基于社会-生态功能复合与SPCA的城市绿地生态网络重要源地识别

仲启铖

张桂莲

张 浪*

城市生态源地一般指城市中现存的乡土物种栖息地以及扩散和维持的元点，是城市绿地生态网络的核心组分[1-2]。城市绿地是以自然植被和人工植被为主要存在形态的城市用地[3-4]，不仅包含城市建设用地内的公园绿地、附属绿地、防护绿地和广场用地，还包含城市建设用地外的区域绿地。在人口密集、用地紧缺的城市化区域准确识别以城市绿地为主体的生态源地，并通过城市生态廊道将其连通成整体稳定的网络系统，对于恢复和维持生物连通性，改善城市生态环境状况，保障城市居民身心健康，重塑人与自然和谐关系具有重要作用[5-7]。

目前主要有3类识别城市生态源地的方法。第一类直接选取面积较大、物种较丰富的城市绿色空间(如森林公园、风景名胜区)[8]。第二类采用形态学空间格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA)，通过度量识别不同城市景观的类型与结构来提取源地[9-10]。第三类采用生态服务功能评估或生态敏感性分析来确定源地重要性[11]。其中，第一种方法过于主观，后2种方法增强了客观性，但关注的功能仍以生态服务功能为主，较少涉及城市绿地的游憩、景观、文化等社会服务功能[12-13]。同时，也缺乏对城市绿地在城市景观生态格局中的作用及其与周边环境关系的考虑[14]。

本研究构建了基于社会-生态功能复合的城市生态源地综合评价指标体系，以上海市闵行区城市绿地为对象，采用GIS分析、RS反演、Invest模型及景观连接度模型等方法制作各指标的标准化分级栅格图，采用空间主成分分析法(Spatial Principal Component Analysis,SPCA)客观确定指标权重。基于GIS软件，完成所有指标的空间加权计算和所有栅格像元的重要性分级，以实现重要城市生态源地的精准识别。

1 研究方法

1.1 研究区概况

闵行区位于上海市中心城区西南部，形似一把“钥匙”(北纬31°5′，东经121°25′)。全区总面积373.3km2，其中城市开发边界内面积276.9km2。闵行区地势平坦，地面标高3.3～4.8m。黄浦江贯穿闵行区，吴淞江、淀浦河、大治河等骨干水系与区内200多条河道组成河网。2019年末，全区常住人口为254.93万人，其中外来常住人口为125.14万人。根据闵行2035规划①，至2035年，闵行区将建设成为上海卓越的全球城市、具有世界影响力的社会主义现代化国际大都市的重要战略支撑区，品质卓越、生态宜居的现代化新城区。

1.2 数据收集与预处理

本研究采用数据主要包含城市绿地矢量数据(2020)，土地利用现状矢量数据(2019)，可更新用地矢量数据(2019)，城市开发边界矢量数据(2020，源自区绿化和市容局、区规划和自然资源局、区统计局等)，公交与轨道交通站点数据(2019，上海市测绘院提供)，夏季NDVI指数栅格数据(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)(分辨率10m，原始数据为2019年夏季高分2号数据)，夏季白天地表温度栅格数据(分辨率10m，原始数据同上)，2019年夏季某周末下午3点全区人口密度点数据(手机信令数据，购买自中国联通上海公司)等，建立城市地理信息数据库。

以城市绿地矢量数据作为城市重要源地识别的数据基础，将原始数据按照《城市绿地分类标准》(CJJ/T 85—2017)整理归类为公园绿地、防护绿地、附属绿地、区域绿地(含部分现状林地)和广场用地五大类型。在GIS软件中，采用聚合面工具，将欧氏距离在10m内的同类绿地斑块进行聚合，然后按照5hm2的面积阈值进行筛选。共得到备选源地454个，总面积为52.25km2，占全区总面积14.02%(图1)。

