中國建成區(qū)綠地率區(qū)域差異的多尺度分析

劉志強

李彤杉

王俊帝

洪亙偉

改革開放以來，中國城市綠地建設水平快速提升，但存在顯著的區(qū)域差異，并處于持續(xù)的演變狀態(tài)。針對城市綠地建設水平區(qū)域差異問題，國內(nèi)外學者基于不同的空間尺度均開展了廣泛研究。在單一城市尺度層面，學者們在城市綠地區(qū)域差異的演變[1-4]、空間形態(tài)及構成特征[5-8]、度量指標及統(tǒng)計方法[9-10]、影響機制[11-14]、優(yōu)化調(diào)控[15-18]、評價方法[19]以及公園綠地空間結構演變[20-21]等方面進行了系統(tǒng)深入探討，該尺度研究多以直轄市、副省級市或規(guī)模較大的地級市作為研究對象。在國家、地區(qū)尺度層面，學者們以更宏觀的視角探析不同地域間城市綠地建設水平的差異，例如李方正等對我國地級市的城市綠地空間差異進行了探究[22]；Sun J Y等研究了我國東、中、西部以及長三角、珠三角植被覆蓋差異的演變[23]；Kabisch N等解析了西歐、南歐與東歐城市綠地間的差異特征[24]，該尺度研究多以市域作為研究單元，基于對綠地統(tǒng)計指標的數(shù)理統(tǒng)計分析，或遙感與地理信息系統(tǒng)相結合等方法對宏觀規(guī)律進行揭示，并制定相應區(qū)域發(fā)展政策[25-27]。

現(xiàn)有成果為該領域研究的進一步拓展奠定了重要基礎，但以往研究多注重于單一尺度的深入解析，對不同尺度間相互關系及尺度變化的探究較少。區(qū)域差異的空間格局及演變特征具有一定的尺度依賴性，不同尺度上城市綠地建設水平區(qū)域差異特征往往不同，某一尺度上的研究結論并不一定適用于另一尺度[28-30]。近年來，引入“多尺度”視角，將多尺度與尺度方差結合進行區(qū)域差異測算，已被地理學、經(jīng)濟學、區(qū)域科學等學科認為是行之有效的研究范式[31-33]。因此，若要更確切、真實地揭示我國城市綠地建設水平區(qū)域差異特征及規(guī)律，需從不同尺度上對其進行分析，也更能全面把握各尺度要解決的主要問題，從而對各尺度的城市綠地建設分類指導。鑒于此，本文將尺度效應納入城市綠地建設水平區(qū)域差異研究的分析框架，以建成區(qū)綠地率作為表征城市綠地建設水平的指標，采用標準差、變異系數(shù)、錫爾指數(shù)和尺度方差等方法，從地帶、省級和市級3個尺度對我國建成區(qū)綠地率區(qū)域差異進行測度和對比分析，探究多尺度研究視角下我國城市綠地建設水平發(fā)展的尺度依賴性，以期為協(xié)調(diào)各區(qū)域城市綠地發(fā)展及制定決策提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)來源與處理

本文將地帶、省級、市級單元作為基本研究單元，并以2015年中國大陸(不含香港、澳門、臺灣)行政區(qū)劃為準對各基本研究單元進行歸并統(tǒng)一。研究指標為建成區(qū)綠地率，數(shù)據(jù)來源于《中國城市建設統(tǒng)計年鑒(報)》(1996—2015年)。為滿足尺度效應研究對各層次嵌套結構要求，對數(shù)據(jù)進行了以下處理：1)地帶、省級建成區(qū)綠地率數(shù)據(jù)采用市級建成區(qū)面積和建成區(qū)綠地面積數(shù)據(jù)累加計算獲得；2)將重慶、上海分別歸并四川省、江蘇省，將天津、北京歸并到河北省內(nèi)進行統(tǒng)計分析。最終研究區(qū)域劃分為地帶、省級、市級3個空間尺度，其中地帶包括東、中、西、東北四大地帶；省級單元包括27個省、自治區(qū)；市級單元包括336個縣級市、262個地級市、15個副省級市和4個直轄市共617個城市①。研究時段為1996—2015年，共20年。

