城市空地更新为绿色基础设施的潜力评估

陆明 金美岑 张岩

较大规模的空置现象是城市收缩在物质空间层面引起的显著问题，如城市中出现大量废弃或空置用地、建筑及基础设施等[1]。城市空地是指完全空置的没有开发用途的土地，或在城市建成区范围内从以前的工业或其他开发用途中废弃的、空置的或未被充分利用的土地[2]，主要用地类型包括林地、草地、棕地、裸地和带有废弃建筑物或构筑物的地块。作为城市社会、经济和生态空间的“灰色区域”[3]，城市空地易引起排水内涝、雨水淤积，不仅会降低城市空间品质，影响城市景观风貌，造成景观破碎化，也会由此产生一系列经济、社会问题，例如犯罪率升高、房地产经济衰退、财政负担增加等。然而空置现象并不是完全消极的，空置资源可以为城市的更新发展提供良好机会[4]，近年来的研究逐渐关注到空地给城市生态建设带来的契机。

绿色基础设施（green infrastructure, GI）通常被定义为一种通过保持自然生态系统功能与价值，为人类提供一系列生态系统服务（ecosystem services, ESs）的相互连接的绿色空间网络[5]。ESs是人类从生态系统中所获取的利益[6]，GI作为城市的生态系统，是城市ESs的空间落实途径[7]，通过“网络中心”“廊道”与“小型场地”构成跨尺度、多层次、相互连接的空间网络，搭建能量流动、物质交流、信息传递等生态过程的桥梁。生态功能的发挥依赖于完整的网络结构，网络要素的相互连接保证了自然生态系统的发展过程[8]，功能多样性与结构连通性是GI的核心特征[9]。GI既能保证生态过程发挥的连续性，也有助于城市环境的改善与土地资源的高效利用，契合精明收缩理念下生态修复的思想[10]。

GI是解决城市空地的有效手段之一[11]，将城市空地更新为GI可以增加城市生态空间，优化城市生态格局，提升城市ESs能力[12-16]。已有学者开始研究城市空地更新为GI的条件与时序，例如通过地块所处生态网络的位置评估该地块转变的价值[17-18]，通过评价该地块对提升研究区景观连通性的重要性来确定更新的优先级[19]等。目前关于城市空地更新为GI的潜力评估多是从功能或结构单一视角的研究，同时考虑功能与结构的研究相对较少，例如针对生态问题选取ESs需求作为规划指导[20]，针对空地自身非功能性的特征选取所在位置、可达性等作为评估指标[21]。现有研究存在评估体系角度单一、指标不够全面等问题，同时较侧重单个地块的生态修复，缺乏对整体生态空间的统筹考虑。

黑龙江省鹤岗市作为煤炭资源型城市，第二产业曾是城市发展的主体产业，然而产业结构单一与煤炭过度开采引起资源枯竭、环境恶化等问题，随之发生经济下行、人口流失，相关研究表明鹤岗市已出现城市收缩现象[22-23]。鹤岗市中心城区内矿区面积占比将近25%，存在地表沉陷、植被稀疏、水土流失、空气水体污染等生态问题，中心城区产生大量空置住房与空置土地，城市空间环境逐渐破败与恶化。《鹤岗市国土空间总体规划（2021—2035）》提出基于GI建设的城市空地更新规划，因此，有必要评估城市空地的更新潜力，筛选出适宜改建为GI的空地，并有针对性与时序性地开展更新，同时逐步加强GI网络的良性循环，最终实现依托GI赋能城市空间。鉴于此，本研究以鹤岗市中心城区为例，根据GI的特征从功能与结构两方面构建评估体系，对城市空地ESs供给能力和景观连通性进行评估，最后采用多因子叠加分析法分析城市空地更新为GI的潜力等级，并提出相关规划策略。

1 研究区概况与数据来源

鹤岗市中心城区下辖兴山、向阳、工农、东山、南山与兴安6个行政区，总面积为12 506 hm2。2020年中心城区空地面积为1 340 hm2，占中心城区10.71%，其中兴安区与南山区存在的空地最多。空地主要类型为建筑-杂草地、杂草地、荒废林地、裸地和矿坑。

根据城市空地的概念与用地类型，结合鹤岗市高分遥感影像构建深度学习模型，获取中心城区城市空地数据。根据GI的定义[5]，从土地利用数据中提取林地、草地作为鹤岗市中心城区现有GI，结合第三次全国国土调查数据，绘制研究区用地概况图（图1）。

