1987—2016年武漢城市湖泊時空演變及其生態(tài)服務(wù)價值響應(yīng)

謝啟姣,劉進華

1 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,武漢 430062 2 區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點實驗室,武漢 430062 3 同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,上海 200092 4 浙江理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院,杭州 310018

湖泊及其流域作為陸地水循環(huán)中的重要載體,在維持區(qū)域水量平衡、調(diào)節(jié)局部氣候、減緩洪澇災(zāi)害、提供生物棲息地等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用[1-2]。人類社會歷來依水而居、城市傍水而建,但隨著人口的不斷集聚和社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展,圍湖造田、填湖建城、工業(yè)圍湖、開發(fā)旅游等人類活動日漸頻繁[3],對湖泊資源及其流域生態(tài)系統(tǒng)的利用與干擾日益嚴(yán)重[4],湖泊萎縮、水體污染和流域生態(tài)系統(tǒng)退化已成為影響人類生存與發(fā)展的重要環(huán)境問題[5-6]。

對湖泊及流域濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行價值評估能直觀定量湖泊資源對人類福祉的貢獻(xiàn),強化人類社會對湖泊資源及濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護認(rèn)知,是維護湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、確保湖泊資源可持續(xù)利用的前提。近年來,越來越多的學(xué)者致力于湖泊濕地的生態(tài)價值評估,研究主要集中于洞庭湖[7]、鄱陽湖[8]、洪湖[9]、青海湖[10]、艾比湖[11]、千島湖[12]、烏梁素海[13]、青藏高原湖泊[14]等大型湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng),以及安慶沿江湖泊流域[15]、拉薩河流域濕地[16]、張掖黑河濕地國家級自然保護區(qū)[17]、吉林西部自然保護區(qū)濕地[18]等流域濕地系統(tǒng),多采用市場價值法、影子工程法、成本替代法等[19],通過對人類產(chǎn)生直接影響的供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行定量估算[20-21],這些研究通過貨幣化的評價結(jié)果定量分析湖泊及流域濕地的功能構(gòu)成及生態(tài)價值,為湖泊資源的合理利用和科學(xué)保護提供了直觀依據(jù),為局地湖泊及流域生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。

近年來,由于湖泊生態(tài)環(huán)境的改變導(dǎo)致資源敏感、生態(tài)脆弱[22-24],其生態(tài)服務(wù)價值總體呈現(xiàn)下降趨勢,人類活動被認(rèn)為是影響局地湖泊及流域濕地生態(tài)系統(tǒng)功能退化的重要原因[4, 25-27]。探討人類活動對湖泊及流域的影響及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值響應(yīng)對于深入認(rèn)識城市湖泊的保護價值意義重大,但目前相關(guān)研究仍然存在不足[28],主要表現(xiàn)為：①前人研究大多以干擾相對較少的自然湖泊及流域為對象進行價值評估,而對人類活動干預(yù)頻繁的城市湖泊及流域研究較少[22-24,29],社會經(jīng)濟活動對湖泊時空演變及流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響有待深入[4,6];②由于湖泊及流域濕地生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性,價值估算中多涉及周圍森林、草地等其他生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)產(chǎn)品或服務(wù),導(dǎo)致很多價值交叉重復(fù)計算[20,30- 32],影響到研究結(jié)果的科學(xué)性;③研究多側(cè)重于單一年份的靜態(tài)生態(tài)服務(wù)價值估算[33- 34],而時間序列的動態(tài)對比研究較少[35],生態(tài)價值對湖泊時空演變的響應(yīng)規(guī)律研究相對缺乏。

為此,本文選取武漢市1987、1996、2007、2016年遙感影像,進行土地利用類型劃分,提取現(xiàn)主城區(qū)范圍內(nèi)湖泊及流域水面信息,進行湖泊資源與其他土地類型的轉(zhuǎn)移矩陣分析,明確武漢市城市湖泊近30年的時空演變方向、幅度及趨勢;并結(jié)合不同時期社會經(jīng)濟、自然環(huán)境等實際,進行城市湖泊及流域水面生態(tài)服務(wù)價值定量估算,探討其對城市湖泊時空演變的響應(yīng)規(guī)律,從而更加直觀的評估城市湖泊及流域?qū)τ谖錆h城市發(fā)展的價值和意義,為城市湖泊資源的合理利用與生態(tài)保護提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

