基于景感生態學的城市生態空間服務提升研究
——以北京市順義區為例

趙 萌,張雪琦,張永霖,賈天下,呂晨璨,吳 鋼,*

1 中國科學院生態環境研究中心 城市與區域生態國家重點實驗室,北京 1000852 中國科學院大學,北京 100049

隨著城市環境問題的出現和發展,人們對于城市環境品質的維持和提升越來越關注。滿足人類的基本需求同時維持和提升地球的生命支持系統,是可持續發展的本質[1]。中國共產黨第十八次全國代表大會報告提出要大力推進生態文明建設[2],而生態文明涉及到的兩個核心要素是生態系統服務和人類福祉[3]。城市生態空間是為城市提供生態系統服務,保障城市生態安全、提升居民生活質量的城市空間,城市生態空間的服務提升是城市治理的重要方向,關系著民生福祉與城市健康發展[4- 5]。

城市生態空間服務與居民福祉息息相關[6],已經有很多關于城市生態空間服務提升的研究,比如從城市土地利用變化與生物多樣性保護的角度研究城市生態網絡的構建和優化[7],基于對城市生態網絡的空間分析與評價提出城市生態空間的優化對策[8],城市生態空間的紅線管理[4],以及基于生態控制線管控城市生態空間規劃等[9]。總體來看,相關研究主要集中在以下三個方面：一、分析城市生態空間的時空變化特征,并提出空間格局優化建議；二、基于生態系統服務功能評價城市生態網絡,并提出優化對策；三、通過劃定城市生態保護紅線、生態控制線等,更加明確城市的生態功能分區。然而,過往研究多是從城市規劃發展和景觀生態學的視角出發,較少對城市中物理感知和心理認知的關注。隨著人們對人居環境質量關注度的提升[10],城市生態空間中人的感知以及城市生態空間對人的身心健康的影響越來越受到學者們的重視[6,11]。比如有學者從人口統計學特征對城市生態空間感知的影響因素和使用行為進行分析[12],以及對生態空間的感知效益研究,包括促進人們健康和幸福、增加與自然的聯系等[13-14]。

近年來,趙景柱等學者提出了景感生態學理論。景感生態學以可持續發展為目標,綜合考慮自然要素、物理感知、心理認知等相關因素,研究土地利用規劃、建設與管理,提倡在城市規劃過程中不僅關注城市空間的格局,也關注城市中的人的感受[15]。景感生態學與景感營造的目的不僅是要保持、改善和增加生態系統服務,更重要的是使人們在享有生態系統服務的同時自覺保持、改善、增加生態系統服務的“可持續發展意識及相關理念”。以景感生態學理論為基礎進行城市生態空間服務提升的研究,能擴展傳統景觀生態學的視野、理論和方法[16],為城市生態空間服務提升提供新的思路和方向。目前,已有些實踐在景感生態學理論的支撐下開展,并且取得了一定成果,如在北運河香河段生態環境治理項目中[17],基于景感生態學基本理論和方法對北運河香河段開展土地利用規劃與生態規劃,從物理感知的系統性、心理認知的整體性、物理感知與心理認知的交互性、不同文化差異以及營造過程的漸進性等多個層面出發,綜合搭建了一套針對北運河香河段的景感生態規劃范式[18-19]。石龍宇等基于景感生態學理論體系,以北京市通州區西集鎮為例,針對城鄉過渡帶開展了生態規劃的研究和實踐,構建了城鄉過渡帶的景感生態規劃的數據模型與環境物聯網系統[20]。

