城市景觀格局演變的生態(tài)環(huán)境效應研究進展

陳利頂 ，孫然好，劉海蓮

(1.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085;2.北京市永定河管理處，北京 100165)

城市是隨著人類社會發(fā)展而逐步發(fā)展起來的地理空間，是人類在改造和適應自然環(huán)境的過程中，建立起來的“自然-經濟-社會”復合生態(tài)系統(tǒng)。城市化是一個社會的全面發(fā)展過程，除了促進社會經濟發(fā)展，還可以促進社會文明的進步，然而在城市化高速發(fā)展階段，隨著經濟高速發(fā)展、人口急劇增長和城市快速擴張，環(huán)境污染、資源短缺、交通擁擠、洪澇災害等問題卻相繼出現，從而給城市發(fā)展帶來了嚴重的負面影響，城市人居環(huán)境質量下降，所有這些問題的出現已經成為制約城市健康發(fā)展的重要因素［1-4］，也將成為我國今后建設小康社會、實現區(qū)域可持續(xù)發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)［5-6］。城市化進程中所出現的各種生態(tài)環(huán)境問題，實質上與城市景觀格局的人為干擾密切相關，城市化過程中將原本適宜區(qū)域生態(tài)環(huán)境的自然、半自然景觀改造為不透水面景觀，其結果是不僅影響了城市地表的熱環(huán)境與熱通量特征，也造成城市地表和地下水文過程被阻隔，導致城市生態(tài)系統(tǒng)功能的退化。隨著人口增長、經濟發(fā)展和城市化擴張，人類對建設用地的需求還將持續(xù)增長，城市景觀格局還將受到日以增強的干擾，系統(tǒng)研究城市化發(fā)展對景觀格局及其生態(tài)環(huán)境的影響，評價城市生態(tài)用地的服務功效［7-10］，將景觀格局演變與城市熱島效應、面源污染和城市洪澇災害的形成機理相聯(lián)系，探討不同城市功能區(qū)生態(tài)空間優(yōu)化模式，對于城市健康發(fā)展與區(qū)域生態(tài)安全具有重要意義。

1 國內外研究現狀與特點

城市人口大量增加和工業(yè)生產規(guī)?；?，直接導致城市景觀格局發(fā)生變化。城市景觀格局演變的生態(tài)環(huán)境效應涉及到多個方面，如城市熱島效應、大氣環(huán)境效應、水環(huán)境效應、生態(tài)服務效應、生態(tài)用地流失和區(qū)域生態(tài)安全［4-5，11-17］。

1.1 城市化過程對景觀格局演變的影響

城市化進程突出表現在不透水地面增加、綠地和水體景觀減少、景觀破碎和離散化等［10，18-19］，由此引起了景觀格局的變化?，F有研究主要集中在三個方面:(1)利用樣帶分析和景觀格局指數定量研究城市化過程對景觀格局演變的影響［20-23］。此類研究多在城市區(qū)域選擇典型樣帶，基于遙感影像解譯與景觀制圖分析，利用Fragstats景觀統(tǒng)計模型，比較不同時期景觀格局指數的差異，并基于統(tǒng)計方法分析城市景觀格局變化的影響因子，從而重構城市化發(fā)展的空間遞推性和時間延續(xù)性的過程。(2)城市景觀格局演變與城市形態(tài)擴展研究［24-25］。城市空間形態(tài)擴展必然引起景觀格局的演變，這一方面國內外已經開展了許多研究，并將城市景觀格局演變與城市空間擴展模式相結合，根據城市擴展和道路、建設用地的鄰接關系，可以將城市擴展歸納為填充型、外延型和獨立型三種發(fā)展模式［26］。也有學者給出了其他的城市景觀演變模式，如劉珍環(huán)等［18］研究認為深圳地表景觀格局1990—2005年經歷了分散—單中心聚集—多中心分散—多中心聚集的演變過程。(3)城市空間擴展的約束因素與空間脅迫機制研究［3，26-28］。城市化過程中，人類活動對土地資源的干擾往往表現為從低緩平原向高海拔陡峻山地遞減的趨勢［29］，并且不同用地類型在城市化過程中所受到的空間脅迫不同，城市擴張既受到了空間可達性的約束，也受到社會經濟因素的影響，如人口、經濟、土地政策等［30］。隨著城市土地資源日益趨緊和社會經濟水平提高，城市景觀格局演變將更加復雜化，由此帶來的生態(tài)環(huán)境影響將會更為突出。

