郑州绿色空间格局时空演变及预测研究

李 晨

(1.郑州电力职业技术学院，河南 郑州 450052;2.西南林业大学，云南 昆明 650233)

1 引言

“绿色空间”( Green Space，GS) ，是水体与绿地的统称。近20年来，随着郑州都市圈虹吸效应明显，人口数量逐年增加，相对应的居住需求大，导致建筑用地需求逐年上升，而绿色空间不断减少，城市绿色空间的稀缺性开始显现。郑州市于2017 年入选“城市双修”试点城市。《中共中央国务院关于推进生态文明建设的意见》《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理的若干意见》中指出，试点城市主要目标任务为：到2030年，全国城市双修工作要取得显著成效，实现城市向内涵集约发展方式的转变，建成一批和谐宜居、富有活力、各具特色的现代化城市[1]。2020年10月河南印发的《郑州都市圈生态保护与建设规划(2020～2035)》中提出了明确的都市圈生态建设目标：到2035年，都市圈生态环境质量达到发达国家和地区水平[2]。

2021年4月省中原城市群建设工作领导小组正式印发的《郑州都市圈交通一体化发展规划(2020～2035年)》[3]中提出了推动山水河林路融合一体的发展方向。结合2021年6月国务院办公厅印发《关于科学绿化的指导意见(国办发〔2021〕19号)》提出了科学编制绿化相关规划、合理安排绿化用地、科学推进重点区域植被恢复、巩固提升绿化质量和成效等主要任务，模拟未来2035年绿色空间发展的情况的研究是十分必要的，也是鉴定目前对于郑州制定的多项绿化建设及都市圈建设目标是否能够顺利完成的重要参考。

2 研究区位概况和研究的目的、意义

2.1 研究区位概况

郑州位于河南省北部，东经112°42′～114°14′、北纬34°16′～34°58′[4]，地处黄土高原与黄淮平原交界地带，地跨黄河、淮河与海河三大流域，地形以平原和低山丘陵为主，气候温和、四季分明、雨热同期，降水变率大，容易造成旱涝灾害。

目前，郑州绿色空间也存在一些问题面积总量仍然偏小，分布不均，绿色空间结构不合理；区域内土地开发利用强度相对较高，综合国土开发强度25.98%，生态用地数量逐步下降，生态空间年均减少2.5%，城镇建设与生态空间矛盾加剧；天然生态环境资源匮乏，人均绿色空间面积指标均低于全国平均水平，城市扩张与生态环境保护协同不足等问题亟待解决。

2.2 研究目的

由于城市土地资源的稀缺性，在城市规划和建设中，决策者必然要追求城市土地资源配置效益的最优化。因此，科学合理的城市绿色空间预测，就成为城市空间规划和建设决策的重要依据。本研究从城市绿色空间的多个角度、多个时空段来预测城市未来的绿色空间发展情景，结合2021年6月国务院办公厅印发《关于科学绿化的指导意见(国办发〔2021〕19号)》提出了科学编制绿化相关规划、合理安排绿化用地、科学推进重点区域植被恢复、巩固提升绿化质量和成效等主要任务，模拟未来2035年绿色空间发展的情况的研究是十分必要的，也是鉴定目前对于郑州制定的多项绿化建设及都市圈规划是否能够顺利完成的重要参考，同时绿色空间对缓解城市内涝、减少洪涝灾害具有重大意义，成为城市规划的热点问题。

2.3 研究意义

目前，已有多位学者基于Markov模型对城市绿色空间、城市未来土地利用情况进行预测和研究[5～7]，但是这些研究大多集中于城市绿色空间格局或者城市未来土地利用情况的单一研究，基于城市绿色空间格局时空演变与Markov模型来模拟城市未来发展的情景研究还不多见，故本文对郑州绿色空间时空演变研究和基于Markov模型对城市绿色空间预测研究有一定的理论意义和现实意义。

