基于复合生态系统的城市生态基础设施优化路径*

李亚丽 李一辰 马 嘉 张云路

北京林业大学园林学院 北京 100083

城市生态基础设施是由城市绿地、自然保护区、林业农业系统及其他生态景观相互连接形成的支持系统，是为生物、居民和城市提供生态服务，维持城市良性生态机能，实现城市可持续发展的重要支撑[1－2]。

永定河作为北京西山永定河文化带的重要组成，其长期疏于治理导致的生态系统退化，使生态修复成为治理关键[3]，而作为第二道绿化隔离带及西南地区生态廊道的平原城市段，沿线包括众多区域绿地及丰富的农田及林地等资源，承担调节、文化、支持等多重功能，但一直以来区域内人－生物－城市环境相互制约。因此，协调三者关系对永定河生态修复、优化永定河及周边城市生态基础设施、提升城市生态系统服务功能具有重要意义。

1 生态基础设施辨析

1.1 生态基础设施的全面性

生态基础设施(Ecological Infrastructure，以下简称EI) 最早在1984年联合国教科文组织的“人与生物圈计划”中作为5项生态城市规划原则之一被提出。EI包括森林、草地、农田、湿地、河流、湖泊等自然系统，以及人工湿地、水库、雨水花园、立体绿化等半自然系统[4]。EI与绿色基础设施 (Green Infrastructure，以下简称GI) 概念相似，都在灰色基础设施、社会基础设施以外，依托生态空间提升城市生态系统服务功能，支撑城市可持续发展。GI强调与灰色基础设施结合[4]，构建绿色空间网络，解决城市雨洪、交通等问题。EI则强调生物多样性保护，形成复杂、完整、有生命活力的城市生态系统[5]，提供更为丰富的生态系统服务功能。

1.2 生态基础设施的局限性

国内外在EI与GI研究方面已积累了一定成果，但由于概念和空间载体的相似性，两者的侧重区分并不明确。俞孔坚[6]提出的EI相比GI突出了城市自然生态系统中人－生物－环境整体结构和功能的复合完整，但后续研究多侧重单一方面。在生态空间营造方面，鲁春霞[7]、Nam－Choon[8]和Strayer[9]均指出EI具备生态游憩、支持多物种栖息、保护水质等多重功能。从生态环境修复角度，Mander[10]、Hughes[11]和杨萌[4]都指出保护和修复EI具有改善自然环境、降低投资成本等多重效益。因此，如何体现其在城市生态系统中的复合性，从平衡人－生物－城市环境出发构建城市生态基础设施体系，对优化城市生态系统具有促进意义。

1.3 基于复合生态系统构建城市生态基础设施

复合生态系统由马世骏[12]提出，指社会、经济、自然等若干子系统相互关联作用的复杂体系，包括人类社会发展的生存条件、生物生存的栖息地及资源供给的自然环境等。复合生态系统不仅注重山水林田湖草等自然生态系统的保护修复，也关注其与人工生态系统的协同耦合，为城市生态基础设施的构建提供了理论基础。而城市生态基础设施作为彰显复合生态品质的三大单元之一，承担着为人类生产生活提供生态服务，保障自然环境健康运行等功能[13－14]，是协调复合生态系统中多个子系统和谐发展的关键空间要素。

为解决北京市永定河平原城市段人－生物－城市环境相互制约的问题，本文引入复合生态系统理论，对其进行综合评价分析并提出优化策略:通过引入城市河流廊道这一生态基础设施作为空间载体，辐射并联动周边其他生态基础设施的优化提升[15]，以期构建人－生物－城市环境和谐共生的城市生态基础设施，平衡协调城市生态基础设施的多元生态系统服务功能。

2 研究区域及方法

2.1 研究区域

北京市内永定河长约170 km，其中平原城市段37 km，北起三家店拦河闸，南至南六环路。北京市永定河平原城市段作为第二道绿化隔离带在西南地区的重要组成部分，其西北部靠近浅山区，位于浅山区和城市的过渡地带。因此，研究区域的西北部至浅山区边界，西侧及东南部分以第二道绿化隔离带范围为边界，面积约54 853.6 hm2。

2.2 数据来源与预处理

研究使用的主要数据包括遥感数据、DEM、河流分布、道路交通、服务设施POI、生物点分布等，均被统一到WGS＿ 1984坐标系和UTM投影，并统一成30 m×30 m栅格大小的Grid。

