科学认识城市内部生态用地时空演变特征,对城市内部生态用地优化布局、提升城市居民生态福祉具有重要意义.以武汉市三环线内为研究区,借助 2000 年、2010 年和 2020 年 3 期高分辨率遥感影像提取城市内部主要用地类型,运用土地利用动态度、景观格局指数等方法从数量、空间及景观格局三方面分析城市内部生态用地演变特征.结果表明:(1)虽然 2000-2020 年间研究区生态用地总面积呈下降趋势,但主要表现为耕地面积减少,林地和草地面积显著增加;(2)生态用地减少区域位于三环线附近的新建成区内,生态用地增加区位于内部改造的已建成区内;(3)生态用地破碎度总体呈升高趋势,且空间差异显著,破碎度升高区域主要位于新建成区,城市内部已建成区近 10 年破碎度有所缓和.经济发展、人口增长和政府政策是影响生态用地形态变化的三个主要方面,研究结果有助于为城市内部生态用地的优化与管控提供科学依据.

垂直绿化已成为建设用地紧张、绿化空间缺乏的城市中心区提升生态效能、缓解人为活动负面影响的重要策略.本文在总结国内外垂直绿化建设影响因素的基础上,以南京市新街口地区为例,选择风环境、光照环境、建筑及周围环境作为影响研究区垂直绿化发展潜力的主要因子,基于地理信息系统(GIS)和计算流体动力学(CFD)对其进行单因子定量分析,并通过多因子加权叠置方法对研究区垂直绿化发展潜力进行综合评价.结果表明:研究区12 m以下建筑立面中,较为适宜进行垂直绿化建设的面积为17726 m2,占比为30.8％,为研究区总面积的17.3％;光照对垂直绿化适建性影响程度较大,而建筑及周围环境中的“灌溉”因子是影响垂直绿化建设的重要限制性因子;适于垂直绿化建设的建筑立面在空间上分布很不均衡,多集中于研究区内部和建筑南侧.研究结果可为研究区垂直绿化的规划和建设提供重要参考,也为其他城市高密度地区实现建筑立面的科学规划与有效利用提供了重要的方法借鉴.

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.

随着人口增长和经济快速发展,城市化已经成为人类社会发展的必然趋势.快速城市化必将导致生态用地流失、生态系统服务下降和环境健康风险加剧,由此影响到城市生态安全.尽管生态安全的概念已经为社会广泛接受,但对生态安全的内涵和如何构建生态安全格局仍然缺乏统一认识.在分析生态安全内涵、生态安全概念辨析和生态安全格局构建基本原则基础上,结合城市生态系统特点,提出了城市生态安全格局构建的目的、基本原则和基本框架.认为城市生态安全格局构建是一个涉及多尺度的区域性、综合性问题,除了要遵循生态安全格局构建的一般性原则外,还必须考虑以下原则:以人为本原则、流域适应原则、区域协调原则和有限目标原则.同时,需要重点关注宏观与微观尺度之间的关系协调、城市内部与外部之间的关系协调、理想与现实目标之间的权衡、人类生存需求与生态服务需求之间的权衡关系.通过城市生态安全格局构建,需要实现以下目标:控制城市化过程中出现的问题、维持城市地区正常的物质循环与代谢功能、维持城市生态系统健康运行与可持续发展、保证城市人居环境健康和居民的正常生活,以及满足现有城市居民可预见时期内生态服务需求.从景观、城市和区域三个尺度上,分析了城市生态安全格局构建需要面对的实体、解决的问题和实现的目标.

以河谷盆地发育的兰州市主城区为例,利用研究区1995 年、2005 年和2015 年3期的土地利用现状数据,分析建设用地扩张的时空特征并提取相应知识规则,集成Markov模型与CLUE-S 模型,模拟2025 年3 种不同情景下建设用地增长与空间布局,并通过景观学原理分析其景观生态格局响应特征.结果表明: 1995—2015 年,建设用地扩张以城区各组团的内部填充为主、外部扩展为辅,受地形与政策影响明显; 2015—2025 年,建设用地需求量仍持续增长,增长率基准情景＞综合发展情景＞生态保护情景,扩张范围主要在城关的黄河北部沿岸、安宁的城区北部和七里河的城区南部边缘; 基准与综合发展情景景观斑块形状简单、脆弱性加强、格局不稳定,生态保护情景下建设用地扩张速度得到有效控制,形成斑块组分合理、多样性好且分布均匀的景观格局.