在景感生態學理論中,能引導或規范人們行為的目標叫做愿景,能夠承載某一或某些愿景的要素叫做載體[15]。愿景可以引導或規范人們的言行,從而促進和保障可持續發展的實現。在城市生態空間優化問題上,提升城市生態空間服務是一項重要愿景。綠地作為城市生態空間重要組成部分[21],是城市生態空間服務提升的重要載體。景感生態學強調對城市中物理感知和心理認知的關注,所以提升城市生態空間服務,不僅要關注城市生態空間的景觀格局,也要關注城市的視覺空間格局。城市視覺空間是人居環境中最重要的生態、出行、居住和休憩主體,一方面具有表征城市外觀和整體風貌的作用,另一方面提供了人與自然和諧共生的生態空間[22]。為了評估人們的視野中的綠色占比和人眼對綠色的感覺,青木于1987年首次提出了Green View的概念,定義其為行人視野中綠色植物的比例[23]。在隨后的研究證明了視覺綠化可以減輕人造建筑的負面視覺影響[24]。街道綠化也和公園數量與較高的步行幾率相關,步行行為受到街道綠視率的影響[25]。然而在城市中,綠樹成蔭的道路比較少,生態走廊也沒有很好地整合,使得道路的生態效益較低[26]。反映出在城市規劃建設中,融入景感生態學思想將更有利于城市生態系統服務功能的有效發揮。

順義區是首都的國門空港城區,既被視為首都居民休憩娛樂的生態用地,也需要為國事外交活動提供更多具有優美環境和文化品位。按照《北京城市總體規劃(2016—2035年)》,到2035年北京市要成為天藍、水清、森林環繞的生態城市。對順義區來講,加強淺山區生態環境保護,構建淺山休閑游憩帶十分重要。本研究以北京市順義區為研究對象,分析其生態空間景觀格局,使用街景數據量化該區視覺景觀品質,并在分析結果的基礎上提出針對性的提升城市生態空間服務的建議。在具體實踐中,鼓勵以景感生態學思想開展城市生態空間的規劃建設和管理,從而更加有效發揮城市生態空間服務,提高城市居民的滿意度,推動城市可持續發展。

1 研究區域概況

順義位于北京市東北郊,總面積1021km2。順義區地處燕山南麓,華北平原北端,屬潮白河沖積扇中下段。境內平均海拔35m。地貌類型自西向東劃分為平原、臺地、丘陵、山地。大致可分為海拔高程大于100m的淺山區,高程在50—100m的山前坡崗區,以及海拔高程低于50m的廣大平原區。順義區全境屬溫帶大陸性半濕潤季風氣候,多年平均氣溫為12.7℃,多年平均降水量為550.12mm。距北京市中心約30km。常住人口數為112.8萬人,是港城融合的國際航空中心核心區,也是城鄉協調的首都和諧宜居示范區。順義區的區位如圖1所示。

2 研究方法

2.1 數據來源

本研究用于空間景觀格局分析的數據源是順義區2016年土地利用現狀的矢量文件,依據實際情況和相關土地利用類型分類標準[27]對順義區土地利用類型進行了重分類,并以10m為分辨率將土地利用數據類型轉化為柵格數據；用于視覺空間格局量化的數據源是騰訊街景圖片。

2.2 生態空間景觀格局的分析

城市生態空間包括城市綠地、城市森林、農用地、未利用地和水域等土地利用類型,從概念上等同于廣義的城市生態用地[6]。生態用地承擔著支撐一個區域生態空間、維護生態安全的使命,對提供生態系統服務具有關鍵的、不可替代的作用[28]。保留一定的生態用地對于維護區域生態安全和生物多樣性、改善人居環境質量、促進區域可持續發展具有重要意義。生態用地的過度開發將導致生態系統結構改變、生物多樣性減少、生態服務下降等災難性后果,從而影響人們的視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺等物理感知。在景感生態學理論中,物理感知與心理認知具有交互性[16],因此生態用地的景觀格局會通過影響生態系統中人們的物理感知而影響到人們的心理認知。本研究從順義區生態用地入手,分析順義區現有生態用地的景觀格局和特征。本研究結合順義區土地利用類型特征,參考《土地利用現狀分類》的土地利用類型分類標準[27],制定了順義區土地利用類型說明表(表1)。其中森林、草地、濕地、農田分類為順義區的生態用地。

