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    基于阻力指数的屋顶斑块生态网络规划研究

    关键词:风景园林;景观格局指数;屋顶绿化;斑块网络;绿地系统规划

    Key words:landscape architecture; landscape pattern index; green roof; patch network; green open space planning

    摘要:在景观生态学理论和方法的指导下,基于“岛屿生物学理论”,从城市屋顶面积、隔离度(如高度、最邻近斑块距离等)这2类因子出发,有针对性地构建了阻力指数(RI)测度城市屋顶景观格局。运用成都市二环路卫星遥感影像和地理信息系统,选取生态中心斑块并构建缓冲区。利用各缓冲区RI的计算结果,将城市屋顶分别规划为3级绿化生态空间发展区,分步骤建设城市屋顶生态斑块网络。

    Abstract:Based on the Theory of Island Biogeography, from urban roof area and the factors that indicate the degree of separation, including height and distance of Nearest-Neighbor patch, the paper constructs Resistance Index (RI) that measures the urban roof landscape pattern pertinently. The crucial step is to select the ecology center patches and build the buffers by using satellite remote sensing image of Second Ring Road of Chengdu and geographic information systems. Then the urban roofs are planned for three green ecological space developmental areas by calculated result of RI of buffers and are constructed step by step.

    内容:人口增加、工业化、城市化及人类活动正以空前的速度、幅度和规模改变着自然环境,导致了全球生态环境恶化[1]。地理信息技术与景观生态学数量方法的结合,为在不同尺度下研究和解决这一问题提供了有力的技术、理论和方法支持。
    景观生态学中景观空间格局的研究是认识景观功能和动态的基础[2]。景观空间格局在影响生态过程的同时,景观生态规划和管理也反过来影响着景观格局[3]。景观规划的实质就是通过研究景观格局与生态过程及人类活动与景观的相互作用,在景观生态分析、综合及评价的基础上,提出景观最优利用方案、对策及建议[1]。景观规划是科学规划城市绿地系统的重要手段。景观指数能够浓缩景观格局信息,是反映景观结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标[4]。尽管景观格局指数本身存在着一定的局限性[5-7],但不可否认其依然是描述景观格局的重要工具。近年来景观指数不断发展壮大[8-10],数量已达百余种之多[11]。国内外学者利用这些指数对郊野森林及湿地[12-14]、乡村[15-16]、城市[17-18]等不同景观类型以及针对不同种类生物景观过程[19-20]构建生态网络。通过景观指数计算结果的定量化指标,科学有效地规划和设计人类及其他生物的栖息地网络,为地区生态环境的可持续发展提供有力保障。
    2008年城市人口数量首次超过乡村,占到全球人口总数的50%以上,这一比例预计在2030年将高达70%[21]。大规模的城市化势必加重城市环境负担。在土地资源严重匮乏的城市大背景下,屋顶等立体生态空间的发展为缓解城市建设与生态用地矛盾寻求到了新出路。全球屋顶绿化呈现出从零星分布向成片成系统的空中森林发展的趋势。众所周知,生态系统的生态效应远大于各组成部分之和。在中国,城市立体绿化系统的建设任重而道远。如何通过定量方法更科学、有效地进行规划和指导是保证其健康发展的前提和关键。

    1  景观阻力指数的构建
    1.1  屋顶景观格局特点
    与自然景观格局相比,城市景观格局有着极大的特异性。其中,建筑斑块面积小且形状多呈规则的几何型,边界清楚,与地面隔离,结构简单。除覆土、退台、天桥等特殊建筑物及构筑物外,屋顶之间没有廊道相连,不利于屋顶绿化斑块间物种的迁移和信息交流。由于地理位置高等特点,屋顶与地面绿地斑块形成隔离,类似于岛屿。除鸟类、部分昆虫、部分植物孢子或种子等一些能“飞行”的生物外,其余物种往往存在明显的物种交流障碍。为此,有必要构建能贴切描述屋顶绿化景观格局的新指数。
    1.2  构建依据和步骤
    新景观指数的构建来源于对原有描述能力不强指数的改进,也来源于新理论在景观生态学中的应用[22]。此过程一般要经过:提出理论论据;指数构建、评估及分析;模型及实证检验等内容和步骤[14,22-26]。
    根据城市屋顶景观格局的特点,景观阻力指数是基于“岛屿生物地理学理论”(Island Biogeography Theory)进行构建的。
    1.3  阻力指数构建
    阻力指数数学表达式如下:

                                     (1)

