城市土地利用的生態服務功效評價方法
——以常州市為例

陽文銳，李 鋒 ，王如松，熊俠仙，劉安生

(1.北京市城市規劃設計研究院，北京 100045;2.城市與區域生態國家重點實驗室，中國科學院生態環境研究中心，北京 100085;3.常州市規劃設計院，常州 213003)

我國正經歷著前所未有的城市化進程，城市化率由1978年的17.9%上升至2010年的47.6%［1］，并且這種快速城市化進程在未來的幾十年中還將繼續發展，至2030年我國城市人口的比例將達到總人口的60%［2］。有預測表明，至2035—2040年間，我國的城市化將達到70%的水平［3］，因此，在今后很長一段時間里，我國的城市化將保持較高的發展水平。城市化促進了社會和經濟的快速發展，但與此同時，城市化也給城市帶來了嚴重的環境問題，如熱島效應［4-8］，地表水污染［9-11］，土壤污染［12-13］以及大氣污染等，2007年，我國287個大城市中只有60.5%的城市空氣質量達到國家環保部的空氣質量標準［14］。城市化過程主要表現為土地利用的變化過程，這個過程直接改變了地表景觀，影響了生物多樣性和生態系統生產力、流域特征以及生物地球化學循環［15-18］，也間接的從不同的尺度改變了非生物環境條件;包括大氣的化學組分、氣候以及土壤特性等［19-24］，這些變化削弱了自然生態系統為城市提供的重要生態服務功能。

土地利用/土地覆蓋的變化影響著生態系統的服務功能［25］。Li等［26］對深圳的城市土地利用變化過程中的生態服務價值變化進行了分析，認為由于快速的城市化，深圳的土地生態服務損失了近23億元。Bin等［27］利用TM和ETM遙感影像分析了上海東灘的土地利用變化，并利用生態服務功能的評價方法分析了土地的生態服務功能的變化，結果表明由于土地利用/土地覆蓋的變化導致了土地生態服務功能的價值損失高達61%。Yaoshida等［28］分析了Lao PDR北部罌粟生產區的土地利用變化和生態系統服務功能價值的變化。結果表明由于土地利用變化導致了土地生態服務功能價值損失了11.74%。因此，在當前我國快速的城市化過程中，科學合理的土地利用是保證城市擁有良好人居環境和可持續發展環境的重要前提。

生態服務功能是“人類直接或間接地從生態系統功能得到的效益”［29］。生態服務功能在一定的時空范圍內為人類提供的產出構成生態服務功效，是生態服務功能實際發揮的效應，可分為正功效和負功效［30］。如Zhang等［31］認為土地整理復墾可以提高土地的碳匯儲量，但是同時Yu等［32］認為土地整理可以增加生態風險，導致生態系統不穩定。森林火災能導致森林生態系統的結構發生變化，增加溫室氣體排放，但同時森林火災可以森林促進或保持較高的第一生產力［33］。濕地具有調節水文、涵養水源、保護生物多樣性、促進生態系統碳氮循環等生態服務功能，但是濕地也是主要溫室氣體的“源”，是大氣甲烷的主要來源，是氣候變暖的因素之一［34］。根據生態控制論原理，任何一種生態服務只能在一定范圍內對人類社會有用。任何一種有害的生態現象，在一定的環境下都能變成對人直接或間接有用的服務［30］。因此生態服務其產生的效應可分為正向和負向的功效。本研究基于城市化進程中的土地生態復合功效評價，探討了土地復合生態調控的措施和方法，以期為可持續的城市土地利用規劃和管理提供研究思路和方法上的借鑒。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究地區概況

常州地處江蘇省南部，位于北緯31°09'至 32°04'，東經119°08'至 120°12'之間，北倚長江天塹，南與安徽省交界，東瀕太湖與無錫市相連，西與南京、鎮江兩市接壤。境內地勢西南略高，東北略低，地貌類型屬高沙平原，山丘平圩兼有。常州市屬北亞熱帶季風性濕潤氣候區，氣候溫和濕潤，年均氣溫16.3℃;雨量充沛，年降水總量1068.9mm;日照充足，年日照時間2035h，無霜期長，年無霜期237d;常年主導風向為東南風，春夏秋冬四季分明。常州市轄5個市轄區，代管2個縣級市，即天寧區、鐘樓區、戚墅堰區、新北區、武進區、溧陽市、金壇市。研究區為市區主要轄區，不包括縣級市，即天寧、鐘鼓、戚墅堰、新北和武進區，總面積1864km2(圖1)。

