基于生態(tài)安全格局的公園城市建設(shè)分析

趙礎(chǔ)昊，徐芳芳

（1.清華大學(xué) 公共管理學(xué)院，北京 100084；2.中共天津市委黨校，天津 300191）

1 問題的提出

2018 年2 月11 日，習(xí)近平總書記在成都天府新區(qū)考察時，首次提出了建設(shè)公園城市的理念，特別指出“要突出公園城市特點，把生態(tài)價值考慮進去”。這是當(dāng)前以生態(tài)文明為引領(lǐng)實現(xiàn)美麗中國目標(biāo)的最新思想，也是探索城市發(fā)展規(guī)劃格局的全新升華，需要在城市建設(shè)過程中兼顧生態(tài)價值與人文價值，形成人與自然和諧發(fā)展的新格局。城市是人與自然共生關(guān)系的空間映射，城市發(fā)展理念的升級本質(zhì)上也體現(xiàn)出人對自然環(huán)境適應(yīng)與改造的過程，伴隨著全球化與城市化的加快，如何最大限度地利用城市本就有限的土地空間和要素資源，如何為盡可能多的人口提供完善公共服務(wù)和生存環(huán)境，成為當(dāng)前世界各國需要面對的共同問題。

關(guān)于城市發(fā)展類型的研究中，較為經(jīng)典的理論有埃比尼澤·霍華德[1]在《明日：一條通往真正改革的和平道路》（后再版改名為《明天的田園城市》）中提出的“花園城市”；柯西布耶[2]在《明日之城市》中提出的“明日城市”；賴特[3]提出的“明日城市”；美國肯尼迪政府于1962 年在戶外娛樂資源調(diào)查中提出的“森林城市”；聯(lián)合國教科文組織于1971 年提出的“明日城市”；1984 年錢學(xué)森在致《新建筑》編輯部的信中提出了構(gòu)建“園林城市”設(shè)想[4]，隨后在1992 年他再次提出要建成“山水城市”[5]；聯(lián)合國人居署于1990 年提出的“可持續(xù)城市”；世界衛(wèi)生組織于1994 年提出的“健康城市”；1996 年在土耳其伊斯坦布爾召開的聯(lián)合國第二次人居大會上提出的“宜居城市”；2002 年倡導(dǎo)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展國際理事會（ICLEI）首提“韌性城市”；2003 年英國貿(mào)工部發(fā)布的能源白皮書《我們能源的未來：創(chuàng)建低碳經(jīng)濟》中提到的“低碳城市”；2012年我國在低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇中首次提出“海綿城市”。具體類型匯總及其含義特點如表1 所示。

表1 城市發(fā)展類型

關(guān)于城市發(fā)展格局的研究中，方創(chuàng)琳[9]提出了中國城市發(fā)展格局優(yōu)化的六大理論，認為要構(gòu)建宏觀、中觀和微觀三個層次組成的中國城市發(fā)展格局優(yōu)化系統(tǒng)框架體系；李國平和孫鐵山[10]提出了在功能整合上要強調(diào)分工與合作，促進區(qū)域城市網(wǎng)絡(luò)的形成，在區(qū)域治理上要通過對話、協(xié)調(diào)與合作實現(xiàn)權(quán)利平衡和利益分配；秦蒙等[11]認為應(yīng)加強對城市蔓延，尤其是小城市無序蔓延的治理和管控，堅持空間緊湊式的城市發(fā)展模式；劉莉[12]認為城市經(jīng)濟空間正在經(jīng)歷“分異”和“接合”的辯證趨勢，形成了“多核”“帶狀”“接入性”等普遍的地理趨勢；張歡等[13]構(gòu)建了城市群宜業(yè)與生態(tài)宜居融合協(xié)同、均衡化發(fā)展分析框架；修春亮等[14]提出了基于“規(guī)模—密度—形態(tài)”的三維城市韌性研究框架。此外，世界多數(shù)城市在空間格局的開發(fā)與優(yōu)化中，都制訂了體現(xiàn)人與自然和諧共生的規(guī)劃目標(biāo)，作為客觀測度城市可持續(xù)發(fā)展水平與狀態(tài)的重要標(biāo)尺，如魯爾綠色大都市建設(shè)指標(biāo)體系、新加坡花園城市指標(biāo)體系、墨爾本開放空間戰(zhàn)略指標(biāo)體系等。