1.2 研究方法

多尺度區(qū)域差異研究方法主要包括間接的多尺度、直接的多尺度兩大類，前者指從不同尺度獨立度量研究單元區(qū)域差異的顯著性；后者是指考慮多尺度之間的作用辨別研究單元的特征尺度和差異的尺度來源[32]。

1.2.1 標準差、變異系數(shù)和錫爾系數(shù)

考慮本文的數(shù)據(jù)特點及研究目的，運用測度絕對差異的標準差、相對差異的變異系數(shù)與錫爾系數(shù)[26]來分析區(qū)域差異的間接多尺度特征，公式分別如下：

表1 我國建成區(qū)綠地率尺度方差組成一覽表[31]

式中，S、CV、T分別表示某尺度全國建成區(qū)綠地率的標準差、變異系數(shù)和錫爾系數(shù)，i代表某尺度研究單元(地帶、省、市)，xi是第i單元的建成區(qū)綠地率，為某尺度全部單元建成區(qū)綠地率的簡單算術平均值，N為某尺度研究單元的總個數(shù)，yi是第i單元的建成區(qū)綠地面積，Y為全國建成區(qū)綠地面積，ui是第i單元的建成區(qū)面積，U為全國建成區(qū)面積。

1.2.2 尺度方差及其分解

尺度方差已被檢驗是有效的直接多尺度研究方法，其主題思想是按照尺度等級系統(tǒng)的水平將整個研究對象的方差進行逐步分解，則不同尺度水平的尺度方差的突變相對大小，反映不同尺度的變化對整體研究對象變異性貢獻的相對大小程度[31]。本文采用該方法將我國建成區(qū)綠地率的方差，按照地帶、省級、市級的尺度嵌套系統(tǒng)進行逐步分解，各尺度水平的尺度方差突變的相對大小，可反映每個尺度建成區(qū)綠地率的變化對全國建成區(qū)綠地率差異貢獻的大小程度，進而判斷出地帶、省級、市級的哪一個尺度更值得研究。本文借鑒H. MoeLLering的尺度方差統(tǒng)計模型[32]，構建建成區(qū)綠地率尺度方差的統(tǒng)計模型：

式中，Xijk表示市級(等級系統(tǒng)最低尺度水平)組成單元的建成區(qū)綠地率；μ是等級系統(tǒng)中所有組成單元的建成區(qū)綠地率總平均值；αi、βij、γijk分別表示地帶、省級、市級尺度水平上的影響，計算公式見表1。

2 多尺度建成區(qū)綠地率區(qū)域差異演化分析

為探明多尺度建成區(qū)綠地率區(qū)域差異演變情況，采用S、CV、T來分析1996—2015年區(qū)域差異的間接多尺度特征。

2.1 地帶差異呈先擴大后縮小趨勢

由圖1、2可見，S、CV、T在1996—2003年間呈波動上升趨勢，分別從1996年的1.989、0.105和0.006上升至2003年的3.531、0.134和0.010，并均在2003年達到峰值；在2003—2015年間呈下降趨勢，至2015年S、CV、T分別下降到1.654、0.046和0.001。結果表明S、CV、T均呈先上升后下降態(tài)勢，三者的波動曲線呈現(xiàn)出同步性，反映出近20年地帶差異前期擴大、后期大幅縮小，整體上呈現(xiàn)縮小的趨勢。

2.2 省級差異呈波動中縮小趨勢

由圖3、4可見，S從1996年的5.260下降到2015年的4.550，在2000—2005年及2008—2010年間波動性較大，并在2009年達到峰值；CV、T分別從1996年的0.285、0.030波動下降到2015年的0.130、0.004，波動時段與S相同。結果表明，S、CV演變趨勢較為一致，均呈在大幅波動中下降態(tài)勢。T波動性較小，但與前兩者也具一定吻合性，三者共同反映出省級差異呈現(xiàn)在波動中縮小演變趨勢。