    式中,RI为阻力指数,无单位;e为自然指数的底;z为矫正系数(描述某城市屋顶时,z取该城市平均屋顶界面高度的倒数);hi为(屋顶)斑块i离地面最近处的离地高度,单位m;Di为(屋顶)斑块i到最邻近(屋顶)斑块的距离,计算时取两斑块的中心距离,单位m;ai为(屋顶)斑块i的面积,单位m2;ah为与(屋顶)斑块i距离最近的斑块(屋顶)面积,单位m2;N为(屋顶)斑块个数。
    当地面上某范围内所有同类型斑块(包括覆土建筑屋顶)边缘均两两相连(可视为一个大斑块)时,RI=0。一般情况下,屋顶RI>0。RI在类型水平上测度了在城市某范围内,生物、水分及养分在地面绿地及各屋顶生态斑块间运动的难易程度。屋顶最小离地高度数值越小、屋顶斑块及其相邻屋顶斑块的面积越大、距离越近则RI越小,生物、水分及养分运动等景观生态过程越畅通;反之则阻滞。RI从垂直及水平2个方向上表达了屋顶生态斑块格局对各景观生态过程的影响及作为生物活动及栖息地的潜力。RI表达的是景观格局固有的结构特征,是间接研究景观过程的方法。
    于斑块个体而言,当生物将其作为栖息地或主要活动场所时,理论上存在着一个活动范围[14],在此范围(即缓冲区部分)内计算阻力指数更具现实意义。公式(1)中邻近斑块的距离(Di)表达了在此缓冲区范围内,每个屋顶斑块的隔离状况。运用Gustafson等的分析方法[14],结合城市建筑的格局特点,对某屋顶斑块(斑块1)进行缓冲区内景观格局分析及阻力指数计算,详见图1。图1中分别反映了3种典型城市建筑屋顶类型(类型a、b、c)各自的2种不同景观格局状况。在屋顶斑块周围有同类大型斑块,或者两斑块之间的距离较近的情况下,RI值较小;而随着周围斑块面积的减小,以及整个景观格局趋于松散,RI值增大。RI结果无法反映出缓冲区外斑块的状况(如斑块8)。高度是影响城市屋顶RI值大小的关键。这不仅表现在公式中“hi”的数值大小,在现实中,它还会影响到楼间距和屋顶面积的大小。考虑到采光、通风等因素,建筑高度值越大楼间距也会越大。而随着建筑增高,屋顶的风速也会增大。正常情况下,对建筑高度超过100m即超高层建筑而言,设计师往往须考虑风对建筑的影响而选择减小屋顶面积。特别是风速大的地区,这种设计更为必要。
    成都市47个居住小区的实证分析显示,RI数值结果为0.44~13.58,在上述讨论范围内。

    2  基于RI的成都市屋顶斑块网络规划
    2.1  研究范围、概况及数据来源
    规划范围为成都市二环路内所有区域。《成都市绿地系统规划(2013—2020)》显示,2015年成都市绿地率和绿化覆盖率规划值分别为37%和42%。相关研究[27]表明,二环路内绿地率仅为16.8%。
    二环路内建筑约1.6万余座,屋顶面积占整个二环路内区域总面积的17.6%,绿化覆盖率为13.4%[28]。成都市屋顶绿化风环境温和[29],且日照、温度、水、土壤环境均适宜地域性植物生存[30]。屋顶具备成为城市生态空间的潜力。本规划借助地理信息技术。基础数据、来源及处理方法详见文献[28]。
    2.2  中心斑块及缓冲区范围的确定  
    在城市尺度下计算RI,第一个重点是确定中心斑块和缓冲区范围。斑块面积和形状对生物扩散和物种数量有决定性影响。大量规则的人造景观要素决定了城市景观斑块形状的简单和单一化。因此,斑块面积成为选择中心斑块的出发点。面积较大的斑块往往意味着具有更多物质、能量和物种数量的可能性更大。参考相关文献[31],此规划在成都市二环路内的公园、单位附属绿地及屋顶斑块中,选择面积大于0.5hm2的斑块作为一级中心斑块,面积在0.2~0.5hm2之间的斑块作为二级中心斑块。
    类型水平上,RI反映了缓冲区范围内生物在地面、屋顶等各类型生态空间斑块中栖息及移动的阻力大小。城市独特的景观格局决定了只有鸟类等“飞行”生物,能在地面及屋顶构成的立体空间中穿行。其余生物往往存在着明显的交流障碍。鉴于鸟类对城市环境的指示作用[32],此处选择对多数城市栖息鸟类较为敏感的500m距离作为中心斑块周围缓冲带宽度,构建RI缓冲区。
    具体步骤:在一级中心斑块周围建500m宽的缓冲带构成一级缓冲区,经计算一级缓冲区在二环路内的总面积覆盖率为93.52%;在剩余范围内构建二级中心斑块周围500m缓冲带。一、二级缓冲区的总覆盖率为99.85%。至此,中心斑块及其缓冲区基本覆盖了二环路全部范围。
    2.3  二环路内屋顶RI计算及生态网络规划
    以屋顶绿化为代表的城市立体空间生态价值已得到人们的认可。然而,由于资金、技术、观念及政策等方面的滞后,中国屋顶绿化发展仍处于起步阶段,数量和质量均亟待提高。在城市尺度下分级建设屋顶绿化具有积极的现实意义。在不同尺度上尽快建成屋顶绿化生态网络,从而充分发挥系统生态效应,是此次规划的重点。通过对RI的分析和计算,运用数量化方法对城市屋顶绿化空间进行评估、分级的规划方法和结果更具科学性。
    运用ArcGIS10.3在成都二环路内数字化地图上共建立中心斑块及其缓冲区122个。计算各缓冲区内RI大小。其中,成都市二环路内平均屋顶界面高度(矫正系数z的倒数)为24.09m,从空气动力学理论及而言,这相当于将地面抬高24.09m,街道类似峡谷。
    由于各中心斑块及缓冲区面积大小均不同,故须做归一化处理:
                                     (2)

