国土空间规划下县级绿色基础设施网络构建——以河南省周口市川汇区为例

樊 凡，田国行，樊 巍，朱茜亚，李华威

(1.河南农业大学 风景园林与艺术学院,郑州 450002; 2.河南省林业科学研究院,郑州 450008)

0 引言

近年来,在高密度人居环境下的城市绿色空间逐渐减少[1],绿地景观破碎度加剧[2],生态系统的承载能力不断受到威胁[3-4]。为了促进国土空间生态环境可持续发展,中共中央、国务院于2019年正式印发《关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》[5],将多种空间规划融合为统一的国土空间规划,实现多规合一,确保国土空间生态安全格局稳定发展[6]。县级尺度下的国土空间规划体现可实施性,强化对专项规划和详细规划的指导约束功能,在“五级三类”体系中具有承上启下的过渡作用[7]。绿色基础设施是区域景观生态格局的重要组成,是确保城市关键枢纽与相应的连接廊道得以有效保护和利用的基础[8],同时也是国土空间规划顺利完成的内在条件。

绿色基础设施(green infrastructure,GI)在空间上是由网络中心、连接廊道以及节点组成的跨尺度、多层次、相互连接形成的绿色网络系统[9]。早期主要将绿色基础设施规划作为以保护生物多样性为目标、用来权衡土地利用的保护及土地开发利用的策略工具[10]。随着研究的不断深入,其应用方法不断更新,如利用形态学空间格局分析法(morphological spatial pattern analysis,MSPA)识别城市绿色基础设施网络要素功能及等级并对其进行分级规划和建设[11];结合最小累积阻力模型与重力模型识别重要廊道构建GI网络[12];运用电路理论进行GI网络构建并制定优先保护策略[13];利用Invest模型对GI源地进行生境质量识别与评价并构建GI网络[14];从生态系统服务价值供需耦合中构建景观生态安全维育网络与生态系统服务亲近网络[15]。但是,此类研究往往只针对生物多样性与生态源地本身,较少考虑绿地的文化内涵和人文精神以及“生态-经济-社会”3个系统的和谐发展。

形态学空间格局分析方法近年来已被广泛运用,其优点在于可为GI网络中心和廊道选取提供科学准确的依据,避免主观判断法的主观性,从空间形态与结构连接对源地进行分类[16]。以往研究多集中于我国东部与南部开发建设强度较高的区域[7],较少考虑平原地区中小型城市。本研究从县级国土空间规划视角下统筹规划,以河南省周口市川汇区为切入点,综合考虑生态与文态,构建小尺度范围内的多层级绿色基础设施网络。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

周口市川汇区位于河南省周口市西南部,总面积269 km2,是周口市政治、经济和文化中心。沙河、颍河、贾鲁河三川交汇、横贯区内,三河夹岸,形如鼎足。川汇区地处黄淮平原,地势西北高、东南低。按照河南省地貌区划和等级系统划分,以沙颍河为界,以北为黄河冲积平缓平原区,以南为淮河及其支流冲积湖积平原区(图1)。

图1 研究区概况与土地利用分类

1.2 数据来源

2019年周口市川汇区土地利用数据来源于周口市自然资源局;道路路网以及水系等数据来源于全国地理信息资源目录服务系统(https://www.webmap.cn/),为矢量格式;2019年周口市Landsat-8/OLI卫星遥感影像数据和DEM数据来源于地理空间数据云(https://www.gscloud.cn/),分辨率为30 m;夜间灯光数据来源于2019年全球夜间灯光NPP-VIIRS合成数据集(https://eogdata.mines.edu/products/vnl/)。此外,从相关部门收集专题数据,主要有《周口市国土空间总体规划(2021—2035年)》《周口市城市绿地系统规划(2017—2030年)》等。

2 研究方法

2.1 基于MSPA方法的绿色基础设施要素提取

形态学空间格局分析(MSPA)技术是将二值栅格图像的像元要素进行分割、腐蚀,划定为7种不同景观类型且互不相交的栅格图像格式[17]。首先,基于ArcGIS 10.8软件,并根据川汇区实际情况将用地类型分为林地、草地、水体、耕地、建设用地、裸地6类(图1);其次,提取林地、草地、水体等为GI要素“重分类”为前景,将建设用地、耕地、裸地等非GI要素“重分类”为背景;最后,利用Guidos Toolbox软件,采用八邻域方法,得到7种互相不重叠的景观要素[18],并对结果进行统计。

