摘要:中国城市建设在近50年取得了辉煌成就,但快速城市化过程也导致了生境破碎、生物多样性下降、生态系统服务功能低效等问题。在国土空间生态保护修复和城市高质量转型发展背景下,城市绿地生态网络的建设对提升生态系统服务功能及构建城市生态安全格局具有重要意义。研究旨在辨析城市绿地生态网络的概念及内涵,总结城市绿地生态网络的主要特征,梳理其发展历程,提出城市绿地生态网络主要构建方法 ;同时,明确其作为应对城市生态环境胁迫和挑战的重要途径之一,及未来发展的主要方向。以期进一步完善城市绿地生态网络理论,为中国城市绿地网络建设提供参考。
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自工业革命以来,随着全球人口激增和社会经济的持续发展,全球城市化水平快速提高,目前世界城市化率已超过55%[1]。中国城市化水平由1978年的17.9%增至2019年的60.6%,预计到2030年城市人口将达68.7%[2]。快速城市化及无序建设导致了生境斑块的破碎化、生态系统结构严重失衡,制约了区域物种扩散、迁移、基因信息传递等关键生态过程的正常运行,给城市化地区的生态安全带来极大挑战,制约城市的高质量发展[3]。
城市生态空间为城市提供改善气候、保护生物多样性、满足居民休闲游憩等重要生态服务功能[4],为城市生态安全及人居环境质量提供保障。城市绿地是城市生态空间中的核心要素,构建城市绿地生态网络是确保城市绿地充分发挥其复合生态效能的必要途径[5]。中国正处于生态文明建设和绿色低碳发展的关键阶段,城市绿地生态网络已成为在国土空间尺度上统筹协调城市化区域的要素—结构—功能关系,应对城市化带来的生态环境威胁和挑战的重要手段。城市绿地生态网络的概念虽有不同学者进行定义,但随着中国城市绿地分类、范畴的变化及城市绿地生态网络功能的逐步深入认识,城市绿地生态网络的概念需进一步统一及明确。因此,针对用地紧缺且要素复杂的城市化区域,文章旨在进一步明晰城市绿地生态网络概念,挖掘其内涵,并对其实践发展脉络以及当前的研究内容及方法进行综述,进一步强调在国土空间规划、城乡统筹背景下,完善城市绿地生态网络的理论方法和战略对城市生态安全及城市的可持续发展具有的重要意义。
1、城市绿地生态网络的概念辨析
网络是一种由点和线连接组成的系统结构,其将孤立的节点或区域通过线性空间连接起来,促进各要素间的相互连通,具有整体性和复杂性特征[6]。在景观生态学中,将由斑块和生态廊道所组成的网状生态结构称为生态网络(ecological network),其被作为生物多样性保护的措施纳入可持续景观发展的建设之中[7]。生态网络可以解决土地使用加剧和破碎化的问题,保护自然种群和生境。自20世纪90年代以来,学者们开始在不同空间尺度上研究生态网络对生物多样性保护以及生态系统恢复的重要作用[8]。
在城市规划和景观规划中,网络往往与空间水平维度的视觉连接有关。城市生态网络(urban ecological network)是生态网络的一个分支,也有学者称景观生态网络[8]。城市生态网络融合了生态学、城乡规划等多学科,不同学科的定义和意义各不相同,其概念相对复杂且不断发展变化。通过对城市生态网络的概念梳理得知,虽不同学者对其概念描述不尽相同,但多强调其是由斑块/节点、廊道及基质环境共同构成的网络空间,以保证生态过程的完整性和连续性,强调其保护生物多样性的功能。