武漢位于113°41′—115°05′E, 29°58′—31°22′N之間,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,冬冷夏熱,四季分明,雨熱同季,年平均氣溫15.8—17.5℃,年降水量為1150—1450 mm,表現(xiàn)出悶熱多濕的夏季特征。武漢地處長江中下游平原,江漢平原東部,地勢為東高西低、南高北低,境內(nèi)河道縱橫交錯,大小湖泊星羅棋布,水域面積占全市面積的近1/4,素有“百湖之市”的美譽;世界第三大河長江及其最大支流漢江穿城而過,將武漢中心城區(qū)一分為三,形成武昌、漢口、漢陽三鎮(zhèn)鼎立的格局。

近年來,城市建設(shè)和人口集中導(dǎo)致武漢城市湖泊被大量填占、切割及污染[36],湖泊面積萎縮、格局破碎、連接度降低、水質(zhì)惡化等[37-38]嚴(yán)重影響到城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的發(fā)揮[39],對城市湖泊資源的有效保護已迫在眉睫,而城市湖泊時空變化特征及生態(tài)服務(wù)價值定量是科學(xué)保護湖泊資源的前提和依據(jù),本研究選擇武漢現(xiàn)主城區(qū)(下稱主城區(qū))為研究范圍,覆蓋面積678 km2,包括三環(huán)線以內(nèi)及局部外延的沌口、廟山和武鋼地區(qū)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

研究選擇1987年9月26日、1996年10月4日、2007年7月31日的Landsat- 5影像和2016年7月23日的Landsat- 8遙感數(shù)據(jù),影像質(zhì)量完好,覆蓋特征穩(wěn)定,能滿足研究要求。依據(jù)武漢市1∶100000數(shù)字交通圖在軟件Erdas Imagine 9.2中對遙感影像進行幾何校正配準(zhǔn),完成圖像裁剪及圖像增強等預(yù)處理。

主要參考《武漢市統(tǒng)計年鑒》、《武漢市環(huán)境狀況公報》、《武漢市水務(wù)局水資源公報》和相應(yīng)年份的各類官方統(tǒng)計資料,以及公開發(fā)表的武漢市相關(guān)研究成果作為統(tǒng)計分析及經(jīng)濟測算的依據(jù)。

2.2 湖泊及流域空間信息提取

根據(jù)武漢市主城區(qū)地表性質(zhì)及覆蓋特征,在軟件Erdas Imagine中采用監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類綜合方法進行土地利用類型劃分,將研究區(qū)內(nèi)地表覆蓋分為建設(shè)用地、水體、城市綠地和農(nóng)用地4類,四個年份的影像總分類精度均達(dá)85%以上,滿足研究要求。

為保證城市湖泊及流域水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值估算的獨立性和科學(xué)性,避免與其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的交叉重復(fù),估算時只包括武漢主城區(qū)范圍湖泊及流域(下簡稱湖泊)的水面范圍;考慮到長江、漢江獨特的環(huán)境特征及生態(tài)效應(yīng),在水面空間信息提取時將其剔除。在軟件Fragstas 4.2中統(tǒng)計相應(yīng)年份湖泊的面積、數(shù)量、密度、形狀指數(shù)等[40]表征城市湖泊空間特征的指標(biāo)。

2.3 湖泊動態(tài)變化

2.3.1動態(tài)度

為定量表征城市湖泊在一定時期內(nèi)的變化速度和幅度,反映城市建設(shè)和人類活動對城市湖泊的影響,引入動態(tài)度指數(shù)[41]：

式中,K值為時間t0到t1時段內(nèi)城市湖泊的動態(tài)度(%),U0和U1分別為時間t0和t1對應(yīng)的湖泊面積。

2.3.2轉(zhuǎn)移矩陣

為更好的理解城市湖泊空間演變的范圍與方向,認(rèn)識人類活動對城市湖泊的干預(yù)與影響,在武漢主城區(qū)土地覆蓋類型分類的基礎(chǔ)上,構(gòu)建1987—1996年、1996—2007年和2007—2016年3個時期城市湖泊水體與建設(shè)用地、農(nóng)用地及城市綠地間的轉(zhuǎn)移矩陣[4]。

2.4 生態(tài)效益及生態(tài)價值估算

因本研究重點是定量研究城市湖泊演變直接導(dǎo)致的生態(tài)效益及價值變化,故僅估算城市湖泊水域生態(tài)效益及生態(tài)價值,不考慮水域周邊其他濕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價值。由于近年來武漢城市湖泊主要承擔(dān)生態(tài)功能,水產(chǎn)品的生產(chǎn)功能及其價值已不具可比性,因此選擇與城市生態(tài)系統(tǒng)、人居環(huán)境質(zhì)量等關(guān)系密切的生態(tài)服務(wù)功能進行價值估算(表1)。

