賈寶全,張 文,李曉婷,李 彤
1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所,北京 100091 2 國(guó)家林業(yè)和草原局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091 3 國(guó)家林業(yè)和草原局城市森林研究中心,北京 100091 4 華東交通大學(xué)藝術(shù)學(xué)院,南昌 330013
城市林木是城市中最具活力的生命基礎(chǔ)設(shè)施,它對(duì)于改善空氣質(zhì)量、預(yù)防城市熱島效應(yīng)、減輕地表徑流、提供生物多樣性聚居地、提高城市居民的健康福祉等都具有極其重要的作用,隨著全球城市化進(jìn)程的加速,無(wú)論是城市本身還是城市居民自身,其對(duì)城市林木的數(shù)量與質(zhì)量要求也越來(lái)越大、越來(lái)越高,這也是城市森林自20世紀(jì)60—70年代誕生以來(lái),能夠得以快速發(fā)展壯大的最核心動(dòng)力。因此,科學(xué)、及時(shí)、準(zhǔn)確的城市林木生態(tài)信息的獲取與未來(lái)建設(shè)目標(biāo)的確定,便構(gòu)成了城市管理者、決策者和廣大城市市民最迫切希望了解的基礎(chǔ)性工作。在歐美等較早開(kāi)展城市森林研究與實(shí)踐的國(guó)家中,城市林木樹(shù)冠覆蓋(urban tree canopy, UTC)是最通用的城市森林建設(shè)與評(píng)價(jià)指標(biāo)。它指的是,當(dāng)從空中鳥(niǎo)瞰時(shí),樹(shù)木的葉片、枝條和樹(shù)干所覆蓋的地表區(qū)域[1]。目前一般將其劃分為現(xiàn)實(shí)林木樹(shù)冠覆蓋(Existing UTC)和潛在樹(shù)冠覆蓋(Possible UTC)?,F(xiàn)實(shí)樹(shù)冠覆蓋指的是現(xiàn)狀情況下城市內(nèi)部被林木樹(shù)冠覆蓋的土地面積總量,它提供了一定區(qū)域內(nèi)林木樹(shù)冠覆蓋的總體信息,也是我們比較不同城市區(qū)域生態(tài)質(zhì)量高低的直觀指標(biāo);潛在樹(shù)冠覆蓋則指的是從生物學(xué)角度看,那些適合種植樹(shù)木而目前還未實(shí)施種植的土地區(qū)域,該指標(biāo)從未來(lái)生態(tài)建設(shè)的角度,為行業(yè)管理者與政府決策部門提供了初步的生態(tài)工程規(guī)模量化決策參考。對(duì)于現(xiàn)實(shí)林木樹(shù)冠覆蓋而言,除了人工促進(jìn)其自然演替過(guò)程以增強(qiáng)其生態(tài)服務(wù)功能之外,其與目前以及未來(lái)的城市生態(tài)建設(shè)關(guān)聯(lián)不大,而潛在樹(shù)冠覆蓋對(duì)于城市及其不同區(qū)域的生態(tài)目標(biāo)確立、政策制定、生態(tài)建設(shè)的具體實(shí)施意義重大,目前,國(guó)外都將其置于城市森林建設(shè)的優(yōu)先領(lǐng)域[2]。
北京是我們國(guó)家的首都,也是各種城市生態(tài)與環(huán)境問(wèn)題表現(xiàn)最突出、最典型的城市。長(zhǎng)期以來(lái),生態(tài)用地的短缺及其與其他用地的矛盾也最為突出,在經(jīng)歷了快速的城市化歷程之后,面對(duì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展背景下不斷旺盛增長(zhǎng)的居民生態(tài)福祉需求,如何盡快補(bǔ)足生態(tài)短板一直是北京市政府面臨的最緊迫問(wèn)題之一,其中發(fā)展城市森林的路徑選擇無(wú)疑是最符合時(shí)代要求與特征的,“創(chuàng)建森林城市”也是目前我國(guó)加強(qiáng)城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要抓手。根據(jù)北京市園林綠化局的部署,除位于核心區(qū)的東、西城區(qū)不具備創(chuàng)建條件外,其他14區(qū)均要陸續(xù)啟動(dòng)“創(chuàng)森”工作。在森林城市的創(chuàng)建過(guò)程中,城市建成區(qū)的生態(tài)用地潛力分析一直以來(lái)都是“創(chuàng)森”過(guò)程中最重要的基礎(chǔ)工作。本文研究的主旨有二:一方面明確潛在生態(tài)用地的現(xiàn)狀及其動(dòng)態(tài),另一方面通過(guò)對(duì)潛在林木樹(shù)冠覆蓋空間優(yōu)先度的分析,為未來(lái)生態(tài)建設(shè)空間優(yōu)化選址提供科學(xué)依據(jù)。更重要的是,由于北京市特殊的區(qū)位與代表性,以其為藍(lán)本的相關(guān)研究工作成果將會(huì)極大地豐富我國(guó)的城市森林建設(shè)理論,并對(duì)我國(guó)的森林城市創(chuàng)建活動(dòng)起到重要的引導(dǎo)作用。
由于北京市第二道綠化隔離區(qū)是北京城市區(qū)域最重要的外圍生態(tài)屏障,自2010年基本建成時(shí)起,其一直便與北京市的生態(tài)環(huán)境變化息息相關(guān),在此區(qū)域之外,便是廣大的鄉(xiāng)村景觀,因此本文研究區(qū)的選擇以其最外邊界線為界,即六環(huán)路外1km以內(nèi)的區(qū)域,土地總面積2465.67km2,行政上涉及到東城區(qū)、西城區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)和石景山區(qū)的全部,以及海淀區(qū)和豐臺(tái)區(qū)的絕大部分區(qū)域,房山區(qū)、門頭溝區(qū)、昌平區(qū)、順義區(qū)、通州區(qū)和大興區(qū)的部分平原區(qū)域(圖1)。
