楊 萌,廖振珍,石龍宇

1 中國科學院城市環(huán)境研究所 城市環(huán)境與健康重點實驗室, 廈門 361021 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 福建農林大學生命科學學院, 福州 350002

人類社會的生存發(fā)展依賴于生態(tài)系統(tǒng)服務功能[1]。生態(tài)基礎設施是保持、改善和增加生態(tài)系統(tǒng)服務的一系列條件與過程[2],有助于提高區(qū)域徑流控制、水質凈化、降溫增濕等生態(tài)服務能力,進而保障區(qū)域生態(tài)安全[3]。生態(tài)基礎設施規(guī)劃與景觀生態(tài)格局構建二者互為補充。景觀生態(tài)格局的構建通過運用景觀生態(tài)學的方法可有效維護區(qū)域生態(tài)安全、保證生態(tài)系統(tǒng)功能完整、健康[4]。生態(tài)基礎設施規(guī)劃通過完善生態(tài)系統(tǒng)服務亦可對生態(tài)安全格局加以優(yōu)化。近年來,隨著城市不斷擴張,城市生態(tài)基礎設施的結構和服務功能已經(jīng)明顯改變[5],各尺度生態(tài)基礎設施配置明顯不足,且缺乏整體性、系統(tǒng)性考慮,將進一步加劇城市熱島效應、洪澇災害、水體富營養(yǎng)化等生態(tài)問題。加強多尺度城市生態(tài)基礎設施研究對于提高生態(tài)服務功能與推動可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

生態(tài)基礎設施可分為自然基礎設施和半自然基礎設施兩類,其中自然基礎設施包括森林、草地、農田、濕地、河流、湖泊等;半自然基礎設施包括人工濕地或水庫、人工化基礎設施(如透水鋪裝、雨水花園、植草溝、立體綠化)等。1984年聯(lián)合國教科文組織“人與生物圈計劃”的研究中首次提出生態(tài)基礎設施的概念[6]。20世紀末,西方發(fā)達國家的許多城市開始倡導和推廣生態(tài)基礎設施在改善水質、公共衛(wèi)生、恢復環(huán)境和促進經(jīng)濟發(fā)展等方面的多重效益,并將生態(tài)基礎設施作為保護環(huán)境和塑造城市形態(tài)的新途徑[7]。目前,不同尺度的生態(tài)基礎設施建設研究成果均較為豐富：宏觀(國家、省級、城市群或大流域)、中觀尺度(單個城市或區(qū)縣)生態(tài)基礎設施規(guī)劃研究重點多為景觀生態(tài)安全格局的構建與綠色生態(tài)網(wǎng)絡的規(guī)劃途徑[8- 16]。微觀尺度研究常將生態(tài)基礎設施用作生態(tài)化的人工基礎設施[17- 19]。其中雨洪管理最為常見,更有研究[20, 21]認為保護和重塑城市良性水循環(huán)應該是全面解決城市雨水問題、維護城市生態(tài)系統(tǒng)的核心理念。生態(tài)基礎設施在較小的空間尺度上最常見的形式就是“生態(tài)雨水基礎設施”[14],歐美國家理論與發(fā)展最為成熟[22-23]。綜合對比國外的先進經(jīng)驗與啟示,國內研究仍存在一些問題和不足：(1)已有的生態(tài)基礎設施規(guī)劃方法主要針對在單一尺度進行,不能體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務在不同尺度間的相互影響,缺乏多尺度的綜合研究[24],而人地關系的協(xié)調更重要的是一種空間關系和格局的協(xié)調[25],需要綜合多尺度分析[26];(2)未構建生態(tài)基礎設施系統(tǒng)基礎理論框架,且政府部門參與度較低,管理部門應積極參與提升其戰(zhàn)略目標,深入生態(tài)功能的完善;(3)缺乏學科整合研究,景觀生態(tài)學相關理論與概念已成為該領域的研究基礎,應綜合城市規(guī)劃、水文、交通、生態(tài)、GIS等多學科協(xié)調規(guī)劃。

