城市生态系统服务价值及其人为影响——以济南市区为例

， ，

(山东师范大学 地理与环境学院, 山东 济南 250358)

随着城市化进程的快速推进，作为经济-社会-生态复合系统的城市地域单元已成为人类活动的主要集聚地[1]。城市土地为人类生存发展提供物质基础，也是人类各种活动的载体[2]；但是，城市化过程伴生出日渐严重的生态问题，如环境污染严重、生态恢复力降低、生物多样性减少等，因此，土地利用变化对生态系统也有重要影响，能够引起生物量和稳定性的改变[3]。

城市“生态用地”的概念由董雅文等[4]较早提出，随后国内许多学者对此加以关注，基于城市生态用地的自然和社会属性，从多视角对其类型进行了划分及相关探讨[5-8]。国外相关研究中并未将生态用地单独划分为一类土地类型，但是在土地类型划分体系中渗透了生态用地的思想[9]。Costanza等[10]于1997年刊登在《自然》上的一篇关于全球生态系统服务价值评估的文章，奠定了对生态系统服务价值研究的基础。随后，国外学者从生态系统现状、变化趋势和生物多样性等方面进行了大量研究[10-13]。谢高地等[14]针对中国国情在此方法的基础上对Costanza系数进行了有意义的改进，得到了适用于中国的生态服务价值当量表，用来评估不同生态系统的服务价值。国内诸多学者还利用不同技术和方法，从不同的时空尺度，对土地利用变化引起的不同生态系统服务价值变化进行研究[15-18]，但是，目前依据城市土地利用类型的时空格局演变，探讨城市生态系统服务功能的研究还相对较少。为推进城市生态文明建设，《国家新型城镇化规划(2014—2020年)》明确提出： 要按照统一规划、 协调推进、 集约紧凑、 疏密有致、 环境优先的原则， 统筹中心城区改造和新城新区建设， 提高城市空间利用效率， 改善城市人居环境。由此可见，提升和强化城市生态服务功能,已成为环境优先、 建设美丽城市的重要环节。本文中选取济南市区作为研究区， 通过遥感解译和地理信息技术(GIS)分析等,对城市生态用地空间结构及其生态服务价值变化情况进行分析，并探究两者之间的相互关系以及人类活动对城市生态系统的影响程度， 以期为济南城市合理规划布局、生态用地保护以及实现城市可持续发展提供参考和依据。

1 研究区概况

济南市(116°110E—117°44E、36°02N—37°31N)是山东省省会，是山东半岛城市群的核心城市，地处泰山山脉和黄河水系之间，地势南高北低，地形复杂多样。全市辖区面积为7 998 km2，2016年总人口达到713.2万，城市化率达到67.96%。济南市年平均气温在14 ℃左右，年均降水量为600～900 mm。南部山区物种资源丰富，是重要的生态保护区和水源涵养地。本文中的研究区为济南市区(历下区、市中区、天桥区、槐荫区、历城区、长清区，因为考虑多个年份数据统计口径的一致性，所以暂不包括章丘区)，面积为3 303 km2。近年来，城市大规模扩张导致用地矛盾日益突出，大量耕地和生态用地被建设用地挤占，生态系统服务价值也随之变化，济南市的发展受资源环境的约束力逐渐增强。2018年，中央批复山东新旧动能转换综合试验区建设的总体方案，提出要加快提升济南的核心地位。这就要求济南市的土地利用转型，不仅要适应经济的快速发展，而且更要注重区域生态环境的承载能力。新时代新形势下，合理规划土地利用结构，是解决济南市经济发展和生态环境保护之间矛盾的基础和保障。

2 数据处理与研究方法

2.1 土地类型划分

依据遥感影像特征和研究区实际土地利用状况以及研究需要，在相关土地类型划分研究[19-21]的基础上，根据土地分类标准，将研究区土地分为耕地、 水域、 林地、 建设用地、 草地和未利用地6个大类，本文中将生态用地界定为耕地、 水域、 林地、 草地和未利用地。