城市空地原有用地性质大部分为居住用地与工矿用地，现土地覆被多为草地。现有GI多分布于中心城区边缘区，且分布分散，面积较小，城市中心区存在少量公园等绿色空间，覆被多为未修剪、难以利用的草地，覆盖的居民游憩范围有限；中南部小鹤立河流域与北部小石头河流域附近存在GI分布断裂现象，与河流并存的绿地分布稀疏，既不利于水系资源的保护，也导致GI网络结构的组分缺失。部分城市空地与现状GI位置联系较为紧密，具有依托现有资源进行转化的优势，此外，更新为GI后对改善中心城区微气候、提升居民生活环境与质量有重要意义。

本研究使用的数据主要为地理空间数据（表1），运算平台为ArcGIS 10.8，数据年份为2020年，栅格数据精度经过ArcGIS重采样统一为30 m，坐标系统一校正为WGS_1984_UTM_Zone_52N。

2 研究方法

2.1 城市空地更新为GI潜力评估的技术路线搭建

由GI内涵可知，其核心特征是功能多样性与结构连通性，通过提供多样化的ESs来发挥生态价值，通过结构的网络化实现能量要素流通。当城市绿色空间被侵蚀时，GI在规模与种类上的减少导致其空间结构连通性下降，进而导致GI提供ESs的能力下降[24]，结构失衡与功能弱化将同时存在。因此，保障城市生态安全要同时考虑GI的结构与功能特征，通过优化斑块与提升连通性提高GI整体性[25]，才能构建稳定的GI网络，即确定系统中应该包含的要素与要素所呈现的格局[26]。

在探讨如何更好地利用城市空地优化GI时，需要从功能与结构两方面进行提升，评判它在这两方面能否同时满足更新为GI的条件。根据生态土地利用互补理论[27]，现有绿地斑块条件越好，越有利于新的植被生长，GI的基础条件就越好，因此在功能方面选择ESs供给能力作为评估指标，供给能力越高的地块潜力相对较大；空地在整个城市生态系统中的位置可以影响整体生态过程，景观连通性是衡量生态过程的重要指标[28]，可以反映斑块在结构上的有机联系[29]，各空地纳入GI网络前后景观连通性的变化，能反映其对维持GI景观连通性的重要度，因此在结构方面选择景观连通性作为评估指标，景观连通性好的地块潜力相对较大。

本研究共分为3个步骤（图2）：1）评估城市空地在功能方面的ESs供给能力；2）评估城市空地在结构方面的景观连通性；3）评估功能-结构视角下城市空地更新为GI的潜力。

图2 城市空地更新为GI的潜力评估技术路线Technical route for evaluation of the potential for renewing urban vacant land into GI

2.2 功能方面：城市空地ESs供给评估

2.2.1 评估指标选取及量化方法

通过梳理现有城市空地更新潜力评估体系和评估方法，基于发挥GI作为自然解决方案的优势与利用城市空地转化为GI解决生态问题的目的，结合鹤岗市现状生态问题及煤炭资源型城市的特点选取相应的ESs与测度指标（表2、3）。在城市尺度上，城市中心城区通常作为ESs的获益区，供给服务比重较小；GI所提供的支持服务通过形成土壤、维持生物多样性等成为另外3类服务的基础与来源；最易被人感受到的调节服务与文化服务是比重较大的服务类型，对改善生态系统有着重要作用[56]，故本研究着重选取调节、支持与文化服务。

表2 问题导向下的指标选取[30-43]Tab.2 Problem-oriented indicator selection[30-43]

表3 功能方面各指标计算式[42,44-55]Tab.3 Formulas for various indicators at the functional level[42,44-55]

2.2.2 确定指标权重

根据鹤岗市的生态环境现状，并结合相关专业的专家学者进行经验性判断[32,41]，运用层次分析法通过yaahp软件构建判别矩阵（通过一致性检验），确定指标权重（表4）。

表4 功能方面评估指标体系及权重Tab.4 Evaluation indicator system and weights at the functional level

根据前文的指标量化方法进行计算，最终将各指标结果进行标准化处理，根据功能方面评估体系，叠加分析得到鹤岗市中心城区空地ESs供给能力，采用自然断点法将供给能力分为最强、较强、中等、较弱和最弱5个等级。

2.3 结构方面：城市空地景观连通性评估

景观连通性是指景观对生态流的便利或阻碍程度[57]，是景观组成元素在空间结构上的联系[58]，本研究利用Conefor 2.6软件中的可能连通性指数（probability of connectivity, PC）与斑块重要度指数（delta values for probability of connectivity, dPC）对城市空地的景观连通性等级进行评估，dPC表示斑块对维持GI网络整体连通性的重要程度，值越大，表明发挥作用越强。dPC需在PC的基础上进行计算，PC表示各斑块之间连通的可能性，取值范围为0～1，结果越大说明斑块之间连通的可能性越大。根据以往研究[59]，最终选取1 000 m为距离阈值，0.5为概率阈值，计算式[29]