天山北坡生态系统脆弱,易受干旱影响,全球变暖和不合理的人类活动加剧了干旱的影响,评估植被覆盖对干旱的响应,为改善生态环境和减轻干旱影响提供科学参考.基于MODIS-NDVI遥感数据以及气象数据,计算了2001-2015年天山北坡多尺度标准化降水蒸散发指数(SPEI)和植被覆盖度,总结出植被覆盖度与多尺度SPEI时空动态变化规律,从土地利用/土地覆盖(LUCC)的角度分析了植被覆盖度对气候干旱的响应.结果 表明:(1)天山北坡绝大部分区域呈湿润状态,中部(石河子、呼图壁)、西北部(克拉玛依市)呈轻度干旱.3个月、6个月、12个月时间尺度SPEI均表现出干旱化增强的年际变化趋势;(2)天山北坡植被覆盖度整体上属中低覆盖,总体呈南高北低,天山山区、城市绿洲内部高的分布特点.2001-2015年天山北坡植被覆盖度变化总体呈下降趋势;(3)年尺度天山北坡植被覆盖度与SPEI整体呈正相关关系.不同土地利用/土地覆盖的植被覆盖度与12个月时间尺度SPEI(SPEI 12)的相关性不同,大小依次为:草地＞未利用地＞城乡用地＞林地＞水域＞耕地;(4)季节尺度夏季和春季干旱对植被覆盖度的影响最明显,不同季节干旱对不同土地利用/土地覆盖植被覆盖度影响程度不同.

中国快速城市化进程的一个重要特征是以土地为载体,通过大量投入钢铁、水泥等建材大规模修建城市建筑和基础设施,创造出大量的城市生产和生活空间.利用1985-2010年中国省级行政单元城市建成区总面积、城市居住用地总面积、城市住宅总面积和城市住宅建筑材料总使用量等数据,识别城市扩张模式,揭示中国城市化进程中土地、建筑面积及其构筑材料三者间的关系.研究表明2000年是中国城市扩张的重要分界点,2000年之前中国各省份的城市建成区总面积、城市住宅总面积和城市住宅建筑材料总使用量均较小且省份间差异不大,2000年之后三者迅速增长且省份间差异逐渐扩大.在地区尺度上,三者均呈现东部地区最高、中部次之、西部最低的特点,地区内部差异则表现为东部地区最大、西部次之、中部最小的特征.大多数省份的城市住宅总面积及其构筑材料总量随着城市建成区的扩张而增长,表明城市在发展初期以扩大建成区和水平扩张为主.随着城市化水平的不断提高,城市内部空间重组和用地置换导致高层建筑逐步替代了原有的单层或低矮建筑,城市扩张的方向由依赖土地的水平扩张转向以大量使用建筑材料为基础的垂直扩张,使得许多省份的城市住宅总面积逐渐超过辖区内居住用地总面积.这种以建筑材料“创造”出更多“土地”的城市垂直扩张在满足人们对城市生产和生活空间需求的同时,有利于节约土地资源和保护生态空间,但需要以消耗更多的建筑材料并承担建筑材料在开采、制造、运输、使用和废弃过程中所造成的环境影响为代价.

