基于GIS/RS的城市绿地生态价值定量评估

2018-01-19欧盛华裔传祥

安徽农业科学 2018年3期

龚围，欧盛华，杨涛，裔传祥

(1.重庆师范大学地理与旅游学院，重庆 400047；2.广东省国土资源测绘院，广东广州 510500；3.南京信息工程大学应用气象学院，江苏南京 210044)

城市绿地作为城市生态系统的重要子系统，为城市居民提供了诸多生态服务。将RS、GIS技术与城市绿地系统服务价值相结合，对实现定量化评估城市绿地生态价值具有重要意义。最终以货币的形式展现城市绿地为人类提供服务价值，能够提高人们对城市绿地系统的认识程度，进而增进人们对城市绿地系统的保护意识，价值评估结果可以作为城市绿地管理部门决策的参考，也可以为合理规划城市绿地系统作出贡献。

近年来，国内外学者对城市绿地系统生态价值的研究层出不穷，从最初的定性评价向着定量化计算推进。其中，城市绿地生态价值的货币化度量成为现阶段的研究焦点。在国外，评价城市绿地系统生态价值主要有2种方法，一是现场实测各植被对环境的改善作用[1-2]，二是将“3S”技术与传统实地测量相结合，构建评价模型，从而通过模型来估算城市绿地系统生态价值。例如，1996年美国林学家协会(American Forests Mission)推出了基于ArcView的城市生态环境分析软件——CityGreen，该软件可以定量计算植被对减弱暴雨径流、净化空气等方面的效益及相关价值。在我国，绿地生态系统服务价值的研究起步较晚[3]，并且关于城市绿地系统生态价值定量化评估的研究却鲜见报道[4]。笔者借鉴国内外绿地生态服务价值评估理论，以济南市历下区为研究区，以ArcGIS软件为平台，以遥感数据为主要数据源，定量化评估了城市绿地的土壤保持、固碳释氧、吸收SO2、涵养水源等价值，实现了对城市绿地生态系统服务价值定量化的计算与评估。

1 数据获取与指标选取

1.1数据来源研究区是位于济南市建成区内的历下区(图1)，总面积达100.89 km2，其地形南部群山叠嶂，西部泉水遍布，地势南高北低，属暖温带大陆性季风气候区，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季寒冷干燥，四季分明，城市绿地类型多样，具有代表性。建模过程中，主要数据源有2009年8月31日分辨率为0.61 m的Quickbird影像和分辨率为30 m的Landsat TM影像。首先对遥感影像进行辐射定标和大气校正等预处理[5-6]，鉴于不同类型植被生态服务价值不同，然后对城市绿地按不同类型(乔木、灌木、草地)进行信息提取，如图2所示(为保证图的完整性，增加“其他”类别表示非植被类型地物，以后的价值估算仅考虑植被)。

图1 历下区地理位置Fig.1 Geographical position of Lixia District

图2 历下区城市绿地类型分类Fig.2 Classification of urban green space types of Lixia District

1.2指标选取生态系统提供产品功能和部分文化功能构成了生态系统服务功能的直接价值，而调节功能、支持功能和部分文化功能则构成了生态系统服务功能的间接价值。这些功能指标主要包括水土保持、涵养水源、固碳释氧、滞尘等。然而，截至目前，并未形成若干生态价值定量测算的统一方法。笔者参考有关研究[7-15]，结合研究区特点，选取其中7类作为城市绿地生态价值定量评估的指标体系(表1)。

2 空间数据建模与分析

2.1绿地生态价值评估总体技术路线根据城市绿地生态价值定量评估的指标体系，建立各价值指标的生态价值评估模型，将所有空间数据统一到WGS_1984_UTM_Zone_50N空间参考坐标下，统一栅格象元为30 m。在此基础上，结合城市绿地不同服务价值评估理论，利用ArcGIS空间分析工具，得到城市绿地不同服务价值的经济效益，进而求得研究区城市绿地生态总价值，其总体技术路线见图3。

表1 城市绿地生态价值定量评估指标

图3 城市绿地生态价值评估技术流程Fig.3 Technological process of ecological value assessment of urban green space

2.2绿地生态服务价值指标分析

2.2.1土壤保持价值。由表1可知，估算城市绿地土壤保持价值时涉及三大价值，计算公式有以下：

E=Es+En+Ef

(1)

Es=Ac×B÷(H+10 000×ρ)

(2)

En=Ac÷ρ×24%×C

(3)

Ef=∑Ac·Ci·Pi(i=有机质，N，P，K)

(4)

式中，E为土壤保持价值；Es为减少土地损失价值；En为减少泥沙淤积灾害价值；Ef为保持土壤肥力价值。Ac为土壤保持量；B为林业年均收益[1 501.4元/hm2· a][7]；H为土壤厚度(0.6 m)；ρ为土壤容重(1.5 g/cm3)；C为水库工程费用(1990年不变价)0.67元/m3[8]；Ci为土壤中有机质、氮、磷、钾的纯含量(%)；Pi为有机质、氮、磷、钾的市场价格(元/t)(有机质0.051 3元/kg，我国化肥平均价格为2.55元/kg)[9]。

