京秦铁路北京中心城区段沿线开放空间生态系统服务功能研究

蒙小英 侯松晔

（北京交通大学建筑与艺术学院，北京 100044）

因铁路沿线用地权属的路地分离，导致城区运营铁路沿线积存大量脏乱差的灰色空间和长期被人们忽视的品质低下的绿地，是存量更新和高质量交通空间治理的首要对象。京秦铁路绿廊是北京中心城区至城市副中心规划的5条景观大道之一，亟需治理和提升。研究以京秦铁路北京中心城区段沿线开放空间为对象，以铁路两侧防护绿地各向外延伸约两个街区——1 km距离的城市空间为研究范围。通过大数据结合现场调研，厘清京秦铁路北京中心城区段沿线开放空间现状；结合中心城区铁路廊道的实际，选取净化空气、吸声减噪、雨洪管理、气温调节和观赏游憩5个指标，运用物质量评估方法建构研究模型、构建京秦铁路沿线开放空间评价模型，量化分析判定现有开放空间的生态系统服务功能。研究表明：研究区域内空气净化、降低噪音处在供小于求的状态，交通产生的噪音都未能抵消，甚至相差甚远；雨洪调节以及气温调节则处于供大于求的状态，城市绿地可以有效调节雨水以及炎热天气；开放空间中公园以及广场的服务能力大致平衡。铁路沿线近铁路部分的绿地碎片化严重，且已有的碎片化绿地未与城市空间中的绿地形成有效的连接，减弱了绿地系统的生态服务功能。因此，将铁路线路两侧的消极空间改变为积极空间，以及沿京秦铁路廊道重建连续的线性绿地空间体系是非常必要的。

京秦铁路；北京中心城区；开放空间；生态系统服务功能；物质量评估

京秦铁路绿廊是北京中心城区至城市副中心规划的5条景观大道之一。现有京秦铁路沿线环境隐患多、绿化破碎度高、景观品质低下，亟需治理和提升。京秦铁路绿廊景观大道西起北京站，东到通州玉带河大街，全程19.2 km。因五环内铁路沿线城市空间密集，沿线土地利用类型、城市功能较复杂，研究选取京秦铁路北京中心城区段①根据《北京城市总体规划（2016-2035）》，北京中心城区即城六区，包括东城区、西城区、朝阳区、海淀区、丰台区、石景山区，是包括核心区在内的334 km2的空间，均位于五环路以内。为研究范围，从北京站到朝阳区东面行政界为止，共17.2 km。开放空间是城市公共的外部空间，以绿地、水体、广场、街道和公园为主，是城市空间中最生动、最活跃的部分和城市空间系统的重要组成部分。对研究范围内开放空间的类型、数量、功能等现状进行地毯式调查，梳理铁路两侧开放空间现状存量及其主要覆盖类型，明确其资源存量，为交通空间治理和更新提供基础数据。城区铁路绿廊作为城市交通与生态空间体系的骨架，国土空间规划体系下作为城市生态空间体系的组成部分如何发挥作用？研究者指出，城市生态空间体系规划的核心策略之一是基于城市生态问题的关键生态系统服务诊断[1]。因此对京秦铁路交通廊道沿线开放空间以生态系统服务功能评估的诊断为始，为京秦铁路绿廊的生态空间和景观大道的建设提供支撑和参考。

1 研究背景

目前国内开放空间的研究主要集中在景观绩效、活力、品质、满意度、认知、热舒适性、POE、可达性、行为模式等方面[2]。开放空间中的城市绿地是生态系统服务（Ecosystem Services，ESs）功能研究与价值评价的主角，国内评价研究始于2003年。绿地系统ESs功能研究以整体城市、某个城区以及个体公园为主，是点状、面状的空间形态居多。李锋[3]将城市绿色空间的生态服务功能总结为净化环境、调节小气候、蓄养水源、土壤活化和养分循环、维持生物多样性、景观功能、休闲文化和教育功能、社会功能和防护及减灾功能。王胜男[4]运用多生态功能强度指数测度法和Huff模型等方法对洛阳绿地系统生态服务功能水平进行研究。崔朝伟等[5]、DOU Y等[6]利用ArcGIS平台对北京市域绿色空间的生态服务功能进行了评估。

