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基于生态系统服务功能模拟演算的绿色空间规划框架

李方正 刘阳 施瑶 胡凯富 郑曦

引用本文:
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基于生态系统服务功能模拟演算的绿色空间规划框架

    作者简介: 李方正,博士,讲师。主要研究方向:风景园林与城乡规划学。Email:375066107@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学园林学院.
    通讯作者: 郑曦,教授,博士生导师。主要研究方向:风景园林学。Email:zhengxi@bjfu.edu.cn  地址:同上
  • 中图分类号: S731.1

Construction of green space planning framework based on ecosystem service function simulation: a case study of shallow mountain area in Beijing

  • 摘要: 目的 在快速城镇化以及全球气候变化的背景下,生态环境不断恶化给人类生活和健康带来了巨大的影响。生态系统服务功能评估作为一种应对气候变化、构建绿色宜居生存环境的方法得到推广。建立基于生态系统服务功能模拟演算的绿色空间规划框架,对于客观评价绿色空间的服务功能、构建可持续发展的绿色空间网络具有科学的指导意义。方法 本文在总结国内外学者相关研究的基础上,以北京市浅山地区为例,构建基于生态系统服务功能评估的绿色空间规划框架,选取缓解热岛效应、水土保持、固碳释氧、气候调节、生物多样性保护、文化娱乐6种功能指标,采用径流系数公式计算、MaxEnt模型模拟等方法进行评价,识别区域不同服务类型的关键绿色空间位置并提出适宜的绿色空间类型,最后通过构建游憩绿道以及生态廊道加强绿色空间联系,完善绿色空间布局。结果 不同类型生态系统服务效益空间分布呈现一定差异性,根据不同区域提供的服务差异划定湿地公园、森林公园、郊野公园、城市公园、地质公园、风景名胜区以及生态保育绿地7种绿色空间类型,新增6条绿道(195 km)连接平原与浅山区,在温泉镇、延寿镇、十三陵镇、峪口镇等村镇构建生态廊道,建立以目标动物保护为目的的线性绿色空间。结论 绿色空间能够提供多种重要的生态系统服务功能,构建绿色空间规划框架对于加强落实浅山区生态优先的发展战略,推动形成可持续的绿色发展方式有重要意义。
  • 图 1  研究框架

    Figure 1.  Research framework

    图 2  热岛分布

    Figure 2.  Distribution of heat island

    图 3  植被释氧量分布

    Figure 3.  Distribution of oxygen release from vegetation

    图 4  通风潜力分布

    Figure 4.  Ventilation potential distribution

    图 5  水土保持分布

    Figure 5.  Soil and water conservation distribution

    图 6  生境适宜性

    Figure 6.  Habitat suitability

    图 7  游憩空间适宜性

    Figure 7.  Suitability of recreational space

    图 8  平原−浅山绿道联动

    Figure 8.  Plain-shallow mountain greenway linkage

    图 9  生态廊道连接区域

    Figure 9.  Ecological corridor connection areas

    表 1  主要研究方法和技术手段

    Table 1.  Main research methods and technical means

    类型 Type方法 Method具体内容 Concrete content
    指数分析法
    Exponential analysis
    指标分析
    Index analysis
    土地利用变化率、土地利用程度、景观格局指数、径流系数等
    Land use change rate, land use degree, landscape pattern index, runoff coefficient, etc.
    数学方法分析
    Mathematical method
    相关分析与多元回归分析、主成分分析、敏感性分析
    Correlation analysis, multiple regression analysis, principal component analysis and sensitivity analysis
    市场价值法
    Market value method
    直接市场价值法
    Direct market value method
    生态系统提供的服务可以根据实际或替代物质量的价值市场价格直接进行衡量
    Services provided by ecosystems can be measured directly according to the value market price of actual or alternative substances
    间接市场价值法
    Indirect market value method
    通过估算其替代品的价值对生态系统服务进行间接估算,其中最常用的包括机会成本法、生产成本法、影子工程法
    Indirect estimates of ecosystem services are made by estimating the value of alternatives, including opportunity cost method, production cost method and shadow engineering method
    模型模拟法
    Model simulation method
    Maxent 模拟物种潜在区域,进行生物多样性评估
    Simulating potential areas of species for biodiversity assessment
    生态检测分析
    Ecotect Analysis
    模拟通风潜力区域
    Simulated ventilation potential area
    i-TREE 对森林生态效益、经济效益评估
    Assessment of ecological and economic benefits of forests
    耗费距离模型
    Consumption distance model
    模拟重要生态廊道,优化城市景观结构
    Simulating the important ecological corridor and optimizing the urban landscape structure
    动态情景模拟分析Dynamic simulation scenario analysis InVEST 模拟不同土地覆被情景下生态服务系统物质量和价值量的变化
    Simulating the changes of material and value of ecosystem services under different land cover scenarios
    CLUE-S、FLUS 兼顾土地利用系统中的社会经济和生物物理驱动因子, 并在空间上反映土地利用变化的过程和结果
    Considering socio-economic and biophysical driving factors in land use system and reflecting the process and results of land use change in space
    CA_MARKOV 对土地利用结构数量及空间分布进行预测
    Predicting the quantity and spatial distribution of land use structure
    LCM 快速分析土地覆盖变化,根据经验建模与解释变量的关系,并模拟未来的土地变化情景
    Rapid analysis of land cover change, empirical modeling and interpretation of the relationship between variables, and simulation of future land change scenarios
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    表 2  基于生态系统服务的绿色空间评价指标

