基于生态系统服务价值的城市增长边界划定研究:以衡阳市中心城区为例

黄傅强，王志远，刘 慧，齐增湘①，吴欣昕

(1.南华大学建筑学院，湖南 衡阳 421001；2.生态型区域-城市环境规划与管理衡阳市重点实验室，湖南 衡阳 421001；3.中山大学地理科学与规划学院，广东 广州 510275)

城市空间快速扩张导致城市农用地及生态用地骤减，造成生态系统服务功能削弱与退化[1]，严重影响区域生态系统平衡。同时，作为指导城市发展的城市总体规划主要注重对建设用地和空间资源的配置，忽视城市生态系统服务功能内涵[2]，导致对人居环境改善缺乏有效引导。随着国家生态文明改革的进一步推进，如何引导城市有序发展，保障生态安全和提升生态系统服务价值成为落实生态文明战略的重要路径。

构建区域生态安全格局是保障生态安全的必然途径[3]，而生态系统服务作为人类赖以生存和发展的自然环境条件和效用[4]，对保障生态安全格局具有重要意义。当前有关研究主要集中在生态系统服务价值分类[5]、定量核算[6-7]和生态安全格局构建[8-10]等方面。这些研究为探索城市发展对生态服务功能与生态安全的影响奠定基础，但由于缺乏生态研究在城市规划中的先导性应用，导致土地所提供的生态系统服务功能在快速城镇化进程中逐渐退化和丧失，给区域生态安全带来巨大挑战。

城市增长边界作为欧美国家治理城市无序蔓延的政策工具[11]，对遏制城市无序扩张、引导城市有序发展、优化城市空间布局和提高城市土地利用效率具有重要意义。我国对城市增长边界的研究源于20世纪90年代末，研究重点由国外经验介绍[12]、城市增长边界概念内涵探讨[13]转向城市增长边界划定实践[14]。尤其自2006年《城市规划编制办法》提出划定城市增长边界以来，众多学者对城市增长边界的划定方法进行大量研究，主要分为以下两类：一是基于“反规划”理念，从生态敏感性[15]、生态适宜性[16]以及生态安全格局[17]角度，划定城市限制或禁止发展区域，此类方法主要关注区域生态因素，对城市自身发展缺乏有效引导；二是利用元胞自动机(cellular automata，CA)及其各种延伸版本(CC-CA[18]、GIA-CA[19]、SLEUTH[20]、CA-Markov[21]、多智能体[22]等模型)模拟城市建设用地扩张，为城市增长边界的划定提供重要决策依据。但大部分模型忽略各土地类型间的联系，难以体现不同土地的竞争及相互作用。未来土地利用模拟(future land-use simulation，FLUS)模型结合CA、人工神经网络(artificial neural network，ANN)和自适应惯性竞争机制，解决了传统元胞自动机中转换规则及参数确定复杂等问题，能很好地实现人类活动与自然条件影响下的城市增长形态模拟，可为城市增长边界划定提供有力依据。

基于上述背景和问题，该文以衡阳市中心城区为例，探索城市增长边界划定的一种方法。采用谢高地等[23]提出的当量因子法对区域生态系统服务价值进行核算，以生态系统服务价值为基础构建区域生态安全格局，通过耦合城市生态安全格局与基于FLUS模型的城市扩张模拟结果划定城市增长边界，以期在保证区域生态安全的前提下，为城市发展提供有利的用地保障，为衡阳市城市总体规划、国土空间规划及生态保护提供参考。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

衡阳市地处湖南省中南部，湘江中游，衡山之南，是湖南省域副中心城市、中南地区重要工业城市、区域性物流中心和国家生态文明先行示范区。衡阳市在环长株潭城市群和湘南地区发挥着区域中心作用，承担带动湘南地区发展的重任。研究区域为衡阳市中心城区，地处北纬26°45′5″～27°1′19″，东经112°29′7″～112°43′55″，包括石鼓区、雁峰区、珠晖区和蒸湘区，总面积约为51 431.46 hm2(图1)。中心城区作为衡阳市区域经济的龙头，近年来经济与社会发展迅速，造成城市空间快速扩张，城市建设侵蚀大量生态用地，破坏生态环境，对城市的可持续发展形成了巨大挑战。

