城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值及其人為影響
——以濟南市區(qū)為例

， ，

(山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院, 山東 濟南 250358)

隨著城市化進程的快速推進，作為經(jīng)濟-社會-生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)的城市地域單元已成為人類活動的主要集聚地[1]。城市土地為人類生存發(fā)展提供物質(zhì)基礎(chǔ)，也是人類各種活動的載體[2]；但是，城市化過程伴生出日漸嚴重的生態(tài)問題，如環(huán)境污染嚴重、生態(tài)恢復(fù)力降低、生物多樣性減少等，因此，土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)也有重要影響，能夠引起生物量和穩(wěn)定性的改變[3]。

城市“生態(tài)用地”的概念由董雅文等[4]較早提出，隨后國內(nèi)許多學(xué)者對此加以關(guān)注，基于城市生態(tài)用地的自然和社會屬性，從多視角對其類型進行了劃分及相關(guān)探討[5-8]。國外相關(guān)研究中并未將生態(tài)用地單獨劃分為一類土地類型，但是在土地類型劃分體系中滲透了生態(tài)用地的思想[9]。Costanza等[10]于1997年刊登在《自然》上的一篇關(guān)于全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的文章，奠定了對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究的基礎(chǔ)。隨后，國外學(xué)者從生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀、變化趨勢和生物多樣性等方面進行了大量研究[10-13]。謝高地等[14]針對中國國情在此方法的基礎(chǔ)上對Costanza系數(shù)進行了有意義的改進，得到了適用于中國的生態(tài)服務(wù)價值當量表，用來評估不同生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值。國內(nèi)諸多學(xué)者還利用不同技術(shù)和方法，從不同的時空尺度，對土地利用變化引起的不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化進行研究[15-18]，但是，目前依據(jù)城市土地利用類型的時空格局演變，探討城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究還相對較少。為推進城市生態(tài)文明建設(shè)，《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014—2020年)》明確提出： 要按照統(tǒng)一規(guī)劃、 協(xié)調(diào)推進、 集約緊湊、 疏密有致、 環(huán)境優(yōu)先的原則， 統(tǒng)籌中心城區(qū)改造和新城新區(qū)建設(shè)， 提高城市空間利用效率， 改善城市人居環(huán)境。由此可見，提升和強化城市生態(tài)服務(wù)功能,已成為環(huán)境優(yōu)先、 建設(shè)美麗城市的重要環(huán)節(jié)。本文中選取濟南市區(qū)作為研究區(qū)， 通過遙感解譯和地理信息技術(shù)(GIS)分析等,對城市生態(tài)用地空間結(jié)構(gòu)及其生態(tài)服務(wù)價值變化情況進行分析，并探究兩者之間的相互關(guān)系以及人類活動對城市生態(tài)系統(tǒng)的影響程度， 以期為濟南城市合理規(guī)劃布局、生態(tài)用地保護以及實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展提供參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

濟南市(116°110E—117°44E、36°02N—37°31N)是山東省省會，是山東半島城市群的核心城市，地處泰山山脈和黃河水系之間，地勢南高北低，地形復(fù)雜多樣。全市轄區(qū)面積為7 998 km2，2016年總?cè)丝谶_到713.2萬，城市化率達到67.96%。濟南市年平均氣溫在14 ℃左右，年均降水量為600～900 mm。南部山區(qū)物種資源豐富，是重要的生態(tài)保護區(qū)和水源涵養(yǎng)地。本文中的研究區(qū)為濟南市區(qū)(歷下區(qū)、市中區(qū)、天橋區(qū)、槐蔭區(qū)、歷城區(qū)、長清區(qū)，因為考慮多個年份數(shù)據(jù)統(tǒng)計口徑的一致性，所以暫不包括章丘區(qū))，面積為3 303 km2。近年來，城市大規(guī)模擴張導(dǎo)致用地矛盾日益突出，大量耕地和生態(tài)用地被建設(shè)用地擠占，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值也隨之變化，濟南市的發(fā)展受資源環(huán)境的約束力逐漸增強。2018年，中央批復(fù)山東新舊動能轉(zhuǎn)換綜合試驗區(qū)建設(shè)的總體方案，提出要加快提升濟南的核心地位。這就要求濟南市的土地利用轉(zhuǎn)型，不僅要適應(yīng)經(jīng)濟的快速發(fā)展，而且更要注重區(qū)域生態(tài)環(huán)境的承載能力。新時代新形勢下，合理規(guī)劃土地利用結(jié)構(gòu)，是解決濟南市經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護之間矛盾的基礎(chǔ)和保障。

