城市生態(tài)韌性時(shí)空變化及情景模擬研究
——以杭州市為例

夏楚瑜,董照櫻子,陳 彬,*

1 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875 2 浙江大學(xué)公共管理學(xué)院,杭州 310058

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,城市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問題呈多發(fā)高發(fā)態(tài)勢(shì),其風(fēng)險(xiǎn)形勢(shì)更加復(fù)雜和難以預(yù)測(cè),給人民生命財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量造成了巨大損害[1]。2020年全球新冠疫情的爆發(fā),從短期來看對(duì)醫(yī)療相關(guān)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)(醫(yī)療廢棄物等)提出額外的需求,從長(zhǎng)期來看后疫情時(shí)代生產(chǎn)生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的逐漸恢復(fù)會(huì)加劇資源供需的矛盾,引發(fā)新的城市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。因此,如何提高城市應(yīng)對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的能力成為實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。2020年11月3日,《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二○○三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》提出“推進(jìn)以人為核心的新型城鎮(zhèn)化。強(qiáng)化歷史文化保護(hù)、塑造城市風(fēng)貌,加強(qiáng)城鎮(zhèn)老舊小區(qū)改造和社區(qū)建設(shè),增強(qiáng)城市防洪排澇能力,建設(shè)海綿城市、韌性城市。提高城市治理水平,加強(qiáng)特大城市治理中的風(fēng)險(xiǎn)防控?！?更表明了建設(shè)韌性城市對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的重要作用。

韌性這一概念最早源于生態(tài)系統(tǒng)學(xué),指的是系統(tǒng)恢復(fù)平衡的速度,應(yīng)對(duì)危機(jī)并恢復(fù)的能力,適應(yīng)新環(huán)境的能力[2]。城市研究的學(xué)者們后來借鑒這一概念,對(duì)城市韌性進(jìn)行了研究。盡管學(xué)界對(duì)城市韌性的理解還未形成統(tǒng)一的定義,但大體都認(rèn)為“城市韌性”指城市對(duì)災(zāi)害和突發(fā)性事件的反應(yīng)、適應(yīng)和應(yīng)對(duì)能力,以減輕損失,并從中快速恢復(fù)[3—5],其內(nèi)涵包含了城市生態(tài)韌性、社會(huì)韌性、經(jīng)濟(jì)韌性、制度韌性和基礎(chǔ)設(shè)施韌性等多個(gè)維度[6]。近年來,紐約、倫敦、芝加哥、鹿特丹等城市紛紛提出最具代表性的韌性城市規(guī)劃,這些韌性城市規(guī)劃主要針對(duì)不同的氣候風(fēng)險(xiǎn),強(qiáng)調(diào)城市對(duì)未來氣候風(fēng)險(xiǎn)的綜合防護(hù)能力[7—8]。

作為城市韌性的重要維度,生態(tài)韌性的評(píng)估也得到了學(xué)者們的關(guān)注,但大多數(shù)的關(guān)注點(diǎn)均從生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的防控角度出發(fā)[9—12]。在評(píng)估思路方面,畢軍和王華東提出要對(duì)“自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)”復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[13]；張小飛等從自然災(zāi)害、環(huán)境污染及生態(tài)退化3個(gè)方面,構(gòu)建了城市綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的分析框架[14]; 王祥榮等圍繞長(zhǎng)三角城市群重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)、城市災(zāi)害生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和典型生態(tài)系統(tǒng),構(gòu)建集地表水、大 氣、土壤、生物多樣性于一體,常規(guī)監(jiān)測(cè)與應(yīng)急預(yù)警相結(jié)合的長(zhǎng)三角城市群生態(tài)安全評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)體系[15]。但是,很少有研究從韌性的特征角度考慮城市生態(tài)韌性水平的空間變化,也忽略了生態(tài)韌性和風(fēng)險(xiǎn)的分區(qū)管理評(píng)估,導(dǎo)致其成果難以真正落實(shí)于城市規(guī)劃應(yīng)用。

