由绿地和水体等构成的城市生态网络呈现出高度的空间异质化特征,在强烈的人工干扰作用下,往往网络结构单一、空间破碎严重、生态服务功能退化,造成一系列城市生态问题。在城市层面上对生态网络进行结构修复和功能强化,对改善城市生态环境意义重大。本文从生态网络的景观格局与城市生态过程关联的视角切入,以ArcGIS作为数据分析平台,以景观格局指数集合作为核心指标,以哈尔滨市南岗区为研究案例,对网络结构特征、生态服务和社会服务进行量化评析,并提出改善网络结构、增强网络联通性、强化服务职能的网络修复策略,为我国城市生态网络修复提供新的技术解决方案。
城市生态网络的景观格局评价方法
1.1 以景观格局指数为核心的评价体系
近年来生态学领域在区域尺度上已取得了一系列景观格局定量化分析的研究成果,为城市尺度的格局评价提供了很好的借鉴。本文从绿地格局与生态、社会服务关联的视角出发,依据景观生态学的“格局—过程”、“源—汇”理论,建立绿地格局的定量化评价方法。
景观格局指数是指能够高度浓缩景观格局信息、反映其结构组成和空间配置特征的定量指标,是进行景观格局分析的重要技术手段与方法,在描述城市绿地生态网络的结构特征和空间分布方面有很好的解释力。但同时近年来研究发现,不同的格局指数反映了格局的不同侧面,单一的格局指数往往很难对生态过程进行全面、准确的解释;而通过对景观指数的联合应用,发掘景观指数集合对生态过程的解释能力是景观空间格局分析的有效途径。本文通过构建网络构成、网络联通度、网络服务职能3个指数集合来全面地定量化描述绿地系统格局特征,并对不同指数所代表的生态与社会服务意义进行联合分析与归纳,从而得到生态网络格局的综合评价。
1.2 生态网络格局的识别项
城市生态网络的景观格局表现出高度人工化、高度的时空异质特性、破碎性、不稳定性的特征,对生态网络进行格局识别是进行定量化分析与评价的基础。本文以绿色基础设施理论提出的“枢纽斑块—生态廊道—小斑块”作为基础空间分析模型,识别出绿地网络的3级空间格局结构。景观生态学认为,景观空间格局由斑块、廊道和基质这些基本单元组成;不同单元功能各异,而这些景观单元的空间分布与组合关系也深刻地影响着地区的物质、能量与信息的流动与迁移转化。生态网络是城市多种生态进程(包括空气净化、水土保持、生物多样性、水体净化等)的“源”与“汇”。
1.3 网络单元的分级
为进一步准确地辨别、分析景观格局,本文依据其职能与生态重要性对网络单元进行分级评定。对生态斑块和生态廊道的分级主要参照《公园设计规范CJJ48—92》《国家生态园林城市标准》《城市园林绿化评价标准GB50563—2010》等国标、规范和相关的生态学领域的研究成果。
绿地景观单元分级表
1.4 评价指标体系
评估学理论认为,评估调查数据的获取要依据评估目的和评估标准来确定。评价指标主要从近30年文献中出现次数超过5次的28个景观指数中选取。指标选取原则其一是指数对绿地生态过程和社会服务解释的有效性,其二是指数描述城市绿地空间特征的契合性。评价体系以网络构成、联通性、服务职能3个指数集合作为一级指标,以生态指向性明确的10个景观格局指数作为二级指标。
斑块:将不同类型与面积的斑块个数作为核心指标。相邻的斑块间存在着边缘效应,即斑块相邻部分间的物质和能量交流远大于斑块内部,选取使用频率最高的斑块形状指数(LSI)作为核心指标。
廊道:根据廊道的分类,以长度和数量来评价廊道的连续性和影响力。
联通性:绿地网络特征的评价重点是网络联通性和组成单元关系。经过比较测算,选取对绿地斑块变化反应明显的连通度(CONNECT)作为网络联通性度量指标;选取聚合度(AI)来测量绿地斑块结构性连接性;邻近距离指数(ENN-MN)测量绿地单元的聚合程度。
服务职能:主要衡量绿地在城市整体格局中的地位与影响,从而判断网络的生态服务与社会服务职能。PLAND指数可以衡量绿地在城市整体格局中所占的优势程度,斑块密度(包括廊道斑块)则可以反映出绿地在整个景观中的分布情况和可达性特征。通过测试计算,选取蔓延度(CONTAG)作为评价绿地对整体格局影响的指标。
生态网络格局评价指标表
哈尔滨南岗区生态网络的格局分析与修复策略
2.1 研究区概述
本文研究案例为哈尔滨南岗区大秋林圈,研究区域面积为11.6 km2。南岗区大秋林圈是哈尔滨城市最早的城市建设区,负担着城市发展的核心职能。随着城市发展,区域内绿地不断减少,环境质量逐渐恶化,难以很好地发挥城市核心区的作用。依据《哈尔滨市城市总体规划》(2011—2020)提出的老城区“中兴”发展策略,受南岗区政府发改局委托,编制《南岗区绿地系统概念规划》(2014—2030),作为下一轮城市绿地系统规划修编的参照依据。
研究案例区位图
