生态基础设施导向的区域空间规划战略——广州市萝岗区实证研究
Research on Regional Spatial Planning Strategic Guided by Ecological Infrastructure
—— a Case Study of luo-Gang District, Guang Zhou City
汪洋，赵万民，段练
WANG Yang, ZHAO Ｗan-min, DUAN Lian
关 键 词：生态基础设施；空间规划；广州萝岗；遥感(RS)；地理信息系统（GIS）
基金项目：国家自然科学基金重点项目（50738007）、国家自然科学基金项目（50578164）、国家“十一五”科技攻关项目“城市旧区土地节约利用关键技术研究”共同资助
Abstract：Ecological Infrastructure (EI) is the basic guarantee for regional ecosystem safety and the rigid bottom limit for region environmental carrying capacity. For regional spatial planning(SP), which task is arrange urban space、ecology space and agriculture space concordantly, the purpose of SP is create a harmonious relationship between nature and human, at the same time, build a spatial order for eco-system sustainable developing. This paper takes Luogang district in Guangzhou City as an example, helped with GIS and RS technology, built the methodology for regional IE definition. Through a case study, three kinds of EI has been identified for Luo-Gang district. At last, this paper analyzed the EI spatial characters of Luo-Gang, then a spatial planning scheme and accordingly developing strategy has been presented.
Key words: Ecological Infrastructure (IE); Spatial Planning; Luo-Gang District of Guang Zhou; GIS; RS
1 引言
我国从整体上已经进入快速城市化阶段，在此阶段如何协调好城市与地域生态系统的关系成为当前规划界的热点[1]。运用生态规划理念与高新科学技术手段参与规划实践不失为一种有借鉴意义的工作途径。生态优先理念指导下的空间规划（Spatial Planning）在很多场合下被称为“反规划”[2-5] (俞孔坚、李迪华,2002,2005)，其思想源头可追溯到艾里奥特（Eliot），迈克哈格（McHarg）提出的“设计结合自然”法则。申明“反规划”不是不规划，也不是反对规划，尽管在某种意义上它可以被认同于“控制”规划方法，也可以在某种意义上被认为是生态规划途径（齐康 ,2005）。但正如不选择也是一种选择，前述所谓“反规划”在语义层面上其实也是一种“正规划”，其核心思想是在强调生态优先的空间规划秩序。