绿色基础设施作为提升人居环境质量的重要手段,可为城乡居民提供多样化生态系统服务。快速城镇化进程不仅会引起绿色基础设施数量减少、布局不均,还会导致其内在的生态系统服务功能降低以及结构失衡。传统的绿色基础设施构建方法重点考虑生态空间的管制途径,忽视了各类生态系统服务的功能优化和结构平衡。本文在识别了济南市西部新城绿色基础设施供给、支持、调节、文化4类生态系统服务源的基础上,基于“结构—过程—功能—服务”评估框架,构建维持4类生态系统服务流的关键格局。同时,考虑建成区内部及城郊地区生态系统服务的核心功能差异,赋予其不同权重,重点提升城市建成区内部破碎斑块的文化、调节功能,维持城郊地区大面积生态斑块的供给、支持和调节功能,构建底线、适宜、理想3层级安全水平下的绿色基础设施。
快速城镇化进程下,我国城市人口日益增加,根据中国工程院《中国特色新型城镇化发展战略》研究,2033年我国城市人口将会达到9.75亿。城市无序扩张导致一系列生态环境问题,如城市热岛效应、灰霾雾霾天气、城市河流黑臭水体、城市内涝、生境破碎化等频发。作为城市中承担生态功能的重要空间载体,城市绿色基础设施是维持城市生态系统稳态、缓解城市生态问题的重要途径。相比传统的绿地系统概念,绿色基础设施更广泛地包含一切可以为城市提供供给、调节、支持、文化等生态系统服务的林地、农田、水域等自然生态系统,它既是城市复合生态系统的一部分,也是城市基础设施的重要构成。绿色基础设施发挥的生态系统服务功能在促进社会经济发展、改善生态环境质量、提升人居环境品质方面皆有体现。以生态系统服务提升为切入点构建和优化城市绿色基础设施,是精明管理城市绿色基础设施、维持城市生态系统稳态、优化人居环境质量的重要手段。
绿色基础设施与生态系统服务
1.1 绿色基础设施的生态系统服务功能
绿色基础设施通常定义为一种可以保存自然生态系统的功能及价值,并为人类提供一系列生态系统服务的相互关联的绿地空间网络。绿色基础设施核心特征包括3方面:组分上由绿色空间组成,形态上表现为互相联系的网络系统,可为城市提供多重生态服务功能。因此,许多研究者将绿色基础设施看作生态途径下城市空间规划的一种策略。
提供多样化生态系统服务是城市绿色基础设施发挥其生态价值和社会效益的途径。生态系统服务指人类从生态系统所获得的直接或间接收益和福祉,是人类生存发展所必须的环境依托。
1.2 生态系统服务功能的权衡与协同
生态系统服务产生、分配及被需求主体所使用的过程通过生态流来实现,城市绿色基础设施格局破碎化会导致生态流中断,降低其服务能力,引起生态系统服务供需总量失衡、空间不匹配、类型不匹配等问题,普遍存在于在快速城市化地区。不同类别生态系统服务流的关键格局及过程不同,追求某些生态系统服务可能导致绿色基础设施整体服务能力降低,即生态系统服务间的权衡。基于此,生态系统服务可划分为不同聚类(ES Bundles),聚类内生态系统服务价值具有共现特征,关键源、核心廊道多具有空间一致性。
许多研究发现,生态系统服务供给、支持、需求、文化内部虽存在部分权衡关系,但满足城市居民需求的部分功能发挥的关键格局具有空间一致性,供给服务和其他类别服务间以权衡关系为主,即供给效益高的绿色基础设施调节、文化及支持效益会相对较低;而调节服务高的地区往往具有较高的生态系统服务类型多样性。
基于生态系统服务优化的绿色基础设施构建途径
