黃傅強(qiáng)，王志遠(yuǎn)，劉 慧，齊增湘①，吳欣昕

(1.南華大學(xué)建筑學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001；2.生態(tài)型區(qū)域-城市環(huán)境規(guī)劃與管理衡陽(yáng)市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽(yáng) 421001；3.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275)

城市空間快速擴(kuò)張導(dǎo)致城市農(nóng)用地及生態(tài)用地驟減，造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能削弱與退化[1]，嚴(yán)重影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡。同時(shí)，作為指導(dǎo)城市發(fā)展的城市總體規(guī)劃主要注重對(duì)建設(shè)用地和空間資源的配置，忽視城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能內(nèi)涵[2]，導(dǎo)致對(duì)人居環(huán)境改善缺乏有效引導(dǎo)。隨著國(guó)家生態(tài)文明改革的進(jìn)一步推進(jìn)，如何引導(dǎo)城市有序發(fā)展，保障生態(tài)安全和提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值成為落實(shí)生態(tài)文明戰(zhàn)略的重要路徑。

構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局是保障生態(tài)安全的必然途徑[3]，而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的自然環(huán)境條件和效用[4]，對(duì)保障生態(tài)安全格局具有重要意義。當(dāng)前有關(guān)研究主要集中在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分類(lèi)[5]、定量核算[6-7]和生態(tài)安全格局構(gòu)建[8-10]等方面。這些研究為探索城市發(fā)展對(duì)生態(tài)服務(wù)功能與生態(tài)安全的影響奠定基礎(chǔ)，但由于缺乏生態(tài)研究在城市規(guī)劃中的先導(dǎo)性應(yīng)用，導(dǎo)致土地所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在快速城鎮(zhèn)化進(jìn)程中逐漸退化和喪失，給區(qū)域生態(tài)安全帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

城市增長(zhǎng)邊界作為歐美國(guó)家治理城市無(wú)序蔓延的政策工具[11]，對(duì)遏制城市無(wú)序擴(kuò)張、引導(dǎo)城市有序發(fā)展、優(yōu)化城市空間布局和提高城市土地利用效率具有重要意義。我國(guó)對(duì)城市增長(zhǎng)邊界的研究源于20世紀(jì)90年代末，研究重點(diǎn)由國(guó)外經(jīng)驗(yàn)介紹[12]、城市增長(zhǎng)邊界概念內(nèi)涵探討[13]轉(zhuǎn)向城市增長(zhǎng)邊界劃定實(shí)踐[14]。尤其自2006年《城市規(guī)劃編制辦法》提出劃定城市增長(zhǎng)邊界以來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)城市增長(zhǎng)邊界的劃定方法進(jìn)行大量研究，主要分為以下兩類(lèi)：一是基于“反規(guī)劃”理念，從生態(tài)敏感性[15]、生態(tài)適宜性[16]以及生態(tài)安全格局[17]角度，劃定城市限制或禁止發(fā)展區(qū)域，此類(lèi)方法主要關(guān)注區(qū)域生態(tài)因素，對(duì)城市自身發(fā)展缺乏有效引導(dǎo)；二是利用元胞自動(dòng)機(jī)(cellular automata，CA)及其各種延伸版本(CC-CA[18]、GIA-CA[19]、SLEUTH[20]、CA-Markov[21]、多智能體[22]等模型)模擬城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，為城市增長(zhǎng)邊界的劃定提供重要決策依據(jù)。但大部分模型忽略各土地類(lèi)型間的聯(lián)系，難以體現(xiàn)不同土地的競(jìng)爭(zhēng)及相互作用。未來(lái)土地利用模擬(future land-use simulation，F(xiàn)LUS)模型結(jié)合CA、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network，ANN)和自適應(yīng)慣性競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，解決了傳統(tǒng)元胞自動(dòng)機(jī)中轉(zhuǎn)換規(guī)則及參數(shù)確定復(fù)雜等問(wèn)題，能很好地實(shí)現(xiàn)人類(lèi)活動(dòng)與自然條件影響下的城市增長(zhǎng)形態(tài)模擬，可為城市增長(zhǎng)邊界劃定提供有力依據(jù)。