于此，生态概念的空间实体化就成了最为紧要的工作，生态基础设施（Ecological infrastructure,简称EI）一词被学界认为是具有生态功能实体的最好称谓，该词最早见于1984年联合国教科文组织的“人与生物圈计划”（MAB）。其核心含义是指维护生命土地的安全和健康的关键空间格局，是城市和居民获得持续的自然服务（生态服务）的基本保障，是城市扩张和土地开发利用不可触犯的刚性限制[4]（俞孔坚，李迪华， 2005）。其在空间上的表现形式为生态基质(Eco-matrix) 、生态核心区(Eco-kernel)、生态廊道（Eco-corridor）和生态图斑(Eco-patch)。[6] 自提出EI概念后，就有学者用EI表示动物栖息地网络结构[7]（Mander，Jagonaegi，Etal，1988）。荷兰农业、自然管理和渔业部的自然政策规划也提出了全国尺度上的EI概念[8]（Ahern，1995）。近年来，EI概念的含义在日益拓展，其主要语义内涵集中于生物保护与景观安全格局[9-15] (Hess, Fischer 2000，俞孔坚,1996,1998,1999；Sanderson and Harris ,2000; 俞孔坚,2005)，生态系统服务[4]（俞孔坚，李迪华，2005）,以及城市规划与城市绿地系统等方面[16-19]（Honachefsky ,1999 ;Williamson ,2003; Schneekloth ,2003 ;Randolph ,2004）。目前国内明确以生态优先理念，应用EI理念进行区域空间规划的相关研究尚少，主要集中在城市规划设计领域[20-21]（彭德胜，2005；俞孔坚，李迪华，2005；朱强、李迪华，2005）。 该领域的研究多强调“反规划”与“生态基础设施”概念，在具体的应用研究中鲜有技术实现方法的详细讨论，从可操作层面上讲，技术实现体系比单一的概念论述更具有方法论意义。与此同时，借助GIS（地理信息系统）为代表的当代空间信息技术进行生态领域的研究多集中在区域景观格局、生态景观规划等方面，很少有生态基础设施规划方面的实证研究。[22-24] 于此，本文结合广州市萝岗区实例，依靠RS（遥感）技术来提取所需的空间信息，在GIS中依据特定的数据处理模型进行区域生态基础设施空间结构的识别，并在此基础上构建区域空间规划战略，以为相关规划研究提供一种新的工作思路。
2 研究区域概况与EI识别原理
2.1 研究区概况
萝岗区位于广州市东郊约30 km处，与白云区、天河区、黄埔区、增城市和从化市五个行政单位交界。区内交通干线密集，东二环高速公路、广深高速公路、广惠高速公路、广汕公路、广深公路、广园东路、广深铁路等构成四通八达的陆路交通体系，水运交通也通过珠江航道江萝岗与香港紧密联系（约102公里）。萝岗区地形南北狭长，地势南低北高, 区内丘山众多，海拔在100-500 m间；萝岗区内发育有乌涌、南岗涌、细陂涌与瑶田河等水系，与近邻地面分布有干支流8条（段），属珠江广州河段及东江水系，均匀分布在南部冲积平原地区。该区位于北回归线以南，属南亚热带季风气候。年平均气温22℃；多年平均日照1895小时，年总辐射量10.56万卡／km2。萝岗区行政范围总面积389 KM2。2004年底萝岗区居住人口26.1万人，其中户籍人口15.3万人。2004年，萝岗区实现生产总值600亿元，全区财政收入126.5亿元。
2.2 EI识别原理