以交通空间为主的线形廊道，如城市道路、公路和铁路，研究以公路、铁路全线或路段中的边坡绿化、树种选择、景观规划设计、绿化养护、绿化与行车安全等的定性研究为主。2010年后铁路景观的定量研究增多，但数量屈指可数。定量研究主要是评价研究：视觉质量[7]、绿化模式[8]、景观敏感性及风景视觉吸收力因子[9]、城市空间割裂[10]等。学科交叉研究主要体现在风景园林学、景观生态学与地理学等的结合，多集中于铁路景观自身范畴，较少探讨铁路绿化对城市发展、开放空间和生态系统服务的影响或关联。

目前国内外生态系统服务评估方法有价值量法和物质量法两大类。价值量评估法主要运用于对供给服务的评估，其次是调节服务及文化服务，包括当量因子法和功能价值法。当量因子法是“基于各种服务的价值当量，结合生态系统的分布面积对生态系统服务进行评估”[11]，对小尺度区域的生态系统服务价值评估研究适用性和可操作性较强。功能价值法是生态系统服务功能量和功能量单位价格所得到总价值的评估方法，常用于供给服务方面的价值评估。物质量法是以生态系统过程为基础，从生态系统物质量的角度对其提供的服务进行综合性、整体性评价。其评价结果可信度、为决策提供依据性都更高[11]。物质量法又分为能值法、模型法。能值法常用来研究大尺度下生态系统服务利用区域差异和评估城市生态系统等。模型法是指使用InVEST、ARIES、SolVES、MIMES、TESSA等模型进行评估。有研究者对绿色空间生态系统服务功能的评估方法总结归纳为三种：基于观测数据的统计分析、模拟模型（经济计量模型、空间叙述模型和驱动力情景预测模型）、专家访谈与公共参与[12]。这三种方法与价值量法和物质量法的评估内容本质上是相似的，只是分类视角不同。上述评估方法各有利弊，根据文中研究对象和范围，本研究将借鉴物质量法开展铁路沿线开放空间生态系统服务功能的评价。

在重庆绿地生态系统服务的评估计量中，研究者将计量要素归纳为淡水资源、农业生产、雨洪管理、固碳释氧、水质净化、空气净化、降低噪音、气候调节、保持土壤、维持生物多样性、文化教育和观赏游憩[13]。在太原城市绿地生态系统服务功能评价中，研究者以涵养水源、固碳释氧、净化空气、减少噪声、滞尘、调节小气候、土壤保持、生物多样性保护和社会服务指标进行评价[14]。这些评价指标为铁路沿线开放空间生态系统服务功能评估提供了参考。

2 数据来源及研究方法

2.1 研究数据

开放空间遥感数据来自研究区2021年的谷歌遥感地图，采用ENVI 5.1软件对遥感图像进行几何矫正、裁剪，并结合实地勘察目视修正进行人机交互解译。依据《城市用地分类与规划建设用地标准》（GB50137-2011）提取绿地信息。将处理好的图片波段拉入ArcGIS中，从符号系统中进行分类，根据不同的图片波段将绿地与其他要素区分后将要素生成矢量化，再导出为CAD格式文件。

2.2 研究方法

采用ArcGIS软件来分析缓冲区，主要分析生态系统文化服务的吸声降噪和休闲游憩两个指标，分析要素涉及铁路防护绿地、道路防护绿地、普通道路绿地、市区公园、社区公园、广场等，分析铁路及城市道路两侧所需吸声降噪宽度[15]、研究区内公园广场的500 m服务半径覆盖区域。根据北京市统计的各类资源情况和关于生态建设的相关标准，基于土地覆盖数据利用Excel表格计算二氧化硫（净化空气）、降水量与蒸散量（雨洪调节）、蒸腾吸热量与空气放热量（空气调节）三个生态系统文化服务指标的物质量，以此判断不同功能的供需平衡状况。各类研究方法及所参考依据如表1。

