区域绿地主要生态功能研究进展

丁 宇，张 雷

(1.北京交通大学 经济管理学院，北京 100044；2.中国科学院 地理与资源研究所，中国科学院 区域可持续发展分析与模拟重点实验室，北京 100101)

绿地作为土地的一种利用形式，其稀缺性和重要作用正日益凸显[1-2]。随着我国城市化进程的加快，城市群成为新型城镇化的主体形态。传统的城市绿地系统规划难以适应大都市区地域变化带来的生态保护要求，使原本脆弱的生态环境更加恶化。许多世界级城市群尽管各自的发展模式不同，但在维系生态系统安全、建设区域绿色基础设施方面存在许多共同点。伦敦、巴黎、纽约、东京等城市很早即开始探索通过绿带、森林围城、区域性绿道网络等规划，强化景观生态过程与格局的连续性与完整性，提升生态系统服务，同时控制城市蔓延扩张[3-5]。区域绿地对环境改善的重要性已获得广泛共识，成为生态学、区域规划、土地利用以及环境科学等多学科研究的热点[6-7]。区域绿地在空气污染削减、水土保持和生物多样性保护3方面生态功能的研究较多、方法较为成熟，而且城市化过程、景观格局对于这些生态功能的影响更为显著[8-12]。该文总结了国内外区域绿地三大生态功能的研究进展，分析目前研究的重点和难点，为以后进一步研究提供参考依据。

1 区域绿地内涵

1.1 区域绿地概念

绿地是自然生态系统的组成部分之一，各国学术研究对它的定义有着不同的解释。西方国家一般不提绿地的概念，而是用绿色开敞空间(open space,OS)、绿道(green belt,GB)和绿色基础设施(green infrastructure，GI)等相似或相关的概念，本文对这些概念的内涵、起源、关注点进行了分析[13-15]，以便更好地了解区域绿地内涵(表1)。具体来看，西方国家不区分城市绿地与区域绿地，而是强调绿地的自然属性和空间的开放性。我国绿地在生态学、国土资源管理领域采用《辞海》中的释义，即“绿地是生长植物的土地，不论是自然植被或人工栽培的，包括农林牧生产用地及园林用地”[16]。而城市规划、园林绿化领域绿地通常指的就是城市绿地。尤其是2002年《城市绿地分类标准》(CJJ/T85-2002)出台，城市绿地的概念、分类和保护被提升到国家整体绿化管理的进程。该标准将城市绿地限定在城市建设用地范围内，以自然植被和人工植被为主要存在形态的城市用地，包括5大类，13个中类和11个小类，突出绿地为居民提供绿化环境和良好的户外游憩场所的主要功能[17]。与之相比，区域绿地目前还没有全国统一的、公认的概念。有学者参照欧美绿地相关概念，提出区域绿地是保护和发展自然生态绿地、绿色廊道、大型园林绿地等多样化的绿地类型，为了达到生态、娱乐、景观等多样化的改善目标[18]。也有学者提出区域绿地是将城市绿地系统延伸到市域或区域整体，构建城乡一体化生态功能网络[19-20]。在规划实践中，广东省探索编制了《广东省区域绿地规划指引(2003)》，其中的区域绿地是指在一定区域划定，实行长久性严格保护和限制开发的，具有重大自然、人文价值和区域性影响的绿色开敞空间。该定义是以“生态控制线”界定区域绿地空间范围和管理边界，同时提出区域绿地的主要价值[21]。长三角国家森林城市规划、珠三角绿道规划也将区域绿地以“绿线”形式纳入区域发展规划[22-23]。宽泛来讲，区域绿地是通过保护一定比例的生态用地，包括林地、草地、未利用土地等，构建整体联接、安全稳定的生态网络，从而达到对特定生态过程的有效调控，切实保障区域生态安全，促进可持续发展。

