城市蓝绿生态格局的尺度变化效应分析

2022-09-28陆明孟庆贺唐敬轩

低温建筑技术 2022年8期

陆明，孟庆贺，唐敬轩

（1.哈尔滨工业大学建筑学院，寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室，哈尔滨 150001；2.东北农业大学公共管理与法学院，哈尔滨 150006）

0 引言

城市蓝绿空间是指保持自然特征的植物覆盖空间和水体空间[1]，从城市用地类型看绿色空间为城市绿地和区域绿地，包括公园、防护绿地、农林用地等；蓝色空间为水体空间，包括城市河流、湖泊水库、湿地等。1910年代初由奥姆斯特德主持规划设计的波士顿公园体系开启了西方现代城市蓝绿空间的规划实践。进入21世纪后以蓝绿空间为核心的城市生态基础设施、绿色基础设施、城市低影响开发、生态网络等发展极大促进了蓝绿空间的整合调控[2]，西方城市积极探索蓝绿空间规划实践，国外对城市蓝绿空间研究包括健康效应、蓝绿设施规划等[3]。我国自古在城市营建中极重视山水格局，山水城市本质上体现出的是蓝绿空间与城市布局的有机融合[4]，国内学者对蓝绿空间研究包括生态空间网络构建与融合规划[5]、韧性设计等内容[6]。蓝绿空间是城市具有生态功能的用地类型，在城市生态系统服务提供与生态修复中发挥着重要作用。当下在国土空间规划背景下需要从多尺度视角理解城市蓝绿空间体系，一方面是由于国土空间规划体系的不同规划层次要求；另一方面蓝绿空间作为城市生态空间，在不同尺度下其生态空间格局特征也会呈现不同，对城市蓝绿生态格局的尺度效应分析有着广泛意义。

尺度效应是景观生态学研究的基础性内容，生态空间格局的小尺度常表现出瞬变特征，但在大尺度上可以体现出与平衡模型相似的结果，因此选择合适尺度是景观生态研究开展的基础，适当尺度对景观生态预期研究成果具有决定性意义。景观生态学中的尺度概念包含空间或者时间单位，通常称为粒度，空间粒度是空间最小识别单元代表的特征，而时间粒度是指事件发生的时间间隔或频率[7]。不同尺度的生态空间格局和生态服务存在明显差异，这种差异特征形成生态空间的尺度效应。生态尺度效应研究受到较多关注，以Wu为代表的学者在利用景观指数分析生态尺度效应上做出较多成果，归纳总结了景观指数对尺度效应的一般规律[8]。国内学者多以景观格局变化为内容探讨不同景观类型的尺度效应，在研究方法上证实了景观格局指数对分析生态空间尺度效应有较好效果[9]。当前尺度效应研究较多在某个时间断面上去推绎城市景观格局的空间尺度效应，是一种静态景观格局的尺度效应研究，对时空尺度上的变化研究不多[10]。文中以城市蓝绿空间为研究内容，探讨不同时间和空间粒度下城市生态格局的变化效应。选择合肥为实证对象，分析不同时空尺度与蓝绿生态空间格局变化的相关关系，进而推绎城市蓝绿空间生态格局研究的合适尺度范围，为城市生态空间研究开展与规划实践提供适宜尺度参考。

1 研究区与研究数据

1.1 研究区概况

合肥位于30°57～32°32N，116°41～117°58E范围，是安徽省会城市，下辖4个城区和5县市。合肥是国家级园林城市，环城公园、南淝河、巢湖、董铺水库、大蜀山以及郊区大片农田等蓝绿空间形成城市生态基底。19世纪80年代合肥提出“中心+三翼”式城市空间布局方式，以大片农田与楔形绿地嵌入城市内部，“合肥模式”成为城市空间发展的经典案例。经过近40年城市发展，合肥生态空间发生明显改变，城市蓝绿空间在城市建设中不断被侵蚀，但由于行政区划调整，城市蓝绿空间规模较之前有所增加。至2020年，合肥城区建设用地373.85km2，农林绿地面积837.40km2，水域面积108.88km2，大面积的蓝绿空间分布在城郊区域。在城市扩展与生态保护的矛盾中合肥蓝绿空间发展成为众多城市发展的缩影，在存量增长模式下城市蓝绿空间是城市生态保育区，也是城市扩张的制约底线。

