楊務(wù)發(fā)，余坤勇，趙各進(jìn)，耿建偉，趙秋月，楊柳青，劉 健,3

（1.福建農(nóng)林大學(xué) 園林學(xué)院, 福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué) “3S”技術(shù)與資源優(yōu)化利用福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實驗室, 福建 福州 350002；3.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院, 福建 福州 350002）

城市熱島效應(yīng)成為困擾城市發(fā)展的主要障礙和難點(diǎn)，如何通過生態(tài)途徑協(xié)調(diào)城市發(fā)展與環(huán)境問題之間的關(guān)系，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。自然山水架構(gòu)在調(diào)和城市中的人工—自然矛盾體之間發(fā)揮了重要的生態(tài)效能，為解決城鎮(zhèn)化進(jìn)程中出現(xiàn)的“城市病”提供了最基本的生態(tài)解決途徑之一。綠色廊道將城市公園、街頭綠地、自然保護(hù)地、農(nóng)田、濱水濕地和山地等串聯(lián)構(gòu)成具有自我維持能力的動態(tài)綠色景觀結(jié)構(gòu)體系[1]。作為城市最重要的生態(tài)載體之一，綠色廊道的空間分布和結(jié)構(gòu)特征對改善城市熱環(huán)境具有重要的生態(tài)效益。不同的綠地類型、形態(tài)、結(jié)構(gòu)和植物群落等構(gòu)成的綠色廊道對降低城市熱島強(qiáng)度的生態(tài)調(diào)節(jié)功能和效益各不相同。綠色廊道按空間結(jié)構(gòu)特征分為：線狀綠色廊道、帶狀綠色廊道和河流型綠色廊道等[2]。按功能類型分為：生態(tài)型綠色廊道、文化與歷史遺產(chǎn)型綠色廊道、休閑游憩型綠色廊道等[3]。

綠色廊道的路徑選線直接影響其空間屬性特征，因此，通過優(yōu)化綠色廊道的景觀格局來降低城市的熱島強(qiáng)度是行之有效的生態(tài)途徑和方法。根據(jù)不同的研究目標(biāo)，研究人員基于興趣點(diǎn)( point of interest，POI)、選線適宜性評價、生態(tài)適宜性分析、多源數(shù)據(jù)與深度學(xué)習(xí)、層次分析法、重力模型、最小累積阻力模型(minimum cumulative model，MCR)、環(huán)境公平視角等方法對綠色廊道的選線和評價進(jìn)行了深入探討[4-9]。有研究表明：當(dāng)城鎮(zhèn)綠化覆蓋率達(dá)到50%時，地表溫度下降約13 ℃，城市熱島效應(yīng)可基本消除[10]。本研究以改善城市熱環(huán)境為目標(biāo)，基于MCR模型與水文流域模型，對福建省福州市綠色廊道的景觀格局進(jìn)行優(yōu)化分析，為城市規(guī)劃和建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

福州市位于中國東南沿海 (25°15′～26°39′N，118°08′～120°31′E)，屬于中、南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，常年雨量充沛，夏季高溫濕熱，逆溫頻率高，持續(xù)時間長，城市熱島效應(yīng)明顯。福州市位于河口盆地中心，主城區(qū)被海拔600～1 000 m的蓮花山、鼓山、五虎山和旗山等群山環(huán)繞，形成“枕山、襟江、面?！钡淖匀坏乩憝h(huán)境特征。為更全面地分析熱島效應(yīng)與綠色廊道的空間關(guān)系，研究范圍選取鼓樓區(qū)、臺江區(qū)、晉安區(qū)、倉山區(qū)、馬尾區(qū)、長樂新區(qū)及閩侯縣等區(qū)域，總面積約1 759.95 km2。

