城市綠色空間的冷島效應(yīng)與土地存量調(diào)控研究進展*

陳燕紅 蔡芫鑌

(1.福州大學(xué)至誠學(xué)院，福建 福州 350002；2.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350116)

目前，中國的城鎮(zhèn)化水平已經(jīng)達到了前所未有的高度。據(jù)測算，中國的城鎮(zhèn)化率將從2015年的56.10%上升到2030年的70%。城鎮(zhèn)化在改變下墊面性質(zhì)的同時，也帶來一系列的熱環(huán)境問題。如何解決城市熱環(huán)境問題已引起國內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注，并逐步成為當前的研究熱點之一[1]。

城市綠色空間作為“山水林田湖草”的典型代表，是“生態(tài)文明”和“美麗中國”建設(shè)的綠色載體，它在緩解城市高溫?zé)崂朔矫姘缪葜鴺O其重要的角色，既表征了城市持續(xù)發(fā)展水平，又能有效規(guī)避城市無序發(fā)展，提高城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。城鎮(zhèn)化的進程也給城市綠色空間帶來了前所未有的影響與脅迫，使其成為一種稀缺環(huán)境資源，導(dǎo)致城市生態(tài)環(huán)境趨向惡化，嚴重制約了區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。只有通過對城市綠色空間存量進行定量分析，合理規(guī)劃，才能有效發(fā)揮城市綠色空間的生態(tài)服務(wù)功能[2]。因此，在十分有限的區(qū)域內(nèi)合理規(guī)劃與優(yōu)化城市綠色空間，對其存量進行有效調(diào)控，從而較好地緩解城市熱環(huán)境問題，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)宜居城市，具有十分重要的現(xiàn)實意義[3]。

本文從城市綠色空間內(nèi)涵與信息提取、冷島效應(yīng)分析和土地存量調(diào)控研究三個方面，對城市綠色空間的冷島效應(yīng)與土地存量調(diào)控研究展開綜述。

1 城市綠色空間內(nèi)涵與提取研究進展

1.1 城市綠色空間的內(nèi)涵

城市綠色空間屬于自然或半自然條件下的土地利用/覆蓋類型，是城市環(huán)境的基本組成要素之一，在保護城市生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮了重要作用。國內(nèi)外學(xué)者對城市綠色空間的內(nèi)涵理論研究從城市開放空間到開放綠色空間，最后才到城市綠色空間。但其準確的概念一直未明確，不同領(lǐng)域的研究學(xué)者對綠色空間的認識和定義也不盡相同。建筑規(guī)劃學(xué)者認為城市綠色空間是城市空間的組成部分，其內(nèi)涵等同于城市開放空間和城市開放綠色空間[4]。景觀建筑學(xué)者則將建設(shè)用地之外覆蓋植被的，能夠為周邊居民提供休閑娛樂，并能為維持生物多樣性和維護物種平衡提供生境的地方視為綠色空間，它既屬于城市地域空間，又具備多種社會性服務(wù)功能[5]。生態(tài)學(xué)領(lǐng)域?qū)W者則認同城市綠色空間是城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在提供各種生態(tài)服務(wù)功能的同時，還對城市地表熱環(huán)境具有一定的緩解作用，是城市綠色空間關(guān)鍵的資源載體之一，具體涵蓋城市中的綠色廊道、園林、濱水綠地、森林、農(nóng)業(yè)以及立體式的空間綠化等綠色空間網(wǎng)絡(luò)[3]。而地理學(xué)者則主要從地理空間分布的視角分析城市綠色空間的特征及其社會、經(jīng)濟和生態(tài)功能，認為城市中的農(nóng)林、園林等綠地和河流、濕地等用地類型均屬于城市綠色空間范疇。

1.2 城市綠色空間的提取

當前，關(guān)于綠色空間信息提取技術(shù)方面，遙感技術(shù)因其宏觀、實時、快速等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。從國外研究來看，眾多學(xué)者運用遙感手段提取城市綠色空間，并獲得了較好的結(jié)果。提取方法上，可劃分為植被指數(shù)、主成分分析、分類后對比、影像差值/比值、多時相復(fù)合和變換向量分析等方法。應(yīng)用案例上，大部分體現(xiàn)對大中城市綠色空間的監(jiān)測與提取[6]。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，主要針對大中城市綠色空間信息的提取。主要集中在以南京、上海、廣州和福州為案例，從宏觀和微觀相結(jié)合的角度，將遙感技術(shù)應(yīng)用于城市綠色空間。技術(shù)上則有卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遙感結(jié)合地面調(diào)查等，為城市綠色空間的調(diào)查提供了切實可行的新技術(shù)。

2 城市綠色空間冷島效應(yīng)研究進展

2.1 城市綠色空間的冷島效應(yīng)差異

眾所周知，城市綠色空間對城市熱島具有顯著的緩解作用。當前研究普遍聚焦于不同的城市綠色空間類型(如綠地、草地和水體等)所產(chǎn)生的冷島效應(yīng)及其影響等方面[5,7,8]。

