成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)人工濕地生態(tài)系統(tǒng)服務評價

周天慶 王 玲

(成都市規(guī)劃設計研究院，四川 成都 610041)

近年來，城市人工濕地受到越來越多的社會關注，同時呈現(xiàn)出多樣化的功能特征，特別是人工濕地的人文科教功能和休閑游憩功能(田毓龍, 2014)。人工濕地所提供的一系列“環(huán)境服務”，如生態(tài)調節(jié)、水量控制、污染處理、休閑娛樂以及文化科教等統(tǒng)稱為生態(tài)系統(tǒng)服務(金辛, 2015)。生態(tài)系統(tǒng)服務是自然生態(tài)系統(tǒng)及其物種維持和滿足人類生存，維持生物多樣性和生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品的條件和過程(王偉等, 2005)，其大小能直接反映人工濕地的規(guī)劃成效和建設價值，人工濕地生態(tài)系統(tǒng)服務評價工作具有重要意義。本研究參考生態(tài)系統(tǒng)服務評價工作的研究進展，結合成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)的規(guī)劃導向和現(xiàn)狀建設情況，通過分析人工濕地物質生產(chǎn)、氣候調節(jié)和文化科普3個功能，對人工濕地的生態(tài)系統(tǒng)服務進行評價(袁軍, 2004)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

《成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)總體規(guī)劃》中指出，成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)為原成都市“198地區(qū)”，即沿中心城區(qū)繞城高速公路兩側各500 m范圍及周邊七大楔形地塊內的生態(tài)用地和建設用地所構成的控制區(qū)。其中環(huán)城生態(tài)區(qū)生態(tài)用地由農(nóng)用地和園林綠地構成，總面積為133.11 km2(謝魯?shù)? 2013)。

環(huán)城生態(tài)區(qū)緊鄰成都市主城區(qū)，地貌屬于成都沖擊扇平原(周舒, 2008)。整體上東半環(huán)以淺丘地形為主，西半環(huán)相對平緩。區(qū)域內最高海拔高度約為596 m，相對高度102 m。區(qū)域屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，極端最高氣溫35.4 ℃，最低氣溫-4.7 ℃，多年平均氣溫16.1 ℃。多年平均降雨量894.4 mm，降雨主要集中在7—9月，約占全年總量的60%～80%。區(qū)域內水系屬于都江堰灌溉工程的分支，主要為岷江水系的府南河水系(張雪梅, 2005)。成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)在建設過程中依托現(xiàn)有河道、湖泊規(guī)劃形成“6湖8濕地”的生態(tài)湖泊水系，主要由湖泊、水生作物區(qū)、河流及其他水體等構成，總面積約28 km2，占整個環(huán)城生態(tài)區(qū)的21%。

1.2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源評價數(shù)據(jù)主要來源于《成都統(tǒng)計年鑒2018》《成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)總體規(guī)劃》《2001—2018成都市水資源公報》、中央氣象臺、成都市氣象局監(jiān)測數(shù)據(jù)及相關文獻中的統(tǒng)計調查數(shù)據(jù)等(李煒, 2008; 喻來等, 2016; 廖家惠, 2016)。

1.2.2 評級指標體系及評價方法從物質生產(chǎn)服務、生態(tài)調節(jié)服務和文化科研服務3個方面構建人工濕地生態(tài)系統(tǒng)服務綜合評價體系。結合成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)的實際情況，通過利用層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)和模糊隸屬度函數(shù)法(Fuzzy membership Function, FmF)，并借助matlab數(shù)學軟件對模糊隸屬度函數(shù)(smf函數(shù))進行計算，得到人工濕地生態(tài)系統(tǒng)服務綜合評價指數(shù)，形成最終的評價結果(趙麗霞, 2013)。

2 結果與分析

2.1 評價體系構建

結合國內外濕地生態(tài)系統(tǒng)服務評價的相關研究，本研究共梳理出要素層指標11項。并通過構建判斷矩陣，以特征向量的方法對人工濕地生態(tài)系統(tǒng)服務評價中的各項指標進行賦權。結合《成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)總體規(guī)劃》對指標進行重要程度判斷，依據(jù)重要程度分為4級，依次賦值為1、3、5、7。其中，準則層重要程度賦值分別為3、3、5，物質生產(chǎn)中食品生產(chǎn)和原料生產(chǎn)重要程度賦值分別為5、5。生態(tài)調節(jié)服務中氣候調節(jié)、儲水作用、排水作用、植物多樣性和動物多樣性的重要程度賦值為1、7、7、5、3，文化科研服務指標中年游客人數(shù)、游客滿意度、直接科研成果和文化科普活動的重要程度賦值為1、7、3、5。將各指標賦值帶入權重屬性，得到人工濕地生態(tài)系統(tǒng)服務綜合評價體系(表1)。