基于上述背景和問(wèn)題，該文以衡陽(yáng)市中心城區(qū)為例，探索城市增長(zhǎng)邊界劃定的一種方法。采用謝高地等[23]提出的當(dāng)量因子法對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行核算，以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為基礎(chǔ)構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局，通過(guò)耦合城市生態(tài)安全格局與基于FLUS模型的城市擴(kuò)張模擬結(jié)果劃定城市增長(zhǎng)邊界，以期在保證區(qū)域生態(tài)安全的前提下，為城市發(fā)展提供有利的用地保障，為衡陽(yáng)市城市總體規(guī)劃、國(guó)土空間規(guī)劃及生態(tài)保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

衡陽(yáng)市地處湖南省中南部，湘江中游，衡山之南，是湖南省域副中心城市、中南地區(qū)重要工業(yè)城市、區(qū)域性物流中心和國(guó)家生態(tài)文明先行示范區(qū)。衡陽(yáng)市在環(huán)長(zhǎng)株潭城市群和湘南地區(qū)發(fā)揮著區(qū)域中心作用，承擔(dān)帶動(dòng)湘南地區(qū)發(fā)展的重任。研究區(qū)域?yàn)楹怅?yáng)市中心城區(qū)，地處北緯26°45′5″～27°1′19″，東經(jīng)112°29′7″～112°43′55″，包括石鼓區(qū)、雁峰區(qū)、珠暉區(qū)和蒸湘區(qū)，總面積約為51 431.46 hm2(圖1)。中心城區(qū)作為衡陽(yáng)市區(qū)域經(jīng)濟(jì)的龍頭，近年來(lái)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展迅速，造成城市空間快速擴(kuò)張，城市建設(shè)侵蝕大量生態(tài)用地，破壞生態(tài)環(huán)境，對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展形成了巨大挑戰(zhàn)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1土地利用數(shù)據(jù)

采用的遙感影像從地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)下載，得到2005和2015年LandSat TM同期影像，空間分辨率為30 m×30 m。根據(jù)研究需要，采用目視解譯方式將土地利用類(lèi)型分為耕地、林地、草地、水域、城市建設(shè)用地、其他建設(shè)用地和未利用地7個(gè)類(lèi)型(圖2)。影像分類(lèi)Kappa系數(shù)均超過(guò)80%，達(dá)到研究需要。

1.2.2空間驅(qū)動(dòng)因子

綜合現(xiàn)有對(duì)城市空間擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)機(jī)制[24]的研究，城市空間擴(kuò)張主要受自然和人類(lèi)活動(dòng)影響?；谖墨I(xiàn)調(diào)研和研究區(qū)城鎮(zhèn)化現(xiàn)狀，選取高程、坡度、坡向以及到水系的距離作為影響城市空間擴(kuò)張的自然驅(qū)動(dòng)要素；選取到鐵路、高速公路、國(guó)道、省道、縣道、城市中心、城鎮(zhèn)中心、火車(chē)站的距離作為與城鎮(zhèn)化緊密相關(guān)的人類(lèi)活動(dòng)影響要素。所有因子在A(yíng)rcGIS中的可視化結(jié)果見(jiàn)圖3。分析過(guò)程中，以上所有柵格數(shù)據(jù)的像元大小均為30 m×30 m。

圖1 衡陽(yáng)市中心城區(qū)各區(qū)區(qū)位

圖2 2005—2015年衡陽(yáng)市中心城區(qū)土地利用分類(lèi)

1.3 研究方法

1.3.1基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的生態(tài)安全格局構(gòu)建

“選取生態(tài)源地-建立阻力面-構(gòu)建生態(tài)安全格局”的方法框架，已在生態(tài)安全格局研究中得到應(yīng)用[8]?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的生態(tài)安全格局構(gòu)建步驟如下：

(1)根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估結(jié)果選取生態(tài)源地。基于謝高地等[23]改進(jìn)后的中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表，根據(jù)2005—2015年《湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》中的糧食經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)以及1個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值等于當(dāng)年全國(guó)平均糧食單產(chǎn)市場(chǎng)價(jià)格1/7的原則[25]，計(jì)算得到衡陽(yáng)市1個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子經(jīng)濟(jì)價(jià)值約為2 849.55元·hm-2，最終得到研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(表1)。研究區(qū)2005—2015年靜態(tài)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量計(jì)算公式為

