识别北京市生态系统服务面临的关键问题，分析相关生态系统，运用GIS和空间分析技术，判别出维护上述各种过程安全的关键性空间格局，进而综合、叠加各单一过程的安全格局，构建具有不同安全水平的综合生态安全格局，形成保障北京城市和区域生态安全的生态基础设施。在此基础上，提出城镇空间发展预景和土地利用空间布局的优化战略。
1.关键问题识别
从生态系统服务的四大功能“调节服务、供给服务、支持功能和文化服务”出发，识别北京市生态系统服务面临的关键问题如下：
（1）水文调节能力下降。主要由湿地面积大幅减少；工程化措施对水文过程造成负面影响；地下水采补失衡；城市洪涝灾害风险增高，雨水资源大量流失等原因引起。
（2）地质灾害和水土流失风险较大。地面沉降由局部逐渐扩展，新的地下水降落漏斗不断形成；北京市域以山地为主，且坡度大于25°，陡坡面积约占2／3，这些地区水土流失范围分布较广，部分地区水土流失严重，是北京市山区非常突出的土地生态环境问题。
（3）生物栖息地和生物多样性丧失。主要原因在于生物栖息地减少、生物栖息地破碎化和孤岛化、保护区网络不连续等；城市绿地建设空间分布不均、布局结构不合理、植物种类单一、群落结构简单等也是主要原因。
（5）综合游憩体验过程被割裂。游憩资源空间分布的不均衡、类型和功能的相对单一、各大游憩板块和线路之间缺乏联系。
2.针对单一生态过程的安全格局构建
1）综合水安全格局
以恢复天然水文过程和维护城市雨洪安全为目标，运用Arc GIS空间分析技术，对洪水、地表径流等过程进行分析和模拟，构建洪水安全格局和雨水安全格局，并考虑地表和地下水源保护以及地下水补给，叠加形成综合水安全格局。
（1）水安全格局。综合洪水过程模拟、历史洪涝灾害分析，构建洪水安全格局。
首先，根据地形图和地形高程数据，判别现状具有调蓄洪水功能的区域，包括市域内的各级河流、湖泊、水库、坑塘和低洼地。
其次，根据水文过程模拟，确定径流汇水点作为控制水流的战略点，并根据分流部位和等级，形成多层次的等级体系。
最后，根据洪水风险频率确定安全水平。根据可获得的准确降水数据及上述依据，确定了20年，50年，200年一遇作为不同安全水平的标准。结合数字高程模型，模拟洪水过程，得到不同洪水风险频率下的淹没范围，并结合历史洪涝灾害数据，分析北京市历史洪涝淹没范围。将上述两种淹没范围叠加，确定洪水发生频率的高、中、低区域，确定出防洪的关键区域和空间位置，从而建立多层次的滞洪湿地系统，形成不同安全水平的洪水安全格局。
（2）雨水利用安全格局。通过雨水下渗适宜性分析、地下水超采区分析和山区水土流失分析，综合确定市域雨水利用的关键性空间格局，如山前冲积扇等，构建北京市雨水利用安全格局，并根据不同土地利用类型制定雨洪管理措施，在洪水安全格局和雨水安全格局的基础上，考虑地表和地下水源保护以及地下水补给，叠加形成综合水安全格局（图4-23）。根据不同等级安全水平，提出了不同的限制建设要求和水生态恢复措施。
图4-23 北京市综合水安全格局
2）地质灾害安全格局
基于泥石流、滑坡、滑塌、崩塌、矿山地面塌陷、地面沉降、地裂缝和水土流失等多种地质灾害要素的空间分布，确定地质灾害的源；通过对各地质灾害类型的诱因和灾害易发区内土地利用格局的分析，确定对地质灾害防护起关键作用的区域和空间联系。进而对地质灾害发育区的缓冲区这一重要空间进行判别，缓冲区的范围受地质灾害的类型、发育强度、分布状况、发生频率、地形地质条件、降水条件及人类活动强度等因素影响，并据此划定了地质灾害安全格局的低、中、高安全水平，提出相应的限制建设要求和灾害防治措施。
3）生物保护安全格局
通过焦点物种（focal species）途径[1]来进行生物多样性保护，是目前国际通用的行之有效的做法。确定焦点物种的选择标准：能够指示北京市生态环境现状，并对其他物种及各类栖息地具有指示作用；具有生物学上的代表性；为广大民众所喜闻乐见。北京市的鸟类保护级别高且栖息地多样，选取具有代表的留鸟和候鸟作为区域生物多样性的指示物种较为合适。经过对待选指示性物种的进一步分析，最终确定以大白鹭、绿头鸭和环颈雉作为指示物种。
