城市边缘区空间特征及生态导向下的规划路径
——以石家庄市栾城区北部片区为例
吴文佳，李伟，张含
摘要：城市边缘区是城市与乡村的过渡地带，是快速城镇化过程与自然生态载体之间矛盾最突出的区域，其合理规划关乎整个城市系统的健康可持续发展。本文以石家庄中心城区与栾城区城区之间的城市边缘区——石家庄市栾城区北部片区为例，基于1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015七期Landsat遥感影像数据，研判其生态格局和时空动态。结果表明，城市边缘区具有以下空间特征：（1）位于生态交错带，生态环境敏感脆弱；（2）地处城镇化前沿地带，建设用地蔓延增长；（3）景观格局比中心城区更加破碎、复杂。针对上述特征，本文提出了生态视角下的城市边缘区规划策略：（1）基于生态敏感性评价，划定分级分类管控区；（2）基于斑块廊道分析，构建综合生态安全格局；（3）基于多维生态工程，提质强化重点生态要素。本文旨在通过栾城区北部片区的实例研究，探索适合城市边缘区的规划路径，为我国快速城镇化背景下城市边缘区的生态保护和科学发展提供理论和实践依据。
关键词：城市边缘区，空间特征，生态敏感性，生态功能分区，增长边界，生态安全格局，生态工程
1 引言
城市边缘区这一概念最早由德国地理学家赫伯特·路易斯（H.Louis）于1936年由提出[1]，此后，国内外学者对其给出了不同的阐释；现在一般指城市核心建成区外围正在进行城市化的城乡交错带[2]。如果把城市系统比作细胞，那么城市边缘区正如保护支撑整个细胞的细胞壁，为中心城区提供重要的生态功能、充足的后备土地以及源源不断的物资能源，是城市的生态屏障和腹地空间[3, 4]。同时，城市边缘区也是城乡要素相互渗透的过渡地带，是城乡建设变迁最剧烈、人类活动最活跃、规划管理最薄弱、生态环境最敏感的区域[5, 6]。在快速城镇化进程的冲击下，城市边缘区生态环境问题日益加剧，可持续发展面临多重挑战[7]。 国内关于城市边缘区的研究始于20世纪80年代，初期主要关注其土地利用特征[8]、社会经济特征[9]、空间结构与形态[10, 11]等，理论和实践上均取得了较大进展。当前，我国城镇化进入由提速到提质的转型发展期，新型城镇化的关键在于突破城乡二元结构、创造互动融合的新型城乡关系，而城市边缘区的规划与建设对于推进城乡统筹具有举足轻重的意义。
2013年末中央城镇化工作会议将城市边缘区绿色空间的保护与建设列为新型城镇化的主要任务之一；2015年中央城市工作会议提出“城市发展要统筹生产、生活、生态三大布局”“要控制城市开发强度”。推进城市边缘区的规划转型显得刻不容缓。近年来，对于城市边缘区规划的研究逐渐增多[12-15]，但长期城乡二元结构导致的空间规划割裂现象仍然存在，城市边缘区往往被分属城市规划和村镇规划范畴，成为规划的“盲区”，难以实现统筹建设和管理
[16]；尤其是生态理念在城市边缘区规划中的应用远远滞后于中心城区，极大破坏了生态空间的连续性和城乡空间的协调性。因此，本文试图在城市边缘区的空间特征研判与规划策略应对方面取得突破，以面临多重机遇、城乡建设迫切需要统筹融合的石家庄栾城区北部片区为例，以生态视角为切入点，利用遥感影像数据研判其35年来的空间格局与动态特征，在此基础上提出生态导向下的规划策略，构建可供推广的城市边缘区规划路径。
2 研究区及数据
2.1 研究区概况
研究区地处河北省省会石家庄市栾城区的北部，北临石家庄市区、南接栾城城区，是栾城对接石家庄中心城区的门户，也是双城之间典型的城市边缘区（图1a、b）。一方面，该地区是石家庄市区和栾城城区多重城市建设意图的叠加区，京津冀协同发展战略的推进以及石家庄装备制造基地、航空小镇等的建设为其带来前所未有的发展机遇；另一方面，该地区也是2016年河北省重点打造的12个省级美丽乡村精品片区之一，伴随着快速城镇化进程，该地区成为维护城乡生态安全和保障区域可持续发展的重要地带。
研究区跨楼底镇、冶河镇、窦妪镇、栾城镇和柳林屯乡5个乡镇（图1c），2015年现状户籍总人口约为7.8万人，总面积74.8 km2。地处华北平原，地势由西北向东南略有倾斜，地面高程为45-66 m。植被以人工林、灌丛林、农田林网、果园为主，植物群落较单一。洨河为研究区内唯一的水体，也是沟通石家庄市区和栾城城区的重要水源。
