城市社区绿色基础设施景观格局分析

为在宏观尺度研究绿色基础设施与其雨洪管理生态服务功能之间的关系,建立城市现有绿地空间的景观格局与其生态过程和生态效益之间的联系是必要的。而选择分析的景观格局指数简化和量化景观结构组成和空间配置的作用,是高度提炼的空间格局信息。为分析现状绿地格局与其雨洪调控功能之间的关系,其表征指数的选择至关重要,其中表征绿地特征的基本指数可选择斑块数量、斑块面积、斑块面积极差、斑块面积中值、斑块密度、平均斑块面积、斑块形状指数、平均分维数等;(雨水环境)功能性指数则包括斑块破碎度指数、廊道密度、连接度指数、多样性指数、丰富度指数、均匀度指数、优势度指数、蔓延度指数等。

(一)绿色基础设施景观格局指数

为对城市社区现状绿地的景观格局和雨洪调蓄等综合功能进行评价,首先要对现有绿地的基本特征和功能性特征进行客观和直观的量化表达,即通过斑块水平指数、类型水平指数和景观水平指数对绿地进行描述,以获得绿色基础设施格局的定量数据。采用Fracistats软件作为计算工具,选择适当的指数,对社区现状绿地格局进行分析和比较,为绿色基础设施的系统性建设及雨洪调蓄功能的提升提供科学的依据(表2-1)。所选取的景观生态指数既有反映基本特征的指标,如斑块数量等,也有反映环境功能的指标,如连接度指数、蔓延度指数、聚集度指数等,以全方位地描述和分析绿色基础设施景观格局的特征。

表2-1　城市社区现状绿色基础设施景观格局

上述社区现状绿色基础设施景观格局分析指数的选择,能够客观且量化地描述绿地的空间特征及其对雨洪管理功能的影响。同时,对不同社区之间绿地现状景观格局的分析和比较,也可以反映出现有绿色基础设施景观格局所面临的问题,并揭示出城市社区绿色基础设施系统性构建的潜力,为绿地格局的优化和系统性分散的绿色基础设施构建提供量化的数据支撑。

(1)斑块类型面积

绿地景观中某一类型的绿地斑块的所有绿地斑块的面积的总和就是某一斑块类型的总面积,用CA来表示,单位为hm2。式中的i为斑块类型,j为斑块的总数目,a为i类型第j块绿地斑块的面积,单位为m2。此指标值的大小既能影响斑块中物种的丰度、数量、繁殖及斑块中的物种分布和信息流,也能影响绿地整体的雨洪调控、社会文化及游憩等综合功能的协调与平衡。因此,该指标在绿地景观格局分析时具有很重要的生态意义。

(2)斑块数

斑块数的值是指所有斑块数目的总和,用NP表示。不管是在类型水平上还是在景观水平上,斑块数目都在一定程度上可以反映出绿地景观的破碎化程度,其值与景观破碎化程度和空间异质性成正比。

(3)斑块密度

斑块密度是斑块总数比上总面积,也就是单位面积上的斑块数目,用PD来表示。虽然PD不能直接反映斑块的大小以及绿地景观中斑块的空间分布,但却能反映出景观空间结构的复杂性,也能用来描述景观的破碎化程度。其值的大小与破碎化程度和景观空间的复杂程度成正比。

(4)平均斑块面积

平均斑块面积(MPS)分为类型水平和景观水平两类,是绿地斑块面积A与绿地斑块数目N的比值。可以用来反映不同景观或者同一景观中不同绿地类型的破碎化程度和聚集度程度之间的差异。

(5)斑块形状指数

常见的斑块景观指数LSI有以下两种计算方式:

①近方指数:

②近圆指数:

式中,A表示绿地景观的总面积,E表示所有斑块边界的总长度。

其值大于等于1没有取值上限。LSI的大小与景观中斑块的规则程度和偏离正方形或圆形成正比,也就是说LSI越小则越接近正方形或者圆形,反之则绿地斑块形状越不规则。斑块形状指数可以反映出景观格局受人类活动的干扰。

