城市景观三维扩展及其大气环境效应综述

当前,中国正处于快速城镇化阶段,在城市边界迅速扩展同时,城市内部改造使建筑高度也不断增加,从而使得城市与周边生态环境的相互作用影响变得更为复杂。在三维空间上研究格局变化与过程关系对于城市生态安全持续和健康发展具有重要意义。本文综述了景观生态格局研究在三维空间上的进展和城市大气环境效应;总结了不同尺度上大气数值模式在城市下垫面大气模拟中的应用,以及城市景观组分和三维格局演变对局地气候和大气污染的影响;分析了当前城市景观三维格局研究和城市大气数值模式应用中存在的不足。三维格局定量分析及其环境效应是未来城市景观生态学研究新的方向,包括构建综合反映景观格局与大气环境关系的格局指数,建立融合城市景观格局演变动力机制和大气环境因子于一体的多尺度模型,以及加强城市三维景观格局优化研究。     

西安市景观格局演变对生态系统服务价值的影响

研究快速城市化地区景观格局演变对生态系统服务价值的影响,对城市空间格局调控、健康稳定城市生态系统的构建、区域土地资源优化利用和生态环境的保护及区域可持续发展具有重要意义.本文基于西安市3期(1999、2006和2015年)TM遥感影像的解译结果和社会经济统计数据,利用景观生态学和生态系统服务相关理论,分析了城市化影响下西安市景观格局特征和生态系统服务价值的时空变化特征,并定量分析了景观格局演变对生态系统服务价值的影响.结果表明: 随着城市化进程的加快,西安市景观格局发生了很大变化,其中,建设用地和园地景观不断增加,耕地、林地、水域景观减少;研究区景观呈现出愈加破碎化、多样化和不规则化的趋势.1999—2015年,西安市生态系统服务总价值减少19.03亿元.耕地、林地和水域景观生态服务价值下降,园地景观生态服务价值增加;气候调节对生态系统服务的价值贡献率最大,气体调节的价值减少量最大,水源涵养的价值减少率最大.西安市生态系统服务价值中心城区低、南部山区高;1999—2015年,生态服务价值在空间上呈下降趋势,低值区的范围由中心城区逐渐向周边区县扩展.景观格局变化会对区域生态系统结构、功能及过程产生重要影响.城市建筑景观的扩张与蔓延、交通道路网的延伸与交织使各景观类型被严重分割,破碎化增强;对区域生态服务价值贡献率较大的林地、耕地、水域等生态型景观类型减少,最终导致区域生态系统服务价值减少.     

城市生态空间演变规律及调控机制——以南京市为例

长三角地区自20世纪90年代后期以来,大城市向外扩张及郊区城市化作用共同推动城市空间的加速扩展,在政府干预下,生产、生活性用地与生态性用地间表现出复杂的双向流动特征. 鉴于生态性用地在城市生态系统中的服务功能,以及人文因素在解释城市土地利用/土地覆盖变化中的重要意义,有必要针对人类干预下的城市生态性用地时空和质量演化过程进行系统研究.利用1986、1996、2002年TM影像解译的南京市土地利用数据,研究南京市城生态空间数量增减和质量变化,从经济发展阶段、宏观政策环境和城市扩展规律等方面分析变化的驱动力,揭示政府干预下生态空间的结构和功能演变规律,并提出生态空间保护对策.结果表明:(1)研究期内生态空间面积总体保持平衡,其中绿色空间有所增长,蓝色空间有所下降;(2)生态空间的服务功能下降,景观格局上总体呈现破碎化、人工化趋势;(3)空间分布上,城市扩展前缘的主城区生态空间数量和质量下降严重,而属于城乡交错地区的都市发展区在退耕还林和农业经济结构变化等影响下生态空间数量有所上升,水面及洲滩湿地等高生态服务价值生态空间消失或蚕食,造成生态服务功能下降.研究发现,简单的面积指数难以控制生态空间的服务功能下降,生态空间保护必须依靠政府的多方面干预和调控行为.研究可为政府决策提供科学依据,丰富城市生态安全的空间策略研究内容.     

