福州市蓝绿空间格局演化及预测研究

纪维钧，金博闻，耿建伟,3，柯山，潘辉★

（1.福建农林大学·风景园林与艺术学院，福建 福州 350002；2.闽江学院，福建 福州 350108）

蓝绿空间是“蓝色空间”与“绿色空间”的总称，包括城市林地、耕地、水体、湿地等[1]。蓝绿空间作为维持区域生态环境的重要载体，其动态性的特点很大程度受人类活动影响。在快速城市化的进程中，城市人造地表的高速扩张使得蓝绿空间不断遭到侵蚀，生态功能下降，进而影响到城市发展的可持续性[2]。对蓝绿空间的空间演化特征及不同情景模拟与预测进行研究对指导城市国土空间规划、提高城市可持续发展具有重要意义。

当前，相关学者对于蓝绿空间的研究主要关注蓝绿空间的冷岛效应[3-5]、蓝绿空间时空分布规律及驱动因素[6-7]、蓝绿空间生态网络构建研究[8-9]等，其中，蓝绿空间时空分布规律及驱动因素研究方面，相关学者主要采用了Markov 模型[10]、FLUS 模型[11]、GeoSOS_FLUS 模型[12-13]、MCCA 模型[14]等模拟与预测城市未来的土地利用变化，均取得了较为理想的模拟效果。生境质量的评估目前学者主要采用SolVES模型[15]、Maxent 模型[16]、以及InVEST 模型等[17]。InVEST 模型因数据需求少及评估精度高的特点被广泛运用于区域的生境质量评估[18-19]。当前蓝绿空间演变主要集中于规模、分布、景观空间变化，较少探究城镇化背景下城市蓝绿空间多情景预测及生境质量评估。本文以生态园林城市福州市为例，基于2000、2010、2020 年3 期土地利用数据，采用CAMarkov 模型和InVEST 模型，分析福州市中心城区蓝绿空间时空动态变化的基础上，模拟评估在自然-协调-生态三种情景模式下福州市2030 年的蓝绿空间变化情况，进一步利用InVEST 模型评价其生境质量的变化，以此为福州市区域生物多样性保护和国土资源的合理利用提供科学指导。

1 研究对象

1.1 研究区概况

福州市是福建省的省会城市（25°15′-26°39′N、118°08′-120°31′ E），属典型的河口盆地。研究区为福州市中心城区，面积约为2 207 km2，范围包括福州市辖区等城市核心区及闽侯县、连江县等城市外围区域。福州市中心城区“蓝绿”资源丰富，四周被群山峻岭环绕，从西北部至北部主要是莲花山和鼓山，西南部至南部主要是旗山与五虎山，海拔600 ～1 000 m，地势整体呈西北高，东南低。主城区内还包括金鸡山、金牛山、高盖山等大型城市山体公园。研究区内水资源十分丰富，闽江自西向东穿城而过，市区内河网密布，水系发达，拥有白马河、晋安河、磨洋河、光明港、新店、南台岛等六大水系，涵盖107 条内流河，另外还有多个内湖、水库、湿地公园和保护区等。

1.2 数据来源及预处理

福州市土地利用数据来源于国家基础地理信息中心（http://www.ngcc.cn/ngcc/）所公布的全球30 m 地表覆盖数据，福州市中心城区边界数据来源于《福州市城市总体规划（2010-2020年）》（http://zygh.fuzhou.gov.cn/），高程数据来源于地理空间数据云免费下载（https://www.gscloud.cn/）。通过栅格投影、按掩膜提取等方式获取了福州市中心城区2000、2010、2020 共3 期土地分类数据，研究区内共包括了耕地、林地、草地、湿地、水体、人造地表、裸地等7 种地类。根据杜红玉[2]的观点，将其中的湿地、水体、耕地、林地、草地定义为福州市蓝绿空间。

