基于復合生態(tài)系統(tǒng)的城市生態(tài)基礎設施優(yōu)化路徑*

李亞麗 李一辰 馬 嘉 張云路

北京林業(yè)大學園林學院 北京 100083

城市生態(tài)基礎設施是由城市綠地、自然保護區(qū)、林業(yè)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)及其他生態(tài)景觀相互連接形成的支持系統(tǒng)，是為生物、居民和城市提供生態(tài)服務，維持城市良性生態(tài)機能，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要支撐[1－2]。

永定河作為北京西山永定河文化帶的重要組成，其長期疏于治理導致的生態(tài)系統(tǒng)退化，使生態(tài)修復成為治理關鍵[3]，而作為第二道綠化隔離帶及西南地區(qū)生態(tài)廊道的平原城市段，沿線包括眾多區(qū)域綠地及豐富的農(nóng)田及林地等資源，承擔調(diào)節(jié)、文化、支持等多重功能，但一直以來區(qū)域內(nèi)人－生物－城市環(huán)境相互制約。因此，協(xié)調(diào)三者關系對永定河生態(tài)修復、優(yōu)化永定河及周邊城市生態(tài)基礎設施、提升城市生態(tài)系統(tǒng)服務功能具有重要意義。

1 生態(tài)基礎設施辨析

1.1 生態(tài)基礎設施的全面性

生態(tài)基礎設施(Ecological Infrastructure，以下簡稱EI) 最早在1984年聯(lián)合國教科文組織的“人與生物圈計劃”中作為5項生態(tài)城市規(guī)劃原則之一被提出。EI包括森林、草地、農(nóng)田、濕地、河流、湖泊等自然系統(tǒng)，以及人工濕地、水庫、雨水花園、立體綠化等半自然系統(tǒng)[4]。EI與綠色基礎設施 (Green Infrastructure，以下簡稱GI) 概念相似，都在灰色基礎設施、社會基礎設施以外，依托生態(tài)空間提升城市生態(tài)系統(tǒng)服務功能，支撐城市可持續(xù)發(fā)展。GI強調(diào)與灰色基礎設施結(jié)合[4]，構(gòu)建綠色空間網(wǎng)絡，解決城市雨洪、交通等問題。EI則強調(diào)生物多樣性保護，形成復雜、完整、有生命活力的城市生態(tài)系統(tǒng)[5]，提供更為豐富的生態(tài)系統(tǒng)服務功能。

1.2 生態(tài)基礎設施的局限性

國內(nèi)外在EI與GI研究方面已積累了一定成果，但由于概念和空間載體的相似性，兩者的側(cè)重區(qū)分并不明確。俞孔堅[6]提出的EI相比GI突出了城市自然生態(tài)系統(tǒng)中人－生物－環(huán)境整體結(jié)構(gòu)和功能的復合完整，但后續(xù)研究多側(cè)重單一方面。在生態(tài)空間營造方面，魯春霞[7]、Nam－Choon[8]和Strayer[9]均指出EI具備生態(tài)游憩、支持多物種棲息、保護水質(zhì)等多重功能。從生態(tài)環(huán)境修復角度，Mander[10]、Hughes[11]和楊萌[4]都指出保護和修復EI具有改善自然環(huán)境、降低投資成本等多重效益。因此，如何體現(xiàn)其在城市生態(tài)系統(tǒng)中的復合性，從平衡人－生物－城市環(huán)境出發(fā)構(gòu)建城市生態(tài)基礎設施體系，對優(yōu)化城市生態(tài)系統(tǒng)具有促進意義。

1.3 基于復合生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建城市生態(tài)基礎設施

復合生態(tài)系統(tǒng)由馬世駿[12]提出，指社會、經(jīng)濟、自然等若干子系統(tǒng)相互關聯(lián)作用的復雜體系，包括人類社會發(fā)展的生存條件、生物生存的棲息地及資源供給的自然環(huán)境等。復合生態(tài)系統(tǒng)不僅注重山水林田湖草等自然生態(tài)系統(tǒng)的保護修復，也關注其與人工生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同耦合，為城市生態(tài)基礎設施的構(gòu)建提供了理論基礎。而城市生態(tài)基礎設施作為彰顯復合生態(tài)品質(zhì)的三大單元之一，承擔著為人類生產(chǎn)生活提供生態(tài)服務，保障自然環(huán)境健康運行等功能[13－14]，是協(xié)調(diào)復合生態(tài)系統(tǒng)中多個子系統(tǒng)和諧發(fā)展的關鍵空間要素。

