重新审视生态保护与城市土地开发之间的关系：一种空间-机器学习整合方法

本研究通过空间相关分析与可解释机器学习，揭示南京市生态潜力容量（EPC）与土地利用强度（LDI）的四种耦合关系类型及其空间异质性，发现人工环境特征主导核心城区，自然条件影响边缘区，提出基于环境情境的差异化规划策略。

　　

宁旭|王普

东南大学建筑学院，南京，210096，中国

摘要

快速的城市化进程日益限制了高度开发的城市区域的生态潜力。生态系统保护与土地开发之间的冲突被认为是优化城市生态条件的主要障碍，对城市生态系统的表现产生了显著影响。为应对这些挑战，本研究超越了单一视角的生态分析，明确探讨了生态保护与城市发展之间的耦合关系。以南京为例，分析了地块层面生态保护评估与城市发展指标之间的相关性。通过整合空间相关性分析和可解释的机器学习方法，本研究识别出生态潜力容量（EPC）与土地开发强度（LDI）之间的四种关系类型，并揭示了这些类型在城市景观中的异质空间分布模式。研究结果揭示了EPC与LDI之间的多种协同效应和权衡关系，包括那些既具有高生态潜力又具有高土地开发强度的地块。进一步分析表明，这些关系类型与人工和自然环境特征的独特组合相关。在高度发达的地区，EPC-LDI关系主要受建成环境属性的影响；而在较不发达的地区，自然环境条件及其变化起着更为重要的作用。这些发现突显了建成区域内生态-发展耦合关系的依赖性和非线性特征。通过将EPC-LDI关系类型、空间模式和环境背景联系起来，本研究提供了一种新的综合性视角和精细尺度的定量框架，用于解释生态-发展互动，并支持差异化的规划策略，从而促进更具韧性和宜居性的城市发展。

引言

城市区域仅占地球陆地表面的大约1%，却容纳了全球一半以上的人口（Elmqvist等人，2013年；Grimm等人，2008年），将人类活动集中在有限的空间范围内。作为复杂的社会-生态系统，城市生态系统对于维持生物多样性、调节生态系统服务以及保障人类福祉至关重要（Alberti，2010年）。然而，快速且广泛的城市化已成为全球环境变化的主要驱动力，加剧了城市景观中的人为干扰，并日益限制了城市系统的生态功能（Angel等人，2011年）。在许多地区，城市扩张的速度超过了人口增长的速度（Seto等人，2011年），导致大规模的土地利用变化、栖息地丧失和生态过程的退化（Alberti，2005年；McKinney，2006年，2008年）。全球评估进一步表明，城市扩张导致了大量栖息地的丧失和建成区域内物种丰富度的显著减少（McDonald等人，2020年；Simkin等人，2022年），从而削弱了维持韧性和基本生态系统服务所需的生态潜力（Clauzel等人，2018年；Huang等人，2021年）。然而，生态潜力在城市环境中的空间分布及其受到干扰的制约机制仍不甚明了（Alvey，2006年；McDonnell & Pickett，1990年；Morabito等人，2016年；Thrush等人，2008年；Zheng等人，2023年）。

为应对城市化带来的生态挑战，城市生态规划越来越多地采用了诸如生态网络构建和生态敏感性评估等分析工具，这些工具最初是为区域或自然景观开发的。这些方法提高了在城市背景下评估空间连通性、生态稳定性和脆弱性的能力。具体而言，生态网络构建侧重于通过识别生态核心和走廊来维持和优化生态斑块之间的空间连通性（Aminzadeh & Khansefid，2010年；Ignatieva等人，2011年；Opdam等人，2006年）。通过支持物种扩散、物质流动和栖息地交换等生态过程，生态网络有助于城市生态系统的结构完整性（Hong等人，2022年；Luo等人，2022年）。生态敏感性分析评估了生态系统对自然和人为干扰的脆弱性（Turner & Gardner，1991年），表明在不同干扰情景下生态响应的潜在严重性（Haara等人，2017年；Rossi等人，2008年；Tsou等人，2017年）。鉴于城市环境的独特特征，最近的研究将人为因素纳入了城市生态网络构建（C. Li, Huang等人，2024年；Wu等人，2023年；Zhang等人，2021年）和生态敏感性框架（Luo等人，2023年；Tsou等人，2017年）中，包括道路、建筑物、土地利用类型、夜间光照强度和人口密度等，从而扩展了这些方法，以更好地支持城市生态潜力的评估。

尽管在方法论上取得了显著进展，但现有城市生态评估在概念化生态保护与城市发展之间的关系方面仍存在关键局限（Grilo等人，2022年；Saraswat等人，2025年）。大多数现有框架仍然将城市化主要视为作用于生态系统的外部压力（Dutta等人，2022年），隐含地将生态空间和城市发展视为相互分离且常常竞争的领域。因此，研究主要集中在优化孤立的生态要素上，如走廊、斑块或敏感区域，而对生态评估结果如何与更广泛的城市建设和土地开发模式相互作用或受其影响考虑较少（Fang等人，2023年；Hou等人，2022年）。实际上，这种碎片化的视角常常导致生态规划目标与城市发展的空间逻辑之间的不一致，尤其是在生态空间和建设活动紧密交织的密集建成区域（Hardy等人，2022年；Newell等人，2025年）。结果，生态保护往往是被动的，受到预定发展决策的制约，而不是作为塑造城市发展轨迹的组成部分（Armstrong等人，2022年；Catalano等人，2021年；Yang等人，2024年）。这些局限共同强调了需要明确探讨生态潜力与城市发展强度之间空间关系和潜在机制的分析框架。

