必须同时考虑以下几个方面：
　　（1）必不可少性：这些生态系统服务应由生态系统中的关键因子提供和创造，它们在生态系统中的重要性十分突出，且对人类福祉具有重大影响并且不可或缺，如水、空气和食物；
　　（2）地域关联性：这些生态系统服务无法从系统外输入、不能用技术代替或代价极为高昂。例如，尽管粮食生产虽然非常重要，但它并没有地域性，所以在大城市中并不构成城市生态系统的基本生态服务；尽管雨洪调节可以通过跨地域水利工程来实现，但成本巨大，因此应尽量在本地域内实现，也属于土地生态系统的基本生态服务。
　　（3）尺度关联性：生态系统过程和服务只在特定的时空尺度上才能显著地表现出来，如水过程的调节功能的体现必须在全流域范围内来认识。对于大城市来说，生态系统服务应重点考虑景观和区域尺度上来考虑；
　　（4）土地关联性：城市规划或土地利用规划主要通过土地利用类型和布局对生态系统进行影响，这些生态系统服务应与土地利用类型和空间布局紧密相关。
　　具有上述特性的生态系统服务可定义为城市的基本生态系统服务，包括水文调节、气候调节、水资源供给、生物多样性保护、文化审美与启智等。这些生态系统服务在城市发展中是不可或缺、不可替代的，同时也是人们通过城市规划等手段能够进行恢复和保育的。维护这些基本生态服务的安全格局，就是城市发展的生态底线。

2 方法论：生态安全格局及其构建
　　根据景观格局-过程原理，生态系统服务的维护需要特定的景观格局，这个维护城市生态系统服务的空间格局就是“生态安全格局”[15-16]。如同市政基础设施一样，生态安全格局就是城市发展所赖以持续的生态基础设施，它为城市及其居民提供综合的生态系统服务，维持城市生态系统结构和过程健康与完整，是维护区域与城市生态安全、实现精明保护与精明增长、建设宜居城市的基本保障和重要途径[17]。
　　在快速城市化和人地关系高度紧张的背景下，生态安全格局应强调最低限度的景观生态结构对于生态系统服务的贡献。为此，相关研究要强调最低生态安全格局的概念，即通过最少量土地的保护，保障城市最基本的生态系统服务。维护这些基本生态系统服务的安全格局就是城市扩张的“生态底线”，是城市发展不可突破的刚性格局，或者叫最少生态用地[18]。
　　20世纪90年代，生态安全格局（Ecological Security Pattern）被作为维护生态过程安全的关键性格局而提出来，是景观安全格局（Landscape Security Pattern）的一种[15-16]。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来维护土地上的生态过程，历史文化过程，游憩过程等的健康与安全的问题。它以景观生态学理论为基础，基于景观过程和格局的关系，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健康与安全具有关键意义的景观元素、空间位置及空间联系[18~19]。景观安全格局还融合了可辩护规划思想、博弈论、门槛理论、生态承载力和生态经济学中的安全标准思想，其作为判别和建立生态安全格局的有效途径，已在多项研究中得到应用和检验[19~24]。
　　本研究以中国快速城市化的典型代表——北京市为例，研究保障北京市基本生态系统服务的最低生态安全格局，以此作为城市空间发展和土地利用的生态底线。本研究可以为城市规划和土地利用规划提供理论和方法论方面的借鉴。