    Table 2.  Green space evaluation indicators based on ecosystem services

    服务功能
    Ecosystem services
    功能内涵
    Functional connotation
    指标
    Index
    指标描述
    Indicator description
    绿色空间类型
    Types of green space
    调节服务
    Adjustment services
    生态系统为人类提供诸如维持空气质量、调节气候、控制侵蚀以及净化水源等调节性效益
    Regulatory benefits of ecosystem for human beings, including maintaining air quality, regulating climate, controlling erosion, and purifying water source
    缓解热岛效益
    Mitigation of heat island effect
    低于最热月平均温度
    Below the hottest monthly mean temperature
    森林公园、湿地公园、生态保育绿地
    Forest park, wetland park, ecological conservation green space
    水土保持效益
    Water and soil conservation effect
    计算土壤径流系数进行评价
    Calculating runoff coefficient and evaluating
    固碳释氧效益
    Carbon fixation and oxygen release effect
    年平均固碳释氧量
    Average annual carbon sequestration and oxygen release
    调节气候效益
    Climate regulation effect
    通风潜力大小
    Ventilation potential
    支持服务
    Support services
    生态系统生产和支撑其他服务功能的基础功能
    Basic functions of ecosystem production and supporting other service functions
    保护生物多样性效益
    Conservation of biodiversity effect
    栖息地适宜性评价
    Habitat suitability assessment
    森林公园、湿地公园、生态保育绿地
    Forest park, wetland park, ecological conservation green space
    文化服务
    Cultural services
    通过丰富精神生活、发展认知、休闲娱乐,以及美学欣赏等方式而使人类从生态系统获得的非物质效益
    Non-material benefits of mankind from ecosystem, including enriching spiritual life, developing cognition, recreation and entertainment, and aesthetic appreciation, etc
    娱乐机会
    Entertainment opportunities
    道路可达性
    Road accessibility
    风景名胜区、地质公园、城市公园、郊野公园
    Scenic spots, geoparks, urban parks, country parks
    文化美学效益
    Cultural aesthetics effect
    文化遗产、旅游景区核密度分析
    Analysis of nuclear density of cultural heritage and tourist scenic spots
    注:表2内容来源于参考文献[20]。Note: the contents of Tab. 2 are cited from reference [20].
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    表 3  不同植被覆盖类型固碳能力

    Table 3.  Carbon sequestration capacity of different vegetation cover types g·d− 1

    植被类型
    Vegetation
    type
    地上部分单位固碳量
    Carbon sequestration per
    unit of aerial part
    地下部分单位固碳量
    Underground carbon
    sequestration per unit
    土壤固碳量
    Soil carbon
    sequestration
    总固碳量
    Total carbon
    sequestration
    单位释氧量
    Unit oxygen
    release
    阔叶树 Broadleaf 1.600 0.288 0.93 2.818 1.163
    针叶树 Conifer 1.554 0.342 2.63 4.526 1.130
    灌木 Shrub 0.970 0.175 0.27 1.415 0.706
    草地 Grassland 0.27 0.27
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    表 4  评价指标与阈值范围

    Table 4.  Evaluation indicators and threshold range

    指标
    Index
    日均气温差值
    Daily mean temperature
    difference (Bio2)
    温度季节变动
    Seasonal variation of
    temperature (Bio4)
    最冷季平均温度
    Average temperature in
    the coldest season (Bio11)
    坡度
    Slope
    高程
    Altitude
    归一化植被指数Normalized difference vegetation index
    (NDVI)
    阈值 Threshold< 12.25 ℃< 1 157< − 2.2 ℃> 3°> 50 m> 0.43
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    表 5  关键绿色空间类型划分

    Table 5.  Classification of key green space types

    生态系统服务功能
    Ecosystem service function
    缓解热岛效应
    Mitigation of heat island effect
    固碳释氧
    Carbon fixation and oxygen release
    通风潜力
    Ventilation potential
    绿色空间类型
    Types of green space
    湿地公园、森林公园
    Wetland park, forest park
    湿地公园、森林公园
    Wetland park, forest park
    湿地公园、森林公园、郊野公园、城市公园
    Wetland park, forest park, country park,
    urban park
    生态系统服务功能
    Ecosystem service function
    生物多样性保护
    Biodiversity conservation
    水土保持
    Water and soil conservation
    休闲游憩
    Recreation
    绿色空间类型
    Types of green space
    生态保育绿地、湿地公园、森林公园
    Ecological conservation green space, wetland park, forest park
    生态保育绿地、湿地公园
    Ecological conservation green space, wetland park
    风景名胜区、森林公园、湿地公园、郊野公园、城市公园、地质公园
    Scenic spots, forest park, wetland park, country park, urban park, geological park
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    表 6  新增绿道长度

    Table 6.  Length of the newly added greenway

    编号 No.123456
    长度 Length/km46713113758
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-19
  • 录用日期:  2019-07-30
  • 网络出版日期:  2019-10-17
  • 刊出日期:  2019-11-01

基于生态系统服务功能模拟演算的绿色空间规划框架

    通讯作者: 郑曦, zhengxi@bjfu.edu.cn
    作者简介: 李方正,博士,讲师。主要研究方向:风景园林与城乡规划学。Email:375066107@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学园林学院
  • 北京林业大学园林学院,北京 100083