3 材料与方法

3.1 数据来源

2000～2020年土地利用数据来自于全国地理信息资源目录服务系统(http://www.Webmap.cn/commres.domethod=globeIndex)GlobeLand30遥感影像，空间分辨率30 m，利用SPOT遥感影像数据(分辨率为2.5 m)提取研究范围内城市绿色空间信息，利用eCognition遥感图像处理软件，进行几何校正、大气校正、辐射定标、影像融合和阴影处理等预处理。并利用土地利用变更调查的矢量数据对提取的绿色空间信息进行进一步校准[12]。本研究按照林地、耕地、草地和水域等土地类型进行划分。将数据导入ArcGIS10.2对三期数据进行可视化处理得到2000～2020年郑州绿色空间动态图，利用Fragstats4.2(中文版)得出郑州景观格局指数，利用Markov模型构建得到了2000～2010年、2010～2020年两个时段的绿色空间面积转移矩阵，预测出2035年郑州绿色空间总体格局。

3.2 绿色空间分类

参考以往研究中的分类体系[9～11]，所以本次研究的范围就包括郑州域内的耕种用地、林地及草地、湿地和水域等，本研究按照林地、耕地、草地和水体等土地类型进行划分，如图1所示。

图1 郑州土地类型及所属空间界定

4 结果与分析

4.1 2000～2020年郑州绿色空间格局动态特征

4.1.1 绿色空间总体动态特征

由图2可知，2000～2020年郑州绿色空间动态变化可知，郑州近20年间土地利用情况发生了明显的变化，绿色空间逐步转移变成非绿空间，城市扩张趋势显著。整体建筑用地面积持续上升，耕地面积持续减少，林地、草地、湿地变化不大，水体面积略有减少。总体来说耕地所占比重最大，建设用地其次，再次是林地，而绿色空间的主要变化集中在耕地上。

图2 2000～2020年郑州绿色空间动态变化

由表1可知郑州3个时期绿色空间占比不断缩减，2000、2010、2020年分别为91.84%、83.54%、72.52%，其中耕地缩减最为明显，2000、2010、2020年分别为79.38%、70.68%、60.95%，而最为稳定的是林地和草地，2000、2010、2020年林地分别为8.64%、8.78%、8.70%，草地分别为1.32%、1.32%、1.47%。湿地先减后增总体略有扩张，2000、2010、2020年分别为0.27%、0.17%、0.36%。水体则是先増后减，2000、2010、2020年分别为2.22%、2.59%、1.03%

表1 2000～2020年郑州绿色空间动态变化

4.1.2 绿色空间转移特征

由表2可知，2000～2010年郑州绿色空间中林地和草地的转入转出基本持平，林地的转入面积为29.71 km2，转出面积为24.65 km2，草地的转入面积为14.09 km2，转出面积为14.32 km2。湿地的转入面积5.64 km2，转出面积为9.40 km2，整体略有减少，相对与湿地共生的水体转入面积为52.72 km2，转出面积为38.47 km2则微有增加。从转入贡献来看，对水体空间贡献最大的是湿地空间，对建设用地贡献最大的是耕地。

表2 2000～2010年郑州绿色空间转移矩阵 km2

由表3可知2010～2020年耕地的转出面积为504.65 km2，比2000～2010年的440.14 km2有所增加，可见在2010～2020年郑州城市扩张占用耕地的情况加剧。与表2相比比较显著的转出变化体现在湿地与水体，湿地的转入面积为12.81 km2，转出面积为5.58 km2，与2010～2020年相反，对湿地空间贡献最大的是水体空间，同时也反映出了郑州2000～2010年加强了对湿地的保护。而与2000～2010年相比对建设用地贡献最大的是仍然是耕地，对水体贡献最大的也是耕地，对林地贡献最大的是耕地和草地，对湿地贡献最大的是耕地和水体，对耕地贡献最大的是林地和水体。