(6)平均斑块分维数

式中,pij和aij分别表示景观中i类型第j块绿地斑块的周长和面积。其值的范围为1～2,没有单位。该指标值的大小与绿地景观斑块的形状复杂程度成正比。其值越接近1则表示其斑块形状越规则,越接近2则反映了该斑块的形状越复杂。

(7)破碎化指数

破碎化指数(FN)是单纯用来反映整个绿地景观或者某一类型绿地景观的破碎化程度。其值的计算可由以下两个公式计算得到:

式中,FN1和FN2分别表示整个景观的破碎化程度和某一类型绿地的破碎化程度。Nc为整个景观的总面积,Np为景观中各类斑块的总数,A为斑块的总面积,N表示斑块的个数,Nf是某一类型绿地景观的斑块总数。其值的取值范围为0～1,与破碎化程度成正比。

(8)Shannon’s目多样性指数

Shannon’s目多样性指数(SHDI)是景观中各类型斑块面积比重(pi)与其自然对数乘积的总和的相反数,其中pi计算时并不需要计算绿地景观中的背景面积。其取值范围大于等于0没有上限,当SHDI为0时则景观中只有一个斑块。SHDI与整个景观中绿地类型数目和它们面积比重的均衡化成正比。

(9)蔓延度

某一斑块类型在整个绿地景观空间上分布的聚集趋势就是蔓延度(CONTAG)。蔓延度是对景观质地的描述,它能反映不同斑块类型的邻接状况。蔓延度能同时反映不同斑块类型空间分布特征及其混合状况。

式中,pi表示i类型绿地斑块在整个景观中的面积比重,i类型和k类型绿地斑块之间的节点数由gik来表示,整个景观中斑块的类型数目则由m来表示。该指标单位为%,其取值范围为0＜CONTAG≤100。当所有斑块类型最大限度破碎化和间断分布时,指标值趋近于0;当斑块类型最大限度地聚集在一起时,指标值达到100。当景观中斑块类型数少于2时,该指标不被计算。

(10)Shannon’s均匀度指数

式中,Shannon’s均匀度指数(SHEI)是SHDI比上斑块类型的面积比重(pi)的自然对数。其取值范围为0～1,当SHDI=0,则表明该景观由一个绿地斑块组成。当SNDI=1反映了整个景观中各类型的绿地斑块的面积比重相同。

(11)绿地斑块连接度

式中,Cijk为在用户指定临界距离之内的,与斑块类型i相关的斑块j与k的连接状况;ni为景观中每一斑块类型的斑块数量。绿地斑块连接度(CONNECT)的计算与斑块类型尺度上的联通性指数相似,只不过其应用范围扩展到景观中的所有斑块类型。该指标的单位是%,其取值范围为0≤CONNECT≤100。当景观由一个斑块组成或景观中所有斑块类型只含有一个斑块,再或者景观中所有斑块都不连通时,CONNECT=0;当景观中每一斑块都是连通时,CONNECT=100。(www.xing528.com)

(12)廊道密度指数

廊道密度指数(T)是景观中廊道的总长度L与景观总面积A的比值,可以用来描述整个景观的破碎化程度。其值的大小与景观的破碎化程度成正比。绿地廊道是能量、物质和信息的流动通道,同时也将破碎化的绿地斑块连接起来,具有成为连接绿色基础设施网络中心与小型绿地斑块之间的连接廊道。

(二)绿色基础设施景观格局分析

在AcrGIS 10．0软件中用黄浦、莘城、方松社区的绿地类型图进行统计分析,可以得到瑞金社区、莘城社区、方松社区的绿色基础设施基本组成情况(表2-2)。

表2-2　上海城市社区现状绿地斑块基本概况描述

由表2-2可知,在瑞金社区的绿地空间中,小区绿地景观的破碎化程度很高,具有较多的斑块数目却仅占很少的面积比例;其他绿地占据了类型主导(占总绿地面积的13．2%),主要原因是瑞金宾馆和瑞金医院中的单位附属绿地占地面积较大,具有发挥城市环境功能型绿地网络中心生态效应的潜力。地处近郊的莘城社区内居住小区绿地类型占据主导,而方松社区位于远郊的松江新城,建设年代较晚,道路绿地面积小且斑块数目多,说明在社区建设过程中道路绿地并未形成带状的连续廊道布局。小区绿地和公园绿地在社区现状绿地中占有较大的面积比例,因此占据主导地位。

