基于文獻計量的城市空間結構與生態環境關聯性研究

羅 珂,田立濤,何 豫,王少劍,*

1 廣州市城市規劃勘測設計研究院,廣州 510060 2 中山大學地理科學與規劃學院,廣州 510006

在全球化時代下,城市在世界社會經濟發展中占據主導地位,城市化已經成為一種不可逆的發展趨勢。截至2018年,世界上55%的人口居住在城市中,預計到2050年,全球城市化率有望達68%[1]。快速的城市化進程產生了一系列的生態環境問題,不僅對城市生態系統造成直接或間接的影響,還嚴重威脅了人類的生存和發展。城市通過擴張和更新的方式改變其現狀肌理,促使城市空間結構及形態發生演變,進而影響城市邊界內外的物理、生態和社會經濟過程[2—4];加劇與原有生態系統的相互作用和博弈,影響城市生態環境的良性平衡,最終影響城市以及區域的高質量發展[5—7]。所以,有必要厘清城市空間結構與生態環境的關聯機理,以便更好地掌握和服務城市生態系統。

城市空間結構對城市的集聚與擴散過程起到基礎性作用,主要包括城市形態和城市各系統相互作用兩方面,其中城市形態是指城市各個要素(包括物質場所、自然環境、人類群體和社會經濟活動等)的空間分布模式;城市相互作用是把城市中人類與自然、經濟、社會和文化等因素相互作用的結果整合成為一個個功能各異的子系統[8—10]。城市空間結構通過一定的組織原則,把城市形態和各個子系統相連接,整合成為一個較為完整的城市系統。因此,城市空間結構與生態環境系統之間產生相互影響、作用和博弈,對城市的建設發展、居民健康、生態環境質量和生物多樣性等方面具有重要影響,逐漸成為近年來學者們探討的熱點問題。

國內外不同領域學者對城市空間結構與生態環境的關聯性進行探討研究,學者們基于不同的學科知識背景,對城市空間結構與生態環境的不同要素進行定性與定量分析,使得研究成果呈現出多元化、分散化和廣泛化的特點。目前關于兩者關聯性研究的綜述性文章較少,多數學者認為城市空間結構對城市運行及各要素有一定鎖定效應,對提高城市土地利用率、緊湊度、人口密度、能耗效率和景觀布局等方面有重要作用[11—14]。也有學者進行城市空間結構對生態環境某一要素的關聯性總結[15—20],忽視了生態環境問題的“全貌”和演化機理。對于城市研究者而言,如何改善城市環境、實現城市可持續發展是亟待解決的科學問題。基于此,本文采用文獻計量方法,嘗試梳理英文文獻中城市空間結構與生態環境關聯性研究的發展脈絡和核心內容,總結現有研究在發文總量、來源期刊、研究核心熱點等方面的特征,揭示該領域現有研究存在的問題和不足,并對未來研究熱點進行展望。

1 對象與方法

1.1 數據搜集與處理

本文所用數據源于Web of Science核心合集,采用構建檢索式方法對科學引文索性擴展版(SCI-EXPANDED)和社會科學引文索引(SSCI)兩大引文索引數據庫進行統計分析,時間跨度為1999—2020年。檢索主題為#1城市空間結構:檢索式(TS)=urban spatial structure、urban structure、urban space、urban form等;#2生態環境:TS=environment、ecological environment、environmental effect、ecological effect等及關鍵組成要素,例如CO2、carbon sink、carbon reserve、urban heat island、biodiversity、biomass、air pollution、water pollution、soil pollution、noise pollution等;#3:對研究話題進一步組合識別,通過將城市空間結構關鍵詞與多種生態環境關鍵詞進行組合,得到#1 (8639篇)和#2 (3313674篇)共2588篇文獻,以選出探討城市空間結構與生態環境相互作用文章的摘要、關鍵詞等關鍵信息。將檢索結果導出“全紀錄與引用的參考文獻”,以TXT格式下載,使用Citespace的去重工具得到2580篇城市空間結構與生態環境關聯性的有效文獻。

1.2 分析工具與方法

面對海量的文獻數據,憑借信息可視化工具將數據通過圖譜的形式直觀呈現出來,從而實現數據的多元、歷時性動態可視化分析[21]。目前較為主流的可視化軟件VOSviewer[22]、Citespace[23]、HistCite等[24],多應用于情報學、管理學等領域。為了確保數據的準確、真實和全面,以可視化圖譜形式來揭示知識間聯結和演進規律,識別該領域發展進程中的熱點前沿,本文選擇由萊頓大學科學技術研究中心(CWTS)多次檢驗的免費軟件VOSviewer(VOS)為主[25],借助它對英文文獻的強大分析功能,對文獻核心關鍵詞進行分析;使用Citespace軟件對文獻做聚類魚眼趨勢圖分析,找到當前研究的前沿熱點領域。由于不同學科關注點有所不同,加上本文的研究數據具有一定局限性,因此在文獻計量分析基礎上,通過對高被引和前沿熱點文獻深入閱讀,來實現對城市空間結構與生態環境關聯性的主要研究內容和熱點研究趨勢進行梳理總結。