表1 人工濕地生態(tài)系統(tǒng)服務綜合評價指標體系Table 1 Comprehensive evaluation index system of artificial wetland ecosystem services

2.2 模糊隸屬度計算

2.2.1 物質生產(chǎn)服務模糊隸屬度成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)內食品生產(chǎn)面積為永久基本農(nóng)田總面積，總計35.51 km2；原料生產(chǎn)用地包括花卉苗木、中藥材、觀光農(nóng)業(yè)以及濕地觀光農(nóng)業(yè)，總面積為45.36 km2。

物質生產(chǎn)服務的smf函數(shù)為：

式中：y1x為食品生產(chǎn)和原料生產(chǎn)模糊隸屬度；x對應農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面積。

由公式(1)計算得出，食品生產(chǎn)模糊隸屬度y11=smf(20.73,[0,133.11])=0.1423，原料生產(chǎn)模糊隸屬度y12=smf(45.36,[0,133.11])=0.2322。

2.2.2 生態(tài)調節(jié)服務模糊隸屬度

(1)氣候調節(jié)。本研究將人工濕地生態(tài)系統(tǒng)服務的氣候調節(jié)功能通過生態(tài)穩(wěn)定性原理轉化為濕地系統(tǒng)內溫度和濕度的變化，通過對比溫濕差異性進行氣候調節(jié)評價。

三圣鄉(xiāng)地區(qū)和成都市兩地氣溫差值越大，說明三圣鄉(xiāng)地區(qū)溫度對于成都市月平均氣溫影響程度越大(表2)。

表2 成都市與三圣鄉(xiāng)月平均氣溫溫差統(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 2 Statistical data of average mean temperature difference between Chengdu and Sansheng village

生態(tài)調節(jié)服務的smf函數(shù)為：

表3 成都市與三圣鄉(xiāng)月平均相對濕度Table 3 Statistical data of average monthly relative humidity difference between Chengdu and Sansheng village

式中：y2h為最高溫溫差模糊隸屬度；y2l為最低溫溫差模糊隸屬度；x為最高溫或最低溫平均溫差值。

由公式(2)、(3)計算得出，月平均溫度模糊數(shù)學隸屬度為yT=smf(xh,[0,6])+smf(xl,[0,3])/2=(0.365+0.404)/2=0.3845。

同樣進行成都市與三圣鄉(xiāng)兩地相對濕度的影響分析，其中兩地平均相對濕度差統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3。三圣鄉(xiāng)地區(qū)和成都市兩地相對濕度差值越大，說明三圣鄉(xiāng)地區(qū)相對濕度對成都市月平均相對濕度影響程度越大。

相對濕度的smf函數(shù)為：

式中：yH為濕度對氣候影響模糊隸屬度；x為月平均相對濕度差。

由公式(4)計算得出，相對濕度隸屬度yH=smf(x,[0,7])=0.560。將溫度影響和濕度影響相疊加，得到人工濕地對氣候調節(jié)影響的隸屬度y21=(yT+yH)/2=0.4723。

(2)儲水作用。成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)共規(guī)劃建設蓄水湖泊6片，分別為安靖湖、北湖、錦城湖、江安湖、金沙湖和青龍湖，蓄水湖泊設計庫容及關系河道如表4所示。湖泊蓄水能力以府河為例進行評價，府河高橋段近10年月平均流量如表5所示(李煒, 2008)。

府河月平均變化總量約為2 700萬m3，豐水期河道水量調蓄主要用于河道枯水期水量補充，因此實際水量調蓄量為月平均變化量的一半，最終河道調蓄量為1 350萬m3。成都市周邊府河流域內小型水庫蓄水總量為324萬m3，剩余河道調蓄量為1 026萬m3。

儲水作用的smf函數(shù)為：

表4 成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)蓄水湖泊及主河道關系Table 4 Relationship between lakes and rivers in ecological zone around the city in Chengdu

式中：y為儲水作用模糊隸屬度；x為環(huán)城生態(tài)區(qū)人工濕地儲水量。

由公式(5)計算得出，成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)人工濕地儲水作用模糊隸屬度y22=smf(x,[0,1026])=0.1710

(3)排水功能。以青龍湖為例，青龍湖水庫設計洪水標準為30 a一遇(P為3.3%)。根據(jù)《城市防洪規(guī)劃規(guī)范》(GB 50201-2014)城市一般地區(qū)為防洪IV類保護區(qū)，防洪設計重現(xiàn)期要求為50 a，水庫洪水設計重現(xiàn)期越大則表示水庫抗洪能力越強。

