绿色开放空间系统特征分析及功能效应评价以呼和浩特建成区为例

蹇 凯1,,郭丽霞1,王胜男

(1.内蒙古工业大学 建筑学院,内蒙古 呼和浩特 010051;2.三亚学院 艺术学院,海南 三亚 572022)

开放空间系统在一定程度上起着调整城市结构和优化城市功能的作用,影响着城市的实体空间形态、社会结构形态和文化空间结构形态[1]。绿色开放空间系统是城市生态环境质量的保障,也是决定生态城市建设水平的最根本要素,更加强调城市内部空间的变化规律、空间形态、生态系统、开敞空间等之间的相互作用关系、运行与机理[2]。近年我国关于开放空间系统的研究主要集中在城市公共空间、城市空间结构、城市绿地系统等方面的优化,较少有人从尺度控制层面将城市蓝绿空间要素作为一个完整空间系统来研究。综观绿色开放空间系统的研究成果发现，绿色开放空间系统是指城市中由最具有生命力的各类绿地要素和水系要素构成,在地域空间中有着专门的空间结构和功能形态的开放空间集合体[3]。其实质与城市绿地系统规划方法和研究路径有着截然不同的内涵[4],但该领域的研究处于停滞阶段。为了厘清绿色开放空间系统结构与功能之间的相互关系，剖析城市绿地系统的功能效应[5],研究以“建成区划定—系统要素RS识别—系统特征分析—功能效应评价”为研究思路,针对呼和浩特(简称“呼市”)建成区绿色开放空间系统进行特征分析和功能效应评价。

1 数据来源与研究方法

绿色开放空间系统研究的机制是通过系统要素结构、功能和过程分析来反映对象的特征,在一定的时空尺度上,其结构、功能和过程的合理性直接影响到城市的生态网络体系和生态功能体系。为了获得最为科学的分析结果,本文主要获取了呼市2014—2017年的《统计年鉴》数据,同时考虑到地区特殊的地理气候和地域季节特点,特在地理空间数据云中获取了该区域2013年7月和2017年7月的Landsats 8遥感数据,以便于通过ENVI软件提取最能反映呼市建成区绿色开放空间系统要素变化的特征。

在方法上，一是通过统计分析法总体把握呼市最新4年绿色开放空间系统的基本情况；二是利用GIS空间分析解析和可视化绿色开放空间系统要素在空间上的方位和圈层分布特征；三是借助Fragstats 4.2软件分析呼市建成区绿色开放空间系统结构与功能的动态关系。三者相互结合,以实现绿色开放空间系统要素的空间分布特征分析和功能效应评价。

2 特建成区绿色开放空间系统的要素现状

享有“青城”美誉的呼和浩特是内蒙古自治区最大的政治、经济和文化交流中心,地域历史文化底蕴浓厚。呼市中心城区位于海拔约1040m的平原之上,地势北高南低,具有典型的蒙古高原大陆性气候特点。绿色开放空间系统作为最具生态效益的城市系统之一,其系统要素由城市绿地、水系等城市中非建筑物和构筑物构成。本文从呼市2014—2017年《统计年鉴》中提取了建成区面积、建成区绿地面积、建成区绿化覆盖面积、建成区园林绿地面积、建成区绿地率和绿化覆盖率等6项数据作为研究绿色开放空间系统的基础数据。通过线性分析发现:建成区绿地面积、绿化覆盖面积和园林绿地面积的年平均增长量分别为6.40km2、5.07km2和4.96km2,R2值分别为0.99、0.94和0.99,在数值上反映为呼市建成区绿色开放空间系统要素的各类面积变化呈现出高度一致的增长趋势,且建成区绿化率与绿化覆盖率保持稳定水平(表1)。

表1 2013—2017年呼市建成区绿色开放空间系统的要素分析

注:1.斜率为要素变化的平均水平;2.R2为衡量要素之间变化规律的一致性和数据拟合的可靠性;3.x为时间自变量,y为面积因变量；4.统计数据与RS数据年份不同步不影响研究结果的准确性。

