城市绿地生态综合评价研究进展

城市绿地生态综合评价研究进展

城市绿地作为城市生态系统的重要组成部分，在改善城市环境质量方面发挥着重要作用。城市绿地具有生态、社会、经济和景观这四大功能效益，是反映城市宜居性和吸引力的重要基础设施。近年来，我国城市化水平迅速提高和居民对绿色宜居城市环境需要的提高，针对城市绿地的相关研究日益增多，城市绿地建设质量成为众多研究关注的重点。城市绿地评价指标在监测城市绿地建设质量、引导城市绿地建设重点中能够发挥重要的作用。1城市绿地生态评价指标近年来，国内外对城市绿地评价指标和评价模型方面展开了不少探索性的研究，绿地指标不断丰富发展，从传统的几个数量指标发展到能够反映绿地质量、结构与功能等特征的多角度、多层次指标群，使绿地评价指标日益丰富。1.1数量指标无论在国内还是在国外，数量指标是基础性指标。西方发达国家对绿地数量指标的要求较高，如上世纪20年代，德国植物生理学家沃尔德就首先研究得出：城市居民需要30-40绿地，才能保证空气的碳氧平衡，所以，德国制定的城市公园人均绿地面积40以上。最近几年又提出新城市人均公园绿地面积应达到68的新标准。在70年代，联合国生物圈生态与环境组织提出了首都城市人均公园面积最佳应该为60的居住环境。英国规定城市人均公共绿地面积28，人均绿地42，法国规定人均绿地30，美国规划行政官会议的设置基准曾提出：人口50万以下的城市，人均公园绿地面积约40；人口50万以上的城市，人均公园绿地面积约20；人口100万以上的城市，人均公园绿地面积约13.5(公园绿地包括自然公园、高尔夫球场、历史文化遗迹、原始自然保护区等)[1]。而我国2009年的城市人均公共绿地面积仅为8.98，与西方发达国家的指标要求还有相当大的差距。20世纪80年代以来，我国一直以城市人均公共绿地面积、绿地率和绿化覆盖率这3项指标来指导我国城市绿地建设。2002年，建设部颁布了《城市园林绿地分类标准》(GJJ/T85-2002)，该标准将城市绿地分为5类：公园绿地、生产绿地、防护绿地、附属绿地和其他绿地，并在标准中正式提出绿地的主要评价指标：绿地率、人均绿地率、公园绿地面积和人均公园绿地面积。总体来说，我国在进行城市绿地指标体系的研究过程中都会以这些数量指标为基础，进而扩展到其他能够反映城市绿地质量和功能的指标的研究。1.2质量指标城市绿地质量方面的指标有很多，比如研究的比较多的三维绿量、生物丰富度、乡土树种比例、立体绿化、植物配置合理性及景观引力场等指标。三维绿量是质量指标中一个很重要的指标，也是近年来研究的热点绿地指标。三维绿量是指所有生长植物的茎叶所占据的空间体积，其单位一般用立方米表示，是城市绿化指标体系的第一立体指标[2]。在城市绿地的研究中，仅仅使用二维绿化指标很难真实反映城市绿地的整体功能水平，因为城市绿地的生态功能与环境效益还取决于绿化树种的组成、空间结构以及植物的生长状况等因素。在这种情况下，“三维绿量”作为城市绿地的三维立体指标，引起越来越多的关注。早在上世纪90年代，上海市采用航空遥感和计算机图像处理并辅以人工判读、编辑来进行绿化状况调查的方法进行了绿化三维量的研究工作，并据此建立了绿量数据库[3]，但是上海的三维绿量的调查与建库方法过于复杂、工作量太大。近年来，一些研究者在北京、上海、武汉、福州、沈阳等大城市开展了城市三维绿量的研究。其中以陈自新等[4]通过建立城市主要绿化植物叶面积的回归模型对北京城市绿地三维绿量及其生态功能进行的系列研究，以及周坚华等[5,6]分别于2001年和2006年基于航片机助解译和三维绿量计算方程研发建立了上海市和合肥市的三维绿量数据库最具有代表性。周廷刚和罗红霞等[7]以彩红外航空遥感图像为主要信息源，根据冠径-冠高关系以及典型树种的树冠立体几何形态与绿量方程，运用GIS分别计算了宁波市全市、江东区和海曙区德总三维绿量和平均相对三维绿量。在这些研究的基础上，刘常富等[8]以立体量推算立体量的方法测算了沈阳城市森林三维绿量。刘常富和何兴元等[9]又模拟了沈阳城市森林三维绿量，结果表明沈阳市覆盖率对绿地三维绿量的影响较小，而最显著的影响因子是单位面积胸高断面积。因此，三维绿量的测算方法很多，实践中要根据测算范围和精度要求选择不同的测算方法。