(1)

VES，f=∑Ai×VC，f，i。

(2)

式(1)～(2)中，VES為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，元；Ai為第i種土地類(lèi)型面積，hm2；VC，i為第i種土地類(lèi)型的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值，元·hm-2·a-1；VES，f為生態(tài)系統(tǒng)第f項(xiàng)服務(wù)價(jià)值,元；VC，f，i為第i種土地類(lèi)型的單位面積第f項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值，元·hm-2·a-1。

圖3 城市空間擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)因子

表1 衡陽(yáng)市中心城區(qū)各土地利用類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)

(2)根據(jù)生態(tài)適宜性判別空間阻力。生態(tài)適宜性由生境類(lèi)型質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值綜合確定，生態(tài)適宜性越高，阻力值越小，反之越大。為了區(qū)分各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要程度，根據(jù)文獻(xiàn)[26]對(duì)其進(jìn)行價(jià)值重構(gòu)，其表達(dá)式為

(3)

(3)構(gòu)建生態(tài)安全格局。利用ArcGIS 10.2軟件中的成本距離分析方法，以現(xiàn)狀生態(tài)源地為增長(zhǎng)“源”，得到每個(gè)柵格到成本阻力面上最近“源”的最小累積成本距離。利用二分之一標(biāo)準(zhǔn)差法[27]，根據(jù)生態(tài)源地的空間分布以及累積阻力值的突變情況將研究區(qū)劃分為低、中、高3個(gè)生態(tài)安全等級(jí)區(qū)域，剔除少量位于低生態(tài)安全格局區(qū)域內(nèi)的孤立破碎斑塊得到城市剛性增長(zhǎng)邊界。

1.3.2城市建設(shè)用地規(guī)模預(yù)測(cè)

城市建設(shè)用地規(guī)模是劃定城市增長(zhǎng)邊界的前提，通常采用人均城市建設(shè)用地指標(biāo)乘以預(yù)測(cè)城市人口規(guī)模的方法確定。人均城市建設(shè)用地指標(biāo)以100 m2·人-1計(jì)算[28]。針對(duì)城市人口規(guī)模預(yù)測(cè)失準(zhǔn)的現(xiàn)實(shí)[29]，此次人口規(guī)模預(yù)測(cè)采用隊(duì)列要素法。隊(duì)列要素法因其在人口規(guī)模預(yù)測(cè)上的動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確、具象和靈活的特征被廣泛運(yùn)用于人口規(guī)模預(yù)測(cè)[30]。隊(duì)列要素法認(rèn)為，人口年齡結(jié)構(gòu)是過(guò)去人口年齡結(jié)構(gòu)演變的結(jié)果，主要受出生、死亡和人口遷移，即人口的自然增長(zhǎng)和機(jī)械增長(zhǎng)的影響。將人口按5歲年齡分組，即分為0，4，9，…，85歲以上共18組，未來(lái)人口數(shù)量(Py)計(jì)算公式為

(4)

每個(gè)年齡組5 a后的人數(shù)(Py,s,i)計(jì)算公式為

Py,s,i=Py-5,s,i-5×βs,i+Py-5×θ×θi×θs。

(5)

新生兒人數(shù)(Py,s,0)計(jì)算公式為

(6)

老年人存活人數(shù)(Py,s,85+)計(jì)算公式為

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

(7)

式(4)～(7)中，y為年份；s為性別；i為年齡組；Py為年份y的常住人口；Py,s,i為y年份性別s年齡組i的人口數(shù)量；θ為總凈遷入人口比例；θi為凈遷入人口在各年齡組的分布，θs為凈遷入人口的性別分布，其中，各年齡組θi、θs之和均為1；αi為年齡組i的婦女生育率；βs,i為不同性別各個(gè)年齡組的5 a存活率；γs為新生兒性別比。

