羅 珂,田立濤,何 豫,王少劍,*

1 廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院,廣州 510060 2 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,廣州 510006

在全球化時代下,城市在世界社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)主導(dǎo)地位,城市化已經(jīng)成為一種不可逆的發(fā)展趨勢。截至2018年,世界上55%的人口居住在城市中,預(yù)計到2050年,全球城市化率有望達(dá)68%[1]?？焖俚某鞘谢M(jìn)程產(chǎn)生了一系列的生態(tài)環(huán)境問題,不僅對城市生態(tài)系統(tǒng)造成直接或間接的影響,還嚴(yán)重威脅了人類的生存和發(fā)展。城市通過擴(kuò)張和更新的方式改變其現(xiàn)狀肌理,促使城市空間結(jié)構(gòu)及形態(tài)發(fā)生演變,進(jìn)而影響城市邊界內(nèi)外的物理、生態(tài)和社會經(jīng)濟(jì)過程[2—4];加劇與原有生態(tài)系統(tǒng)的相互作用和博弈,影響城市生態(tài)環(huán)境的良性平衡,最終影響城市以及區(qū)域的高質(zhì)量發(fā)展[5—7]。所以,有必要厘清城市空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的關(guān)聯(lián)機(jī)理,以便更好地掌握和服務(wù)城市生態(tài)系統(tǒng)。

城市空間結(jié)構(gòu)對城市的集聚與擴(kuò)散過程起到基礎(chǔ)性作用,主要包括城市形態(tài)和城市各系統(tǒng)相互作用兩方面,其中城市形態(tài)是指城市各個要素(包括物質(zhì)場所、自然環(huán)境、人類群體和社會經(jīng)濟(jì)活動等)的空間分布模式;城市相互作用是把城市中人類與自然、經(jīng)濟(jì)、社會和文化等因素相互作用的結(jié)果整合成為一個個功能各異的子系統(tǒng)[8—10]。城市空間結(jié)構(gòu)通過一定的組織原則,把城市形態(tài)和各個子系統(tǒng)相連接,整合成為一個較為完整的城市系統(tǒng)。因此,城市空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之間產(chǎn)生相互影響、作用和博弈,對城市的建設(shè)發(fā)展、居民健康、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和生物多樣性等方面具有重要影響,逐漸成為近年來學(xué)者們探討的熱點(diǎn)問題。

國內(nèi)外不同領(lǐng)域?qū)W者對城市空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行探討研究,學(xué)者們基于不同的學(xué)科知識背景,對城市空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的不同要素進(jìn)行定性與定量分析,使得研究成果呈現(xiàn)出多元化、分散化和廣泛化的特點(diǎn)。目前關(guān)于兩者關(guān)聯(lián)性研究的綜述性文章較少,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為城市空間結(jié)構(gòu)對城市運(yùn)行及各要素有一定鎖定效應(yīng),對提高城市土地利用率、緊湊度、人口密度、能耗效率和景觀布局等方面有重要作用[11—14]。也有學(xué)者進(jìn)行城市空間結(jié)構(gòu)對生態(tài)環(huán)境某一要素的關(guān)聯(lián)性總結(jié)[15—20],忽視了生態(tài)環(huán)境問題的“全貌”和演化機(jī)理。對于城市研究者而言,如何改善城市環(huán)境、實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展是亟待解決的科學(xué)問題?；诖?本文采用文獻(xiàn)計量方法,嘗試梳理英文文獻(xiàn)中城市空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境關(guān)聯(lián)性研究的發(fā)展脈絡(luò)和核心內(nèi)容,總結(jié)現(xiàn)有研究在發(fā)文總量、來源期刊、研究核心熱點(diǎn)等方面的特征,揭示該領(lǐng)域現(xiàn)有研究存在的問題和不足,并對未來研究熱點(diǎn)進(jìn)行展望。

1 對象與方法

1.1 數(shù)據(jù)搜集與處理

本文所用數(shù)據(jù)源于Web of Science核心合集,采用構(gòu)建檢索式方法對科學(xué)引文索性擴(kuò)展版(SCI-EXPANDED)和社會科學(xué)引文索引(SSCI)兩大引文索引數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)計分析,時間跨度為1999—2020年。檢索主題為#1城市空間結(jié)構(gòu):檢索式(TS)=urban spatial structure、urban structure、urban space、urban form等;#2生態(tài)環(huán)境:TS=environment、ecological environment、environmental effect、ecological effect等及關(guān)鍵組成要素,例如CO2、carbon sink、carbon reserve、urban heat island、biodiversity、biomass、air pollution、water pollution、soil pollution、noise pollution等;#3:對研究話題進(jìn)一步組合識別,通過將城市空間結(jié)構(gòu)關(guān)鍵詞與多種生態(tài)環(huán)境關(guān)鍵詞進(jìn)行組合,得到#1 (8639篇)和#2 (3313674篇)共2588篇文獻(xiàn),以選出探討城市空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境相互作用文章的摘要、關(guān)鍵詞等關(guān)鍵信息。將檢索結(jié)果導(dǎo)出“全紀(jì)錄與引用的參考文獻(xiàn)”,以TXT格式下載,使用Citespace的去重工具得到2580篇城市空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境關(guān)聯(lián)性的有效文獻(xiàn)。

1.2 分析工具與方法

面對海量的文獻(xiàn)數(shù)據(jù),憑借信息可視化工具將數(shù)據(jù)通過圖譜的形式直觀呈現(xiàn)出來,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多元、歷時性動態(tài)可視化分析[21]。目前較為主流的可視化軟件VOSviewer[22]、Citespace[23]、HistCite等[24],多應(yīng)用于情報學(xué)、管理學(xué)等領(lǐng)域。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、真實和全面,以可視化圖譜形式來揭示知識間聯(lián)結(jié)和演進(jìn)規(guī)律,識別該領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)程中的熱點(diǎn)前沿,本文選擇由萊頓大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究中心(CWTS)多次檢驗的免費(fèi)軟件VOSviewer(VOS)為主[25],借助它對英文文獻(xiàn)的強(qiáng)大分析功能,對文獻(xiàn)核心關(guān)鍵詞進(jìn)行分析;使用Citespace軟件對文獻(xiàn)做聚類魚眼趨勢圖分析,找到當(dāng)前研究的前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域。由于不同學(xué)科關(guān)注點(diǎn)有所不同,加上本文的研究數(shù)據(jù)具有一定局限性,因此在文獻(xiàn)計量分析基礎(chǔ)上,通過對高被引和前沿?zé)狳c(diǎn)文獻(xiàn)深入閱讀,來實現(xiàn)對城市空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境關(guān)聯(lián)性的主要研究內(nèi)容和熱點(diǎn)研究趨勢進(jìn)行梳理總結(jié)。