表1 武漢主城區(qū)湖泊主要生態(tài)服務(wù)價值估算方法

(1)涵養(yǎng)水源 在遙感統(tǒng)計武漢市主城區(qū)湖泊水面面積的基礎(chǔ)上,依據(jù)相關(guān)統(tǒng)計年鑒的統(tǒng)計數(shù)據(jù),按照水面面積比例賦予權(quán)重,得到不同年份城市湖泊常水位狀況下的平均水深,可估算出武漢市主城區(qū)蓄水總量。根據(jù)武漢市城市湖泊水質(zhì)的變化,1987年和1996年水質(zhì)較好,85%以上湖泊水質(zhì)達(dá)Ⅲ類及以上級別,可按生活用水標(biāo)準(zhǔn)1.2元/m3計價;2007年以后武漢城市湖泊水質(zhì)IV類及以下級別平均達(dá)80%以上,按農(nóng)業(yè)或景觀用水標(biāo)準(zhǔn)0.071元/m3計價[17]。

(2)調(diào)蓄洪水 按照南湖、東湖及沙湖等典型城市湖泊最高水位與常水位對應(yīng)的平均水深之差作為調(diào)蓄洪水水深,并結(jié)合遙感估算的湖泊面積估算出總蓄洪量。單位蓄水量庫容成本以全國水庫建設(shè)投資額為標(biāo)準(zhǔn),取值5.714元/m3。

(3)調(diào)節(jié)氣候 按照武漢市水資源統(tǒng)計資料,1987年和1996年按照武漢東湖年平均蒸發(fā)量、2007和2016年按武漢市水面年平均蒸發(fā)量為標(biāo)準(zhǔn)取值,結(jié)合遙感統(tǒng)計水面面積,估算武漢市城市湖泊水面年水汽蒸發(fā)量;參照前人相關(guān)研究成果[17],單位體積水汽調(diào)節(jié)氣候的價值為0.129元。

(4)固碳釋氧 生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧效益與植被的生物量密切相關(guān),本研究生態(tài)價值估算主要以水域范圍為主,因此生物量的采集主要來源于水生植物。參考武漢市不同湖泊類型水生植物生物量調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果[39],結(jié)合研究年份的生態(tài)環(huán)境特征及人類干擾程度,1987年和1996年參照自然湖泊、2007年參照半自然湖泊、2016年參照人工湖泊計算平均固碳釋氧量,從而估算出水域的固碳釋氧總量。固碳價值采用國際通用的瑞典碳稅率150美元/t,按2016年匯率折算為990元/t,釋氧價值按照工業(yè)制氧價格400元/t,即可估算出總的固碳釋氧價值。

(5)揚塵削減 城市粉塵削減過程復(fù)雜,考慮到估算的可行性,參考前人研究結(jié)論[42],自然環(huán)境下湖泊水面年揚塵削減效益為49.8 t/km2,1987年和1996年研究區(qū)人工干擾較小,以自然湖泊粉塵截留效益為標(biāo)準(zhǔn);由于水面截留吸收粉塵的效益與環(huán)境粉塵濃度密切相關(guān),2007年和2016年研究區(qū)污染程度相對較高,根據(jù)武漢市粉塵空間分布特征[43],以2倍標(biāo)準(zhǔn)即99.6 t/km2進行換算,結(jié)合水面面積可估算出年揚塵削減的總效益。粉塵削減價值參照工業(yè)粉塵處理成本,標(biāo)準(zhǔn)為0.15元/kg。

(6)凈化水質(zhì) 參照相關(guān)研究[17],結(jié)合武漢主城區(qū)多年污水排放數(shù)據(jù),得到人均生活污水量,按照武漢城市污水處理情況,1987年和1996年根據(jù)人口數(shù)量估算出研究范圍相應(yīng)年份污水排放量,全部按自然凈化處理。2007年和2016年按照當(dāng)年的《武漢市環(huán)境狀況公報》公布的武漢城區(qū)排污總量減去污水處理廠處理的污水量計算。凈化水質(zhì)的生態(tài)價值按污水處理廠處理污水的平均成本1.1元/t為標(biāo)準(zhǔn)計算。

