城市生態系統服務價值及其人為影響
——以濟南市區為例

， ，

(山東師范大學 地理與環境學院, 山東 濟南 250358)

隨著城市化進程的快速推進，作為經濟-社會-生態復合系統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展提供物質基礎，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問題，如環境污染嚴重、生態恢復力降低、生物多樣性減少等，因此，土地利用變化對生態系統也有重要影響，能夠引起生物量和穩定性的改變[3]。

城市“生態用地”的概念由董雅文等[4]較早提出，隨后國內許多學者對此加以關注，基于城市生態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探討[5-8]。國外相關研究中并未將生態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用地的思想[9]。Costanza等[10]于1997年刊登在《自然》上的一篇關于全球生態系統服務價值評估的文章，奠定了對生態系統服務價值研究的基礎。隨后，國外學者從生態系統現狀、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上對Costanza系數進行了有意義的改進，得到了適用于中國的生態服務價值當量表，用來評估不同生態系統的服務價值。國內諸多學者還利用不同技術和方法，從不同的時空尺度，對土地利用變化引起的不同生態系統服務價值變化進行研究[15-18]，但是，目前依據城市土地利用類型的時空格局演變，探討城市生態系統服務功能的研究還相對較少。為推進城市生態文明建設，《國家新型城鎮化規劃(2014—2020年)》明確提出： 要按照統一規劃、 協調推進、 集約緊湊、 疏密有致、 環境優先的原則， 統籌中心城區改造和新城新區建設， 提高城市空間利用效率， 改善城市人居環境。由此可見，提升和強化城市生態服務功能,已成為環境優先、 建設美麗城市的重要環節。本文中選取濟南市區作為研究區， 通過遙感解譯和地理信息技術(GIS)分析等,對城市生態用地空間結構及其生態服務價值變化情況進行分析，并探究兩者之間的相互關系以及人類活動對城市生態系統的影響程度， 以期為濟南城市合理規劃布局、生態用地保護以及實現城市可持續發展提供參考和依據。

1 研究區概況

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，地形復雜多樣。全市轄區面積為7 998 km2，2016年總人口達到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。南部山區物種資源豐富，是重要的生態保護區和水源涵養地。本文中的研究區為濟南市區(歷下區、市中區、天橋區、槐蔭區、歷城區、長清區，因為考慮多個年份數據統計口徑的一致性，所以暫不包括章丘區)，面積為3 303 km2。近年來，城市大規模擴張導致用地矛盾日益突出，大量耕地和生態用地被建設用地擠占，生態系統服務價值也隨之變化，濟南市的發展受資源環境的約束力逐漸增強。2018年，中央批復山東新舊動能轉換綜合試驗區建設的總體方案，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型，不僅要適應經濟的快速發展，而且更要注重區域生態環境的承載能力。新時代新形勢下，合理規劃土地利用結構，是解決濟南市經濟發展和生態環境保護之間矛盾的基礎和保障。

2 數據處理與研究方法

2.1 土地類型劃分

依據遙感影像特征和研究區實際土地利用狀況以及研究需要，在相關土地類型劃分研究[19-21]的基礎上，根據土地分類標準，將研究區土地分為耕地、 水域、 林地、 建設用地、 草地和未利用地6個大類，本文中將生態用地界定為耕地、 水域、 林地、 草地和未利用地。

2.2 數據來源及技術處理

考慮到影像數據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、圖像裁剪等多種預處理操作，并通過目視解譯和監督分類的方法，獲得3期影像中研究區內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 土地利用動態度和土地利用結構分析

1)單一土地利用動態度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是研究期內第i類土地利用類型轉為其他土地利用類型的絕對值。

3)土地利用結構分析。信息熵H表征土地利用結構的有序程度，其值越小表明該研究區內土地利用結構越有序，Nat；均衡度J表征土地利用結構的均衡性，其值在[0, 1]，值越小表明研究區內土地利用差異越小，均衡度越高；優勢度L則表示某類土地在研究區內的支配程度[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 城市生態系統服務價值的評估方法

在千年生態系統評估(MA)定義的生態系統服務功能概念的基礎上， 本文中將研究區劃分為6大生態系統， 并給出了其價值當量(見表1)。 參考謝高地等[14]在2015年改進的生態系統服務價值化方法： 1個標準當量因子的生態系統服務價值量是3 406.5元/hm2， 將生態系統的供給服務、 調節服務、 支持服務和文化服務細分為11種小類服務。

表1 單位面積生態系統服務價值當量

生態系統服務價值測算公式為

(6)

,

(7)

式中：VES為總的生態系統服務價值， 元；Ai為研究區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系統服務價值系數；VES, f是生態系統第f項服務功能的價值， 元；CV, fi是研究區第i種土地利用類型的第f項生態系統服務價值系數。

2.5 人為影響綜合指數計算

人為影響強度指數用來表示研究區內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；n為土地利用類型的數量，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；A為研究區內各類土地的總面積，hm2。本文中利用Lohani清單法、Leopold矩陣法和Delphi法并結合諸多專家學者的研究[24]，為減小誤差，人為影響強度系數Pi取3種方法的平均值(見表2)。

表2 人為影響強度系數

IHAI的值為0～1，數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 人為影響綜合指數等級

3 結果分析

3.1 土地利用空間結構變化分析

3.1.1 建設用地空間結構變化

從濟南市區2001、2006和2015年的土地利用狀況圖(見圖1)可以看出，濟南市區的建設用地呈東北—西南帶狀分布，多集中于歷下區、市中區、槐蔭區和歷城區北部。自長清區大學科技園開工建設以來，2005年入駐了大批高校，加之濟南市東拓迅速，使得濟南市區建設用地向西、向東擴張，呈“多中心-組團式”分布，形成“一城兩區”的空間布局。在2001—2006年間濟南市區建設用地的單一動態度達到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年間建設用地面積增長了9 453.42 hm2，這一時期土地綜合利用動態度為1.01%。濟南市在推進以人為本的城鎮化進程中大量農業人口市民化，并增加了基礎設施的建設，使得城市用地空間結構也發生快速變化。