根据指示性物种的生活习性，分析不同土地覆盖和土地利用类型对于生物活动的适宜性，判别现状和潜在的核心栖息地。运用最小累计阻力模型（MCR）分别模拟指示性物种穿越不同景观基面（土地覆盖和土地利用）的过程，建立最小累积阻力面。生成的阻力面表示从源栖息地到空间某一点的易达程度，从而模拟物种水平扩散的行为模式。根据最小阻面，判别缓冲区、源间连接、辐射道以及战略点，构建每一个指示物种的安全格局。最后将3个物种的安全格局叠加整合，构建起北京市生物保护安全格局（图4-24）。
图4-24 北京市生物保护安全格局
（1）基于阻力面分析的焦点物种生物保护安全格局分析方法。根据所选定焦点物种的空间运动规律，通过模拟器在景观中克服阻力进行水平运动的过程，建立阻力面，再根据阻力面的特征来判别核心栖息地（源）以外的景观安全格局元素，获得不同安全水平的生物安全格局。具体分析过程如下。
首先，建立阻力面。确定不用土地覆盖类型对物种空间运动的阻力，运用MCR（最小累计阻力）模型达到一个反映物种运动潜在可能性及趋势的阻力表面，模型公式为：
式中，MCR 代表焦点物种由源扩散到空间某点的最小累积阻力，f 是一个未知的单调递减函数，di代表焦点物种离开源、经过景观i的扩散距离，Ri是景观i 对于该焦点物种运动的阻力，但反映MCR 与变量（di×Ri）之间的正比关系。每一种景观对焦点物种水平运动的阻力R，由景观的基面特性决定（常采用土地覆盖类型）。阻力面的建立和计算主要通过Arc GIS的空间分析来实现。
其次，根据阻力面的空间特性判别安全格局。除了已确定的源以外，生物安全格局的其他组成部分可以根据阻力面的空间特征来判别。包括①缓冲区，根据离源距离与MCR 关系的剖面曲线（图4-25）与MCR 值与面积（Arc GIS 中表示为栅格数量）关系曲线，找到某些阶段性阈值，并以此作为边界，建立不同水平的安全格局；②源间连接，即各源间的低累计阻力谷线，往往是重要的生态廊道，根据安全水平的不同，源间连接可以有一条或多条；③辐射道，指物种从源向外扩散的低阻力通道，根据复合种群等理论，其对物种控制景观过程（如迁徙等）及自身进化具有关键作用；④战略点，指对沟通相邻源之间联系有关键意义的“跳板”，对物种维护和控制景观过程同样有重要作用。
图4-25 阻力面上一典型剖面
（2）单一焦点物种的生物保护安全格局分析——以大白鹭为例：
①栖息地适宜性分析
大白鹭，中型涉禽，鹳形类鹭科白鹭属动物，栖息地类型可归为两类：营巢地和摄食地。参考相关研究，确定影响大白鹭选择栖息地的因子有ⓐ土地利用／覆盖类型：白鹭属于涉禽类，最适宜的栖息地包括溪流、稻田、淡水沼泽地等浅水水域，以及周边高大乔木林地；ⓑ地势因子：距水源距离及海拔高度；ⓒ人为活动干扰强度：用距建成区距离来衡量，越近干扰越强，反之则相反。根据以上分析，为不同评价因子确定权重及分值（表4-17）。
表4-17 大白鹭栖息地适宜性分析
续表
根据上述分析，可确定北京市适宜大白鹭的生境，并可根据适宜性的高低，将其划分为高、中、低三个水平。(www.xing528.com)
②大白鹭生境阻力面分析
大白鹭的水平空间运动过程主要受土地覆盖类型的影响。由专家打分确定各种土地覆盖类型对于物种运动的阻力系数值（表4-18）。
表4-18 大白鹭空间运动阻力因子与阻力系数分析
根据以上阻力系数，建立大白鹭空间运动的阻力面，据此判别景观安全格局其他组分，并构建针对大白鹭的生物安全格局。
（3）综合生物安全格局。将三个单一物种安全格局进行叠加，通过析取运算（V）取最大值，得到综合安全格局阻力面，根据该阻力面和对辐射道等要素的分析结果，遵循保护生物学的基本原则，如保证各源之间至少有一条廊道连接、避免出现飞地式斑块、在生态敏感区域增大缓冲区、在重要廊道交叉点引入斑块等，进行人工判别和规划，最终确立北京市生物保护综合安全格局（图4-24）。
4）文化遗产安全格局
通过构建北京市文化遗产安全格局，形成文化遗产保护和体验的空间网络，从而进一步保护和彰显北京的历史文化风貌特色。文化遗产安全格局的构成要素包括：①遗产实物：将北京市全部文物保护单位（包括古建筑、古遗址、古墓葬、近现代建筑等）和历史文化街区、历史文化名村作为文化遗产安全格局的“源”；②连接这些遗产而形成廊道的景观元素和潜在的点：通过专家咨询和文献研究，确定历史河湖水系和历史文化线路是北京市最为重要的线性文化遗产，一些具有体闲游憩价值的线性景观元素如水系、山路、乡村道路等，以及那些目前并不具备休闲价值，仅仅因为其空间关系而适宜成为遗产廊道组成部分的景观元素，对廊道规划和建设也具有一定价值。