事实上，因为多数城市绿地常用因子的基础数据在当地管理部门的数据库中可以找到，可以利用常用因子模拟和预测城市绿地三维绿量，这种方法即简单便捷又易于普及。周廷刚和郭达志[10]以宁波为例对绿地景观进行了研究，该研究首次提出了城市绿地景观引力场这一指标，绿地景观引力场是指城市绿地系统为城市居民提供服务能力的大小和潜力，主要用来反映城市绿地的空间分布格局，丰富了城市绿地的评价指标内容。质量指标中的生物丰富度、乡土树种比例、立体绿化、植物配置合理性近年来没有系统的研究，仅在研究其他指标的同时会涉及这些指标，但随着绿地指标规划的细化和完整性，这几个指标越来越受到社会的重视。1.3结构指标从系统论的观点看，系统的结构决定系统的功能。当城市绿地覆盖率小于40%时，城市绿地环境效益的重要影响因子是绿地的内部结构和空间布局的程度。因此，一些学者开始利用景观生态学原理来研究城市绿地的空间结构、生态功能和异质性的关系，分析城市绿地的景观格局，并进行科学、合理规划[11]。因此要使城市绿地发挥其生态功能，在保证绿地有一定的绝对数量的基础上，还需要通过合理的空间规划与布局，优化城市绿地整体结构，促进单位面积城市绿地功能效益的最大化。目前，反映城市绿地空间结构指标有绿地景观连通性、廊道密度、均匀度指标、破碎化指标以及可达性等。绿地作为城市景观的重要组成，景观生态学为城市绿地生态系统的结构功能、格局分析、美学评价等提供了有力手段。众多关于城市绿地结构的研究都借鉴了景观生态学的方法。周天翔和邵天一等[12]分析了湖北省宜昌市中心城区斑优格局、斑匀格局、廊道格局和对照格局等四种景观结构及其绿地分布格局，选取了气温、相对湿度、环境噪声和大气、、TSP含量等环境监测指标，观测了不同绿地景观格局下的环境效应，并对比分析了绿地分布格局指标与综合环境效应间的关系，以便提出城市绿地系统布局合理性指标。芮建勋[13]以上海市为研究区域，采用斑块数量、斑块面积标准差、面积均值、周长均值、分维数等景观生态学指数研究了上海市绿地景观嵌套结构的数量特征，为城市规划和发展提供了决策依据。杨瑞卿和薛建辉[14]运用遥感技术和GIS技术，以徐州市为例，选取了绿地景观构成、景观多样性指数、景观优势度指数、景观均匀度指数、斑块密度、斑块数破碎化指数、最小距离指数、景观连通度等指标对城市绿地景观的结构和格局进行了分析。熊春妮和魏虹等[15]对重庆市都市区德绿地景观连通性指标做了深入研究。这些研究丰富了绿地结构指标，并且为各研究城市提供了绿地景观建设对策。结构指标中另一个重要的指标是可达性，它是一个量化的评价指标，能够综合多种因素对这种服务能力做出评价，为城市规划、园林规划提供借鉴。例如俞孔坚[16]、周廷刚[17]等基于GIS技术对城市绿地景观可达性进行了研究。在这个研究中，俞孔坚等提出了以景观可达性和连续性作为评价城市绿地系统对市民的服务功能以及绿地系统生态功能的重要指标，并以中山为例，探讨了如何利用地理信息系统(GIS)技术进行景观可达性评价和完善城市绿地系统，同时还提出一个阻力矩阵分布模型，但这一方法的缺点是计算假设前提必须人口分布密度是均匀的，并且没有对道路交通网络的影响作特殊的考虑。在俞孔坚的可达性研究的基础上，马林兵和曹小曙[18]提出了一个基于网格划分的城市公共绿地景观可达性评价方法，并以广州市为例进行了实例研究。该方法利用每一个网络的道路密度来近似模拟交通成本的阻力，在可到达性计算中综合考虑了人口分布、公共绿地景观服务力、交通成本等因素，来研究城市公共绿地景观可达性的空间分布特点，但是这个方法仅考虑了网络内道路密度指数，还应该引入道路的形态指数、人口密度对交通的影响因素。可达性的相关研究还有很多，例如周亮等[19]以武汉市汉口地区为例也进行了基于GIS的城市公共绿地可达性研究，在全国其他城市也有绿地的可达性研究，比如济南、厦门、青岛和上海等。1.4功能指标城市绿地生态服务功能，在改善环境质量、维持碳氧平衡方面也具有不可替代的作用，并为城市居民提供精神和视觉上的享受。自20世纪90年代以来，城市生态服务功能的计量研究已成为生态学、林学和经济学界研究的热点。这些研究对于认识城市环境价值，建立城市环境价值补偿制度，促进城市环境可持续发展起着重要的作用。城市绿地生态服务功能主要表现在吸收、释放、降温增湿、净化空气、降低噪音、调节小气候等。