2.2 绿色基础设施网络连通性分析

利用Conefor 2.6软件计算斑块间景观组分数(NC)、景观连通性指数(NL)、整体连通性指数(IIC)、可能连通性指数(PC)与景观巧合概率指数(LCP)[19]。在进行连通性评价时,其距离阈值的过大或过小都会对分析结果产生不同的影响[20]。由于最佳距离阈值目前还没有明确的定论,本研究从100 m的距离阈值开始,以100 m作为增幅梯度,将距离阈值4 000 m作为终点,研究相关指数的变化,最后分析得出最佳距离阈值。目前学界最具有代表性的3个景观指数有整体连通性指数、可能连通性指数和斑块重要性指数[21]。公式如下:

dI=(I-Ir)/I。

2.3 景观阻力面确定与廊道提取

选取土地利用类型、高程、坡度、植被覆盖度、与道路距离和与水系距离作为阻力因子指标。参考前人研究[22-23],对各类景观的阻力赋值。结合专家打分法和AHP法综合确定各阻力因子的权重并进行赋值(表1),构建阻力评价体系。

夜间灯光数据能够客观地反映出人类活动和强度等因素,本研究采用夜间灯光数据对综合阻力面进行修正,使综合阻力面更客观、更准确[24]。

最小阻力模型(MCR)最早由俞孔坚引入国内[25],将GI网络中心作为源点,计算每个GI网络中心通过综合阻力面到达其他GI网络中心间的最小成本路径得到潜在的GI廊道。利用重力模型[26]计算GI廊道相互作用强度并按照等级对廊道进行重要程度的分级。

表1 各阻力因子阻力值及权重

2.4 生态节点识别与分级

本研究中生态节点的提取分为两部分:一是生态廊道之间的交点;二是通过ArcGIS 10.8软件中的水文分析功能,提取综合阻力面上的“山脊线”与GI廊道的交点。踏脚石斑块分级方法是依据生态节点所在地的生态阻力值进行分级。按照其所处的综合生态阻力面,将阻力值小于40作为一级踏脚石,阻力值介于40～70作为二级踏脚石,阻力值大于70作为三级踏脚石。

3 结果与分析

3.1 基于MSPA的绿色基础设施要素识别

通过景观格局分析(表2),核心区面积占整个GI景观面积的比例最大,景观类型主要为林地,主要分布在川汇区西北部周口森林公园、北部商南高速附近,景观破碎度较低,景观结构较为稳定。边缘区面积占比仅次于核心区,说明川汇区景观斑块边缘较为复杂,且斑块形状较为细碎。桥接区和支线的面积占GI景观面积比例较低,且都有一定的连接作用。因此,可以从中提取两者之间较为重要的地方作为GI廊道。结合上述景观格局分析核心区现状以及前人研究成果,选择面积大于0.4 km2的21个核心区斑块确定为GI网络中心。

表2 景观类型分类统计

3.2 景观连通性距离阈值确定

将选取的21个GI网络中心进行连通性分析(图2),图2a代表研究区整体景观斑块的斑块间NL与NC随距离阈值的变化。可以看出当距离阈值为1 200～1 800 m时,NC,NL值下降和增长幅度较为稳定,EC(IIC)和EC(PC)值同样增幅平稳(图2b),说明整个景观受距离阈值的增加影响较少,景观连接度比较稳定。因此,可以作为合适的阈值范围。

图2 绿色基础设施网络中距离阈值的变化

为更好地确定距离阈值,选择斑块重要性的指数dLCP,dIIC,dPC共3个指数进行分析,根据前人研究结果[27],在合适的阈值范围内,3个指数的变化趋势基本一致。因此,选取6个对研究区影响较大的斑块进行分析(图3)。选择1 200 m,1 400 m,1 600 m,1 800 m共4个阈值,结果表明当距离阈值为1 600 m时,3个指数的变化范围基本一致。因此,本研究区最佳距离阈值为1 600 m,连通概率设为0.5。

3.3 绿色基础设施网络中心分级

将21个GI网络中心进行分级,依据斑块重要性指数对GI网络中心进行筛选[28],将dPC>5.0的13个斑块作为一级网络,0.5≤dPC≤5.0的斑块作为二级网络中心,0.1