(7)提供生物棲息地 城市湖泊能為鳥類和魚類提供生境棲息地,其單位生態(tài)服務(wù)功能價值參考中國內(nèi)地濕地系統(tǒng)生物棲息地價值的平均值[21],以130.4萬元/km2的標(biāo)準(zhǔn)計算。

(8)教育科研 湖泊的科研價值在遙感面積統(tǒng)計的基礎(chǔ)上,參照全球濕地生態(tài)系統(tǒng)平均科研價值和國內(nèi)湖泊生態(tài)服務(wù)價值的相關(guān)研究成果[17]取值2894.5元/hm2,估算總價值。

(9)文化娛樂 城市湖泊及水域所承載的文化娛樂價值以中國水體生態(tài)系統(tǒng)單位面積平均文化娛樂價值3840.2元/hm2[14]為標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合對應(yīng)年份的總面積進行總量估算。

3 結(jié)果與分析

3.1 武漢主城區(qū)湖泊空間分布特征

圖1是通過遙感影像解譯的1987、1996、2007、2016年武漢主城區(qū)湖泊水面的空間分布范圍,為更好的理解武漢主城區(qū)湖泊的空間結(jié)構(gòu)特征,對不同年份的空間格局指標(biāo)進行了統(tǒng)計(表2)。結(jié)合圖1和表2可知,1987年和1996年呈現(xiàn)出相似的空間結(jié)構(gòu)特征：水體覆蓋面積占研究區(qū)范圍的1/5左右,城市湖泊數(shù)量多,且分布相對均勻,總體形狀復(fù)雜,形成較為完整的水體網(wǎng)絡(luò)體系;到2007年和2016年,湖泊面積急劇減少,不到研究區(qū)范圍的1/10,尤其是漢口,城市湖泊基本被填占、所剩無幾,武昌的東湖、沙湖、南湖等原有的大型湖泊覆蓋范圍也嚴(yán)重萎縮,漢陽原有的水系網(wǎng)絡(luò)已被割裂成獨立的斑塊。隨著武漢社會經(jīng)濟的發(fā)展,主城區(qū)湖泊的密度由1987年的1.67個/km2減少到2016年的0.21個/km2,但平均面積由1987年的12.72 hm2增加到2016年的42.69 hm2,29年間,保留下來的城市湖泊多為原來面積較大的湖泊,但其面積也縮減明顯,面積過小的湖泊基本都被填占,大多數(shù)已從武漢主城區(qū)消失。結(jié)合圖1的空間分布特征看,武漢市主城區(qū)湖泊填占有著近地域性特點,越靠近建成區(qū)的湖泊由于經(jīng)濟發(fā)展需要被填占越嚴(yán)重,離市中心較遠(yuǎn)的湖泊填占現(xiàn)象相對較輕。

圖1 1987年,1996年,2007年和2016年武漢城市湖泊空間分布Fig.1 Lake distribution maps in 1987, 1996, 2007 and 2016 in Wuhan urbanized area

表2 武漢主城區(qū)湖泊空間結(jié)構(gòu)特征

3.2 1987—2016年武漢主城區(qū)湖泊時空演變

表3統(tǒng)計了研究期間武漢主城區(qū)湖泊的變化情況, 1987年到2016年間,武漢主城區(qū)的湖泊面積共縮減82 km2,減少了56.9%,湖泊水面一半以上都被侵占;以平均每年2.8 km2的速度消失,而漢口最大的城中湖——塔子湖面積為0.3 km2,相當(dāng)于29年間平均每年有大約9個塔子湖從武漢主城區(qū)消失。具體從1987—1996年、1996—2007年及2007—2016年3個時期看,1987—1996年9年期間,主城區(qū)湖泊總面積基本保持不變,年均動態(tài)度僅為-0.08%。變化幅度最大的是1996—2007年期間,湖泊總面積減少了59.5%,共計85 km2,11年間相當(dāng)于2.5個東湖水面悄然“蒸發(fā)”;平均每年減少7.7 km2,年動態(tài)度達(dá)到5.4%,湖泊生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重干擾。2007—2016年間,湖泊面積首次出現(xiàn)增長,以平均每年0.4 km2的增幅,9年間湖泊面積增加4 km2,增加了6.9%。

表3 1987—2016年武漢主城區(qū)湖泊動態(tài)特征

為更好地理解研究期內(nèi)武漢主城區(qū)湖泊的演變方向、幅度及趨勢,運用轉(zhuǎn)移矩陣對1987—1996年、1996—2007年和2007—2016年的湖泊變化進行動態(tài)分析,圖2為相應(yīng)時期湖泊水體與建設(shè)用地、農(nóng)用地和城市綠地間的轉(zhuǎn)移空間分布,結(jié)合相應(yīng)時期的社會經(jīng)濟等數(shù)據(jù)探討不同時期湖泊演變的主要驅(qū)動力。

