基于生态能级的县域绿地生态网络构建初探
2015-11-11刘滨谊卫丽亚
刘滨谊 卫丽亚
基于生态能级的县域绿地生态网络构建初探
刘滨谊 卫丽亚
以县域绿地的用地界定与特征为研究背景,分析网络结构实现生态能量流动、辐射和交换的机理。提出“生态能级”概念、理论,据此分析县域绿地与县域其他城乡发展用地的时空特征及演变。研究生态能级的空间效应分析评价,将生态空间构成要素分为正能级、零能级、负能级三阶和七级分级,提出基于不同生态能级的空间效应特征进行绿地生态网络要素的空间连接、渗透和隔离的原理方法。构建三网:以连通为核心的生境廊道网络、以辐射为核心的风景绿道网络、以承载为核心的生态安全网络,并使三网与县域其他发展用地叠加耦合。力求在有限的土地空间上,以合理的绿地生态网络结构形式和多元共赢的发展方式,实现最大限度的县域绿地保护与建设。
县域绿地系统规划;绿地生态网络构建;县域城乡发展用地;生态能级;网络构建
修回日期:2015-05-07
中国的县域绿地是城镇绿地重要组成部分和内涵延伸。“县域”也是中国基础的行政管辖单元(不含市辖区,包括县级市在内的县级行政的管辖范围,总面积约占国土面积的80%,总人口约占全国的70%),孕育着大量生态、景观和文化资源,在中国的生态版图上更起着无法替代的作用。十八届三中全会明确提出健全城乡发展一体化体制机制,城乡间的壁垒被打破,城乡一体化的区域发展已经成为当今和未来发展的主流。中国新型城镇化64个试点中直接列出的县有25个(不含上层级试点所含县域),约占总数的40%。目前业界的关注热点正在不约而同地聚焦到县域,从中国城镇绿化长远的宏观战略看,县域绿地是中国经济和社会发展的生态底线和国家生态储备地,县域绿地作为县域城镇化发展的重要条件,已成为中国新型城镇化发展成败的关键因素之一。
1 县域绿地的界定、特征及其生态作用特点
1.1县域绿地界定
县域绿地对应县域土地管理层面分为县城绿地、县城规划区范围绿地和县域范围绿地3个范围,是指县域内以自然植被、人工植被或无植被为主要存在的绿化用地,能够有效地发挥生境保育、景观游憩、防护修复的绿地功能的绿化生态用地。包括各类自然保护区、风景名胜区、郊野公园、城市绿地、旅游景区、风景林地、动物栖息地、生态涵养林、防护林、商品林、湿地、滩涂、草地以及需要进行生态修复的弃置地、水土流失及荒漠化地区等。本研究未将农田耕地纳入县域绿地,一方面因为农作过程造成大量的生态危害(如退耕还林等政策),对环境的贡献值较小;另一方面考虑到基本农田已划定明确的面积指标和保护范围进行统一控制,从绿地生态网络构建的角度更适合充当县域绿地的基质本底。
县域绿地在县域城乡用地划分上主要包括扣除耕地(农业生产用地)之外的其他各类非建设用地和城乡建设用地中的绿地两部分。根据《城市用地分类与规划建设用地标准(GB 50137 - 2011)》,县域绿地包括非建设用地E1,E9 和E2中扣除农用地部分,以及城乡建设用地(H11)中的G类;根据《土地利用现状分类标准(GB/T 21010-2007)》,县域绿地包括02园地,03林地,04草地,11 水域及水利设施用地,12 其它土地等。
1.2县域绿地特征
县域绿地具有自然资源丰富、景观类型多样、空间规模较大的特征,具有深厚的发展潜力,易于形成规模效应。在广阔的乡村空间规划构建规模如此宏大的绿地系统,所产生的生态效益、景观价值以及改善游客的精神生活质量等方面的功用,都是仅限于城市内部的绿地所无法比拟的。同时,县域绿地保留了自然的山水格局,包含草地、林地、滩涂、水塘、沟渠等丰富多样的空间类型,能够提供多样化的游憩体验和活动场所。在保护自然及人类文化遗产、改善宏观生态环境背景等方面的功能都是城市绿地难以具备的。
1.3县域绿地保护与规划建设特征
从保护与规划建设而论,县域绿地与城市绿地相比有其自身的特征。城市绿地主要处理绿地与其他城市建设用地二者之间的关系;县域绿地则需要处理绿地与城乡建设用地和农业生产用地三者之间的关系。城市绿地拓展空间受限,生态本底极度匮乏;县域绿地则发展空间广阔,且生态本底尤为优越。城市绿地的作用重点考虑的是与人类活动紧密对接;县域绿地作为城市绿地的根据地和大背景其作用更为广泛,特别是在生态方面,通过保障碳汇和生物多样性,缓解水土流失和生态恶化,为城乡发展提供坚实的生态支撑。
1 县域生态价值能级评价解析图
