城市藍(lán)綠生態(tài)格局的尺度變化效應(yīng)分析

陸明， 孟慶賀， 唐敬軒

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實驗室，哈爾濱 150001；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理與法學(xué)院，哈爾濱 150006）

0 引言

城市藍(lán)綠空間是指保持自然特征的植物覆蓋空間和水體空間[1]，從城市用地類型看綠色空間為城市綠地和區(qū)域綠地，包括公園、防護(hù)綠地、農(nóng)林用地等；藍(lán)色空間為水體空間，包括城市河流、湖泊水庫、濕地等。1910年代初由奧姆斯特德主持規(guī)劃設(shè)計的波士頓公園體系開啟了西方現(xiàn)代城市藍(lán)綠空間的規(guī)劃實踐。進(jìn)入21世紀(jì)后以藍(lán)綠空間為核心的城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施、綠色基礎(chǔ)設(shè)施、城市低影響開發(fā)、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)等發(fā)展極大促進(jìn)了藍(lán)綠空間的整合調(diào)控[2]，西方城市積極探索藍(lán)綠空間規(guī)劃實踐，國外對城市藍(lán)綠空間研究包括健康效應(yīng)、藍(lán)綠設(shè)施規(guī)劃等[3]。我國自古在城市營建中極重視山水格局，山水城市本質(zhì)上體現(xiàn)出的是藍(lán)綠空間與城市布局的有機(jī)融合[4]，國內(nèi)學(xué)者對藍(lán)綠空間研究包括生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與融合規(guī)劃[5]、韌性設(shè)計等內(nèi)容[6]。藍(lán)綠空間是城市具有生態(tài)功能的用地類型，在城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供與生態(tài)修復(fù)中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)下在國土空間規(guī)劃背景下需要從多尺度視角理解城市藍(lán)綠空間體系，一方面是由于國土空間規(guī)劃體系的不同規(guī)劃層次要求；另一方面藍(lán)綠空間作為城市生態(tài)空間，在不同尺度下其生態(tài)空間格局特征也會呈現(xiàn)不同，對城市藍(lán)綠生態(tài)格局的尺度效應(yīng)分析有著廣泛意義。

尺度效應(yīng)是景觀生態(tài)學(xué)研究的基礎(chǔ)性內(nèi)容，生態(tài)空間格局的小尺度常表現(xiàn)出瞬變特征，但在大尺度上可以體現(xiàn)出與平衡模型相似的結(jié)果，因此選擇合適尺度是景觀生態(tài)研究開展的基礎(chǔ)，適當(dāng)尺度對景觀生態(tài)預(yù)期研究成果具有決定性意義。景觀生態(tài)學(xué)中的尺度概念包含空間或者時間單位，通常稱為粒度，空間粒度是空間最小識別單元代表的特征，而時間粒度是指事件發(fā)生的時間間隔或頻率[7]。不同尺度的生態(tài)空間格局和生態(tài)服務(wù)存在明顯差異，這種差異特征形成生態(tài)空間的尺度效應(yīng)。生態(tài)尺度效應(yīng)研究受到較多關(guān)注，以Wu為代表的學(xué)者在利用景觀指數(shù)分析生態(tài)尺度效應(yīng)上做出較多成果，歸納總結(jié)了景觀指數(shù)對尺度效應(yīng)的一般規(guī)律[8]。國內(nèi)學(xué)者多以景觀格局變化為內(nèi)容探討不同景觀類型的尺度效應(yīng)，在研究方法上證實了景觀格局指數(shù)對分析生態(tài)空間尺度效應(yīng)有較好效果[9]。當(dāng)前尺度效應(yīng)研究較多在某個時間斷面上去推繹城市景觀格局的空間尺度效應(yīng)，是一種靜態(tài)景觀格局的尺度效應(yīng)研究，對時空尺度上的變化研究不多[10]。文中以城市藍(lán)綠空間為研究內(nèi)容，探討不同時間和空間粒度下城市生態(tài)格局的變化效應(yīng)。選擇合肥為實證對象，分析不同時空尺度與藍(lán)綠生態(tài)空間格局變化的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而推繹城市藍(lán)綠空間生態(tài)格局研究的合適尺度范圍，為城市生態(tài)空間研究開展與規(guī)劃實踐提供適宜尺度參考。