(1)1987—1996年：武漢主城區(qū)湖泊水域的變化率為-0.7%,湖泊面積保持平穩(wěn),主要是與農(nóng)用地之間的轉(zhuǎn)化。具體來看(圖2),水體共轉(zhuǎn)出32 km2,其中有17 km2轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)用地(占53.1%),14 km2轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地(占43.8%);共轉(zhuǎn)進31 km2,其中90.3%為農(nóng)用地轉(zhuǎn)變而來。雖然湖泊總面積并沒有明顯減少,但是仍然有近一半的湖泊被建設(shè)用地所侵占,而總量的平穩(wěn)主要是以占用農(nóng)用地為代價。總體來看,這一時期主城區(qū)湖泊的變化主要是湖泊水面和農(nóng)用地之間的相互轉(zhuǎn)換,填湖種地和圍田養(yǎng)魚等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動為其主要空間驅(qū)動力。

(2)1996—2007年：武漢主城區(qū)湖泊面積銳減85 km2,城市水體的變化率為-59.5%,城市水體共轉(zhuǎn)出89 km2,其中53.9%(48 km2)轉(zhuǎn)向城市建設(shè)用,38.2%(34 km2)轉(zhuǎn)向農(nóng)用地。一方面,由于這一時期轉(zhuǎn)出農(nóng)用地的91.09%城市建設(shè)用地開發(fā)占用,因而部分水體被圍占為農(nóng)用地,導(dǎo)致湖泊面積縮小。另一方面,城市化導(dǎo)致城市人口迅速增加、城市空間需求加大,一些湖泊及水體經(jīng)政府審批被城市道路、市政設(shè)施等“征用”;更多的是由于房地產(chǎn)的迅速崛起,商業(yè)利益驅(qū)動導(dǎo)致開發(fā)商開始“填湖造城”,從而導(dǎo)致原來的湖泊和城市水體被填埋。圖2中可明顯看出,黃塘湖、沙湖、東湖、南湖等大型城市湖泊有明顯的縮減趨勢,且基本被房地產(chǎn)開發(fā)利用;而轉(zhuǎn)入的4 km2面積則主要來自于天新洲洲頭的部分農(nóng)用地。總體看,這一時期湖泊水面變化受到農(nóng)業(yè)發(fā)展和城市建設(shè)的共同作用。

(3)2007—2016年：武漢主城區(qū)湖泊面積增加了4 km2,主要是與建設(shè)用地的相互轉(zhuǎn)換,其中轉(zhuǎn)出6 km2,全部轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,結(jié)合圖2中可知,轉(zhuǎn)出的水面大部分是由于城市公共綠地和公共設(shè)施建設(shè)需要;另有10 km2轉(zhuǎn)入,其中建設(shè)用地轉(zhuǎn)進的共有7 km2,占所有轉(zhuǎn)入面積的70%,其他為農(nóng)用地(20%)和城市綠地(10%)共同轉(zhuǎn)入。湖泊面積的增加與2002年后武漢市實施的一系列城市湖泊保護條例和措施密切相關(guān),由于社會各界開始意識到城市湖泊保護的生態(tài)意義,政府開始遏制湖泊填占,實施湖泊保護?？傮w來看,政府的保護政策、條例法規(guī)是城市湖泊面積變化的主要驅(qū)動因素。

圖2 1987—1996年,1996—2007年和2007—2016年武漢主城區(qū)湖泊轉(zhuǎn)移空間分布Fig.2 Distribution of lake area transfer during 1987—1996, 1996—2007 and 2007—2016 in Wuhan urbanized area

3.3 1987—2016年武漢城市湖泊生態(tài)效益及生態(tài)服務(wù)價值響應(yīng)