图1 闵行区备选绿地生态源地分布图

1.3 城市生态源地综合评价指标体系构建

从供需主体及其相互作用关系上看，在闵行区居住和工作的城市居民，以及该区较为常见的小型哺乳类(黄鼠狼、刺猬)和两栖爬行类(蛙类、蜥脚类)是闵行区城市生态源地的主要服务对象。因此，在闵行区城市绿地生态网络中，生态源地所承载的服务功能主要是局部范围的临近服务(如提供生境、调节热环境、降低地表径流、滞纳污染物等)和与使用者运动相关的服务(如休闲游憩和景观文化)[15]。因此，本研究兼顾人类生态宜居和焦点物种栖息生存两方面需求，构建了涵盖调节、支持、文化三大类服务，体现社会-生态多功能复合的生态源地综合评价指标体系(表1)。

1.4 指标计算和标准化赋值

1.4.1 连接度重要性

采用表1所示的指标计算和赋值方法，得到闵行区424个备选生态源地所有8个指标的标准化分级栅格图(均为1～10分)。本研究重点介绍连接度重要性和生境质量2个指标的计算方法。

采用潜在连接度重要性指数(delta metrics of Probability of Connectivity，dPC)表征备选源地的连接度重要性。dPC越高，对维持景观整体连接性相对贡献越大，重要性越高[21]。针对上述454个备选源地，采用Conefor 2.6软件，将连接距离阈值设为500m，连接概率设为0.5，计算每个备选源地的dPC，计算公式如下：

式中，dPCi表示第i个备选源地的连接度重要性指数；PC表示整个景观的潜在连接度指数；PCremove，i表示除去第i个备选源地后整个景观的潜在连接度指数；i表示第i个备选源地；j表示第j个备选源地；n表示备选源地的总数目；A表示对象区域的总面积；ai表示第i个备选源地的面积；aj表示第j个备选源地的面积；p＊ij表示物种在第i个备选源地与第j个备选源地之间所有可能路径的最大连接概率。

1.4.2 生境质量

Invest模型中Habitat quality模块的主要原理是计算不同威胁对生态源地的威胁程度，威胁程度越低，生境质量越高[27]。基于土地利用现状图，提取道路用地、工矿用地和物流用地三大类用地作为威胁，选择指数距离衰减函数来描述威胁的空间衰减(表2)。这主要是由于这3类用地的人为活动高度密集、易产生环境污染、对生境潜在不利影响大。以454个备选源地作为受潜在威胁的对象，根据Habitat quality模块的工作原理和使用说明，参考类似研究成果和专家经验[25，27-28]，对公园绿地、附属绿地、防护绿地、广场用地和区域绿地分别赋予相应的生境威胁敏感性值(表3)。生境质量指数的范围为0～1，指数越高，备选源地潜在的生物多样性水平越高[29]。

表1 基于社会-生态功能复合的城市生态源地综合评价指标体系

生境质量指数的计算公式如下：

式中，Qxj为第j类生境类型中栅格x的生境质量指数；Dxj为第j类生境类型中栅格x的总威胁水平；Hj为第j类生境类型的生境适宜性；z、k为比例常数(本研究中分别取值2.5和0.5)。

Dxj的计算公式如下：

式中，r为威胁源；y为威胁r栅格图上的所有栅格；R为威胁的数量；Yr为威胁r栅格图上的一组栅格；ry为源自栅格y的威胁r的影响；irxy为威胁r在栅格x的生境对栅格y的影响；βx为生境的可达性水平(本研究取值为1，代表并无特别保护措施)；sjr为生境类型j对于威胁r的敏感性。

irxy(指数型影响)的计算公式如下：

式中，dxy为栅格x和y之间的线性距离；drmax为威胁源r的最大作用距离。

1.5 SPCA确定权重

在得到8个指标分级栅格图的基础上，采用SPCA确定指标权重。SPCA以主成分分析原理和GIS为基础，将每个空间变量对应一个矩阵，把相关的空间变量对因变量的影响程度分配到相应的主成分因子上，且能将主成分因子分析结果清晰地落实到每一个栅格上，使主成分分析结果直观地拓展到二维空间[30]。