2 結(jié)果與分析

2.1 文獻(xiàn)時間序列分析

對城市空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境關(guān)聯(lián)性研究的文獻(xiàn)總量進(jìn)行統(tǒng)計分析(圖1),根據(jù)各年度論文發(fā)表情況,將研究進(jìn)程劃分為緩慢增加-平穩(wěn)上升-波動驟增3個階段。其中1999—2009年期間發(fā)文量為329篇,僅占發(fā)文總量的12.75%,呈現(xiàn)出波動式的緩慢增加態(tài)勢,表明已有學(xué)者把城市空間結(jié)構(gòu)作為影響生態(tài)環(huán)境的一種因素進(jìn)行研究;2010—2015年期間發(fā)文量為750篇,約占發(fā)文總量的29.07%,呈現(xiàn)出穩(wěn)步提升趨勢,表明研究者逐步重視城市空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境存在何種關(guān)聯(lián);2016—2020年期間發(fā)文量為1501篇,約占發(fā)文總量的58.18%,波動驟增趨勢明顯,表明近年來不同學(xué)科領(lǐng)域?qū)W者從不同視角的關(guān)注點(diǎn)切入,探討包括碳排放、空氣污染和土壤污染等日益嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題,以及其關(guān)聯(lián)性的影響因素和發(fā)展趨勢。

圖1 每年發(fā)表總論文數(shù)(1999—2020年)Fig.1 Annual number of articles from 1999 to 2020

2.2 來源期刊與學(xué)科特征分析

通過對文獻(xiàn)出版的主要來源期刊和Web of Science的學(xué)科領(lǐng)域類別進(jìn)行梳理,能夠清晰地厘清該研究領(lǐng)域的學(xué)科分類。根據(jù)前十來源出版物(圖2),表明文獻(xiàn)期刊發(fā)表相對較為分散,其中刊文量最多的期刊是Sustainability;其次為ScienceoftheTotalEnvironment、LandscapeAndUrbanPlanning、JournalofCleanerProduction和EcologicalIndicators等。在此基礎(chǔ)上,對Web of Science進(jìn)行類別梳理分析,得到學(xué)科分類占比表(表1),城市空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境關(guān)聯(lián)性的研究主要集中在環(huán)境科學(xué)(64.34%)、城市規(guī)劃學(xué)(18.26%)、生態(tài)學(xué)(15.62%)、地理學(xué)(15.43%)、氣象學(xué)和大氣科學(xué)(11.74%)等學(xué)科領(lǐng)域(由于一篇文獻(xiàn)可能屬于多個類別,所以占比超過100%),表明兩者關(guān)聯(lián)性研究已經(jīng)成為多學(xué)科共同關(guān)注的熱點(diǎn)方向之一。

表1 Web of Science學(xué)科分類占比表Table 1 The table of subject classification (on the basis of Web of Science)

圖2 前十來源出版物的發(fā)文量Fig.2 Number of articles published in the top 10 source publications

2.3 關(guān)鍵詞特征分析

關(guān)鍵詞和文獻(xiàn)研究主題都是反映本領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容和熱點(diǎn)前沿,也是對文獻(xiàn)內(nèi)容的高度概括。首先,本文采用VOSviewer軟件對數(shù)據(jù)中“作者關(guān)鍵詞”進(jìn)行預(yù)處理(合并和刪減無意義關(guān)鍵詞),設(shè)置出現(xiàn)頻次閾值為5,共生成288個關(guān)鍵詞,并繪制關(guān)鍵詞聚類圖譜(圖3)。如圖3所示,作者關(guān)鍵詞聚類共分為11種顏色聚類,由于本文以城市空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的關(guān)聯(lián)性研究為主,因此提取這兩者相關(guān)聯(lián)的聚類,主要包括“urban form”與藍(lán)色聚類(CO2排放等)、紅色聚類(生物多樣性、水環(huán)境等)、褐色聚類(土壤環(huán)境等)、黃色聚類(空氣污染等)和綠色聚類(城市熱島效應(yīng)等)五大聚類、六大類核心內(nèi)容,通過與城市形態(tài)的連線越多并且較粗,一定程度上說明了兩者之間的關(guān)聯(lián)性也較為密切。

圖3 關(guān)鍵詞聚類圖譜Fig.3 Keyword clustering map

另外,使用Citespace對文獻(xiàn)進(jìn)行聚類分析,時間設(shè)為1999—2020年,時間切片設(shè)為2年,以潛在語義索引(LSI)方法進(jìn)行關(guān)鍵詞聚類,模板值為0.5201,認(rèn)為聚類結(jié)果較為合理,聚類結(jié)構(gòu)顯著;聚類平均輪廓值為0.7969,反映聚類結(jié)果是高效率,值得信服;其中#0—#8依次分別為城市生態(tài)、物理活動、重金屬、二氧化碳排放、氣候變化、城市熱島效應(yīng)、空氣污染、地表溫度和排放,最終以魚眼趨勢圖的方式呈現(xiàn)(圖4)。

圖4 文獻(xiàn)聚類魚眼趨勢圖Fig.4 The fish-eye trend chart of literature clustering

綜上所述,VOSviewer和Citespace的聚類顯示:近二十年來的研究熱點(diǎn)主題為城市空間結(jié)構(gòu)與CO2排放、空氣污染、城市熱島效應(yīng)等生態(tài)環(huán)境問題之間的關(guān)聯(lián),多數(shù)采用案例研究和實證分析的方式。由于全球氣候變暖和空氣質(zhì)量問題,造成城市各要素系統(tǒng)受到不同程度的損害,嚴(yán)重影響人類健康和生物棲息,給城市發(fā)展帶來諸多挑戰(zhàn),并產(chǎn)生一系列“生態(tài)病”。兩者關(guān)聯(lián)性的研究逐漸呈現(xiàn)出多元化、分散化和廣泛化特點(diǎn),并結(jié)合城市空間結(jié)構(gòu)與其相關(guān)聯(lián)的主要生態(tài)環(huán)境問題進(jìn)行論述。

