張雪花,郝彪,張寶安
1. 天津工業(yè)大學環(huán)境經濟研究所,天津 300387;2. 河北環(huán)境工程學院,河北 秦皇島 006112
基于GIS的城市綠化生態(tài)服務量及其均等化評價
張雪花1,郝彪1,張寶安2
1. 天津工業(yè)大學環(huán)境經濟研究所,天津 300387;2. 河北環(huán)境工程學院,河北 秦皇島 006112
城市綠地是城市生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分,具有重要的生態(tài)服務功能,為了客觀科學地評價城市綠地的綠化效果和生態(tài)服務均等化水平,以天津市濱海新區(qū)漢沽區(qū)河西區(qū)塊為例,采用生態(tài)綠量測度城市綠化的生態(tài)服務量,以GIS作為城市綠化生態(tài)服務量的分析工具,并結合距離衰減模型及源疊加模型,計算不同斑塊所承接到的不同綠化源的生態(tài)綠量;構建可視化系統(tǒng),展現各斑塊生態(tài)綠量的空間分布情況。結果顯示,從整體水平看,研究區(qū)生態(tài)綠化建設效果良好,大部分斑塊達到了生態(tài)綠量的基準線51.848,只有西南角部分斑塊沒有達標。從分布情況來看,研究區(qū)生態(tài)綠量分布并不均勻,表現為同一緯度上東部比西部生態(tài)綠量的接收量高,且呈現由東到西逐步遞減的趨勢;而同一經度上北部比南部生態(tài)綠量的接收量高,呈現由北到南逐步遞減的趨勢。其中,研究區(qū)東北區(qū)塊與西南區(qū)塊的接收量差距最大,斑塊接收的生態(tài)綠量最大值為161,最小值僅為46,均等化水平較低。應用文中的研究方法可以精準找出城市綠化生態(tài)服務較為薄弱的斑塊,對城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃具有一定的參考價值。
城市綠化;生態(tài)服務功能;基本公共服務;均等化評價
城市綠化在美化環(huán)境、提高宜居水平和調節(jié)局域氣候等方面發(fā)揮著重要作用,具有重要的生態(tài)服務功能(趙丹等,2011)。因此,中國在模范城市、生態(tài)市、生態(tài)縣建設標準中,對生態(tài)綠化都提出了明確要求,出臺了涉及綠地覆蓋面積、人均綠地、人均公共綠地面積等方面的指標及達標標準,但上述標準無法客觀反映不同綠化結構下的生態(tài)服務功能的差異。綠地均勻度分析和綠地群落組成的研究彌補了這一不足,高祥偉等(2013)應用可達性分析,Marian et al.(2000)層次分析等方法對城市綠化空間分布情況和綠地結構進行了測度??傮w來看,城市綠地評價從關注評價綠地面積、綠地覆蓋率(盧小麗,2011)和綠地結構(肖建武等,2011),逐步擴展到關注城市綠地生態(tài)服務功能。生態(tài)服務是基本公共服務最基礎和最重要的內容之一,而生態(tài)服務的均等化更是關乎每個公民公平享受生態(tài)服務的權利,特別是在密集的城區(qū),綠化空間及其產生的生態(tài)服務功能對于提高人們的生活質量,實現社會均衡發(fā)展具有重要作用。然而,由于目前缺乏生態(tài)服務均等化指標及評價方法,尚無法客觀反映不同綠化結構下的生態(tài)服務功能差異及城市綠化的生態(tài)服務惠及全民的水平。
目前,國外對城市綠地生態(tài)服務的研究主要集中在生態(tài)服務價值的計量(Costanza et al.,1998)、植物多樣性對生態(tài)服務的影響(Broadbent,2013)以及通過綠地生態(tài)系統(tǒng)管理提高生態(tài)服務功能(Jim,2001)等方面。國內對城市綠地生態(tài)服務的研究主要集中在生態(tài)服務評價指標體系構建(王光軍等,2015),綠地結構與布局對生態(tài)服務功能的影響評估(盧小麗,2011;肖建武等,2011),以及基于綠量對城市綠地生態(tài)服務的評價(周堅華,1998)等方面。上述關于城市綠地的生態(tài)服務功能的測度與評價,為城市綠地生態(tài)服務均等化分析奠定了基礎,但從目前國內外文獻檢索情況來看,尚無關于城市綠地生態(tài)服務功能均等化分析的研究成果。
從基本公共服務均等化的視角出發(fā),城市綠化所產生的生態(tài)服務功能理應惠及全民,因此城市綠化效果評價不僅應涉及綠化率是否達標及綠地系統(tǒng)自身的結構是否合理,還應涉及綠地空間布局是否適宜,綠地所產生的生態(tài)服務是否均等。毋庸置疑,科學的空間布局可以提升綠化空間的生態(tài)服務效果和生態(tài)服務均等化水平。鑒于此,本文將基本公共服務均等化概念引入到城市生態(tài)綠化研究中,以生態(tài)綠量來體現生態(tài)服務量,運用遙感及GIS技術進行空間數據分析,從綠量產生量及其空間布局分析兩個層面評價城市綠化的達標情況。
1.1 基本公共服務均等化