1.2 數據來源

該研究基礎數據來自于2006年9月18日的LandsatTM遙感影像，以1∶5萬地形圖和常州市土地利用現狀圖作為參照。在Erdas Imagine 9.2的平臺下，對影像進行合成、幾何校正和配準后，參照地形圖對數據進行目視解譯和監督分類，將研究區分為林地、草地、農田、水域、建設用地四類，通過隨機取樣的方法對分類結果進行Kappa檢驗，達到0.82，高于最低允許精度的要求。

其他數據分別來源于常州市環境質量報告(2006年)、土地利用規劃(1996—2010年)、常州市統計年鑒(2006年)和常州市城市總體規劃(2004—2020年)。

1.3 研究方法

1.3.1 評價指標和計算方法

指標體系的選取遵從全面性、客觀性、可測性、可獲得性和可操作性的原則，將評價指標體系分為三級指標，第三級指標中分為屬性指標和度量指標，度量指標直接對應于屬性指標，用于表征土地生態服務的類型和特征。指標的選取充分考慮空間的可表達性，盡量將土地的生態服務進行空間的表達。所以本文對土地的評價選取了如表1指標，表1中各個指標的權重通過專家群決策打分，通過構造判斷矩陣后進行層次分析法計算，通過一致性檢驗后分配各個指標的權。

1.3.2 標準化方法

Si為指標標準化值，max(index)為指標最大值，min(index)為指標最小值，indexi為第i個指標值。

生態服務正效應指數為:

生態服務負效應指數為:

式中，Service_positive為正效應綜合指數，Service_negative為負效應綜合指數，pi為第i個指標的權重，Si為第i個指標的標準化值。

圖1 研究區地理位置圖Fig．1 The location of study area

表1 土地生態服務功效評價指標Table 1 Indices of land's eco-services efficiency assessment

復合生態服務功效綜合指數為:

式中，ppositive為正功效權重，pnegative為負功效權重。

1.3.3 空間分析方法

遙感影像監督分類后，在GISArcinfo 9.3平臺下，采用Arctoolbox中的create fishnet工具將市域土地劃分為1km×1km的單元網格，統計每個單元格內的生態服務評價指標，并進行綜合計算。

2 結果與分析

2.1 土地生態服務正功效

(1)涵養水源、調蓄洪能力和環境凈化

常州市年平均降水量1071.5mm，市域水面總面積共283.87km2，其中太湖水面37.5km2，滆湖水面110km2，長江水面14.8km2，地表水資源量豐富，常年地表水資源總量約42億m3。由于常州市環境基礎設施有限，水處理能力落后與工業發展的速度，水環境質量不容樂觀，根據常州市環境質量報告，常州市主要河流上游水體質量基本維持在Ⅴ類，而下游水體基本為Ⅳ類水質(圖2)，根據葉亞平對水生態服務功能的算法［35］，常州市水體的凈化能力大約為 NH3-N，5097.5t/a;CODCr，37148.1 t/a。

圖2 土地生態服務正功效圖Fig．2 Land's positive eco-service efficiency

由于地處長江下游地區，在雨水集中的季節，特別是遇到暴雨或急驟融冰融雪等自然因素，城市易形成洪澇災害。常州市濕地分布多，市區內坑塘、灘涂面積占到濕地總面積的10%左右。城市河網面積由20世紀90年代的17%下降到2006年的8%，如果按照水位漲落1m計算，水域濕地的洪水調蓄功能損失達1.55億m3，此外加上河道淤積的的損失達1.24億m3，而當前城市內的河網湖泊的調蓄功能僅為1.57億m3，濕地水域的城市調蓄洪能力大大減少。

