區(qū)域綠地主要生態(tài)功能研究進展

丁 宇，張 雷

(1.北京交通大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院，北京 100044；2.中國科學(xué)院 地理與資源研究所，中國科學(xué)院 區(qū)域可持續(xù)發(fā)展分析與模擬重點實驗室，北京 100101)

綠地作為土地的一種利用形式，其稀缺性和重要作用正日益凸顯[1-2]。隨著我國城市化進程的加快，城市群成為新型城鎮(zhèn)化的主體形態(tài)。傳統(tǒng)的城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃難以適應(yīng)大都市區(qū)地域變化帶來的生態(tài)保護要求，使原本脆弱的生態(tài)環(huán)境更加惡化。許多世界級城市群盡管各自的發(fā)展模式不同，但在維系生態(tài)系統(tǒng)安全、建設(shè)區(qū)域綠色基礎(chǔ)設(shè)施方面存在許多共同點。倫敦、巴黎、紐約、東京等城市很早即開始探索通過綠帶、森林圍城、區(qū)域性綠道網(wǎng)絡(luò)等規(guī)劃，強化景觀生態(tài)過程與格局的連續(xù)性與完整性，提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，同時控制城市蔓延擴張[3-5]。區(qū)域綠地對環(huán)境改善的重要性已獲得廣泛共識，成為生態(tài)學(xué)、區(qū)域規(guī)劃、土地利用以及環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科研究的熱點[6-7]。區(qū)域綠地在空氣污染削減、水土保持和生物多樣性保護3方面生態(tài)功能的研究較多、方法較為成熟，而且城市化過程、景觀格局對于這些生態(tài)功能的影響更為顯著[8-12]。該文總結(jié)了國內(nèi)外區(qū)域綠地三大生態(tài)功能的研究進展，分析目前研究的重點和難點，為以后進一步研究提供參考依據(jù)。

1 區(qū)域綠地內(nèi)涵

1.1 區(qū)域綠地概念

綠地是自然生態(tài)系統(tǒng)的組成部分之一，各國學(xué)術(shù)研究對它的定義有著不同的解釋。西方國家一般不提綠地的概念，而是用綠色開敞空間(open space,OS)、綠道(green belt,GB)和綠色基礎(chǔ)設(shè)施(green infrastructure，GI)等相似或相關(guān)的概念，本文對這些概念的內(nèi)涵、起源、關(guān)注點進行了分析[13-15]，以便更好地了解區(qū)域綠地內(nèi)涵(表1)。具體來看，西方國家不區(qū)分城市綠地與區(qū)域綠地，而是強調(diào)綠地的自然屬性和空間的開放性。我國綠地在生態(tài)學(xué)、國土資源管理領(lǐng)域采用《辭?！分械尼屃x，即“綠地是生長植物的土地，不論是自然植被或人工栽培的，包括農(nóng)林牧生產(chǎn)用地及園林用地”[16]。而城市規(guī)劃、園林綠化領(lǐng)域綠地通常指的就是城市綠地。尤其是2002年《城市綠地分類標準》(CJJ/T85-2002)出臺，城市綠地的概念、分類和保護被提升到國家整體綠化管理的進程。該標準將城市綠地限定在城市建設(shè)用地范圍內(nèi)，以自然植被和人工植被為主要存在形態(tài)的城市用地，包括5大類，13個中類和11個小類，突出綠地為居民提供綠化環(huán)境和良好的戶外游憩場所的主要功能[17]。與之相比，區(qū)域綠地目前還沒有全國統(tǒng)一的、公認的概念。有學(xué)者參照歐美綠地相關(guān)概念，提出區(qū)域綠地是保護和發(fā)展自然生態(tài)綠地、綠色廊道、大型園林綠地等多樣化的綠地類型，為了達到生態(tài)、娛樂、景觀等多樣化的改善目標[18]。也有學(xué)者提出區(qū)域綠地是將城市綠地系統(tǒng)延伸到市域或區(qū)域整體，構(gòu)建城鄉(xiāng)一體化生態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)[19-20]。在規(guī)劃實踐中，廣東省探索編制了《廣東省區(qū)域綠地規(guī)劃指引(2003)》，其中的區(qū)域綠地是指在一定區(qū)域劃定，實行長久性嚴格保護和限制開發(fā)的，具有重大自然、人文價值和區(qū)域性影響的綠色開敞空間。該定義是以“生態(tài)控制線”界定區(qū)域綠地空間范圍和管理邊界，同時提出區(qū)域綠地的主要價值[21]。長三角國家森林城市規(guī)劃、珠三角綠道規(guī)劃也將區(qū)域綠地以“綠線”形式納入?yún)^(qū)域發(fā)展規(guī)劃[22-23]。寬泛來講，區(qū)域綠地是通過保護一定比例的生態(tài)用地，包括林地、草地、未利用土地等，構(gòu)建整體聯(lián)接、安全穩(wěn)定的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，從而達到對特定生態(tài)過程的有效調(diào)控，切實保障區(qū)域生態(tài)安全，促進可持續(xù)發(fā)展。