城市绿地(urban green space)作为城市生态空间的重要组成部分,在不同国家有不同的定义和范围。西方国家的“开敞空间”或“开放空间”(open space)包含城市绿地的范畴,如英国的开敞空间包括公共公园、共有地、荒地和林地,美国的开敞空间包括游憩地、保护地、风景区及部分预留地等,强调了绿地的自然景观属性,具有娱乐价值、历史文化价值、自然资源保护价值及风景价值[9]。日本通常使用“自由空地”的概念,指城市内未被建筑物所覆盖的地方,涵盖了公共绿地及私有绿地两个主要部分[10]。在中国,随着城镇化由城市向“城乡统筹”转变,同时在“多规合一”的理念下,绿地的范畴及发展目标也发生了变化。根据《城市绿地分类标准》(CJJ/T85-2017),城市绿地被定义为城市行政区域范围内以植被为主要存在形态的用地,城市绿地不仅包含建设用地范围内的绿化用地,如公园绿地、防护绿地、广场用地及附属绿地,还包含城市建设用地之外的区域绿地。
绿地生态网络(green space ecological network)的概念和思想已被各国广泛接受,虽不同国家有不同的称谓,但其内在涵义相似。中国学者张庆费[11]于2002年对城市绿色网络进行定义,其范围包含了所有生态空间,强调其自然生态过程和特征。刘滨谊等[12]强调城市绿地生态网络所具有的连续性、网络化特征,并逐步与城市绿地空间实体相对应,将对象范围聚焦于各类城市绿地上。在新的时代背景下,张浪[13]指出城市绿地生态网络是指由具有一定连接度的带状廊道连接而成的网络系统,强调其是一个多层次、多功能、多尺度的复合生态系统,具有保护生态、提高生物多样性、提升景观品质等多功能需求。
城市绿地生态网络(urban green space ecological network)除了具有城市生态网络的维护生物多样性作用之外,其所具有的满足大众户外保健、游憩娱乐等作用也愈加得到重视,强调其生态—社会综合功能[14]。因此,本文认为,城市绿地生态网络是指在城市及其影响范围内,以提供生态与社会服务双重功能为目的,以城市建设用地内的城市绿地及城市建设用地外影响城市生态安全格局的林地、湿地等生态空间为要素,以连续性生态廊道为联结,所形成的网状空间系统。与传统绿地系统的概念不同,城市绿地生态网络更强调城市生物多样性保护需求,兼顾公众人居生态环境需求,提高人居环境的生态质量,强调营造、维护和恢复多样化、层次化、系统化的城市生态空间网络体系。
城市绿地生态网络的主要特征是城市内外关联性、组分要素多元性、空间结构系统性、服务功能复合性(图1)。
(1)城市内外关联性。城市建设用地范围内的绿地与城市建设用地之外的绿地是一个有机整体,不同尺度、层级下的城市绿地生态网络相互嵌套与协同,才能提供稳定的生态系统服务。
图1城市绿地生态网络的范畴及特征
(2)组分要素多元性。与自然区域不同,受城市用地类型多样性的影响,城市绿地生态网络呈现出内部组成要素的高度异质化、斑块化和破碎化,组分要素呈现出多元化。
(3)空间结构系统性。在复杂的城市化环境下,绿地相对破碎,城市绿地生态网络利用形态上连续的线状/带状廊道或“踏脚石”连接绿地斑块,强调空间结构的网络化、系统性。
(4)服务功能复合性。城市绿地生态网络不仅为城市内部生物多样性提供支持,也是区域生态网络的组成部分,同时还要满足城市内部人居环境及游憩需求,提供了多样的生态系统服务价值。因此,城市绿地生态网络具有高度的服务功能复合性。
2、城市绿地生态网络的发展历程
在城市规划及景观规划领域,城市绿地是人们较早关注的城市生态空间。十六至十八世纪的欧美国家,城市绿地被普遍认为是城市美化及改善城市公共环境及卫生的手段。这个时期的城市绿地并没有统一的空间规划,其主要依附于城市设计的需要,在城市绿地布置时无科学依据,轴线和远景的创造主要为强调视觉上的联系[15]。
十九世纪社会民主化导致私家花园公开化,其服务功能也由面向个别人群的休闲娱乐转变为面向普通公众服务。1843年英国伯肯海德公园的建设标志着第一个城市公园的诞生,这也是最早进行的有规划的城市公园建设。人们开始利用“林荫大道”将城市内新建的绿地与已有的开放绿地连续起来,此时城市内的绿廊以满足人们通过、使用和视觉体验的功能为主[16]。在工业革命之后,城市规模扩大,内部环境污染加剧,城市发展与城市环境问题引起重视,“城市公园运动”“城市美化运动”“田园城市理论”等一系列有影响力的城市绿地规划思想和理论相继出现。这一时期,城市绿地因其自然属性及其具有的生态功能而得到重视,城市绿地规划已考虑到绿地结构的系统性,同时绿地的游憩性也逐渐得到认可。