為解決北京市永定河平原城市段人－生物－城市環(huán)境相互制約的問題，本文引入復合生態(tài)系統(tǒng)理論，對其進行綜合評價分析并提出優(yōu)化策略:通過引入城市河流廊道這一生態(tài)基礎設施作為空間載體，輻射并聯(lián)動周邊其他生態(tài)基礎設施的優(yōu)化提升[15]，以期構(gòu)建人－生物－城市環(huán)境和諧共生的城市生態(tài)基礎設施，平衡協(xié)調(diào)城市生態(tài)基礎設施的多元生態(tài)系統(tǒng)服務功能。

2 研究區(qū)域及方法

2.1 研究區(qū)域

北京市內(nèi)永定河長約170 km，其中平原城市段37 km，北起三家店攔河閘，南至南六環(huán)路。北京市永定河平原城市段作為第二道綠化隔離帶在西南地區(qū)的重要組成部分，其西北部靠近淺山區(qū)，位于淺山區(qū)和城市的過渡地帶。因此，研究區(qū)域的西北部至淺山區(qū)邊界，西側(cè)及東南部分以第二道綠化隔離帶范圍為邊界，面積約54 853.6 hm2。

2.2 數(shù)據(jù)來源與預處理

研究使用的主要數(shù)據(jù)包括遙感數(shù)據(jù)、DEM、河流分布、道路交通、服務設施POI、生物點分布等，均被統(tǒng)一到WGS＿ 1984坐標系和UTM投影，并統(tǒng)一成30 m×30 m柵格大小的Grid。

遙感數(shù)據(jù)為Landsat 8 OLI＿ TIRS衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品2017年7月的衛(wèi)星影像，使用ENVI 5.2軟件對遙感影像進行預處理，基于最大似然法提取要素，并結(jié)合野外采集的各類斑塊實測點對解譯數(shù)據(jù)進行精度驗證，總體精度達到90.46%，滿足研究需求，最終得到研究區(qū)域2017年土地覆蓋數(shù)據(jù)，劃分6種土地利用類型并統(tǒng)計面積(表1)；DEM源于地理空間數(shù)據(jù)云GDEMDEM 30M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)；河流分布從研究區(qū)域2017年土地覆蓋數(shù)據(jù)提??；道路交通來源Open Street Map；服務設施POI通過網(wǎng)絡爬蟲獲得；生物點分布來源于Global Biodiversity Information Facility (表2)。

表1 研究區(qū)域2017年土地覆蓋數(shù)據(jù)

表2 數(shù)據(jù)來源詳情

2.3 研究方法

2.3.1 評價流程

首先，基于復合生態(tài)系統(tǒng)理論，從協(xié)調(diào)人－生物－城市環(huán)境的角度確定研究框架。其次，收集處理數(shù)據(jù)，整理評價因子并采用主成分分析篩選因子，利用因子方差貢獻率確定因子權(quán)重；在此基礎上再運用ArcGIS加權(quán)疊加得到3個目標層評價結(jié)果，并將上述結(jié)果等比例疊加得到綜合適宜性評價結(jié)果。最后，提出北京市永定河平原城市段優(yōu)化策略。

2.3.2 因子選取

基于復合生態(tài)系統(tǒng)理論，結(jié)合研究區(qū)域現(xiàn)狀，選取人的生態(tài)游憩適宜性、生物的棲息地適宜性和城市環(huán)境的生態(tài)修復潛力3個目標層提取評價因子，構(gòu)建綜合評價體系，匯總得到10個準則層和35個指標層因子。

在人的生態(tài)游憩適宜性方面，考慮到現(xiàn)狀良好的植被、水體及服務設施、土地類型、交通便利程度等因素，最終選擇自然環(huán)境、人文環(huán)境和社會環(huán)境3個準則層12個指標[16－18]。

生物的棲息地適宜性在考慮自然環(huán)境對生物棲息有積極影響的同時，將人類干擾等消極因素作為負向指標納入評價體系，最終包括地理條件、食物豐富度、人類干擾和隱蔽度4個準則層13個指標[19－20]。

城市環(huán)境的生態(tài)修復潛力在地理條件和社會環(huán)境傳統(tǒng)指標的基礎上，加入景觀生態(tài)學中影響生態(tài)修復的因素，最終選擇地理條件、社會環(huán)境和景觀指數(shù)3個準則層10個指標[21－22]。

2.3.3 因子篩選

由于上述指標體系較為龐雜，因此采用主成分分析進行降維處理。首先，運用ArcGIS將35個因子的分析結(jié)果轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)并提取屬性表數(shù)值。其次，歸一化處理數(shù)據(jù)，避免各因子因單位不同而造成信息損失。再次，將原始變量通過線性組合形成新變量，并根據(jù)協(xié)方差矩陣求解特征根、特征向量，協(xié)方差矩陣與原始變量的線性組合即為主成分，公式如式(1):