2 結果與分析

2.1 文獻時間序列分析

對城市空間結構與生態環境關聯性研究的文獻總量進行統計分析(圖1),根據各年度論文發表情況,將研究進程劃分為緩慢增加-平穩上升-波動驟增3個階段。其中1999—2009年期間發文量為329篇,僅占發文總量的12.75%,呈現出波動式的緩慢增加態勢,表明已有學者把城市空間結構作為影響生態環境的一種因素進行研究;2010—2015年期間發文量為750篇,約占發文總量的29.07%,呈現出穩步提升趨勢,表明研究者逐步重視城市空間結構與生態環境存在何種關聯;2016—2020年期間發文量為1501篇,約占發文總量的58.18%,波動驟增趨勢明顯,表明近年來不同學科領域學者從不同視角的關注點切入,探討包括碳排放、空氣污染和土壤污染等日益嚴峻的生態環境問題,以及其關聯性的影響因素和發展趨勢。

圖1 每年發表總論文數(1999—2020年)Fig.1 Annual number of articles from 1999 to 2020

2.2 來源期刊與學科特征分析

通過對文獻出版的主要來源期刊和Web of Science的學科領域類別進行梳理,能夠清晰地厘清該研究領域的學科分類。根據前十來源出版物(圖2),表明文獻期刊發表相對較為分散,其中刊文量最多的期刊是Sustainability;其次為ScienceoftheTotalEnvironment、LandscapeAndUrbanPlanning、JournalofCleanerProduction和EcologicalIndicators等。在此基礎上,對Web of Science進行類別梳理分析,得到學科分類占比表(表1),城市空間結構與生態環境關聯性的研究主要集中在環境科學(64.34%)、城市規劃學(18.26%)、生態學(15.62%)、地理學(15.43%)、氣象學和大氣科學(11.74%)等學科領域(由于一篇文獻可能屬于多個類別,所以占比超過100%),表明兩者關聯性研究已經成為多學科共同關注的熱點方向之一。

表1 Web of Science學科分類占比表Table 1 The table of subject classification (on the basis of Web of Science)

圖2 前十來源出版物的發文量Fig.2 Number of articles published in the top 10 source publications

2.3 關鍵詞特征分析

關鍵詞和文獻研究主題都是反映本領域研究的核心內容和熱點前沿,也是對文獻內容的高度概括。首先,本文采用VOSviewer軟件對數據中“作者關鍵詞”進行預處理(合并和刪減無意義關鍵詞),設置出現頻次閾值為5,共生成288個關鍵詞,并繪制關鍵詞聚類圖譜(圖3)。如圖3所示,作者關鍵詞聚類共分為11種顏色聚類,由于本文以城市空間結構與生態環境的關聯性研究為主,因此提取這兩者相關聯的聚類,主要包括“urban form”與藍色聚類(CO2排放等)、紅色聚類(生物多樣性、水環境等)、褐色聚類(土壤環境等)、黃色聚類(空氣污染等)和綠色聚類(城市熱島效應等)五大聚類、六大類核心內容,通過與城市形態的連線越多并且較粗,一定程度上說明了兩者之間的關聯性也較為密切。

圖3 關鍵詞聚類圖譜Fig.3 Keyword clustering map

另外,使用Citespace對文獻進行聚類分析,時間設為1999—2020年,時間切片設為2年,以潛在語義索引(LSI)方法進行關鍵詞聚類,模板值為0.5201,認為聚類結果較為合理,聚類結構顯著;聚類平均輪廓值為0.7969,反映聚類結果是高效率,值得信服;其中#0—#8依次分別為城市生態、物理活動、重金屬、二氧化碳排放、氣候變化、城市熱島效應、空氣污染、地表溫度和排放,最終以魚眼趨勢圖的方式呈現(圖4)。

圖4 文獻聚類魚眼趨勢圖Fig.4 The fish-eye trend chart of literature clustering

綜上所述,VOSviewer和Citespace的聚類顯示:近二十年來的研究熱點主題為城市空間結構與CO2排放、空氣污染、城市熱島效應等生態環境問題之間的關聯,多數采用案例研究和實證分析的方式。由于全球氣候變暖和空氣質量問題,造成城市各要素系統受到不同程度的損害,嚴重影響人類健康和生物棲息,給城市發展帶來諸多挑戰,并產生一系列“生態病”。兩者關聯性的研究逐漸呈現出多元化、分散化和廣泛化特點,并結合城市空間結構與其相關聯的主要生態環境問題進行論述。