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 土地類型劃分

依據(jù)遙感影像特征和研究區(qū)實際土地利用狀況以及研究需要，在相關(guān)土地類型劃分研究[19-21]的基礎(chǔ)上，根據(jù)土地分類標準，將研究區(qū)土地分為耕地、 水域、 林地、 建設(shè)用地、 草地和未利用地6個大類，本文中將生態(tài)用地界定為耕地、 水域、 林地、 草地和未利用地。

2.2 數(shù)據(jù)來源及技術(shù)處理

考慮到影像數(shù)據(jù)的可獲取性和解譯要求，本文中利用2001、 2006、 2015年的Landsat TM/ETM遙感影像和濟南市行政區(qū)劃矢量圖，在ENVI 5.1軟件中對遙感影像進行幾何校正、圖像裁剪等多種預(yù)處理操作，并通過目視解譯和監(jiān)督分類的方法，獲得3期影像中研究區(qū)內(nèi)的土地利用狀況和各類土地面積。2001、 2006、 2015年的遙感影像的Kappa檢驗結(jié)果分別為0.92、 0.93、 0.86，均高于最低精度0.7的要求。

2.3 土地利用動態(tài)度和土地利用結(jié)構(gòu)分析

1)單一土地利用動態(tài)度K表示為

(1)

式中：Ua、Ub分別為研究期期初、 期末某一土地利用類型的面積， hm2；T為研究時間， a。

2)綜合土地利用動態(tài)度L表示為

(2)

式中：Ui是研究期最初的第i類土地利用面積，hm2；ΔUi是研究期內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為其他土地利用類型的絕對值。

3)土地利用結(jié)構(gòu)分析。信息熵H表征土地利用結(jié)構(gòu)的有序程度，其值越小表明該研究區(qū)內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)越有序，Nat；均衡度J表征土地利用結(jié)構(gòu)的均衡性，其值在[0, 1]，值越小表明研究區(qū)內(nèi)土地利用差異越小，均衡度越高；優(yōu)勢度L則表示某類土地在研究區(qū)內(nèi)的支配程度[22]。

，

(3)

J=H/Hm

，

(4)

L=1-J

，

(5)

式中：Pi=Si/S,Pi是第i類土地占研究區(qū)總面積的比值；Si是第i類土地利用類型面積，hm2；S是研究區(qū)總面積，hm2；Hm是當各土地利用類型的面積相等時的最大信息熵值，Nat。

2.4 城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的評估方法

在千年生態(tài)系統(tǒng)評估(MA)定義的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能概念的基礎(chǔ)上， 本文中將研究區(qū)劃分為6大生態(tài)系統(tǒng)， 并給出了其價值當量(見表1)。 參考謝高地等[14]在2015年改進的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值化方法： 1個標準當量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量是3 406.5元/hm2， 將生態(tài)系統(tǒng)的供給服務(wù)、 調(diào)節(jié)服務(wù)、 支持服務(wù)和文化服務(wù)細分為11種小類服務(wù)。

表1 單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值測算公式為

(6)

,

(7)

式中：VES為總的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值， 元；Ai為研究區(qū)某種土地利用類型的面積， hm2；CV, f為第i種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)；VES, f是生態(tài)系統(tǒng)第f項服務(wù)功能的價值， 元；CV, fi是研究區(qū)第i種土地利用類型的第f項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)。

2.5 人為影響綜合指數(shù)計算

人為影響強度指數(shù)用來表示研究區(qū)內(nèi)各土地利用類型受人類活動的影響程度[23]。人為干擾影響地表植被類型，降低土地覆被的自然屬性，從而改變土地利用類型。不同的土地利用類型受不同程度的人為活動干擾，因此,本文中用人為影響綜合指數(shù)來表征人類活動對土地類型變化的影響程度。