区域EI元素是该地域的生态基底与刚性空间结构，从空间的视点来考察它是区域生态巨系统的一个子集，其空间限定性来源于区域自然基底系统、区域社会经济系统和高级的生态系统熵流的空间耦合交集。地域生态要素空间的非均质性必然派生其在太阳反射光谱和自生发射光谱（热辐射）上的微分地域空间（表现为象元）差异性，利用卫星传感器的地物光谱捕获能力便可以以差异构象的方式得到反映地物属性差异的遥感数字图像。结合适当的其他来源空间数据和空间信息挖掘模型就可以以图像的方式识别区域生态安全空间结构和EI空间结构。以此为基础就可以制定出符合生态准则的区域EI空间控制战略并以此为反馈熵流（物质流、信息流、能量流）调控本地（local）的生态系统结构，使其向最优化的方向前进，该过程就是空间规划实施的反馈过程。EI识别的信息流原理详见图1：
3 基于空间分析的EI识别
生态基础设施的识别过程是一个渐进的过程，需要首先分析的是那些空间要素与EI有直接的关联，从人类生态学的视角出发，可以把人类生态系统分解为两大子系统，即自然生态系统和人工生态系统。[25] 在绝大多数情况下，这两大系统是交互影响的。EI识别的首要任务就是要在这种交互环境中找出那些空间要素对人的生存和居住具有不可替代的影响和作用。于此，可以从自然系统、人工与自然交互系统—人工系统三种视角来设置EI变量，通过对这些变量的综合分析来进行最后的EI甄别。
3.1 EI的系统关联
3.1.1 自然系统
应用地形地貌作为纯自然系统的标志变量，它是各种生态系统的基础物质背景，其他自然或人工生态要素均与此有较强的关联。用三个变量来表达萝岗区地形地貌对EI判别的影响，分别是高程、地貌复杂度和坡度，以数字高程模型为基础（DEM）进行空间分析与计算[26]，得到相应的专题图层（图2—图4）。高程表达地表起伏的大小，高度越低或者越高就越有可能是EI的组成部分，因为高度越低的区域越可能担负行洪、集水、沼泽滤化等生态功能；高的区域则有可能担负绿地、动物栖息、空间净化等生态功能。介于高地和洼地之间区域则最容易成为纯人工环境，对EI的贡献不大。
图2：高程因子
图3：地貌复杂度因子
图4：坡度因子
地貌复杂度表示以一定面积的地块为计算本底，通过求解该单元各地高程与其平均高程的离散程度累计值来表达该地域单元地形形态破碎程度的一个特征量，该量表达了地形在一定范围内的变化剧烈程度。[26] 与地貌复杂度相似的还有地表坡度变量，该变量的值越大表示这个区域的地形越复杂，反之则越平滑。这两个变量与EI的可能性呈正相关关系，即地表越陡峭、复杂，越有可能是EI的组成部分，其原因在于地形越复杂的区域人类活动越少，越有利于自然生态系统维持，从而提供生物多样性维持、保持水土、空气净化等生态功能。[NextPage]
3.1.2 自然—人工交互系统
应用地表覆盖状况来表达区域自然系统与人工系统的交互关系。本研究用三个变量来分析地表覆盖对EI判别的影响，分别为归一化植被指数（NDVI）、土地利用类型及水体与地灾分布状况。通过对TM遥感图像红外波段和近红外波段（TM4波段和TM3波段）进行数据加工可以得到植被指数图像，[27] 通过监督分类可以得到土地利用现状图（包括水体分布）[28]，通过对地质灾害点进行数字化分析得到地质灾害点缓冲图，以此为基础得到相应的专题图层（图5-图7）。
植被指数的大小与EI的可能性呈正相关关系，原因在于植被指数值越大表示该区域的生物量越大，也即该区域生物的光合作用越强烈，这些区域往往都是植被覆盖良好，担负区域性空气净化、氧气生产、生物栖息、物种延续等重要生态功能区域。土地利用类型表达了区域生态系统人工化（或自然化）的相对强度，本研究把土地利用类型分为五个大类，分别为建设用地、农用地、阔-针叶林地、灌木-草地和水域。建设用地是纯人工生态系统，对EI的贡献不大；农用地是半人工生态系统，对EI有一定的贡献；林地（乔木和灌木）草地和水域（包括其缓冲区）具有水土保持、二氧化碳吸收、氧气制造、降尘、生物栖息等重要生态功能，对EI的构成具有重要的支撑作用。此外地质灾害多发区域不适合进行大规模人类活动，宜进行严格管制，故应确立为EI的基本组成部分。
图5：植被指数因子
图6：土地利用因子
图7：水体与地灾因子
3.1.3 人工系统