表1 绿地相关概念辨析

1.2 区域绿地构成

与城市绿地相比，区域绿地具有明显的结构、功能特征(表2)。区域绿地具有鲜明的自然属性，一般位于城市建成区外围，覆盖面大，“成规模”的、“连续的”且受人类干扰较小的森林、草地等自然或半自然生态系统，生态意义和环境效益突出，是整个城市和区域的生态支柱。借鉴国内外大都市区绿带、区域绿道、森林城市等标准，确定区域绿地包括以下5大类：1)重要生态功能区，包括国家森林公园、自然保护区、江河干流及一级支流的防护林、重要水源地的水源涵养林、集中成片的基本农田保护区等；2)具有生态调节功能区的绿地，包括生态公益林、沿海防护基干林带内的林地、湿地缓冲区绿地、土壤侵蚀防护区绿地、自然灾害防护绿地等；3)具有维护区域生态平衡的绿地，包括风景名胜区绿地、城市郊野公园、基础设施隔离带、维护生态系统完整性的生态廊道和绿地；4)保障主要林产品生产基地建设的绿地，包括木本粮油林、优质用材林、生物质能源林等；5)其他特定范围内唯一的或具有较高资源稀缺性的开敞空间，比如地质地貌景观区、传统风貌地区绿地。

1.3 区域绿地主要功能

联合国环境署注意到洪水控制、气候调节等问题与自然生态系统恶化密切相关，是最早讨论区域绿地生态功能的机构[24]。区域绿地通过植被的光合作用、吸收作用、隔离阻挡作用、蒸腾作用等改善区域生态环境[25]。本文对区域绿地主要功能研究进行汇总，包括生态功能、生产功能、防护缓冲功能、休闲功能、附属功能等(图1)。其中生态功能关乎区域生态安全，具体功能包括涵养水源、固碳释氧、缓解温室效应、吸尘降噪、提供野生生物栖息地和迁徙廊道、保护生物多样性等作用。其他功能满足生产生活需求，包括了部分农田、果园、鱼塘、商品林等用地，提供农林产品，也可为城乡居民回归大自然，开展各种休闲活动提供有益的场所。

表2 城市绿地与区域绿地主要特征的比较

图1 区域绿地生态功能

2 区域绿地主要生态功能研究进展

2.1 区域绿地与生物多样性保护

保护生物学认为自然栖息地是维系生物多样性的关键。生物多样性对于绿量增加的敏感性较差，更依赖具有重要生态价值的栖息地，尤其是功能群落的丰富度和生态网络的效率[26]。生态学将林地面积、林地与最近山体的距离作为物种丰富度的重要指标，林地中公益林和天然次生林的比重、林龄结构以及外来物种可以反映栖息地的质量[27-28]。M.Buching[29](1999)对欧洲森林生物多样性保护的研究表明，自然保护区最小适宜的面积为森林面积的1%～5%，以保证受保护对象的基因流动和种群完整。生物量是衡量生态系统生产力及固碳释氧能力的重要指标，杨昆[30]等(2007)、陈玉娟[31]等(2006)对华南地区的研究表明，珠三角森林林分生物量占整个区域植被生物量的89%，其中马尾松林和常绿阔叶林是森林生物量的主体。大规模森林采伐、湿地改造及外来物种引入会导致生物量改变，在很大程度上影响了生态系统类型及区域碳氧平衡[32-33]。常青[34](2008)在景观水平和类型水平上的研究发现，在中心到城市外围圈层受城市化和地形约束，绿地景观多样性降低而优势度高，说明人类活动已成为决定这一地区生物多样性分布格局的主导因子。

2.2 区域绿地与空气污染的削减

绿地改善空气质量主要通过蒸腾作用降低温度，影响混合层高度和建筑物能源排放，吸收CO2影响区域气候变化[6,35-36]。绿地的削减效应因不同的自然条件、土地利用及社会经济变量的差异而呈现显著的空间异质性[37]。B.World[38](1997)提出以土地利用强度变化分析不同规模绿地削减污染的空间异质性特征。F.J.Escobedo[39](2004)认为区域尺度跨界污染过程复杂，绿地的削减污染效应也与气候变化、碳贮藏等宏观议题紧密相关，应该促进区域合作，加强生态系统管理。

