謝啟姣,劉進(jìn)華

1 湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,武漢 430062 2 區(qū)域開(kāi)發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430062 3 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,上海 200092 4 浙江理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院,杭州 310018

湖泊及其流域作為陸地水循環(huán)中的重要載體,在維持區(qū)域水量平衡、調(diào)節(jié)局部氣候、減緩洪澇災(zāi)害、提供生物棲息地等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用[1-2]。人類社會(huì)歷來(lái)依水而居、城市傍水而建,但隨著人口的不斷集聚和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,圍湖造田、填湖建城、工業(yè)圍湖、開(kāi)發(fā)旅游等人類活動(dòng)日漸頻繁[3],對(duì)湖泊資源及其流域生態(tài)系統(tǒng)的利用與干擾日益嚴(yán)重[4],湖泊萎縮、水體污染和流域生態(tài)系統(tǒng)退化已成為影響人類生存與發(fā)展的重要環(huán)境問(wèn)題[5-6]。

對(duì)湖泊及流域濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行價(jià)值評(píng)估能直觀定量湖泊資源對(duì)人類福祉的貢獻(xiàn),強(qiáng)化人類社會(huì)對(duì)湖泊資源及濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)認(rèn)知,是維護(hù)湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、確保湖泊資源可持續(xù)利用的前提。近年來(lái),越來(lái)越多的學(xué)者致力于湖泊濕地的生態(tài)價(jià)值評(píng)估,研究主要集中于洞庭湖[7]、鄱陽(yáng)湖[8]、洪湖[9]、青海湖[10]、艾比湖[11]、千島湖[12]、烏梁素海[13]、青藏高原湖泊[14]等大型湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng),以及安慶沿江湖泊流域[15]、拉薩河流域濕地[16]、張掖黑河濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)[17]、吉林西部自然保護(hù)區(qū)濕地[18]等流域濕地系統(tǒng),多采用市場(chǎng)價(jià)值法、影子工程法、成本替代法等[19],通過(guò)對(duì)人類產(chǎn)生直接影響的供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行定量估算[20-21],這些研究通過(guò)貨幣化的評(píng)價(jià)結(jié)果定量分析湖泊及流域濕地的功能構(gòu)成及生態(tài)價(jià)值,為湖泊資源的合理利用和科學(xué)保護(hù)提供了直觀依據(jù),為局地湖泊及流域生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。

近年來(lái),由于湖泊生態(tài)環(huán)境的改變導(dǎo)致資源敏感、生態(tài)脆弱[22-24],其生態(tài)服務(wù)價(jià)值總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),人類活動(dòng)被認(rèn)為是影響局地湖泊及流域濕地生態(tài)系統(tǒng)功能退化的重要原因[4, 25-27]。探討人類活動(dòng)對(duì)湖泊及流域的影響及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值響應(yīng)對(duì)于深入認(rèn)識(shí)城市湖泊的保護(hù)價(jià)值意義重大,但目前相關(guān)研究仍然存在不足[28],主要表現(xiàn)為：①前人研究大多以干擾相對(duì)較少的自然湖泊及流域?yàn)閷?duì)象進(jìn)行價(jià)值評(píng)估,而對(duì)人類活動(dòng)干預(yù)頻繁的城市湖泊及流域研究較少[22-24,29],社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)湖泊時(shí)空演變及流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響有待深入[4,6];②由于湖泊及流域濕地生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性,價(jià)值估算中多涉及周圍森林、草地等其他生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)產(chǎn)品或服務(wù),導(dǎo)致很多價(jià)值交叉重復(fù)計(jì)算[20,30- 32],影響到研究結(jié)果的科學(xué)性;③研究多側(cè)重于單一年份的靜態(tài)生態(tài)服務(wù)價(jià)值估算[33- 34],而時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)對(duì)比研究較少[35],生態(tài)價(jià)值對(duì)湖泊時(shí)空演變的響應(yīng)規(guī)律研究相對(duì)缺乏。

為此,本文選取武漢市1987、1996、2007、2016年遙感影像,進(jìn)行土地利用類型劃分,提取現(xiàn)主城區(qū)范圍內(nèi)湖泊及流域水面信息,進(jìn)行湖泊資源與其他土地類型的轉(zhuǎn)移矩陣分析,明確武漢市城市湖泊近30年的時(shí)空演變方向、幅度及趨勢(shì);并結(jié)合不同時(shí)期社會(huì)經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境等實(shí)際,進(jìn)行城市湖泊及流域水面生態(tài)服務(wù)價(jià)值定量估算,探討其對(duì)城市湖泊時(shí)空演變的響應(yīng)規(guī)律,從而更加直觀的評(píng)估城市湖泊及流域?qū)τ谖錆h城市發(fā)展的價(jià)值和意義,為城市湖泊資源的合理利用與生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

武漢位于113°41′—115°05′E, 29°58′—31°22′N之間,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,冬冷夏熱,四季分明,雨熱同季,年平均氣溫15.8—17.5℃,年降水量為1150—1450 mm,表現(xiàn)出悶熱多濕的夏季特征。武漢地處長(zhǎng)江中下游平原,江漢平原東部,地勢(shì)為東高西低、南高北低,境內(nèi)河道縱橫交錯(cuò),大小湖泊星羅棋布,水域面積占全市面積的近1/4,素有“百湖之市”的美譽(yù);世界第三大河長(zhǎng)江及其最大支流漢江穿城而過(guò),將武漢中心城區(qū)一分為三,形成武昌、漢口、漢陽(yáng)三鎮(zhèn)鼎立的格局。

