西安城市绿色廊道网络规划研究

袁 钟， 赵牡丹*， 田 涛， 刘蕊娟

(1.西北大学 城市与环境学院， 西安 710127； 2.西安市城市规划设计研究院， 西安 710082)



西安城市绿色廊道网络规划研究

袁 钟1， 赵牡丹1*， 田 涛2， 刘蕊娟1

(1.西北大学 城市与环境学院， 西安 710127； 2.西安市城市规划设计研究院， 西安 710082)

绿色廊道对城市生态安全稳定有重要意义.该文以西安为例，运用景观破碎化指数分析西安城市景观破碎的程度；利用最小累积阻力模型分析潜在绿色廊道的空间分布，并结合改进的引力模型与几何间隔法对绿色廊道空间结构进行优化，形成“两环、三纵、两横”的城市绿色廊道网络格局.结果表明，1) 2009年～2015年西安“摊大饼”式的城市发展模式导致城景观破碎程度增加；2) 引力强度为27.81与1.94作为西安市域三级绿色廊道划分的阈值间隔较适宜.研究结果能为西安以及其他城市绿色廊道规划与建设提供参考.

绿色廊道网络； 最小累积阻力模型； 改进引力模型； 西安

随着城市化进程的加快，城市生态建设越来越被重视.城市规划范围内各类土地利用间矛盾日益突出，如城市生态保护与城市建设.城市建成区面积扩大，使得生态绿地面积减少，生态绿地斑块数量增加.破碎化与孤岛化的生态绿地景观，导致城市生态调控力与恢复力日益下降[1-2]，生物栖息地无法得到有效保护、生物多样性受到威胁，并影响区域生态格局[3].近年来，研究城市绿色廊道网络成为解决城市生态问题与建设生态城市的重要方向.在当前土地资源供应紧缺的困境下，规划建设绿色廊道不仅能有效地连接破碎的绿地斑块，而且对保持城市生态稳定的具有迫切的现实需求[4].

从景观生态学的“尺度”概念出发，绿色廊道规划建设包括街区、城区、区域(省市)、国家、洲际等五个层次.国外较早意识到建立大尺度的绿色廊道对保持生物多样性和修复景观连通性的重要性[5]，并且在城市尺度、国家尺度、洲际尺度构建了若干大型绿色廊道.由于政策体制差异，在国内绿色廊道建设多为城市尺度廊道，并且主要用于满足休憩、文娱以及城市绿化与美化功能[6].经典的绿色廊道侧重于廊道的生态服务功能，连接栖息地以便为动物在破碎的斑块中移动提供安全的通道[7].从我国当前实际情况看，研究城市尺度的绿色廊道有助于保持地方景观过程和格局的连续性，以及引导城市合理发展.

本文研究基于经典绿色廊道思想，在对城市绿色廊道网络构建与优化研究中考虑到不同的景观类型的大小、形状、连通性不同造成景观阻力差异较大[8-9]，利用GIS平台生成景观阻力面数据，采用最小累积阻力模型计算绿地斑块间移动的最小累计阻力，定量提取研究区内生物迁移的潜在绿色廊道的空间分布[8，10]；基于改进的引力模型研究绿地斑块间的相互作用强度[11]，结合几何间隔法优化绿色廊道网络结构.综合水域、道路绿化带等“蓝带”、“绿带”构建西安市域“两环、三纵、两横”的绿色廊道网络系统，以期对西安市的景观斑块破碎化修复、生物多样性保护方面提供帮助，并为其他城市绿地系统的规划完善提供参考信息.

1数据与方法

1.1研究区概况

西安位于中国腹地黄河流域中部关中盆地， 107°40′～109°49′E，33°42′～34°44′N，市域面积为9 983 km2.属暖温带半湿润季风气候，年平均气温6.4～13.4℃，年平均降水量537.5～1 028.4 mm.境内河网密集，全市水域面积6.37千hm2.市域内自然植被种类多样，主要分布于秦岭山区，随海拔高度变化演替，市域内已建成多个国家级自然保护区.多年来的快速城镇化发展，导致农田、绿地景观破碎度和孤岛化的问题日益突出.