2.3 市級差異呈縮小趨勢

由圖5可見，S從1996年的11.794下降到2015年的6.433；CV、T在20年來均呈現(xiàn)縮小態(tài)勢，分別從1996年的0.674、0.168波動下降到2015年的0.186、0.013。結果表明，市級尺度下絕對差異與相對差異指數(shù)表現(xiàn)特征較為一致，呈現(xiàn)明顯下降趨勢，表明市級差異不斷縮小。

圖1 我國地帶尺度建成區(qū)綠地率標準差及變異系數(shù)(1996—2015年)

圖2 我國地帶尺度建成區(qū)綠地率錫爾系數(shù)(1996—2015年)

圖3 我國省級尺度建成區(qū)綠地率標準差及變異系數(shù)(1996—2015年)

圖4 我國省級尺度建成區(qū)綠地率錫爾系數(shù)(1996—2015年)

2.4 各尺度比較分析

2.4.1 同一尺度下絕對差異與相對差異演變具有同步性

地帶尺度S、CV、T演變趨勢表現(xiàn)出極大相似性，呈現(xiàn)為小幅波動上升(1996—2003年)和波動下降(2003—2015年)2個階段，達到峰值的時間均為2003年，總體呈現(xiàn)先上升后下降趨勢。省級尺度下3種測度指數(shù)的變化情況也具有一定同步性，出現(xiàn)大幅度波動的時間均為2000—2006年和2007—2010年，總體表現(xiàn)為在大幅波動中下降的趨勢。市級尺度S、CV、T演變趨勢同樣具有一致性，三者共同呈現(xiàn)出明顯直線下降態(tài)勢，且波動性較小。

2.4.2 區(qū)域差異在地帶、省級、市級3個尺度上顯著不同

1996—2015年間3個尺度建成區(qū)綠地率的絕對差異及相對差異總體演變呈現(xiàn)不同趨勢，地帶、省級及市級分別呈現(xiàn)先擴大后縮小、在大幅波動中縮小、較穩(wěn)定縮小態(tài)勢，且各尺度指標變化情況也顯著不同。

從差異大小來看，1996—2015年3個尺度的S、CV和T均為市級＞省級＞地帶。S的降幅為市級(5.361)＞地帶(1.542)＞省級(0.707)；CV的降幅為地帶(0.586)＞市級(0.489)＞省級(0.155)；T的降幅為市級(0.155)＞省級(0.026)＞地帶(0.004)。通過上述3個尺度對比可得，市級尺度的差異程度最大，省級尺度的差異次之，地帶尺度的差異最??；即空間尺度越小，區(qū)域差異程度越大。

3 尺度方差及其構成分析

通過間接多尺度區(qū)域差異測度分析，可初步獲取我國建成區(qū)綠地率區(qū)域差異在不同空間尺度的演變特征。下文進一步通過尺度方差及其分解來分析不同尺度對建成區(qū)綠地率區(qū)域差異可能產(chǎn)生的尺度效應。

3.1 尺度方差分析

對3個尺度的建成區(qū)綠地率尺度方差進行計算，結果如下(圖6)。1)尺度方差的大小比較上，市級尺度最大，省級次之，地帶最小，歷年方差平均值分別為74.64、23.32和11.64。2)市級和省級尺度在尺度方差上均呈現(xiàn)減小的趨勢，地帶尺度方差變化則較為平穩(wěn)。其中，市級尺度方差減小幅度最大，由1996年的116.57減小到2015年的33.94；省級尺度方差由于本身較小，因此變動幅度不大，由1996年的31.44減小到2015年的12.55；地帶尺度方差先緩慢增加再緩慢減少。實證表明，尺度越小，建成區(qū)綠地率的尺度方差越大。

3.2 尺度方差分解

對尺度方差進行分解，結果如下(圖7)。1)市級尺度差異對我國總體差異的貢獻率遠高于其他2個尺度，歷年平均為67.97%；省級尺度貢獻率高于地帶尺度，歷年平均貢獻率分別為20.78%和11.25%。2)3個尺度的貢獻率變動基本保持穩(wěn)定。其中，市級尺度貢獻率在研究時段內(nèi)一直處于主導地位，而地帶尺度貢獻率一直最小。由此表明，越小尺度的區(qū)域差異對我國總體建成區(qū)綠地率區(qū)域差異的貢獻份額越大，越能揭示建成區(qū)綠地率區(qū)域格局的異質(zhì)性特征，更值得關注與研究。