摘要: 目的在快速城镇化以及全球气候变化的背景下,生态环境不断恶化给人类生活和健康带来了巨大的影响。生态系统服务功能评估作为一种应对气候变化、构建绿色宜居生存环境的方法得到推广。建立基于生态系统服务功能模拟演算的绿色空间规划框架,对于客观评价绿色空间的服务功能、构建可持续发展的绿色空间网络具有科学的指导意义。方法本文在总结国内外学者相关研究的基础上,以北京市浅山地区为例,构建基于生态系统服务功能评估的绿色空间规划框架,选取缓解热岛效应、水土保持、固碳释氧、气候调节、生物多样性保护、文化娱乐6种功能指标,采用径流系数公式计算、MaxEnt模型模拟等方法进行评价,识别区域不同服务类型的关键绿色空间位置并提出适宜的绿色空间类型,最后通过构建游憩绿道以及生态廊道加强绿色空间联系,完善绿色空间布局。结果不同类型生态系统服务效益空间分布呈现一定差异性,根据不同区域提供的服务差异划定湿地公园、森林公园、郊野公园、城市公园、地质公园、风景名胜区以及生态保育绿地7种绿色空间类型,新增6条绿道(195 km)连接平原与浅山区,在温泉镇、延寿镇、十三陵镇、峪口镇等村镇构建生态廊道,建立以目标动物保护为目的的线性绿色空间。结论绿色空间能够提供多种重要的生态系统服务功能,构建绿色空间规划框架对于加强落实浅山区生态优先的发展战略,推动形成可持续的绿色发展方式有重要意义。

English Abstract

  • 绿色空间是城市生态系统重要的组成部分,是维持并提高人类福祉的基本物质条件以及促进人类生存环境可持续发展的重要渠道[1]。作为风景园林学科的主要载体,如何通过合理布局以提升其生态系统服务成为重要的研究课题。一方面,绿色空间的规模是影响其生态系统服务功能的决定性因素。相关研究表明,城市建设用地扩张引起具有较高生态系统服务价值的绿色空间面积减少,影响了生态系统的能量交换、水分循环、土壤侵蚀与堆积、生物地球化学循环等主要生态过程[2],导致生态系统服务总价值的降低[3-4]。另一方面,绿色空间的类型也是影响生态系统服务功能的重要因素。当前研究者多围绕土地利用类型变化对生态系统服务单一要素的影响展开分析,部分研究采用了情景模拟法和相关技术模型对不同土地利用类型的生态系统服务情况进行了模拟[5],结果表明土地利用方式变化导致了各单项生态系统服务价值的变化,从而影响生态系统服务总价值[6],故不同绿色空间类型也因其主要生态系统的不同而导致其生态系统服务功能(Ecosystem Services, ESs)的差异。

    绿色空间能够提供多种重要的ESs,确认合适的功能指标是绿色空间ESs评估的基础,更直观反映生态系统所处状态、指示生态系统未来发展趋势,平衡区域内自然资源合理开发利用与严格保护区域[7]。千年生态系统评估报告(Millennium Ecosystem Assessment)将生态系统服务分为供给、调节、支持和文化4种类型[8],有利于体现绿色空间生态−社会属性并成为国内外学者确定绿色空间ESs指标的重要参考[9]。国外学者马尔什·戴克森等基于MA分类系统选取空气净化、碳储存、减少噪声、雨水保持、冷却作用和娱乐作用等指标评价奥姆斯特丹绿色空间ESs[10];孙强等[11]以MA分类为依据,将北京市通州新城区绿色空间服务指标定义为空气调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、生物多样性保护、娱乐文化、食物生产等9项内容。顾康康等[12]将绿色基础设施ESs划分为雨洪管理、绿色空间可达性、净化空气、缓解热岛效应、景观连通性5类指标。除此之外,绿色空间生态系统服务功能指标评估方法和技术手段也随之不断发展和应用。指标评价、价值估算、模拟模型和情景预测是推动生态系统服务评估研究理论建设和方法集成的重要工具[13],主要分为4类:指数分析法、市场价值评估法、模型模拟法和情景模拟法(表1)。

