西安城市公園綠地生態服務功能價值估算研究

李鳳霞，宋昆侖，馮曉剛，李 萌

(1.西安建筑科技大學 建筑學院，陜西 西安 710055；2.石家莊學院 資源與環境科學學院，河北 石家莊 050035)

隨著城市化進程的不斷加快，城市的社會經濟得到了快速發展，城市人口高度集中，到2050年，世界城市人口預計將增加84%[1].城市用地的空間拓展是我國土地利用變化的發展趨勢[2].占陸地面積2%的城市排放了78%的溫室氣體[3]，部分研究認為城市區域產生的CO2數量更大，占到了總排放量的96%～98%[4].

如今，城市建筑愈加密集，制約著人們生活質量的提高和城市化的進一步發展[5-8].隨著城市環境問題越來越嚴重，加強城市綠地建設、改善生態環境迫在眉睫，許多國家已經制定了城市綠化的目標[9-10].

城市綠地是維護城市生態系統穩定的重要因素，擁有巨大的生態系統服務價值[11].充分掌握綠地系統的生態服務功能及其生態價值，可為綠地規劃和管理打下堅實的基礎[12].城市公園綠地面積較大，對城市生態的影響更為顯著.國內外一些學者對綠地系統生態服務功能陸續開展了相關研究.首先，Holden和 Ehrlich 于1974年提出生態系統服務功能(ecological service)的概念，探討了生態服務功能的內容，以及能否用先進的科學技術來替代生態服務功能等[13].Hamada等[14]對日本名古屋的研究表明，在溫度調節方面，城市綠地發揮了巨大的作用.Zoulia等[15]雅典城市綠地系統為例，研究指出，在緩解城市熱島效應方面，城市綠地具有不可替代的作用.

Mitchell等[16]對綠地的生態服務功能進行了研究，研究發現綠地對人們的身心健康具有積極的引導和促進作用.Chunyang ZHU等[17]的研究指出，城市綠化帶降低了氣溫，增加了氣溫相對濕度，改善了空氣質量，為城市規劃設計人員實現城市綠地生態效應的優化設計提高數據支持.我國學者對綠地生態效益的研究起源于陳自新對園林綠化生態效益的評價，對不同地方的綠地生態服務功能價值進行了估算.張超等[18]以南京市為例，估算了2006—2015年的城市綠地生態價值.楊致遠等[19]基于延安市1999—2019年退耕還林工程數據，對其生態服務功能進行了評估.柳云龍等[20]以上海城市綠地數量動態變化及其空間分布狀況為基礎，綜合運用多種生態經濟學研究方法，對上海城市綠地凈化服務功能價值進行了估算.

張緒良等[21]以青島市為例，定量計算了綠地在滯塵減噪、固碳釋氧方面的生態服務價值.于洋等[22]系統地闡述了城市綠地碳匯量的估算方法.綜上所述，在習近平新時代生態文明發展理論的指導下，我國在生態環境建設、碳達峰碳中和、人居環境健康發展等方面取得了長足進步.其中，國內、國外的學者們為綠地生態服務功能價值的精確估算提供了較多的方法和較好的理論框架.但仔細梳理之后，可以發現，國內外各項研究不僅比較獨立，其中缺乏一定的關聯性，而且綠地系統生態服務功能評價指標具有鮮明的地域性特點.研究表明，評價指標在城市綠地生態效益綜合評價中具有十分重要的地位，它不僅與綠地率、綠化覆蓋率、人均公共綠地面積等這些二維指標密切相關，而且與三維指標密不可分，比如森林三維綠量、均勻度、生物量等.因此，本研究以西安市興慶宮公園為研究對象，基于城市公園喬木林三維綠量值，對公園綠地生態服務功能及其生態價值進行精準估算，旨在進一步提高綠地系統生態服務功能價值的估算精度，有利于督導城市公園綠地生態系統的規劃，促進城鄉人居環境的可持續發展.推進多學科的交叉及融合，發揮遙感技術、地理信息技術在城市環境及城鄉規劃研究與發展政策制定中的創新作用.

1 研究區概況與數據

1.1 研究區概況

西安市(東經107°40～109°49′，北緯33°42～34°45′)位于我國西北地區，北瀕渭河，南依秦嶺.主要地貌是渭河平原及秦嶺山地，屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，冬季寒冷，夏季炎熱，年平均氣溫11.1～13.3 ℃.該研究區轄碑林、新城、未央、雁塔、灞橋、蓮湖六區，面積為822.28 km2.主城區行政區劃圖如圖1所示.興慶宮公園屬于西安市碑林區，位于古城西安明城墻東面，占地面積為52 hm2(即780畝)，其中湖面10 hm2(即150畝)，綠地覆蓋率高達百分之五十多，是西安市著名的休閑運動公園.該公園樹種豐富，主要包含雪松、楊柳、法桐、三角楓、國槐、大葉女貞、紫葉李等.興慶宮公園的Quickbird遙感影像如圖2所示.

