重新審視生態保護與城市土地開發之間的關系:一種空間-機器學習整合方法
《Habitat International》:Rethinking the relationship between ecological conservation and urban land development: a spatial–machine learning integration approach
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時間:2026年03月03日
來源:Habitat International 7
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本研究通過空間相關分析與可解釋機器學習,揭示南京市生態潛力容量(EPC)與土地利用強度(LDI)的四種耦合關系類型及其空間異質性,發現人工環境特征主導核心城區,自然條件影響邊緣區,提出基于環境情境的差異化規劃策略。
寧旭|王普
東南大學建筑學院,南京,210096,中國
摘要
快速的城市化進程日益限制了高度開發的城市區域的生態潛力。生態系統保護與土地開發之間的沖突被認為是優化城市生態條件的主要障礙,對城市生態系統的表現產生了顯著影響。為應對這些挑戰,本研究超越了單一視角的生態分析,明確探討了生態保護與城市發展之間的耦合關系。以南京為例,分析了地塊層面生態保護評估與城市發展指標之間的相關性。通過整合空間相關性分析和可解釋的機器學習方法,本研究識別出生態潛力容量(EPC)與土地開發強度(LDI)之間的四種關系類型,并揭示了這些類型在城市景觀中的異質空間分布模式。研究結果揭示了EPC與LDI之間的多種協同效應和權衡關系,包括那些既具有高生態潛力又具有高土地開發強度的地塊。進一步分析表明,這些關系類型與人工和自然環境特征的獨特組合相關。在高度發達的地區,EPC-LDI關系主要受建成環境屬性的影響;而在較不發達的地區,自然環境條件及其變化起著更為重要的作用。這些發現突顯了建成區域內生態-發展耦合關系的依賴性和非線性特征。通過將EPC-LDI關系類型、空間模式和環境背景聯系起來,本研究提供了一種新的綜合性視角和精細尺度的定量框架,用于解釋生態-發展互動,并支持差異化的規劃策略,從而促進更具韌性和宜居性的城市發展。
引言
城市區域僅占地球陸地表面的大約1%,卻容納了全球一半以上的人口(Elmqvist等人,2013年;Grimm等人,2008年),將人類活動集中在有限的空間范圍內。作為復雜的社會-生態系統,城市生態系統對于維持生物多樣性、調節生態系統服務以及保障人類福祉至關重要(Alberti,2010年)。然而,快速且廣泛的城市化已成為全球環境變化的主要驅動力,加劇了城市景觀中的人為干擾,并日益限制了城市系統的生態功能(Angel等人,2011年)。在許多地區,城市擴張的速度超過了人口增長的速度(Seto等人,2011年),導致大規模的土地利用變化、棲息地喪失和生態過程的退化(Alberti,2005年;McKinney,2006年,2008年)。全球評估進一步表明,城市擴張導致了大量棲息地的喪失和建成區域內物種豐富度的顯著減少(McDonald等人,2020年;Simkin等人,2022年),從而削弱了維持韌性和基本生態系統服務所需的生態潛力(Clauzel等人,2018年;Huang等人,2021年)。然而,生態潛力在城市環境中的空間分布及其受到干擾的制約機制仍不甚明了(Alvey,2006年;McDonnell & Pickett,1990年;Morabito等人,2016年;Thrush等人,2008年;Zheng等人,2023年)。
為應對城市化帶來的生態挑戰,城市生態規劃越來越多地采用了諸如生態網絡構建和生態敏感性評估等分析工具,這些工具最初是為區域或自然景觀開發的。這些方法提高了在城市背景下評估空間連通性、生態穩定性和脆弱性的能力。具體而言,生態網絡構建側重于通過識別生態核心和走廊來維持和優化生態斑塊之間的空間連通性(Aminzadeh & Khansefid,2010年;Ignatieva等人,2011年;Opdam等人,2006年)。通過支持物種擴散、物質流動和棲息地交換等生態過程,生態網絡有助于城市生態系統的結構完整性(Hong等人,2022年;Luo等人,2022年)。生態敏感性分析評估了生態系統對自然和人為干擾的脆弱性(Turner & Gardner,1991年),表明在不同干擾情景下生態響應的潛在嚴重性(Haara等人,2017年;Rossi等人,2008年;Tsou等人,2017年)。鑒于城市環境的獨特特征,最近的研究將人為因素納入了城市生態網絡構建(C. Li, Huang等人,2024年;Wu等人,2023年;Zhang等人,2021年)和生態敏感性框架(Luo等人,2023年;Tsou等人,2017年)中,包括道路、建筑物、土地利用類型、夜間光照強度和人口密度等,從而擴展了這些方法,以更好地支持城市生態潛力的評估。
盡管在方法論上取得了顯著進展,但現有城市生態評估在概念化生態保護與城市發展之間的關系方面仍存在關鍵局限(Grilo等人,2022年;Saraswat等人,2025年)。大多數現有框架仍然將城市化主要視為作用于生態系統的外部壓力(Dutta等人,2022年),隱含地將生態空間和城市發展視為相互分離且常常競爭的領域。因此,研究主要集中在優化孤立的生態要素上,如走廊、斑塊或敏感區域,而對生態評估結果如何與更廣泛的城市建設和土地開發模式相互作用或受其影響考慮較少(Fang等人,2023年;Hou等人,2022年)。實際上,這種碎片化的視角常常導致生態規劃目標與城市發展的空間邏輯之間的不一致,尤其是在生態空間和建設活動緊密交織的密集建成區域(Hardy等人,2022年;Newell等人,2025年)。結果,生態保護往往是被動的,受到預定發展決策的制約,而不是作為塑造城市發展軌跡的組成部分(Armstrong等人,2022年;Catalano等人,2021年;Yang等人,2024年)。這些局限共同強調了需要明確探討生態潛力與城市發展強度之間空間關系和潛在機制的分析框架。