3 主要研究內容分析

3.1 城市空間結構與能源消耗和CO2排放的關聯性

根據關鍵詞聚類連線顯示,與城市形態連線最粗且最為密切的是CO2排放,即溫室氣體排放。通過深入閱讀城市空間結構與CO2排放關聯性的研究文獻后,本文認為大致可以分為四類文獻:①使用新技術、新方法對城市的空間形態及其變化進行量化,分析其對CO2排放的影響,并提出“碳減排”的解決方法[26—30];②基于交通能耗的角度,探討城市與交通出行有關的空間形態要素對CO2排放的影響[31-36];③對個人、家庭和住宅的能源消耗、城市空間結構與CO2排放之間關系進行研究[37—43];④還有少量關于城市形態對CO2排放預測以及城市地下空間形態的能源消耗與CO2排放的文獻[44—47]。

另外,城市空間結構主要包括建成環境、空間網絡、擴張模式三方面,直接或間接影響CO2排放。在建成環境方面,主要采用密度(人口、住房、就業等)、多樣性(土地混合利用和出行行為等)、規模大小(城市和各類用地斑塊)、單中心、多中心以及建筑物朝向和陰影等要素指標。多數學者認為密度對CO2排放的影響是間接的,主要通過人類活動對通勤距離的長短、出行行為的偏好和住房類型的選擇等來影響能源消耗,進而影響CO2排放[38,42,48—49]。在城市中心區域,往往分布大量的就業機會、密集的建筑物以及發達的公交地鐵網,滿足居民生活的方方面面,因此與CO2排放的關系呈現出負相關[35,36,44]。但是,隨著城市規模的不斷擴大,各類用地斑塊逐步趨向破碎化,有些發達的城市地區還會形成多中心的城市空間結構,這些也會對能源消耗產生的CO2排放造成影響。還有學者認為建筑物的朝向和陰影等對能源使用有一定關系[50],如Ko等在加州的研究中認為東西向的街道方向、房屋東南面特別是房屋西側有較大植被,對減少夏季制冷能源的使用具有顯著影響[41]。

在空間網絡方面,以道路交通網絡為主,采用可達性、連通性、到中央商務區(CBD)的距離以及道路的設計和層級結構等因素。一般認為公共交通可達性高、道路連通效果好、到CBD的距離較短或適中,有利于減少交通通勤相關的CO2排放量[51]。通過城市土地利用規劃,設計出社區居民適合步行或騎行的街道,土地利用混合度高的城市用地,便于居民更傾向“低碳”出行[31,43,47]。在擴張模式方面,即為城市化過程中采用緊湊型、還是分散型發展方式,衍生出更為復雜的城市空間結構,從而影響CO2排放。尤其是基礎設施處于新興階段的發展中國家城市,采用緊湊的城市形態和交通規劃可以鼓勵更高的人口密度,有利于避免形成高碳排放模式,而迫使城市形態碎片化或不規則性可能會增加CO2排放[27,37,45,52]。究竟選擇何種城市開發建設模式也是學者討論的焦點,在北美城市以“公共交通為導向(TOD)”的開發模式已經較為成熟[53],在我國采取“城市公園(POD)”、“自行車交通(BOD)”,還是“TOD”為導向的開發模式應該因城而議,適度開發。綜上所述,根據城市空間結構與CO2排放關聯性的已有研究文獻來看,多數學者都是探討兩者關聯性的影響機制并提出合理化的碳減排措施。但同時也存在以下問題:一方面,由于影響因素的選擇上存在差異性,因此沒有形成一套綜合的城市空間結構量化指標體系,從而影響因子產生的關聯性強弱也存在差異;另一方面,提高能源使用效率、調整產業結構、控制CO2直接排放等措施雖然已經基本得到認可,然而卻無法從根本上解決溫室氣體大量排放的問題,因此需要深入挖掘CO2排放的潛在影響因素,綜合研究優化城市空間結構、提高公共交通運行效率、預測CO2排放趨勢和減少碳足跡等多方面。

