基于供需关系的城市生态系统服务评估——以沈阳市为例

王迪

（沈阳环境科学研究院辽宁省城市生态重点实验室，辽宁沈阳 110161）

1 引言

自1974 年Holdren 和Ehrlich 提出生态系统服务功能的概念以来，生态系统服务功能研究已逐渐发展为生态学、生态经济学、资源经济学的交叉前沿课题［1］。起初，人们多以不同类型自然生态系统作为生态系统服务功能评估的研究对象，例如森林、湿地、草地等生态系统类型，鲜有涉及日益成为人类活动主要载体的城市生态系统。直至20 世纪90 年代末，人们开始对城市生态系统服务功能及其价值评估给予关注。

城市生态系统服务评估的前提为明确城市生态系统的边界，但由于政策与生物物理作用的原因，许多用来定义和了解城市生态系统服务相关功能与相互作用已远远超出城市的边界，因此城市生态系统的边界很难清楚地界定。Pickett 等［2］研究表明，城市生态系统是指基础设施覆盖了很大一部分土地表面的地区，或者是人们生活密度较高的地区，并提出城市生态系统服务主要包括供给服务、调节服务、文化服务和支持服务（栖息地服务）4 个方面。宗跃光等［3］研究了城市生态系统服务功能的价值结构，并对宁夏灵武市作了个案分析；夏丽华等［4］对经济发达地区城市生态服务功能研究的意义、内容和方法做了理论探讨；徐俏等［5］分别以深圳市和广州市为案例评估了城市生态系统服务功能价值；彭建等［6］对深圳市固碳释氧功能、调节气候功能、涵养水源功能、保持土壤功能、净化空气功能、减弱噪声功能进行评估。早期的城市生态系统服务功能大多直接引用自然生态系统服务功能评估方法和公式，而忽略了城市生态系统与自然生态系统的结构和功能特征的差异性。苏美蓉等［7］提出将城市生态系统特质性、人的需求性、受体地域性等作为修正城市生态系统服务功能价值评估方法的依据，并提出了通过实地测量、专家评价、问卷调查等方法来实现修正的初步设想；吴丽娟［8］对厦门的林产品、水产品、农作物供给功能，休闲游憩、固碳释氧、涵养水源、保育土壤、净化水质、净化环境、消浪护岸、科研文化等功能进行评估；师晓娟［9］对兰州市的气候调节、气体调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护、食物生产、原材料、娱乐文化进行评估。

沈阳市作为东北老工业基地，经济不断发展，城市也随之不断扩张，大面积生态用地被用于生态建设，原有生态过程随着土地利用类型的改变而消失，城市生态系统的结构和功能均发生了较大变化。对沈阳市开展城市生态系统服务价值评估，有助于建立区域环境经济综合核算体系，为区域可持续发展决策提供定量依据。

2 研究区概况

沈阳市为辽宁省省会，地处中国东北地区的南部，辽宁省中部，东与抚顺市相邻，南与本溪市、辽阳市相连，西与阜新市、锦州市相依，北与铁岭市、内蒙古自治区接壤。沈阳市处于122°25′09″～123°48′24″E和41°11′51″～43°02′13″N 之间，东西宽115 km，南北长205 km，市域面积1.286 万km2，是东北地区政治、经济、文化中心和交通枢纽。沈阳市位于辽河平原中部，东部为辽东丘陵山地，北部为辽北丘陵，地势向西、南逐渐开阔平展，由山前冲洪积过渡为大片冲积平原，地势由东向西缓缓倾斜。沈阳属于温带半湿润大陆性气候，受季风影响，降水集中在夏季，温差较大，四季分明，年平均气温6.2～9.7 ℃，多年平均降水量600～800 mm。

沈阳市在植物区系分区上属于泛北极植物区、中国-日本森林植物亚区和华北植物区。本地区东部与长白植物区相接，北部与蒙古植物区相毗邻，因此，其植物区系受多方面的影响和渗透，形成复杂的区系地理成分，植物种类较丰富，约有种子植物98科371 属779 种，最大科是菊科。国家一级保护植物包括水杉、东北红豆杉和银杏等，近危植物包括角盘兰、白扦、叉子圆柏、西府海棠、元宝槭等，易危植物包括白皮松、臭冷杉、杜仲、黄檗、紫花槭、水曲柳、东北红豆杉、红松、十字兰等。