基于以上考慮,本研究首先從韌性的基本特征(抵抗力、適應(yīng)力和恢復(fù)力)3個(gè)方面構(gòu)建了城市生態(tài)韌性評(píng)估模型。其次,以杭州為例,評(píng)估了1995—2015年城市生態(tài)韌性時(shí)空變化格局；并利用空間自相關(guān)模型對(duì)2015年杭州生態(tài)韌性分區(qū)管理模式進(jìn)行了探究；最后模擬了2035年基準(zhǔn)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導(dǎo)向的兩種情景下的杭州市城市擴(kuò)張情況,并評(píng)價(jià)了不同情景下的城市抵抗力、適應(yīng)力、恢復(fù)力,以及生態(tài)韌性水平?；谝陨涎芯拷Y(jié)果,以期為生態(tài)韌性城市建設(shè)以及產(chǎn)業(yè)空間布局提出一些可供操作的政策和規(guī)劃建議。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)

杭州作為浙江省省會(huì),位于浙江省的北部,屬亞熱帶季風(fēng)性氣候,位于長(zhǎng)三角腹地是中國(guó)東南地區(qū)最發(fā)達(dá)的城市之一。杭州市西部屬浙西丘陵區(qū),東部屬于浙北平原,全市總體地勢(shì)格局為西南高、東北低,自西南向東北傾斜,呈階梯下降。

改革開放以來,杭州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,人均GDP從1995年的4614元上升到2015年的112600元,在中國(guó)35個(gè)主要城市中排名第八。相關(guān)文獻(xiàn)表明,近20年來杭州市空間外延式增長(zhǎng)迅猛[16—18],大量自然生態(tài)用地被占用,引起很多環(huán)境問題,包括城區(qū)生境質(zhì)量下降、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能降低、城區(qū)溫室效應(yīng)劇增等等。此外,杭州在謀劃“十四五”發(fā)展目標(biāo)時(shí),提出要以未雨綢繆的布局防范化解各類風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn),不斷增強(qiáng)城市發(fā)展韌性。因此,以杭州為案例來研究其城市生態(tài)韌性時(shí)空變化具有重大意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究利用1995、2005與2015年的遙感影像數(shù)據(jù)通過監(jiān)督分類結(jié)合目視解譯獲得分類結(jié)果。每幅遙感圖像都經(jīng)過圖像裁剪、大氣校正、幾何校正的預(yù)處理。首選通過監(jiān)督分類得到林地、耕地、水域與濕地、建設(shè)用地這4個(gè)類別,精度檢驗(yàn)結(jié)果表示分類的Kappa系數(shù)均達(dá)到85%以上。此外,杭州市重點(diǎn)排污單位名錄來自杭州市生態(tài)環(huán)境局,其坐標(biāo)信息來自其企業(yè)名稱與POI興趣點(diǎn)的匹配。

2 核算方法與模型構(gòu)建

2.1 城市生態(tài)韌性評(píng)估模型構(gòu)建

國(guó)際區(qū)域可持續(xù)發(fā)展協(xié)會(huì)(ICLEI,2002)定義韌性城市為對(duì)于危害能夠及時(shí)抵御、吸收、快速適應(yīng)并做出有效反應(yīng)的城市,重點(diǎn)關(guān)注如何增強(qiáng)城市對(duì)抗沖擊的能力,提升自身韌性強(qiáng)度,提高自身恢復(fù)能力,由此可以總結(jié)韌性城市包括抵抗力、恢復(fù)力、適應(yīng)力三大特征。相對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)的事前預(yù)警特性,韌性可用于事前評(píng)估或事后回溯分析,因此韌性城市若干風(fēng)險(xiǎn)防控管理可以達(dá)到“事半功倍”的功效。因此,本研究從抵抗力、適應(yīng)力和恢復(fù)力三個(gè)方面構(gòu)建城市生態(tài)韌性評(píng)估模型。