3 主要研究內(nèi)容分析

3.1 城市空間結(jié)構(gòu)與能源消耗和CO2排放的關(guān)聯(lián)性

根據(jù)關(guān)鍵詞聚類連線顯示,與城市形態(tài)連線最粗且最為密切的是CO2排放,即溫室氣體排放。通過深入閱讀城市空間結(jié)構(gòu)與CO2排放關(guān)聯(lián)性的研究文獻(xiàn)后,本文認(rèn)為大致可以分為四類文獻(xiàn):①使用新技術(shù)、新方法對城市的空間形態(tài)及其變化進(jìn)行量化,分析其對CO2排放的影響,并提出“碳減排”的解決方法[26—30];②基于交通能耗的角度,探討城市與交通出行有關(guān)的空間形態(tài)要素對CO2排放的影響[31-36];③對個人、家庭和住宅的能源消耗、城市空間結(jié)構(gòu)與CO2排放之間關(guān)系進(jìn)行研究[37—43];④還有少量關(guān)于城市形態(tài)對CO2排放預(yù)測以及城市地下空間形態(tài)的能源消耗與CO2排放的文獻(xiàn)[44—47]。

另外,城市空間結(jié)構(gòu)主要包括建成環(huán)境、空間網(wǎng)絡(luò)、擴(kuò)張模式三方面,直接或間接影響CO2排放。在建成環(huán)境方面,主要采用密度(人口、住房、就業(yè)等)、多樣性(土地混合利用和出行行為等)、規(guī)模大小(城市和各類用地斑塊)、單中心、多中心以及建筑物朝向和陰影等要素指標(biāo)。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為密度對CO2排放的影響是間接的,主要通過人類活動對通勤距離的長短、出行行為的偏好和住房類型的選擇等來影響能源消耗,進(jìn)而影響CO2排放[38,42,48—49]。在城市中心區(qū)域,往往分布大量的就業(yè)機(jī)會、密集的建筑物以及發(fā)達(dá)的公交地鐵網(wǎng),滿足居民生活的方方面面,因此與CO2排放的關(guān)系呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)[35,36,44]。但是,隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,各類用地斑塊逐步趨向破碎化,有些發(fā)達(dá)的城市地區(qū)還會形成多中心的城市空間結(jié)構(gòu),這些也會對能源消耗產(chǎn)生的CO2排放造成影響。還有學(xué)者認(rèn)為建筑物的朝向和陰影等對能源使用有一定關(guān)系[50],如Ko等在加州的研究中認(rèn)為東西向的街道方向、房屋東南面特別是房屋西側(cè)有較大植被,對減少夏季制冷能源的使用具有顯著影響[41]。

在空間網(wǎng)絡(luò)方面,以道路交通網(wǎng)絡(luò)為主,采用可達(dá)性、連通性、到中央商務(wù)區(qū)(CBD)的距離以及道路的設(shè)計和層級結(jié)構(gòu)等因素。一般認(rèn)為公共交通可達(dá)性高、道路連通效果好、到CBD的距離較短或適中,有利于減少交通通勤相關(guān)的CO2排放量[51]。通過城市土地利用規(guī)劃,設(shè)計出社區(qū)居民適合步行或騎行的街道,土地利用混合度高的城市用地,便于居民更傾向“低碳”出行[31,43,47]。在擴(kuò)張模式方面,即為城市化過程中采用緊湊型、還是分散型發(fā)展方式,衍生出更為復(fù)雜的城市空間結(jié)構(gòu),從而影響CO2排放。尤其是基礎(chǔ)設(shè)施處于新興階段的發(fā)展中國家城市,采用緊湊的城市形態(tài)和交通規(guī)劃可以鼓勵更高的人口密度,有利于避免形成高碳排放模式,而迫使城市形態(tài)碎片化或不規(guī)則性可能會增加CO2排放[27,37,45,52]。究竟選擇何種城市開發(fā)建設(shè)模式也是學(xué)者討論的焦點(diǎn),在北美城市以“公共交通為導(dǎo)向(TOD)”的開發(fā)模式已經(jīng)較為成熟[53],在我國采取“城市公園(POD)”、“自行車交通(BOD)”,還是“TOD”為導(dǎo)向的開發(fā)模式應(yīng)該因城而議,適度開發(fā)。綜上所述,根據(jù)城市空間結(jié)構(gòu)與CO2排放關(guān)聯(lián)性的已有研究文獻(xiàn)來看,多數(shù)學(xué)者都是探討兩者關(guān)聯(lián)性的影響機(jī)制并提出合理化的碳減排措施。但同時也存在以下問題:一方面,由于影響因素的選擇上存在差異性,因此沒有形成一套綜合的城市空間結(jié)構(gòu)量化指標(biāo)體系,從而影響因子產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱也存在差異;另一方面,提高能源使用效率、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、控制CO2直接排放等措施雖然已經(jīng)基本得到認(rèn)可,然而卻無法從根本上解決溫室氣體大量排放的問題,因此需要深入挖掘CO2排放的潛在影響因素,綜合研究優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)、提高公共交通運(yùn)行效率、預(yù)測CO2排放趨勢和減少碳足跡等多方面。

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出,未來應(yīng)著眼于構(gòu)建綜合的評價指標(biāo)體系和高效可行的“碳減排”方法作為城市研究的“側(cè)重點(diǎn)”與城市規(guī)劃建設(shè)的“發(fā)力點(diǎn)”,促進(jìn)城市實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的低碳目標(biāo)。通過遙感和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)構(gòu)建度量城市空間結(jié)構(gòu)的綜合指標(biāo)體系,來分析城市在不同發(fā)展階段和不同發(fā)展模式上差異化的關(guān)聯(lián)特征,揭示不同城市空間結(jié)構(gòu)對CO2排放的影響機(jī)理,提出多維度的城市碳排放績效提升路徑,實現(xiàn)城市低碳發(fā)展和空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)。另外,可以借鑒計算機(jī)科學(xué)的群集智能算法,結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)和元胞自動機(jī)模型,建立基于空間結(jié)構(gòu)和形態(tài)的城市碳排放情景模擬模型,預(yù)測社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景和模擬城市空間擴(kuò)張,研發(fā)可操作、可推廣的低碳城市空間智能規(guī)劃技術(shù);運(yùn)用GIS技術(shù)和大數(shù)據(jù)手段,結(jié)合百度地圖基于位置服務(wù)(LBS)開放平臺的出行起點(diǎn)-終點(diǎn)(O-D點(diǎn))智能查詢系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用和出行調(diào)查問卷等方法,對居住自選擇效應(yīng)進(jìn)行檢驗和控制,探究多地理尺度與地理背景建成環(huán)境對居民出行碳排放的影響機(jī)理,分析居民出行的“碳減排”潛力,提出城市功能區(qū)空間形態(tài)優(yōu)化的措施。最后,城市作為能源利用強(qiáng)度最高的中心地區(qū),提高能源利用和轉(zhuǎn)化效率,評估能源利用碳排放變化的環(huán)境效應(yīng),結(jié)合城市總體規(guī)劃和土地利用規(guī)劃提出具有針對性的短期和中長期調(diào)控政策,制定差異化、地區(qū)化的城市能源利用低碳化路徑,加快構(gòu)建綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系,對于未來建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型城市至關(guān)重要。