图1 研究区区位示意图
（a. 研究区在京津冀城市群中的区位；b. 研究区在石家庄的区位；c. 研究区在栾城区的区位）
2.2 数据来源及预处理
本文所用数据包括行政区划矢量数据、Aster GDEM高程数据、土地利用分布现状数据以及1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015七期Landsat MSS/TM/ETM+遥感影像数据（表1）。
表1 本文主要数据及其来源
数据
行政区划矢量数据
Aster GDEM高程数据
土地利用分布现状数据
Landsat MSS/TM/ETM+影像 空间分辨率 -- 30m -- 30m 来源 国家基础地理信息中心（http://data.sbsm.gov.cn/） 中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站（//m.kkreddy.com） 栾城区提供 美国地质调查局地球资源观测系统数据中心网站
（http://glovis.usgs.gov/）
遥感影像预处理和土地分类在ERDAS IMAGINE 9.2、ArcGIS 10.0和Google Earth Pro软件平台上进行。预处理包括几何校正、投影变换、影像拼接和裁剪、影像增强等步骤；对预处理后的影像采用最大似然分类法进行监督分类，结合研究需要划分为建设用地和非建设用地两类。参照Google Earth Pro提供的高分辨率影像和航片对分类结果进行精度评价，解译精度达到0.8以上，满足用地监测的要求。
3 城市边缘区空间特征分析
3.1 生态交错带，生态环境脆弱
研究区位于燕山-太行山山地落叶阔叶林生态区和华北平原农业生态区两大生态区交错地带（图2a）[17]，在边缘效应的作用下，表现出环境因子梯度显著、群落结构异质性强、生态环境极其敏感脆弱等生态特征，人类活动干扰或环境变化极易给生态系统带来不可逆的冲击破坏，在规划中应当引起重视。
从京津冀区域视角来看，该片区属于较重要的生态区，主导生态功能包括水源保护与水源涵养、水土保持、防风固沙、农业生产与农业面源污染控制等，在整个区域中具有中高等级的生态地位（图2b-d）。
图2 研究区在京津冀区域中的生态区位及主导生态功能
（a. 生态功能区划；b. 水源涵养功能重要性；c. 水土保持功能重要性；d. 防风固沙功能重要性）
3.2 城镇化前沿，空间低效蔓延
遥感影像解译结果表明，改革开放以来，研究区的建设用地发生了迅速扩展，从1980年的8.4km2增加到2015年的20.4km2，扩大了1.4倍，年均增长率2.6%；建设用地占研究区总面积的比例从11.2%增加到27.3%（图3）。石家庄市区和栾城城区双城的快速城镇化不断挤压研究区的生态空间，使得生态用地被大量侵蚀。尤其是2005年以来，石家庄装备制造基地的建设占用了大量耕地，并导致污染由中心城区向边缘区蔓延。
图3 1980-2015年研究区建设用地扩展动态
引入建设用地增长类型指数（Growth Type Index，GTI，式1），根据新增建设用地斑块与原有建设用地斑块的位置关系，将建设用地增长划分为内填式（infilling）、外延式（edge-expansion）、蛙跳式（leapfrogging）三种类型（图4）。内填式增长一般发生在原有建设用地内部，是原有建设用地斑块包围的非建设用地向建设用地的转变；外延式增长主要发生在原有建设用地边缘，是原有建设用地斑块向外的蔓延；蛙跳式增长表现为新增建设用地斑块在空间上与原有建设用地斑块无直接相邻关系。
GTI?L/P （1）
式中，L为某一新增建设用地斑块与原有建设用地斑块的共同边长，P为该新增斑块的周长。当GTI=0时，为蛙跳式增长；当0<GTI≤0.5时，为外延式增长；当GTI>0.5时，为内填式增长。
图4 三种建设用地增长类型示意图
分析结果如图5，各时段研究区内外延式增长和蛙跳式增长所占比例均达60%以上，最高为79%；而石家庄市域则以内填式增长为主，各时段内填式增长所占比例达50%以上。由此可见，石家庄整体建设用地增长较紧凑，而位于城市边缘区的研究区则主要为蔓延型增长，土地利用低效，缺乏理性的空间约束。
