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基于GIS的城市绿化生态服务量及其均等化评价

2017-06-15张雪花郝彪张宝安

生态环境学报 2017年4期
关键词:绿量城市绿地城市绿化

张雪花,郝彪,张宝安

1. 天津工业大学环境经济研究所,天津 300387;2. 河北环境工程学院,河北 秦皇岛 006112

基于GIS的城市绿化生态服务量及其均等化评价

张雪花1,郝彪1,张宝安2

1. 天津工业大学环境经济研究所,天津 300387;2. 河北环境工程学院,河北 秦皇岛 006112

城市绿地是城市生态系统重要的组成部分,具有重要的生态服务功能,为了客观科学地评价城市绿地的绿化效果和生态服务均等化水平,以天津市滨海新区汉沽区河西区块为例,采用生态绿量测度城市绿化的生态服务量,以GIS作为城市绿化生态服务量的分析工具,并结合距离衰减模型及源叠加模型,计算不同斑块所承接到的不同绿化源的生态绿量;构建可视化系统,展现各斑块生态绿量的空间分布情况。结果显示,从整体水平看,研究区生态绿化建设效果良好,大部分斑块达到了生态绿量的基准线51.848,只有西南角部分斑块没有达标。从分布情况来看,研究区生态绿量分布并不均匀,表现为同一纬度上东部比西部生态绿量的接收量高,且呈现由东到西逐步递减的趋势;而同一经度上北部比南部生态绿量的接收量高,呈现由北到南逐步递减的趋势。其中,研究区东北区块与西南区块的接收量差距最大,斑块接收的生态绿量最大值为161,最小值仅为46,均等化水平较低。应用文中的研究方法可以精准找出城市绿化生态服务较为薄弱的斑块,对城市绿地系统规划具有一定的参考价值。

城市绿化;生态服务功能;基本公共服务;均等化评价

城市绿化在美化环境、提高宜居水平和调节局域气候等方面发挥着重要作用,具有重要的生态服务功能(赵丹等,2011)。因此,中国在模范城市、生态市、生态县建设标准中,对生态绿化都提出了明确要求,出台了涉及绿地覆盖面积、人均绿地、人均公共绿地面积等方面的指标及达标标准,但上述标准无法客观反映不同绿化结构下的生态服务功能的差异。绿地均匀度分析和绿地群落组成的研究弥补了这一不足,高祥伟等(2013)应用可达性分析,Marian et al.(2000)层次分析等方法对城市绿化空间分布情况和绿地结构进行了测度。总体来看,城市绿地评价从关注评价绿地面积、绿地覆盖率(卢小丽,2011)和绿地结构(肖建武等,2011),逐步扩展到关注城市绿地生态服务功能。生态服务是基本公共服务最基础和最重要的内容之一,而生态服务的均等化更是关乎每个公民公平享受生态服务的权利,特别是在密集的城区,绿化空间及其产生的生态服务功能对于提高人们的生活质量,实现社会均衡发展具有重要作用。然而,由于目前缺乏生态服务均等化指标及评价方法,尚无法客观反映不同绿化结构下的生态服务功能差异及城市绿化的生态服务惠及全民的水平。

目前,国外对城市绿地生态服务的研究主要集中在生态服务价值的计量(Costanza et al.,1998)、植物多样性对生态服务的影响(Broadbent,2013)以及通过绿地生态系统管理提高生态服务功能(Jim,2001)等方面。国内对城市绿地生态服务的研究主要集中在生态服务评价指标体系构建(王光军等,2015),绿地结构与布局对生态服务功能的影响评估(卢小丽,2011;肖建武等,2011),以及基于绿量对城市绿地生态服务的评价(周坚华,1998)等方面。上述关于城市绿地的生态服务功能的测度与评价,为城市绿地生态服务均等化分析奠定了基础,但从目前国内外文献检索情况来看,尚无关于城市绿地生态服务功能均等化分析的研究成果。

从基本公共服务均等化的视角出发,城市绿化所产生的生态服务功能理应惠及全民,因此城市绿化效果评价不仅应涉及绿化率是否达标及绿地系统自身的结构是否合理,还应涉及绿地空间布局是否适宜,绿地所产生的生态服务是否均等。毋庸置疑,科学的空间布局可以提升绿化空间的生态服务效果和生态服务均等化水平。鉴于此,本文将基本公共服务均等化概念引入到城市生态绿化研究中,以生态绿量来体现生态服务量,运用遥感及GIS技术进行空间数据分析,从绿量产生量及其空间布局分析两个层面评价城市绿化的达标情况。

