基于GIS/RS的城市綠地生態價值定量評估

龔 圍，歐盛華，楊 濤，裔傳祥

(1.重慶師范大學地理與旅游學院，重慶 400047；2.廣東省國土資源測繪院，廣東廣州 510500；3.南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇南京 210044)

城市綠地作為城市生態系統的重要子系統，為城市居民提供了諸多生態服務。將RS、GIS技術與城市綠地系統服務價值相結合，對實現定量化評估城市綠地生態價值具有重要意義。最終以貨幣的形式展現城市綠地為人類提供服務價值，能夠提高人們對城市綠地系統的認識程度，進而增進人們對城市綠地系統的保護意識，價值評估結果可以作為城市綠地管理部門決策的參考，也可以為合理規劃城市綠地系統作出貢獻。

近年來，國內外學者對城市綠地系統生態價值的研究層出不窮，從最初的定性評價向著定量化計算推進。其中，城市綠地生態價值的貨幣化度量成為現階段的研究焦點。在國外，評價城市綠地系統生態價值主要有2種方法，一是現場實測各植被對環境的改善作用[1-2]，二是將“3S”技術與傳統實地測量相結合，構建評價模型，從而通過模型來估算城市綠地系統生態價值。例如，1996年美國林學家協會(American Forests Mission)推出了基于ArcView的城市生態環境分析軟件——CityGreen，該軟件可以定量計算植被對減弱暴雨徑流、凈化空氣等方面的效益及相關價值。在我國，綠地生態系統服務價值的研究起步較晚[3]，并且關于城市綠地系統生態價值定量化評估的研究卻鮮見報道[4]。筆者借鑒國內外綠地生態服務價值評估理論，以濟南市歷下區為研究區，以ArcGIS軟件為平臺，以遙感數據為主要數據源，定量化評估了城市綠地的土壤保持、固碳釋氧、吸收SO2、涵養水源等價值，實現了對城市綠地生態系統服務價值定量化的計算與評估。

1 數據獲取與指標選取

1.1數據來源研究區是位于濟南市建成區內的歷下區(圖1)，總面積達100.89 km2，其地形南部群山疊嶂，西部泉水遍布，地勢南高北低，屬暖溫帶大陸性季風氣候區，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷干燥，四季分明，城市綠地類型多樣，具有代表性。建模過程中，主要數據源有2009年8月31日分辨率為0.61 m的Quickbird影像和分辨率為30 m的Landsat TM影像。首先對遙感影像進行輻射定標和大氣校正等預處理[5-6]，鑒于不同類型植被生態服務價值不同，然后對城市綠地按不同類型(喬木、灌木、草地)進行信息提取，如圖2所示(為保證圖的完整性，增加“其他”類別表示非植被類型地物，以后的價值估算僅考慮植被)。

圖1 歷下區地理位置Fig.1 Geographical position of Lixia District

圖2 歷下區城市綠地類型分類Fig.2 Classification of urban green space types of Lixia District

1.2指標選取生態系統提供產品功能和部分文化功能構成了生態系統服務功能的直接價值，而調節功能、支持功能和部分文化功能則構成了生態系統服務功能的間接價值。這些功能指標主要包括水土保持、涵養水源、固碳釋氧、滯塵等。然而，截至目前，并未形成若干生態價值定量測算的統一方法。筆者參考有關研究[7-15]，結合研究區特點，選取其中7類作為城市綠地生態價值定量評估的指標體系(表1)。

2 空間數據建模與分析

2.1綠地生態價值評估總體技術路線根據城市綠地生態價值定量評估的指標體系，建立各價值指標的生態價值評估模型，將所有空間數據統一到WGS_1984_UTM_Zone_50N空間參考坐標下，統一柵格象元為30 m。在此基礎上，結合城市綠地不同服務價值評估理論，利用ArcGIS空間分析工具，得到城市綠地不同服務價值的經濟效益，進而求得研究區城市綠地生態總價值，其總體技術路線見圖3。

表1 城市綠地生態價值定量評估指標

圖3 城市綠地生態價值評估技術流程Fig.3 Technological process of ecological value assessment of urban green space

2.2綠地生態服務價值指標分析

2.2.1土壤保持價值。由表1可知，估算城市綠地土壤保持價值時涉及三大價值，計算公式有以下：

E=Es+En+Ef

(1)

Es=Ac×B÷(H+10 000×ρ)

(2)

En=Ac÷ρ×24%×C

(3)

Ef=∑Ac·Ci·Pi(i=有機質，N，P，K)

(4)

式中，E為土壤保持價值；Es為減少土地損失價值；En為減少泥沙淤積災害價值；Ef為保持土壤肥力價值。Ac為土壤保持量；B為林業年均收益[1 501.4元/hm2· a][7]；H為土壤厚度(0.6 m)；ρ為土壤容重(1.5 g/cm3)；C為水庫工程費用(1990年不變價)0.67元/m3[8]；Ci為土壤中有機質、氮、磷、鉀的純含量(%)；Pi為有機質、氮、磷、鉀的市場價格(元/t)(有機質0.051 3元/kg，我國化肥平均價格為2.55元/kg)[9]。