本文以雄安新區(qū)為研究對象,強調多尺度協(xié)同規(guī)劃、多學科整合以提升生態(tài)系統(tǒng)服務能力,提出一種多尺度生態(tài)基礎設施規(guī)劃理論框架。通過本研究,期望回答以下問題：(1)多尺度生態(tài)基礎設施理論框架將如何構建;(2)宏觀、中觀、微觀尺度生態(tài)基礎設施規(guī)劃方法如何做到多學科整合;(3)不同尺度生態(tài)基礎設施體系規(guī)劃目標是否有所區(qū)別。通過這些問題的研究,期望提出的多尺度生態(tài)基礎設施規(guī)劃框架可為今后全面促進多尺度區(qū)域間協(xié)調與可持續(xù)發(fā)展提供方法基礎。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

雄安新區(qū)是繼深圳經(jīng)濟特區(qū)和上海浦東新區(qū)之后又一具有全國意義的新區(qū)。雄安新區(qū)規(guī)劃范圍涵蓋河北省雄縣、容城、安新等3縣及周邊部分區(qū)域,占地面積約2000 km2,全區(qū)位于大清河流域沖積扇。大清河流域面積42276.63 km2,位于海河流域的中部,流域的南北兩系均源于太行山,東匯海河后入渤海。雄安新區(qū)起步區(qū)占地面積約100 km2,其規(guī)劃范圍西依萍河、北靠榮烏高速、東接白溝引河、南臨白洋淀。目前,整個新區(qū)現(xiàn)有森林面積199 km2,成片森林少,主要以楊樹為主的林網(wǎng)以及少量小片森林零星散布,森林覆蓋率11.3%,濕地335 km2,占國土面積的19.0%,區(qū)內生態(tài)空間比例呈現(xiàn)逐年下降的趨勢[27]。人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響造成的雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境受損,大氣、水環(huán)境質量欠佳等正使區(qū)內生態(tài)系統(tǒng)破碎化嚴重,水生植物種類、數(shù)量、分布面積等均有所下降導致生態(tài)安全風險較高。當前如何在雄安新區(qū)開發(fā)過程中維持、改善區(qū)域生態(tài)服務能力保障區(qū)域生態(tài)空間優(yōu)化是亟待解決的問題,多尺度生態(tài)基礎設施規(guī)劃則提供了一種有效的解決方案。因此將雄安新區(qū)作為研究區(qū)具有一定的代表性,對于其他生態(tài)環(huán)境受損地區(qū)的城市可持續(xù)建設與生態(tài)空間優(yōu)化具有示范意義,研究區(qū)地理位置示意圖見圖1。

圖1 研究區(qū)地理位置概況Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

本文基于ArcGIS、最小累積阻力(MCR)模型和層次分析法(AHP)構建了一種“宏觀—中觀—微觀”多尺度生態(tài)基礎設施核心區(qū)識別和生態(tài)廊道辨識的方法體系框架(圖2)：

(1)宏觀尺度—大清河流域。首先以國土空間雙評價方法為主要參考,基于層次分析法構建指標體系并通過GIS空間分析法識別生態(tài)功能極重要、生態(tài)極敏感區(qū)域,即重點保護和永久保留重要生態(tài)區(qū)域(生態(tài)保護紅線、永久基本農田等)、其他生態(tài)用地作為一級生態(tài)核心區(qū);其次,基于最小累積模型識別一級潛在生態(tài)廊道,期望通過生態(tài)核心區(qū)與一級潛在廊道、自然河流廊道協(xié)同建設,保障區(qū)域生態(tài)安全。

(2)中觀尺度—雄安新區(qū)全域。以生態(tài)規(guī)劃為主要參考,將新區(qū)域內群落多樣、生態(tài)與景觀兼顧的森林斑塊作為二級生態(tài)核心區(qū);再通過MCR模型識別潛在二級生態(tài)廊道并結合臨近潛在廊道道路,構建以道路廊道為主的二級生態(tài)廊道圍繞白洋淀形成綠色通廊,串聯(lián)一級生態(tài)核心區(qū)與廊道,形成銜接宏中觀區(qū)域、覆蓋全區(qū)的多層級生態(tài)網(wǎng)絡,以促進宏觀生態(tài)空間與中觀城市生態(tài)功能融合,提升城市環(huán)境整體質量。