表1 研究方法与参考依据Tab.1 Research methods and references

3 京秦铁路北京中心城区段沿线开放空间现状

本研究以京秦铁路北京中心城区段沿线开放空间为对象，研究的空间范围界定为铁路两侧防护绿地各向外延伸约两个街区，即1 km距离的城市空间（图1）。研究区内京秦铁路两侧空间均为城市建成区，研究面积为27.6 km2，绿地面积约0.09 km2。京秦铁路沿线开放空间主要由绿地为主。

图1 铁路沿线开放空间研究范围图示Fig. 1 Diagram of the research scope of open space along the railway line

3.1 绿地现状

研究区内京秦铁路沿线自西向东以明长城遗址公园、庆丰公园、惠水湾森林公园、百花公园、三间房地区文化广场、东一处公园、广渠路公园、月牙河连心休闲公园为主构成市区公园；各类社区公园主要集中在研究范围东五环以东的居住区附近；防护绿地主要集中在城市快速路沿线及交汇处、铁路线路两侧、水域沿线；从东四环中路向东，铁路线路两侧与周边居住区之间的空隙处存在大量未建设绿地。

京秦铁路沿线开放空间现状用地性质如图2。东五环以内大面积公园绿地较少，从东五环向外公园内部休闲设施只有健身步道和休闲座椅，绿化简陋，提升潜力较大。铁路沿线用地性质多以附属绿地为主，占比83%。少量分布在防护绿地，占比均小于5%。

图2 开放空间用地性质图Fig. 2 Open space land use map

以植被覆盖现状来说，研究范围内的绿地面积为9.3 hm2，乔草结合的植被覆盖类型占比最多为88%，这种形式多集中在附属绿地的道路绿地和公共建设绿地之中，在附属绿地中占比93%；面积较大的公园中乔草结合以及乔灌结合的方式，占比分别为56%和37%；防护绿地以乔草结合与灌草结合的方式覆盖，占比约为10%；其他绿地主要以未建设绿地状态存在。

3.2 水体现状

研究范围内的水体主要是通惠河。通惠河从东二环起贯穿研究区域，在高碑店聚集形成为一片较宽的水域，依托通惠河文化形成高碑店漕运历史文化游览区。研究范围内水域面积共7 307 m2，长度1 7 km，宽度40～50 m，漕运历史文化游览区最宽150 m，如图3。

图3 水体现状图Fig. 3 Water body status map

3.3 硬质场地（广场）现状

广场用地集中在城市道路与商业建筑接驳处，面积1 633 m2，如图4所示，面积最大的是三间房动漫文化广场191 m2，面积最小的是位于民生金融中心南门前广场，面积约15 m2。

图4 广场现状图Fig. 4 Current status of the square

4 京秦铁路北京中心城区段沿线开放空间生态系统服务功能评估

4.1 铁路沿线开放空间生态系统服务功能评价模型建构

生态系统服务以绿地的供给服务、调节和支持服务、文化服务为主，由于供给服务与调节服务主要针对农地以及以森林为主的大面积绿地空间[19-20]，而城市空间中主要以调节服务和文化服务为主[21]。文中研究范畴是位于北京中心城区的京秦铁路廊道空间，属于城市地段，参考研究者对重庆[13]和太原绿地系统生态系统服务功能评价[14]指标以及评价因子，选取调节服务和文化服务相关的5个指标作为铁路交通廊道沿线开放空间生态系统服务功能的评价指标（表2）。

表2 铁路交通廊道沿线开放空间生态系统服务评价指标Tab.3 Evaluation indicators of open space ecosystem services along railway corridors

研究将开放空间分为使用类型和绿地覆盖两种分类方式，分别获得其在空间上的分布情况。利用数据估算生态系统服务功能各项指标的物质量，以此达到评估开放空间生态系统服务功能的目标。在进行物质量计算时，除了城市绿地数据外，还需要生态系统服务功能的各方面基础数据，如年降水量、空气污染物等是根据北京市公开的统计数据，交通噪音分贝是通过实地勘测调研获得。对于无法直接获得的数据，通过相似地区的相关研究数据进行代替，比如植物蒸腾量、植物吸热量等。结合评价指标和评估方法建构出京秦铁路沿线开放空间生态系统服务功能评估模型（图5）。