1 基本概念

1.1 基本公共服务均等化

基本公共服务(郭小聪等,2013)是指在一定的社会共识基础上,保护个人基本的生存和发展的权利以及为实现人的全面发展所需要的基本社会条件。基本公共服务包括义务教育、生态环境、公共卫生、基本医疗和社会基本保障等,基本公共服务的优劣直接影响人的寿命、健康、尊严乃至生活的意义。基本公共服务均等化(郭小聪等,2013)是指国民平等地享有水平大致相等的基本公共服务,尽可能地保障公民的生存权。均等化并不是强调所有居民都享有完全一致的基本公共服务,而是在承认地区、城乡、人群间存在差别的前提下,保障居民都享有一定标准之上的基本公共服务,其实质是底线均等。城市绿化所产生的生态服务功能是城市生态服务功能的重要组成部分,也是基本公共服务的重要组成部分,因此,可以用基本公共服务的均等化来体现城市绿地的生态服务功能惠及全民的情况。

1.2 生态绿量

城市绿地作为城市生态系统的重要组成部分,在城市环境的调节中起着重要的作用,如具有涵养水源、调节城市小气候、净化环境、维护碳氧平衡,缓解热岛效应等众多生态服务功能。本文用生态绿量来评价城市绿地的生态服务功能。生态绿量(Law et al.,1994)又称为绿量,是单位面积上绿色植物的总量,又称三维绿色生物量,是生长中的植物茎、叶所占空间面积的生物量,常用kg·m-2或t·hm-2表示。如果分别对具有生态服务功能的林地、灌木和草地等用地进行绿量计算,则不便于绿地整体生态服务功能分析,除此之外,水域也具有调节大气组成及净化空气等功能,因此从生态服务视角分析,水域是一种隐含绿量的用地。综上,本文采用绿当量(指绿色植被如草地、园地、耕地、湿地等的绿量相对于等量森林面积的绿量的比率)进行绿量计算(倪琳等,2008),将水域纳入绿量计算范围,与上述绿化用地所产生的绿量相加,合称为生态绿量,以此作为反映和衡量城市绿色环境和市民生活质量的重要指标,评价城市绿地的生态服务功能及服务效果。

2 生态绿量计算与分析

根据研究区域的自然地理位置确定不同植被的生态绿量折算系数;利用GIS分析不同类型土地利用面积及分布,计算不同土地类型的生态绿量;再结合压力距离衰减模型及源叠加模型计算出各斑块所接收到的生态绿量,并在GIS图上绘制出绿量分布,进行均等化分析。

2.1 生态绿量折算系数的确定

本研究以天津滨海新区为例,选取了华北地区几种主要生态绿地的生态绿量折算系数(刘长宁等,2014),其中林地的绿量折算系数是1,水域的绿量折算系数是0.83,草地的绿量折算系数是0.71,农田的绿量折算系数是0.66。生态绿地的生态绿量折算系数越高,功能当量越大,单位面积生态系统所提供的服务功能越高。相反,生态绿地的生态绿量折算系数越低,功能当量也越低,单位面积生态系统所提供的服务功能就越低。

2.2 绿源辐射量与绿量的接收量计算

绿源辐射量是指分布在被评估区域内不同空间的绿地对区域内任一点位所能产生的生态服务辐射量(赵丹等,2011),本文指评估区域内不同空间的绿地对区域内任一点位所产生的生态绿量。生态绿量接收量是指分布在区域内不同空间的任一点位所能能接收到的该区域内的绿地所产生的生态服务量(王乾,2006)。

本文采用单元划分并逐块计算再合成的方法,计算城市绿地所产生的绿量,并以此来评价城市绿地的生态服务功能。首先,引入斑块的概念,用以表达城市区域内部不同空间单元。所谓斑块是指与周围环境在外貌性质上有明显差异,并有一定内部均质的空间。将斑块概念应用于城市绿地的生态绿量计算,需要根据评价要求和能够获取的GIS信息确定斑块尺度,斑块尺度以保证每个单元内部具有一定的空间均质性为基本要求;然后,根据不同绿化用地的折算系数,计算不同绿源(即分布在区域内不同空间的绿地)所产生的生态绿量,再进行绿源辐射量评估;最后,利用GIS将从不同绿地产生的各个点位生态绿量辐射量进行叠加计算被评估区域内任一点位所接受到的生态绿量,以之衡量该点位所能接受到的城市绿地生态服务量。

