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。     

城市景观格局演变的生态环境效应研究进展

快速城市化过程剧烈影响着下垫面变化,直接带来了交通拥挤、资源短缺、环境污染、生态恶化等诸多问题,所有这些问题的出现均与景观格局演变密切相关,研究城市景观格局演变及其生态环境效应正在成为全社会关注的热点.系统总结了城市化过程对景观格局演变的影响,分析了城市景观格局演变的热环境效应、水环境效应、生态服务效应,以及城市生态用地与生态安全格局设计等方面的研究进展.指出了目前城市景观演变与生态环境效应研究中存在的问题与不足:(1)现有研究侧重于景观格局演变的量化分析和景观格局指数的计算,较少关注景观格局演变对生态环境及其区域生态安全的影响;(2)城市景观格局演变与热岛效应研究多局限于两者数理统计关系的分析,对于城市热环境形成的机理缺乏深入研究;(3)城市景观格局演变与大气环境效应方面更多研究关注绿地及其空间布局在吸收和降解大气污染物、固体颗粒物方面的作用,对城市景观格局演变的大气环境综合效应以及大气灰霾效应影响机理重视不够;(4)如何通过合理设置生态用地,有效提高城市生态服务功能和保障城市生态安全,目前仍缺乏深入而又系统的研究.下一步的研究中,需要综合多尺度的景观信息来揭示城市景观的演变机理和环境效应,构建基于城市空间扩展和生态服务效应评价的城市生态空间优化决策模型,探讨城市生态空间优化模式与安全格局.     

东北城市露水凝结观测及其与常规气象要素的关系

露水是城市生态系统水循环组成部分,是重要的凝结水资源和湿度来源,为了揭示"全球变暖"对我国东北地区城市露水凝结的影响,于2014和2015年植物生长季对长春市绿地区、道路区及裸土区露水强度和气象因子进行监测和相关性分析。结果表明,东北城市绿地区露水强度与相对湿度、露点温度、气温、风寒温度、太阳辐射(n=254,P0.01)正相关,与PM_(2.5)、PM_(10)、空气质量指数、夜间风速、大气压(n=254,P0.01)负相关。东北城市年露日数为132—136d,占无霜期的62.5%左右。绿地区是城市生态系统水汽凝结的主要区域,绿地区占市区面积的比例是城市年露水量的决定因子,长春市年露水凝结量约为23—35mm,如城市绿地区所占比例降低至5%,年露水量基本可忽略不计。东北城市露水强度可通过I=(-5.9+0.156RH-0.86V_(night)+0.117R_n)×10~(-2)(R~2=0.857)模型进行模拟。结合研究区1965—2015年植物生长期夜间凝露段气候因子的变化趋势,判断东北城市生态系统露水量的变化率为-1.07mm/10a(P0.01)。在相对湿度、夜间风速和太阳辐射共同影响条件下,研究区气候变化对露水凝结影响不大。提供了城市不同下垫面露水监测及计算的方法,完善了不同生态系统露水监测体系,通过间接模型法构建了露水强度模拟模型,进一步明确了气候变化对近地表水循环的影响。     

中国城市生态基础设施对碳排放量的影响

在碳达峰、碳中和的时代背景下,探究城市生态基础设施的碳减排效应对实现城市的可持续性发展、现代化发展具有重要的现实意义。选用中国2003-2019年中国214个地级市为样本,采用熵权法量化中国城市生态基础设施发展水平,构建空间计量模型研究城市生态基础设施发展对碳排放量的影响及其空间溢出效应。研究发现：（1）中国城市碳排放总量整体呈上升趋势,并且碳排放量较高的地区是人口密度较大的城市,以及传统工业城市。城市生态基础设施发展水平总体呈先下降,后上升的趋势,发展较好的城市分布在东部沿海地区,西北城市,中部省会与直辖市。（2）城市生态基础设施发展显著促进了本地城市和邻地城市的碳排放量,该结果通过稳健性检验。并且,城市生态基础设施的碳减排效应存在滞后性,城市生态基础设施在发展至12期时,具有显著的碳减排效应。（3）城市第二产业发展具有集聚效应,降低了邻地城市的碳排放量;城市对外开放程度越高,地区间贸易加速流动,促进了邻地城市的碳排放量。（4）与其他城市相比,西部地区城市、非省会城市和直辖市,以及资源型城市的生态基础设施发展显著促进了城市碳排放。（5）政策制定上,一方面应全力推进城市生态基础设施发展和第二产业转型,重视城市绿化覆盖、垃圾废水处理等设施建设。另一方面需特别关注西部地区城市、非直辖市和非省会城市、以及资源型城市,因地制宜,激发其生态基础设施建设动力,助推碳达峰、碳中和目标的实现。     