3.2 城市空間結(jié)構(gòu)與空氣污染的關(guān)聯(lián)性

城市空間結(jié)構(gòu)與空氣污染的關(guān)聯(lián)性主要表現(xiàn)為城市人口密度、交通和土地利用等影響城市的經(jīng)濟(jì)增長、工業(yè)生產(chǎn)、化石能源消費(fèi)和交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)等,從而影響PM10、PM2.5、SO2、NOx、CO等空氣污染物的產(chǎn)生、流動與擴(kuò)散[54—57];影響人體與污染物接觸的強(qiáng)度、頻率以及持續(xù)時間,嚴(yán)重?fù)p害居民身心健康,并導(dǎo)致額外經(jīng)濟(jì)損失[58—60]。另外,不同的國家和區(qū)域城市所處的發(fā)展階段和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不同,使得空氣污染物分布具有一定的時空格局差異,運(yùn)用監(jiān)測工具和測量手段不同,影響學(xué)者選取不同的污染物種類進(jìn)行研究。

以歐美為主的發(fā)達(dá)國家,城市化水平較高,城市空間結(jié)構(gòu)變化相對較小,對空氣污染的認(rèn)知水平較高、研究成果也較為豐富。研究主要認(rèn)為人口和居住密度高、公交供給量大、擴(kuò)張水平較低、綠地面積大和形狀復(fù)雜性較小等特點(diǎn)的高緊湊型城市空間結(jié)構(gòu)及形態(tài)有利于減少空氣污染,相較城市形態(tài)碎片化、無序蔓延的城市發(fā)展模式而言,對城市可持續(xù)發(fā)展的大氣環(huán)境更加友好[54,55,61—62]。另外,各國污染物排放標(biāo)準(zhǔn)有所不同,學(xué)者們在選取污染物種類和城市形態(tài)要素也會考慮本國實際情況。例如,Martins認(rèn)為葡萄牙波爾圖市的擴(kuò)張導(dǎo)致PM10年平均值和超過日極限值的增加,而O3的差異較小[58]。Cárdenas等在歐洲選取了249個大型城區(qū)進(jìn)行研究,指出碎片化、高度建設(shè)城市的SO2和PM10濃度較高,人口密集城市的SO2濃度較高[63]。在美國111個城市的O3、PM2.5以及空氣質(zhì)量指數(shù)(LAQI)污染物研究中,Clark等發(fā)現(xiàn)人口密度、人口中心度、公交供給量與空氣污染相關(guān)[57]。Bereitschaft等指出美國86個大都會地區(qū)的擴(kuò)張程度越高,O3和PM2.5的濃度也越高,而居住密度是影響O3和PM2.5濃度、NOx非點(diǎn)源排放的重要因素[64]。隨著發(fā)展中國家城市化進(jìn)程的加快,空氣污染問題也日益突出和備受關(guān)注。在借鑒發(fā)達(dá)國家經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,我國編制了大氣污染物排放清單和標(biāo)準(zhǔn)。在我國的研究中,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為城市形態(tài)主要通過城市斑塊大小、形狀多樣性、緊湊度和土地利用配置來影響空氣質(zhì)量,采用緊湊型、多中心的城市形態(tài)可以減少通勤距離和交通污染總量,有利于形成高空氣質(zhì)量大氣環(huán)境[56,65—67],而碎片化程度較高、土地利用配置不合理的城市空間結(jié)構(gòu)及形態(tài)則會起到促進(jìn)城市大氣污染排放的效果[68]。

綜上所述,緊湊式的城市形態(tài)可以減輕空氣污染,進(jìn)而提高空氣質(zhì)量;但不可忽視的是人口密度增加的同時,會增加環(huán)境暴露,危害居民健康,因此,從地理學(xué)、城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)、環(huán)境學(xué)和醫(yī)學(xué)等多學(xué)科交叉融合的視角出發(fā)是切實可行的研究途徑。另外,全球多數(shù)發(fā)展中國家處于快速的城市化和工業(yè)化階段,日新月異的城市形態(tài)會對大氣污染的影響產(chǎn)生一定滯后性,合理控制城市形態(tài)要素、非城市形態(tài)要素以及污染物數(shù)據(jù)等變量,需要構(gòu)建完整且有說服力的測度模型;同時研究需采集大量具有時間跨度的城市數(shù)據(jù)作為資料基礎(chǔ),而目前獲取這方面的大數(shù)據(jù)存在一定難度,雖已有多個城市和區(qū)域進(jìn)行嘗試構(gòu)建高精準(zhǔn)度的城市建設(shè)和大氣污染物數(shù)據(jù)庫,但仍需要長期資金和技術(shù)研究的支撐。未來應(yīng)加強(qiáng)跨部門和跨區(qū)域的廣泛合作,形成有效的“協(xié)同治理”聯(lián)盟,對城市國土空間進(jìn)行合理開發(fā)布局,形成具備混合功能的多中心城市空間結(jié)構(gòu),提高公共醫(yī)療衛(wèi)生和環(huán)保綠化設(shè)施的占比,降低非必要交通需求、改變居民時空行為,降低居民暴露概率和健康風(fēng)險,形成完善合理的城市空間結(jié)構(gòu);增強(qiáng)公眾對環(huán)境的關(guān)注度,有效推動政府、企業(yè)和個人等多主體更加關(guān)注環(huán)境治理問題,制定“本土化”大氣污染等生態(tài)環(huán)境治理政策,使之能夠更加符合公眾偏好,從而提升環(huán)境規(guī)制政策效果及公眾滿意度,促使空氣污染的環(huán)境庫茲涅茨曲線(EKC)更早地跨越拐點(diǎn),從而進(jìn)入增長與環(huán)境改善雙贏的發(fā)展階段。

