快速城市化下城市生态设施景观结构特征与调控机制

快速城市化下城市生态设施景观结构特征与调控机制

区域快速化进程导致区域生态系统景观结构的特征迅速变化，大量以自然景观为基础的景观迅速被建筑和硬质道路所取代，生物多样性急剧下降，景观破碎化加剧，对区域生态安全产生了重大影响。这是一个全球问题。此外，在发展中国家，尤其是在中国，以区域为中心的快速城市化国家尤其突出。快速城市化地区主要分布在该地区的主要郊区或周边辐射区，并表现出一定的连续性。许多科学家对这一方向进行了研究，这些研究主要集中在城市系统的特点、城市规划、环境对策等方面。作为城市生态基础设施的最重要部分，城市生态基础设施的研究很少，最近也有很多研究。生态基础设施(ecologicalinfrastructure)一词最早见于联合国教科文组织的“人与生物圈计划”(MAB),是其城市规划的五项原则之一.广义的绿色基础设施(greeninfrastructure)的概念与生态基础设施的概念是等同的.生态基础设施是基于功能利用与格局分布的概念,主要体现在生境、生态服务功能、生产者和城市生态框架构成要素等方面.其本质上可以理解为城市生态系统必须的自然基础和框架,能够提供生态服务功能和自然资源服务功能的部分,具有必要性、基础性和不可替代性的特点.主要包括城市及其密切相联系的郊区(所构成区域中包含的城市绿地、森林、水系、湿地、农田系统、自然保护系统等).也有学者将其引伸到自然文化遗产网络中.本文中认为城市生态基础设施作为城市可持续发展的自然支撑系统而存在,发挥作为城市生态系统生态服务功能生产者角色的城市生态资源,影响城市结构的形成和功能的可持续.景观具有斑块--廊道--基质镶嵌的基本构型,其中的任意一点都属于斑块、廊道或基质,这对于任何镶嵌格局都是适用的,这使景观生态学为生态基础设施研究提供一种较为直观的方法,探讨深刻影响景观过程的进行和生态功能的生态基础设施结构特征,包括斑块形状、边界特征、粒度特征等景观结构特征等.景观过程形成景观格局,而景观格局对于景观过程具有控制作用是景观生态学的基本共识.因此从景观生态学角度,研究城市生态基础设施景观格局特征,可以了解城市化对生态基础设施景观格局的影响因素,从而指导生态基础设施生态调控和区域可持续发展.本文从景观生态学角度出发,分析快速城市化地区城市基础生态设施的结构特征以及形成机制,目的是探讨应对快速城市化导致的景观急剧变化状况下城市生态基础设施景观生态调控机制.1城市基层景观格局的基本特征以城市为中心的快速城市化导致区域景观格局迅速变化,区域生态系统失衡.城市生态基础设施的景观格局特征表现为时空维度的异质性和镶嵌性.而其空间异质性则是时间异质性在空间维度上的反映.本文重点分析了景观破碎化、空间粒度、人工作用于景观不稳定性、系统生态服务功能空间格局和景观连通性等城市化区域生态基础设施的基本结构特征.1.1生态基础设施的粒度分布特征城市化导致景观破碎化程度增大,并且在城市核心区与城市外围区之间成梯度分布.随着城市化的加剧,许多大面积的生态基础设施变成分散的较小斑块,导致边缘生境增加.许多研究证明,大面积斑块比分散的小面积斑块能够更好的保护水源、提供内部生境、缓冲干扰等,景观破碎化已经成为一种威胁.生态基础设施的空间粒度分布特征与景观破碎化分布特征基本一致,一般来讲城市核心区受用地规模限制,生态基础设施一般呈细粒景观分布,而在城市外围区由于用地规模具有相对弹性,一般会安排大面积的城市生态基础设施,导致外围区生态基础设施景观格局呈粗粒分布,当然这也是时间格局在空间尺度上的反映.1.2城市绿地建设成为生态建筑,绿化景观环境自然、景观环境的变化城市化最大的特点就是高度人工化,城市本身也是人类活动升级的产物.在城市化的驱动下,人类将城市外围区的大面积森林或湿地变成建设用地,完全改变了原来的特征.用主观的方式改造着自然景观,在城市区域建设各种类型的人工绿地,而绿地建设引用大量外来植被种类,往往成为外来物种入侵的区域.对于绿地来讲,由于生境结构单一,无法形成有效的植被群落结构也会导致景观不稳定性.城市周围的水体、森林、湿地等也会在城市化土地覆盖变化等人为干扰过程中出现生态功能退化,小区域生态系统紊乱的现象.1.3市生态系统生态服务功能空间分布特征生态服务功能是指自然资源所提供的城市生态支持功能,像洁净的空气、干净的水资源、营养的循环与存储、碳的累积等.