在GIS软件中，将每个指标对应的栅格数据输入主成分分析工具，得到每个主成分所对应每个指标的载荷信息，以及各主成分的特征值和累积贡献率。采用超过累积贡献率预设阈值(本研究取值85%)主成分的载荷、特征值和累积贡献率依次计算各指标的权重。

1.6 生态源地重要性计算与分级

在GIS软件中，将各指标的分级栅格图进行空间叠加，根据SPCA计算得到的指标权重，采用栅格计算器工具，加权计算备选源地中每一个栅格像元的社会-生态功能指数(Social-Ecological Function Index，SEI)。计算公式为：

式中，SEI为备选源地第i个栅格像元的社会-生态功能指数；pij为备选源地第i个栅格像元的第j个指标；wj为各指标的权重。

在GIS软件中，采用重分类工具，按照自然断点法将闵行区所有备选源地每个栅格像元的值重分类分5级，依次为极重要、重要、一般、不重要和极不重要。根据预设的重要性等级阈值(本研究中取极重要和重要2级)筛选对应的分级栅格图，并转为矢量面图层。采用按位置选择图层工具在备选源地的矢量面图层中提取目标矢量面图层，并将提取的矢量面图层保存为单独的矢量图层，从而完成重要生态源地的提取。

2 结果

2.1 备选源地社会服务功能空间分布特征

如图2所示，闵行区服务覆盖半径较大的备选源地多为分布在浦西片区的大型公园绿地和附属绿地，包括闵行体育公园、闵行文化公园、莘庄梅园、得翠园、旗忠高尔夫俱乐部及吴泾工业区附属绿地等。在服务设施密度方面，浦西片区的公园绿地明显高于附属绿地，浦东片区浦江郊野公园的配套服务水平也相对较高。从实际使用水平来看，浦西片区中部的七宝镇、虹桥镇、莘庄镇和梅陇镇的公园绿地与附属绿地的实际使用水平相对较高。该区域是闵行区发展最早、人口密度最高的区域。同时，上述4个街镇公园绿地和附属绿地的公交可达性也相对较高，其中梅陇镇高于另外3个街镇。另外，江川路街道的成片附属绿地和浦江镇的部分区域绿地，尽管所在街镇的城市化强度略低，但因分别地处上海地铁5号线和8号线沿线，同样具有相对较高的公交可达性。

2.2 备选源地生态服务功能空间分布特征

如图3所示，闵行区绿化建设较早、管理水平较高的公园绿地和附属绿地，以及规模较大区域绿地的植被质量相对较高。连接度重要性最高的2个源地是位于七宝镇的闵行体育公园和位于马桥镇的旗忠高尔夫球场。此外，七宝镇的闵行文化公园、莘庄镇的黎安公园、梅陇镇和吴泾镇的大型居住区与工业区附属绿地，由于面积较大且位置重要，同样具有相对较高的连接度重要性。相比之下，浦东片区备选源地的连接度重要性较低。生境质量较高的备选源地主要为浦东片区的区域绿地，特别是位于城市建成区之外的成片生态公益林。这些林地质量较高、周边开发强度较低，生境质量所受威胁较低。在浦西片区，生境质量较高的备选源地则主要分布在南部的黄浦江、北部的吴淞江沿线以及与青浦区和松江区2个郊区相邻的部分区域绿地。缓解热岛效应作用相对较高的备选源地也主要为浦东片区的区域绿地。同时，位于浦西片区中部城市建设用地内的大型公园绿地降低地表温度作用也比较明显。

图2 备选源地的社会服务功能

图3 备选源地的生态服务功能

2.3 重要性分级与重要源地识别结果

运用SPCA对8个社会-生态功能指标进行空间降维后，前4个主成分的累积贡献率为88.4%，符合阈值要求，依次计算各指标的线性组合系数、综合得分系数，获得指标权重(表4)。在此基础上，完成所有指标的空间加权计算和所有栅格像元的重要性分级。