表3 2010～2020年郑州绿色空间转移矩阵 km2

4.1.3 绿色空间景观格局指数

分析郑州景观格局指数能够概郑州括景观空间格局信息，反映郑州绿色空间结构组成和空间配置等方面的特征，本研究使用景观格局指数计算软件Fragstats 4.2中文版，根据GIS提供的斑块、类型和景观度量指标，从景观水平尺度选取能够衡量绿色空间整体优势度、复杂度、连接性、破碎度和多样性的相关指标，分析绿色空间的整体结构特征，选取的指标包括最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)、蔓延度指数(CONTAG)、破碎度指数(SPLIT)、聚合度指数(AI)、多样性指数(SHDI)和均匀度指数(SHEI)共 7个指数。 由表4可知，2000～2020年郑州绿色空间景观格局变化比较明显是最大斑块指数(LPI)2000年、2010年、2020年分别为78.4123%、68.7653%、55.3395%，呈逐渐下降趋势。景观形状指数(LSI)2000、2010、2020年分别为43.7124、55.7692、56.606，整体有所上升。蔓延度指数(CONTAG)逐年下降，2000、2010、2020年分别为75.0049%、69.5332%、67.1776%。破碎度指数(SPLIT)逐年上升、聚合度指数(AI)略微下降说明郑州景观破碎程度上升，聚合度降低。多样性指数(SHDI)、均匀度指数(SHEI)逐年上升，说明郑州在景观多样性上有所提升。

表4 2000～2020年郑州绿色空间景观指数变化

4.2 预测2035年郑州绿色空间格局

4.2.1 可行性分析

根据郑州2000～2020年绿色空间动态变化、土地利用变化、绿色空间景观指数的时空演变，利用R语言实现Markov预测，首先把2000～2010年的那个矩阵除以各个地区的总量作为转移矩阵，然后通过转移矩阵的各期转移概率乘以最后一期的实际值作为预测，然后转移矩阵计算出来的转移概率，找出稳定概率值，作为自然发展的预测概率，另外环保型和都市扩张型，比较转移概率的变动方向，往绿色空间移动多的作为环保型。为验证方案的可行性，首先根据2000年数据预测了2010、2020年的情况，与真实2010、2020年相比较，由图3可知，pre2010、pre2020为预测结果与真实结果Y2010、Y2020相似，证明了方案的可行性。

4.2.2 绿色空间三种发展类型总体特征

根据R语言实现Markov预测了自然型、环保型、都市圈扩张型3种发展模式下郑州2035年绿色空间格局如表5所示，根据预测结果，总体上来看环保型发展模式下郑州绿色空间总量达到最大值2693.07 km2，都市圈扩张型其次，面积为2647.25 km2，自然型再次，面积为2460.05 km2。

图3 不同年份郑州各土地利用类型面积预测数据与真实数据比较

表5 预测2035年郑州绿色空间三种发展类型总体情况

5 结论

根据对郑州2000～2020年的绿色空间格局时空演变及预测2035年用地情况的研究结论如下。

(1)郑州近20年间城镇化发展迅猛，土地利用情况发生了明显的变化，绿色空间逐步转移变成非绿空间，城市扩张趋势显著，从总量上来看，虽然耕地的面积最大，但是近些年来耕地转成建设用的比例逐渐也增大了；从转入贡献来看，对建设用地贡献最大的是耕地；从绿色空间景观指数变化上来看，景观破碎程度上升，但景观多样性上有所提升，可见近20年郑州景观多样性上逐渐提升，植物引进和驯化效果较好；从景观破碎度上来看，郑州近20年景观破碎程度逐渐升高，与城市副中心数量增加和扩张有关。

(2)根据模拟2035年的预测数据显示，虽然环保型发展模式在耕地的占比自然型和都市扩张型都小，但是在林地和草地上的占比比自然型和都市圈扩张型都要大，总体绿色空间占比上也是环保型占比较大，故积极实施退耕还林还草的政策有助于郑州绿色空间整体发展的。另外，郑州积极实施城市向内涵集约发展方式的转变，及山水河林路融合一体的发展方向，是可以降低郑州景观破碎度高的问题，同时解决城市绿色空间发展与城市扩张之间的矛盾。

绿色空间是城市的生态基底，同时也是每个市民对美好的生活的需求，合理发展城市绿色空间是优化郑州都市生活圈的重要手段。因此，基于城市绿色空间格局的时空动态演变，有助于直观了解到郑州近20年的绿色空间情况，而绿色空间的情景模拟预测可为政府提供绿色空间保护与城市扩张方式的参考，对郑州绿色空间发展意义重大。