綠色開放空間系統(tǒng)特征分析及功能效應評價以呼和浩特建成區(qū)為例

蹇 凱1,,郭麗霞1,王勝男

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學 建筑學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051;2.三亞學院 藝術學院,海南 三亞 572022)

開放空間系統(tǒng)在一定程度上起著調(diào)整城市結構和優(yōu)化城市功能的作用,影響著城市的實體空間形態(tài)、社會結構形態(tài)和文化空間結構形態(tài)[1]。綠色開放空間系統(tǒng)是城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的保障,也是決定生態(tài)城市建設水平的最根本要素,更加強調(diào)城市內(nèi)部空間的變化規(guī)律、空間形態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)、開敞空間等之間的相互作用關系、運行與機理[2]。近年我國關于開放空間系統(tǒng)的研究主要集中在城市公共空間、城市空間結構、城市綠地系統(tǒng)等方面的優(yōu)化,較少有人從尺度控制層面將城市藍綠空間要素作為一個完整空間系統(tǒng)來研究。綜觀綠色開放空間系統(tǒng)的研究成果發(fā)現(xiàn)，綠色開放空間系統(tǒng)是指城市中由最具有生命力的各類綠地要素和水系要素構成,在地域空間中有著專門的空間結構和功能形態(tài)的開放空間集合體[3]。其實質(zhì)與城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃方法和研究路徑有著截然不同的內(nèi)涵[4],但該領域的研究處于停滯階段。為了厘清綠色開放空間系統(tǒng)結構與功能之間的相互關系，剖析城市綠地系統(tǒng)的功能效應[5],研究以“建成區(qū)劃定—系統(tǒng)要素RS識別—系統(tǒng)特征分析—功能效應評價”為研究思路,針對呼和浩特(簡稱“呼市”)建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)進行特征分析和功能效應評價。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

綠色開放空間系統(tǒng)研究的機制是通過系統(tǒng)要素結構、功能和過程分析來反映對象的特征,在一定的時空尺度上,其結構、功能和過程的合理性直接影響到城市的生態(tài)網(wǎng)絡體系和生態(tài)功能體系。為了獲得最為科學的分析結果,本文主要獲取了呼市2014—2017年的《統(tǒng)計年鑒》數(shù)據(jù),同時考慮到地區(qū)特殊的地理氣候和地域季節(jié)特點,特在地理空間數(shù)據(jù)云中獲取了該區(qū)域2013年7月和2017年7月的Landsats 8遙感數(shù)據(jù),以便于通過ENVI軟件提取最能反映呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)要素變化的特征。

在方法上，一是通過統(tǒng)計分析法總體把握呼市最新4年綠色開放空間系統(tǒng)的基本情況；二是利用GIS空間分析解析和可視化綠色開放空間系統(tǒng)要素在空間上的方位和圈層分布特征；三是借助Fragstats 4.2軟件分析呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)結構與功能的動態(tài)關系。三者相互結合,以實現(xiàn)綠色開放空間系統(tǒng)要素的空間分布特征分析和功能效應評價。

2 特建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)的要素現(xiàn)狀

享有“青城”美譽的呼和浩特是內(nèi)蒙古自治區(qū)最大的政治、經(jīng)濟和文化交流中心,地域歷史文化底蘊濃厚。呼市中心城區(qū)位于海拔約1040m的平原之上,地勢北高南低,具有典型的蒙古高原大陸性氣候特點。綠色開放空間系統(tǒng)作為最具生態(tài)效益的城市系統(tǒng)之一,其系統(tǒng)要素由城市綠地、水系等城市中非建筑物和構筑物構成。本文從呼市2014—2017年《統(tǒng)計年鑒》中提取了建成區(qū)面積、建成區(qū)綠地面積、建成區(qū)綠化覆蓋面積、建成區(qū)園林綠地面積、建成區(qū)綠地率和綠化覆蓋率等6項數(shù)據(jù)作為研究綠色開放空間系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)。通過線性分析發(fā)現(xiàn):建成區(qū)綠地面積、綠化覆蓋面積和園林綠地面積的年平均增長量分別為6.40km2、5.07km2和4.96km2,R2值分別為0.99、0.94和0.99,在數(shù)值上反映為呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)要素的各類面積變化呈現(xiàn)出高度一致的增長趨勢,且建成區(qū)綠化率與綠化覆蓋率保持穩(wěn)定水平(表1)。