基本公共服務(郭小聰等,2013)是指在一定的社會共識基礎上,保護個人基本的生存和發(fā)展的權利以及為實現人的全面發(fā)展所需要的基本社會條件?;竟卜瞻x務教育、生態(tài)環(huán)境、公共衛(wèi)生、基本醫(yī)療和社會基本保障等,基本公共服務的優(yōu)劣直接影響人的壽命、健康、尊嚴乃至生活的意義?;竟卜站然ü÷數?,2013)是指國民平等地享有水平大致相等的基本公共服務,盡可能地保障公民的生存權。均等化并不是強調所有居民都享有完全一致的基本公共服務,而是在承認地區(qū)、城鄉(xiāng)、人群間存在差別的前提下,保障居民都享有一定標準之上的基本公共服務,其實質是底線均等。城市綠化所產生的生態(tài)服務功能是城市生態(tài)服務功能的重要組成部分,也是基本公共服務的重要組成部分,因此,可以用基本公共服務的均等化來體現城市綠地的生態(tài)服務功能惠及全民的情況。
1.2 生態(tài)綠量
城市綠地作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在城市環(huán)境的調節(jié)中起著重要的作用,如具有涵養(yǎng)水源、調節(jié)城市小氣候、凈化環(huán)境、維護碳氧平衡,緩解熱島效應等眾多生態(tài)服務功能。本文用生態(tài)綠量來評價城市綠地的生態(tài)服務功能。生態(tài)綠量(Law et al.,1994)又稱為綠量,是單位面積上綠色植物的總量,又稱三維綠色生物量,是生長中的植物莖、葉所占空間面積的生物量,常用kg·m-2或t·hm-2表示。如果分別對具有生態(tài)服務功能的林地、灌木和草地等用地進行綠量計算,則不便于綠地整體生態(tài)服務功能分析,除此之外,水域也具有調節(jié)大氣組成及凈化空氣等功能,因此從生態(tài)服務視角分析,水域是一種隱含綠量的用地。綜上,本文采用綠當量(指綠色植被如草地、園地、耕地、濕地等的綠量相對于等量森林面積的綠量的比率)進行綠量計算(倪琳等,2008),將水域納入綠量計算范圍,與上述綠化用地所產生的綠量相加,合稱為生態(tài)綠量,以此作為反映和衡量城市綠色環(huán)境和市民生活質量的重要指標,評價城市綠地的生態(tài)服務功能及服務效果。
根據研究區(qū)域的自然地理位置確定不同植被的生態(tài)綠量折算系數;利用GIS分析不同類型土地利用面積及分布,計算不同土地類型的生態(tài)綠量;再結合壓力距離衰減模型及源疊加模型計算出各斑塊所接收到的生態(tài)綠量,并在GIS圖上繪制出綠量分布,進行均等化分析。
2.1 生態(tài)綠量折算系數的確定
本研究以天津濱海新區(qū)為例,選取了華北地區(qū)幾種主要生態(tài)綠地的生態(tài)綠量折算系數(劉長寧等,2014),其中林地的綠量折算系數是1,水域的綠量折算系數是0.83,草地的綠量折算系數是0.71,農田的綠量折算系數是0.66。生態(tài)綠地的生態(tài)綠量折算系數越高,功能當量越大,單位面積生態(tài)系統(tǒng)所提供的服務功能越高。相反,生態(tài)綠地的生態(tài)綠量折算系數越低,功能當量也越低,單位面積生態(tài)系統(tǒng)所提供的服務功能就越低。
2.2 綠源輻射量與綠量的接收量計算
綠源輻射量是指分布在被評估區(qū)域內不同空間的綠地對區(qū)域內任一點位所能產生的生態(tài)服務輻射量(趙丹等,2011),本文指評估區(qū)域內不同空間的綠地對區(qū)域內任一點位所產生的生態(tài)綠量。生態(tài)綠量接收量是指分布在區(qū)域內不同空間的任一點位所能能接收到的該區(qū)域內的綠地所產生的生態(tài)服務量(王乾,2006)。
本文采用單元劃分并逐塊計算再合成的方法,計算城市綠地所產生的綠量,并以此來評價城市綠地的生態(tài)服務功能。首先,引入斑塊的概念,用以表達城市區(qū)域內部不同空間單元。所謂斑塊是指與周圍環(huán)境在外貌性質上有明顯差異,并有一定內部均質的空間。將斑塊概念應用于城市綠地的生態(tài)綠量計算,需要根據評價要求和能夠獲取的GIS信息確定斑塊尺度,斑塊尺度以保證每個單元內部具有一定的空間均質性為基本要求;然后,根據不同綠化用地的折算系數,計算不同綠源(即分布在區(qū)域內不同空間的綠地)所產生的生態(tài)綠量,再進行綠源輻射量評估;最后,利用GIS將從不同綠地產生的各個點位生態(tài)綠量輻射量進行疊加計算被評估區(qū)域內任一點位所接受到的生態(tài)綠量,以之衡量該點位所能接受到的城市綠地生態(tài)服務量。
2.2.1 綠源輻射量計算
1個完整單元或超過1個單元的生態(tài)綠量按該單元典型綠化用地折算系數計算。不足1個單元的生態(tài)綠量按比例計算。例如,L為P區(qū)綠化土地面積,其由n種類型綠化土地構成,n種類型土地的生態(tài)綠量折算系數分別為ξ1,ξ2,L,ξn;n種類型土地所占比例分別為γ1, γ2,……, γn。則P區(qū)綠化土地生態(tài)服務功能ESp(Ecological Service)為:
2.2.2 生態(tài)綠量的接收量計算
本文采用距離衰減模型來模擬各點位所接收到的生態(tài)綠量。距離衰減是一種地理現象,指兩個物體間的相互作用隨距離增加而降低(李小馬等,2009)。城市綠地對周圍地區(qū)接收到綠量的空間分布呈現出距離衰減規(guī)律,并在旅游規(guī)劃(保繼剛,1992;吳必虎,1994)、城市公園可達性評價(周延剛等,2004;胡志斌等,2005)等方面得到廣泛應用。本文中接收點與綠源的距離為兩者之間的最短距離,輻射量衰減按自然數從10~0的算術梯度進行計算;接收點周邊存在多個生態(tài)綠量(生態(tài)服務量)服務功能的輻射源時,該點所接收量的生態(tài)服務輻射量總量為各綠源的輻射量的算術疊加。例如,M點為生態(tài)綠量的生態(tài)服務功能接收點,其與P輻射源的最短距離為Dpm,與Q輻射源的最短距離為Dqm,則M點所接收到的生態(tài)服務總量為:
2.3 生態(tài)綠量達標值的確定
本研究按照各地區(qū)生態(tài)市建設的規(guī)劃標準確定研究區(qū)所需綠量的最低值。城市綠地生態(tài)服務均等化評價的目的是通過差異性分析找出綠化接收薄弱點,單個斑塊接受綠量的最低值(達標值),可根據研究區(qū)域的實際情況、發(fā)展定位和建設目標來確定。
根據天津濱海新區(qū)相關規(guī)劃中對林地、濕地、公園綠地等綠地覆蓋率的要求,確定單個斑塊的生態(tài)綠量(生態(tài)服務量)的達標值。通過將單個斑塊內所要求的各種綠地的覆蓋率乘以各自的綠量折算系數(即綠當量)(劉長寧等,2014)再加和,計算單個斑塊的生態(tài)綠量達標值。
《天津市濱海新區(qū)環(huán)境保護與生態(tài)建設“十三五”規(guī)劃》提出林木覆蓋率需達到10%,濕地覆蓋率需達到22%,城鎮(zhèn)居民人均公園綠地面積需達到12 m2。事實上,城鎮(zhèn)居民人均公園綠地面積需達到12 m2是根據沃爾德的碳氧平衡計算的最低值(李鋒等,2003),并沒有考慮工業(yè)和汽車等產生的二氧化碳。為了能使綠地達到更好的生態(tài)服務功能,參考國外(張利華等,2011)所設立的指標即人均綠地面積為30~40 m2更合理。而濱海新區(qū)陸域面積2270 km2,2010年底常住人口為248.21萬,以城鎮(zhèn)居民人均公園綠地面積為30 m2作為達標要求,可以推算出濱海新區(qū)公園綠地覆蓋率,具體計算公式如下:
根據式(3)計算結果及《天津市濱海新區(qū)環(huán)境保護與生態(tài)建設“十三五”規(guī)劃》要求,濱海新區(qū)單個斑塊所接收的生態(tài)綠量達標值可以用下式計算:
如果某一斑塊所接收的生態(tài)綠量的輻射量大于或等于生態(tài)綠量的達標值(51.848),認為該斑塊達標;如果某一斑塊所接收的生態(tài)綠量的輻射量小于生態(tài)綠量達標值,則意味著不達標。
2.4 基于GIS的評價支持系統(tǒng)構建
本文通過構建可視化系統(tǒng)展現各斑塊接收到的生態(tài)綠量的空間分布情況,基于GIS技術的生態(tài)綠化評估支持系統(tǒng)構建的基本步驟為:(1)確定區(qū)域內單個斑塊生態(tài)綠量達標值;(2)劃分區(qū)域內斑塊,制作空間數據,建立數據庫,計算各綠源產生的生態(tài)綠量;(3)計算斑塊生態(tài)綠量(生態(tài)服務量)接收量;(4)評價區(qū)域生態(tài)綠化的生態(tài)服務均等化水平,并標出不達標斑塊所處位置。
應用以上方法,對濱海新區(qū)漢沽區(qū)河西區(qū)塊(其四至范圍為:四經路、四緯路與薊運河)進行城市綠化生態(tài)服務均等化評估。結果顯示(圖1),被評估區(qū)域內大部分斑塊達到了生態(tài)綠量的達標值51.848,只有西南角部分斑塊沒有達標,其中斑塊最小生態(tài)綠量為46,遠未達標。如圖1所示,斑塊顏色越深的地方接收到的生態(tài)綠量越多,斑塊顏色越淺的地方接收到的生態(tài)綠量越少??傮w上濱海新區(qū)漢沽區(qū)河西區(qū)塊生態(tài)綠化建設效果良好,生態(tài)綠量的接收量基本達標。然而,漢沽河西區(qū)塊各個斑塊接收到的生態(tài)綠量的分布情況并不均勻,總體表現為同一緯度上東部生態(tài)綠量的接收量比西部高,并且呈現由東到西逐步遞減的趨勢。同一經度上北部生態(tài)綠量的接收量比南部高,呈現由北到南逐步遞減的趨勢。其中研究區(qū)東北區(qū)塊與西南區(qū)塊的接收量差距最大,甚至西南區(qū)塊有部分地區(qū)不達標,斑塊接收的生態(tài)綠量最大值為161,最小值僅為46,均等化水平較低。
圖1 天津濱海新區(qū)沽區(qū)河西區(qū)塊綠化生態(tài)服務均等化評估結果Fig. 1 Evaluation results of greening ecological services in Hexi block of Tianjin Binhai