表1 順義區土地利用類型歸類表

對于景觀空間格局的分析,在景觀指標的選取上既要有非空間景觀指標,也要有空間景觀指標,才能有全面的描述城市生態空間的變化特征[29-30]。在空間景觀指標的選取上應至少包含三個方面：景觀個體單元的特征、景觀組分空間構型特征以及景觀整體多樣性特征[31]。根據各景觀指數的含義,結合對順義區景觀格局分析的需要,本文共選取4個非空間景觀指標：斑塊類型面積(CA)、斑塊類型面積百分比(PLAND)、斑塊類型數量(NP)、斑塊密度(PD)和7個空間景觀指標：最大斑塊指數(LPI)代表景觀個體單元特征；散布與并列指標(IJI)、蔓延度(CONTAG)、景觀形狀指數(LSI)、景觀分離度(DIVISION)代表景觀組分空間構型；香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻度指標(SHEI)表征景觀整體多樣性特征。各指標的計算方法及意義如表2所示。各景觀指標通過Fragstats景觀分析軟件進行計算。

表2 各景觀指標的計算原理及研究意義

2.3 視覺空間格局的量化

視覺美感是景感生態學注重的方面之一,美學感受與心理認知具有交互作用,提高視覺美感有助于人們的心理感受。綠視率指的是行人正常視野范圍內所接觸到的綠色植被所占的圖像的比例。近年來的研究表明,綠視率對提高城市居民生態環境品質具有重要作用。綠視率即行人正常視野面積中綠化面積所占比例,反映了行人對周圍綠色環境的感知程度[34]。本研究中,對研究區全境范圍內的街景影像進行了采樣分析,道路采樣點間距為100m,使得可以用綠視率采樣點頻數指代具有該綠視率水平的道路長度。

具體步驟為：

(1)簡化順義區的城市道路網絡并以100m間距采樣。

(2)采用URL請求的方式對騰訊街景服務器的圖像進行調用,根據樣點的地理坐標獲取樣點的全景圖片。

(3)從全景圖片中提取綠色植被。作者開發了綠色植被閾值分割算法,對圖像中的植被斑塊進行自動化解譯[22],在MATLAB軟件中自動提取綠色植被的多邊形。

(4)計算GVI

式中,Areag_i是通過圖像分割算法在方向i上提取的綠色植被的像素總數。Areat_i是方向i上整個圖片的總像素數。參數m是在水平面上面向不同方向的圖片數。

圖2 順義區土地利用類型圖Fig.2 Map of land use types in Shunyi district

3 研究結果

3.1 順義區生態空間景觀格局分析

根據本研究建立的土地利用類型歸類標準(表1),順義區土地利用類型如圖2所示。結果表明,順義區包含農田、森林、草地、濕地和聚落共5種生態系統用地類型,比例分別為35%,21%,2%,7%和35%,以森林、草地、農田、濕地為主的生態用地的比重達到了65%,充分表現了順義區生態用地比例較大的特點,由此派生出的生態空間也更具優勢。

將順義區土地利用數據轉化為10m分辨率的柵格數據,在Fragstats中計算的各景觀指標的結果如表3、表4所示。

從表3可以看出,斑塊類型總面積(CA)與斑塊所占景觀面積比例(PLAND)最大的為農田,但農田的斑塊密度(PD)較小,說明農田在順義區內具有較高的連通性和大面積聚集的特征,順義區的農業用地趨于主導地位。其次為聚落,且聚落的斑塊所占景觀面積比例(PLAND)、斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊占景觀面積比例(LPI)都明顯大于其他景觀類型,代表聚落在研究區內占絕對優勢,其連接性、完整性比其他景觀類型好。景觀形狀指數(LSI)最大的為濕地,說明順義區內濕地的形狀最不規則。森林的最大斑塊面積百分比(LPI)占到3.03%,濕地占到1.13%,相對比較破碎。而聚落的LPI達到了28.63,結合圖2可以看出在首都機場附近出現了大斑塊的聚落,機場周圍的森林、綠地較少。

在表4中,順義區的香農多樣性指數(SHDI)及香農均勻度指數(SHEI)值分別為1.13、0.82,代表順義區的景觀類型分布比較均勻,所占的總體面積比例較為平衡,不存在個別景觀類型主導整個區域景觀格局的現象,為該地區生物類型的穩定性創造了良好條件。散布與并列指標(IJI)為87.07,數值較高,說明各種類型的斑塊聚集程度較高；景觀形狀指數(LSI)為119.23,景觀的分離度(DIVISION)為0.92,表明研究區內的景觀形狀較為規則,有利于景觀的利用和管理,為進一步提高順義區的生態環境提供了很好的基礎。