式(1) 中，Z為各主成分；a為協(xié)方差矩陣各元素；x為原始變量相應的值。

最后，運用累積貢獻率選取因子，因子累積貢獻率越大，說明這些因子越能代表原來的變量，最終選取累積貢獻率大于90%的22個指標層因子作為評價因子(表3)。

2.3.4 因子權(quán)重確定

首先根據(jù)初始成分矩陣計算得出線性組合系數(shù)，公式如式(2):

表3 評價指標體系

式(2) 中，Eij為因子i的第j個主成分線性組合系數(shù)；Fij為因子i的第j個主成分初始成分矩陣；bj為第j個主成分的初始特征值。

其次在此基礎上構(gòu)建綜合評價函數(shù)，公式如式(3):

式(3) 中，Yi為因子i的綜合得分系數(shù)；cj為第j個主成分的方差貢獻率。

最后對各因子的綜合得分系數(shù)進行歸一化處理，結(jié)合目標層權(quán)重計算出準則層和指標層的權(quán)重(表3)。公式如式(4):

式(4) 中，Wi為第i個指標的歸一化權(quán)重。

2.3.5 綜合評價結(jié)果

運用ArcGIS加權(quán)總和工具，先將指標層因子的權(quán)重作為系數(shù)疊加，得到準則層結(jié)果；然后將準則層的權(quán)重作為系數(shù)疊加，得到目標層結(jié)果，再將3個目標層結(jié)果等比例疊加，得到綜合適宜性評價結(jié)果；最后，運用自然間斷點法將所有評價結(jié)果劃分為3個等級并統(tǒng)計面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 目標層結(jié)果

3.1.1 人的生態(tài)游憩適宜性

人的生態(tài)游憩適宜性等級空間分布與面積差異明顯(圖1、表4)。最適宜區(qū)域面積31 084.83 hm2，占比最高，為56.67%，集中分布在區(qū)域北部首鋼園及中部園博園等城市綠地周邊；受市區(qū)區(qū)位影響較大，同時周邊公共交通站點等基礎設施密度也較大，為生態(tài)游憩提供了良好服務設施。較適宜區(qū)域面積13 907.16 hm2，占比25.35%；由于基礎設施密度相對較小且距市區(qū)較遠，此區(qū)域環(huán)繞最適宜區(qū)域外側(cè)分布。不適宜區(qū)域面積9 861.57 hm2，占比最低，為17.98%，在南六環(huán)附近集中分布；由于距離周邊基礎設施較遠且區(qū)域內(nèi)設施不完善，導致不適宜生態(tài)游憩，由此可見城郊地區(qū)基礎服務設施的建設還欠缺。

3.1.2 生物的棲息地適宜性

生物的棲息地適宜性等級空間分布基本呈較大斑塊狀，面積也較均衡(圖1、表4)。最適宜區(qū)域面積15 828.84 hm2，占比最低，為28.86%，沿流域線性分布，在大寧水庫及南部林地、草地等區(qū)域擴大；現(xiàn)狀生物點集中分布于此區(qū)域，湖泊密度較大且NDVI指數(shù)較高，為生物提供了良好生存環(huán)境。較適宜區(qū)域面積19 936.71 hm2，占比最高，為36.35%；由于居民點、道路等人為干擾較大，主要環(huán)繞分布在最適宜區(qū)域外側(cè)的林地、草地和耕地內(nèi)，同時沿京良路、梅市口路向城市線性延伸，具備構(gòu)建生物廊道的潛力。不適宜區(qū)域面積19 088.01 hm2，占比34.80%，由于區(qū)域內(nèi)居民點和道路密度過大，人為干擾強烈，集中分布在建設用地范圍內(nèi)。

圖1 目標層評價結(jié)果

表4 綜合評價面積統(tǒng)計

3.1.3 城市環(huán)境的生態(tài)修復潛力

城市環(huán)境的生態(tài)修復潛力等級空間分布及面積差異明顯(圖1、表4)。生態(tài)修復潛力強的區(qū)域面積18 975.96 hm2，占比34.59%，少量小面積斑塊分布于建設用地內(nèi)，集中分布在永定河流域及兩側(cè)林地、草地范圍內(nèi)；由于斑塊豐富度密度較高，自然環(huán)境基底良好，因此具備較強修復潛力。生態(tài)修復潛力中等區(qū)域面積8 038.17 hm2，占比最低，為14.65%；由于生物多樣性較為豐富，結(jié)構(gòu)復雜，自我調(diào)節(jié)能力較強，在流域兩側(cè)的林地、草地范圍內(nèi)等交錯分布。生態(tài)修復潛力弱區(qū)域面積27 839.43 hm2，占比最高，為50.75%；由于距開發(fā)程度較高的建設用地較近，抵御外界干擾的能力較差，集中分布在建設用地內(nèi)。