如图4所示，闵行区备选源地的重要性等级呈现出明显的空间异质性，极重要、重要、一般、不重要和极不重要备选源地栅格像元的面积占比分别为16.2%、16.1%、25.3%、23.0%和19.4%。不重要和极不重要像元数占比高于极重要和重要等级，反映出闵行区备选源地的社会-生态功能仍有进一步提升的空间。总的来看，极重要和重要2个等级主要为浦西片区的大型公园绿地和部分规模较大、建设较早、位置较重要的工业区与居住区附属绿地，以及浦东片区的郊野公园和生态公益林等区域绿地。

图4 闵行区备选源地重要性分级结果

表2 生境威胁因子表

共计提取极重要和重要两级生态源地139个，总面积为18.61km2，平均面积为0.134km2，占所有备选源地总面积的35.6%，占全区总面积的5.0%。其中，属性为区域绿地的源地个数最多、面积最大，其次是公园绿地和附属绿地。具体来看，共包含区域绿地72个，总面积81.56km2，平均面积0.113km2；公园绿地43个，总面积6.70km2，平均面积0.156km2；附属绿地24个，总面积3.76km2，平均面积0.157km2。

闵行区重要生态源地由大到小依次有：浦西片区的闵行体育公园(77.98hm2)、旗忠高尔夫俱乐部(66.90hm2)、闵行文化公园(54.14hm2)、莘庄梅园、得翠园及周边绿地(50.69hm2)、吴泾化工区附属绿地(48.84hm2)、虹山半岛、燕南园等低密度社区的成片连续附属绿地(35.93hm2)。此外，还包括位于浦东片区大治河生态走廊中的生态公益林、位于黄浦江间隔带与浦闵间隔带③中的浦江郊野公园滨江片区、水源涵养林、环境保护林等生态公益林。

2.4 典型生态源地及周边用地构成与社会-生态功能分析

对本研究识别出的闵行区3个典型重要源地本身及周边区域的用地构成和不同指标得分情况进行分析(图5、6)。其中，闵行文化公园属于大型公园绿地，位于城市建设强度较高的七宝镇，周边基本上均为居住、商服用地，公园的四至边界与源地边界重合性高。作为闵行区最为重要的大型城市公园之一，闵行文化公园各指标得分相对均衡，多在7～10分，但在公交可达性方面还有一定提升空间。作为重要源地的城市建成区外的区域绿地，包括郊野公园、生态公益林、森林公园和生态保育区等，周边多有林地、农田、园地和湿地等生态用地分布。以浦江郊野公园滨江片区为例，该类源地在生态服务功能方面的得分明显高于社会服务生态功能。吴泾化工区附属绿地位于吴泾镇，所在区域为历史较为悠久的大型工业基地，内部绿化总面积大且连续成片分布，同时由于建设较早、植被质量相对较高，因此也被识别为重要生态源地。但这一类源地在生境质量、可达性和实际使用水平方面得分较低。

图5 闵行区重要生态源地识别结果与典型源地位置

图6 典型城市生态源地社会-生态功能指标得分情况

3 结论与讨论

本研究构建了基于社会-生态功能复合的城市生态源地综合评价指标体系，以上海市闵行区城市绿地为对象，运用GIS分析、RS反演、Invest模型以及景观连接度模型等方法计算指标，采用SPCA客观确定指标权重，通过空间加权运算和重分类完成全区重要生态源地的精准提取。共识别极重要、重要2个等级生态源地139个，总面积18.61km2，平均面积0.134km2，占所有备选源地面积的35.6%，占闵行区全区总面积的5.0%。在五大类绿地中，区域绿地无论在面积和数量上都是重要源地的主体，其次是城市建成区内的大型公园绿地，以及部分居住区和工业区附属绿地。

