黎佳君
廖秋林*
沈守云
劉小儒
廖菁芃
綠心是指位于中心的、成片的綠色空間,其伴隨著城市或城市(鎮(zhèn))群的發(fā)展而興起,按照輻射半徑可分為城市組團綠心、城市綠心和城市群綠心等類型。城市綠心是一個生態(tài)系統(tǒng),具有一定的生態(tài)服務作用,包括供給服務、調節(jié)服務、支持服務和文化服務四大服務功能[1]。人類活動導致的土地利用/覆被變化(LUCC)是推動生態(tài)系統(tǒng)服務功能變化的主要驅動因素,由于不合理的土地利用方式,導致生態(tài)系統(tǒng)的內部結構、過程和功能均發(fā)生了巨大變化??茖W評估生態(tài)系統(tǒng)服務價值(Ecosystem Services Values,ESV)并分析其時空變化特點對保護生態(tài)環(huán)境、推動區(qū)域可持續(xù)發(fā)展極為重要。
目前,國內外學者對生態(tài)系統(tǒng)服務價值開展了大量研究。如Costanza等[2]提出的全球生態(tài)系統(tǒng)服務價值的貨幣表達引發(fā)了巨大反響,中國學者謝高地等[3]將Costanza的研究成果進一步本土化,制定出了適合中國生態(tài)現(xiàn)狀的生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量表。對謝高地建立的當量表進行補充和修訂已成為國內學者研究生態(tài)系統(tǒng)服務價值的主要方法之一。但因評估理論與評估方法的局限性,導致生態(tài)系統(tǒng)服務價值研究尚未形成科學、統(tǒng)一的評估體系[4]。景觀績效評估是一個與生態(tài)系統(tǒng)服務價值趨同的概念和體系,它被定義為“景觀解決方案在實現(xiàn)其預設目標的同時滿足可持續(xù)性方面的效率的度量”[4],評估的內容包括社會、環(huán)境和經(jīng)濟方面。相比之下,生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估的內容更為具體,涉及城市綠地的內容包括涵養(yǎng)水源、雨水截留、CO2固定、O2釋放、有害氣體吸收、滯塵、降溫、降噪、PM2.5和美學效益等。目前,評價生態(tài)系統(tǒng)服務價值的常用方法包括功能價值法[5-7]、當量因子法[3,8]和全排列多邊形圖示法[9]。其中,功能價值法可通過建立單一服務功能與局部生態(tài)環(huán)境變量之間的生產(chǎn)方程來模擬小區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務功能,但此方法所需參數(shù)較多、計算過程較為復雜且標準難以統(tǒng)一,易出現(xiàn)重復計算或漏算的情況[10-11];當量因子法可在區(qū)分不同種類生態(tài)系統(tǒng)服務功能的基礎上,基于可量化的標準構建不同生態(tài)系統(tǒng)的各類服務功能的價值當量,并結合生態(tài)系統(tǒng)的分布面積進行評估[8],雖然該方法沒有很強的針對性且價值因子值較難及時更新,但其具有標準統(tǒng)一、方法一致、數(shù)據(jù)需求少、直觀易上手、視角宏觀和推廣性強等特點,是目前進行生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值評估的主要方法[12-13];全排列多邊形圖示法則能夠較好地處理各評價因子的關系。在評價技術上,綠地生態(tài)系統(tǒng)服務價值可以運用I-TREE[14]、CITY green[15-16]、UFORE[17]等模型進行評估,其中,UFORE特別適用于定量分析城市森林及綠地的結構與功能[18]。
長株潭綠心作為目前世界上最大的城市群綠心,是三市重要的生態(tài)保護屏障和兩型社會生態(tài)示范區(qū),在增加景觀異質性、凝聚城市資源、調節(jié)區(qū)域環(huán)境質量和氣候、涵養(yǎng)水源、保護物種多樣性,以及帶動區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟與旅游等方面發(fā)揮著重要的作用[19]。從性質上說,長株潭綠心地區(qū)是緊跟生態(tài)文明時代步伐的新型綠地,反映了目前推行的國土空間規(guī)劃理念,不再局限于原來的城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃中的綠地分類,這一新型綠地能夠在國土空間規(guī)劃層面上更好地解決綠地系統(tǒng)規(guī)劃問題。