1.3.3基于FLUS模型的城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張情景模擬

FLUS模型[31-32]源自CA，在CA的基礎(chǔ)上耦合ANN模型分析各土地利用之間相互轉(zhuǎn)換的可能性，并在空間上進(jìn)行配置。首先，利用FLUS模型中的3層反向傳播(back propagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并根據(jù)所選取的空間驅(qū)動(dòng)因子對(duì)每個(gè)柵格土地利用類(lèi)型進(jìn)行評(píng)估訓(xùn)練，得到其發(fā)展概率。其次，根據(jù)每個(gè)柵格土地利用類(lèi)型發(fā)展概率與其鄰域影響和自適應(yīng)系數(shù)計(jì)算總體概率，得到每個(gè)柵格土地利用類(lèi)型的總體轉(zhuǎn)換概率。在計(jì)算得到總概率的基礎(chǔ)上，F(xiàn)LUS模型可通過(guò)輪盤(pán)賭選擇模型來(lái)實(shí)現(xiàn)各類(lèi)用地類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)換，更好地反映現(xiàn)實(shí)土地利用變化的不確定性與土地利用的交替變化，從而體現(xiàn)出各類(lèi)土地利用類(lèi)型之間的競(jìng)爭(zhēng)。最后，結(jié)合土地利用規(guī)模閾值，結(jié)束模型迭代，得到最終的土地利用空間分布。

為分析中心城區(qū)在考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的限制開(kāi)發(fā)條件與否的城市建設(shè)用地空間布局對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響，模擬生態(tài)保護(hù)情景和基準(zhǔn)情景2種情景。生態(tài)保護(hù)情景考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的限制開(kāi)發(fā)條件，將城市剛性增長(zhǎng)邊界內(nèi)的區(qū)域作為城市擴(kuò)張模擬中的限制條件；基準(zhǔn)情景不考慮與城市規(guī)劃相關(guān)的保護(hù)、控制等因素，但根據(jù)劉耀林等[33]的研究結(jié)果以及研究區(qū)實(shí)際情況，將湘江及其支流耒水和蒸水作為城市擴(kuò)張模擬中的限制條件。

2 研究結(jié)果

2.1 衡陽(yáng)市中心城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估

表2顯示，2005—2015年衡陽(yáng)市中心城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量由25.71億元下降到24.75億元，共減少0.96億元。從單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化來(lái)看，水文調(diào)節(jié)和水資源供給服務(wù)功能價(jià)值量呈增加趨勢(shì)，其余各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值逐年降低。在研究期內(nèi)，水文調(diào)節(jié)價(jià)值量增加最多，為0.17億元；其次為水資源供給功能，為0.11億元。氣候調(diào)節(jié)的價(jià)值量減少最多，為0.40億元。氣體調(diào)節(jié)、土壤保持和生物多樣性損失程度相近，均在0.1億～0.2億元之間。食物生產(chǎn)、凈化環(huán)境、原料生產(chǎn)、美學(xué)景觀(guān)和維持養(yǎng)分循環(huán)功能損失量相對(duì)較少，均在0.1億元以下。

表2 2005—2015年衡陽(yáng)市中心城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

從單項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值重要度來(lái)看，水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)為區(qū)域重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，水資源供給、氣體調(diào)節(jié)、土壤保持和生物多樣性為區(qū)域較重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、凈化環(huán)境、維持養(yǎng)分循環(huán)和美學(xué)景觀(guān)為區(qū)域一般重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

2.2 生態(tài)安全格局構(gòu)建及城市剛性增長(zhǎng)邊界劃定

2.2.1基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的源地識(shí)別及阻力面構(gòu)建

區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值越大，表明該區(qū)域的生態(tài)貢獻(xiàn)越大，越有利于區(qū)域生態(tài)安全，同時(shí)生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性服務(wù)功能高的地區(qū)能為物種提供良好生境。根據(jù)2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值核算結(jié)果，選取價(jià)值量大于5 000萬(wàn)元的水域和林地斑塊作為生態(tài)源地。