上世纪90年代，美国利用计算机构建城市绿地生态系统模型，能够对城市进行合理规划以及对城市效益进行综合评价[20,21]。城市绿地是地球植被的组成部分和碳循环的重要贮存库，在全球碳氧平衡中有不可替代的作用。如Rowntree等[22]用数量化方法研究了城市森林吸收及氧气释放，该研究表明，现代工业城市每人需140绿地，才能达到城市碳氧平衡。美国的一项研究表明，城市森林的环保价值与其木材和林副产品的价值比约为3∶1，绿化间接经济效益是直接经济效益的18-20倍，此外，美国还研究了树木对居住地产评估及地产价格的影响，发现理想树木覆盖使地产价格提高6%-15%。目前，我国国内的绿地功能的研究也相继展开，李锋和王如松[23]以扬州市为例进行了城市绿地系统的生态服务评价、规划与预测研究，该研究应用多边形综合指标法对规划结果进行了评价与预测。陈芳和周志翔等[24]也以武汉钢铁公司厂区绿地为例以城市绿地固定二氧化碳、释放氧气、蒸腾吸热、减少污染物、滞尘、减噪等6项生态服务功能作为城市工业区生态效益计量评价的指标体系，对武汉钢铁公司厂区绿地叶面积绿量进行了定量研究。赵华和高本虎等[25]通过对城市绿地节水灌溉效益评价指标的分析，建立了涉及技术因素、社会效益、经济效益和生态效益的综合评价指标体系。城市绿地除了具有重要的生态服务功能外，还具有重要的经济与社会功能。城市绿地对房价的影响受到了众多研究者的关注。如Tyrvainen[26,27]研究的城市绿地对芬兰各城市房产价格影响，Morancho[28]通过享乐价格法研究了城市绿地不同环境变量对房产价格的影响。但是由于城市绿地的社会价值评估研究较少，技术上难以实现，现在尚处于探索阶段。1.5城市绿地生态综合评价指标体系在发展各类城市绿地单项评价指标的同时，一些学者试图构建综合指标体系对城市绿地建设质量进行综合评价。早在1991年，刘滨谊就初步确定提出了城市绿化评价指标体系研究框架，并指出以总体控制指标和分类控制指标来作为生态绿化的控制目标。之后，刘滨谊和姜允芳[29]从生态、环境、园林和城规等多学科多角度，提出城市绿地系统规划评价指标体系，并把评价指标体系细分为生态功能、结构形态、经济效益、生态过程、景观、规划定量化6个一级指标，每一个一级指标下面又设置了多个二级指标。该研究探讨了绿地系统评价指标体系建立的原则和方法，为以后我国城市绿地的各个功能指标的研究打下了理论基础。但是具体的指标该如何相互协调，使得绿地空间模式合理布局，还需要大量结合城市研究的实地调查和分析。严晓和王希华等[30]通过建立城市绿地生态效益评价指标体系，对城市现有绿地的结构与功能进行定量分析，揭示绿地系统的组成与分布在城市系统中的作用，所采用的主要指标包括：功能类型丰富度、层次类型丰富度、物种多样性、景观绿地率、特殊空间绿色量、吸收有害气体量、降尘滞尘量等。吴桂萍[31]在“关于城市绿地生态评价不同指标的比较”研究中对的叶面积指数、郁闭度、绿视率、复层绿色量、绿化建设指数等20多种指标的概念及计算方法进行了详细阐述，并比较了某些相似指标之间的差别。这些研究对我国城市绿地生态评价指标选用具有一定的参考价值。朱俊和王祥荣等[32]根据江南城市森林林网化和水网化布局特点，以上海为对象提出城市森林综合评价指标体系，指标框架分为结构、功能和协调性三个二级指标，这一指标体系的建立为上海市的生态评价开创了先河。之后，顾洪祥等[33]在这一指标体系的基础上进行了上海城市森林综合评价研究，这为周边地区乃至全国范围内开展城市绿地综合评价提供了借鉴。1.6指标使用频度分析为了充分了解我国研究城市绿地的学者对各类城市绿地指标的选择意向与重视程度，笔者在中国期刊全文数据库分别以绿地、生态网络、绿色空间、绿量、公园、城市森林、绿化等为关键词，以摘要和全文为检索项，以1990年1月到2010年5月为检索时间范围，检索关于城市绿地评价方面的主要文献。最后从检索的几百篇主要文献中挑选出150篇与绿地评价指标研究高度相关的论文进行指标使用频度分析。被挑选出的150篇文章主要分布在中国科协一级学会的生态学、环境科学、林学、地理学、城市规划学等方面的期刊，大部分文章是我国城市绿地评价方面研究水平较高的文章(见表1)。整理这150篇论文中用到的绿地指标，按数量指标、质量指标、结构指标和功能指标进行分类汇总，分别对每一指标的选择次数和选择频度进行统计，统计结果如表2所示。