进入二十世纪,特别是在六七十年代,全球掀起了生态环境保护热潮,生态学的理论、方法很快被接纳到城市规划领域,城市绿地的功能、在城市规划中的地位及其存在的问题得到广泛讨论。城市绿地规划开始注重绿地的多功能性及整体的系统布局形式,如欧洲的生态网络、北美的绿道网络。中国也由传统的点、线、面绿地布局结构,逐渐向环状放射型模式、绿心模式、结合山水格局模式、以功能性为主导的模式发展,形成多样的城市绿地系统布局模式,并制定各类绿地指标。至此,城市绿地开始成为城市的有机组成部分,改变了以往其在城市建设中的从属地位。但这一时期的城市绿地主要追求结构性指标或绿地自身内部建设,而对影响绿地生态功能发挥的绿地空间格局的研究相对较少。
进入二十一世纪之后,随着对绿地生态空间的生态补偿价值的认识,加上地理科学与计算机技术的发展,大量的地质、地貌、地理、水文、土壤物理等数据已成为生态网络设计的主要依据。中国的城市绿地生态网络建设起步相对较晚,但发展速度却相当迅猛。回溯至2000年,建设部首次制定了《创建国家园林城市实施方案》以及《国家园林城市标准》。随后,在2004年6月,建设部发布了《关于印发创建“生态园林城市”实施意见的通知》,提出了从“园林城市”向“生态园林城市”的发展方向,标志着园林城市向生态城市建设的转变,从而推动了中国城市生态环境的改善。党的十八大、十九大分别提出了“五位一体”生态文明国家战略及“城市双修”,强调要加强生态系统保护力度。随后,2020年,《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(2021-2035年)》明确了全面提升国家生态安全屏障质量、促进生态系统良性循环和永续利用的总体目标。同时,与之相关的《城市生物多样性框架研究》更进一步提出将城市生物多样性理念纳入到国土空间规划中,以构建具备整体性和多层次特征的生态网络[17](图2)。
综上,从城市绿地生态网络建设实践上看,经过多年发展,城市绿地生态网络的功能由最初的强调绿色空间视觉上的联系,到满足步行可达性和游憩使用性,再到防止城市无序扩张以及生态系统保护等,目前已经逐步进入构建更加综合的多目标城市绿地生态网络的发展阶段。
3、城市绿地生态网络的构建方法
构建有效的城市绿地生态网络是平衡城市建设与城市生态保护二者关系的有效途径。近20年来,城市绿地生态网络的学科研究活力较高,且随着科技发展和学科交叉融合,其研究方法也不断深入,愈加重视城市绿地空间的布局结构、功能的定量研究。相较于国外,中国城市绿地生态网络的研究较晚,早期主要是围绕宏观布局及定性分析,注重平面空间结构的网络构建,对具体网络功能以及城乡一体化的研究较少。随着景观生态学、地理学等技术方法的引入,国内的研究也逐渐将生态环境规划纳入城市规划中。
在景观和生态规划领域,出现了越来越多的相关技术。这些技术可以为生态网络的建设和管理提供理论支撑和技术手段。已开发的遥感(RS)和地理信息系统(GIS)已被用于获取各种城市土地利用的高精度空间数据。此外,形态空间格局分析(MSPA)、最小成本模型、图论和电路理论已被用于构建结构生态网络和功能生态网络。中国也借鉴并使用相关技术方法于城市绿地生态网络方面的研究,如孔繁花和尹海伟[18]利用最小路径方法识别提取了潜在廊道,并利用重力模型和连接度指数评价生态网络的结构;熊春妮等[19]将连接度指数应用于绿地系统结构的连接度评估中;周媛、许峰等[20,21]基于MSPA与最小路径法,构建了城市绿地生态网络、城市生态网络;刘佳等[22]使用电路理论分析斑块及廊道的重要性。近年来,越来越多地使用两种或多种方法的组合模拟方法,使城市绿地生态网络的构建方法也由早期的定性分析向定量化研究转变。总结而言,城市绿地生态网络的研究主要集中在要素识别及提取、网络分析评价及格局优化三个方面。
