王效科,蘇躍波,任玉芬,張紅星,孫 旭,歐陽志云,3

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學(xué)院北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站,北京 100085 3 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

城市作為一個完整的人與自然復(fù)合的生態(tài)系統(tǒng),內(nèi)部具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu),特別是各種生態(tài)系統(tǒng)要素和功能在空間上存在很大變化。構(gòu)成城市自然元素的建筑物、植被和水體,在類型、密度、人類干擾強度和社會經(jīng)濟生態(tài)功能等方面都存在很大的空間差異。在城市生態(tài)系統(tǒng)中,無論自然環(huán)境要素,如地形、水文、溫度、水分等,還是生物要素,如植物、動物、植被種類、生產(chǎn)力等,或者社會因素,如人口、工業(yè)、商業(yè)、居民區(qū)等,都具有空間異質(zhì)性[1-2]。城市規(guī)劃就是要將各種建筑物、植被及人類活動配置在城市內(nèi)部不同的地點,通過高度異質(zhì)性的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計,來為人類長期發(fā)展提供適宜高效的生活生產(chǎn)環(huán)境。因此,空間異質(zhì)性是城市生態(tài)系統(tǒng)的主要特征。

城市空間異質(zhì)性是指城市內(nèi)部的各種生態(tài)系統(tǒng)要素和功能在空間分布上的不均勻性及其復(fù)雜性。國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量城市空間異質(zhì)性的研究[1-2]。例如土壤養(yǎng)分和重金屬元素含量沿市中心向郊區(qū)的梯度變化[3]；植被類型在城市高中低收入的三類社區(qū)具有明顯差異[4]；城市熱島效應(yīng)強度空間差異與植被斑塊空間配置有關(guān)[5]?？臻g異質(zhì)性既是影響城市生態(tài)系統(tǒng)變化的原因或驅(qū)動力,也是城市生態(tài)系統(tǒng)變化的結(jié)果,不但對城市生態(tài)系統(tǒng)的過程、功能和服務(wù)具有決定性作用[2,6-8],而且反映了各種城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化的后果。因此,城市空間異質(zhì)性是城市生態(tài)系統(tǒng)研究的核心問題之一。城市建設(shè),無論建造一棟房子,還是修建一座橋,都是對城市空間異質(zhì)性的重新構(gòu)建。這種重構(gòu)不但影響建設(shè)單元的社會經(jīng)濟生態(tài)功能,而且還會改變整個城市的社會經(jīng)濟生態(tài)功能。因此,城市空間異質(zhì)性也是城市規(guī)劃者和管理者的關(guān)注重點之一。

1 城市空間異質(zhì)性描述方法

空間異質(zhì)性反映的是研究對象及其屬性的空間變化[9-11]。其描述與研究的問題密切相關(guān)[12],但大多采用斑塊組成和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性來描述[13]。斑塊是構(gòu)成空間對象的組成單元,也是描述空間變異的基礎(chǔ)單元,斑塊配置(Patch array or configuration)描述是空間異質(zhì)性分析的重要內(nèi)容。從斑塊配置的角度,城市空間異質(zhì)性描述表征可以采用景觀指數(shù)法和斑塊分類法。

1.1 景觀指數(shù)法

作為研究空間異質(zhì)性的重要學(xué)科,景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展了一系列簡單定量指數(shù),即景觀格局指數(shù),用來描述斑塊特征及其空間配置。景觀格局指數(shù)種類很多,有描述斑塊形狀的、斑塊鑲嵌多樣性的、斑塊變化特征的等。廣泛應(yīng)用的景觀格局指數(shù)計算模型Fragstats(美國俄勒岡州立大學(xué)開發(fā))能夠計算的景觀指數(shù)達(dá)到66個。景觀格局指數(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到分析城市生態(tài)系統(tǒng)的空間異質(zhì)性及其生態(tài)效應(yīng)。Luck和Wu[14]采用了6個景觀格局指數(shù)(斑塊豐富度、斑塊類型面積占比、最大斑塊指數(shù)、斑塊密度、斑塊平均大小及變異系數(shù)、景觀形狀指數(shù)、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)),研究美國鳳凰城空間異質(zhì)性在不同土地利用類型間的差異和沿城鄉(xiāng)梯度的變化。隨后,許多研究采用了景觀格局指數(shù)分析城市生態(tài)系統(tǒng)格局演變[15-17]。近些年來,大量研究分析了城市景觀格局指數(shù)與城市熱島[5,18-20]的關(guān)系,以揭示城市景觀結(jié)構(gòu)和綠地空間布局對熱島效應(yīng)的調(diào)控作用。