    表 1  主要研究方法和技术手段

    Table 1.  Main research methods and technical means

    类型 Type方法 Method具体内容 Concrete content
    指数分析法
    Exponential analysis
    指标分析
    Index analysis
    土地利用变化率、土地利用程度、景观格局指数、径流系数等
    Land use change rate, land use degree, landscape pattern index, runoff coefficient, etc.
    数学方法分析
    Mathematical method
    相关分析与多元回归分析、主成分分析、敏感性分析
    Correlation analysis, multiple regression analysis, principal component analysis and sensitivity analysis
    市场价值法
    Market value method
    直接市场价值法
    Direct market value method
    生态系统提供的服务可以根据实际或替代物质量的价值市场价格直接进行衡量
    Services provided by ecosystems can be measured directly according to the value market price of actual or alternative substances
    间接市场价值法
    Indirect market value method
    通过估算其替代品的价值对生态系统服务进行间接估算,其中最常用的包括机会成本法、生产成本法、影子工程法
    Indirect estimates of ecosystem services are made by estimating the value of alternatives, including opportunity cost method, production cost method and shadow engineering method
    模型模拟法
    Model simulation method
    Maxent 模拟物种潜在区域,进行生物多样性评估
    Simulating potential areas of species for biodiversity assessment
    生态检测分析
    Ecotect Analysis
    模拟通风潜力区域
    Simulated ventilation potential area
    i-TREE 对森林生态效益、经济效益评估
    Assessment of ecological and economic benefits of forests
    耗费距离模型
    Consumption distance model
    模拟重要生态廊道,优化城市景观结构
    Simulating the important ecological corridor and optimizing the urban landscape structure
    动态情景模拟分析Dynamic simulation scenario analysis InVEST 模拟不同土地覆被情景下生态服务系统物质量和价值量的变化
    Simulating the changes of material and value of ecosystem services under different land cover scenarios
    CLUE-S、FLUS 兼顾土地利用系统中的社会经济和生物物理驱动因子, 并在空间上反映土地利用变化的过程和结果
    Considering socio-economic and biophysical driving factors in land use system and reflecting the process and results of land use change in space
    CA_MARKOV 对土地利用结构数量及空间分布进行预测
    Predicting the quantity and spatial distribution of land use structure
    LCM 快速分析土地覆盖变化,根据经验建模与解释变量的关系,并模拟未来的土地变化情景
    Rapid analysis of land cover change, empirical modeling and interpretation of the relationship between variables, and simulation of future land change scenarios

    本文基于以上文献分析并结合北京市浅山区资源分布特征、功能定位、地形地貌等内容,构建了绿色空间潜在的ESs评价指标体系,确定了各个指标合适的评价计算方法,并提出了对应的绿色空间类型,为区域更好地统筹发展提供有效的理论依据,为决策制定者提供参考。

    • 北京市浅山区是平原与山麓的过渡地带,以丘陵和台地地貌为主,平均海拔在100 ~ 300 m之间,涉及西部和北部的海淀、丰台、石景山、门头沟、房山、昌平、平谷、怀柔、密云等9个区的81个乡镇、街道,总占地面积2 363 km2。自然资源丰富,气候湿润,是多种生态系统服务功能交汇作用、综合协同与权衡的重要区域。对于提升平原区生态环境质量、调节区域气候有重要意义。此外,众多的风景名胜景区与历史文化遗迹,加强了平原与浅山交界区域的绿色空间游憩能力,是提升文化服务的关键区域。

    • 本研究采取地理空间数据云平台上2018年云量较少的7月15日遥感影像数据,采用Landsat 8 OLI_TIRS卫星数字影像,空间分辨率为30 m。利用ENVI 5.0软件,采用监督分类与人工目视解译结合的方法,对研究区土地利用信息进行解译提取,并以《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)为主要参考,结合相关研究土地利用变化的文献资料[14]进行校准。其他基础数据主要包括高程、坡度、路网、降水、动物物种等,其中高程数据和坡度数据由地理空间数据云平台上的DEM数据获取[15]。路网、居民点空间分布图以及河流水库分布图均来源于国家基础地理信息系统网站[16]。动物物种数据主要来源于相关文献查阅以及记录[17-19]

    • 《北京城市总体规划(2016—2035年)》提出构建由公园和绿道相互交织的游憩绿地体系,将风景名胜区、森林公园、湿地公园、郊野公园、地质公园、城市公园6类具有休闲游憩功能的近郊绿色空间纳入全市公园体系。本文以此为依据,结合浅山区生态保育为主的功能定位,将绿色空间类型划分为风景名胜区、森林公园、湿地公园、郊野公园、地质公园、城市公园和生态保育绿地7种类型。主要通过遥感解译数据分析选取调节、支持、文化3种服务类型,6个评价指标,通过ENVI解译、地理信息叠加分析、基于最大熵的地理分布预测等技术对浅山区现状资源进行评价,识别生态保育、提升优化、防治修复区域并提出相应策略,明确绿色空间定位与规划目标,构建游憩绿道与生态廊道提升区域生态连通性,最终形成浅山区绿色空间网络体系(图1)。

      图  1  研究框架

      Figure 1.  Research framework

    • 基于以上文献综述与北京浅山区现状情况,本文依据MA分类体系并结合北京市浅山区生态保护为主的特征,将ESs划分为调节服务、支持服务和文化服务3种类型(表2),确定了缓解热岛效应、水土保持、固碳释氧、气候调节、生物多样性保护、文化娱乐6种功能指标,并定义不同ESs重要区域绿色空间类型。