2.2.1 绿源辐射量计算

1个完整单元或超过1个单元的生态绿量按该单元典型绿化用地折算系数计算。不足1个单元的生态绿量按比例计算。例如,L为P区绿化土地面积,其由n种类型绿化土地构成,n种类型土地的生态绿量折算系数分别为ξ1,ξ2,L,ξn;n种类型土地所占比例分别为γ1, γ2,……, γn。则P区绿化土地生态服务功能ESp(Ecological Service)为:

2.2.2 生态绿量的接收量计算

本文采用距离衰减模型来模拟各点位所接收到的生态绿量。距离衰减是一种地理现象,指两个物体间的相互作用随距离增加而降低(李小马等,2009)。城市绿地对周围地区接收到绿量的空间分布呈现出距离衰减规律,并在旅游规划(保继刚,1992;吴必虎,1994)、城市公园可达性评价(周延刚等,2004;胡志斌等,2005)等方面得到广泛应用。本文中接收点与绿源的距离为两者之间的最短距离,辐射量衰减按自然数从10~0的算术梯度进行计算;接收点周边存在多个生态绿量(生态服务量)服务功能的辐射源时,该点所接收量的生态服务辐射量总量为各绿源的辐射量的算术叠加。例如,M点为生态绿量的生态服务功能接收点,其与P辐射源的最短距离为Dpm,与Q辐射源的最短距离为Dqm,则M点所接收到的生态服务总量为:

2.3 生态绿量达标值的确定

本研究按照各地区生态市建设的规划标准确定研究区所需绿量的最低值。城市绿地生态服务均等化评价的目的是通过差异性分析找出绿化接收薄弱点,单个斑块接受绿量的最低值(达标值),可根据研究区域的实际情况、发展定位和建设目标来确定。

根据天津滨海新区相关规划中对林地、湿地、公园绿地等绿地覆盖率的要求,确定单个斑块的生态绿量(生态服务量)的达标值。通过将单个斑块内所要求的各种绿地的覆盖率乘以各自的绿量折算系数(即绿当量)(刘长宁等,2014)再加和,计算单个斑块的生态绿量达标值。

《天津市滨海新区环境保护与生态建设“十三五”规划》提出林木覆盖率需达到10%,湿地覆盖率需达到22%,城镇居民人均公园绿地面积需达到12 m2。事实上,城镇居民人均公园绿地面积需达到12 m2是根据沃尔德的碳氧平衡计算的最低值(李锋等,2003),并没有考虑工业和汽车等产生的二氧化碳。为了能使绿地达到更好的生态服务功能,参考国外(张利华等,2011)所设立的指标即人均绿地面积为30~40 m2更合理。而滨海新区陆域面积2270 km2,2010年底常住人口为248.21万,以城镇居民人均公园绿地面积为30 m2作为达标要求,可以推算出滨海新区公园绿地覆盖率,具体计算公式如下:

根据式(3)计算结果及《天津市滨海新区环境保护与生态建设“十三五”规划》要求,滨海新区单个斑块所接收的生态绿量达标值可以用下式计算:

如果某一斑块所接收的生态绿量的辐射量大于或等于生态绿量的达标值(51.848),认为该斑块达标;如果某一斑块所接收的生态绿量的辐射量小于生态绿量达标值,则意味着不达标。

2.4 基于GIS的评价支持系统构建

本文通过构建可视化系统展现各斑块接收到的生态绿量的空间分布情况,基于GIS技术的生态绿化评估支持系统构建的基本步骤为:(1)确定区域内单个斑块生态绿量达标值;(2)划分区域内斑块,制作空间数据,建立数据库,计算各绿源产生的生态绿量;(3)计算斑块生态绿量(生态服务量)接收量;(4)评价区域生态绿化的生态服务均等化水平,并标出不达标斑块所处位置。