数据的筛选与分析在ArcGIS10.2中完成,评价指标计算使用Fragstats3.3。研究案例数据来源于南岗区绿地系统现状分布图和绿地系统规划概念图。现状绿地分布数据来源于哈尔滨公众地理研究所的土地二调GIS数据和现场调研补充数据。规划图数据来源于依据《哈尔滨市城市绿地系统规划(修编)》(2012—2020)编制的《南岗区绿地系统概念规划》(2014—2030)(简称《概念规划》),将《概念规划》的cad文件导入GIS系统,应用GIS的空间矫正模块对cad文件的空间坐标和拉伸变形进行矫正。
2.2 生态网络的景观格局分析
应用ArcGIS的数据筛选功能将分布不连续、面积较小、生态影响弱的小块绿地去掉,识别出南岗区的生态网络格局。
南岗区生态网络现状分布图
通过对研究区域生态网络的景观格局分析,可以发现:
(1)提供重要生态服务的枢纽斑块数量较少(5个),从分布来看,绿地斑块集中在地段西南、中部与东北部,西北部与东南部缺乏生态斑块,分布非常不均匀。
(2)生态主廊道长度短且不连续、不完整;马家沟河是区域内的主生态廊道,但65%的廊道宽度较窄;次要生态廊道数量少(1条)、长度短(729 m);林荫道分布较为散乱,连续性不强(3条,长7 464 m)。
(3)生态网络破碎化严重,整体呈散点式分布;主生态廊道与次生态廊道没有形成完整的体系,生态廊道和生态斑块联通性较弱。
格局指数评价结果(1)
格局指数评价结果(2)
2.3 生态网络修复策略与结果分析
基于网络的格局分析,提出网络修复规划方案与修复策略,并通过景观格局指数软件Fragstats3.3计算,以对比分析的方法来说明生态网络修复后的格局变化。
南岗区生态网络修复规划图
2.3.1 增加绿地斑块与生态廊道
生态斑块与廊道是区域内调节生态过程中重要的“源”与“汇”。枢纽斑块(Hubs)从5个增加到9个,小斑块(Sites)从9个增加到13个;生态主廊道长度提高了622%,次廊道提高了2 338%,林荫道由3条增加到12条,长度由7 464 m增加到19 476 m。表征绿地斑块优势度的PLAND值由规划前的5.68变为15.02,提高了164.4%,绿地总量的提高构成了提供地区生态服务和社会服务的基础。表征绿地斑块聚集程度的AI值变化不大。衡量景观斑块整体性的蔓延度由86.49变为69.50,下降了19.6%,说明绿地的增加已对整体景观格局产生影响,改变了城市优势斑块(建设区与道路)高度连接的现状。
2.3.2 提升网络连通度,将城区散点式网络结构升级为联通的半网络结构
规划后的生态网络以“一主三次”的生态廊道为骨架,以林荫道为辅助,加强廊道与斑块的连接,构建了区域内较为连续的半网络结构。在连通度方面,衡量斑块距离的ENN-MN指数由105.09 m变为规划后的57.47 m,降低了45.3%;连接性指数由3.33变为5.26,提高了57.9%,表明绿地斑块集合度和绿地网络的相互联通有了较大提高。
2.3.3 改善网络服务职能
生态服务职能方面,LSI指数由10.49变为24.49,提高了133.5%,说明规划后绿地的与周边地区的公共边界更长,可以为城市提供更多生态服务。
社会服务职能方面,ENN-MN指数降低了45.3%,说明相邻绿地的距离缩短;绿地斑块密度由0.35个/km2变为1.38个/km2,提高了294%,绿地距离的缩短和数量的增加提高了绿地的可达性。中西部和东部新增的枢纽斑块和小斑块使得绿地分布的匀好性加强,方便了人们使用绿地。规划后形成沿大直街、松花江街、曲线街、花园街、果戈里大街5条主要生活性街道的林荫道网络,可以较好地改善地区内的人居环境和景观风貌。
结论
快速的城市化进程带来的生态人居环境恶化,已经成为我国城市面临的一个普遍问题。作为生态文明建设的重要组成部分,城市生态修复的必要性和迫切性日益凸显。在寸土寸金的城市建设区,通过空间格局的优化来提升生态网络的生态服务与社会服务具有重要的现实意义。通过研究,本文取得了以下发现:
(1)应用景观生态学和绿色基础设施理论,以格局指数为核心指标,提出城市生态网络空间格局的量化分析方法;
(2)以哈尔滨南岗区秋林圈为典型案例,提出改善网络单元构成、提高网络联通度、强化网络服务职能的城市生态网络修复策略。
生态网络格局分析方法为分析城市绿地系统的空间分布存在的问题、规划方案比选、绿地格局的定量考核提供了技术手段。生态网络修复的研究可以在城市绿地的调研分析、城市绿地系统规划、城市生态管理与决策等不同领域得到应用。
城市生态网络具有空间异质性高、生态过程复杂、人为扰动性强等特征,并同时负担着改善生态、防灾避险、休憩娱乐、文化审美等多重职能,以上因素决定了生态网络修复是一个复杂的研究课题,需要不断深化研究,从而改善我们共同生活的城市人居环境。
详情请关注《上海城市规划》2019年第1期《基于景观格局分析的城市生态网络修复研究》,作者:吴远翔、朱逊、刘晓光、李朦朦、陆明,哈尔滨工业大学建筑学院。
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