基于生态安全格局与多尺度景观连通性的城市生态源地识别

高度城市化区域面临着严峻的生态环境问题,生态安全格局构建是保障城市生态安全的重要途径。生态源地的科学识别一直是生态安全格局构建的技术难点。以高度城市化的深圳市为例,从社会-经济-自然三方面要素构建DPSIR模型评估区域生态安全,并基于景观连通性的多尺度分析识别生态源地。研究表明:(1)深圳市生态安全格局呈现东南部、东北部优良,中部、西部区域警告的空间特征,其中安全区、较安全区、基本安全区、预警、中警分别占比30.34%、13.49%、9.85%、9.15%和37.17%;(2)通过连接度、聚合度、内聚力和分离度4个景观连通性测度指标的主成分分析,可知400 m是深圳市生态源地景观连通性最优的识别尺度,斑块最小识别阈值面积为0.8 km~2;(3)深圳市生态源地面积为753.78 km~2,占全市总面积的37.74%,主要为深圳市东南部与西部区域的林地和水域用地,其中包含了86.87%的法定保护区,且91.92%的区域落入生态控制线范围内;(4)基于生态安全格局与多尺度景观连通性的生态源地识别方法可为城市生态源地的识别提供新思路,从而有效指导城市规划。     

佛山市高明区生态安全格局和建设用地扩展预案

城市生态环境问题已上升到生态安全的层面.以人类生存安全和理想人居环境为目标,基于空间数据和统计资料,利用景观安全格局原理和地理信息系统空间分析方法,构建了包含基本保障格局-缓冲格局-最优格局3个级别的水安全格局、地质灾害安全格局、大气安全格局、生物保护安全格局和农田安全格局,叠加得到高明区综合生态安全格局,在此基础上提出了高明区建设用地扩展最优方案和生态功能分区.结果显示,并非生态安全格局水平越高,城乡发展模式越优,缓冲生态安全格局下的高明区建设用地扩展模式,最可能实现生态安全保护与城镇扩展的和谐发展.综合生态安全格局明确了区域的生态环境敏感区和生态服务功能重要区,为区域生态功能分区提供了新的思路.     

近20年城市生态系统服务发展态势分析

城市生态系统服务是维持和提高人类福祉、实现城市可持续发展的基本条件。采用文献计量学和科学知识图谱, 基于Web of Science 核心合集和中国知网数据库, 梳理比较了2002—2019年城市生态系统服务的国内外研究主题及其演变路径。结果表明: 在此期间, 国内外城市生态系统服务研究呈上升趋势, 美国和中国两国发文量占比最高, 各机构间合作度较高、跨国交流较活跃。国际上城市生态系统服务研究中, 生物多样性成为最大关键词网络节点, 城市中的环境影响、景观视角下绿色空间、土地利用的保护与管理以及气候变化对城市生态系统服务影响亦是热点。国内研究则更加关注生态系统服务的价值评估, 并在风景园林和城市绿地的融合、城市化或城市群发展过程中的土地利用和生态安全格局方面形成中国特色。近20年来, 国际上研究热点演化表现为: 城市中的生态学—城市的管理—生物多样性与调节服务—文化服务与人类福祉; 国内方面则经历从城市森林—生态用地与生态城市—城市或城市群生态安全格局演变过程, 而气候变化对城市生态系统服务影响方面的研究相对有限。城市生态系统服务研究存在问题包括: 城市生态系统服务与人类福祉作用机理认知不足、评估结果的准确性较低及其实际应用受限、生态系统文化服务量化和不利服务的研究滞后; 基于多学科整合的理论框架和方法论亟待突破。最终在此基础上提出未来深入探索的5大重点领域。     

城市森林景观格局与过程研究进展

大规模的城市化进程,改变了城市以及周边区域的景观格局,显著影响着城市森林生态系统的结构、过程与功能.景观尺度上的城市森林景观格局与生态过程研究已经成为当前城市森林学的研究热点.在阐明城市森林及其景观格局与过程概念的基础上,综述了国内外城市森林景观格局与过程的研究内容、研究方法的进展情况,指出了以下几个方面有望成为今后城市森林景观研究的发展方向:景观尺度上的城市森林系统能流、物质循环等生态学过程研究;城市森林景观格局演变的社会驱动力研究;基于生态服务功能的城市森林规划研究;半都市化地区的森林景观格局与过程研究;基于空间显式景观模型的城市森林景观格局与过程模块开发.     