2 研究方法

本研究基于福州市中心城区2000、2010、2020 年3 期土地利用及相关数据，首先，采用土地利用转移矩阵方法来揭示2000-2020 年间的城市蓝绿空间变化特征；然后采用CA-Markov 模型模拟福州市中心城区2030年自然-协调-生态三种情景模式下的蓝绿空间；在此基础上，利用InVEST模型评估不同情景模式下的城市蓝绿空间生境质量（图1）。

图1 研究流程Fig.1 Research flow chart

2.1 Markov模型

马尔可夫的思想是基于马尔可夫数学家对随机过程的研究[20]。在不同的状态下，通过计算初始概率与转移概率之间的关系，确定景观的时间变化趋势，最终达到了预测景观结构变化的目的。公式如下：

式中：Pij表示景观类型i转变为景观类型j的转移概率。Pij需满足2 个条件：0≤Pij＜1且1(i,j=1,2,…,n)，n为土地利用类型。

2.2 元胞自动机模型

模型元胞自动机（cellular automata, CA）模型是一种时空离散模型，利用具有不同时空特性的元胞相互作用来模拟复杂系统的时空演化的动力学模型[21-22]。公式如下：

式中，S为元胞有限、离散的状态集合；t、t+1为不同时刻；N为元胞的领域；f为局部空间的元胞转化规则。

为了保证模拟结果的可靠性，需对模型进行验证。利用Kappa 系数对模型模拟的景观格局变化的精度进行验证，公式如下：

式中：P0表示模拟正确的比例；Pc表示模型随机情况下正确的比例；Pp表示理想分类情况下正确模拟的比例。

运用IDRISI 软件中的CROSSTAB 模块，输入福州市中心城区2020 年实际土地利用数据与模拟的2020年土地利用数据进行精度验证，得出结果Kappa系数为0.8566，表明模型模拟结果较好，可以使用通过验证的CA-Markov 模型对2030 年的蓝绿空间进行预测。

2.3 InVEST模型

为进一步探究蓝绿空间生境质量变化情况，利用InVEST模型定量评价蓝绿空间的生境质量及其变化。生境质量模块基于土地分类数据，结合威胁源因子的距离、影响方式以及不同地类的敏感性程度等来绘制生境质量图。蓝绿空间生境质量的高低取决于其与威胁源的距离以及本身的生态适宜性。公式如下：

式中，Dxj为景观类型j中栅格x的总威胁水平；R为胁迫因子数量；Yr为胁迫因子r的栅格单元总数；wr为不同胁迫因子r的权重；ry为栅格单元上的胁迫因子个数；βx为栅格x的可接近水平；Sjr表示景观类型j对胁迫因子r的敏感性；irxy为胁迫因子的影响距离。

式中，Qxj为景观类型j中的斑块组x的生境质量;Hj为景观类型j的生境适宜性分值；z为比例因子，一般取2.5；k为半饱和常数，取0.5。

该模型需要输入的数据主要包括了土地利用类型数据、威胁源因子的权重及其衰减距离、景观类型与威胁源的敏感性表格等。参考相关文献[23-24]以及InVEST使用手册设置模型相关参数，具体内容见表1和表2。

表1 威胁源及其最大影响距离、权重及衰减类型Tab.1 The threat source and its maximum impact distance,weight and attenuation

表2 不同土地利用类型对威胁源的敏感度Tab.2 Sensitivity of different land use types to threat source

2.4 情景状态模拟

在蓝绿空间发展演化过程中，自然环境、政策规划等因素对其都具有不同程度的影响，具有不同重点的发展状态和模式，因此本文设置了3种蓝绿空间变化模拟的情景状态，以便更全面地比较、模拟和预测福州市中心城区蓝绿空间演化。

1）自然发展情景。该情景模式基于蓝绿空间历史变化规律，按照研究区现行规划条例，不设定任何限制条件，也不考虑政府生态保护等相关政策的影响，在演化发展的过程中，自然资源、社会经济和空间制约等诸多因素都呈现自然发展状态。