人类活动状况是纯人工生态系统特征的标志变量，用以表达地表人工活动强度的基本空间格局。应用三个变量来分析其对EI判别的影响，分别为人类活动强度指数、人口聚集度和城市热岛效应指数[26]（图8-图10）。人类活动强度被定义为地域人口在该地域上的主观活动在空间分布上的态势，具体表现为地表扰动后土地利用性质的变化。利用相关计算模型可以计算这种扰动程度的相对大小（指数）。区域空间人口聚集度是指地域人口在该地域范围内的集中程度，应用遥感数据并结合当地人口统计资料用专用模型得出萝岗主要居民点人口数，然后借助GIS的克里金（Kriging）模型插值生成人口聚集度趋势面。[29-32] 应用热红外卫星遥感数据（TM61波段和TM62波段），结合相关计算模型可以进行地表温度反演，进而得到城市热岛效应指数。[33]
上述三个人类活动标志变量的大小均与构成EI的可能性呈负相关，原因在于人类活动越剧烈、人口密度越高的区域必然表现出城市热岛相应，出现严重城市热岛效应的区域必然趋近于是一种纯人工生态环境，而人工环境的生态功能较弱，不能对外提供重要的生态服务功能，故而这些区域不可能是EI的重要组成部分。
图８：人类活动强度因子
图９：人口聚集度因子
图10：城市热岛效应因子
3.2 EI的综合识别生态基础设施的定义是基于生态服务功能考虑的，自然生态系统、半自然生态系统和纯人工生态系统的生态服务功能具有较大差异。EI识别过程的本质是对具体空间单元生态服务功能大小的判别过程，生态服务功能越强的区域越有可能构成EI。具体到前述九个标志变量，其逻辑关系应为：高程较低或较高的区域构成EI的可能性较大、地形复杂的区域构成EI的可能性较大、生物量大的区域构成EI的可能性较大、林草地和水域构成EI的可能性较大、地质灾害发生地（或潜在发生地）构成EI的可能性较大、人类活动强度弱的区域构成EI的可能性较大。与此同时，即使是在EI内部，其各个空间组成部分的生态服务功能大小也是不一样的，于此，就有必要在划分出不同类型的EI，以表达其各自服务功能的大小和特点。在综合考虑前述九个变量的基础上，应用空间图层叠加模型来计算各空间地块的EI可能性指数[34-36]（图11），并根据指数相对大小来划分EI类型是一种较科学的方法，该方法中各要素的权重采用Delphi方法[37-38]计算。
表1 EI综合评价指标表
|
一级指标 |
权重 |
二级指标 |
权重 |
基本变量对构成EI的贡献分级 |
|||
|
极重要 |
重要 |
一般 |
不重要 |
||||
|
自然系统变量 (地形地貌) |
0.413 |
高程 |
0.313 |
<5 |
>100 |
50-100 |
5-50 |
|
地貌复杂度 |
0.332 |
>5 |
2-5 |
0.5-2 |
<0.5 |
||
|
坡度 |
0.355 |
>25 |
10-25 |
5-10 |
<5 |
||
|
自然—人工复合系统变量 (地表覆盖) |
0.331 |
植被指数 |
0.405 |
0.3-1 |
0.1-0.3 |
-0.1-0.1 |
-1-0.1 |
|
用地类型 |
0.317 |
阔叶林、 针叶林 |
灌丛、草地、水体 |
农用地 |
建设用地 |
||
|
水体与地灾 (缓冲距离M) |
0.278 |
<50 |
50-100 |
100-150 |
>150 |
||
|
人工系统变量 (人类活动) |
0.256 |
人类活动强度 |
0.334 |
<10 |
10-20 |
20-30 |
>30 |
|
人口集聚度 |
0.333 |
<300 |
300-500 |
500-1000 |
>1000 |
||
|
热岛效应指数 |
0.333 |
<30.5 |
30.5-30.8 |
30.8-31.1 |
>31.1 |
||