图5 1980-2015年各时段研究区及石家庄建设用地增长类型比例
（a.研究区；b.石家庄）
3.3 城郊接合部，景观格局破碎
根据文献研究结果[18, 19]，结合本文需要，在FRAGSTATS3.3平台计算斑块密度（Patch Density，PD）和景观形状指数（Landscape Shape Index，LSI）两个景观指数（表2），分别表征建设用地斑块的分布密度和形状特征（图6）。
表2 本文所用景观指数列表
类型
密度指标
形状指标 指标名称 斑块密度 景观形状指数 计算公式 PD =NP/A 说明 景观中某类景观要素的单位面积斑块数。 E为该类景观的斑块总周长，A为该类景观的斑
LSI?0.25E/A 块总面积。LSI≥1，反映斑块形状的复杂程度。
1980-2015年，研究区内建设用地的斑块密度和斑块形状指数均不断上升，即景观格局趋于破碎化、复杂化、多样化。而石家庄整体建设用地斑块密度和斑块形状指数则呈先增后减再增的趋势，研究区的建设用地斑块密度和斑块形状指数自2000年开始超越石家庄整体水平，此后差距进一步扩大。由此可见，在快速城镇化进程下，该地区生境斑块不断被侵占和蚕食，生态空间被割裂，连通性日益下降，生态安全受到威胁。
图6 1980-2015年研究区及石家庄景观指数变化
（a.斑块密度指数；b.斑块形状指数）
4 生态导向下的规划路径
城市边缘区在生态空间上比中心城区更加脆弱、蔓延、破碎，因而在规划中必须主动规避以城市为主导辐射乡村的被动城市化模式，转变传统城市规划以中心城区为主体、以发展建设为目标的思路，加强对自然生态系统完整性和连续性的统筹考虑，强调对各类环境约束条件的积极响应。
本文建立由分级分类管控引导、生态安全格局构建、生态要素强化工程三个方面构成的系统性框架（图7）。首先，基于生态敏感性评价提取出生态敏感区，明确受到人为破坏短时间难以恢复的区域；在此基础上进行生态功能分区，提升规划策略的针对性[21]；并划定建设用地增长边界，从根本上抑制建设用地的无序蔓延，防止和控制不合理的开发建设活动对生态系统功能和结构造成破坏[22]。其次，提取出能够为区域生物多样性提供空间保障的大型生态斑块，作为维护区域生态安全的重要源地；通过发展生态廊道、构建生态网络来维持和增加生态斑块之间的连通性，解决城市边缘区景观格局破碎度高的问题；并综合生态斑块和各类生态廊道，构建综合生态安全格局。最后，针对规划区的自然条件，对需要提升强化的生态要素开展相应的生态工程，巩固提升生态系统功能。
图7 生态导向下的城市边缘区规划路径
5 栾城区北部片区规划实践
5.1 基于生态敏感性评价划定分级分类管控区 5.1.1 生态敏感性评价
选取海拔、坡度、农田、植被、水体五类因子，在ArcGIS10.0平台进行生态敏感性评价，划分非敏感性、低敏感性、中敏感性、高敏感性、极高敏感性五级（图8），叠加得到生态敏感性综合评价结果（图9）。
表2 生态敏感因子分级赋值
图8 生态敏感性单因子评价结果
图9 生态敏感性综合评价结果
从综合评价结果来看，洨河及其沿岸缓冲区生态敏感性最高，该地区对于石家庄市区和栾城城区具有重要的水源涵养功能，需要加强保护，原则上禁止一切建设活动。生态高敏感区和生态中敏感区为连片农田、植被覆盖度较高的林地区域，具有水土保持、生物多样性保护等功能，对城区起到了生态屏障的作用，应以保护为主，允许适当少量的开发建设活动。生态低敏感区和极低敏感区需要结合资源环境条件进行适宜强度的开发，同时注重生态功能
提升。
5.1.2 生态功能分区
基于生态敏感性评价结果将研究区划分四类区域（图10）：（1）湿地生态修复区，生态地位极其重要，须执行最严格的保护和修复措施，遏制生态系统退化趋势；（2）农业生态维护区，优先保护耕地土壤环境，严控农业面源污染，引导和鼓励发展生态农业；（3）植被生态保育区，重点保护好林地资源和生物多样性，恢复乔灌植被，提升水土保持功能；（4）聚居生态提升区，严控工业生产对周边生态环境的影响，优化发展格局，改善人居环境。
图10 生态功能分区示意图
5.1.3 划定增长边界