3.3 城市空間結(jié)構(gòu)與城市微氣候-熱島效應(yīng)的關(guān)聯(lián)性

城市熱島效應(yīng)作為城市微氣候的主要表現(xiàn)形式之一,最早追溯到1833年霍華德在倫敦的研究中,其發(fā)現(xiàn)倫敦城區(qū)的氣溫明顯比附近鄉(xiāng)村溫度高,又稱為“城市熱環(huán)境”[69]。當(dāng)前關(guān)于城市空間結(jié)構(gòu)與城市熱島效應(yīng)關(guān)聯(lián)性的研究,通過使用景觀格局指數(shù)(綠地、建筑、水體、裸地、不透水硬質(zhì)地表等)和空間形態(tài)指數(shù)(天空開闊度、建筑密度、高度、容積率和迎風(fēng)面積比例等)來量化城市形態(tài);借助外場試驗、遙感反演、數(shù)值模型和實驗室仿真模擬等數(shù)據(jù)采集方法,運(yùn)用非計算流體力學(xué)(建筑群熱時間常數(shù)(CTTC)模型和DUTE軟件)和計算流體力學(xué)(計算流體動力學(xué)(CFD)模型和ENVI-net、PHOENICS、Fluent等軟件)兩大類模型和軟件[70—72],分析影響城市地表溫度和空氣溫度的主要因素。另外,2012年,Stewart等提出了局地氣候分區(qū)方法(LCZ),LCZ致力于不同的幾何形狀、建筑密度及地表特征等城市形態(tài)與城市熱島之間的關(guān)系,將標(biāo)準(zhǔn)化的描述方法應(yīng)用到兩者關(guān)系的研究中[73—75]。近年來出現(xiàn)了許多基于LCZ分類框架的項目,如世界城市數(shù)據(jù)庫及訪問門戶工具(WUDAPT)項目[76]、應(yīng)用模型和城市規(guī)劃法:城市氣候和能源(MApUCE)項目[77]與城市通量(URBAN-FLUXES)項目[78]等。我國也有部分城市先后加入WUDAPT項目計劃,例如,北京、上海、廣州、杭州等城市。

當(dāng)前關(guān)于城市空間結(jié)構(gòu)與熱島效應(yīng)的關(guān)聯(lián)性研究,大都是在分析城市熱島效應(yīng)形成的驅(qū)動因素基礎(chǔ)上,探究城市緩解熱島效應(yīng)的有效途徑。城市通過增加生態(tài)土地利用面積(包括濕地、水體、綠地等)、以及控制城市的建筑密度和高度等路徑來緩解熱島效應(yīng),然而這些措施往往受到城市擴(kuò)張和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展所限制[79]。而影響城市熱島效應(yīng)的驅(qū)動因素多種多樣。例如,尤其是較為濕熱的城市,街道空間的天空開闊度越小,形成城市熱島效應(yīng)的概率和強(qiáng)度越大[80-82];建筑密度與城市的通風(fēng)條件密切相關(guān),是通過控制建筑密度可以加速空氣流動,促進(jìn)熱量流散[83]。另外,由城市人口活動密度產(chǎn)生的人為熱,主要包括駕駛車輛、空調(diào)耗能、居民生活、工業(yè)生產(chǎn)及建筑物等向外散發(fā)的熱量來源,對城市熱島的形成起到十分重要的作用[84]。還有季節(jié)變動、風(fēng)向、風(fēng)速、降水等客觀因素,尤其是在炎熱的夏季,城市熱島強(qiáng)度最為驚人,強(qiáng)度最大值為德國柏林13℃、美國亞特蘭大12℃和中國北京9℃等等[85—87]。綜上所述,城市通過對空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、生態(tài)用地的修復(fù)和建成環(huán)境的設(shè)計,構(gòu)建城市的通風(fēng)系統(tǒng)形成良好的通風(fēng)環(huán)境,實現(xiàn)對熱島效應(yīng)的有效緩解。

根據(jù)現(xiàn)狀研究文獻(xiàn),基于城市空間結(jié)構(gòu)對城市熱島的影響研究已經(jīng)取得顯著進(jìn)展,但仍存在一些不足。一方面,城市空間結(jié)構(gòu)影響因素的量化方法不夠深入、各因素對城市熱島強(qiáng)度的影響程度仍不夠清晰;同時缺乏對潛在影響因素的探索,包括空間尺度和鄰近效應(yīng)等方面。另一方面,城市氣溫和地表溫度數(shù)據(jù)的獲得手段不夠豐富,僅僅依靠城市內(nèi)數(shù)量不多的氣象站點(diǎn)觀測和衛(wèi)星熱紅外遙感來獲得相關(guān)數(shù)據(jù),導(dǎo)致詳細(xì)數(shù)據(jù)存在可獲得性不高和時效性較差等問題,嚴(yán)重阻礙了進(jìn)一步深入城市熱島。未來研究應(yīng)盡可能考慮綜合多源數(shù)據(jù),通過運(yùn)用新技術(shù)、新方法來獲取足量的時間與空間維度的氣溫和地表溫度數(shù)據(jù),主要包括合法使用網(wǎng)絡(luò)爬蟲來獲取公開數(shù)據(jù)網(wǎng)站和手機(jī)軟件(APP)的詳細(xì)溫度數(shù)據(jù),以及采用合作式的“眾包”方法來實時高效地記錄城市街區(qū)溫度數(shù)據(jù);還可以借助各類衛(wèi)星遙感和無人機(jī)搭載紅外熱像儀等手段來獲取高分辨率的地表溫度數(shù)據(jù),并且可以降低觀測成本和提高研究的精確性。另外,從形成機(jī)理層面深入探討城市空間結(jié)構(gòu)與熱島效應(yīng)關(guān)聯(lián)性的影響因素,增加對潛在影響因素的考量,并運(yùn)用多模型、多方法對其進(jìn)行相關(guān)分析和模擬預(yù)測,增強(qiáng)對以局地氣候分區(qū)(LCZ)為框架的城市形態(tài)與城市熱島效應(yīng)關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究,促進(jìn)城市熱島效應(yīng)的緩解。