1 研究區(qū)與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

合肥位于30°57～32°32N，116°41～117°58E范圍，是安徽省會城市，下轄4個城區(qū)和5縣市。合肥是國家級園林城市，環(huán)城公園、南淝河、巢湖、董鋪水庫、大蜀山以及郊區(qū)大片農(nóng)田等藍(lán)綠空間形成城市生態(tài)基底。19世紀(jì)80年代合肥提出“中心+三翼”式城市空間布局方式，以大片農(nóng)田與楔形綠地嵌入城市內(nèi)部，“合肥模式”成為城市空間發(fā)展的經(jīng)典案例。經(jīng)過近40年城市發(fā)展，合肥生態(tài)空間發(fā)生明顯改變，城市藍(lán)綠空間在城市建設(shè)中不斷被侵蝕，但由于行政區(qū)劃調(diào)整，城市藍(lán)綠空間規(guī)模較之前有所增加。至2020年，合肥城區(qū)建設(shè)用地373.85km2，農(nóng)林綠地面積837.40km2，水域面積108.88km2，大面積的藍(lán)綠空間分布在城郊區(qū)域。在城市擴(kuò)展與生態(tài)保護(hù)的矛盾中合肥藍(lán)綠空間發(fā)展成為眾多城市發(fā)展的縮影，在存量增長模式下城市藍(lán)綠空間是城市生態(tài)保育區(qū)，也是城市擴(kuò)張的制約底線。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

以合肥城區(qū)為主要研究區(qū)，范圍包括廬陽區(qū)、包河區(qū)、蜀山區(qū)、瑤海區(qū)，考慮到不同時期研究區(qū)域行政區(qū)劃調(diào)整因素，為方便研究對不同時期的比較分析，研究范圍以2020年合肥城區(qū)行政區(qū)劃為依據(jù)。數(shù)據(jù)來源于中科院地理大數(shù)據(jù)科學(xué)工程平臺，其提供的全球地表覆蓋精細(xì)分類產(chǎn)品是基于Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)研發(fā)的地表覆蓋動態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品，能較為方便直接的獲取豐富且相對精準(zhǔn)的地表用地覆蓋類型。遵循數(shù)據(jù)易獲取原則，選擇1985年、2005年和2020年全球地表覆蓋精細(xì)分類產(chǎn)品數(shù)據(jù)，分辨率為30m。在ArcGIS中整理用地數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理步驟包括：首先按照經(jīng)緯度范圍獲取研究區(qū)土地利用的柵格數(shù)據(jù)，然后按照行政區(qū)劃邊界進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)的掩膜提取，最后利用重分類工具整理，得到農(nóng)林與綠地、水域、建設(shè)用地等用地柵格圖，其中城市綠色空間包括林地、農(nóng)田與城市綠地等用地，藍(lán)色空間包括湖泊、水庫、河流、濕地等用地。

2 研究方法

2.1 生態(tài)格局尺度

生態(tài)格局尺度確定是對研究時間和空間的粒度范圍大小與步長的選擇。時間粒度上以1985年、2005年和2020年為時間變化間隔。借鑒有關(guān)研究經(jīng)驗[9]，空間粒度上以30m為基本粒度，選取30～300m為研究粒度范圍，其中在30～150m粒度范圍步長按照15m增加，即空間粒度為 30、45、60、75、90、105、120、135、150m。超過150m的確定步長為25m，即空間粒度為175、200、225、250、275、300m。因此共選取3個時間上的15個不同空間粒度作為研究的生態(tài)格局尺度演繹結(jié)果。景觀空間粒度也叫空間分辨率，是研究對象空間特征的最小單元。在ArcGIS中利用重采樣工具，輸出3個時間上的不同分辨率柵格圖，共計45幅，作為景觀生態(tài)格局變化分析的數(shù)據(jù)源。

