在城市发展的过程中，我们会发现无计划的城市扩张会对社会和自然造成很大的问题，很多地方的城市扩张在扩张时都没有将自然因素纳入到城市规划实施中，所以导致城市扩张与生态保护无法协调的进行，这篇文献主要做的事就是将生态系统服务（简称为ESs）纳入城市增长边界(UGB)的划定中，建立一个基于自然的城市扩张解决方案的框架（简称为ESs-NbS框架），来协调城市扩张与自然保护之间的问题。我们平时用于描述UGB的方法主要是使用人工神经网络、元胞自动机模型等其他模型来预测城市的扩张边界。这种方法的局限性是只考虑了城市扩展的内在驱动因素但对生态条件的关注不够，不利于城市的可持续发展战略，所以我们在进行城市扩张时也要考虑生态因素。
ESs-NbS框架是将NbS的8个准则融入城市扩张与生态保护平衡中，并通过生态安全评价来实现这一原则，此文以我国西北地区典型的生态脆弱区呼和浩特市为例，预测了城市用地需求，评价了5个生态安全要素，模拟了不同生态安全情景下的城市扩展。最后，在ESs-NbS框架的指导下，得到呼和浩特市的城市生态承载力。
NbS的8个准则：
在NbS准则和ESs估算指导下，提出了“ESs-NbS”概念框架，并将其归纳为四个主要阶段。
一：为应对城市与生态的协调发展和环境可持续发展，通过评估5个关键生态系统服务，来获得生态系统条件，5个关键生态系统服务分别为生境质量（HQ）、粮食生产（FP）、净初级生产力（NPP）、土壤保持（SC）和城市降温（UC）。
二：为了应对社会和经济发展，城市长期的资源管理的需要，从以下几个城市内在驱动因素作为城市扩张模拟的影响因子，距离休闲场所的距离，据铁路的距离，据政府设施的距离，距离教育资源的距离，土地坡度，DEM，GDP以及人口。
三是要在空间格局上评价城市增长边界，为了评价城市形态的紧凑性和完整性，在城市扩张模拟的基础上计算了景观格局指数，选择了四个指数：斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、蔓延度指数（CONTAG）和斑块凝聚度指数（COHESION）来进行评估。
四是要将UGB划定方法纳入中国国土空间规划体系。从适应性和动态性的角度结合实际需求，提出了基于ESs-NbS将被整合到中国国土空间规划体系中进行实际应用。
研究区为：内蒙古呼和浩特
此文对呼和浩特2015年的五个生态系统进行评价：生境质量(HQ)，粮食生产(FP)，净初级生产力(NPP)，土壤保持(SC)，城市降温(UC)。对于生境质量使用InVEST模型中的HQ模块来量化生境质量，代表了生态系统在人类活动干扰下提供生存条件的潜在能力。粮食生产（FP）,通过使用ArcGIS工具计算，将研究区域内各个旗，县，区的年粮食总产值分配到耕地上。提取作物生长最密集的3-8月的NDVI，并进行标准化处理，合成年最大值。对于NPP的计算此文采用的CASA模型来计算NPP。对于评估SC使用的是土壤流失方程（RUSLE）,估算潜在和实际土壤侵蚀，并使用它们的差异来衡量SC服务。城市热缓解是近几年许多城市的优先事项，在InVEST模型中，我们使用热缓解指数来量化UC服务。
通过计算5个生态系统服务发现呼和浩特市的净初级生产力服务水平为101-556 gC/m2，能够满足较高的人类需求。粮食生产总体空间分布格局为南北低、中部高。空间异质性显著。呼和浩特市生境质量平均为0.59，处于中上水平。土壤保持服务与高程分布特征具有较好的一致性。表征城市降温服务的热缓解指数在0. 04 ~ 1之间，平均值为0. 90，表明呼和浩特市的热缓解能力目前处于极高水平。UC低值区集中在中心城区，分布在区县交界处道路的辐射范围内，高值区位于森林和草原。值得注意的是，市中心内的高价值区域表明城市绿色系统具有较高的热缓解能力。