(3)微觀尺度—起步區(qū)。以人工化生態(tài)雨水基礎設施與自然土地相一致模式為指導,將域內大溵古淀改造為人工濕地并做為三級生態(tài)核心區(qū)以作蓄水裝置;同時結合分散的綠色屋頂、透水地面、雨水花園和植草溝等LID設施;通過三級河流廊道串聯(lián)成網(wǎng),著力從根源解決城市水問題,改善人居環(huán)境提高生活品質。

(4)最后,根據(jù)宏—中—微觀尺度區(qū)域滿足的不同生態(tài)功能,確定識別核心區(qū)斑塊適宜面積與生態(tài)廊道寬度,最終達到提高生態(tài)系統(tǒng)服務功能、改善城市生態(tài)環(huán)境、滿足動態(tài)變化的居民綠色生活需求的目標。

圖2 多尺度生態(tài)基礎設施規(guī)劃系統(tǒng)分析框架Fig.2 Constructing system analysis framework of multi-scale ecological infrastructure

研究主要使用數(shù)據(jù)氣候氣象類、生態(tài)類、土地資源類數(shù)據(jù),另各尺度生態(tài)保護類參考相關規(guī)劃類文件,具體來源說明見表1。

2 研究結果與分析

2.1 宏觀尺度生態(tài)基礎設施規(guī)劃

宏觀尺度—大清河流域生態(tài)基礎設施規(guī)劃包括生態(tài)核心區(qū)識別與生態(tài)廊道構建。為了更好地發(fā)揮大清河流域水土保持、氣候調節(jié)、固碳釋氧、生物多樣性保護等生態(tài)功能,基于GIS空間分析、層次分析等方法篩選生態(tài)功能極重要、生態(tài)極敏感區(qū)域作為初步生態(tài)核心區(qū)。初步得到的核心區(qū)斑塊破碎,需先聚合(ArcGIS 圖斑聚合模塊可實現(xiàn))再刪除小于10 km2且分散的圖斑,最后得到大清河流域一級生態(tài)核心區(qū)。將一級生態(tài)核心區(qū)作為生態(tài)源地,基于大清河流域地形坡度、土地覆蓋、植被覆蓋情況三個因子構建的生態(tài)阻力評價指標體系,運用MCR模型,將大清河流域生態(tài)核心區(qū)與生態(tài)阻力面通過ArcGIS成本連通性模塊可得到潛在生態(tài)廊道。以潛在生態(tài)廊道為參考依據(jù),將臨近河流廊道改造為一級生態(tài)廊道。最終得到宏觀尺度一級生態(tài)基礎設施結果(見圖3),識別一級生態(tài)核心區(qū)16406.88 km2,一級生態(tài)廊道209.65 km,其中核心區(qū)包括東北部連綿太行山脈,白洋淀、蘭溝洼、團泊洼、北大港等國家級/省級/市級自然保護區(qū)、國家森林公園等禁止開發(fā)區(qū)、連綿山體(林區(qū))、湖泊、濕地。生態(tài)廊道則沿中易水—白引溝河—趙王新河—大清河—濁流減河—線連接—級生態(tài)核心區(qū)斑塊形成一條“山、淀、湖、?！蓖ɡ?同時為可充分發(fā)揮保護生物多樣性、防風固沙、調控洪水等生態(tài)功能,一級生態(tài)廊道寬度設置為100—200 m。

表1 數(shù)據(jù)來源詳情

圖3 一級生態(tài)基礎設施規(guī)劃結果Fig.3 The results of the planning of level 1 ecological infrastructure