根據(jù)《福州市中心城區(qū)綠地系統(tǒng)總體規(guī)劃(2011—2020年)》《福建省綠道網(wǎng)總體規(guī)劃綱要(2012—2020)》和《福州市綠道網(wǎng)總體規(guī)劃》，福州市共規(guī)劃省級綠道3 119.0 km，其中，6條省級綠道、3條支線和2條連接線。福州市以“沿江、沿河、環(huán)湖、達(dá)山、通公園”為目標(biāo)，整合城市自然生態(tài)和歷史人文資源，在省級綠道總體規(guī)劃框架內(nèi)，共規(guī)劃市級綠道1 238.0 km，其中，2條省級綠道、36條市級綠道、94條社區(qū)級綠道。目前，已建16條山地丘陵型綠道，86條環(huán)湖濱河型綠道，5條濱江面海型綠道，15條綠色通勤型綠道，10條歷史文化型綠道。截至2020年，全市新建168個串珠公園綠地，中心城區(qū)的綠地率達(dá)42%，綠化覆蓋率達(dá)48%，人均綠地面積超過15 m2。

1.2 數(shù)據(jù)收集與處理

研究數(shù)據(jù)主要包括：土地利用類型數(shù)據(jù)根據(jù)2019年福州市谷歌(Google)地圖2.5 m高精度影像(谷歌地圖資源共享平臺下載)，結(jié)合GB/T 721010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類》分為林地、建設(shè)用地、道路、水體、農(nóng)田、草地、未利用地，分類精度為89.84%，Kappa系數(shù)0.85。地表溫度數(shù)據(jù)由2019年9月22日Landsat 8 OLI遙感影像(美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站下載)根據(jù)輻射傳輸方程法反演獲取[11]。2019年福州市建筑矢量數(shù)據(jù)、《福州市城市總體規(guī)劃(2010—2020年)》《福州新區(qū)總體規(guī)劃(2015—2020年)》《福州市中心城區(qū)綠地系統(tǒng)總體規(guī)劃(2011—2020年)》《福州市中心城區(qū)綜合交通總體規(guī)劃(2011—2020年)》等來源于福州市規(guī)劃局網(wǎng)站。福州市90 m分辨率數(shù)字高程模型(DEM)遙感影像來源于中國地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站。影像噪聲低、幾何形變小。研究區(qū)范圍云量低于2%，滿足研究需求。

2 研究方法

2.1 生態(tài)源地的識別及重要性評價方法

根據(jù)土地利用分類數(shù)據(jù)，通過形態(tài)學(xué)空間格局模型(morphological spatial pattern analysis，MSPA)開閉運(yùn)算數(shù)學(xué)方法[12]，對柵格圖像進(jìn)行度量、識別及數(shù)據(jù)分割等操作，分別提取MSPA模型的前景數(shù)據(jù)和背景數(shù)據(jù)，得出像元層面的景觀生態(tài)斑塊，將其進(jìn)行二值化柵格處理，運(yùn)用ArcGIS軟件中的Guidos Toolbox分析工具，采用八鄰域圖像細(xì)化分析方法[13]，提取像素目標(biāo)和矢量化跟蹤，得到互不重疊的7種景觀類型和結(jié)構(gòu)：核心區(qū)、孤島、孔隙、邊緣、環(huán)道、橋接、支線，將結(jié)果按面積大小提取核心區(qū)斑塊和生態(tài)源地[14]。

景觀連通性指數(shù)是反映景觀連通度和斑塊重要性的主要依據(jù)[15-16]。本研究選取斑塊整體連通性指數(shù)(IIC)和斑塊面積比指數(shù)(DA)對源斑塊的重要性進(jìn)行評價。通過ArcGIS平臺，設(shè)定源斑塊之間連通的距離閥值。如果距離小于閾值，則視為連通；如果距離大于閾值，則視為不連通[17]。IIC指數(shù)通過計算2個斑塊之間最短路徑來確定，結(jié)果為0～1，當(dāng)值為0時，說明各斑塊間互不連通；當(dāng)值為1時，說明整個景觀單元都是生境斑塊。利用Conefor Inputs for ArcGIS插件，計算關(guān)鍵源點(diǎn)間的阻力距離值[18]。將IIC指數(shù)和DA指數(shù)的結(jié)果輸入Conefor Sensinode 2.6軟件，設(shè)置閾值距離等參數(shù)，計算綠地斑塊重要性指數(shù)(dIIC)。dIIC指數(shù)的值越高，表示各斑塊在綠地系統(tǒng)中的重要性越高。根據(jù)dIIC指數(shù)對斑塊重要性進(jìn)行評價，由此劃分生態(tài)源斑塊和綠色廊道的等級。