      表 2  基于生态系统服务的绿色空间评价指标

      Table 2.  Green space evaluation indicators based on ecosystem services

      服务功能
      Ecosystem services
      功能内涵
      Functional connotation
      指标
      Index
      指标描述
      Indicator description
      绿色空间类型
      Types of green space
      调节服务
      Adjustment services
      生态系统为人类提供诸如维持空气质量、调节气候、控制侵蚀以及净化水源等调节性效益
      Regulatory benefits of ecosystem for human beings, including maintaining air quality, regulating climate, controlling erosion, and purifying water source
      缓解热岛效益
      Mitigation of heat island effect
      低于最热月平均温度
      Below the hottest monthly mean temperature
      森林公园、湿地公园、生态保育绿地
      Forest park, wetland park, ecological conservation green space
      水土保持效益
      Water and soil conservation effect
      计算土壤径流系数进行评价
      Calculating runoff coefficient and evaluating
      固碳释氧效益
      Carbon fixation and oxygen release effect
      年平均固碳释氧量
      Average annual carbon sequestration and oxygen release
      调节气候效益
      Climate regulation effect
      通风潜力大小
      Ventilation potential
      支持服务
      Support services
      生态系统生产和支撑其他服务功能的基础功能
      Basic functions of ecosystem production and supporting other service functions
      保护生物多样性效益
      Conservation of biodiversity effect
      栖息地适宜性评价
      Habitat suitability assessment
      森林公园、湿地公园、生态保育绿地
      Forest park, wetland park, ecological conservation green space
      文化服务
      Cultural services
      通过丰富精神生活、发展认知、休闲娱乐,以及美学欣赏等方式而使人类从生态系统获得的非物质效益
      Non-material benefits of mankind from ecosystem, including enriching spiritual life, developing cognition, recreation and entertainment, and aesthetic appreciation, etc
      娱乐机会
      Entertainment opportunities
      道路可达性
      Road accessibility
      风景名胜区、地质公园、城市公园、郊野公园
      Scenic spots, geoparks, urban parks, country parks
      文化美学效益
      Cultural aesthetics effect
      文化遗产、旅游景区核密度分析
      Analysis of nuclear density of cultural heritage and tourist scenic spots
      注:表2内容来源于参考文献[20]。Note: the contents of Tab. 2 are cited from reference [20].
    • (1)热岛效应评估方法

      以北京市2018年波段分辨率为30 m的LST遥感数据影像为基础,利用ENVI 软件进行辐射定标、大气校正等过程后,应用分裂窗算法计算地表比辐射率、归一化植被指数、大气透过率、亮度温度,实现浅山区地表温度进行反演[21]。公式如下:

      $ {T_{\rm {s}}} = {T_i} + A({T_i} - {T_j}){\rm{ }} + B $

      式中:Ts代表地表温度;TiTj代表热通道ij的亮度温度;AB是系数,由大气透过率和地表比辐射率等因子确定。

      (2)固碳释氧评估方法

      利用ENVI 5.0软件,采用监督分类与人工目视解译结合的方法,对研究区植被覆盖信息进行解译提取,并以《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)为主要参考进行较准,得到浅山区植被覆盖类型,具体划分为阔叶林、针叶林、灌木林、草地4种类型。分析北京市所有植被固碳释氧能力的分布情况,对森林资源常见树种固碳释氧能力进行评估,得到不同植被类型单位面积固碳释氧能力的经验值[22]表3),通过GIS平台得到北京市植被固碳能力和释氧能力的空间分布。公式如下:

      表 3  不同植被覆盖类型固碳能力

      Table 3.  Carbon sequestration capacity of different vegetation cover types g·d− 1

      植被类型
      Vegetation
      type
      地上部分单位固碳量
      Carbon sequestration per
      unit of aerial part
      地下部分单位固碳量
      Underground carbon
      sequestration per unit
      土壤固碳量
      Soil carbon
      sequestration
      总固碳量
      Total carbon
      sequestration
      单位释氧量
      Unit oxygen
      release
      阔叶树 Broadleaf 1.600 0.288 0.93 2.818 1.163
      针叶树 Conifer 1.554 0.342 2.63 4.526 1.130
      灌木 Shrub 0.970 0.175 0.27 1.415 0.706
      草地 Grassland 0.27 0.27

      $ C = \mathop \sum _{i=1}^n \left( {A_{ij}+ B_{ij} + U_{ij}} \right) \times S_i $

      式中:C为浅山区固碳量总和,Aijj类型植被第i个斑块地上部分单位面积固碳量,Si为斑块面积,Bijj类型植被第i个斑块地下部分单位面积固碳量,Uijj类型植被第i个斑块单位面积土壤固碳量,Si为第i个斑块面积。

      (3)通风潜力评估方法

      通风能力主要受到地形、地表粗糙度、建筑物高度、建筑物迎风面积密度等影响[23],其中地形为主要影响因素。利用北京市DEM数据生成北京市地形模型,使用Autodesk Ecotect Analysis软件,以3 m/s的西北方向的软轻风为预设值,对北京市通风环境进行模拟分析,得到北京市地形对于北京市上空风向和风速的影响,同时识别浅山区具有通风潜力的绿色空间。

      (4)水土保持评估方法

      径流系数是反映水土保持能力的重要指标,通过分辨率为30 m的Landsat遥感影像与资料查阅,以数字高程模型、降水量等数据为研究基础,以植被覆盖类型作为划分水文响应单元的基础,基于不同植被覆盖类型对研究范围内林冠截留量[24-25]、森林枯落物持水量[25-26]以及土壤持水量[27]进行计算,分析模拟降雨径流系数,得到研究区水土保持效益空间分布情况。公式如下:

      $ \begin{split} &{\text{径流量}} = \;{\text{年平均降雨量}} - \left( {{\text{森林冠层截留水量}} +} \right.\\[-2pt] &\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\left. {{\text{森林枯落物持水量}} + {\text{森林土壤蓄水量}}} \right)\\[-2pt] &{\text{径流系数}} = \; {\text{径流量}}/{\text{降雨量}} \end{split} $