式中： P Ci表 示可能连通性；n表示空地要素个数；ai与aj表示城市空地i和j的面积；Pij表示在城市空地i和j之间物种扩散的概率；A表示鹤岗市中心城区总面积； d PC表示斑块重要度；P Cre表示将某空地斑块移除后的景观连接度数值。采用自然断点法将dPC分为最高、较高、中等、较低和最低5个重要度等级。

2.4 城市空地更新为GI的潜力评估模型

在景观生态学中，景观结构指景观组成要素的形状、比例和空间关系；景观功能指景观结构单元之间的相互作用，包括物质、能量、信息的流动与迁移。功能与结构之间的关系是相辅相成的，结构在一定程度上决定着功能，因为景观结构单元的类型、多样性和空间关系会影响能量传递和物质循环等过程；同时，功能也反作用于结构，因为生态过程的进行会对景观结构产生影响，如生物多样性的变化、人为因素的干扰等都可能改变景观结构[60]。因此，本研究认为功能与结构对GI规划的贡献度同等，不侧重于某一方面，即在本研究中二者在城市空地更新为GI的潜力评估中权重相等。将供给能力与景观连通性的评估结果进行标准化处理，将二者标准化结果等权重叠加得到最终的潜力值，计算式[28]

式中：P表示城市空地更新为GI的潜力；Xi是功能与结构方面指标的分值；Wi为各指标的影响权重；本研究中X赋值0.5。将最终结果根据自然断点法分为最高、较高、中等、较低与最低5个潜力等级，依据该等级确定城市空地更新为GI的优先时序与规划建议。

3 结果与分析

3.1 功能方面：城市空地ESs供给能力评估结果

鹤岗市中心城区空地ESs供给能力整体呈现北高南低的特征（图3）。ESs供给能力最强及较强的空地面积占比为26.47%，主要集中在中心城区的北部，多为林地、草地等人类活动破坏小的区域；ESs供给能力弱的空地多为受到人类活动严重影响而遗留下来的地块，例如位于城市东部的8个矿区的采矿用地，存在着植被破坏、土地塌陷等生态问题，因此整体ESs供给能力较弱。

图3 ESs供给能力综合结果Comprehensive results of ecosystem services supply capacity

3.2 结构方面：城市空地景观连通性评估结果

鹤岗市中心城区空地整体的景观连通性不高（图4），较高dPC的空地散点分布在各区内，少数空地的dPC处于中等及以上。dPC最高的空地仅有2块，dPC较高的空地仅有6块，dPC 最高及较高的空地面积占比为16.26%。总体而言，景观连通性相对较高的空地面积较大，数量较少。

图4 城市空地景观连通性评估结果Evaluation results of urban vacant land landscape connectivity

3.3 城市空地更新为GI的潜力评估结果

对城市空地功能和结构评估结果进行叠加分析，得到城市空地更新为GI的潜力等级（表5）。从空间分布上看（图5），城市空地更新为GI的潜力评估结果的空间分布格局与功能方面评估结果相似，均呈现老城区高、由城市中心向郊区逐渐递减的格局，鹤岗市中心城区的空地大部分更新为GI的潜力较低，潜力较高的空地散点分布在各区内。更新潜力最高的空地仅有一块，位于中心城区北部向阳区与东山区的交界处。

表5 不同潜力等级的城市空地面积及其比例Tab.5 Areas and proportions of urban vacant lands under different potential levels

图5 城市空地更新为GI的潜力等级Potential level of renewal of urban vacant land into GI

4 鹤岗市中心城区空地更新为GI的规划策略

根据前文的空地更新潜力等级及其自身特征，提出鹤岗市空地的更新模式（图6）及规划利用途径（表6）。

表6 鹤岗市中心城区城市空地GI规划利用途径Tab.6 GI planning and utilization of urban vacant lands in the central urban area of Hegang

图6 鹤岗市中心城区城市空地更新模式示意Schematic diagram of the renewal modes of urban vacant lands in the central urban area of Hegang

4.1 立足资源禀赋，发挥绿色优势

潜力等级最高的空地位于向阳区与东山区交界处，毗邻向阳区政府与东山区政府，该空地地理位置重要、面积最大，其ESs供给能力与景观连通性等级均为最高，宜选择增加式更新模式，作为新的网络中心纳入GI网络，通过产生新的廊道来增加GI网络整体的连通性。建议依托现有植被资源，对地表损毁等级、煤矿积水深度进行勘测调研，根据地质条件引导改造为湿地公园等ESs供给量大的GI。