1.2 数据来源与预处理

以合肥城区为主要研究区，范围包括庐阳区、包河区、蜀山区、瑶海区，考虑到不同时期研究区域行政区划调整因素，为方便研究对不同时期的比较分析，研究范围以2020年合肥城区行政区划为依据。数据来源于中科院地理大数据科学工程平台，其提供的全球地表覆盖精细分类产品是基于Landsat卫星数据研发的地表覆盖动态监测产品，能较为方便直接的获取丰富且相对精准的地表用地覆盖类型。遵循数据易获取原则，选择1985年、2005年和2020年全球地表覆盖精细分类产品数据，分辨率为30m。在ArcGIS中整理用地数据，数据处理步骤包括：首先按照经纬度范围获取研究区土地利用的栅格数据，然后按照行政区划边界进行栅格数据的掩膜提取，最后利用重分类工具整理，得到农林与绿地、水域、建设用地等用地栅格图，其中城市绿色空间包括林地、农田与城市绿地等用地，蓝色空间包括湖泊、水库、河流、湿地等用地。

2 研究方法

2.1 生态格局尺度

生态格局尺度确定是对研究时间和空间的粒度范围大小与步长的选择。时间粒度上以1985年、2005年和2020年为时间变化间隔。借鉴有关研究经验[9]，空间粒度上以30m为基本粒度，选取30～300m为研究粒度范围，其中在30～150m粒度范围步长按照15m增加，即空间粒度为 30、45、60、75、90、105、120、135、150m。超过150m的确定步长为25m，即空间粒度为175、200、225、250、275、300m。因此共选取3个时间上的15个不同空间粒度作为研究的生态格局尺度演绎结果。景观空间粒度也叫空间分辨率，是研究对象空间特征的最小单元。在ArcGIS中利用重采样工具，输出3个时间上的不同分辨率栅格图，共计45幅，作为景观生态格局变化分析的数据源。

2.2 景观格局指数

景观格局指数是分析景观生态格局变化的有效工具，通过观察不同空间尺度下生态格局变化特征，尤其在临界阈值前后景观格局差异，判断城市景观格局的生态稳定性，以推绎出生态格局研究的合适尺度。景观格局指数分为斑块、类型和景观3个水平度量，每个水平上常用的景观指标有多种选择。既有研究表明，在景观格局的粒度效应研究中景观水平下的指标具有较好分析效果，数据拟合度较高[9]。研究筛选出景观水平上的评价指标，其中斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、边界密度（ED）、景观形态指数（LSI）是4个主要高频指标，这4个指标对景观格局变化有着很好的预示效果，同时在景观格局的特征描述上也具有代表性[11]见表1。利用Fragstats软件对45幅不同分辨率栅格数据进行景观格局指数分析，得到不同时间断面下景观指标与空间尺度变化的数据集。

表1 四个景观格局指数及内涵

2.3 景观指数变异阈值

景观格局指数能较好反映出生态对尺度变化的依赖性，临界阈值附近景观指数变异比较明显，通过临界阈值可以判断研究对象的适宜尺度。将空间粒度作为自变量，景观格局指数作为因变量，利用SPSS软件进行曲线估计。分析发现4个景观指数对尺度变化呈现较好的非线性回归关系，其拟合函数为幂函数见式1，可以认为斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、边界密度（ED）、景观形态指数（LSI）与空间粒度变化规律为幂函数变化。数学中考查曲线函数变化程度是通过曲线变化率实现，即曲线的切线函数，因此可以通过幂函数曲线的切线函数分析景观指数的变化程度，从而确定景观指数的变异阈值，相关曲线的切线函数表达为式（2）。

式中，a、b为常数，两个式中a、b值相同。x表示为空间粒度大小。y表示为空间粒度下景观格局指数的分析值。y表示为空间粒度下景观指数值的变化率。

3 结果分析

3.1 尺度变化对蓝绿空间景观指数影响

城市蓝绿生态格局对空间尺度变化有较强依赖性，选取的4个景观指数与尺度变化呈现明显的幂函数关系，所有幂函数的拟合度（R2）都高于0.99见表2，表明拟合函数能够较好解释尺度变化特征。从城市蓝绿空间的景观斑块数量和形态上解析具体变化特征，从而阐述空间尺度变化对城市蓝绿生态格局影响。

表2 蓝绿空间景观指数与尺度的拟合函数

3.1.1 景观斑块数量上影响

景观斑块数量上分析指标包括斑块数量（NP）、斑块密度（PD），1985年、2005年与2020年景观斑块数量变化大致有相同特点，其总体变化趋势是景观斑块数量随空间尺度增大而逐渐减少见图1。粒度大小在30～60m区间，随着粒度增大蓝绿空间的景观斑块数量发生较明显的减少，其变化程度较快；粒度大小在60～150m区间，随着粒度增大景观斑块数量变化程度与前一个区间相比明显减缓；粒度150m以后，蓝绿空间的景观斑块减少量和变化程度都趋于相对稳定见图2。以2020年数据分析，起始粒度30m时斑块数量大约为48449个，粒度45m时数量减少到28985个，粒度在60～90m之间景观斑块数量仍然维持在万级数量范围，但粒度105m以后斑块降到千级数量，到300m后只有1469个。