3 绿色开放空间系统的特征分析

3.1 系统格局层面的空间变化

总体格局特征:为了全面剖析呼市建成区绿色开放空间系统的特征,本文以内蒙古师范大学附属中学运动场为城市地理中心,将呼市建成区划分为8个方位和8—10个圈层,分别从方位和圈层层面分析绿色开放空间系统的变化特征，见图1。从建成区面积拓展上看,2013—2017年受城市新区建设和2017年内蒙古自治区成立70周年大庆的影响,建成区面积由251.78km2增加到290.2km2,净增量38.42km2。其中,增长区域集中在第一象限的5—6圈层、第四象限的5—7圈层和西南方向的8—10圈层,即穆斯林公墓片区、赛罕区车管所片区和玉泉百坊民俗村等区域,净增量分别为9.49km2、18.65km2和9.24km2,增长面积占建成区拓展面积的73.24%(图2)。从系统要素比例上看,2013—2017年,城市建成绿色开放空间系统的要素总面积呈增加趋势,城市发展逐步重视对环境提升与生态维育,但系统要素的类型和结构变化较大。具体变化表现为:系统要素总量净增了8.18km2,公园绿地和附属绿地的总面积超过全部系统要素的70%,构成了呼市建成区重要的生态效益要素。其中,公园绿地面和水域面积分别减少了14.5km2和1.17km2,占比分别降低了20.03%和1.97%；附属绿地、防护绿地和其他绿地面积分别增加了12.37km2、1.99km2和5.49km2,占比分别提高了15.31%、1.81%和4.88%,即公园绿地大量流转至附属绿地,表现为对宜居环境的强烈追求，见表2。

图1 呼市建成区的方位及圈层划分

图2 建成区绿色开放空间系统要素面积变化

要素名称编码 面积(km2) 比例(%) 2013年2017年2013年2017年增减情况公园绿地G143.6229.1251.2331.20-20.03防护绿地G23.095.083.635.44+1.81附属绿地G321.7938.1625.5840.89+15.31其他绿地G49.8015.2911.5116.38+4.88水域G56.855.688.056.08-1.97合计85.1593.33———

方位格局特征:2013—2017年呼市建成区绿色开放空间的系统要素在第一、三、四、五、六4个象限有所增加,其中第一、四象限的要素增长明显受这两个方向上的建成区面积拓展影响。相反,第二、七、八象限的系统要素有所减少,减少量较小(图3a)。随着呼市城市建设的推进,系统要素的结构改变反映出各类要素在方位空间上的分布特点(图3b—3f)。

主要表现在:①公园绿地(G1)。在空间分布上主要集中在第二、六象限,但从面积变化上第二、七象限的公园绿地减少量较大,减少量分别达4.08km2和7km2。绿地属性流向附属绿地、其他绿地和防护绿地。②防护绿地(G2)。要素面积总体呈增长趋势,且在第一至四象限分布相对较丰富,防护绿地空间分布受呼市水系分布影响加大,在城市建设过程中间接反映为人们对绿色开放空间系统防护作用和对更加宜居生活环境的追求。③附属绿地(G3)。2017年与2013年相比,附属绿地的面积在第四、五、六象限上增量较大,反映为呼市建成区南部区域的人居环境相比其他区域较好。④其他绿地(G4)。从整体变化情况上看,该类要素在空间分布上变化最为明显。虽然第一、二象限已经属于建成区,但由于建设缓慢,部分绿地仍然呈现为以农业活动为主的土地功能。⑤水域(G5)。呼市建成区水系分布总体上越来越趋于均衡化,但水系面积变化主要反映在呼市第二、三、六象限,这是因为呼市水系主要分布在东部和南部区域,且水系面积大小直接受不同年份降雨影响的可能性较大。

