西安市街区尺度绿色空间景观连接度距离阈值的梯度分析

曹 朔

刘 晖*

陈 宇

许博文

在城市发展及建设模式影响下，城市绿色空间呈现的破碎化空间格局对种群丰度、物种遗传变异和物种丰富度产生负面影响[1]。提升生境连通性可有效缓解相关负面影响，对维持生物多样性和生态系统健康发挥重要作用[2-3]。

城市绿色空间体系中生境斑块之间的连通性通过景观连接度(landscape connectivity)进行量度。Taylor等[4]将景观连接度定义为景观促进或阻碍物种在生境斑块间移动的程度，包括结构连接度(structural connectivity)和功能连接度(functional connectivity)2个维度[5]。景观功能连接度受景观空间结构特征和物种行为特征的共同影响，相比景观结构连接度[6]，能够更好地表征物种在景观空间中的扩散和生存能力[7-8]。景观连接度的衡量指标是绿色空间体系中不同生境斑块间的距离呈现出的数值区间，称为景观连接度距离阈值(landscape connectivity distance threshold)[9]。对某一城市绿色空间体系而言，其适宜距离阈值应综合其空间尺度、空间结构和物种扩散运动能力3个方面进行确定[10-11]。

目前，景观连接度的相关研究与应用主要集中在市域及区域等较为宏观的空间尺度上，主要服务于市、区(县)级土地利用规划和建设的决策[12]。如Levin等[13]基于景观连接度及最小耗费距离模型，评估了以色列全域尺度绿色空间景观连通性差异；陈泓宇等[14]基于MSPA-InVEST模型对北京中心城区绿色空间进行了生境网络优化研究，将其距离阈值设定为500m；熊春妮等[15]设定了0.5、1、2、4、8、12km 6个距离阈值，评估了重庆市绿地系统结构的景观连接度。城市绿色空间体系具有空间层级性和系统性[16]，城市街区尺度的绿色空间系统是联系城市整体区域和场地绿化之间的重要层级。场地绿化是城市生态系统的最小生境单元(biotope)，保证其与宏观尺度生态空间的功能连接是提升城市生物多样性、保障城市生态系统健康的基础。因此，探究适宜街区尺度绿色空间的景观连接度距离阈值对于城市设计实践中绿色空间的配置决策具有指导意义。

1 城市街区绿色空间与指示物种扩散运动的空间尺度匹配性

城市街区绿色空间的尺度特征在规划设计层面依据人的需求而形成。为更好地发挥适宜街区绿色空间的生物多样性保护功能，提升其生境连通性，还需选择适宜其空间尺度特征的指示物种。

1.1 城市街区绿色空间的尺度特征

城市街区绿色空间体系调控以城市中所有可以被识别的植被覆盖区域为对象，更加关注场地生境及其动植物群落的空间匹配性与连通性所形成的生态系统[17]。人的社会需求是街区绿色空间结构特征形成的主导因素，其规划依据主要是社区生活圈和城市绿道的控制性指标体系。15min步行距离(800～1000m)是基本社区生活圈的尺度范围，涵盖多个完整街区，包含相对完整的生态、经济和文化空间要素。因此，半径1km的外切正方形，即2km×2km尺度的研究样方，可作为分析城市形态结构、城市功能和城市管理等内容的基本研究样方[17]。在该尺度下，以百米级距离阈值讨论绿色空间景观连接度，对进一步优化调控街区绿色空间体系具有参考意义。

1.2 城市街区绿色空间适宜指示物种选择

指示物种可以是植物或动物，选择时应考虑物种扩散距离与绿色空间单元的尺度匹配性。研究表明，不同物种的扩散距离存在巨大差异。其中，鸟类扩散距离可从几百米(浙江乌岩岭保护区黄腹角雉的最大扩散距离约为3km，在生境斑块之间的适宜扩散距离为500m以内[18])到数十千米(雄性苍鹰平均扩散距离为32km[19])；哺乳动物扩散距离通常在数百米(普通田鼠最大扩散距离约为200m)到数千米(雄性和雌性狐的平均扩散距离分别为8.6和4.9km)[20]；昆虫扩散距离，尤其是高效率传粉距离，通常在50～150m[20-21]；植物种子、果实、孢粉或幼苗等繁殖体借助风力或动物携带进行扩散和传播的距离一般为数百米[22]。基于城市生物多样性保护的实用性，本研究仅关注动物物种生命周期中觅食、传粉等资源获取与传播的扩散运动行为(movement/dispersal)，不包括物种极限运动距离和长距离迁徙行为(migration)[23]。