該區(qū)域植被以城市綠地和農(nóng)業(yè)植被為主,土壤類型以潮土、褐土為主,另有少量的砂姜黑土、水稻土、粗骨土、棕壤和風(fēng)沙土分布(圖1),全年平均氣溫11.6—14℃,全年降水量590—630mm。該區(qū)域也是北京市城市化發(fā)展最快的區(qū)域,東、西城區(qū)構(gòu)成了北京市的核心區(qū),朝陽(yáng)區(qū)、豐臺(tái)區(qū)、海淀區(qū)、石景山區(qū)構(gòu)成了北京市的中心城區(qū)。
圖1 研究區(qū)空間范圍及其土壤類型分布圖Fig.1 The distribution of study region and its soil type
目前還沒(méi)有一個(gè)足夠成熟并受到學(xué)界和政府管理部門共同認(rèn)可的潛在樹(shù)冠分類系統(tǒng),根據(jù)國(guó)外相關(guān)的研究文獻(xiàn),一般將其分為植被潛在樹(shù)冠覆蓋(Vegetation Possible UTC)和不透水地表潛在樹(shù)冠覆蓋(Impervious Possible UTC)兩大類,前者包括了能夠生長(zhǎng)喬木的草地和灌木覆蓋區(qū)域,居住區(qū)的草坪草地是植被潛在林木樹(shù)冠的最典型實(shí)例,而后者則主要指非建筑物和道路構(gòu)成的不透水地表或者是一些裸土區(qū)域。由于草坪草地在城市中具有極好的景觀視角效果,起著城市美化、亮化功能,也是城市綠地設(shè)計(jì)中最主要的造景要素,因此,我們認(rèn)為在北京區(qū)域?qū)⑵浼{入潛在林木樹(shù)冠覆蓋區(qū)域不太合適;而對(duì)于灌木覆蓋區(qū)域,一方面北京市自2000年以來(lái)一直在大力推進(jìn)灌木型花卉在城市的應(yīng)用,目前其已經(jīng)構(gòu)成了城市綠地中非常重要的一類獨(dú)立存在的植被景觀體,而我國(guó)的森林法中也將部分受氣候和立地條件制約而只能夠生長(zhǎng)灌木植被的區(qū)域作為“國(guó)家特別規(guī)定的灌木林地”納入到了我國(guó)的法定森林覆蓋率計(jì)算中去,該區(qū)域的灌木具有與喬木同等的地位;另一方面,目前商用的用于林木樹(shù)冠覆蓋信息提取的高分影像的空間分辨率絕大多數(shù)都在0.5—1m之間,在該分辨率下要將灌木樹(shù)冠與喬木樹(shù)冠分別提取出來(lái)仍存在一定的技術(shù)瓶頸,因此在絕大多數(shù)的相關(guān)研究中,都將灌木和喬木不加區(qū)別地統(tǒng)一歸進(jìn)現(xiàn)實(shí)林木樹(shù)冠覆蓋中,而本次研究采用的相關(guān)數(shù)據(jù)源為分辨率為0.5m的航、衛(wèi)片,也不具有將灌木單獨(dú)提取的條件?;谶@幾點(diǎn),本次研究中也不再將灌木潛在樹(shù)冠覆蓋作為單獨(dú)類型提出。據(jù)此,本次研究中的北京市潛在林木樹(shù)冠覆蓋主要包括以下類別:
荒草地:目前為土質(zhì)基質(zhì)、生長(zhǎng)典型的城市一年生或越年生雜草,植被覆蓋度大于10%。
裸土地:表層無(wú)植被覆蓋或植被覆蓋小于10%的城、鄉(xiāng)地表。根據(jù)其分布地域的景觀背景,可將其進(jìn)一步細(xì)分為基建裸土地、綠化地帶裸土地、閑置裸土地、水域裸土地、果園裸土地等5個(gè)二級(jí)類?;阃恋刂饕侵赋鞘薪ㄖさ厥┕て陂g形成的裸露土質(zhì)地表,由于其絕大部分為居住區(qū)、辦公區(qū)和廠房施工用地,根據(jù)城市《城市綠線劃定技術(shù)規(guī)范》要求,這些區(qū)域的綠地率應(yīng)不低于30%,因此在工程竣工后,這類裸土區(qū)域完全具有成為附屬綠地的客觀條件;閑置裸土地則主要是指城市中已被征遷但目前還未被利用的土地,其地表也為雜草覆蓋;水域裸土地主要是指在水體(河流、湖泊、坑塘)周邊,未被水體掩蓋的區(qū)域;而綠化地帶裸土地和果園裸土地則是指目前存在于城市現(xiàn)狀綠地和果園內(nèi)的塊狀地表裸露區(qū)域。
有關(guān)研究表明,面向?qū)ο蟮倪b感分類解譯技術(shù)對(duì)于監(jiān)測(cè)城市樹(shù)冠覆蓋變化是非常有效的[3,4],本文以eCongnition Developer 9.0軟件為解譯平臺(tái),通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)獲取最優(yōu)分割解譯參數(shù),以分層解譯模式完成研究區(qū)域的影像解譯工作,通過(guò)檢驗(yàn),2002和2013年影像的分類結(jié)果總體精度分別達(dá)到了92.23%和96.02%,Kappa系數(shù)分別達(dá)到了0.8613和0.9231[5]。
目前國(guó)內(nèi)外都還沒(méi)有單獨(dú)的潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),考慮到其未來(lái)的發(fā)展規(guī)劃方向?yàn)榱帜緲?shù)冠覆蓋的趨勢(shì),這里我們借用吳澤民教授等在研究安徽省合肥市城市森林結(jié)構(gòu)時(shí)所提出的現(xiàn)狀UTC斑塊分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[6](表1)。
表1 綠地斑塊規(guī)模劃分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
潛在林木樹(shù)冠覆蓋評(píng)價(jià)是一項(xiàng)非常重要、非常具有實(shí)用性的基礎(chǔ)性工作。國(guó)外評(píng)價(jià)大多以地籍單元或人口調(diào)查統(tǒng)計(jì)單元為單位進(jìn)行評(píng)價(jià)。本次評(píng)價(jià)我們以研究區(qū)域內(nèi)的1767個(gè)村(街道)為統(tǒng)計(jì)單元,通過(guò)其提取相應(yīng)單元的潛在林木樹(shù)冠覆蓋面積信息,再計(jì)算相應(yīng)研究單元區(qū)域內(nèi)的潛在林木樹(shù)冠覆蓋率,最后再以村和街道為單元,對(duì)其潛在林木樹(shù)冠覆蓋率進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià),共分為6個(gè)等級(jí):≤1%為極低潛力區(qū),1%—10%為低潛力區(qū),10%—20%為中潛力區(qū),20%—30%為中高潛力區(qū),30%—40%為高潛力區(qū),>40%為極高潛力區(qū)。
