城市藍綠生態格局的尺度變化效應分析

陸明， 孟慶賀， 唐敬軒

（1.哈爾濱工業大學建筑學院，寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室，哈爾濱 150001；2.東北農業大學公共管理與法學院，哈爾濱 150006）

0 引言

城市藍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域綠地，包括公園、防護綠地、農林用地等；藍色空間為水體空間，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劃設計的波士頓公園體系開啟了西方現代城市藍綠空間的規劃實踐。進入21世紀后以藍綠空間為核心的城市生態基礎設施、綠色基礎設施、城市低影響開發、生態網絡等發展極大促進了藍綠空間的整合調控[2]，西方城市積極探索藍綠空間規劃實踐，國外對城市藍綠空間研究包括健康效應、藍綠設施規劃等[3]。我國自古在城市營建中極重視山水格局，山水城市本質上體現出的是藍綠空間與城市布局的有機融合[4]，國內學者對藍綠空間研究包括生態空間網絡構建與融合規劃[5]、韌性設計等內容[6]。藍綠空間是城市具有生態功能的用地類型，在城市生態系統服務提供與生態修復中發揮著重要作用。當下在國土空間規劃背景下需要從多尺度視角理解城市藍綠空間體系，一方面是由于國土空間規劃體系的不同規劃層次要求；另一方面藍綠空間作為城市生態空間，在不同尺度下其生態空間格局特征也會呈現不同，對城市藍綠生態格局的尺度效應分析有著廣泛意義。

尺度效應是景觀生態學研究的基礎性內容，生態空間格局的小尺度常表現出瞬變特征，但在大尺度上可以體現出與平衡模型相似的結果，因此選擇合適尺度是景觀生態研究開展的基礎，適當尺度對景觀生態預期研究成果具有決定性意義。景觀生態學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生的時間間隔或頻率[7]。不同尺度的生態空間格局和生態服務存在明顯差異，這種差異特征形成生態空間的尺度效應。生態尺度效應研究受到較多關注，以Wu為代表的學者在利用景觀指數分析生態尺度效應上做出較多成果，歸納總結了景觀指數對尺度效應的一般規律[8]。國內學者多以景觀格局變化為內容探討不同景觀類型的尺度效應，在研究方法上證實了景觀格局指數對分析生態空間尺度效應有較好效果[9]。當前尺度效應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，是一種靜態景觀格局的尺度效應研究，對時空尺度上的變化研究不多[10]。文中以城市藍綠空間為研究內容，探討不同時間和空間粒度下城市生態格局的變化效應。選擇合肥為實證對象，分析不同時空尺度與藍綠生態空間格局變化的相關關系，進而推繹城市藍綠空間生態格局研究的合適尺度范圍，為城市生態空間研究開展與規劃實踐提供適宜尺度參考。

1 研究區與研究數據

1.1 研究區概況

合肥位于30°57～32°32N，116°41～117°58E范圍，是安徽省會城市，下轄4個城區和5縣市。合肥是國家級園林城市，環城公園、南淝河、巢湖、董鋪水庫、大蜀山以及郊區大片農田等藍綠空間形成城市生態基底。19世紀80年代合肥提出“中心+三翼”式城市空間布局方式，以大片農田與楔形綠地嵌入城市內部，“合肥模式”成為城市空間發展的經典案例。經過近40年城市發展，合肥生態空間發生明顯改變，城市藍綠空間在城市建設中不斷被侵蝕，但由于行政區劃調整，城市藍綠空間規模較之前有所增加。至2020年，合肥城區建設用地373.85km2，農林綠地面積837.40km2，水域面積108.88km2，大面積的藍綠空間分布在城郊區域。在城市擴展與生態保護的矛盾中合肥藍綠空間發展成為眾多城市發展的縮影，在存量增長模式下城市藍綠空間是城市生態保育區，也是城市擴張的制約底線。

1.2 數據來源與預處理

以合肥城區為主要研究區，范圍包括廬陽區、包河區、蜀山區、瑤海區，考慮到不同時期研究區域行政區劃調整因素，為方便研究對不同時期的比較分析，研究范圍以2020年合肥城區行政區劃為依據。數據來源于中科院地理大數據科學工程平臺，其提供的全球地表覆蓋精細分類產品是基于Landsat衛星數據研發的地表覆蓋動態監測產品，能較為方便直接的獲取豐富且相對精準的地表用地覆蓋類型。遵循數據易獲取原則，選擇1985年、2005年和2020年全球地表覆蓋精細分類產品數據，分辨率為30m。在ArcGIS中整理用地數據，數據處理步驟包括：首先按照經緯度范圍獲取研究區土地利用的柵格數據，然后按照行政區劃邊界進行柵格數據的掩膜提取，最后利用重分類工具整理，得到農林與綠地、水域、建設用地等用地柵格圖，其中城市綠色空間包括林地、農田與城市綠地等用地，藍色空間包括湖泊、水庫、河流、濕地等用地。

2 研究方法

2.1 生態格局尺度

生態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。借鑒有關研究經驗[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格局尺度演繹結果。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，作為景觀生態格局變化分析的數據源。

