西安市街區尺度綠色空間景觀連接度距離閾值的梯度分析

曹 朔

劉 暉*

陳 宇

許博文

在城市發展及建設模式影響下，城市綠色空間呈現的破碎化空間格局對種群豐度、物種遺傳變異和物種豐富度產生負面影響[1]。提升生境連通性可有效緩解相關負面影響，對維持生物多樣性和生態系統健康發揮重要作用[2-3]。

城市綠色空間體系中生境斑塊之間的連通性通過景觀連接度(landscape connectivity)進行量度。Taylor等[4]將景觀連接度定義為景觀促進或阻礙物種在生境斑塊間移動的程度，包括結構連接度(structural connectivity)和功能連接度(functional connectivity)2個維度[5]。景觀功能連接度受景觀空間結構特征和物種行為特征的共同影響，相比景觀結構連接度[6]，能夠更好地表征物種在景觀空間中的擴散和生存能力[7-8]。景觀連接度的衡量指標是綠色空間體系中不同生境斑塊間的距離呈現出的數值區間，稱為景觀連接度距離閾值(landscape connectivity distance threshold)[9]。對某一城市綠色空間體系而言，其適宜距離閾值應綜合其空間尺度、空間結構和物種擴散運動能力3個方面進行確定[10-11]。

目前，景觀連接度的相關研究與應用主要集中在市域及區域等較為宏觀的空間尺度上，主要服務于市、區(縣)級土地利用規劃和建設的決策[12]。如Levin等[13]基于景觀連接度及最小耗費距離模型，評估了以色列全域尺度綠色空間景觀連通性差異；陳泓宇等[14]基于MSPA-InVEST模型對北京中心城區綠色空間進行了生境網絡優化研究，將其距離閾值設定為500m；熊春妮等[15]設定了0.5、1、2、4、8、12km 6個距離閾值，評估了重慶市綠地系統結構的景觀連接度。城市綠色空間體系具有空間層級性和系統性[16]，城市街區尺度的綠色空間系統是聯系城市整體區域和場地綠化之間的重要層級。場地綠化是城市生態系統的最小生境單元(biotope)，保證其與宏觀尺度生態空間的功能連接是提升城市生物多樣性、保障城市生態系統健康的基礎。因此，探究適宜街區尺度綠色空間的景觀連接度距離閾值對于城市設計實踐中綠色空間的配置決策具有指導意義。

1 城市街區綠色空間與指示物種擴散運動的空間尺度匹配性

城市街區綠色空間的尺度特征在規劃設計層面依據人的需求而形成。為更好地發揮適宜街區綠色空間的生物多樣性保護功能，提升其生境連通性，還需選擇適宜其空間尺度特征的指示物種。

1.1 城市街區綠色空間的尺度特征

城市街區綠色空間體系調控以城市中所有可以被識別的植被覆蓋區域為對象，更加關注場地生境及其動植物群落的空間匹配性與連通性所形成的生態系統[17]。人的社會需求是街區綠色空間結構特征形成的主導因素，其規劃依據主要是社區生活圈和城市綠道的控制性指標體系。15min步行距離(800～1000m)是基本社區生活圈的尺度范圍，涵蓋多個完整街區，包含相對完整的生態、經濟和文化空間要素。因此，半徑1km的外切正方形，即2km×2km尺度的研究樣方，可作為分析城市形態結構、城市功能和城市管理等內容的基本研究樣方[17]。在該尺度下，以百米級距離閾值討論綠色空間景觀連接度，對進一步優化調控街區綠色空間體系具有參考意義。

1.2 城市街區綠色空間適宜指示物種選擇

指示物種可以是植物或動物，選擇時應考慮物種擴散距離與綠色空間單元的尺度匹配性。研究表明，不同物種的擴散距離存在巨大差異。其中，鳥類擴散距離可從幾百米(浙江烏巖嶺保護區黃腹角雉的最大擴散距離約為3km，在生境斑塊之間的適宜擴散距離為500m以內[18])到數十千米(雄性蒼鷹平均擴散距離為32km[19])；哺乳動物擴散距離通常在數百米(普通田鼠最大擴散距離約為200m)到數千米(雄性和雌性狐的平均擴散距離分別為8.6和4.9km)[20]；昆蟲擴散距離，尤其是高效率傳粉距離，通常在50～150m[20-21]；植物種子、果實、孢粉或幼苗等繁殖體借助風力或動物攜帶進行擴散和傳播的距離一般為數百米[22]?；诔鞘猩锒鄻有员Ｗo的實用性，本研究僅關注動物物種生命周期中覓食、傳粉等資源獲取與傳播的擴散運動行為(movement/dispersal)，不包括物種極限運動距離和長距離遷徙行為(migration)[23]。

