基于GIS技術(shù)的合肥城市公園森林生態(tài)效益比較

張 磊，李亞亮

(淮南師范學(xué)院，安徽淮南 232001)

基于GIS技術(shù)的合肥城市公園森林生態(tài)效益比較

張 磊，李亞亮

(淮南師范學(xué)院，安徽淮南 232001)

運(yùn)用GIS技術(shù)，對(duì)安徽省合肥市城市公園森林生態(tài)效益進(jìn)行分析，探討CITYgreen模型應(yīng)用在國(guó)內(nèi)森林生態(tài)效益研究方面的技術(shù)與方法。結(jié)果表明：逍遙津公園和杏花公園的城市森林分別占整個(gè)公園景觀構(gòu)成的52.62%和13.00%，表明逍遙津公園公園內(nèi)森林景觀所占比重較大，公園內(nèi)以高大喬木為主要植物景觀，而杏花公園內(nèi)以草坪種植為主，森林覆蓋率較低；逍遙津公園與杏花公園的森林所產(chǎn)生的綜合生態(tài)效益分別為515.03萬和135.43萬元，單位面積生態(tài)效益分別為14.40萬和4.74萬元/hm2，表明逍遙津公園在城市中發(fā)揮的生態(tài)效益最高。

GIS；CITYgreen模型；城市森林；生態(tài)效益

CITYgreen 模型是基于GIS 系統(tǒng)的程序軟件,是在美國(guó)ESRI公司開發(fā)的ARC/View軟件上運(yùn)行的一個(gè)附加模塊,應(yīng)用于土地利用規(guī)劃,為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提供復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)分析、地圖和報(bào)告。美國(guó)AMERICAN FORESTS開發(fā)CITYgreen軟件的目的是為了便于社區(qū)的規(guī)劃和管理[1-2]。目前在美國(guó)有200 多座城市利用CITYgreen軟件來制定環(huán)境控制規(guī)劃、土地利用政策以及確定重造林區(qū)。隨著衛(wèi)星影像的廣泛應(yīng)用于林業(yè)監(jiān)測(cè)，美國(guó)林業(yè)署建立了其12個(gè)州森林動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，可以分析1972年以來的森林變化情況，在此基礎(chǔ)上，CITYgreen被廣泛應(yīng)用于研究區(qū)的森林生態(tài)效益的分析。近些年，隨著多光譜、高分率影像的應(yīng)用，CITYgreen的生態(tài)分析功能大大增強(qiáng)，可以進(jìn)行覆蓋縣域、市域甚至到整個(gè)區(qū)域的生態(tài)效益分析[3]。

國(guó)內(nèi)已經(jīng)有學(xué)者開始應(yīng)用CITYgreen軟件進(jìn)行相關(guān)研究,如胡志斌等[4]、朱文泉等[5]也曾應(yīng)用CITYgreen3.0模型評(píng)價(jià)了沈陽的城市森林生態(tài)效益。張侃等應(yīng)用CITYgreen5.0模型分析評(píng)價(jià)了杭州市綠地生態(tài)服務(wù)價(jià)值[6]。

筆者選擇安徽省合肥市逍遙津公園、杏花公園為研究對(duì)象，應(yīng)用CITYgreen軟件在城市公園尺度上進(jìn)行森林生態(tài)效益的比較研究, 目的在于分析合肥城市不同公園森林生態(tài)效益的特點(diǎn)，進(jìn)而為城市森林的規(guī)劃和建設(shè)提供相關(guān)理論依據(jù)及指導(dǎo)，同時(shí)探討CITYgreen模型比較研究城市森林生態(tài)效益的可能性及方法，為我國(guó)的城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理提供輔助決策的理論與方法。

1 研究區(qū)概況

選擇安徽省合肥市2個(gè)公園作為比較研究對(duì)象。合肥市位于長(zhǎng)江以北，江淮丘陵腹地，瀕臨巢湖；同一城市內(nèi)不同公園城市環(huán)境條件差異小,可比較性較強(qiáng)。

合肥市是安徽省會(huì)，地處江淮丘陵，地理位置為117°11′～117°22′ E、31°48′～31°58′N。至2007年底，市區(qū)人口155.8萬，面積596 km2，是首批國(guó)家級(jí)園林城市，綠化覆蓋率39.5%，人均公共綠地面積10.15 m2。研究區(qū)逍遙津公園和杏花公園，面積分別為35.75和28.55 hm2。