根據(jù)各類(lèi)生態(tài)用地單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(表1)、不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要度系數(shù)(表2)以及不同生境類(lèi)型生境質(zhì)量權(quán)重[34]，對(duì)耕地、林地、草地、水域和未利用地景觀(guān)阻力進(jìn)行賦值，建設(shè)用地根據(jù)其生境情況賦予相對(duì)的成本阻力值[17]，最終得到不同景觀(guān)類(lèi)型成本阻力值(表3)。利用ArcGIS 10.2軟件中的成本距離分析方法，以現(xiàn)狀生態(tài)源地為增長(zhǎng)“源”〔圖4(a)〕，得到每個(gè)柵格到成本阻力面上最近“源”的最小累積成本距離〔圖4(b)〕。

表3 不同生境類(lèi)型生境質(zhì)量權(quán)重及阻力值

圖4 衡陽(yáng)市中心城區(qū)生態(tài)源地和累積阻力值

2.2.2生態(tài)安全格局構(gòu)建及城市剛性增長(zhǎng)邊界劃定結(jié)果

生態(tài)安全格局構(gòu)建結(jié)果見(jiàn)圖5(a)。低生態(tài)安全格局面積為17 174.43 hm2，占區(qū)域面積的33.39%，是城市的生態(tài)底線(xiàn)，對(duì)維護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用；中生態(tài)安全格局面積為26 881.11 hm2，占區(qū)域面積的52.27%，該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抗外界活動(dòng)干擾能力較強(qiáng)，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生重大影響；高生態(tài)安全格局面積為7 377.48 hm2，占區(qū)域面積的14.34%，區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力最強(qiáng)。

城市剛性增長(zhǎng)邊界劃定結(jié)果見(jiàn)圖5(b)。城市剛性增長(zhǎng)邊界沿湘江及其支流耒水和蒸水兩側(cè)分布，形成“三廊、三片”的空間結(jié)構(gòu)。此邊界可最大限度地保護(hù)各類(lèi)生態(tài)用地，維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整。由表4可知，城市剛性增長(zhǎng)邊界區(qū)域面積為17 325.72 hm2，占研究區(qū)總面積的33.69%。珠暉區(qū)、蒸湘區(qū)、雁峰區(qū)和石鼓區(qū)的城市剛性增長(zhǎng)邊界面積分別為10 926.00、2 872.71、2 088.90和1 438.11 hm2?？梢钥闯鲋闀焻^(qū)限制發(fā)展的區(qū)域最大，未來(lái)城市發(fā)展和生態(tài)保護(hù)之間的矛盾將更為突出。

圖5 衡陽(yáng)市中心城區(qū)生態(tài)安全格局及剛性增長(zhǎng)邊界劃定

表4 各行政區(qū)城市剛性增長(zhǎng)邊界面積

2.3 城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張模擬及彈性增長(zhǎng)邊界劃定

2.3.1FLUS精度校驗(yàn)

將遙感解譯得到的7類(lèi)用地類(lèi)型分為城市建設(shè)用地和非城市建設(shè)用地2類(lèi)，結(jié)果見(jiàn)圖6(a)～(b)。通過(guò)FLUS模型模擬得到基準(zhǔn)情景下2015年衡陽(yáng)市中心城區(qū)土地利用情況，模擬結(jié)果見(jiàn)圖6(c)。引入Kappa系數(shù)、總體精度(OA)和Fom系數(shù)對(duì)FLUS模型精度進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6 基準(zhǔn)情景下衡陽(yáng)市中心城區(qū)2005—2015年城市建設(shè)用地動(dòng)態(tài)模擬及實(shí)際情況對(duì)比

通過(guò)計(jì)算得到Kappa值為0.82，OA值為96.02%，F(xiàn)om值為0.26，表明FLUS模型模擬精度較高，能夠較好地模擬未來(lái)城市建設(shè)用地的發(fā)展。

2.3.2基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值優(yōu)化的2030年城市建設(shè)用地情景模擬

根據(jù)第六次人口普查結(jié)果，利用隊(duì)列要素法預(yù)測(cè)得到2030年衡陽(yáng)市中心城區(qū)人口為2 009 011人，計(jì)算得到2030年研究區(qū)城市建設(shè)用地面積為20 090.11 hm2。結(jié)合FLUS模型校驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)設(shè)置，預(yù)測(cè)模擬得到2030年城市建設(shè)用地空間分布(圖7)。

