紀維鈞，金博聞，耿建偉,3，柯山，潘輝★

（1.福建農(nóng)林大學·風景園林與藝術學院，福建 福州 350002；2.閩江學院，福建 福州 350108）

藍綠空間是“藍色空間”與“綠色空間”的總稱，包括城市林地、耕地、水體、濕地等[1]。藍綠空間作為維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要載體，其動態(tài)性的特點很大程度受人類活動影響。在快速城市化的進程中，城市人造地表的高速擴張使得藍綠空間不斷遭到侵蝕，生態(tài)功能下降，進而影響到城市發(fā)展的可持續(xù)性[2]。對藍綠空間的空間演化特征及不同情景模擬與預測進行研究對指導城市國土空間規(guī)劃、提高城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

當前，相關學者對于藍綠空間的研究主要關注藍綠空間的冷島效應[3-5]、藍綠空間時空分布規(guī)律及驅動因素[6-7]、藍綠空間生態(tài)網(wǎng)絡構建研究[8-9]等，其中，藍綠空間時空分布規(guī)律及驅動因素研究方面，相關學者主要采用了Markov 模型[10]、FLUS 模型[11]、GeoSOS_FLUS 模型[12-13]、MCCA 模型[14]等模擬與預測城市未來的土地利用變化，均取得了較為理想的模擬效果。生境質量的評估目前學者主要采用SolVES模型[15]、Maxent 模型[16]、以及InVEST 模型等[17]。InVEST 模型因數(shù)據(jù)需求少及評估精度高的特點被廣泛運用于區(qū)域的生境質量評估[18-19]。當前藍綠空間演變主要集中于規(guī)模、分布、景觀空間變化，較少探究城鎮(zhèn)化背景下城市藍綠空間多情景預測及生境質量評估。本文以生態(tài)園林城市福州市為例，基于2000、2010、2020 年3 期土地利用數(shù)據(jù)，采用CAMarkov 模型和InVEST 模型，分析福州市中心城區(qū)藍綠空間時空動態(tài)變化的基礎上，模擬評估在自然-協(xié)調-生態(tài)三種情景模式下福州市2030 年的藍綠空間變化情況，進一步利用InVEST 模型評價其生境質量的變化，以此為福州市區(qū)域生物多樣性保護和國土資源的合理利用提供科學指導。

1 研究對象

1.1 研究區(qū)概況

福州市是福建省的省會城市（25°15′-26°39′N、118°08′-120°31′ E），屬典型的河口盆地。研究區(qū)為福州市中心城區(qū)，面積約為2 207 km2，范圍包括福州市轄區(qū)等城市核心區(qū)及閩侯縣、連江縣等城市外圍區(qū)域。福州市中心城區(qū)“藍綠”資源豐富，四周被群山峻嶺環(huán)繞，從西北部至北部主要是蓮花山和鼓山，西南部至南部主要是旗山與五虎山，海拔600 ～1 000 m，地勢整體呈西北高，東南低。主城區(qū)內還包括金雞山、金牛山、高蓋山等大型城市山體公園。研究區(qū)內水資源十分豐富，閩江自西向東穿城而過，市區(qū)內河網(wǎng)密布，水系發(fā)達，擁有白馬河、晉安河、磨洋河、光明港、新店、南臺島等六大水系，涵蓋107 條內流河，另外還有多個內湖、水庫、濕地公園和保護區(qū)等。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預處理

福州市土地利用數(shù)據(jù)來源于國家基礎地理信息中心（http://www.ngcc.cn/ngcc/）所公布的全球30 m 地表覆蓋數(shù)據(jù)，福州市中心城區(qū)邊界數(shù)據(jù)來源于《福州市城市總體規(guī)劃（2010-2020年）》（http://zygh.fuzhou.gov.cn/），高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云免費下載（https://www.gscloud.cn/）。通過柵格投影、按掩膜提取等方式獲取了福州市中心城區(qū)2000、2010、2020 共3 期土地分類數(shù)據(jù)，研究區(qū)內共包括了耕地、林地、草地、濕地、水體、人造地表、裸地等7 種地類。根據(jù)杜紅玉[2]的觀點，將其中的濕地、水體、耕地、林地、草地定義為福州市藍綠空間。

2 研究方法

本研究基于福州市中心城區(qū)2000、2010、2020 年3 期土地利用及相關數(shù)據(jù)，首先，采用土地利用轉移矩陣方法來揭示2000-2020 年間的城市藍綠空間變化特征；然后采用CA-Markov 模型模擬福州市中心城區(qū)2030年自然-協(xié)調-生態(tài)三種情景模式下的藍綠空間；在此基礎上，利用InVEST模型評估不同情景模式下的城市藍綠空間生境質量（圖1）。