应用前述指标和表1所示权重，按照图11所示的空间综合叠加模型进行综合计算，得到萝岗区各地的EI指数（图12）。在计算过程中，基本变量对构成EI的贡献分为四个等级，分别为极重要、重要、一般和不重要，为了计算的方便，这四个等级分别赋值为4分、3分、2分和1分参与二级指标的加权计算。二级指标加权计算的结果作为一级指标计算的输入参数，根据一级指标的权重再加权计算一次，其结果即为各区域的EI指数，该指数越大表明其生态重要性越高，同时其生态服务功能也越强。为了避免人为确定阈值带来非客观性，应用自然断点法把EI值域划分为四个段，值域由高到低分别对应核心型EI、过渡型EI、缓冲型EI和非EI。核心型EI（Ⅰ型区域）是萝岗的生态核心区，在空间上表现为独立斑块和廊道，担负针对本区乃至广州大区域的重要生态服务功能，是不可触犯的生态刚性底线，在空间规划的概念体系中属生态空间，宜用最严格的保护手段进行空间管制。过渡型EI（Ⅱ型区域）是萝岗的生态维育区，在空间上表现为环状廊道或独立小斑块，也具有较强的区域性生态服务功能，但其受人工活动的干扰较大，应在空间规划中予以重点保护。缓冲型EI（Ⅲ型区域）是萝岗自然生态系统和人工生态系统的交互区，该区域具有一定的生态功能，空间上多表现为不规则廊道和图斑，具有农业空间向城市空间过度的趋势。非EI（Ⅳ型区域）多为纯人工生态系统，空间表现为独立图斑或不规则廊道，前者多为城市空间，后者多为交通廊道影响区域。从空间比例来看，萝岗核心型EI和过渡型EI约占总面积的32%、缓冲型EI约占总面积的27%，两者共计59%，说明萝岗区的整体生态重要性较高，在广州都市区范围担负了较为重要的生态服务功能。
图12：萝岗区EI识别结果
[NextPage]
4 EI导向的空间规划
4.1 EI空间控制及导向
萝岗的EI系统在空间上表现为三种类型(图12)，主要包括：①核心型EI基底系统。作为萝岗EI系统的核心部分，它具有环境净化、调节气候、涵养水源、保护水土、生物遗传基因库维持等重要生态功能。从生态城市建设要求来看，该系统必须予以严格保护，制定确切的保护红线，编制控制性保护规划，以使该系统向结构合理、功能稳定、生态平衡的良性方向发展。②过渡—缓冲型EI维持系统。该系统正由自然生态系统向城市人工生态系统转换，目前多为城市郊区农业种植过度带。该区域的人工活动规模有逐渐增大的趋势，人工雕琢痕迹加深。可以通过构建生态种植农业园区、组织人工生态廊道、网络等方式使其与核心型EI系统保持联系、避免向生态孤岛的方向演化。③非EI人工系统：该系统是人类活动占主导的人工生态系统，多为城市建成区。该区域人口高度集中、其他的生物种类和数量都很少。可以利用区内现有的自然、人工斑块（如山体、公园绿地）、通过主干交通网络和城市水网河流建设生物廊道，使其与核心型EI、过渡—缓冲型EI保持联系，从而产生物质、能量和基因的流动，形成镶嵌型的生态空间结构，进而形成具有高度联通性的区域生态基础设施网络，发挥最大的生态服务功能。
萝岗的核心型EI和过渡型EI基本决定了区域空间的发展模式，非生态基础设施（Ⅳ型区域）空间即为最优的城市发展区域，该区域大部分集中在西区和东区，属于传统的老经济技术开发区范围。向北扩展，城市的扩展方向应首选科学城片区。除此以外，萝岗区可供建设用地主要就集中在中心区和永和组团，这些区域的可供建设用地规模较大，多为缓冲型EI，且多被北边和西边的山体阻隔，不可避免的形成独立的发展组团。往北扩展，即现在的九佛和这镇龙片区，该片区的EI指数较低，多为非EI区域或缓冲型EI区域，可用地连片、规模较大，但同时在空间结构上也有其弱点：第一是其现状的城市发展规模不够、基础设施有待完善；第二是其区位条件不是最优的，离广州母城距离稍远；第三是北部的九佛、镇龙片区无大型的河流水库，城市供水来源是城市扩展过程中需要首先解决的问题。由此，该区域的城市发展规模应适当控制，结合原有的第一产业特征，优先发展生态农业。
