薛 飛

羅開盛

李元征*

黨安榮

張譯勻

生態(tài)系統(tǒng)服務是指人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的利好[1-2]，通過生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品和各項服務，其價值評估是生態(tài)環(huán)境保護、生態(tài)功能區(qū)劃、環(huán)境經濟核算和生態(tài)補償決策的重要依據和基礎[3-4]。國內外眾多學者在生態(tài)系統(tǒng)服務價值的理論、評價、核算方法和應用等方面開展了廣泛而深入的研究。康斯坦茲等利用面積當量法對全球17種生態(tài)系統(tǒng)服務進行了價值計算，得出了當年全球生態(tài)系統(tǒng)服務的平均價值約為33萬億美元，相當于全世界當年生產總值(GNP)的1.83倍[5]。國內謝高地等利用多種方法，匯總統(tǒng)計出了中國生態(tài)系統(tǒng)服務的面積當量，并計算了我國生態(tài)系統(tǒng)服務的價值約為38.10萬億元，進而得出2010年我國人均生態(tài)價值量與人均國民生產總值(GDP)的比例接近1:1[6-7]，該成果廣泛應用于全國、區(qū)域、地方等各種尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估中。

從評估對象上看，森林生態(tài)系統(tǒng)[8]、濕地生態(tài)系統(tǒng)[9]、草地生態(tài)系統(tǒng)[10]、綠洲生態(tài)系統(tǒng)[11]、農田生態(tài)系統(tǒng)等的服務功能都在現(xiàn)有研究中得到了定量評估。和其他生態(tài)系統(tǒng)相比，城市生態(tài)系統(tǒng)具有更高的空間異質性和社會屬性[12]。盡管已有研究者對城市生態(tài)服務價值開展了評估研究，但關于城市中心地區(qū)由藍綠空間構成的水系廊道所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估的相關研究尚不多見。此外，過往研究主要關注生態(tài)系統(tǒng)的潛在價值，對于生態(tài)系統(tǒng)服務現(xiàn)狀供應程度的關注較為缺乏。

生態(tài)系統(tǒng)服務價值的評估方法大致可以分為基于單位服務功能價格的方法[9-10](簡稱“功能價值法”)和基于面積價值當量因子的方法(簡稱“當量因子法”)[6]。功能價值法基于生態(tài)系統(tǒng)服務功能量的多少和功能量的單位價格得到總價值，此類方法通過建立單一服務功能與局部生態(tài)環(huán)境變量之間的生產方程來模擬小區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務功能，其更加注重內在的過程和機理，需要輸入的參數(shù)多，計算過程較為復雜，且每種服務價值的評價方法和參數(shù)標準也難以統(tǒng)一。當量因子法則是在區(qū)分不同種類生態(tài)系統(tǒng)服務的基礎上，基于可量化的標準構建不同類型生態(tài)系統(tǒng)各種服務功能的價值當量，并結合生態(tài)系統(tǒng)的分布面積進行評估。當量因子法相對于功能價值法而言，需要的參數(shù)少，計算簡單且容易進行對比。

圖1 北京中心地區(qū)水系及水系廊道邊界圖

圖2 北京中心地區(qū)水系廊道GF-2遙感影像真色彩圖

近年來，高分遙感技術的發(fā)展為監(jiān)測城市內部中小尺度生態(tài)系統(tǒng)服務價值提供了新的數(shù)據和技術保障。通過高分遙感技術定量評估城市生態(tài)系統(tǒng)服務價值，可以為決策者制定符合客觀實際的城市規(guī)劃和設計對策提供科學依據。國產高分二號遙感衛(wèi)星(GF-2)是我國第一顆分辨率達到亞米級的寬幅民用遙感衛(wèi)星，發(fā)射時間為2014年8月，星下點地面像元分辨率達到了：全色譜段0.81m，多光譜譜段3.24m。觀測幅寬達45.3km，在亞米級高分衛(wèi)星中，其幅寬于當時達到世界最高水平[13]。在其應用方面，已初步形成高分城市精細化管理遙感應用系統(tǒng)[14]，并開展了相關研究，如針對城市不透水面提取[15]、城市生態(tài)用地分類[16]，城區(qū)地物提取[17]的研究。本文利用GF-2遙感數(shù)據，可以充分發(fā)揮其在城市尺度高分辨率方面的優(yōu)勢，拓展國產高分遙感影像的應用領域；嘗試用高分遙感技術對風景園林學和城鄉(xiāng)規(guī)劃學的研究提供支持?；贕F-2影像及數(shù)據，可以對北京中心地區(qū)水系廊道的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行定量評估，進而對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行評價。