厦门海湾型城市发展累积生态效应动态评价

港湾地区的快速城市化使港湾湿地生态系统及其生产功能和服务功能发生急剧改变并在时间和空间上产生累积效应。以具有典型意义的厦门港湾湿地为研究对象,采用系统动力学方法,定性分析系统因子因果反馈关系,筛选港湾湿地水动力环境、水质环境、生物生态环境、地形地貌、景观环境作为厦门海湾型城市发展的累积生态效应指示因子。通过调整模型的相关政策变量及组合,仿真模拟了不同发展策略下厦门港湾湿地的累积生态效应,并结合灰色评估模型对累积生态效应进行量化,得出不同发展策略的累积生态效应指数,并对模型进行了模型验证与敏感性分析。设计三大未来发展情景,即基准情景（BS）、发展规划情景（S1）、生态城市发展情景（S2）。模型模拟结果表明：基准情景下2020年厦门城市发展对港湾湿地的累积生态效应指数为0.61;发展规划情景下对港湾湿地的累积生态效应指数为0.37;生态城市发展情景下对港湾湿地的累积生态效应指数为0.30,相对基准情景下可减少累积生态效应50%,建议厦门市按照海湾型生态城市模式进行发展。     

城市生态网络分析研究进展

自生态网络分析方法提出40多年来,其理论发展和应用实践不断拓展,但直至21世纪才不断引入到城市生态系统研究中,用以分析城市内部多个主体和多种生态流构成的关联网络。目前,城市生态网络分析集中于生态网络分析方法与指标的拓展及多尺度的应用研究,而生态网络分析方法又形成了上升性分析和环境元分析两大分支,多尺度应用涵盖了城市镶嵌的区域背景尺度和城市内部产业部门之间的细节尺度。然而,当前研究仍存在着多尺度融合、多种生态网络分析方法集成不足等问题,这限制了城市生态网络分析方法在城市规划设计中的应用。未来城市生态网络分析研究集中于如下3点:(1)开展多尺度城市生态网络分析,包括城市群-城市-园区/社区等,构建多级嵌套生态网络模型;(2)集成上升性与环境元分析方法,提出由外在表征到内在过程的城市生态系统评价模式及模拟方法;(3)强调自然节点在城市生态网络中的重要作用,形成社会经济节点与自然节点并重的生态网络模型,并强调构建多精度的生态网络模型服务于不同的研究目的。     

露水对植物的作用效应研究进展

概述了国内外露水对植物作用效应争议的两个方面,一是露水有利于促进植物生长,二是露水对植物生长具有负效应。前者主要包括干旱胁迫下植物生长重要的水资源、调节植物体内水分、改善土壤水分平衡、调节森林植物生长环境、有利于农作物管理及其病虫害防治等生态效益;后者包括导致植物发病、降低植物产量和质量等。文章还指出了露水对植物作用效应研究存在的问题,并提出了今后研究的方向：（1）露水对植物作用效应的机理研究;（2）干扰条件下露水对植物作用效应研究包括酸露对植物作用效应研究和城市热岛条件下露水对植物作用效应研究;（3）露水对植物多样性的影响研究;（4）露水在生物防治中的应用研究。     

三维城市景观生态研究

城市景观元素的三维分析是城市景观研究发展的重要趋势之一。城市形态的结构特征与功能的空间作用不仅体现在二维空间中,同时在三维向度上表现出城市社会经济发展态势与空间演变的相互作用,因此在城市空间格局、过程与功能的讨论中,不能局限于二维平面。首先由三维视角提出城市景观格局及功能网络特征,并结合对航空摄影测量、卫星遥测、机载激光扫描等三维信息获取方法的认识,介绍目前城市景观三维信息提取的相关方法;其次,在三维城市景观生态研究内容方面,重点介绍城市景观要素提取、格局特征及其动态变化、生态环境效应和城市景观功能等相关研究,探讨城市内部的三维建成景观以及绿地景观要素提取与应用,并在传统景观格局分析方法基础上,提出了三维城市景观格局特征测量方法、动态变化监测方法以及动态模拟等相关内容,进一步对三维城市景观在生物多样性、局部气候变化等生态环境效应方面的研究进行了归纳总结;最后借助构建三维景观功能网络的思路,以作为三维城市景观功能优化研究的切入点。     