城市地區(qū)是各種用地矛盾最突出的區(qū)域,尤其是生態(tài)用地,由于其生態(tài)與社會(huì)效益的普惠性與外在性的存在,其在各土地使用方利益的博弈過(guò)程中,常常處于弱勢(shì)地位。因此,如何通過(guò)有效的措施與方式,切實(shí)保護(hù)現(xiàn)有的UTC,并在未來(lái)的城市生態(tài)建設(shè)中能夠制定切實(shí)可行的UTC建設(shè)目標(biāo),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的可持續(xù)性便成為了關(guān)鍵之中的關(guān)鍵。這其中,以潛在UTC為目標(biāo)的空間優(yōu)化選址最為重要,它決定了城市未來(lái)新增UTC的空間分布及其生態(tài)效益最大化的發(fā)揮程度。國(guó)際上,潛在樹(shù)冠覆蓋區(qū)域及其優(yōu)先度的研究被視為對(duì)城市森林建設(shè)具有重要意義的課題。這里我們使用Morani A等人在Nowak D.J等人工作基礎(chǔ)上[7],提出的修正UTC種植優(yōu)先度指數(shù)[8],并對(duì)其從三個(gè)方面做了修正:一是將原來(lái)的權(quán)重值縮小100倍,這樣所有權(quán)重之和為1,更符合目前學(xué)科上的應(yīng)用實(shí)際;二是將原來(lái)公式中的低現(xiàn)實(shí)樹(shù)冠覆蓋面積比例替換為現(xiàn)實(shí)樹(shù)冠覆蓋率,實(shí)際運(yùn)算過(guò)程中為了與人口密度和污染物具有相同的內(nèi)涵取向,現(xiàn)實(shí)林木樹(shù)冠覆蓋率采用了“1-標(biāo)準(zhǔn)化后的UTCR值”;三是考慮到污染物濃度數(shù)值變化的瞬時(shí)性大、目前空間監(jiān)測(cè)點(diǎn)位稀疏、數(shù)據(jù)難以獲取的實(shí)際,以及北京市最大的大氣污染源為汽車尾氣的現(xiàn)實(shí)[9],我們用道路密度替代大氣污染濃度數(shù)值。
PI=0.3×PD+0.4×RD+0.3×RUTC
式中,PI、PD、RD和RUTC分別為優(yōu)先度指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化后的2010年人口密度指數(shù)、2013年的道路密度和2013年的現(xiàn)實(shí)林木樹(shù)冠覆蓋率數(shù)據(jù),數(shù)值為權(quán)重值。評(píng)價(jià)單元與潛在城市林木樹(shù)冠覆蓋評(píng)價(jià)單元相同。之后對(duì)生成的柵格PI數(shù)據(jù)在GIS平臺(tái)上采用自然斷點(diǎn)分級(jí)方法,共劃分了4個(gè)級(jí)別:低優(yōu)先區(qū)(PI≤0.1520)、中優(yōu)先區(qū)(0.1520
從潛在林木樹(shù)冠覆蓋的GIS空間分布圖來(lái)看(圖1),總體而言,隨著時(shí)間的推移,研究區(qū)域的潛在林木樹(shù)冠覆蓋呈現(xiàn)出不斷減少的變化過(guò)程,從空間分布看,2002年時(shí),潛在UTC主要分布在三環(huán)以外區(qū)域,三環(huán)以內(nèi)區(qū)域分布較少,而到了2013年,則主要分布在五環(huán)以外區(qū)域,五環(huán)以內(nèi)分布較少,尤其是四環(huán)以內(nèi)區(qū)域潛在林木樹(shù)冠覆蓋已經(jīng)呈“極少”狀態(tài)。另外從類型上看,2002年時(shí),基本上各種類型潛在UTC均有分布,呈現(xiàn)出空間斑塊分布類型差別較小的狀態(tài),而到了2013年,則呈現(xiàn)以荒草地類型絕對(duì)占優(yōu)的格局,而其他類型則相對(duì)較少。
圖2 研究區(qū)2002—2013年潛在林木樹(shù)冠斑塊空間分布Fig.2 The possible urban tree canopy distribution in the 2002 and 2013
從遙感解譯結(jié)果的統(tǒng)計(jì)來(lái)看(表2),2013年時(shí),整個(gè)研究區(qū)的潛在林木樹(shù)冠覆蓋區(qū)域的總面積為18845.82hm2,與2002年相比,總體減少了22036.36hm2;其中荒草地類型以總面積14166.20hm2、面積占比75.17%的優(yōu)勢(shì),成為2013年潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊的構(gòu)成主力,而水域裸土地和果園裸土地則分別以面積434.88hm2和106.41hm2,占比2.31%和0.56%成為了該年度分布最低的兩種類型。從2002年和2013年的年度變化來(lái)看,除了荒草地類型面積呈現(xiàn)大幅度增加外,其他類型的絕對(duì)面積都呈現(xiàn)出減少的變化過(guò)程,其中以綠化裸土地、水域裸土地和果園裸土地的面積減少最多,2013年分別比2002年減少了13180.96、10816.02、7449.74hm2。
表2 研究區(qū)2002—2013年潛在樹(shù)冠覆蓋面積的總體變化
圍繞城市的環(huán)路建設(shè)既是北京城市的典型標(biāo)志,也是北京市城市發(fā)展過(guò)程的直接見(jiàn)證。從1992年二環(huán)路建成通車到2009年的六環(huán)路全線貫通,在方便市民出行的同時(shí),這些環(huán)路也構(gòu)成了北京市“攤大餅式”城市發(fā)展的歷史印記。不同環(huán)路間的潛在林木樹(shù)冠覆蓋統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 研究區(qū)不同環(huán)路間2002—2013年潛在樹(shù)冠覆蓋面積變化