图5 铁路沿线城市开放空间现状评价模型Fig. 5 Evaluation model for the status quo of open space in cities along railway lines

4.2 京秦铁路沿线生态系统服务功能评估

4.2.1 净化空气

基于数据获取情况，针对绿地对二氧化硫的吸收量，本文对研究范围内城市绿地的吸收能力进行评估。二氧化硫吸收量参考骆畅关于空气污染物吸收量的计算公式[15]如式（1）。

其中Z为城市绿地二氧化硫量净化量（g·a-1）；Q为单位面积吸收二氧化硫量（g·m2·a-1）；A为绿地面积m2。根据《2019年北京市生态环境统计年报》①2019年北京市生态环境统计年报（http://www.beijing.gov.cn/）。及《2020年城市绿化资源情况》②统计信息_北京市园林绿化局（首都绿化委员会办公室）（http://www.beijing.gov.cn/）。中提供的数据，计算出北京单位面积绿化所需要净化的二氧化硫量：平均净化量为1 980 kg/km2，研究范围的二氧化硫净化量为54 648 kg。

将现状绿地吸收二氧化硫量与研究范围内绿地需要净化的二氧化硫量比较，判断区域绿地是否满足净化空气能力（表3）。根据计算，城市绿地虽然可以达到部分净化二氧化硫的作用，但是作用效果并不能达到将二氧化硫全部净化的能力。

表3 研究区二氧化硫污染物吸收能力Tab. 3 The absorption capacity of sulfur dioxide pollutants in the study area

4.2.2 噪音调节

基于现状防护绿地和普通道路绿地的宽度大多保持在20～40 m，研究选20 m和40 m作为缓冲区。根据调研中对铁路周边的噪音测量结果，均值在100 Db，城市通行车辆道路的噪音值为63 Db。对城市道路和铁路防护绿地的不同植被覆盖类型进行计算，得出现状绿地的实际噪音值，即两种缓冲区的噪音值相加[13]。

根据国家《声环境质量标准》③声环境质量标准_百度百科（http://baike..baidu.com/）。中对于噪音标准值要求，以此为依据讨论绿地噪音是否达到噪音标准的要求（表4）。

表4 不同缓冲区绿地降噪结果Tab. 4 Green space noise reduction results in different buffers

从上述统计可以看出：城市绿地对于铁路噪声的影响很难将噪音降低到适宜人类生活居住的范围；对于城市道路噪音来说城市绿地中采用乔木的效果较好，20 m以及40 m的宽度都可以将道路噪音降低到一个可以接受的范围。在此基础上，运用ArcGIS的缓冲区功能，以铁路线路和城市道路为准建立相应宽度的缓冲区，并根据现状可视化判断交通线路两侧绿地空间的噪声环境（图6）。

图6 铁路缓冲区绿地现状Fig. 6 Status of green space in railway buffer zone

铁路两侧用地以乔灌结合的公园或者未建设绿地为主，周边居住区很少能达到绿地降噪要求，沿铁路线路未能形成连续线性的有效降噪绿地，对铁路周边的居民影响较大。若能将铁路安全保护区外的沿线空间打造成铁路景观公园，可在降低噪音的同时满足周边居民的使用需求；也可以在空间局促的地方采用降噪隔声的声屏障；另外城市交通道路两侧的绿地空间较铁路两侧的覆盖范围要大一些（图7）。

图7 道路缓冲区绿地现状Fig. 7 Status quo of green space in road buffer zone

4.2.3 雨洪调节

研究中采用水量平衡法[18]计算城市绿地年调节水量，调节水量的计算如式（2）。

式中：W为城市绿地的蓄水能力；R为年均降雨量（mm）；E为年均蒸散量（kg·d-1）；A为绿地面积（hm2）。将降水量与绿地蒸腾量比较判断其是否能达到水量平衡。由表5可见，研究区域内的雨洪调节能力较强，对城市研究范围内的雨水起到较好的平衡能力。如果研究区内一次性降雨量超过150 mm，将会打破这种平衡状态。