3.2 綜合評價結(jié)果

綜合適宜性評價結(jié)果(表4、圖2) 顯示，綜合適宜性最高區(qū)域面積為22 121.10 hm2，占比40.33%，主要分布于永定河流域及西側(cè)靠近淺山區(qū)的林地、草地和耕地內(nèi)，少量小面積斑塊散布于建設用地內(nèi)。永定河及兩側(cè)較高的NDVI指數(shù)和湖泊密度支撐生物棲息和生態(tài)修復，同時已建成的城市綠地和完善的基礎設施也為生態(tài)游憩提供條件。綜合適宜性中等區(qū)域面積24 085.71 hm2，占比最高，為43.91%；由于區(qū)域內(nèi)自然基底良好，同時游憩服務設施較為完善，集中且連續(xù)分布在流域中北部及兩側(cè)林地、草地和耕地內(nèi)。綜合適宜性最低區(qū)域面積為8 646.75 hm2，占比最低，為15.76%，主要分布在南六環(huán)及西北角建設程度較高區(qū)域，區(qū)域內(nèi)不僅人為干擾因素大不利于生物棲息和生態(tài)修復，生態(tài)游憩相關基礎設施也不完善。

圖2 綜合適宜性評價結(jié)果

4 優(yōu)化策略

基于評價結(jié)果，本文從人的生態(tài)游憩、生物棲息地與城市環(huán)境生態(tài)修復間建立協(xié)調(diào)耦合關系的角度提出以下優(yōu)化策略，以期構(gòu)建人與自然和諧共生的城市生態(tài)基礎設施體系，實現(xiàn)城市復合生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)。

1) 依托區(qū)域綠地保育生態(tài)斑塊。綜合適宜性最高區(qū)域斑塊面積較大且包括眾多區(qū)域綠地，是永定河沿線重要生態(tài)斑塊。在斑塊破碎但聚集度高的淺山區(qū)附近，運用微地形和鄉(xiāng)土植物營造近自然群落，形成適宜不同物種的豐富且連續(xù)生境。在永定河流域增設生態(tài)島，利用兩岸的林地、草地營造洪泛平原，調(diào)節(jié)城市微氣候，凈化水質(zhì)，修復多樣化鄉(xiāng)土生境。同時，運用低影響開發(fā)理念適度利用風景資源為市民提供接觸、感知自然的場所，最終構(gòu)建生態(tài)特色顯著、服務功能多元的城市生態(tài)基礎設施。

2) 依托藍綠空間修復生態(tài)基底。綜合適宜性中等區(qū)域斑塊面積大且連續(xù)分布，大量農(nóng)田、林地提供生態(tài)系統(tǒng)服務功能。在靠近淺山區(qū)的附近，控制開發(fā)強度，依托現(xiàn)狀道路、水系等構(gòu)建綠道體系，串聯(lián)現(xiàn)狀區(qū)域綠地，實現(xiàn)淺山區(qū)向永定河的生態(tài)過渡。在靠近城市區(qū)域，有機整合周邊林地、草地，構(gòu)建南北延展的藍綠空間，同時利用京良路、京港澳高速等潛在的生態(tài)廊道，實現(xiàn)永定河從西向東到城市的過渡。最終通過修復生態(tài)基底，重塑城市生態(tài)格局，發(fā)揮生態(tài)基礎設施積極作用，形成淺山區(qū)－永定河－城市的生態(tài)過渡地帶。

3) 依托城市綠地向城市內(nèi)部滲透。綜合適宜性最低區(qū)域的開發(fā)建設程度高，人為干擾因素大。針對少量靠近淺山區(qū)的基質(zhì)，限制不合理開發(fā)，采取適當?shù)纳鷳B(tài)修復措施，提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。針對大量分布于建設用地的基質(zhì)，合理布局城市森林、雨水花園、立體綠化等綠色空間，并通過道路綠化、帶狀游園等線性空間構(gòu)建綠色空間網(wǎng)絡體系，提升城市內(nèi)部生態(tài)服務功能。同時融入周邊文化，為居民提供良好的開放空間，有效增加城市用地的社會、經(jīng)濟和生態(tài)價值，實現(xiàn)城市復合生態(tài)系統(tǒng)的和諧發(fā)展。