抵抗力表示城市生態(tài)系統(tǒng)抵抗外力干擾的能力。很多研究指出,生態(tài)系統(tǒng)抵抗力與其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能密切相關(guān)[19—21]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成的維持人類賴以生存的自然環(huán)境條件與功能[22—24]。Costanza等將全球生態(tài)系統(tǒng)類型、服務(wù)功能分成了17個(gè)類別[25]。本研究從水、土、氣等多介質(zhì)出發(fā)選擇氣候調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、土壤的形成與保護(hù)、廢物處理等調(diào)節(jié)型生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值構(gòu)成了生態(tài)系統(tǒng)的抵抗能力(P)。

本研究利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的當(dāng)量系數(shù),進(jìn)而獲得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子是生態(tài)系統(tǒng)潛在服務(wù)價(jià)值的相對(duì)貢獻(xiàn)率,等于每年每公頃糧食價(jià)值的1/7[26]。杭州的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的計(jì)算公式如下：

P=ESV=∑Ak×VCfk

(1)

式中,ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；Ak是土地利用類型k的面積；VCfk是土地利用類型k的第f項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值系數(shù),其系數(shù)來自于長(zhǎng)三角地區(qū)土地利用類型的部分生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)[27]。一個(gè)越穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng),其適應(yīng)力(A)越高[28]。因此,本研究利用生態(tài)系統(tǒng)景觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相關(guān)指標(biāo)來表述其適應(yīng)力。生態(tài)系統(tǒng)的景觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性取決于與空間異質(zhì)性和景觀連通性有關(guān)的景觀格局組織穩(wěn)定性[29—31]。本研究利用景觀指數(shù)從景觀異質(zhì)性和景觀連通性來評(píng)價(jià)景觀穩(wěn)定性,景觀指數(shù)可以反映景觀生態(tài)空間格局,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于景觀生態(tài)區(qū)劃、生態(tài)規(guī)劃、生態(tài)監(jiān)測(cè)、生態(tài)預(yù)測(cè)、生態(tài)影響評(píng)價(jià)等,可以對(duì)景觀生態(tài)空間做出有目的和適時(shí)的調(diào)控[32—33]。景觀異質(zhì)性和景觀連通性分別描述生態(tài)系統(tǒng)景觀結(jié)構(gòu)的兩個(gè)方面,彼此不能替代,因此其權(quán)重可假設(shè)為相等[34],具體指標(biāo)如表1。

表1 景觀指數(shù)及權(quán)重

生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力也可以稱為生態(tài)彈性,體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)遭受危害而恢復(fù)原樣的能力與潛力[35]。當(dāng)遇到外部壓力(例如氣候或地質(zhì)災(zāi)害)時(shí),接近自然生態(tài)系統(tǒng)的土地利用類型更容易恢復(fù),而人為主導(dǎo)的建設(shè)用地類型在面對(duì)外部壓力時(shí)恢復(fù)能力較低,因此遭受的破壞更大。其測(cè)算公式參考根據(jù) Peng等人提出的生態(tài)彈性模型與系數(shù)[34],具體如下:

R=∑Ak×RCi

(2)

式中,R是生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力,Ak是土地利用類型,土地利用類型k的生態(tài)恢復(fù)力系數(shù),系數(shù)參考Peng等人的研究[34]。

此外,抵抗力、適應(yīng)力和恢復(fù)力的計(jì)算具有不同的單位,因此在使用多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估時(shí)需要數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。本研究將這三者標(biāo)準(zhǔn)化到[0,1]這個(gè)區(qū)間,計(jì)算韌性水平的具體公式如下：

(3)

式中,A為適應(yīng)力,P為抵抗力,R為恢復(fù)力。

2.2 空間自相關(guān)模型

空間自相關(guān)分析是用于衡量空間變量的分布是否具有集聚性,是分析空間格局的重要方法和有效手段。生態(tài)韌性與自然地理要素分布、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r相關(guān),這些因素在空間上均具有隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性,具有地學(xué)特征,存在著一定的空間關(guān)聯(lián)性,可以運(yùn)用空間自相關(guān)進(jìn)行分析。此外,空間自相關(guān)模型在生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)管理方面也已經(jīng)進(jìn)行了大量應(yīng)用[36—39]?？臻g自相關(guān)分析可分為全局空間自相關(guān)分析和局部空間自相關(guān)分析,一般利用Moran′s I 指數(shù)來表示。本研究采用采用局部空間自相關(guān)的LISA來表現(xiàn)韌性水平在局部空間集聚規(guī)律[40]。