1.2 城市景觀格局演變的熱島效應

城市熱島效應是城市人口聚集和景觀格局演變的最直接的結果，是絕大多數城市共有的微氣候特征，將會影響到城市生態(tài)系統(tǒng)功能和人居環(huán)境健康［31-33］。國內外學者運用地表溫度，開展了許多緩解城市熱島、改善城市熱環(huán)境的研究。一般認為，反映城市綠地覆蓋程度的NDVI指數與反映熱島效應的地表輻射溫度LST之間存在著明顯的負相關關系［34-35］。城市綠地和水體具有明顯的“恒溫效應”和“綠洲效應”，在熱量和水分方面對周邊小氣候環(huán)境進行調節(jié)，城市綠地覆蓋率越高，降溫效應越明顯，不透水面比例提高會增強城市熱島效應［36-37］。近年來，除了探討城市景觀類型和比例的影響外，城市景觀格局與地表熱環(huán)境的定量關系研究逐漸得到重視，并成為指導城市景觀設計和規(guī)劃的重要依據。研究表明，在綠地覆蓋率相當情況下，大斑塊綠地降溫效應明顯高于小斑塊綠地［16，38］，但是綠地和水體對氣溫的調節(jié)作用往往存在一個閾值，只有在該閾值范圍內的景觀才能發(fā)揮出最大的氣溫調節(jié)功能［19，39］，而且綠地和水體斑塊的形狀也會影響熱島效應的強弱［40-41］。一些研究也發(fā)現城市景觀的空間位置及其空間鄰接關系也會對熱島效應產生顯著影響［6，33］。

1.3 城市景觀格局演變的大氣環(huán)境效應

除了熱島效應外，城市化也是造成大氣污染的重要原因，而城市景觀格局與大氣污染有著密切的聯(lián)系。嚴格意義上，城市大氣污染主要是由于城市內廠礦廢氣排放、汽車尾氣排放、建筑工地揚塵等引起，也與城市景觀格局的演變緊密相關，尤其是城市建設用地和綠地公園的空間布局對城市大氣污染具有重要影響。目前許多工作研究了城市綠地在緩解城市大氣污染和城市固體顆粒物方面的作用。研究表明，城市景觀中綠地斑塊平均面積越大、破碎度指數越低，則其對大氣污染凈化的作用越大［42］。大氣污染削減率因人口密度、產業(yè)分布、景觀格局(水平結構、異質性、連通性等特征)的不同而有所差異［43］。城市中綠地的空間分布對改善城市大氣污染，尤其是城市固體顆粒物濃度、空氣環(huán)境質量方面均具有較好的效果。概括起來有以下特點:(1)城市綠地及其空間布局對城市大氣污染物的吸收與降解作用;(2)城市綠地在滯塵方面的作用;(3)城市綠地及其空間布局對城市大氣環(huán)境微生物的調節(jié)作用。但是對于城市景觀格局演變與大氣灰霾效應之間的關系研究的不多。

1.4 城市景觀格局演變的水環(huán)境效應

城市景觀格局演變的水環(huán)境效應主要表現在兩個方面。

(1)水文效應，即城市土地利用/覆被變化對徑流量、徑流歷時及最大洪峰等水文指標的影響［17，44］。城市不透水面的增加成為影響城市水文過程的重要因素，不僅能夠隔離地表水下滲，還將切斷城市地表水與地下水之間的水文聯(lián)系［4］。此外，城市化過程還會通過改變地表覆被狀況，對城市水文循環(huán)產生間接影響，主要表現為水文循環(huán)過程中對豎向的蒸散發(fā)與下滲以及橫向的地表徑流與壤中流等水文過程的影響。不透水表面增加的水文效應主要表現為短時間內增大降雨的徑流量，長時間內增加洪水頻率和徑流總量［15］，由此導致城市地表漬水與洪澇災害的發(fā)生。土地利用/土地覆被格局對城市暴雨洪水過程的影響得到了較多關注［4，45］，研究發(fā)現降雨本身并不是洪澇災害日趨嚴重的主要原因，而以城鎮(zhèn)用地的大量增加、生態(tài)用地和農業(yè)用地的大面積減少為主要特征的快速城市化過程成為城市洪澇災害爆發(fā)的主因［45］。