在遙感提取武漢市主城區(qū)不同年份湖泊水域面積的基礎(chǔ)上,結(jié)合不同時期湖泊開發(fā)利用模式及生態(tài)環(huán)境特征,參考相關(guān)研究成果,對武漢主城區(qū)相關(guān)研究年份的湖泊及流域水面生態(tài)效益和生態(tài)價值進行了估算(表4)。1987年和1996年由于主城區(qū)湖泊面積差別較小且生態(tài)環(huán)境特征類似,總的生態(tài)價值比較接近,約為21億元;9年間生態(tài)服務(wù)總價值增加0.17億元,增加了0.81%,主要是由于城區(qū)人口增加導(dǎo)致湖泊凈水價值的提高。從1996年到2007年11年間,湖泊面積減少了59.5%(表3),主城區(qū)湖泊生態(tài)服務(wù)價值隨之減少14.16億元,減少了67.06%,以平均每年6.1%的速度減少,每年損失生態(tài)服務(wù)價值約1.29億元。2016年主城區(qū)湖泊面積比2007年增加了6.9%(表3),但其生態(tài)服務(wù)價值總量卻減少了2.44%,從表4中可知,其他各生態(tài)服務(wù)功能價值均不變或不同程度增加,只有凈化水質(zhì)的生態(tài)價值減少且比重較大,導(dǎo)致年度總價值的減少?？傮w來看,1987—2016年武漢主城區(qū)湖泊生態(tài)服務(wù)價值減少14.17億元,共減少了67.64%,總體呈現(xiàn)遞減的趨勢。一方面由于城市化導(dǎo)致研究區(qū)湖泊水面被大量侵占,29年間減少了82 km2,使得與面積相關(guān)的生態(tài)服務(wù)價值如調(diào)節(jié)氣候和調(diào)蓄洪水的總價值減少幅度過大;另一方面則是由于城市污染排放量增大使湖泊水質(zhì)惡化,從而導(dǎo)致湖泊水源質(zhì)量降低、凈化水質(zhì)的功能退化,相應(yīng)的服務(wù)功能價值量明顯減少。

表4 武漢主城區(qū)湖泊生態(tài)效益及生態(tài)價值

從各生態(tài)服務(wù)功能的價值構(gòu)成來看,綜合四年的估算結(jié)果,調(diào)蓄洪水的生態(tài)服務(wù)價值最大,占總價值的48.84%,其次為凈化水質(zhì)(19.35%)、涵養(yǎng)水源(14.16%)、提供生物棲息地(10.07%)、文化娛樂(2.98%)、教育科研(2.26%)、調(diào)節(jié)氣候(1.03%)、固碳(0.94%)、釋氧(0.28%)和揚塵削減(0.09%)生態(tài)服務(wù)價值。但不同年份各生態(tài)服務(wù)價值構(gòu)成卻不完全一致,1987年和1996年構(gòu)成比例一致,生態(tài)服務(wù)價值最高的前3為分別為調(diào)蓄洪水(42.83%)、涵養(yǎng)水源(26.72%)和凈化水質(zhì)(13.71%),共占總服務(wù)價值的83.26%;2007年和2016年構(gòu)成比例一致,前3位依次為調(diào)蓄洪水(54.84%)、凈化水質(zhì)(24.99%)和提供生物棲息地(11.29%),占總價值的91.12%。盡管在主城區(qū)湖泊及流域的所有生態(tài)服務(wù)功能價值中,固碳釋氧、調(diào)節(jié)氣候及揚塵削減的價值比例較低,但對于武漢城市發(fā)展而言,其生態(tài)服務(wù)功能同樣具有重要意義。以服務(wù)價值比重較小的揚塵削減為例,相對所有生態(tài)服務(wù)功能價值總和,其占比僅為0.05%—0.14%,平均不足總量的0.1%;但根據(jù)武漢市環(huán)境質(zhì)量狀況公報結(jié)果,2016年武漢主城區(qū)降塵平均值為每月8.48 t/km2,年總降塵量為68993.3 t,研究估算當(dāng)年湖泊揚塵削減量為6165.2 t,占全年總降塵量的8.94%,其生態(tài)效益不可忽視。