2.3 城市土地利用變化模型

FLUS模型是基于GeoSOS軟件開發(fā),主要結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)算法、自適應(yīng)慣性與競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制對(duì)傳統(tǒng) CA模型進(jìn)行了改進(jìn),更加適用于多地類情景模擬[41]。FLUS模型主要包括兩個(gè)方面：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)和自適應(yīng)慣性競(jìng)爭(zhēng)元胞自動(dòng)機(jī)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)是通過訓(xùn)練樣本來估計(jì)每個(gè)單元網(wǎng)格上的每種土地利用類型的可能性,而自適應(yīng)慣性和競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制是用來處理土地利用類型之間的相互作用。FLUS模型已經(jīng)在城市土地利用擴(kuò)張模擬方面進(jìn)行了廣泛應(yīng)用[42—45]。

本研究設(shè)置二種情景來模擬2035年杭州市城市擴(kuò)張情況,這二種情景分別為基準(zhǔn)情景以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導(dǎo)向的“創(chuàng)新天堂”情景,并利用GeoSOS-FLUS軟件實(shí)現(xiàn)FLUS模型的土地利用格局模擬。

基準(zhǔn)情景根據(jù)2005年、2015年兩期的土地利用變化情況,采取原始土地利用轉(zhuǎn)移矩陣預(yù)測(cè)得到的土地利用規(guī)模,綜合其他研究對(duì)于土地利用變化驅(qū)動(dòng)因子的分析及探究[46—47],以及規(guī)劃實(shí)踐過程中實(shí)際影響杭州城市發(fā)展的因素,最終選擇從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、自然條件、交通條件、規(guī)劃因素等方面選擇驅(qū)動(dòng)因子(表2)。

“創(chuàng)新天堂”情景這個(gè)概念來自于2017年《杭州市總體城市設(shè)計(jì)修編(草案)》所提出的“風(fēng)雅錢塘,詩(shī)畫江南,創(chuàng)新天堂”的杭州未來城市定位?！皠?chuàng)新天堂”情景是一種創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展視角且耕地保護(hù)比較嚴(yán)格,與基準(zhǔn)情景相比,該情景設(shè)置耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的比例下降15%。此外,“創(chuàng)新天堂”情景增加了創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)因素(表2),根據(jù)《杭州市智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》與《杭州城東智造大走廊發(fā)展規(guī)劃綱要》提取相關(guān)的規(guī)劃制造業(yè)創(chuàng)新中心與主要產(chǎn)業(yè)平臺(tái),計(jì)算每個(gè)柵格到創(chuàng)新中心與主要產(chǎn)業(yè)平臺(tái)的距離并賦值,得到杭州創(chuàng)新中心與主要產(chǎn)業(yè)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)因子。最后,本研究將以上創(chuàng)新因素驅(qū)動(dòng)圖層作為為創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展視角下額外因子,輸入至人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),計(jì)算適宜性概率圖層,進(jìn)行后續(xù)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展視角下的用地空間格局的預(yù)測(cè)模擬。

表2 城市土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素

3 結(jié)果與討論

3.1 生態(tài)韌性時(shí)空變化

圖1表示了1995—2015年期間,每間隔10年的杭州城市生態(tài)韌性水平的時(shí)空變化。如圖1所示,從時(shí)間上來看,城市生態(tài)韌性水平呈現(xiàn)下降趨勢(shì),從網(wǎng)格水平上統(tǒng)計(jì)其均值下降了32.86%,最高值下降了20.27%,標(biāo)準(zhǔn)差也下降了34.33%。

圖1 杭州1995—2015生態(tài)韌性水平時(shí)空變化Fig.1 Temporal and spatial changes of ecological resilience level in Hangzhou from 1995 to 2015