1.2 数据来源与处理

1.2.1土地利用数据

采用的遥感影像从地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn)下载，得到2005和2015年LandSat TM同期影像，空间分辨率为30 m×30 m。根据研究需要，采用目视解译方式将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、城市建设用地、其他建设用地和未利用地7个类型(图2)。影像分类Kappa系数均超过80%，达到研究需要。

1.2.2空间驱动因子

综合现有对城市空间扩张驱动机制[24]的研究，城市空间扩张主要受自然和人类活动影响。基于文献调研和研究区城镇化现状，选取高程、坡度、坡向以及到水系的距离作为影响城市空间扩张的自然驱动要素；选取到铁路、高速公路、国道、省道、县道、城市中心、城镇中心、火车站的距离作为与城镇化紧密相关的人类活动影响要素。所有因子在ArcGIS中的可视化结果见图3。分析过程中，以上所有栅格数据的像元大小均为30 m×30 m。

图1 衡阳市中心城区各区区位

图2 2005—2015年衡阳市中心城区土地利用分类

1.3 研究方法

1.3.1基于生态系统服务价值的生态安全格局构建

“选取生态源地-建立阻力面-构建生态安全格局”的方法框架，已在生态安全格局研究中得到应用[8]。基于生态系统服务价值的生态安全格局构建步骤如下：

(1)根据生态系统服务价值评估结果选取生态源地。基于谢高地等[23]改进后的中国陆地生态系统单位面积服务价值当量表，根据2005—2015年《湖南省统计年鉴》中的粮食经济数据以及1个生态系统服务价值当量因子的经济价值等于当年全国平均粮食单产市场价格1/7的原则[25]，计算得到衡阳市1个生态系统服务价值当量因子经济价值约为2 849.55元·hm-2，最终得到研究区生态系统服务价值系数(表1)。研究区2005—2015年静态生态系统服务价值量计算公式为

(1)

VES，f=∑Ai×VC，f，i。

(2)

式(1)～(2)中，VES为生态系统服务价值，元；Ai为第i种土地类型面积，hm2；VC，i为第i种土地类型的单位面积生态系统服务总价值，元·hm-2·a-1；VES，f为生态系统第f项服务价值,元；VC，f，i为第i种土地类型的单位面积第f项生态系统服务总价值，元·hm-2·a-1。

图3 城市空间扩张的驱动因子

表1 衡阳市中心城区各土地利用类型生态系统服务价值系数

(2)根据生态适宜性判别空间阻力。生态适宜性由生境类型质量和生态系统服务价值综合确定，生态适宜性越高，阻力值越小，反之越大。为了区分各项生态系统服务的重要程度，根据文献[26]对其进行价值重构，其表达式为

(3)

(3)构建生态安全格局。利用ArcGIS 10.2软件中的成本距离分析方法，以现状生态源地为增长“源”，得到每个栅格到成本阻力面上最近“源”的最小累积成本距离。利用二分之一标准差法[27]，根据生态源地的空间分布以及累积阻力值的突变情况将研究区划分为低、中、高3个生态安全等级区域，剔除少量位于低生态安全格局区域内的孤立破碎斑块得到城市刚性增长边界。

1.3.2城市建设用地规模预测

城市建设用地规模是划定城市增长边界的前提，通常采用人均城市建设用地指标乘以预测城市人口规模的方法确定。人均城市建设用地指标以100 m2·人-1计算[28]。针对城市人口规模预测失准的现实[29]，此次人口规模预测采用队列要素法。队列要素法因其在人口规模预测上的动态、准确、具象和灵活的特征被广泛运用于人口规模预测[30]。队列要素法认为，人口年龄结构是过去人口年龄结构演变的结果，主要受出生、死亡和人口迁移，即人口的自然增长和机械增长的影响。将人口按5岁年龄分组，即分为0，4，9，…，85岁以上共18组，未来人口数量(Py)计算公式为

(4)

每个年龄组5 a后的人数(Py,s,i)计算公式为

Py,s,i=Py-5,s,i-5×βs,i+Py-5×θ×θi×θs。

(5)

