基于MSPA的城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施空間格局對PM2.5的影響

陳 明

戴 菲*

中國快速的城市化和工業(yè)化造成嚴(yán)重的大氣污染，大氣顆粒物成為許多城市的首要污染物[1-2]，尤其是細(xì)顆粒物(PM2.5)對人的健康具有更大威脅，如何解決當(dāng)前的嚴(yán)峻問題成為迫切需求。不同學(xué)科領(lǐng)域的專家學(xué)者從眾多角度對PM2.5開展了研究，關(guān)注其來源、時空分布特征、氣象因素的影響，以及城市綠地、濕地、園林植物滯納PM2.5的能力，土地利用對PM2.5的影響等內(nèi)容[3-7]。近年來，學(xué)者對城市景觀類型、結(jié)構(gòu)、格局及其對PM2.5影響的關(guān)注度不斷提升[8-9]。其中，城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施(Urban Green Infrastructure，UGI)能一定程度消減PM2.5，其規(guī)模與形態(tài)也影響著PM2.5的消減作用[10]。然而，由于城市的蔓延擴(kuò)張，UGI面臨嚴(yán)重的萎縮、破碎化和連接度低等問題，嚴(yán)重影響其對PM2.5的消減作用。

目前，UGI空間格局對PM2.5的影響主要基于Fragstats軟件計(jì)算的景觀格局指數(shù)，選取綠地規(guī)模、形狀、聚散性等類型水平上的指標(biāo)衡量綠地空間形態(tài)，與PM2.5濃度進(jìn)行相關(guān)或回歸分析[11-14]。然而，景觀格局指數(shù)僅能反映研究區(qū)域內(nèi)UGI空間格局的量化指標(biāo)，不能落實(shí)到具體的空間定位上，因此難以提出UGI應(yīng)用于規(guī)劃布局的空間策略。近年來，形態(tài)學(xué)空間格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA)被運(yùn)用于UGI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建[15]。它是基于腐蝕、膨脹、開閉運(yùn)算等數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理對柵格圖像的空間格局進(jìn)行度量、識別和分割的一種圖像處理方法，將UGI分成互不重疊的7種形態(tài)的空間要素，并適用于不同空間尺度的分析[16-17]。連通性是度量UGI空間網(wǎng)絡(luò)的重要指標(biāo)，連通性較好的UGI能發(fā)揮更好的生態(tài)效益[18]。結(jié)合MSPA與連通性分析UGI現(xiàn)狀特征并提出優(yōu)化策略，是當(dāng)前許多學(xué)者的關(guān)注點(diǎn)[15，19-20]。有研究初步證實(shí)了增加MSPA中的邊緣、分支與橋梁這3類要素有利于改善城市熱島效應(yīng)，在夏季降低城市溫度[21]。然而當(dāng)前研究僅從單方面探討了不同尺度的UGI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，以及對城市熱島效應(yīng)的影響，鮮有研究從MSPA及連通性角度分析UGI空間格局對大氣顆粒物的影響。基于MSPA分析識別的7類要素可直觀呈現(xiàn)其空間分布特征，并具有相應(yīng)的實(shí)際物質(zhì)空間含義，對改善大氣顆粒物的UGI空間優(yōu)化設(shè)計(jì)能起到直接的指導(dǎo)作用。

武漢是我國華中地區(qū)的大城市之一，其嚴(yán)重的大氣顆粒物污染、高密度的城市形態(tài)、UGI空間形態(tài)格局代表我國大城市的典型特征。本文基于武漢建成區(qū)內(nèi)16個環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)的PM2.5濃度數(shù)據(jù)及其1 000m×1 000m網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的UGI，以MSPA分析UGI的不同形態(tài)特征，通過UGI連通性分析不同形態(tài)特征要素的空間關(guān)系，在此基礎(chǔ)上探索街區(qū)尺度UGI空間格局對PM2.5的影響，并提出改善大氣顆粒物的UGI優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，以期將研究成果落實(shí)到具有較高實(shí)操性的城市街區(qū)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