3 研究方法

3.1 评价指标确定

本研究以科学性、有效性、独立性、代表性及可操作性为基本原则，以联合国千年生态系统评估（Milleumium Ecosystem Assessment，MEA）的生态系统服务指标体系为基础［10］，结合国内外城市生态系统服务文献资料研究及沈阳市城市生态系统类型，基于层次结构思想结合理论分析、专家咨询结果，构建了沈阳城市生态系统服务功能评价指标体系。指标体系包括供给服务、调节服务、支持服务3 个一级指标，粮食供给、单位GDP 能源消耗量、雨水调节功能等14 个二级指标，见表1。

表1 沈阳城市生态系统服务功能评价指标体系

续表1 沈阳城市生态系统服务功能评价指标体系

3.2 评价指标计算方法

3.2.1 供给服务功能

（1）粮食、蔬菜、水果等农产品供给。沈阳市市内九区农产品供给区域主要分布在浑南区、沈北新区、苏家屯区和于洪区。沈阳市农产品主要包括三大类，分别为粮食、蔬菜和水果。依据每年各区县的各类产品产量分别得出市内九区粮食、蔬菜、水果的总量。

（2）单位GDP 能源消耗量。沈阳市作为典型北方城市，其主要能源消耗类别为煤炭、天然气和液化气。本研究统计沈阳市年煤炭消耗总量、天然气消耗总量、液化气消耗总量和GDP 总值，得出单位GDP的能源消耗量。

（3）水资源供给。水资源总量指当地降水形成的地表和地下水总量，即地表径流量与降水入渗补给量之和。水资源供给部分指城市某区域为当地所在居民提供的生活、工业、绿化等年供水总量。城市日常生活水资源主要来自于地表水和地下水，通过水资源公报获取各区县地表水资源量、地下水资源量、全区总供水量、人均综合用水量。

（4）经济密度。经济密度指当年单位土地面积上实现的产值，是衡量土地集约利用程度的重要指标。经济密度采用一年中单位市辖区面积GDP 值来计算。

3.2.2 调节服务功能

（1）雨水调节功能。参考张彪利用绿地滞蓄雨水功能量的方法评估雨水调节服务功能［18］。

（2）气候调节功能。参考张彪利用绿地蒸腾吸热降温的方式来核算气候调节功能［18］，夏季高温期按照每年夏季6 月、7 月和8 月共90 d 测算。

（3）噪声控制功能。根据不同组成结构绿地对噪声的实际削减效果，对沈阳市城市绿地噪声控制功能进行评估。从绿地结构来看，乔灌草结构绿地降噪能力最强，在不同宽度上均高出其他绿地结构0.91%～7.01%，且随着宽度的增加而降噪明显［18］。

（4）空气净化功能。城市绿地能够通过吸收同化、吸附阻滞等形式降低污染物，改善大气环境质量。根据沈阳市实际情况，本研究重点考虑城市绿地对SO2的吸附功能和滞尘功能。核算方法参考张彪关于北京市各类林草对SO2吸收和灰尘滞留量的评估方法，削减成本以SO21 200 元/t 和灰尘150 元/t分别核算［18］。

3.2.3 支持服务功能

（1）公共资源地均占有率。公共资源地均占有率为反映研究区域内公共资源供给与匹配程度的指标。公共资源主要从教育资源、医疗资源和交通设施资源3 个方面进行考量，分别得出各区县对教育、医疗和交通设施三类公共资源占有率。其中，教育资源主要评估对象为学校，包括幼儿园、小学、初中等不同年龄段的教育资源，比重系数为1；医疗资源主要评估对象为医院、诊所和药店，三者比重系数按照1∶0.8∶0.5 来计算；交通设施资源主要评估对象为火车站、汽车站、机场、港口，四者比重系数为1∶1∶0.8∶0.5。通过百度地图POI 数据库获取到沈阳市市内九区教育、医疗和交通3 类公共资源中各小类数量（如学校、火车站、汽车站等），计算出各区县单位面积内各小类公共资源数量，即公共资源占有率。其次根据各小类公共资源比重系数不同，分别将各小类乘以对应的比重系数，最后将各区县各类公共资源占有率数值进行标准化，求和得出各区县各类公共资源地均占有率。