(2)面源污染效應，指城市不同土地利用/覆被類型的污染物輸出效應［15，46-47］。城市化過程導致城市面源污染的加劇受到學者們的關注［48-49］，一般認為，農村居民地、城市居民地、商業(yè)用地和工業(yè)用地等用地類型是城市湖泊非點源污染的主要源區(qū)［50］，而街塵是城市面源污染的一個重要來源［51］，同時道路地表徑流污染程度與交通流量也呈正相關關系。非點源污染模型是近年來發(fā)展比較快的技術手段，比較著名的模型包括AGNPS、ANSWERS、MIKE-SHE、SWAT、HSPF、SPARROW 等［52-53］。然而，現有模型的結構、適用尺度、側重的水文過程具有差異，模型精度很大程度上取決于數據質量，在一些缺乏數據的流域模擬中受到很大限制。景觀格局時空特征與非點源污染具有密切的聯(lián)系，利用景觀格局指數評價非點源污染也是一個重要的技術手段。此外，探索無資料和不完全信息下城市非點源污染的模擬和預測，加強城市非點源污染隨機性模型的研究正逐漸得到重視。

1.5 城市景觀格局演變的生態(tài)服務效應

隨著城市化快速發(fā)展和居民生活水平的不斷提高，改善人居環(huán)境成為迫切需求，城市景觀格局演變的生態(tài)服務效應逐漸引起關注，尤其是城市生態(tài)用地的服務價值［7，9-10］。李鋒等［7］評估了常州市區(qū)15年來城市景觀格局和生態(tài)用地改變的演變特征，發(fā)現城市景觀格局演變與生態(tài)系統(tǒng)服務之間存在著密切相關性;城市化過程會導致生態(tài)系統(tǒng)服務功能下降，使得建成區(qū)成為生態(tài)系統(tǒng)服務功能密度的低值區(qū)［8］。城市綠地景觀在改善城市環(huán)境質量、提高人居環(huán)境舒適度方面起到了重要作用［10，33］，但如何通過合理設置生態(tài)用地，有效提高城市生態(tài)服務功能和保障城市生態(tài)安全，目前仍缺乏深入而又系統(tǒng)的研究。生物多樣性維持是生態(tài)服務的重要內容，隨著全球特別是發(fā)展中國家城市化水平的提高，城市化對生物多樣性的影響引起了人們的重視［54］，但認識尚不統(tǒng)一。譬如，有學者認為，城市化過程中生物多樣性受到了嚴重影響，主要表現在人工外來物種的增加和自然物種的減少。在空間分布上，城市化常使城區(qū)本土植物多樣性沿著遠郊農區(qū)-城郊-城區(qū)梯度性下降;但由于大量外來物種引入，總體植物多樣性反而升高［55］。而另有研究則認為，盡管城市化會對城市生物多樣性帶來影響，但不會改變地帶性物種的群落特征［54］，在一定程度上會導致植物群落季相的變化［57］。因而，如何更為科學合理地評估城市景觀格局演變對生物多樣性的影響，以及城市植物群落結構和季相變化對城市生態(tài)功能的影響，成為當前需要重視的課題。

1.6 城市生態(tài)用地與城市生態(tài)安全

隨著社會經濟發(fā)展、人口急劇增長和城市擴張，生態(tài)用地在不斷流失，如何通過城市生態(tài)用地的合理規(guī)劃與設置，探討控制城市環(huán)境災害發(fā)生，實現城市生態(tài)安全是目前大家關注的熱點［11，13］。在城市化水平不斷提高背景下，以城鎮(zhèn)用地大面積增加、生態(tài)用地和農業(yè)用地大面積流失為特點的城市化過程，對暴雨徑流和洪水過程產生了顯著影響，使得最大洪峰流量和洪量加大，匯流時間縮短。在土地資源有限而城市擴張迅猛、面臨發(fā)展與保護雙重壓力下，科學判別和界定城市擴張背后的生態(tài)用地底線并給予合理保護，最終建立科學合理的生態(tài)空間，對于城市生態(tài)系統(tǒng)健康和可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和現實意義［12］。城市生態(tài)用地集成了多種生態(tài)功能，也是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和區(qū)域生態(tài)安全的重要保障［5］。俞孔堅等［13］從土地的地表屬性和空間屬性兩個方面，界定了生態(tài)用地的內涵，并以北京市為例，模擬了北京城鎮(zhèn)格局擴張的生態(tài)環(huán)境效應，指出了北京基于“低水平生態(tài)安全格局”的城鎮(zhèn)發(fā)展格局，以及所需要的生態(tài)用地底線［57］。