從表3可以看出,以絕對(duì)數(shù)量而言,與2002年相比,2013年呈現(xiàn)出兩個(gè)最顯著的變化過(guò)程。首先,各環(huán)路間呈現(xiàn)出與總體相同的變化趨勢(shì),即隨著時(shí)間的延伸,無(wú)論是林木樹(shù)冠覆蓋斑塊的數(shù)量還是面積,都呈現(xiàn)出雙減少的變化過(guò)程;其次,潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊的數(shù)量與面積,在兩個(gè)年份均呈現(xiàn)出沿環(huán)路梯度從內(nèi)而外在數(shù)量上絕對(duì)增加的梯度變化。以環(huán)路來(lái)看,無(wú)論是2002年還是2013年,研究區(qū)域的潛在林木樹(shù)冠覆蓋均以五環(huán)—六環(huán)外1km區(qū)域所占面積最大,2002年時(shí),該區(qū)域潛在林木樹(shù)冠覆蓋面積達(dá)34589.69hm2,占到了區(qū)域總面積的19.23%,到了2013年,該區(qū)域的林木樹(shù)冠覆蓋與2002年相比雖然減少了18111.34hm2,但依然占到了五環(huán)—六環(huán)外1km區(qū)域總面積的9.16%,從各環(huán)路的占比情況來(lái)看,依然處于最高狀態(tài);北京的東、西城區(qū),既是北京城市的中心地帶,也是歷次城市規(guī)劃中均延續(xù)確定的城市核心區(qū),更是北京老城所在地,而二環(huán)以內(nèi)區(qū)域則完全處于該核心區(qū)的范圍,并占據(jù)了其絕大部分的面積比例。從表3數(shù)據(jù)可以看出,該區(qū)域是整個(gè)研究區(qū)潛在樹(shù)冠覆蓋最為缺乏的地區(qū),2002年時(shí)尚有191.72hm2,到了2013年則只留存了19.91hm2,11年間減少了90%,這一方面說(shuō)明該區(qū)域生態(tài)建設(shè)的成效很大,另一方面也說(shuō)明該區(qū)域未來(lái)生態(tài)建設(shè)面臨的生態(tài)用地矛盾將會(huì)很大。從年際變化來(lái)看,二環(huán)—三環(huán)區(qū)域相對(duì)比較特殊,2002年時(shí)其有潛在林木樹(shù)冠覆蓋面積237.71hm2,而到了2013年其依然還擁有235.82hm2的潛在林木樹(shù)冠覆蓋面積,11年間絕對(duì)面積僅減少了1.89hm2,從該區(qū)域兩個(gè)年度土地覆蓋的轉(zhuǎn)移概率矩陣來(lái)看(表4),潛在林木樹(shù)冠覆蓋保持不變的概率只有3.3%,屬于在變化的城市化環(huán)境中很難獨(dú)處其身的斑塊類型,其最大的轉(zhuǎn)移源地來(lái)自于農(nóng)田,11年間有23.31%的農(nóng)田轉(zhuǎn)化為潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊,因此,我們認(rèn)為該區(qū)域潛在林木樹(shù)冠覆蓋面積保持?jǐn)?shù)量相對(duì)穩(wěn)定的原因更多是偶然因素。
表4 研究區(qū)二環(huán)—三環(huán)間2002—2013年地類變化的轉(zhuǎn)移概率矩陣
EUTC: Existing urban tree canopy; PUTC: Possible urban tree canopy
另外從表3還可以看出,潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊的數(shù)量從2002—2013年的11年間,在不同環(huán)路間也同步呈現(xiàn)了不斷降低的變化過(guò)程,這表明,隨著時(shí)間的推移,潛在樹(shù)冠覆蓋斑塊的景觀破碎化程度是在逐漸減弱的,由于其斑塊面積構(gòu)成變化相對(duì)較大,這對(duì)于該地類的未來(lái)生態(tài)開(kāi)發(fā)利用是非常有價(jià)值的,有利于生物多樣性保護(hù)與游憩旅游地規(guī)模化打造的開(kāi)發(fā)格局的形成。
圖3 整個(gè)研究區(qū)及不同環(huán)路間潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊平均面積Fig.3 The mean patch size of possible UTC in all study region and different ring road
斑塊大小是一個(gè)很重要的景觀格局量化參數(shù),它直接影響著斑塊內(nèi)部與斑塊之間的能量流、物質(zhì)流與物種流。目前用于刻畫(huà)斑塊大小的參數(shù)有兩個(gè):一個(gè)是平均斑塊面積,一個(gè)是不同規(guī)模斑塊的數(shù)量與空間分布。
從圖3的潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊平均面積可以看出,2002年時(shí),整個(gè)研究區(qū)域的潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊面積的平均大小只有0.37hm2,到了2013年,整個(gè)研究區(qū)的潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊的平均面積達(dá)到了2.36hm2,整整翻了6.4倍,不同環(huán)路間的平均斑塊大小也都呈現(xiàn)了與研究區(qū)總體相一致的時(shí)間變化特點(diǎn),而且沿環(huán)路從內(nèi)到外呈現(xiàn)了平均斑塊不斷增大的總體變化趨勢(shì),2002年時(shí),二環(huán)以內(nèi)的平均斑塊大小為0.13hm2,到了五環(huán)—六環(huán)外1 km間平均斑塊大小遞增到了0.61hm2,最外圍是最內(nèi)里的4.7倍;而到了2013年,二環(huán)以內(nèi)區(qū)域的潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊平均大小升高到了1.24hm2,五環(huán)—六環(huán)外1 km間平均斑塊大小更是增加到了2.71hm2,雖然只翻了2.17倍,但因其基數(shù)很大,因此其生態(tài)與實(shí)踐意義重大;在這一由內(nèi)而外不斷遞增的梯度變化軸線上,唯一表現(xiàn)有異的是三環(huán)—四環(huán)間區(qū)域,在這一空間環(huán)節(jié)上潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊的平均大小出現(xiàn)了微微的降低態(tài)勢(shì)。