在RUSLE方程中，A=R·K·LS·C·P[10]，当C与P不等于1时，A为土壤的现实侵蚀量，当C与P等于1时，A为土壤的潜在侵蚀量，结合研究区实际情况，土壤保持量Ac采取肖寒等[8]的方法，用土壤的潜在侵蚀量与现实侵蚀量二者的差值来估算Ac=R·K·LS(1-C·P)，其中年降雨侵蚀力指标R值采用刘秉正[11]的简易算式，土壤可蚀性因子K值采用Williams等[12]在EPIC模型中的方法计算，坡度因子和坡长因子LS分别采用肖寒等[7]和刘元宝等[13-14]的改进RUSLE方程式，植被覆盖因子C值通过查询Wischmeier(1978)的观测数据(表2)来确定。

表2 不同植被覆盖因子(C)取值

RUSLE中土壤保持措施因子P，是指特定水土保持措施的土壤流失量与相应未实施保持措施的顺坡耕作地块的土壤流失量之比。措施好的P值小，反之P值大。该研究中P值是根据研究区地表覆盖类型查表(表3)确定的。

表3我国不同措施的土壤保持因子(P)

Table3Soilconservationfactors(P)ofdifferentmeasuresinChina

坡度Slope°等高带状耕作Contourstriptillage草田带状耕作Striptillageingrassfield水平梯田Horizontalterrace水平沟Horizontalchannel等高垄作Highridge<50.30.10.30.010.15～100.50.10.050.1>100.60.20.100.3

在获得以上各因子数据后，按照图3建立土壤保持价值评估模型，如图4、5分别为研究区城市绿地土壤保持量和土壤保持价值结果，对其进行统计分析，可以计算出2009年研究区城市绿地土壤保持总量为67.89万t，折算成服务价值为949.93万元。

图4 城市绿地单位面积土壤保持量Fig.4 Soil conservation per unit area of urban green space

图5 城市绿地单位面积土壤保持价值Fig.5 Soil conservation value per unit area of urban green space

2.2.2固碳释氧价值。在对植被净第一性生产力(NPP)测算[15]的基础上，利用遥感技术和生态经济学方法，估算了研究区城市绿地固定CO2和释放O2的物质量，根据植物光合作用方程式：

(5)

结合呼吸作用方程可推算出：每形成1 g干物质，可固定1.62 g CO2，并释放1.2 g O2，而干物质量可根据植物干物质中碳元素的含量大约占45%[15]由NPP计算，故维持碳、氧平衡量分别为(NPP/45%)×1.62和(NPP/45%)×l.20，结合表1可得到工业制氧成本为0.4元/kg[16]，瑞典碳税率为0.15美元/kg[16]，从而计算绿地固碳释氧价值。图6、7分别为研究区城市绿地固碳价值和释氧价值结果，对其进行统计可知，2009年研究区城市绿地固碳、释氧价值分别为2 356.11万和2 777.18万元。

图6 城市绿地单位面积固定CO2价值Fig.6 CO2 value of urban green space per unit area

图7 城市绿地单位面积释放O2价值Fig.7 O2 value of urban green space per unit area

2.2.3吸收SO2与滞尘价值。城市绿地吸收SO2价值和滞尘价值采用以下公式进行评估：

城市绿地吸收SO2价值=不同植被类型面积×植被吸收SO2能力×削减SO2成本[16]

(6)

城市绿地滞尘价值=不同植被类型面积×滞尘能力×削减粉尘成本[8]

(7)

式中，乔木、灌木、草地吸收SO2能力分别为85.0、18.9、 8.9 kg/(hm2·a)，滞尘能力分别为12.9、3.2、0.5 t/(hm2· a)，SO2和粉尘的治理费用根据我国发改委等四部委2003年第31号令《排污费征收标准及计算方法》中规定SO2排污收费标准为1.20元/kg，粉尘排污收费标准为0.15元/kg。图8、9分别为城市绿地吸收SO2和滞尘价值结果，分别进行统计分析，可知 2009年研究区城市绿地吸收SO2量为284 t，转成服务价值为34.05万元，滞尘量为4.26万t，转化成服务价值为641万元。

图8 城市绿地单位面积吸收SO2价值Fig.8 Absorption of SO2 value per unit area of urban green space

