论文部分内容阅读
城市化使得人类比以往任何时候都依赖共享的人造设施和建筑。将道路、建筑物以及与人类经济活动紧密相关的城市设施(即城市构件)整合到城市生态系统研究，对于理解城市结构并促进城市的合理规划和管理至关重要。预计到2050年，世界人口的66%将生活在城市地区，特别是在亚洲和非洲，同时伴随着城市土地面积的过度扩张和对城市设施的大量需求。城市空间结构的研究旨在揭示城市结构的演化动因和内部机理，为预测未来城市空间扩展提供依据。关于城市构件空间分布及其影响因子的研究，要么侧重于极少数种类构件在城乡梯度上的数量分布，要么关注多种类型构件的总体数量规模与社会经济因素的相关性。然而，根据与人类社会经济活动相关的行业分类，目前研究涉及的城市构件种类仍然很少。对城市构件多样性格局的分析及其服务空间模式的探究的缺乏，可能会限制人类更好地规划城市结构的能力。已有研究指出城市系统在结构和功能上都与自然系统有很多相似之处。与城市系统相比，自然系统在生物群落结构方面的调查与分析方法已相当成熟。因此，借鉴经典生态学的研究方法应对城市发展观念的新变化值得尝试。通过对城市构件多样性评估、驱动力分析及其生态系统服务量化，来揭示城市的结构机制与服务供给模式，能够进一步推动城市生态学研究。
本研究以城市系统为研究样地，以城市构件为调查单元，根据已有产业分类标准，结合实地调查，对与社会经济活动相关的所有城市构件进行了分类。我们构建了包括240个基本分类的城市构件分类体系，并明确定义了城市构件个体、种类和功能群。我们将构件种类类比为生物群落的“物种”，用于研究城市构件的多样性格局。本研究：(1)以中国上海、杭州和西安为案例城市，利用群落生态学的巢式取样方法，在其城乡梯度上分别设置了9个、5个和5个面积为64km2的取样区域，在每个区域内设置了14个不同大小的巢式样方，以获取城市构件的种类-面积曲线(citycomponents-arearelationship，CAR，类似于species-arearelationship,SAR)；(2)以中国上海、广州、杭州和西安为案例城市，在其城乡梯度上以16km2为样方大小进行取样，采用生物群落的多样性指数(α多样性和β多样性)来评估城市构件种类多样性的空间格局，并分析社会经济因子对多样性分布的影响；(3)以中国8个不同经济水平的城市为案例，基于ArcGIS空间分析工具来探究城市构件六个功能群中主要代表构件的空间分布格局与影响因子；(4)以中国14个不同经济水平的城市为案例，基于千年生态系统服务评估框架价值化各类构件的单位面积服务，并图形化了城市构件服务强度的空间分布格局。
本研究的主要发现有：
(1)通过对上海、杭州和西安共407,652个构件个体的巢式取样与处理，发现三个城市的CAR具有相似的规律。随着取样面积的增加，城市构件种类数量先急剧增加，然后缓慢增加，最后趋于稳定。在上海、杭州和西安，当取样面积分别达到6.29km2[CI(95%):4.51-8.07]，5.52km2[CI(95%):3.20-7.84]和5.74km2[CI(95%):4.43-7.05]时，CAR曲线的增长出现强烈转折。因此，我们将这三个面积范围分别作为上海、杭州和西安城市构件调查最小取样面积范围的参考。对CAR的模型拟合结果为幂律最优，将每个案例城市的构件个体随机分配给每个巢式设置的面积尺度作为期望值时，城市构件的种类数量随着取样面积增加而变化的规律也符合最佳幂律拟合。在双对数空间中，CAR幂律拟合的斜率和截距与已有生物群落SAR的研究结果具有一定相似性。此外，城市构件在不同面积梯度上的丰度排序与草本植物的丰度排序结果也相似。这些结果表明了城市构件多样性分布与生物群落物种分布的相似性，也对经典生态学方法在城市结构研究中的应用提供了实证支撑。
(2)通过对上海、广州、杭州和西安共537,152个构件个体的取样与分析，我们发现城市构件的密度和种类多样性指数在城乡梯度上均呈单调下降。城市构件的密度在上海和西安随着距市中心距离的增大呈对数下降，在广州和杭州呈指数下降。城市构件的种类丰富度在上海、广州和西安随着距市中心距离的增大呈线性下降，在杭州呈对数下降。城市构件的Simpsons多样性指数(α多样性，表征种类丰富度和均匀度的综合指数)在上海、广州和西安随着距市中心距离的增大呈线性下降，在杭州没有明显的规律。案例城市中，样方间城市构件种类的Jaccard指数(β多样性，表征样方内构件种类的相似度)随着地理距离的增大均呈线性降低，表明了城市构件的种类相似度在空间格局上存在明显的地理距离依赖性，即部分种类城市构件在分布上可能有规模集聚。社会经济和环境因子对城市构件密度和多样性空间分布影响的逐步回归分析结果表明，城市构件在城乡梯度的分布主要受建筑密度和人口密度的影响，同时构件的密度分布还受到地价的影响。