3 应用研究

应用以上方法,对滨海新区汉沽区河西区块(其四至范围为:四经路、四纬路与蓟运河)进行城市绿化生态服务均等化评估。结果显示(图1),被评估区域内大部分斑块达到了生态绿量的达标值51.848,只有西南角部分斑块没有达标,其中斑块最小生态绿量为46,远未达标。如图1所示,斑块颜色越深的地方接收到的生态绿量越多,斑块颜色越浅的地方接收到的生态绿量越少。总体上滨海新区汉沽区河西区块生态绿化建设效果良好,生态绿量的接收量基本达标。然而,汉沽河西区块各个斑块接收到的生态绿量的分布情况并不均匀,总体表现为同一纬度上东部生态绿量的接收量比西部高,并且呈现由东到西逐步递减的趋势。同一经度上北部生态绿量的接收量比南部高,呈现由北到南逐步递减的趋势。其中研究区东北区块与西南区块的接收量差距最大,甚至西南区块有部分地区不达标,斑块接收的生态绿量最大值为161,最小值仅为46,均等化水平较低。

图1 天津滨海新区沽区河西区块绿化生态服务均等化评估结果Fig. 1 Evaluation results of greening ecological services in Hexi block of Tianjin Binhai

为了进一步提高该区块内的绿化服务功能和均等化服务水平,根据目前的生态绿量分布情况看,可考虑将更多的城市生态绿化建设的资源分配至研究区的中西部地区,尤其是西部及西南部不达标地区。如通过提高西部地区街道及居民区的绿化面积,在区块的西南角部位增建街心花园等方式来提高该地区的生态服务均等化水平。

4 结论与讨论

4.1 结论

对滨海新区汉沽区河西区块进行的城市绿化生态服务均等化评估结果表明:

(1)各斑块接收到的生态绿量与本研究设定的达标值51.848相比,研究区大部分地块生态绿量的接收量达标,仅西南角由4个斑块组成的小片地块生态绿量的接收量不达标。上述4个不达标斑块绿量的接收量分别为46、50、51、51,与绿量接收量的达标值差距不大,而大部分斑块接收的生态绿量大幅超过了所要求的达标值。

(2)从生态服务均等化的角度看,研究区生态绿量分布并不均匀,各个斑块接收到的生态绿量差距较大。其中斑块接收的生态绿量最大值为161,最小值仅为46,空间分布特征上表现为同一纬度上东部比西部生态绿量的接收量高,呈现由东到西逐步递减的趋势;而同一经度上北部比南部生态绿量的接收量高,呈现由北到南逐步递减的趋势,且研究区东北部与西南部差距最大。由此可见,该地区生态服务均等化水平较低,虽然从设立的达标值上来看生态绿量基本达标,但是无法体现出生态服务的均等化水平。本文采用GIS并结合距离衰减模型的方式,可以精准找出城市绿化生态服务较为薄弱的斑块,针对薄弱的斑块加强绿化建设,可以有效提高均等化水平。该方法辅助决策作用显著,对城市绿地系统规划具有一定的参考价值,特别适用于寸土寸金的人口密集型城市。

4.2 讨论

目前国内外对城市绿地生态服务功能的研究主要集中在绿地均匀度分析(高祥伟等,2013)和绿地群落组成(Broadbent,2013)方面,虽然通过对不同绿化分布情况和绿地组成情况的生态服务功能进行了测度,反映了不同绿化结构下的生态服务功能的差异,但是没有从公民接收到的生态服务的角度出发来对绿地的生态服务功能进行评价,无法客观反映生态服务惠及全民的水平。本文的特色主要在于将基本公共服务均等化概念引入到城市绿化生态服务功能评价中,以促进不同点位的人所接收到的生态服务量的准确计算为出发点,将距离衰减模型与GIS技术融合,处理不同绿化源的生态服务功能叠加问题,计算出了研究区域各个点生态绿量的接收量,并运用GIS展现各斑块承接到的生态绿量的空间分布情况,通过差异性分析找出绿化接收薄弱点,弥补了只对绿地自身的分布情况及绿地组成进行绿化效果评价的不足,体现了城市绿化建设既注重生态效果又注重生态服务惠及全民的宗旨。

本文利用统一量纲生态绿量的方式来测度各斑块的生态服务,方式较为单一。事实上影响生态服务的因素有很多,而有些因素如陶冶情操和感观享受等功能难于定量评价,因此本文所述的城市绿地所能提供的生态服务和实际的生态服务全集还有一定的差距,有待于进一步丰富和完善。

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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

张雪花, 郝彪, 张宝安. 2017. 基于GIS的城市绿化生态服务量及其均等化评价[J]. 生态环境学报, 26(4): 547-552.

天津市哲学社会科学规划课题(TJLJ15-008);天津市科技支撑重点项目(09ZCGYSF02200)

张雪花(1967年生),女,教授,博士,研究方向为生态环境规划与管理。E-mail: xuehua671231@163.com

2017-02-27

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