遥感数据为Landsat 8 OLI＿ TIRS卫星数字产品2017年7月的卫星影像，使用ENVI 5.2软件对遥感影像进行预处理，基于最大似然法提取要素，并结合野外采集的各类斑块实测点对解译数据进行精度验证，总体精度达到90.46%，满足研究需求，最终得到研究区域2017年土地覆盖数据，划分6种土地利用类型并统计面积(表1)；DEM源于地理空间数据云GDEMDEM 30M分辨率数字高程数据；河流分布从研究区域2017年土地覆盖数据提取；道路交通来源Open Street Map；服务设施POI通过网络爬虫获得；生物点分布来源于Global Biodiversity Information Facility (表2)。

表1 研究区域2017年土地覆盖数据

表2 数据来源详情

2.3 研究方法

2.3.1 评价流程

首先，基于复合生态系统理论，从协调人－生物－城市环境的角度确定研究框架。其次，收集处理数据，整理评价因子并采用主成分分析筛选因子，利用因子方差贡献率确定因子权重；在此基础上再运用ArcGIS加权叠加得到3个目标层评价结果，并将上述结果等比例叠加得到综合适宜性评价结果。最后，提出北京市永定河平原城市段优化策略。

2.3.2 因子选取

基于复合生态系统理论，结合研究区域现状，选取人的生态游憩适宜性、生物的栖息地适宜性和城市环境的生态修复潜力3个目标层提取评价因子，构建综合评价体系，汇总得到10个准则层和35个指标层因子。

在人的生态游憩适宜性方面，考虑到现状良好的植被、水体及服务设施、土地类型、交通便利程度等因素，最终选择自然环境、人文环境和社会环境3个准则层12个指标[16－18]。

生物的栖息地适宜性在考虑自然环境对生物栖息有积极影响的同时，将人类干扰等消极因素作为负向指标纳入评价体系，最终包括地理条件、食物丰富度、人类干扰和隐蔽度4个准则层13个指标[19－20]。

城市环境的生态修复潜力在地理条件和社会环境传统指标的基础上，加入景观生态学中影响生态修复的因素，最终选择地理条件、社会环境和景观指数3个准则层10个指标[21－22]。

2.3.3 因子筛选

由于上述指标体系较为庞杂，因此采用主成分分析进行降维处理。首先，运用ArcGIS将35个因子的分析结果转为栅格数据并提取属性表数值。其次，归一化处理数据，避免各因子因单位不同而造成信息损失。再次，将原始变量通过线性组合形成新变量，并根据协方差矩阵求解特征根、特征向量，协方差矩阵与原始变量的线性组合即为主成分，公式如式(1):

式(1) 中，Z为各主成分；a为协方差矩阵各元素；x为原始变量相应的值。

最后，运用累积贡献率选取因子，因子累积贡献率越大，说明这些因子越能代表原来的变量，最终选取累积贡献率大于90%的22个指标层因子作为评价因子(表3)。

2.3.4 因子权重确定

首先根据初始成分矩阵计算得出线性组合系数，公式如式(2):

表3 评价指标体系

式(2) 中，Eij为因子i的第j个主成分线性组合系数；Fij为因子i的第j个主成分初始成分矩阵；bj为第j个主成分的初始特征值。

其次在此基础上构建综合评价函数，公式如式(3):

式(3) 中，Yi为因子i的综合得分系数；cj为第j个主成分的方差贡献率。

最后对各因子的综合得分系数进行归一化处理，结合目标层权重计算出准则层和指标层的权重(表3)。公式如式(4):

式(4) 中，Wi为第i个指标的归一化权重。

2.3.5 综合评价结果

运用ArcGIS加权总和工具，先将指标层因子的权重作为系数叠加，得到准则层结果；然后将准则层的权重作为系数叠加，得到目标层结果，再将3个目标层结果等比例叠加，得到综合适宜性评价结果；最后，运用自然间断点法将所有评价结果划分为3个等级并统计面积。

3 结果与分析

3.1 目标层结果

3.1.1 人的生态游憩适宜性

人的生态游憩适宜性等级空间分布与面积差异明显(图1、表4)。最适宜区域面积31 084.83 hm2，占比最高，为56.67%，集中分布在区域北部首钢园及中部园博园等城市绿地周边；受市区区位影响较大，同时周边公共交通站点等基础设施密度也较大，为生态游憩提供了良好服务设施。较适宜区域面积13 907.16 hm2，占比25.35%；由于基础设施密度相对较小且距市区较远，此区域环绕最适宜区域外侧分布。不适宜区域面积9 861.57 hm2，占比最低，为17.98%，在南六环附近集中分布；由于距离周边基础设施较远且区域内设施不完善，导致不适宜生态游憩，由此可见城郊地区基础服务设施的建设还欠缺。