2.2 数据来源及技术处理

考虑到影像数据的可获取性和解译要求，本文中利用2001、 2006、 2015年的Landsat TM/ETM遥感影像和济南市行政区划矢量图，在ENVI 5.1软件中对遥感影像进行几何校正、图像裁剪等多种预处理操作，并通过目视解译和监督分类的方法，获得3期影像中研究区内的土地利用状况和各类土地面积。2001、 2006、 2015年的遥感影像的Kappa检验结果分别为0.92、 0.93、 0.86，均高于最低精度0.7的要求。

2.3 土地利用动态度和土地利用结构分析

1)单一土地利用动态度K表示为

(1)

式中：Ua、Ub分别为研究期期初、 期末某一土地利用类型的面积， hm2；T为研究时间， a。

2)综合土地利用动态度L表示为

(2)

式中：Ui是研究期最初的第i类土地利用面积，hm2；ΔUi是研究期内第i类土地利用类型转为其他土地利用类型的绝对值。

3)土地利用结构分析。信息熵H表征土地利用结构的有序程度，其值越小表明该研究区内土地利用结构越有序，Nat；均衡度J表征土地利用结构的均衡性，其值在[0, 1]，值越小表明研究区内土地利用差异越小，均衡度越高；优势度L则表示某类土地在研究区内的支配程度[22]。

，

(3)

J=H/Hm

，

(4)

L=1-J

，

(5)

式中：Pi=Si/S,Pi是第i类土地占研究区总面积的比值；Si是第i类土地利用类型面积，hm2；S是研究区总面积，hm2；Hm是当各土地利用类型的面积相等时的最大信息熵值，Nat。

2.4 城市生态系统服务价值的评估方法

在千年生态系统评估(MA)定义的生态系统服务功能概念的基础上， 本文中将研究区划分为6大生态系统， 并给出了其价值当量(见表1)。 参考谢高地等[14]在2015年改进的生态系统服务价值化方法： 1个标准当量因子的生态系统服务价值量是3 406.5元/hm2， 将生态系统的供给服务、 调节服务、 支持服务和文化服务细分为11种小类服务。

表1 单位面积生态系统服务价值当量

生态系统服务价值测算公式为

(6)

,

(7)

式中：VES为总的生态系统服务价值， 元；Ai为研究区某种土地利用类型的面积， hm2；CV, f为第i种土地利用类型的生态系统服务价值系数；VES, f是生态系统第f项服务功能的价值， 元；CV, fi是研究区第i种土地利用类型的第f项生态系统服务价值系数。

2.5 人为影响综合指数计算

人为影响强度指数用来表示研究区内各土地利用类型受人类活动的影响程度[23]。人为干扰影响地表植被类型，降低土地覆被的自然属性，从而改变土地利用类型。不同的土地利用类型受不同程度的人为活动干扰，因此,本文中用人为影响综合指数来表征人类活动对土地类型变化的影响程度。

,

(8)

式中：IHAI为人为影响综合指数；n为土地利用类型的数量，本文中取值为6；Pi为第i类土地利用类型的人为影响强度系数；A为研究区内各类土地的总面积，hm2。本文中利用Lohani清单法、Leopold矩阵法和Delphi法并结合诸多专家学者的研究[24]，为减小误差，人为影响强度系数Pi取3种方法的平均值(见表2)。

表2 人为影响强度系数

IHAI的值为0～1，数值越大表明该土地利用类型受人为影响强度越大，反之则表明受人为干扰越小。参考相关的研究，在Arcgis 10.2软件中通过聚类分析确定人为影响综合指数为低、较低、中、较高和高5个强度等级(见表3)。

表3 人为影响综合指数等级

3 结果分析

3.1 土地利用空间结构变化分析

3.1.1 建设用地空间结构变化

从济南市区2001、2006和2015年的土地利用状况图(见图1)可以看出，济南市区的建设用地呈东北—西南带状分布，多集中于历下区、市中区、槐荫区和历城区北部。自长清区大学科技园开工建设以来，2005年入驻了大批高校，加之济南市东拓迅速，使得济南市区建设用地向西、向东扩张，呈“多中心-组团式”分布，形成“一城两区”的空间布局。在2001—2006年间济南市区建设用地的单一动态度达到1.34%，占地面积比从2001年的22.7%上升到2015年的25.56%，在研究期15年间建设用地面积增长了9 453.42 hm2，这一时期土地综合利用动态度为1.01%。济南市在推进以人为本的城镇化进程中大量农业人口市民化，并增加了基础设施的建设，使得城市用地空间结构也发生快速变化。