1.2数据来源

本文主要数据为30 m空间分辨率的两期遥感影像(2009年8月与2015年8月，轨道号分别为：p127/r36; p127/r37; p126/r36)；30 m分辨率的西安市域DEM数据；土地利用现状图(2006年)、交通现状数据、河流水系现状数据，以及西安市总体规划(2008-2020)中市域绿地系统规划数据.

1.3研究方法

1.3.1景观破碎化指数 景观破碎化指数主要用于反映景观嵌块体被分离的程度.从景观类型与景观类型的斑块看，定量描述景观破碎化指数除了景观斑块数量、密度、平均面积等基础参数外，主要运用景观斑块的破碎度、聚合度、分维度等研究景观的破碎程度[7].

破碎度指数的数学表达式为：

(1)

式中，Cj为景观j的破碎程度，其值越大表示景观破碎程度越高.Nj为景观j的数量， Aj为景观j的平均面积.

聚合度指数的数学表达式为：

(2)

其中，AI表示景观聚合度，反映了景观中不同斑块类型的非随机性或集聚程度.Cmax表示集聚度指数的最大值，n表示景观斑块类型总数，Pij表示斑块类型i与j相邻的概率.

分维度指数的数学表达式为：

(3)

式中，PC表示景观类型的分维度，反映斑块的形状复杂程度，其值越大说明形状越复杂.pij表示i类景观中j斑块的周长，aij表示i类景观中j斑块的面积，Ai表示i类景观面积.

利用ENVI软件对2009与2015年的Landset8影像几何校正和大气辐射校正，去除大气云层和像元位置偏移等影响，然后将影像数据与其他栅格数据进行栅格投影，使其在同一空间参考系下.选取2006年西安土地利用数据的土地类型作为监督分类的训练样本，采用支持向量机(Support Vector Machin)法对影像数据进行监督分类，解译出西安市域范围五种土地类型，分别为建设用地、农用地、林地、城市绿地、水域.两期遥感影像分类后处理的检验Kappa指数均达到0.90，并对解译结果进行随机选点野外踏勘校正，以保证影像解译的精度.计算出各类景观(斑块)的平均斑块面积、数量、密度、分维度、聚合度、破碎度共6个指标.1.3.2最小累积阻力模型 从景观生态学角度，最小累积阻力模型是指物种从源地移动到目的地所消耗的代价，它最早由Knaapen于1992年提出，经国内学者俞孔坚等人先后对其改进得到的.ArcGIS软件中的成本路径工具的算法原理是基于最小累积阻力模型.最小累积阻力模型公式如下[12-14]：

(4)

式中，McR表示两斑块间像素移动的最小累计阻力值；dji表示源斑块j与目标斑块i之间的空间距离；ri表示斑块i对像素移动的空间阻力；n、m表示两景观斑块各自的数目.

景观阻力赋值与绿地斑块选择的合理性影响到绿色廊道空间分布.在本文研究中，景观阻力赋值是依据景观生态学中，不同景观类型对物种移动的景观阻力差异较大[15]的基本理论.同时，借鉴前人的研究成果[10，16-18]的基础上，运用Delphi法进行专家访谈，以此得到各类景观阻力值(表1).

表1 各景观类型的景观阻力情况

1.3.3改进的引力模型 引力模型起源于物理学的万有引力定律，反映物质间相互作用力.景观生态学中绿地斑块间的相互作用的强度，能反映绿地斑块潜在连接的程度[11，16].通过定量评价绿地斑块间的作用力大小，为城市绿色廊道空间结构的优化提供支撑.从地理学相关领域看，改进的引力模型多用于对城市影响范围、城镇等级结构、经济区化等方面的研究，但对城市生态问题研究运用较少.本文借鉴前人相关研究[19-21]，对引力模型相关参数进行适当的修改，以适用于城市绿色廊道的研究.生物地理论认为岛屿上物种丰富程度与岛屿的面积成正比，与岛屿被隔离程度呈反比[7].基于以上观点，笔者认为绿地斑块的相互作用强度主要取决于绿地的生态服务能力，而绿地的生态服务能力由绿地斑块面积和绿地本身景观阻力共同决定.绿地面积与绿地生态服务能力呈正相关，景观阻力与绿地生态服务能力呈反相关.同时，区别于其他相关研究中取引力参数G为1，本文在改进的引力模型认为参数G由景观(斑块)的阻力所确定.