3.4 城市空間結(jié)構(gòu)與水環(huán)境的關(guān)聯(lián)性

城市空間結(jié)構(gòu)與水環(huán)境的關(guān)聯(lián)性主要體現(xiàn)城市形態(tài)和土地利用對水網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改變、水體污染、給排水系統(tǒng)管理、地表徑流的增加以及地下水位下降等方面造成影響。一方面,城市的空間形態(tài)一旦形成,短時間內(nèi)很難發(fā)生改變,例如,建筑的密度和高度、不透水路面的增加等[88]。再加上受城市熱島、不易擴(kuò)散的凝結(jié)核和高層建筑物的阻礙,城市地區(qū)會形成明顯的雨島和內(nèi)澇現(xiàn)象[89]。另一方面,城市土地利用配置的不合理,導(dǎo)致工業(yè)、商業(yè)以及居民生活對水體造成污染,森林、濕地、湖泊等生態(tài)用地的功能喪失[90—92]。還有城市空間設(shè)計如何管理不斷增加的高密度給排水系統(tǒng)[93],減少城市下墊面和物理形態(tài)的改變,保護(hù)城市河流水質(zhì)以及水循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)的健康,值得城市研究者深入思考。

傳統(tǒng)低密度的空間開發(fā)和擴(kuò)張模式已經(jīng)不適應(yīng)城市社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及人口的增加,容易導(dǎo)致更多的城市內(nèi)澇、河流干涸斷流、水質(zhì)惡化、水體污染等環(huán)境問題。為了實現(xiàn)可持續(xù)的水資源管理,將城市發(fā)展對周圍環(huán)境的水文影響降到最低,多國學(xué)者結(jié)合本國國情,設(shè)計出適合城市水循環(huán)的城市規(guī)劃和設(shè)計方法[94]。例如,早在20世紀(jì)70年代,美國實施了“最佳管理措施(BMPs)”,后改為“雨水控制措施(SCMs)”[95],還有“低影響開發(fā)(LID)”和“綠色基礎(chǔ)設(shè)施(GI)”等舉措[96],其目的是加強(qiáng)城市的雨洪管理、改善水循環(huán)和生態(tài)環(huán)境,典型應(yīng)用案例有波特蘭和西雅圖等地區(qū)。英國主要采用了“可持續(xù)城市排水系統(tǒng)(SUDs)”,通過科學(xué)地貼近自然的方式管理雨洪徑流,實現(xiàn)城市發(fā)展與水環(huán)境的良性循環(huán)[97]。澳大利亞建立了一個較為寬泛的“水敏感性城市設(shè)計(WSUD)”體系,它涉及城市水循環(huán)的各個方面[98]。中國在受到前者經(jīng)驗和技術(shù)支持的基礎(chǔ)上,提出建設(shè)“海綿城市”來實現(xiàn)低影響開發(fā)城市空間和修復(fù)水環(huán)境以及保護(hù)原有生態(tài)系統(tǒng)[99]。還有新西蘭建立的“低影響城市設(shè)計與開發(fā)(LIUDD)”體系和法國的“替代技術(shù)或補(bǔ)償技術(shù)(CTs)”等等[100]。

總體而言,在快速城市化的進(jìn)程中,通過城市空間結(jié)構(gòu)的低影響開發(fā)布局來維護(hù)城市水系、河湖以及蓄排水系統(tǒng)之間的良性平衡。但在研究中考慮城市水文各環(huán)節(jié)及其伴生過程變化規(guī)律方面仍有不足,不能較好地處理城市水資源短缺、洪澇災(zāi)害、水環(huán)境污染及生態(tài)退化等復(fù)雜問題與關(guān)系。在城市開發(fā)過程中進(jìn)行坡面道路、管網(wǎng)和河道等多種匯流工程的耦合模擬、構(gòu)建城市的防洪排澇預(yù)警系統(tǒng)、以及合理的風(fēng)險評估,實現(xiàn)因城制宜,保證城市水環(huán)境管理模式和生態(tài)修復(fù)措施之間的協(xié)調(diào)性。未來可以通過分析影響水環(huán)境效應(yīng)的關(guān)鍵空間結(jié)構(gòu)指標(biāo),探究其對城市水環(huán)境產(chǎn)生的直接或者間接效應(yīng),探索建立能夠適應(yīng)水環(huán)境約束的城市空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置方式和空間組合方式,實現(xiàn)將城市水環(huán)境容量和水土保持的目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘袊量臻g開發(fā)的強(qiáng)制力約束,加強(qiáng)城市空間的高效治理和水環(huán)境的協(xié)同治理。還要積極探索城市空間結(jié)構(gòu)與水環(huán)境相適應(yīng)的演進(jìn)規(guī)律,分析影響土地利用布局變化與水環(huán)境演變的關(guān)鍵驅(qū)動因素,提出適應(yīng)水環(huán)境的相關(guān)要素調(diào)控路徑,促使城市空間結(jié)構(gòu)變化能夠與水環(huán)境實現(xiàn)相對自然的演進(jìn)趨勢,實現(xiàn)“生態(tài)宜居”的可持續(xù)城市建設(shè)目標(biāo)。

3.5 城市空間結(jié)構(gòu)與生物多樣性的關(guān)聯(lián)性

城市發(fā)展通常與自然棲息地的喪失、生態(tài)環(huán)境的改變和人為干擾的增加有關(guān),這些方面有可能對本地物種的數(shù)量、豐富度和多樣性產(chǎn)生負(fù)面影響[101]。目前,城市空間結(jié)構(gòu)與生物多樣性的關(guān)聯(lián)性主要集中在景觀格局、擴(kuò)張蔓延以及微氣候?qū)B類、地表動植物和水生物種多樣性等方面的研究。不同的城市會有不同的擴(kuò)張模式、空間形態(tài)、景觀組成、土地利用的異質(zhì)性和更廣泛的細(xì)微變化都會改變當(dāng)?shù)氐纳镂锢磉^程[102],進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的平衡和物種多樣性,同時也會對人類的健康產(chǎn)生影響[103]。因此,大多數(shù)的城市管理者、規(guī)劃者和居民已經(jīng)意識到維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡和生物多樣性的重要意義,但是對于城市空間結(jié)構(gòu)如何影響各類物種的生存模式、保護(hù)棲息地生境需要深入挖掘研究。