空間分布來看,1995年杭州生態(tài)韌性水平區(qū)域差異不大,大部分區(qū)域處于中等和高值生態(tài)韌性水平,低值生態(tài)韌性水平區(qū)域只要分布在城市東北區(qū)域和中心區(qū)域偏西北、東北部分。隨著城市擴(kuò)張,2005年生態(tài)韌性低值區(qū)域向東北和東南方向擴(kuò)張,東北和東南區(qū)域原本連續(xù)分布的高值區(qū)域變?yōu)榱闵⒎植?。由于缺乏相?duì)適宜的整體規(guī)劃和統(tǒng)籌安排,位于東南和東北部分的蕭山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)展迅速,這些工廠多呈小規(guī)模散落分布,占用了大量的自然資源,生態(tài)服務(wù)功能降低,景觀破碎度提高,導(dǎo)致其韌性水平大幅度下降。此外,城市東北部靠近杭州灣,原本存在大量?jī)?yōu)質(zhì)濕地資源,其東北部圍墾過度大大破壞了自然生態(tài)景觀。2015年杭州城市總體生態(tài)韌性水平不高,大部分區(qū)域處于低值水平,高值區(qū)域零星分布,而中等區(qū)域僅在城市東南分布,西北部和西部原本存在的中等韌性區(qū)域也轉(zhuǎn)為低值水平?？焖偻恋爻擎?zhèn)化占用了大量的耕地和林地,大量農(nóng)村務(wù)工人員涌入城市,致使住房用地需求增加,部分耕地被占,轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,又進(jìn)一步加劇了耕地資源不足的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

杭州1995—2015年生態(tài)韌性水平時(shí)空變化與大連[49]、京津冀[50]等地的相關(guān)研究呈現(xiàn)出一定相似：隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展,生態(tài)韌性水平總體分布規(guī)律為城市中心城區(qū)周邊的逐漸降低,韌性水平低值區(qū)域從面狀零散分布變化至面狀連片分布。盡管杭州與大連、京津冀等地交通、經(jīng)濟(jì)等區(qū)位相差較大,但是我國(guó)城市早期“攤大餅”式的城市擴(kuò)張模式都趨同。以工業(yè)園區(qū)建設(shè)為主導(dǎo)的粗放的城市擴(kuò)張模式導(dǎo)致城市周邊大量?jī)?yōu)質(zhì)耕地被占用,而后期的“耕地占補(bǔ)平衡”政策雖然在表面上保證了18億畝耕地紅線,但是在地方實(shí)際操作中往往出現(xiàn)“占優(yōu)補(bǔ)劣”等現(xiàn)象,導(dǎo)致林地、濕地等大量生態(tài)資源被侵占作為重要耕地補(bǔ)充來源,進(jìn)一步導(dǎo)致中心城區(qū)周邊生態(tài)用地景觀破碎,降低了其生態(tài)韌性水平。