综上，街区尺度绿色空间景观连通性评价选用更小扩散距离的昆虫作为指示物种具有更高的空间尺度匹配性，可兼顾更多物种的生存需求。综合考虑昆虫作为城市生态系统中食物链、植物种群繁衍等重要能量与物质循环的参与者，对城市生物多样性和生态系统健康具有积极作用，因此本研究选取昆虫作为指示物种。

2 数据处理与研究方法

2.1 研究对象概况与数据预处理

研究范围为西安市建成区，包括西安市主城区及西咸新区沣西新城，面积约700.69km2。西安南部秦岭山地野生动植物资源丰富，为中国种子植物的重要“基因库”之一，现有准确记录的秦岭昆虫共421科4171属9905种，是我国重要的昆虫资源库。

采用西安市GF-2遥感影像(分辨率：亚米级，成像时间：2020-03-31)作为基础数据。以2km×2km尺度研究样方，对西安市建成区进行覆盖划分，通过聚类分析归纳出单核心放射型、多核心散布型、散点分布型和廊道穿越型4种城市街区绿色空间典型结构模式[17]。分别选取4种典型城市街区绿色空间为研究对象，结合实地调研细化提取绿色空间斑块分布。通过绿色空间占比分析可知，4个典型研究样方中的绿色空间面积占比为9.85%～32.18%，可体现普遍的城市绿地率特征(参照《2021年城市建设统计年鉴》，西北6省省会城市绿地率为28.54%～41.16%)。

2.2 景观连接度分析工具与方法

Conefor是一款基于土地利用类型空间结构图、斑块生境适宜性及可达性，计算生境斑块是否建立链接，并量化不同链接情景下景观连通性状态的工具包。输入可利用生境栅格数据和距离阈值等参数，可计算得到表征景观连接度的整体连通性指数(IIC)和可能连通性指数(PC)等指标。本研究基于生境可利用性观点，将样方内所有绿色空间作为昆虫可利用生境斑块，建筑、道路、铺装等非绿色空间作为环境背景；基于昆虫50～150m的基本扩散距离，设定25、50、75、100、125、150、175、200m 8个距离阈值梯度，计算西安市街区绿色空间在不同距离阈值的连接度指数并分析各绿色空间斑块的重要性。通过对比分析各距离阈值所体现的连通性特征，筛选出适宜城市街区尺度绿色空间的景观连接度距离阈值。

2.3 景观连接度指标与算法

2.3.1 斑块间的链接数量(Number of Links，NL)

指研究区域内斑块间建立链接的数量。当2个斑块间的距离小于设定阈值时，即建立链接。

2.3.2 组分数量(Number of Components，NC)

建立链接的斑块为一组，称为组分，不同组分间不存在链接，单个孤立斑块单为一个组分。

2.3.3 景观重合概率(Landscape Coincidence Probability，LCP)

指研究区域内随机选择2个斑块属于相同组分的概率。

式中，Ci为组分i的面积(隶属于组分i的所有斑块面积之和)；AL为所有斑块的总面积。

2.3.4 整体连通性指数(Integral Index of Connectivity，IIC)

式中，ai和aj分别为斑块i和j的面积；nlij为斑块i与斑块j间最短路径链接数；为研究区域总面积(包括生境斑块和非生境斑块)。0≤IIC≤1，IIC=0时，表示所有斑块间无链接；IIC=1时，表示所有生境斑块连为一个整体。

2.3.5 可能连通性指数(Probability Index of Connectivity，PC)

指在现有生境斑块和链接状态下，随机置入2个动物相遇的概率，0＜PC＜1。

NL、NC、LCP、IIC指数基于二进制模型计算，默认2个斑块只有链接或不链接2种情景。若斑块间距小于或等于距离阈值，则斑块连通，否则不连通。PC指数基于可能性模型计算，指斑块间连通的可能性，与斑块间距呈负相关。为保证与二进制模型计算结果的可比性，当斑块间距等于设置距离阈值时，斑块连通可能性设为0.5。