在RUSLE方程中，A=R·K·LS·C·P[10]，當C與P不等于1時，A為土壤的現實侵蝕量，當C與P等于1時，A為土壤的潛在侵蝕量，結合研究區實際情況，土壤保持量Ac采取肖寒等[8]的方法，用土壤的潛在侵蝕量與現實侵蝕量二者的差值來估算Ac=R·K·LS(1-C·P)，其中年降雨侵蝕力指標R值采用劉秉正[11]的簡易算式，土壤可蝕性因子K值采用Williams等[12]在EPIC模型中的方法計算，坡度因子和坡長因子LS分別采用肖寒等[7]和劉元寶等[13-14]的改進RUSLE方程式，植被覆蓋因子C值通過查詢Wischmeier(1978)的觀測數據(表2)來確定。

表2 不同植被覆蓋因子(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與相應未實施保持措施的順坡耕作地塊的土壤流失量之比。措施好的P值小，反之P值大。該研究中P值是根據研究區地表覆蓋類型查表(表3)確定的。

表3我國不同措施的土壤保持因子(P)

Table3Soilconservationfactors(P)ofdifferentmeasuresinChina

坡度Slope°等高帶狀耕作Contourstriptillage草田帶狀耕作Striptillageingrassfield水平梯田Horizontalterrace水平溝Horizontalchannel等高壟作Highridge<50.30.10.30.010.15～100.50.10.050.1>100.60.20.100.3

在獲得以上各因子數據后，按照圖3建立土壤保持價值評估模型，如圖4、5分別為研究區城市綠地土壤保持量和土壤保持價值結果，對其進行統計分析，可以計算出2009年研究區城市綠地土壤保持總量為67.89萬t，折算成服務價值為949.93萬元。

圖4 城市綠地單位面積土壤保持量Fig.4 Soil conservation per unit area of urban green space

圖5 城市綠地單位面積土壤保持價值Fig.5 Soil conservation value per unit area of urban green space

2.2.2固碳釋氧價值。在對植被凈第一性生產力(NPP)測算[15]的基礎上，利用遙感技術和生態經濟學方法，估算了研究區城市綠地固定CO2和釋放O2的物質量，根據植物光合作用方程式：

(5)

結合呼吸作用方程可推算出：每形成1 g干物質，可固定1.62 g CO2，并釋放1.2 g O2，而干物質量可根據植物干物質中碳元素的含量大約占45%[15]由NPP計算，故維持碳、氧平衡量分別為(NPP/45%)×1.62和(NPP/45%)×l.20，結合表1可得到工業制氧成本為0.4元/kg[16]，瑞典碳稅率為0.15美元/kg[16]，從而計算綠地固碳釋氧價值。圖6、7分別為研究區城市綠地固碳價值和釋氧價值結果，對其進行統計可知，2009年研究區城市綠地固碳、釋氧價值分別為2 356.11萬和2 777.18萬元。

圖6 城市綠地單位面積固定CO2價值Fig.6 CO2 value of urban green space per unit area

圖7 城市綠地單位面積釋放O2價值Fig.7 O2 value of urban green space per unit area

2.2.3吸收SO2與滯塵價值。城市綠地吸收SO2價值和滯塵價值采用以下公式進行評估：

城市綠地吸收SO2價值=不同植被類型面積×植被吸收SO2能力×削減SO2成本[16]

(6)

城市綠地滯塵價值=不同植被類型面積×滯塵能力×削減粉塵成本[8]

(7)

式中，喬木、灌木、草地吸收SO2能力分別為85.0、18.9、 8.9 kg/(hm2·a)，滯塵能力分別為12.9、3.2、0.5 t/(hm2· a)，SO2和粉塵的治理費用根據我國發改委等四部委2003年第31號令《排污費征收標準及計算方法》中規定SO2排污收費標準為1.20元/kg，粉塵排污收費標準為0.15元/kg。圖8、9分別為城市綠地吸收SO2和滯塵價值結果，分別進行統計分析，可知 2009年研究區城市綠地吸收SO2量為284 t，轉成服務價值為34.05萬元，滯塵量為4.26萬t，轉化成服務價值為641萬元。

圖8 城市綠地單位面積吸收SO2價值Fig.8 Absorption of SO2 value per unit area of urban green space

圖9 城市綠地單位面積滯塵價值Fig.9 Dust the city green space per unit area value

2.2.4熱島緩解與蓄水價值。城市綠地一方面通過樹冠遮擋陽光，減少陽光對地面的輻射熱量，另一方面通過蒸騰作用向環境散發水分，同時吸收周圍環境中的熱量，降低空氣溫度。城市綠地蒸騰吸熱量具體計算過程參考文獻[17]，結合表1，參照居民用電價格可估算出綠地緩解熱島價值。城市綠地涵養水源量用土壤貯水量來表示，土壤貯水量與多種因素有關，其中土壤結構至關重要。土壤涵養水源的貯水量常用下式表示：