城市生态用地的空间结构及其生态系统服务动态演变——以常州市为例

生态用地是城市社会-经济-自然复合生态系统重要的组成部分,为城市提供多种显著的生态系统服务。应用遥感、地理信息系统技术和生态系统服务评估等方法,针对城市生态用地的空间结构与服务功能演变科学问题,通过对常州市区1991、1996、2001和2006年4个时段遥感图像的处理与比较分析,揭示了常州市区15a来城市空间景观格局的演变规律,评估了由城市生态用地改变所导致的生态系统服务的变化。研究结果表明,1991-2006年间,常州市区生态用地占市区面积的比例由89.2%降低至65.1%。1991-2001年,林地、农田和水体的面积都呈不同程度的下降趋势。2001-2006年,林地面积增加基本回到1996年水平。常州市区生态用地主要为城市提供了农林产品生产、气候调节、涵养水源、水土保持、生物多样性保护等生态系统服务。在过去15a间,由于城市化占用生态用地,常州市区生态用地生态系统服务的经济价值总体降低了19.3%。其中,农田的生态服务价值减少最大,减少了32.3%。研究结果表明,常州城市空间景观格局演变与生态系统服务变化之间存在着密切相关性,研究可为城市生态系统服务强化、城乡土地利用规划与管理、城市可持续发展等提供科学方法与决策参考。     

城市扩张背景下生态用地格局与生态效率的多尺度关联分析

探寻生态用地景观格局演变对生态效率的影响规律对于合理配置生态用地、促进城市可持续发展具有重要的指导意义。运用生态效率度量模型、空间自相关分析和景观指数, 分别探讨2005—2015年三大城市群生态效率时空分布特征及生态景观格局演变规律, 并基于空间杜宾模型实证分析行政区和主城区不同尺度下的生态用地景观格局对生态效率的影响。研究结果表明: (1)城市扩张使生态用地面临较高的转化风险, 绿地作为优势生态用地, 是建设用地蚕食的主要用地类型; (2)主城区尺度下的生态用地景观格局对生态效率的影响比行政区尺度更为显著, 对主城区内的生态用地景观格局进行调控更能发挥效果; (3)绿地景观格局对生态效率的影响比水域更为突出, 降低主城区绿地破碎度, 提高单个斑块优势度比提高绿地总面积更有利于促进城市生态效率。由此可认为主城区尺度下的绿地优化调控在城市规划中应给予重视, 在无法避免蚕食绿地时, 应尽可能侵占小斑块绿地, 以确保自然生态保护区等大斑块绿地的生态优势地位。     

黔中喀斯特山地城市景观稳定性评价与特征分析

城市景观稳定性是对城市生态环境进行分析和评价的基础,对城市景观生态安全格局和景观可持续性具有十分重要的意义。以典型喀斯特山地城市贵阳市为研究对象,以2008年、2013年和2017年景观类型为主要数据。运用蔓延度指数、斑块密度和总边缘对比度构建景观稳定性评价模型,在分析2008-2017年景观格局变化状况的基础上评价景观稳定性时空特征。并运用探索性空间数据分析方法揭示贵阳市景观稳定性时空演变规律和冷热点特征。结果表明:(1)2008-2017年贵阳市景观格局发生剧烈变化,耕地面积大幅减少,林地和建设用地面积持续增加,景观破碎化程度加剧,但破碎化趋势有所减缓。(2)10年间,贵阳市景观稳定性水平整体较低,以不稳定和较不稳定为主,表现出"先降低、后提高,总体略有降低"的趋势。(3)贵阳市景观稳定性的空间分布与演变具有明显空间聚集效应,全局Moran''s I指数介于0.2008-0.4005之间,但聚集趋势呈"总体减弱,小幅提高"的特征;此外,景观稳定性热点区主要集中在城镇建设用地或林地斑块相对集中连片、完整的区域。研究结果可为喀斯特山地城市景观空间格局优化、生态安全网络格局构建和生态文明城市建设提供重要的科学依据。     

两岸典型城市生态功能网络的组成与结构

城市景观的发展加速了景观结构的更新,亦使得景观功能日趋完备;同时,由于城市化亦衍生了景观破碎化以及城市热岛效应等一系列限制当前城市发展的环境问题。因此,城市景观优化必须在充分考虑经济和生态双重需求的前提下,寻求与自然生态体系协调的生态问题解决途径。本文通过对城市生态网络组成与结构的现状分析,阐明城市生态系统间的空间关系,以网络结构的优化达到保护生态环境,提高城市整体开放空间价值的目标。选择经济发展稳定且生态环境良好的中国台湾乌溪流域(台中地区)及深圳市为研究区,通过耗费距离模型评价两岸典型城市生态网络结构。结果表明:两地城市生态功能网络均受城市发展影响,生态中心与社会经济中心的空间位置出现显著的两极化,且生态功能中心与联系中心并不吻合,使得生态功能的流动与传输更依赖于城市范围内的生态组分与结构通达性。因此,为提升城市生态功能,需从强化生态功能网络结构入手,整合城市内的生态景观单元,提高关键生态节点的通达性,进而优化城市景观生态。     