(2)植被氣候調節及固碳釋氧能力

植被覆蓋變化通過改變地表反照率、粗糙度和土壤濕度等地表屬性，從而影響輻射平衡、水分平衡等過程，最終可以導致區域降水、環流形勢及大氣溫度、濕度等氣候變化。常州市的植被覆蓋以西北和東南部為高，是常州的自然植被分布相對集中的區域，為常州區域小氣候調節起到了一定的作用。利用前人文獻中各類生態系統的凈初級生產力數據［36-37］，根據光合作用反應方程式計算出各類用地的生態系統凈初級生產力以及固定的二氧化碳和釋氧的量(表2)。

表2 常州市植被釋氧固碳功能Table 2 Capacity of oxygen releasing and carbon sequestration of plants

(3)生物質生產能力

土地對于城市的生態服務功能中，生物質的生產能力是主要的功能之一。由于缺少耕地綜合肥力的數據，在本研究中，常州市土地的生物質生產能力直接用耕地的分布面積來表示，未包含水域的水產品生產能力。結果如圖2。1991年，常州市農田面積占市區總面積64.9%，由于城市化和工業化進程，耕地面積不斷減少，耕地主要轉化為城市建設用地，耕地2006年降低到43.9%。生物質生產能力處于不斷下降趨勢。

(4)景觀美學

綠地斑塊的服務半徑是綠地服務功能的重要指標，在不同空間尺度上有不同的服務半徑。以市區的主要公園綠地景觀服務半徑作為生態用地景觀生態服務功能的指標之一，本文以日本不同公園服務半徑標準［38］對主要城市公園綠地景觀1000m緩沖分析，進行指標的標準化，如圖2。城市中心區城市公園相對集中，中心城外圍地區公園綠地則相對分散。結果表明，城市公園綠地及其服務范圍的覆蓋面積小而不均，僅占研究區面積的18%左右，由于城市中心區公園相對集中，為市中心區的人群提供了良好的景觀生態服務。

(5)邊緣效應

城市生態學強調人與自然最大程度的交流，認為城郊結合部相對市區有較大的邊緣效應和較高的生態服務功能，其生態服務的強弱的高低與人與自然邊緣線的長短呈正相關，即單位周長的邊緣線服務的城市面積越大生態效益越差［30］。本研究將水域和非建設用地的邊緣提取后，利用邊緣線長度與面積的比值作為衡量土地的邊緣效應，兩者等權加和后作為為其綜合邊緣效應。城市的中心區的邊緣效應明顯低于其外圍的的區域，開放空間以及河網濕地分布較多的東西部和北部區域的邊緣效應較高(圖2)。

(6)水土保持

土壤對水土流失的影響主要與土壤的質地有關［39］，根據常州市的土壤普查調查結果，常州市的土壤類型99.89%為水稻土類型。相關研究［40-41］表明土壤的持水能力除了主要與土壤質地相關外，還與植被的類型相關。由于常州市土壤類型差異不大，所以在衡量土地的水土保持能力的生態服務功能時，本研究僅以土地的植被覆蓋類型及面積來表示，單位面積蓄水模數林地＞草地＞耕地(圖2)。

2.2 土地生態服務負功效

(1)大氣污染物廊道

城市大氣污染物主要來自汽車尾氣，占到50%-80%甚至以上［42-43］。本研究以道路交通網的占地作為衡量城市大氣污染物廊道的主要指標，結果如圖3所示。

(2)熱島效應

城市的熱島效應與植被覆蓋有直接的線性關系，植被覆蓋度高則降溫效果明顯［44-46］。城市中由于硬化地表的地面反射率高，更容易吸收太陽的輻射熱，所以城市內部表現出與周圍不同的熱環境，本研究為了更直觀的表達城市的熱效應，以硬化地表的面積作為衡量熱島效應的指標，結果如圖3，綠色部分表示熱效應不顯著，紅色表示熱島效應越明顯。

(3)景觀破碎

運用Fragstats軟件對土地的景觀指數進行了分析，選用斑塊數、斑塊密度、景觀形狀指數和最大斑塊指數來表征景觀的破碎化。分析結果見表，相比其他幾類用地，建設用地的斑塊數最多，斑塊密度最大，最大斑塊指數最低，景觀形狀指數越大，說明斑塊的形狀越不規則，建設用地的形狀指數最大，表明城市人類活動強烈，景觀破碎化程度高。本研究為了表征景觀的破碎度，選擇了城市人口密度作為表征參數，人口密度越大表征其破碎化程度越高，反之亦然(圖3)。