      式中:年平均降雨量、森林冠层截留水量、森林枯落物持水量、森林土壤蓄水量的单位为m3

      (5)生物多样性保护评估方法

      加强生物多样性保护是提升绿色空间生态系统支撑服务的关键要素之一。鸟类能够在一定程度上代表生态系统的物种多样性和生态系统的健康程度[28]。生态位模型被广泛应用于入侵生物学、保护生物学、全球气候变化对物种分布的影响[29],其中MaxEnt模型应用最为广泛。基于最大熵原理,即在满足已知约束的条件下,选择最大熵模型(MaxEnt),利用物种分布数据和环境变量来推算物种的生态需求和模拟物种的潜在分布[30]。通过文献研究与分布名录得到鸟类物种分布数据,以GIS空间技术运用MaxEnt最大熵模型对区内鸟类生境适应性和其主要影响因子进行分析,预测鸟类适宜的栖息地分布。选取影响鸟类生境的环境因子[31],包括数字高程、坡度、归一化植被指数、距道路距离、距水体距离、距村庄距离和世界气候数据库worldclim中19个气象数据为环境因子,并对这些因子进行相关性分析,发现日均气温差值、温度季节变动、最冷季平均温度、坡度、高程、植被覆盖指数等因子相关性最高。利用最大熵模型模拟出浅山区鸟类潜在生境位置,进而分析出浅山区生物多样性重点绿色空间,通过对生物多样性重点绿色空间的保护,达到维持生物多样性的目标。表4是评价指标和阈值范围。

      表 4  评价指标与阈值范围

      Table 4.  Evaluation indicators and threshold range

      指标
      Index
      日均气温差值
      Daily mean temperature
      difference (Bio2)
      温度季节变动
      Seasonal variation of
      temperature (Bio4)
      最冷季平均温度
      Average temperature in
      the coldest season (Bio11)
      坡度
      Slope
      高程
      Altitude
      归一化植被指数Normalized difference vegetation index
      (NDVI)
      阈值 Threshold< 12.25 ℃< 1 157< − 2.2 ℃> 3°> 50 m> 0.43

      (6)游憩娱乐机会

      重点分析现状资源(高度、坡度、NDVI)和可达性(道路、沟域、建设用地)综合判断浅山区游憩潜力,进行浅山区游憩空间适宜性评价。基于最小阻力模型与最短时间的可达性评价方法,对平原区到浅山区游憩型绿色空间的可达性进行分别分析[32];结合北京市原有绿道规划,选择合适的位置对滨水绿道和郊野公园环绿道进行适当延伸,使沟域与游憩型绿色空间形成较好连接;最后,基于二者耦合分析与卫星遥感图叠加对其绿道选线进行补充,加强浅山与平原联动效应。结合北京市总体规划中的绿色空间结构规划,识别适宜性较高的游憩空间,最终核对保护地、建设用地、耕地等严格控制区的范围,选择大于50 hm2的集中区域作为适宜游憩空间,并依据山脊线、道路和建设用地、耕地对其边界进行修正和反馈,得到适宜的游憩空间分布。

    • 利用等级评价法根据标准差和均值将生态系统服务功能划分为重要、较重要、一般重要、较不重要、不重要5个等级[33],有利于避免趋中或严格的误差,更清晰地表现相同生态系统服务类型的纵向比较以及不同生态系统服务类型横向对比,为规划者提供较为明确的规划依据。

    • (1)绿色空间类型

      由于不同绿色空间的位置条件、植被状况、人为活动干扰等情况不同,其提供的生态系统服务效益有所差异。为了明确针对性保护不同区域提供的生态系统服务效益,根据以上分级评价结果,确定重要性区域特定的绿色空间类型。根据《北京城市总体规划(2016—2035年)》,结合不同绿色空间生态系统服务类型,本次研究将绿色空间类型划分为湿地公园、森林公园、郊野公园、城市公园、地质公园、风景名胜区以及生态保育绿地7种类型(表5)。

      表 5  关键绿色空间类型划分

      Table 5.  Classification of key green space types

      生态系统服务功能
      Ecosystem service function
      缓解热岛效应
      Mitigation of heat island effect
      固碳释氧
      Carbon fixation and oxygen release
      通风潜力
      Ventilation potential
      绿色空间类型
      Types of green space
      湿地公园、森林公园
      Wetland park, forest park
      湿地公园、森林公园
      Wetland park, forest park
      湿地公园、森林公园、郊野公园、城市公园
      Wetland park, forest park, country park,
      urban park
      生态系统服务功能
      Ecosystem service function
      生物多样性保护
      Biodiversity conservation
      水土保持
      Water and soil conservation
      休闲游憩
      Recreation
      绿色空间类型
      Types of green space
      生态保育绿地、湿地公园、森林公园
      Ecological conservation green space, wetland park, forest park
      生态保育绿地、湿地公园
      Ecological conservation green space, wetland park
      风景名胜区、森林公园、湿地公园、郊野公园、城市公园、地质公园
      Scenic spots, forest park, wetland park, country park, urban park, geological park

      (2)绿色空间的联系性

      根据景观生态学相关理论,不同景观要素组成的空间格局是影响其空间绩效的主要因素之一[34],生态系统服务功能价值和绿色空间作用与景观结构具有密切联系,通过构建生态廊道和绿道等景观组分来加强生态网络的空间联系,提升区域生态系统服务能力。