Q=S·h·p

(8)

式中，Q為綠地土壤貯水量；S為綠地面積；h為土壤厚度；p為土壤的粗孔隙率。以同樣具有蓄水功能的水庫作為替代工程，已知研究區附近的一個水庫，庫容為113萬m3，投資200萬元。因此，在不考慮支付意愿的情況下，以該水庫作為替代工程可以求出研究區城市綠地蓄水價值。圖10、11分別為城市綠地緩解熱島價值和蓄水價值結果。經統計可知，2009年研究區城市綠地熱島緩解服務價值為5 151.30萬元，涵養水源量為3.44×106m3，轉化成服務價值為609萬元。

圖10 城市綠地單位面積緩解熱島效應價值Fig.10 Value of urban green land per unit area to mitigate heat island effect

圖11 城市綠地單位面積涵養水源價值Fig.11 Water conservation value of urban green space per unit area

2.3城市綠地生態價值定量評估模型總體構建由以上分析可知，該研究所選擇的綠地生態服務價值指標與定量化評估城市綠地的生態價值確實具有不可分割的聯系，由于以上指標結果均是以貨幣的形式展現的，因而每個指標之間都是等權重的，權重均為1，將以上指標結果進行等權疊加，值越高，表明城市綠地產生的生態效益越高。在ArcGIS中運用空間建模工具模塊，按照上述原理與方法，建立城市綠地生態價值定量評估模型。城市綠地生態總價值評估結果見圖12。

圖12 城市綠地單位面積生態服務總價值Fig.12 Total value of ecological services per unit area of urban green space

對圖12進行統計分析可知，2009年研究區城市綠地生態服務價值為1.25億元，占全年生產總值的0.22%，查閱有關資料，2009年研究區專業綠化面積155 hm2，綠化總投資0.304億元，僅該研究涉及的綠地生態服務價值就超過了總投資的4倍多，其中，喬木、灌木、草地的生態服務價值見表4，再結合圖13可知，研究區綠地服務價值喬木所占比重最大，達66%，灌木次之(為19%)，而且喬木主要分布在圖下方位置，因而在圖12表現出下部顏色較紅為高值區。

表4不同類型綠地的生態服務價值

Table4Ecologicalservicevalueofdifferenttypesofgreenland

城市綠地類型Typesofurbangreenspace面積Areahm2生態服務價值Ecosystemservicesvalue∥億元喬木Tree3160.131.02灌木Shrub922.480.12草地Grassland717.270.11總計Total4799.881.25

由高分辨率遙感影像可以判別，圖12東北區域為工業區，中東部為商業區，中西部為居住區，東南區域為郊區，研究區不同區域綠地的生態服務價值見圖14。由圖14可知，郊區綠地服務價值最大，而其他區域都很小，這是由于生態服務價值高的喬木大多分布在郊區，同時也說明目前研究區城市綠地分布格局存在缺陷，結合研究區城市綠化覆蓋率僅36.5%，建議工業區這種熱島效應顯著區域應增加喬木的種植數量，而商業區和居住區為滿足美觀要求應增加灌木和草地的種植數量。

圖13 城市綠地類型生態價值比例構成Fig.13 Proportion of ecological value of urban green space types

圖14 不同地區綠地生態價值比例構成Fig.14 Proportion of ecological value of green space in different areas

3 結論

(1)為從城市尺度直觀量化綠地資源產生的生態價值，揭示城市綠地生態功能的重要性，筆者定量評估了濟南市歷下區城市綠地的七大價值，結果表明：①2009年研究區城市綠地在土壤保持、固碳釋氧、吸收SO2等生態服務方面產生的總價值約為1.25億元，占全年生產總值的0.22%，是城市綠化投資的4倍，平均單位面積價值為2.60萬元，去除人民幣升值等因素，與王慶日[18]對2000年杭州市綠地生態價值評估單位面積結果一致；②郊區綠地生態服務價值占52%，而工業區、居住區、商業區三者總和僅占48%，且城市綠化覆蓋率僅36.5%，因而有必要增加工業區、居住區、商業區的城市綠地面積；③喬木具有較高的生態服務價值，并且在緩解熱島、納碳釋氧方面具有較強的能力，應而在加強歷下區城市綠地建設過程應優先擴大喬木林綠地面積。

(2)該研究從理論層面估算了城市綠地的生態價值，并未進行實地考察采集數據，但是該研究的核心目標是從城市綠地系統服務角度直觀地揭示其經濟學意義，凸顯維護保持城市綠地生態功能的重要作用，以及為城市規劃者與管理者制定政策提供依據。

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