城市生态系统生态服务功能空间分布特征与城市生态基础设施空间分布密切相关.快速城市化过程中,随着土地利用方式的变化,提供生态服务功能的自然资源迅速被取代,导致区域生态服务功能总量迅速变化.生态服务功能空间格局特征与景观破碎化的结果相似,城市外围区拥有大面积的森林、农田和湿地往往成为城市的绿色核心,因而在空间上呈现由外向内的梯度分布.1.4城市化的建设促使城市生态建筑的连通性降低景观连通性是指景观单元之间连续性的生物学量度,分为空间连通性和功能连通性.城市化最重要的特征就是高效的道路网络,便捷的信息通道,所谓三通一平.而这些城市化的建设措施将人类的资源利用思路钉在了自然框架上,加剧了景观破碎化程度,形成了条块化的城市结构,也使水系、湿地、森林等城市基础生态设施之间的景观连通性降低,阻断了生物交流的通道,影响生态系统中各种生态过程正常进行.2城市基础生态设施景观格局是由大尺度变化的一个重要因素组成的一个.空间格局的成因可以归纳为三类:非生物因素、生物因素和人为因素.非生物因素和人为因素在一系列尺度上均起作用,而生物因素通常只在较小的尺度上成为格局的成因.大尺度上的非生物因素(如气候、地貌、地形)等为景观格局提供了物理模板,生物和人为的过程通常在此基础上相互作用而产生空间格局.城市化的影响因素同时也是城市基础生态设施景观格局的影响因素,但所起的作用略有不同.城市包括其中的各种景观要素,是人类生产生活等改造利用自然资源的活动与区域自然环境之间长期相互作用的结果,是人类社会高度发达的产物,因此人类活动是影响和改变区域生态环境的最重要因素之一.2.1空间格局方面区域自然地理条件主要包括区域地形地貌、气候、水文和资源分布等自然地理特征,是城市建设与发展赖以维持的基础,同时区域自然环境提供了一张模板和框架,对城市区域生态基础设施发展起到极为重要的限制作用.在人类活动影响较为薄弱的城市发展初级阶段,城市生态基础设施的景观结构主要受到区域自然环境条件的制约,在此状况下所形成的景观格局相对稳定,格局动态较为平缓,生态基础设施格局特征体现出区域自然地理环境特征,一些受环境因素制约的城市就表现得比较明显.特别是从区域尺度来讲,自然资源对城市生态基础设施布局起到控制作用,而且现代的城市规划往往注重现有自然山水资源的保护与利用,使得这种作用更为明显.例如从区域尺度来看,武汉市城市生态基础设施呈现出沿两江和主要湖泊水系分布的格局特征.特别随着结合自然的城市规划发展运用,自然地理要素在城市发展方向方面变得越来越重要.例如俞孔坚等在浙江台州市景观规划过程中所倡导的生态安全格局模式,最重要的内容之一就是针对台州水文等区域自然环境条件做出的生态基础设施规划.2.2城市职能与城市生态基础设施景观格局城市管理政策与管理方向是城市人类活动趋向的一种归纳.城市的发展动态与城市生态基础设施格局动态是关联的.城市管理政策与城市职能定位密切相关.城市的职能是指城市在一定区域内政治、经济、文化中的作用与地位,通常结合城市自身的条件,综合考虑较大尺度上对城市发展需要而确定的.城市职能直接影响着城市规划和基本格局的确定,进而决定着城市基础生态设施的基本格局和规划发展状况.在不同的城市职能框架下,城市生态基础设施的规划与建设必然不同.例如城市外围区土地利用弹性较大,在城市管理中往往作为缓解核心区土地生态利用矛盾的区域.因此,城市核心区生态基础设施景观格局与城市外围区会有着明显差异,尹海伟等对济南市城市绿地梯度的研究也表明城市管理政策深刻影响城市生态基础设施景观格局.2.3城市生态基础设施的基本格局道路河流等主要交通因素是影响生态系统分布格局的重要因素,城市区域密集的道路交通网络,构成了现代化城市的基础框架,也是城市化进程的基础,这种情况在城市化活跃的各类开发区中比较普遍,即“三通一平”.必然将原有的区域分割块化,也决定了城市生态基础设施的基本格局.2.4独特的区域文化城市格局是地域文化的一种信息载体,城市景观要素布局形态体现着人类对资源利用方式的理解,同时又能与人类之间长期互动和反馈.人类在长期与自然互动过程中,不同的区域形成了独特的生态学文化,例如我国传统的风水文化就是一个明显的例子.这些独特的区域文化影响着特定区域人类对自然利用模式,因而成为影响城市生态基础设施的重要因素.3生态基础设施景观结构的生态监管机制3.1生态功能的评价:系统生态服务功能的评价,是生态二城市化的重要特征就是城市生态系统失衡,即生态压力与系统生态服务功能的不协调发展.