但是由于歷史原因,該區(qū)域仍居住著大量從事各種產(chǎn)業(yè)活動的人口,土地利用方式也在不斷變化,對綠心地區(qū)的整體生態(tài)系統(tǒng)服務功能產(chǎn)生著重要影響。學術界針對綠心地區(qū)開展了大量的科學研究,包括景觀格局、土地利用變化、植被覆蓋變化、水土流失、城市氣候、風熱環(huán)境、鄉(xiāng)村聚落演變、生態(tài)補償、功能調控、生態(tài)保護與發(fā)展等方面,但有關綠心地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的研究仍不充分。在僅有的綠心地區(qū)價值評估文獻中,由于數(shù)據(jù)、估算標準方法不一致,導致結果差距較大,無法對該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務狀態(tài)做出正確判斷[20-21]。此外,社會功能用地、生態(tài)功能用地及生產(chǎn)功能用地之間的矛盾依然存在,難以判斷生態(tài)系統(tǒng)服務功能是否處于良好的發(fā)展狀態(tài)。為了回答以上問題,本研究運用生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價方法,探究綠心地區(qū)自設立保護區(qū)以來的生態(tài)系統(tǒng)服務價值變化,闡明土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務價值的影響,為城市綠心地區(qū)的保護管理和可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。
長株潭城市群綠心地區(qū)位于湖南省長沙、株洲和湘潭三市的交匯地帶(圖1)。至2018年,綠心地區(qū)總人口數(shù)為33.15萬人,總面積約528.32km2。其中,長沙面積占比為57.92%、株洲為15.87%、湘潭為26.21%。地貌以低山丘陵為主,為亞熱帶季風性濕潤氣候,年平均氣溫16~18℃,年降水量1 200~1 300mm,年日照時數(shù)1 300~1 800h,森林覆蓋率高,生物多樣性豐富,內有昭山風景名勝區(qū)、石燕湖、九郎山省級森林公園和東風水庫郊野公園等。
圖1 研究區(qū)域區(qū)位與分區(qū)示意圖[作者改繪自《長株潭城市群生態(tài)綠心地區(qū)總體規(guī)劃(2010—2030)2018年修改》]
長株潭城市群綠心地區(qū)2008、2013和2018年的土地利用矢量數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn),空間分辨率為30m×30m。結合2017年修訂的《土地利用分類現(xiàn)狀》(GB/T 21010—2017),將綠心地區(qū)土地利用類型分為耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用地6類。綠心地區(qū)單個當量因子的經(jīng)濟價值量計算主要來自2008—2018年的《長沙統(tǒng)計年鑒》《株洲統(tǒng)計年鑒》《湘潭統(tǒng)計年鑒》等。
當量因子法具有生態(tài)服務功能分類標準統(tǒng)一、數(shù)據(jù)需求少和易推廣等優(yōu)點,在國內外被廣泛運用;更為重要的是,我國學者根據(jù)國內實際情況對該方法進行了進一步的改進,實現(xiàn)了14類生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務價值及11種生態(tài)系統(tǒng)服務功能類型的價值與時空的動態(tài)評估。結合實際情況,對謝高地等2015年最新改進的基礎當量表[12]進行調整,并根據(jù)長株潭三市統(tǒng)計年鑒中水田與旱地的面積比(8:2),取二者價值當量因子系數(shù)的加權和作為耕地的基礎當量,林地對應闊葉林、草地對應灌草叢、水體取水系和濕地的基礎當量平均值、未利用地對應裸地、建設用地的基礎當量設為0,得出綠心地區(qū)單位面積ESV基礎當量表(表1)。根據(jù)統(tǒng)計年鑒中2008—2018年綠心地區(qū)歷年糧食作物平均單產(chǎn)為6 758.88kg/hm2、糧食平均價格為5.04元/kg,參考相關文獻提出的1個標準當量因子的ESV大約等于糧食單位產(chǎn)量價值的1/7[12],計算得出研究區(qū)的單個當量因子的經(jīng)濟價值量為4 866.39元/hm2。最終根據(jù)修正后的基礎當量和各土地利用類型的面積計算綠心地區(qū)的ESV[12]。計算公式為:
表1 長株潭綠心地區(qū)單位面積ESV基礎當量
式中,ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務的總價值;ESVi為第i種土地利用類型的生態(tài)服務價值;ESVj為研究區(qū)第j項生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值;Ai為研究區(qū)第i種類型的土地面積;VCi為第i種類型土地的單位生態(tài)系統(tǒng)服務價值系數(shù);VCij為第i種土地利用類型的第j項生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值系數(shù)[12]。
以0.5km×0.5km的格網(wǎng)矩陣將研究區(qū)劃分為2 379個尺寸相同、互不重疊的正方形格網(wǎng),計算每個格網(wǎng)單元的ESV,計算公式見相關文獻[22]。根據(jù)格網(wǎng)分析法計算得出研究區(qū)2008、2013和2018年單個格網(wǎng)的地均ESV值,生成ESV空間分布圖,并采用自然間斷點分級法(Jenks)將各格網(wǎng)ESV值由高到低劃分為5個等級。為了進一步反映綠心地區(qū)ESV在空間上的變化情況,將三期格網(wǎng)空間分布圖導入ArcGIS分別進行疊加,統(tǒng)計各格網(wǎng)ESV變化情況,并將各格網(wǎng)分別劃分為ESV上升區(qū)、ESV下降區(qū)和ESV穩(wěn)定區(qū)。
采用GeoDa1.6.6軟件分析全局空間自相關和局部空間自相關[23-24],其中全局自相關統(tǒng)計量Moran'sI計算公式詳見雷金睿等的研究[25];局部空間自相關指標(LISA)采用局部Moran'sI統(tǒng)計量進行度量,計算公式詳見谷建立等的研究[26]。
為了得出ESV時空變化的具體構成與影響因素,需要與土地利用變化結果相結合進行相關性分析和變差貢獻率分析。相關性分析主要采用Pearson相關系數(shù)r表示各土地利用類型對ESV的強弱關系程度,并在0.05水平上采取雙側檢驗進行相關系數(shù)的顯著性檢驗。變差貢獻率用于分析同一時間段上不同土地利用類型的貢獻率情況,從中可以總結出某單一土地利用類型的變化對生態(tài)服務總價值變化的影響程度,計算公式詳見胡和兵等的研究[27]。
根據(jù)圖2可知,綠心地區(qū)最主要的土地利用類型是林地,占總面積的40%以上,主要分布在綠心地區(qū)中部和東部;其次為耕地和建設用地,耕地主要分布在研究區(qū)東南和西部地區(qū),建設用地主要集中分布在綠心地區(qū)西部的湘江附近;其他土地利用類型所占比重較小。
圖2 各時期土地利用空間分布
根據(jù)表2和圖3可知,2008—2018年,綠心地區(qū)各土地利用類型始終保持林地>耕地>建設用地>水體>未利用地>草地。除耕地和未利用地外,其他土地利用類型均呈增長趨勢,尤其以建設用地增長最多,為56.93km2;其次為林地,增長20.55km2;而耕地面積共減少83.09km2,是變化量最大的土地利用類型。
表2 長株潭綠心地區(qū)土地利用變化一覽(單位:km2)
圖3 各時期土地利用結構比例
從轉出面積來看(表3),2008—2018年耕地的轉出面積最大,為116.29km2;其次為林地、建設用地和未利用地,分別轉出41.62、16.37和8.60km2;草地和水體轉出面積較小。從轉入面積來看,建設用地轉入值最大,共轉入73.30km2;林地轉入值略低于建設用地,共轉入62.18km2;耕地和水體分別轉入33.20和9.61km2;草地和未利用地轉入面積較小。耕地轉為林地和建設用地是最主要的2種轉移方式,分別轉移了56.87和52.59km2,這主要是政府主導的退耕還林政策和城鎮(zhèn)化建設利用了一部分農田造成的結果。
表3 2008—2018年長株潭城市群綠心地區(qū)土地利用轉移矩陣(單位:km2)
2.2.1ESV總量變化趨勢
由圖4可知,2008—2018年的生態(tài)系統(tǒng)服務總價值由78.66億元增加至87.48億元,共增長了8.82億元??們r值呈先降后升的變化趨勢,尤以2013—2018年變化最為明顯。
圖4 2008—2018年生態(tài)系統(tǒng)服務價值總量發(fā)展變化
2.2.2 各土地利用類型的ESV