綜上，街區尺度綠色空間景觀連通性評價選用更小擴散距離的昆蟲作為指示物種具有更高的空間尺度匹配性，可兼顧更多物種的生存需求。綜合考慮昆蟲作為城市生態系統中食物鏈、植物種群繁衍等重要能量與物質循環的參與者，對城市生物多樣性和生態系統健康具有積極作用，因此本研究選取昆蟲作為指示物種。

2 數據處理與研究方法

2.1 研究對象概況與數據預處理

研究范圍為西安市建成區，包括西安市主城區及西咸新區灃西新城，面積約700.69km2。西安南部秦嶺山地野生動植物資源豐富，為中國種子植物的重要“基因庫”之一，現有準確記錄的秦嶺昆蟲共421科4171屬9905種，是我國重要的昆蟲資源庫。

采用西安市GF-2遙感影像(分辨率：亞米級，成像時間：2020-03-31)作為基礎數據。以2km×2km尺度研究樣方，對西安市建成區進行覆蓋劃分，通過聚類分析歸納出單核心放射型、多核心散布型、散點分布型和廊道穿越型4種城市街區綠色空間典型結構模式[17]。分別選取4種典型城市街區綠色空間為研究對象，結合實地調研細化提取綠色空間斑塊分布。通過綠色空間占比分析可知，4個典型研究樣方中的綠色空間面積占比為9.85%～32.18%，可體現普遍的城市綠地率特征(參照《2021年城市建設統計年鑒》，西北6省省會城市綠地率為28.54%～41.16%)。

2.2 景觀連接度分析工具與方法

Conefor是一款基于土地利用類型空間結構圖、斑塊生境適宜性及可達性，計算生境斑塊是否建立鏈接，并量化不同鏈接情景下景觀連通性狀態的工具包。輸入可利用生境柵格數據和距離閾值等參數，可計算得到表征景觀連接度的整體連通性指數(IIC)和可能連通性指數(PC)等指標。本研究基于生境可利用性觀點，將樣方內所有綠色空間作為昆蟲可利用生境斑塊，建筑、道路、鋪裝等非綠色空間作為環境背景；基于昆蟲50～150m的基本擴散距離，設定25、50、75、100、125、150、175、200m 8個距離閾值梯度，計算西安市街區綠色空間在不同距離閾值的連接度指數并分析各綠色空間斑塊的重要性。通過對比分析各距離閾值所體現的連通性特征，篩選出適宜城市街區尺度綠色空間的景觀連接度距離閾值。

2.3 景觀連接度指標與算法

2.3.1 斑塊間的鏈接數量(Number of Links，NL)

指研究區域內斑塊間建立鏈接的數量。當2個斑塊間的距離小于設定閾值時，即建立鏈接。

2.3.2 組分數量(Number of Components，NC)

建立鏈接的斑塊為一組，稱為組分，不同組分間不存在鏈接，單個孤立斑塊單為一個組分。

2.3.3 景觀重合概率(Landscape Coincidence Probability，LCP)

指研究區域內隨機選擇2個斑塊屬于相同組分的概率。

式中，Ci為組分i的面積(隸屬于組分i的所有斑塊面積之和)；AL為所有斑塊的總面積。

2.3.4 整體連通性指數(Integral Index of Connectivity，IIC)

式中，ai和aj分別為斑塊i和j的面積；nlij為斑塊i與斑塊j間最短路徑鏈接數；為研究區域總面積(包括生境斑塊和非生境斑塊)。0≤IIC≤1，IIC=0時，表示所有斑塊間無鏈接；IIC=1時，表示所有生境斑塊連為一個整體。

2.3.5 可能連通性指數(Probability Index of Connectivity，PC)

指在現有生境斑塊和鏈接狀態下，隨機置入2個動物相遇的概率，0＜PC＜1。

NL、NC、LCP、IIC指數基于二進制模型計算，默認2個斑塊只有鏈接或不鏈接2種情景。若斑塊間距小于或等于距離閾值，則斑塊連通，否則不連通。PC指數基于可能性模型計算，指斑塊間連通的可能性，與斑塊間距呈負相關。為保證與二進制模型計算結果的可比性，當斑塊間距等于設置距離閾值時，斑塊連通可能性設為0.5。

