鄭州綠色空間格局時(shí)空演變及預(yù)測研究

李 晨

(1.鄭州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052;2.西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650233)

1 引言

“綠色空間”( Green Space，GS) ，是水體與綠地的統(tǒng)稱。近20年來，隨著鄭州都市圈虹吸效應(yīng)明顯，人口數(shù)量逐年增加，相對應(yīng)的居住需求大，導(dǎo)致建筑用地需求逐年上升，而綠色空間不斷減少，城市綠色空間的稀缺性開始顯現(xiàn)。鄭州市于2017 年入選“城市雙修”試點(diǎn)城市?！吨泄仓醒雵鴦?wù)院關(guān)于推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見》《中共中央國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理的若干意見》中指出，試點(diǎn)城市主要目標(biāo)任務(wù)為：到2030年，全國城市雙修工作要取得顯著成效，實(shí)現(xiàn)城市向內(nèi)涵集約發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，建成一批和諧宜居、富有活力、各具特色的現(xiàn)代化城市[1]。2020年10月河南印發(fā)的《鄭州都市圈生態(tài)保護(hù)與建設(shè)規(guī)劃(2020～2035)》中提出了明確的都市圈生態(tài)建設(shè)目標(biāo)：到2035年，都市圈生態(tài)環(huán)境質(zhì)量達(dá)到發(fā)達(dá)國家和地區(qū)水平[2]。

2021年4月省中原城市群建設(shè)工作領(lǐng)導(dǎo)小組正式印發(fā)的《鄭州都市圈交通一體化發(fā)展規(guī)劃(2020～2035年)》[3]中提出了推動(dòng)山水河林路融合一體的發(fā)展方向。結(jié)合2021年6月國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于科學(xué)綠化的指導(dǎo)意見(國辦發(fā)〔2021〕19號)》提出了科學(xué)編制綠化相關(guān)規(guī)劃、合理安排綠化用地、科學(xué)推進(jìn)重點(diǎn)區(qū)域植被恢復(fù)、鞏固提升綠化質(zhì)量和成效等主要任務(wù)，模擬未來2035年綠色空間發(fā)展的情況的研究是十分必要的，也是鑒定目前對于鄭州制定的多項(xiàng)綠化建設(shè)及都市圈建設(shè)目標(biāo)是否能夠順利完成的重要參考。

2 研究區(qū)位概況和研究的目的、意義

2.1 研究區(qū)位概況

鄭州位于河南省北部，東經(jīng)112°42′～114°14′、北緯34°16′～34°58′[4]，地處黃土高原與黃淮平原交界地帶，地跨黃河、淮河與海河三大流域，地形以平原和低山丘陵為主，氣候溫和、四季分明、雨熱同期，降水變率大，容易造成旱澇災(zāi)害。

目前，鄭州綠色空間也存在一些問題面積總量仍然偏小，分布不均，綠色空間結(jié)構(gòu)不合理；區(qū)域內(nèi)土地開發(fā)利用強(qiáng)度相對較高，綜合國土開發(fā)強(qiáng)度25.98%，生態(tài)用地?cái)?shù)量逐步下降，生態(tài)空間年均減少2.5%，城鎮(zhèn)建設(shè)與生態(tài)空間矛盾加??；天然生態(tài)環(huán)境資源匱乏，人均綠色空間面積指標(biāo)均低于全國平均水平，城市擴(kuò)張與生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)同不足等問題亟待解決。

2.2 研究目的

由于城市土地資源的稀缺性，在城市規(guī)劃和建設(shè)中，決策者必然要追求城市土地資源配置效益的最優(yōu)化。因此，科學(xué)合理的城市綠色空間預(yù)測，就成為城市空間規(guī)劃和建設(shè)決策的重要依據(jù)。本研究從城市綠色空間的多個(gè)角度、多個(gè)時(shí)空段來預(yù)測城市未來的綠色空間發(fā)展情景，結(jié)合2021年6月國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于科學(xué)綠化的指導(dǎo)意見(國辦發(fā)〔2021〕19號)》提出了科學(xué)編制綠化相關(guān)規(guī)劃、合理安排綠化用地、科學(xué)推進(jìn)重點(diǎn)區(qū)域植被恢復(fù)、鞏固提升綠化質(zhì)量和成效等主要任務(wù)，模擬未來2035年綠色空間發(fā)展的情況的研究是十分必要的，也是鑒定目前對于鄭州制定的多項(xiàng)綠化建設(shè)及都市圈規(guī)劃是否能夠順利完成的重要參考，同時(shí)綠色空間對緩解城市內(nèi)澇、減少洪澇災(zāi)害具有重大意義，成為城市規(guī)劃的熱點(diǎn)問題。