3 北京城市扩张的生态底线
3.1 北京城市生态系统服务问题与挑战
　　当前，北京市水土资源不足、城市发展空间回旋余地小、生态系统服务的供需矛盾十分突出[25-26]。北京市基本生态服务面临着危机与挑战，并集中表现在以下方面：
3.1.1 调节服务下降
　　（1）水过程的自我调节
　　（a）城市硬化地表的增加和目标单一的雨洪管理方式，造成城市排水压力加大，雨水资源白白流失。有资料表明，北京市主城区排水河道其洪峰流量比50年代大3-4倍，近年来，城区只要2-3小时出现80-100mm降水，就出现多处内涝[27]。据1985-1997年统计，扣除过境水量，多年平均汛期径流出境水量约7.13亿m3，其中大部分为城市产生的地表径流[28]。
　　（b）城市不透水面积的增加还阻碍了地下水回补过程，加之地下水的过度开采，北京市地下水位连年下降，2007年末地下水平均埋深22.89m，比1980年末下降15.55m，储量减少79.6亿m3，并引发了湿地萎缩、地面沉降等一系列生态环境问题[29]。
　　（c）城市建设、农业围垦占用了大量湿地，降低了湿地在消减洪峰、滞蓄洪水和提供生境等方面的能力，部分河流湖泊出现了干涸断流的现象[30]。
　　（d）河道渠化、固化也在一定程度上加剧了水环境的恶化，而且降低了河流在蓄滞洪水、防止侵蚀、水质净化和提供生境等多方面的生态功能[30]。
　　（2）水土保持
　　北京的自然条件导致了水土流失的问题较为突出。北京市域范围内地形以山地为主，其中绝大部分为坡地，坡度大于25°的陡坡面积约占三分之二，这些地区水土流失范围分布较广，部分地区水土流失程度严重，是北京市山区非常突出的土地生态环境问题。截止2000年，北京市水土流失面积约占国土总面积的24.3%，其中水土流失高度敏感区主要分布在北京北部与西部地区，面积达1977.31km2[31]。
　　（3）地质灾害防护
　　北京地质条件复杂，是多种地质灾害的易发区。从空间分布上看，山区是泥石流、滑坡、崩塌（滑塌）、矿山地面塌陷等地质灾害的集中分布区，而平原地区则存在着地裂缝、地面沉降等地质灾害的威胁。在人类开发利用各种资源的过程中，一些不合理的活动，如西部煤矿开采、山区不合理的放牧和旅游开发、平原区地下水开采、建设用地位于地裂缝附近等，为地质灾害的发生埋下了隐患。
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3.1.2供给服务不足
　　（1）淡水
　　水资源短缺是制约北京可持续发展的核心问题之一。目前，北京市的供水高度依赖密云水库等大中型水库的蓄水和地下水资源，甚至通过大型输水工程来缓解水资源不足的现状。然而，城市化导致水系结构和功能的改变，如硬化地表的增加和湿地的消失等，使得自然系统蓄积与调节水资源的能力大大降低，水资源短缺的状况进一步恶化。
　　（2）粮食
　　20世纪90年代以来，由于建设占用、农业结构调整、生态退耕及自然灾害损毁等原因，北京市的耕地面积显著减少：1992-2004年间，北京市耕地面积减少1718.57km2，年均减少143. 21 km2，耕地占总用地的比例由24.88％下降到14.41％。随着耕地面积的大幅减少，粮食供给能力受到严重削弱[32]。
　　（3）生命支持
　　（a）城市化、土地开垦、水资源开发利用等多种人类活动将自然生态系统转变成人工生态系统，直接导致生物栖息地的改变，而生物栖息地的变化又引起物种丧失，这种现象在城市近郊区尤为明显。
　　（b）随着人类活动干扰的加剧，北京市生物栖息地还呈现破碎化、分离化的趋势，1997 - 2002年间北京市区斑块数量增加106.6%，斑块平均大小下降51.6%，分离度指数增加94.3%[33]。 　　　（c）大量残余自然斑块和乡土植被从城市中铲除，代之以非乡土物种为主的“美化”种植，这些园林绿化工程普遍缺乏生态学常识，单一的种植结构、外来物种的引入和不恰当的养护管理，使得城市生物栖息地的质量大为下降，生物的栖息、繁殖、觅食、迁徙等过程都受到严重干扰[34]。
3.1.3文化服务亟待保护
　　北京悠久的历史和灿烂的文明，孕育了丰富的乡土遗产景观，如古老的龙山圣林、泉水溪流、古道驿站、陵墓遗迹，等等，它们对塑造城乡景观特色、满足民众的精神和游憩需求具有重要作用。然而在快速城市化进程中，这些乡土文化遗产尚未得到应有重视，其真实性和完整性遭到了很大破坏。因此，这些乡土遗产景观及它们所依存的生态环境应得到系统完整的保护，形成连续、完整的绿道网络，成为人民教育后代以及开展生态游憩和自然教育的永久空间，并与未来遍布北京市域的自行车和步行网络及游憩系统相结合。
　　因此，在巨大的发展压力和有限的自然资源条件下，要想实现城市可持续发展，必须保护好“生态底线”，避免城市化过程对生态系统的结构和功能产生根本性的破坏，以实现精明保护与精明增长的双赢。
3.2 对策与途径：构建生态安全格局，保障城市基本生态系统服务
　　基于对基本生态服务的定义，针对北京市一些关键性的生态系统服务状况，选取水文、地质灾害、生物、文化遗产和游憩五大过程，运用景观安全格局理论和GIS空间分析技术，判别维护上述各种过程安全的关键性空间格局，即景观安全格局，并进一步将它们整合，构建综合景观安全格局。基于生态系统服务的完整概念，这个综合的景观安全格局可称为生态安全格局，它是保障北京城市和区域生态安全的生态基础设施。生态安全格局提供了城市的基本生态系统服务，同时定义了城镇形态和城镇发展格局（如图1所示）。
　　在这里，粮食生产并没有作为基本的生态服务，因为北京市的粮食完全可以通过外部输入来解决，而且也不可能在本地实现自给自足，北京市的土地不生产粮食，不会影响城市可持续发展的根本。水的供给服务部分是可以通过南水北调工程来解决的，但土地系统的水文平衡则必须通过地域内部的水系统调节服务来实现，我们不可能指望整个北京市地下水也靠南水北调来解决，因此，让每一滴雨水就地渗入地下，应作为生态安全格局解决的重要战略，同时，洪涝灾害也必须在地域内通过水系统进行调节；这两个方面便成为北京市生态系统服务的核心内容。对于首都的建设“宜居城市”目标而言，生物多样性保护、地质灾害防护、乡土文化遗产保护及游憩服务，也是北京市必需的生态系统服务。 

