陽文銳，李 鋒 ，王如松，熊俠仙，劉安生

(1.北京市城市規(guī)劃設計研究院，北京 100045;2.城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085;3.常州市規(guī)劃設計院，常州 213003)

我國正經歷著前所未有的城市化進程，城市化率由1978年的17.9%上升至2010年的47.6%［1］，并且這種快速城市化進程在未來的幾十年中還將繼續(xù)發(fā)展，至2030年我國城市人口的比例將達到總人口的60%［2］。有預測表明，至2035—2040年間，我國的城市化將達到70%的水平［3］，因此，在今后很長一段時間里，我國的城市化將保持較高的發(fā)展水平。城市化促進了社會和經濟的快速發(fā)展，但與此同時，城市化也給城市帶來了嚴重的環(huán)境問題，如熱島效應［4-8］，地表水污染［9-11］，土壤污染［12-13］以及大氣污染等，2007年，我國287個大城市中只有60.5%的城市空氣質量達到國家環(huán)保部的空氣質量標準［14］。城市化過程主要表現(xiàn)為土地利用的變化過程，這個過程直接改變了地表景觀，影響了生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)生產力、流域特征以及生物地球化學循環(huán)［15-18］，也間接的從不同的尺度改變了非生物環(huán)境條件;包括大氣的化學組分、氣候以及土壤特性等［19-24］，這些變化削弱了自然生態(tài)系統(tǒng)為城市提供的重要生態(tài)服務功能。

土地利用/土地覆蓋的變化影響著生態(tài)系統(tǒng)的服務功能［25］。Li等［26］對深圳的城市土地利用變化過程中的生態(tài)服務價值變化進行了分析，認為由于快速的城市化，深圳的土地生態(tài)服務損失了近23億元。Bin等［27］利用TM和ETM遙感影像分析了上海東灘的土地利用變化，并利用生態(tài)服務功能的評價方法分析了土地的生態(tài)服務功能的變化，結果表明由于土地利用/土地覆蓋的變化導致了土地生態(tài)服務功能的價值損失高達61%。Yaoshida等［28］分析了Lao PDR北部罌粟生產區(qū)的土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務功能價值的變化。結果表明由于土地利用變化導致了土地生態(tài)服務功能價值損失了11.74%。因此，在當前我國快速的城市化過程中，科學合理的土地利用是保證城市擁有良好人居環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展環(huán)境的重要前提。

生態(tài)服務功能是“人類直接或間接地從生態(tài)系統(tǒng)功能得到的效益”［29］。生態(tài)服務功能在一定的時空范圍內為人類提供的產出構成生態(tài)服務功效，是生態(tài)服務功能實際發(fā)揮的效應，可分為正功效和負功效［30］。如Zhang等［31］認為土地整理復墾可以提高土地的碳匯儲量，但是同時Yu等［32］認為土地整理可以增加生態(tài)風險，導致生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定。森林火災能導致森林生態(tài)系統(tǒng)的結構發(fā)生變化，增加溫室氣體排放，但同時森林火災可以森林促進或保持較高的第一生產力［33］。濕地具有調節(jié)水文、涵養(yǎng)水源、保護生物多樣性、促進生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)等生態(tài)服務功能，但是濕地也是主要溫室氣體的“源”，是大氣甲烷的主要來源，是氣候變暖的因素之一［34］。根據(jù)生態(tài)控制論原理，任何一種生態(tài)服務只能在一定范圍內對人類社會有用。任何一種有害的生態(tài)現(xiàn)象，在一定的環(huán)境下都能變成對人直接或間接有用的服務［30］。因此生態(tài)服務其產生的效應可分為正向和負向的功效。本研究基于城市化進程中的土地生態(tài)復合功效評價，探討了土地復合生態(tài)調控的措施和方法，以期為可持續(xù)的城市土地利用規(guī)劃和管理提供研究思路和方法上的借鑒。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

常州地處江蘇省南部，位于北緯31°09'至 32°04'，東經119°08'至 120°12'之間，北倚長江天塹，南與安徽省交界，東瀕太湖與無錫市相連，西與南京、鎮(zhèn)江兩市接壤。境內地勢西南略高，東北略低，地貌類型屬高沙平原，山丘平圩兼有。常州市屬北亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，年均氣溫16.3℃;雨量充沛，年降水總量1068.9mm;日照充足，年日照時間2035h，無霜期長，年無霜期237d;常年主導風向為東南風，春夏秋冬四季分明。常州市轄5個市轄區(qū)，代管2個縣級市，即天寧區(qū)、鐘樓區(qū)、戚墅堰區(qū)、新北區(qū)、武進區(qū)、溧陽市、金壇市。研究區(qū)為市區(qū)主要轄區(qū)，不包括縣級市，即天寧、鐘鼓、戚墅堰、新北和武進區(qū)，總面積1864km2(圖1)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究基礎數(shù)據(jù)來自于2006年9月18日的LandsatTM遙感影像，以1∶5萬地形圖和常州市土地利用現(xiàn)狀圖作為參照。在Erdas Imagine 9.2的平臺下，對影像進行合成、幾何校正和配準后，參照地形圖對數(shù)據(jù)進行目視解譯和監(jiān)督分類，將研究區(qū)分為林地、草地、農田、水域、建設用地四類，通過隨機取樣的方法對分類結果進行Kappa檢驗，達到0.82，高于最低允許精度的要求。