2.2 景觀格局指數

景觀格局指數是分析景觀生態格局變化的有效工具，通過觀察不同空間尺度下生態格局變化特征，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穩定性，以推繹出生態格局研究的合適尺度。景觀格局指數分為斑塊、類型和景觀3個水平度量，每個水平上常用的景觀指標有多種選擇。既有研究表明，在景觀格局的粒度效應研究中景觀水平下的指標具有較好分析效果，數據擬合度較高[9]。研究篩選出景觀水平上的評價指標，其中斑塊數量（NP）、斑塊密度（PD）、邊界密度（ED）、景觀形態指數（LSI）是4個主要高頻指標，這4個指標對景觀格局變化有著很好的預示效果，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據進行景觀格局指數分析，得到不同時間斷面下景觀指標與空間尺度變化的數據集。

表1 四個景觀格局指數及內涵

2.3 景觀指數變異閾值

景觀格局指數能較好反映出生態對尺度變化的依賴性，臨界閾值附近景觀指數變異比較明顯，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，景觀格局指數作為因變量，利用SPSS軟件進行曲線估計。分析發現4個景觀指數對尺度變化呈現較好的非線性回歸關系，其擬合函數為冪函數見式1，可以認為斑塊數量（NP）、斑塊密度（PD）、邊界密度（ED）、景觀形態指數（LSI）與空間粒度變化規律為冪函數變化。數學中考查曲線函數變化程度是通過曲線變化率實現，即曲線的切線函數，因此可以通過冪函數曲線的切線函數分析景觀指數的變化程度，從而確定景觀指數的變異閾值，相關曲線的切線函數表達為式（2）。

式中，a、b為常數，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的分析值。y表示為空間粒度下景觀指數值的變化率。

3 結果分析

3.1 尺度變化對藍綠空間景觀指數影響

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

表2 藍綠空間景觀指數與尺度的擬合函數

3.1.1 景觀斑塊數量上影響

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

圖1 不同空間尺度的藍綠空間景觀指數變化趨勢

圖2 不同空間尺度的景觀指數變化率（縱坐標負號代表負相關）

3.1.2 景觀斑塊形態上影響

景觀斑塊形態上指標有邊界密度（ED）和景觀形態指數（LSI），1985年、2005年、2020年在景觀斑塊形態上變化趨勢大致一樣，其總體變化趨勢是景觀斑塊形態分析值隨空間尺度增大而逐漸減少見圖1。相較于景觀斑塊數量上變化，景觀斑塊形態變化趨勢較為緩和，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，景觀形態指數為109.72。到粒度45m時邊界密度減少到93.52，景觀形態指數減少到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定見圖1、圖2。

總體上在粒度45m時景觀斑塊數量和形態上發生第一次顯著變化，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定?？臻g尺度不斷增大時景觀斑塊之間的異質性也在變化，即景觀格局中發生斑塊之間的合并轉化，從而導致景觀多樣性和破碎化程度降低，景觀斑塊數量和用地面積也發生變化。合肥藍綠生態格局在45m和105m時是發生顯著變化，在60～150m以及150m粒度以后區間景觀生態格局變化趨勢逐漸平緩至穩定，因此可以判斷45m和105m為景觀指數變化的兩個變異閾值。

3.2 尺度變化對藍綠空間用地影響

3.2.1 對整體用地面積影響

尺度變化會導致景觀用地面積發生變化見圖3。同一研究區范圍，藍綠空間用地面積隨著粒度增大呈現一定規則變化。初始粒度30m時，1985年和2020年藍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年以后合肥發展主要向西南和東北擴張，35年間合肥城市建設規模增加了5.6倍多。2005年城區建設用地面積達到186.89km2，比1985年增加了121.4km2。2020年城區建設用地面積達到369.82km2，比2005年增加了182.93km2。城市建成區面積不斷擴展，導致郊區農林、水域等用地減少。從30m粒度下3個階段景觀格局指數分析看，1985年以后斑塊數量和形態數值均大幅度增加，反映出城市藍綠生態格局逐漸破碎化趨勢發展。

尺度變化對三類用地面積影響表現出此消彼長態勢見圖4。1985年三類用地變化趨勢是隨著粒度變大，農林綠地面積呈現增多趨勢，水域面積呈現減少趨勢，建設用地面積呈現減少趨勢，75～135m粒度范圍三類用地之間變化差異較小。藍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，水域用地呈現增多趨勢，農林綠地呈現減少趨勢，建設用地面積在較小變化范圍內波動，90～150m粒度范圍三類用地變化差異較小。藍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，水域用地呈現減少趨勢，農林綠地面積在30～90m粒度變化較小，105m后呈現增多趨勢，建設用地面積在30～90m粒度變化較小，105m粒度后呈現減少趨勢。藍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 不同尺度的藍綠空間面積變化

4 結語

文中通過景觀格局指數和用地變化兩部分內容分析了不同時空尺度變化對城市藍綠空間的影響，發現藍綠生態格局與尺度變化在不同方面上有不同表現特征，并得出以下結論：

（1）從藍綠空間的景觀指數變化和用地變化分析得出，合肥城市藍綠空間在3個時間點的景觀粒度變化較小的范圍1985年藍綠生態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）綜合三個時間點的景觀尺度變化效應，在時間尺度上，90m是合肥藍綠生態格局隨景觀尺度變化差異較小的粒度。

（3）研究選取的藍綠空間具有較為廣泛的對象意義，對與之相關的生態網絡、綠網、生態基礎設施、綠色基礎設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果的影響，選擇適宜的尺度開展研究和規劃實踐。