表5 绿地蓄水能力Tab. 5 Green space water storage capacity

4.2.4 气温调节

采用骆畅等[15,20]人所使用的计算公式，其地表蒸腾吸热量计算公式如式（3）。

其中，Q为日蒸腾吸热量（J）；W为蒸腾总量（g）；L为蒸发耗热系数（J·g-1）。水分蒸腾总量W为林地、草地和耕地叶片蒸腾量，以及水域蒸发量的总和。根据陈自新等[19-22]人的相关研究成果，计算蒸发耗热系数L根据日平均温度计算可得，如式（4）。

图8 公园及广场500 m缓冲半径Fig.8 500 m buffer radius for parks and squares

其中，T为日平均温度（℃），根据天气网①北京历史天气查询_北京历史天气预报_北京历史天气记录_北京历史气温_天气网（tianqi.com）。对于北京夏季的平均温度整理所得。计算从日平均温度降低到23℃需要散发多少热量，以空气散发热量和绿地蒸腾吸收热量相比较，计算城市绿地是否能为城市居民提供舒适的生活环境。根据空气热交换公式，气温的散热量计算如式（5）。

其中，Q为热量（J），CM为空气的比热容为1.4 J/L℃，t2为物体最后温度（℃），t1为物体初始温度（℃）。

由表6可见，城市绿地在蒸腾时的吸热作用可以缓解城市中的少量炎热气温，人体对于温度的感知同时还受风和湿度的影响，同时由于城市绿地中乔灌木可以有效阻挡太阳辐射从而降低地表温度，所以城市绿地对于人体感知温度的调节只是很小一部分。

表6 绿地蒸腾吸热和放热能力Tab. 6 Green space transpiration endothermic and exothermic capacity

4.2.5 观赏游憩

在开放空间中广场发挥着和城市绿地同样的休闲游憩作用，这里主要依据北京园林绿化局2020年对北京城市绿化资源统计表①统计信息_北京市园林绿化局（首都绿化委员会办公室）（http://www.beijing.gov.cn/）。中统计的公园绿地和广场500 m的服务半径覆盖率指标，通过ArcGIS计算其缓冲区。除了在高碑店附近有较大缺口以及在城市快速路附近有少量空缺外，城市公园和广场结合基本可覆盖研究范围的大部分居住用地。其中公园服务面积比广场大。

5 结论与讨论

根据现状研究发现，离中心区越远的地方城市公园越多但是质量越低，越靠近北京站附近公园数量越低，但配套服务设施完善；靠近北京中心的居住绿地大多位于小区内部，从五环以外可供居民使用的社区公园越开放且面积越大，大多位于小区门口或者利用铁路与居住用地之间的空闲地带；城市近郊区未建设绿地较多，以杂草和灌木为主，具有提升的潜力。

本文将开放空间分为使用类型和绿地覆盖两种方式，分别获得其在空间上的分布情况。选取生态系统服务功能中的调节服务和文化服务两大类为评估内容，构建京秦铁路沿线开放空间生态系统服务评估体系。

通过各项因子的评估可知，研究区域内空气净化、降低噪音处在供小于求的状态，对于研究区内的二氧化硫、交通产生的噪音未能抵消，甚至相差甚远；雨洪调节以及气温调节则处于供大于求的状态，城市绿地可以有效调节雨水以及炎热温度；开放空间中公园以及广场的服务能力大致平衡。

根据研究结论，将铁路线路两侧的消极空间改变为积极空间，以及沿京秦铁路廊道重建连续的线性绿地空间体系是非常必要的。具体为：整合现存铁路遗址，建设铁路工业遗址文化公园，提升铁路线路两侧消极空间景观，形成可供群众使用的连续的休闲空间；居住区内距离铁路较近的空间可设计成社区公园或者种植菜地，拉大与铁路线路距离的同时灵活运用绿地空间；在高碑店附近亟需建设市区公园或者大型活动广场以满足15 min步行圈的要求。