1 研究數(shù)據與方法

1.1 研究區(qū)

北京中心地區(qū)水系廊道，是指位于《北京城市總體規(guī)劃2016—2035》中規(guī)定的北京市中心城中心地區(qū)范圍內，由水體組成的水系統(tǒng)及其周邊1km范圍內所共同組成的廊道系統(tǒng)。研究范圍的確定參考了課題組前期對到水系周邊人群出行方式偏好調研的結果。該結果顯示“步行”和“路程時長為10min以內”為受訪者選擇最多的出行方式。亨德森等在《自然》(Nature)上發(fā)表的研究結果為：成年男性步行速度為1.62m/s，成年女性為1.38m/s[18]。國內陳然等的研究表明，我國老年女子步行速度為1.08m/s，青年男子為1.32m/s，我國人均步行速度為1.24m/s[19]。通過以上信息計算得出10min步行的最大距離為972m，取整為1km范圍，以此確定研究對象的邊界為：中心地區(qū)內通過GF-2遙感解譯出的水系邊界擴大1km后得到的緩沖區(qū)邊界(圖1)。

1.2 數(shù)據處理

本研究利用國產GF-2遙感數(shù)據進行生態(tài)系統(tǒng)服務價值的評估，數(shù)據采集時間是2015年9月2—3日，研究區(qū)利用三景影像(購買于中國資源衛(wèi)星應用中心)。該影像云量低、成像清晰、數(shù)據質量好。數(shù)據的預處理主要包括配準、切割和融合，具體操作在ENVI 5.3遙感軟件平臺完成，配準使用了2010年World-view II影像為參照。為了提高研究結果的準確度，本研究利用ENVI 5.3中的Gram-Schmidt Pan Sharpening模塊將GF-2全色波段和多光譜影像進行融合。利用融合后的GF-2影像解譯水體后，在ArcGIS 10.2軟件中以水體邊界建立1km的緩沖區(qū)，從而獲得城市水系廊道的研究區(qū)范圍(圖2)。

1.3 研究方法

1.3.1 土地覆被信息的提取

由于林地和草地的生態(tài)系統(tǒng)服務價值差異很大，因此需要分別提取2類土地覆被信息，進而計算其各自的生態(tài)系統(tǒng)服務價值。本研究利用了ENVI5.3平臺面向對象的方法進行土地覆被信息的提取。首先將影像分割為對象，并計算各對象的NDVI值，然后采用閾值法將NDVI值大于0.2歸為植被[20]；而后利用面向對象的監(jiān)督分類方法提取出了草地和林地2種土地覆被類別；最終得到研究區(qū)的水體、林地和草地。研究結果基于隨機選取的400個樣點，利用混淆矩陣方法進行精度驗證，驗證指標為總精度和Kappa系數(shù)。

表1 單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子計算表[6]

1.3.2 水系廊道生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估

本研究選取了謝高地等對我國生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子的研究結果[6]作為計算基礎。依據其中森林生態(tài)系統(tǒng)中的針闊混交林、草地生態(tài)系統(tǒng)的灌草叢和水域生態(tài)系統(tǒng)中的水系共3類服務面積當量因子作為計算因子(表1)。由于這一研究結果的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量因子是針對全國生態(tài)系統(tǒng)服務建立的，而研究區(qū)屬于典型的城市生態(tài)系統(tǒng)，產品供給服務和文化服務具有明顯的城市特征，如農業(yè)生產的供給服務非常低，而文化服務價值很高等，因此，需要對產品供給服務和文化服務的結果進行修正。

1)產品供給服務的價值評價。

在產品供給服務方面，北京中心地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)在面積當量分類中的“食品生產、原料生產、水資源供給”方面的服務非常少；按照《千年生態(tài)系統(tǒng)評估》[2]的分項：“食品、新鮮供水、纖維制品原料和生物化學原料”的供給也非常少，該部分可以忽略不計。由于中心地區(qū)地表水質整體不佳，并沒有新鮮地表水供給，但在地下水方面有供給，也屬于生態(tài)系統(tǒng)的供給服務。北京市對于地下水的開采和使用管理嚴格，城市中心地區(qū)所有范圍內地下水取水機井占全市機電井總數(shù)的11.57%(2011年北京市水務普查結果)[21]。2014年北京市域總地下水供水量為19.6億m3[22]。北京市居民水價分為5元/m3、7元/m3、9元/m33個階梯(以家庭為單位分別約占90%、6%和4%[23])。按照以上數(shù)值可以計算出北京中心地區(qū)整體地下水的物質量價值總量，再按照水系廊道占北京中心地區(qū)面積的比例(68.86%)，最終可以計算得到需要調整的產品供給價值。