2.2 基于 MCR 模型的綠色廊道構(gòu)建方法

構(gòu)建綠色廊道最常用的方法是MCR模型[19]，表示生態(tài)流克服生態(tài)阻力面，從一個生態(tài)源地到另一個生態(tài)源地的最小累積距離，可確定生態(tài)源地起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間的最短費(fèi)用路徑[20]。通過阻力面賦值和權(quán)重生成最佳路徑，進(jìn)而模擬生物運(yùn)動的潛在趨勢與景觀格局改變之間的關(guān)系[21]。MCR模型是計算生態(tài)流克服不同土地利用類型阻力進(jìn)行移動的過程，需考慮生態(tài)源點(diǎn)、路徑距離和阻力因子，對生態(tài)敏感性影響因子進(jìn)行賦值和權(quán)重計算[22]。權(quán)重值通過序關(guān)系法獲取[23]。由此構(gòu)建生態(tài)綜合阻力面來表征景觀類型對生態(tài)流動的阻力影響。利用ArcGIS插件中的Build Network and Map Linkages工具計算各生態(tài)源地到各斑塊之間的費(fèi)用距離柵格(距離測算)和成本回溯鏈接?xùn)鸥駭?shù)據(jù)(費(fèi)用路徑)，利用最短路徑函數(shù)計算并生成“源”到各“網(wǎng)絡(luò)中心”耗費(fèi)最少、流動性成本最小的潛在綠色廊道。公式為：

其中：Ci表示從景觀單元i(i=1，2，3 ,···,m)到生態(tài)源的累積耗費(fèi)距離值，即最小成本的計算結(jié)果；Di表示景觀單元i到生態(tài)源的間隔距離；Fj表示空間中景觀單元j(j=1，2，3 ,···,n)對物種遷移的阻抗值。

2.3 基于水文流域模型的綠色廊道優(yōu)化方法

基于DEM數(shù)據(jù)，根據(jù)水文流域模型對水的徑流方向及路徑進(jìn)行模擬和定量化分析[24]。同理，在ArcGIS平臺中，將地表反演溫度和綠色廊道生態(tài)綜合阻力面的值等同于DEM數(shù)據(jù)，利用柵格計算器將各因子疊加的適宜性圖取反后，整個區(qū)間為負(fù)數(shù)，再將取反的適宜性圖的最小值取絕對值，使最小值為0，得到一張“反適宜性”圖，即取值高的地方不適宜，取值低的地方適宜。通過對“反適宜性”圖進(jìn)行填洼—流向—流量等步驟處理后，利用柵格計算器設(shè)定閾值。借助Flow Accumulation工具，按場地特征不斷實驗閾值來提取溫度分布域和綠色廊道分布域，采用Shreve河網(wǎng)分級工具對兩者進(jìn)行分級。

將溫度分布域和綠色廊道分布域相疊加，兩者的交點(diǎn)視為重要降溫生態(tài)節(jié)點(diǎn)，對降低熱島強(qiáng)度具有重要作用。結(jié)合綠色廊道內(nèi)部廊道之間的交點(diǎn)，與地表溫度相疊加，提取未被綠色廊道覆蓋的“熱點(diǎn)”區(qū)域，進(jìn)而優(yōu)化綠色廊道的空間分布格局。具體流程如圖1。

圖1 基于水文流域模型的綠色廊道優(yōu)化流程圖Figure 1 Greenway optimization flow chart based on hydrological basin model