（2）人均公共绿地。各区人均公共绿地占有量＝市辖区城市绿地总面积/市辖区人口数量。

（3）人口密度。市辖区人口密度＝市辖区人口总量/市辖区面积。

（4）生物多样性。市辖区濒危物种丰富度＝市辖区具有濒危等级鸟类物种数量。

4 结果与分析

4.1 供给服务

4.1.1 供给功能评估

沈阳市城市生态系统的供给服务主要包括粮食、水果和蔬菜供给，其供给量空间分布特征主要表现为近郊区高于中心城区。苏家屯区在粮食、水果和蔬菜3 类食物供给中均占据领先位置。结合各区县的人口数量分析，人均粮食、水果和蔬菜产量最高的分别为沈北新区、苏家屯区和苏家屯区；人均粮食和蔬菜产量最低的均为沈河区，人均水果产量最低的为和平区、皇姑区和沈河区，均为人均零产量。市内九区万元GDP 收入需要消耗14.26 m3天然气、0.002 2 t液化气和0.64 t 的煤炭。按照天然气市场价格为2～3 元/m3，煤炭市场价格为640～650 元/t，液化气市场价格为6 000 元/t，市内九区每万元的GDP 收入需投入约35.65 元天然气、412.80 元煤炭、13.20 元液化气，共计461.65 元。市内九区水资源供给总量、地表水资源总量和地下水资源总量均表现为4个近郊区高于中心城区，其中，水资源供给总量最高的为沈北新区，为3.14 亿t，最低的为大东区，为0.37亿t；地表水资源总量最高的区为浑南区，为2.21亿t，最低的为大东区，为0.24 亿t；地下水资源总量最高的为浑南区，为1.72 亿t，最低的为大东区，为0.41亿t。市内九区经济密度排名较高的为沈河区、和平区和皇姑区，分别为144 156.99，119 711.61，68 457.22 万元/km2。其中，沈河区与和平区的经济密度值遥遥领先于其他区县，充分证明以上两个区域主要职能为向全市人民提供休闲娱乐等消费空间，生态系统服务功能需求较大；而于洪区、浑南区、沈北新区、苏家屯区的经济密度值较低，说明市内九区生态系统服务功能需求表现出显著的空间差异。

4.1.2 供给功能供需关系

沈阳市城市地区供给功能的供需关系中，和平区、沈河区、大东区、皇姑区、于洪区表现为供不应求，供需关系为－255 931，－274 704，－257 054，－318 603，－275 665 t，以上几个区域除于洪区外均为旧城区。苏家屯区、浑南区、沈北新区3 个区域粮食供需表现为供大于求，粮食结余量分别为54 087，20 947，80 823 t，结余总量为155 857 t，不能满足粮食自给不足的几个区的欠缺总量，故市内九区的粮食供给量不能满足自给自足，还需要沈阳市远郊区县甚至临市的粮食供给。市内九区水果供需关系均表现为“供不应求”状态，最为明显的是中心城区。市内九区蔬菜供给表现为和平区、沈河区、大东区、皇姑区4个中心城区供给量小于需求量，供需关系分别为－60 209，－68 800，－64 279，－763 39 t。铁西区、苏家屯区、浑南区、沈北新区、于洪区表现为供大于求，除去本区需求外，余量总量达到494 495 t，足以满足中心城区自给不足的269 627 t 蔬菜需求。市内九区水资源供给量表现为和平区、沈河区、大东区、皇姑区4个中心城区供给量小于需求量，供需关系分别为－0.06 亿t、－0.09 亿t、－0.07 亿t、－0.16 亿t。铁西区、苏家屯区、浑南区、沈北新区、于洪区表现为供大于求，且除本区需求水资源量外，余量总量10.34 亿t，远远高于中心城区的需求量，同样可以看出苏家屯区、浑南区、沈北新区为水资源高供给区。