在叠加了五个ES之后，我们确定了三个安全保护场景。低等安全保护情景面积1818.73平方公里，占全市总面积的10.59%，主要分布在大青山自然保护区、东部大溪山和北部部分山地牧场。中等安全等级保护场景面积2815.72平方公里，占总面积的16.40%。保护研究区东南部的卧龙山及零星分布的林地、草地。高等级安全保护情景区面积7359.48平方公里，占全市的42.85%，主要包括森林、大面积草地和中部平原的部分耕地。
此文采用的城市扩张模拟模型为LUSD模型，通过考虑经济和社会因素，选择了九个推动城市扩张的因素：海拔、坡度、到政府机构的距离、到教育机构的距离、到娱乐设施的距离、到铁路的距离和到公路的距离、GDP和人口。对1995 - 2000年、2000 - 2005年、2005 - 2010年和2010 - 2015年进行了500次模拟，并选择Kappa系数最高的时期对应的权重作为最佳权重。结果表明，Kappa系数最大值为0.996，可以认为LUSD模型能够较准确地模拟呼和浩特市城市用地扩展过程。在模拟过程中将生态安全水平层次作为约束条件输入LUSD模型中，设置生态安全水平斑块不能转化为城市，模拟不同生态保护水平下的城市扩展情况。经过模拟发现，模拟的土地利用变化特征为：耕地和草地面积从1995年到2015年有所减少，但它们仍然是主要的土地利用类型，覆盖了研究区域的70%以上，城镇面积增长率最高，达122.32%，共增加141.96平方公里。呼和浩特市林地面积增加，增长率为4.14%。此外，未利用土地面积增加了246.66平方公里，反映出闲置土地持续存在，从而提供了可观的发展空间。
通过模拟预测数据发现到2035年呼和浩特市城市用地面积将达到550.52 km2，并且在4种情景下（无限制，低安全保护格局，中等安全保护，高等安全保护）随着保护水平的提高，城市用地对林地和草地的占用比例逐渐降低，说明生态系统整合的生态约束对城市扩展中的生态系统保护具有特定的正向效应。
通过模拟发现，四种情景的转化概率在空间分布上大致相同，但由于生态约束斑块的限制，各情景的城市发展模式有所不同。道路两侧、城郊地区和未利用土地转变为城市用地的可能性更大。在空间格局上，在无生态约束的发展模式下，大部分城市用地呈现蔓延式扩张，在道路交叉口出现新斑块飞地。低水平安全保障情景和无约束发展情景下城市新增用地空间分布差异不大。但受北部大青山自然保护区的保护限制，新增城市用地主要分布在南部，城市扩展有向东南延伸的趋势。在中、高安全等级保护的约束下，随着生态斑块数量的增加，城市扩展的大部分变成了填充地块，在原有城市的空隙中延伸，在原有城市的空隙中延伸。
对于计算景观格局，四个景观格局指标（即：斑块数量(NP)、斑块密度(PD)，蔓延度指数(CONTAG)和斑块凝聚度指数(COHESION)）对不同城市扩展情景下景观的破碎化和连续性进行了量化。NP代表特定景观斑块的总量，用来描述整个空间格局的异质性。PD测量整个景观中每类斑块的密度;PD值越大，景观越破碎。CONTAG描述了景观中不同斑块类型的团聚或扩展程度;高的CONTAG值表明景观已形成良好的连通性。内聚力定义为聚集程度。利用FRAGSTATS 4.2计算了这些景观格局指标。
低、中级安全保护场景下的斑块数量(NP)和斑块密度(PD)与无限制场景相比略有降低。蔓延都指数(CONTAG) 减少，而内聚力增加。其中，中级安全防护场景下的(CONTAG)和(COHESION)分别最低（60.11%）和最高（99.34%），说明斑块具有良好的完整性。在高等级安全保护情景下，生态斑块相对破碎，容易破碎扩展地块。在此场景中，NP、PD和CONTAG是最大的，而连接性是最弱的。通过对4种情景的土地利用结构和景观指数的分析，发现中等安全防护情景具有最好的生态连通性和空间集聚性。研究结果表明，单纯追求经济发展或过分强调生态约束，都不一定是城市发展和空间布局的最佳选择。在规划实践中需要找到一个合适的生态保护状态来合理约束城市发展。