2.2 景觀格局指數(shù)

景觀格局指數(shù)是分析景觀生態(tài)格局變化的有效工具，通過觀察不同空間尺度下生態(tài)格局變化特征，尤其在臨界閾值前后景觀格局差異，判斷城市景觀格局的生態(tài)穩(wěn)定性，以推繹出生態(tài)格局研究的合適尺度。景觀格局指數(shù)分為斑塊、類型和景觀3個水平度量，每個水平上常用的景觀指標(biāo)有多種選擇。既有研究表明，在景觀格局的粒度效應(yīng)研究中景觀水平下的指標(biāo)具有較好分析效果，數(shù)據(jù)擬合度較高[9]。研究篩選出景觀水平上的評價指標(biāo)，其中斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、邊界密度（ED）、景觀形態(tài)指數(shù)（LSI）是4個主要高頻指標(biāo)，這4個指標(biāo)對景觀格局變化有著很好的預(yù)示效果，同時在景觀格局的特征描述上也具有代表性[11]見表1。利用Fragstats軟件對45幅不同分辨率柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行景觀格局指數(shù)分析，得到不同時間斷面下景觀指標(biāo)與空間尺度變化的數(shù)據(jù)集。

表1 四個景觀格局指數(shù)及內(nèi)涵

2.3 景觀指數(shù)變異閾值

景觀格局指數(shù)能較好反映出生態(tài)對尺度變化的依賴性，臨界閾值附近景觀指數(shù)變異比較明顯，通過臨界閾值可以判斷研究對象的適宜尺度。將空間粒度作為自變量，景觀格局指數(shù)作為因變量，利用SPSS軟件進(jìn)行曲線估計。分析發(fā)現(xiàn)4個景觀指數(shù)對尺度變化呈現(xiàn)較好的非線性回歸關(guān)系，其擬合函數(shù)為冪函數(shù)見式1，可以認(rèn)為斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、邊界密度（ED）、景觀形態(tài)指數(shù)（LSI）與空間粒度變化規(guī)律為冪函數(shù)變化。數(shù)學(xué)中考查曲線函數(shù)變化程度是通過曲線變化率實現(xiàn)，即曲線的切線函數(shù)，因此可以通過冪函數(shù)曲線的切線函數(shù)分析景觀指數(shù)的變化程度，從而確定景觀指數(shù)的變異閾值，相關(guān)曲線的切線函數(shù)表達(dá)為式（2）。

式中，a、b為常數(shù)，兩個式中a、b值相同。x表示為空間粒度大小。y表示為空間粒度下景觀格局指數(shù)的分析值。y表示為空間粒度下景觀指數(shù)值的變化率。

3 結(jié)果分析

3.1 尺度變化對藍(lán)綠空間景觀指數(shù)影響

城市藍(lán)綠生態(tài)格局對空間尺度變化有較強(qiáng)依賴性，選取的4個景觀指數(shù)與尺度變化呈現(xiàn)明顯的冪函數(shù)關(guān)系，所有冪函數(shù)的擬合度（R2）都高于0.99見表2，表明擬合函數(shù)能夠較好解釋尺度變化特征。從城市藍(lán)綠空間的景觀斑塊數(shù)量和形態(tài)上解析具體變化特征，從而闡述空間尺度變化對城市藍(lán)綠生態(tài)格局影響。

表2 藍(lán)綠空間景觀指數(shù)與尺度的擬合函數(shù)