3.1.2 生物的栖息地适宜性

生物的栖息地适宜性等级空间分布基本呈较大斑块状，面积也较均衡(图1、表4)。最适宜区域面积15 828.84 hm2，占比最低，为28.86%，沿流域线性分布，在大宁水库及南部林地、草地等区域扩大；现状生物点集中分布于此区域，湖泊密度较大且NDVI指数较高，为生物提供了良好生存环境。较适宜区域面积19 936.71 hm2，占比最高，为36.35%；由于居民点、道路等人为干扰较大，主要环绕分布在最适宜区域外侧的林地、草地和耕地内，同时沿京良路、梅市口路向城市线性延伸，具备构建生物廊道的潜力。不适宜区域面积19 088.01 hm2，占比34.80%，由于区域内居民点和道路密度过大，人为干扰强烈，集中分布在建设用地范围内。

图1 目标层评价结果

表4 综合评价面积统计

3.1.3 城市环境的生态修复潜力

城市环境的生态修复潜力等级空间分布及面积差异明显(图1、表4)。生态修复潜力强的区域面积18 975.96 hm2，占比34.59%，少量小面积斑块分布于建设用地内，集中分布在永定河流域及两侧林地、草地范围内；由于斑块丰富度密度较高，自然环境基底良好，因此具备较强修复潜力。生态修复潜力中等区域面积8 038.17 hm2，占比最低，为14.65%；由于生物多样性较为丰富，结构复杂，自我调节能力较强，在流域两侧的林地、草地范围内等交错分布。生态修复潜力弱区域面积27 839.43 hm2，占比最高，为50.75%；由于距开发程度较高的建设用地较近，抵御外界干扰的能力较差，集中分布在建设用地内。

3.2 综合评价结果

综合适宜性评价结果(表4、图2) 显示，综合适宜性最高区域面积为22 121.10 hm2，占比40.33%，主要分布于永定河流域及西侧靠近浅山区的林地、草地和耕地内，少量小面积斑块散布于建设用地内。永定河及两侧较高的NDVI指数和湖泊密度支撑生物栖息和生态修复，同时已建成的城市绿地和完善的基础设施也为生态游憩提供条件。综合适宜性中等区域面积24 085.71 hm2，占比最高，为43.91%；由于区域内自然基底良好，同时游憩服务设施较为完善，集中且连续分布在流域中北部及两侧林地、草地和耕地内。综合适宜性最低区域面积为8 646.75 hm2，占比最低，为15.76%，主要分布在南六环及西北角建设程度较高区域，区域内不仅人为干扰因素大不利于生物栖息和生态修复，生态游憩相关基础设施也不完善。

图2 综合适宜性评价结果

4 优化策略

基于评价结果，本文从人的生态游憩、生物栖息地与城市环境生态修复间建立协调耦合关系的角度提出以下优化策略，以期构建人与自然和谐共生的城市生态基础设施体系，实现城市复合生态系统的可持续。

1) 依托区域绿地保育生态斑块。综合适宜性最高区域斑块面积较大且包括众多区域绿地，是永定河沿线重要生态斑块。在斑块破碎但聚集度高的浅山区附近，运用微地形和乡土植物营造近自然群落，形成适宜不同物种的丰富且连续生境。在永定河流域增设生态岛，利用两岸的林地、草地营造洪泛平原，调节城市微气候，净化水质，修复多样化乡土生境。同时，运用低影响开发理念适度利用风景资源为市民提供接触、感知自然的场所，最终构建生态特色显著、服务功能多元的城市生态基础设施。

2) 依托蓝绿空间修复生态基底。综合适宜性中等区域斑块面积大且连续分布，大量农田、林地提供生态系统服务功能。在靠近浅山区的附近，控制开发强度，依托现状道路、水系等构建绿道体系，串联现状区域绿地，实现浅山区向永定河的生态过渡。在靠近城市区域，有机整合周边林地、草地，构建南北延展的蓝绿空间，同时利用京良路、京港澳高速等潜在的生态廊道，实现永定河从西向东到城市的过渡。最终通过修复生态基底，重塑城市生态格局，发挥生态基础设施积极作用，形成浅山区－永定河－城市的生态过渡地带。

3) 依托城市绿地向城市内部渗透。综合适宜性最低区域的开发建设程度高，人为干扰因素大。针对少量靠近浅山区的基质，限制不合理开发，采取适当的生态修复措施，提高生态系统稳定性。针对大量分布于建设用地的基质，合理布局城市森林、雨水花园、立体绿化等绿色空间，并通过道路绿化、带状游园等线性空间构建绿色空间网络体系，提升城市内部生态服务功能。同时融入周边文化，为居民提供良好的开放空间，有效增加城市用地的社会、经济和生态价值，实现城市复合生态系统的和谐发展。