2）生态保护情景。该情景模式在自然发展情景中融入了生态保护的理念，以生态保护为主要的切入点，严格限制林业用地和水源地等土地类型转化为其他地类使用，限制城镇扩张并模拟植被恢复、退耕还林和退田还湖等生态政策的实施效果。

3）协调发展情景。协调发展情景综合考虑自然发展和生态保护情景，在限制进行大规模高强度开发的农业区域和生态区域中，城镇化扩张不直接侵占农业用地、林业用地和水源地，严守生态保护红线、永久基本农田和城镇开发边界等空间管控边界。

3 结果与分析

3.1 蓝绿空间土地利用变化特征分析

根据图2 所示，从空间上看，2000-2020 年间随着人造地表不断侵蚀，城市蓝绿空间呈中心向外逐渐减少的趋势。根据图3所示，2000-2010年福州市中心城区绿色空间面积略微减少，其中耕地面积减少了32.27 km2，林地面积减少了7.95 km2，草地面积减少了3.29 km2，变化幅度分别为-9.11%、-1.25%、-3.59%。蓝色空间中，湿地面积略微减少，相较于2000年减少了0.02 km2，水体面积略微增加，为2.54 km2，变化幅度分别为-0.08%和1.91%。2010-2020 年，福州市中心城区绿色空间变化幅度较大，其中耕地、林地、草地分别减少了78.09 km2、16.34 km2、5.25 km2，相较于2010 年，绿色空间变化幅度分别为-24.24%、-2.60%、-5.95%。蓝色空间中，湿地减少较多，为12.83 km2，变化幅度为-43.01%。水体面积有所增加，增加面积为15.6 km2，增加幅度为11.52%。总体上看，福州市中心城区2000-2020 年期间，以蓝绿空间面积减少为主，其中耕地与湿地变化幅度最大，根据土地利用转移矩阵结果可知（表3），主要原因可能是人造地表的不断扩张，蓝绿空间中，蓝色空间共有10.34 km2、绿色空间共有139.62 km2转化为人造地表。

表3 2000-2020年福州市中心城区土地利用转移矩阵Tab.3 From 2000 to 2020 land use transfer matrix of Fuzhou City 单位：km2

图2 2000、2010、2020年福州市中心城区景观类型空间分布Fig.2 Spatial distribution of landscape types of Fuzhou City in 2000,2010 and 2020

图3 2000、2010、2020年福州市中心城区景观类型面积及变化Fig.3 Landscape types,areas and changes of Fuzhou City in 2000,2010 and 2020

3.2 不同情景模式下蓝绿空间预测结果分析

以福州市中心城区2020 年土地利用数据为基础模拟2030 年不同情景模式下的土地利用状况（图4、图5），总体来看，3 种情景模式下，福州市2030 年土地利用变化较为明显的区域主要集中在仓山区南北部以及高新区等城郊地带。（1）在自然发展情景模式下，福州市蓝绿空间进一步减少，其中耕地与林地面积减少最多，分别减少了30.76 km2、83.41 km2，相较于2020 年减少了12.60%、13.63%；主要原因是人造地表进一步侵占耕地与林地。蓝色空间中，湿地减少了4.66 km2，水体增加了9.51 km2；主要是由于湿地退化，受河流侵蚀影响所造成。人造地表进一步扩张，增长了75.38 km2，增幅为22.46%。（2）生态保护情景下，福州市蓝绿空间得到控制，其中绿色空间中，耕地面积增加了1.12 km2，林地面积增加了36.52 km2，草地面积减少了32.48 km2。相较于2020 年，绿色空间中耕地、林地与草地变化幅度分别为0.45%、5.96%、-39.15%。湿地增加了0.07 km2，水体减少了1.48km2，变化幅度较小，分别为0.41%、-0.97%。同时人造地表得到有效控制，增加了0.96 km2，增幅为0.28%。（3）协调发展情景下，福州市蓝绿空间继续减少，相比于2020 年耕地、草地分别减少了62.70 km2、1.95 km2，林地增加了9.67 km2，变化幅度分别为-25.69%、-2.35%、1.58%。湿地和水体分别增加了0.51 km2、5.24 km2，变化幅度为3.01%和3.47%。同时人造地表增加了46.01 km2，增幅为13.71%。