最近的研究越来越多地探索了多个空间尺度上生态保护与城市发展之间的互动，揭示了全球、国家和区域层面城市扩张、土地利用效率与生态系统条件之间的广泛关联（Shi等人，2025年；Xie等人，2021年）。在城市聚集区尺度上，应用了多种指标和分析工具，如GeoDetector（Zhu & He，2025年）和情景模拟（Newell等人，2025年），以识别驱动因素并探索生态保护与土地开发之间的协调发展路径。尽管取得了这些进展，但这些方法在捕捉建成区域内动态方面仍存在结构性局限。在这种背景下，强烈的人为干扰、细粒度的土地利用异质性和非线性互动导致了生态目标与土地开发之间高度局部化和空间异质性的耦合（Fu等人，2025年；Rabelo等人，2025年；Ziter等人，2019年）。这些局部化和非线性动态从根本上受到细空间尺度上自然条件和建成环境特征组合的影响。因此，通常抽象掉局部环境变化的汇总指标和大规模分析方法不足以揭示特定城市发展模式如何制约或促进生态潜力（Wu, Yu等人，2025年；Yu等人，2023年）。因此，生态网络和生态敏感性评估的结果往往缺乏在建成环境中的清晰可解释性和操作相关性（Hardy等人，2022年），特别是因为影响这些结果的环境背景尚未得到充分研究。

为应对现有城市生态评估在捕捉建成区域内生态潜力与土地发展之间细尺度互动方面的局限性，本研究开发了一个耦合分析框架，以考察生态潜力容量（EPC）与城市发展强度（LDI）之间的空间相关性。通过明确将生态目标与城市发展模式联系起来，EPC-LDI框架超越了孤立评估生态条件的方法，阐明了生态潜力与城市发展强度在城市空间中的空间交织方式。该框架提供了一种有针对性的方法，用于评估生态潜力如何对应于不同水平和形式的城市发展过程，从而支持将生态目标更积极地整合到城市规划中。鉴于EPC-LDI关系在空间上具有异质性，且以往研究中未对其进行系统分类，构建一个稳健的分类体系需要覆盖广泛的空间范围和不同EPC-LDI关系类型的足够样本量。因此，选择南京的主要城区作为研究地点，因为该地区在发展强度和生态条件方面存在显著差异，适合研究EPC-LDI的相关性。

基于这一框架，本研究采用综合分析视角，探讨生态保护与城市发展之间的协同效应和权衡关系。通过明确地块层面EPC与LDI之间的空间关系，识别潜在的共存模式，并揭示不同EPC-LDI关系类型相关的环境背景，本研究旨在将生态评估结果转化为可持续城市规划和管理的具体见解。本研究关注三个关键问题：（RQ1）EPC和LDI在地块尺度上的空间相关性如何？（RQ2）哪些环境因素与不同的EPC-LDI关系类型最为相关，这些相关性在城市背景下如何变化？（RQ3）哪些有针对性的规划策略可以促进每种EPC-LDI关系类型的生态潜力目标的实现？

研究区域

研究区域

南京是江苏省的省会，位于长江下游，是中国长江三角洲地区的关键大城市之一。选择南京的核心城区作为研究地点，总面积约为281平方公里（图1）。南京城市以高人口密度和密集的建设活动为特征，受到人为因素的显著影响。过去十年中，快速的城市化进程进一步加剧了这一趋势

技术路线

本研究系统地考察了城市生态保护与建成环境之间的内在关系，并进一步探讨了将城市环境因素与EPC-LDI关系联系起来的环境背景机制（图2）。开发了一个耦合分析框架，用于量化EPC（代表生态系统）和LDI（代表人为子系统）之间的互动。

生态潜力容量和土地开发强度的评估

图3展示了研究区域内EPC和LDI的空间分布模式。EPC值较高的区域主要集中在北部，是重要的生态来源和敏感区域，包括森林和水体。其他高生态潜力区域呈现线性分布，城市边缘的数值比中心区域更高。这些边缘区域主要作为关键的生态走廊发挥作用

EPC-LDI关系类型的空间模式

LISA结果显示出明显的核心-边缘空间梯度，HH和LH类型主要聚集在城市核心区域，而HL和LL类型则主要分布在城市边缘。城市主要发展轴线上的线性HH带表明了高密度建成区域内绿色-蓝色空间的存在，这些空间特征既受到生态功能的限制，又在城市结构中具有一定的韧性。连续的HH区域可以

结论

本研究旨在重新思考生态保护与城市土地开发之间的长期关系，并探讨如何在地块尺度上系统地识别、解释和指导生态保护与发展强度之间的互动，以支持更加协调的城市规划。为此，提出了一种结合生态潜力评估与发展强度分析的空间-机器学习方法，实现精细化的分析

CRediT作者贡献声明

宁旭：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、调查、资金获取、数据管理、概念化。王普：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件使用、资源管理、方法论设计、资金获取、正式分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号：2024YFC3809202）；国家自然科学基金（编号：52378046）；以及江苏省的研究生研究与创新项目（编号：SJCX25_0135）的支持。