图2城市绿地生态网络发展历程
3.1城市绿地生态网络要素识别及提取
城市绿地生态网络是由生态源斑块及生态廊道等主体要素组成,准确识别及提取当前城市绿地生态网络要素是对其进行分析及优化的前提与基础,其主要包括生态源的选取与廊道的识别。
(1)生态源的选取。“生态源”是指城市区域内生态环境脆弱、生态敏感性较高或具有重要生态系统服务功能的土地。生态源斑块的选择取决于生态斑块对于生物多样性保护的贡献、特定的焦点物种和详细的分布数据[23],但城市化地区物种丰富,且焦点物种往往缺乏精确的数据。因此,目前在选择生态源时,多选取城市区域内面积较大或作为生物热点的生态区域,从斑块用地属性与面积选择生态源[24]。近年来,学者不断拓展生态源选择的影响因素,考虑生境质量、人类干扰程度等因素,或模拟适宜栖息地的物种存在数据,构建生态源的适宜性评价体系等。随着对空间系统结构与功能重要性的逐步认识,斑块位置重要性也逐步融入生态源的评价体系中。许峰等[21]、杨志广等[25]进行MSPA分析,并利用Conefor评估核心区的景观连接度,从位置重要性方面判断源地;孔阳等[26]还将MSPA分析结果与阻力面构建结合;汤峰等[27]结合生态敏感性评价与生态系统服务价值评估结果来选取生态源;李方正等[28]利用In VEST模型的栖息地质量模块,通过栖息地及其胁迫源之间的相互作用,对其进行生境质量的评估,从而选取生态源。
(2)生态廊道的识别。城市生态廊道包括形态上连续的线状/带状走廊和由“踏脚石”构成的潜在廊道[29]。对廊道的规划方法往往使用适宜性分析、结构指数方法和基于生态过程的方法,因前两者往往不能与复杂的生态过程相关联,故廊道规划越来越依赖于基于过程的方法,即潜在廊道提取。潜在生态廊道的提取通常采用最小成本路径分析的方法,目前已用于国内外多个城市,如中国武汉、济南、上海、深圳等多个城市绿地生态廊道和生态网络构建研究[30,31,32,33],该方法的主要困难之一是如何分配阻力。阻力面(成本面)揭示了景观对生物运动的便利性或阻碍性,是用于确定成本最低路线的主要因素。因此,阻力面的构建就尤为关键。多项研究表明,土地利用/覆盖类型是阻力面的主要影响因素,海拔、坡度、人为干扰、绿地距离等越来越多的因素被考虑[34,35],而MSPA分析结果也开始被尝试应用到阻力面的构建中[36]。此外,Mcrae等[37]在2007年将电路理论引入,提出景观连接度模拟的新方法。该方法结合生物随机移动特性,模拟其在复杂景观基质环境中的运动路径。
总体来看,近年来对生态源及阻力面评估方面的影响因素考虑越来越多,结合两种及以上方法的城市绿地生态网络的综合模拟法使用频率渐高,这为更准确的网络要素识别及提取奠定基础。
3.2城市绿地生态网络的分析评价
网络的分析评价主要包括对网络结构及功能的评价,而城市绿地生态网络连接度的评价是近年来的研究热点。在20世纪80年代,生态连接度(ecological connectivity)已经成为物种保护和景观规划的“关键词”,尤其是在发达国家。连接度(connectivity)被称为是一种复杂的非线性现象,包括物种水平上的多种运动(扩散、迁移等)和更高生态水平的过程[38]。生境破碎化是不同空间尺度上生物多样性的主要威胁之一,生态网络作为一个规划手段,连接度作为一个概念,为维持健康的生态系统提供了途径[39]。连接度被广泛认为是影响多种生态过程至关重要的因素,连接度的分析评价已成为城市绿地生态网络的研究热点[40],主要采用以下方法:
(1)最小成本模型。最小成本模型于1992年由荷兰生态学家Knappen提出,因其同时兼顾了垂直方向上的景观单元间的空间流动,实现了垂直方向和水平方向上生态过程的统一,是连接度和运动廊道研究的一个重大进展[41]。最小成本模型因其简单的数据结构、快速的运算方法以及直观的结果表达,被广泛应用于景观功能连接评价与生态廊道模拟的研究中。
(2)基于图论的连接度指数。图论的研究对象是图,而图的定义为由若干个不同顶点与连接其中某些顶点的边所组成的图形,因此,图论可以提供一种构建和评估连接性特征的可操作方法。图论指数主要是从拓扑学的角度来反映生态空间网络的连通情况,如整体连接度指数(IC)和连接度概率指数(PC)都是基于图形结构和在景观尺度上测量栖息地可用性的概念[42,43],可以度量单个斑块或链接丢失后图的连接性变化的响应,适用于各种空间尺度。
(3)电路理论。电路理论是利用电子在电路中随机游走的特性来模拟在某一异质性景观面中的基因流和生物体的扩散或运动过程及路线[44]。该方法的主要优势在于其能够找到斑块间的所有替代路径,且通过计算电流密度能有效识别对景观连接度有重要作用的景观要素。近年来,电路理论逐渐成为连接度研究中的核心支撑方法,目前国外多位学者已将电路理论应用到连接度模拟及生物保护等方面,并取得了一系列成果,该理论在国内也开始逐渐应用到城市生态安全格局与绿地生态网络中[45,46]。
3.3城市绿地生态网络的格局优化
国内外针对城市绿地生态网络优化进行了不同深度的研究,早期对城市绿地生态网络往往提出整体性的优化策略或建议。随着城市绿地生态网络对城市生态空间布局的指导作用的突显,城市绿地生态网络格局优化也迫切需要更明确的空间范围及相应的优化或改造方法。目前,城市绿地生态网络的格局优化主要从以下几个方面进行:
(1)网络整体性优化策略。依据城市绿地生态网络的结构或功能方面的整体性评价结果,提出网络的整体性优化策略。周媛等[5]利用连接度指数评价成都市不同行政区的连接度水平,根据研究区用地分布分析导致连接度空间差异的原因,并提出建立更多空间连通节点、提高绿地斑块与生态廊道网络的空间连接密度等优化策略。赵晨洋等[47]根据南京仙林绿地生态网络构建结果,从生态廊道、绿带布局、棕地修复等角度提出绿地生态网络的优化策略。
(2)重要网络要素的优先保护。在具体建设及保护分析中,通过识别承载生态过程的关键城市绿地生态网络要素,制定要素保护等级。吴榛等[48]利用重力模型判断斑块间的作用关系,判断重要斑块位置。魏家星等[49]使用空间句法模型,利用选择度和整合度值进行优先级评价,进而确定优先保护和建设的网络中心及廊道。Clauzel等[50]利用鸟类统计数据,对多个物种的景观适宜性进行分析,判断核心生态源,通过图论模型分析了网络连接度,找到需优先进行保护的最具战略意义的景观类型,为大多数物种同时保护土地管理行动提供指导。
(3)关键位置的优化。其主要是通过分析获取具有关键作用的斑块位置并提出规划建设建议,或对结构、功能上的生态断裂点或障碍点进行修复,以促进生态过程及能流顺畅。Ehlers Smith等[51]同时考虑了树木、鸟类和哺乳动物,结合其生物学特性,依据自然环境、农业及城市提供的生态系统服务价值,绘制具有连通性概率的廊道图,找到最小成本路径及关键点,为相关管理人员提供土地建设和保护依据。Thorne等[52]使用电路理论对现有的城市绿地生态网络电流密度进行评价,找到连接度低的区域,再以300 m的渔网网格为单位,叠加城市中对公园绿地及行道树需求高的区域,进而找到城市中最优先建设的绿地位置,以优化城市绿地生态网络格局。
4、总结与展望
在中国生态文明建设及城市高质量转型发展的要求下,构建科学合理的城市绿地生态网络已成为调节城市生态环境、实现人与自然和谐共生的重要一环。城市绿地生态网络的概念及内涵伴随着公众对城市绿地的认识及城市绿地系统逐渐发展完善而愈发明晰。城市绿地生态网络在保护城市化地区的生物多样性、提升城市生态系统服务和维持生态安全格局等方面具有关键作用。近年来,针对城市绿地生态网络的研究活力较高,优化城市绿地生态网络建设也已成为应对城市化带来的生境破坏的重要手段。