2)文化服務的價值評價。

圖3 北京中心地區(qū)水系廊道內水體、草地和林地提取結果分布圖

文化服務是城市生態(tài)系統(tǒng)各類服務中價值最高的類別。但是大部分文化服務的價值無法量化，存在很大的不確定性。本研究嘗試利用已有研究中的價值結果，根據分攤法，按面積分攤到研究對象范圍進行計算。孟慶義和歐陽志云等計算了北京水生態(tài)服務價值中的文化價值為1 749.81億元[24]。如果按照面積比例以分攤法計算到研究對象范圍中，則中心地區(qū)水系廊道的文化價值為24.42億元(未考慮2008—2016年間貨幣和物價變化等因素)。由于面積分攤法是將北京市域整體的16 410km2的水的服務均質分攤到229.92km2的水系廊道中，現(xiàn)有的資料和計算方法也不適宜按照水體面積和河流長度分攤相應的服務價值，因此以上價值存在低估的可能。由于生態(tài)系統(tǒng)的文化服務非常難以量化，若進行綜合計算量化評估則更加困難。面積分攤法雖不夠精準，但是以面積為基礎進行文化服務價值評價，對規(guī)劃專業(yè)和風景園林專業(yè)的研究具有一定的直觀性和便利性，也對規(guī)劃師和風景園林師在實踐中提高城市生態(tài)系統(tǒng)服務的空間面積有潛在的助益。

2 研究結果與分析

2.1 水系廊道土地覆被分類

土地覆被信息提取結果的總體精度為89.94，Kappa系數(shù)為0.85，這表明提取結果精度高，能夠滿足本研究的需求。通過ENVI 5.3面向對象的分類得出，研究區(qū)內水體面積為484.16hm2(占比2.11%)。植被面積為6 579.85hm2(占比28.63%)，其中草地面積約為1 176.88hm2(占比5.12%)，林地面積為5 402.97hm2(占比23.50%)。其他土地覆被類型為15 928.37hm2(占比69.28%)(圖3)。

2.2 水系廊道生態(tài)系統(tǒng)服務價值

2.2.1 修正前的價值

通過對北京中心地區(qū)水系廊道的主要生態(tài)要素進行特征提取，并計算其面積可以得出相應的生態(tài)系統(tǒng)服務價值約2.10億元/年。其中，針闊混交林面積約5 402.97hm2，生態(tài)系統(tǒng)服務價值約1.25億元/年(占比59.50%)。灌草叢面積約4 495.68hm2，生態(tài)系統(tǒng)服務價值約0.23億元/年(占比11.05%)。水系面積約102.24hm2，生態(tài)系統(tǒng)服務價值約0.62億元/年(占比29.45%)。雖然水體的生態(tài)系統(tǒng)服務面積當量最高，但因為水體面積太少，所以水體在北京中心地區(qū)的服務價值很低。從生態(tài)系統(tǒng)服務的4個類別來看，調節(jié)服務價值最高，合計約1.50億元(占比71.47%)；其次是支持服務，合計約0.38億元(占比18.14%)；產品供給服務合計約0.14億元(占比6.47%)；文化服務最低，合計約0.08億元(占比3.92%)(表2)。

2.2.2 修正后的價值

通過對北京中心地區(qū)水系廊道“產品供給服務和文化服務”的價值評估調整，得到水系廊道生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價結果約為34.42億元，生態(tài)系統(tǒng)服務分類價值評價及比例詳見表3。研究對象的地下水供給方面，價值約為8.12億元。修正后的結果還去除了“食物生產和原料生產”的價值，但修改了“水資源供給”的價值。值得一提的是，北京中心地區(qū)依賴于生態(tài)系統(tǒng)所供給的干凈新鮮的地下水為大量人口使用，而計算得出的價值很大程度上被低估。

3 研究結論與討論

3.1 主要結論

本文基于國產GF-2影像對北京中心地區(qū)水系廊道的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行了評估，獲得如下結論。