新生儿人数(Py,s,0)计算公式为

(6)

老年人存活人数(Py,s,85+)计算公式为

Py,s,85+=(Py-5,s,80+Py-5,s,85+)×βs,85。

(7)

式(4)～(7)中，y为年份；s为性别；i为年龄组；Py为年份y的常住人口；Py,s,i为y年份性别s年龄组i的人口数量；θ为总净迁入人口比例；θi为净迁入人口在各年龄组的分布，θs为净迁入人口的性别分布，其中，各年龄组θi、θs之和均为1；αi为年龄组i的妇女生育率；βs,i为不同性别各个年龄组的5 a存活率；γs为新生儿性别比。

1.3.3基于FLUS模型的城市建设用地扩张情景模拟

FLUS模型[31-32]源自CA，在CA的基础上耦合ANN模型分析各土地利用之间相互转换的可能性，并在空间上进行配置。首先，利用FLUS模型中的3层反向传播(back propagation，BP)神经网络模型，并根据所选取的空间驱动因子对每个栅格土地利用类型进行评估训练，得到其发展概率。其次，根据每个栅格土地利用类型发展概率与其邻域影响和自适应系数计算总体概率，得到每个栅格土地利用类型的总体转换概率。在计算得到总概率的基础上，FLUS模型可通过轮盘赌选择模型来实现各类用地类型之间的转换，更好地反映现实土地利用变化的不确定性与土地利用的交替变化，从而体现出各类土地利用类型之间的竞争。最后，结合土地利用规模阈值，结束模型迭代，得到最终的土地利用空间分布。

为分析中心城区在考虑生态系统服务功能的限制开发条件与否的城市建设用地空间布局对生态系统服务价值的影响，模拟生态保护情景和基准情景2种情景。生态保护情景考虑生态系统服务功能的限制开发条件，将城市刚性增长边界内的区域作为城市扩张模拟中的限制条件；基准情景不考虑与城市规划相关的保护、控制等因素，但根据刘耀林等[33]的研究结果以及研究区实际情况，将湘江及其支流耒水和蒸水作为城市扩张模拟中的限制条件。

2 研究结果

2.1 衡阳市中心城区生态系统服务价值评估

表2显示，2005—2015年衡阳市中心城区生态系统服务价值总量由25.71亿元下降到24.75亿元，共减少0.96亿元。从单项生态系统服务价值变化来看，水文调节和水资源供给服务功能价值量呈增加趋势，其余各项生态系统服务价值逐年降低。在研究期内，水文调节价值量增加最多，为0.17亿元；其次为水资源供给功能，为0.11亿元。气候调节的价值量减少最多，为0.40亿元。气体调节、土壤保持和生物多样性损失程度相近，均在0.1亿～0.2亿元之间。食物生产、净化环境、原料生产、美学景观和维持养分循环功能损失量相对较少，均在0.1亿元以下。

表2 2005—2015年衡阳市中心城区生态系统服务价值

从单项生态系统服务价值重要度来看，水文调节和气候调节为区域重要生态系统服务功能，水资源供给、气体调节、土壤保持和生物多样性为区域较重要生态系统服务功能，食物生产、原料生产、净化环境、维持养分循环和美学景观为区域一般重要生态系统服务功能。

2.2 生态安全格局构建及城市刚性增长边界划定

2.2.1基于生态系统服务价值的源地识别及阻力面构建

区域生态系统服务价值越大，表明该区域的生态贡献越大，越有利于区域生态安全，同时生态系统生物多样性服务功能高的地区能为物种提供良好生境。根据2015年生态系统服务价值核算结果，选取价值量大于5 000万元的水域和林地斑块作为生态源地。

根据各类生态用地单位面积生态系统服务价值(表1)、不同生态系统服务重要度系数(表2)以及不同生境类型生境质量权重[34]，对耕地、林地、草地、水域和未利用地景观阻力进行赋值，建设用地根据其生境情况赋予相对的成本阻力值[17]，最终得到不同景观类型成本阻力值(表3)。利用ArcGIS 10.2软件中的成本距离分析方法，以现状生态源地为增长“源”〔图4(a)〕，得到每个栅格到成本阻力面上最近“源”的最小累积成本距离〔图4(b)〕。