城市生态压力是从系统的角度对城市生态消费与城市生态生产的评价,生态足迹与生态承载力分析是其重要内容,用量化的方法对城市生态需求予以表述,这在城市规划或城市生态基础设施规划中是非常必要的,对城市发展目标和城市生态建设都有明确的指导意义.而系统生态服务功能的评价则是从城市基础生态设施的生态产出上进行量化,这样一来对于城市生态需求就可以与城市基础生态设施有一个数量化的对接平台.目前这方面的研究较多,但由于城市生态系统是一个复杂的开放系统,这种数量化的对接必然是一项相当复杂的工作.3.2生态适宜性评价对区域景观资源基础的评价和理解是区域生态优化或者自然资源永续利用的基础.生态适宜性评价体现了人类对区域自然环境条件的理解和尊重,是城市可持续发展的基石.适宜性评价是在20世纪60年代出现在城市规划领域的,随着计算机技术和GIS技术的不断发展适宜性评价也得到了重要发展.城市生态适宜性评价运用于城市规划能够保证发挥城市自然资源环境的特性和效率,在合适的地方建设或者保留适合的生态基础设施,例如城市绿地建设中生态位分析.生态脆弱性和生态敏感性是从另一个方面对生态适宜性的理解.强调的是区域生态系统对人类活动的反馈作用.3.3基于景观格局与生态过程的哲学分析方法景观结构与过程之间的联系与反馈是景观生态学的基本命题,生态学系统在空间和时间上的异质性是普遍特征,是区域范围内各种景观流作用的结果,日益俱增的人为干扰使这些特征更加突出.而景观格局可以有规律的影响区域内生态过程的进行.因此,强调多尺度上空间格局与生态学过程相互作用和缀块动态的景观生态学观点为解决实际的环境问题和生态问题提供了一个更为有效的概念框架.一些基于景观格局与过程分析的概念模型为景观格局优化提供了指导性的基础.Forman认为集中与分散相结合的景观格局构型是适应于任何景观的最优模式.而生态安全格局也是一种重要方法,通过对景观过程进行模拟,确定景观过程的源、汇和阻力面的分析,从而判断战略性景观组分.而这些战略性的组分,即生态关键区,是指对生态过程有控制作用的特殊景观要素.实际上这是一种景观过程“引力场”途径,景观引力场用于城市绿地系统的评价,能够更好地反映城市绿地的空间分布格局,也为城市生态基础设施格局优化提供了有效途径.3.4城市生态基础设施景观格局的尺度特征过程产生格局,格局作用于过程,无论是时空上的格局还是结构与功能上的格局,都与观察尺度密切相关,景观格局随空间尺度变化有明显变化;因此,寻求格局与过程相互作用关系的过程中,景观格局的形成原因和机制在不同尺度上往往是不同的,不同因素在景观格局的形成过程中的重要性随尺度的变化而异,一个城市化区域宏观的生态基础设施格局是该区域的生态框架,而关键生态区和生态过程则是中小尺度的组成器官.尺度是必要的研究内容.传统的城市绿地系统规划过分重视人类尺度的规划,而城市基础生态设施作为一个失衡的生态系统的重要组成部分,对其从区域生态系统尺度的分析与调控往往是必要的.生态基础设施景观格局特征的时间动态也可以看作是城市区域生态系统在城市化过程中的反馈作用.3.5城市生态基础设施景观生态恢复的目标城市生态基础设施不仅是对现有生态基础设施的描述,更重要的是作为城市生态系统健康与可持续性的重要基石,需要适应城市化进程,并在一定程度上对城市化过程进行调控与引导.城市化造成城市廊道和生态过程的断裂,生态服务功能退化,因此,景观生态恢复与重建是构建安全的区域生态格局的关键途径.其目标是建立一种由结构合理、功能高效、关系协调的模式生态系统(modelecosystem)组成的模式景观(modellandscape),以实现生态系统健康、生态格局安全和景观服务功能持续.特别是作为城市生态构架的生态基础设施中所包含的大量生态廊道、生态关键单元应作为景观生态恢复的重点区域,对维护区域景观连通性与完整性具有重要意义.构建不同尺度上的稳定群落和景观构型,维持健康的生态服务功能应该作为城市生态基础设施景观生态恢复的目标.4城市生态基础设施景观格局优化的必要性与对策城市化过程是一个复杂而又急剧的景观变化过程,总体上呈非线性、多反馈性等复杂特点,其对于城市景观变化的驱动作用巨大.城市生态基础设施是城市生态服务功能的主要提供者,也是城市生态系统的支持者,其景观结构对其生态服务功能的正常发挥有着重要影响.将生态基础设施格局优化