2.4 重要斑块的选取

斑块重要值(dI)指某一斑块对景观保持连通的重要性。NL、NC、LCP、IIC指数既可以反映景观连通性，也可以计算斑块重要值。

式中，I为某一景观的连接度指数；Iremove为将斑块i从该景观中剔除后的连接度指数。

3 结果与分析

3.1 西安市街区绿色空间景观连接度分析

西安市各类型街区绿色空间单元在不同距离阈值下的连接度指数特征如表1～4所示。NL值随距离阈值增加而增大，表明距离阈值越大，景观中任意2个斑块越容易建立链接；NC值随距离阈值的增加而减小，当NC值减小到1时，表明所有斑块建立链接，形成同一组分；LCP值随距离阈值增加而增大，表明任意2个斑块隶属于同一组分的概率增加，当距离阈值达到一定数值时会趋于稳定；IIC值和PC值可以较好地体现斑块间的实际连通性情况，会随距离阈值增加而增大，但不会随NC值和LCP值的稳定而停止改变。研究结果表明，单核心放射型、多核心散布型、散点分布型和廊道穿越型街区单元的景观连接度距离阈值分别在200、175、100、125m时NC值等于1，且LCP值保持稳定，所有斑块连通为一体。

表2 多核心散布型街区单元不同距离阈值时连接度指数值

表3 散点分布型街区单元不同距离阈值时连接度指数值

表4 廊道穿越型街区单元不同距离阈值时连接度指数值

3.2 西安市街区绿色空间景观连接度距离阈值的选择

3.2.1 建立链接的斑块数量和面积与距离阈值的关系

随着距离阈值的增加，建立链接的斑块数量和面积均会逐渐增加(图1)，4个样方单元中建立链接的斑块数量和面积与距离阈值的关系如下。

图1 不同距离阈值下西安市街区绿色空间建立链接的斑块数量和面积

1)单核心放射型街区单元：25m阈值时，有284个绿色空间斑块建立链接，占全部斑块数量的87%，链接斑块总面积873053.89m2，占全部斑块总面积的94.7%；150m阈值时，有326个斑块建立链接，占比99.6%，链接斑块总面积918103.82m2，占比99.6%；175m阈值时，所有斑块均建立链接，无孤立斑块。

2)多核心散布型街区单元：25m阈值时，有441个绿色空间斑块建立链接，占全部斑块数量的93%，链接斑块总面积812455.02m2，占全部斑块总面积的96.1%；50m阈值时，有469个斑块建立链接，占比99.4%，链接斑块总面积843120.8m2，占比99.8%；75m阈值时，所有斑块均建立链接，无孤立斑块。

3)散点分布型街区单元：25m阈值时，有327个绿色空间斑块建立链接，占全部斑块数量的89%，链接斑块总面积791959.75m2，占全部斑块总面积的95.7%；75m阈值时，有367个斑块建立链接，占比99.7%，链接斑块总面积827777.36m2，占比99.9%；100m阈值时，所有斑块均建立链接，无孤立斑块。

4)廊道穿越型街区单元：25m阈值时，有447个绿色空间斑块建立链接，占全部斑块数量的95%，链接斑块总面积994515.9m2，占全部斑块总面积的96.9%；100m阈值时，有472个斑块建立链接，占比99.8%，链接斑块总面积1025304.6m2，占比99.9%；125m阈值时，所有斑块均建立链接，无孤立斑块。

3.2.2 斑块面积的重要值与距离阈值的关系

如图2所示，距离阈值较小时，斑块重要值不易体现，随距离阈值的增加，斑块重要值随之加大。当距离阈值较大时，仅有大面积斑块的重要性得以体现，小面积斑块的重要性只有在一定距离阈值范围内会才有体现。综上，小面积斑块的重要性相较于大面积斑块更难发现，因此，关键性小面积斑块的发掘，可以为街区尺度绿色空间连通性优化提供参考依据。