3.1.2 生态用地空间结构变化

2001—2015年间济南市区耕地大量减少，林地、 草地、 建设用地面积增加，而水域和未利用地面积保持稳定，总体变化趋势显著。2001年各地类面积由大到小依次是林地、耕地、建设用地、水域、草地、未利用地，而2015年各地类面积呈现较为显著的变化趋势，依次是林地、建设用地、耕地、草地、水域、未利用地(见图1和表4)。研究期内林地面积所占比例最高，主要分布在南部山区，这是济南重要的水源涵养生态保护区，近年来大面积植树造林、退耕还林以保护水源地，使得济南市区林地面积占比从51.71%上升到57.39%。从空间分布上看，耕地主要分布在黄河北部平原一带，面积占比从2001年到2015年减少了10.17%，年均减少0.68%,面积减少33 592.51 hm2，济南拓展城市发展空间的同时也占据了大量的耕地资源。济南市在城市建设发展过程中注重草地生态建设，使得草地面积在研究期内增加了5 657.47 hm2，单一动态度在2006—2015年达到了213.41%，所占比例从0.06%上升到1.78%(见表4)。 15年间， 水域面积减少292.39 hm2， 未利用地面积虽先增后减，但其总体呈减少趋势， 总体减少4.14 hm2。 从表4来看， 土地利用的综合动态度在2001—2006年间达到了1.01%， 但在2006—2015年间仅为0.43%， 说明土地利用变动主要集中在前5年， 后10年间济南市区土地利用状况变化不大， 主要原因是受限于济南市区所处的地理位置， 北部黄河沿岸多为基本农田区， 南部山区是重要的生态保护区， 多为禁止开发区和限制开发区， 从而制约了济南市区的发展和土地利用类型的转换。

济南市区2001—2015年土地利用结构分析见表5。 从表中可以看出， 2001—2015年间济南市区土地利用结构的信息熵从1.09减小到1.08， 信息熵减小， 表明土地利用在这一时期有序程度增大， 主要原因是城市建设用地的增加和农业结构调整，使建设用地面积迅速增加。 土地利用优势度在研究期内从0.61减小到0.60， 均衡度从0.39增加到0.40， 普遍偏低，且波动不大，说明济南市区的土地利用结构总体朝着均衡化、多样化发展，林地所占面积最大，有利于济南市区的生态建设和可持续发展。

图1 济南市区2001—2015年土地利用状况

表4 济南市区土地利用面积和动态度变化%

表5 济南市区2001—2015年土地利用结构分析

3.2 城市生态系统服务价值变化

3.2.1 生态系统总服务价值变化

土地利用结构变化引起生态系统服务价值的变化情况见表6。 从表中数据可以看出， 2001—2015年济南市区城市生态系统服务功能总价值由1.67×1010元增加到1.78×1010元。 森林生态系统的总服务价值最大， 超过整个生态系统服务总价值的80%； 水域生态系统服务价值较大，基本保持稳定；农田生态系统服务价值逐年减小，研究期内减少了42.48%；草地生态系统服务价值大幅增加，研究期内由8.03×106元增加到2.29×108元；研究区林地面积最大，森林生态系统服务价值也最大，说明其是济南市区非常重要的生态系统。

3.2.2 生态系统服务价值类型变化

2001—2015年济南市区各单项生态系统服务价值变化见表7。从表中可以看出，所占比例最大的是水文调节，其次是气候调节和土壤保持，并且这3项生态系统服务价值的总和超过了总服务价值的60%。研究区林地面积最大，因此水文调节功能也是森林生态系统最重要的生态服务功能。因为2001—2015年间研究区耕地面积锐减，所以农田生态系统所提供的食物生产、原料生产等价值降低。水域生态系统主要提供水源供给和娱乐文化服务。黄河沿济南市北部边界穿城而过，市区大明湖、趵突泉等重要风景名胜区提供重要的娱乐休憩服务，天桥区的鹊山水库、历城区的卧虎山水库是重要的水源地，具有涵养水源和气候调节的功能。南部山区大面积的草地，主要提供维持生物多样性、维持养分循环和土壤保持等服务功能。