圖3 土地生態服務負功效圖Fig．3 Land's negative eco-service efficiency

表3 常州市土地景觀格局指數Table 3 Land's landscape pattern indices of Changzhou

(4)能源消耗

在2006年常州市的國民經濟收入中，第一產業占3.79%，第二產業占60.37%，第三產業占35.85%。常州市正處于快速的工業化階段，城市的發展需要大量能源的投入，而工業的能源投入占城市的能源消費的主要部分。為了便于空間量化的表達，本文采用工業用地的占有量來衡量城市的能源消耗強度具有一定的代表性(圖3)。

2.3 復合生態服務功效

將正負生態效應加權疊加后形成土地的復合生態功效，結果圖4所示，在劃分的1km×1km的土地格網中，有35.5%的土地復合生態服務功效為負效應，而64.5%的生態服務用地為正效應。城市中心城地區及長江沿岸地區的復合生態服務功效較低。近年來，隨著城市化進程的加速，常州市的建設用地需求日益增加，通過對比不同時期的土地利用圖，從1991—2006年，常州市的建設用地量增加了451km2，其中90%的用地增量是以農田的減少為代價的，其次是林地和水域。2006年以前，市區東部地區分布著大量的小型水域濕地，但由于城市發展的空間戰略向南北和東西方向擴展，大量濕地和其他非建設用地因轉為建設用地而消失。城市東部地區土地的生態服務功能退化，呈負功效。

圖4 土地復合生態服務功效圖Fig．4 Land's complex eco-service efficiency

3 結論與討論

由于城市化的發展和城市人口的急劇增長，人類活動影響了土地對城市的生態服務功效，生態正功效逐漸衰弱甚至演變為生態負功效，對城市的生態健康和生態安全構成了威脅，阻礙了和諧社會和生態文明的建設。

常州市在過去近20年中經歷了兩次的城市規劃方案的修編，但每次規劃的用地方案都以最大程度的滿足經濟發展的需求，而忽視了對土地生態服務功能的保育。本文嘗試建立了土地生態服務功效的評價指標體系，并應用GIS工具將其表達在空間上，分析了土地生態服務正負功效的空間結構。結果顯示，常州市當前只有64.5%的土地為城市提供著正向生態服務。由于常州市東部毗鄰無錫市，而且常州城市的發展是以穿越城市內部的運河沿岸而發展起來的，東部城市的吸引力和沿河發展的驅動力使得城市整體空間格局向東部延伸，城市化占用生態用地導致土地生態服務功能下降萎縮。最近的城市規劃調整了城市空間發展思路，逐步向南北方向延伸，所以城市土地的生態服務負功效空間格局也與城市發展空間格局類似。如果按照當前的城市化發展思路，為城市提供生態服務正向功效的用地將持續減少，需要從空間上對城市的發展結構進行優化，保育64.5%的土地生態服務正功效，對生態服務負功效的地區進行調控和提升。

(1)生態系統服務功效生態系統服務功能是當前生態學研究的熱點問題，從生態系統服務功能的概念產生以來，以Constanza為代表的生態服務功能價值評價理論成為當前評估生態系統服務功能的主要方法之一，評估的領域主要包含了17項生態系統的正向產出。然而，生態服務功能的產出為生態服務功效，包含了正功效和負功效，本文嘗試了運用地理信息系統和遙感分析工具從空間的角度評價城市土地的復合生態服務功效，為生態服務功能評價提供了新的思路。

(2)評價方法采用單元網格法分析城市土地生態系統服務功效的方法還尚未見到相關研究成果。采用1km×1km網格大小，分析每個網格內部的土地生態服務功效，便于土地管理者從空間上辨識每個地塊的土地生態服務狀態，有利于制定更好進行土地生態管理和城市土地可持續利用的決策。

(3)評價指標體系的完整性建立了土地生態服務功效的屬性指標體系，并建立了表征這些屬性指標的度量指標，從空間的角度表征土地的生態服務，但是由于受到資料和數據可獲得性的限制，度量指標并不能完整地體現土地生態服務。然而從研究的方法而言，該方法相比傳統的生態服務功能價值計算方法更具有實用性和直觀性。

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