(1)斑块水平分析

根据海绵城市的研究需要及社区绿地现状特征,选取了绿地斑块面积中值、绿地斑块面积差、平均绿地斑块面积、绿地斑块面积标准差、绿地斑块面积变异系数和最大斑块面积指数6个指标从斑块水平上分析社区绿地斑块的基本特征。

根据分析和比较的结果可知,瑞金社区中的公园绿地分布不均匀,公园绿地面积与平均斑块面积有很大的偏差,小区绿地和道路绿地面积均匀且小,再加上其斑块个数较多,可见其破碎化程度较高。从绿地斑块面积标准差数和绿地斑块变异系数可以看出,瑞金社区中各类型内斑块面积之间的变化很大。在瑞金社区中其他绿地的面积极差值CRA最大为2．621 1 m2,反映了其面积大小分布不均衡,且公园绿地的RA＞小区绿地RA＞道路绿地RA。道路绿地和小区绿地的面积分布比较均匀。

莘城社区中小区绿地和公园绿地分布不均匀,此两类绿地的斑块面积与平均斑块面积有较大的分离,且道路绿地面积均匀且偏差小。在莘城社区中,公园绿地和道路绿地的斑块面积变异系数相对较小,小区绿地类型内斑块面积之间的变化较大,面积分布不均匀。莘城社区中其他3类绿地类型景观的面积极差从大到小依次是公园绿地＞其他绿地＞道路绿地,反映了社区绿地斑块中道路绿地面积分布相对比较均匀,小区绿地面积分布得不均匀。

方松社区中,公园绿地和小区绿地的绿地斑块面积标准差指数大,反映出方松社区公园绿地和小区绿地面积与平均斑块面积有很大的分离度,道路绿地斑块面积比较均匀。除小区绿地之外的其他3类绿地的面积基本相近。4种类型绿地斑块景观的面积极差值从大到小依次是小区绿地＞公园绿地＞其他绿地＞道路绿地,反映了方松社区中小区绿地类型内面积分异大,而道路绿地的斑块面积极差小,其绿地面积分布相对较均匀。

此外,为了更准确地反映城市社区绿地斑块大小及所占面积情况,根据绿地斑块的面积将其划分为小型斑块(＜100 m2)、中型斑块(100～400 m2)和大型斑块(＞400 m2)3类。3处社区中绿地斑块大小的分布存在着比较明显的差异,如位于市中心的瑞金社区,由于交通便利、居住人口密集,绿地空间相对较小,中小型绿地斑块数量占总斑块数的74．6%,但其面积却只占11．1%,可见其现状绿地斑块的破碎化程度很高,小区绿地斑块和其他绿地斑块是中小型绿地的主要成分。中小型绿地可以为社区居民提供日常生活、休闲娱乐的场所,承担相应的社会服务功能,并发挥对降雨径流的分散性管理和径流污染源头控制功能,但由于其破碎化程度较高,连通性较差,社区绿地的总体生态效益偏低。

莘城社区的绿地斑块主要是以大中型为主。小型斑块的数目占到总斑块数的32．2%,而其面积只占到总绿地面积的1．2%;中型斑块的数目占到总斑块数的28．0%,其面积仅占到绿地总面积的11．1%;大型斑块的数目占到总斑块数目的39．8%,面积占到94．4%。在莘城社区的现状绿地格局中,中小型绿地主要分布在小区绿地、道路绿地以及其他绿地中;大型斑块以小区绿地和公园绿地为主。

方松社区绿地斑块是以大中型绿地斑块为主(表2-3)。斑块面积＜100 m2的小型斑块的数目占到总斑块数的29．4%,而其面积占总绿地面积的1．2%;斑块面积在100～400 m2的中型斑块的数目占总斑块数的37．4%,其面积仅占绿地总面积的5．3%;斑块面积＞400 m2的大型斑块的数目占到总斑块数目的33．2%,其面积占绿地总面积的93．5%。在方松社区的现状绿地格局中,中小型绿地斑块以道路绿地和居住小区绿地为主,大型绿地斑块主要分布在公园绿地和居住小区绿地中。