利用景觀空間模型對景觀格局進行優(yōu)化并實現生態(tài)用地科學管理是近年來一個重要的發(fā)展趨勢。除了利用元胞自動機等模型外，已開發(fā)的景觀優(yōu)化模型還有很多，比如PLM(Patuxent Landscape Model)景觀模型，能夠闡明不同管理和氣候情景下流域的生態(tài)效應［58］;InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)用于計算生態(tài)系統(tǒng)服務的生物物理量和價值量，可為生態(tài)系統(tǒng)服務的建模和決策提供支持;GUMBO(Global Unified Metamodel of the Biosphere)模型是第一個包括動態(tài)地球系統(tǒng)內部人類技術、經濟生產和福利以及生態(tài)系統(tǒng)物品和服務之間動態(tài)反饋的全球模型［59］。模型研究的優(yōu)勢是可以融合多源空間信息，并結合生態(tài)系統(tǒng)服務評估，為生態(tài)用地規(guī)劃、管理與生態(tài)空間優(yōu)化提供決策支持。

2 現有研究中存在的問題與不足

縱觀目前在城市景觀格局演變及其環(huán)境效應方面的研究，還存在以下問題和不足。

(1)重視城市化過程影響景觀格局演變的量化研究，缺乏對格局演變的生態(tài)學意義解釋?，F有研究中，城市化對景觀格局演變的影響得到了廣泛的關注，并已經開展了大量的工作，但所有這些研究均將重點放在城市化過程中景觀格局演變的定量化方面，常常是基于不同時期遙感影像的土地利用解譯結果，通過選取一些景觀格局指數，定量分析城市景觀格局的演變特征以及與城市化過程的關系，如此的研究結果常常與選擇的遙感影像時段及季相密切相關，景觀格局演變對生態(tài)環(huán)境及其區(qū)域生態(tài)安全的影響到底如何［11-12，60］，往往缺乏深入探討;與此同時，對于不同地區(qū)城市發(fā)展過程中景觀空間擴展的最佳布局重視不夠。

(2)重視城市景觀格局演變與熱島效應的定量關系研究，但缺乏對于景觀格局影響熱島效應的機理研究。城市景觀格局演變與熱島效應雖然得到了廣泛的關注，但許多工作多局限于兩者之間定量關系的數理統(tǒng)計分析，尤其是重視城市不透水面/綠地景觀所占比例與城市熱島效應之間的關系，對于景觀格局影響城市熱環(huán)境的機理缺乏深入研究。如，不同景觀類型的斑塊大小、形狀、空間鄰接關系如何影響城市地表的顯熱、潛熱、蒸散發(fā)過程，以及對地表反照率的影響等等，缺乏深入的探討［33］，導致無法給出較為系統(tǒng)和定量的結論，這也使得現有研究難以直接指導城市規(guī)劃與景觀設計，從而減緩城市熱島效應。

(3)重視對城市景觀格局演變的環(huán)境影響的單方面研究，缺乏從生態(tài)安全角度開展綜合性研究。城市景觀格局演變的生態(tài)環(huán)境效應除了熱島效應外，還包括多個方面，如城市景觀格局演變對水文、水環(huán)境、大氣環(huán)境、土壤質量、生物多樣性等方面，由此會帶來大氣灰霾效應、城市面源污染和洪澇災害效應，從而導致城市生態(tài)系統(tǒng)功能和人居環(huán)境質量的下降。目前對于城市景觀格避演變的生態(tài)環(huán)境影響從不同方面開展了大量的研究，但將所有生態(tài)環(huán)境效應綜合在一起開展研究相對較少。城市綠地景觀在改善城市環(huán)境質量、提高人居環(huán)境舒適度方面起到了重要作用［10，33，52］，但如何通過合理設置生態(tài)用地，有效提高城市生態(tài)服務功能和保障城市生態(tài)安全，目前仍缺乏深入而又系統(tǒng)的研究。為此，一些學者建議通過提高城市雨水利用效率來降低城市洪水發(fā)生概率，進而規(guī)避可能出現的洪澇風險［61］，但如何通過城市景觀優(yōu)化布局，既不影響城市的空間發(fā)展，也可以提高降水利用效率，同時可以控制城市面源污染和洪澇災害發(fā)生，目前尚缺乏成熟的模式和方法。這也就需要從城市綠地景觀規(guī)劃到城市生態(tài)景觀規(guī)劃的轉變，需要重點解決區(qū)域整體的生態(tài)系統(tǒng)服務價值的最大化，不能為了達到某種視覺效果或藝術追求，甚至特定生態(tài)功能，而損害城市生態(tài)系統(tǒng)的其它服務價值，讓整體生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮最大的生態(tài)價值是城市生態(tài)景觀規(guī)劃設計的關鍵技術［62］。