本研究利用ArcGIS 10.2對(duì)杭州市重點(diǎn)排污單位進(jìn)行了核密度分析,并利用Geoda分別對(duì)韌性水平和韌性水平—排污企業(yè)密度進(jìn)行了單變量和雙變量空間自相關(guān)分析,其結(jié)果如圖2所示。圖2顯示,重點(diǎn)排污企業(yè)主要集中在城市北部和東北部,分別靠近余杭臨平工業(yè)園和蕭山大江東產(chǎn)業(yè)集聚區(qū),這兩個(gè)區(qū)域地勢(shì)平坦、產(chǎn)業(yè)優(yōu)惠政策豐富且交通便利,承接了杭州主城區(qū)高污染產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移：杭州市從2002年起陸續(xù)確定杭州中策、杭氧集團(tuán)、油脂化工、杭州卷煙廠、杭州電纜有限公司、杭州汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廠、杭華油墨、杭州重型機(jī)械有限公司等數(shù)家企業(yè)的整體搬遷計(jì)劃,這些企業(yè)大多將遷入配套齊全和產(chǎn)業(yè)集聚的江東、臨江工業(yè)園區(qū)和余杭、錢江經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。此外,韌性水平的空間自相關(guān)分析結(jié)果(圖2)表明生態(tài)韌性低值區(qū)域在城市中部和西北部出現(xiàn)集聚,而高值區(qū)域在城市東南、東北以及中心區(qū)域偏西南部分出現(xiàn)集聚,近年來,政府投入大量資金以提高靠近杭州灣的城市東北部分和城市中心區(qū)域的西湖風(fēng)景區(qū)的濕地質(zhì)量,濕地生態(tài)資源可以通過發(fā)揮其生態(tài)屏障作用來阻斷不利因素和災(zāi)害的影響,對(duì)于提高生態(tài)韌、防范化解生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有重大作用。城市生態(tài)韌性水平—排污企業(yè)密度的雙變量空間自相關(guān)結(jié)果表明(圖2),城市的東北區(qū)域呈現(xiàn)低韌性水平—高排污企業(yè)密度的集聚分布,這與杭州整體向東發(fā)展的城市策略密切相關(guān)。杭州東北部地勢(shì)平坦,且緊鄰杭州灣,與寧波、上海等長(zhǎng)三角核心城市交通便利,形成大江東產(chǎn)業(yè)集聚區(qū),同時(shí)承接了周邊城市的以印染化工為主的傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)移。產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)的發(fā)展帶動(dòng)?xùn)|北區(qū)域建設(shè)用地的擴(kuò)張,侵占周邊生態(tài)用地資源,使得生態(tài)用地斑塊破碎化,導(dǎo)致該區(qū)域生態(tài)韌性水平降低。同時(shí),該區(qū)域生態(tài)韌性水平比較低,而高排污企業(yè)密度高,說明其環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)比較大,但是其防范化解能力比較低。因此需要加大該區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)和生態(tài)治理的資金投入,嚴(yán)防重大環(huán)境污染事件的發(fā)生。

圖2 2015年杭州生態(tài)韌性水平局部空間自相關(guān)結(jié)果Fig.2 Results of local spatial autocorrelation of ecological resilience level in 2015

3.2 城市擴(kuò)張背景下的生態(tài)韌性情景模擬

本研究基于2005、2015年兩期杭州城市土地利用數(shù)據(jù)模擬2035年其空間格局,這10年期間土地利用轉(zhuǎn)移情況如表3所示。2005—2015年期間林地、建設(shè)用地規(guī)模比較穩(wěn)定,很難轉(zhuǎn)化為其他用地,而耕地、水域比較容易向其他地類進(jìn)行轉(zhuǎn)換。耕地是建設(shè)用地的主要來源,占全部向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的70.49%。此外,水域向耕地轉(zhuǎn)移占全部向耕地轉(zhuǎn)移的68.52%,這與杭州東北區(qū)域濕地復(fù)墾密切相關(guān)。

圖3是基于FLUS模型模擬的2035年杭州市城市土地利用空間格局結(jié)果。圖3顯示,基準(zhǔn)情景的2035年建設(shè)用地更多地以邊緣式發(fā)生在主城區(qū)的近郊,且并未呈現(xiàn)明顯集聚,是一種類似攤大餅城市擴(kuò)張模式。“創(chuàng)新天堂”情景是一種緊湊增長(zhǎng)模式,建設(shè)用地主要增長(zhǎng)在城市西北和東南部。這些部分是未來科技城、云棲小鎮(zhèn)、大江東產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)、杭州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、蕭山經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、余杭經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)(錢江經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū))、蕭山臨空經(jīng)濟(jì)示范區(qū)、杭州仁和先進(jìn)制造業(yè)基地所在的區(qū)域,說明“創(chuàng)新天堂”情景更好的契合了創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。

圖3 2035年杭州市城市土地利用模擬空間分布Fig.3 Spatial distribution of urban land use of Hangzhou in 2035