隨著“碳達峰、碳中和”目標的提出,未來應著眼于構建綜合的評價指標體系和高效可行的“碳減排”方法作為城市研究的“側重點”與城市規劃建設的“發力點”,促進城市實現可持續發展的低碳目標。通過遙感和地理信息系統(GIS)技術構建度量城市空間結構的綜合指標體系,來分析城市在不同發展階段和不同發展模式上差異化的關聯特征,揭示不同城市空間結構對CO2排放的影響機理,提出多維度的城市碳排放績效提升路徑,實現城市低碳發展和空間結構優化目標。另外,可以借鑒計算機科學的群集智能算法,結合系統動力學和元胞自動機模型,建立基于空間結構和形態的城市碳排放情景模擬模型,預測社會經濟發展情景和模擬城市空間擴張,研發可操作、可推廣的低碳城市空間智能規劃技術;運用GIS技術和大數據手段,結合百度地圖基于位置服務(LBS)開放平臺的出行起點-終點(O-D點)智能查詢系統的開發與應用和出行調查問卷等方法,對居住自選擇效應進行檢驗和控制,探究多地理尺度與地理背景建成環境對居民出行碳排放的影響機理,分析居民出行的“碳減排”潛力,提出城市功能區空間形態優化的措施。最后,城市作為能源利用強度最高的中心地區,提高能源利用和轉化效率,評估能源利用碳排放變化的環境效應,結合城市總體規劃和土地利用規劃提出具有針對性的短期和中長期調控政策,制定差異化、地區化的城市能源利用低碳化路徑,加快構建綠色低碳循環發展經濟體系,對于未來建設資源節約型、環境友好型城市至關重要。

3.2 城市空間結構與空氣污染的關聯性

城市空間結構與空氣污染的關聯性主要表現為城市人口密度、交通和土地利用等影響城市的經濟增長、工業生產、化石能源消費和交通運輸結構等,從而影響PM10、PM2.5、SO2、NOx、CO等空氣污染物的產生、流動與擴散[54—57];影響人體與污染物接觸的強度、頻率以及持續時間,嚴重損害居民身心健康,并導致額外經濟損失[58—60]。另外,不同的國家和區域城市所處的發展階段和產業結構不同,使得空氣污染物分布具有一定的時空格局差異,運用監測工具和測量手段不同,影響學者選取不同的污染物種類進行研究。

以歐美為主的發達國家,城市化水平較高,城市空間結構變化相對較小,對空氣污染的認知水平較高、研究成果也較為豐富。研究主要認為人口和居住密度高、公交供給量大、擴張水平較低、綠地面積大和形狀復雜性較小等特點的高緊湊型城市空間結構及形態有利于減少空氣污染,相較城市形態碎片化、無序蔓延的城市發展模式而言,對城市可持續發展的大氣環境更加友好[54,55,61—62]。另外,各國污染物排放標準有所不同,學者們在選取污染物種類和城市形態要素也會考慮本國實際情況。例如,Martins認為葡萄牙波爾圖市的擴張導致PM10年平均值和超過日極限值的增加,而O3的差異較小[58]。Cárdenas等在歐洲選取了249個大型城區進行研究,指出碎片化、高度建設城市的SO2和PM10濃度較高,人口密集城市的SO2濃度較高[63]。在美國111個城市的O3、PM2.5以及空氣質量指數(LAQI)污染物研究中,Clark等發現人口密度、人口中心度、公交供給量與空氣污染相關[57]。Bereitschaft等指出美國86個大都會地區的擴張程度越高,O3和PM2.5的濃度也越高,而居住密度是影響O3和PM2.5濃度、NOx非點源排放的重要因素[64]。隨著發展中國家城市化進程的加快,空氣污染問題也日益突出和備受關注。在借鑒發達國家經驗的基礎上,我國編制了大氣污染物排放清單和標準。在我國的研究中,多數學者認為城市形態主要通過城市斑塊大小、形狀多樣性、緊湊度和土地利用配置來影響空氣質量,采用緊湊型、多中心的城市形態可以減少通勤距離和交通污染總量,有利于形成高空氣質量大氣環境[56,65—67],而碎片化程度較高、土地利用配置不合理的城市空間結構及形態則會起到促進城市大氣污染排放的效果[68]。

綜上所述,緊湊式的城市形態可以減輕空氣污染,進而提高空氣質量;但不可忽視的是人口密度增加的同時,會增加環境暴露,危害居民健康,因此,從地理學、城鄉規劃學、環境學和醫學等多學科交叉融合的視角出發是切實可行的研究途徑。另外,全球多數發展中國家處于快速的城市化和工業化階段,日新月異的城市形態會對大氣污染的影響產生一定滯后性,合理控制城市形態要素、非城市形態要素以及污染物數據等變量,需要構建完整且有說服力的測度模型;同時研究需采集大量具有時間跨度的城市數據作為資料基礎,而目前獲取這方面的大數據存在一定難度,雖已有多個城市和區域進行嘗試構建高精準度的城市建設和大氣污染物數據庫,但仍需要長期資金和技術研究的支撐。未來應加強跨部門和跨區域的廣泛合作,形成有效的“協同治理”聯盟,對城市國土空間進行合理開發布局,形成具備混合功能的多中心城市空間結構,提高公共醫療衛生和環保綠化設施的占比,降低非必要交通需求、改變居民時空行為,降低居民暴露概率和健康風險,形成完善合理的城市空間結構;增強公眾對環境的關注度,有效推動政府、企業和個人等多主體更加關注環境治理問題,制定“本土化”大氣污染等生態環境治理政策,使之能夠更加符合公眾偏好,從而提升環境規制政策效果及公眾滿意度,促使空氣污染的環境庫茲涅茨曲線(EKC)更早地跨越拐點,從而進入增長與環境改善雙贏的發展階段。