1.2 斑塊分類法

分類作為一種重要的科學(xué)研究手段,將特性相同或相似的對象劃分成一類,以便對同類對象進行研究、比較和管理。為了刻畫、表征和分析城市生態(tài)系統(tǒng)空間異質(zhì)性,許多研究對構(gòu)成城市生態(tài)系統(tǒng)的斑塊進行分類。一般有兩類方法,一是按照生態(tài)單要素進行分類,如城市土壤分類、城市水系分類等,或按城市管理要求的城市行政區(qū)劃分類等。這種單一性質(zhì)的分類不在本文進行詳細(xì)討論。二是基于多要素綜合或生態(tài)功能的分類,確定城市內(nèi)部空間同質(zhì)性單元類型(斑塊),如生境(或土地覆蓋)、土地利用、綠地、植被等,對城市生態(tài)系統(tǒng)進行調(diào)查分析(表1)。最常見的城市綜合分類方法包括：(1)土地覆蓋類型：主要關(guān)注自然性質(zhì),如按水文性質(zhì)將土地覆蓋劃分為透水和不透水類型、面向城市景觀和環(huán)境系統(tǒng)的高精度生態(tài)分類(HERCULES)將城市生境分為建筑、裸地和植被[31]。(2)土地利用類型,主要體現(xiàn)城市單元的社會經(jīng)濟功能,如按照城市斑塊的用途劃分為居住區(qū)、工業(yè)區(qū)和商業(yè)區(qū)等。如城市形態(tài)分類。(3)綠地類型：主要考慮各種綠地的建設(shè)目的和服務(wù)功能,如建設(shè)部的城市綠地分類；(4)植被類型：主要依據(jù)城市植被起源和生物學(xué)特性,如蔣高明[26]和Forman[27]等學(xué)者的城市植被方法。(5)植被生境類型(Biotope)：主要考慮斑塊的生物學(xué)特征,如歐洲生境制圖。

表1 城市生態(tài)系統(tǒng)空間斑塊分類方法

針對不同的生態(tài)系統(tǒng)要素和研究目的,研究者可以采用不同的方法進行城市斑塊類型的劃分。但對于同類的城市生態(tài)系統(tǒng)要素和功能,如城市植被、城市土壤、城市社會單元等,建立相對規(guī)范統(tǒng)一的城市斑塊劃分方法非常必要。

城市空間異質(zhì)性的描述分析,不僅可以采用城市斑塊類型劃分方法,而且還可以采用梯度分析和空間相關(guān)法,如Imperato等[32]采用趨勢面分析法研究城市土壤重金屬的空間分析、Fan和Myint[33]采用了Moran指數(shù)和Getis指數(shù)分析了美國鳳凰城的植被指數(shù)的空間自相關(guān)性。梯度分析和空間相關(guān)分析能夠模擬生態(tài)系統(tǒng)屬性的連續(xù)分布規(guī)律,是城市生態(tài)系統(tǒng)屬性的空間變化預(yù)測和空間影響因素分析的重要工具。

2 城市空間異質(zhì)性研究范式

生態(tài)系統(tǒng)要素和功能屬性的空間變化特征(即空間異質(zhì)性),可以是空間連續(xù)的或空間不連續(xù)的,分別表現(xiàn)為空間梯度分布和空間斑塊分布。梯度分布強調(diào)生態(tài)特性的逐漸變化性質(zhì),而斑塊分布強調(diào)斑塊單元的空間分布與配置的關(guān)系。在城市生態(tài)系統(tǒng)中,空間異質(zhì)性主要表現(xiàn)在城鄉(xiāng)梯度差異和層級斑塊動態(tài)特征。