2.2 中觀尺度生態(tài)基礎設施規(guī)劃

雄安新區(qū)生態(tài)核心區(qū)的識別參考《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》,通過提高植被覆蓋度,改善物種結構以維持區(qū)域水源涵養(yǎng)、文化休閑等生態(tài)系統(tǒng)服務。因此選擇圍繞白洋淀的森林斑塊作為二級生態(tài)核心區(qū)。再將二級生態(tài)核心區(qū)與新區(qū)生態(tài)阻力面通過ArcGIS成本連通性模塊得到雄安新區(qū)潛在生態(tài)廊道,基于潛在生態(tài)廊道將臨近道路廊道改造成綠色通廊作為新區(qū)二級生態(tài)廊道。辨識所得二級生態(tài)廊道與一級生態(tài)廊道相交形成圍繞白洋淀的綠色通廊(自新區(qū)東北部沿榮烏高速—大廣高速—津石高速—S234—S235—230國道—津保路—S042—榮烏高速),串聯(lián)其周圍布設的面積大于5 km2的9個二級生態(tài)核心區(qū),最終形成銜接一、二兩級生態(tài)核心區(qū)、生態(tài)廊道、覆蓋宏觀中觀整體空間的生態(tài)基礎設施網(wǎng)絡(見圖4),識別二級生態(tài)核心區(qū)面積124.61 km2,二級生態(tài)廊道1445.16 km。此外,為加強林路結合以進一步提升生態(tài)廊道凈化環(huán)境、減弱噪聲等生態(tài)系統(tǒng)服務功能,二級生態(tài)廊道圍繞高速公路兩側100 m,主干道路(如國道省道)兩側50 m處可設置生態(tài)林帶。

圖4 二級生態(tài)基礎設施規(guī)劃結果Fig.4 The results of the planning of level 2 ecological infrastructure

2.3 微觀尺度生態(tài)基礎設施規(guī)劃

起步區(qū)生態(tài)基礎設施規(guī)劃以其規(guī)劃綱要為參考。起步區(qū)以“北城、中苑、南淀”結構布局,北城主要為起著生產(chǎn)生活作用的建設區(qū)域,中苑將打造形成與自然和諧、與生態(tài)景觀協(xié)調的生態(tài)功能區(qū),南淀作為白洋淀濱水區(qū),起著展示生態(tài)景觀、保障防洪安全的作用。因此,三級生態(tài)基礎設施的規(guī)劃可分為：北城以人工化生態(tài)基礎設施為主,分散布設低影響開發(fā)設施(LID)例如住宅區(qū)可設屋頂花園,其他不透水面可通過透水鋪裝、植草溝、雨水花園等裝置以過濾污水、增加雨水下滲,并改造北城內各河流水系為10—30 m寬的三級生態(tài)廊道,分散的LID裝置可通過三級生態(tài)廊道實現(xiàn)雨水的傳輸、匯流;中苑改造大溵古淀為生態(tài)濕地作為儲水調蓄裝置,將北城匯流的雨水經(jīng)下滲、滯蓄和凈化后再排入白洋淀,形成生態(tài)與景觀兼顧的三級生態(tài)核心區(qū);南淀聯(lián)通“一級生態(tài)核心區(qū)、二級生態(tài)核心區(qū)、三級生態(tài)核心區(qū)”三大核心區(qū)體系和“一級河流廊道、二級道路廊道、三級河流廊道”三大廊道網(wǎng)絡,最終形成三級生態(tài)基礎設施體系(見圖5),識別三級生態(tài)核心區(qū)6.11 km2,三級生態(tài)廊道97.08 km。

圖5 三級生態(tài)基礎設施規(guī)劃結果Fig.5 The results of the planning of level 3 ecological infrastructure