圖1 主城區行政區劃圖

圖2 興慶宮公園遙感影像圖

1.2 數據源與研究方法

本研究基于高分辨率遙感影像數據、三維激光點云數據、地形圖數據、統計數據等.把遙感影像數據與三維激光點云數據相結合，進行高精度三維綠量測量，具體測算流程為(圖3)：使用三維激光掃描儀掃描單棵樹的點云數據，再采用微分法估算單木三維綠量，然后應用立體量推算立體量法計算所掃描樣地的三維綠量，最后依據研究區面積及單位面積三維綠量，測算研究區總三維綠量.研究樣地設置為邊長為20 m的正方形，要求相鄰兩個樣地之間大于等于150 m.本研究定量解析西安興慶宮公園綠地三維綠量及其生態效益，掌握其響應機制，以期為城市園林綠地生態系統規劃提供科學依據，促進城鄉人居環境的可持續發展.

圖3 三維綠量測算流程圖

2 模型構建方法

2.1 微分法單木三維綠量模型

確定單棵樹的三維點云數據的邊界范圍，由此可得三維激光點云數據在X、Y、Z上的最大值以及最小值，因此可得到一個邊界長方體.然后依據單元格長度，把邊界長方體分割成若干個微分單元格.若L、W、H分別為長方體的長、寬、高，d為微分單元格的邊長，一共有M個微分單元格，則

(1)

把外業掃描的三維激光點云數據分別放進單元格里，若單元格里面有點云坐標，那么這個點被判定為有效格網點，并進行相應標記，逐一進行，待處理完所有的三維點云坐標之后，我們可以獲取總的有效格網點，總數記為N，這樣可以得到微分法估算單棵樹三維綠量的模型，如下所示.

(2)

式中：G為單棵樹三維綠量值；N為有效格網點的總數；M為微分單元格的數量；Vbox是由所有的空間單元所形成的最小的外接長方體體積.綜合公式(1)及公式(2)最終獲得微分法測算單棵樹三維綠量的模型[23]為

(3)

2.2 微分法單棵樹三維綠量模型精度檢驗[24]

(1)單棵樹三維綠量模型擬合精度檢驗

該研究所用的單木三維綠量模型，在使用之前對模型做了擬合精度檢驗，如公式(4)所示[25].

(4)

式中：SSEp是單木三維綠量模型回歸的平方和；p是模型擬合精度檢驗中自變量的個數；SSRp是模型擬合精度檢驗中殘差的平方和.

(5)

(6)

(2)單棵樹三維綠量模型預估精度檢驗

本研究基于預留的興慶宮公園樣木數據，對單棵樹三維綠量模型的預估能力進行了嚴格檢驗：

(7)

式中：P是單木三維綠量模型的預估精度；A是樣地三維綠量實測值；E是估測值.

3 結果與分析

3.1 城市公園綠地三維綠量估算

本研究首先進行樣地實地調研、外業實地掃描高精度三維激光點云數據，興慶宮公園喬木林外業掃描共計花費十三天的時間.

然后利用徠卡的Cyclone軟件對三維激光點云數據進行內業處理，包括對點云數據的拼接處理、去噪處理，最終獲得不同樹種的三維模型如圖4所示.圖4中，第一行是紫葉李的三維模型，第二行是國槐的三維模型，第三行是大葉女貞的三維模型，各樹種三維模型精度較高.

圖4 單木三維點云模型

建立好單木三維點云模型之后，應用微分法結合程序計算出單棵樹三維綠量，再根據立體量之間互相推算的方法，從而估算出興慶宮公園喬木林樣地三維綠量.最后，基于樣地三維綠量計算城市公園綠地總三維綠量.

本研究使用遙感技術中常用的遙感軟件——易康(Ecognition)軟件，基于興慶宮公園高分辨率遙感影像，首先進行多尺度分割，然后采用面向對象的分類方法，選擇各類型樣地、分類，將興慶宮公園進行土地利用類型分類，結果如圖5所示.把興慶宮公園土地利用類型劃分為喬木、建設用地、草地、水體以及裸露地，得到興慶宮公園土地利用類型圖.接下來，應用地理信息系統相關軟件，比如ARCGIS，進行各類型土地利用面積的統計與分析，分析的結果如表1所示.

表1 興慶宮公園土地利用類型面積

圖5 興慶宮公園土地利用類型圖

所測樣地的總三維綠量值與其面積相除，獲取其單位面積三維綠量值.應用地理信息系統相關軟件得到研究區的喬木面積，再與單位面積三維綠量相乘，最終得到研究區域的總三維綠量，如表2所示.由于喬木林是森林植被三維綠量的最主要貢獻者，因此本研究主要分析的是興慶宮公園喬木林三維綠量.以后會進一步研究灌木和草地的三維綠量.