2.1 城鄉(xiāng)梯度范式

城市發(fā)展是一個逐步向外擴張的過程。在空間結(jié)構(gòu)上形成了城市到鄉(xiāng)村的逐漸過渡格局。早在1826年,杜能的農(nóng)業(yè)區(qū)位論,即基于運輸距離決定土地地租的理論,就提出了城市到鄉(xiāng)村的同心圓結(jié)構(gòu)理想模式。隨著工業(yè)化的快速發(fā)展,工商業(yè)的規(guī)模效應(yīng)不斷提高了城市中心區(qū)的土地收益(或地價),迫使郊區(qū)低收益的農(nóng)田逐步向外后退,形成了巨大的城鄉(xiāng)梯度。一般城市中心區(qū),高樓大廈林立,綠地稀少,人口密度高,各種生活服務(wù)設(shè)施優(yōu)秀,而越遠(yuǎn)離城市,建筑物的高度降低,綠地面積增大。從市中心到郊區(qū),人口密度、不透水地表比例、路網(wǎng)密度、交通流量等都有減少的趨勢,從而造成了綠地分布、土壤性質(zhì)、植被結(jié)構(gòu)等生態(tài)要素都發(fā)生相應(yīng)變化[34]。城鄉(xiāng)梯度首先表現(xiàn)在生活的方式、方便性和環(huán)境的空間梯度變化[35],其次表現(xiàn)在景觀格局指數(shù)(如斑塊大小、密度、形狀、香農(nóng)多樣性等)和土地利用的明顯變化[36]。許多研究表明植物多樣性、鳥類群落以及生產(chǎn)力和生物量等生態(tài)功能都會沿著城鄉(xiāng)梯度發(fā)生變化。Irwin和Bocksael[37]報道破碎化是距市中心距離的函數(shù),向外先增加再降低,最大值不斷向外推進。這種外推也會受到城市發(fā)展填充的平衡。

城鄉(xiāng)梯度是城市生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)的一種重要形式和城市空間異質(zhì)性的重要特征[38],已經(jīng)反映在城市生態(tài)系統(tǒng)要素、結(jié)構(gòu)、過程、功能和服務(wù)的空間變化上[39],具體表現(xiàn)在：

(1)生態(tài)系統(tǒng)要素城鄉(xiāng)梯度：市區(qū)大量人類活動和污染排放,造成了從城市到鄉(xiāng)村的氣溫降低[40]、氮沉降減少[41]和土壤污染物減少[42]。道路街塵[43-44]城鄉(xiāng)間有較大區(qū)別。土壤碳氮庫[45]、植物[46-48]和動物種類[49-52]城鄉(xiāng)間也有很大區(qū)別,城區(qū)入侵植物和伴人生物明顯增加[53-54],植物性狀[55]和植物對污染物的響應(yīng)[56]也會發(fā)生變化。

(2)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)城鄉(xiāng)梯度：人類建設(shè)活動,造成土地利用的城鄉(xiāng)梯度變化[57],城區(qū)的不透水地表遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于郊區(qū)[58]。景觀破碎化程度從中心城區(qū)向郊區(qū)先增加后減少[59]。

(3)城市生態(tài)系統(tǒng)過程城鄉(xiāng)梯度：在城市與鄉(xiāng)村間,土壤微生物[60]、碳礦化[61-62]、硝化反硝化[63-64]、碳通量[65]、植物蒸騰等都會出現(xiàn)明顯差異。

(4)城市生態(tài)系統(tǒng)功能城鄉(xiāng)梯度：植物生物量和生產(chǎn)力的城鄉(xiāng)梯度變化受到植被類型、土壤條件和其他環(huán)境條件等影響,沒有表現(xiàn)出減少或增加的一致性規(guī)律[34, 66-67]。

(5)城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)城鄉(xiāng)梯度：人們對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在城鄉(xiāng)間要求不一樣。以植物為例,相比于郊區(qū),城區(qū)植物的景觀價值很受重視,生境質(zhì)量較低[68]。城鄉(xiāng)間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與需求的差異對生態(tài)環(huán)境保護政策制定意義重大[69-70]。

在傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)中,梯度范式是一種非常高效的分析植物群落與環(huán)境間關(guān)系的研究手段[71]。McDonnell和Pickett[39]提出和發(fā)展了城鄉(xiāng)梯度的概念,并建議將其作為城市生態(tài)學(xué)研究范式[72]。作為一種科學(xué)范式,城鄉(xiāng)梯度是指生態(tài)系統(tǒng)屬性從城市到鄉(xiāng)村的空間變化規(guī)律。從產(chǎn)生原因看,城鄉(xiāng)梯度是社會經(jīng)濟發(fā)展和城市化的一個必然產(chǎn)物,其本質(zhì)上是社會勞動空間分工和市場經(jīng)濟驅(qū)動的后果。社會經(jīng)濟發(fā)展形成了不同生產(chǎn)方式分工(如商業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、工業(yè)等)。由于不同生產(chǎn)方式下土地的效益和成本的差異,形成了生產(chǎn)方式的空間分布格局。商業(yè)土地向城市中心聚集,農(nóng)田和林地則逐步向城市以外區(qū)域退縮,首先形成土地利用的城鄉(xiāng)梯度,最終導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)屬性的城鄉(xiāng)梯度,包括生態(tài)系統(tǒng)的要素、結(jié)構(gòu)、過程、功能和服務(wù)的城鄉(xiāng)梯度變化。城市發(fā)展的規(guī)模效應(yīng),不斷將人口和社會經(jīng)濟資源向城市中心聚集,使得城鄉(xiāng)梯度的差異和范圍不斷增大。

城鄉(xiāng)梯度的主導(dǎo)影響因素是人類活動。人口分布、產(chǎn)業(yè)布局和城市建設(shè)首先出現(xiàn)城鄉(xiāng)梯度。在人類活動影響下,生態(tài)系統(tǒng)屬性(如溫度、物種、物候、碳氮循環(huán)、固碳等)也會出現(xiàn)城鄉(xiāng)梯度。城鄉(xiāng)梯度往往表現(xiàn)出多樣化的特征,不但梯度因子和指標(biāo)具有多樣化,而且梯度形式也具有多樣化。如氣溫沿城鄉(xiāng)梯度降低、植物物候沿城鄉(xiāng)梯度推遲、斑塊密度沿城鄉(xiāng)梯度先增加然后降低等。生態(tài)系統(tǒng)屬性的城鄉(xiāng)梯度變化可能是直接的或間接的,也可能是單一的或復(fù)雜的,這與城市所處的地理環(huán)境和發(fā)展歷史有關(guān)。因此,城市生態(tài)系統(tǒng)變化沿城鄉(xiāng)梯度的因素識別有時是一件非常困難的事情。Gregg等[67]通過對紐約周邊城鄉(xiāng)梯度的植物生長與環(huán)境因子間關(guān)系分析,發(fā)現(xiàn)郊區(qū)幼樹生長減緩的主要原因是由于郊區(qū)臭氧濃度的升高,而受城鄉(xiāng)溫度和氮沉降梯度的影響不大,說明了城鄉(xiāng)梯度的復(fù)雜性。

城鄉(xiāng)梯度研究對城市生態(tài)學(xué)的重要性主要體現(xiàn)在：(1)城鄉(xiāng)梯度存在的普遍性。無論城市的大小、歷史長短和地理環(huán)境優(yōu)劣,城市化過程中都會形成不同形式的生態(tài)系統(tǒng)屬性城鄉(xiāng)梯度變化。(2)能夠反映城市化生態(tài)環(huán)境影響程度。當(dāng)城市逐漸占領(lǐng)農(nóng)村地區(qū)的森林、草原和農(nóng)田后,對區(qū)域生態(tài)環(huán)境會造成很大影響。通過生態(tài)環(huán)境狀況或生態(tài)系統(tǒng)屬性的城鄉(xiāng)梯度調(diào)查分析,就可以評價和預(yù)測城市發(fā)展的生態(tài)環(huán)境影響。(3)能夠作為生態(tài)學(xué)規(guī)律的自然實驗場。城市化形成的城鄉(xiāng)梯度,能夠提供一種自然的環(huán)境梯度變化條件,可以作為開展生態(tài)環(huán)境因子(如溫度、土地利用、水文等)變化對生態(tài)系統(tǒng)(包括生理、種群個和群落等)影響的理想場地,以探討生態(tài)學(xué)的生物與環(huán)境間的關(guān)系。正如McDnonnell和Pickett[39]說的,城鄉(xiāng)梯度研究,將為生態(tài)學(xué)研究提供一個未開發(fā)的機會。

2.2 層級斑塊動態(tài)范式

為了進一步研究人類活動對城市的影響,更好地為城市規(guī)劃服務(wù),城市生態(tài)學(xué)研究不但要研究城鄉(xiāng)梯度的生態(tài)變化,而且還需要研究城市內(nèi)部更復(fù)雜的空間異質(zhì)性及其對城市生態(tài)過程和功能的影響[2,21, 26-27, 31]。在城市內(nèi)部,無論自然環(huán)境、還是社會經(jīng)濟活動并不是均一分布的。這不但很大程度上受到城市規(guī)劃的控制,也與城市的自然地理基礎(chǔ)、發(fā)展歷史和人類活動特點有關(guān),具有高度復(fù)雜性。這就是城市空間異質(zhì)性的重要內(nèi)容。