绿地削减大气污染效果缺乏定量研究。一般认为绿地层次越丰富、绿量越大，大气净化效果越好[40-41]。叶面积指数(LAI)绿地垂直结构的一个重要参数，常被用于干沉降模型进行模拟分析。美国芝加哥研究了1991-1995年干沉积通量变化，提出保持或增加森林覆盖率有益于空气质量改善和公共健康[42]。方精云[43]等(2015)研究发现，近30 a来我国森林生物量碳汇达1 896 Tg C(Tg C=1 012 g C)，对化石燃料碳排放具有显著的抵消作用。丁宇[44]等(2011)对大珠三角地区的研究表明，区域绿地对SO2、NO2、PM10的削减率分别为1.3%、0.7%和4.1%，生物多样性、植被垂直结构和景观格局对大气污染削减的影响非常突出。但是多数研究缺少实验观测数据，尚不能深入分析出森林物种结构和组成、斑块类型对大气净化的影响。

2.3 区域绿地与水土保持

绿地景观格局对水土流失的影响往往在区域/流域尺度更为显著。大量研究表明植被是土壤侵蚀的重要影响因素，主要包括植被覆盖度、植被类型、植被结构、植被根系等。坡面尺度的试验观测结果具有局限性，区域尺度植被与水文环境的关系受到气候、地貌特征、经济活动等影响非常复杂，构建反映径流和泥沙输移过程的景观、格局指数是大尺度研究的发展方向，尺度转换仍是重要的手段[45-48]。M.A.Fullen[49](1998)在英国布设10个径流观测小区，用以分析草地对土壤有机质的影响，结果表明，随着草地覆盖率的增加，侵蚀速率不断下降。范志平[50]等(2000)以广州市流溪河林场为研究对象，发现当林场森林覆盖率超过70%，平均每公顷林地蓄水能力可达1 436～2 104 m3。日本森林水文学家野秀章认为，连续降水量超过400 mm时，森林对洪水的调节作用基本消失[51]。珠三角的相关研究表明处于演替中的多层次、多种类、复合森林结构具有更好的水文效应，针阔叶混交林年林冠截留率达28.24%，明显大于马尾松纯林(17.18%)和季风常绿阔叶林林冠截留率(24.7%)，同时，森林>灌丛>草地，复层混交林>单层纯林，纯林模式>农林复合模式>农业模式[51-52]。

3 区域绿地生态功能研究的重点难点

3.1 生态功能的时空尺度特征

生态过程通常在特定的时空尺度上表现的最为强烈、最易观测，或者是在特定的时空尺度上产生显著的作用效果。相同的生态过程随着评估尺度的逐渐增大，在不同地方完全共享的生态功能类型逐渐减少。一旦采用了区域尺度，生态系统服务研究面临的关键问题是我们需要知道绿地服务的对象是谁。比如气候调节、碳固定往往作用范围是国际、国家。生物多样性保护、水土保持、污染削减往往作用于区域或城市之间，而休闲游憩、降低城市热岛效益等主要作用于城市内部。某些生态功能依赖于关键性绿地斑块及其间联系实现，如生物多样性保护、水土保持等；有些生态功能则主要由城市内部绿地的可达性和连续性实现，如休闲娱乐、气温调节等。

由于作用于区域尺度上的生态过程通常也与其他尺度上的生态因素、社会因素和政治因素等有关，模型的选用、对策分析也会产生一系列复杂的尺度问题，如生态系统服务功能评价的模型中的宏观性与参数设定的微观性就是一对矛盾[53]。基础理论与应用研究积累不足以及参数确定过程中的繁琐性和逻辑关系的复杂性将是相关研究工作的最大技术障碍[54]。此外，尺度还与变异性、可预测性有关。小尺度事件比大尺度事件具有更大的变异性，从而使得大尺度上的格局更具有可预测性[55]。因此，区域绿地生态功能跨尺度权衡是解决关键问题的关键。