合肥市屬北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,氣候溫和,四季分明,雨量適中。年平均氣溫15.7 ℃,7月份平均氣溫28.5 ℃, 1月份氣溫-2 ℃,年降水量981.4 mm,集中在6～8月,無霜期230 d。地帶性土壤為粘盤黃棕壤,土層較厚，質(zhì)地粘重,pH為6.5～7.3。植被屬北亞熱帶常綠、落葉闊葉混交林地帶的江淮丘陵植被區(qū)，地帶性植被為落葉與常綠闊葉混交林，市域內(nèi)原生自然植被已不復(fù)存在，主要是次生和人工植被。主要樹種有馬尾松(Pinusmassoniana)、 黃檀(Delbergiahupeana)、麻櫟(Quercusacutissima)、楓香(Liquidemberformosana)、山槐木(MaackiaamurensisRupretMaxim)、樸(Celtissincensis)、榔榆(Ulmusparvifolia)、白榆等。

2 研究方法與步驟

2.1 CITYgreen模型、數(shù)據(jù)來源與配準(zhǔn)采用美國(guó)陸地資源衛(wèi)星(Landsat衛(wèi)星)TM數(shù)據(jù)，其覆蓋面積為185×185 km2，數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間是2009年5月3日。采用的TM數(shù)據(jù)波段為3、4、5波段假彩色合成圖像，3波段波長(zhǎng)為0.63～0.96 um的紅色波段，4波段即波長(zhǎng)為0.76～0.90 um的近紅外波段，5波段即波長(zhǎng)為1.55～1.75 um的中紅外波段。3、4、5波段的瞬時(shí)視場(chǎng)為30 m。植被是遙感圖像反映最直接的信息，綠色植被通常在近紅外波段(TM的第4波段)具有高反射值，而在TM的第3波段具有低反射值，是植被強(qiáng)烈的吸收帶。TM的第5波段對(duì)植被中水的含量很敏感，可反映植物生長(zhǎng)狀況。因此，為了突出植被，降低其他要素對(duì)植被的影響，該研究采用LandsatTM的3、4、5波段假彩色合成圖像，可以很好地反映植被狀況。

衛(wèi)片獲取后，以遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，使用ERDAS IMAGINE對(duì)遙感圖像進(jìn)行前期處理，通過標(biāo)準(zhǔn)地形圖選取控制點(diǎn)對(duì)遙感圖像幾何校正，再進(jìn)行圖幅拼接與裁剪，最后完成地理配準(zhǔn)。

2.2 景觀構(gòu)成分類景觀類型的劃分以我國(guó)土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)為依據(jù)，根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn)，采用城市森林的結(jié)構(gòu)研究模式，將城市公園的景觀類型劃分為：建筑等硬鋪裝地面、水面、城市森林(樹冠覆蓋率30%以上)、一般綠地(樹冠覆蓋率小于30%)、農(nóng)田、裸地，計(jì)6類。

2.3 野外調(diào)查對(duì)研究區(qū)景觀進(jìn)行野外調(diào)查采集，調(diào)查采用GPS定位，通過實(shí)地踏查，將定位踏查點(diǎn)的城市森林、建筑等硬鋪裝地面、水面、一般綠地、農(nóng)田等與遙感影像中的色譜地物對(duì)比，消除遙感數(shù)據(jù)中同譜異物和同物異譜對(duì)景觀分類的影響，同時(shí)對(duì)比不同時(shí)期城市公園中由于公園建設(shè)造成的地物變化，注意實(shí)地調(diào)查要與遙感影像拍攝時(shí)期的地物相符，避免由于不同時(shí)期城市公園建設(shè)造成判讀誤差。

2.4 數(shù)字化在對(duì)TM分類影像完成前期配準(zhǔn)、野外調(diào)查并精確分類后，在ArcView平臺(tái)上完成數(shù)字化處理，建立影像空間特征數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)系。對(duì)TM分類影像中不同顏色所代表的地類與屬性數(shù)據(jù)建立關(guān)系，如圖像中深綠色代表城市森林，可通過屬性表建立屬性數(shù)據(jù)庫，由數(shù)據(jù)庫中的記錄代表城市森林，即完成建立影像空間特征數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)系。