針對空間異質(zhì)性,景觀生態(tài)學(xué)家提出了基質(zhì)、斑塊、廊道(Matrix-patch-corridor)概念,后來又提出了邊界(Boundary)概念[73]。這4個空間異質(zhì)性的描述概念中,斑塊應(yīng)該是最基本的空間單元?；|(zhì)可以看成一個大斑塊,廊道是一種線狀斑塊,邊界是斑塊間的交界或過渡。因此,可以說斑塊是表征空間異質(zhì)性的最基本單元。一個區(qū)域會被不同的斑塊填滿。不同斑塊鑲嵌構(gòu)成了空間異質(zhì)性的區(qū)域。城市就是一片具有內(nèi)部異質(zhì)性的土地,可以看成是由多種斑塊鑲嵌構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)。

空間異質(zhì)性是隨著時間動態(tài)變化的[1]。自然地理背景空間變異和人類活動空間差異是城市空間異質(zhì)性的重要起因。在外部干擾(如氣候變化、災(zāi)害、人口遷移、人類建設(shè)活動)和城市本身演替作用下,城市組成斑塊及其空間位置會發(fā)生變化,從而改變了城市內(nèi)部空間異質(zhì)性的特征,最終造成城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化。斑塊間相互作用和發(fā)展不平衡,也會改變城市空間異質(zhì)性[2]。其主要表現(xiàn)為城市斑塊及其鑲嵌結(jié)構(gòu)的變化,主要有兩種方式,一是邊界擴張式,城市范圍不斷向外蔓延,攤大餅式發(fā)展,表現(xiàn)為城市斑塊(如不透水地表或基礎(chǔ)設(shè)施)的不斷增大增多；二是內(nèi)填發(fā)展式,通過城市內(nèi)部斑塊重構(gòu),提升城市集約程度,表現(xiàn)為城市內(nèi)部的各種斑塊(如綠地、道路、建筑物等)形狀、屬性及其配置的變化。城市空間單元及其變化反映在各種斑塊及其變化上,特別是斑塊性質(zhì)和功能的變化,將直接影響城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化。

層級結(jié)構(gòu)分析作為一種認(rèn)識自然界規(guī)律的基本手段。針對復(fù)雜系統(tǒng),通過逐層分級,找到合適的層級水平開展研究,將有利于理解問題的機制和找到解決問題的方法[74]。一般層級越高,空間和時間尺度范圍越大和分辨率越粗,信息綜合性越強。將層級結(jié)構(gòu)分析和斑塊動態(tài)分析相結(jié)合,即層級斑塊動態(tài)對研究復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢[75-76]。從垂直方向看,通過層級結(jié)構(gòu)可以分解復(fù)雜系統(tǒng),層級間有不對稱關(guān)系。從水平方向看,通過斑塊動態(tài)可以反映空間異質(zhì)程度及其變化,同一層級的斑塊是按照同一屬性劃分的,在生態(tài)系統(tǒng)中具有同樣地位。針對城市生態(tài)系統(tǒng),從城市尺度、到社區(qū)尺度、再到家庭尺度或一個建筑物,具有不同空間尺度和層級水平,對應(yīng)不同的管理單元和具有不同的生態(tài)環(huán)境問題,也需要采用不同的研究方法分析和不同的解決方法應(yīng)對。層級斑塊動態(tài)能夠提供信息損失較少情況下的城市生態(tài)系統(tǒng)分解研究的重要思路[77]。由此可見,層級斑塊動態(tài)范式(Hierarchical patch dynamics paradigm)這一生態(tài)學(xué)研究范式[78],能夠被應(yīng)用到城市生態(tài)系統(tǒng)的空間異質(zhì)性研究中。