在城市跨江发展背景下,江心洲成为滨水城市有机更新战略增长点,它作为城市与自然紧密相融的生态区域,是保障沿江生态安全的重要屏障.以典型区域马鞍山江心洲为例,依据其生态数据,从地形、水体、植被、人类活动4个方面选取高程、坡度、坡向、水域缓冲、植被覆盖度、土地利用类型及道路缓冲7个因子构建江心洲生态敏感性评价指标体系.在常用主观赋权法与客观赋权法比较后,选取变异系数法结合层次分析法共同确定各指标因子的权重,可以较为全面地反映评价指标的相对重要程度,使基于ArcGIS空间分析的江心洲生态敏感性划分更科学.研究结果表明(1)江心洲生态敏感性总体较高,其中坡度数据在研究区敏感性分布中不稳定,变异系数达0.9402,异质性程度较高,对于内部生态结构的影响更大,因此对坡度变化明显的地区应加强生态保护和修复;(2)基于变异系数法的主客观综合赋权后各因子权重的重要性排序为植被覆盖度、水域缓冲区、土地利用类型、坡度、高程、坡向、道路缓冲区,因子排序所表征出的环境问题与现状契合;(3)在此分析基础上,将研究区域划分为5个级别:生态高敏感区、生态较高敏感区、生态中敏感区、较低敏感区以及生态不敏感区,并对不同的生态敏感性区域提出了相应的环境保护与规划用地策略,以促进马鞍山江心洲生态保护和有机更新.

由于人口数量的增长和日益频繁的人类活动促进了城市扩张,自然生态系统面积逐渐缩小,一些自然保护区内部生态环境和物种栖息地随之受到影响.因此以辽宁蛇岛老铁山国家级自然保护区中的老铁山自然保护区为研究区,以1997年、2007年和2017年该地区的遥感影像为数据源,解译出15种景观类型,分析景观格局变化趋势.再选取3个景观指数作为衡量人类干扰强度的指标,生成人类干扰强度空间分布图.InVEST模型由美国自然资本项目组开发,能够定量分析生态系统服务功能,因此采用InVEST模型计算生境质量,并探讨该地区20年来人类干扰强度与生境质量的时空变化,并分析二者的相关性.结果 表明:(1) 1997-2017年,老铁山自然保护区建筑用地、园地面积增加最多,林地、草地略有减少;耕地向园地的转移面积最大.(2) 1997-2017年,研究区内试验区和缓冲区人类干扰强度逐年增强,而核心区部分呈现先减弱再增强的趋势,保护区整体呈现出干扰逐渐增强的趋势.(3)1997-2017年该地区的生境质量整体呈现逐渐下降的趋势,生境质量时空变化的热点集中在研究区核心区的周边地带.(4)生境质量与代表人类干扰强度的景观指数呈现出较强的负相关.

研究沿用不可转移生态足迹反映旅游城镇化地区所承受的生态压力,利用偏最小二乘法构建足迹与驱动因子之间的回归模型,并通过构建驱动指数模型,比较各驱动因素对不可转移生态足迹变化的贡献.以张家界为案例地,研究旅游城镇化各阶段足迹演变及驱动规律.研究结果显示:(1)旅游城镇化地区不可转移生态足迹、人均不可转移生态足迹总体上呈现出平缓增长的动态变化,发展能力具有不稳定性.对外开放程度的提高,并不能抑制足迹的增长.在不控制生产总量的情况下,资源生产效率的提高会带来更多的不可转移足迹.(2)各因素对人均不可转移生态足迹影响的弹性系数由大到小分别为城镇居民人均可支配收入、第二产业增加值、城镇化率、第三产业增加值、资源生产效率、城市建设用地、第一产业增加值、旅游人口密度.产业内部结构会影响产业增加值对人均不可转移足迹的弹性系数.(3)旅游城镇化初级阶段,不可转移生态足迹增加,最主要的驱动因素是第二产业增加值、旅游人口密度、第三产业增加值;旅游城镇化高级阶段,不可转移生态足迹增加,最主要的驱动因素是第三产业增加值、第二产业增加值、第一产业增加值.建议如下:在旅游城镇发展的初级阶段,合理推进城镇化进程,控制旅游规模,提高第二产业、第三产业生产效率,改变高能耗结构,培养居民、旅游者生态意识;在旅游城镇发展的高级阶段,调整第一产业和第三产业内部结构,提高第二产业效率,培育以旅游引导的技术密集型业态,提高第三产业比重和质量,通过贸易实现生物生产性足迹输出,有效控制不可转移生态足迹的增长,显著提高旅游城镇化地区发展能力.