表2-3　上海松江区方松社区绿地斑块规模分析

(2)类型水平分析

为分析上海城市社区绿色基础设施的空间分布特征,选取斑块数目、斑块面积、斑块密度、景观形状指数、平均斑块分维度和聚集度指数6个指标(表2-4)。

表2-4　上海城市社区斑块类型水平不同类别绿色基础设施景观格局指数

由表2-4可知,瑞金社区中其他绿地斑块类型面积远大于其他3类斑块类型的面积,公园绿地的斑块数和斑块密度小于其他3类绿地,这反映了瑞金社区中公园绿地的景观破碎化程度小于其他3类绿地;小区绿地、道路绿地和其他绿地的景观形状指数、平均斑块分维数都相对较大,这反映出这3种绿地类型的斑块形状较公园绿地更复杂,形状更加不规则。其原因可能是瑞金社区地处上海中心城区,用地类型复杂,小区绿地、道路绿地和其他绿地分布广泛,具有最多的斑块数,并与其他用地类型相互嵌套,边界易被切割成不规则的锯齿状,边界越曲折其分维数自然就越高。

莘城社区道路绿地、公园绿地和其他绿地的斑块类型面积与小区绿地的斑块面积相比明显偏小,这反映了莘城社区绿地建设以居住小区绿地为主。同时,小区绿地的斑块数目与斑块密度也远大于其他3类绿地。公园绿地斑块数目、斑块密度、景观形状指数等均小于其他3类绿地。说明莘城社区小区绿地斑块破碎化程度最高,公园绿地的景观破碎化程度相对较小。其他绿地和道路绿地的景观形状指数与平均斑块分维数较高,反映了道路绿地和其他绿地的斑块形状较复杂。这可能是道路绿地与其他绿地相互邻接,同时被众多的小区绿地分割所致。

在方松社区中,小区绿地和公园绿地占据主导,公园绿地与小区绿地面积相当,而其他两类绿地面积较少。小区绿地斑块数和斑块密度较大,反映了小区绿地的景观破碎化程度高。同时,小区绿地的景观形状指数和平均斑块分维数较大,也反映了小区绿地形状较其他3类绿地形状更加不规则,受人类活动干扰更严重。

景观中或者单纯某一类型的绿地景观的破碎化程度可以由景观斑块的破碎化程度来反映。景观类型的破碎化程度可以由景观类型的斑块密度直接反映。较高的景观破碎化程度将导致生物栖息地减少并改变局部温、湿度和微气候,同时会改变绿地斑块之间的相关性,影响绿色基础设施系统的环境功能。较高的绿地斑块破碎化程度会引起斑块平均面积的减小、数量增加、形状区域不规则且边界延长,增加了边缘效应,缩小了内部生境面积,导致了斑块之间被廊道截断,造成了斑块之间的彼此隔离。由图2-5可知,上海城市社区现状绿地中,瑞金社区和莘城社区的居住小区绿地类的破碎化程度远高于方松社区。

图2-5　上海城市社区绿地斑块密度比较

平均斑块分维数(FRAC_MN)描述的是景观类型形状的复杂程度,能够反映人类活动对景观的干扰,分维数越接近于1,其斑块的自相似性就越强,那么其斑块形状就越规则。一般而言,景观格局中相对规则的是人为景观,而通常表现出比较复杂的边界形状往往自然条件比较丰富。由图2-6可知,上海城市社区中道路绿地的斑块最规则,其他绿地和小区绿地的斑块自相似性最低,其形状也相对复杂,说明其自然性相对较高,具有承担绿色基础设施环境和社会功能的基础。

图2-6　上海城市社区绿地斑块平均分维度比较

就上海城市社区绿地斑块的平均分维度比较而言,莘城社区的道路绿地的FRAC_MN最小,反映了社区道路绿地斑块形状比较统一,其形状复杂程度较低。小区绿地和其他绿地的平均斑块分维数较大,表明这两类绿地较为复杂,形状更加不规则。造成这种现象的原因可能是社区中小区绿地和其他绿地分布广泛,具有较多的斑块数,且与其他类型的绿地相互嵌套和穿插,边界很容易被切割成不规则的锯齿状,边界越曲折分维数越高。