图2 不同距离阈值时单个斑块面积与该斑块重要值的分布

单核心放射型和多核心散布型街区单元中，距离阈值在25～150m时，小面积和大面积斑块的重要值均可体现；距离阈值为125m时，小面积斑块的重要值体现得较为明显；距离阈值在150m以上时，仅有大面积斑块体现出显著重要性。因此，这2类街区单元绿色空间在125m距离阈值能较好地反映关键斑块的重要性。

散点分布型街区单元中，距离阈值在50～125m时，小面积和大面积斑块的重要值均可体现；距离阈值为100m时，小面积斑块的重要值体现得较为明显；距离阈值在125m以上时，仅有大面积斑块体现出显著重要性。因此，散点分布型街区单元绿色空间在100m距离阈值能较好地反映关键斑块的重要性。

廊道穿越型街区单元中，距离阈值在25～75m时，小面积和大面积斑块的重要值均可体现；距离阈值为50m时，小面积斑块的重要值体现得较为明显；距离阈值在75m以上时，仅有大面积斑块体现出显著重要性。因此，廊道穿越型街区单元绿色空间在50m距离阈值能较好地反映关键斑块的重要性。

3.2.3 组分数和最大组分中的斑块数与距离阈值的关系

在西安市街区绿色空间连通性分析中，距离阈值越大，组分数越少，最大组分中的斑块数越多(图3)。为更清晰地展示连通斑块的分布情况，对各样方不同距离阈值时的组分数及其分布进行图式表达(图4～7)。

图4 单核心放射型街区单元不同距离阈值时NC组分与连通斑块的分布

图5 多核心散布型街区单元不同距离阈值时NC组分与连通斑块的分布

图6 散点分布型街区单元不同距离阈值时NC组分与连通斑块的分布

图7 廊道穿越型街区单元不同距离阈值时NC组分与连通斑块的分布

单核心放射型街区单元中，25m阈值时，绿色空间连通为75个组分，最大组分斑块数量125个，占斑块总数的38.23%，面积613465.54m2，占斑块总面积的66.57%，面积最大的5个组分斑块总数为177个，占斑块总数的54.13%，面积748709.66m2，占斑块总面积的81.24%，此时在327个绿色空间斑块中，仍有较多独立斑块，呈现破碎化，表明连通性较差。100m阈值时，绿色空间连通为6个组分，最大组分斑块数量310个，占斑块总数的94.8%，面积894670.05m2，占斑块总面积的94.65%。175m阈值时，绿色空间连通为2个组分，最大组分斑块数量325个，占斑块总数的99.39%，面积920710.78m2，占斑块总面积的99.9%。阈值为200m时，组分数为1，最大组分斑块数为327个，即达到了全部连通的情况，表明200m为单核心散布型街区单元绿色空间景观连接度的最大距离阈值，＜200m为适宜距离阈值。

多核心散布型街区单元中，25m阈值时，绿色空间连通为52个组分，最大组分斑块数量308个，占斑块总数的65.25%，面积633046.45m2，占斑块总面积的74.9%，面积最大的5个组分斑块总数为378个，占斑块总数的80.08%，面积743016.32m2，占斑块总面积的87.92%，此时在472个绿色空间斑块中，仍有较多独立斑块，表明连通性较差。75～150m阈值时，绿色空间连通为2个组分，最大组分斑块数量470个，占斑块总数的99.58%，面积844343.45m2，占斑块总面积的99.91%。阈值≥175m时，所有绿色空间连通为1个组分，表明175m为多核心散布型街区单元绿色空间景观连接度的最大距离阈值，＜175m为适宜距离阈值。

散点分布型街区单元中，25m阈值时，绿色空间连通为82个组分，最大组分斑块数量40个，占斑块总数的10.87%，面积140297.09m2，占斑块总面积的16.95%，面积最大的5个组分斑块总数为106个，占斑块总数的28.8%，面积533845.65m2，占斑块总面积的64.48%，此时在368个绿色空间斑块中，仍有较多的独立斑块，表明连通性较差。75m阈值时，绿色空间连通为6个组分，最大组分斑块数量357个，占斑块总数的97.01%，面积819566.82m2，占斑块总面积的99%。阈值≥100m时，所有绿色空间连通为1个组分，表明100m为散点分布型街区单元绿色空间景观连接度的最大距离阈值，＜100m为适宜距离阈值。