虽然与城市相比县级经济发展大都处于不发达和欠发达的水平,然而,县域绿地所面临的生态危机同样迫在眉睫。县域绿地空间不断被蚕食、破碎化严重、森林生境日益衰退、风景资源环境超载、荒漠化现象不断加剧、粗放型产业造成大量资源消耗。加上近年来土地财政推动下全国各地县域城镇化蔓延之势愈演愈烈,城镇周边的大量绿地生态空间被侵占[1]。如何防患于未然,规避城市城镇化发展的诸如土地争夺、生态恶化、资源枯竭等问题,尤其在更大尺度的区域发展范围,既要守住生态底线,同时又为城镇化发展预留空间,
成为摆在我们面前刻不容缓的问题。
2 县域绿地生态的空间分析评价
2.1生态能级概念
(1)能量-价值-空间
生态系统的基本功能过程体现在能量的不断流动、转化和物质的不断循环;同时,生态系统作为自然界生命支持系统,为人类生存和发展提供密不可分的产品和服务,其价值也逐渐成为衡量生态系统重要性的主要指标;而能量和价值都不能脱离空间而存在,空间是能量的载体,也是一种能量的特殊存在形式,人类对绿化生态空间需求的本质是对其上所负载的功能价值的需求。因此绿地生态系统中能量、价值和空间是紧密相连的耦合发展关系。
(2)生态能级概念的提出
基于绿地生态系统的能量、价值、空间耦合发展观,本文创造性地提出——生态能级理论,针对县域绿地及其生态作用特征,识别县域绿地本体生态能量和价值,借以分析评价生态空间结构,并在其基础上构建系统更优化的县域绿地生态网络。
“能级”一词是从物理学中借用过来的概念,现代量子物理学认为原子的可能状态是不连续的,因此各状态对应能量也是不连续的,具有不同能量值的电子处于不同的相应等级,这些能量值就是能级。能级用于标识事物的能量等级,包含两方面的涵义,“能”标示能量的大小和取向,“级”则对应相应的层级和地位。现有的相关理论包括生态能值、生态系统服务价值、生态位等,均在一定程度上建立了能量与价值或价值与空间的连接关系,却未能对能量、价值、空间三者之间的关系和联系进行更加深入的探讨,往往仅仅停留在数值的计算上,而不能在空间上进行真正意义上的指导和运用。“生态能级”(Ecological Energy Level)的概念是针对县域用地综合生态特征而提出的,用来标识用地所具有的生态价值和能量的大小和指向,反映用地所固有的生态势能。这一概念既延续了生态学中关于生态能量、空间、等级等研究的相关思想内涵(如生态能值[2]、生态位[3]、生态能量流[4-5]等),同时回避了复杂的生态学能量测度计算,以生态能量的核心价值为主线通过生态能级评价可以直观的表述生态能量价值的空间分布和时间演变趋势,与用地空间相结合,便于建立与景观生态学图示语言之间的直接联系。
2 县域生态能级空间分布示意图
3 县域生态能级-空间关系曲线图
(3)生态能级的评价
本研究通过对县域用地尤其是县域各类绿化生态空间要素的本体生态价值职能的识别进行生态能级的评定分级。生态价值因子参考综合普遍公认的3类18项生态服务功能价值因子[6],回避生态功能价值的具体能量和经济计算方法,通过用地要素与生态功能价值之间正负相关性的直观判定进行生态能级评定,将生态空间构成要素分为正能级、零能级、负能级三阶和七级,并以正负号直观表示其生态能级值。具体计算公式为:
4 县域空间发展格局演进图
5 生态能级-时间关系曲线图
其中Aij、Bij、Cij为第i项(1-6)要素A、B、C类指标j项评定因子的评价值,具体评价值根据要素与评价因子的相关性进行评价,正相关取1,负相关取-1,不相关取0,再分别对其求和;n1、n2、n3指的是A、B、C三类评价指标所对应的分项权重值,n1+n2+n3=1。权重根据要素在不同空间层级和尺度下三类生态职能价值发挥所占比重通过专家评估法进行确定。总得分合计后分为七个区间:6.0~4.0,4.0~2.5,2.5~1.0,1.0~-1.0,-1.0~-2.5,-2.5~-4.0,-4.0~-6.0,分别对应三阶和七级,依次为:正能级EEL3+,EEL2+;零能级EEL+,EEL0,EEL-;负能级EEL2-,EEL3-。以县域层面用地为例,县域生态价值分项权重取值突出调节支持和净化供应价值,n1、n2、n3分别取0.35、0.35、0.3(图1)。值得一提的是,从大自然的生态多样性来说,沙漠也有其自身的存在价值,而这里将其划入负能级区间主要是基于其价值对人类的能量输出和功能服务的角度进行的分级,并不排斥其自身固有的生态价值。
2.2县域绿地生态能级的空间分布特征