,

(8)

式中：IHAI為人為影響綜合指數(shù)；n為土地利用類型的數(shù)量，本文中取值為6；Pi為第i類土地利用類型的人為影響強度系數(shù)；A為研究區(qū)內(nèi)各類土地的總面積，hm2。本文中利用Lohani清單法、Leopold矩陣法和Delphi法并結(jié)合諸多專家學(xué)者的研究[24]，為減小誤差，人為影響強度系數(shù)Pi取3種方法的平均值(見表2)。

表2 人為影響強度系數(shù)

IHAI的值為0～1，數(shù)值越大表明該土地利用類型受人為影響強度越大，反之則表明受人為干擾越小。參考相關(guān)的研究，在Arcgis 10.2軟件中通過聚類分析確定人為影響綜合指數(shù)為低、較低、中、較高和高5個強度等級(見表3)。

表3 人為影響綜合指數(shù)等級

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用空間結(jié)構(gòu)變化分析

3.1.1 建設(shè)用地空間結(jié)構(gòu)變化

從濟南市區(qū)2001、2006和2015年的土地利用狀況圖(見圖1)可以看出，濟南市區(qū)的建設(shè)用地呈東北—西南帶狀分布，多集中于歷下區(qū)、市中區(qū)、槐蔭區(qū)和歷城區(qū)北部。自長清區(qū)大學(xué)科技園開工建設(shè)以來，2005年入駐了大批高校，加之濟南市東拓迅速，使得濟南市區(qū)建設(shè)用地向西、向東擴張，呈“多中心-組團式”分布，形成“一城兩區(qū)”的空間布局。在2001—2006年間濟南市區(qū)建設(shè)用地的單一動態(tài)度達到1.34%，占地面積比從2001年的22.7%上升到2015年的25.56%，在研究期15年間建設(shè)用地面積增長了9 453.42 hm2，這一時期土地綜合利用動態(tài)度為1.01%。濟南市在推進以人為本的城鎮(zhèn)化進程中大量農(nóng)業(yè)人口市民化，并增加了基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，使得城市用地空間結(jié)構(gòu)也發(fā)生快速變化。

3.1.2 生態(tài)用地空間結(jié)構(gòu)變化

2001—2015年間濟南市區(qū)耕地大量減少，林地、 草地、 建設(shè)用地面積增加，而水域和未利用地面積保持穩(wěn)定，總體變化趨勢顯著。2001年各地類面積由大到小依次是林地、耕地、建設(shè)用地、水域、草地、未利用地，而2015年各地類面積呈現(xiàn)較為顯著的變化趨勢，依次是林地、建設(shè)用地、耕地、草地、水域、未利用地(見圖1和表4)。研究期內(nèi)林地面積所占比例最高，主要分布在南部山區(qū)，這是濟南重要的水源涵養(yǎng)生態(tài)保護區(qū)，近年來大面積植樹造林、退耕還林以保護水源地，使得濟南市區(qū)林地面積占比從51.71%上升到57.39%。從空間分布上看，耕地主要分布在黃河北部平原一帶，面積占比從2001年到2015年減少了10.17%，年均減少0.68%,面積減少33 592.51 hm2，濟南拓展城市發(fā)展空間的同時也占據(jù)了大量的耕地資源。濟南市在城市建設(shè)發(fā)展過程中注重草地生態(tài)建設(shè)，使得草地面積在研究期內(nèi)增加了5 657.47 hm2，單一動態(tài)度在2006—2015年達到了213.41%，所占比例從0.06%上升到1.78%(見表4)。 15年間， 水域面積減少292.39 hm2， 未利用地面積雖先增后減，但其總體呈減少趨勢， 總體減少4.14 hm2。 從表4來看， 土地利用的綜合動態(tài)度在2001—2006年間達到了1.01%， 但在2006—2015年間僅為0.43%， 說明土地利用變動主要集中在前5年， 后10年間濟南市區(qū)土地利用狀況變化不大， 主要原因是受限于濟南市區(qū)所處的地理位置， 北部黃河沿岸多為基本農(nóng)田區(qū)， 南部山區(qū)是重要的生態(tài)保護區(qū)， 多為禁止開發(fā)區(qū)和限制開發(fā)區(qū)， 從而制約了濟南市區(qū)的發(fā)展和土地利用類型的轉(zhuǎn)換。