圖5 我國市級尺度建成區(qū)綠地率標準差及變異系數(shù)、錫爾系數(shù)(1996—2015年)

圖6 我國不同尺度水平建成區(qū)綠地率的尺度方差(1996—2015年)

圖7 我國不同尺度水平建成區(qū)綠地率的尺度方差分解(1996—2015年)

4 結論與討論

4.1 結論

基于對城市綠地建設水平區(qū)域差異特征及演變的尺度依賴性、尺度層次性的認知，構建“多尺度”分析框架，選取地帶、省級、市級3個空間尺度，采用標準差、變異系數(shù)、錫爾系數(shù)和尺度方差，對我國建成區(qū)綠地率區(qū)域差異進行差異測度和多尺度比較研究，主要得到以下結論。

1)我國建成區(qū)綠地率區(qū)域差異顯著，且在不同空間尺度下的差異特征及演變過程存在較大區(qū)別。地帶、省級、市級3個尺度上的建成區(qū)綠地率區(qū)域差異均長期存在，并都呈縮小的趨勢。然而，區(qū)域差異在各尺度的演變過程、差異程度、差異縮小的幅度均顯著不同，空間尺度的選取對區(qū)域差異特征、演變及相應對策制定的研究有很大影響。因此，針對該領域多尺度、跨尺度的研究必要且迫切，且建立多尺度分析框架是進一步拓展該領域認知的重要途徑。

2)我國建成區(qū)綠地率區(qū)域差異在市級尺度上更明顯。間接多尺度、直接多尺度的區(qū)域差異研究方法表明：1996—2015年，空間尺度越小，該尺度的區(qū)域差異實證結果越大，對總體區(qū)域差異的貢獻份額也越大，即我國建成區(qū)綠地率區(qū)域差異在市級尺度上最大，省級尺度次之，地帶尺度最小。因此，對我國城市綠地建設水平的區(qū)域差異研究，應在關注地帶差異、省際差異的同時，更應重視市際差異的分析，由此可制定更為得力的相應調(diào)控政策和措施，使我國整體城市綠地建設水平有序提升。

4.2 討論

本文通過研究表明，基于尺度效應的多尺度分析框架、尺度方差分析方法，在揭示城市綠地建設水平區(qū)域差異特征方面具有一定的優(yōu)勢。實證證實了區(qū)域差異對空間尺度的依賴性和敏感性，研究結論與我國城市綠地建設發(fā)展的客觀情況較吻合，為進一步區(qū)域差異研究的尺度選擇提供了理論依據(jù)，豐富了城市綠地建設水平區(qū)域差異的研究思路。

本文在針對城市綠地建設水平區(qū)域差異及來源結構的尺度特征研究中，未考慮研究單元間的空間相關性，未來應在多尺度分析框架下，借助探索性空間數(shù)據(jù)分析等方法，開展空間統(tǒng)計分析研究，其研究會更有意義。在尺度劃分方面也應更為豐富，同時綜合考慮多尺度的城市綠地建設水平影響因素，且通過解譯遙感影像突破統(tǒng)計年鑒中指標數(shù)據(jù)的局限性，構建基于多尺度的影響機制模型，揭示多尺度影響機理，是本文繼續(xù)深化研究的內(nèi)容。

注：文中圖片均由作者繪制。

注釋：

① 至2015年底，我國共設城市656個，因數(shù)據(jù)不全剔除了39個城市，包括地級市14個：三沙、來賓、崇左、眉山、廣安、麗江、臨滄、定西、隴南、海東、固原、中衛(wèi)、昌都和林芝；縣級市25個：臨安、共青城、扶余、東寧、靖西、康定、馬爾康、仁懷、福泉、蒙自、文山、芒市、彌勒、香格里拉、騰沖、玉樹、阿拉山口、阿拉爾、圖木舒克、五家渠、北屯、鐵門關、雙河、霍爾果斯和可克達拉。