圖1 研究流程Fig.1 Research flow chart

2.1 Markov模型

馬爾可夫的思想是基于馬爾可夫數(shù)學家對隨機過程的研究[20]。在不同的狀態(tài)下，通過計算初始概率與轉移概率之間的關系，確定景觀的時間變化趨勢，最終達到了預測景觀結構變化的目的。公式如下：

式中：Pij表示景觀類型i轉變?yōu)榫坝^類型j的轉移概率。Pij需滿足2 個條件：0≤Pij＜1且1(i,j=1,2,…,n)，n為土地利用類型。

2.2 元胞自動機模型

模型元胞自動機（cellular automata, CA）模型是一種時空離散模型，利用具有不同時空特性的元胞相互作用來模擬復雜系統(tǒng)的時空演化的動力學模型[21-22]。公式如下：

式中，S為元胞有限、離散的狀態(tài)集合；t、t+1為不同時刻；N為元胞的領域；f為局部空間的元胞轉化規(guī)則。

為了保證模擬結果的可靠性，需對模型進行驗證。利用Kappa 系數(shù)對模型模擬的景觀格局變化的精度進行驗證，公式如下：

式中：P0表示模擬正確的比例；Pc表示模型隨機情況下正確的比例；Pp表示理想分類情況下正確模擬的比例。

運用IDRISI 軟件中的CROSSTAB 模塊，輸入福州市中心城區(qū)2020 年實際土地利用數(shù)據(jù)與模擬的2020年土地利用數(shù)據(jù)進行精度驗證，得出結果Kappa系數(shù)為0.8566，表明模型模擬結果較好，可以使用通過驗證的CA-Markov 模型對2030 年的藍綠空間進行預測。

2.3 InVEST模型

為進一步探究藍綠空間生境質量變化情況，利用InVEST模型定量評價藍綠空間的生境質量及其變化。生境質量模塊基于土地分類數(shù)據(jù)，結合威脅源因子的距離、影響方式以及不同地類的敏感性程度等來繪制生境質量圖。藍綠空間生境質量的高低取決于其與威脅源的距離以及本身的生態(tài)適宜性。公式如下：

式中，Dxj為景觀類型j中柵格x的總威脅水平；R為脅迫因子數(shù)量；Yr為脅迫因子r的柵格單元總數(shù)；wr為不同脅迫因子r的權重；ry為柵格單元上的脅迫因子個數(shù)；βx為柵格x的可接近水平；Sjr表示景觀類型j對脅迫因子r的敏感性；irxy為脅迫因子的影響距離。

式中，Qxj為景觀類型j中的斑塊組x的生境質量;Hj為景觀類型j的生境適宜性分值；z為比例因子，一般取2.5；k為半飽和常數(shù)，取0.5。

該模型需要輸入的數(shù)據(jù)主要包括了土地利用類型數(shù)據(jù)、威脅源因子的權重及其衰減距離、景觀類型與威脅源的敏感性表格等。參考相關文獻[23-24]以及InVEST使用手冊設置模型相關參數(shù)，具體內容見表1和表2。

表1 威脅源及其最大影響距離、權重及衰減類型Tab.1 The threat source and its maximum impact distance,weight and attenuation

表2 不同土地利用類型對威脅源的敏感度Tab.2 Sensitivity of different land use types to threat source

2.4 情景狀態(tài)模擬

在藍綠空間發(fā)展演化過程中，自然環(huán)境、政策規(guī)劃等因素對其都具有不同程度的影響，具有不同重點的發(fā)展狀態(tài)和模式，因此本文設置了3種藍綠空間變化模擬的情景狀態(tài)，以便更全面地比較、模擬和預測福州市中心城區(qū)藍綠空間演化。

1）自然發(fā)展情景。該情景模式基于藍綠空間歷史變化規(guī)律，按照研究區(qū)現(xiàn)行規(guī)劃條例，不設定任何限制條件，也不考慮政府生態(tài)保護等相關政策的影響，在演化發(fā)展的過程中，自然資源、社會經(jīng)濟和空間制約等諸多因素都呈現(xiàn)自然發(fā)展狀態(tài)。