图4 不同情景模式下福州市中心城区2030年土地利用模拟预测Fig.4 Simulation and prediction of land use of Fuzhou City in 2030 under different scenarios

图5 不同情景模式下福州市中心城区2030年土地利用面积预测Fig.5 Statistics and prediction of land use area of Fuzhou City in 2030 under different scenarios

3.3 福州市中心城区2000-2020 年蓝绿空间生境质量分析

InVEST 生境质量模块根据土地利用类型及相关适宜性表格，可以定量评价地区的生境质量状况，得到研究区域生境质量指数分布，并参考相关研究成果[24-25]，利用ArcGIS 中的重分类工具将研究区域生境质量评价结果按照低（0～≤0.2）、中低（0.2～≤0.4）、中（0.4～≤0.6）、中高（0.6～≤0.8）、高（0.8～1.0）共分为5类。由表4 可知，福州市中心城区2000-2020 年以来，低生境质量地区面积呈不断上升趋势，由2000年的203.42 km2上升至2020 年的341.36 km2。中低生境质量地区面积呈不断下降趋势，由354.80 km2下降至244.45 km2。而高生境质量地区面积变化幅度不大，由769.04 km2下降至762.57 km2。从空间格局来看（图6），福州市中心城区具有中心城区低、城郊地区高的特点，并呈现出中心城区生境质量下降的趋势。可能主要是由于城市人造地表的大量扩张所致。城郊地区的生境质量总体保持不变，可能是因为城郊地区主要以林地为主，并且距离城镇人造地表距离较远，受人为影响较小，生境质量高。

表4 2000-2020年福州市中心城区蓝绿空间不同生境质量面积统计Tab.4 Statistics of habitat quality and area of blue-green space in Fuzhou City from 2000 to 2020

图6 福州市中心城区2000-2020年蓝绿空间生境质量Fig.6 Habitat quality of blue-green space of Fuzhou City from 2000 to 2020

3.4 不同情景模式下福州市中心城区2030 年蓝绿空间生境质量分析

基于CA-Markov 模拟结果，得出2030 年福州市中心城区不同情景模式下的土地利用类型，并通过InVEST 生境质量模型将各个情景下的生境质量结果可视化（图7）。由表5可知，在自然发展情景下，福州市中心城区的低生境质量地区面积进一步扩大，由2020年的341.36 km2上升至421.07 km2。高生境质量地区面积进一步缩小，由2020年的762.57 km2下降至689.12 km2。主要是由于该情景模式下福州市中心城区继续保持着人造地表的高增长，侵占了大量的蓝绿空间，进而导致生境质量的下降。生态保护情景下，相较于2020年，福州市中心城区低生境质量地区有所下降，由341.36 km2下降至337.68 km2，高生境质量地区由2020 年的762.57 km2上升至798.07 km2。主要原因是该情景模式下对城市的蓝绿空间进行了保护，并限制了城市人造地表的扩张速度。协调发展情景下，兼顾城市蓝绿空间的可持续发展，同时也允许一定程度的人造地表的增长。该情境下，低生境质量由2020 年的341.36 km2上升至390.67 km2，高生境质量由762.57 km2少量上升至777.93 km2，在保持人造地表增长的同时高生境质量地区得到了有效的保护。

表5 不同情景模式下福州市中心城区2030年蓝绿空间不同生境质量面积预测Tab.5 Statistics and prediction of habitat quality and area of blue-green space in Fuzhou City under different scenario models in 2030

图7 不同情景模式下福州市中心城区2030年生境质量Fig.7 Habitat quality of Fuzhou City in 2030 under different scenarios