根据文物普查资料，建立文物保护单位和潜在文化遗产廊道的地理信息系统数据库。然后，基于土地覆盖和土地利用的不同阻力分布，运用最小累积阻力模型（MCR）模拟其空间可达性，在此基础上进一步分析确定适宜建立廊道的区域。基于廊道适宜性分析，判别出宏观尺度上北京市文化遗产安全格局（图4-26）。
图4-26 北京市文化遗产安全格局
5）游憩安全格局
区域尺度上游憩活动的核心不仅仅是对于游憩资源本身的保护，而是游览者沿一定的路径和场所的游憩体验过程，即一种在空间上水平运动的过程，可以用不同景观要素对游憩休闲活动构成的阻力来模拟，故游憩安全格局是指对人在景观中的游憩体验过程的质量具有关键性意义的景观元素和空间联系。基于此，通过文献研究和专家打分法确定不同景观要素对于游憩体验过程的阻力系数，然后根据景观要素的空间分布情况，得到一个反映游憩体验活动的时空动态和趋势的阻力表面，运用最小累积阻力模型（MCR）模拟人在景观中的游憩体验过程，根据土地覆盖类型进行游憩活动的适宜性分析。
将文化遗产（各级文物保护单位和线性文化遗产）、自然景观（重要山体、河流、湖泊、湿地、林地），和已经规划建设的各类风景名胜区、森林公园、公园、民俗村和农业观光示范园等户外游憩空间，共同作为游憩体验过程的“源”。明确“源”之后对不同景观要素对于游憩体验过程的适宜性（即阻力值）进行评价（表4-19）。
表4-19 游憩休闲活动的阻力因子与阻力系数
资料来源：区域生态安全格局——北京案例。
在游憩道适宜性分析的基础上，以网络连通性为原则，经过人工判别，构建游憩安全格局。将文化遗产网络、绿地水系网络等具有不同游憩价值的系统进行叠加，通过空间整合协调，形成北京市游憩安全格局（图4-27）。
图4-27 北京市游憩安全格局
3.综合生态安全格局
综合以上水文、地质灾害防护、生物保护、文化遗产和游憩方面的安全格局，建立综合生态安全格局。其中“底线安全格局”是低水平生态安全格局，是保障生态安全的最基本保障范围，是城市发展建设中不可逾越的生态底线，需要重点保护和严格限制，并纳入城市的禁止和限制建设区。“满意安全格局”是中水平安全格局，需要限制开发，实行保护措施，保护与恢复生态系统。“理想安全格局”是高水平安全格局，是维护区域生态服务的理想景观格局，在这个范围内可以根据当地具体情况进行有条件的开发建设活动。
从面积分布上来看，北京市理想生态安全格局的总面积占全市土地面积的85%左右（表4-20），说明北京市大部分土地具有显著的生态功能；底线安全格局约占全市土地面积的47%左右，说明近一半的土地提供了重要的、不可替代的生态系统服务。
表4-20 不同安全水平下生态安全格局的面积与比例
4.基于生态安全格局的城镇空间格局预景
在生态安全格局研究成果的基础上，选取“无生态安全格局”和“低、中、高水平的生态安全格局”4种不同土地利用方式作为城市空间发展的预景前提，模拟未来城镇空间发展格局。“无生态安全格局”情况的预景体现了城市空间在单纯的经济活动驱动下可能的发展预景。该预景下城市空间发展不受“生态控制”等条件约束，城市空间无序蔓延（图4-28）。基于不同安全水平生态安全格局的预景，主要体现了生态安全格局得以执行的情况下，城市空间可能的发展预景（图4-29至图4-31）。这三种预景下，城市各类用地对城市扩张产生的阻力取决于生态安全格局所赋予的用地属性阻力值，代表城市发展需要跨越该用地的难度，其中低安全水平格局用地阻力值最大，而中、高水平安全格局的用地的阻力值依次降低。
图4-28 无生态约束下的城镇增长格局
图4-29 基于底线生态安全格局的城镇增长格局
图4-30 基于“满意”的城镇增长格局
图4-31 基于“理想”的城镇增长格局
通过预景发现，除高安全水平的“理想生态安全格局”之外，其他三种预景都能满足北京市土地利用总体规划预测的2020年3 817km2建设用地的要求（表4-22）。对不同预景进行综合评价，结果显示：基于生态安全格局的城镇空间发展格局可以维持生态过程的连续性并克服常规城市发展模式下的蔓延，基于“满意生态安全格局”（中安全水平）的城市空间格局可以同时满足生态用地、农用地和建设用地的需求，是一个同时实现精明保护与精明增长的有效工具。
表4-21 各预景综合比较
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