4 討論

4.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位價值對比

湖泊或濕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價值與其面積、生態(tài)環(huán)境及所選擇的生態(tài)服務(wù)功能指標(biāo)息息相關(guān),選取城市湖泊水域生態(tài)系統(tǒng)主要的生態(tài)功能,分別與中國內(nèi)陸濕地生態(tài)系統(tǒng)71個濕地案例[21]以及湖泊型濕地生態(tài)系統(tǒng)[7,9,11-12]相關(guān)生態(tài)功能單位服務(wù)價值進行對比(表5)。從表中可知,本研究城市湖泊水域固碳和釋氧的單位生態(tài)服務(wù)價值遠(yuǎn)比湖泊型濕地和內(nèi)陸濕地生態(tài)系統(tǒng)對應(yīng)的平均值小,因固碳釋氧和調(diào)節(jié)氣候的服務(wù)價值與植物的生物量直接相關(guān)[17, 39],而武漢主城區(qū)湖泊水域只計算水生植物的生物量,不包括湖泊消落帶或濱水植物的生態(tài)價值。武漢主城區(qū)湖泊水域涵養(yǎng)水源、調(diào)蓄洪水和凈化水質(zhì)的單位服務(wù)價值均遠(yuǎn)低于內(nèi)陸濕地生態(tài)系統(tǒng)的平均值,但調(diào)蓄洪水和凈化水質(zhì)的單位生態(tài)價值明顯高于湖泊型濕地生態(tài)系統(tǒng)的平均值。這是因為內(nèi)陸濕地的研究案例對生態(tài)服務(wù)價值的估算針對整個濕地系統(tǒng),估算結(jié)果會與濱水草地、森林等其他生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值交叉或重復(fù),導(dǎo)致結(jié)果偏高[21];而對照的湖泊型濕地大多以自然或人為干擾較小的大型湖泊為主,相對于城市湖泊而言,調(diào)蓄洪水和凈化水質(zhì)的生態(tài)需求較小[7, 11]。前人不同案例地濕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能單位服務(wù)價值差別較大,不同研究對于濕地生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)涵認(rèn)定和范圍界定標(biāo)準(zhǔn)不同[21,23,32],且受到其他如區(qū)域特征、社會經(jīng)濟背景、計算方法等因素的影響[7- 18],影響了研究結(jié)果的可比性。

表5 主要生態(tài)功能單位價值量統(tǒng)計/(×104元/km2)

4.2 生態(tài)服務(wù)功能價值構(gòu)成對比

武漢主城區(qū)湖泊水域與多數(shù)濕地生態(tài)系統(tǒng)一樣,生態(tài)服務(wù)功能價值構(gòu)成中,調(diào)蓄洪水的生態(tài)價值比重最大,占到總價值量的48.84%,而濕地生態(tài)系統(tǒng)[17,20,29]對應(yīng)比重平均為33.02%—56%,結(jié)果基本一致;武漢主城區(qū)湖泊凈化水質(zhì)、涵養(yǎng)水源的生態(tài)價值比重僅次于調(diào)蓄水量的功能,分別為19.35%和14.16%,前人研究中濕地生態(tài)系統(tǒng)對應(yīng)值變化幅度大,但在總價值量中同樣占有較大的比重[17,21,32]。這說明無論是湖泊水面還是濕地生態(tài)系統(tǒng),盡管由于地域、時空、生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成、生態(tài)功能指標(biāo)體系等的差異性,各生態(tài)功能的服務(wù)價值比值有所區(qū)別,但是調(diào)蓄洪水、凈化水質(zhì)、涵養(yǎng)水源等水體所特有的生態(tài)功能服務(wù)價值,均占有較重的分量,具有森林、草地等其他自然生態(tài)系統(tǒng)所不具備的生態(tài)優(yōu)勢,有著不可替代的作用;尤其在硬質(zhì)地表覆蓋比例高、地表徑流大的城市地區(qū),湖泊和濕地生態(tài)系統(tǒng)由于其特殊的地形條件,在抵御洪澇災(zāi)害、調(diào)蓄水量方面有著極其重要的地位,是城市人居環(huán)境健康、維護城市生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的保障。而本研究中生態(tài)價值比例較低的調(diào)節(jié)氣候(1.03%)、固碳釋氧(1.22%)功能,在濕地生態(tài)系統(tǒng)中均有較高的占比[15,17-18, 21],分別為10%—20.86%和7.75%—20.46%,主要原因在于濕地生態(tài)系統(tǒng)中沼澤、灘涂、濱水等植物的生物量較高,導(dǎo)致城市湖泊水域與濕地生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)價值比重差別較大。