2）生態(tài)保護情景。該情景模式在自然發(fā)展情景中融入了生態(tài)保護的理念，以生態(tài)保護為主要的切入點，嚴格限制林業(yè)用地和水源地等土地類型轉化為其他地類使用，限制城鎮(zhèn)擴張并模擬植被恢復、退耕還林和退田還湖等生態(tài)政策的實施效果。

3）協(xié)調發(fā)展情景。協(xié)調發(fā)展情景綜合考慮自然發(fā)展和生態(tài)保護情景，在限制進行大規(guī)模高強度開發(fā)的農(nóng)業(yè)區(qū)域和生態(tài)區(qū)域中，城鎮(zhèn)化擴張不直接侵占農(nóng)業(yè)用地、林業(yè)用地和水源地，嚴守生態(tài)保護紅線、永久基本農(nóng)田和城鎮(zhèn)開發(fā)邊界等空間管控邊界。

3 結果與分析

3.1 藍綠空間土地利用變化特征分析

根據(jù)圖2 所示，從空間上看，2000-2020 年間隨著人造地表不斷侵蝕，城市藍綠空間呈中心向外逐漸減少的趨勢。根據(jù)圖3所示，2000-2010年福州市中心城區(qū)綠色空間面積略微減少，其中耕地面積減少了32.27 km2，林地面積減少了7.95 km2，草地面積減少了3.29 km2，變化幅度分別為-9.11%、-1.25%、-3.59%。藍色空間中，濕地面積略微減少，相較于2000年減少了0.02 km2，水體面積略微增加，為2.54 km2，變化幅度分別為-0.08%和1.91%。2010-2020 年，福州市中心城區(qū)綠色空間變化幅度較大，其中耕地、林地、草地分別減少了78.09 km2、16.34 km2、5.25 km2，相較于2010 年，綠色空間變化幅度分別為-24.24%、-2.60%、-5.95%。藍色空間中，濕地減少較多，為12.83 km2，變化幅度為-43.01%。水體面積有所增加，增加面積為15.6 km2，增加幅度為11.52%?？傮w上看，福州市中心城區(qū)2000-2020 年期間，以藍綠空間面積減少為主，其中耕地與濕地變化幅度最大，根據(jù)土地利用轉移矩陣結果可知（表3），主要原因可能是人造地表的不斷擴張，藍綠空間中，藍色空間共有10.34 km2、綠色空間共有139.62 km2轉化為人造地表。

表3 2000-2020年福州市中心城區(qū)土地利用轉移矩陣Tab.3 From 2000 to 2020 land use transfer matrix of Fuzhou City 單位：km2

圖2 2000、2010、2020年福州市中心城區(qū)景觀類型空間分布Fig.2 Spatial distribution of landscape types of Fuzhou City in 2000,2010 and 2020

圖3 2000、2010、2020年福州市中心城區(qū)景觀類型面積及變化Fig.3 Landscape types,areas and changes of Fuzhou City in 2000,2010 and 2020

3.2 不同情景模式下藍綠空間預測結果分析

以福州市中心城區(qū)2020 年土地利用數(shù)據(jù)為基礎模擬2030 年不同情景模式下的土地利用狀況（圖4、圖5），總體來看，3 種情景模式下，福州市2030 年土地利用變化較為明顯的區(qū)域主要集中在倉山區(qū)南北部以及高新區(qū)等城郊地帶。（1）在自然發(fā)展情景模式下，福州市藍綠空間進一步減少，其中耕地與林地面積減少最多，分別減少了30.76 km2、83.41 km2，相較于2020 年減少了12.60%、13.63%；主要原因是人造地表進一步侵占耕地與林地。藍色空間中，濕地減少了4.66 km2，水體增加了9.51 km2；主要是由于濕地退化，受河流侵蝕影響所造成。人造地表進一步擴張，增長了75.38 km2，增幅為22.46%。（2）生態(tài)保護情景下，福州市藍綠空間得到控制，其中綠色空間中，耕地面積增加了1.12 km2，林地面積增加了36.52 km2，草地面積減少了32.48 km2。相較于2020 年，綠色空間中耕地、林地與草地變化幅度分別為0.45%、5.96%、-39.15%。濕地增加了0.07 km2，水體減少了1.48km2，變化幅度較小，分別為0.41%、-0.97%。同時人造地表得到有效控制，增加了0.96 km2，增幅為0.28%。（3）協(xié)調發(fā)展情景下，福州市藍綠空間繼續(xù)減少，相比于2020 年耕地、草地分別減少了62.70 km2、1.95 km2，林地增加了9.67 km2，變化幅度分別為-25.69%、-2.35%、1.58%。濕地和水體分別增加了0.51 km2、5.24 km2，變化幅度為3.01%和3.47%。同時人造地表增加了46.01 km2，增幅為13.71%。