绿色基础设施构建的核心步骤为识别生态系统服务发挥的关键源地与源地间重要连接,主要有4种模式:垂直过程叠加、水平过程模拟、基于网络分析的图论分析以及几何形态学分析。景观安全格局途径结合水平及垂直生态过程分析,是目前绿色基础设施构建中应用较为广泛的方法。然而,该方法下的生态因子选择、权重叠加赋值具有不确定性,现有研究生态因子广泛包含了地质灾害、水文调节、动植物栖息地、文化遗产保护等多方面,但并未考虑诸多因子间权衡或协同关系,忽视了各类生态系统服务的功能优化和结构平衡。
本文从供给、支持、调节、文化4类生态系统服务功能出发,选取类别内与城市生态、人类活动息息相关的表征因子,在识别其各自生态系统服务源的基础上,基于景观生态安全格局理论,构建维持4类生态系统服务流的关键格局。同时,考虑建成区内部及城郊地区生态系统服务核心功能差异,分别赋予其不同权重,提升城市建成区内部破碎斑块的文化、调节功能,维持城郊地区大面积生态斑块的供给、支持和调节功能。
基于生态系统服务优化的GI构建途径
生态系统服务类型选取与相应构建途径
济南市西部新城区域概况与数据来源
济南市西部新城(简称“西部新城”)位于济南市西北部,总面积约450km2。区域内有黄河、玉符河等多条自然水系及玉清湖水库、崮云湖水库2处水库。2002年起,西部新城城市建设用地面积持续扩张,生态空间被不同程度地侵占,城市生态风险持续上升。
西部新城水系分布图
本文采取landsat8 OLI_TIRS第35条带第122列中云量少、植被情况明显的数字卫星影像作为数据源。基于ENVI 5.1软件,在选择纯度较高、分离性好的训练样本基础上,利用最大似然法将遥感影像分为城市建设用地、耕地、密林、疏林草地、水域及裸地6类,可满足生态系统服务源识别、绿色基础设施构建及优化的需求。
西部新城土地利用现状图
单一生态系统服务类型的西部新城绿色基础设施
本文从供给、支持、调节、文化4个方面,选取各类别内与城市生态稳态、居民福祉提升紧密相关的生态系统服务作为代表,依据景观生态学中“生态系统结构—过程—功能—服务”理论,模拟西部新城供给、支持、调节和文化4类生态系统服务流的空间,判别对各生态系统服务流具有关键意义的景观元素、空间位置及空间联系,构建生态系统服务功能优化导向下的绿色基础设施,并划分为底线(严格控制)、满意(弹性控制)、理想(结合用地适宜性评价有条件开发)3层次的GI格局。
4.1 供给服务优化导向下的绿色基础设施
进行供给服务关键格局识别时,采用谢高地对生态系统供给服务价值量评估量表进行评估。识别5 hm2以上的农田、水域为生态源地,划定其为底线格局,划定林地为满意格局,疏林草地等其他生态要素占据的空间为理想格局。同时依照对黄河干流、玉清湖水库2处一级水源保护区周围200 m内区域进行严格建设控制,得到多层次供给服务优化导向下的绿色基础设施。
供给服务优化导向下的绿色基础设施
4.2 调节服务优化导向下的绿色基础设施
水文调节、热岛缓解与维持城市生态系统平衡、提升城市环境舒适度息息相关。分别识别2类功能生态源地,构建调节服务优化导向下的绿色基础设施。在水文调节服务方面,识别区域内主要河道、水库为生态源地,沿河周边林地、草地为潜在调蓄区,结合研究区域高程、坡度及用地现状,多层次调节服务优化导向下的绿色基础设施。
调节服务生态源地识别
水文调节安全格局划定依据
由西部新城夏季地表温度反演结果分析得出,研究区域内平均地表温度为32.2℃,极高与极低温差达到26.4℃。强热岛空间集中分布在工业聚集区,研究区域内水域、植被覆盖区域温度较低,形成冷岛空间。热岛效应缓解格局构建以冷岛空间为生态源地,依照不同用地类型对空气流动阻滞程度确定阻力系数,建立冷空气流动最小累积阻力模型。从底线、满意、理想3个层面构建满足热岛效应缓解需求的安全格局,同时保留城市建成区内部绿色斑块,以调节城市小气候。