4 讨论

生境质量是量化地区生态环境的重要指标，而蓝绿空间是维持地区生态环境的重要载体。基于不同情景模式下对福州市中心城区未来进行生境质量预测，可为制定生态保护政策、土地资源的可持续利用提供科学依据。本研究基于CA-Markov 模型模拟预测福州市中心城区2030年城市蓝绿空间格局变化情况，各个地类相互转化概率以2000-2020 年土地利用的转移规律为主导。

蓝绿空间格局方面研究结果显示，与自然发展和协调发展情景相比，生态保护情景下人造地表面积增幅最小，城市扩张速度明显放缓，林地和水域等蓝绿空间得到较好的保护。从空间分布来看，与2020 年相比，2030 年自然发展和协调发展情景下研究区人造地表用地由中心城区朝外扩张活跃，建设用地面积剧增，相应地侵占了耕地和水域。生态保护情景下，城市扩张速度相对放缓，中部用地被侵占的面积较上述两种情景也相对减少。蓝绿空间生境质量方面研究结果显示，自然发展情景下，福州市中心城区蓝绿空间进一步退化，低生境质量地区扩大，高生境质量地区减少；生态保护情景下，低生境质量地区减少，高生境质量地区增加；协调发展情景模式下，高低生境质量地区均少量增加。在这3种情景模式下，福州市高生境质量排序为：生态保护情景＞协调发展情景＞自然发展情景。

综上，生态保护情景相对于自然发展和协调发展情景更能有效解决区域发展所带来的环境破坏问题，但协调发展情景在某些区域能更好地平衡社会发展、政策要求及可持续发展的需求。为使福州市中心城区蓝绿空间发展更符合可持续发展以及经济社会发展需要，应优化土地利用结构，合理划定城市发展边界，限制城市开放空间无序扩张，积极构建生态廊道，稳定生态系统结构，严格遵守生态保护红线，为未来城市蓝绿空间发展规划提供重要参考，结合各区域发展战略和实际发展需求选择相应的情景，对实现区域生态-社会-经济和谐稳定发展有重要意义。

由于《福州市国土空间规划（2021-2035）》尚未正式发布，因此本文在未来蓝绿空间变化模拟研究中，较少考虑规划因素。InVEST 生境质量评价模型在威胁源的选择、最大影响距离、敏感性参数设置以及生境质量等级划分等具有一定的主观性，因此具有一定的局限性。此外，研究中并未深入探究生境质量变化与蓝绿空间变化之间的关系，研究成果有待完善。

5 结论

本文基于CA-Markov 模型，在分析2000-2020年蓝绿空间土地利用的基础上，模拟福州市中心城区2030年自然-生态-协调三种情景下的蓝绿空间格局，并通过InVEST 模型计算各个情景模式下的生境质量变化趋势，主要结论如下：

1）2000-2020 年期间，福州市中心城区蓝绿空间持续减少，城市人造地表高速扩张。城市低生境质量地区占比扩大，高生境质量地区少量减少。通过土地利用转移矩阵结果可知，主要由于人造地表不断侵占城市蓝绿空间，所造成的中心城区生境质量下降，影响范围逐步扩大。

2）三种不同情景预测中，自然发展情景下，福州市中心城区蓝绿空间进一步退化，低生境质量地区扩大，高生境质量地区减少；生态保护情景下，福州市蓝绿空间相较于2020 年略微提升，主要体现在林地的增长及人造地表扩张的限制；协调发展情景模式下，福州市蓝绿空间总体上保持不变，高低生境质量地区均少量增加，其中耕地减少较多，林地小幅度上升，草地、水体、湿地基本维持2020年的空间格局，人造地表少量增加，主要是侵占了城郊的耕地。在这3 种情景模式下，福州市高生境质量排序为：生态保护情景＞协调发展情景＞自然发展情景。因此，限制城市人造地表的高速扩张，优化城市蓝绿空间格局对提升地区生境质量与可持续发展具有重要的促进作用。