對于城市這樣一個多要素和多過程構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng),其空間異質(zhì)性耦合了分層級的組織結(jié)構(gòu)和斑塊鑲嵌的空間結(jié)構(gòu),其變化可以描述為層級斑塊動態(tài)。對于城市生態(tài)系統(tǒng)研究,層級斑塊動態(tài)范式是指城市空間異質(zhì)性表現(xiàn)為各種動態(tài)變化的城市斑塊按照等級層次進行組織。最簡單的城市層級斑塊動態(tài)范式(圖1)是,城市是多種社會經(jīng)濟功能斑塊(如住宅區(qū)、公園等)組成的,每一個功能斑塊又都是由不同自然屬性的斑塊(如草坪、湖泊、房屋等)組成的。并且這些斑塊在時間上是動態(tài)變化的,在空間上是相互鑲嵌在一起的,層級越高,空間范圍越大,時間變化越慢。

圖1 城市層級斑塊動態(tài)范式示意圖

城市生態(tài)系統(tǒng)是一個通過多層級緊密聯(lián)系成的整體,內(nèi)部空間異質(zhì)性的影響常常是跨層級的[12]。例如,公園內(nèi)植物群落空間配置的變化對生產(chǎn)力、固碳、水源涵養(yǎng)和鳥類多樣性等的影響,不僅僅體現(xiàn)在公園尺度上,而且可能體現(xiàn)在整個城市、流域、乃至全球尺度上。城市空間異質(zhì)性包含了非常豐富的內(nèi)容,不但體現(xiàn)在城市自然、生物和社會結(jié)構(gòu)的空間差異[21,79],如地貌、不透水地表、水體、土壤、植被、基礎(chǔ)設(shè)施、居民生活、工業(yè)生產(chǎn)和文化生活等,而且體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)過程和功能方面,如碳循環(huán)、氮循環(huán)、生產(chǎn)力和生物量等。采用層級斑塊動態(tài)范式研究城市空間異質(zhì)性,可以揭示城市生態(tài)系統(tǒng)不同層級間從上到下和從下到上的調(diào)控關(guān)系,及其斑塊間的相互作用關(guān)系,不但有助于解釋城市內(nèi)部異質(zhì)性格局及其形成原因,而且對理解城市生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性、彈性及其高效性和穩(wěn)定性具有重要價值。

在城市生態(tài)系統(tǒng)研究中,Wu和David[77]以美國的鳳凰城為例,構(gòu)建了一個層級斑塊動態(tài)模型(Hierarchical patch dynamics model,HPD-PHX)框架,期望模擬城市生態(tài)系統(tǒng)的人與自然相互作用和空間異質(zhì)性,通過城市土地利用變化和河岸植物變化動態(tài)的模擬,說明了該框架的可利用前途。Zhang等[80]成功地開發(fā)出了層級斑塊鑲嵌—城市生態(tài)系統(tǒng)模型(Hierarchical Patch Mosaic-Urban Ecosystem Model,HPM-UEM),在考慮城市生態(tài)系統(tǒng)的空間異質(zhì)性和層級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,從植物個體到整個城市區(qū)域6個層級,構(gòu)建了社會經(jīng)濟自然因素和生態(tài)系統(tǒng)相互作用的過程模型,模擬了復(fù)雜時空格局下,多種生態(tài)環(huán)境因素對城市生態(tài)系統(tǒng)功能的影響,得出了鳳凰城生態(tài)系統(tǒng)碳庫和初級生產(chǎn)力分布狀況。雖然作為城市生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)模擬,還有不足之處,如沒有考慮城市人類活動的能源使用的直接碳排放和生活消費的碳動態(tài),還有一些生態(tài)系統(tǒng)過程過于簡化,但綜合研究城市這個多層級多因素高空間異質(zhì)性的復(fù)雜系統(tǒng),應(yīng)該是一種成功的探索。

城市生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性,決定了城市生態(tài)系統(tǒng)的層級斑塊動態(tài)是一個復(fù)雜的過程,表現(xiàn)在城市生態(tài)系統(tǒng)(1)影響因素多、相互作用復(fù)雜,(2)空間變化大、斑塊類型多樣、分布格局復(fù)雜,(3)時間動態(tài)變化快,各種城市建設(shè)活動不斷改變城市內(nèi)部土地覆蓋和利用,(4)各層級的特征和影響因素不同、層級間的從上而下和從下而上調(diào)控機制復(fù)雜,(5)斑塊間的能量流動、物質(zhì)遷移和物資運輸過程多樣而復(fù)雜。面對復(fù)雜的層級斑塊動態(tài),應(yīng)該首先需要探討一些基礎(chǔ)性問題。如城市斑塊的基本單元是什么？如何劃分城市生態(tài)系統(tǒng)的層級水平？其次需要研究城市斑塊動態(tài)及其層級關(guān)系,如(1)斑塊空間分布格局如何,主要受哪些因素影響？(2)同層級斑塊間是如何轉(zhuǎn)換的,主要影響因素是什么,(3)上下層級斑塊間是如何調(diào)控的？然后需要研究層級斑塊動態(tài)對城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響,最后應(yīng)該和城市規(guī)劃管理相結(jié)合,通過對城市生態(tài)系統(tǒng)層級斑塊動態(tài)變化及其調(diào)控規(guī)律的認(rèn)識,指導(dǎo)城市各類斑塊的構(gòu)建和優(yōu)化,提升城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,促進城市可持續(xù)發(fā)展。