實際上,基于城市綠色基礎(chǔ)設(shè)施(GI)的多功能綠色空間戰(zhàn)略規(guī)劃,具有保護(hù)和增強(qiáng)局部生物多樣性的巨大潛力[104],改善基本生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給。在大量的研究中,快速的城市擴(kuò)張被認(rèn)為是全球生物多樣性的主要威脅之一。例如,對于動植物和鳥類多樣性的研究中,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為城市擴(kuò)張對動植物和鳥類的物種多樣性存在重要影響,但在城市蔓延組成和空間尺度對物種豐富度存在很大差異[105—107],通過增加斑塊面積、棲息地豐富度和連通性來實現(xiàn)生物多樣性的保護(hù)[108—110];也有學(xué)者認(rèn)為城市擴(kuò)張對本地植物和珍稀螞蟻物種均無顯著影響,但外來物種豐富度與其呈正相關(guān)[111],由此可以采取對物種類群的分析,提出物種選擇策略,盡可能保護(hù)本地珍稀物種、辯證看待未來的種植計劃和豐富城市生物多樣性[112]。另外,有的研究指出相對分散的城市形態(tài)更有利于河岸植被和水生生物的成長,促進(jìn)本地物種豐富度和多樣性,是支持生態(tài)功能比較有效的方式,而集聚的城市形態(tài)還與自然植被的生境質(zhì)量下降和生境枯竭有關(guān)[113]。

當(dāng)前對城市空間結(jié)構(gòu)與生物多樣性關(guān)聯(lián)性研究中更多考慮人類的生存和發(fā)展需要,而恰恰忽略了生物多樣性在生態(tài)環(huán)境的“角色”,從而減少了對物種組成和物種豐度變化的重視度。在未來的研究中,一方面應(yīng)積極研究城市景觀格局演變對生物多樣性造成的影響,科學(xué)合理地評估、模擬和預(yù)測生物多樣性對替代景觀配置產(chǎn)生的反應(yīng),提出保護(hù)城市空間中生物多樣性和植物群落結(jié)構(gòu)的有效措施;另一方面,綜合評估城市形態(tài)變化、土地利用異質(zhì)性對城市區(qū)域的生物物理過程產(chǎn)生的影響,構(gòu)建生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)平衡的機(jī)制體系,合理規(guī)劃布局城市廊道、濕地和生態(tài)綠地等綠色基礎(chǔ)設(shè)施,實現(xiàn)對生物多樣性友好的未來城市景觀設(shè)計。

3.6 城市空間結(jié)構(gòu)與其他環(huán)境的關(guān)聯(lián)性

與城市空間結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的環(huán)境問題還有土壤污染、噪聲污染等,這些問題不僅對城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展造成影響,還與人類福祉和生物多樣性有著諸多關(guān)聯(lián)。城市擴(kuò)張過程中大量農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)換為工業(yè)、住宅和其他城市用地,導(dǎo)致土地覆蓋變化,改變土壤中的水分、養(yǎng)分組成和初級生產(chǎn)力降低,同時造成城市微氣候變化、水土流失、重金屬污染等現(xiàn)象[114—116]。對土壤重金屬污染的研究中,Chen等揭示了北京市路邊土壤中重金屬濃度與城市交通相關(guān)[117]。Guagliardi等在意大利南部地區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn),城市和城郊土壤中人類活動有關(guān)的潛在毒性微量元素(PTEs)來源包括交通排放、工業(yè)排放和城市發(fā)展過程[118]。Lv等在高青縣的研究中發(fā)現(xiàn),城市建設(shè)用地中8種元素的平均含量顯著高于其他土地利用類型,工業(yè)和交通排放以及農(nóng)業(yè)活動加劇了當(dāng)?shù)赝寥乐械慕饘傥廴綶119]。對水土流失的研究中,Qishlaqi等研究了城市土地利用結(jié)構(gòu)對土壤供水、吸水和蒸發(fā)特征、土壤元素含量等的影響[120]。北京市結(jié)合實際建設(shè)發(fā)展需求,多部門聯(lián)合印發(fā)了城市開發(fā)建設(shè)項目中加強(qiáng)水土保持工作的要求,來解決水土流失問題。綜上所述,城市發(fā)展和人類活動改變了城市空間結(jié)構(gòu)的同時,也加重了土壤環(huán)境的重金屬污染和水土流失問題。當(dāng)前對城市土壤環(huán)境的污染狀況及其風(fēng)險評價不太深入、其空間變異規(guī)律缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識、其對地表水和淺層地下水的污染貢獻(xiàn)等都是需要解決的科學(xué)問題。未來需要加強(qiáng)城市土壤的合理配置與利用,擴(kuò)展城市空間結(jié)構(gòu)對土壤質(zhì)量影響的系統(tǒng)研究方法,實現(xiàn)城市良好的水土保持。

另外,城市形態(tài)產(chǎn)生噪音污染主要體現(xiàn)在城市道路交通設(shè)計不合理,建筑的高度和密度等方面。在綜合評估噪音和空氣污染的一項研究中,Weber等研究發(fā)現(xiàn)景觀指標(biāo)、建筑高度、建成區(qū)面積以及主要道路的占比與噪音暴露顯著相關(guān),認(rèn)為噪聲污染的主要來源是城市交通[121]。Lakes等研究柏林住宅區(qū)噪音污染中指出,噪聲污染嚴(yán)重和環(huán)境質(zhì)量較低的住宅單元大都位于柏林市中心人口密集區(qū)[122]。當(dāng)然,城市中噪聲的主要來源還包括建筑施工、工業(yè)生產(chǎn)和社會生活等方面,而且這些噪聲極為難治理,對人類的心理和身體健康影響極大[123]。當(dāng)前對城市空間結(jié)構(gòu)與噪音污染的關(guān)注度不高、產(chǎn)生噪音的影響因素揭示較少、以及如何解決噪音污染的存在諸多現(xiàn)實挑戰(zhàn)。從人類活動角度來看,居民應(yīng)該主動減少噪音暴露,提高自身防范意識;城市空間結(jié)構(gòu)的規(guī)劃者和研究者應(yīng)該考慮城市交通設(shè)計減少噪音生產(chǎn),建筑內(nèi)部的隔音性以及建筑間的擴(kuò)散性等。