3.3 人类活动强度对生态系统服务价值的影响

为了测算研究区生态系统受人类活动影响的程度，本文中对研究区进行网格系统采样，每个网格作为一个子单元，分别计算每个格子内的人为影响综合指数IHAI，并将所得值作为每个格子中心点的值，然后进行Kriging插值得到2001—2015年的人为影响综合指数的空间分布图(见图2)。

表6 2001—2015年济南市区各类生态系统服务功能价值

表7 2001—2015年济南市区不同类型生态系统服务价值(VES)变化

从人为影响综合指数的空间分布来看，研究区南部地区多林地和草地，主要以低影响和较低影响强度为主；北部多耕地和建设用地，主要以中影响强度和高影响强度为主。从空间分布来看，随着西部长清大学科技园建设、高铁站的规划建设和济南东部高新区配套服务设施的完善，2001—2006年较高影响和高影响强度地区向东北—西南方向扩张；2006—2015年间高影响和较高影响强度范围又向黄河以北和西客站地区扩张，这与济南市“东拓、西进、南控、北跨、中优”的城市拓展和城镇建设范围有较强的空间一致性；南部山区地区随着人类活动的增多，人为综合影响指数逐渐由低影响强度向较低影响强度转变。总体来看，济南市区较高影响强度和高影响强度区域呈带状发展且集中连片，低影响强度区域变化不明显。结合土地利用状况，林地、草地和水域分布地区主要是低影响和较低影响强度区域；耕地主要分布在中影响强度区域；较高和高影响强度区域主要是建设用地，中影响强度向较高和高影响强度转化的区域多发生在耕地向建设用地转化的区域。

4 结论与建议

4.1 结论

1)通过2001、2006、2015年3期的遥感影像解译，济南市区土地利用变化呈现“三增一减两稳定”的特点，建设用地、林地、草地面积增加，耕地面积锐减，水域和未利用地面积基本保持稳定。从土地利用动态结构来看，总体上济南市区土地利用朝着均衡、有序的方向发展。

2)土地利用类型的变化引起城市生态系统服务价值的变化， 2001—2015年济南市区生态系统服务价值增加了1.1×109元，主要是南部山区水源涵养林面积增加所致，但是在南部山区以外的其他地区的耕地、水域面积减少和建设用地面积增加，导致城市生态系统服务价值的下降。林地、水域和耕地对济南市区的生态服务价值贡献最大，占据了总生态服务价值的90%以上，对维持济南市区生态系统的稳定性具有重要作用。

图2 人为影响综合指数空间分布

3)受土地利用结构变化的影响，人为影响强度在空间上的变化与济南市区城市发展和建设范围有较强的空间一致性，人为较高影响和高影响区域集中连片，生活空间和工矿建设空间严重挤压了绿色生态空间，不利于生态恢复。

4.2 建议

推动城市发展与自然生态密切“缝合”，形成可持续的城市形态是城市健康发展的必然要求。基于本文中研究提出以下建议：

1)从土地利用结构和脆弱性评价方面来看，济南市在今后的发展和规划中，要严格把控耕地红线，切实保护耕地面积，严格控制城市发展向南部山区蔓延扩张，实施“南控”方针，保护水源涵养生态功能区。

2)从生态系统稳定性和可持续性角度来看，南部山区以外的其他城市化地区在充分利用现有建设空间，努力提高土地利用效率的基础上，还要保留必要的生态空间，通过城市总体规划，加强城市生态基础设施建设，建立保障生态环境良好发展的城市绿地和生态廊道，保证济南市区的持续发展和生态可恢复性。

3)“十三五”期间，济南市在“一带一路”和新旧动能转换等机遇的带动下，随着南部山区交通便利化，将迎来城镇化的高峰期，建设用地的刚性需求将进一步加大，供需矛盾更加突出。济南市应优化主体功能分区，统筹生产、生活、生态空间分布，加快形成人口、经济、资源环境均衡协调的市域空间格局，合理控制“东北—西南”狭长式扩张。