3 結(jié)果與分析

3.1 福州市生態(tài)源地的識別及評價

利用ArcGIS平臺，將福州市土地分類數(shù)據(jù)的林地、草地和農(nóng)田設(shè)為MSPA模型的前景數(shù)據(jù)，建設(shè)用地、道路、水體和未利用地設(shè)為背景數(shù)據(jù)，基于MSPA模型對提取的7種景觀類型按面積從大到小排序：核心區(qū)、邊緣區(qū)、橋接區(qū)、孤島、支線、環(huán)道區(qū)、孔隙，從中篩選出面積排名前30位的核心區(qū)斑塊作為生態(tài)源斑塊，并進(jìn)行編號(表1)。

表1 福州市重要生態(tài)源地統(tǒng)計表Table 1 Overview of important ecological sources in Fuzhou City

將源斑塊間連通距離的閾值設(shè)為2 km。當(dāng)距離小于2 km時，2個斑塊間視為可連通；當(dāng)距離大于2 km時，則視為不連通。利用自然斷點(diǎn)法對30個生態(tài)源斑塊的重要性進(jìn)行評價，共分為4級：一級最重要源斑塊2個，dIIC值為25.780～39.620；二級非常重要源斑塊3個，dIIC為7.610～25.780；三級很重要源斑塊3個，dIIC為1.980～7.610；四級一般重要源斑塊22個，dIIC為0.002～1.980。源斑塊重要性分布如表2。

表2 源斑塊重要性分級統(tǒng)計Table 2 Statistical graph of the importance classification to source plaques

3.2 福州市綠色廊道的空間特征及分析

3.2.1 生態(tài)景觀阻力面分析 結(jié)合福州市河口型盆地特征，按生態(tài)適應(yīng)性分析法[25]，選取土地利用類型、地形因子、生境因子、景觀類型、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等5個生態(tài)敏感性因子，通過計算賦值和權(quán)重值，得到各類景觀單元的生態(tài)景觀阻力面分布特征。由此可知：生態(tài)景觀阻力值較高的區(qū)域集中于鼓樓區(qū)、臺江區(qū)、倉山區(qū)、馬尾區(qū)和晉安區(qū)等主城區(qū)。其中，長樂新區(qū)生態(tài)景觀阻力值較高的區(qū)域集中于老城區(qū)、營前新區(qū)、各鄉(xiāng)鎮(zhèn)建成區(qū)及機(jī)場等，閩侯縣集中于大學(xué)城、高新區(qū)、甘蔗縣城、青口鎮(zhèn)區(qū)、南嶼鎮(zhèn)區(qū)和南通鎮(zhèn)區(qū)等。閩江流域因?qū)ξ锓N遷移和擴(kuò)散構(gòu)成較大阻力，生態(tài)景觀阻力值較高；環(huán)繞主城區(qū)的五虎山、旗山、蓮花山、鼓山和天臺山等大面積自然林地，生態(tài)景觀阻力值較小，構(gòu)成生境斑塊的基底。

3.2.2 福州市綠色廊道空間分布特征 將5個生態(tài)敏感性因子的景觀生態(tài)阻力面進(jìn)行加權(quán)疊加，得到綜合生態(tài)阻力面?；贛CR最小累積阻力模型的最小路徑工具計算起點(diǎn)與終點(diǎn)的最小費(fèi)用路徑，模擬源斑塊間相互連接的潛在綠色廊道。