图1 不同空间尺度的蓝绿空间景观指数变化趋势

图2 不同空间尺度的景观指数变化率（纵坐标负号代表负相关）

3.1.2 景观斑块形态上影响

景观斑块形态上指标有边界密度（ED）和景观形态指数（LSI），1985年、2005年、2020年在景观斑块形态上变化趋势大致一样，其总体变化趋势是景观斑块形态分析值随空间尺度增大而逐渐减少见图1。相较于景观斑块数量上变化，景观斑块形态变化趋势较为缓和，但两者变化趋势趋同。以2020年变化值看，起始粒度30m时边界密度大约为118.02，景观形态指数为109.72。到粒度45m时边界密度减少到93.52，景观形态指数减少到87.46。在60～150m粒度之间变化趋势逐渐缓和，150m粒度以后变化趋于稳定见图1、图2。

总体上在粒度45m时景观斑块数量和形态上发生第一次显著变化，以后变化趋势较为减缓；粒度105m时为第二次显著变化，以后变化趋势保持稳定。空间尺度不断增大时景观斑块之间的异质性也在变化，即景观格局中发生斑块之间的合并转化，从而导致景观多样性和破碎化程度降低，景观斑块数量和用地面积也发生变化。合肥蓝绿生态格局在45m和105m时是发生显著变化，在60～150m以及150m粒度以后区间景观生态格局变化趋势逐渐平缓至稳定，因此可以判断45m和105m为景观指数变化的两个变异阈值。

3.2 尺度变化对蓝绿空间用地影响

3.2.1 对整体用地面积影响

尺度变化会导致景观用地面积发生变化见图3。同一研究区范围，蓝绿空间用地面积随着粒度增大呈现一定规则变化。初始粒度30m时，1985年和2020年蓝绿空间面积变化差异较小，而2005年较两者相差较大，差距大约6.7km2。在粒度为45～105m范围，3个时间点的整体用地变化差异较小。粒度105m以后，2005年用地变化又出现较大差异变化，而1985年和2020年变化趋势基本保持一致。具体到3个时间上，1985年蓝绿空间用地随着粒度增大整体呈下降趋势，粒度为30～150m用地增减在±0.50km2范围变化，用地减损差异较小。2005年蓝绿空间用地随着粒度增大整体呈下降趋势，在粒度为45～105m用地变化差异不大，但在粒度120m以后用地变化开始朝着初始值回升，至300m时用地面积回到初始粒度。2020年蓝绿空间用地整体变化较为平缓，在粒度为30～175m用地增减在±0.50km2范围变化，粒度225m以后变化差异较大。

图3 不同尺度的蓝绿空间用地变化及增减

3.2.2 对三类用地面积影响

1985年以后合肥发展主要向西南和东北扩张，35年间合肥城市建设规模增加了5.6倍多。2005年城区建设用地面积达到186.89km2，比1985年增加了121.4km2。2020年城区建设用地面积达到369.82km2，比2005年增加了182.93km2。城市建成区面积不断扩展，导致郊区农林、水域等用地减少。从30m粒度下3个阶段景观格局指数分析看，1985年以后斑块数量和形态数值均大幅度增加，反映出城市蓝绿生态格局逐渐破碎化趋势发展。

尺度变化对三类用地面积影响表现出此消彼长态势见图4。1985年三类用地变化趋势是随着粒度变大，农林绿地面积呈现增多趋势，水域面积呈现减少趋势，建设用地面积呈现减少趋势，75～135m粒度范围三类用地之间变化差异较小。蓝绿面积变化总体上保持增长趋势，60m处面积变化陡然增大，75～135m粒度之间变化差异较小见图5。2005年三类用地变化趋势是随着粒度变大，水域用地呈现增多趋势，农林绿地呈现减少趋势，建设用地面积在较小变化范围内波动，90～150m粒度范围三类用地变化差异较小。蓝绿面积变化总体上保持增长趋势，在90～150m粒度之间变化差异较小。2020年三类用地变化趋势是随着粒度变大，水域用地呈现减少趋势，农林绿地面积在30～90m粒度变化较小，105m后呈现增多趋势，建设用地面积在30～90m粒度变化较小，105m粒度后呈现减少趋势。蓝绿面积变化总体上保持增长趋势，在30～90m粒度之间变化差异较小。