城市分区控制下生态与环境保护效果评估方法：以呼和浩特市为例

《Ecological Indicators》：Evaluation methodology for the effectiveness of ecological and environmental protection under urban zoning control: a case study of Hohhot

黄河流域呼和浩特市生态分区管控效果评估基于“Pattern–Quality–Function–Stress”框架，融合主成分分析与熵权法构建多维度指标体系，涵盖生态空间保留率、叶面积指数（LAI）、碳汇能力等10项指标，评估优先保护单元、关键控制单元和一般控制单元的生态效能。结果显示：优先保护单元生态空间保留率与LAI持续提升，2020年后趋于稳定；关键控制单元指标呈现显著空间异质性及波动性；一般控制单元生态效能持续下降至2020年历史最低，凸显脆弱性。该框架为城市精细化生态治理提供科学依据，具有可扩展性至其他城市及流域。

　　城市生态分区控制是一种旨在保障生态功能、改善环境质量的环境管理体系，通过区域差异化和精准化的控制措施，促进生态环境的现代化治理。这种措施在提升城市生态系统的可持续发展和环境保护方面具有重要作用。因此，本研究旨在评估城市生态分区控制单元的有效性，全面考虑评价对象的完整性、指标的可操作性和科学性。通过整合主成分分析（PCA）和熵值法等方法，构建了一个城市生态环境保护的综合评价体系，并以黄河流域典型城市——呼和浩特为案例进行验证分析。研究结果表明：（1）在0至100的评分体系中，呼和浩特各类控制单元的综合控制效果得分介于40至60之间，优先保护单元得分高于重点控制单元，而重点控制单元又高于一般控制单元。这说明不同类型的控制单元在生态改善方面存在差异。（2）在优先保护单元中，生态空间保留率和叶面积指数（LAI）均呈上升趋势。特别是在2020年之后，数据分布开始趋近，表明生态保护措施已取得实际成效。重点控制单元的得分波动较大，部分指标呈现出明显的双峰分布，反映出生态环境的显著空间异质性。一般控制单元的得分则持续下降，2020年达到历史最低水平，说明这些区域的生态环境较为脆弱。提出的评价框架不仅揭示了控制单元间的时空差异以及分区措施的动态效果，还为黄河流域的生态保护和高质量发展提供了科学参考。此外，该方法展现出较强的可扩展性，可应用于其他城市和流域，为生态保护和政策制定提供实际的参考依据。

随着全球和区域生态环境面临前所未有的压力和挑战，气候变暖、经济发展和人类活动的影响日益显著。为了保障生态功能并提升环境质量，国务院发布了《关于加强生态和环境分区控制的意见》，严格实施区域差异化和精准化的环境管理体系，以构建人与自然和谐共生的现代化社会。在这样的背景下，对过去和当前生态环境状况进行定量评估，对于推进生态保护和可持续发展具有重要意义。生态环境状况受到多种因素的影响，包括水、土壤、大气环境和生态要素等。因此，构建一个科学合理的综合框架，将生态环境信息传达给相关决策者，以实现有效的监督和评估，已成为普遍共识。目前，全球范围内的生态监测和评估系统已经相对成熟。例如，联合国推出了“千年生态系统评估”和“生物多样性与生态系统服务政府间科学政策平台”（IPBES）等大型项目，建立了概念框架以推动相关生态监测和评估工作。各国和地区的研究人员和政策制定者也根据各自的具体情况，发展了标准化的评估框架。例如，美国开展国家生态系统状况评估，重点关注生态系统分布和模式、生物物理特征、产品和服务以及景观模式等核心指标，并开发了“国家生态系统服务分类系统”（NESCS Plus）以考虑自然资本在环境管理、政策制定和相关评估中的作用。在中国，相关部门采用“模式—质量—功能—问题”框架，对全国范围内的生态环境变化进行了近二十年的调查和评估。研究人员采用因果模型如压力—状态—响应（PSR）模型，开发综合指标，将生态环境与人类活动相结合，评估生态安全、生态健康和资源经济韧性等关键方面。此外，一些指标专注于特定的生态要素和类型，例如基于生态脆弱性评估生态热点区域，利用生态足迹方法评估森林生态系统中的生态系统服务，以及使用硅藻指数评估流域地表水生态状况和干扰程度。近年来，随着生态工程和生态修复实践的推进，生态工程和修复效果的评估也逐步增加，例如美国农业部在田间、流域和国家层面对其生态保护措施进行了项目后评估。在中国，研究人员也对三江源和黄土高原等保护区域进行了效果评估，以评估管理措施、径流和沉积物以及生态系统要素。然而，这些框架在实践中仍面临一些限制，如重要指标选择的不完整性、指标概念理解和应用的偏差以及指标方向性处理的一致性问题。此外，由于数据获取和时空分辨率的限制，城市尺度上的长期监测和效果评估仍具挑战性。更重要的是，尽管这些框架能够揭示生态系统的状态和变化，但很少量化分区控制措施的效果，使得难以为城市管理提供有针对性的政策支持。