3.3 城市空間結構與城市微氣候-熱島效應的關聯性

城市熱島效應作為城市微氣候的主要表現形式之一,最早追溯到1833年霍華德在倫敦的研究中,其發現倫敦城區的氣溫明顯比附近鄉村溫度高,又稱為“城市熱環境”[69]。當前關于城市空間結構與城市熱島效應關聯性的研究,通過使用景觀格局指數(綠地、建筑、水體、裸地、不透水硬質地表等)和空間形態指數(天空開闊度、建筑密度、高度、容積率和迎風面積比例等)來量化城市形態;借助外場試驗、遙感反演、數值模型和實驗室仿真模擬等數據采集方法,運用非計算流體力學(建筑群熱時間常數(CTTC)模型和DUTE軟件)和計算流體力學(計算流體動力學(CFD)模型和ENVI-net、PHOENICS、Fluent等軟件)兩大類模型和軟件[70—72],分析影響城市地表溫度和空氣溫度的主要因素。另外,2012年,Stewart等提出了局地氣候分區方法(LCZ),LCZ致力于不同的幾何形狀、建筑密度及地表特征等城市形態與城市熱島之間的關系,將標準化的描述方法應用到兩者關系的研究中[73—75]。近年來出現了許多基于LCZ分類框架的項目,如世界城市數據庫及訪問門戶工具(WUDAPT)項目[76]、應用模型和城市規劃法:城市氣候和能源(MApUCE)項目[77]與城市通量(URBAN-FLUXES)項目[78]等。我國也有部分城市先后加入WUDAPT項目計劃,例如,北京、上海、廣州、杭州等城市。

當前關于城市空間結構與熱島效應的關聯性研究,大都是在分析城市熱島效應形成的驅動因素基礎上,探究城市緩解熱島效應的有效途徑。城市通過增加生態土地利用面積(包括濕地、水體、綠地等)、以及控制城市的建筑密度和高度等路徑來緩解熱島效應,然而這些措施往往受到城市擴張和社會經濟發展所限制[79]。而影響城市熱島效應的驅動因素多種多樣。例如,尤其是較為濕熱的城市,街道空間的天空開闊度越小,形成城市熱島效應的概率和強度越大[80-82];建筑密度與城市的通風條件密切相關,是通過控制建筑密度可以加速空氣流動,促進熱量流散[83]。另外,由城市人口活動密度產生的人為熱,主要包括駕駛車輛、空調耗能、居民生活、工業生產及建筑物等向外散發的熱量來源,對城市熱島的形成起到十分重要的作用[84]。還有季節變動、風向、風速、降水等客觀因素,尤其是在炎熱的夏季,城市熱島強度最為驚人,強度最大值為德國柏林13℃、美國亞特蘭大12℃和中國北京9℃等等[85—87]。綜上所述,城市通過對空間結構的優化、生態用地的修復和建成環境的設計,構建城市的通風系統形成良好的通風環境,實現對熱島效應的有效緩解。

根據現狀研究文獻,基于城市空間結構對城市熱島的影響研究已經取得顯著進展,但仍存在一些不足。一方面,城市空間結構影響因素的量化方法不夠深入、各因素對城市熱島強度的影響程度仍不夠清晰;同時缺乏對潛在影響因素的探索,包括空間尺度和鄰近效應等方面。另一方面,城市氣溫和地表溫度數據的獲得手段不夠豐富,僅僅依靠城市內數量不多的氣象站點觀測和衛星熱紅外遙感來獲得相關數據,導致詳細數據存在可獲得性不高和時效性較差等問題,嚴重阻礙了進一步深入城市熱島。未來研究應盡可能考慮綜合多源數據,通過運用新技術、新方法來獲取足量的時間與空間維度的氣溫和地表溫度數據,主要包括合法使用網絡爬蟲來獲取公開數據網站和手機軟件(APP)的詳細溫度數據,以及采用合作式的“眾包”方法來實時高效地記錄城市街區溫度數據;還可以借助各類衛星遙感和無人機搭載紅外熱像儀等手段來獲取高分辨率的地表溫度數據,并且可以降低觀測成本和提高研究的精確性。另外,從形成機理層面深入探討城市空間結構與熱島效應關聯性的影響因素,增加對潛在影響因素的考量,并運用多模型、多方法對其進行相關分析和模擬預測,增強對以局地氣候分區(LCZ)為框架的城市形態與城市熱島效應關聯性進行研究,促進城市熱島效應的緩解。