根據(jù)吳澤民等人的5級(jí)斑塊分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)所做的2002和2013年研究區(qū)潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊分級(jí)分布情況來(lái)看(圖4、表5),其斑塊等級(jí)的分布規(guī)律還是非常明顯的。
從不同分級(jí)的斑塊數(shù)量來(lái)看(表5),2002年時(shí),呈現(xiàn)了以小斑塊數(shù)量占優(yōu)的分布格局,該年度的小斑塊數(shù)量達(dá)到了92570個(gè),占到了當(dāng)年總斑塊數(shù)量的84.48%,其他等級(jí)的斑塊數(shù)量占比均在7%以下;而到了2013年,則呈現(xiàn)出小斑塊、大斑塊和特大型斑塊共同占優(yōu)的特點(diǎn),其占整年度斑塊數(shù)量的比例均在20%—25%之間,而中斑塊和巨斑塊的數(shù)量比例則分別為14.01%和12.21%。
圖4 研究區(qū)潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊分級(jí)分布圖Fig.4 The distribution map of possible UTC patch class in the study region
從不同分級(jí)斑塊的面積來(lái)看(表5),雖然2013年度的總面積比2002年減少了22036.39hm2,但其在不同年度的不同斑塊等級(jí)之間的分布比例則呈現(xiàn)了幾乎完全一致的規(guī)律,即都是以巨斑塊面積占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),面積占比均在70%左右,其次為特大型斑塊,其面積占比在2002年和2013年分別為19.63%和24.06%,大斑塊的面積占比都在6%左右,而中斑塊和小斑塊的面積比例均在2%以下。
表5 不同斑塊等級(jí)的數(shù)量與面積統(tǒng)計(jì)
從1767個(gè)評(píng)價(jià)單元的潛在林木樹(shù)冠覆蓋率6個(gè)分級(jí)所做的研究區(qū)域潛在林木樹(shù)冠覆蓋評(píng)價(jià)結(jié)果可以明顯看出(圖5),無(wú)論是2002年還是2013年,極低樹(shù)冠分布區(qū)絕大部分都位于五環(huán)以內(nèi)區(qū)域和西山一帶山區(qū),2002年與2013年相比,城區(qū)的分布范圍更窄,主要局限于四環(huán)以內(nèi)區(qū)域,而西山一帶則明顯有所擴(kuò)大,這表明在這些區(qū)域未來(lái)通過(guò)潛在林木樹(shù)冠區(qū)域來(lái)增加城市森林的可能性極微;而低潛力和中潛力區(qū)雖然都分布在四、五環(huán)以外區(qū)域,但在兩個(gè)年度中的分布格局則有明顯差異,2002年時(shí)兩種類型宏觀空間上的分布規(guī)模相差不大,呈現(xiàn)交叉分布,到了2013年,低潛力區(qū)范圍則明顯擴(kuò)大,在空間上構(gòu)成了主導(dǎo)的區(qū)域類型,中潛力區(qū)反而呈現(xiàn)插花式的空間構(gòu)型;中潛力以上類型區(qū)域在時(shí)間序列中,空間變化上明顯呈現(xiàn)萎縮發(fā)展的態(tài)勢(shì),在2002年時(shí)主要的分布區(qū)域?yàn)樗沫h(huán)以外區(qū)域,到了2013年則明顯退至五環(huán)以外區(qū)域。總的空間變化態(tài)勢(shì)說(shuō)明,北京六環(huán)外1km范圍內(nèi)區(qū)域,未來(lái)城市森林的建設(shè)潛力在明顯萎縮,尤其在五環(huán)以內(nèi)的城市規(guī)劃區(qū)域,這一潛力更是微乎其微。
圖5 研究區(qū)潛在林木樹(shù)冠覆蓋評(píng)價(jià)Fig.5 The map of the possible urban tree canopy assessment in 2002 and 2013
根據(jù)圖5矢量數(shù)據(jù)所做的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(表6),除了極低潛力和低潛力區(qū)域的面積與比例呈現(xiàn)增加外,其他類型區(qū)域都呈現(xiàn)了縮小的變化趨勢(shì)。在2013年,極低潛力和低潛力區(qū)域的面積分別達(dá)到了63701.44hm2和125605.54hm2,占到了研究區(qū)域總面積的25.83%和50.94%,與2002年相比,面積比例分別增加了14.67%和18.55%;而中潛力與中高潛力區(qū)域的面積在2013年時(shí)分別為36035.26hm2和13268.42hm2,面積比例分別為14.61%和5.38%,比2002年分別降低了14.22個(gè)百分點(diǎn)和10.46個(gè)百分點(diǎn);高潛力與極高潛力區(qū)域在兩個(gè)年度所占的份額都不大,2013年時(shí)其面積分別為6206.63hm2和1767.72hm2,與2002年相比,面積比例分別降低了2.46%和6.07%。
表6 研究區(qū)域潛在林木樹(shù)冠覆蓋評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)
圖6 潛在林木樹(shù)冠發(fā)展空間優(yōu)先度分級(jí)Fig.6 The priority index classification in study region