表1 2013—2017年呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)的要素分析

注:1.斜率為要素變化的平均水平;2.R2為衡量要素之間變化規(guī)律的一致性和數(shù)據(jù)擬合的可靠性;3.x為時間自變量,y為面積因變量；4.統(tǒng)計數(shù)據(jù)與RS數(shù)據(jù)年份不同步不影響研究結果的準確性。

3 綠色開放空間系統(tǒng)的特征分析

3.1 系統(tǒng)格局層面的空間變化

總體格局特征:為了全面剖析呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)的特征,本文以內(nèi)蒙古師范大學附屬中學運動場為城市地理中心,將呼市建成區(qū)劃分為8個方位和8—10個圈層,分別從方位和圈層層面分析綠色開放空間系統(tǒng)的變化特征，見圖1。從建成區(qū)面積拓展上看,2013—2017年受城市新區(qū)建設和2017年內(nèi)蒙古自治區(qū)成立70周年大慶的影響,建成區(qū)面積由251.78km2增加到290.2km2,凈增量38.42km2。其中,增長區(qū)域集中在第一象限的5—6圈層、第四象限的5—7圈層和西南方向的8—10圈層,即穆斯林公墓片區(qū)、賽罕區(qū)車管所片區(qū)和玉泉百坊民俗村等區(qū)域,凈增量分別為9.49km2、18.65km2和9.24km2,增長面積占建成區(qū)拓展面積的73.24%(圖2)。從系統(tǒng)要素比例上看,2013—2017年,城市建成綠色開放空間系統(tǒng)的要素總面積呈增加趨勢,城市發(fā)展逐步重視對環(huán)境提升與生態(tài)維育,但系統(tǒng)要素的類型和結構變化較大。具體變化表現(xiàn)為:系統(tǒng)要素總量凈增了8.18km2,公園綠地和附屬綠地的總面積超過全部系統(tǒng)要素的70%,構成了呼市建成區(qū)重要的生態(tài)效益要素。其中,公園綠地面和水域面積分別減少了14.5km2和1.17km2,占比分別降低了20.03%和1.97%；附屬綠地、防護綠地和其他綠地面積分別增加了12.37km2、1.99km2和5.49km2,占比分別提高了15.31%、1.81%和4.88%,即公園綠地大量流轉至附屬綠地,表現(xiàn)為對宜居環(huán)境的強烈追求，見表2。

圖1 呼市建成區(qū)的方位及圈層劃分

圖2 建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)要素面積變化

要素名稱編碼 面積(km2) 比例(%) 2013年2017年2013年2017年增減情況公園綠地G143.6229.1251.2331.20-20.03防護綠地G23.095.083.635.44+1.81附屬綠地G321.7938.1625.5840.89+15.31其他綠地G49.8015.2911.5116.38+4.88水域G56.855.688.056.08-1.97合計85.1593.33———

方位格局特征:2013—2017年呼市建成區(qū)綠色開放空間的系統(tǒng)要素在第一、三、四、五、六4個象限有所增加,其中第一、四象限的要素增長明顯受這兩個方向上的建成區(qū)面積拓展影響。相反,第二、七、八象限的系統(tǒng)要素有所減少,減少量較小(圖3a)。隨著呼市城市建設的推進,系統(tǒng)要素的結構改變反映出各類要素在方位空間上的分布特點(圖3b—3f)。