3.2 景观格局与生态过程的关系

景观格局反映了各种生态过程在不同空间尺度上相互作用的结果，同时又决定了各种自然环境因子在空间上的分布和组合，从而制约生态过程。景观格局的动态变化源自两个主要的生态学思想：生态演替和人为干扰。保护生物学的“面积效应”、“距离效应”均提出为了避免生境破碎化造成生态孤岛，自然栖息地应该有足够的面积去抵抗或承受不同干扰的影响[56-57]。生态功能不仅仅由内部物质、营养结构和能量流动驱动着，而且受到边界及邻接区域的物种和物质流动影响[58-59]。研究表明，在一定的森林覆盖率保证种群—面积动态条件下，生态交错带与邻近系统的相互作用及联系成为生物多样性保护的关键[60]。尤其是当森林覆盖率低于40%时，景观连接度和植被垂直结构对于区域环境质量的影响远远大于绿地面积[61]。复合种群理论也提出增大斑块面积、增加生境斑块数量、减少斑块间障碍能有效影响种群迁移和异质种群的稳定性，提高复合种群的生存机会[62-63]。例如，对于森林生态系统而言，湖泊生态系统的邻接将增加其生态功能，而若邻接荒漠生态系统会降低其生态功能[64]。

土地利用变化不仅改变地表覆被，而且改变生态景观的时空布局，进而对于群落演替、群落结构及生物生产力等方面产生影响。如何利用邻接性有效地保障某些关键性生态斑块，是景观实体与生态功能结合的桥梁[65-66]。目前，生态安全格局的构建多采用权重法进行不同生态过程的耦合，但不同生态过程之间存在相互作用，其与整体生态功能的耦合关联可能大相迥异[67]，有必要深入解析不同生态过程的耦合关联和保护机理。

3.3 区域绿地生态功能的科学评估

绿地生态功能评价是近年来区域可持续性评价的重要内容[68]。可持续发展评价的研究手段多采用环境近似调整的国内生产净值、基于生态学的生态足迹模拟、基于社会政治学的可持续经济福利指数[69]。这些方法只体现了评价模型外在表现形式上的差异，难以反映土地利用变化改变的生态过程。大尺度和多尺度的生态过程因其复杂性和抽象性，一般以物种多样性或绿量指标体系来评价生态系统健康情况。唐继刚[70](2008)提出对于绿量变化速度敏感性高的生态功能应该优先提升。彭建[71]等(2017)也认为生态系统健康需要“剂量-效应关系”验证目标的指示意义。但是综合研究相对不足，为决策提供的信息有限[66]。因此，目前区域绿地的生态功能还没有进入到生产成本当中，人类享受到的生态功能没有得到正确评估，这直接导致经济发展的倒挂现象[72]。

生态功能网络方法为区域可持续性研究提供新的视角。越来越多的研究采用“源地-廊道”的组合方式识别、构建生态网络[73]。与以往的评价方法相比，生态功能网络考虑到绿地景观格局与生态功能的耦合，突出了连接性和森林内部特征的生态学意义。但是网络结构中最优生态廊道路径由于数据有限，多采用最小累积阻力模型识别，生态阻力面识别取决于土地利用类型，而目标物种的保护、污染物分布等对实际路径具有重要意义的内容无法体现在分析中[67]。评价过程和指标选择应跳出“就绿地看绿地”，关注到城市化的发展速度、威胁程度对区域绿地的影响，重视多学科融合，形成“规划管理—实施评价—监控”循环互动的发展模式。

4 研究展望

辨析区域绿地的概念、特征、构成和主要生态功能，有助于明确区域绿地保护与规划建设的重点。“格局—过程—功能”一直是景观生态学研究的重点和难点。区域绿地生态功能的实现，需要较高的景观稳定性，必然要求景观多样性、物种多样性和遗传多样性的极大丰富，在建设尺度上就需要保护与恢复重要栖息地，建立生物走廊的连通性和有效性，形成生物生存空间的岛屿化，提高景观对干扰的抗性，并避免城市无序扩张。

区域绿地生态功能是生态学和地理学研究的前沿。区域绿地既是具有较高的生物多样性特征的自然生态系统，也是相对较高的生产生活服务能力。生态功能的识别依赖于对于生态过程动态的理解和模拟。区域尺度的生态功能只有在特定时空尺度上才能充分表达其主导作用和效果，即典型的空间范围和持续时段。生物多样性保护、空间污染削减和水土保持是当前区域绿地主要生态功能，也是下一步探讨景观格局和规划管理的基础。所以亟需建立普适性的评价框架，结合研究区域条件深化生态功能供需在生态系统与人类社会之间的动态关联分析，并进一步应用到生态系统管理和规划等领域。