面临城市用地紧缺现状,中国城市绿地生态网络建设应遵循高效、可实施性原则。故在具体实践中,可从城市绿地生态网络整体、网络要素个体、网络要素内部及城市绿地生态网络多功能融合等方面综合考虑、系统实施。首先,结合城市现状生态基底条件及城市生态发展需求,从城市整体角度对城市绿地生态网络进行规划,优化、调整整体网络结构及布局;其次,在整体城市绿地生态网络布局的基础上,明确各要素的基本边界、弹性边界及缓冲区范围,针对不同边界范围制定不同保护策略;再者,通过优化城市绿地生态网络要素内部用地构成及植物配置、降低外部环境干扰等措施,有效提升网络整体生境质量;另外,城市绿地生态网络兼具社会—生态功能,根据不同区域的功能需求,实践中应合理划分不同主体的活动空间,保证城市绿地生态网络多种功能的有序运行。
通过对城市绿地生态网络实践及理论发展的研究,总结未来城市绿地生态网络研究还应注意以下问题:
(1)目前城市绿地生态网络的研究与实践仍相对脱节,虽然城市绿地生态网络的研究强调网络对保护城市生态空间及生物多样性的作用,但在具体实践中,仍然多只注重城市中各类绿地对人的直接的服务价值,如提供的游憩体验功能、对居民身心健康的影响、以人为绝对主体考虑绿地布局的公平性。因此,在未来的研究及实践中,统筹、协调生物多样性保护和社会生态系统服务的多重需求,构建功能复合的城市绿地生态网络,将是城市生态规划的重点。
(2)近年来,学者从不同角度考虑城市绿地生态网络构建的影响因素,多准则分析和多种技术手段的结合使其科学性日益增加。但以往的因素主要集中在绿地斑块本身的属性上,忽略了其在城市整体基质中的位置重要性及其与周边环境的关系。因此,需要综合考虑多维度因素,进一步优化针对城市复杂基质环境的更综合的绿地生态网络识别及提取方法,为准确掌握城市绿地生态网络现状、进一步分析评价奠定基础。
(3)早期的城市绿地生态网络的格局优化多注重整体性优化策略的研究,现已逐步聚焦在更明确的优化要素类别及优化范围。但面临城市土地资源紧缺、城市发展与生态保护用地矛盾的现状,对城市绿地生态网络布局优化方法提出了更高的要求。城市绿地生态网络不仅要结合城市已有资源及未来发展需求,构建更明确的基于空间位置的优化方法,同时要考虑网络建设的投入与产出,构建高效的城市绿地生态网络,这对提高城市绿地生态网络的有效性和落地性具有重要意义。
注:文中图片均由作者绘制。
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基金资助:国家重点研发计划课题“典型城市廊道多功能耦合网络构建与生态修复技术”(编号:2022YFC3802604);国家自然科学基金面上项目“城市生态廊道多尺度结构与功能连接度的关联机制”(编号:32171569);
文章来源:张浪,仲启铖,张瑞等.城市绿地生态网络概念辨析及构建方法探析[J].园林,2024,41(01):4-10.
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2024-01-08我要评论
期刊名称:中国园林
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主办单位:中国风景园林学会
出版地方:北京
专业分类:科学
国际刊号:1000-6664
国内刊号:11-2165/TU
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创刊时间:1985年
发行周期:月刊
期刊开本:大16开
见刊时间:1年以上
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