表3 不同生境类型生境质量权重及阻力值

图4 衡阳市中心城区生态源地和累积阻力值

2.2.2生态安全格局构建及城市刚性增长边界划定结果

生态安全格局构建结果见图5(a)。低生态安全格局面积为17 174.43 hm2，占区域面积的33.39%，是城市的生态底线，对维护区域生态系统稳定起到关键作用；中生态安全格局面积为26 881.11 hm2，占区域面积的52.27%，该区域生态系统结构稳定，抗外界活动干扰能力较强，对区域生态环境不会产生重大影响；高生态安全格局面积为7 377.48 hm2，占区域面积的14.34%，区域内生态系统抗干扰能力最强。

城市刚性增长边界划定结果见图5(b)。城市刚性增长边界沿湘江及其支流耒水和蒸水两侧分布，形成“三廊、三片”的空间结构。此边界可最大限度地保护各类生态用地，维持区域生态系统结构完整。由表4可知，城市刚性增长边界区域面积为17 325.72 hm2，占研究区总面积的33.69%。珠晖区、蒸湘区、雁峰区和石鼓区的城市刚性增长边界面积分别为10 926.00、2 872.71、2 088.90和1 438.11 hm2。可以看出珠晖区限制发展的区域最大，未来城市发展和生态保护之间的矛盾将更为突出。

图5 衡阳市中心城区生态安全格局及刚性增长边界划定

表4 各行政区城市刚性增长边界面积

2.3 城市建设用地扩张模拟及弹性增长边界划定

2.3.1FLUS精度校验

将遥感解译得到的7类用地类型分为城市建设用地和非城市建设用地2类，结果见图6(a)～(b)。通过FLUS模型模拟得到基准情景下2015年衡阳市中心城区土地利用情况，模拟结果见图6(c)。引入Kappa系数、总体精度(OA)和Fom系数对FLUS模型精度进行验证。

图6 基准情景下衡阳市中心城区2005—2015年城市建设用地动态模拟及实际情况对比

通过计算得到Kappa值为0.82，OA值为96.02%，Fom值为0.26，表明FLUS模型模拟精度较高，能够较好地模拟未来城市建设用地的发展。

2.3.2基于生态系统服务价值优化的2030年城市建设用地情景模拟

根据第六次人口普查结果，利用队列要素法预测得到2030年衡阳市中心城区人口为2 009 011人，计算得到2030年研究区城市建设用地面积为20 090.11 hm2。结合FLUS模型校验过程中的参数设置，预测模拟得到2030年城市建设用地空间分布(图7)。

图7 2030年不同情景下衡阳市中心城区城市建设用地模拟结果

未来中心城区的扩张主要表现为以城市为中心的圈层式蔓延扩张和沿道路、河流两侧的轴向扩张，而且具有明显的空间异向性。2030年各行政区范围内新增城市建设用地面积见表5。与基准情景相比，生态保护情景下新增城市建设用地在各区域分布比较均匀，珠晖区新增建设用地大大减少，由39.45%下降至20.14%，缓解了珠晖区城市发展与生态保护的矛盾；石鼓区新增城市建设用地由19.90%上升至29.50%；雁峰区新增城市建设用地由17.23%上升至24.33%；蒸湘区新增城市建设用地面积略有提升。

表5 2030年衡阳市中心城区各行政区范围内新增城市建设用地面积

根据《衡阳市城市总体规划(2006—2020年)》，未来中心城区主要向城市东部和南部发展，西部和北部区域以完善提升经济建设开发区建设为主。这表明对生态系统服务功能的限制开发条件加以严格约束后，中心城区发展形态更加契合城市未来的发展方向。

新增城市建设用地的来源及侵占生态系统服务价值情况见表6。两种情景下新增城市建设用地主要来源于对耕地、林地和其他建设用地的侵占。与基准情景相比，生态保护情景下水域、耕地和其他建设用地得到保护，面积分别增加235.98、253.80和16.56 hm2，林地和草地侵占面积均多于基准情景。这主要是因为城市建设用地减少对低生态安全格局区域内水域和耕地的侵占，转向对中、高生态安全格局区域内林地和草地的侵占。