城市景观格局演变的水环境效应研究综述

人类活动导致的城市土地利用覆被变化在景观生态学上表现为城市景观类型的更替和城市景观格局的演变。我国城市景观格局中自然植被景观基质大幅被人工硬化地面所取代,自然景观斑块破碎化,城市道路和排水管网等人工廊道大量增加,造成"源""汇"景观的比例失衡和格局失调,从而产生城市景观格局演变的水环境负效应,如非点源污染、水生生态系统失衡和城市内涝等,且水环境负效应存在时间尺度差异和空间尺度响应多样性。对城市景观类型及其格局演变产生的城市水环境效应相关研究进行总结,针对现有研究中存在的城市景观格局演变带来的生态过程变化研究较少、影响城市水环境的景观格局变化阈值不明确、研究结果推广难和重复性较差、人工廊道与城市水环境效应关系关注度较低和水环境负效应综合度研究欠缺等不足之处,提出未来研究的着力点,对实现可持续城市具有一定意义。     

基于生态系统服务供需的城市群生态安全格局构建框架

近年来,生态系统服务供需失调引发了一系列问题,诸如城市热岛、生态用地流失、环境污染、生物多样性减少等生态风险问题,已成为威胁生态安全、制约社会经济可持续发展的重要因素,因此维持生态系统服务供需平衡是生态安全健康发展的保障和关键。梳理了生态系统服务评价、生态安全格局构建的研究现状,指出了存在的不足,同时构建了基于生态系统服务的城市群生态安全格局基本框架,并提出了生态安全格局未来的研究重点:城市群区域和城市内部生态系统服务的多尺度综合评价、城市功能区的划分及对生态安全的胁迫作用、生态过程与生态系统服务与生态安全的耦合、基于生态系统服务流的生态安全格局构建、模拟和优化。通过耦合社会经济数据、卫星遥感数据、城市地图大数据,评价城市内部和外部不同尺度的生态系统服务,保障城市群生态系统服务流畅通传输,实现城市群生态安全格局评价和优化。     

城市热岛的生态环境效应

城市热岛效应(Urbanheatislandeffect,简称UHI)是一种由于城市建筑及人类活动导致热量在城区空间范围内聚集的现象,是城市气候最显著的特征之一。热岛引起地表温度的提高,必将强烈地影响着城市生态系统的物流、能流,改变城市生态系统结构和功能,产生一系列生态环境效应,影响着城市气候、城市水文、城市土壤理化性质、城市大气环境、城市生物习性、城市物质循环、城市能量代谢以及城市居民健康等。提高能量利用效率、优化城市格局、建设绿色屋顶、采用高反射率地表材料以及增加城市绿地均可有效地控制城市热岛效应。利用遥感手段和数值模型技术,开展多尺度的城市热岛生态环境效应研究,为改善城市生态环境、实现城市可持续发展提供理论依据。     

长沙市热力景观空间格局演变分析

城市热环境是城市生态环境效应研究的热点之一,其演变规律的研究为缓解城市热岛带来的负效应、促进城市可持续发展提供依据。以2004年和2010年Landsat7 ETM+遥感影像数据和土地利用现状数据为数据源,在地表亮度温度反演的基础上,运用景观指数并结合GIS空间分析技术,采用移动窗口和梯度分析结合的方法,分析2004—2010年长沙市中心城区热环境的空间格局动态变化,通过分区统计法分析了不同热力景观等级下不同城市景观的空间格局变化,从景观尺度上阐明城市景观类型组成和空间格局与地表温度空间分异之间的关系。研究结果表明:2010年热岛区域扩大且更加分散,面积比2004年增加15.01km2,新增区域主要分布在金霞、岳麓和星沙的新兴工业园区;中心城区热力景观格局在景观水平上具有明显的空间分异特征,在从中心位置到偏北、偏东和偏南方向上,热力景观从市区向周边郊区呈现破碎化、多样性递增、形状复杂化,而从中心位置到偏西方向上与之相反;景观类型组成和空间布局对地表热环境产生不同影响,耕地、林地在热力景观内的优势度越大、分布越集中,地表降温效果越显著;反之,建设用地斑块越大、凝聚程度越高、形状越规整,地表温度越高,热岛效应显著。     