(3)通过对中国8个不同经济水平城市中代表构件的空间格局分析，我们发现城市构件的数量在城乡梯度的分布主要有先增高后下降、单调下降和无明显变化规律几种模式。各类功能群构件在城市系统中的比例关系从高到低依次为：流通-运输者、生命维持者、次级生产者、调控者、初级生产者和分解者。初级生产功能群的设施农业，其密度随着距市中心距离的增加而增加，在城市建成区外1-2公里处达到峰值。次级生产功能群的养殖场，其数量在城乡梯度上并没有明显的变化规律；工厂在城乡梯度的分布呈先增加、后降低趋势。流通-运输功能群的购物店、餐饮店、加油站和车站，前两类在城乡梯度上的分布呈单调下降，而后两类主要呈分散分布。生命支持功能群的教育机构、医疗服务点、餐饮店和购物店的二维空间分布模式类似，在城乡梯度上均呈先增高，后降低的趋势。调控功能群的金融服务点和政府机关，其数量在城乡梯度上的分布与生命支持功能群的代表构件相似，但峰值的位置更靠近城市中心区。分解功能群的污水处理厂，其数量很少且分布较为分散。除数量较少的几类构件外，其他构件在规模较大的城市中其数量在城乡梯度上呈先增高，后降低的趋势，而在规模较小的城市中呈单调下降趋势。此外，我们发现各类城市构件的数量规模、高峰值分布区域与城市人口规模和经济水平呈显著正相关，部分种类城市构件的最高密度与城市建成区面积呈显著负相关。
(4)通过对中国14个不同经济水平城市中代表构件单位面积生态系统服务的评估，我们发现单位面积净服务从高到低依次为：金融服务、餐饮住宿、医疗服务、购物店、工厂、政府机构、污水处理厂、教育机构、休闲娱乐、交通运输、设施农业和养殖场。其中，养殖场具有较高的单位面积目的服务，但其伴随的环境影响较大，因此净服务远低于其他类型构件。通过对案例城市各类构件净服务的空间化，发现随着距市中心距离的增大，单位土地面积上城市构件的净服务均呈单调下降趋势，即城市中心区的服务强度高于城市边缘区。通过分析社会经济和环境因子与单位面积服务的相关性，结果表明，城市人口规模和经济水平与购物店和金融服务构件的服务有显著正相关。同时，城市年平均温度和降水量与餐饮、住宿、休闲娱乐、医疗和金融服务构件的单位面积服务也有正相关关系，表明了经济发展水平较高、交通便利且环境适宜的城市能够为居民提供强度更高的设施服务。
综上所述，本研究借鉴群落生态学的调查方法和多样性评估指标，来揭示城市构件多样性分布格局。城市构件种类-面积关系的拟合结果不仅验证了群落生态学方法在探索城市设施分布研究中的适用性，且为城市设施的合理规划和发展提供了数据支撑。此外，本文基于生态系统服务评估框架，定量评估了各类城市构件的单位面积服务，并分析了城市构件及其服务分布与社会经济和环境因子之间的相关性。本研究为人类深入了解和探究城市的结构和功能机制奠定了基础，并为推动城市生态学从内部生态学向整体生态学的发展提供科学依据。
本研究以城市系统为研究样地，以城市构件为调查单元，根据已有产业分类标准，结合实地调查，对与社会经济活动相关的所有城市构件进行了分类。我们构建了包括240个基本分类的城市构件分类体系，并明确定义了城市构件个体、种类和功能群。我们将构件种类类比为生物群落的“物种”，用于研究城市构件的多样性格局。本研究：(1)以中国上海、杭州和西安为案例城市，利用群落生态学的巢式取样方法，在其城乡梯度上分别设置了9个、5个和5个面积为64km2的取样区域，在每个区域内设置了14个不同大小的巢式样方，以获取城市构件的种类-面积曲线(citycomponents-arearelationship，CAR，类似于species-arearelationship,SAR)；(2)以中国上海、广州、杭州和西安为案例城市，在其城乡梯度上以16km2为样方大小进行取样，采用生物群落的多样性指数(α多样性和β多样性)来评估城市构件种类多样性的空间格局，并分析社会经济因子对多样性分布的影响；(3)以中国8个不同经济水平的城市为案例，基于ArcGIS空间分析工具来探究城市构件六个功能群中主要代表构件的空间分布格局与影响因子；(4)以中国14个不同经济水平的城市为案例，基于千年生态系统服务评估框架价值化各类构件的单位面积服务，并图形化了城市构件服务强度的空间分布格局。
本研究的主要发现有：