图9 城市绿地单位面积滞尘价值Fig.9 Dust the city green space per unit area value

2.2.4热岛缓解与蓄水价值。城市绿地一方面通过树冠遮挡阳光，减少阳光对地面的辐射热量，另一方面通过蒸腾作用向环境散发水分，同时吸收周围环境中的热量，降低空气温度。城市绿地蒸腾吸热量具体计算过程参考文献[17]，结合表1，参照居民用电价格可估算出绿地缓解热岛价值。城市绿地涵养水源量用土壤贮水量来表示，土壤贮水量与多种因素有关，其中土壤结构至关重要。土壤涵养水源的贮水量常用下式表示：

Q=S·h·p

(8)

式中，Q为绿地土壤贮水量；S为绿地面积；h为土壤厚度；p为土壤的粗孔隙率。以同样具有蓄水功能的水库作为替代工程，已知研究区附近的一个水库，库容为113万m3，投资200万元。因此，在不考虑支付意愿的情况下，以该水库作为替代工程可以求出研究区城市绿地蓄水价值。图10、11分别为城市绿地缓解热岛价值和蓄水价值结果。经统计可知，2009年研究区城市绿地热岛缓解服务价值为5 151.30万元，涵养水源量为3.44×106m3，转化成服务价值为609万元。

图10 城市绿地单位面积缓解热岛效应价值Fig.10 Value of urban green land per unit area to mitigate heat island effect

图11 城市绿地单位面积涵养水源价值Fig.11 Water conservation value of urban green space per unit area

2.3城市绿地生态价值定量评估模型总体构建由以上分析可知，该研究所选择的绿地生态服务价值指标与定量化评估城市绿地的生态价值确实具有不可分割的联系，由于以上指标结果均是以货币的形式展现的，因而每个指标之间都是等权重的，权重均为1，将以上指标结果进行等权叠加，值越高，表明城市绿地产生的生态效益越高。在ArcGIS中运用空间建模工具模块，按照上述原理与方法，建立城市绿地生态价值定量评估模型。城市绿地生态总价值评估结果见图12。

图12 城市绿地单位面积生态服务总价值Fig.12 Total value of ecological services per unit area of urban green space

对图12进行统计分析可知，2009年研究区城市绿地生态服务价值为1.25亿元，占全年生产总值的0.22%，查阅有关资料，2009年研究区专业绿化面积155 hm2，绿化总投资0.304亿元，仅该研究涉及的绿地生态服务价值就超过了总投资的4倍多，其中，乔木、灌木、草地的生态服务价值见表4，再结合图13可知，研究区绿地服务价值乔木所占比重最大，达66%，灌木次之(为19%)，而且乔木主要分布在图下方位置，因而在图12表现出下部颜色较红为高值区。

表4不同类型绿地的生态服务价值

Table4Ecologicalservicevalueofdifferenttypesofgreenland

城市绿地类型Typesofurbangreenspace面积Areahm2生态服务价值Ecosystemservicesvalue∥亿元乔木Tree3160.131.02灌木Shrub922.480.12草地Grassland717.270.11总计Total4799.881.25

由高分辨率遥感影像可以判别，图12东北区域为工业区，中东部为商业区，中西部为居住区，东南区域为郊区，研究区不同区域绿地的生态服务价值见图14。由图14可知，郊区绿地服务价值最大，而其他区域都很小，这是由于生态服务价值高的乔木大多分布在郊区，同时也说明目前研究区城市绿地分布格局存在缺陷，结合研究区城市绿化覆盖率仅36.5%，建议工业区这种热岛效应显著区域应增加乔木的种植数量，而商业区和居住区为满足美观要求应增加灌木和草地的种植数量。

图13 城市绿地类型生态价值比例构成Fig.13 Proportion of ecological value of urban green space types

图14 不同地区绿地生态价值比例构成Fig.14 Proportion of ecological value of green space in different areas

3 结论

(1)为从城市尺度直观量化绿地资源产生的生态价值，揭示城市绿地生态功能的重要性，笔者定量评估了济南市历下区城市绿地的七大价值，结果表明：①2009年研究区城市绿地在土壤保持、固碳释氧、吸收SO2等生态服务方面产生的总价值约为1.25亿元，占全年生产总值的0.22%，是城市绿化投资的4倍，平均单位面积价值为2.60万元，去除人民币升值等因素，与王庆日[18]对2000年杭州市绿地生态价值评估单位面积结果一致；②郊区绿地生态服务价值占52%，而工业区、居住区、商业区三者总和仅占48%，且城市绿化覆盖率仅36.5%，因而有必要增加工业区、居住区、商业区的城市绿地面积；③乔木具有较高的生态服务价值，并且在缓解热岛、纳碳释氧方面具有较强的能力，应而在加强历下区城市绿地建设过程应优先扩大乔木林绿地面积。

(2)该研究从理论层面估算了城市绿地的生态价值，并未进行实地考察采集数据，但是该研究的核心目标是从城市绿地系统服务角度直观地揭示其经济学意义，凸显维护保持城市绿地生态功能的重要作用，以及为城市规划者与管理者制定政策提供依据。

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