3 討論和結(jié)論

城市作為一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),為人類生存和發(fā)展提供了高效的物質(zhì)文化發(fā)展和科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新基地,是社會經(jīng)濟發(fā)展的主要引擎。但城市面臨一系列生態(tài)環(huán)境問題,如熱島、污島和澇島等,已經(jīng)嚴(yán)重威脅到城市可持續(xù)發(fā)展和人類健康及生存環(huán)境。空間異質(zhì)性作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要特征,對城市的社會經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿蜕鷳B(tài)環(huán)境問題都有很大影響。城市規(guī)模越大,城市內(nèi)部結(jié)構(gòu)會越復(fù)雜,空間異質(zhì)性會越大。高度的空間異質(zhì)性能夠提供多樣化的城市功能單元,有利于城市社會經(jīng)濟快速發(fā)展,但也意味著更大的生態(tài)環(huán)境問題風(fēng)險,如污染物的排放量大種類多、熱島效應(yīng)嚴(yán)重程度高?？臻g異質(zhì)性,反映了城市各種自然和人文要素的空間布局,其合理與否,將會直接影響整個城市生態(tài)系統(tǒng)的過程、功能和服務(wù)。因此,城市空間異質(zhì)性的研究,不但能夠豐富生態(tài)學(xué)有關(guān)空間異質(zhì)性的理論體系和技術(shù)方法,而且能夠為分析城市生態(tài)環(huán)境問題的產(chǎn)生根源、演替過程和根治措施提供重要研究視角和科學(xué)手段。

城市空間異質(zhì)性的表征指標(biāo)有很多,應(yīng)用最廣泛的是景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展的各種景觀格局指數(shù)。利用各種土地覆蓋斑塊或土地利用斑塊的形狀指數(shù)和多樣性指數(shù)以及斑塊配置相關(guān)的指數(shù),城市生態(tài)學(xué)家一方面探討了社會經(jīng)濟自然因素對城市斑塊屬性的影響,另一方面也探討了城市斑塊及其配置對城市熱島和洪澇等生態(tài)環(huán)境問題的影響,這將為城市規(guī)劃和管理提供重要科學(xué)依據(jù)。在進行城市空間異質(zhì)性表征時,往往需要劃分城市斑塊。目前,城市研究者提出了多種不同的城市斑塊劃分方法。應(yīng)用比較廣泛是城市土地利用分類和城市綠地分類方法。近來城市生態(tài)學(xué)家從城市斑塊的物理屬性(如透水性、有無植被等)提出了一些簡單的城市斑塊劃分方法。但對于高度空間異質(zhì)性的城市生態(tài)系統(tǒng),這種基于斑塊物理屬性的簡單分類是不夠的,還應(yīng)該考慮城市斑塊的社會經(jīng)濟功能和生態(tài)系統(tǒng)功能。