城市是人类社会发展到一定阶段时，与农业和生态空间共同形成的聚集区域，支持着各种人类生产和生活活动。城市的发展及其与农业和生态空间的耦合协调，引起了研究人员对生态环境影响的关注。现有的研究通过从多个角度构建评估指标来评估城市生态系统，包括蓝绿空间、城市热岛效应和生态安全格局等，重点关注空间结构、生态系统功能、生态敏感性和社会参与等方面。然而，尽管这些评估可以揭示城市生态系统的宏观状态，但其研究目标很少与具体的生态保护政策和控制体系相结合，导致研究结果往往难以转化为具体的管理措施，也无法为城市管理者提供足够的实践指导。因此，在城市生态治理中，将生态监测与政策实施效果评估相结合，已成为一个关键挑战。

黄河流域作为中国重要的生态屏障和经济与能源枢纽，推动其生态保护和高质量发展已成为国家的战略优先事项。然而，由于其独特的地理条件和人类活动的密集压力，该流域仍然面临诸如生态系统退化、水土流失和水污染等严峻挑战。呼和浩特作为黄河流域中下游的代表性城市，体现了生态屏障的特征以及人类活动的密集压力，具有高度的代表性。本研究基于“模式—质量—功能—问题”框架，开发了一个精细化的城市尺度生态状况评估系统，以生态分区控制单元为基本定量单位。结合国家和区域经验，该框架旨在支持城市沿黄河流域进行生态保护区的精准决策和绩效评估。此外，呼和浩特被选为案例研究，以从时间和空间两个维度进行定量分析，从而探讨该框架在城市尺度政策评估中的适用性。

在评估指标的选择方面，本研究遵循三个基本原则：（1）科学性——指标框架应具备清晰的逻辑和层级结构，客观反映黄河流域城市在分区控制下的生态变化，具有较强的代表性，并能够区分不同控制层级下的生态状况；（2）可操作性——指标应明确定义，与现行标准一致，计算简便，基于可获取且一致的数据，能够产生可量化的结果；（3）系统性——指标体系应在“模式—质量—功能—压力”框架下构建，适应黄河流域城市的特点，以确保全面和集成的评估结果。评估的时间和空间范围直接影响框架设计、指标选择和数据获取，是评估分区生态调控效果的基础和起点。在本研究中，生态控制区作为基本单位，构建了一个以大气和生态维度为核心的综合多因子指标体系，用于评估黄河流域城市生态状况。评估采用年度时间分辨率，主要目标是评估黄河流域代表性城市生态状况的变化趋势。

本研究的指标体系围绕“模式—质量—功能—压力”的生态系统核心框架构建，包括四个主要指标和多个次级指标。为评估生态系统结构，采用生态空间保留率和连通性等指标。生态质量则通过叶面积指数（LAI）和PM2.5浓度等指标进行衡量，反映生物和大气组成。对于主导生态系统功能，本研究参考《国家生态功能分区（修订版）》和区域特点，选择了代表碳固存、水土保持、防风固沙、水文调节和生物多样性等功能的指标。此外，采用如人类活动区域比例和人口密度等通用指标，以反映生态系统受到的人为压力。这些指标的选择和构建旨在确保评估的全面性和科学性，同时具备可操作性，便于实际应用。

在评估方法上，本研究采用综合评分法，对生态和环境分区控制的有效性进行评估。综合评分由四个组成部分构成：生态系统结构、生态环境质量、主导生态系统功能和主要压力因素，总分为100分。每个组成部分的最高分值为25分，通过各次级指标得分的加权和计算得出。四个组成部分通过指标构建和标准化设计为分析独立，确保可比性并避免重复计算，同时在整体框架中保持概念上的互补性。每个组成部分的总分值通过以下公式计算：总分值等于各次级指标得分与对应权重的乘积之和。权重值通过熵值法确定，以确保评估的科学性和客观性。在计算过程中，各次级指标的得分通过标准化处理，以反映其在生态和环境管理中的实际表现。

在呼和浩特的案例分析中，研究发现，优先保护单元的生态空间保留率在2001年至2022年期间呈现上升趋势，整体增长了0.46%。具体而言，2001年的保留率主要集中在0.5至0.75之间，显示出相对集中的分布。尽管平均保留率随时间增加，但数据的分散度也显著上升，表明生态空间在这一时期存在较大的空间波动。2021年之后，数据分布范围逐渐缩小，表明优先保护单元的生态保护措施已开始显现成效。空间上，保留率超过0.8的区域主要集中在呼和浩特北部的达庆山自然保护区、水源保护区以及和林格尔县的森林公园，这些区域均为优先保护单元。值得注意的是，和林格尔县南部的优先保护单元，保留率从2001年的0.71增长至2010年的0.81，增长了10%。随后，该区域的保留率在2010年后趋于稳定。在叶面积指数（LAI）方面，优先保护单元的LAI在2001年至2022年期间整体呈现上升趋势，增长了86.02%，并在2021年达到峰值。2001年，优先保护单元的平均LAI仅为0.24，主要集中在0.2至0.3之间，表明生态系统的质量和健康状况相对较低且较为均匀。2020年以后，LAI的数据分散度显著增加，反映出生态系统质量的显著空间异质性，这可能与不同区域生态保护措施的效果差异有关。空间上，2001年时，LAI呈现出明显的南北差异，和林格尔县的值显著低于其他区域。在后续年份中，北部和东南部地区的LAI稳步上升。2020年至2022年间，75%的单元LAI值超过0.4。在达庆山自然保护区的新华城区，LAI在2020年后达到峰值0.84，但随后有所下降，表明生态状况存在一定的波动性。