2.4 重要斑塊的選取

斑塊重要值(dI)指某一斑塊對景觀保持連通的重要性。NL、NC、LCP、IIC指數既可以反映景觀連通性，也可以計算斑塊重要值。

式中，I為某一景觀的連接度指數；Iremove為將斑塊i從該景觀中剔除后的連接度指數。

3 結果與分析

3.1 西安市街區綠色空間景觀連接度分析

西安市各類型街區綠色空間單元在不同距離閾值下的連接度指數特征如表1～4所示。NL值隨距離閾值增加而增大，表明距離閾值越大，景觀中任意2個斑塊越容易建立鏈接；NC值隨距離閾值的增加而減小，當NC值減小到1時，表明所有斑塊建立鏈接，形成同一組分；LCP值隨距離閾值增加而增大，表明任意2個斑塊隸屬于同一組分的概率增加，當距離閾值達到一定數值時會趨于穩定；IIC值和PC值可以較好地體現斑塊間的實際連通性情況，會隨距離閾值增加而增大，但不會隨NC值和LCP值的穩定而停止改變。研究結果表明，單核心放射型、多核心散布型、散點分布型和廊道穿越型街區單元的景觀連接度距離閾值分別在200、175、100、125m時NC值等于1，且LCP值保持穩定，所有斑塊連通為一體。

表2 多核心散布型街區單元不同距離閾值時連接度指數值

表3 散點分布型街區單元不同距離閾值時連接度指數值

表4 廊道穿越型街區單元不同距離閾值時連接度指數值

3.2 西安市街區綠色空間景觀連接度距離閾值的選擇

3.2.1 建立鏈接的斑塊數量和面積與距離閾值的關系

隨著距離閾值的增加，建立鏈接的斑塊數量和面積均會逐漸增加(圖1)，4個樣方單元中建立鏈接的斑塊數量和面積與距離閾值的關系如下。

圖1 不同距離閾值下西安市街區綠色空間建立鏈接的斑塊數量和面積

1)單核心放射型街區單元：25m閾值時，有284個綠色空間斑塊建立鏈接，占全部斑塊數量的87%，鏈接斑塊總面積873053.89m2，占全部斑塊總面積的94.7%；150m閾值時，有326個斑塊建立鏈接，占比99.6%，鏈接斑塊總面積918103.82m2，占比99.6%；175m閾值時，所有斑塊均建立鏈接，無孤立斑塊。

2)多核心散布型街區單元：25m閾值時，有441個綠色空間斑塊建立鏈接，占全部斑塊數量的93%，鏈接斑塊總面積812455.02m2，占全部斑塊總面積的96.1%；50m閾值時，有469個斑塊建立鏈接，占比99.4%，鏈接斑塊總面積843120.8m2，占比99.8%；75m閾值時，所有斑塊均建立鏈接，無孤立斑塊。

3)散點分布型街區單元：25m閾值時，有327個綠色空間斑塊建立鏈接，占全部斑塊數量的89%，鏈接斑塊總面積791959.75m2，占全部斑塊總面積的95.7%；75m閾值時，有367個斑塊建立鏈接，占比99.7%，鏈接斑塊總面積827777.36m2，占比99.9%；100m閾值時，所有斑塊均建立鏈接，無孤立斑塊。

4)廊道穿越型街區單元：25m閾值時，有447個綠色空間斑塊建立鏈接，占全部斑塊數量的95%，鏈接斑塊總面積994515.9m2，占全部斑塊總面積的96.9%；100m閾值時，有472個斑塊建立鏈接，占比99.8%，鏈接斑塊總面積1025304.6m2，占比99.9%；125m閾值時，所有斑塊均建立鏈接，無孤立斑塊。

3.2.2 斑塊面積的重要值與距離閾值的關系

如圖2所示，距離閾值較小時，斑塊重要值不易體現，隨距離閾值的增加，斑塊重要值隨之加大。當距離閾值較大時，僅有大面積斑塊的重要性得以體現，小面積斑塊的重要性只有在一定距離閾值范圍內會才有體現。綜上，小面積斑塊的重要性相較于大面積斑塊更難發現，因此，關鍵性小面積斑塊的發掘，可以為街區尺度綠色空間連通性優化提供參考依據。