目前認(rèn)識到的城市空間異質(zhì)性總體特征有兩種：城鄉(xiāng)梯度和層級斑塊動態(tài)。這可以作為城市生態(tài)系統(tǒng)研究的兩種重要范式。大量研究表明許多生態(tài)系統(tǒng)屬性都具有城鄉(xiāng)梯度變化規(guī)律,反映了城市化對生態(tài)環(huán)境的影響。對不同城市來說,具有城鄉(xiāng)梯度變化的生態(tài)系統(tǒng)屬性可能不同,城鄉(xiāng)梯度變化程度也會不同。由此可見,城鄉(xiāng)梯度出現(xiàn)與否要受到多種因素的綜合影響,需要對城鄉(xiāng)梯度變化出現(xiàn)的各種條件和機理進行深入探討,為科學(xué)評價城市的生態(tài)環(huán)境影響和優(yōu)化城市空間布局提供科學(xué)基礎(chǔ)。層級斑塊動態(tài)范式的研究目前還很少。城鄉(xiāng)梯度范式能夠描述城市生態(tài)系統(tǒng)屬性的空間變化規(guī)律,而層級斑塊動態(tài)范式只是一種研究城市生態(tài)系統(tǒng)屬性空間變化的思路。還需要大量的調(diào)查監(jiān)測和模型分析,對高度空間異質(zhì)性的復(fù)雜城市生態(tài)系統(tǒng),進行多尺度的時空變化綜合研究,探討城市斑塊在不同層次水平以及時間和空間尺度上的變化規(guī)律,為評價空間異質(zhì)性對城市生態(tài)系統(tǒng)的影響和開展城市規(guī)劃和管理提供科學(xué)依據(jù)。

對于城市生態(tài)系統(tǒng)研究,上篇文章圍繞城市生態(tài)系統(tǒng)和人與自然相互作用,提出了城市生態(tài)系統(tǒng)研究的黑箱范式、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-過程-功能-服務(wù)級聯(lián)范式和人與自然共存進化范式。文章圍繞城市生態(tài)系統(tǒng)的空間異質(zhì)性,提出了城市生態(tài)系統(tǒng)研究的城鄉(xiāng)梯度范式和多層級斑塊動態(tài)范式。這些簡化式的思維方式,能夠?qū)⒊鞘羞@個復(fù)雜系統(tǒng)的多要素、多過程和多功能及其相互作用簡單化,以聚焦研究的核心對象、關(guān)鍵過程和精確層級,找到認(rèn)識問題的方法和解決問題的手段。例如,黑箱范式,可以從總體上分析城市生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)能量流動總量和轉(zhuǎn)化效率,評價城市對資源環(huán)境的影響。人與自然共存進化范式,有助于分析人為因素和自然因素如何影響城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程和功能,兩者如何協(xié)調(diào)才能有利于城市可持續(xù)發(fā)展。多層級斑塊動態(tài)范式,可以表征城市不同層級結(jié)構(gòu)和功能及其空間異質(zhì)性,為開展城市生態(tài)調(diào)查(包括生物調(diào)查、人類活動調(diào)查)提供樣地布點數(shù)量和定位原則,并為城市規(guī)劃設(shè)計提供理論依據(jù)。

在城市生態(tài)系統(tǒng)中,人類和自然相互作用既會影響到空間異質(zhì)性,也會受到空間異質(zhì)性的影響。兩者同時又會影響整個城市生態(tài)系統(tǒng)。人與自然相互作用和空間異質(zhì)性如何影響城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程、功能和服務(wù),應(yīng)該目前城市生態(tài)學(xué)研究的重點之一,對城市規(guī)劃和管理具有重要指導(dǎo)意義[81-82]。人與自然相互作用和層級斑塊動態(tài),是城市生態(tài)系統(tǒng)的兩個重要特征,不但決定城市生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),而且影響城市生態(tài)系統(tǒng)的過程和功能,使城市生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出更多復(fù)雜性特征,如非線性、時滯(Lag)、遺跡(Legacy)、意外(Surprise)、臨界點(Tipping point)等,也將直接影響城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和彈性。因此,城市生態(tài)學(xué)研究方法、包括監(jiān)測、模擬實驗和模型方法都需要改進,需要考慮人類活動的影響[83]和空間異質(zhì)性[12]。

城市的生態(tài)系統(tǒng)性質(zhì)、人與自然相互作用性質(zhì)和空間異質(zhì)性質(zhì)是緊密交織在一起,應(yīng)該將城市這三種性質(zhì)耦合或融合起來開展研究。首先要從研究方法進行創(chuàng)新。對于非城市生態(tài)系統(tǒng),已經(jīng)有許多野外監(jiān)測、模擬實驗和生物地球化學(xué)模型,能夠很好的觀測和模擬生態(tài)系統(tǒng)的碳氮水循環(huán)及其對環(huán)境變化的響應(yīng),包括對人類的響應(yīng),但如何將這些研究方法應(yīng)用到城市生態(tài)系統(tǒng)中,特別如何包含人工構(gòu)筑物、人類選擇和社會系統(tǒng)等考慮進來,是城市生態(tài)學(xué)面臨的挑戰(zhàn)。