3.1.1 景觀斑塊數(shù)量上影響

景觀斑塊數(shù)量上分析指標(biāo)包括斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD），1985年、2005年與2020年景觀斑塊數(shù)量變化大致有相同特點(diǎn)，其總體變化趨勢是景觀斑塊數(shù)量隨空間尺度增大而逐漸減少見圖1。粒度大小在30～60m區(qū)間，隨著粒度增大藍(lán)綠空間的景觀斑塊數(shù)量發(fā)生較明顯的減少，其變化程度較快；粒度大小在60～150m區(qū)間，隨著粒度增大景觀斑塊數(shù)量變化程度與前一個區(qū)間相比明顯減緩；粒度150m以后，藍(lán)綠空間的景觀斑塊減少量和變化程度都趨于相對穩(wěn)定見圖2。以2020年數(shù)據(jù)分析，起始粒度30m時斑塊數(shù)量大約為48449個，粒度45m時數(shù)量減少到28985個，粒度在60～90m之間景觀斑塊數(shù)量仍然維持在萬級數(shù)量范圍，但粒度105m以后斑塊降到千級數(shù)量，到300m后只有1469個。

圖1 不同空間尺度的藍(lán)綠空間景觀指數(shù)變化趨勢

圖2 不同空間尺度的景觀指數(shù)變化率（縱坐標(biāo)負(fù)號代表負(fù)相關(guān)）

3.1.2 景觀斑塊形態(tài)上影響

景觀斑塊形態(tài)上指標(biāo)有邊界密度（ED）和景觀形態(tài)指數(shù)（LSI），1985年、2005年、2020年在景觀斑塊形態(tài)上變化趨勢大致一樣，其總體變化趨勢是景觀斑塊形態(tài)分析值隨空間尺度增大而逐漸減少見圖1。相較于景觀斑塊數(shù)量上變化，景觀斑塊形態(tài)變化趨勢較為緩和，但兩者變化趨勢趨同。以2020年變化值看，起始粒度30m時邊界密度大約為118.02，景觀形態(tài)指數(shù)為109.72。到粒度45m時邊界密度減少到93.52，景觀形態(tài)指數(shù)減少到87.46。在60～150m粒度之間變化趨勢逐漸緩和，150m粒度以后變化趨于穩(wěn)定見圖1、圖2。

總體上在粒度45m時景觀斑塊數(shù)量和形態(tài)上發(fā)生第一次顯著變化，以后變化趨勢較為減緩；粒度105m時為第二次顯著變化，以后變化趨勢保持穩(wěn)定?？臻g尺度不斷增大時景觀斑塊之間的異質(zhì)性也在變化，即景觀格局中發(fā)生斑塊之間的合并轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致景觀多樣性和破碎化程度降低，景觀斑塊數(shù)量和用地面積也發(fā)生變化。合肥藍(lán)綠生態(tài)格局在45m和105m時是發(fā)生顯著變化，在60～150m以及150m粒度以后區(qū)間景觀生態(tài)格局變化趨勢逐漸平緩至穩(wěn)定，因此可以判斷45m和105m為景觀指數(shù)變化的兩個變異閾值。

3.2 尺度變化對藍(lán)綠空間用地影響

3.2.1 對整體用地面積影響

尺度變化會導(dǎo)致景觀用地面積發(fā)生變化見圖3。同一研究區(qū)范圍，藍(lán)綠空間用地面積隨著粒度增大呈現(xiàn)一定規(guī)則變化。初始粒度30m時，1985年和2020年藍(lán)綠空間面積變化差異較小，而2005年較兩者相差較大，差距大約6.7km2。在粒度為45～105m范圍，3個時間點(diǎn)的整體用地變化差異較小。粒度105m以后，2005年用地變化又出現(xiàn)較大差異變化，而1985年和2020年變化趨勢基本保持一致。具體到3個時間上，1985年藍(lán)綠空間用地隨著粒度增大整體呈下降趨勢，粒度為30～150m用地增減在±0.50km2范圍變化，用地減損差異較小。2005年藍(lán)綠空間用地隨著粒度增大整體呈下降趨勢，在粒度為45～105m用地變化差異不大，但在粒度120m以后用地變化開始朝著初始值回升，至300m時用地面積回到初始粒度。2020年藍(lán)綠空間用地整體變化較為平緩，在粒度為30～175m用地增減在±0.50km2范圍變化，粒度225m以后變化差異較大。