圖2 不同距離閾值時單個斑塊面積與該斑塊重要值的分布

單核心放射型和多核心散布型街區單元中，距離閾值在25～150m時，小面積和大面積斑塊的重要值均可體現；距離閾值為125m時，小面積斑塊的重要值體現得較為明顯；距離閾值在150m以上時，僅有大面積斑塊體現出顯著重要性。因此，這2類街區單元綠色空間在125m距離閾值能較好地反映關鍵斑塊的重要性。

散點分布型街區單元中，距離閾值在50～125m時，小面積和大面積斑塊的重要值均可體現；距離閾值為100m時，小面積斑塊的重要值體現得較為明顯；距離閾值在125m以上時，僅有大面積斑塊體現出顯著重要性。因此，散點分布型街區單元綠色空間在100m距離閾值能較好地反映關鍵斑塊的重要性。

廊道穿越型街區單元中，距離閾值在25～75m時，小面積和大面積斑塊的重要值均可體現；距離閾值為50m時，小面積斑塊的重要值體現得較為明顯；距離閾值在75m以上時，僅有大面積斑塊體現出顯著重要性。因此，廊道穿越型街區單元綠色空間在50m距離閾值能較好地反映關鍵斑塊的重要性。

3.2.3 組分數和最大組分中的斑塊數與距離閾值的關系

在西安市街區綠色空間連通性分析中，距離閾值越大，組分數越少，最大組分中的斑塊數越多(圖3)。為更清晰地展示連通斑塊的分布情況，對各樣方不同距離閾值時的組分數及其分布進行圖式表達(圖4～7)。

圖4 單核心放射型街區單元不同距離閾值時NC組分與連通斑塊的分布

圖5 多核心散布型街區單元不同距離閾值時NC組分與連通斑塊的分布

圖6 散點分布型街區單元不同距離閾值時NC組分與連通斑塊的分布

圖7 廊道穿越型街區單元不同距離閾值時NC組分與連通斑塊的分布

單核心放射型街區單元中，25m閾值時，綠色空間連通為75個組分，最大組分斑塊數量125個，占斑塊總數的38.23%，面積613465.54m2，占斑塊總面積的66.57%，面積最大的5個組分斑塊總數為177個，占斑塊總數的54.13%，面積748709.66m2，占斑塊總面積的81.24%，此時在327個綠色空間斑塊中，仍有較多獨立斑塊，呈現破碎化，表明連通性較差。100m閾值時，綠色空間連通為6個組分，最大組分斑塊數量310個，占斑塊總數的94.8%，面積894670.05m2，占斑塊總面積的94.65%。175m閾值時，綠色空間連通為2個組分，最大組分斑塊數量325個，占斑塊總數的99.39%，面積920710.78m2，占斑塊總面積的99.9%。閾值為200m時，組分數為1，最大組分斑塊數為327個，即達到了全部連通的情況，表明200m為單核心散布型街區單元綠色空間景觀連接度的最大距離閾值，＜200m為適宜距離閾值。

多核心散布型街區單元中，25m閾值時，綠色空間連通為52個組分，最大組分斑塊數量308個，占斑塊總數的65.25%，面積633046.45m2，占斑塊總面積的74.9%，面積最大的5個組分斑塊總數為378個，占斑塊總數的80.08%，面積743016.32m2，占斑塊總面積的87.92%，此時在472個綠色空間斑塊中，仍有較多獨立斑塊，表明連通性較差。75～150m閾值時，綠色空間連通為2個組分，最大組分斑塊數量470個，占斑塊總數的99.58%，面積844343.45m2，占斑塊總面積的99.91%。閾值≥175m時，所有綠色空間連通為1個組分，表明175m為多核心散布型街區單元綠色空間景觀連接度的最大距離閾值，＜175m為適宜距離閾值。

散點分布型街區單元中，25m閾值時，綠色空間連通為82個組分，最大組分斑塊數量40個，占斑塊總數的10.87%，面積140297.09m2，占斑塊總面積的16.95%，面積最大的5個組分斑塊總數為106個，占斑塊總數的28.8%，面積533845.65m2，占斑塊總面積的64.48%，此時在368個綠色空間斑塊中，仍有較多的獨立斑塊，表明連通性較差。75m閾值時，綠色空間連通為6個組分，最大組分斑塊數量357個，占斑塊總數的97.01%，面積819566.82m2，占斑塊總面積的99%。閾值≥100m時，所有綠色空間連通為1個組分，表明100m為散點分布型街區單元綠色空間景觀連接度的最大距離閾值，＜100m為適宜距離閾值。