排水功能的smf函數(shù)為：

式中：y為排水功能模糊隸屬度；x為人工濕地設計洪水標準。

由公式(6)計算得出，青龍湖水庫排水功能模糊隸屬度y23=smf(x,[0,50])=0.6800。

(4)生物多樣性。植物豐富度和動物豐富度均采用Gleason指數(shù)進行計算。

其計算公式為：

式中：dGl為Gleason指數(shù)(多樣性指數(shù))；S為物種數(shù)目；A為濕地面積,單位為hm2。

由《成都白鷺灣生態(tài)濕地公園水生植物應用研究》可知成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)內共有水生植物26種，動物503種(其中鳥類211種，其他動物類292種)(喻來等, 2016)。成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)水生植物多樣性為dGl=S/lnA=26/ln66.6=6.19。動物種類數(shù)據(jù)以青龍湖為例，計算得到動物多樣性為dGl=S/lnA=384 /ln480=58.87。以成都濕地生物多樣性研究背景作為植物豐富度、動物豐富度的模糊隸屬函數(shù)的上限參數(shù)。其中，植物多樣性上限為22.18，動物多樣性上限為59.24。

生態(tài)多樣性的smf函數(shù)分別為：

式中：y為動植物多樣性模糊隸屬度；x為環(huán)城生態(tài)區(qū)人工濕地現(xiàn)狀動植物多樣性。

由公式(8)、(9)計算得出，成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)植物多樣性模糊隸屬度y24=smf(6.19,[0,22.18])=0.1558，動物多樣性模糊隸屬度y25=smf(58.87,[0,59.24] )=0.9999。

表5 府河近10年月平均流量Table 5 Average flow of Fuhe river in recent ten years

2.2.3 文化科研服務模糊隸屬度

(1)年游客人數(shù)。由于環(huán)城生態(tài)區(qū)建設周期不同，本研究以建成周期最長的三圣鄉(xiāng)公園作為研究對象。三圣鄉(xiāng)景區(qū)游覽面積共計12 km3，年接待游客1225.84萬人次，單位面積年游客人數(shù)為1.021人/(m2·a)。根據(jù)旅游區(qū)基礎設施規(guī)劃，三圣鄉(xiāng)旅游區(qū)最大承載力為1.21人/(m2·a)。過多的游覽人數(shù)會影響游覽區(qū)的文化旅游功能，因此單位面積年游客人數(shù)對文化旅游功能的影響服從正態(tài)分布，當單位面積年平均游覽人數(shù)達到旅游區(qū)最大承載力時文化旅游功能最佳。

年游客人數(shù)的smf函數(shù)為：

式中：y為年游客人數(shù)模糊隸屬度；μ為最大承載力，取值為1.21；σ為參數(shù)，取值為1。

由公式(10)計算得出，三圣鄉(xiāng)旅游區(qū)單位面積年游客人數(shù)模糊隸屬度y31=gaussmf(1.021,[1.21,1] )=0.998

(2)游客滿意度。游客滿意度數(shù)據(jù)結果來自于《成都市三圣鄉(xiāng)休閑農(nóng)業(yè)游客滿意度研究》問卷調查結果。此次調查共發(fā)放問卷300份，其中有效問卷為285份，有效問卷率95%。數(shù)據(jù)統(tǒng)計按照不滿意到非常滿意，分為5級分別計1～5分，評價內容包括旅游區(qū)交通、環(huán)境、聲譽、服務、活動、消費6個方面，最終游客滿意度為3.48分(廖家惠, 2016)。總體滿意度分值對游客滿意度的影響為效益型，符合模糊隸屬度函數(shù)“S”型分布。

游客滿意度的smf函數(shù)為：

式中：y為游客滿意度模糊隸屬度；x為游客滿意度評價結果。

由公式(11)計算得出，成都市三圣鄉(xiāng)休閑農(nóng)業(yè)游客滿意度模糊隸屬度y32=smf(3.476,[1,5] )=0.7097。

(3)直接科研成果。通過對成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)相關的學術論文進行科研成果判斷，結合信息檢索，共得到相關學術論文296篇。直接科研成果對于科研教育的影響為效益型，不具有封閉性。

直接科研成果的smf函數(shù)為：

式中：y為直接科研成果模糊隸屬度；x為直接科研成果數(shù)量。

由公式(12)計算得出，成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)直接科研成果模糊隸屬度y33=1-(1/296)=0.9966。

(4)文化科普活動。成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)白鷺灣濕地公園文化科普宣傳活動的主要形式為人工濕地保護網(wǎng)絡宣傳、現(xiàn)場展板科普和文化科普沙龍活動。本研究根據(jù)實際宣傳效果和承辦難易度對不同活動類型進行賦值，根據(jù)不同活動次數(shù)，得到白鷺灣濕地生態(tài)公園的文化科普得分如表6。