2.5 價(jià)值評(píng)估

2.5.1固碳效益價(jià)值評(píng)估。根據(jù)碳稅法，按照二氧化碳的排放量進(jìn)行收費(fèi)。采用“中國(guó)生物多樣性國(guó)情研究報(bào)告”[7]中所公布的瑞典碳稅率，即排放每噸碳對(duì)其收稅150美元，折算成人民幣為1 148元/t，據(jù)此計(jì)算樹木在碳存儲(chǔ)和吸收方面的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.5.2凈化大氣污染物價(jià)值評(píng)估。采用美國(guó)每種污染物的中間客觀值[8-9]，即：NO2為51.6元/kg，PM10為34.4元/kg，SO2為12.6元/kg，CO為7.3元/kg，O3為51.6元/kg。2.5.3削減暴雨徑流價(jià)值評(píng)估。從合肥城市氣象資料獲得年降雨量、24 h的最大降雨量模型運(yùn)行所必須的數(shù)據(jù)；采用美國(guó)對(duì)暴雨造成地表徑流的管理和建設(shè)費(fèi)率，折算成人民幣為540.6元/m3[10]。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀構(gòu)成分析運(yùn)用CITYgreen模型得到逍遙津公園和杏花公園景觀分布(圖1)。分析圖1得到消遙津公園和杏花公園景觀構(gòu)成(表1)。由表1可知，逍遙津公園的面積35.75 hm2，其中城市森林所占的面積為18.82 hm2，占整個(gè)景觀的52.62%；水體和一般綠地面積分別占整個(gè)景觀的15.20%和9.54%。逍遙津公園為三國(guó)古戰(zhàn)場(chǎng)，建園時(shí)間久，園內(nèi)以喬木種植為主，并有很多古樹名木，空氣清醒，環(huán)境優(yōu)美，這主要得益于其較高的森林覆蓋(圖1a)。

表1 逍遙津公園和杏花公園景觀構(gòu)成

杏花公園的面積為28.55 hm2， 其中一般綠地所占的面積為18.89 hm2，占整個(gè)景觀的66.12%。其次是水體占3.96 hm2。占整個(gè)景觀的13.85%.城市森林面積3.71 hm2，占整個(gè)景觀的13.00%。杏花公園位于合肥市環(huán)城公園帶上，與環(huán)城公園融為一體，園內(nèi)有大面積草坪，喬木的種植也主要是后期栽植，樹齡不大(圖1b)。

綜合以上數(shù)據(jù)可看出，逍遙津公園內(nèi)森林所占整個(gè)景觀比例最高，為這個(gè)區(qū)域的基質(zhì)，處于控制位置，影響整個(gè)景觀；而杏花公園內(nèi)一般綠地所占景觀比例最高，主要是草坪，為該區(qū)域的基質(zhì)。

3.2 公園森林碳存儲(chǔ)與碳吸收效益分析根據(jù)逍遙津公園和杏花公園的景觀分布，利用CITYgreen模型分析得到2公園的城市森林固碳效益(表2)，由表2可知，合肥市逍遙津公園森林碳存儲(chǔ)總量為1 999.94 t，年吸收碳15.57 t，折合人民幣價(jià)值231.27萬元；杏花公園樹木碳存儲(chǔ)總量為394.68 t、年吸收碳3.07 t，折合人民幣價(jià)值45.64萬元。逍遙津公園和杏花公園都位于合肥市中心城區(qū)，逍遙津公園內(nèi)大面積的森林對(duì)降低周邊區(qū)域的CO2含量，緩解周邊熱島效應(yīng)具有一定作用；杏花公園以草坪為主，其降低周邊區(qū)域的CO2含量較逍遙津公園小。

表2 逍遙津公園和杏花公園城市森林固碳效益比較

公園存儲(chǔ)量總量∥t價(jià)值∥萬元吸收量總量∥t價(jià)值∥萬元價(jià)值合計(jì)∥萬元逍遙津公園1999.94229.4915.571.78231.27杏花公園394.6845.283.070.3545.64