笔者对引力模型做如下改进：将物理学引力模型中物体质量参数替换成以绿地面积的自然对数变量；用绿地斑块间景观斑块的累积阻力与所有潜在绿色廊道的最大累积阻力的比值代替物理学引力模型的半径变量；物理学引力模型中引力参数G用绿地斑块相对重要性参数替换，即绿地景观的自身景观阻力(表1)，并且改进后引力模型参数G与物理模型参数G成倒数关系.

改进后的引力模型公式为：

(5)

其中，Fαβ表示绿地α与β的相互作用力； ρα与ρβ表示绿地α、β自身阻力值；Mα、Mβ表示绿地α与β的面积；Rαβ表示绿地α与β间连接廊道的累积阻力值；Rmax表示研究区所有廊道最大阻力值.

2结果与分析

2.1市域景观格局变化分析

从景观指数变化看(图1)，2009年至2015年林地的平均斑块面积、分维度、聚合度的变化保持稳定，并且斑块的破碎化程度是最小的.农用地、城市绿地以及建设用地景观变化较大.具体表现为农用地与城市绿地的面积、数量、密度均减少，破碎化在增加.值得注意的是建设用地除了面积、密度增加外，其斑块数量、破碎化也在增加.这说明西安城市发展中，大量农业用地、城市绿地被城市建设侵占，从而导致农田、绿地的面积减少、破碎化程度增加.同时，建设用地的斑块数量与破碎度指数都增加，反映了西安“摊大饼”的城市蔓延模式，不利于城市土地集约利于，容易造成城市拥堵问题.

从景观聚合度指数可以看出，建设用地、农用地、城市绿地的聚合度均增加，表明他们与其他景观的距离在增加，也反映了其景观破碎化程度在增加；分维度指数反映建设用地、城市绿地、农用地的景观的复杂程度逐渐降低，不利于保持物种的多样性.

森林被誉为城市“绿肺”，说明森林在维持城市生态功能稳定方面有着重要作用.林地是城市绿色廊道规划的核心绿地.2009年到2015年林地的斑块数量、破碎度指数均减少，聚合度指数、分维度指数保持稳定.这可能与西安的城市建设政策有一定关系.当前西安正着力推进生态城市建设，这有利于提升林地景观的完整性.从整体看，有必要规划建设城市绿色廊道以修复破碎的城市景观斑块、限制“摊大饼”式的城市发展模式.

图1 2009年～2015年西安市景观指数变化Fig.1 Changes of landscape index in Xi’an City during 2009～2015

2.2潜在绿色廊道空间分布

绿色廊道规划与建设应该兼顾生态效益和经济成本，合理确定绿地斑块类型与数量.本文研究依据绿地斑块对生物多样性保护的重要性以及绿地斑块的空间分布情况[12-14]，结合《西安城市总体规划2008-2020》所划定对市域生物多样性保护有重要作用的绿地斑块，最终选择了市域范围内15处绿地景观作为构建城市绿色廊道所需的绿地斑块，其中10处绿地景观类型是林地，5处绿地景观类型为河流绿化带、公园绿地.总面积约为61 357.26 hm2，约占研究区绿地总面积的5.94%.利用最小阻力模型(公式4)计算绿地斑块间移动的最小累计成本，构建连接绿地斑块的潜在绿地廊道(图2a).

图2 西安市域绿色廊道空间分布与优化Fig.2 Spatial distribution and optimization of green corridor in Xi’an

从市域范围看，潜在廊道大致均衡覆盖西安市域.主城区绿色廊道覆盖度较低，主要因为城区的城市建成区面积、人口密度相对较大，对生态环境产生较强的人为干扰，导致生物迁移的成本较高，从而出现绿色廊道未覆盖的空白区.因此，加强城区绿地和绿色廊道建设投入，以改善城区生态环境.