總體來看，城市空間形態(tài)的優(yōu)化改進是與人類文明轉(zhuǎn)型升級相匹配的，都是在有限資源和人口集中的背景下探索人類社會與自然關(guān)系平衡的“最優(yōu)解”，“公園城市”理念就是當(dāng)前開辟永續(xù)發(fā)展新空間的時代命題[15]，反映了新時代改善人居環(huán)境、優(yōu)化城市空間的生態(tài)文明觀和城市治理觀。廣義來看，“公園城市”理念內(nèi)涵豐富，涉及城市發(fā)展的各個方面，包括以“美麗中國”為引領(lǐng)的綠色發(fā)展觀、構(gòu)筑山水林田湖生命共同體的生態(tài)文明觀、以文化人詩意棲居的人文價值觀、人城境業(yè)高度統(tǒng)一的城市治理觀等特點；狹義來看，“公園城市”是生產(chǎn)、生活、生態(tài)三者有機融合的“道法自然”式的城市布局，形成以城市公園、生態(tài)廊道、綠道系統(tǒng)為基礎(chǔ)，引領(lǐng)城市功能和城市形態(tài)的“活”的有機體。本文借鑒生態(tài)學(xué)等多學(xué)科的研究方法，以“公園城市”的首提地成都為例，從生態(tài)安全格局和景觀連通性的角度分析當(dāng)前成都在建設(shè)公園城市中存在的問題以及改進建議。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 研究范圍

本文選擇成都為研究范圍，成都作為成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈核心城市之一，當(dāng)前的城市規(guī)劃中已形成“東進、南拓、西控、北改、中優(yōu)”五大區(qū)域差異化發(fā)展新格局，正由“兩山夾一城”向“一山連兩翼”轉(zhuǎn)變，在推動建設(shè)踐行新發(fā)展理念的公園城市示范區(qū)方面也卓有成效，目前，已經(jīng)建成各級綠道3689 千米，新增綠地面積3885 萬平方米，森林覆蓋率達39.93%，建成區(qū)綠化覆蓋率達43.5%①參見http://cdwglj.chengdu.gov.cn/cdwglj/c133185/2020-05/29/content_8ad1df4f2a304593a6ae6470959e1e76.shtml。，具有良好的生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)和綠色發(fā)展底蘊，研究區(qū)土地利用類型分布如圖1 所示②成都新津縣已于2020年6月改為新津區(qū)，本文中仍沿用為新津縣。。

圖1 研究區(qū)土地利用類型分布

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用到的數(shù)據(jù)包括土地利用類型數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、水體數(shù)據(jù)、高速公路數(shù)據(jù)、國道數(shù)據(jù)、省道數(shù)據(jù)、縣道數(shù)據(jù)、公園分布數(shù)據(jù)，其中：土地利用類型數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心全球地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)網(wǎng)站（DOI：10.11769），GlobeLand30 地表覆蓋數(shù)據(jù)包含了耕地、森林、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪10 種主要地表覆蓋類型。DEM 數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺中GDEMV230 米分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)。坡度數(shù)據(jù)以DEM 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過ArcGIS10.7 軟件Spatial Analyst 工具箱表面分析模塊中的坡度分析進行計算得到。水體數(shù)據(jù)、高速公路數(shù)據(jù)、國道數(shù)據(jù)、省道數(shù)據(jù)、縣道數(shù)據(jù)來源于北京大學(xué)地理數(shù)據(jù)平臺。成都公園名錄來源于成都人民政府門戶網(wǎng)站，其地理經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)來源于高德數(shù)據(jù)開放云平臺經(jīng)緯度拾取，所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一投影在WGS-1984-UTM-zone-48 坐標(biāo)系統(tǒng)下進行處理，具體評價指標(biāo)體系如表2 所示[16]。