圈层格局特征:呼市建成区绿色开放空间系统变化的总体特征是要素分布总体向外移。从面积变化上来看,建成区圈层拓展到了10个圈层,系统要素面积在第一至四圈层逐层增加,第四至八(十)圈层则逐层减少。但各个圈层内的系统要素面积在第一至三圈层减少,在第四至八(十)圈层增多。在第三圈层减少了3.14km2,在第五至七圈层增加了13.25km2(表3)。从要素比例上来看,受城市建设开发的影响,系统要素结构在圈层空间上表现为不同的分布特点。其中,系统要素面积比例减少主要集中在第一至六圈层和第八圈层；位于城市建成区边缘区域第七、九、十圈层的系统要素面积比例增加(图4、表3)。主要表现在:①公园绿地(G1)。虽然在空间分布上主要集中在第三至五圈层,但受系统要素结构的变化,公园绿地面积在第一至八圈层大量减少。②防护绿地(G2)。从对比数据可知,防护绿地在各个圈层的面积都有所增加。其中,在主要分布有水体环境的第4圈层面积指数净增量达到0.09km2,即在每一个圈层的面积增加反映为对城市绿地防护作用的高度重视。③附属绿地(G3)。近五年来,附属绿地在第四至六圈层分布的面积增长量分别为5.81km2、5.61km2和6.85km2,大大提升了呼市建成区第四至六圈层城市生活居住片区的适宜性。④其他绿地(G4)。这类绿地主要分布在第五圈层,且在第四至七圈层的增加量分别为1.43km2、1.71km2、2.19km2和2.60km2。⑤水域(G5)。在空间中的分布主要集中于第三至四圈层,且水系面积变化较小,水域的微弱变化受不同年份降雨影响的可能性较大。

图3 方位层面绿色开放空间系统的要素变化

图4 圈层层面绿色开放空间系统的要素变化

3.2 景观格局层面的指数变化

景观格局在结构、功能和过程三个层面的变化决定了绿色开放空间系统生态过程的复杂性,即景观格局的表现方式是通过景观要素间的相互作用来影响区域内的景观要素分布、物种丰富度、种群生存能力和抗干扰能力[6-8]。因此,研究选取斑块类型和景观水平两个层面的5项景观格局指数来分析呼市建成区绿色开放空间系统的景观破碎化程度、空间异质性、多样性和均匀性。

表3 圈层层面绿色开放空间系统的要素变化(km2)

表4 2013—2017年呼市建成区绿色开放空间系统斑块层面的景观格局指数

景观格局的破碎度和异质性:本文选取斑块密度(PD)、最大斑块形状指数(LPI)和斑块形状指数(LSI)分析呼市建成区绿色开放空间系统内部近5年的景观要素结构变化、破碎化程度与空间异质性和系统生态过程(表4)。即:①要素结构变化。最大斑块指数变化与斑块密度指数呈现相反的变化规律,公园绿地、防护绿地、附属绿地和水域的LPI指数分别增加了0.04、0.11、0.05和0.01。其中,LPI指数最高的要素由2013年的公园绿地转换成了2017年的附属绿地,要素结构变化反映出呼市对生态城市的建设更加关注和对宜居生活环境的强烈追求。②景观破碎化程度与空间异质性。受建成区拓展和城市绿化建设的影响,除其他绿地以外的其他四类系统要素因斑块密度微弱下降,较好地弱化了系统要素景观破碎化程度和空间异质性。同时,拥有最高斑块类型破碎化程度和景观空间异质性的附属绿地为系统的多样性提高奠定了基础,也正好为城市边缘区的其他绿地破碎化程度和空间异质性的升高提供了原因。③系统生态过程。总体上看,城市公园绿地和附属绿地2类要素始终承担有重要的城市生态过程功能,但除其他绿地以外的其他4类要素的斑块形状指数均有所下降,尤其是公园绿地的生态过程的作用明显减弱。

景观格局的多样性与均匀度:呼市建成区绿色开放空间系统的多样性主要选取景观多样性指数(SHDI)和景观均匀度指数(SHEI)进行分析。分析表明,近五年系统总体层面的SHDI和SHE分别增加了0.1和0.14,系统景观格局的功能效应不受单一景观要素支配或决定,景观更加多样与均衡,但呼市城市建设导致系统内部的多样性在空间上发生了巨大变化(表5)。这些变化主要表现在:①方位层面。系统的多样性较高区域由建成区的西南部移向东部及东北部。2013年,多样性高于当年建成区系统景观多样性指数的有第二、五、六3个象限,景观均匀性相对较高的主要集中在方位五和方位六；2017年,多样性高于当年建成区系统景观多样性指数的有第一、二、三、七象限,景观均匀性相较高的主要分布在第一、二、三、八方位。②圈层层面。系统多样性较高区域由外圈层向内偏移。2013年,在第五、六、八圈层具有较好的景观多样性和均匀度；2017年,第四、九、五圈层具有最高的景观多样性,其中景观多样性和均匀度较高区域主要分布在第四圈层(图5)。