圖4和圖5分別是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導(dǎo)向的“創(chuàng)新天堂”和基準(zhǔn)情景的杭州生態(tài)韌性空間分布水平。相比基準(zhǔn)情景,“創(chuàng)新天堂”城市發(fā)展情景下杭州整體生態(tài)韌性水平更高。從抵抗力、適應(yīng)力和恢復(fù)力3個(gè)方面來看,兩者的恢復(fù)力水平差異不是很大,而“創(chuàng)新天堂”情景的抵抗力水平和適應(yīng)力水平明顯高于基準(zhǔn)情景。特別是適應(yīng)力水平,基準(zhǔn)情景下區(qū)域分異尤為明顯,展現(xiàn)由四周向中心梯次遞減的趨勢(shì),兩極化現(xiàn)象較為明顯,在城市中心區(qū)域出現(xiàn)明顯低值集聚現(xiàn)象,而“創(chuàng)新天堂”情景的適應(yīng)力水平的空間差異不大,沒有出現(xiàn)明顯的低值集聚現(xiàn)象。這與兩種情景的城市擴(kuò)張方式相關(guān),“創(chuàng)新天堂”情景是一個(gè)更為緊湊填充式的城市增長(zhǎng)模式,而基準(zhǔn)情景的城市增加以邊緣式發(fā)生在建成區(qū)的近郊。雖然邊緣式增加可以提高景觀多樣性,提高景觀異質(zhì)性,但是會(huì)提高其破碎程度并降低景觀連通性。本研究的適應(yīng)力指標(biāo)體系設(shè)計(jì)中(表2),景觀破碎度權(quán)重(0.5)大于景觀多樣性(0.25),這是因?yàn)榭紤]到快速城鎮(zhèn)化的后期,各種景觀類型相互滲入以及建設(shè)用地小斑塊,逐漸變成以建設(shè)用地為主導(dǎo)的景觀格局,其景觀多樣性會(huì)降低,而這種穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)適應(yīng)力提高并沒有正面作用。

圖4 “創(chuàng)新天堂”城市發(fā)展情景下生態(tài)韌性空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecological resilience under the Innovation Paradise scenario

圖5 基準(zhǔn)情景下生態(tài)韌性空間分布Fig.5 Spatial distribution of ecological resilience under the baseline scenario

4 結(jié)論與建議

本研究從抵抗力、適應(yīng)力和恢復(fù)力3個(gè)方面構(gòu)建了城市生態(tài)韌性評(píng)估模型,并以杭州為例,評(píng)估了1995—2015年城市生態(tài)韌性時(shí)空變化格局,再者利用空間自相關(guān)模型對(duì)2015年杭州生態(tài)韌性分區(qū)治理模式進(jìn)行了探究。最后,基于FLUS 模型模擬了2035年基準(zhǔn)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)導(dǎo)向的兩種情景下的城市土地利用空間格局,并評(píng)估了不同城市發(fā)展情景下的生態(tài)韌性水平空間分布?；谝陨涎芯?本文得到以下結(jié)論：

(1)總體來看,杭州1995—2015年城市生態(tài)韌性水平呈現(xiàn)下降趨勢(shì),從網(wǎng)格水平上統(tǒng)計(jì)其均值下降了32.86%,最高值下降了20.27%,標(biāo)準(zhǔn)差也下降了34.33%,說明更多網(wǎng)格呈現(xiàn)低值集聚。從空間分布來看,1995—2015年期間,全域城市生態(tài)韌性水平低值區(qū)域呈零散分布變化至面狀連片分布：1995—2005年,生態(tài)韌性低值區(qū)域向東北和東南方向擴(kuò)張,這與東北部濕地圍墾過度以及被建設(shè)用地侵占密切相關(guān)。2005—2015年,杭州西北部和西部原本存在的生態(tài)韌性中等水平區(qū)域也轉(zhuǎn)為低等水平,該區(qū)域大量?jī)?yōu)質(zhì)林地生態(tài)資源的被侵占是其變化的重要原因。