热岛强度空间分布识别
调节服务优化导向下的绿色基础设施
4.3 支持服务优化导向下的绿色基础设施
通过选择敏感性指示物种,构建其安全格局,可作为支持服务优化导向下的绿色基础设施的构建依据。本文选取东方白鹤和黄鼬作为指示物种,将识别出的连贯的农田、灌草丛片区、大面积水域湿地作为生态源地,以及滩涂、林地及自然灌草丛为主边缘区。边缘区宽度划定参照朱强等人对景观规划中生态廊道宽度的研究,侧重对大规模城市建成区500 m以外地带的保护,突出郊野地区的生态功能,消减人类活动及边缘效应带来的干扰。
指示物种特征及栖息地保护需求
支持服务生态源地识
东方白鹤觅食时对水边灌草丛有较高的依赖性,在识别其源地的基础上,基于最小累积阻力模型,模拟不同的土地利用类型对其从源向外扩散过程中产生的阻力,确定安全格局。针对黄鼬栖息地保护需求,具体构建底线、满意、理想3个层级栖息地保护格局标准。等权重叠加2种指示物种栖息地保护格局,得到西部新城支持服务优化导向下的绿色基础设施。
支持服务优化导向下的绿色基础设施
4.4 文化服务优化导向下的绿色基础设施
保护西部新城的历史遗产、特色景观是发挥绿色基础设施生态系统文化服务的重要条件。识别研究区域内历史遗产、山体、湿地、城市绿地等要素的文化服务源地,以满足历史遗产保护、特色景观保护、人居环境提升的文化服务安全格局目标。
文化服务安全格局保护目标与景观特征
文化服务生态源地识别
文化服务优化导向下的绿色基础设施
生态系统服务优化导向下西部新城绿色基础设施构建
结合单一类型生态系统服务类型的绿色基础设施格局,对西部新城城市建成区内部、城郊地带赋予不同的权重,满足城市建成区内部对文化和调节功能的需求,突出城郊地带供给和支持功能。
城市建成区内部、城郊地带单因子格局权重赋值
叠加单一生态系统服务优化导向的绿色基础设施,整合破碎斑块、孔洞,以增加生态系统稳定性,易于规划控制。构建底线格局、适宜格局和理想格局3层级安全水平的绿色基础设施格局。将具有底线安全水平的绿色基础设施作为西部新城绿色骨架及城市扩张刚性底线,具有理想安全水平的绿色基础设施作为城市发展弹性边界,维持区域生态系统安全,为城市居民提供生态系统服务。西部新城生态系统服务源地集中于西北侧沿黄地带、南侧丘陵地带及北大沙河、玉符河生态廊道周边。
生态系统服务优化导向下西部新城绿色基础设施
结语
绿色基础设施是城市增长刚性控制、弹性精明管理的重要手段,其功能主要通过提供生态系统服务来体现。生态系统服务产生机制多样,各类服务间逻辑关系复杂,将生态系统服务功能纳入城市绿色基础设施构建尚处于探索阶段。本文尝试从供给、需求、支持、文化4类生态系统服务出发,构建其各自功能发挥的安全格局。在进行绿色基础设施构建时,分别对建成区内部空间、城郊地带进行因子叠加,突建成区内部破碎绿地的人居环境优化、历史遗存保护的功能,保护城郊地带耕地、水域的生产和调节功能,为济南市西部新城划定城市增长边界、优化生态空间提供依据。
详情请关注《上海城市规划》2019年第1期《生态系统服务优化导向下城市绿色基础设施构建研究——以济南市西部新城为例》,作者:肖华斌、施俊婕、盛硕、刘莹,山东建筑大学建筑城规学院。
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