濟南市區(qū)2001—2015年土地利用結(jié)構(gòu)分析見表5。 從表中可以看出， 2001—2015年間濟南市區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的信息熵從1.09減小到1.08， 信息熵減小， 表明土地利用在這一時期有序程度增大， 主要原因是城市建設(shè)用地的增加和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，使建設(shè)用地面積迅速增加。 土地利用優(yōu)勢度在研究期內(nèi)從0.61減小到0.60， 均衡度從0.39增加到0.40， 普遍偏低，且波動不大，說明濟南市區(qū)的土地利用結(jié)構(gòu)總體朝著均衡化、多樣化發(fā)展，林地所占面積最大，有利于濟南市區(qū)的生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展。

圖1 濟南市區(qū)2001—2015年土地利用狀況

表4 濟南市區(qū)土地利用面積和動態(tài)度變化%

表5 濟南市區(qū)2001—2015年土地利用結(jié)構(gòu)分析

3.2 城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)總服務(wù)價值變化

土地利用結(jié)構(gòu)變化引起生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化情況見表6。 從表中數(shù)據(jù)可以看出， 2001—2015年濟南市區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值由1.67×1010元增加到1.78×1010元。 森林生態(tài)系統(tǒng)的總服務(wù)價值最大， 超過整個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的80%； 水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較大，基本保持穩(wěn)定；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值逐年減小，研究期內(nèi)減少了42.48%；草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值大幅增加，研究期內(nèi)由8.03×106元增加到2.29×108元；研究區(qū)林地面積最大，森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值也最大，說明其是濟南市區(qū)非常重要的生態(tài)系統(tǒng)。

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值類型變化

2001—2015年濟南市區(qū)各單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化見表7。從表中可以看出，所占比例最大的是水文調(diào)節(jié)，其次是氣候調(diào)節(jié)和土壤保持，并且這3項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的總和超過了總服務(wù)價值的60%。研究區(qū)林地面積最大，因此水文調(diào)節(jié)功能也是森林生態(tài)系統(tǒng)最重要的生態(tài)服務(wù)功能。因為2001—2015年間研究區(qū)耕地面積銳減，所以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)所提供的食物生產(chǎn)、原料生產(chǎn)等價值降低。水域生態(tài)系統(tǒng)主要提供水源供給和娛樂文化服務(wù)。黃河沿濟南市北部邊界穿城而過，市區(qū)大明湖、趵突泉等重要風(fēng)景名勝區(qū)提供重要的娛樂休憩服務(wù)，天橋區(qū)的鵲山水庫、歷城區(qū)的臥虎山水庫是重要的水源地，具有涵養(yǎng)水源和氣候調(diào)節(jié)的功能。南部山區(qū)大面積的草地，主要提供維持生物多樣性、維持養(yǎng)分循環(huán)和土壤保持等服務(wù)功能。

3.3 人類活動強度對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響

為了測算研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)受人類活動影響的程度，本文中對研究區(qū)進行網(wǎng)格系統(tǒng)采樣，每個網(wǎng)格作為一個子單元，分別計算每個格子內(nèi)的人為影響綜合指數(shù)IHAI，并將所得值作為每個格子中心點的值，然后進行Kriging插值得到2001—2015年的人為影響綜合指數(shù)的空間分布圖(見圖2)。

表6 2001—2015年濟南市區(qū)各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值

表7 2001—2015年濟南市區(qū)不同類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值(VES)變化