武漢地處長江中游、江漢平原中部，為亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)。由于城市的快速發(fā)展與擴(kuò)張，空氣質(zhì)量較差，污染物主要來源于PM2.5、PM10等大氣顆粒物，在建成區(qū)中形成若干“濁島”[22]。2017年建成區(qū)總面積約864km2，綠化覆蓋率39.55%，綠地率34.47%。其中大型綠地斑塊主要分布在東湖風(fēng)景區(qū)，其余山體、公園綠地則呈點(diǎn)狀分散在建成區(qū)中。武漢雖然擁有眾多山水河湖，但經(jīng)過長期的建設(shè)與發(fā)展，綠地不斷被割裂或侵占，破碎化現(xiàn)象十分嚴(yán)重，構(gòu)建系統(tǒng)完善的UGI格局體系至關(guān)重要。

圖1 武漢市建成區(qū)現(xiàn)狀與環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)分布

在武漢建成區(qū)內(nèi)相對均勻地分布著9個國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)與7個城市環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測站點(diǎn)，間距約為3～5km。鑒于我國街區(qū)的劃分是以2條主干道間距約800～1 200m圍合成的空間單元，以各站點(diǎn)為中心形成的1 000m×1 000m方形網(wǎng)格為研究單元，也代表武漢建成區(qū)內(nèi)的普遍街區(qū)(圖1)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 PM2.5濃度計(jì)算

PM2.5數(shù)據(jù)來源于16個站點(diǎn)，通過武漢市環(huán)境保護(hù)局獲取，為PM2.5濃度的日均值。考慮到植被的生長周期、天氣情況等影響因素，研究選取2016年6—8月植被處于全葉期，且無缺失值，前后2～3d均為晴朗無風(fēng)或微風(fēng)的PM2.5濃度數(shù)據(jù)，共獲得有效數(shù)據(jù)608組。為了進(jìn)一步分析不同污染程度下UGI空間格局對PM2.5的影響，將PM2.5日均濃度按照污染程度分為優(yōu)(<35μg/m3)、良(35～75μg/m3)與輕度污染(75～115μg/m3)。最后將這些數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值用于分析，以減少單日數(shù)據(jù)的偶然誤差。

1.2.2 MSPA分析

UGI具有多尺度空間特征，構(gòu)成要素包括國家自然生命支持系統(tǒng)(森林等)、基礎(chǔ)設(shè)施化的城鄉(xiāng)綠色空間(綠地與公園系統(tǒng)等)和綠色化的市政工程基礎(chǔ)設(shè)施(植草溝等)[23]。本研究關(guān)注的是街區(qū)尺度，UGI包括街區(qū)中的林地、草地、行道樹、公園綠地和屋頂綠化等所有綠色植被覆蓋的空間。首先，借助ENVI軟件，以地形圖為參照，將2016年7月武漢建成區(qū)范圍的Google Earth遙感影像圖進(jìn)行幾何校正，其空間分辨率為0.26m。其次，在ArcGIS中，通過各站點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)定位，建立各研究單元的邊界范圍，并通過人工目視解譯，提取研究單元內(nèi)的UGI要素。將UGI作為前景，其他要素作為背景，輸出為0.2m分辨率的TIFF格式的二值柵格數(shù)據(jù)，有利于得出研究對象更為詳細(xì)的空間形態(tài)格局信息。最后，基于Guidos Toolbox軟件，采用八鄰域分析法，設(shè)置邊緣寬度為20，對應(yīng)實(shí)際距離約為4m，進(jìn)行MSPA分析，得到核心、孤島、孔隙、邊緣、環(huán)、橋梁和分支7種形態(tài)要素[18]。在城市街區(qū)中，核心是較大規(guī)模的綠地，包括公園綠地、社區(qū)公園等；孤島是面積較小、相互孤立的綠斑，如口袋公園、散置行道樹等；孔隙是受到人為因素干擾而產(chǎn)生的核心內(nèi)部與非UGI的交界地帶；邊緣則是核心和外界非UGI區(qū)的交界地帶，如社區(qū)公園的外圍林帶；環(huán)、橋梁和分支是3種線性空間，分別對應(yīng)著連接同一核心，連接相鄰核心，一端連接邊緣、孔隙、環(huán)線和橋梁的道路綠化帶、景觀帶等。