為了進一步提高該區(qū)塊內的綠化服務功能和均等化服務水平,根據目前的生態(tài)綠量分布情況看,可考慮將更多的城市生態(tài)綠化建設的資源分配至研究區(qū)的中西部地區(qū),尤其是西部及西南部不達標地區(qū)。如通過提高西部地區(qū)街道及居民區(qū)的綠化面積,在區(qū)塊的西南角部位增建街心花園等方式來提高該地區(qū)的生態(tài)服務均等化水平。
4.1 結論
對濱海新區(qū)漢沽區(qū)河西區(qū)塊進行的城市綠化生態(tài)服務均等化評估結果表明:
(1)各斑塊接收到的生態(tài)綠量與本研究設定的達標值51.848相比,研究區(qū)大部分地塊生態(tài)綠量的接收量達標,僅西南角由4個斑塊組成的小片地塊生態(tài)綠量的接收量不達標。上述4個不達標斑塊綠量的接收量分別為46、50、51、51,與綠量接收量的達標值差距不大,而大部分斑塊接收的生態(tài)綠量大幅超過了所要求的達標值。
(2)從生態(tài)服務均等化的角度看,研究區(qū)生態(tài)綠量分布并不均勻,各個斑塊接收到的生態(tài)綠量差距較大。其中斑塊接收的生態(tài)綠量最大值為161,最小值僅為46,空間分布特征上表現為同一緯度上東部比西部生態(tài)綠量的接收量高,呈現由東到西逐步遞減的趨勢;而同一經度上北部比南部生態(tài)綠量的接收量高,呈現由北到南逐步遞減的趨勢,且研究區(qū)東北部與西南部差距最大。由此可見,該地區(qū)生態(tài)服務均等化水平較低,雖然從設立的達標值上來看生態(tài)綠量基本達標,但是無法體現出生態(tài)服務的均等化水平。本文采用GIS并結合距離衰減模型的方式,可以精準找出城市綠化生態(tài)服務較為薄弱的斑塊,針對薄弱的斑塊加強綠化建設,可以有效提高均等化水平。該方法輔助決策作用顯著,對城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃具有一定的參考價值,特別適用于寸土寸金的人口密集型城市。
4.2 討論
目前國內外對城市綠地生態(tài)服務功能的研究主要集中在綠地均勻度分析(高祥偉等,2013)和綠地群落組成(Broadbent,2013)方面,雖然通過對不同綠化分布情況和綠地組成情況的生態(tài)服務功能進行了測度,反映了不同綠化結構下的生態(tài)服務功能的差異,但是沒有從公民接收到的生態(tài)服務的角度出發(fā)來對綠地的生態(tài)服務功能進行評價,無法客觀反映生態(tài)服務惠及全民的水平。本文的特色主要在于將基本公共服務均等化概念引入到城市綠化生態(tài)服務功能評價中,以促進不同點位的人所接收到的生態(tài)服務量的準確計算為出發(fā)點,將距離衰減模型與GIS技術融合,處理不同綠化源的生態(tài)服務功能疊加問題,計算出了研究區(qū)域各個點生態(tài)綠量的接收量,并運用GIS展現各斑塊承接到的生態(tài)綠量的空間分布情況,通過差異性分析找出綠化接收薄弱點,彌補了只對綠地自身的分布情況及綠地組成進行綠化效果評價的不足,體現了城市綠化建設既注重生態(tài)效果又注重生態(tài)服務惠及全民的宗旨。
本文利用統(tǒng)一量綱生態(tài)綠量的方式來測度各斑塊的生態(tài)服務,方式較為單一。事實上影響生態(tài)服務的因素有很多,而有些因素如陶冶情操和感觀享受等功能難于定量評價,因此本文所述的城市綠地所能提供的生態(tài)服務和實際的生態(tài)服務全集還有一定的差距,有待于進一步豐富和完善。
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ZHANG Xuehua, HAO Biao, ZHANG Baoan. 2017.
Assessment Method of GIS-Based Urban Greening Ecosystem Services and Equalization
ZHANG Xuehua1, HAO Biao1, ZHANG Baoan2
1. Department of Environmental Economics, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China; 2. College of Environmental Management of China, Qinhuangdao 066002, China