从南北方向看，南部地处秦岭北麓，具有绿地斑块的面积大、斑块破碎程度低等自然优势.南部区域分布多处国家级森林公园和自然保护区，这些大型绿色景观成为连接潜在绿色廊道的首选绿地，因此南部地区绿色廊道分布相对密集.南部地区的绿色廊道(1-2-10-4-11-5、1-9-2-10-3-11-5)连接的绿地斑块依次为：太白山自然保护区—朱雀国家森林公园—草堂风景名胜区—牛背梁自然保护区—库峪风景名胜区—辋川风景名胜区；太白山自然保护区—楼观台风景名胜区—朱雀国家森林公园—草堂风景名胜区—青华山风景名胜区—库峪风景名胜区—辋川风景名胜区.与南部不同，北部城市建设用地较为集中，大型绿地斑块数量较少且斑块面积较小，因此北部地区廊道密度比南部底.连接北部地区绿色廊道的景观斑块主要为城市沿河带状绿地、道路防护绿地.

2.3市域绿色廊道空间优化

研究基于改进的引力模型构建绿地斑块间的引力强度矩阵(表2)，同时运用几何间隔法的引力强度矩阵进行分级，以优化城市绿色廊道的空间结构.

1) 绿地等级划分.核心绿地斑块间的引力强度能反映绿地斑块的生态重要性[6，8].

依据绿地斑块生态功能最大化原则对绿地进行等级划分(图2b).核心绿地斑块对于绿色廊道的重要性地位最强，划分时绿地斑块引力强度阈值应大于20.70；重点绿地斑块的重要性次之，等级划分的引力阈值在3.40～20.70较为合适；一般绿地斑块的引力阈值宜小于3.40.

表2 核心绿地斑块间的引力强度

图3 西安市域绿色廊道网络Fig.3 The green corridor network in Xi’an

2) 绿色廊道空间优化.通过采用专家访谈法对基于不同引力阈值的绿色廊道方案进分析.认为核心绿色廊道作为西安市绿地规划建设的重点对象，其引力强度应大于27.81；重点绿色廊道在维持核心绿色廊道的生态功能稳定有重要作用，引力强度在1.94～27.81较为适宜；一般绿色廊道对于市域尺度的生态稳定所起作用较微弱，主要用于城市休闲、文娱、游憩以及城市美化与绿化功能，其引力强度小于1.94.

规划以新建绿地为节点，以道路及河流的绿化带、文化遗址、公园绿地等市域现状绿色本底为支撑，以优化后的绿色廊道网络为骨架，形成“两环、三纵、两横”的绿色廊道网络格局(图3).通过构建较为完善的西安城市绿色廊道网络对修复现状绿地斑块的生态功能、市域范围生物的安全迁移以及维持城市生态稳定都有重大意义.

3市域绿色廊道规划策略

3.1多层绿地斑块

西安市有较好的生态基础.全市分布这省级、国家级各种绿地，在绿色廊道规划研究中应充分保护与利用.因此，在绿地斑块选择过程中采用核心层、重点层、一般层的三层绿色斑块，作为绿色廊道网络关键节点.其中，核心层绿地节点是维持市域生态稳定的面积较大、紧密连接、生态功能完善的绿地斑块，如国家森林公园、自然保护区、大型湿地等.规划时将其纳入生态保护控制范围内，并严格禁止城市建设，以维持其原始生态功能，减少人类的干预；重点层绿地节点是改善城市内部环境微循环的城市公园绿地等斑块.在规划时，应最大程度的按照人均绿地面积与其服务半径合理布局.在绿地节点的空间形态方面，应注重城市公园的游憩性、生态性和景观功能相协调；一般层绿地节点时街区层面的绿地斑块，如社区公园.在规划时应充分发挥社区公园绿地的游憩功能，尽量做到服务本社区，辐射周边社区，以此将社区公园绿地等开敞空间串联在一起，提高绿地斑块的连接度.