從國外研究來看，Nichol通過對比不同綠色空間類型的地表溫度發(fā)現(xiàn)，綠地相較于其他用地類型具有最低的地表溫度，且與周邊不透水面的溫差高達1.5～2℃[9]。Decletbarreto等模擬不同情景發(fā)現(xiàn)，有冠層的植被對周圍的降溫和潛在降溫效果不同，最高溫差分別達到1.9 ℃和8.4 ℃[10]。Gioia等對比了植被、斑塊對地表溫度的影響發(fā)現(xiàn)，綠地面積與冷島效果成正比，與周邊溫差可達1.5～2.8 ℃[11]。Amani-Beni等通過分析林地和水體的冷島效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，二者能起到降溫作用的不透水面積比分別為6.51%和12.82%；且綠化率和冷島的距離對地表溫度均呈正效應(yīng)[12]。

從國內(nèi)研究來看，佟華等分析發(fā)現(xiàn)楔形綠地具有較好的降溫作用，且與地表風(fēng)速和綠地間距密切相關(guān)[13]。雷江麗等結(jié)合遙感影像反演地溫和實測地溫的方法，對比綠地斑塊的特征與冷島效應(yīng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)形狀指數(shù)的相關(guān)關(guān)系顯著高于周長和面積[14]。Sun和Chen分別以北京的水體為研究對象，分析發(fā)現(xiàn)水體的冷島強度最高可達5.84℃，其降溫最遠距離可達水體2500m[15]。濕地的冷島效應(yīng)方面，有學(xué)者開展了濕地的小氣候調(diào)節(jié)功能研究，試圖為緩解熱島效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。從全球尺度來看，雖然濕地的小氣候調(diào)節(jié)效應(yīng)功能具有一定的局地性，但已有研究發(fā)現(xiàn)大面積的濕地分布，將對全球氣候的變化起到較為顯著的作用[16]。

2.2 城市綠色空間冷島效應(yīng)的影響因素

當前，城市綠色空間冷島效應(yīng)的影響因素研究主要從綠色空間的內(nèi)部因素與外圍環(huán)境影響兩方面展開。

從國外研究來看，城市綠色空間冷島效應(yīng)的影響因素研究已獲得較多的成果，體現(xiàn)在綠地面積、植物群落結(jié)構(gòu)以及景觀格局的影響[7,10,17]。Decletbarreto等研究發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋以及不同的空間位置對其冷島效應(yīng)均具有一定的影響[10]。Gioia等發(fā)現(xiàn)，影響地表溫度大小的因素主要為植被種類和斑塊面積[11]。Tran等肯定了城市下墊面的景觀組成與變化會影響地溫[18]。Amani-Beni等探討北京奧林匹克森林公園的冷島效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，綠化率、綠色空間的面積占比以及與冷點的距離均是影響降溫能力的重要因素[12]。Muhammad等研究發(fā)現(xiàn)，景觀格局的組成比分布在決定區(qū)域地表溫度上更為重要[19]。

從國內(nèi)研究來看，多數(shù)研究集中在對公園綠地和水體的景觀格局指數(shù)和景觀配置方面。余兆武等從公園綠地的角度出發(fā)，指出綠地的面積、類型和配置等景觀格局指數(shù)均能對綠地的冷島產(chǎn)生正效應(yīng)[20]。Sun等人研究發(fā)現(xiàn)，水體的降溫強度與水體面積呈正相關(guān)[21]。余兆武綜合分析了藍綠空間冷島效應(yīng)的影響因素，關(guān)注點亦為形狀、面積占比和距離等景觀指數(shù)[20]。仇寬彪等明確了公園水體面積占比對地溫呈負相關(guān)作用，與不透水面積占比呈冪指數(shù)關(guān)系，而植被面積占比則表現(xiàn)出不顯著關(guān)系。

從國內(nèi)外城市綠色空間的冷島效應(yīng)研究進展可以看出，當前的研究重點主要集中在對城市綠色空間類型的變化及其所帶來的環(huán)境影響，未厘清綠色空間本身的演化特征及其對地表溫度變化產(chǎn)生的影響特性，從而無法獲得相應(yīng)的演化閾值及驅(qū)動機制。

3 城市土地存量調(diào)控研究進展

當前，普遍認為城市土地空間的存量調(diào)控是通過更新局部空間來優(yōu)化整體土地空間結(jié)構(gòu)功能，即如何使已有“色塊”變得更為合理[22-23]。