潛在樹(shù)冠發(fā)展的空間優(yōu)先度評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖6。從中可以明顯看出,林木樹(shù)冠覆蓋發(fā)展空間的優(yōu)先度也沿北京環(huán)路呈現(xiàn)了明顯的梯級(jí)分布規(guī)律,即沿著環(huán)路從內(nèi)而外的外擴(kuò)過(guò)程,林木樹(shù)冠覆蓋發(fā)展的優(yōu)先度需求呈現(xiàn)了逐步降低的變化過(guò)程,其中四環(huán)以內(nèi)區(qū)域是林木樹(shù)冠覆蓋最缺乏、優(yōu)先發(fā)展需求最為強(qiáng)烈的區(qū)域。
從圖6的不同分區(qū)統(tǒng)計(jì)來(lái)看(表7),整個(gè)研究區(qū)以低優(yōu)先度區(qū)域所占比例最小,全部面積只有16960.12hm2,只占整個(gè)研究區(qū)面積的6.88%,其次為極高優(yōu)先度區(qū),該區(qū)域總面積為32331.68hm2,占到了全部研究區(qū)域的13.11%,中優(yōu)先度和高優(yōu)先度區(qū)域所占面積比例相差不大,分別為38.22%和41.79%。對(duì)于低優(yōu)先度區(qū)域而言,由于主要處在北京城西的西山山地一帶,本身林木覆蓋率就很高,通過(guò)多年來(lái)的山地造林與質(zhì)量提升工程的實(shí)施,目前進(jìn)一步營(yíng)造城市森林的面積潛力極微,而極高優(yōu)先度區(qū)域雖然面積占比也不突出,但是由于其主要集中分布在北京城的城市建成區(qū)范圍內(nèi),尤其是其幾乎涵蓋了全部核心城區(qū)的東、西城區(qū)范圍,這里也是目前北京市人口密度最大的區(qū)域,因此,雖然其面積占比不大,但其所在區(qū)位和對(duì)城市未來(lái)可持續(xù)性的維持意義非凡。
不同優(yōu)先度區(qū)域潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊總面積的大小,直接反映了相應(yīng)區(qū)域未來(lái)城市森林建設(shè)的規(guī)模潛力。從不同優(yōu)先度區(qū)域所含的潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊情況來(lái)看(表7),其總體變化規(guī)律與不同優(yōu)先度區(qū)域的總規(guī)律大致相同,其中以低優(yōu)先度區(qū)域的潛在林木樹(shù)冠覆蓋面積最小,只有298.15hm2,僅占到2013年研究區(qū)域潛在林木樹(shù)冠總面積的1.58%,而極高優(yōu)先度區(qū)域的潛在林木樹(shù)冠面積雖然比低優(yōu)先度區(qū)域有所增加,但總面積也只有662.09hm2,占潛在林木樹(shù)冠總面積的3.51%。潛在林木樹(shù)冠覆蓋面積主要集中在中優(yōu)先度區(qū)域和高優(yōu)先度區(qū)域,分別占2013年潛在林木樹(shù)冠總面積的40.03%和54.88%,尤其是高優(yōu)先度區(qū)域,由于其主要集中在四環(huán)—五環(huán)之間區(qū)域,而該區(qū)域又是目前北京城市化發(fā)展最快速的地區(qū),其較高的潛在林木樹(shù)冠覆蓋面積對(duì)于該區(qū)域未來(lái)的城市生態(tài)建設(shè)具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。
表7 潛在林木樹(shù)冠覆蓋優(yōu)先度分級(jí)區(qū)域及其所含潛在UTC斑塊面積統(tǒng)計(jì)
城市森林的服務(wù)對(duì)象是人,越是人口聚集的地方對(duì)城市森林的需求也越大。從北京市的現(xiàn)實(shí)情況來(lái)看,人口與城市森林布局二者之間出現(xiàn)了明顯的空間格局背離現(xiàn)象,越是人口密度高的地方城市森林的缺乏程度反而越高。從圖7可以明顯看出,北京市城區(qū)人口密度最高的地方主要集中在四環(huán)以內(nèi)的城市建成區(qū)區(qū)域,其人口密度最高已經(jīng)達(dá)到了40623人/km2,作為城市森林主體服務(wù)對(duì)象的人口分布格局,客觀上要求城市森林分布必須順應(yīng)這樣的人口空間格局,但遺憾的是,現(xiàn)實(shí)林木樹(shù)冠覆蓋情況卻呈現(xiàn)了與人口分布格局完全相反的空間格局,從圖7可以明顯看出,四環(huán)以內(nèi)區(qū)域基本上都處于15%—30%的中等覆蓋率水平,同時(shí)也出現(xiàn)了大量散點(diǎn)狀分布的林木樹(shù)冠覆蓋區(qū)域,在四環(huán)—五環(huán)之間僅出現(xiàn)了30%—45%的高現(xiàn)實(shí)林木樹(shù)冠覆蓋率,整個(gè)四環(huán)以內(nèi)區(qū)域,除了天壇公園附近以及東北角區(qū)域外,全區(qū)沒(méi)有極高林木樹(shù)冠覆蓋區(qū)域分布。根據(jù)最新的《北京城市總體規(guī)劃(2016年—2035年)》目標(biāo),北京市到2050年要全面建成國(guó)際一流的和諧宜居之都,這一背離現(xiàn)實(shí)格局情況的存在,將是北京市實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最大瓶頸。雖然北京市政府在解決這一問(wèn)題上也采取了不少的辦法,已經(jīng)完成的百萬(wàn)畝平原大造林一期和2018年以來(lái)正在實(shí)施的二期工程,都是這一努力的集中體現(xiàn),但問(wèn)題是,由于工程實(shí)施地點(diǎn)主要位于五環(huán)以外的平原區(qū)域,對(duì)于改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的作用是顯而易見(jiàn)的,但這依然無(wú)法緩解與目前格局相背離的現(xiàn)狀。因此,北京城市生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的解決還必須尋找新的突破口,以期從更高的城市管理視角解決這一問(wèn)題。