表2 生態(tài)安全評價指標(biāo)體系

2.3 研究方法

2.3.1 MCR模型

MCR 模 型（minimum cumulative resistance）最早由荷蘭生態(tài)學(xué)家Knaapen 等[17]于1992 年提出，其后經(jīng)學(xué)者不斷發(fā)展完善，現(xiàn)已在生態(tài)學(xué)等研究中進行廣泛應(yīng)用，以模擬出生態(tài)阻力在空間上的分布及擴張過程，即各種生態(tài)“源”在到達空間中任一單元時所需要克服的阻力總和，根據(jù)擴張過程中的不同阻力值大小，反映出城市土地單元與生態(tài)源地之間的連通性，以此為基礎(chǔ)判斷城市土地空間開發(fā)和建設(shè)的適宜性[18]，本文將其遷移到公園城市的格局分析中，MCR 模型的表達式如公式（1）所示：

式中：MCR為最小累積阻力值，Dij為從生態(tài)源i到土地單元j的距離，Ri為阻力系數(shù)，根據(jù)生態(tài)源地與建設(shè)用地的不同擴張方式，可以計算出最小累積阻力差值，如公式（2）所示：

式中：MCR生態(tài)為城市生態(tài)源地向外擴張的最小累積阻力面，MCR建設(shè)為城市建設(shè)用地向外擴張的最小累積阻力面，MCR差值為二者差值，當(dāng)MCR差值＞0 時表示該區(qū)域有利于城市建設(shè)，當(dāng)MCR差值＜0 時表示該區(qū)域有利于生態(tài)建設(shè)，當(dāng)MCR差值=0 時表示該區(qū)域建設(shè)用地擴張阻力與生態(tài)建設(shè)擴張阻力相等[19]。

2.3.2 空間主成分分析

空間主成分分析法（SPCA）能夠?qū)⒍鄠€空間變量通過降維的方式提取出主要影響因子，實現(xiàn)對多維變量的簡化與綜合，通過ArcGIS10.7 軟件多元分析功能中的主成分分析工具，輸入各評價指標(biāo)對應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)，根據(jù)提取出每個主成分對應(yīng)的空間載荷矩陣和方差貢獻率，計算出各個評價指標(biāo)的權(quán)重，相對更為客觀準(zhǔn)確，將評價指標(biāo)權(quán)重與各個指標(biāo)對應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)進行加權(quán)匯總，可以得到當(dāng)前成都生態(tài)安全格局的空間分布情況，計算公式為：

式中：E為第i個評價單元（柵格）的生態(tài)安全指數(shù)；pij為第i個單元的第j個指標(biāo)；wj為各指標(biāo)的權(quán)重[20]。

2.3.3 重力模型

基于MCR 模型可以得到生態(tài)擴張累積阻力面，結(jié)合ArcGIS10.7 軟件Spatial Analyst 模塊中的成本距離和成本路徑功能，計算出生態(tài)源地在擴張過程中的生態(tài)廊道，通過重力模型計算出生態(tài)源地之間的相互作用強度，以此為基礎(chǔ)提取重要潛在生態(tài)廊道，為進一步優(yōu)化公園城市格局提供參考，重力模型如公式（4）所示：