圖7 2030年不同情景下衡陽(yáng)市中心城區(qū)城市建設(shè)用地模擬結(jié)果

未來(lái)中心城區(qū)的擴(kuò)張主要表現(xiàn)為以城市為中心的圈層式蔓延擴(kuò)張和沿道路、河流兩側(cè)的軸向擴(kuò)張，而且具有明顯的空間異向性。2030年各行政區(qū)范圍內(nèi)新增城市建設(shè)用地面積見(jiàn)表5。與基準(zhǔn)情景相比，生態(tài)保護(hù)情景下新增城市建設(shè)用地在各區(qū)域分布比較均勻，珠暉區(qū)新增建設(shè)用地大大減少，由39.45%下降至20.14%，緩解了珠暉區(qū)城市發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的矛盾；石鼓區(qū)新增城市建設(shè)用地由19.90%上升至29.50%；雁峰區(qū)新增城市建設(shè)用地由17.23%上升至24.33%；蒸湘區(qū)新增城市建設(shè)用地面積略有提升。

表5 2030年衡陽(yáng)市中心城區(qū)各行政區(qū)范圍內(nèi)新增城市建設(shè)用地面積

根據(jù)《衡陽(yáng)市城市總體規(guī)劃(2006—2020年)》，未來(lái)中心城區(qū)主要向城市東部和南部發(fā)展，西部和北部區(qū)域以完善提升經(jīng)濟(jì)建設(shè)開(kāi)發(fā)區(qū)建設(shè)為主。這表明對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的限制開(kāi)發(fā)條件加以嚴(yán)格約束后，中心城區(qū)發(fā)展形態(tài)更加契合城市未來(lái)的發(fā)展方向。

新增城市建設(shè)用地的來(lái)源及侵占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值情況見(jiàn)表6。兩種情景下新增城市建設(shè)用地主要來(lái)源于對(duì)耕地、林地和其他建設(shè)用地的侵占。與基準(zhǔn)情景相比，生態(tài)保護(hù)情景下水域、耕地和其他建設(shè)用地得到保護(hù)，面積分別增加235.98、253.80和16.56 hm2，林地和草地侵占面積均多于基準(zhǔn)情景。這主要是因?yàn)槌鞘薪ㄔO(shè)用地減少對(duì)低生態(tài)安全格局區(qū)域內(nèi)水域和耕地的侵占，轉(zhuǎn)向?qū)χ?、高生態(tài)安全格局區(qū)域內(nèi)林地和草地的侵占。

與基準(zhǔn)情景相比，生態(tài)保護(hù)情景下城市建設(shè)用地對(duì)水域和耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值侵占量分別減少0.85億和0.04億元。對(duì)其他地類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值侵占量均增加，其中，林地侵占量差值最大，為0.28億元。區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值由基準(zhǔn)情景的19.96億元上升到生態(tài)保護(hù)情景的20.57億元，提高0.61億元。這表明考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的限制開(kāi)發(fā)后，城市擴(kuò)張的生態(tài)成本降低，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值得到提高，更利于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能維持和區(qū)域生態(tài)安全的發(fā)展。

2.3.32030年城市彈性增長(zhǎng)邊界劃定結(jié)果

剔除少量孤立破碎的城市建設(shè)用地斑塊，得到2030年研究區(qū)城市彈性增長(zhǎng)邊界(圖8)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)可得彈性增長(zhǎng)邊界面積為20 238.57 hm2，占研究區(qū)總面積的39.35%。城市彈性增長(zhǎng)邊界被湘江及其支流蒸水和耒水劃分，空間呈“一個(gè)中心、多個(gè)組團(tuán)”分布，在蒸湘區(qū)、石鼓區(qū)和雁峰區(qū)形成范圍較大且相對(duì)連續(xù)的增長(zhǎng)邊界，珠暉區(qū)增長(zhǎng)邊界比較分散，范圍相對(duì)較小，形狀較不規(guī)則，同時(shí)還存在一些零碎的城市增長(zhǎng)邊界。蒸湘區(qū)、石鼓區(qū)、珠暉區(qū)和雁峰區(qū)剩余可建設(shè)用地面積分別為2 618.37、4 363.65、5 432.85和1 615.86 hm2。