将县域空间抽象为3个圈层范围:县城、规划区和县域,从各要素的生态能级评价可以看出县域用地的生态能级空间分布特征(图2)。县城区域范围主要基底显示为负能级的区域,其中分布有公园绿地等正能级斑块;县规划区范围偏向零能级,基底多以零能级的农田耕地或商品林地等为主,并分布有各类景区、水源保护区等正能级斑块;县域范围由于各类型县域具有不同特征(如山区县与平原县),但综合呈现以正能级为主的特征,同时分布有各类负能级斑块。因此形成较为明显的内低外高的生态能级上扬曲线(图3)。若及时遏制各类生态危机,生态能级曲线将出现曲线上移现象,则正负能级形成制衡,避免县域呈现整体不健康的综合负生态。
6 县域绿地生态网络构建研究总体框架图
2.3县域绿地生态能级的发展演进趋势
县域绿地从最初的远古时代、原始阶段随着人类社会发展,历经农业发展和工业发展阶段,直至今日,其总体生态能级随着时间的推移在各阶段都呈现出不同的演进特点(图4)。原始阶段绿地生态空间为集中状态,人类活动呈斑块状分布其间,总体正生态能级明显。农业化发展阶段绿地生态空间具有半集中半破碎化特点,处于原始状态的县域绿地部分被改造成农田耕地,满足人类生存发展的需要,生态能级总体呈现下滑趋势。工业化发展阶段绿地生态空间严重破碎化,随着城镇化时代的到来,在经济利益的驱动下,成片的开发建设将周边的山体、林地、河流、坑塘等推成一马平川,转变为城镇用地。城镇化的触角遍布县域城乡空间的每个角落,绿地空间自然生长的脉络被打断、割裂,景观日渐破碎。生态能级总体呈下滑趋势,综合呈现负生态能级现象。因此沿时间发展轴,生态能级形成较为明显倒U型库兹涅茨曲线(图5),倘若这种破碎化现象能够得到较好遏制,真正以生态文明发展模式为主导将会形成曲线的上扬逆转。
2.4生态能级的空间三效应
对生态能级的概念、评级和时空分布特征解析表明,生态能级作为用地空间本身所固有的能量属性与空间的规模、形态不具有直接相关性,而是对于用地空间生态特征和属性的抽象描述。但作为一种能量,生态能级需要通过生态流在空间上进行流动、扩散和交换以实现其自身价值。从这个意义上来说就有必要将生态能级与空间形态和结构相联系,分析其在不同空间状态、结构形式下的效应变化。
生态能级的空间效应包括流效应、场效应和力效应三类。流效应是指生态价值能量在同一能级内或邻近能级适当跨级空间内通过能量的流动实现生态能量的交换同时达到生态增益;场效应是指生态价值能量通过对周边能级空间的扩散和辐射实现价值能量的渗透使得服务价值最大化;力效应是指生态价值能量在能级级差边界所发挥的能量交换或承载、阻隔作用。空间三效应针对3个生态能级又呈现出各自不同的特征,正能级更强调流效应的增益效能,零能级更关注场效应的服务效能,负能级则更需要发挥力效应的承载和阻隔作用。
表1 不同空间状态下的生态能级空间效应对比表
2.5生态能级空间效应的网络最大化
通过对比分析用地空间的基质状态、斑块状态、廊道状态和网络状态下的生态能级的流效应、场效应和力效应,探讨三大效应的最大化路径。分析表明在有限的面积条件下,通过网络结构可以最有效的实现生态价值能量的空间流动,实现生态级差区域间的辐射和扩散,以及边界区域的能量承载和交换(表1)。
3 县域绿地生态网络构建
“绿地生态网络”相关研究作为当前城乡绿地系统的研究前沿和热点[7],在区域层面被公认为是对于区域的生境保护、游憩组织和安全防护起到了更加积极和有效作用的空间组织形式,必将引领未来区域绿地生态发展的主流趋势,对于破解县域生态困境具有决定性作用。基于绿地生态网络思想,转变县域绿地规划的发展范式,以全新的角度重新审视县域空间中人与自然发展的图底关系,转变单纯的人本主义思维和消极保护模式,在有限的土地面积上、以合理的空间结构形式和包容的发展方式,实现最大程度的有效保护和可持续发展。通过县域绿地与城乡发展用地在空间关系、动态过程的耦合分析,从全域发展视角构建绿地生态网络,实现县域动态环境中的绿地与城乡发展用地的生态耦合与系统优化,达到县域复合生态系统的良性循环与功能效益最大化[8](图6)。
3.1构建以连通为核心的生境廊道网络
即建立自然与自然间的连接,基于生态能级空间流效应通过网络的增益作用原理和空间力效应,通过网络边界的渗透作用原理,实现生态能级流的流动扩散。重点是为野生动植物提供生境,维持动物群落之间的交流,维持生物多样性,维持本土生态系统和景观的健康,参与自然生态系统的物质能量循环保护自然生态系统等多种重要生态功能。在县域相关正能级要素解析的基础上,进行生境适应性评价,绘制生境阻力地图,连接孤立的河流、谷地、山脊等带状空间和破碎分布的森林、湿地、草地、公园等斑块,建立和重构连续沟通的生境廊道,修复断裂的生态网络链条,将破碎的自然系统连贯起来。