(2)從空間分布來看,2015年生態(tài)韌性低值區(qū)域在城市中部和西北部出現(xiàn)集聚,而高值區(qū)域集聚在城市東南、東北以及中心區(qū)域偏西南部分。同時(shí),城市生態(tài)韌性水平—排污企業(yè)密度的雙變量空間自相關(guān)結(jié)果表明杭州的東北區(qū)域顯著呈現(xiàn)低韌性水平—高排污企業(yè)密度的集聚分布,這說明此區(qū)域環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)比較大,依靠生態(tài)系統(tǒng)自身韌性來防范化解風(fēng)險(xiǎn)能力比較低。

(3)相比基準(zhǔn)情景,緊湊填充式的城市增長(zhǎng)的“創(chuàng)新天堂”城市發(fā)展情景下2035年杭州整體生態(tài)韌性水平更高。盡管兩者的恢復(fù)力水平差異不是很大, 但是“創(chuàng)新天堂”情景的抵抗力水平和適應(yīng)力水平明顯高于基準(zhǔn)情景。

根據(jù)以上研究結(jié)果,本文為杭州生態(tài)韌性城市建設(shè)提出以下三點(diǎn)建議：

(1)促進(jìn)市域均衡開發(fā),嚴(yán)格控制濕地開發(fā),加強(qiáng)生態(tài)用地質(zhì)量與數(shù)量建設(shè),提升城市整體韌性：杭州應(yīng)當(dāng)在全域范圍內(nèi)統(tǒng)籌發(fā)展資源,避免在中心城區(qū)形成嚴(yán)重的景觀壓力和城市蔓延問題,降低過度集中導(dǎo)致的生態(tài)韌性降低,同時(shí)也使發(fā)展機(jī)會(huì)得以分享。此外,杭州緊接杭州灣,擁有大量濕地資源,一方面要盡量避免城市東北部的侵占濕地的圍墾活動(dòng),加強(qiáng)濕地景觀的重塑；另一方面盡量避免城市建設(shè)用地對(duì)城市中心城區(qū)部濕地資源的進(jìn)一步侵占和切割,保護(hù)生態(tài)用地,重點(diǎn)在于保持西溪濕地、西湖、以及東北部杭州灣濕地的完整性,發(fā)揮其生態(tài)屏障作用,阻斷不利因素和災(zāi)害的影響。

(2)實(shí)施城市環(huán)境生態(tài)治理分區(qū)管理模式：生態(tài)韌性低值集聚的中部和西北區(qū)域,應(yīng)對(duì)環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的能力較低,未來國(guó)土空間規(guī)劃中要通過加強(qiáng)該區(qū)域生態(tài)空間保護(hù)與建設(shè)來消除差異化城市生態(tài)韌性空間格局；東北區(qū)域呈現(xiàn)顯著低韌性水平—高排污企業(yè)密度集聚分布的部分亟需盡快搬移高污染排放企業(yè),加速當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)升級(jí),同時(shí)加強(qiáng)該區(qū)域的環(huán)境生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測(cè)水平,以此降低局部生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),防止局部風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散引起全域連鎖風(fēng)險(xiǎn)效應(yīng)。

(3)優(yōu)化新區(qū)發(fā)展模式,鼓勵(lì)緊湊的城市發(fā)展：城市東部是杭州未來重要的發(fā)展空間,要防止形成“攤大餅”式的開發(fā)局面,并大力建設(shè)綠色景觀。此外,建議杭州政府采用產(chǎn)業(yè)升級(jí)和轉(zhuǎn)型策略來緩解中心城區(qū)的人口和土地壓力,并投入更多的資金用于常態(tài)下環(huán)境治理與生態(tài)保護(hù),加大技術(shù)與人才流通,努力消除未來城市增長(zhǎng)帶來的城市內(nèi)部的生態(tài)韌性差異化格局。在未來城市向東部發(fā)展的過程中,建議杭州政府逐步探索城市內(nèi)部的區(qū)縣政府之間以生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移為主體的生態(tài)補(bǔ)償制度,緩和城市內(nèi)部區(qū)域生態(tài)韌性差異化格局,提高城市整體防范化解生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的能力。