    • 从缓解热岛效应来看,浅山区地表温度明显低于平原,形成抑制平原热岛效应的冷岛环。市区以及平原与浅山交界地带由于城市建设与农业活动较为频繁,尤其是房山区、昌平区、密云区热岛效应最为突出(图2)。连三顶、小西山、蟒山−大杨山、密云水库等区域是现状重要的冷岛区域,千灵山、马家岭、丫鬟山、金海湖等区域热岛效应较为严重,是潜在的冷岛需求区域。通过对现状及潜在冷岛区域绿色空间进行保育和连接,形成浅山区冷岛环。从固碳释氧效益来看,整体上固碳释氧能力表现出由中心城区向深山区递减的规律;浅山区是平原区最近的固碳释氧源,固碳释氧能力较高的区域集中在房山区及蟒山、大杨山的森林区域,密云水库周边及平谷区的部分森林固碳释氧能力也较高,形成上方山−千灵山,蟒山−大杨山,唐指山−金海湖等几个重要的固碳释氧森林核心板块(图3)。从气候调节效益来看,形成了延庆−昌平−通州、密云−平谷两条较为明显的通风潜力廊道,风速较高且风向是从山区向城区,有助于促进污染物颗粒的扩散,减轻雾霾程度。昌平区和密云区的浅山区绿地是深山区冷风源输送向平原区的关键连接体,应在通风潜力高的地方进行绿色空间的保育和恢复,保护北京市楔形绿色空间,从而保证通风廊道的有效性(图4)。从水土保持效益来看,水土保持能力较好的绿色空间位于怀柔水库上游、平谷区错河、香山区域,是发挥水土资源作用关键的绿色空间,应以生态保育为主,限制开发活动;水土保持不重要的绿色空间位于拒马河区域、大石头河区域、怀沙河怀九河区域、潮白河区域,其中房山区拒马河和大石头河流域存在大面积水土流失,亟需采取生态修复措施(图5)。从生物多样性保护效益来看,密云水库周边是生境质量最高、面积最大、物种分布最为集中的区域。北沙河水系、永定河水系以及拒马河水系远离建设用地的区域生境质量也较好,是维持生态系统平衡的关键绿色空间,应以生态保育为主,提高生境数量与质量;拒马河、大石河水系、密云水库上游地区由于临近城市建设用地的交界区域,生境退化极为严重(图6),可见城市建设用地和耕地的扩张是造成生境退化最为关键的威胁源,需要采取生态修复措施,增加生境斑块面积,整合破碎的生境空间,建立生态廊道,提升绿色空间的连续性。从游憩娱乐机会效益来看,游憩适宜性较高的区域基本集中在可达性较高的山前区域,包括千灵山、阳台山、白羊沟等,可作为浅山区游憩绿地的补充(以及保护地体系中森林公园、地质公园等深山区游憩资源与城区郊野公园环之间的过渡空间(图7),具有很高的游憩建设潜力,可最终形成浅山区山前公园环。

      图  2  热岛分布

      Figure 2.  Distribution of heat island

      图  3  植被释氧量分布

      Figure 3.  Distribution of oxygen release from vegetation

      图  4  通风潜力分布

      Figure 4.  Ventilation potential distribution

      图  5  水土保持分布

      Figure 5.  Soil and water conservation distribution

      图  6  生境适宜性

      Figure 6.  Habitat suitability

      图  7  游憩空间适宜性

      Figure 7.  Suitability of recreational space

    • 根据不同区域提供的服务差异来确定绿色空间类型,尤其是在不同尺度上的不同用地类型区域根据主导功能需要突出不同的生态系统服务功能选择。

      缓解热岛效应以及固碳释氧能力主要取决于植被覆盖情况,森林与湿地是最为重要的氧源和碳源。因此,在缓解热岛效应、固碳释氧生态系统服务效益评价结果中重要性最高的区域,例如在植被覆盖较高、湿地条件较好、通风潜力较大的密云水库、小西山等重要的冷岛区域,适宜营建湿地或森林公园等绿色空间类型,充分发挥绿色空间气候调节、改善空气质量、降温增湿、滞尘净气等功能。

      生境重点保护区域多位于远离城市建设与人类活动、自然条件优越的区域。选择生境保护生态系统服务效益评价结果中重要性最高的区域,结合区域自身特点,例如北沙河、永定河区域、密云水库周边,以及在陆域范围内植被覆盖条件较好的区域,营建森林公园;在水域范围内,生物聚集的区域,如密云水库周边,营建湿地公园,并结合附近村庄的需求,发挥绿色空间生态、生活、生产3大功能。其他不适宜于人类过度影响的保育空间营建生态保育绿地,保障生物栖息地不受干扰,保持生物多样性。

      选取水土保持生态系统服务效益评价结果中重要性最高的区域作为关键空间,例如怀柔水库上游、平谷区错河等区域,营建生态保育绿地,提高水土保持能力。在水库周边、水系两侧按照“乔木林−灌丛−草地−挺水植物−沉水植物”格局建设岸边植被拦污缓冲带, 营建湿地公园, 强化绿色空间水质净化、水土保持的能力。

      游憩型关键空间主要根据其道路可达性、植被覆盖、高程坡度等决定。根据游憩适宜性生态系统服务效益评价结果,选择重要性最高的区域作为关键的游憩空间,例如千灵山、阳台山、白羊沟等区域游憩适宜性高,可结合其自身文化、生态、游览特点,划分为风景名胜区、森林公园、湿地公园、郊野公园、城市公园等不同类型,提高居民对城市绿色空间的认知、环境改善的支付意愿和完善建议等绿色空间社会文化服务功能。