2.3 研究意義

目前，已有多位學(xué)者基于Markov模型對城市綠色空間、城市未來土地利用情況進(jìn)行預(yù)測和研究[5～7]，但是這些研究大多集中于城市綠色空間格局或者城市未來土地利用情況的單一研究，基于城市綠色空間格局時(shí)空演變與Markov模型來模擬城市未來發(fā)展的情景研究還不多見，故本文對鄭州綠色空間時(shí)空演變研究和基于Markov模型對城市綠色空間預(yù)測研究有一定的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

3 材料與方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

2000～2020年土地利用數(shù)據(jù)來自于全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)(http://www.Webmap.cn/commres.domethod=globeIndex)GlobeLand30遙感影像，空間分辨率30 m，利用SPOT遙感影像數(shù)據(jù)(分辨率為2.5 m)提取研究范圍內(nèi)城市綠色空間信息，利用eCognition遙感圖像處理軟件，進(jìn)行幾何校正、大氣校正、輻射定標(biāo)、影像融合和陰影處理等預(yù)處理。并利用土地利用變更調(diào)查的矢量數(shù)據(jù)對提取的綠色空間信息進(jìn)行進(jìn)一步校準(zhǔn)[12]。本研究按照林地、耕地、草地和水域等土地類型進(jìn)行劃分。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS10.2對三期數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理得到2000～2020年鄭州綠色空間動(dòng)態(tài)圖，利用Fragstats4.2(中文版)得出鄭州景觀格局指數(shù)，利用Markov模型構(gòu)建得到了2000～2010年、2010～2020年兩個(gè)時(shí)段的綠色空間面積轉(zhuǎn)移矩陣，預(yù)測出2035年鄭州綠色空間總體格局。

3.2 綠色空間分類

參考以往研究中的分類體系[9～11]，所以本次研究的范圍就包括鄭州域內(nèi)的耕種用地、林地及草地、濕地和水域等，本研究按照林地、耕地、草地和水體等土地類型進(jìn)行劃分，如圖1所示。

圖1 鄭州土地類型及所屬空間界定

4 結(jié)果與分析

4.1 2000～2020年鄭州綠色空間格局動(dòng)態(tài)特征

4.1.1 綠色空間總體動(dòng)態(tài)特征

由圖2可知，2000～2020年鄭州綠色空間動(dòng)態(tài)變化可知，鄭州近20年間土地利用情況發(fā)生了明顯的變化，綠色空間逐步轉(zhuǎn)移變成非綠空間，城市擴(kuò)張趨勢顯著。整體建筑用地面積持續(xù)上升，耕地面積持續(xù)減少，林地、草地、濕地變化不大，水體面積略有減少?？傮w來說耕地所占比重最大，建設(shè)用地其次，再次是林地，而綠色空間的主要變化集中在耕地上。

圖2 2000～2020年鄭州綠色空間動(dòng)態(tài)變化

由表1可知鄭州3個(gè)時(shí)期綠色空間占比不斷縮減，2000、2010、2020年分別為91.84%、83.54%、72.52%，其中耕地縮減最為明顯，2000、2010、2020年分別為79.38%、70.68%、60.95%，而最為穩(wěn)定的是林地和草地，2000、2010、2020年林地分別為8.64%、8.78%、8.70%，草地分別為1.32%、1.32%、1.47%。濕地先減后增總體略有擴(kuò)張，2000、2010、2020年分別為0.27%、0.17%、0.36%。水體則是先増后減，2000、2010、2020年分別為2.22%、2.59%、1.03%