在生态敏感性评价的基础上，采用k-means聚类法提取出适宜建设区，与城乡规划、土地利用总体规划、生态保护专项规划等相衔接，充分考虑工业外迁、人口迁移等因素，综合划定建设用地增长边界（图11）。划定的增长边界以外为生态预留用地，原则上不宜进行建设，须加强生态管控。
图11 建设用地增长边界
5.2 基于斑块廊道分析构建综合生态安全格局 5.2.1 识别生态斑块
根据研究区的自然生态特点，将研究区内的洨河湿地斑块、大型农田斑块、大型植被斑块确定为生态源地（图9a）。
5.2.2 明确生态廊道
首先在ArcGIS10.0平台计算研究区景观阻力的空间分布，即物种在不同景观单元之间迁移的难易程度（表3），再用最短路径计算方法得到潜在生态廊道（图12a）。
表3 景观阻力赋值
此外，根据水体、道路、市政基础设施的分布情况，分别明确滨水绿化廊道（图12b）、道路防护廊道（图12c）、市政设施防护廊道（图12d）。滨水绿化廊道设置为洨河两侧各150米，打造堤岸滨水景观林带；道路防护廊道设置为铁路、高速公路两侧各50米，主要公路两侧25米；市政设施防护廊道设置为110kV、220kV高压线两侧各30米，500kV高压线两侧各50米，南水北调输水管线两侧各50米。
5.2.3 构建综合生态安全格局
综合生态斑块和各类生态廊道，确定“三廊拥碧源，六脉贯绿栾，水林镶田网，纵横双屏障”的生态安全格局（图13）。“一源区”即洨河湿地核心区，具有水源涵养、水土保持等生态功能，是片区的生态源地。“三绿廊”分别为洨河湿地生态绿廊、新元高速生态绿廊、衡井线生态绿廊，交叉环绕生态源区，形成牵引片区的主要生态通廊。“六绿脉”为四纵两横主要交通干线的防护绿带，形成贯通整个片区的绿色动脉。通过构建生态安全格局，形成双城之间的“绿肺”生态屏障。
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图12 生态廊道规划图
（a. 潜在生态廊道；b. 滨水绿化廊道；c. 道路防护廊道；d. 市政设施防护廊道）
图13 生态安全格局规划图
5.3 基于多维生态工程提质强化重点生态要素
5.3.1 蓝线修复工程
对洨河及其沿岸采取蓝线修复工程，包括水生态修复工程和湿地保育工程两类。
（1）水生态修复工程
对研究区内水体综合采取河道疏浚、水系沟通、清障工程、岸坡整治、堤防加固等措施修复河流生态。对河岸采取生态护坡方式整治，尽可能用自然材料处理驳岸。将洨河水体分为排洪灌溉型和景观游憩型两类（图14）。排洪灌溉型水体以引水、灌溉功能为主，景观游憩、排涝功能为辅。对于已被人工化的河道，应采取生态化工程措施退耕还湿，恢复自然河道；禁止任何有水源污染风险的活动。景观游憩型水体以景观游憩功能为主，蓄水功能为辅。可增加游憩功能，建设湿地公园等。
（2）湿地保育工程
洨河两岸各150米缓冲区划定为湿地保护区（图14），对自然湿地生态资源进行保育，对部分人为干扰过多的湿地环境进行适当的生态修复，使其保持和恢复健康、完整的生态过程。营造湿地植物生境，减少河水富氧化。
图14 水体功能分类
5.3.2 绿线增量工程
通过采取绿线增量工程提升研究区的绿化覆盖率，主要包括景观林带建设工程和农田林网建设工程。
（1）景观林带建设工程
点、线、环、面结合，乔、灌、草合理搭配，绿化与美化相结合，造、管、护并重，生态林、经济林、用材林协调发展，综合提升整体绿化覆盖率和生态环境质量。重点进行河道沿岸的景观林带建设，选择生态效益明显、护岸效果突出的树种，构建多树种、多层次、多效益的生态绿化格局。
（2）农田林网建设工程
通过农田林网建设，达到改善农田小气候，改良土壤，提高肥力，减轻干热风和倒春寒、
霜冻、沙尘暴等灾害性气候危害，减少水土流失。规划农田林网由纵横交错的林带组成，主林带应垂直于主害风方向，副林带垂直主林带。主林带宽4-5米，间距200米；副带距宽2-3米，间距400米（图15）。不同类型作物之间宜由林带间隔。
图15 农田林网建设工程示意图
6 结论
针对城市边缘区的空间特征，将生态理念融入规划策略，可以为区域高效、协调、可持续发展提供基础性的生态保障。
（1）城市边缘区是不同生境相互过渡的生态交错带，生态环境敏感脆弱。通过生态修复、生态要素增量等有针对性的生
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