3.2构建以辐射为核心的风景绿道网络
即建立人与自然间的连接,基于生态能级空间场效应通过网络辐射的服务作用原理和空间流效应通过网络的增益作用原理,实现生态能级场的辐射和服务,重点是为人类提供更多近距离接触自然、参与户外休闲娱乐活动的体验机会;对人文遗产的资源进行连接与保护;带动旅游业,促进周边村镇其他相关产业的发展。在县域相关零能级要素解析的基础上,进行资源适宜性评价,绘制绿道阻力地图,通过对风景资源进行有序连接和挖掘组织,将一些景区公园、历史遗产、文化遗存和重要的游憩点结合起来,建设风景绿道;同时,促进周边村镇服务业发展,为周边居民提供多样化的就业机会。
7 县域绿地生态网络构建流程图
8 松桃县域绿地生态能级评价图
9 松桃县域生境廊道网络规划图
10 松桃县域风景绿道网络规划图
11 松桃县域生态安全网络规划图
12 松桃县域绿地生态网络规划总图
3.3构建以承载为核心的生态安全网络
即建立过滤屏障和修复涵养区,基于生态能级空间力效应通过网络边界的隔离承载作用原理和空间场效应通过网络辐射的服务作用原理,实现生态能级力的承载支撑和隔离修复,重点是阻隔自然力和人力的不利因素,引导有利因素渗透其中,建立过滤屏障和修复涵养区,同时为人居环境提供各类生态需求的支撑。由于自然力的负面因素造成部分区域威胁人类使用,而另一些区域则由于人类的建设和污染等造成干扰和破坏,甚至难以修复。在县域相关负能级要素解析的基础上,进行生态风险性评价,绘制安全阻力地图,通过构建防护安全网,过滤和屏蔽由于人类干扰造成的生态安全威胁,同时也为人类发展提供涵养和储蓄生态空间,发挥防风固沙、清洁水源、净化空气的作用,有助于保护生态环境、畅通通风廊道,缓解热岛效应。
3.4县域绿地生态网络构建流程
县域绿地生态网络的构建分成4个步骤:
(1)收集县域各上位规划和相关规划资料,并分析现状资源特点和存在问题,辨识出各类县域绿化生态网络要素,基于生态能级评定,结合各类要素特点通过资源的空间分布数据和分析评价来确定各类源要素,如生物的核心栖息地作为物种扩散和动物活动过程的源;风景名胜区、公园和文化遗产点等作为风景游憩活动和体验的源。
(2)根据县域绿化生态空间要素的生态能级特征,基于各类景观过程的分析绘制阻力地图,构建三类单一过程网络,即生境保育网络、风景绿道网络和生态安全网络;通过景观过程(包括生物过程,如物种的空间运动;人文过程,如人的游憩体验;安全过程,如污染的扩散等)的分析和模拟,来构建基于这些过程的网络结构,包括源间连接、缓冲区、辐射道等。
(3)通过三网内部及其与城乡发展用地的要素、结构、功能的耦合,构建县域绿地生态耦合网络,以生态能级整体提升优化为目标进行基于共生-共荣-共享的网络优化。
(4)提出基于ACG梯度控制面向县域全境的要素管控、结构管控和功能管控的空间管控策略,构建以生态绿网为导向的县域新型空间规划制度模式,并制定与之相对应的县域绿地分类标准,为县域绿地生态网络的落实和管理提供保障。
具体详见县域绿地生态网络构建流程图(图7)。
4 松桃县域绿地生态网络构建实践
4.1现状概述与生态能级评级
松桃苗族自治县位于黔东北武陵山区的核心位置,借助武陵山丰富的自然资源,有着良好的生态本底条件。县域内有国家级自然保护区2处,省级风景名胜区1处,以及以苗王城、潜龙洞、梵净山桃花源为代表的众多旅游景区。松桃县是贵州喀斯特石漠化复杂、类型多样、分布面积较大的区域之一,不同程度石漠化地区占县域总面积中35.7%。
以县域用地空间为对象,将其分为县域绿地、城乡建设用地和农田耕地三个部分,对各类用地进行相关要素的解析,并以县域绿地的解析为重点进行生态能级的评价,最后进行各因素叠加的县域生态能级评价图绘制(表2、图8)。
13 县域绿地生态网络综合构建要素耦合解析图
4.2生境廊道网络构建
以正能级要素的生境保育为核心,在生境适宜性阻力地图的基础上进行生境保育网络的叠加构建,结合山水格局、水生境、森林生境、动物生境等各类生境空间组织,构建人与自然共生的生境保育子系统。形成“一核五脉三水”的县域生境保育网络总体骨架(图9)。
表2 松桃县域用地生态能级解析表