3.4 城市空間結構與水環境的關聯性

城市空間結構與水環境的關聯性主要體現城市形態和土地利用對水網結構的改變、水體污染、給排水系統管理、地表徑流的增加以及地下水位下降等方面造成影響。一方面,城市的空間形態一旦形成,短時間內很難發生改變,例如,建筑的密度和高度、不透水路面的增加等[88]。再加上受城市熱島、不易擴散的凝結核和高層建筑物的阻礙,城市地區會形成明顯的雨島和內澇現象[89]。另一方面,城市土地利用配置的不合理,導致工業、商業以及居民生活對水體造成污染,森林、濕地、湖泊等生態用地的功能喪失[90—92]。還有城市空間設計如何管理不斷增加的高密度給排水系統[93],減少城市下墊面和物理形態的改變,保護城市河流水質以及水循環生態系統的健康,值得城市研究者深入思考。

傳統低密度的空間開發和擴張模式已經不適應城市社會經濟快速發展以及人口的增加,容易導致更多的城市內澇、河流干涸斷流、水質惡化、水體污染等環境問題。為了實現可持續的水資源管理,將城市發展對周圍環境的水文影響降到最低,多國學者結合本國國情,設計出適合城市水循環的城市規劃和設計方法[94]。例如,早在20世紀70年代,美國實施了“最佳管理措施(BMPs)”,后改為“雨水控制措施(SCMs)”[95],還有“低影響開發(LID)”和“綠色基礎設施(GI)”等舉措[96],其目的是加強城市的雨洪管理、改善水循環和生態環境,典型應用案例有波特蘭和西雅圖等地區。英國主要采用了“可持續城市排水系統(SUDs)”,通過科學地貼近自然的方式管理雨洪徑流,實現城市發展與水環境的良性循環[97]。澳大利亞建立了一個較為寬泛的“水敏感性城市設計(WSUD)”體系,它涉及城市水循環的各個方面[98]。中國在受到前者經驗和技術支持的基礎上,提出建設“海綿城市”來實現低影響開發城市空間和修復水環境以及保護原有生態系統[99]。還有新西蘭建立的“低影響城市設計與開發(LIUDD)”體系和法國的“替代技術或補償技術(CTs)”等等[100]。

總體而言,在快速城市化的進程中,通過城市空間結構的低影響開發布局來維護城市水系、河湖以及蓄排水系統之間的良性平衡。但在研究中考慮城市水文各環節及其伴生過程變化規律方面仍有不足,不能較好地處理城市水資源短缺、洪澇災害、水環境污染及生態退化等復雜問題與關系。在城市開發過程中進行坡面道路、管網和河道等多種匯流工程的耦合模擬、構建城市的防洪排澇預警系統、以及合理的風險評估,實現因城制宜,保證城市水環境管理模式和生態修復措施之間的協調性。未來可以通過分析影響水環境效應的關鍵空間結構指標,探究其對城市水環境產生的直接或者間接效應,探索建立能夠適應水環境約束的城市空間結構優化配置方式和空間組合方式,實現將城市水環境容量和水土保持的目標轉變為城市國土空間開發的強制力約束,加強城市空間的高效治理和水環境的協同治理。還要積極探索城市空間結構與水環境相適應的演進規律,分析影響土地利用布局變化與水環境演變的關鍵驅動因素,提出適應水環境的相關要素調控路徑,促使城市空間結構變化能夠與水環境實現相對自然的演進趨勢,實現“生態宜居”的可持續城市建設目標。

3.5 城市空間結構與生物多樣性的關聯性

城市發展通常與自然棲息地的喪失、生態環境的改變和人為干擾的增加有關,這些方面有可能對本地物種的數量、豐富度和多樣性產生負面影響[101]。目前,城市空間結構與生物多樣性的關聯性主要集中在景觀格局、擴張蔓延以及微氣候對鳥類、地表動植物和水生物種多樣性等方面的研究。不同的城市會有不同的擴張模式、空間形態、景觀組成、土地利用的異質性和更廣泛的細微變化都會改變當地的生物物理過程[102],進而影響生態系統的平衡和物種多樣性,同時也會對人類的健康產生影響[103]。因此,大多數的城市管理者、規劃者和居民已經意識到維護生態系統平衡和生物多樣性的重要意義,但是對于城市空間結構如何影響各類物種的生存模式、保護棲息地生境需要深入挖掘研究。