圖4 不同情景模式下福州市中心城區(qū)2030年土地利用模擬預測Fig.4 Simulation and prediction of land use of Fuzhou City in 2030 under different scenarios

圖5 不同情景模式下福州市中心城區(qū)2030年土地利用面積預測Fig.5 Statistics and prediction of land use area of Fuzhou City in 2030 under different scenarios

3.3 福州市中心城區(qū)2000-2020 年藍綠空間生境質量分析

InVEST 生境質量模塊根據(jù)土地利用類型及相關適宜性表格，可以定量評價地區(qū)的生境質量狀況，得到研究區(qū)域生境質量指數(shù)分布，并參考相關研究成果[24-25]，利用ArcGIS 中的重分類工具將研究區(qū)域生境質量評價結果按照低（0～≤0.2）、中低（0.2～≤0.4）、中（0.4～≤0.6）、中高（0.6～≤0.8）、高（0.8～1.0）共分為5類。由表4 可知，福州市中心城區(qū)2000-2020 年以來，低生境質量地區(qū)面積呈不斷上升趨勢，由2000年的203.42 km2上升至2020 年的341.36 km2。中低生境質量地區(qū)面積呈不斷下降趨勢，由354.80 km2下降至244.45 km2。而高生境質量地區(qū)面積變化幅度不大，由769.04 km2下降至762.57 km2。從空間格局來看（圖6），福州市中心城區(qū)具有中心城區(qū)低、城郊地區(qū)高的特點，并呈現(xiàn)出中心城區(qū)生境質量下降的趨勢。可能主要是由于城市人造地表的大量擴張所致。城郊地區(qū)的生境質量總體保持不變，可能是因為城郊地區(qū)主要以林地為主，并且距離城鎮(zhèn)人造地表距離較遠，受人為影響較小，生境質量高。

表4 2000-2020年福州市中心城區(qū)藍綠空間不同生境質量面積統(tǒng)計Tab.4 Statistics of habitat quality and area of blue-green space in Fuzhou City from 2000 to 2020

圖6 福州市中心城區(qū)2000-2020年藍綠空間生境質量Fig.6 Habitat quality of blue-green space of Fuzhou City from 2000 to 2020

3.4 不同情景模式下福州市中心城區(qū)2030 年藍綠空間生境質量分析

基于CA-Markov 模擬結果，得出2030 年福州市中心城區(qū)不同情景模式下的土地利用類型，并通過InVEST 生境質量模型將各個情景下的生境質量結果可視化（圖7）。由表5可知，在自然發(fā)展情景下，福州市中心城區(qū)的低生境質量地區(qū)面積進一步擴大，由2020年的341.36 km2上升至421.07 km2。高生境質量地區(qū)面積進一步縮小，由2020年的762.57 km2下降至689.12 km2。主要是由于該情景模式下福州市中心城區(qū)繼續(xù)保持著人造地表的高增長，侵占了大量的藍綠空間，進而導致生境質量的下降。生態(tài)保護情景下，相較于2020年，福州市中心城區(qū)低生境質量地區(qū)有所下降，由341.36 km2下降至337.68 km2，高生境質量地區(qū)由2020 年的762.57 km2上升至798.07 km2。主要原因是該情景模式下對城市的藍綠空間進行了保護，并限制了城市人造地表的擴張速度。協(xié)調發(fā)展情景下，兼顧城市藍綠空間的可持續(xù)發(fā)展，同時也允許一定程度的人造地表的增長。該情境下，低生境質量由2020 年的341.36 km2上升至390.67 km2，高生境質量由762.57 km2少量上升至777.93 km2，在保持人造地表增長的同時高生境質量地區(qū)得到了有效的保護。

表5 不同情景模式下福州市中心城區(qū)2030年藍綠空間不同生境質量面積預測Tab.5 Statistics and prediction of habitat quality and area of blue-green space in Fuzhou City under different scenario models in 2030

圖7 不同情景模式下福州市中心城區(qū)2030年生境質量Fig.7 Habitat quality of Fuzhou City in 2030 under different scenarios

4 討論

生境質量是量化地區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要指標，而藍綠空間是維持地區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要載體?；诓煌榫澳Ｊ较聦ΩＶ菔兄行某菂^(qū)未來進行生境質量預測，可為制定生態(tài)保護政策、土地資源的可持續(xù)利用提供科學依據(jù)。本研究基于CA-Markov 模型模擬預測福州市中心城區(qū)2030年城市藍綠空間格局變化情況，各個地類相互轉化概率以2000-2020 年土地利用的轉移規(guī)律為主導。