式中：Gij為生態(tài)源地i與j之間的相互作用強度，該值大小體現(xiàn)了生態(tài)源地之間潛在生態(tài)廊道的重要程度，Ni和Nj分別為生態(tài)源地i與j的權(quán)重系數(shù)，Dij為生態(tài)源地i與j之間潛在生態(tài)廊道標(biāo)準(zhǔn)化后的距離成本值，Pi和Pj分別為生態(tài)源地i與j之間的總體距離成本值，Si和Sj分別為生態(tài)源地i與j各自的面積，Lij為生態(tài)源地i與j之間潛在生態(tài)廊道的累積距離成本值，Lmax為各生態(tài)源地之間所有潛在生態(tài)廊道距離成本的最大值[21]。

3 研究過程

3.1 確定源地

生態(tài)源地通常是指生境質(zhì)量較高，生態(tài)功能良好，生物資源豐富的集聚地，具有穩(wěn)定性、擴展性等特點，結(jié)合前人研究成果和本文研究區(qū)域的實際情況，確定對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境改善具有重要意義的林地、大面積的河流湖泊和生態(tài)保護區(qū)為源地，最終選擇林地、草地、濕地、水體面積大于3 平方千米的斑塊作為本文研究的生態(tài)源地（圖2），選擇土地利用類型中的城市建設(shè)用地作為建設(shè)源地。

圖2 研究區(qū)生態(tài)源地分布

從圖2 中可以看出當(dāng)前成都生態(tài)源地主要集中在西部和北部，多以林地為主，其余生態(tài)源地分布較為分散，以水體和濕地為主。建設(shè)源地主要集中在城市中心城區(qū)以及各區(qū)縣的中心區(qū)域。

3.2 確定阻力系數(shù)

利用ArcGIS10.7 軟件多元分析功能中的主成分分析工具，輸入本文研究中各個評價指標(biāo)對應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)，可以得出8 個主成分對應(yīng)的因子載荷矩陣、特征值及其貢獻率（表3）。從表3 中可以看出前6 個主成分的累積貢獻率已超過90%，表明前6 個主成分已能夠體現(xiàn)出當(dāng)前成都的生態(tài)安全信息，結(jié)合主成分貢獻率及其對應(yīng)的因子載荷矩陣，可以得出各評價指標(biāo)在生態(tài)安全格局中的權(quán)重，如表4 所示。

表3 主成分特征值及其貢獻率

從表4 中可以看出，F(xiàn)1因子中高程的載荷（0.3601）較高，表明成都所處地形復(fù)雜多樣，當(dāng)前對城市空間布局的影響依然較高，下一步進行空間格局優(yōu)化應(yīng)充分與實際結(jié)合。F2因子中的距省道距離、F3因子中的距縣道距離、F4因子中的距國道距離以及F6因子中的距高速距離載荷均較高，分別為0.7397、0.8391、0.5357、0.7115，表明當(dāng)前交通布局對城市發(fā)展有著顯著影響。F5因子中距水體距離的載荷較高（0.7437），體現(xiàn)出水資源對當(dāng)前成都生態(tài)安全格局的重要性。在借鑒已有研究的基礎(chǔ)上[22]，根據(jù)各評價指標(biāo)對生態(tài)源地擴張的不同影響，得出其阻力等級區(qū)間，如表5 所示。

表4 因子載荷矩陣及權(quán)重

3.3 構(gòu)建生態(tài)阻力面

根據(jù)表5 中各評價指標(biāo)對生態(tài)源地擴張的阻力等級區(qū)間，在ArcGIS10.7 中利用重分類工具將各指標(biāo)重新劃分為1～5 級，并根據(jù)距水體距離、距高速距離、距國道距離、距省道距離、距縣道距離對應(yīng)的等級范圍構(gòu)建出多環(huán)緩沖區(qū)，所有數(shù)據(jù)按照劃分等級均轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，如圖3 所示。

表5 生態(tài)源地擴張阻力系數(shù)