Urban green space is a significant part of urban ecosystem, which has important ecological service function. In order to objectively and scientifically evaluate the effect of virescence and the equalization level of ecological service of urban green space, this paper measures the ecological service quantity of urban virescence with the quantity of ecological green and applies GIS as a tool to analysis urban green ecological services quantity, then combines range attenuation model with source superposition model to calculate the green quantity of different source carried by different patches,. Furthermore, the paper builds a visual system to show the spatial distribution of each patch. And then appraise the greening effect and equalization evaluation of Tianjin Binhai new area. The result shows that the ecological greening construction of the case area is good in the whole view demonstrated by most of the patches in the evaluation area reaching the standard of ecology 51.848, except some patches in the southwest corner. However, it is nonuniform that the distribution of the ecological green quantity
by the patches in Hexi block, showing that the eastern area can receive more ecological green quantity than the western in the same latitude, and the trend of gradual decline from east to west. The northern part in the same longitude is higher than the southern, showing the trend of gradual decline from north to south. The greatest difference of the quantity of reception between northeast and southwest in the study area have the maximum value of ecological green quantity is 161, and the minimum value is 46 that the equalization level is lower. From above study and results analysis, we can see that this method can find the frail patch of urban green ecosystem accurately, which has certain reference value to project urban green space system.
urban greening; ecosystem service; basic publication service; equalization evaluation
10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.04.001
P901; X144; X173
A
1674-5906(2017)04-0547-06
張雪花, 郝彪, 張寶安. 2017. 基于GIS的城市綠化生態(tài)服務量及其均等化評價[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 26(4): 547-552.
天津市哲學社會科學規(guī)劃課題(TJLJ15-008);天津市科技支撐重點項目(09ZCGYSF02200)
張雪花(1967年生),女,教授,博士,研究方向為生態(tài)環(huán)境規(guī)劃與管理。E-mail: xuehua671231@163.com
2017-02-27