表1 綠地相關(guān)概念辨析

1.2 區(qū)域綠地構(gòu)成

與城市綠地相比，區(qū)域綠地具有明顯的結(jié)構(gòu)、功能特征(表2)。區(qū)域綠地具有鮮明的自然屬性，一般位于城市建成區(qū)外圍，覆蓋面大，“成規(guī)?！钡?、“連續(xù)的”且受人類干擾較小的森林、草地等自然或半自然生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)意義和環(huán)境效益突出，是整個城市和區(qū)域的生態(tài)支柱。借鑒國內(nèi)外大都市區(qū)綠帶、區(qū)域綠道、森林城市等標準，確定區(qū)域綠地包括以下5大類：1)重要生態(tài)功能區(qū)，包括國家森林公園、自然保護區(qū)、江河干流及一級支流的防護林、重要水源地的水源涵養(yǎng)林、集中成片的基本農(nóng)田保護區(qū)等；2)具有生態(tài)調(diào)節(jié)功能區(qū)的綠地，包括生態(tài)公益林、沿海防護基干林帶內(nèi)的林地、濕地緩沖區(qū)綠地、土壤侵蝕防護區(qū)綠地、自然災(zāi)害防護綠地等；3)具有維護區(qū)域生態(tài)平衡的綠地，包括風(fēng)景名勝區(qū)綠地、城市郊野公園、基礎(chǔ)設(shè)施隔離帶、維護生態(tài)系統(tǒng)完整性的生態(tài)廊道和綠地；4)保障主要林產(chǎn)品生產(chǎn)基地建設(shè)的綠地，包括木本糧油林、優(yōu)質(zhì)用材林、生物質(zhì)能源林等；5)其他特定范圍內(nèi)唯一的或具有較高資源稀缺性的開敞空間，比如地質(zhì)地貌景觀區(qū)、傳統(tǒng)風(fēng)貌地區(qū)綠地。

1.3 區(qū)域綠地主要功能

聯(lián)合國環(huán)境署注意到洪水控制、氣候調(diào)節(jié)等問題與自然生態(tài)系統(tǒng)惡化密切相關(guān)，是最早討論區(qū)域綠地生態(tài)功能的機構(gòu)[24]。區(qū)域綠地通過植被的光合作用、吸收作用、隔離阻擋作用、蒸騰作用等改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境[25]。本文對區(qū)域綠地主要功能研究進行匯總，包括生態(tài)功能、生產(chǎn)功能、防護緩沖功能、休閑功能、附屬功能等(圖1)。其中生態(tài)功能關(guān)乎區(qū)域生態(tài)安全，具體功能包括涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、緩解溫室效應(yīng)、吸塵降噪、提供野生生物棲息地和遷徙廊道、保護生物多樣性等作用。其他功能滿足生產(chǎn)生活需求，包括了部分農(nóng)田、果園、魚塘、商品林等用地，提供農(nóng)林產(chǎn)品，也可為城鄉(xiāng)居民回歸大自然，開展各種休閑活動提供有益的場所。