4 研究結(jié)論與思考

4.1 結(jié)論

本文基于文獻(xiàn)計量方法對城市空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的關(guān)聯(lián)性研究進(jìn)行知識圖譜可視化分析,梳理兩者關(guān)聯(lián)性的核心研究內(nèi)容演變。通過分析兩者關(guān)聯(lián)性研究的文獻(xiàn)產(chǎn)出時間序列特征,發(fā)現(xiàn)其在文獻(xiàn)總量上呈現(xiàn)出緩慢增加-平穩(wěn)上升-波動驟增3個階段,尤其近幾年來全球?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境問題的關(guān)注度日益增加,因此兩者關(guān)聯(lián)性研究也迅速增多;從來源期刊和學(xué)科分析的特征來看,兩者關(guān)聯(lián)性研究的主要來源期刊相對較分散,刊文量最多的是Sustainability期刊,共計發(fā)表114篇,由于此研究領(lǐng)域?qū)儆诙鄬W(xué)科交叉融合方向,因此是地理學(xué)、城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)、環(huán)境學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科的熱點(diǎn)研究方向之一;最后,借助VOSviewer和Citespace文獻(xiàn)計量軟件分析聚類關(guān)鍵詞,分析兩者關(guān)聯(lián)性研究的核心熱點(diǎn),發(fā)現(xiàn)城市空間結(jié)構(gòu)與“溫室氣體排放”“空氣污染”“熱島效應(yīng)”等大氣環(huán)境問題是出現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞,同時“水環(huán)境污染”“生物多樣性”“土壤污染”和“噪音污染”等城市環(huán)境問題也是不容忽視的研究熱點(diǎn),并對這些主要研究熱點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)論述。由于城市空間結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的差異性,并且生態(tài)環(huán)境問題既是全球性問題,也是區(qū)域性問題,應(yīng)結(jié)合不同國家、區(qū)域和城市的發(fā)展階段,提出差異化的優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)方法,來緩解和修復(fù)生態(tài)環(huán)境面臨的嚴(yán)峻問題。

4.2 思考

雖然城市空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境關(guān)聯(lián)性已有較多研究與實踐,但由于涉及維度、領(lǐng)域、學(xué)科等較為多樣,需要更系統(tǒng)綜合的研究框架和評估體系,對該話題進(jìn)行多學(xué)科交叉融合研究,為人、城市與生態(tài)環(huán)境之間和諧穩(wěn)定提供科學(xué)依據(jù)與決策支撐。當(dāng)前全球僅有少數(shù)國家對生態(tài)環(huán)境問題的重視程度較高,而大多數(shù)發(fā)展中國家城市化進(jìn)程仍在快速推進(jìn),城市空間結(jié)構(gòu)變化也日新月異,生態(tài)環(huán)境問題也越來越多,如何優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu),進(jìn)行土地利用的優(yōu)化配置,來降低能源消耗,實現(xiàn)節(jié)能減排和修復(fù)生態(tài)環(huán)境,仍面臨較長時期的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。未來研究可通過兩者關(guān)聯(lián)性研究的綜合框架體系、城市空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,以及未來發(fā)展的模擬預(yù)測等方面,進(jìn)一步深化關(guān)系研究與優(yōu)化理論實踐,并經(jīng)過不同類型城市發(fā)展的檢驗才能保證其正確性。

4.2.1城市空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的綜合性研究框架和評估體系的構(gòu)建

生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)具有一定程度的多樣性與復(fù)雜性,就決定了人類不能只停留在城市空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境的某一要素領(lǐng)域進(jìn)行研究,應(yīng)該從多學(xué)科交叉融合的視角,綜合評估城市空間結(jié)構(gòu)對城市經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境等各子要素的鎖定效應(yīng)。通過構(gòu)建綜合性研究框架和評估體系,量化城市空間結(jié)構(gòu)的景觀格局指數(shù)、空間形態(tài)指數(shù)和土地利用指數(shù)等指標(biāo),完善與生態(tài)環(huán)境有關(guān)的綜合評價指標(biāo)體系,有利于調(diào)整和優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu),促進(jìn)生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)綠色發(fā)展。另外,大量的時空尺度城市綜合數(shù)據(jù)是研究的基礎(chǔ)和支撐,通過建立城市建設(shè)與環(huán)境綜合數(shù)據(jù)庫,運(yùn)用大數(shù)據(jù)、遙感和GIS等技術(shù)方法,獲取包括土地利用、氣候氣象、能源消耗以及家庭出行等時效性強(qiáng)和精確度高的資料數(shù)據(jù),并進(jìn)行長時期的維護(hù)更新,方便調(diào)查研究使用。

4.2.2面向生態(tài)環(huán)境問題的城市空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計

傳統(tǒng)的城市空間結(jié)構(gòu)設(shè)計更加注重建設(shè)與開發(fā),而新時期如何統(tǒng)籌城市建設(shè)與非建設(shè)用地的布局,保護(hù)與開發(fā)城市空間,從宏觀和微觀層面優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu),促進(jìn)城市低碳可持續(xù)循環(huán)發(fā)展,實現(xiàn)城市的“精明增長”。在宏觀層面,需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)城市建筑物、道路、水體以及綠地等自然與非自然物體空間的布局,發(fā)展新興的低碳空間規(guī)劃技術(shù)和綠色生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施,發(fā)揮和增強(qiáng)城市的自我調(diào)節(jié)和自我恢復(fù)功能,促進(jìn)優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)與景觀格局;在微觀層面,不僅要對城市殘存的“自然”棲息地進(jìn)行保護(hù),也要對城市“棕地”和未利用地進(jìn)行修復(fù)開發(fā),作為城市生物棲息和綠色基礎(chǔ)設(shè)施存在的開敞空間。另外,城市管理者和規(guī)劃者切實考慮城市發(fā)展建設(shè)的現(xiàn)狀與需求,充分進(jìn)行實地調(diào)研和數(shù)據(jù)分析,并在有條件的情況下考慮城市居民的建議和意見,結(jié)合城市面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題來進(jìn)行城市空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和設(shè)計。

4.2.3城市空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)環(huán)境變化的模擬和預(yù)測

當(dāng)前生態(tài)環(huán)境問題存在的根源揭示不全面、模擬和預(yù)測方法不夠精準(zhǔn)化,也是亟待提高和解決的重要問題。一方面,綜合運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)爬蟲、眾包、遙感和無人機(jī)等新技術(shù)手段,提高數(shù)據(jù)獲取的時效性以及實現(xiàn)獲得手段的多樣化,有利于準(zhǔn)確分析現(xiàn)狀生態(tài)環(huán)境問題的直接或者間接影響因素,提出行而有效的優(yōu)化路徑和解決措施;另一方面,通過借鑒多學(xué)科的技術(shù)方法,例如:機(jī)器學(xué)習(xí)、元胞自動機(jī)和系統(tǒng)動力學(xué)等模型方法,加強(qiáng)對城市空間結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有要素、潛在影響因素和演變趨勢進(jìn)行深入探索,并對兩者關(guān)聯(lián)性的發(fā)展演進(jìn)規(guī)律進(jìn)行模擬和預(yù)測,積極推進(jìn)城市朝著低碳協(xié)調(diào)可持續(xù)的人地系統(tǒng)發(fā)展。