將篩選出的30個重要生態(tài)源地與城市道路矢量數(shù)據(jù)、城市水系矢量數(shù)據(jù)、潛在綠色廊道等進(jìn)行加權(quán)疊加，獲得福州市潛在綠色廊道合成圖。由此可知：潛在綠色廊道共74條，在主城區(qū)鼓樓區(qū)、臺江區(qū)、倉山區(qū)中北部、晉安區(qū)主城區(qū)、馬尾區(qū)主城區(qū)、閩侯上街和高新區(qū)等分布均比較少，主要因為這些區(qū)域建設(shè)密度大，土地利用集約化程度高，地形因子影響大，綜合生態(tài)阻力高。在倉山區(qū)東部、馬尾瑯岐、長樂新區(qū)濱海新城、閩侯南嶼鎮(zhèn)至青口區(qū)域、晉安區(qū)北部等分布比較多，說明這些區(qū)域生態(tài)阻力小，重要斑塊分布多，景觀破碎度低，連通性高，利于綠色廊道生態(tài)路徑的形成。

結(jié)合源斑塊重要性等級劃分結(jié)果，將起點(diǎn)或終點(diǎn)為一級源斑塊的廊道定義為一級廊道，將起點(diǎn)或終點(diǎn)為二級源斑塊的廊道定義為二級廊道，其他等級以此類推。因此，如表3可見：福州市綠色廊道分為4級，共74條，總長度918.11 km。其中，一級9條，132.88 km，占14.47%；二級14條，207.48 km，占22.60%；三級14條，153.57 km，占16.73%；四級37條，424.18 km，占46.20%。

表3 福州市綠色廊道分級概況Table 3 Classification of greenway in Fuzhou City

3.3 福州市綠色廊道的景觀格局優(yōu)化分析

3.3.1 綠色廊道降溫生態(tài)節(jié)點(diǎn)空間分布 綠色廊道各路徑之間匯聚相交的點(diǎn)是重要的生態(tài)節(jié)點(diǎn)，對降低城市熱島強(qiáng)度具有重要的作用。利用ArcGIS平臺，識別綠色廊道內(nèi)部的生態(tài)“交點(diǎn)”。由此：共生成80個生態(tài)“交點(diǎn)”，主要分布于城區(qū)周邊的自然林地生態(tài)斑塊，以及城區(qū)內(nèi)部的大型城市綠地和山體公園，中心主城區(qū)因綠地斑塊破碎化嚴(yán)重，連通性較差，內(nèi)部生態(tài)“交點(diǎn)”稀少。其中，鼓樓區(qū)2個，倉山區(qū)3個，晉安區(qū)6個，臺江區(qū)無生態(tài)“交點(diǎn)”。馬尾區(qū)和閩侯縣因分布數(shù)量較多的自然生態(tài)林地和森林公園等，分別有生態(tài)“交點(diǎn)”13個和14個，長樂新區(qū)因分布大面積的農(nóng)田、山體公園、濕地保護(hù)區(qū)等，生態(tài)“交點(diǎn)”高達(dá)42個。

根據(jù)水文流域模型，將綠色廊道分布域圖和溫度分布域圖疊加，共識別降溫生態(tài)節(jié)點(diǎn)176個。由圖2可知：鼓樓區(qū)有降溫生態(tài)節(jié)點(diǎn)8個，倉山區(qū)21個，晉安區(qū)14個，臺江區(qū)1個，馬尾區(qū)27個，長樂新區(qū)63個，閩侯縣42個。中心城區(qū)生態(tài)節(jié)點(diǎn)分布較少，說明綠色廊道對主城區(qū)熱島效應(yīng)的緩解作用較弱，需對其數(shù)量和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加主城區(qū)的降溫生態(tài)節(jié)點(diǎn)，提升城區(qū)夏季的熱舒適度，增強(qiáng)綠色廊道的生態(tài)效益。