1.2.3 UGI連通性分析

Conefor軟件被運(yùn)用于生態(tài)學(xué)領(lǐng)域[24]，可定量分析斑塊、廊道對于維持或提高景觀連通性的重要性。通過識別生態(tài)連通性的關(guān)鍵點(diǎn)，確定其優(yōu)先次序，是指導(dǎo)實(shí)際規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要實(shí)用工具。在UGI連通性評價方面，整體連通性連接指數(shù)EC(IIC)與可能連通性連接指數(shù)EC(PC)是國內(nèi)外常用的評價指標(biāo)[25]。首先通過ArcGIS篩選出對維持UGI網(wǎng)絡(luò)連通性作用較強(qiáng)的核心，結(jié)合16個街區(qū)尺度研究單元的UGI規(guī)模，選取面積大于1 000m2的核心。其次基于Conefor 2.6軟件，設(shè)置500m擴(kuò)散距離與0.5的連通概率[26]，計(jì)算EC(IIC)與EC(PC)用于衡量各研究單元UGI的整體連通性，其值越大，說明UGI連通性越好。

圖2 各研究單元PM2.5濃度差異性

圖3 基于MSPA要素的研究單元聚類分析

2 結(jié)果與分析

2.1 武漢建成區(qū)16個研究單元PM2.5分布特征

在城市整體大氣顆粒物污染的背景下，PM2.5濃度在不同研究單元中差異性較大，其分布規(guī)律在不同污染程度下呈現(xiàn)相同的趨勢(圖2)。其中PM2.5濃度最高值出現(xiàn)在江漢南片區(qū)，最低值出現(xiàn)在漢口江灘。整體上，PM2.5濃度在16個研究單元中有47.4～61.2μg/m3的浮動變化，污染程度由優(yōu)到輕度污染的PM2.5濃度變化范圍分別為30～42、47.1～59.9和69.5～89μg/m3。

2.2 16個研究單元MSPA要素及對PM2.5的影響

MSPA各要素在不同研究單元的構(gòu)成差異性較大，通過系統(tǒng)聚類分析，將16個研究單元按照MSPA要素特征可分成2類(圖3)：1)核心主導(dǎo)型，核心是主要的構(gòu)成要素，包括吳家山、江夏區(qū)站等7個研究單元，大規(guī)模的綠地提高了核心的優(yōu)勢度，其核心分別占UGI面積50%以上，且遠(yuǎn)大于其他要素；2)邊緣主導(dǎo)型，邊緣是主要構(gòu)成要素，包括江漢南片區(qū)、蔡甸區(qū)站等9個研究單元，大量零散分布的中小型綠色核心增加了邊緣的面積，基本占UGI面積40%以上，其次為核心。孔隙、環(huán)與橋梁是16個研究單元均占比極低的3類要素。就各要素的UGI占比與數(shù)量而言，核心的UGI占比與數(shù)量呈反比關(guān)系，其占比越高，數(shù)量越少，說明核心主要呈現(xiàn)“量少、面大”的空間布局模式。其余要素的UGI占比與數(shù)量呈“同增同減”的變化趨勢。