3.1.2 生態用地空間結構變化

2001—2015年間濟南市區耕地大量減少，林地、 草地、 建設用地面積增加，而水域和未利用地面積保持穩定，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、建設用地、水域、草地、未利用地，而2015年各地類面積呈現較為顯著的變化趨勢，依次是林地、建設用地、耕地、草地、水域、未利用地(見圖1和表4)。研究期內林地面積所占比例最高，主要分布在南部山區，這是濟南重要的水源涵養生態保護區，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，濟南拓展城市發展空間的同時也占據了大量的耕地資源。濟南市在城市建設發展過程中注重草地生態建設，使得草地面積在研究期內增加了5 657.47 hm2，單一動態度在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年間濟南市區土地利用狀況變化不大， 主要原因是受限于濟南市區所處的地理位置， 北部黃河沿岸多為基本農田區， 南部山區是重要的生態保護區， 多為禁止開發區和限制開發區， 從而制約了濟南市區的發展和土地利用類型的轉換。

濟南市區2001—2015年土地利用結構分析見表5。 從表中可以看出， 2001—2015年間濟南市區土地利用結構的信息熵從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用地的增加和農業結構調整，使建設用地面積迅速增加。 土地利用優勢度在研究期內從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，說明濟南市區的土地利用結構總體朝著均衡化、多樣化發展，林地所占面積最大，有利于濟南市區的生態建設和可持續發展。

圖1 濟南市區2001—2015年土地利用狀況

表4 濟南市區土地利用面積和動態度變化%

表5 濟南市區2001—2015年土地利用結構分析

3.2 城市生態系統服務價值變化

3.2.1 生態系統總服務價值變化

土地利用結構變化引起生態系統服務價值的變化情況見表6。 從表中數據可以看出， 2001—2015年濟南市區城市生態系統服務功能總價值由1.67×1010元增加到1.78×1010元。 森林生態系統的總服務價值最大， 超過整個生態系統服務總價值的80%； 水域生態系統服務價值較大，基本保持穩定；農田生態系統服務價值逐年減小，研究期內減少了42.48%；草地生態系統服務價值大幅增加，研究期內由8.03×106元增加到2.29×108元；研究區林地面積最大，森林生態系統服務價值也最大，說明其是濟南市區非常重要的生態系統。

3.2.2 生態系統服務價值類型變化

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

3.3 人類活動強度對生態系統服務價值的影響

為了測算研究區生態系統受人類活動影響的程度，本文中對研究區進行網格系統采樣，每個網格作為一個子單元，分別計算每個格子內的人為影響綜合指數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的空間分布圖(見圖2)。

表6 2001—2015年濟南市區各類生態系統服務功能價值

表7 2001—2015年濟南市區不同類型生態系統服務價值(VES)變化

從人為影響綜合指數的空間分布來看，研究區南部地區多林地和草地，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，隨著西部長清大學科技園建設、高鐵站的規劃建設和濟南東部高新區配套服務設施的完善，2001—2006年較高影響和高影響強度地區向東北—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擴張，這與濟南市“東拓、西進、南控、北跨、中優”的城市拓展和城鎮建設范圍有較強的空間一致性；南部山區地區隨著人類活動的增多，人為綜合影響指數逐漸由低影響強度向較低影響強度轉變。總體來看，濟南市區較高影響強度和高影響強度區域呈帶狀發展且集中連片，低影響強度區域變化不明顯。結合土地利用狀況，林地、草地和水域分布地區主要是低影響和較低影響強度區域；耕地主要分布在中影響強度區域；較高和高影響強度區域主要是建設用地，中影響強度向較高和高影響強度轉化的區域多發生在耕地向建設用地轉化的區域。

4 結論與建議

4.1 結論

1)通過2001、2006、2015年3期的遙感影像解譯，濟南市區土地利用變化呈現“三增一減兩穩定”的特點，建設用地、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定。從土地利用動態結構來看，總體上濟南市區土地利用朝著均衡、有序的方向發展。

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

圖2 人為影響綜合指數空間分布

3)受土地利用結構變化的影響，人為影響強度在空間上的變化與濟南市區城市發展和建設范圍有較強的空間一致性，人為較高影響和高影響區域集中連片，生活空間和工礦建設空間嚴重擠壓了綠色生態空間，不利于生態恢復。

4.2 建議

推動城市發展與自然生態密切“縫合”，形成可持續的城市形態是城市健康發展的必然要求。基于本文中研究提出以下建議：

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

2)從生態系統穩定性和可持續性角度來看，南部山區以外的其他城市化地區在充分利用現有建設空間，努力提高土地利用效率的基礎上，還要保留必要的生態空間，通過城市總體規劃，加強城市生態基礎設施建設，建立保障生態環境良好發展的城市綠地和生態廊道，保證濟南市區的持續發展和生態可恢復性。

3)“十三五”期間，濟南市在“一帶一路”和新舊動能轉換等機遇的帶動下，隨著南部山區交通便利化，將迎來城鎮化的高峰期，建設用地的剛性需求將進一步加大，供需矛盾更加突出。濟南市應優化主體功能分區，統籌生產、生活、生態空間分布，加快形成人口、經濟、資源環境均衡協調的市域空間格局，合理控制“東北—西南”狹長式擴張。