表2 城市綠地與區(qū)域綠地主要特征的比較

圖1 區(qū)域綠地生態(tài)功能

2 區(qū)域綠地主要生態(tài)功能研究進展

2.1 區(qū)域綠地與生物多樣性保護

保護生物學(xué)認為自然棲息地是維系生物多樣性的關(guān)鍵。生物多樣性對于綠量增加的敏感性較差，更依賴具有重要生態(tài)價值的棲息地，尤其是功能群落的豐富度和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的效率[26]。生態(tài)學(xué)將林地面積、林地與最近山體的距離作為物種豐富度的重要指標，林地中公益林和天然次生林的比重、林齡結(jié)構(gòu)以及外來物種可以反映棲息地的質(zhì)量[27-28]。M.Buching[29](1999)對歐洲森林生物多樣性保護的研究表明，自然保護區(qū)最小適宜的面積為森林面積的1%～5%，以保證受保護對象的基因流動和種群完整。生物量是衡量生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力及固碳釋氧能力的重要指標，楊昆[30]等(2007)、陳玉娟[31]等(2006)對華南地區(qū)的研究表明，珠三角森林林分生物量占整個區(qū)域植被生物量的89%，其中馬尾松林和常綠闊葉林是森林生物量的主體。大規(guī)模森林采伐、濕地改造及外來物種引入會導(dǎo)致生物量改變，在很大程度上影響了生態(tài)系統(tǒng)類型及區(qū)域碳氧平衡[32-33]。常青[34](2008)在景觀水平和類型水平上的研究發(fā)現(xiàn)，在中心到城市外圍圈層受城市化和地形約束，綠地景觀多樣性降低而優(yōu)勢度高，說明人類活動已成為決定這一地區(qū)生物多樣性分布格局的主導(dǎo)因子。

2.2 區(qū)域綠地與空氣污染的削減

綠地改善空氣質(zhì)量主要通過蒸騰作用降低溫度，影響混合層高度和建筑物能源排放，吸收CO2影響區(qū)域氣候變化[6,35-36]。綠地的削減效應(yīng)因不同的自然條件、土地利用及社會經(jīng)濟變量的差異而呈現(xiàn)顯著的空間異質(zhì)性[37]。B.World[38](1997)提出以土地利用強度變化分析不同規(guī)模綠地削減污染的空間異質(zhì)性特征。F.J.Escobedo[39](2004)認為區(qū)域尺度跨界污染過程復(fù)雜，綠地的削減污染效應(yīng)也與氣候變化、碳貯藏等宏觀議題緊密相關(guān)，應(yīng)該促進區(qū)域合作，加強生態(tài)系統(tǒng)管理。

綠地削減大氣污染效果缺乏定量研究。一般認為綠地層次越豐富、綠量越大，大氣凈化效果越好[40-41]。葉面積指數(shù)(LAI)綠地垂直結(jié)構(gòu)的一個重要參數(shù)，常被用于干沉降模型進行模擬分析。美國芝加哥研究了1991-1995年干沉積通量變化，提出保持或增加森林覆蓋率有益于空氣質(zhì)量改善和公共健康[42]。方精云[43]等(2015)研究發(fā)現(xiàn)，近30 a來我國森林生物量碳匯達1 896 Tg C(Tg C=1 012 g C)，對化石燃料碳排放具有顯著的抵消作用。丁宇[44]等(2011)對大珠三角地區(qū)的研究表明，區(qū)域綠地對SO2、NO2、PM10的削減率分別為1.3%、0.7%和4.1%，生物多樣性、植被垂直結(jié)構(gòu)和景觀格局對大氣污染削減的影響非常突出。但是多數(shù)研究缺少實驗觀測數(shù)據(jù)，尚不能深入分析出森林物種結(jié)構(gòu)和組成、斑塊類型對大氣凈化的影響。

2.3 區(qū)域綠地與水土保持

綠地景觀格局對水土流失的影響往往在區(qū)域/流域尺度更為顯著。大量研究表明植被是土壤侵蝕的重要影響因素，主要包括植被覆蓋度、植被類型、植被結(jié)構(gòu)、植被根系等。坡面尺度的試驗觀測結(jié)果具有局限性，區(qū)域尺度植被與水文環(huán)境的關(guān)系受到氣候、地貌特征、經(jīng)濟活動等影響非常復(fù)雜，構(gòu)建反映徑流和泥沙輸移過程的景觀、格局指數(shù)是大尺度研究的發(fā)展方向，尺度轉(zhuǎn)換仍是重要的手段[45-48]。M.A.Fullen[49](1998)在英國布設(shè)10個徑流觀測小區(qū)，用以分析草地對土壤有機質(zhì)的影響，結(jié)果表明，隨著草地覆蓋率的增加，侵蝕速率不斷下降。范志平[50]等(2000)以廣州市流溪河林場為研究對象，發(fā)現(xiàn)當林場森林覆蓋率超過70%，平均每公頃林地蓄水能力可達1 436～2 104 m3。日本森林水文學(xué)家野秀章認為，連續(xù)降水量超過400 mm時，森林對洪水的調(diào)節(jié)作用基本消失[51]。珠三角的相關(guān)研究表明處于演替中的多層次、多種類、復(fù)合森林結(jié)構(gòu)具有更好的水文效應(yīng)，針闊葉混交林年林冠截留率達28.24%，明顯大于馬尾松純林(17.18%)和季風(fēng)常綠闊葉林林冠截留率(24.7%)，同時，森林>灌叢>草地，復(fù)層混交林>單層純林，純林模式>農(nóng)林復(fù)合模式>農(nóng)業(yè)模式[51-52]。