藍綠空間格局方面研究結果顯示，與自然發(fā)展和協(xié)調發(fā)展情景相比，生態(tài)保護情景下人造地表面積增幅最小，城市擴張速度明顯放緩，林地和水域等藍綠空間得到較好的保護。從空間分布來看，與2020 年相比，2030 年自然發(fā)展和協(xié)調發(fā)展情景下研究區(qū)人造地表用地由中心城區(qū)朝外擴張活躍，建設用地面積劇增，相應地侵占了耕地和水域。生態(tài)保護情景下，城市擴張速度相對放緩，中部用地被侵占的面積較上述兩種情景也相對減少。藍綠空間生境質量方面研究結果顯示，自然發(fā)展情景下，福州市中心城區(qū)藍綠空間進一步退化，低生境質量地區(qū)擴大，高生境質量地區(qū)減少；生態(tài)保護情景下，低生境質量地區(qū)減少，高生境質量地區(qū)增加；協(xié)調發(fā)展情景模式下，高低生境質量地區(qū)均少量增加。在這3種情景模式下，福州市高生境質量排序為：生態(tài)保護情景＞協(xié)調發(fā)展情景＞自然發(fā)展情景。

綜上，生態(tài)保護情景相對于自然發(fā)展和協(xié)調發(fā)展情景更能有效解決區(qū)域發(fā)展所帶來的環(huán)境破壞問題，但協(xié)調發(fā)展情景在某些區(qū)域能更好地平衡社會發(fā)展、政策要求及可持續(xù)發(fā)展的需求。為使福州市中心城區(qū)藍綠空間發(fā)展更符合可持續(xù)發(fā)展以及經(jīng)濟社會發(fā)展需要，應優(yōu)化土地利用結構，合理劃定城市發(fā)展邊界，限制城市開放空間無序擴張，積極構建生態(tài)廊道，穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)結構，嚴格遵守生態(tài)保護紅線，為未來城市藍綠空間發(fā)展規(guī)劃提供重要參考，結合各區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略和實際發(fā)展需求選擇相應的情景，對實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)-社會-經(jīng)濟和諧穩(wěn)定發(fā)展有重要意義。

由于《福州市國土空間規(guī)劃（2021-2035）》尚未正式發(fā)布，因此本文在未來藍綠空間變化模擬研究中，較少考慮規(guī)劃因素。InVEST 生境質量評價模型在威脅源的選擇、最大影響距離、敏感性參數(shù)設置以及生境質量等級劃分等具有一定的主觀性，因此具有一定的局限性。此外，研究中并未深入探究生境質量變化與藍綠空間變化之間的關系，研究成果有待完善。

5 結論

本文基于CA-Markov 模型，在分析2000-2020年藍綠空間土地利用的基礎上，模擬福州市中心城區(qū)2030年自然-生態(tài)-協(xié)調三種情景下的藍綠空間格局，并通過InVEST 模型計算各個情景模式下的生境質量變化趨勢，主要結論如下：

1）2000-2020 年期間，福州市中心城區(qū)藍綠空間持續(xù)減少，城市人造地表高速擴張。城市低生境質量地區(qū)占比擴大，高生境質量地區(qū)少量減少。通過土地利用轉移矩陣結果可知，主要由于人造地表不斷侵占城市藍綠空間，所造成的中心城區(qū)生境質量下降，影響范圍逐步擴大。

2）三種不同情景預測中，自然發(fā)展情景下，福州市中心城區(qū)藍綠空間進一步退化，低生境質量地區(qū)擴大，高生境質量地區(qū)減少；生態(tài)保護情景下，福州市藍綠空間相較于2020 年略微提升，主要體現(xiàn)在林地的增長及人造地表擴張的限制；協(xié)調發(fā)展情景模式下，福州市藍綠空間總體上保持不變，高低生境質量地區(qū)均少量增加，其中耕地減少較多，林地小幅度上升，草地、水體、濕地基本維持2020年的空間格局，人造地表少量增加，主要是侵占了城郊的耕地。在這3 種情景模式下，福州市高生境質量排序為：生態(tài)保護情景＞協(xié)調發(fā)展情景＞自然發(fā)展情景。因此，限制城市人造地表的高速擴張，優(yōu)化城市藍綠空間格局對提升地區(qū)生境質量與可持續(xù)發(fā)展具有重要的促進作用。