3 研究展望

城市化將成為我國未來相當長一段時間內發(fā)展的必然趨勢，其對城市景觀格局演變的影響，以及由此帶來的城市熱島效應、大氣灰霾效應、水環(huán)境效應、生態(tài)服務效應、生態(tài)用地流失和區(qū)域生態(tài)安全等將成為學術界、管理者和公眾關注的熱點問題。如何及時解決城市景觀格局演變帶來的生態(tài)環(huán)境問題迫在眉睫。

(1)綜合類型、結構和格局多層次景觀信息，研究城市景觀格局演變的生態(tài)環(huán)境效應，探討城市未來的研究重點將包括三個方面。環(huán)境問題形成的機理。城市化發(fā)展過程中出現的所有問題均與城市土地利用結構的改變和景觀格局演變密切相關。為了解決問題，首先需要解剖清楚城市景觀格局演變對各種生態(tài)環(huán)境的影響，找到城市生態(tài)環(huán)境問題形成的根源;與此同時，隨著國民經濟發(fā)展和人類生活水平提高，人們對居住環(huán)境的要求愈來愈高，如何提高城市生態(tài)系統(tǒng)的質量也成為廣大民眾關注的課題。闡明景觀格局演變的環(huán)境效應將是解決城市環(huán)境問題、提高人居環(huán)境質量的基礎。因此，基于景觀類型，定量研究斑塊類型、形狀、大小與地表氣溫、地表徑流、水環(huán)境、大氣環(huán)境和生物多樣性之間的關系;從景觀結構，定量研究不同功能區(qū)景觀類型空間鄰接關系和配置對地表熱環(huán)境、水環(huán)境、大氣環(huán)境等的影響;從景觀格局角度，定量研究城市景觀格局在減緩城市熱島效應、洪澇災害、面源污染、大氣灰霾效應等方面的作用，將是未來的一個發(fā)展方向。

(2)集成景觀斑塊和城市功能區(qū)等多尺度信息，研究城市景觀格局演變的生態(tài)環(huán)境效應的尺度差異。由于景觀格局和生態(tài)過程涉及到不同的研究尺度，并且隨著尺度的變化而變化，使得定量描述景觀格局與生態(tài)過程之間的關系，成為目前景觀生態(tài)學研究的一個熱點和難點。不同尺度的研究需要從觀測技術、數據資料、分析方法等方面進行設計和保障。景觀斑塊尺度研究可以揭示景觀類型、結構等特征對環(huán)境效應的影響，而城市功能區(qū)則包含了多種景觀要素，形成具有特定社會經濟功能的區(qū)域，對其格局和環(huán)境效應的研究能反映不同景觀要素的綜合影響，并可以更好的為城市管理和規(guī)劃服務。

(3)融合城市空間擴展與生態(tài)服務評估模型，建立基于城市生態(tài)空間擴展與優(yōu)化決策模型，探討城市生態(tài)空間優(yōu)化模式與安全格局。隨著城市化發(fā)展對土地資源需求的持續(xù)增加，可用于城市生態(tài)服務的土地資源越來越少，但為了實現城市生態(tài)系統(tǒng)的健康和區(qū)域生態(tài)安全，必須保障最基本的城市生態(tài)用地，來滿足城市生態(tài)服務的需求。這不僅涉及到生態(tài)用地的數量，也涉及到生態(tài)用地的空間分布及其配置關系，因此，開展城市景觀格局演變的環(huán)境效應研究，探討城市生態(tài)空間擴展與優(yōu)化的模式和方法，將成為實現城市快速發(fā)展與生態(tài)安全雙贏的重要保障?；诔鞘锌臻g擴展模型可以系統(tǒng)分析城市景觀格局演變的趨勢，基于生態(tài)服務模型可以揭示生態(tài)用地流失和景觀格局演變對區(qū)域生態(tài)服務和安全格局的影響，通過構建城市生態(tài)空間優(yōu)化決策模型，探討不同類型城市功能區(qū)生態(tài)用地適宜模式與城市生態(tài)安全格局，基于模型模擬結果的直觀顯示可以更好地指導城市景觀規(guī)劃與可持續(xù)發(fā)展，避免城市發(fā)展過程的盲目性。

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