表6 模擬2030年城市建設(shè)用地侵占土地類(lèi)型面積及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

圖8 模擬2030年衡陽(yáng)市中心城區(qū)城市增長(zhǎng)邊界

3 討論與結(jié)論

以衡陽(yáng)市中心城區(qū)為例，以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估為基礎(chǔ)構(gòu)建城市生態(tài)安全格局，通過(guò)耦合城市生態(tài)安全格局與基于FLUS模型的城市擴(kuò)張模擬結(jié)果劃定城市增長(zhǎng)邊界，得出以下結(jié)論：

(1)2005—2015年，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量從25.71億元下降至24.75億元。其中，水文調(diào)節(jié)和水資源供給服務(wù)功能價(jià)值量呈上升趨勢(shì)，其余各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值呈下降趨勢(shì)。水文調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)為區(qū)域重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能；水資源供給、氣體調(diào)節(jié)、土壤保持和生態(tài)多樣性為區(qū)域較重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能；食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)、凈化環(huán)境、維持養(yǎng)分循環(huán)和美學(xué)景觀(guān)為區(qū)域一般重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

(2)研究區(qū)可分為低、中、高3個(gè)等級(jí)生態(tài)安全格局區(qū)域，面積分別為17 174.43、26 881.11和7 377.48 hm2。劃定的城市剛性增長(zhǎng)邊界面積為17 325.72 hm2，占研究區(qū)總面積的33.69%，沿湘江及其支流耒水和蒸水兩側(cè)分布，形成“三廊、三片”的空間結(jié)構(gòu)。

(3)考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的限制開(kāi)發(fā)條件后，城市擴(kuò)張的生態(tài)成本降低，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值得到提高，區(qū)域生態(tài)安全得到保障。2030年研究區(qū)城市彈性增長(zhǎng)邊界面積為20 238.57 m2，占研究區(qū)總面積的39.35%，空間形態(tài)呈“一個(gè)中心區(qū)、多個(gè)組團(tuán)”分布。蒸湘區(qū)、石鼓區(qū)和雁峰區(qū)形成范圍較大且相對(duì)連續(xù)的增長(zhǎng)邊界，珠暉區(qū)增長(zhǎng)邊界比較分散。

構(gòu)建生態(tài)安全格局，劃定城市增長(zhǎng)邊界是保障生態(tài)安全、促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要手段?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局，雖然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估已經(jīng)成為生態(tài)資產(chǎn)定價(jià)和環(huán)境影響評(píng)估的一種使用最廣泛的方法，但其仍存在一定的局限性[23]，未來(lái)需對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法做進(jìn)一步探索和研究。

利用城市擴(kuò)張模擬劃定城市彈性增長(zhǎng)邊界可避免劃定過(guò)程中的主觀(guān)因素影響，也可應(yīng)對(duì)快速城鎮(zhèn)化背景下城市發(fā)展復(fù)雜多變的需求。然而，城市擴(kuò)張是一個(gè)動(dòng)態(tài)復(fù)雜的過(guò)程，模擬結(jié)果與模型本身和數(shù)據(jù)收集等客觀(guān)原因有著密切關(guān)系。受資料獲取的限制，城市擴(kuò)張模擬還應(yīng)該考慮其他相關(guān)因素，如經(jīng)濟(jì)發(fā)展、政策等因素。因FLUS模型曾被用于中國(guó)土地利用變化模擬以及珠江三角洲城市增長(zhǎng)模擬[31-32]，模型的可靠性和有效性已得到驗(yàn)證，筆者直接選用了FLUS模型，但對(duì)不同模型間的模擬結(jié)果和精度沒(méi)有進(jìn)行對(duì)比，因此在后續(xù)研究中應(yīng)加強(qiáng)城市擴(kuò)張驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究和不同模型模擬結(jié)果的對(duì)比，以提高研究結(jié)果的科學(xué)性。