根據(jù)圖3 中各評價指標(biāo)的分級結(jié)果，利用柵格計算器工具根據(jù)公式（3）并結(jié)合各評價指標(biāo)權(quán)重進行加權(quán)匯總，根據(jù)阻力值大小通過自然斷點分級法將研究區(qū)阻力等級分為四類，可以得到當(dāng)前研究區(qū)生態(tài)擴張的阻力等級分布，如圖4 所示。根據(jù)圖4 可以得出當(dāng)前成都不同阻力等級區(qū)域的基本情況，如表6 所示。

圖3 研究區(qū)生態(tài)安全評價指標(biāo)等級分布

圖4 研究區(qū)生態(tài)擴張阻力等級分布

從表6 中可以看出當(dāng)前成都生態(tài)擴張的高阻力、較高阻力區(qū)域占比（36.25%、36.89%）仍較高，具體表現(xiàn)在耕地面積占比較高，且主要分布在東部和中部區(qū)域，需在實現(xiàn)有序退耕還林的基礎(chǔ)上繼續(xù)加強生態(tài)安全建設(shè)，提高生態(tài)環(huán)境保護力度，加強與生態(tài)源地之間的連通度，當(dāng)前成都的區(qū)域規(guī)劃中提出要將龍泉山由過去的生態(tài)屏障向生態(tài)綠心轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)城市格局轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙簧竭B兩翼”，需要進一步加強以龍泉山為中心的森林公園防護力度，提高其作為生態(tài)源地的擴張與輻射作用。結(jié)合上述分析結(jié)果，利用ArcGIS10.7 軟件Spatial Analyst 模塊中的成本距離分析工具，可以生成當(dāng)前研究區(qū)生態(tài)擴張與建設(shè)擴張的阻力面，如圖5 所示。

圖5 生態(tài)源地擴張阻力基面

表6 研究區(qū)不同阻力等級區(qū)域情況匯總

3.4 提取潛在生態(tài)廊道

結(jié)合上述分析并根據(jù)最小累積阻力模型，利用柵格計算器生成當(dāng)前研究區(qū)最小累積阻力差值面，見圖6。

根據(jù)圖6結(jié)果，利用ArcGIS10.7軟件Spatial Analyst 模塊中的成本路徑分析工具，可以生成各個生態(tài)源地斑塊之間的最小成本路徑，通過公式（4）可以計算出各生態(tài)源地最小成本路徑的相互作用強度，如表7 所示。

圖6 最小累積阻力差值面

根據(jù)表7 結(jié)果并剔除重復(fù)以及距離過近等廊道，共獲得18 條潛在生態(tài)廊道，將其與生態(tài)源地、最小累積阻力面進行圖層疊加，可以得到當(dāng)前成都生態(tài)安全格局，如圖7 所示。

表7 基于重力模型的生態(tài)源相互作用矩陣

從圖7 中可以看出，當(dāng)前成都的生態(tài)安全格局由生態(tài)源地、生態(tài)節(jié)點、生態(tài)廊道以及各阻力區(qū)構(gòu)成，可以為下一步成都建設(shè)公園城市提供參考。從上圖中可以發(fā)現(xiàn)成都生態(tài)重心向西傾斜，且城市生態(tài)格局受山脈、河流等的影響呈南北走向，城市主城區(qū)尚有生態(tài)潛力較大區(qū)域，生態(tài)節(jié)點之間連通性有待加強，需要進一步提高生態(tài)廊道的連通作用。此外，生態(tài)擴張的高阻力地區(qū)主要集中在城市東部，當(dāng)前成都已成立“東部新區(qū)”，作為在高水平建設(shè)成渝雙城經(jīng)濟圈中的率先布局，要將“公園城市”理念有機融合在城市規(guī)劃當(dāng)中。