主要表現(xiàn)在:①公園綠地(G1)。在空間分布上主要集中在第二、六象限,但從面積變化上第二、七象限的公園綠地減少量較大,減少量分別達4.08km2和7km2。綠地屬性流向附屬綠地、其他綠地和防護綠地。②防護綠地(G2)。要素面積總體呈增長趨勢,且在第一至四象限分布相對較豐富,防護綠地空間分布受呼市水系分布影響加大,在城市建設過程中間接反映為人們對綠色開放空間系統(tǒng)防護作用和對更加宜居生活環(huán)境的追求。③附屬綠地(G3)。2017年與2013年相比,附屬綠地的面積在第四、五、六象限上增量較大,反映為呼市建成區(qū)南部區(qū)域的人居環(huán)境相比其他區(qū)域較好。④其他綠地(G4)。從整體變化情況上看,該類要素在空間分布上變化最為明顯。雖然第一、二象限已經(jīng)屬于建成區(qū),但由于建設緩慢,部分綠地仍然呈現(xiàn)為以農(nóng)業(yè)活動為主的土地功能。⑤水域(G5)。呼市建成區(qū)水系分布總體上越來越趨于均衡化,但水系面積變化主要反映在呼市第二、三、六象限,這是因為呼市水系主要分布在東部和南部區(qū)域,且水系面積大小直接受不同年份降雨影響的可能性較大。

圈層格局特征:呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)變化的總體特征是要素分布總體向外移。從面積變化上來看,建成區(qū)圈層拓展到了10個圈層,系統(tǒng)要素面積在第一至四圈層逐層增加,第四至八(十)圈層則逐層減少。但各個圈層內(nèi)的系統(tǒng)要素面積在第一至三圈層減少,在第四至八(十)圈層增多。在第三圈層減少了3.14km2,在第五至七圈層增加了13.25km2(表3)。從要素比例上來看,受城市建設開發(fā)的影響,系統(tǒng)要素結構在圈層空間上表現(xiàn)為不同的分布特點。其中,系統(tǒng)要素面積比例減少主要集中在第一至六圈層和第八圈層；位于城市建成區(qū)邊緣區(qū)域第七、九、十圈層的系統(tǒng)要素面積比例增加(圖4、表3)。主要表現(xiàn)在:①公園綠地(G1)。雖然在空間分布上主要集中在第三至五圈層,但受系統(tǒng)要素結構的變化,公園綠地面積在第一至八圈層大量減少。②防護綠地(G2)。從對比數(shù)據(jù)可知,防護綠地在各個圈層的面積都有所增加。其中,在主要分布有水體環(huán)境的第4圈層面積指數(shù)凈增量達到0.09km2,即在每一個圈層的面積增加反映為對城市綠地防護作用的高度重視。③附屬綠地(G3)。近五年來,附屬綠地在第四至六圈層分布的面積增長量分別為5.81km2、5.61km2和6.85km2,大大提升了呼市建成區(qū)第四至六圈層城市生活居住片區(qū)的適宜性。④其他綠地(G4)。這類綠地主要分布在第五圈層,且在第四至七圈層的增加量分別為1.43km2、1.71km2、2.19km2和2.60km2。⑤水域(G5)。在空間中的分布主要集中于第三至四圈層,且水系面積變化較小,水域的微弱變化受不同年份降雨影響的可能性較大。

圖3 方位層面綠色開放空間系統(tǒng)的要素變化

圖4 圈層層面綠色開放空間系統(tǒng)的要素變化

3.2 景觀格局層面的指數(shù)變化

景觀格局在結構、功能和過程三個層面的變化決定了綠色開放空間系統(tǒng)生態(tài)過程的復雜性,即景觀格局的表現(xiàn)方式是通過景觀要素間的相互作用來影響區(qū)域內(nèi)的景觀要素分布、物種豐富度、種群生存能力和抗干擾能力[6-8]。因此,研究選取斑塊類型和景觀水平兩個層面的5項景觀格局指數(shù)來分析呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)的景觀破碎化程度、空間異質(zhì)性、多樣性和均勻性。

表3 圈層層面綠色開放空間系統(tǒng)的要素變化(km2)

表4 2013—2017年呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)斑塊層面的景觀格局指數(shù)