(1)通过对上海、杭州和西安共407,652个构件个体的巢式取样与处理，发现三个城市的CAR具有相似的规律。随着取样面积的增加，城市构件种类数量先急剧增加，然后缓慢增加，最后趋于稳定。在上海、杭州和西安，当取样面积分别达到6.29km2[CI(95%):4.51-8.07]，5.52km2[CI(95%):3.20-7.84]和5.74km2[CI(95%):4.43-7.05]时，CAR曲线的增长出现强烈转折。因此，我们将这三个面积范围分别作为上海、杭州和西安城市构件调查最小取样面积范围的参考。对CAR的模型拟合结果为幂律最优，将每个案例城市的构件个体随机分配给每个巢式设置的面积尺度作为期望值时，城市构件的种类数量随着取样面积增加而变化的规律也符合最佳幂律拟合。在双对数空间中，CAR幂律拟合的斜率和截距与已有生物群落SAR的研究结果具有一定相似性。此外，城市构件在不同面积梯度上的丰度排序与草本植物的丰度排序结果也相似。这些结果表明了城市构件多样性分布与生物群落物种分布的相似性，也对经典生态学方法在城市结构研究中的应用提供了实证支撑。
(2)通过对上海、广州、杭州和西安共537,152个构件个体的取样与分析，我们发现城市构件的密度和种类多样性指数在城乡梯度上均呈单调下降。城市构件的密度在上海和西安随着距市中心距离的增大呈对数下降，在广州和杭州呈指数下降。城市构件的种类丰富度在上海、广州和西安随着距市中心距离的增大呈线性下降，在杭州呈对数下降。城市构件的Simpsons多样性指数(α多样性，表征种类丰富度和均匀度的综合指数)在上海、广州和西安随着距市中心距离的增大呈线性下降，在杭州没有明显的规律。案例城市中，样方间城市构件种类的Jaccard指数(β多样性，表征样方内构件种类的相似度)随着地理距离的增大均呈线性降低，表明了城市构件的种类相似度在空间格局上存在明显的地理距离依赖性，即部分种类城市构件在分布上可能有规模集聚。社会经济和环境因子对城市构件密度和多样性空间分布影响的逐步回归分析结果表明，城市构件在城乡梯度的分布主要受建筑密度和人口密度的影响，同时构件的密度分布还受到地价的影响。
(3)通过对中国8个不同经济水平城市中代表构件的空间格局分析，我们发现城市构件的数量在城乡梯度的分布主要有先增高后下降、单调下降和无明显变化规律几种模式。各类功能群构件在城市系统中的比例关系从高到低依次为：流通-运输者、生命维持者、次级生产者、调控者、初级生产者和分解者。初级生产功能群的设施农业，其密度随着距市中心距离的增加而增加，在城市建成区外1-2公里处达到峰值。次级生产功能群的养殖场，其数量在城乡梯度上并没有明显的变化规律；工厂在城乡梯度的分布呈先增加、后降低趋势。流通-运输功能群的购物店、餐饮店、加油站和车站，前两类在城乡梯度上的分布呈单调下降，而后两类主要呈分散分布。生命支持功能群的教育机构、医疗服务点、餐饮店和购物店的二维空间分布模式类似，在城乡梯度上均呈先增高，后降低的趋势。调控功能群的金融服务点和政府机关，其数量在城乡梯度上的分布与生命支持功能群的代表构件相似，但峰值的位置更靠近城市中心区。分解功能群的污水处理厂，其数量很少且分布较为分散。除数量较少的几类构件外，其他构件在规模较大的城市中其数量在城乡梯度上呈先增高，后降低的趋势，而在规模较小的城市中呈单调下降趋势。此外，我们发现各类城市构件的数量规模、高峰值分布区域与城市人口规模和经济水平呈显著正相关，部分种类城市构件的最高密度与城市建成区面积呈显著负相关。
(4)通过对中国14个不同经济水平城市中代表构件单位面积生态系统服务的评估，我们发现单位面积净服务从高到低依次为：金融服务、餐饮住宿、医疗服务、购物店、工厂、政府机构、污水处理厂、教育机构、休闲娱乐、交通运输、设施农业和养殖场。其中，养殖场具有较高的单位面积目的服务，但其伴随的环境影响较大，因此净服务远低于其他类型构件。通过对案例城市各类构件净服务的空间化，发现随着距市中心距离的增大，单位土地面积上城市构件的净服务均呈单调下降趋势，即城市中心区的服务强度高于城市边缘区。通过分析社会经济和环境因子与单位面积服务的相关性，结果表明，城市人口规模和经济水平与购物店和金融服务构件的服务有显著正相关。同时，城市年平均温度和降水量与餐饮、住宿、休闲娱乐、医疗和金融服务构件的单位面积服务也有正相关关系，表明了经济发展水平较高、交通便利且环境适宜的城市能够为居民提供强度更高的设施服务。
综上所述，本研究借鉴群落生态学的调查方法和多样性评估指标，来揭示城市构件多样性分布格局。城市构件种类-面积关系的拟合结果不仅验证了群落生态学方法在探索城市设施分布研究中的适用性，且为城市设施的合理规划和发展提供了数据支撑。此外，本文基于生态系统服务评估框架，定量评估了各类城市构件的单位面积服务，并分析了城市构件及其服务分布与社会经济和环境因子之间的相关性。本研究为人类深入了解和探究城市的结构和功能机制奠定了基础，并为推动城市生态学从内部生态学向整体生态学的发展提供科学依据。