长三角城市空间增长模式的生态影响与优化：基于植被生物量的研究

In the context of global environmental change and urbanization, research of urban spatial structure has been extended to involve contents of sustainability. The Yangtze River Delta region is the most intensive region in population and total economy in China. Conflict between development and environment protection is sharp. With cases of YRD cities this proposal will investigate ecological effects of urban growth and explore the sustainable urban growth pattern. The methodology of in situ observation, remote sensing, spatial analysis and mathematical statistical methods will be integrated and adopted in the research. At the aspect of urban growth pattern, the key processes of urban expansion in the past 30 years will be reconstructed for about 50 cities with the remote sensing and GIS technologies, to identify and measure the major urban growth models. Also we will select 10 to 12 blocks from the cities to measure their land use pattern. At the aspect of ecological effects, vegetation biomass is selected as the key indicator based on references. Its spatial heterogeneity in the YRD and variation in the 30 years will be studied with the method of combining remote sensing survey and field observations. With the cases of cities and blocks we will discuss the biomass response to urban growth pattern, analyze the quantitative relationships between urban morphology and structure index and the vegetation biomass, demonstrate the controllable variables of urban growth patterns in relation with ecological effects, and demonstrate the optimized urban growth pattern aiming at dynamic equilibrium of regional biomass, in order to provide the scientific basis for urban planning and urban land management policy-making. The research result should facilitate clarifying the ecological significance of urban growth pattern, enriching and improving the urban space theory.

长江三角洲是中国人口和经济总量最大的城镇密集区，生态适宜的城市增长模式研究具有典型意义。本申请项目立足城市-生态交叉研究前沿，在城市空间增长模式方面，通过重建长三角50余城市近30年空间增长过程，研究城市尺度上的扩展形态与类型，通过观测10-12个新扩展区，研究街区尺度上的用地模式；在生态影响方面，基于植被生物量在生态系统功能中的关键作用，通过长三角地区原位观测数据，以生物量为指示指标，定量分析植被与城市空间增长的相互作用与关联机制，综合运用空间统计、预案设计和情景分析手段，提出低生态影响的城市空间模式和优化途径。主要研究内容包括：长三角地区城市空间增长模式识别；长三角地区植被生物量及对城市增长的响应；城市扩展类型的植被生物量损失评估；城市用地模式与生物量的关联机制；典型城市空间增长模式优化与调控。本项目探索城市空间模式的生态表达，可丰富城市空间理论，并指导可持续城市空间规划实践。

在全球性城市扩张背景下，形态格局优化是城市可持续性研究的重要内容。城市地区的植被生物量作为综合表征多个环境目标的参量，在城市扩张的土地覆被变化过程中与城市形态格局产生内在联系。本项目以中国人口和经济总量最大的城镇密集区——长江三角洲城市为研究区，目的是：通过建立城市和街区尺度上空间增长模式与生物量间定量关系，探索城市增长模式的生态表达途径和方法，研究低生态影响的城市增长空间优化策略。研究内容包括：长三角地区城市空间增长模式识别；长三角地区植被生物量及对城市增长的响应；城市形态、扩展类型及用地模式与生物量的关联机制；城市空间增长模式优化与调控途径。采用的主要研究方法有：基于土地利用数据重建长三角50余城市近30年空间增长过程，基于多源数据和CASA生态模型估算250*250米格网上的区域植被生物量，基于OLS、GWR、逻辑回归等统计模型构建城市形态、增长模式与植被生物量间定量关系，基于南京与宁波的两个典型街区剖析城市内部形态与绿地分布的耦合关系。研究发现：①与经历了近200年城市化过程的欧美发达国家城市相比，中国城市“年轻”而扩展迅速，长三角城市以单中心、紧凑、快速扩展为主导模式，同时发现城市范围内26%面积出现植被退化，高于区域22%的平均水平；②基于景观指数、形状和密度指数划分的5类城市形态中，普遍离散形态的城市扩展造成的植被生物量密度损失（MBDLI）均值最大，而中心组团MBDLI均值最小，而且扩展斑块的相对位置也会影响单位生态成本；③以单位生态成本最小化为目标，长三角城市空间增长区位选择以太湖碟沿高地优先，形态选择以中心组团优选，扩展模式以飞地式优先；④案例新城区地块建筑密度（GSI）在0.10-0.40之间，容积率（FSI）在0.2-2.5之间，存在密实化需求，但应降低开发可能造成的植被生物量损失。综上，本研究揭示了城市空间形态与植被生物量损失的定量关系，并提出城市空间形态和扩展模式优化建议，对于城市形态与植被变化的动态机制有待进一步深化研究。