景觀格局的破碎度和異質(zhì)性:本文選取斑塊密度(PD)、最大斑塊形狀指數(shù)(LPI)和斑塊形狀指數(shù)(LSI)分析呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)內(nèi)部近5年的景觀要素結構變化、破碎化程度與空間異質(zhì)性和系統(tǒng)生態(tài)過程(表4)。即:①要素結構變化。最大斑塊指數(shù)變化與斑塊密度指數(shù)呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律,公園綠地、防護綠地、附屬綠地和水域的LPI指數(shù)分別增加了0.04、0.11、0.05和0.01。其中,LPI指數(shù)最高的要素由2013年的公園綠地轉換成了2017年的附屬綠地,要素結構變化反映出呼市對生態(tài)城市的建設更加關注和對宜居生活環(huán)境的強烈追求。②景觀破碎化程度與空間異質(zhì)性。受建成區(qū)拓展和城市綠化建設的影響,除其他綠地以外的其他四類系統(tǒng)要素因斑塊密度微弱下降,較好地弱化了系統(tǒng)要素景觀破碎化程度和空間異質(zhì)性。同時,擁有最高斑塊類型破碎化程度和景觀空間異質(zhì)性的附屬綠地為系統(tǒng)的多樣性提高奠定了基礎,也正好為城市邊緣區(qū)的其他綠地破碎化程度和空間異質(zhì)性的升高提供了原因。③系統(tǒng)生態(tài)過程。總體上看,城市公園綠地和附屬綠地2類要素始終承擔有重要的城市生態(tài)過程功能,但除其他綠地以外的其他4類要素的斑塊形狀指數(shù)均有所下降,尤其是公園綠地的生態(tài)過程的作用明顯減弱。

景觀格局的多樣性與均勻度:呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)的多樣性主要選取景觀多樣性指數(shù)(SHDI)和景觀均勻度指數(shù)(SHEI)進行分析。分析表明,近五年系統(tǒng)總體層面的SHDI和SHE分別增加了0.1和0.14,系統(tǒng)景觀格局的功能效應不受單一景觀要素支配或決定,景觀更加多樣與均衡,但呼市城市建設導致系統(tǒng)內(nèi)部的多樣性在空間上發(fā)生了巨大變化(表5)。這些變化主要表現(xiàn)在:①方位層面。系統(tǒng)的多樣性較高區(qū)域由建成區(qū)的西南部移向東部及東北部。2013年,多樣性高于當年建成區(qū)系統(tǒng)景觀多樣性指數(shù)的有第二、五、六3個象限,景觀均勻性相對較高的主要集中在方位五和方位六；2017年,多樣性高于當年建成區(qū)系統(tǒng)景觀多樣性指數(shù)的有第一、二、三、七象限,景觀均勻性相較高的主要分布在第一、二、三、八方位。②圈層層面。系統(tǒng)多樣性較高區(qū)域由外圈層向內(nèi)偏移。2013年,在第五、六、八圈層具有較好的景觀多樣性和均勻度；2017年,第四、九、五圈層具有最高的景觀多樣性,其中景觀多樣性和均勻度較高區(qū)域主要分布在第四圈層(圖5)。

表5 2013—2017呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)的多樣性

圖5 呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)的多樣性與均勻度

4 綠色開放空間系統(tǒng)的功能效應

4.1 指標體系與評估方法

綠色開放空間系統(tǒng)是決定生態(tài)城市建設水平的最根本要素,在城市系統(tǒng)中具有特定的生態(tài)功能效應。本研究根據(jù)綠色開放空間系統(tǒng)的特點,在系統(tǒng)特征分析的基礎上選取景觀多樣性指數(shù)、景觀均勻度、建成區(qū)綠化覆蓋率、景觀破碎化程度等指數(shù)構建了綠地系統(tǒng)服務功能格局測度模型來評估呼市綠色開放空間系統(tǒng)的功能效應，具體見表6。