由表4可知,綠心地區(qū)各土地利用類型所提供的ESV量由大到小依次為林地>水體>耕地>草地>未利用地。除了耕地和未利用地的ESV呈減少趨勢外,其余土地利用類型的ESV都有不同程度的增加。水體和林地的ESV增加量位居前列,分別為7.22億和4.48億元,對提升研究區(qū)ESV作用很大;耕地的ESV逐年減少;草地和未利用地變化不明顯。
表4 各土地利用類型ESV(單位:億元)
2.2.3 各生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值
由圖5可知,各單項ESV中,水文調節(jié)、氣候調節(jié)對區(qū)域ESV量貢獻最大。其中,水文調節(jié)價值量最高且逐年遞增;氣體調節(jié)、凈化環(huán)境、土壤保持及生物多樣性10年間變化趨勢一致;其他各單項ESV貢獻較小,變化不明顯。
圖5 各時期生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值柱狀圖
2.2.4ESV的空間分布
由圖6可知,ESV的高值區(qū)主要位于湘江兩岸、瀏陽河,以及區(qū)域內的湖泊水庫等水域;低值區(qū)主要分布在湘江兩岸城鎮(zhèn)化率較高的城市和鄉(xiāng)村聚落;中值區(qū)主要分布在中部及東部森林植被覆蓋率高的丘陵地帶,是區(qū)域內分布范圍最廣的值區(qū)。由圖7可知,ESV空間分布變化的穩(wěn)定區(qū)主要位于坪塘—昭山—石燕湖—云峰湖綠心地區(qū)東西向生態(tài)公益林帶,以及易俗河—法華山—石燕湖—跳馬綠心地區(qū)南北向生態(tài)公益林帶;上升區(qū)主要為湘江、瀏陽河等河流湖泊地區(qū)及沿湖的部分農用區(qū)域;下降區(qū)主要為沿城市和鄉(xiāng)村聚落分布的外延區(qū)域。
圖6 長株潭城市群綠心區(qū)地均ESV空間分布
圖7 長株潭城市群綠心地區(qū)ESV空間變化
由表5可知,2008、2013和2018年的ESV全局Moran'sI值均大于0,P值均小于0.001,表明研究區(qū)內ESV的空間分布具有較強的正向自相關性,相鄰格網(wǎng)單元在空間上呈現(xiàn)十分明顯的聚集性分布。整個研究期間,綠心地區(qū)ESV空間聚集程度處于持續(xù)上升的趨勢,這主要得益于政府嚴格把控各區(qū)域職能劃分,重視區(qū)域整體性建設,將綠心地區(qū)劃分為禁止開發(fā)區(qū)、限制開發(fā)區(qū)和控制建設區(qū)3個定位明確的空間,使得各空間內部集中程度高、相關性較強。
表5 長株潭綠心地區(qū)ESV全局空間自相關顯著性檢驗
由圖8可知,2008—2018年綠心地區(qū)ESV的空間聚集和分異區(qū)域位置基本呈現(xiàn)一致的分布特點:高高聚集區(qū)主要分布在湘江兩岸;低低聚集區(qū)集中分布在綠心地區(qū)內城鎮(zhèn)化發(fā)展水平較高、人口最密集的區(qū)域。
圖8 長株潭綠心地區(qū)各時期生態(tài)系統(tǒng)服務價值LISA分布
2.4.1 相關性檢驗
如表6所示,耕地、林地與ESV的相關系數(shù)絕對值分別為0.901和0.948,無限接近1,說明二者的面積變化是影響ESV水平的重要因素。林地相關系數(shù)最高;耕地與生態(tài)服務總價值呈負相關,這是由于耕地主要通過侵占林地來擴大面積,雖然這會使食物生產(chǎn)和原料供給等生態(tài)服務價值增加,但林地本身所產(chǎn)生的生態(tài)服務價值遠高于耕地,因此控制耕地持續(xù)擴張和退耕還林等措施對促進ESV量的增加尤為重要。
表6 長株潭城市群綠心地區(qū)各土地利用類型與ESV的相關性
2.4.2 變差貢獻率分析
由表7可知,3個時期內林地的貢獻率始終大于0,年均貢獻率為5.08%,表明林地始終是影響區(qū)域ESV的關鍵因素;水體的年均貢獻率最大,貢獻率呈先減后增的趨勢,與區(qū)域ESV的變化一致;耕地的貢獻率先升后降,與區(qū)域ESV變化趨勢相反。
表7 長株潭城市群綠心地區(qū)ESV變差貢獻率(單位:%)
本文基于格網(wǎng)單元評估ESV在空間上的變化,打破了以往學者基于行政區(qū)劃單元研究ESV時出現(xiàn)的面積不等的局限性,能夠更準確地分析空間差異。