圖3 不同尺度的藍(lán)綠空間用地變化及增減

3.2.2 對三類用地面積影響

1985年以后合肥發(fā)展主要向西南和東北擴(kuò)張，35年間合肥城市建設(shè)規(guī)模增加了5.6倍多。2005年城區(qū)建設(shè)用地面積達(dá)到186.89km2，比1985年增加了121.4km2。2020年城區(qū)建設(shè)用地面積達(dá)到369.82km2，比2005年增加了182.93km2。城市建成區(qū)面積不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致郊區(qū)農(nóng)林、水域等用地減少。從30m粒度下3個階段景觀格局指數(shù)分析看，1985年以后斑塊數(shù)量和形態(tài)數(shù)值均大幅度增加，反映出城市藍(lán)綠生態(tài)格局逐漸破碎化趨勢發(fā)展。

尺度變化對三類用地面積影響表現(xiàn)出此消彼長態(tài)勢見圖4。1985年三類用地變化趨勢是隨著粒度變大，農(nóng)林綠地面積呈現(xiàn)增多趨勢，水域面積呈現(xiàn)減少趨勢，建設(shè)用地面積呈現(xiàn)減少趨勢，75～135m粒度范圍三類用地之間變化差異較小。藍(lán)綠面積變化總體上保持增長趨勢，60m處面積變化陡然增大，75～135m粒度之間變化差異較小見圖5。2005年三類用地變化趨勢是隨著粒度變大，水域用地呈現(xiàn)增多趨勢，農(nóng)林綠地呈現(xiàn)減少趨勢，建設(shè)用地面積在較小變化范圍內(nèi)波動，90～150m粒度范圍三類用地變化差異較小。藍(lán)綠面積變化總體上保持增長趨勢，在90～150m粒度之間變化差異較小。2020年三類用地變化趨勢是隨著粒度變大，水域用地呈現(xiàn)減少趨勢，農(nóng)林綠地面積在30～90m粒度變化較小，105m后呈現(xiàn)增多趨勢，建設(shè)用地面積在30～90m粒度變化較小，105m粒度后呈現(xiàn)減少趨勢。藍(lán)綠面積變化總體上保持增長趨勢，在30～90m粒度之間變化差異較小。

圖4 不同尺度的各類型面積變化

圖5 不同尺度的藍(lán)綠空間面積變化

4 結(jié)語

文中通過景觀格局指數(shù)和用地變化兩部分內(nèi)容分析了不同時空尺度變化對城市藍(lán)綠空間的影響，發(fā)現(xiàn)藍(lán)綠生態(tài)格局與尺度變化在不同方面上有不同表現(xiàn)特征，并得出以下結(jié)論：

（1）從藍(lán)綠空間的景觀指數(shù)變化和用地變化分析得出，合肥城市藍(lán)綠空間在3個時間點(diǎn)的景觀粒度變化較小的范圍1985年藍(lán)綠生態(tài)格局隨景觀尺度變化差異較小的粒度范圍是75～135m，2005年范圍是90～105m，2020年范圍是60～90m。

（2）綜合三個時間點(diǎn)的景觀尺度變化效應(yīng)，在時間尺度上，90m是合肥藍(lán)綠生態(tài)格局隨景觀尺度變化差異較小的粒度。

（3）研究選取的藍(lán)綠空間具有較為廣泛的對象意義，對與之相關(guān)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、綠網(wǎng)、生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施、綠色基礎(chǔ)設(shè)施等研究有一定的參考作用，即分析這類對象時，需要注意景觀尺度對研究結(jié)果的影響，選擇適宜的尺度開展研究和規(guī)劃實踐。