4.2 辅助生态修复，适度全面发展

潜力等级较高的空地分别为各区面积最大的空地，这些空地植被丰富，可根据空地斑块所在位置选择合并式或插入式更新模式：与原有蓝绿空间相连的空地建议选择合并式更新模式，通过增补原有网络中心面积的方式来提升其ESs供给能力；位于原有生境斑块之间的空地建议选择插入式更新模式，通过构建小型场地或拓宽廊道的方式提升整体网络的连通性。建议对潜力较高的空地进行生态化修复，根据所处位置转变为综合公园、都市农业等城市级GI，以便更好地面向全市居民提供服务。

4.3 满足居民需求，因地制宜转化

潜力等级中等的空地主要位于城市中心区，面积较小，常伴随潜力等级较高的空地出现，ESs供给能力与景观连通性之间的关联性不大，易出现景观连通性较高但ESs供给能力较低的情况。更新时宜选择插入式更新模式，根据场地的形状并结合周边居民的使用偏好，将这类空地转变为社区公园、口袋公园、广场绿地、运动场地等形式，服务人群以周边15分钟生活圈内的居民为主，结合原有GI要素以廊道或小型场地的形式完善城市GI网络。

4.4 优先生态恢复，确保弹性留白

潜力等级较低及最低的空地面积小、分布较为零碎，主要分布在城市近郊区，且多为土地基础条件不理想、生境受损严重的斑块，无论从提供ESs角度还是增加结构连通性角度，对完善GI网络的作用均不显著，不建议更新为GI。应采取生态恢复或转型发展的策略，也可用作城市发展备用地或白地，根据城市的近、远期发展规划进行用地调整。对于分布在矿区范围内的空地，可以结合文化旅游产业，对工业遗留建筑进行功能置换，依托煤炭资源改建为城市记忆博物馆等文化娱乐场所。

5 结论与展望

在城市收缩背景下，如何解决城市资源空置问题逐渐受到行业重视，长期空置、无人管理的废弃土地形成了城市空地，应充分利用并妥善处理这类用地。为了指导城市空地更适宜地完善城市原有GI，使城市蓝绿空间更好地提供ESs，本研究在构建功能-结构视角潜力评估体系的同时，明确完善GI网络的空地样式与完善模式，提出收缩城市空置用地更新的针对性策略，目的在于使城市空地因地制宜地发挥作用，为研究区域内城市空地更新改造的时序提供依据。主要结论有4点：1）功能方面，空地的整体ESs供给能力呈现北高南低的空间格局，仅有26.47%的空地供给能力最强或较强，主要分布在老城区内；2）结构方面，空地的整体连通性较弱，仅有16.26%的空地斑块重要度为最高或较高，主要为各区内面积较大的斑块；3）更新潜力方面，研究区内空地更新的潜力整体较低，仅有22.19%的空地更新潜力等级为最高或较高，主要分布于向阳区、工农区与南山区；4）更新模式方面，针对各潜力等级提出增加式、合并式、插入式与预留式的4种空地转为GI的更新模式，通过增加网络中心、产生新的连接廊道、拓宽原有连接廊道或构建小型场地的方式对鹤岗市中心城区的GI网络进行功能强化及格局优化，研究成果可以在资源枯竭型收缩城市及城市GI规划等领域得到进一步应用。

生态建设一直是城市可持续发展的重要议题，GI规划将生态优先思想融入城市规划与设计的全过程，GI视角下的空地更新规划是一种定量与定性相结合的规划方法，通过修复城市破碎的生态系统，改善社会和经济条件，为城市生态更新提供新的发展路径，同时也可以提升GI网络的结构连通性和功能完整性。GI作为多层级、多尺度、多功能的网络结构，可以融入社区级或城市级的规划设计，结合空地区位及自身条件进行功能调整，优化城市空间格局。此外，空地更新需考虑原有用地性质、产权归属、城市规划用地结构等问题。在本研究中，仅有22.19%的城市空地具有较高的更新价值，但更新为GI并不意味着转换用地性质，GI因其灵活与多层次的特点，表现形式多样，小到雨水花园、屋顶绿化、社区绿地，大到城市公园、生态保护区，均是GI的组成要素，可以在保留原有用地性质的基础上，通过增加绿化覆盖面积的方法增加GI。新一轮国土空间规划可依据本研究所划定的适宜扩大GI的范围，在遵循上位规划并满足城市需求的前提下，合理优化用地结构，改善城市生态环境，提升收缩城市居民福祉。

本研究提供了空地更新为GI的潜力评估方法的新思路，从功能和结构2个方面进行评估，较现有的单一功能或单一结构视角有一定改进，该方法在数据量较少的情况下仍具有较高的可操作性。但本研究仍存在一定的局限性：收缩城市的未来发展情景多样且未知，存在持续收缩或者复兴增长的可能，本研究主要针对鹤岗市的生态现状进行分析，经济、社会等其他维度的内容将在今后的研究中继续深化，以便更好地实现收缩城市空地的更新价值。