實際上,基于城市綠色基礎設施(GI)的多功能綠色空間戰略規劃,具有保護和增強局部生物多樣性的巨大潛力[104],改善基本生態系統服務的供給。在大量的研究中,快速的城市擴張被認為是全球生物多樣性的主要威脅之一。例如,對于動植物和鳥類多樣性的研究中,多數學者認為城市擴張對動植物和鳥類的物種多樣性存在重要影響,但在城市蔓延組成和空間尺度對物種豐富度存在很大差異[105—107],通過增加斑塊面積、棲息地豐富度和連通性來實現生物多樣性的保護[108—110];也有學者認為城市擴張對本地植物和珍稀螞蟻物種均無顯著影響,但外來物種豐富度與其呈正相關[111],由此可以采取對物種類群的分析,提出物種選擇策略,盡可能保護本地珍稀物種、辯證看待未來的種植計劃和豐富城市生物多樣性[112]。另外,有的研究指出相對分散的城市形態更有利于河岸植被和水生生物的成長,促進本地物種豐富度和多樣性,是支持生態功能比較有效的方式,而集聚的城市形態還與自然植被的生境質量下降和生境枯竭有關[113]。

當前對城市空間結構與生物多樣性關聯性研究中更多考慮人類的生存和發展需要,而恰恰忽略了生物多樣性在生態環境的“角色”,從而減少了對物種組成和物種豐度變化的重視度。在未來的研究中,一方面應積極研究城市景觀格局演變對生物多樣性造成的影響,科學合理地評估、模擬和預測生物多樣性對替代景觀配置產生的反應,提出保護城市空間中生物多樣性和植物群落結構的有效措施;另一方面,綜合評估城市形態變化、土地利用異質性對城市區域的生物物理過程產生的影響,構建生物多樣性與生態系統平衡的機制體系,合理規劃布局城市廊道、濕地和生態綠地等綠色基礎設施,實現對生物多樣性友好的未來城市景觀設計。

3.6 城市空間結構與其他環境的關聯性

與城市空間結構密切相關的環境問題還有土壤污染、噪聲污染等,這些問題不僅對城市生態可持續發展造成影響,還與人類福祉和生物多樣性有著諸多關聯。城市擴張過程中大量農業用地轉換為工業、住宅和其他城市用地,導致土地覆蓋變化,改變土壤中的水分、養分組成和初級生產力降低,同時造成城市微氣候變化、水土流失、重金屬污染等現象[114—116]。對土壤重金屬污染的研究中,Chen等揭示了北京市路邊土壤中重金屬濃度與城市交通相關[117]。Guagliardi等在意大利南部地區的研究中發現,城市和城郊土壤中人類活動有關的潛在毒性微量元素(PTEs)來源包括交通排放、工業排放和城市發展過程[118]。Lv等在高青縣的研究中發現,城市建設用地中8種元素的平均含量顯著高于其他土地利用類型,工業和交通排放以及農業活動加劇了當地土壤中的金屬污染[119]。對水土流失的研究中,Qishlaqi等研究了城市土地利用結構對土壤供水、吸水和蒸發特征、土壤元素含量等的影響[120]。北京市結合實際建設發展需求,多部門聯合印發了城市開發建設項目中加強水土保持工作的要求,來解決水土流失問題。綜上所述,城市發展和人類活動改變了城市空間結構的同時,也加重了土壤環境的重金屬污染和水土流失問題。當前對城市土壤環境的污染狀況及其風險評價不太深入、其空間變異規律缺乏系統的認識、其對地表水和淺層地下水的污染貢獻等都是需要解決的科學問題。未來需要加強城市土壤的合理配置與利用,擴展城市空間結構對土壤質量影響的系統研究方法,實現城市良好的水土保持。

另外,城市形態產生噪音污染主要體現在城市道路交通設計不合理,建筑的高度和密度等方面。在綜合評估噪音和空氣污染的一項研究中,Weber等研究發現景觀指標、建筑高度、建成區面積以及主要道路的占比與噪音暴露顯著相關,認為噪聲污染的主要來源是城市交通[121]。Lakes等研究柏林住宅區噪音污染中指出,噪聲污染嚴重和環境質量較低的住宅單元大都位于柏林市中心人口密集區[122]。當然,城市中噪聲的主要來源還包括建筑施工、工業生產和社會生活等方面,而且這些噪聲極為難治理,對人類的心理和身體健康影響極大[123]。當前對城市空間結構與噪音污染的關注度不高、產生噪音的影響因素揭示較少、以及如何解決噪音污染的存在諸多現實挑戰。從人類活動角度來看,居民應該主動減少噪音暴露,提高自身防范意識;城市空間結構的規劃者和研究者應該考慮城市交通設計減少噪音生產,建筑內部的隔音性以及建筑間的擴散性等。