4.3 研究不足及展望

本文利用遙感技術(shù)動態(tài)分析1987—2016年武漢市主城區(qū)湖泊水域的時空演變特征及其驅(qū)動因素,定量探討湖泊水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值對人類活動及湖泊時空演變的響應(yīng)規(guī)律,能直觀揭示湖泊水域在維持城市生態(tài)系統(tǒng)安全中的重要作用,明確人類活動對城市湖泊時空演變及生態(tài)服務(wù)功能價值的影響,但仍存在一定的誤差和不確定性：研究中考慮到湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值會受到氣候、水質(zhì)、干擾程度等因素的影響,在進行生態(tài)價值估算時1987、1996、2007、2016年相關(guān)指標(biāo)按照相應(yīng)時期的實際情況取值,保證了一定的科學(xué)性,但由于不同時期城市湖泊資源所處的生態(tài)、社會經(jīng)濟環(huán)境復(fù)雜多變,核算時需要考慮更多的影響因素,才能保證估算結(jié)果的精確。同時,在估算湖泊水域提供生物棲息地、教育科研、文化娛樂等生態(tài)功能服務(wù)價值時,由于其服務(wù)方式難以直接定量,考慮到研究結(jié)果的可比性,直接采用國內(nèi)相關(guān)研究結(jié)果的平均值,這在一定程度上會影響生態(tài)價值的估算結(jié)果。另外,城市湖泊由于人類干擾較大,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值不僅受到所處環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)等自然因素的影響,更受不同經(jīng)濟發(fā)展時期湖泊資源利用方式、管理水平、價值偏好等人文因素的影響,相關(guān)的定量研究將是未來研究的重點。

5 結(jié)論

基于遙感影像及GIS技術(shù),對1987—2016年武漢市主城區(qū)湖泊水域的時空變化進行監(jiān)測,在此基礎(chǔ)上定量估算城市湖泊及流域水面的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值及變化,探討人類干擾較為頻繁的城市湖泊時空演變及其生態(tài)服務(wù)價值響應(yīng),有助于直觀理解城市湖泊保護對城市生態(tài)系統(tǒng)的意義。主要的研究結(jié)論如下：

(1)武漢市主城區(qū)湖泊及流域占研究區(qū)總面積的比例從1987年的21.22%降到2016年的9.13%, 29年間共縮減82 km2,減少了56.9%;湖泊及流域水系由原來縱橫交錯的網(wǎng)絡(luò)格局被割裂成相互分散的獨立斑塊;且越靠近城市建成區(qū),湖泊面積縮減越明顯,湖泊面積越小,填占現(xiàn)象越嚴(yán)重。

(2)人類的社會經(jīng)濟活動是武漢主城區(qū)湖泊動態(tài)變化的主要驅(qū)動力：① 1987—1996年：湖泊及流域變化率為-0.7%,主要是與農(nóng)用地之間的轉(zhuǎn)換,填湖種地和圍田養(yǎng)魚等農(nóng)業(yè)活動是湖泊面積變化的主要原因;② 1996—2007年：湖泊及流域總體變化率為-59.5%,主要是與農(nóng)用地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換,圍湖造田等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和房地產(chǎn)開發(fā)等城市建設(shè)共同導(dǎo)致湖泊面積的急劇減少;③ 2007—2016年：湖泊及流域變化率為6.9%,主要是與建設(shè)用地的相互轉(zhuǎn)換,湖泊保護政策及條例法規(guī)的實施是主城區(qū)湖泊面積增加的主要原因。

(3)城市湖泊及流域面積減少導(dǎo)致調(diào)節(jié)氣候和調(diào)蓄洪水的生態(tài)服務(wù)價值大量減少,城市生活污染和工業(yè)污染等排放量增加引起的水質(zhì)惡化使城市湖泊涵養(yǎng)水源和凈化水質(zhì)的生態(tài)功能退化,降低了其總體生態(tài)效益及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。1987—2016年,武漢主城區(qū)湖泊及流域生態(tài)服務(wù)價值由20.95億元減少到6.78億元,29年間共減少14.17億元,減少了67.64%;其中1996—2007年間減少速度最快,平均每年減少6.1%、損失生態(tài)服務(wù)價值1.29億元。

(4)從各生態(tài)服務(wù)功能的價值構(gòu)成來看,城市湖泊各生態(tài)服務(wù)功能的比重依次為：調(diào)蓄洪水>凈化水質(zhì)>涵養(yǎng)水源>提供生物棲息地>文化娛樂>教育科研>調(diào)節(jié)氣候>固碳>釋氧>揚塵削減。雖然城市湖泊及流域主要生態(tài)功能的單位服務(wù)價值遠(yuǎn)比濕地生態(tài)系統(tǒng)的平均值低,但其特有的調(diào)蓄洪水、涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)、提供生物棲息地等服務(wù)功能生態(tài)價值巨大,有著其他生態(tài)系統(tǒng)不可替代的優(yōu)勢;大氣調(diào)節(jié)等生態(tài)服務(wù)功能雖然價值量較小,但對提高城市人居環(huán)境質(zhì)量而言,其生態(tài)效益亦不可忽視。