由表1可知，在PM2.5濃度相對較高、污染較重時，研究單元的UGI比例、MSPA要素與PM2.5濃度相關(guān)越顯著，整體表現(xiàn)為PM2.5濃度與UGI所占比例、核心比例、孔隙比例與數(shù)量、環(huán)的數(shù)量在0.05水平上呈顯著負(fù)相關(guān)，與孤島、分支比例分別在0.05、0.01水平上顯著正相關(guān)，但與邊緣、橋梁均無明顯相關(guān)關(guān)系。不同污染程度下，PM2.5污染為優(yōu)時僅與分支比例在0.05水平上顯著正相關(guān)，為良時其相關(guān)規(guī)律與整體類似。在輕度污染時，PM2.5濃度與孤島比例的相關(guān)性減弱，與邊緣比例在0.05水平上呈顯著正相關(guān)。此外，PM2.5濃度與各要素的比例相關(guān)性基本上強(qiáng)于其數(shù)量，說明要素規(guī)模是主要的影響因素。

2.3 16個研究單元UGI連通性及對PM2.5的影響

研究單元的EC(IIC)、EC(PC)差異性較大，且EC(PC)均大于EC(IIC)，其分布規(guī)律與MSPA要素相似。核心主導(dǎo)型研究單元以大片集中的UGI布局模式增加了空間連通性，其EC(IIC)、EC(PC)基本均高于邊緣主導(dǎo)型。研究單元中對UGI連通性起重要作用的核心一般面積較大，且位于所有斑塊的核心位置，因此能有效維持整個UGI系統(tǒng)。

由表2可知，不同污染程度(優(yōu)除外)的PM2.5濃度與EC(IIC)、EC(PC)在0.05水平上呈顯著負(fù)相關(guān)，與EC(PC)的相關(guān)性強(qiáng)于EC(IIC)，說明UGI連接程度越高，PM2.5濃度越低。

實(shí)際上，MSPA各要素與UGI連通性也有著密切聯(lián)系。核心區(qū)是較大的生態(tài)斑塊，在UGI連接度中發(fā)揮著生態(tài)源的作用，其面積的減小及破碎化往往導(dǎo)致連通性的下降。孤島則是孤立的小斑塊，難以與其他要素產(chǎn)生物質(zhì)交換與能量流動，其數(shù)量或面積的增加會導(dǎo)致連通性的下降。環(huán)、橋梁與分支在UGI的連接度中起著廊道的作用，因此其數(shù)量的增加有利于加強(qiáng)連通性。例如增加環(huán)的數(shù)量，有利于加強(qiáng)核心區(qū)自身的連通性，對PM2.5產(chǎn)生積極的消減作用。但由于研究單元的UGI基本呈分散式布局，量大面廣的破碎化分布反而不利于改善PM2.5，尤其是僅一端連接核心區(qū)的分支，呈明顯相反規(guī)律。