從國外研究來看，發(fā)達國家的成果較多。美國城市土地空間的存量調(diào)控始于1986年，先后出臺了《超級基金修訂與再授權(quán)法》等一系列新法律，并推出資金和稅收優(yōu)惠政策，推動棕地開發(fā)，成為土地存量規(guī)劃調(diào)控的成功范例。而英國城市土地空間的存量規(guī)劃始于變革，即中上層階級先向工薪階層社區(qū)遷入，后再從中心城區(qū)遷出[24]。日本1919年頒布的《城市規(guī)劃法》首次在法律層面上給予土地重劃的地位[25]。同時，國外學(xué)者還關(guān)注于城市下墊面土地利用/覆蓋變化及其優(yōu)化調(diào)控研究，以期實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。例如，有學(xué)者通過比對25年時間尺度的航拍照片，發(fā)現(xiàn)了樣地內(nèi)城鎮(zhèn)化擴展與綠色空間數(shù)量之間的關(guān)系，填補了該地區(qū)可持續(xù)性城市發(fā)展進程信息的空白[26]；也有學(xué)者通過構(gòu)建集約化空間，探討可持續(xù)發(fā)展的城市土地規(guī)劃調(diào)控的新模式[27-28]。

從國內(nèi)研究來看，由于國情、文化和社會背景與西方國家存在差異，不能照抄國外模式，而要積極探索符合我國國情的實踐新模式[29]，目前已經(jīng)取得了較多成果。具體表現(xiàn)在：從城市土地存量空間的影響和互促等角度，探究了城市化與土地規(guī)劃調(diào)控的關(guān)系[30]；從綜合全面的視角，討論了城市化和土地空間存量狀態(tài)的評價指標與測度方法[31-34]；從構(gòu)建土地存量指標體系角度，科學(xué)評估了中國各省城市化與土地存量狀態(tài)的協(xié)調(diào)程度[35]；從中國存量土地再開發(fā)的歷史和現(xiàn)狀出發(fā)，提出土地從增量擴張向存量調(diào)控的策略，以期為中國城市土地空間存量規(guī)劃設(shè)計與調(diào)控提供借鑒[36]。

綜上可知，城市綠色空間存量調(diào)控是土地存量調(diào)控中一個新的研究方向。然而，當前對城市綠色空間存量的基礎(chǔ)研究及其狀態(tài)的評估缺乏相應(yīng)的標準與借鑒，亟待后續(xù)結(jié)合實際深入探討。

4 現(xiàn)有研究存在的不足與展望

城市綠色空間的冷島效應(yīng)與土地存量調(diào)控研究不僅擴展了城市綠色空間動態(tài)演化的研究內(nèi)容，有效指導(dǎo)城市綠色空間存量調(diào)控建設(shè)，還能為同類研究和規(guī)劃實踐提供借鑒。但現(xiàn)有研究仍存在以下不足。

在城市綠色空間的信息提取方面，遙感影像是獲取長時間土地利用/覆蓋變化，預(yù)測未來動態(tài)變化的重要技術(shù)手段。而我國對城市綠色空間的研究大多集中于某一具體的綠色空間類型，較少從城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中綠色空間的類型、演化方式、演化過程等方面全局探討其對城市小氣候的影響，較難形成全面、完整的體系。

在城市綠色空間的冷島效應(yīng)方面，城市的水體、綠地、濕地等綠色空間均對城市熱島效應(yīng)具有一定的緩解和改善作用。然而，現(xiàn)有研究大多數(shù)圍繞定性評價城市下墊面不同土地利用/覆蓋類型的降溫作用，而針對不同城市綠色空間類型及其復(fù)雜的綜合演化所引起的冷島效應(yīng)差異的定量研究則較少。

在城市綠色空間冷島效應(yīng)的影響因素方面，城市綠色空間景觀格局指數(shù)與冷島效應(yīng)之間存在一定關(guān)系。通過對城市復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中的綠色空間景觀類型研究，能夠進一步表征城市地表熱環(huán)境的變化，更有效地應(yīng)對日益嚴重的城市熱島效應(yīng)。當前，對城市某一特定景觀類型冷島效應(yīng)的相關(guān)研究，國內(nèi)外尚處初探階段，仍需進行大量的分析與實證。

在城市土地存量調(diào)控研究方面，現(xiàn)有研究不僅深化了城市化發(fā)展過程中土地利用與存量調(diào)控的內(nèi)涵與認識，還為未來研究提供了較好的基礎(chǔ)。但是，城市化進程中受影響的城市綠色空間與城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)之間的復(fù)雜性和空間配置關(guān)系，以及如何從城市綠色空間可持續(xù)發(fā)展角度構(gòu)建土地規(guī)劃調(diào)控的指標體系，還需要作進一步研究。

今后，隨著科研手段和方法的不斷進步，基于多學(xué)科、多尺度、多角度系統(tǒng)研究城市綠色空間的時空動態(tài)演化規(guī)律及特征，探究城市綠色空間冷島效應(yīng)的特點，分析冷島效應(yīng)的影響因素以及定量閾值范圍，實證城市綠色空間存量調(diào)控，將是未來城市綠色空間研究的主要趨勢。