表3 生境威胁敏感性表

表4 不同指标的主成分载荷及权重计算结果

针对国土空间规划背景下构建与优化城市绿地生态网络的需求，本研究以我国现行《绿地分类标准》(CJJ/T 85—2017)中规定的广义城市绿地作为对象，从城乡一体化的角度建立精准识别城市重要生态源地的技术框架。在确定潜在重要源地时，不仅考虑了城市建成区内的公园绿地、附属绿地、防护绿地与广场用地，还包括城市建成区之外的区域绿地。城市生态源地不仅是保护生物多样性和发挥生态服务功能的主体，在提升景观品质、改善人居环境方面也具有重要作用[31-32]。基于这一理念，本研究提出的指标体系兼顾人类生态宜居和焦点物种栖息生存两大服务功能需求，涵盖调节、支持、文化三大类服务，除包含面积规模、植被质量、生境质量、降温效果等物理特征和垂直过程外，还纳入了连接度重要性、公交可达性等能够反映备选源地在水平维度上对网络整体结构和功能重要性的指标。与前人在深圳、太原、厦门、徐州等城市采用的方法相比，本研究构建的指标体系更加强调源地社会-生态功能的复合，以及源地对整个生态网络结构和功能的影响，并有望更好地与城市绿地生态网络规划实践衔接[2，21-22]。

在指标权重确定方面，本研究采用SPCA法对每个指标的标准化分级栅格图进行线性变换而降维，从多个指标中提取不相关的综合指标，有效规避不同评价指标之间的相关性问题，并定量反映不同指标对生态源地重要性的影响[33]。这一方法避免了传统基于AHP或者专家经验确定指标权重时主观性较强的问题，在丹江口水库生态安全评价以及沛县北部生态安全格局构建等相关研究中均有应用[30，34]。整体来看，通过这一方法确定的闵行区备选源地生态服务功能的权重总和高于社会服务功能。其中生态服务功能中的连接度重要性和社会服务功能中的服务覆盖半径的权重等级分别最高，表明城市绿地对于城市居民休闲游憩活动的承载能力(即面积规模)和对于维持城市绿地生态网络连通性的作用(即位置重要性)分别是评价城市生态源地时最重要的社会和生态功能评价指标。

在闵行区筛选出的139个重要城市生态源地中，区域绿地数量最多、面积最大，主要包括郊野公园、生态公益林。在规划实践中，可以将周边连续成片、生态本底较好的林地、园地、农田、湿地等生态用地连同所识别的区域绿地合为一体，通过绿林农湿复合的方式进一步增强城市建成区外生态源地的总体规模和服务功能[35]。而在人口密度更大、用地强度更高的中心城区，大型公园绿地(如闵行体育公园和闵行文化公园)所发挥的社会-生态服务功能与城市居民的生态宜居需求高度契合[36]。另外，城市建成区部分连片分布、建设较早、养管较好的居住区和工业区附属绿地也是潜在的重要生态源地。已知研究较少将附属绿地识别为生态源地，并提出对其进行保护或者管控的建议。实际上，将较为重要且有实施条件的附属绿地开放共享，将为城市居民提供更多可进入、可休憩的绿色空间，增强这类绿地的社会服务功能价值[37]。

本研究建立的技术框架需要精细化、分类型的绿地矢量数据作为基础，因此在应用时对数据的可获取性和可靠性具有较高要求。同时，本研究并没有对五大类城市绿地进行进一步细分，在应用时可根据对象城市绿地的组成特点，对分类层级和计算参数进行灵活调整。另外，闵行区行政边界外的大型绿地对该区重要生态源地的识别也具有潜在影响[38]。因此，在有条件的情况下，可在行政边界之外设置缓冲区，将缓冲区内的城市绿地纳入重要生态源地的识别范围。最后，本研究提出的技术框架主要针对地势平坦、人口密集、用地紧缺的上海市及长三角其他同类城市，其他地区的城市也可参考。

注：文中图片均由作者绘制。

注释：

①来源：《上海市闵行区总体规划暨土地利用总体规划(2017—2035)》。

② 来源：根据上海2035规划，以600m缓冲区轨道交通覆盖率作为考量中心城公共交通服务水平的指标。

③来源：《上海市生态空间规划(2021—2035)》。