  图1基本生态系统服务与生态安全格局及城镇发展格局的关系
Fig.1 The relationship between basic ecosystem services, ecological security pattern and urban growth pattern

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3.3 北京市生态安全格局和“生态底线”
　　按照图1的技术路线，通过基于上述五大过程的系统研究[35]，得到了北京市综合生态安全格局（图2）。根据生态安全格局维护生态过程和格局连续性和完整性的等级，可将其划分为低、中、高三种安全水平，分别对应底线、满意和理想安全格局（表1）。

表1  生态安全格局的面积、划分依据与保护策略
Tab.1 Area, classification and protection strategy for ecological security pattern

　　需要强调的是，北京市的“生态底线”不仅体现在数量上，更为重要的是，它在大地上形成了一个提供多种生态系统服务的生态功能网络。这个格局可以表述为：以区域西、北山体和大型湿地为重要的生态源地，以林地和湿地为斑块，通过沿水系、林带、文化遗产线路等线性元素建立的生态廊道、文化遗产廊道和游憩廊道，构成呈基质-斑块-廊道镶嵌格局的生态基础设施网络。它提供了包括洪涝调蓄、地表和地下水资源保护、水土保持、地质灾害防治、生物多样性保护、文化遗产保护和生态游憩等在内的生态系统服务，维护了城市的基本生态安全，是北京市可持续发展和建设宜居城市的生态基础，也是城市扩张的刚性界限。

图2 北京市综合生态安全格局
Fig.2 Comprehensive ecological security pattern for Beijing

 
3.4 基于生态底线的城镇发展格局
　　在生态安全格局研究的基础上，选取“底线安全格局”作为城市空间发展的前提，模拟未来城镇空间发展格局（图3）。以北京市主城区、亦庄开发区以及其他郊区县的主要城镇建成区等城市斑块都作为城市空间发展的“源”，并根据人均GDP的相对大小和北京城市总体规划（2004-2020年）中确定的新城发展规模，对城市发展潜力进行评价。

图3 底线安全格局下的北京城镇空间发展格局 
Fig.3 Urban growth pattern based on minimum ecological security pattern 

 
　　在分析影响城市建设用地扩张的因子基础上，选取道路、地形（坡度）、土地利用现状和生态基础设施作为模拟城市空间发展的主要因子。然后根据不同景观要素对于城市空间发展的适宜性，构建城市扩张的景观阻力面。最后利用ArcGIS对城市空间扩展进行模拟。
模拟结果显示（图3），基于“低水平生态安全格局”的城镇发展格局，由于生态安全格局严格的用地控制，保证了城市最基本的生态服务，构成了最低限度的生态基础设施核心网络。建设用地以中心城区为核心，首先进行填充式扩展，然后沿主要交通干线向外扩展，建设用地中心城区与周边组团间有少量生态基础设施用地。在低水平生态安全格局下，可提供建设用地和农用地约9237km2，能满足北京市土地利用总体规划预测的2020年3800km2 建设用地的要求，也可以同时满足建设用地、生态用地和基本农田用地的要求。与“北京市绿地系统规划”中的绿色空间面积（14253.6 km2）和“限建区规划”中的禁止城镇建设面积（13004 km2）相比，生态安全格局所占用的面积(7729 km2)更少。

4结语
　　在城市发展和生态保护的双重压力下，判别和保护城市的生态底线具有重要的现实意义。本文通过研究认为，城市生态底线的实质是维护最低限度生态系统服务的安全格局，也就是维护生态系统服务的最关键、最高效的、不可替代的土地和空间格局。生态底线保障了城市基本生态安全，是城市可持续发展的生态保障，应作为城市规划的根本前提和城市建设不可逾越的刚性界限。
　　这正是城市“反规划”的核心理念，即：城市的发展建设规划必须以土地的生态过程和格局为依据和基础，优先进行不建设区域的控制，再根据社会经济发展需要进行建设用地规划和布局[36-37]。这个不建设区域就是本文所论述的生态底线。因此，“反规划”在我国的现实和理论意义就在于它强调在城市规划中优先保护城市的生态底线，是实现城市精明保护与精明增长的有效途径。“反规划”及生态底线，强调优先保护基本生态系统服务的安全格局，通过对生态过程的系统分析和模拟，在大地上形成了具有多种功能的生态设施网络，这与传统规划中的绿化隔离带规划、禁限建区规划，在目的、功能、划分方法和空间形态等方面存在着本质差异。
　　本文以北京市为例，对城市生态安全格局及基于低水平安全格局的城镇发展格局进行研究，结果显示：进行生态环境保护并不在于必须牺牲很多或更多的建设用地，也不必以牺牲土地利用的经济价值为代价，而是可以通过科学合理的空间格局的设计，用尽可能少的土地，来保障城市基本生态系统服务及其安全格局，同时满足城市发展的要求；这一预景还揭示了城市的空间格局是土地的生态过程和格局所界定的，是由城市的生态底线定义的，而不应该用一个意象的城市空间形态来规划。
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