1)綠心地區(qū)處于良好的發(fā)展狀態(tài)。ESV在早期呈下降趨勢,但在2013年后開始回升,2018年達87.48億元,10年間共增加8.2億元;2008—2013年ESV呈緩慢下降趨勢,主要是受人類活動和國家政策的綜合影響,長株潭城市群作為經(jīng)濟發(fā)展優(yōu)勢區(qū)域,隨著開發(fā)力度加強,使得ESV減少,但政府的一系列調控措施又在一定程度上彌補了開發(fā)建設對綠心地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)造成的破壞;2013—2018年,綠心地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能持續(xù)轉好,ESV呈加速增長趨勢,這得益于2013年后政府對綠心地區(qū)生態(tài)保護力度的加強,通過出臺《湖南省長株潭城市群生態(tài)綠心地區(qū)保護條例》等一系列文件,將綠心地區(qū)劃分為控制建設區(qū)、限制開發(fā)區(qū)和禁止開發(fā)區(qū),關停部分可能造成生態(tài)環(huán)境污染的企業(yè)和建設項目。
2)除耕地和未利用地外,其他土地利用類型的ESV都有不同程度的增加。水文調節(jié)和氣候調節(jié)的ESV始終居于前列;水資源供給雖然一直呈負值,但從增速來看,僅次于水文調節(jié),說明綠心地區(qū)侵占水體的局面得到了有效控制,生態(tài)效益不斷增加。
3)本研究修正的ESV基礎當量較為實際。本研究的ESV達78億~88億元,而楊子[20]的研究中的總值僅有7億~8億元;朱銀銀[21]的研究中森林的價值僅有8.97億元,與本研究林地的價值達47億~56億元相差甚遠。楊子[20]運用的CITY green模型需要輸入樹種信息,數(shù)據(jù)需求量大,獲取難度高,并且計算ESV的價格是按照美國的標準制定的,不符合研究區(qū)的實際情況,盡管將研究區(qū)劃分為了不同的土地利用類型,但由于各樹種的生態(tài)產(chǎn)品和產(chǎn)生效益不同,以此估算的ESV有可能低于實際價值水平。朱銀銀[21]將森林資源調查成果資料作為數(shù)據(jù),運用影子工程法等計算生態(tài)服務價值,忽略了其他土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值,從而導致計算結果偏低。而本文采用的基礎當量法利用空間分辨率為30m×30m的土地利用數(shù)據(jù),將研究范圍內的生態(tài)系統(tǒng)劃分為耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用地6種類型,并根據(jù)當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展水平對當量因子進行修正,可以更為全面地反映實際的ESV。
4)當量因子法在國外有著廣泛的運用[2,28],但在國內早期由于受到當時科技水平的限制,ESV評估方法具有一定的主觀性[3]。改進后的當量因子法是以生態(tài)服務功能價值量和專家經(jīng)驗相結合的方法確定單位面積生態(tài)服務價值量當量,評價內容更為全面[5-6]。但由于在目前的研究中缺乏方法上的比較,所以還需進一步驗證該方法的優(yōu)越性。
5)2008—2018年建設用地增加了56.93km2,盡管其他土地利用類型增長不明顯,但由于政府合理制定了綠心地區(qū)總體規(guī)劃,采取了保護優(yōu)先、永續(xù)利用、分類指導和城鄉(xiāng)融合的規(guī)劃原則,使得總體ESV得以提升。事實證明,基于布局合理的城市功能空間,適當?shù)膮^(qū)域開發(fā)并不會降低區(qū)域ESV水平,這對綠心地區(qū)的生態(tài)保護模式具有重要啟示。
6)在修正當量因子時未考慮生物量、社會人文經(jīng)濟因子和人類活動過程中排放的廢氣、廢水及固體危廢等對生態(tài)系統(tǒng)服務功能產(chǎn)生的影響,也沒有考慮生物多樣性對生態(tài)服務價值的驅動機制,因此還需展開進一步的研究。
2008—2018年,長株潭城市群綠心地區(qū)耕地面積持續(xù)減少,建設用地和林地面積不斷增加。ESV在早期呈下降趨勢,2013年后開始回升,發(fā)展狀態(tài)良好。水文調節(jié)和氣候調節(jié)是最重要的兩大生態(tài)服務功能,林地和水體是產(chǎn)生價值量最多的兩大土地利用類型。研究表明,合理有序的開發(fā)和生態(tài)底線控制的保護模式有可能提高同一地區(qū)的ESV,采用保護為主、開發(fā)為輔的保護策略是可行的,甚至可以提高ESV,有利于協(xié)調社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾。
注:文中圖片除注明外,均由作者繪制。