綜合以上分析，合肥市的逍遙津公園和杏花公園都位于城市中心，逍遙津公園在城市中的生態(tài)作用高于杏花公園，主要市由于逍遙津公園以喬木種植為主，杏花公園以草坪為主，而喬木在固碳方面效益明顯高于草坪。

3.3 公園森林凈化空氣效益分析根據(jù)圖1，利用CITYgreen模型分析得到2公園城市森林凈化空氣效益(表3)，逍遙津公園的城市森林每年吸收O3、SO2、NO2、CO和清除PM10的塵埃分別為701.4、297.7、698.0、137.3和665.9 kg，折算成人民幣價(jià)值9.98萬元；杏花公園的城市森林逍遙津公園的城市森林每年吸收O3、SO2、NO2、CO和清除PM10的塵埃分別為138.4、58.7、137.8、27.1和131.4 kg，折算成人民幣價(jià)值1.97萬元。這一差異與各公園擁有的城市森林面積比相符。

表3 逍遙津公園和杏花公園城市森林凈化空氣效益比較

公園O3總量kg價(jià)值萬元SO2總量kg價(jià)值萬元NO2總量kg價(jià)值萬元CO總量kg價(jià)值萬元PM10總量kg價(jià)值萬元合計(jì)價(jià)值萬元逍遙津公園701.43.61297.70.37698.03.6.0137.30.100665.92.299.98杏花公園138.40.7158.70.073137.80.7127.10.019131.40.451.97

3.4 公園森林削減暴雨徑流效益分析根據(jù)圖1，利用CITYgreen模型分析得到2公園森林削減暴雨徑流效益比較(表4)。由表4可知,逍遙津公園和杏花公園森林有效截流暴雨徑流總量分別為5 064.25和1 624.49 m3，折合成人民幣價(jià)值分別為273.77萬和87.81萬元。用現(xiàn)有的森林覆蓋狀態(tài)與無森林覆蓋狀態(tài)相比較，曲線指數(shù)差值大小反映現(xiàn)有景觀構(gòu)成的變化對(duì)削減暴雨徑流產(chǎn)生的影響，差值越大反映景觀構(gòu)成的變化對(duì)削減暴雨徑流影響越大，反之越小。逍遙津公園和杏花公園曲線指數(shù)變化分別為8和2。逍遙津公園曲線指數(shù)變化最大，其有森林狀況下削減暴雨徑流效益比杏花公園明顯，表明該公園森林景觀構(gòu)成的生態(tài)重要性較高。反之，一旦該區(qū)域的森林遭到破壞，其對(duì)整個(gè)公園削減暴雨徑流的影響劇烈度也比杏花公園明顯。但在降低地表徑流和降低最大徑流量方面，逍遙津公園和杏花公園分別為1.68、0.35和64.72、9.32；其中逍遙津公園在這兩方面作用最顯著，表明其森林景觀構(gòu)成在降低地表徑流和降低最大徑流量方面的效益最顯著。

表4 逍遙津公園和杏花公園森林削減暴雨徑流效益比較

公園類項(xiàng)曲線指數(shù)地表徑流∥cm徑流持續(xù)時(shí)間∥h最大徑流量∥m3/s削減徑流∥m3價(jià)值∥萬元逍遙津公園現(xiàn)狀854.040.7889.225064.25273.77如無城市森林935.720.57153.94削減值81.68-0.2164.72杏花公園現(xiàn)狀813.330.8055.861624.4987.81如無城市森林833.680.7565.18削減值20.35-0.059.32平均值7.30.79-0.2927.8713505.57730.10

3.5 公園森林綜合生態(tài)效益比較分析根據(jù)圖1，CITYgreen模型分析得到2公園森林綜合生態(tài)效益比較(表5)。由表5可知，逍遙津公園和杏花公園森林所產(chǎn)生的綜合生態(tài)效益折合成人民幣價(jià)值分別為515.03萬和135.43萬元；單位面積生態(tài)效益分別為14.4萬和4.74萬元。逍遙津公園面積較杏花公園大，其總體總體生態(tài)效益大于杏花公園。逍遙津公園內(nèi)森林所產(chǎn)生的各方面生態(tài)效益均大于杏花公園，單位面積所產(chǎn)生的生態(tài)效益也較杏花公園高。這主要取決于2個(gè)公園森林覆蓋的差異，逍遙津公園內(nèi)以喬木為主，森林覆蓋率高，而杏花公園內(nèi)則主要以草坪為主，喬木數(shù)量較少，樹齡偏小。因此，具有高森林覆蓋的逍遙津公園所發(fā)揮的生態(tài)作用及產(chǎn)生的生態(tài)價(jià)值都遠(yuǎn)高于杏花公園。