3 區(qū)域綠地生態(tài)功能研究的重點難點

3.1 生態(tài)功能的時空尺度特征

生態(tài)過程通常在特定的時空尺度上表現(xiàn)的最為強烈、最易觀測，或者是在特定的時空尺度上產(chǎn)生顯著的作用效果。相同的生態(tài)過程隨著評估尺度的逐漸增大，在不同地方完全共享的生態(tài)功能類型逐漸減少。一旦采用了區(qū)域尺度，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究面臨的關(guān)鍵問題是我們需要知道綠地服務(wù)的對象是誰。比如氣候調(diào)節(jié)、碳固定往往作用范圍是國際、國家。生物多樣性保護、水土保持、污染削減往往作用于區(qū)域或城市之間，而休閑游憩、降低城市熱島效益等主要作用于城市內(nèi)部。某些生態(tài)功能依賴于關(guān)鍵性綠地斑塊及其間聯(lián)系實現(xiàn)，如生物多樣性保護、水土保持等；有些生態(tài)功能則主要由城市內(nèi)部綠地的可達性和連續(xù)性實現(xiàn)，如休閑娛樂、氣溫調(diào)節(jié)等。

由于作用于區(qū)域尺度上的生態(tài)過程通常也與其他尺度上的生態(tài)因素、社會因素和政治因素等有關(guān)，模型的選用、對策分析也會產(chǎn)生一系列復(fù)雜的尺度問題，如生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價的模型中的宏觀性與參數(shù)設(shè)定的微觀性就是一對矛盾[53]。基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究積累不足以及參數(shù)確定過程中的繁瑣性和邏輯關(guān)系的復(fù)雜性將是相關(guān)研究工作的最大技術(shù)障礙[54]。此外，尺度還與變異性、可預(yù)測性有關(guān)。小尺度事件比大尺度事件具有更大的變異性，從而使得大尺度上的格局更具有可預(yù)測性[55]。因此，區(qū)域綠地生態(tài)功能跨尺度權(quán)衡是解決關(guān)鍵問題的關(guān)鍵。

3.2 景觀格局與生態(tài)過程的關(guān)系

景觀格局反映了各種生態(tài)過程在不同空間尺度上相互作用的結(jié)果，同時又決定了各種自然環(huán)境因子在空間上的分布和組合，從而制約生態(tài)過程。景觀格局的動態(tài)變化源自兩個主要的生態(tài)學(xué)思想：生態(tài)演替和人為干擾。保護生物學(xué)的“面積效應(yīng)”、“距離效應(yīng)”均提出為了避免生境破碎化造成生態(tài)孤島，自然棲息地應(yīng)該有足夠的面積去抵抗或承受不同干擾的影響[56-57]。生態(tài)功能不僅僅由內(nèi)部物質(zhì)、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和能量流動驅(qū)動著，而且受到邊界及鄰接區(qū)域的物種和物質(zhì)流動影響[58-59]。研究表明，在一定的森林覆蓋率保證種群—面積動態(tài)條件下，生態(tài)交錯帶與鄰近系統(tǒng)的相互作用及聯(lián)系成為生物多樣性保護的關(guān)鍵[60]。尤其是當森林覆蓋率低于40%時，景觀連接度和植被垂直結(jié)構(gòu)對于區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的影響遠遠大于綠地面積[61]。復(fù)合種群理論也提出增大斑塊面積、增加生境斑塊數(shù)量、減少斑塊間障礙能有效影響種群遷移和異質(zhì)種群的穩(wěn)定性，提高復(fù)合種群的生存機會[62-63]。例如，對于森林生態(tài)系統(tǒng)而言，湖泊生態(tài)系統(tǒng)的鄰接將增加其生態(tài)功能，而若鄰接荒漠生態(tài)系統(tǒng)會降低其生態(tài)功能[64]。

土地利用變化不僅改變地表覆被，而且改變生態(tài)景觀的時空布局，進而對于群落演替、群落結(jié)構(gòu)及生物生產(chǎn)力等方面產(chǎn)生影響。如何利用鄰接性有效地保障某些關(guān)鍵性生態(tài)斑塊，是景觀實體與生態(tài)功能結(jié)合的橋梁[65-66]。目前，生態(tài)安全格局的構(gòu)建多采用權(quán)重法進行不同生態(tài)過程的耦合，但不同生態(tài)過程之間存在相互作用，其與整體生態(tài)功能的耦合關(guān)聯(lián)可能大相迥異[67]，有必要深入解析不同生態(tài)過程的耦合關(guān)聯(lián)和保護機理。