表5 2013—2017呼市建成区绿色开放空间系统的多样性

图5 呼市建成区绿色开放空间系统的多样性与均匀度

4 绿色开放空间系统的功能效应

4.1 指标体系与评估方法

绿色开放空间系统是决定生态城市建设水平的最根本要素,在城市系统中具有特定的生态功能效应。本研究根据绿色开放空间系统的特点,在系统特征分析的基础上选取景观多样性指数、景观均匀度、建成区绿化覆盖率、景观破碎化程度等指数构建了绿地系统服务功能格局测度模型来评估呼市绿色开放空间系统的功能效应，具体见表6。

本文将数据标准化后采用具有多维测度的雷达图表模型来反映绿色开放空间系统单一指标和综合指标的功能效应高低[1,9]。

表6 呼市建成区绿色开放空间系统的生态服务功能效应评价指标体系

4.2 系统功能效应的评价

通过以上指标体系和研究方法的应用发现，2013年和2017年呼市建城区绿色开放空间系统的功能效应分别为0.73和0.65,降幅0.08，功能效应的降低反映出呼市建成区绿色开放空间系统建设在保护区域生态环境、维系生态系统平衡和保持生物多样性等诸多方面并未发挥出应有的促进、支撑和保障作用。从单一指标功能效应上看,虽然呼市建成区绿色开放空间系统的要素总体面积比例较稳定,但系统的景观多样性和均匀性提升较大,增幅效应分别达0.07和0.06,促进了系统要素的景观破碎化程度降低和空间异质性减弱。此外,系统的要素斑块形状指数下降了0.11,绿色开放空间系统的生物动态过程大大降低,这是导致呼市建成区绿色开放空间系统功能效应降低的关键因素(表7)。

表7 呼市绿色开放空间系统生态服务功能效应评价指标的标准化指数

4.3 功能效应的提升策略

针对以上分析结果,本文从景观生态学的视角出发提出了三点策略:①均衡布置建成区内部的各类系统景观要素。结合绿色开放空间系统的要素结构调整,用降低景观斑块密度和斑块形状指数的方式来削弱各类景观要素的破碎化程度和空间异质性,从而增强系统内部的生态过程。②优化绿色开放空间的要素结构和生态功能。采用“斑块—廊道—基质”模式,合理分配点、线、面景观要素的空间分布。在建成区均衡布局点状景观要素,通过线性廊道的构建为动物的迁徙提供活动通道,重点培育城市公园、水体、建成区内外部等具有基质特征的面状景观要素,为建成区的城市生态发展提供基底。③提升绿色开放空间系统的景观多样性和均匀性。均衡布局建成区的多样性空间,以提升绿色开放空间系统内部的生态过程为目的,提高建成区的绿色开放空间系统功能效应。

5 结语

通过以上分析研究,总结如下:①呼市建成区绿色开放空间系统的功能效应有所降低。近五年呼市建成区建设使绿色开放空间系统的景观破碎化程度和景观异质性有所减弱,整体人居的适宜性有所增强,但绿色开放空间系统内部的生态过程减弱,导致城市建设在保护区域生态环境、维系生态系统平衡和保持生物多样性等诸多方面并未发挥出应有的促进、支撑和保障作用。②呼市绿色开放空间系统要素的总体面积呈稳步增长趋势,但系统内部的要素结构变化较大。受城市建设和对城市宜居生态环境追求的影响,城市建设要更加注重防护绿地对城市水系的生态防护和附属绿地对宜居生活环境质量的提升,绿色开放空间系统的要素在空间整体上外移,建成区南部比其他方位拥有更加宜居的城市绿色开放空间；呼市东北部城市建设缓慢或停滞,城市水体空间分布更均匀。③虽然呼市建成区绿色开放空间系统的景观多样性和均匀性有所提升,内部要素的破碎化和异质性减弱,但整个建成区绿色开放空间系统内部的生态过程大幅减弱,多样性空间分布偏移明显,这是呼市建成区绿色开放空间系统功能效应降低的关键因素。鉴于此,本研究针对呼市绿色开放空间系统的功能效应提出了提升策略。

(注:所有图件均为作者自绘。其中,图3—5和表1中的图像是作者根据地理空间数据云中的Landsats 8遥感数据计算与分析而得。)