3 討論

生態(tài)系統(tǒng)具有整體性、動態(tài)性的特征[28],多尺度生態(tài)基礎設施的規(guī)劃需從不同層級協(xié)同構建?；诖?本文分別以新區(qū)所處的大清河流域、雄安新區(qū)、起步區(qū)作為三級尺度(宏觀—中觀—微觀)研究對象,同時考慮到不同區(qū)域間因地理環(huán)境、氣候條件、人文環(huán)境等不一致而存在空間異質性,不同尺度下生態(tài)基礎設施的規(guī)劃方法也不相同。多學科整合研究有助于構建不同尺度規(guī)劃方法,文章中多尺度生態(tài)基礎設施規(guī)劃研究中不僅綜合了GIS、生態(tài)學、人文地理等學科還運用了景觀規(guī)劃、城市規(guī)劃的方法,最終提出了一種多尺度生態(tài)基礎設施規(guī)劃理論框架。該理論框架在保持生態(tài)基礎設施結構完整與功能完善方面尤具優(yōu)勢,但由于(1)國內受城市行政區(qū)界影響各地方保護主義、經(jīng)濟、地方政策等存在差異,容易忽略因行政區(qū)或地理地質等因素不同而不能充分發(fā)揮生態(tài)基礎設施功效,致使生態(tài)基礎設施功能需求相對局限,研究尺度多停于城市層面,缺乏多尺度耦合研究;(2)人們對生態(tài)系統(tǒng)服務需求是動態(tài)變化的,但研究者大多只關注生態(tài)基礎設施的某一方面,缺乏動態(tài)、持續(xù)的綜合考慮等原因,目前多尺度生態(tài)基礎設施規(guī)劃理論框架的研究仍較少。未來若要保證生態(tài)基礎設施能充分發(fā)揮其服務功能,改善不同尺度區(qū)域生態(tài)基礎設施的連通性,最終達到提升區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的目的,就不能只停留在單一尺度而需提高對多尺度協(xié)同規(guī)劃建設的重視,最終構建面向山水林田湖生命共同體一體化管理的區(qū)域生態(tài)空間格局。

另外,本研究受數(shù)據(jù)獲取以及模型精度的影響,僅將自然保護區(qū)、禁止開發(fā)區(qū)、林地、湖泊等5類生態(tài)用地識別為生態(tài)核心區(qū),基于更高分辨率的地理空間數(shù)據(jù)和更詳細的政策規(guī)劃文件,更為細致的多尺度生態(tài)基礎設施規(guī)劃方案有待進一步探索。同時,在數(shù)據(jù)預處理過程中尚存在的誤差與不確定性,指標選取的主觀性等原因導致計算結果存在著不足。如何在生態(tài)基礎設施規(guī)劃建設中結合基于大數(shù)據(jù)和公眾參與等方法是未來研究中進一步關注的重點。

4 結論

本文提出一種適用于多尺度的生態(tài)基礎設施規(guī)劃理論體系,以雄安新區(qū)為例,從宏觀、中觀、微觀三級區(qū)域出發(fā)分別劃定生態(tài)核心區(qū)并設計各級生態(tài)廊道網(wǎng)絡,為不同尺度的核心區(qū)和生態(tài)廊道提出了建議規(guī)模和重點生態(tài)系統(tǒng)服務類型,主要結論如下：

(1)各級生態(tài)基礎設施規(guī)劃目標不同,建議規(guī)模有所差別,其中宏觀尺度規(guī)模最大,微觀最小。宏觀尺度需保持氣候調節(jié)、固碳釋氧等功能的穩(wěn)定,生態(tài)核心區(qū)斑塊面積建議大于10 km2;中觀尺度不小于5 km2,可維持區(qū)域水源涵養(yǎng)、文化休閑等生態(tài)系統(tǒng)服務功能;微觀尺度需大于1 km2,可有效凈水調蓄。宏觀生態(tài)廊道具有保護生物多樣性、防風固沙、調控洪水等生態(tài)系統(tǒng)服務功能,建議寬度設置為100—200 m;中觀尺度,寬度可設置50—100 m,以保證廊道發(fā)揮凈化環(huán)境、減弱噪聲等生態(tài)系統(tǒng)服務功能;微觀尺度生態(tài)廊道常被作為雨水或污水下滲、過濾、傳輸、匯流裝置,因此寬度最好為10—30 m。