表6 白鷺灣濕地生態(tài)公園的文化科普得分Table 6 Cultural popularization score of the Egrets Bay wetland ecological park

文化科普活動的smf函數(shù)為：

式中：y為文化科普活動模糊隸屬度；x為現(xiàn)狀文化科普活動得分。

因此，由公式(13)計算得出：成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)白鷺灣濕地公園文化科普活動模糊隸屬度y34=smf(43,[0,75] )=0.6359。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務綜合評價結果

將各指標模糊隸屬進行加權最后得到人工濕地生態(tài)系統(tǒng)服務綜合評價指數(shù)(表7)。

表7 人工濕地生態(tài)系統(tǒng)服務綜合評價指數(shù)Table 7 Statistical table of integrated evaluation index of artificial wetland ecosystem services

綜上所述，通過構建成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務綜合評價體系，結合模糊隸屬度函數(shù)，計算得到其生態(tài)系統(tǒng)服務綜合評價指數(shù)為0.517，其中物質生產(chǎn)服務、生態(tài)調節(jié)服務和文化科研服務分別是0.0511、0.1210和0.344 7，其貢獻率分別為10%、23.4%和66.6%。11項生態(tài)系統(tǒng)服務功能貢獻率的比較發(fā)現(xiàn)，游客滿意度最高(27%)，其次是文化科普活動(17%)、直接科研成果（16%），儲水作用較小(3%)，氣候調節(jié)最小(3%)(圖1)。

圖1 成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務綜合評價統(tǒng)計Fig.1 Statistical chart of ecosystem service comprehensive evaluation of ecological zone around the city in Chengdu

3 結論與建議

3.1 結論

(1)通過層次分析法和模糊隸屬度函數(shù)法對成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)人工濕地生態(tài)系統(tǒng)服務進行綜合評價，最終得到人工濕地生態(tài)系統(tǒng)服務綜合評價指數(shù)為0.517。說明成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務整體良好，能夠在一定程度上發(fā)揮人工濕地的生態(tài)服務功能。

(2)環(huán)城生態(tài)區(qū)目前物質生產(chǎn)服務較弱，僅占全部生態(tài)系統(tǒng)服務的10%，反映出人工濕地生態(tài)系統(tǒng)的自給能力不足。水量調節(jié)功能貢獻率占綜合評價指數(shù)的14%，表明成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)人工濕地能夠發(fā)揮其儲水和排水調節(jié)的服務功能。動植物多樣性功能貢獻率占綜合評價指數(shù)的9%，成都環(huán)城生態(tài)區(qū)為絕大多數(shù)濕地鳥類和濕生植物提供了良好的棲息生存環(huán)境，有助于維持環(huán)城生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文化科研服務貢獻率占綜合評價指數(shù)的66.6%，表明成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)從交通、環(huán)境、消費、活動和服務等多個方面都能滿足周邊市民的文化旅游需求。綜上所述，成都市環(huán)城生態(tài)區(qū)的文化科研服務發(fā)展良好，與周邊市民的聯(lián)系強、互動高。

3.2 建議

(1)環(huán)城生態(tài)區(qū)范圍內應嚴格保護永久基本農(nóng)田，提升環(huán)城生態(tài)區(qū)的農(nóng)業(yè)物質生產(chǎn)服務功能。禁止建房、挖沙等破壞活動，禁止違規(guī)占用永久基本農(nóng)田建設休閑旅游、倉儲廠房等設施。通過農(nóng)田規(guī)?；N植，構建新型農(nóng)田形態(tài)，打造多元復合的都市農(nóng)業(yè)景觀。

(2)保證環(huán)城生態(tài)區(qū)繞城區(qū)域的水網(wǎng)格局，進一步提升環(huán)城生態(tài)區(qū)人工濕地動植物多樣性。借助原有濕地、水田等生態(tài)空間形成蓄水面，并通過恢復和增設支流溝渠構筑內聯(lián)外通的水網(wǎng)體系，逐步實現(xiàn)水系連通，增強區(qū)域整體的蓄水能力。實現(xiàn)環(huán)城生態(tài)區(qū)人工濕地與成都市周邊生態(tài)廊道的連通，形成生物生境空間網(wǎng)格，為成都市動物生存棲息提供良好環(huán)境。

(3)環(huán)城生態(tài)區(qū)人工濕地較好地發(fā)揮了文化科研的生態(tài)系統(tǒng)服務功能，在此基礎上依托生態(tài)本底，充分挖掘片區(qū)特征與消費潛力。結合綠道實現(xiàn)濕地景觀串聯(lián)，培育多元個性的綠色消費，增強綜合消費吸引力。