3.3.2 福州市綠色廊道優(yōu)化分析 將福州市綠色廊道與地表溫度疊加分析，由此識別出35處需降溫區(qū)域(圖2)，其中，鼓樓區(qū)2處、倉山區(qū)9處、晉安區(qū) 6處、臺江區(qū)2處、馬尾區(qū) 4處、長樂新區(qū)4處、閩侯縣8處。以識別的降溫區(qū)域為導(dǎo)向，基于緩解城市熱島效應(yīng)為目標(biāo)，將福州市綠色廊道與城市用地分類矢量數(shù)據(jù)、綠色廊道生態(tài)“交點(diǎn)”、降溫生態(tài)節(jié)點(diǎn)、地表溫度等疊加后，在原有74條綠色廊道的基礎(chǔ)上，新增綠色廊道14條，主要包括道路型綠色廊道和濱水型綠色廊道2種類型(表4)。其中，道路型綠色廊道8條，主要由城市主干道路構(gòu)成；濱水型綠色廊道6條，主要由閩江和烏龍江流域，以及城市內(nèi)河構(gòu)成。

圖2 綠色廊道降溫生態(tài)節(jié)點(diǎn)和需降溫區(qū)域分布Figure 2 Distribution of cooling ecological nodes and cooling areas in greenway

表4 福州市優(yōu)化新增綠色廊道統(tǒng)計Table 4 Statistical table of optimized new greenways in Fuzhou City

結(jié)合《福州市城市總體規(guī)劃(2010—2020年)》《福州新區(qū)總體規(guī)劃(2015—2020年)》《福州市中心城區(qū)綠地系統(tǒng)總體規(guī)劃(2011—2020年)》《福州市中心城區(qū)綜合交通總體規(guī)劃(2011—2020年)》等，對新增綠色廊道的路徑選線進(jìn)行合理性驗證和分析，研究結(jié)果基本滿足要求。優(yōu)化后的綠色廊道共88條，廊道數(shù)量和類型更豐富，景觀格局空間分布和結(jié)構(gòu)特征更合理。綠色廊道對城市熱點(diǎn)區(qū)域的覆蓋更全面，對改善城市熱島具有更明顯的生態(tài)調(diào)節(jié)功能。在福州市大山水格局的生態(tài)框架下，結(jié)合城市總體規(guī)劃和用地布局，對福州市綠色廊道的寬度、走向、植物配置形式等方面進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃和全局統(tǒng)籌，并通過制定行之有效的保護(hù)措施和法律法規(guī)，提升綠色廊道的空間結(jié)構(gòu)分布特征，發(fā)揮綠色廊道的生態(tài)效益和功能。

4 結(jié)論與討論

本研究選取具有河口型盆地地貌特征的福州市為對象，以改善城市熱環(huán)境為目標(biāo)，基于MCR模型和水文流域模型，對福州市綠色廊道的景觀格局進(jìn)行優(yōu)化和分析。主要結(jié)論如下：①根據(jù)MSPA模型和源斑塊重要性評價，將提取的30個生態(tài)源斑塊分為4級：一級最重要斑塊(2個)、二級非常重要斑塊(3個)、三級很重要斑塊(3個)、四級一般重要斑塊(22個)。結(jié)合生態(tài)適應(yīng)性分析法，由土地利用類型、地形因子、生境因子、景觀類型、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等5個生態(tài)敏感性因子構(gòu)建綜合生態(tài)阻力面。②通過MCR模型計算綜合生態(tài)阻力面的最小成本路徑，由此生成74條綠色廊道，總長度918.11 km：一級9 條，132.88 km；二級 14 條，207.48 km；三級 14 條，153.57 km；四級 37 條，424.18 km。將綠色廊道與城市地表溫度疊加，共識別80個生態(tài)“交點(diǎn)”、35處未覆蓋需降溫區(qū)域，表明綠色廊道的降溫效果不夠明顯，景觀格局需進(jìn)一步優(yōu)化提升。③利用水文流域模型，將綠色廊道分布域與溫度分布域疊加生成176個降溫生態(tài)節(jié)點(diǎn)。據(jù)此新增14條綠色廊道：8條道路型綠色廊道和6條濱水型綠色廊道。優(yōu)化后的福州市綠色廊道共計88條，廊道路徑與城市上位規(guī)劃相符合，整體空間分布更合理，對城市熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋更全面，降溫效果更明顯，緩解城市熱島效應(yīng)的生態(tài)調(diào)節(jié)功能更突出。