3.4 绿色基础设施网络构建

3.4.1 综合阻力面分析

利用ArcGIS平台中的重分类对因子进行阻力赋值,得到各因子的阻力面,结合各因子权重系数求得周口市川汇区综合阻力面(图4a)。再利用夜间灯光数据对综合阻力面进行修正,得到最终生态阻力面(图4b)。结果表明,周口市川汇区阻力值较高的区域主要分布在建成区,整体上为中间高、北部和东部低的空间格局。建成区建设用地和交通路网分布密集,在这种高密度人居环境下,人类活动较多,严重影响着生态流扩张;东部和北部大部分为林地和耕地的区域,人类活动较少,因而阻力值较低。

图3 不同阈值下斑块重要性指数的变化

图4 基础阻力值和修正阻力值

3.4.2 潜在的绿色基础设施廊道构建

利用上述得到的修正后的综合生态阻力面,基于最小累积阻力模型的方法,在ArcGIS 10.8平台上,计算一级网络中心的13个斑块间最小成本路径,共计生成78条潜在GI廊道。其中,林地占廊道面积的比例最高,可以看出GI网络廊道构建的可行性,林地可以为物种提供良好的生态环境,因此,对川汇区西北部的林地需要加以保护;川汇区耕地面积辽阔,因此,耕地占廊道面积也较多;建设用地所占廊道面积也仅次于耕地,但建设用地具有高阻力的属性,因此,后续城市发展过程中要尽量避免建设用地占用GI廊道,以免干扰生态系统健康发展。

3.4.3 基于重力模型的绿色基础设施廊道分级

基于重力模型对一级网络中心的GI潜在廊道进行分级,构建多层级的GI廊道网络,以此确定GI廊道保护的优先级(表3)。将相互作用力大于5的作为一级生态廊道,共12条;将相互作用力介于1～5的作为二级生态廊道,共5条;其他的为三级生态廊道,有61条。由图5可以看出,一级生态廊道全部分布在研究区西北部周口森林公园,这些斑块面积较大,且连通性较好;二级生态廊道主要分布在研究区西北部林地斑块以及沙颖河之间;三级生态廊道主要连接研究区中部和东部地段。

表3 一级网络中心相互作用矩阵

从表3可以看出,一级生态廊道1～3(指1号GI网络中心与3号GI网络中心之间的生态廊道,下同)相互作用力最强,由于两个网络中心之间的距离较近,所以物质之间相互交流以及生物迁徙所耗费的成本最低。因此,对廊道1～3优先重点保护,并增设一些缓冲区以免受到人为干扰。一级生态廊道7～10的相互作用强度最低,网络中心之间的距离较远,使物种迁徙受到一定的阻碍。因此,需要在廊道中部地段增添踏脚石的建设,以此提高廊道韧性。

3.5 绿色基础设施网络优化

3.5.1 新增绿色基础设施廊道

为了使生态廊道贯穿整个研究区,需要在南部、北部及东部增加GI网络中心。结合研究区中部核心区斑块空间分布和dPC指数,将dPC值较大的3个核心区斑块作为新增的网络中心,并模拟出10条生态廊道(图5)。新增GI网络中心均为林地斑块,由于林地斑块自身具有较高的植被覆盖度,且稳定性较好,具有较高的生物多样性,应合理利用这些斑块,扩增林地斑块的面积,使其最大程度地发挥生态系统的服务价值。

图5 绿色基础设施网络优化

3.5.2 生态踏脚石建设与断裂点修复

考虑到生态廊道自身容易受到外界的干扰,需要在较长的廊道中增添踏脚石。本研究共提取60个踏脚石,一级踏脚石在空间分布上所占的阻力值低,物种可以较为容易地进行相互交流。因此,在规划中应优先重点开发和保护,并循序渐进地建设二级和三级踏脚石。生态断裂点指的是生态廊道在穿越研究区范围的过程中与该研究区的交通路网产生交集,进而会影响生态过程的发生,使景观功能受损[29]。根据周口市川汇区交通路网数据,识别该研究区的生态断裂点共计152个。生态断裂点分布较为广泛,较密集分布在研究区西部(图5),主要原因是区域路网较为发达,应在周围绿地建立一些缓冲带防止受干扰,并采取一系列的工程修复,如建设动物迁移专门通道、天桥等[13],在后期规划时应注意建设用地的范围,以确保生态环境的稳定性。