圖7 研究區(qū)人口密度與現(xiàn)實(shí)樹(shù)冠覆蓋率空間分布Fig.7 The spatial distribution of the population density in 2010 and existing urban tree canopy ratio in 2013
從圖6和圖7的情況來(lái)看,目前的五環(huán)以內(nèi)區(qū)域,作為北京市城市建成區(qū)的最核心區(qū)域,其一方面面臨著現(xiàn)實(shí)林木樹(shù)冠覆蓋極度匱乏的情況,同時(shí)也面臨著潛在林木樹(shù)冠覆蓋面積嚴(yán)重不足的窘境。由于潛在林木樹(shù)冠覆蓋率絕大部分區(qū)域都處于≤1%的極低水平,這就決定了傳統(tǒng)的林木樹(shù)冠覆蓋面積擴(kuò)張策略對(duì)于改變目前的現(xiàn)實(shí)格局具有很大的局限性,因此該區(qū)域未來(lái)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)必須另尋出路,其中目前最可行的途徑有三:一是充分利用城市拆遷、舊城改造等機(jī)遇,大力開(kāi)發(fā)利用不透水地表潛在樹(shù)冠覆蓋潛力。北京市自2018年開(kāi)始實(shí)施的“留白增綠”工程,為城市建成區(qū)綠化提供了新的突破口,僅2018年就完成了1600.27hm2的綠化任務(wù)。二是挖掘草坪用地向林木樹(shù)冠覆蓋土地轉(zhuǎn)換的潛力,三是加強(qiáng)屋頂綠化等垂直綠化的潛力。
過(guò)去的變化是未來(lái)變化的一面鏡子,它可以在一定程度上揭示變化發(fā)生的概率與規(guī)模,從而服務(wù)于未來(lái)的定向管理。從表8的2002—2013年研究區(qū)土地覆蓋轉(zhuǎn)移概率矩陣可以看出,在過(guò)去的11年間,以裸土地和荒草地為主的潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊是向現(xiàn)實(shí)林木樹(shù)冠覆蓋轉(zhuǎn)化的最主要力量,總計(jì)有22230.79hm2潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊轉(zhuǎn)化為了現(xiàn)實(shí)林木樹(shù)冠覆蓋斑塊類型,平均每年的轉(zhuǎn)化面積達(dá)到了2020.98hm2;其次為不透水地表,從該表的數(shù)據(jù)可以看出,11年間,總計(jì)有20989.46hm2的不透水地表轉(zhuǎn)化為了現(xiàn)實(shí)林木樹(shù)冠覆蓋地類,年均轉(zhuǎn)化面積達(dá)1908.1hm2,這其中以建筑等不透水地表類型的轉(zhuǎn)移幅度最大,11年間總計(jì)轉(zhuǎn)化了19823.22hm2,年均轉(zhuǎn)化面積達(dá)到了1802.11hm2;第三個(gè)向現(xiàn)實(shí)林木樹(shù)冠覆蓋轉(zhuǎn)化的最大土地覆蓋類型為農(nóng)田,從表8中可以看出,11年間共有20354.60hm2的農(nóng)田發(fā)生了轉(zhuǎn)化,年均轉(zhuǎn)換面積達(dá)到了1850.42hm2,但需要說(shuō)明的是,農(nóng)田轉(zhuǎn)化主要是農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整后發(fā)生的農(nóng)作物種植向林果產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)換的結(jié)果;而草坪等管理型草地11年間也有407.84hm2的面積轉(zhuǎn)化為了現(xiàn)實(shí)林木樹(shù)冠覆蓋類型,年均轉(zhuǎn)化面積雖然不大,只有37.08hm2,但由于林木樹(shù)冠覆蓋提供的生態(tài)服務(wù)遠(yuǎn)高于草坪草地,因此該轉(zhuǎn)換仍然具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
表8 研究區(qū)2002—2013年土地覆蓋轉(zhuǎn)移概率矩陣/hm2
圖8 研究區(qū)最具轉(zhuǎn)化潛力的幾類土地覆蓋類型的空間分布 Fig.8 The spatial distribution map of some land cover types with the most conversion potential
從2013年這幾類主要轉(zhuǎn)化類型的土地覆蓋空間分布來(lái)看(圖8),五環(huán)以內(nèi)今后主要的挖掘潛力還在于不透水地表,一方面這里是北京城市的核心區(qū)域所在,現(xiàn)實(shí)林木樹(shù)冠覆蓋資源最為短缺,另一方面這里人口最為集中,對(duì)林木樹(shù)冠覆蓋資源的需求性也最大。由于農(nóng)田主要集中在五環(huán)以外區(qū)域,因此農(nóng)田產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整僅具有區(qū)域上的生態(tài)意義,而對(duì)于解決城市建成區(qū)生態(tài)服務(wù)需求問(wèn)題的作用不大;草坪草地與裸土地雖然也有一定的積極意義,但在五環(huán)以內(nèi)其面積狹小,因此未來(lái)的轉(zhuǎn)化潛力也不大。
圖9 北京市第一和第二道綠化隔離區(qū)空間位置圖 Fig.9 The spatial distribution map of the first and second green belt in Beijing