表5 逍遙津公園和杏花公園森林綜合生態(tài)效益比較

公園總面積hm2綜合效益∥萬元總價(jià)值單位價(jià)值∥hm2固碳效益∥萬元總價(jià)值單位價(jià)值∥hm2凈化空氣效益∥萬元總價(jià)值單位價(jià)值∥hm2削減地表徑流效益∥萬元總價(jià)值單位價(jià)值∥hm2逍遙津公園35.75515.0314.40231.276.469.980.270273.777.65杏花公園28.55135.434.7445.641.591.970.06987.813.07

4 結(jié)論

逍遙津公園和杏花公園同為合肥市一環(huán)以內(nèi)公園，且都是環(huán)城公園綠帶的重要節(jié)點(diǎn)。2公園森林景觀格局差異較大，所產(chǎn)生的生態(tài)效益也存在很大差異，逍遙津公園森林生態(tài)效益高于杏花公園，這主要是因?yàn)殄羞b津公園森林覆蓋率大于杏花公園，而生態(tài)效益的發(fā)揮主要是依賴喬木的作用，喬木通過其光合、蒸騰作用對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，并通過其自身的不斷生長(zhǎng)，形成對(duì)周邊小氣候的產(chǎn)生作用，增加空氣濕度、吸收有害氣體等，并且可以有效削減暴雨徑流。而杏花公園以草坪景觀為主，對(duì)小氣候的影響很小，對(duì)暴雨徑流的截流作用也很小，因此杏花公園綜合生態(tài)效益低于逍遙津公園。

綜上分析可以得出，城市公共綠地的建設(shè)不僅要考慮草坪的景觀效果，更應(yīng)從生態(tài)學(xué)的角度考慮其生態(tài)效益，考慮森林對(duì)整個(gè)環(huán)境的影響作用，盡可能地利用森林所具有的生態(tài)作用改善城市環(huán)境，同時(shí)，應(yīng)結(jié)合本地實(shí)際情況，考慮本地地形地貌，合理布局各景觀要素，在城市中心區(qū)建設(shè)適當(dāng)面積的城市森林公園，可以更好地改善城市生態(tài)環(huán)境。

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A Comparative Study on Pattern of Urban Forest Patch and Its Ecological Benefit Evaluation in the Park of Hefei Based on the GIS Technology

ZHANG Lei, LI Ya-liang

(Huainan Normal University, Huainan, Anhui 232001)

Based on the GIS technology, the ecological benefits of urban forest park in Hefei City, Anhui Province was studied. The technique and method for applied CITYgreen model in forest ecological benefit research in China was discussed. The results indicated that woodland patches in Xiaoyaojin Park occupied about 52.62% of park land area and Xinghua Park 13.00% respectively, indicating that there are more big trees and higher canopy coverage in the parks of Xiaoyaojin which was built in 1950’s to 1960’s, but larger area lawn becomes major landscape, while low canopy coverage was in Xinghua Park built in 1990’s. According to integrated benefits of woodlands, Xiaoyaojin Park reached to 5.150 3 million yuan and was listed at top, then Xinghua Park 1.354 3 million yuan in lower. If it was listed in accordance with benefits per unit land area, Xiaoyaojin Park was at the top with its benefits of 144 000 yuan per hector, then Xinghua Park 47 460 yuan/hm2. It shows that the Xiaoyaojin Park has the highest ecological benefits compared with Xinghua parks.

GIS; CITYgreen model; Urban forest; Ecological benefit

淮南師范學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目(2013XJ66)。

張磊(1983-)，男，安徽肥東人，講師，碩士，從事園林設(shè)計(jì)及景觀生態(tài)研究。

2015-03-24

S 127

A

0517-6611(2015)13-351-03