    • (1)绿道体系优化

      绿道体系的完善与优化是加强绿色空间相互联通,促进生态景观格局结构优化,增加绿色空间完整性的有效策略。使同样面积的绿色空间提供更高的生态系统服务价值,加强浅山平原的有效联动,提供了一种全新的低碳、环保、健康、绿色的出行方式。结合北京市原有绿道规划,选择合适的位置对滨水绿道和郊野公园环绿道进行适当延伸,增加6条绿道连接平原和浅山区,共计195 km(表6图8)。

      表 6  新增绿道长度

      Table 6.  Length of the newly added greenway

      编号 No.123456
      长度 Length/km46713113758

      图  8  平原−浅山绿道联动

      Figure 8.  Plain-shallow mountain greenway linkage

      (2)生态廊道建设

      建立生态廊道是构建绿色空间网络生态规划的重要方法,建设具有保护栖息地完整性、保护物种多样性等多种生态服务功能的生态廊道是解决由城市扩张、人类活动引起的景观破碎化的重要方式。生态廊道的构建为陆生野生动物扩大活动范围提供了空间途径,从而增加了物种基因交流的机会, 有利于维持生物多样性[35]。通过上述生境质量分析,识别出北京市浅山区域人工干预较高、周边生境退化较严重的区域,尤其是山区与平原交界地带,在温泉镇、延寿镇、十三陵镇、峪口镇等村镇构建生态廊道,形成生境斑块之间的最佳连接,建立以目标动物保护为目的的线性绿色空间,加强绿色空间的联系(图9)。

      图  9  生态廊道连接区域

      Figure 9.  Ecological corridor connection areas

    • 在城市快速开发建设的背景下,基于生态系统服务的绿色空间规划的目标是使有限的绿色空间发挥最大效益的生态系统服务功能,缓解城市居民不断增长的绿色宜居需求与生态环境恶化之间的矛盾。本文通过总结大量的文献研究论证和实践思考,结合现有的研究成果,从生态系统服务的视角探索北京市浅山区绿色空间的理想规划体系的构建,得到以下结论:

      (1)根据浅山区现状资源条件,构建基于生态系统服务功能评估的指标体系是绿色空间规划框架的基础。北京市浅山区绿色空间以为城市居民提供多样的生态系统服务为主导,依托于丰富的自然资源,是由生态过程驱动下形成的社会−生态的复合空间类型。

      (2)根据浅山区生态系统服务功能评估结果,识别出关键绿色空间,并结合其主导资源类型、生态条件、文化游憩等内容,规划合适的绿色空间类型,充分发挥区域生态系统服务效益,是绿色空间规划框架的关键内容。保障基本农田,推动一般农田转化为绿色空间,在一定程度上对绿色空间格局优化具有重要的意义,同时农田也是提供供给服务的主要载体。对于区域而言,生态系统服务之间的相关关系更深刻地影响到规划结果的有效性。由于供给服务与其他服务类型存在一定的权衡效应,因此没有被纳入本次研究框架。如何协调和权衡不同生态系统服务之间的关系,最大限度保障综合效益的发挥,将会成为本研究的重要关注内容。

      (3)浅山区绿色空间规划体系兼顾生态保护与人的需求感受,构建生态廊道与游憩绿道网络体系,优化景观结构功能,是绿色空间规划框架的重点内容。避免采取一刀切的规划方法,强调以一种弹性的方式保护自然资源、规划绿色空间、改善人居环境,从而更好地为人类服务。

    • (1)有利于公园城市建设理念下绿色空间服务的落实 建设公园城市是新时代城市发展的新目标和新阶段,强调适应城市生态、人居环境发展形势和需求,体现人与自然和谐共生的绿色发展新理念[36],实现绿色空间的合理引导和局部质量提升,打造公共服务载体和支撑平台。在公园城市建设的理念下,构建基于生态系统服务的绿色空间框架,强调绿色空间的主要功能是为城市居民提供多种类型的服务,创造休憩游览、锻炼交流、绿色宜居生活的环境。优先考虑城市绿色空间,通过提供供给、支持、调节以及文化服务等多种生态系统服务类型和产品,来满足人民日益增长的对环境优美、生态适宜的人居环境的需求,推进绿色空间基本服务的均等化,落实绿色空间的生态系统服务价值功能,积极响应人民的需求,探索服务于城市和市民的复合功能的绿色空间体系。

      (2)形成自然资源管控方式下绿色空间统一协调规划的重要标准 党的十九大报告提出,“设立国有自然资源资产管理和自然生态监管机构;统一行使全民所有自然资源资产所有者职责,统一行使所有国土空间用途管制和生态保护修复职责,统一行使监管城乡各类污染排放和行政执法职责。” 整合各个相关部门职能,实现自然资源的统筹规划,这一改革举措是实现生态文明制度建设的关键与基础。自然资源部统一管控为绿色空间统筹规划提供了良好的机遇。构建基于生态系统服务的绿色空间规划框架,以空间资源配置为基础,体现区域绿色空间整体规划的思路,实施绿色空间生态系统服务功能定量评估,将不同类型绿色空间服务功能与价值空间化,有利于实现绿色空间生态系统服务效益最大化,构建符合功能的绿色空间规划体系,成为自然资源管控方式下绿色空间统一协调规划的重要标准。

参考文献 (36)

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