3.2多级绿色廊道

应用最小累积阻力模型和改进引力模型，规划形成核心、重点、一般三级绿地廊道系统.具体规划需注意：核心廊道对维持宏观生态的整体性有重要作用.保证核心绿色廊道两侧应有较宽的绿色缓冲带，减少外部干扰.出现核心绿色廊道穿越高速公路、铁路情况时，要考虑规划建设相应的生态涵洞、自然植被天桥等构筑物，以引导动物安全迁移；重点廊道对提高廊道网络系统密度、优化核心廊道生态功能的稳定作用较强.通过加宽绿化带或采取因地制宜的绿化方式，规划建设大型林荫道，作为城市内部的空气流通道和生态绿色廊道；一般廊道的生态重要性较低，适宜规划具有娱乐休憩功能的慢行游憩道.

3.3多尺度绿色廊道

应用城市生态学原理规划建设“城市——城区——街区”多尺度的地方城市绿色廊道网络.整合原本生态联系较弱的小区域绿色廊道，形成生态功能更加稳定的复合绿色廊道网络.城市尺度绿色廊道主要是从宏观层面确定绿色廊道空间结构；城区内由于人口密度大，使得生态环境受到的人类影响较大，因此该地区生态环境较脆弱.城区尺度绿色廊道规划时，应该严格控制建设用地扩展，禁止占用城市绿色，并将城市的公园绿地、道路绿化用地等开敞空间通过绿色廊道合理有序的组织在一起；街区尺度绿色廊道建设主要满足游憩功能，应因地制宜的通过绿色慢行道的规划建设将街区花园、沿街绿化带等相互连接.

4结论与讨论

随着城市化进程的加速，城市绿色空间格局变化明显，绿地斑块破碎化程度不断增加.在当前土地资源供应紧缺的困境下，构建绿色廊道网络能有效地连接破碎的绿地斑块，对维持区域生态安全格局的稳定具有重要意义.本文以西安市为例，采用景观生态学理论对城市景观破碎程度进行分析；运用最小累积阻力模型构建了西安市域的潜在绿色廊道，并基于改进的引力模型与几何间隔法优化潜在绿色廊道，形成覆盖西安城市多级绿色廊道：核心绿廊、重点绿廊、一般绿廊，其引力强度阈值分别为27.81、1.94.

本文研究也存在诸多不足以及有待提高的地方.首先，采用Delphi法分析城市景观阻力时存在一定主观性，可能会对绿色廊道网络优化造成一定影响；其次，对改进引力模型的参数替换的可行性与科学性有待验证；最后，城市绿色廊道网络研究时，应考虑空间尺度问题，以规划不同尺度的绿色廊道网络，形成完整的绿色廊道网络系统.

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Study on urban green corridor network planning in Xi’an

YUAN Zhong1， ZHAO Mudan1， TIAN Tao2， LIU Ruijuan1

(1.College of Urban and Environmental Science， Northwest University， Xi’an 710127;2.Xi’an City Planning & Design Institute， Xi’an 710082)

Green corridor plays an important role in urban ecological stability. Taking Xi’an city as a case， this paper analyzed urban landscape fragmentation by landscape fragmentation index. The spatial distribution of potential green corridor is investigated using the minimum cumulative resistance model， and the spatial structure of green corridor is optimized combining the gravity model and geometric interval method. The results showed that， 1) a lot of farmland and urban green space became construction land because of spreading-type urban spatial expansion， which leads to urban landscape fragmentation increased; 2) the value of gravity intensity of 27.81 and 1.94 is suitable to considered as the threshold interval of the three level green corridor in Xi’an city. The results might provide reference for the planning and construction of urban green corridor in Xi’an city and other cities．

green corridors network; minimal cumulative resistance model; improved gravity model; Xi’an City

2016-06-14.

国家自然科学基金项目(41271284).

1000-1190(2016)06-0923-07

TU984

A

*通讯联系人. E-mail: zmudan@sina.com.