表3 順義區各土地利用類型的景觀指標計算結果

表4 順義區景觀水平指標計算結果

圖3 順義區綠視率的計算結果Fig.3 Calculation result of green view index in Shunyi district

3.2 順義區視覺空間格局分析

順義區綠視率的計算結果如圖3,根據圖3可以看出,順義區境內部分等級的道路綠視率相對較低,具有較大的提升空間。如高速公路,較低等級的道路多具有較高的綠視率,縣域道路綠視率空間分布不均衡,區中心地區的道路綠視率普遍偏低,大多處于中等以下水平(綠視率小于0.35),而東部和西部區域道路擁有較高的綠視率,大多處于中等以上水平。將綠視率位于(0, 0.15]、(0.15, 0.25]、(0.25, 0.35]、(0.35, 0.5]、(0.5, 1]區間內的道路分別劃分為高、較高、中、較低、低5個等級,對應的路段長度分別占道路總長度的20%、17%、22%、22%、19%,具有中等以下綠視率的路段長度占比近60%,具有中等以上水平尤其是較高水平(郁閉度較高的林蔭路)綠視率路段較少。

4 討論

在景感生態學中,能引導或規范人們行為的目標叫做愿景,能夠承載某一或某些愿景的要素叫做載體,構思和構筑景感的整個過程稱為景感營造。景感營造的目的是保持、改善和提升“可持續發展意識及其相關理念”的生態系統服務[16]。城市設計者通過景感營造的方式將愿景融入城市中的景感載體,實現設計者與人們之間的共鳴,從而引導人們在享用生態系統服務的同時主動地去保持、改善和提升生態系統服務,這是景感生態學中愿景的雙向性。景感營造的方式主要有3種：一是借助已有載體,把愿景融入其中使其成為景感；二是根據愿景需要改造已有載體并將愿景融入其中,使其成為景感。三是新構建載體。在景感營造的過程中,為了提升綜合滿意度,需要使用以優化模型為中心思想的趨善化模型[3]。景感營造是一個連續的不斷完善的過程,趨善化模型體現了這個過程中的調控和趨善,通過愿景和約束條件的相互協同與調控,進而實現目標的不斷完善[15]。在城市生態空間服務提升的總目標中,重點是提高城市生態空間分布的公平性、加強現有城市生態空間的治理、重視生態空間感知、圍繞提升居民福祉、實現生態系統服務及生態系統管理的有機結合等[6,35- 37]。本研究以順義區城市生態空間為載體,分析了生態空間景觀格局優化、視覺空間格局優化、生態空間科學規劃及管控、生態系統服務綜合提升4個核心愿景,并基于這4個愿景提出了針對性的景感營造措施。基于景感生態學的順義區城市生態空間服務提升概念圖如圖4所示。

圖4 基于景感生態學的順義區城市生態空間服務提升概念圖Fig.4 Conceptual diagram of urban ecological space service improvement in Shunyi District based on landsenses ecology

4.1 生態空間景觀格局優化建議

順義區的綠色生態空間主要分布在東北部的淺山區和潮白河沿線,而人口較為密集的西南部地區的生態空間分布較為破碎和稀少。一方面,繼續加強淺山區生態環境保護,構建淺山和潮白河沿線的休閑游憩帶,有助于發揮順義區的文化服務功能；另一方面,也應注重考慮生態空間較少的城區中心地區的生態空間分布,如豐富綠化形式,設計植物配置、增加立體綠化、停車場綠化等方式,將居民社區與綠地景觀有機融合,因地制宜突出景感特色,表現順義的特色自然風貌。從整體上看,森林、草地、農田、濕地四種生態空間中,農田占比超過53%。農田是北京本土文化的重要載體[38],有綠化環境、改善城市生態系統、綠色隔離帶的功能[39],既要加強對農田的管理,促進小型耕地斑塊連接成片,也要發展農家餐飲娛樂、采摘農業等,營造農業景觀,充分發揮農田生態功能,提升順義區生態空間服務。