沈阳市市内九区供给功能供需关系见图1。

图1 沈阳市市内九区供给功能供需关系

4.2 调节服务

4.2.1 调节功能评估

从沈阳市市内九区城市绿地蓄水量方面看，市内九区中绿地蓄水量最多的为皇姑区，共计24 亿t，其中居住绿地蓄水量最多，为5.7 亿t。市内九区中其他各区绿地蓄水量排序依次为大东区、浑南区、沈北新区、苏家屯区、铁西区、于洪区、沈河区、和平区。从城市绿地组成方面看，占各区主要比例的城市绿地类型各不相同，沈北新区、铁西区、沈河区、和平区城市绿地中以公园绿地为主，其绿地滞蓄雨水量分别为3 307.1，258.0，55.8，48.7 万t；皇姑区以居住绿地为主，绿地滞蓄雨水量为5.7 亿t；大东区以公共设施绿地为主，绿地滞蓄雨水量为5.0 亿t；苏家屯区以生产绿地为主，绿地滞蓄雨水量为4 717.5 万t。根据沈阳市不同植被类型的蒸腾吸热量来计算市内九区高温期植被的蒸腾吸热量。市内九区高温期蒸腾吸热总量最高的为浑南区，降温吸热功能量为4.9×1012kJ，其他依次为沈北新区、苏家屯区、铁西区、于洪区、大东区、皇姑区、沈河区、和平区。市内九区各区城市绿地类型包括乔木、灌木和草地3 类，单位城市绿地中乔木的降噪能力高于灌木和草地类。市内九区城市绿地降噪总值表现为近郊区高于中心城区，单位面积城市绿地降噪能力表现为大东区、沈河区、皇姑区高于苏家屯区、沈北新区、浑南区等近郊区。分析其原因可能为沈阳市中心城区行道树与绿化带中乔木占主要地位。市内九区的城市绿地空气净化功能与城市绿地的植被类型和面积密切相关，各植被类型的空气净化功能表现为乔木＞灌木＞草地。市内九区中，各区城市绿地年度吸收SO2与灰尘的能力表现为浑南区＞沈北新区＞苏家屯区＞铁西区＞于洪区＞大东区＞皇姑区＞沈河区＞和平区；综合各区的面积，城市绿地单位面积吸收SO2与灰尘的能力表现为浑南区＞大东区＞皇姑区＞沈河区＞沈北新区＞和平区＞苏家屯区＞铁西区＞于洪区。该结果表明近郊区的总体空气净化能力大于中心城区，但单位面积空气净化能力却低于中心城区，说明虽然中心城区的城市绿地面积相对于近郊区较小，但在城市绿地的分布密度及搭配上要优于近郊区，能降低车流量较大的中心城区的空气污染。

4.2.2 调节功能供需关系

参考暴雨降水量等级的降水量50～100 mm/d，衡量沈阳市市内九区城市绿地调节水量能否为市内九区缓解雨水压力。市内九区城市绿地单位面积调节雨水量中仅皇姑区100.22 mm，达到暴雨调节的功能，其次是大东区的47.89 mm，其他区的城市绿地调节雨水量远达不到调节暴雨的功能。

市内九区各区现有城市绿地吸热功能量可起到调节各区高温的作用，其中，浑南区、沈北新区、苏家屯区城市绿地每天降温吸热的功能量，相当于3 个区每家每户空调24 h 时运转9，6，3 d 所需电量，而于洪区、大东区、铁西区、皇姑区、沈河区、和平区的城市绿地每日的降温吸热量不足以为每家每户提供全天的气温调节功能，仅能调节2～6 h 不等。

市内九区噪声供需关系分析主要参考“城市环境综合整治定量考核”（以下称为“城考”）中噪声分贝数56 dB 来评估，主要表现为和平区和大东区年均噪声分贝62.5 dB 和57.5 dB，超过了城考标准，沈河区、皇姑区和铁西区低于城考标准，浑南区、沈北新区、苏家屯区和于洪区4 个近郊区年噪声分贝数同样低于城考标准。

市内九区的年均SO2浓度排序为和平区＞沈河区＞铁西区＞大东区＞皇姑区＞于洪区＞浑南区＞沈北新区＞苏家屯区，SO2年均浓度最高达到102 μg/m3。市内九区大气灰尘浓度排序为和平区＞沈河区＞皇姑区＞沈北新区＞浑南区＞大东区＞于洪区＞苏家屯区＞铁西区，灰尘浓度值最高为19.3 t/km2。