聚集度指数从宏观角度上反映了斑块的聚集程度,聚集度指数越大则说明绿地由少数团聚的大斑块组成,反之则由许多小斑块组成。由图2-7可见,上海城市社区中各类型绿地的聚集度都较高,其中公园绿地、小区绿地和其他绿地的聚集度相对较高。莘城社区中居住小区绿地的聚集度较高,与莘城社区小区绿地景观破碎度较高相矛盾。这可能是由于莘城社区人口分布相对集中,小区绿地斑块虽然破碎,但整体分布却相对集中。社区中公园绿地、小区绿地和其他绿地具有过高的聚集度,不利于促进社区绿色基础设施系统多网络中心结构的形成与系统的稳定,同时也不利于社区中分散性绿色基础设施对雨水径流的分散性源头控制。

图2-7　上海城市社区绿地斑块聚集度比较

(3)景观水平分析

在景观水平上选取了破碎化指数、蔓延度指数、连接度指数、廊道密度指数、多样性指数、均匀度指数6个指数进行社区绿地景观格局分析(表2-5)。

表2-5　上海城市社区绿地斑块景观水平指数分析

破碎化指数(FN)数值介于0～1,其值越大,说明破碎化程度越高,从表2-5中的数据可知,瑞金社区的绿地景观破碎化程度最高,而莘城社区和方松社区的绿地景观破碎化程度明显低于瑞金社区的绿地景观破碎化程度。且瑞金社区、莘城社区和方松社区的蔓延度指数分别为76．16、69．02和66．14,即瑞金社区绿地的蔓延度最高,而方松社区的绿地分布最为均匀,各类型的绿地斑块间空间联系较为紧密,而瑞金社区绿地景观连通度相对较小。此外,方松社区廊道绿地相对完善,而瑞金社区廊道绿地对于方松社区和莘城社区廊道绿地建设相对薄弱。

由数据分析可知,就Shannon’s多样性指数(SHDI)而言,方松社区＞莘城社区＞瑞金社区。这反映了在3个社区中,方松社区的各类型绿地的分布最均匀,丰富度也最高,而瑞金社区较其他两个社区的均匀性差距较大,各类型绿地的分布均匀度较差,丰富度也较低。景观均匀度的排序与多样性指数相同,这也验证了多样性分析的结果,即相比较瑞金社区和莘城社区,方松社区的绿地景观均匀度指数依然最大,瑞金社区最小,这也反映了位于上海城市中心的社区绿地格局与位于远郊的社区绿地格局的差异性。

综上所述,上海城市社区现状绿色基础设施格局的分析结果表明:社区的绿色基础设施空间格局存在显著的差异性,如黄浦区瑞金社区形成了以东北部公园绿地与其他绿地景观为主导、居住小区绿地景观与道路绿地景观分布不均衡的空间布局现状。而闵行区莘城社区和松江区方松社区则形成了以中央公园绿地为主导、外围小区绿地与其他类型绿地斑块围绕的空间布局方式。从景观水平的指数分析结果可知,方松社区的绿地格局的生物多样性最高,绿地斑块之间的连接度较高,且绿地廊道建设相对完善,有益于区域内绿地斑块环境生态功能的提升。而瑞金社区内的绿地斑块则分布不均衡,破碎化程度较高,绿地斑块的连接度低,且绿地廊道建设不完善,导致绿地空间的连贯性较差,受人工干扰的强度较高,现状绿地系统的社会和环境功能较低。

导致该结果的原因可能如下所述。

①瑞金社区地处上海城市中心,居住密度大,居住聚落以传统里弄为主,建设时间较早,缺乏系统性的绿地系统规划,绿地斑块小而破碎。

②莘城社区与方松社区均从20世纪90年代开始规划建设,其绿地的系统性与布局合理性都相对较好,且绿地类型丰富、连续性较强,具备优良的绿色基础设施系统建设潜力。