從人為影響綜合指數(shù)的空間分布來看，研究區(qū)南部地區(qū)多林地和草地，主要以低影響和較低影響強度為主；北部多耕地和建設(shè)用地，主要以中影響強度和高影響強度為主。從空間分布來看，隨著西部長清大學(xué)科技園建設(shè)、高鐵站的規(guī)劃建設(shè)和濟南東部高新區(qū)配套服務(wù)設(shè)施的完善，2001—2006年較高影響和高影響強度地區(qū)向東北—西南方向擴張；2006—2015年間高影響和較高影響強度范圍又向黃河以北和西客站地區(qū)擴張，這與濟南市“東拓、西進、南控、北跨、中優(yōu)”的城市拓展和城鎮(zhèn)建設(shè)范圍有較強的空間一致性；南部山區(qū)地區(qū)隨著人類活動的增多，人為綜合影響指數(shù)逐漸由低影響強度向較低影響強度轉(zhuǎn)變?？傮w來看，濟南市區(qū)較高影響強度和高影響強度區(qū)域呈帶狀發(fā)展且集中連片，低影響強度區(qū)域變化不明顯。結(jié)合土地利用狀況，林地、草地和水域分布地區(qū)主要是低影響和較低影響強度區(qū)域；耕地主要分布在中影響強度區(qū)域；較高和高影響強度區(qū)域主要是建設(shè)用地，中影響強度向較高和高影響強度轉(zhuǎn)化的區(qū)域多發(fā)生在耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化的區(qū)域。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1)通過2001、2006、2015年3期的遙感影像解譯，濟南市區(qū)土地利用變化呈現(xiàn)“三增一減兩穩(wěn)定”的特點，建設(shè)用地、林地、草地面積增加，耕地面積銳減，水域和未利用地面積基本保持穩(wěn)定。從土地利用動態(tài)結(jié)構(gòu)來看，總體上濟南市區(qū)土地利用朝著均衡、有序的方向發(fā)展。

2)土地利用類型的變化引起城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化， 2001—2015年濟南市區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加了1.1×109元，主要是南部山區(qū)水源涵養(yǎng)林面積增加所致，但是在南部山區(qū)以外的其他地區(qū)的耕地、水域面積減少和建設(shè)用地面積增加，導(dǎo)致城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的下降。林地、水域和耕地對濟南市區(qū)的生態(tài)服務(wù)價值貢獻最大，占據(jù)了總生態(tài)服務(wù)價值的90%以上，對維持濟南市區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要作用。

圖2 人為影響綜合指數(shù)空間分布

3)受土地利用結(jié)構(gòu)變化的影響，人為影響強度在空間上的變化與濟南市區(qū)城市發(fā)展和建設(shè)范圍有較強的空間一致性，人為較高影響和高影響區(qū)域集中連片，生活空間和工礦建設(shè)空間嚴重擠壓了綠色生態(tài)空間，不利于生態(tài)恢復(fù)。

4.2 建議

推動城市發(fā)展與自然生態(tài)密切“縫合”，形成可持續(xù)的城市形態(tài)是城市健康發(fā)展的必然要求?；诒疚闹醒芯刻岢鲆韵陆ㄗh：

1)從土地利用結(jié)構(gòu)和脆弱性評價方面來看，濟南市在今后的發(fā)展和規(guī)劃中，要嚴格把控耕地紅線，切實保護耕地面積，嚴格控制城市發(fā)展向南部山區(qū)蔓延擴張，實施“南控”方針，保護水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)。

2)從生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可持續(xù)性角度來看，南部山區(qū)以外的其他城市化地區(qū)在充分利用現(xiàn)有建設(shè)空間，努力提高土地利用效率的基礎(chǔ)上，還要保留必要的生態(tài)空間，通過城市總體規(guī)劃，加強城市生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，建立保障生態(tài)環(huán)境良好發(fā)展的城市綠地和生態(tài)廊道，保證濟南市區(qū)的持續(xù)發(fā)展和生態(tài)可恢復(fù)性。

3)“十三五”期間，濟南市在“一帶一路”和新舊動能轉(zhuǎn)換等機遇的帶動下，隨著南部山區(qū)交通便利化，將迎來城鎮(zhèn)化的高峰期，建設(shè)用地的剛性需求將進一步加大，供需矛盾更加突出。濟南市應(yīng)優(yōu)化主體功能分區(qū)，統(tǒng)籌生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間分布，加快形成人口、經(jīng)濟、資源環(huán)境均衡協(xié)調(diào)的市域空間格局，合理控制“東北—西南”狹長式擴張。