划定城市增长边界时，对于划定刚性边界方面，要确保基本生态安全和粮食安全，基于Nbs标准评价了城市扩展状况，并从整个区域中扣除了最优情景下的保护斑块和耕地，从而得到城市不允许达到的底线，结合高分辨率影像，根据区域道路、河流等情况对刚性边界进行调整。其次，为勾画灵活的城市发展目标，初步确定了最优情景下城市未来发展的建设范围。通过刚性边界和柔性边界相结合的方法，得到了最优的扩展区域间距，为适应性土地管理给予了探索空间。
硬生长带面积为8386.15km2，与硬边界相对应（图a）。主要分布在研究区中北部的大青山自然保护区、南部各县区和中部的主城区周围，通过保护重要的生态斑块和耕地，保持了贴近自然的生态系统。在城市扩张背景下，可以应对生态风险。河流、山脉等自然带状地物形成的边界，有利于建立界址标志，明确界址范围。软增长区面积为607.18 km2，对应于柔性边界（图b），主要包括城市用地和耕地。
在刚性边界的控制和柔性边界的引导下，NbS城市扩展的空间策略可以表现为：限制城市发展的地区：它们通过保障生态安全和食物供应为人类福祉提供了高效益，在空间规划中应基于地貌特征的起源进行保护。必须在生态系统退化的地方恢复植被，并严格限制在这一地区的建设活动。适应城市增长的地区：它们是刚性边界和柔性边界之间的中心区域，在同时考虑生态系统和耕地的同时，为城市扩张留下了空间。因此，在空间布局上主要承担着两个可以提升的功能。首先，一个关键问题是在城市边缘区形成保护屏障，从景观尺度上维持生态系统的连续性。其次，城市建设应优先占用生态系统价值较低的区域，从而减少生态系统的破坏，随着城市面积的扩大，该区域的弹性边界将有调整的空间。城市建设区域：它们是灵活边界内的区域。已列入建设规划但尚未完成土地转用的区域将成为空间规划控制的重点对象。解决这一问题，首先要提高土地利用效率，调整建设结构和布局，使城市空间由跨越式扩张转变为填充式扩张，引导城市集聚发展。同时，构建互联互通的现代化交通设施网络，强化城市核心辐射功能，连接北方县域。
通过比较四种情景的模拟结果，发现它们与呼和浩特市“一核三轴”的总体空间布局相一致，也与国家对呼和浩特市的发展定位相吻合。在这一布局下，呼和浩特市中心城区为核心，通过东西向发展轴连接土默特左旗。南北发展轴连接武川县、和林格尔县、清水河县，西南发展轴连接托克托县。从2015年到2035年，城市用地将继续扩大。各区县内部城市扩展在不同场景下呈现高度异质性，但总体分布是一致的。所以研究表明该框架具有作为规划工具的潜力，可以促进中国城市的空间规划。
总结：此文的研究提出了一个框架，通过环境敏感性评估来促进对NbS在城市地区应用的理解。通过ES模型和LUSD模型等方法，研究结果表明，NbS具有改变城市扩展模式的潜力，从强调经济和建设向更加生态、耕地保护的目标转变，促进城市可持续发展。但此研究还存在一定的局限性，在此文中考虑了与区域现状相关的五个生态系统，在未来的应用中，可以根据其他研究区的背景添加和调整不同的生态系统。
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原文请见：Nature-based solutions for urban expansion: Integrating ecosystem services into the delineation of growth boundaries ，2022.