4.3 风景绿道网络构建
以零能级要素的资源利用和体验服务为核心,结合城乡空间、旅游游憩、历史人文、视觉景观等各类风景资源空间组织,构建人类共享自然资源的风景绿道网络。形成“一环七道”的县域风景绿道网络主体结构(图10)。
4.4生态安全网络构建
以负能级要素的隔离、溶解和修复为核心,结合石漠化恢复、地灾和污染防护、水土流失养蓄等各类生态干扰和生态威胁,构建人类改造自然共荣宜居的生态安全网络(图11)。
4.5县域绿地生态网络耦合构建
将上述基于不同功能效应和构建方式的3种网络进行叠加,并与城乡发展用地进行空间耦合,包括要素耦合、结构耦合和功能耦合3个方面[9]。在网络综合构建中遵循生态能级优先原则,即优先保障生态能级较高区域的网络选择,对构成要素、网络结构和功能组织进行分层次调整和优化,达到整体大于部分之和的效果(图12)。
(1)要素耦合。在生态能级的县域绿地要素分布上可以看出不同要素网络选取的区间叠加特点,根据5大区间的不同特点制定的网络构建模式进行要素耦合(图13)。
(2)结构耦合。三网结构基于自然过程、人文过程和安全过程3类不同的过程而构建形成,同时又对各类过程形成反馈,因此将三网进行结构性耦合,需要将三网重叠交错部分进行空间耦合,明确网络的主体结构和分支结构,同时梳理其与水网、路网和城镇体系网络的关系。
(3)功能耦合。功能具有明确的目标指向性,功能耦合重点在于针对不同的发展时期突出主要功能需求的同时保障其他功能的有效发挥。尤其是在不同尺度上的不同生态能级基质区内宜根据主导功能需要突出不同的功能选择,如农田基质区、建设用地基质区、森林基质区、荒漠化基质区等。
通过要素-结构-功能耦合实现综合网络构建的3大目标:更好的保育县域生态基底,形成具有丰富生物多样性的生态之源;为城乡发展提供高效的空间发展模式,同时促进产业升级转型;为城镇发展提供生态安全保障,修复荒漠地区,提升整体生态质量。最后对综合优化后的网络进行基于生态、经济和社会人文的绿地生态网络绩效评价和空间管控规划和制度的制定。
5 结语
基于生态能级构建绿地生态网络,提供了在区域范围重新审视人居环境空间理性增长的新视角,通过更具包容性的人居绿地发展策略为实现新型县域城乡用地发展提供了新的范式。限于篇幅,本研究已完成的县域绿地生态网络绩效评价、空间管控、制度构建等内容,难以在此阐述。总之,本研究目的在于在城镇尚未大肆蔓延之际, 在广大的县域范围内,通过规划预留绿地生态网络,避免未来亡羊补牢的发展窘境[10]。其战略作用在于构建中国城乡发展的生态空间框架, 为中国城镇未来发展播下了生态绿色空间秩序的种子。
致谢:
本文中部分图纸和内容得益于上海同济城市规划设计研究院《贵州省松桃苗族自治县城市绿地系统规划》项目组王敏副教授、石乔莎硕士等多位同事的努力,在此一并表示感谢!
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An Initial Survey on the Construction of Ecological Energy Level Based County Green Space and Eco-Network
LIU Bin-yi WEI Li-ya
With the county land use definition and characteristics of green space as the research background, the network structure mechanism to realize ecological energy flow, radiation and exchange was analyzed. The concept and the theory of "Ecological Energy Level" were put forward, and the characteristics and evolution of space and time of county green space and the other county land use for urban and rural development were analyzed. Effect analysis and evaluation research of ecological level