城市三维空间形态的热环境效应研究进展

城市的三维空间形态,通过影响地表能量平衡过程和空气流动,改变城市内部热环境,并可能加剧城市热岛效应。在三维空间上定量解析格局-过程-效应关系对于城市生态安全和可持续发展具有重要意义,可为城市生态规划与景观设计提供重要科学依据。从城市三维形态的热环境效应研究角度,综述了城市三维形态的定量化研究进展;总结了城市三维形态对热环境以及空气流动、太阳辐射等过程的影响;分析了当前城市三维形态的热环境效应研究领域存在的不足。未来的研究应注重建筑与植被三维特征的综合表征,三维形态指标的选择应综合考虑其对设计规划的指导作用,并加强城市三维形态对热环境影响机理及其尺度效应的研究。     

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。     

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。     

近20年城市遥感研究现状及其发展趋势

随着城市化进程的不断加速,城市遥感研究已成为地理学、生态学、城市规划学等学科领域主要发展方向之一。城市化使人口与经济增长的同时,也使得城市原有的生态环境状况发生改变,从而引起了一系列城市生态环境问题。城市遥感是一门多学科交叉研究领域,近年来已经取得了一系列显著的研究成果。对近年来城市遥感研究涉及的城市地表温度、边界扩张、不透水表面、景观格局以及生态安全5个方面的理论、研究方法、应用动态以及发展方向进行了较为详细的总结与探讨。主要得出如下结论：（1）数据源从单个遥感数据研究走向多源遥感数据融合发展,多源遥感数据尤其是结合高分辨率数据越来越多的被应用到城市研究的各个领域中;（2）城市遥感的研究目标不断扩展、深化和聚焦;（3）城市遥感研究已开始从二维空间向三维空间拓展;（4）城市遥感涉及的研究对象之间相互作用,相互影响在深入解读城市遥感研究理论意义和潜在挑战的基础上,结合最新研究对本文所涉及的主题进行了补充和完善,为城市典型生态环境问题的解决提供新的思路;今后应按照城市形态与构成、城市关键要素、生态环境响应、生态环境评价以及城市扩展与环境预测的体系结构进行综合分析。     

城市绿地空间格局及其环境效应——以宜昌市中心城区为例

城市绿地在改善城市环境及维护城市生态系统平衡中起着极为重要的作用 ,而当绿地覆盖率小于 4 0 %时 ,绿地整体生态效益的发挥主要取决于绿地的内部结构和空间布局 ,但迄今为止缺乏绿地景观分布格局与环境效应关系的研究报道。本研究应用景观生态学原理 ,分析了湖北省宜昌市中心城区斑优格局、斑匀格局、廊道格局和对照格局等四种景观结构及其绿地分布格局 ,选取了气温、相对湿度、环境噪声和大气 SO2 、NOx、TSP含量等环境监测指标 ,观测了不同绿地景观格局下的环境效应 ,并对比分析了绿地分布格局指标与综合环境效应间的关系 ,以便提出城市绿地系统布局合理性指标 ,为城市绿地系统的景观结构优化提供依据。研究结果表明 ,斑优格局、斑匀格局、廊道格局和对照格局等四种不同景观在斑块总面积、建筑斑块面积和无绿化道路面积等景观总体格局上较均衡 ,但由于其绿化覆盖率及绿地景观分布格局差异较大 ,致使其环境效益也表现出明显的差异。其中 ,对照格局景观的绿地斑块总面积最小 ,绿地破碎化指数最高 ,绿化覆盖率仅为 1.0 0 % ,以建筑铺装斑块和无绿化道路廊道为主要景观构成。因此 ,对照格局景观的环境气温较高、空气相对湿度低、环境噪声较大、大气 TSP含量高 ,景观环境恶劣。斑优格局景观主要表现为绿     

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。     

城市生态系统的动力学演化模型研究进展

从系统分析出发,对城市生态系统的动力学演化模型的发展历程、建模的方法和步骤过程、软件开发方法和目前的模型软件等进行了总结。归纳了城市生态系统的动力学演化建模的方法,主要包括模型定义、模拟、实现、验证、分析和应用等六大步骤。目前国内外用于城市生态系统动力学演化模型的主要方法有：基于数理模型的方法、生态控制论和灵敏度模型、系统动力学模型、多目标规划法等。已经开发的用于城市生态系统的动力学模拟的软件可以划分为两类：基于土地利用和交通规划的专业模型和基于系统动力学和灵敏度模型的一般软件。总结了常用的城市演化模型软件,讨论了模型的研究对象和应用范围。分析了城市生态系统的动力学演化模型建模的不确定性的来源,并指出：向宏观和微观两极化发展是城市生态系统动力学演化模型的发展趋势之一,而与人工智能和地理信息系统等新方法的集成是发展的另一趋势。城市生态系统动力学演化模型的开发前景在于对不确定性问题的定性、定量分析,而多模型的耦合和集成是发展的必然趋势。     