表1 MSPA各要素的比例、數(shù)量及UGI的研究單元占比與PM2.5濃度的相關(guān)性

3 討論

3.1 基于MSPA的UGI空間格局對PM2.5的影響

整體而言，研究單元中UGI所占比例越高，其PM2.5濃度就越低。而基于Fragstats軟件計(jì)算的PLAND指標(biāo)，也說明綠地所占比例越高，越有利于降低PM2.5濃度[11，13]。在UGI與PM2.5濃度具有顯著相關(guān)的基礎(chǔ)上，MSPA的6種要素的規(guī)模與數(shù)量對PM2.5濃度有著較大影響，體現(xiàn)了UGI不同空間形態(tài)對改善PM2.5的潛力。其中，核心比例與PM2.5濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，它是街區(qū)中規(guī)模較大的綠地斑塊，增加核心面積使綠地斑塊優(yōu)勢度提高，有利于加強(qiáng)它與中小型綠地斑塊的連接性，從而增加環(huán)境抵抗力[14]。孤島比例與PM2.5濃度呈顯著正相關(guān)，這是由于面積較小的孤島不僅削弱了PM2.5的消減作用，同時高占比的孤島反映了小型綠地斑塊的高破碎化程度，因此不利于PM2.5的緩解[27]。增加孔隙比例、數(shù)量均有利于降低PM2.5濃度，由于研究單元中此要素所占比例極低，因此大型綠地斑塊即使受到輕微的人工干預(yù)，也不影響它的顆粒物降解功能，而由此形成的復(fù)雜綠地斑塊形態(tài)有利于提高其抗干擾力。分支是一端連接核心區(qū)的線性空間，與斑塊的數(shù)量密切相關(guān)，而研究單元中核心數(shù)量與其比例成反比，核心比例越小的研究單元往往擁有越多的斑塊數(shù)量，導(dǎo)致破碎化程度與PM2.5濃度越高，或許是本研究得到分支與PM2.5濃度呈顯著正相關(guān)的原因。邊緣是核心的外圍環(huán)狀空間，它在一定程度上也反映了斑塊的破碎化程度，同等規(guī)模的核心，邊緣比例越大，說明它被分割的數(shù)量越多，因此邊緣比例與PM2.5濃度呈正相關(guān)，在輕度污染時相關(guān)性顯著。橋梁與PM2.5濃度則無明顯相關(guān)性，這主要是由于大多數(shù)研究單元UGI斑塊分布較零散，橋梁主要連接著距離較近的小型核心，面積較大的核心往往仍處于孤立狀態(tài)。與顧康康等的研究發(fā)現(xiàn)相似，UGI景觀連通性與空氣凈化效應(yīng)權(quán)衡關(guān)系較顯著[28]，因此以大型核心為中心串聯(lián)周圍分散的孤島，將有利于改善大氣環(huán)境。

3.2 UGI連通性對PM2.5的影響

EC(IIC)、EC(PC)的值越大，說明在一定范圍內(nèi)斑塊面積越大，在一定程度上反映斑塊之間的臨近距離也越小。景觀格局指數(shù)中，平均臨近距離(ENN_MN)、聚合度(AI)、景觀分割指數(shù)(DIVISION)等指標(biāo)均能反映斑塊之間的空間關(guān)系，研究認(rèn)為減小斑塊之間的平均臨近距離、集中式的分布有利于降低大氣顆粒物濃度[14]。本研究基于對連通性指數(shù)分析認(rèn)為，在街區(qū)尺度，受限于場地空間的規(guī)模，較小的UGI斑塊以集中分布模式為宜。

3.3 基于MSPA要素與連通性的UGI空間格局優(yōu)化設(shè)計(jì)

UGI構(gòu)成要素包括網(wǎng)絡(luò)中心、廊道和小型場所，強(qiáng)調(diào)空間的連接性，具有多尺度特征。而基于MSPA分析生成的要素根據(jù)形態(tài)特征的差異性可以將其與UGI要素建立聯(lián)系，從而在優(yōu)化布局上落實(shí)到具體的空間定位。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析結(jié)果，街區(qū)尺度基于MSPA的UGI空間格局、連通性與PM2.5濃度有著密切聯(lián)系。街區(qū)尺度的UGI空間格局優(yōu)化具有較高的實(shí)操性，在城市尺度整體布局的基礎(chǔ)上，通過UGI細(xì)部構(gòu)建形成街區(qū)微綠網(wǎng)，可有效整合零散的綠色斑塊，提高UGI空氣凈化與其他生態(tài)效益。理論上，可以增加街區(qū)的UGI覆蓋面積來緩解PM2.5污染，但在城市街區(qū)高密度建設(shè)的背景下，綠地破碎化程度普遍較高，連接度較弱，呈零散狀分布，且難以再實(shí)施大規(guī)模的綠化。因此，通過UGI空間格局的優(yōu)化更有意義且至關(guān)重要，其核心要點(diǎn)包括：1)通過要素之間的轉(zhuǎn)化，增加UGI中的核心面積并減少孤島面積，降低斑塊的破碎化程度；2)在核心存在孔隙時，通過環(huán)線加強(qiáng)內(nèi)部的連通性；3)優(yōu)化核心形態(tài)，增加寬度以減少細(xì)碎的分支面積；4)集中式的布局以提高UGI的整體連通性，構(gòu)建以重要斑塊為核心、線性廊道串聯(lián)的多層級綠色開放空間網(wǎng)絡(luò)。