(2)本文建立的多尺度建設規(guī)劃方法可以科學有效的指導生態(tài)基礎設施建設,提高區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務能力。宏觀尺度中,一級生態(tài)核心區(qū)包含連綿山脈林區(qū)、濕地公園、湖泊、水庫等,河流廊道作為一級生態(tài)廊道將其串聯(lián)形成一條“山、淀、湖、?！蓖ɡ?維持自然系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定;中觀尺度,以半自然生態(tài)基礎設施設計理念促進人與自然和諧共生,即自然森林斑塊基底二級生態(tài)核心區(qū)與人為修建道路廊道生態(tài)綠帶有機聯(lián)接構建覆蓋區(qū)域的綠色生態(tài)網(wǎng)絡;微觀尺度,通過生態(tài)廊道將人工濕地系統(tǒng)與分散的綠色屋頂、透水地面、雨水花園和植草溝等LID設施結合,改善城市水循環(huán),形成生態(tài)雨水網(wǎng)絡。

(3)多學科理論、方法的交叉融合有利于指導多尺度生態(tài)基礎設施規(guī)劃設計。GIS空間分析方法結合層次分析法可有效運用于宏觀尺度生態(tài)核心區(qū)的識別;最小累積阻力模型助于生態(tài)廊道的判別;城市規(guī)劃與景觀規(guī)劃、海綿城市理念、低影響開發(fā)等理論方法可分別運用于中觀、微觀尺度生態(tài)基礎設施的設計中。

5 建議

本文針對雄安新區(qū)生態(tài)基礎設施規(guī)劃提出以下建議：

(1)多尺度規(guī)劃生態(tài)基礎設施。于宏觀尺度而言,自然環(huán)境比人居社會環(huán)境占比更大,所以該尺度的規(guī)劃側重于“尊重自然,保護自然”,以發(fā)揮自然系統(tǒng)的服務能力;中觀尺度的規(guī)劃則注重改善生態(tài)環(huán)境,需注意自然生態(tài)基礎設施與人文設施的和諧統(tǒng)一,構建一個由自然開放空間、生態(tài)化的灰色基礎設施、水環(huán)境、生物棲息地交織的自然—社會生態(tài)基礎設施網(wǎng)絡;而提升人居環(huán)境質量在微觀尺度規(guī)劃目標中占有主導地位,小場地自身生態(tài)系統(tǒng)服務功能不健全,需要注重人工生態(tài)基礎設施在區(qū)域內的應用,例如增設雨水花園、生物滯留池、滲透鋪裝等低影響開發(fā)裝置。

(2)兼顧經(jīng)濟效益與物理性能。為了最大化的發(fā)揮生態(tài)基礎設施的保持、改善、增加生態(tài)系統(tǒng)服務功能(諸如保護生物棲息地、減少噪聲、氣候調節(jié)、休閑娛樂等),經(jīng)濟成本往往不被引起重視[29, 30]。過高的建設成本不僅使建設過程容易因投入過高而被擱置還可能在建成后因規(guī)模大、周期長而維護困難,這不利于有效長久的發(fā)揮生態(tài)基礎設施的作用?？紤]到建設工程性與經(jīng)濟性,可通過生態(tài)化現(xiàn)有灰色市政基礎設施縮減成本,例如將供水排水系統(tǒng)、交通運輸通道等改造為生態(tài)廊道等。

(3)重視不斷變化的生態(tài)服務需求。生態(tài)基礎設施最初的應用更多是滿足居民休憩、提高舒適度的需求[31],但隨著城市化進程不斷加快,人們的在休閑娛樂為主的基礎上新增自然排澇、調節(jié)氣候、凈化水質、空氣質量、減弱噪聲等需求。以動態(tài)變化的居民需求作為生態(tài)基礎設施規(guī)劃建設的基礎依據(jù)變得愈加重要,區(qū)域可從多尺度多角度規(guī)劃以滿足不斷變化的生態(tài)系統(tǒng)服務需求。