Ecology and urban planning

Urban areas harbour diverse nature ranging from semi-natural habitats to wastelands, parks and other highly human-influenced biotopes with their associated species assemblages. Maintenance of this urban biodiversity for the residents and for its intrinsic value in the face of increasing population and expanding cities requires that ecological knowledge should be better integrated into urban planning. To achieve this goal understanding of ecological patterns and processes in urban ecosystems is needed. The first step in the necessary urban ecological research is to find out what kind of nature exists in cities. Second, knowledge about ecological processes important in urban nature is required. Although ecological processes in cities are the same as in rural areas, some of them, such as invasion by alien species, are more prevalent in urban than in rural conditions. Third, based on ecological knowledge, management schemes maintaining the diversity of urban nature should be designed. These procedures should also include protection of urban nature, e.g. in urban national parks. Finally, as ecology alone cannot provide the complex information about human influence on urban ecosystems, interdisciplinary research involving natural and social sciences is imperative for a holistic approach to integrating ecology into the process of urban planning.     

闽三角城市群生态安全格局构建及城镇扩展模拟

在快速城镇化背景下,构建生态安全格局并探讨城镇用地扩展格局已成为保障区域生态安全和缓解生态保护与土地开发矛盾的重要手段。以闽三角城市群为例,基于景观安全格局原理和ArcGIS空间分析法,从综合水安全、生物保护安全、地质灾害安全以及游憩安全四个方面叠加构建"底线安全格局-缓冲安全格局-最优安全格局"三种不同安全水平的综合生态安全格局;然后结合SLEUTH模型,将不同生态安全格局情景作为约束条件融入其排除图层,对研究区2015-2030年的城镇用地空间扩展进行多情景模拟。研究表明：①底线安全格局、缓冲安全格局以及最优安全格局的面积为9305.51、7576.28、3482.73 km²,分别占闽三角城市群总面积的36.89%、30.03%、13.81%;②三种生态安全格局情景模拟下城镇用地均呈增长趋势,但增长速度均小于历史用地的增长速度,高安全格局约束下的新增城镇用地面积和增长速度均最小,表明将生态安全格局作为城镇发展的约束条件,在城镇土地开发中能够增强对生态空间的保护力度,维护区域生态安全,控制城镇蔓延。相关研究成果可为城镇开发边界管控与国土空间规划的编制提供技术支撑与决策辅助。     

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。     

屋顶绿化生态系统调节服务与政策效应研究综述

屋顶绿化作为基于自然解决方案的一种生态战略,可以有效缓解城市的一系列生态环境问题。为了更好的挖掘屋顶绿化在城市生态系统中的应用潜力,需要从屋顶绿化生态系统调节服务出发,全面且定量地认识屋顶绿化与城市生态系统的关联机制。阐述了屋顶绿化的构成要素,屋顶绿化生态系统调节服务的内在机制;回顾了屋顶绿化生态系统主要调节服务与政策推动建设效果;从屋顶绿化推行制约因素及生态系统调节服务研究等方面进行了展望。目前,屋顶绿化研究主要侧重于环境调节服务。在水环境调节方面,当前多针对屋顶绿化的水环境调节功能开展研究,还需进一步从屋顶绿化生态系统水循环的角度探究,明确屋顶绿化在什么条件下是径流的污染源。在热环境调控方面,多数研究集中在量化屋顶绿化对城市热环境的影响,而驱动屋顶绿化降温效应的内在机制与城市热环境调节服务之间的定量联系还尚需深入研究。在建筑能耗方面,目前仍然缺乏建筑物的能源性能建模所需的屋顶绿化物理参数,需要基于长时间观测数据构建能量传输模型,从建筑-基质-植被-大气耦合的角度,综合研究屋顶绿化能量流动的过程与机制,明晰屋顶绿化与裸露屋顶之间的能量流动差异。在政策推动效应方面,我国屋顶绿化政策类型相对单一,缺乏覆盖整个屋顶绿化生命周期的推广政策。建议多维度、大范围的推动屋顶绿化建设,以期更好的改善城市生境。