of space was carried out. The constructive elements of ecological green space were divided into three levels of positive energy, zero energy and negative energy level and seven ranking. The method and principle for spatial connection, infiltration and isolation of green space ecological network factors were proposed based on spatial effect features of different ecological levels. Three networks were constructed: the habitat corridor network with connection as the core,the scenic greenway network with radiation as the core and the safety protection network with loading as the core. All these three networks would be overlaid and coupled with the other county land use. It is our purpose that within the limited land space to achieve maximum protection and construction of green space on county level with a proper green space network structure and the development way of multiple win-win.
County Green Space System Planning; Green Ecological Network Construction; County Land Use for Urban and Rural Development; Ecological Energy Level; Network Construction
“十一五”国家科技支撑计划重点项目“城镇绿地生态构建和管控关键技术研究与示范”(编号2008BAJ10B00);城镇绿地空间结构与生态功能优化关键技术研究(2008BAJ10B02)
TU986
A
1673-1530(2015)05-0044-09
10.14085/j.fjyl.2015.05.0044.09
2015-03-15
刘滨谊/1957年生/男/辽宁人/教授/博士/同济大学建筑与城市规划学院风景园林学科学术委员会主任/国务院学位办风景园林学科评议组成员/国务院学位办风景园林专业硕士指导委员会委员/全国高校风景园林专业教指
委副主任/上海市风景园林学会副理事长/研究方向:风景园林教育、视觉景观、绿地系统、景观规划设计(上海200092)
卫丽亚/1975年生/女/安徽人/高级工程师/同济大学建筑与城市规划学院景观学系博士生/上海市园林设计院有限公司规划设计所所长/注册城市规划师/研究方向:景观规划设计(上海 200092)
Fund Item: The Key Research Program of National Science and Technology Supporting Plan under the 11th Five-Year Plan-Research and Demonstration on Key Techniques for Construction and Management of Urban and Rural Green Space Eco-system(2008BAJ10B00); Key Technique Research on the Optimization of Spatial Structure and Ecology Function for Urban Green Space(2008BAJ10B02)