3.6 绿色基础设施网络规划建议

基于上述川汇区GI网络优化的结果,结合多层级的网络中心、潜在生态廊道、现有廊道以及建设中的廊道等GI要素,以《河南省周口市城市总体规划(2016—2035年)》编制的结果为基础,对川汇区提出绿色基础设施网络规划建议。

由于川汇区地处平原地带,沙河、颍河、贾鲁河以及多条人工河贯穿区内,属平原河网城市,因此,在结构上选择楔形放射模式作为GI网络结构[30]。考虑到区域绿色基础设施网络规划不仅要考虑各个斑块的景观连通性,还需要识别各种斑块间丰富的文化内涵,从生态与文态两个原理中综合考虑。结合相关规划图纸与现场调研,将周口市森林公园、周口市植物园、永宁湖湿地公园与沙颍河滨水公园作为公众偏好游览地,这些核心源地承载着历史文化,构成了川汇区独特的文化氛围,将这些具有人文精神的绿地有机地串联在一起,形成独特的文脉廊道;其他GI网络中心分布在研究区边缘,经过走访调查,较多为村落中的风水林和防护林。因此,在规划上可以采用自然恢复或人工恢复的方式加以保护,并构建廊道与城市紧密联系起来,使其成为绿色基础设施网络的重要组成部分。

综上所述,依托川汇区生态与文态特点,最终串联起来形成“一轴、两楔、四带、多点”的绿色基础设施网络总体结构(图6)。“一轴”指的是上述具有公众偏好游览的网络中心组成,共同构成了川汇区的文脉轴线;“两楔”分别位于川汇区的西北部与东南部,主要为周口市的生态保育绿地与水源涵养地,对维护川汇区的自然生态本底具有重要作用;“四带”分别为沙颍河水系的3条支流和人工运河,共同构成了川汇区的景观蓝脉;“多点”指的是构建廊道中的踏脚石与断裂点,这些节点在绿色基础设施网络规划中属于生态修复与重点建设区域,使川汇区的绿色空间具有多组团、多中心的网络化、扁平化的结构。

图6 绿色基础设施网络规划

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)绿色基础设施网络中心分布在川汇区西北部和中南部,景观连通性西北高、中部低,综合阻力值中部高,东部、北部和东南部低,研究区建成区内是需要重点进行生态修复的区域。

(2)绿色基础设施廊道主要土地类型构成为林地与耕地,由于耕地与林地比较容易受到城市扩张的影响,需要重点对林地与耕地进行保护与修复。

(3)根据重力模型将廊道进行分级,得到一级廊道总计12条,全部分布在研究区西北部,其中廊道1～3应重点优先保护与建设。

(4)在绿色基础设施网络优化上,新增3个绿色基础设施网络中心,并模拟出10条绿色基础设施廊道;在踏脚石建设中,共提取60个,并将其进行分级;在生态断裂点修复时,共识别出152个。

4.2 讨论

县级单元处于区域协同与地方发展的协调地位[31],在进行绿色基础设施网络规划时需要对河湖水系保护和修复、土地整治、公共开敞空间、基本农田改造提质等专项规划进行指导约束。本研究基于县级国土空间全域全要素视角下构建绿色基础设施网络,并将生态与文态原理注入规划中,弥补以往研究中缺乏文化内涵层面的不足,研究结果更能为开展市县级国土空间规划“双评价”中的生态保护重要性评价提供数据支撑[32],同时也为周口市川汇区未来绿色基础设施网络生态修复建设工作和城市的绿地系统规划提供思路。川汇区目前最主要的斑块要素是耕地,水系较多、林地较少,为了优化城市绿色基础设施网络格局,可以将耕地作为半自然网络中心,提高川汇区生物多样性。因此,在规划上应该保护绿色基础设施网络中心之间的耕地,防止过多的农业污染。

已有研究在评价景观连通性时,对于阈值的确定比较模糊。虽然在理论层面上较为科学和客观,但在实际建设过程中,还需要考虑到多方面的因素,如人为因素与用地扩张等,如何结合实际情况确定距离阈值还需要进一步展开研究。在进行综合生态阻力面的构建时,考虑到社会对绿色基础设施网络的干扰,加入夜间灯光数据对阻力面进行修正,可以更加合理地反映人类活动强度对研究区的影响,使得阻力面更加符合实际情况。