表1 2000～2020年鄭州綠色空間動(dòng)態(tài)變化

4.1.2 綠色空間轉(zhuǎn)移特征

由表2可知，2000～2010年鄭州綠色空間中林地和草地的轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出基本持平，林地的轉(zhuǎn)入面積為29.71 km2，轉(zhuǎn)出面積為24.65 km2，草地的轉(zhuǎn)入面積為14.09 km2，轉(zhuǎn)出面積為14.32 km2。濕地的轉(zhuǎn)入面積5.64 km2，轉(zhuǎn)出面積為9.40 km2，整體略有減少，相對與濕地共生的水體轉(zhuǎn)入面積為52.72 km2，轉(zhuǎn)出面積為38.47 km2則微有增加。從轉(zhuǎn)入貢獻(xiàn)來看，對水體空間貢獻(xiàn)最大的是濕地空間，對建設(shè)用地貢獻(xiàn)最大的是耕地。

表2 2000～2010年鄭州綠色空間轉(zhuǎn)移矩陣 km2

由表3可知2010～2020年耕地的轉(zhuǎn)出面積為504.65 km2，比2000～2010年的440.14 km2有所增加，可見在2010～2020年鄭州城市擴(kuò)張占用耕地的情況加劇。與表2相比比較顯著的轉(zhuǎn)出變化體現(xiàn)在濕地與水體，濕地的轉(zhuǎn)入面積為12.81 km2，轉(zhuǎn)出面積為5.58 km2，與2010～2020年相反，對濕地空間貢獻(xiàn)最大的是水體空間，同時(shí)也反映出了鄭州2000～2010年加強(qiáng)了對濕地的保護(hù)。而與2000～2010年相比對建設(shè)用地貢獻(xiàn)最大的是仍然是耕地，對水體貢獻(xiàn)最大的也是耕地，對林地貢獻(xiàn)最大的是耕地和草地，對濕地貢獻(xiàn)最大的是耕地和水體，對耕地貢獻(xiàn)最大的是林地和水體。

表3 2010～2020年鄭州綠色空間轉(zhuǎn)移矩陣 km2

4.1.3 綠色空間景觀格局指數(shù)

分析鄭州景觀格局指數(shù)能夠概鄭州括景觀空間格局信息，反映鄭州綠色空間結(jié)構(gòu)組成和空間配置等方面的特征，本研究使用景觀格局指數(shù)計(jì)算軟件Fragstats 4.2中文版，根據(jù)GIS提供的斑塊、類型和景觀度量指標(biāo)，從景觀水平尺度選取能夠衡量綠色空間整體優(yōu)勢度、復(fù)雜度、連接性、破碎度和多樣性的相關(guān)指標(biāo)，分析綠色空間的整體結(jié)構(gòu)特征，選取的指標(biāo)包括最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、破碎度指數(shù)(SPLIT)、聚合度指數(shù)(AI)、多樣性指數(shù)(SHDI)和均勻度指數(shù)(SHEI)共 7個(gè)指數(shù)。 由表4可知，2000～2020年鄭州綠色空間景觀格局變化比較明顯是最大斑塊指數(shù)(LPI)2000年、2010年、2020年分別為78.4123%、68.7653%、55.3395%，呈逐漸下降趨勢。景觀形狀指數(shù)(LSI)2000、2010、2020年分別為43.7124、55.7692、56.606，整體有所上升。蔓延度指數(shù)(CONTAG)逐年下降，2000、2010、2020年分別為75.0049%、69.5332%、67.1776%。破碎度指數(shù)(SPLIT)逐年上升、聚合度指數(shù)(AI)略微下降說明鄭州景觀破碎程度上升，聚合度降低。多樣性指數(shù)(SHDI)、均勻度指數(shù)(SHEI)逐年上升，說明鄭州在景觀多樣性上有所提升。