其他數(shù)據(jù)分別來源于常州市環(huán)境質量報告(2006年)、土地利用規(guī)劃(1996—2010年)、常州市統(tǒng)計年鑒(2006年)和常州市城市總體規(guī)劃(2004—2020年)。

1.3 研究方法

1.3.1 評價指標和計算方法

指標體系的選取遵從全面性、客觀性、可測性、可獲得性和可操作性的原則，將評價指標體系分為三級指標，第三級指標中分為屬性指標和度量指標，度量指標直接對應于屬性指標，用于表征土地生態(tài)服務的類型和特征。指標的選取充分考慮空間的可表達性，盡量將土地的生態(tài)服務進行空間的表達。所以本文對土地的評價選取了如表1指標，表1中各個指標的權重通過專家群決策打分，通過構造判斷矩陣后進行層次分析法計算，通過一致性檢驗后分配各個指標的權。

1.3.2 標準化方法

Si為指標標準化值，max(index)為指標最大值，min(index)為指標最小值，indexi為第i個指標值。

生態(tài)服務正效應指數(shù)為:

生態(tài)服務負效應指數(shù)為:

式中，Service_positive為正效應綜合指數(shù)，Service_negative為負效應綜合指數(shù)，pi為第i個指標的權重，Si為第i個指標的標準化值。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig．1 The location of study area

表1 土地生態(tài)服務功效評價指標Table 1 Indices of land's eco-services efficiency assessment

復合生態(tài)服務功效綜合指數(shù)為:

式中，ppositive為正功效權重，pnegative為負功效權重。

1.3.3 空間分析方法

遙感影像監(jiān)督分類后，在GISArcinfo 9.3平臺下，采用Arctoolbox中的create fishnet工具將市域土地劃分為1km×1km的單元網(wǎng)格，統(tǒng)計每個單元格內的生態(tài)服務評價指標，并進行綜合計算。

2 結果與分析

2.1 土地生態(tài)服務正功效

(1)涵養(yǎng)水源、調蓄洪能力和環(huán)境凈化

常州市年平均降水量1071.5mm，市域水面總面積共283.87km2，其中太湖水面37.5km2，滆湖水面110km2，長江水面14.8km2，地表水資源量豐富，常年地表水資源總量約42億m3。由于常州市環(huán)境基礎設施有限，水處理能力落后與工業(yè)發(fā)展的速度，水環(huán)境質量不容樂觀，根據(jù)常州市環(huán)境質量報告，常州市主要河流上游水體質量基本維持在Ⅴ類，而下游水體基本為Ⅳ類水質(圖2)，根據(jù)葉亞平對水生態(tài)服務功能的算法［35］，常州市水體的凈化能力大約為 NH3-N，5097.5t/a;CODCr，37148.1 t/a。

圖2 土地生態(tài)服務正功效圖Fig．2 Land's positive eco-service efficiency

由于地處長江下游地區(qū)，在雨水集中的季節(jié)，特別是遇到暴雨或急驟融冰融雪等自然因素，城市易形成洪澇災害。常州市濕地分布多，市區(qū)內坑塘、灘涂面積占到濕地總面積的10%左右。城市河網(wǎng)面積由20世紀90年代的17%下降到2006年的8%，如果按照水位漲落1m計算，水域濕地的洪水調蓄功能損失達1.55億m3，此外加上河道淤積的的損失達1.24億m3，而當前城市內的河網(wǎng)湖泊的調蓄功能僅為1.57億m3，濕地水域的城市調蓄洪能力大大減少。

(2)植被氣候調節(jié)及固碳釋氧能力

植被覆蓋變化通過改變地表反照率、粗糙度和土壤濕度等地表屬性，從而影響輻射平衡、水分平衡等過程，最終可以導致區(qū)域降水、環(huán)流形勢及大氣溫度、濕度等氣候變化。常州市的植被覆蓋以西北和東南部為高，是常州的自然植被分布相對集中的區(qū)域，為常州區(qū)域小氣候調節(jié)起到了一定的作用。利用前人文獻中各類生態(tài)系統(tǒng)的凈初級生產力數(shù)據(jù)［36-37］，根據(jù)光合作用反應方程式計算出各類用地的生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產力以及固定的二氧化碳和釋氧的量(表2)。