    式中,nRI为归一化处理后的阻力指数,RI为原始阻力指数值,A为缓冲区面积。
    nRI数值为0.15~0.99。在ArcGIS10.3中运用自然间断点分类法[33]并结合现状,将各nRI数值分类。按照缓冲区覆盖状况,将整个二环路内屋顶分为3个级别:一级屋顶绿化生态空间发展区,nRI≤0.5,生态网络中生物、水分及养分流动畅通,可集中人力、财力优先发展,并注重屋顶绿化的数量和质量的全面建设;二级屋顶绿化生态空间发展区,0.5<nRI≤0.65,生物、水分、养分等各景观生态过程的交流较为通畅,可根据资金、人力等实际情况随一级生态空间区域后建设;三级屋顶绿化生态空间发展区,0.65<nRI≤1,其各景观生态过程交流阻力相对大,可根据实际情况最后建设。需要说明的是,当相邻两中心斑块周围的缓冲区相交时,根据RI的生态学意义,将重叠部分归入阻力值较低的缓冲区范围处理。即对生物而言,交流阻力小的区域内生物各类栖息活动更易开展。
    对比图2和图3可以看出,中心斑块及其缓冲区格局与屋顶生态网络规划格局之间具有一定相关性。这表明斑块面积的大小对城市景观生态功能及过程影响明显,即存在明显的面积效应。除公园绿地外,对城市大型建筑的屋顶进行绿化至关重要。
    3  讨论
    1)RI是典型的景观空间格局指数,它通过定量描述景观格局来比较不同景观之间在结构、功能和过程方面的异同。RI不涉及具体的景观生态过程。它表达了景观格局固有的结构特征。RI既能表明在这样的景观格局下,鸟类、昆虫、植物种子、微生物等从地面到屋顶、从一个屋顶到另一个屋顶间运动的畅通程度和此缓冲区作为生物栖息地潜力大小,又能表达水分、养分(如城市大气中的污染物)等在各生态斑块之间被吸收、利用和转化的效率。它是一种间接研究景观生态过程的方法。
    2)利用各缓冲区范围内RI的计算结果规划城市屋顶立体生态网络。在分级建设的过程中,还需要对成果做长期跟踪研究。特别是当城市屋顶绿化达到一定规模时,则有必要利用实际真实数据作适合性检验。如开展对空气污染物在城市立体生态空间中吸收或吸附、转移等降解过程的研究;对屋顶绿化生态空间中生物的种类、运动及分布状况的研究等。通过大量实证数据对阻力指数系数和整个规划成果进行验证、完善和反馈。
    3)规划结果显示,缓冲带和屋顶斑块生态网络的分布呈现明显的集聚型分布格局。一、二级生态区多集中在金牛区、青羊区和锦江区,三级生态区主要集中在武侯区及金牛区的一小部分。探究其原因,首先这与作为引入斑块的城市聚居地斑块起源类型相关。这也是人类作为保持聚居地长期干扰实施者,制造的干扰结果之一。再者,这种集聚分布格局在某种程度上表现出城市规划的一些合理性。分区规划和发展的模式促进了景观的有序化进程。
    4)中国城市生态立体空间起步较晚,数量和质量均有待提高。由于数据获取的局限,除地面绿地外,此次规划仅考虑了城市立体空间中屋顶生态体系。建筑阳台、窗台、平台,以及城市建设环境中的各类护坡、立体交通体系等内容有待继续研究。研究的长期目标是运用系统论的研究理论和方法,通过科学研究、规划和建设,将城市的上述区域规划和建设为城市生态立体空间系统,使其成为城市绿地系统的重要组成部分,共同改善和维护城市人居环境。

    注:文中图片均由作者绘制。


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    (编辑/王一兰)