城市的發(fā)展離不開(kāi)城市規(guī)劃的直接指導(dǎo),在城市規(guī)劃過(guò)程中,土地空間規(guī)劃最為關(guān)鍵,它直接關(guān)聯(lián)著城市每一寸土地的未來(lái)用途,進(jìn)而影響著城市的未來(lái)功能。城市林木樹(shù)冠覆蓋是城市中最重要的綠色基礎(chǔ)設(shè)施,在國(guó)外的城市規(guī)劃中占有非常重要的地位。然而在國(guó)內(nèi),城市建設(shè)用地的規(guī)劃優(yōu)先于城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃,作為城市規(guī)劃中唯一的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃,一直沒(méi)有得到高優(yōu)先度的重視??v觀北京城市建成區(qū)目前存在的各類問(wèn)題,絕大多數(shù)都與此因素有關(guān)。北京是一個(gè)典型的“同心圓”型外擴(kuò)發(fā)展的城市,從1993年《北京市城市總體規(guī)劃(1993—2010年)》開(kāi)始,北京的城市管理、規(guī)劃與建設(shè)者們已經(jīng)注意到了北京市城市生態(tài)問(wèn)題,因此由市政府發(fā)布了“7號(hào)文件”,并開(kāi)始規(guī)劃實(shí)施了第一道綠化隔離區(qū)建設(shè)(圖9),但隨后緊接著的城市三環(huán)、四環(huán)與五環(huán)道路建設(shè),將城市建成區(qū)的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,從而導(dǎo)致了該區(qū)域建設(shè)用地對(duì)生態(tài)用地的大量擠占,因此嚴(yán)重影響到了第一道綠化隔離區(qū)規(guī)劃建設(shè)的預(yù)期成效。而從2003年開(kāi)始實(shí)施并于2010年完成的第二道綠化隔離區(qū)建設(shè),由于其主要集中于北京市的五環(huán)以外直至六環(huán)外1km的范圍內(nèi),受北京城市建設(shè)外擴(kuò)的影響較小,從而保證了生態(tài)用地?cái)?shù)量上的相對(duì)穩(wěn)定。作為北京城市最重要的兩道綠色屏障,從建設(shè)完成至今,也沒(méi)有一個(gè)專門的地方性法規(guī)對(duì)其從法規(guī)層面予以保護(hù),2018年7月6日由北京市人民政府以京政發(fā)〔2018〕18號(hào)文發(fā)布的《北京市生態(tài)保護(hù)紅線》中,完全沒(méi)有這兩道生態(tài)綠化隔離區(qū)的任何內(nèi)容,僅在《北京城市中心區(qū)綠線》中,才涉及到這兩個(gè)重要的生態(tài)綠帶的內(nèi)容,但其劃定的綠線在這兩個(gè)區(qū)域依然呈現(xiàn)孤立分散的團(tuán)塊狀格局,依然沒(méi)有將其作為一個(gè)統(tǒng)一整體予以考慮,從而大大降低了對(duì)其保護(hù)的力度,也給以后這兩個(gè)區(qū)域整體保護(hù)的法律地位留下了缺憾。
(1)研究區(qū)域2002年和2013年的潛在林木樹(shù)冠覆蓋面積分別只有40882.18hm2和18845.82hm2,僅占到研究區(qū)域總面積的16.58%和7.64%,這表明,隨著時(shí)間的推移,研究區(qū)域的潛在林木樹(shù)冠覆蓋土地資源可利用潛力在急速降低。
(2)從潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊的空間分布來(lái)看,2002年時(shí),潛在UTC主要分布在三環(huán)以外區(qū)域,三環(huán)以內(nèi)區(qū)域分布較少,到了2013年,則主要分布在五環(huán)以外區(qū)域,五環(huán)以內(nèi)分布較少;從潛在林木樹(shù)冠覆蓋類型來(lái)看,2002年時(shí),以綠化地裸土地和水域裸土地為主,各類型的面積比例雖有差別,但總體數(shù)值偏離不大,到了2013年,則呈現(xiàn)出荒草地類型“一枝獨(dú)秀”的格局,其他類型的面積比例相對(duì)較小。
(3)從潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊的數(shù)量來(lái)看,11年間凈減少了101899個(gè),斑塊的平均面積則從2002年的0.37hm2增加到了2.36hm2;從斑塊大小分級(jí)變化來(lái)看,數(shù)量上2002年呈現(xiàn)出以小斑塊占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的特征,其面積占比達(dá)到了84.84%;2013年時(shí)不同級(jí)別的斑塊數(shù)量分布相對(duì)均衡,沒(méi)有哪一個(gè)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì);在分級(jí)面積上,兩個(gè)年度都呈現(xiàn)了巨斑塊占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)、特大斑塊次優(yōu)、其他斑塊尺度類型占比極小的總體特征。
(4)以村(社區(qū))為單元的區(qū)域潛在林木樹(shù)冠覆蓋評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,整個(gè)研究區(qū)域2002年時(shí)低潛力和中潛力區(qū)域范圍最大,分別占到了研究區(qū)域面積的32.39%和 28.83%,2013年時(shí)潛力格局改變?yōu)橐詷O低潛力和低潛力區(qū)域面積最大,分別占研究區(qū)域總面積的25.83%和50.94%。
(5)從研究區(qū)域潛在林木樹(shù)冠覆蓋種植空間的優(yōu)先度評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看,極高優(yōu)先度和高優(yōu)先度區(qū)域應(yīng)該是北京城市未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展城市森林的地區(qū),其面積占比分別達(dá)到了13.11%和41.79%,其中極高優(yōu)先度區(qū)域主要分布在構(gòu)成城市核心區(qū)的東城區(qū)和西城區(qū),但該區(qū)域2013年的潛在林木樹(shù)冠覆蓋斑塊面積僅占整個(gè)研究區(qū)域當(dāng)年度潛在林木樹(shù)冠覆蓋總面積的3.51%,因此北京城區(qū)未來(lái)的林木樹(shù)冠發(fā)展策略應(yīng)該走植被潛在斑塊與不透水地表潛在斑塊共同開(kāi)發(fā)之路。