4.2 空间规划战略
根据EI的类型及空间结构特征，提出萝岗的空间规划模式（图13）：（1）三环，即由核心型EI构成的三个绿环圈层，分别为：①西北生态环：主要包括黄麻生态保护区、天鹿湖生态公园、黄鳝田生态保护区、向东生态保护区等；②中部生态环：主要包括何木仃森林公园、水声森林公园、永和水源地等；③鹩哥髻山生态环：主要包括鹩哥髻山生态、刘村长坑森林公园等。（2）六廊，即由过渡—缓冲型EI和四条主干交通网络绿化带构成区域性生态廊道。这些生态廊道由境内的放射状山体绿地防护林带、农田、旱地和高级交通网络绿化带构成。作为生态廊道的绿地空间必须保证一定的宽度和必要的生态多样性程度，尽量构建乔、灌、草、农作物相结合的植被层次，以提供良好的生物通过性和繁衍空间。规划以山、水、林、园等自然生态要素为基础，区域生态环廊模式下的多层次、多功能、立体化、网络式的生态结构体系，以保证各种EI的空间连通性。（3）五组团（城市组团）。分别为东区组团、中心区组团、永和组团、九佛组团和镇龙组团。根据萝岗天然的EI空间阻隔型空间结构，加强六个组团之间的生态网络建设、突出带状效果、构筑网络的整体性和渗透性。必须使主要交通网络的防护绿地达到一定的宽度，因其担负了连接生态板块、EI系统空间联系的生态功能。
图13：EI导向的萝岗区空间规划战略
5 结果与讨论
经统计分析，萝岗区重要EI空间元素（核心型EI和过渡型EI）在区域空间总格局中占有较大比重，约占区域总面积的59%。该数值说明萝岗区在整个广州大都市圈中具有生态极核的功能，区内各级生态要素的空间耦合特质使其明显区别于广州辖区内的其他区域，具有担负广州大都市区生态空间组织、生态要素积聚和生态熵流跃迁的独特功能。萝岗区内基本EI要素的空间形态多表达为生态核心斑块（核心型EI）、生态廊道（过渡型EI和缓冲型EI）和生态图斑（缓冲型EI），其空间组织形式以极核区域组织放射线、其间镶嵌非均质图斑为主。极核区域主要包括黄麻生态保护区、天鹿湖生态公园、黄鳝田生态保护区、向东生态保护区、何木仃森林公园、水声森林公园、永和水源地以及鹩哥髻山生态保护区等；生态廊道主要是指以生态核心区为组织中心的放射状山脉和主干交通绿化带；生态图斑主要是指间隔在核心区与廊道之间的小型不规整非均质扳机地块。萝岗区EI要素空间格局为空间规划提供了一个基本的限制性基底，EI导向的空间规划是一种生态优先理念指导下的区域空间秩序重构过程，对萝岗来讲，该过程必然派生出“三环、六廊、五组团”的区域生态阻隔与城市演进策略。
通过针对萝岗区的实证研究可以看出，区域的空间规划过程可以分为两个大的步骤，首先是分析区域自然系统、人工系统及其交互系统的空间非均质特征，并由此定义人口的适宜聚集区和非适宜聚集区。前者往往被规划为城市空间，后者往往被确定为生态空间或农业空间。后者中那些具有重要生态服务功能、能维系地域生态系统安全底线的区域则被定义为生态基础设施。本研究旨在应用遥感与GIS空间分析方法提出一种生态基础设施的识别方法，通过实证研究设计出针对萝岗的空间规划策略。经实例验证，该模式针对复杂地域环境（山地区域）具有良好效果，但对于地域均质性较强的区域（如大草原区域），本方法体系是否有效还尚待验证，一些具体的指标和计算方法也还需要近一步深化。但总体说来，不管针对那种实体空间，其设计思路总绕不过“设计结合自然”原则，而生态基础设施与此处的“自然”近乎是同意词。
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作者简介：
汪洋/1978年生/男/重庆人/重庆大学建筑城规学院博士生/重庆师范大学城市规划系讲师（重庆 400047）
赵万民/1955年生/男/重庆大学建筑城规学院副院长、教授、博士生导师（重庆 400030）
段练/1965年生/男/重庆大学建筑城规学院副教授（重庆 400030）