本文將數(shù)據(jù)標準化后采用具有多維測度的雷達圖表模型來反映綠色開放空間系統(tǒng)單一指標和綜合指標的功能效應高低[1,9]。

表6 呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)的生態(tài)服務功能效應評價指標體系

4.2 系統(tǒng)功能效應的評價

通過以上指標體系和研究方法的應用發(fā)現(xiàn)，2013年和2017年呼市建城區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)的功能效應分別為0.73和0.65,降幅0.08，功能效應的降低反映出呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)建設在保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境、維系生態(tài)系統(tǒng)平衡和保持生物多樣性等諸多方面并未發(fā)揮出應有的促進、支撐和保障作用。從單一指標功能效應上看,雖然呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)的要素總體面積比例較穩(wěn)定,但系統(tǒng)的景觀多樣性和均勻性提升較大,增幅效應分別達0.07和0.06,促進了系統(tǒng)要素的景觀破碎化程度降低和空間異質(zhì)性減弱。此外,系統(tǒng)的要素斑塊形狀指數(shù)下降了0.11,綠色開放空間系統(tǒng)的生物動態(tài)過程大大降低,這是導致呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)功能效應降低的關鍵因素(表7)。

表7 呼市綠色開放空間系統(tǒng)生態(tài)服務功能效應評價指標的標準化指數(shù)

4.3 功能效應的提升策略

針對以上分析結果,本文從景觀生態(tài)學的視角出發(fā)提出了三點策略:①均衡布置建成區(qū)內(nèi)部的各類系統(tǒng)景觀要素。結合綠色開放空間系統(tǒng)的要素結構調(diào)整,用降低景觀斑塊密度和斑塊形狀指數(shù)的方式來削弱各類景觀要素的破碎化程度和空間異質(zhì)性,從而增強系統(tǒng)內(nèi)部的生態(tài)過程。②優(yōu)化綠色開放空間的要素結構和生態(tài)功能。采用“斑塊—廊道—基質(zhì)”模式,合理分配點、線、面景觀要素的空間分布。在建成區(qū)均衡布局點狀景觀要素,通過線性廊道的構建為動物的遷徙提供活動通道,重點培育城市公園、水體、建成區(qū)內(nèi)外部等具有基質(zhì)特征的面狀景觀要素,為建成區(qū)的城市生態(tài)發(fā)展提供基底。③提升綠色開放空間系統(tǒng)的景觀多樣性和均勻性。均衡布局建成區(qū)的多樣性空間,以提升綠色開放空間系統(tǒng)內(nèi)部的生態(tài)過程為目的,提高建成區(qū)的綠色開放空間系統(tǒng)功能效應。

5 結語

通過以上分析研究,總結如下:①呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)的功能效應有所降低。近五年呼市建成區(qū)建設使綠色開放空間系統(tǒng)的景觀破碎化程度和景觀異質(zhì)性有所減弱,整體人居的適宜性有所增強,但綠色開放空間系統(tǒng)內(nèi)部的生態(tài)過程減弱,導致城市建設在保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境、維系生態(tài)系統(tǒng)平衡和保持生物多樣性等諸多方面并未發(fā)揮出應有的促進、支撐和保障作用。②呼市綠色開放空間系統(tǒng)要素的總體面積呈穩(wěn)步增長趨勢,但系統(tǒng)內(nèi)部的要素結構變化較大。受城市建設和對城市宜居生態(tài)環(huán)境追求的影響,城市建設要更加注重防護綠地對城市水系的生態(tài)防護和附屬綠地對宜居生活環(huán)境質(zhì)量的提升,綠色開放空間系統(tǒng)的要素在空間整體上外移,建成區(qū)南部比其他方位擁有更加宜居的城市綠色開放空間；呼市東北部城市建設緩慢或停滯,城市水體空間分布更均勻。③雖然呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)的景觀多樣性和均勻性有所提升,內(nèi)部要素的破碎化和異質(zhì)性減弱,但整個建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)內(nèi)部的生態(tài)過程大幅減弱,多樣性空間分布偏移明顯,這是呼市建成區(qū)綠色開放空間系統(tǒng)功能效應降低的關鍵因素。鑒于此,本研究針對呼市綠色開放空間系統(tǒng)的功能效應提出了提升策略。

(注:所有圖件均為作者自繪。其中,圖3—5和表1中的圖像是作者根據(jù)地理空間數(shù)據(jù)云中的Landsats 8遙感數(shù)據(jù)計算與分析而得。)