4 研究結論與思考

4.1 結論

本文基于文獻計量方法對城市空間結構與生態環境的關聯性研究進行知識圖譜可視化分析,梳理兩者關聯性的核心研究內容演變。通過分析兩者關聯性研究的文獻產出時間序列特征,發現其在文獻總量上呈現出緩慢增加-平穩上升-波動驟增3個階段,尤其近幾年來全球對生態環境問題的關注度日益增加,因此兩者關聯性研究也迅速增多;從來源期刊和學科分析的特征來看,兩者關聯性研究的主要來源期刊相對較分散,刊文量最多的是Sustainability期刊,共計發表114篇,由于此研究領域屬于多學科交叉融合方向,因此是地理學、城鄉規劃學、環境學、生態學等學科的熱點研究方向之一;最后,借助VOSviewer和Citespace文獻計量軟件分析聚類關鍵詞,分析兩者關聯性研究的核心熱點,發現城市空間結構與“溫室氣體排放”“空氣污染”“熱島效應”等大氣環境問題是出現頻次較高的關鍵詞,同時“水環境污染”“生物多樣性”“土壤污染”和“噪音污染”等城市環境問題也是不容忽視的研究熱點,并對這些主要研究熱點進行詳細論述。由于城市空間結構具有較強的差異性,并且生態環境問題既是全球性問題,也是區域性問題,應結合不同國家、區域和城市的發展階段,提出差異化的優化城市空間結構方法,來緩解和修復生態環境面臨的嚴峻問題。

4.2 思考

雖然城市空間結構與生態環境關聯性已有較多研究與實踐,但由于涉及維度、領域、學科等較為多樣,需要更系統綜合的研究框架和評估體系,對該話題進行多學科交叉融合研究,為人、城市與生態環境之間和諧穩定提供科學依據與決策支撐。當前全球僅有少數國家對生態環境問題的重視程度較高,而大多數發展中國家城市化進程仍在快速推進,城市空間結構變化也日新月異,生態環境問題也越來越多,如何優化城市空間結構,進行土地利用的優化配置,來降低能源消耗,實現節能減排和修復生態環境,仍面臨較長時期的嚴峻挑戰。未來研究可通過兩者關聯性研究的綜合框架體系、城市空間結構優化設計,以及未來發展的模擬預測等方面,進一步深化關系研究與優化理論實踐,并經過不同類型城市發展的檢驗才能保證其正確性。

4.2.1城市空間結構與生態環境的綜合性研究框架和評估體系的構建

生態環境系統具有一定程度的多樣性與復雜性,就決定了人類不能只停留在城市空間結構與生態環境的某一要素領域進行研究,應該從多學科交叉融合的視角,綜合評估城市空間結構對城市經濟、社會、環境等各子要素的鎖定效應。通過構建綜合性研究框架和評估體系,量化城市空間結構的景觀格局指數、空間形態指數和土地利用指數等指標,完善與生態環境有關的綜合評價指標體系,有利于調整和優化城市空間結構,促進生態環境協調綠色發展。另外,大量的時空尺度城市綜合數據是研究的基礎和支撐,通過建立城市建設與環境綜合數據庫,運用大數據、遙感和GIS等技術方法,獲取包括土地利用、氣候氣象、能源消耗以及家庭出行等時效性強和精確度高的資料數據,并進行長時期的維護更新,方便調查研究使用。

4.2.2面向生態環境問題的城市空間結構優化與設計

傳統的城市空間結構設計更加注重建設與開發,而新時期如何統籌城市建設與非建設用地的布局,保護與開發城市空間,從宏觀和微觀層面優化城市空間結構,促進城市低碳可持續循環發展,實現城市的“精明增長”。在宏觀層面,需要統籌協調城市建筑物、道路、水體以及綠地等自然與非自然物體空間的布局,發展新興的低碳空間規劃技術和綠色生態基礎設施,發揮和增強城市的自我調節和自我恢復功能,促進優化城市空間結構與景觀格局;在微觀層面,不僅要對城市殘存的“自然”棲息地進行保護,也要對城市“棕地”和未利用地進行修復開發,作為城市生物棲息和綠色基礎設施存在的開敞空間。另外,城市管理者和規劃者切實考慮城市發展建設的現狀與需求,充分進行實地調研和數據分析,并在有條件的情況下考慮城市居民的建議和意見,結合城市面臨的主要生態環境問題來進行城市空間結構的優化和設計。

4.2.3城市空間結構與生態環境變化的模擬和預測

當前生態環境問題存在的根源揭示不全面、模擬和預測方法不夠精準化,也是亟待提高和解決的重要問題。一方面,綜合運用網絡爬蟲、眾包、遙感和無人機等新技術手段,提高數據獲取的時效性以及實現獲得手段的多樣化,有利于準確分析現狀生態環境問題的直接或者間接影響因素,提出行而有效的優化路徑和解決措施;另一方面,通過借鑒多學科的技術方法,例如:機器學習、元胞自動機和系統動力學等模型方法,加強對城市空間結構的現有要素、潛在影響因素和演變趨勢進行深入探索,并對兩者關聯性的發展演進規律進行模擬和預測,積極推進城市朝著低碳協調可持續的人地系統發展。