圖7 研究區(qū)生態(tài)安全格局

3.5 空間耦合匹配分析

由于生態(tài)源地通常是由大面積的成片林地、濕地、水體及風(fēng)景名勝區(qū)等構(gòu)成，與公園景觀的分布具有內(nèi)在一致性，是公園城市建設(shè)的重要研究對象，因此在獲得生態(tài)節(jié)點與重要潛在生態(tài)廊道后，可以與當(dāng)前成都公園分布情況進行對比分析，通過統(tǒng)計兩種要素在各區(qū)縣范圍內(nèi)的分布情況，得出成都生態(tài)格局的耦合匹配程度。首先將兩類指標(biāo)分別轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，在ArcGIS10.7的Spatial Analyst 工具區(qū)域分析模塊中，選擇以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計并輸入兩類柵格數(shù)據(jù)集，采用自然斷點分級法進行分類，得到當(dāng)前成都生態(tài)源地與公園分布情況及其耦合匹配程度，結(jié)果如圖8 所示。

從圖8 中可以看出，成都生態(tài)源地主要集中在西部和南部，公園主要分布于中部和北部，耦合匹配分布中大體呈現(xiàn)由城市外圍向中心依次遞減趨勢，成都擁有較好的生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)和綠色發(fā)展底蘊，城市綠道體系已初步形成體系，濕地生態(tài)系統(tǒng)、市域綠地系統(tǒng)等也較為完備，下一步需進一步開發(fā)和完善環(huán)城、環(huán)湖等城市綠化系統(tǒng)，加強生態(tài)景觀之間的連通性，營造休閑游憩空間，塑造優(yōu)美山水格局。

圖8 生態(tài)源地與公園分布及耦合匹配程度

4 建議

（1）以生態(tài)格局為基礎(chǔ)布局“公園城市”。建成生態(tài)源地、生態(tài)節(jié)點、生態(tài)廊道有機統(tǒng)一的生態(tài)安全格局，根據(jù)三者不同功能發(fā)揮其作用，以此為基礎(chǔ)推進“公園城市”建設(shè)。

（2）以城市綠道為支撐連通生態(tài)景觀。成都市第十三次黨代會上提出了要“構(gòu)建生態(tài)區(qū)、綠道、公園、小游園、微綠地五級城市綠化系統(tǒng)”，而且要“重塑城市空間結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟地理……通過綠道系統(tǒng)，能夠打破原來的屏障，打破圈層式的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)經(jīng)濟、物流等各要素的流動。”根據(jù)上文分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前成都生態(tài)重心主要集中在西部，中部和東部尚有較大的生態(tài)潛力，而公園城市的重要特點就是景觀之間的連通度，通過城市綠道系統(tǒng)可以串聯(lián)起生態(tài)資源與人文景觀并進行有機結(jié)合，提升城市的品牌價值。此外，可以通過建設(shè)選址靈活、使用高效的口袋公園，以滿足高密度中心城區(qū)居民對公園的需求。

（3）以綠色發(fā)展為底蘊推進城市治理。公園城市作為體現(xiàn)新發(fā)展理念的高級城市形態(tài)，不僅是生態(tài)格局與城市空間的有機結(jié)合，同樣也是自然生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟社會治理的深度融合，2020 年10 月在第二屆公園城市論壇上發(fā)布的《公園城市指數(shù)（框架體系）》中，構(gòu)建了和諧共生、品質(zhì)生活、綠色發(fā)展、文化傳揚、現(xiàn)代治理等5個維度15 個方面的公園城市評價指標(biāo)體系，可作為評價“公園城市”建設(shè)的度量標(biāo)尺。

綜合來看“公園城市”內(nèi)涵豐富，不僅有狹義上的城市空間優(yōu)化與布局重塑，也有廣義上的城市治理觀與發(fā)展觀的轉(zhuǎn)變，本文選擇自然與社會共8 個方面的指標(biāo)從生態(tài)安全格局的角度進行了分析，對于影響“公園城市”建設(shè)的重要社會經(jīng)濟指標(biāo)，未能直接反映在城市地理空間中，因此暫未將其考慮在評價指標(biāo)體系當(dāng)中。