与基准情景相比，生态保护情景下城市建设用地对水域和耕地生态系统服务价值侵占量分别减少0.85亿和0.04亿元。对其他地类生态系统服务价值侵占量均增加，其中，林地侵占量差值最大，为0.28亿元。区域生态系统服务总价值由基准情景的19.96亿元上升到生态保护情景的20.57亿元，提高0.61亿元。这表明考虑生态系统服务功能的限制开发后，城市扩张的生态成本降低，区域生态系统服务总价值得到提高，更利于区域生态系统服务功能维持和区域生态安全的发展。

2.3.32030年城市弹性增长边界划定结果

剔除少量孤立破碎的城市建设用地斑块，得到2030年研究区城市弹性增长边界(图8)。经统计可得弹性增长边界面积为20 238.57 hm2，占研究区总面积的39.35%。城市弹性增长边界被湘江及其支流蒸水和耒水划分，空间呈“一个中心、多个组团”分布，在蒸湘区、石鼓区和雁峰区形成范围较大且相对连续的增长边界，珠晖区增长边界比较分散，范围相对较小，形状较不规则，同时还存在一些零碎的城市增长边界。蒸湘区、石鼓区、珠晖区和雁峰区剩余可建设用地面积分别为2 618.37、4 363.65、5 432.85和1 615.86 hm2。

表6 模拟2030年城市建设用地侵占土地类型面积及生态系统服务价值

图8 模拟2030年衡阳市中心城区城市增长边界

3 讨论与结论

以衡阳市中心城区为例，以生态系统服务价值评估为基础构建城市生态安全格局，通过耦合城市生态安全格局与基于FLUS模型的城市扩张模拟结果划定城市增长边界，得出以下结论：

(1)2005—2015年，研究区生态系统服务价值总量从25.71亿元下降至24.75亿元。其中，水文调节和水资源供给服务功能价值量呈上升趋势，其余各项生态系统服务价值呈下降趋势。水文调节和气候调节为区域重要生态系统服务功能；水资源供给、气体调节、土壤保持和生态多样性为区域较重要生态系统服务功能；食物生产、原料生产、净化环境、维持养分循环和美学景观为区域一般重要生态系统服务功能。

(2)研究区可分为低、中、高3个等级生态安全格局区域，面积分别为17 174.43、26 881.11和7 377.48 hm2。划定的城市刚性增长边界面积为17 325.72 hm2，占研究区总面积的33.69%，沿湘江及其支流耒水和蒸水两侧分布，形成“三廊、三片”的空间结构。

(3)考虑生态系统服务功能的限制开发条件后，城市扩张的生态成本降低，区域生态系统服务总价值得到提高，区域生态安全得到保障。2030年研究区城市弹性增长边界面积为20 238.57 m2，占研究区总面积的39.35%，空间形态呈“一个中心区、多个组团”分布。蒸湘区、石鼓区和雁峰区形成范围较大且相对连续的增长边界，珠晖区增长边界比较分散。

构建生态安全格局，划定城市增长边界是保障生态安全、促进城市可持续发展的重要手段。基于生态系统服务价值评估构建区域生态安全格局，虽然生态系统服务价值评估已经成为生态资产定价和环境影响评估的一种使用最广泛的方法，但其仍存在一定的局限性[23]，未来需对生态系统服务评估方法做进一步探索和研究。

利用城市扩张模拟划定城市弹性增长边界可避免划定过程中的主观因素影响，也可应对快速城镇化背景下城市发展复杂多变的需求。然而，城市扩张是一个动态复杂的过程，模拟结果与模型本身和数据收集等客观原因有着密切关系。受资料获取的限制，城市扩张模拟还应该考虑其他相关因素，如经济发展、政策等因素。因FLUS模型曾被用于中国土地利用变化模拟以及珠江三角洲城市增长模拟[31-32]，模型的可靠性和有效性已得到验证，笔者直接选用了FLUS模型，但对不同模型间的模拟结果和精度没有进行对比，因此在后续研究中应加强城市扩张驱动机制研究和不同模型模拟结果的对比，以提高研究结果的科学性。