表4 2000～2020年鄭州綠色空間景觀指數(shù)變化

4.2 預(yù)測2035年鄭州綠色空間格局

4.2.1 可行性分析

根據(jù)鄭州2000～2020年綠色空間動(dòng)態(tài)變化、土地利用變化、綠色空間景觀指數(shù)的時(shí)空演變，利用R語言實(shí)現(xiàn)Markov預(yù)測，首先把2000～2010年的那個(gè)矩陣除以各個(gè)地區(qū)的總量作為轉(zhuǎn)移矩陣，然后通過轉(zhuǎn)移矩陣的各期轉(zhuǎn)移概率乘以最后一期的實(shí)際值作為預(yù)測，然后轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算出來的轉(zhuǎn)移概率，找出穩(wěn)定概率值，作為自然發(fā)展的預(yù)測概率，另外環(huán)保型和都市擴(kuò)張型，比較轉(zhuǎn)移概率的變動(dòng)方向，往綠色空間移動(dòng)多的作為環(huán)保型。為驗(yàn)證方案的可行性，首先根據(jù)2000年數(shù)據(jù)預(yù)測了2010、2020年的情況，與真實(shí)2010、2020年相比較，由圖3可知，pre2010、pre2020為預(yù)測結(jié)果與真實(shí)結(jié)果Y2010、Y2020相似，證明了方案的可行性。

4.2.2 綠色空間三種發(fā)展類型總體特征

根據(jù)R語言實(shí)現(xiàn)Markov預(yù)測了自然型、環(huán)保型、都市圈擴(kuò)張型3種發(fā)展模式下鄭州2035年綠色空間格局如表5所示，根據(jù)預(yù)測結(jié)果，總體上來看環(huán)保型發(fā)展模式下鄭州綠色空間總量達(dá)到最大值2693.07 km2，都市圈擴(kuò)張型其次，面積為2647.25 km2，自然型再次，面積為2460.05 km2。

圖3 不同年份鄭州各土地利用類型面積預(yù)測數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)比較

表5 預(yù)測2035年鄭州綠色空間三種發(fā)展類型總體情況

5 結(jié)論

根據(jù)對鄭州2000～2020年的綠色空間格局時(shí)空演變及預(yù)測2035年用地情況的研究結(jié)論如下。

(1)鄭州近20年間城鎮(zhèn)化發(fā)展迅猛，土地利用情況發(fā)生了明顯的變化，綠色空間逐步轉(zhuǎn)移變成非綠空間，城市擴(kuò)張趨勢顯著，從總量上來看，雖然耕地的面積最大，但是近些年來耕地轉(zhuǎn)成建設(shè)用的比例逐漸也增大了；從轉(zhuǎn)入貢獻(xiàn)來看，對建設(shè)用地貢獻(xiàn)最大的是耕地；從綠色空間景觀指數(shù)變化上來看，景觀破碎程度上升，但景觀多樣性上有所提升，可見近20年鄭州景觀多樣性上逐漸提升，植物引進(jìn)和馴化效果較好；從景觀破碎度上來看，鄭州近20年景觀破碎程度逐漸升高，與城市副中心數(shù)量增加和擴(kuò)張有關(guān)。

(2)根據(jù)模擬2035年的預(yù)測數(shù)據(jù)顯示，雖然環(huán)保型發(fā)展模式在耕地的占比自然型和都市擴(kuò)張型都小，但是在林地和草地上的占比比自然型和都市圈擴(kuò)張型都要大，總體綠色空間占比上也是環(huán)保型占比較大，故積極實(shí)施退耕還林還草的政策有助于鄭州綠色空間整體發(fā)展的。另外，鄭州積極實(shí)施城市向內(nèi)涵集約發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，及山水河林路融合一體的發(fā)展方向，是可以降低鄭州景觀破碎度高的問題，同時(shí)解決城市綠色空間發(fā)展與城市擴(kuò)張之間的矛盾。

綠色空間是城市的生態(tài)基底，同時(shí)也是每個(gè)市民對美好的生活的需求，合理發(fā)展城市綠色空間是優(yōu)化鄭州都市生活圈的重要手段。因此，基于城市綠色空間格局的時(shí)空動(dòng)態(tài)演變，有助于直觀了解到鄭州近20年的綠色空間情況，而綠色空間的情景模擬預(yù)測可為政府提供綠色空間保護(hù)與城市擴(kuò)張方式的參考，對鄭州綠色空間發(fā)展意義重大。