1)研究區(qū)水體、草地和林地的面積分別為491.61hm2(2.14%)、1 176.88hm2(5.12%)和5 402.97hm2(23.50%)。

2)北京中心地區(qū)水系生態(tài)廊道的生態(tài)系統(tǒng)服務價值約為34.42億元，其中文化服務價值最高，為24.42億元；其次是供給服務價值，為8.12億元；再次是調節(jié)服務價值，為1.50億元；支持服務價值最低，為0.38億元。

3.2 討論

生態(tài)系統(tǒng)服務價值的度量往往具有多元、模糊、沖突等特性，所以很難精準量化。但在相關研究中，很多國家和城市已經采用替代指標的方式進行了價值轉化。例如柏林利用生境面積指標(Biotope Area Factor, BAF)的方式，根據生境的生態(tài)潛力，對城市建成區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行了量度；英國的南安普頓市(Southampton)利用綠色空間指標(Green Space Factor，GSF)來評價綠色空間對雨洪的調節(jié)[25]。李雙成等認為，關于生態(tài)系統(tǒng)服務的價值計算已經不是當前生態(tài)系統(tǒng)服務研究的熱點，熱點已更多地轉向深入具體的服務內容和機制研究當中[26]。

表2 基于面積當量的北京中心地區(qū)水系廊道生態(tài)系統(tǒng)價值評價計算表

續(xù)表2

由于管理和決策往往使用經濟指標或與經濟相關的信息進行控制和分配資源，所以成本效益分析往往被政府主管部門所重視。但生態(tài)系統(tǒng)服務作為自然賜予的“公共產品”具有低度的“排他性”和“競用性”，且不能完全被經濟價值化或者貨幣化，其極大程度地依賴政府的管理，并與自然系統(tǒng)協(xié)調。很多學者認為，經濟補償不能補償自然和生態(tài)系統(tǒng)提供的服務。雖然生態(tài)系統(tǒng)服務的經濟價值可以讓“被隱藏”的價值(例如，人造基礎設施的造價相當于生態(tài)基礎設施的價值)變得可見[25]，但是，生態(tài)系統(tǒng)服務的經濟價值評價往往遭到了對于價格補償?shù)臓幷摵头亲h。正如清潔的空氣和水源沒有了，花再多的錢也無法彌補，尤其是對不可逆的生態(tài)系統(tǒng)的破壞型干擾更是如此。

北京中心地區(qū)水系廊道生態(tài)系統(tǒng)服務價值約為34.42億元。由于科學方法和資料數(shù)據的局限，現(xiàn)有的價值評價在很大程度不能涵蓋和清晰地計算生態(tài)系統(tǒng)服務的全部價值。從以上結果不難發(fā)現(xiàn)，北京中心地區(qū)的水系廊道在生態(tài)系統(tǒng)服務方面的評價，相對于已有研究，如關注于北京濕地生態(tài)系統(tǒng)服務功能與價值(187.58億元)[27]和北京水生態(tài)與服務功能與價值(2 870.73億元)[24]的結果顯得較低，說明當前研究對生態(tài)系統(tǒng)服務的認知有一定的局限，導致人們往往會忽略甚至遺忘來自生態(tài)系統(tǒng)的服務。從規(guī)劃設計的角度出發(fā)，可以發(fā)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)服務的支持、產品供給、調節(jié)和文化服務各方面都有提升潛力。尤其在城市規(guī)劃和風景園林領域，可以通過適宜的規(guī)劃設計改善現(xiàn)狀供應，提升服務。規(guī)劃設計可以結合本研究的方法開展程度評價并尋求具體的提升措施，這也是未來應用型研究將逐漸展開的內容。

表3 北京中心地區(qū)水系廊道生態(tài)系統(tǒng)服務價值評價調整前后對照表

本文嘗試利用GF-2影像數(shù)據對北京中心地區(qū)水系廊道的生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行了評價，加深了對城市中心地區(qū)生態(tài)服務價值的定量認識，為生態(tài)環(huán)境的保護和可持續(xù)發(fā)展提供了參考。但是本研究也有一些局限。首先水系廊道的生態(tài)系統(tǒng)服務價值是基于全國生態(tài)系統(tǒng)服務的面積當量計算獲得的，存在一定的誤差。其次，由于中小尺度且非常復雜的城市生態(tài)系統(tǒng)價值評價的不準確和不清晰特征，現(xiàn)有的基礎與應用研究還有很長的路要走。

注：文中圖片均由作者繪制。

致謝：特別感謝中國林業(yè)科學院資源信息研究所武紅敢教授，在數(shù)據收集和處理方面的指導和幫助；感謝清華大學公共管理學院博士研究生王曉夢同學，在解譯和精度驗證方面的幫助。