最近的研究越來越多地探索了多個空間尺度上生態保護與城市發展之間的互動,揭示了全球、國家和區域層面城市擴張、土地利用效率與生態系統條件之間的廣泛關聯(Shi等人,2025年;Xie等人,2021年)。在城市聚集區尺度上,應用了多種指標和分析工具,如GeoDetector(Zhu & He,2025年)和情景模擬(Newell等人,2025年),以識別驅動因素并探索生態保護與土地開發之間的協調發展路徑。盡管取得了這些進展,但這些方法在捕捉建成區域內動態方面仍存在結構性局限。在這種背景下,強烈的人為干擾、細粒度的土地利用異質性和非線性互動導致了生態目標與土地開發之間高度局部化和空間異質性的耦合(Fu等人,2025年;Rabelo等人,2025年;Ziter等人,2019年)。這些局部化和非線性動態從根本上受到細空間尺度上自然條件和建成環境特征組合的影響。因此,通常抽象掉局部環境變化的匯總指標和大規模分析方法不足以揭示特定城市發展模式如何制約或促進生態潛力(Wu, Yu等人,2025年;Yu等人,2023年)。因此,生態網絡和生態敏感性評估的結果往往缺乏在建成環境中的清晰可解釋性和操作相關性(Hardy等人,2022年),特別是因為影響這些結果的環境背景尚未得到充分研究。
為應對現有城市生態評估在捕捉建成區域內生態潛力與土地發展之間細尺度互動方面的局限性,本研究開發了一個耦合分析框架,以考察生態潛力容量(EPC)與城市發展強度(LDI)之間的空間相關性。通過明確將生態目標與城市發展模式聯系起來,EPC-LDI框架超越了孤立評估生態條件的方法,闡明了生態潛力與城市發展強度在城市空間中的空間交織方式。該框架提供了一種有針對性的方法,用于評估生態潛力如何對應于不同水平和形式的城市發展過程,從而支持將生態目標更積極地整合到城市規劃中。鑒于EPC-LDI關系在空間上具有異質性,且以往研究中未對其進行系統分類,構建一個穩健的分類體系需要覆蓋廣泛的空間范圍和不同EPC-LDI關系類型的足夠樣本量。因此,選擇南京的主要城區作為研究地點,因為該地區在發展強度和生態條件方面存在顯著差異,適合研究EPC-LDI的相關性。
基于這一框架,本研究采用綜合分析視角,探討生態保護與城市發展之間的協同效應和權衡關系。通過明確地塊層面EPC與LDI之間的空間關系,識別潛在的共存模式,并揭示不同EPC-LDI關系類型相關的環境背景,本研究旨在將生態評估結果轉化為可持續城市規劃和管理的具體見解。本研究關注三個關鍵問題:(RQ1)EPC和LDI在地塊尺度上的空間相關性如何?(RQ2)哪些環境因素與不同的EPC-LDI關系類型最為相關,這些相關性在城市背景下如何變化?(RQ3)哪些有針對性的規劃策略可以促進每種EPC-LDI關系類型的生態潛力目標的實現?
研究區域
研究區域
南京是江蘇省的省會,位于長江下游,是中國長江三角洲地區的關鍵大城市之一。選擇南京的核心城區作為研究地點,總面積約為281平方公里(圖1)。南京城市以高人口密度和密集的建設活動為特征,受到人為因素的顯著影響。過去十年中,快速的城市化進程進一步加劇了這一趨勢
技術路線
本研究系統地考察了城市生態保護與建成環境之間的內在關系,并進一步探討了將城市環境因素與EPC-LDI關系聯系起來的環境背景機制(圖2)。開發了一個耦合分析框架,用于量化EPC(代表生態系統)和LDI(代表人為子系統)之間的互動。
生態潛力容量和土地開發強度的評估
圖3展示了研究區域內EPC和LDI的空間分布模式。EPC值較高的區域主要集中在北部,是重要的生態來源和敏感區域,包括森林和水體。其他高生態潛力區域呈現線性分布,城市邊緣的數值比中心區域更高。這些邊緣區域主要作為關鍵的生態走廊發揮作用
EPC-LDI關系類型的空間模式
LISA結果顯示出明顯的核心-邊緣空間梯度,HH和LH類型主要聚集在城市核心區域,而HL和LL類型則主要分布在城市邊緣。城市主要發展軸線上的線性HH帶表明了高密度建成區域內綠色-藍色空間的存在,這些空間特征既受到生態功能的限制,又在城市結構中具有一定的韌性。連續的HH區域可以
結論
本研究旨在重新思考生態保護與城市土地開發之間的長期關系,并探討如何在地塊尺度上系統地識別、解釋和指導生態保護與發展強度之間的互動,以支持更加協調的城市規劃。為此,提出了一種結合生態潛力評估與發展強度分析的空間-機器學習方法,實現精細化的分析
CRediT作者貢獻聲明
寧旭:撰寫——審稿與編輯、驗證、監督、項目管理、調查、資金獲取、數據管理、概念化。王普:撰寫——審稿與編輯、初稿撰寫、可視化、軟件使用、資源管理、方法論設計、資金獲取、正式分析、數據管理。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文報告的工作。
致謝
本研究得到了國家重點研發計劃(編號:2024YFC3809202);國家自然科學基金(編號:52378046);以及江蘇省的研究生研究與創新項目(編號:SJCX25_0135)的支持。
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