生态智慧引导下的太原市棕地修复逻辑与策略

城市生态系统是一个复杂的人工系统,城市经过快速掠夺式的发展已经造成绿地生态空间锐减,水体资源缺乏且污染严重,热岛效应突出和城市棕地面积大且污染严重等一系列生态问题。以资源枯竭型城市内大量存在的棕地为研究对象,认为城市棕地的修复需要生态智慧的引导,在建立生态智慧引导的城市棕地修复逻辑和框架的基础上,结合太原市棕地生态修复实践,建立从棕地安全性修复、棕地功能修复和棕地景观修复的综合修复框架,提出分期分类多元化再生,分类利用城市功能活化,去棕还绿抗污染植物配置棕地修复的生态智慧策略。     

京沪穗三地近十年夜间热力景观格局演变对比研究

城市热环境是城市生态环境的重要方面,它与城市气候、城市生态、城市灾害有着重要的联系.以北京、上海、广州三地为研究区,选取近10年MODIS的夜晚地表温度(LST)产品MOD11A2,分别采用质心迁移、景观格局指数、空间自相关方法研究京沪穗三地近10年的不同等级热力景观质心迁移演变、格局变迁和空间集聚特征.主要结论为:三地热力景观随郊区向市中心趋近,体现了由低温区、次中温区向中温区、次高温区、高温区过渡的趋势;三地的中温区所占比例最大,城市热力景观破碎度三地中上海市最高,5种热力景观比较,次中温区和高温区的破碎度最高;城市热力景观离散度三地中北京市最高,低温区和高温区的离散度较高.热环境空间自相关分析表明三地均以高温-高温区,低温-低温区集聚为主,北京、广州高温-高温区分布于南部,且集中成片分布,而上海市高温-高温区分布比较离散,相对较为复杂.从分布面积来说,10a中北京、上海表现为先减少后增加,而广州则持续减少.总体而言北京热环境恶化,而广州、上海热环境有所好转.     

2003—2011年夏季北京城市热景观变化特征

自北京城市总体规划(2004—2020年)以来,城市化快速发展,强烈的人类活动改变了城市的热环境。基于2003年、2007年和2011年夏季同时期的TM遥感卫星影像,采用遥感反演地温的方法,运用RS、GIS以及景观分析工具,对北京城市六环内的热场和热岛变化特征进行了分析。分析结果表明,2003—2011年北京城市六环内的热场分布特征发生了很大变化,2003年城市各环线内的植被覆盖度最低,但是夏季城市的地表辐射亮温分布差异相对较小,热岛特征也并不十分明显,随着城市建设规模扩大和用能的增加,到2011年,尽管城市植被覆盖度提高很快,但城市和城郊的温差达到最大,城市热岛在不断增强,热场向城市中心集聚趋势明显。通过城市热岛等级类型的景观指数分析表明,2011年的高等级的热岛斑块分布范围和强度都明显提高,而且城市五环内高等级的热岛范围基本连成一片。由于城市人类活动的加剧各热岛等级斑块的形状更加复杂。在景观水平上的分析显示,2007年的热景观斑块类型多,在六环内的分布均匀,破碎化程度高,至2011年,景观斑块的蔓延度逐渐下降,低等级的热岛斑块优势度逐渐降低。研究结论可以为城市管理决策部门制定有效的热岛效应缓解措施提供理论依据。     

基于生态系统服务的城市生态基础设施:现状、问题与展望

城市生态基础设施是城市可持续发展的重要基础,也是建设生态城市的重要保证。生态系统服务是城市生态基础设施建设的核心与关键。在快速城市化的背景下,保障生态基础设施的结构完整性和功能完善性尤为重要。在阐述生态系统服务的基础上,对生态基础设施的概念与类型进行了概述;从城市湿地生态基础设施、绿地生态基础设施以及城市地表硬化的生态工程改造3个方面对城市生态基础设施研究现状进行综述;对生态基础设施结构与功能评估方法进行了总结,对基于生态系统服务的城市生态基础设施研究进行了综合评述,首次提出了城市表面生态学的概念与研究展望,为城市生态系统服务的强化与调控提供了方法论指导。城市生态基础设施与表面生态学的整合研究将对城市水文效应(内涝)、灰霾效应(PM2.5)、热岛效应、水体污染与富营养化等备受关注的重大问题提供新的解决思路与科学方法。