3.3 區(qū)域綠地生態(tài)功能的科學(xué)評估

綠地生態(tài)功能評價是近年來區(qū)域可持續(xù)性評價的重要內(nèi)容[68]。可持續(xù)發(fā)展評價的研究手段多采用環(huán)境近似調(diào)整的國內(nèi)生產(chǎn)凈值、基于生態(tài)學(xué)的生態(tài)足跡模擬、基于社會政治學(xué)的可持續(xù)經(jīng)濟福利指數(shù)[69]。這些方法只體現(xiàn)了評價模型外在表現(xiàn)形式上的差異，難以反映土地利用變化改變的生態(tài)過程。大尺度和多尺度的生態(tài)過程因其復(fù)雜性和抽象性，一般以物種多樣性或綠量指標體系來評價生態(tài)系統(tǒng)健康情況。唐繼剛[70](2008)提出對于綠量變化速度敏感性高的生態(tài)功能應(yīng)該優(yōu)先提升。彭建[71]等(2017)也認為生態(tài)系統(tǒng)健康需要“劑量-效應(yīng)關(guān)系”驗證目標的指示意義。但是綜合研究相對不足，為決策提供的信息有限[66]。因此，目前區(qū)域綠地的生態(tài)功能還沒有進入到生產(chǎn)成本當中，人類享受到的生態(tài)功能沒有得到正確評估，這直接導(dǎo)致經(jīng)濟發(fā)展的倒掛現(xiàn)象[72]。

生態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)方法為區(qū)域可持續(xù)性研究提供新的視角。越來越多的研究采用“源地-廊道”的組合方式識別、構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[73]。與以往的評價方法相比，生態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)考慮到綠地景觀格局與生態(tài)功能的耦合，突出了連接性和森林內(nèi)部特征的生態(tài)學(xué)意義。但是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中最優(yōu)生態(tài)廊道路徑由于數(shù)據(jù)有限，多采用最小累積阻力模型識別，生態(tài)阻力面識別取決于土地利用類型，而目標物種的保護、污染物分布等對實際路徑具有重要意義的內(nèi)容無法體現(xiàn)在分析中[67]。評價過程和指標選擇應(yīng)跳出“就綠地看綠地”，關(guān)注到城市化的發(fā)展速度、威脅程度對區(qū)域綠地的影響，重視多學(xué)科融合，形成“規(guī)劃管理—實施評價—監(jiān)控”循環(huán)互動的發(fā)展模式。

4 研究展望

辨析區(qū)域綠地的概念、特征、構(gòu)成和主要生態(tài)功能，有助于明確區(qū)域綠地保護與規(guī)劃建設(shè)的重點?！案窬帧^程—功能”一直是景觀生態(tài)學(xué)研究的重點和難點。區(qū)域綠地生態(tài)功能的實現(xiàn)，需要較高的景觀穩(wěn)定性，必然要求景觀多樣性、物種多樣性和遺傳多樣性的極大豐富，在建設(shè)尺度上就需要保護與恢復(fù)重要棲息地，建立生物走廊的連通性和有效性，形成生物生存空間的島嶼化，提高景觀對干擾的抗性，并避免城市無序擴張。

區(qū)域綠地生態(tài)功能是生態(tài)學(xué)和地理學(xué)研究的前沿。區(qū)域綠地既是具有較高的生物多樣性特征的自然生態(tài)系統(tǒng)，也是相對較高的生產(chǎn)生活服務(wù)能力。生態(tài)功能的識別依賴于對于生態(tài)過程動態(tài)的理解和模擬。區(qū)域尺度的生態(tài)功能只有在特定時空尺度上才能充分表達其主導(dǎo)作用和效果，即典型的空間范圍和持續(xù)時段。生物多樣性保護、空間污染削減和水土保持是當前區(qū)域綠地主要生態(tài)功能，也是下一步探討景觀格局和規(guī)劃管理的基礎(chǔ)。所以亟需建立普適性的評價框架，結(jié)合研究區(qū)域條件深化生態(tài)功能供需在生態(tài)系統(tǒng)與人類社會之間的動態(tài)關(guān)聯(lián)分析，并進一步應(yīng)用到生態(tài)系統(tǒng)管理和規(guī)劃等領(lǐng)域。