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)中心與小型場所

網(wǎng)絡(luò)中心是UGI中生態(tài)價值較高的區(qū)域，當(dāng)達(dá)到一定規(guī)模后才能更好地發(fā)揮生態(tài)效益，其規(guī)模取決于研究對象的尺度。在街區(qū)尺度，網(wǎng)絡(luò)中心由核心構(gòu)成，包括公園綠地、社區(qū)公園等較大規(guī)模綠地。為了盡可能地提高UGI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與PM2.5的消減效果，需考慮核心的規(guī)模、對維持網(wǎng)絡(luò)連通性的重要程度等因素，篩選重要的核心為網(wǎng)絡(luò)中心，以保證微綠網(wǎng)較高的連通性與穩(wěn)定性。其余較大面積核心可作為小型場所，包括口袋公園、道路廣場等。其次，結(jié)合場地現(xiàn)狀環(huán)境特征，選取具備可發(fā)展成綠色空間用地，或?qū)⒚娣e較小的核心、孤島通過可利用空間的綠化種植，使其轉(zhuǎn)化為面積較大的核心，作為潛在的網(wǎng)絡(luò)中心。在網(wǎng)絡(luò)中心的形態(tài)上，可適度增加其內(nèi)部空間的孔隙，營造形狀復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。

3.3.2 廊道

廊道是連接網(wǎng)絡(luò)中心、小型場所的線性空間，對加強(qiáng)UGI網(wǎng)絡(luò)的連通性、促進(jìn)生態(tài)流動性具有重要作用。在MSPA要素中，橋梁、環(huán)與分支均是廊道的主要構(gòu)成因素，而線性的孤島也具有發(fā)展成廊道的潛力。通過增加這些線性要素的數(shù)量，串聯(lián)孤島轉(zhuǎn)化成廊道并減少孤島數(shù)量，均有利于降低PM2.5濃度。在大規(guī)模綠地內(nèi)的孔隙空間，也需通過道路綠帶等線性廊道加強(qiáng)內(nèi)部聯(lián)系。然而，為發(fā)揮廊道的連通功能，需避免過多類似分支的單邊聯(lián)系的廊道。在高密度城市街區(qū)中，主要依托道路構(gòu)建廊道，可根據(jù)道路現(xiàn)狀綠化情況、綠化用地資源、立體綠化潛力等方面對各個道路進(jìn)行評價，選擇適宜道路構(gòu)建廊道[29]。還可依托水系的濱水綠帶建設(shè)，并連接街區(qū)中的大小綠斑，提高UGI的連通性。

表2 UGI連通性指數(shù)與PM2.5濃度的相關(guān)性

4 結(jié)語

本文以武漢建成區(qū)16個1 000m×1 000m研究單元為例，基于MSPA分析將UGI分解成7種要素，并以EC(IIC)、EC(PC)衡量UGI整體連通性，通過相關(guān)分析判別MSPA要素、UGI連通性與PM2.5濃度的關(guān)聯(lián)性，從而提出UGI空間格局優(yōu)化策略。

研究結(jié)論如下。1)16個研究單元的MSPA要素存在較大差異，可分為以核心與邊緣為主導(dǎo)要素的2種形態(tài)，其相應(yīng)的UGI整體連通性前者高于后者。2)在PM2.5濃度相對較高時，研究單元的UGI比例、MSPA要素與PM2.5濃度相關(guān)越顯著。整體而言，PM2.5濃度與UGI所占比例、核心比例、孔隙比例和數(shù)量、環(huán)的數(shù)量顯著負(fù)相關(guān)，與孤島、分支比例顯著正相關(guān)，但與橋梁無明顯相關(guān)關(guān)系。在輕度污染時，PM2.5濃度與孤島比例的相關(guān)性減弱，與邊緣比例顯著正相關(guān)。3)EC(IIC)與EC(PC)均與PM2.5濃度顯著負(fù)相關(guān)。

注：文中圖片均由陳明繪制。