在重点控制单元中，生态空间保留率呈现波动下降趋势，整体下降了8.51%。具体而言，如图3所示，该指标在研究期间呈现出双峰分布，低峰约为0.17，高峰约为0.75，表明重点控制单元的生态系统结构存在显著的异质性。空间上，低值区域主要集中在城市中心，而高值区域则分布在发展相对缓慢的县区。值得注意的是，在达庆山附近的重点控制单元中，保留率在研究期间有所上升，并在2020年后稳定在约0.74。叶面积指数（LAI）的变化趋势与优先保护单元相似，整体增长了67.14%。空间上，LAI值高于0.6的区域主要集中在呼和浩特的工业聚集区和重点空气质量监测区域。这可能与为保障环境质量而在工业和经济发展区实施的绿化措施有关。重点控制单元的防风固沙功能主要分布在0.004至0.5×10^6吨之间，仅有约4.5%的单元超过10^6吨。这些高功能区域主要集中在清水河镇的部分地区。在人类活动区域比例方面，整体呈现上升趋势，增长率为218%。高值区域主要集中在城市周边，平均值为0.61，并随时间进一步扩展。这表明重点控制单元在研究期间经历了显著的城市化进程。

在一般控制单元中，生态空间保留率整体呈现上升趋势，增长率为15.16%。空间上，高值区域主要集中在城市的北部和南部，而低值区域则位于中部。然而，自2020年起，数据的分散度逐渐增加，表明该指标在不同区域之间存在显著的差异。一些区域经历了显著的生态改善，而另一些区域则出现了轻微的退化或停滞。叶面积指数（LAI）的变化趋势与优先保护和重点控制单元相似，整体增长了72.87%。然而，LAI值超过0.4的区域在空间分布上更加均衡。尽管如此，2022年北部武川县的一般控制单元仍显示出轻微的生态退化，反映出该区域生态状况的下降。防风固沙功能在一般控制单元中表现出较强的时空异质性，高值区域主要集中在清水河县和和林格尔县的部分地区。2020年后，这些区域的固沙量超过了2.0×10^6吨，表明该生态功能显著增强。在人类活动区域比例方面，一般控制单元的整体值较低，最高不超过0.1。这些高值区域主要集中在土默特左旗，表明该区域人类活动影响较小，生态保护压力相对较低。

通过综合评分，研究进一步揭示了呼和浩特生态和环境状况的时空变化特征。研究结果显示，自2021年实施分区控制以来，三种管理单元的生态和环境保护得分均有所提升，表明分区管理在推动生态环境保护方面取得了一定成效。优先保护单元作为增强生态系统服务功能的核心区域，占据最大面积，并在所有单元中具有最高的平均得分。评估结果显示，自2021年实施分区控制以来，优先保护单元的得分持续上升，显示出显著的政策效果。这一发现与现有关于自然保护区增强生态系统服务功能的证据相一致。然而，多年度评估结果表明，优先保护单元内的生态压力主要集中在与高强度人类活动相邻的区域。因此，在巩固生态保护成果的同时，必须加强对这些区域的人为活动监管，以进一步减轻其对生态环境的潜在负面影响。以往的研究表明，城市扩张对景观格局和生态空间产生负面影响，导致生态系统健康状况下降。然而，如退耕还林还草、城市绿化等政策，已有效改善了某些区域的生态状况。这些发现与重点控制单元中生态保留的“双峰”模式以及工业聚集区中相对较高的叶面积指数（LAI）相一致。重点控制单元旨在加强严重生态退化和高环境风险区域的管理。然而，这些区域仍然面临显著的生态压力，某些地区的生态系统稳定性仍然突出。因此，未来的工作应更加注重优化空间配置，增强生态建设，以确保生态系统结构和功能与城市发展保持动态平衡。相比之下，一般控制单元由于缺乏特定的管理目标，受到周围环境条件的影响较大，生态质量呈现出显著的波动性。这突显了需要采取综合管理措施，以增强这些区域的抗干扰能力和恢复力，例如增加生态修复项目的投资，限制高强度开发活动，从而逐步改善生态质量。

综上所述，提出的评估框架不仅能够对不同区域的分区控制政策效果进行客观评价，还为城市尺度的动态跟踪和定期评估提供了实用工具。其依赖遥感数据，增强了信息的时效性和空间连续性，确保了框架的灵活性和适应性。展望未来，该框架可以通过调整指标体系，以适应不同城市或流域的生态特征和管理目标，从而在黄河流域乃至全国土地利用控制中得到更广泛的应用，为生态保护评估和政策实施提供坚实的科学支持。