表2 西安興慶宮公園三維綠量測算

由表1可知，興慶宮公園的喬木面積最大，其面積總和為19.1×104m2，草地面積比較小，僅有0.5×104m2，建設用地面積僅次于喬木面積，同時，該公園擁有大面積水域.總體來說，喬木面積>建設用地面積>裸露地面積>水體面積>草地面積，這與實際情況相符.因為喬木在綠地系統中發揮著非常重要的作用，所占比例高，貢獻最大，所以本研究用喬木面積來計算興慶宮公園總三維綠量值.

本研究在興慶宮公園實測的有效樣方數是六個.采用立體量推算立體量的方法，計算出的樣地三維綠量是1 876.8 m3，樣地面積為2 400 m2.由表2可以看出，興慶宮公園的單位面積三維綠量較高，為0.782 m3/m2，總三維綠量為149 602.856 m3，三維綠量值比較高，這是因為興慶宮公園內的喬木種類豐富，高達75種，其中，松樹是最主要的常綠喬木.另外，興慶宮公園里的植物配置形式靈活、多樣，樹齡較長，高大植物較多，是西安市民的“后花園”，其產氧量高，一進入公園有一種心曠神怡的感覺.同時，興慶宮公園物種豐富，其潛在價值很大，有待進一步挖掘.

3.2 城市公園綠地生態服務功能及其價值分析

公園綠地的生態效益主要包括固碳釋氧、滯塵減污、降溫增濕、調節局部小氣候等.本研究以綠地的三維綠量為基礎，參考周一凡、周堅華對綠化環境效益的計算方法(表3)[26-27]，定量計算了西安興慶宮公園綠地生態效益.

表3 以三維綠量為基準的生態效益標準換算量[30-31]

由調研結果可知，興慶宮公園的落葉樹種和常綠樹種的比例分別是81.33%和18.67%，依據表3和表2中的總三維綠量計算結果，定量分析西安興慶宮公園喬木林的固碳、釋氧、滯塵等生態服務功能.再基于固碳量、吸收二氧化硫量、釋氧量、滯塵量，參考《中國生物多樣性國情研究報告》、《森林生態系統服務功能評估規范》[28-29]估算興慶宮公園生態服務功能價值(表4).

表4 西安興慶宮公園綠地生態效益及其價值

由表4可知，興慶宮公園喬木林2018年固碳效益貢獻率最高，為454.246 t，吸收了453.297 kg二氧化硫量(SO2)，滯塵量(T.S.P.)是164.563 t，年產氧量(O2)為329.494 t，總體來看，固碳量>釋氧量>滯塵量>吸收二氧化硫量.興慶宮公園綠地生態價值為705 412.466元，吸收CO2、吸收SO2、滯塵、產O2價值比例分別是77.27%、0.08%、3.97%和18.68%.其中，固碳的貨幣值所占比重最大，為545 095.2元/a，其次是釋氧的貨幣值，為131 797.6元/a，興慶宮公園喬木滯塵的生態價值為27 975.710元，吸收二氧化硫的生態價值最小，為543.956元.

4 結論

本文以精確的三維綠量為基礎，估算了西安市興慶宮公園綠地生態服務功能及其價值.一方面分析了興慶宮公園喬木林的三維綠量，另一方面實現了興慶宮公園綠地系統生態服務功能的貨幣化，取得的研究成果具有較強的理論現實意義和應用價值，可為園林綠地精準管理及科學規劃提供理論依據.研究結果表明：

(1)西安市興慶宮公園綠地系統生態服務價值較大，年固碳、釋氧、滯塵、吸收二氧化硫生態價值為705 412.466元；

(2)從興慶宮公園綠地系統生態服務價值的構成來看，各項生態價值由大到小依次為：固碳量>釋氧量>滯塵量>吸收二氧化硫量；

(3)興慶宮公園綠地系統三維綠量為149 602.856 m3.進入公園，最直接的感覺是空氣清新，氧氣充足，被稱為城市的“綠肺”.

在做城市綠地規劃的時候，建議既要考慮綠地面積，又要兼顧其內部空間結構，植物種類的配置，樹種的選擇等，從而有效提高其綠地三維綠量，增強其生態服務功能，提高市民的幸福生活指數.

本文在估算三維綠量時，考慮到喬木林是森林植被三維綠量的最主要貢獻者，沒有估算灌木和草本的三維綠量，因此，本研究計算的興慶宮公園綠地生態服務功能及其價值比實際值低，后續研究將重點放在喬灌草三種類型的總三維綠量方面.同時，今后還將進一步研究城市綠地其他方面的生態服務功能及其生態價值，比如降溫增濕、殺菌、減噪等.該研究方法及研究結果能夠為公園綠地生態服務功能評價提供一定的參考，為城鄉人居環境可持續發展提供數據支撐.