廊道穿越型街區單元中，25m閾值時，綠色空間連通為52個組分，最大組分斑塊數量111個，占斑塊總數的23.47%，面積408329.45m2，占斑塊總面積的39.78%，面積最大的5個組分斑塊總數為333個，占斑塊總數的70.4%，面積844116m2，占斑塊總面積的82.24%，此時在368個綠色空間斑塊中，仍有較多的獨立斑塊，表明連通性較差。100m閾值時，綠色空間連通為2個組分，最大組分斑塊數量472個，占斑塊總數的99.79%，面積1025304.6m2，占斑塊總面積的99.9%。閾值≥125m時，所有綠色空間連通為1個組分，表明125m為廊道穿越型街區單元綠色空間景觀連接度的最大距離閾值，＜125m為適宜距離閾值。

4 討論

指示物種的選擇在考慮物種的擴散距離與景觀空間尺度的匹配性的基礎上，還應考慮人居環境安全因素。在城市建成環境中關注哺乳動物多樣性，尤其是大型哺乳動物多樣性，通常伴隨許多安全性顧慮[24]。而昆蟲不僅在城市生態系統中發揮著植物傳粉、營養循環、落葉分解和食物供給等功能，還是良好的城市生態科普對象，其多樣的種群構成、豐富的形態及觀察采集的便利等特性可調動城市居民參與到城市生物多樣性保護的行動中。因此，綜合考慮空間尺度匹配性、人居環境安全性和生態保護行動積極性等多方面因素，在城市街區尺度綠色空間規劃設計的相關研究與實踐工作中，選擇昆蟲作為指示物種是適宜的。

景觀連接度的距離閾值可依據城市綠色空間景觀連通性的優化目標進行增減。例如，在建成較早的城市區域，綠化建設基礎薄弱，城市街區尺度綠色空間斑塊間距較大，需要較大的距離閾值才能發現其連通薄弱點；當城市綠化覆蓋率較高且分布較為均勻時，城市街區綠色空間一般具有較高的景觀連接度，若要進一步提升其連通性，形成更加完善的連通網絡，則需要設置較小的距離閾值。但閾值的取值還應符合街區尺度綠地資源配置的基本要求，避免極限取值：取值過大，無法發現綠色空間資源配置的薄弱點或將導致資源配置不足；取值過小，則可能導致街區綠色空間配置過剩，浪費城市土地資源。

在存量優化的老城更新和增量發展的新城規劃實踐中，構建街區尺度生境網絡是高效發揮綠色空間生態價值的有效方法。通過景觀連接度分析，在連通性薄弱區域或關鍵斑塊間建立一定數量、寬度和類型的廊道，或通過構建生境多樣的小尺度綠色空間斑塊形成“生態跳板”，可有效提高城市街區尺度綠色空間連接度。

5 結論

通過西安市4個典型街區綠色空間樣本的景觀連接度距離閾值梯度分析發現，距離閾值為200m時，4個樣本中綠色空間均達到完全連通，是西安市街區綠色空間景觀連接度距離閾值的上限，驗證了街區尺度景觀連接度距離閾值在百米級并選取擴散距離較小的昆蟲作為指示物種的合理性。西安市街區尺度綠色空間景觀連接度的適宜距離閾值為50～150m，尤其125m閾值能較好地體現西安市街區綠色空間的景觀連通性薄弱區域及影響整體景觀連接度的關鍵斑塊。通過設置更小距離閾值(如100m或更低)可以發現更小尺度層次或更小范圍的綠色空間連通性薄弱點，從而構建更加精確和完善的街區綠色空間生境網絡。

在城市綠地規劃建設實踐中，綠地資源集中分布將增加街區尺度綠色空間斑塊間距，降低綠色空間連通性，可能影響城市昆蟲多樣性分布；綠地資源相對集中的廊道穿越型綠色空間格局相較核心放射型綠色空間格局更有利于增加綠色空間景觀連通性；將小尺度綠色空間在街區單元中均衡布局能夠有效縮小斑塊間的距離，進而構成具有更高景觀連接度的綠色空間格局。

本研究以西安市街區綠色空間為研究對象，其城市街區綠色空間的典型模式及景觀連接度距離閾值對于以西安市為代表的平原型城市有一定適用性，但對不同地貌特征的城市的適用性還需要進一步的論證研究。

注：文中圖片均由作者繪制。