表2 常州市植被釋氧固碳功能Table 2 Capacity of oxygen releasing and carbon sequestration of plants

(3)生物質生產能力

土地對于城市的生態(tài)服務功能中，生物質的生產能力是主要的功能之一。由于缺少耕地綜合肥力的數(shù)據(jù)，在本研究中，常州市土地的生物質生產能力直接用耕地的分布面積來表示，未包含水域的水產品生產能力。結果如圖2。1991年，常州市農田面積占市區(qū)總面積64.9%，由于城市化和工業(yè)化進程，耕地面積不斷減少，耕地主要轉化為城市建設用地，耕地2006年降低到43.9%。生物質生產能力處于不斷下降趨勢。

(4)景觀美學

綠地斑塊的服務半徑是綠地服務功能的重要指標，在不同空間尺度上有不同的服務半徑。以市區(qū)的主要公園綠地景觀服務半徑作為生態(tài)用地景觀生態(tài)服務功能的指標之一，本文以日本不同公園服務半徑標準［38］對主要城市公園綠地景觀1000m緩沖分析，進行指標的標準化，如圖2。城市中心區(qū)城市公園相對集中，中心城外圍地區(qū)公園綠地則相對分散。結果表明，城市公園綠地及其服務范圍的覆蓋面積小而不均，僅占研究區(qū)面積的18%左右，由于城市中心區(qū)公園相對集中，為市中心區(qū)的人群提供了良好的景觀生態(tài)服務。

(5)邊緣效應

城市生態(tài)學強調人與自然最大程度的交流，認為城郊結合部相對市區(qū)有較大的邊緣效應和較高的生態(tài)服務功能，其生態(tài)服務的強弱的高低與人與自然邊緣線的長短呈正相關，即單位周長的邊緣線服務的城市面積越大生態(tài)效益越差［30］。本研究將水域和非建設用地的邊緣提取后，利用邊緣線長度與面積的比值作為衡量土地的邊緣效應，兩者等權加和后作為為其綜合邊緣效應。城市的中心區(qū)的邊緣效應明顯低于其外圍的的區(qū)域，開放空間以及河網(wǎng)濕地分布較多的東西部和北部區(qū)域的邊緣效應較高(圖2)。

(6)水土保持

土壤對水土流失的影響主要與土壤的質地有關［39］，根據(jù)常州市的土壤普查調查結果，常州市的土壤類型99.89%為水稻土類型。相關研究［40-41］表明土壤的持水能力除了主要與土壤質地相關外，還與植被的類型相關。由于常州市土壤類型差異不大，所以在衡量土地的水土保持能力的生態(tài)服務功能時，本研究僅以土地的植被覆蓋類型及面積來表示，單位面積蓄水模數(shù)林地＞草地＞耕地(圖2)。

2.2 土地生態(tài)服務負功效

(1)大氣污染物廊道

城市大氣污染物主要來自汽車尾氣，占到50%-80%甚至以上［42-43］。本研究以道路交通網(wǎng)的占地作為衡量城市大氣污染物廊道的主要指標，結果如圖3所示。

(2)熱島效應

城市的熱島效應與植被覆蓋有直接的線性關系，植被覆蓋度高則降溫效果明顯［44-46］。城市中由于硬化地表的地面反射率高，更容易吸收太陽的輻射熱，所以城市內部表現(xiàn)出與周圍不同的熱環(huán)境，本研究為了更直觀的表達城市的熱效應，以硬化地表的面積作為衡量熱島效應的指標，結果如圖3，綠色部分表示熱效應不顯著，紅色表示熱島效應越明顯。

(3)景觀破碎

運用Fragstats軟件對土地的景觀指數(shù)進行了分析，選用斑塊數(shù)、斑塊密度、景觀形狀指數(shù)和最大斑塊指數(shù)來表征景觀的破碎化。分析結果見表，相比其他幾類用地，建設用地的斑塊數(shù)最多，斑塊密度最大，最大斑塊指數(shù)最低，景觀形狀指數(shù)越大，說明斑塊的形狀越不規(guī)則，建設用地的形狀指數(shù)最大，表明城市人類活動強烈，景觀破碎化程度高。本研究為了表征景觀的破碎度，選擇了城市人口密度作為表征參數(shù)，人口密度越大表征其破碎化程度越高，反之亦然(圖3)。

圖3 土地生態(tài)服務負功效圖Fig．3 Land's negative eco-service efficiency

表3 常州市土地景觀格局指數(shù)Table 3 Land's landscape pattern indices of Changzhou

(4)能源消耗

在2006年常州市的國民經濟收入中，第一產業(yè)占3.79%，第二產業(yè)占60.37%，第三產業(yè)占35.85%。常州市正處于快速的工業(yè)化階段，城市的發(fā)展需要大量能源的投入，而工業(yè)的能源投入占城市的能源消費的主要部分。為了便于空間量化的表達，本文采用工業(yè)用地的占有量來衡量城市的能源消耗強度具有一定的代表性(圖3)。