由此表我们可以知道近年来对这4种一级指标的研究都很多：数量指标中，研究涉及的指标有9个，依然是传统的绿地覆盖率、人均公共绿地面积和绿地率这三个指标用的较多，公共绿地面积、叶面积指数、人均公园面积的相关研究占次要地位，公共绿地绿化空间占有率和绿视率两个指标相关的研究很少；质量指标中，共选择出11个指标，其中绿量、三维绿量和景观异质性的研究较多，对生物丰富度、乡土树种比例、自然度和立体绿化的研究正在增多，而质量指标中的地被植物比例、建成区屋顶绿化率、物种重要值和季相数的研究相对较少；结构指标中，因为增加城市的绿地面积是有限的，要在有限的绿地面积上提高绿地的质量就要对绿地结构进行规划，因此目前绿地结构的研究越来越受到重视，频度分析共统计了12个指标，其中多样性指数、景观破碎化指数、均匀度指数、可达性和优势度等结构指标的相关研究占主要部分，其次研究较多的结构指标是绿地斑块密度、景观连通性、公平性、景观形状指数和最大斑块指数，结构指标中的景观最小距离指数和平均斑块形状指数的研究较少；功能指标中，随着生态园林、生态城市的提出，研究绿地的功能指标也是越来越多，尤其是各种生态功能指标的研究，如滞尘能力、降温增湿、吸收释放能力、降低噪音、涵养水源、吸收和杀菌能力等功能指标，统计的功能指标共有14个，除了以上的几个研究较多的指标，还有热岛效应的缓解作用、游憩休闲功能和避震疏散公园面积的相关研究也在增多。2城市绿地生态评价模型如果城市绿地系统的评价指标体系已经确定，就需要建立评价模型来对绿地进行评价。传统的评价方法有单项指标模型法、评分叠加法、综合指数法、聚类分析法和模糊数学法等。2.1单项指标模型CITYGreen模型和可达性评价模型是目前国内外应用最为广泛的城市绿地评价单项指标模型，具有重要的实际应用价值，因此，在本文中作为重点加以介绍。2.1.1CITYGreen模型城市绿地数学模型研究的代表性成果是Abdollahi提出的CITYGreen模型[22]。CITYGreen模型主要用于对城市绿地的规划管理和生态效益分析。CITYGreen模型是有CITYGreen软件作为支撑的，该软件是基于ERSI公司的GIS软件ArcView3.X开发的功能扩展模块。CITYGreen软件可以利用多光谱、高分率影像，通过数字化过程准确勾画出整个研究区域的图像，建立区域的土地覆盖类型的数据库。该软件是由两个功能模块(如图1)构成：模型数据库和空间分析模块。模型数据库包括空间数据和属性数据；空间分析模块即生态效益分析模块，该模块通过对空间数据和属性数据进行分析运算，得出植被的各项生态效益，并能进行城市绿地的生长模拟，对城市绿地的生态效益指标进行动态预测与评估。目前，CITYGreen模型在国际上尤其是在美国等发达国家得到了广泛的应用。这一模型在我国也有着广泛的应用，例如胡志斌等[35]利用CITYGreen模型对沈阳市城市绿地进行了结构分析，并且计算了沈阳城市绿地固碳及净化环境的生态价值。张侃和张建英等[36]进行了基于土地利用变化的杭州市绿地生态服务价值CITYGreen模型评价的研究。该模型在我国其他城市的绿地研究中也有所应用，如上海、哈尔滨、南京等地，但是这些研究大都是应用于城市绿地基本的研究与分析中，在城市绿地的生态系统方面的研究还比较少，所以该模型在城市绿地的规划建设中还有较大的发展空间。图1CITYGreen模型结构[34]2.1.2可达性评价模型可达性是指居民克服距离、旅行时间和费力等阻力到达一个服务设施或活动场所的愿望和能力的定量表达，是衡量城市服务设施空间布局合理性的一个重要标准[37]。可达性的计算方法有很多，而最小邻近距离法是可达性分析计算简便和最常使用的一种方法，例如尹海伟和孔繁花等[38]利用这一评价方法以上海和青岛为实证，对这一指标进行了分析和检验。李博、宋云和俞孔坚[39]对绿地可达性常用的评价方法做了系统阐述。总结起来，现有的公园绿地可达性研究的主要方法可以分为定性和定量两种，定性主要是描述研究内容，一般不能得到定量的指标。定量研究又分为统计分析法和GIS分析法，其中统计分析法对可达性的影响因素考虑全面，但是缺乏量纲，并且计算复杂，参数和变量众多。GIS分析法根据建模原理不同可以分为缓冲区模型、费用阻力