4.2 視覺空間格局的優化建議

在景感生態學中,物理感知與心理認知具有交互性,二者相互影響,相互促進。綠視率作為評估人居環境視覺感知的指標,屬于景感生態學中的物理感知。綠視率的改善可以降低負面情緒、緩解壓力、提升記憶力等,從而影響到人們的心理感受[40]。由順義區主要道路綠視率分析結果可以看出,順義區城區中心地區,尤其是東六環和京沈路以西、右堤路和左堤路以東、外環路以北、白馬路和昌金路以南區域呈現沿潮白河帶走向的道路綠視率連片較低狀態,是重點關注區域。建議對順義區主要道路綠視率低聚集區進行整體改造和生態功能提升。比如在綠視率連片較低的路段補植行道樹,提升街道綠化質量。通過“見縫插綠”式的地面綠化、圍墻綠化等微綠地景感營造途徑,以及鼓勵建設喬木林蔭道,改善綠色廊道格局。同時可以營造一些視覺人文景觀,如結合當地的傳統文化設計順義符號、景觀雕塑以及視覺軸線等,增強文化認同和場景覺察,提升順義區視覺空間景感品質,提升順義區生態空間休閑游憩服務。

4.3 生態空間科學規劃及管控建議

景感營造追求一種趨善化狀態,清晰的城市生態空間規劃及管控將有助于實現這種趨善化。要維護和提升現有順義區生態紅線的法律地位和紅線內生態系統的質量,確保生態保護紅線落地準確、邊界清晰,并落實生態保護紅線監管、評價、考核細則,讓受到保護的生態空間服務大幅提升。以景感營造的時空多尺度性原則和漸進性原則為參考,實現城市生態空間的生態結構的耦合以及生態功能的進化[4]。生態保護紅線的實質是生態環境安全底線,被納入區域將禁止進行工業化和城鎮化開發,從而有效保護生物多樣性,維護重要生態系統服務。通過增加長期或季節性干涸河床的植被覆蓋度,保護森林公園、濕地等重要斑塊的完整性,注重泉、瀑、蛙等自然聲景觀構筑,提升居民身心感受,進一步拓展生態環境發展空間,以及建設和培育穩定高效的近自然生態系統等措施提高城市生態空間服務價值。

4.4 生態系統服務綜合提升建議

通過借助載體、改造載體和新建載體的方式提高生態系統服務,實現城市生態空間的可持續發展。注重城市生物多樣性保護,盡量保留河道兩側現有植被,補種鄉土樹種,合理搭配喬灌草,營造多樣的植物群落結構；通過沿岸林地、濕地構建水陸共生的復合生境,營造生物棲息地；同時可設置觀鳥墻、濕地自然學校等提升自然科普教育功能,增加現場體驗設計、親水設計等。提高淺山郊野公園和漢石橋濕地等棲息地保護。提高景觀多樣性,構筑生態廊道。順義區的生態廊道多為人工廊道和人工-自然復合廊道,可以考慮增加自然的成分,如增加或增寬沿道路綠化林帶,或者建造生物涵洞,以提高生態系統連通性,降低對生態系統的干擾。注重河流岸線保護和河流沿岸緩沖區構建,在河岸旁營造夜景照明景觀和修建慢行步道,提升居民福祉。

5 結論

景感生態學不僅強調自然要素也強調人本尺度下的物理感知,本研究以順義區為例,分析了順義區的生態空間景觀格局,也人本尺度對城市綠色空間視覺感知的角度出發分析了順義區主要道路的綠視率。倡導利用景感營造的方式優化生態空間景觀格局、改善綠色道路上的綠色元素、合理規劃和管控生態空間、構建淺山和潮白河沿線休憩帶,從而更好發揮城市生態系統服務功能。

總體而言,面對需要承接中心城區適宜功能的新定位,順義區必須提升本區域生態系統服務能力、充分挖掘生態資源潛力。秉持綜合性、自然性、協調性和經濟性原則,遵循景感生態學的思想,因地制宜地采用生態技術和綠色發展手段進行生態恢復、修復或重建,提高生態系統管理水平,增強生態休閑吸引和承載能力,尤其要重視順義區生態系統的調節和文化服務功能,努力形成源頭有效預防、過程科學控制、損害必須賠償、責任必須追究的生態文明制度體系。