沈阳市市内九区调节功能供需关系见图2。

图2 沈阳市市内九区调节功能供需关系

4.3 支持服务

4.3.1 支持功能评估

4.3.1.1 公共资源占有率

沈阳市市内九区医疗设施占有率最高的区域为皇姑区，其他区医疗设施占有率排序为大东区＞沈河区＞于洪区＞沈北新区＞和平区＞浑南区＞铁西区＞苏家屯区。通过该指标可以看出，市内九区医疗设施主要集中在中心城区，即旧城区。市内九区交通设施地均占有率最高的区域为沈河区，其次依次为和平区>皇姑区>大东区>铁西区>于洪区>浑南区>沈北新区>苏家屯区。通过该指标可以看出，市内九区的主要交通设施集中在沈河区、和平区等旧城区，近郊区虽然包含部分重要交通设施（如浑南区机场），但由于近郊区城市发展时间与旧城区相比较短，交通设施完备性有待进一步提升。市内九区教育资源占有率最高的区域为沈河区，其他依次为和平区＞皇姑区＞大东区＞铁西区＞于洪区＞浑南区＞沈北新区＞苏家屯区。通过该指标可以看出，市内九区的教育资源多集中在中心城区，即旧城区，而周边近郊区的教育资源相对较少，表现出中心重四周轻的局势。

4.3.1.2 人均公共绿地

根据生态市建设“城镇人均公共绿地面积”达标值可知，城镇绿地的人均面积为11 m2，故本研究依据此标准来衡量沈阳市市内九区的人均城市绿地面积的供需关系。市内九区人均绿地面积表现为浑南区＞沈北新区＞苏家屯区＞于洪区＞大东区＞铁西区＞沈河区＞皇姑区＞和平区，人均城市绿地面积值分别 为558.11，335.2，181.86，43.41，28.49，22.92，12.58，12.24，8.86 人/m2。由以上结果可知，市内九区中除和平区外，人均绿地面积均可达到生态市建设的标准，即可以满足人们的城市绿地需求。和平区地处沈阳市中心，商业、交通等发达，城市绿地面积相对较低，建议在今后的城市发展中重视城市绿地的面积增加与植被类型搭配。

4.3.1.3 人口密度

根据国家住建部宜居城市人口密度标准可知，宜居城市人口密度为10 000 人/km2以内。沈阳市市内九区人口密度超过10 000 人/km2的区包括皇姑区、沈河区及和平区，分别为12 450，11 933，11 255 人/km2，已经超出了宜居城市的人口密度。其他区的人口密度排序为大东区＞铁西区＞于洪区＞苏家屯区＞浑南区＞沈北新区，人口密度值分别为6 723，3 185，924，546，477，364 人/km2，均可作为人口扩散和转移的主要区域。

4.3.1.4 生物多样性

本研究以珍稀鸟类的物种数量作为沈阳市市内九区各区生物多样性的供需关系分析参考。市内九区珍稀鸟类数量超过8 种（各区珍稀鸟类均值）的区包括沈北新区、浑南区、苏家屯区，中心城区的珍稀物种数量均低于各区平均珍稀物种数量。调查发现，珍稀鸟类多分布在近郊区，中心城区内只有和平区的浑河附近发现珍稀鸟类，说明珍稀鸟类对栖息环境的要求较高，不仅对栖息地质量有所要求，对栖息地周边的环境同样有所要求，嘈杂的城市区内不适合鸟类的生存。同样，鸟类是生态环境的“形象大使”，珍稀鸟类的物种数量侧面反映出各区的生态环境，优良程度为沈北新区＞浑南区＞苏家屯区＞和平区。

4.3.2 支持功能供需关系

按照住建部发布的《城市公共服务设施规划标准征求意见稿》中幼儿园及中小学的建设规模及应招学生标准，分析满足各区适龄儿童上学需求所需中学、小学和幼儿园数量。各区所需中小学及幼儿园总数排序为铁西区＞皇姑区＞沈河区＞大东区＞和平区＞于洪区＞苏家屯区＞浑南区＞沈北新区，其中，中小学学校资源数量可以满足本区适龄儿童的区包括沈河区、苏家屯区、浑南区，而各区幼儿园的数量表现为均不能满足本区适龄儿童上学需求。