廊道穿越型街区单元中，25m阈值时，绿色空间连通为52个组分，最大组分斑块数量111个，占斑块总数的23.47%，面积408329.45m2，占斑块总面积的39.78%，面积最大的5个组分斑块总数为333个，占斑块总数的70.4%，面积844116m2，占斑块总面积的82.24%，此时在368个绿色空间斑块中，仍有较多的独立斑块，表明连通性较差。100m阈值时，绿色空间连通为2个组分，最大组分斑块数量472个，占斑块总数的99.79%，面积1025304.6m2，占斑块总面积的99.9%。阈值≥125m时，所有绿色空间连通为1个组分，表明125m为廊道穿越型街区单元绿色空间景观连接度的最大距离阈值，＜125m为适宜距离阈值。

4 讨论

指示物种的选择在考虑物种的扩散距离与景观空间尺度的匹配性的基础上，还应考虑人居环境安全因素。在城市建成环境中关注哺乳动物多样性，尤其是大型哺乳动物多样性，通常伴随许多安全性顾虑[24]。而昆虫不仅在城市生态系统中发挥着植物传粉、营养循环、落叶分解和食物供给等功能，还是良好的城市生态科普对象，其多样的种群构成、丰富的形态及观察采集的便利等特性可调动城市居民参与到城市生物多样性保护的行动中。因此，综合考虑空间尺度匹配性、人居环境安全性和生态保护行动积极性等多方面因素，在城市街区尺度绿色空间规划设计的相关研究与实践工作中，选择昆虫作为指示物种是适宜的。

景观连接度的距离阈值可依据城市绿色空间景观连通性的优化目标进行增减。例如，在建成较早的城市区域，绿化建设基础薄弱，城市街区尺度绿色空间斑块间距较大，需要较大的距离阈值才能发现其连通薄弱点；当城市绿化覆盖率较高且分布较为均匀时，城市街区绿色空间一般具有较高的景观连接度，若要进一步提升其连通性，形成更加完善的连通网络，则需要设置较小的距离阈值。但阈值的取值还应符合街区尺度绿地资源配置的基本要求，避免极限取值：取值过大，无法发现绿色空间资源配置的薄弱点或将导致资源配置不足；取值过小，则可能导致街区绿色空间配置过剩，浪费城市土地资源。

在存量优化的老城更新和增量发展的新城规划实践中，构建街区尺度生境网络是高效发挥绿色空间生态价值的有效方法。通过景观连接度分析，在连通性薄弱区域或关键斑块间建立一定数量、宽度和类型的廊道，或通过构建生境多样的小尺度绿色空间斑块形成“生态跳板”，可有效提高城市街区尺度绿色空间连接度。

5 结论

通过西安市4个典型街区绿色空间样本的景观连接度距离阈值梯度分析发现，距离阈值为200m时，4个样本中绿色空间均达到完全连通，是西安市街区绿色空间景观连接度距离阈值的上限，验证了街区尺度景观连接度距离阈值在百米级并选取扩散距离较小的昆虫作为指示物种的合理性。西安市街区尺度绿色空间景观连接度的适宜距离阈值为50～150m，尤其125m阈值能较好地体现西安市街区绿色空间的景观连通性薄弱区域及影响整体景观连接度的关键斑块。通过设置更小距离阈值(如100m或更低)可以发现更小尺度层次或更小范围的绿色空间连通性薄弱点，从而构建更加精确和完善的街区绿色空间生境网络。

在城市绿地规划建设实践中，绿地资源集中分布将增加街区尺度绿色空间斑块间距，降低绿色空间连通性，可能影响城市昆虫多样性分布；绿地资源相对集中的廊道穿越型绿色空间格局相较核心放射型绿色空间格局更有利于增加绿色空间景观连通性；将小尺度绿色空间在街区单元中均衡布局能够有效缩小斑块间的距离，进而构成具有更高景观连接度的绿色空间格局。

本研究以西安市街区绿色空间为研究对象，其城市街区绿色空间的典型模式及景观连接度距离阈值对于以西安市为代表的平原型城市有一定适用性，但对不同地貌特征的城市的适用性还需要进一步的论证研究。

注：文中图片均由作者绘制。