2.3 復合生態(tài)服務功效

將正負生態(tài)效應加權疊加后形成土地的復合生態(tài)功效，結果圖4所示，在劃分的1km×1km的土地格網(wǎng)中，有35.5%的土地復合生態(tài)服務功效為負效應，而64.5%的生態(tài)服務用地為正效應。城市中心城地區(qū)及長江沿岸地區(qū)的復合生態(tài)服務功效較低。近年來，隨著城市化進程的加速，常州市的建設用地需求日益增加，通過對比不同時期的土地利用圖，從1991—2006年，常州市的建設用地量增加了451km2，其中90%的用地增量是以農田的減少為代價的，其次是林地和水域。2006年以前，市區(qū)東部地區(qū)分布著大量的小型水域濕地，但由于城市發(fā)展的空間戰(zhàn)略向南北和東西方向擴展，大量濕地和其他非建設用地因轉為建設用地而消失。城市東部地區(qū)土地的生態(tài)服務功能退化，呈負功效。

圖4 土地復合生態(tài)服務功效圖Fig．4 Land's complex eco-service efficiency

3 結論與討論

由于城市化的發(fā)展和城市人口的急劇增長，人類活動影響了土地對城市的生態(tài)服務功效，生態(tài)正功效逐漸衰弱甚至演變?yōu)樯鷳B(tài)負功效，對城市的生態(tài)健康和生態(tài)安全構成了威脅，阻礙了和諧社會和生態(tài)文明的建設。

常州市在過去近20年中經歷了兩次的城市規(guī)劃方案的修編，但每次規(guī)劃的用地方案都以最大程度的滿足經濟發(fā)展的需求，而忽視了對土地生態(tài)服務功能的保育。本文嘗試建立了土地生態(tài)服務功效的評價指標體系，并應用GIS工具將其表達在空間上，分析了土地生態(tài)服務正負功效的空間結構。結果顯示，常州市當前只有64.5%的土地為城市提供著正向生態(tài)服務。由于常州市東部毗鄰無錫市，而且常州城市的發(fā)展是以穿越城市內部的運河沿岸而發(fā)展起來的，東部城市的吸引力和沿河發(fā)展的驅動力使得城市整體空間格局向東部延伸，城市化占用生態(tài)用地導致土地生態(tài)服務功能下降萎縮。最近的城市規(guī)劃調整了城市空間發(fā)展思路，逐步向南北方向延伸，所以城市土地的生態(tài)服務負功效空間格局也與城市發(fā)展空間格局類似。如果按照當前的城市化發(fā)展思路，為城市提供生態(tài)服務正向功效的用地將持續(xù)減少，需要從空間上對城市的發(fā)展結構進行優(yōu)化，保育64.5%的土地生態(tài)服務正功效，對生態(tài)服務負功效的地區(qū)進行調控和提升。

(1)生態(tài)系統(tǒng)服務功效生態(tài)系統(tǒng)服務功能是當前生態(tài)學研究的熱點問題，從生態(tài)系統(tǒng)服務功能的概念產生以來，以Constanza為代表的生態(tài)服務功能價值評價理論成為當前評估生態(tài)系統(tǒng)服務功能的主要方法之一，評估的領域主要包含了17項生態(tài)系統(tǒng)的正向產出。然而，生態(tài)服務功能的產出為生態(tài)服務功效，包含了正功效和負功效，本文嘗試了運用地理信息系統(tǒng)和遙感分析工具從空間的角度評價城市土地的復合生態(tài)服務功效，為生態(tài)服務功能評價提供了新的思路。

(2)評價方法采用單元網(wǎng)格法分析城市土地生態(tài)系統(tǒng)服務功效的方法還尚未見到相關研究成果。采用1km×1km網(wǎng)格大小，分析每個網(wǎng)格內部的土地生態(tài)服務功效，便于土地管理者從空間上辨識每個地塊的土地生態(tài)服務狀態(tài)，有利于制定更好進行土地生態(tài)管理和城市土地可持續(xù)利用的決策。

(3)評價指標體系的完整性建立了土地生態(tài)服務功效的屬性指標體系，并建立了表征這些屬性指標的度量指標，從空間的角度表征土地的生態(tài)服務，但是由于受到資料和數(shù)據(jù)可獲得性的限制，度量指標并不能完整地體現(xiàn)土地生態(tài)服務。然而從研究的方法而言，該方法相比傳統(tǒng)的生態(tài)服務功能價值計算方法更具有實用性和直觀性。

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