依据“医疗卫生设施人均规划建设用地指标”中省会城市规划人均医疗用地的建设用地面积数，对沈阳市市内九区各区医疗资源供需关系进行分析，得出市内九区所需医疗资源面积数供大于需的区包括皇姑区、大东区、和平区，分别超出1 415 354，541 398，70 445 m2，供小于需的区包括铁西区、苏家屯区、浑南区、沈河区、于洪区、沈北新区。

本研究依据生态市建设“城镇人均公共绿地面积”达标值，来衡量沈阳市市内九区的人均城市绿地面积的供需关系。由结果可知，市内九区中除和平区外，人均绿地面积均可达到生态市建设的标准，即可以满足人们的城市绿地需求。

根据国家住建部宜居城市人口密度标准，皇姑区、沈河区和和平区的人口密度已经超出了宜居城市的标准，不适合再继续增加人口，其他区均可作为人口扩散和转移的主要区域，特别是浑南区和沈北新区。

沈阳市市内九区生物多样性的供需关系分析结果表明，沈北新区、浑南区、苏家屯区的珍稀鸟类数量超过8 种，中心城区的珍稀物种数量均低于各区平均珍稀物种数量。

沈阳市市内九区支持功能供需关系见图3。

图3 沈阳市市内九区支持功能供需关系

5 结论

沈阳市市内九区城市生态系统供给服务表现为浑南区、沈北新区、于洪区、苏家屯区4 个近郊区优于沈河区、和平区、皇姑区、大东区、铁西区5 个中心城区，主要表现为近郊区的粮食、水果、蔬菜和水资源供给量显著高于中心城区。而由于中心城区的人口数量较大且人口密度较高，中心城区对供给服务的需求高于近郊区，中心城区自身的供给量不能满足本区的需求量；近郊区人口数量较少，对供给服务的需求低于中心城区，近郊区的高供给不仅可以满足本区的供给需求（除水果外），还会有大量结余，形成中心城区“高需求，低供给”、近郊区“高供给，低需求”的状态。

沈阳市市内九区城市生态系统调节服务表现为近郊区优于中心城区，主要表现为近郊区的噪声调节功能和空气净化功能中的大气SO2浓度调节功能优于中心城区。雨水调节功能和气候调节功能表现为市内九区均达不到显著的调节效果，不能有效缓解市内九区各区暴雨洪涝和夏日高温的情况。市内九区的噪声达标率相对较高，达标率在80%以上。空气中SO2和灰尘污染浓度较高，特别是中心城区。市内九区调节功能总体表现为“低供给，高需求”，其中，中心城区除噪声控制功能外均表现为“低供给，高需求”，近郊区除噪声控制和空气中SO2调节功能外，表现为“低供给，高需求”的状态。

沈阳市市内九区城市生态系统支持服务功能表现为中心城区高于近郊区，但人均公共资源占有量却表现为中心城区严重不足，以上问题说明中心城区人口基数大、人口密度大，中心城区的支持功能呈现“高供给，高需求”的状态；人均绿地面积和物种多样性表现为近郊区低于中心城区。其原因可能为中心城区具有土地面积小、开发强度大、以服务业为主要来源等特征，故许多供给服务要由周边区县或临市来补给，城市绿地被过度开发转换为公共资源等支持服务。

目前来看，沈阳市市内九区生态系统服务功能供需关系主要表现为中心城区“供不应求”，近郊区“供大于求”。和平区、沈河区、大东区和铁西区4 个中心城区表现为“高需求、低供给”，于洪区、苏家屯区、沈北新区和浑南区表现为“低需求、高供给”，只有皇姑区表现为“高需求，高供给”。其原因可能为中心城区除了土地面积小和经济开发强度大、农作物供给功能极度削弱外，人口密度显著高于近郊区，对生态系统服务功能的需求量远高于近郊区，如对公共资源、人均城市绿地总面积、粮食、能源等的需求量较大，故造成中心城区的“供不应求”。