近年來(lái),城市建設(shè)和人口集中導(dǎo)致武漢城市湖泊被大量填占、切割及污染[36],湖泊面積萎縮、格局破碎、連接度降低、水質(zhì)惡化等[37-38]嚴(yán)重影響到城市湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的發(fā)揮[39],對(duì)城市湖泊資源的有效保護(hù)已迫在眉睫,而城市湖泊時(shí)空變化特征及生態(tài)服務(wù)價(jià)值定量是科學(xué)保護(hù)湖泊資源的前提和依據(jù),本研究選擇武漢現(xiàn)主城區(qū)(下稱主城區(qū))為研究范圍,覆蓋面積678 km2,包括三環(huán)線以內(nèi)及局部外延的沌口、廟山和武鋼地區(qū)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

研究選擇1987年9月26日、1996年10月4日、2007年7月31日的Landsat- 5影像和2016年7月23日的Landsat- 8遙感數(shù)據(jù),影像質(zhì)量完好,覆蓋特征穩(wěn)定,能滿足研究要求。依據(jù)武漢市1∶100000數(shù)字交通圖在軟件Erdas Imagine 9.2中對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何校正配準(zhǔn),完成圖像裁剪及圖像增強(qiáng)等預(yù)處理。

主要參考《武漢市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《武漢市環(huán)境狀況公報(bào)》、《武漢市水務(wù)局水資源公報(bào)》和相應(yīng)年份的各類官方統(tǒng)計(jì)資料,以及公開(kāi)發(fā)表的武漢市相關(guān)研究成果作為統(tǒng)計(jì)分析及經(jīng)濟(jì)測(cè)算的依據(jù)。

2.2 湖泊及流域空間信息提取

根據(jù)武漢市主城區(qū)地表性質(zhì)及覆蓋特征,在軟件Erdas Imagine中采用監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類綜合方法進(jìn)行土地利用類型劃分,將研究區(qū)內(nèi)地表覆蓋分為建設(shè)用地、水體、城市綠地和農(nóng)用地4類,四個(gè)年份的影像總分類精度均達(dá)85%以上,滿足研究要求。

為保證城市湖泊及流域水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算的獨(dú)立性和科學(xué)性,避免與其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的交叉重復(fù),估算時(shí)只包括武漢主城區(qū)范圍湖泊及流域(下簡(jiǎn)稱湖泊)的水面范圍;考慮到長(zhǎng)江、漢江獨(dú)特的環(huán)境特征及生態(tài)效應(yīng),在水面空間信息提取時(shí)將其剔除。在軟件Fragstas 4.2中統(tǒng)計(jì)相應(yīng)年份湖泊的面積、數(shù)量、密度、形狀指數(shù)等[40]表征城市湖泊空間特征的指標(biāo)。

2.3 湖泊動(dòng)態(tài)變化

2.3.1動(dòng)態(tài)度

為定量表征城市湖泊在一定時(shí)期內(nèi)的變化速度和幅度,反映城市建設(shè)和人類活動(dòng)對(duì)城市湖泊的影響,引入動(dòng)態(tài)度指數(shù)[41]：

式中,K值為時(shí)間t0到t1時(shí)段內(nèi)城市湖泊的動(dòng)態(tài)度(%),U0和U1分別為時(shí)間t0和t1對(duì)應(yīng)的湖泊面積。

2.3.2轉(zhuǎn)移矩陣

為更好的理解城市湖泊空間演變的范圍與方向,認(rèn)識(shí)人類活動(dòng)對(duì)城市湖泊的干預(yù)與影響,在武漢主城區(qū)土地覆蓋類型分類的基礎(chǔ)上,構(gòu)建1987—1996年、1996—2007年和2007—2016年3個(gè)時(shí)期城市湖泊水體與建設(shè)用地、農(nóng)用地及城市綠地間的轉(zhuǎn)移矩陣[4]。

2.4 生態(tài)效益及生態(tài)價(jià)值估算

因本研究重點(diǎn)是定量研究城市湖泊演變直接導(dǎo)致的生態(tài)效益及價(jià)值變化,故僅估算城市湖泊水域生態(tài)效益及生態(tài)價(jià)值,不考慮水域周邊其他濕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值。由于近年來(lái)武漢城市湖泊主要承擔(dān)生態(tài)功能,水產(chǎn)品的生產(chǎn)功能及其價(jià)值已不具可比性,因此選擇與城市生態(tài)系統(tǒng)、人居環(huán)境質(zhì)量等關(guān)系密切的生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行價(jià)值估算(表1)。

表1 武漢主城區(qū)湖泊主要生態(tài)服務(wù)價(jià)值估算方法

(1)涵養(yǎng)水源 在遙感統(tǒng)計(jì)武漢市主城區(qū)湖泊水面面積的基礎(chǔ)上,依據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)年鑒的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),按照水面面積比例賦予權(quán)重,得到不同年份城市湖泊常水位狀況下的平均水深,可估算出武漢市主城區(qū)蓄水總量。根據(jù)武漢市城市湖泊水質(zhì)的變化,1987年和1996年水質(zhì)較好,85%以上湖泊水質(zhì)達(dá)Ⅲ類及以上級(jí)別,可按生活用水標(biāo)準(zhǔn)1.2元/m3計(jì)價(jià);2007年以后武漢城市湖泊水質(zhì)IV類及以下級(jí)別平均達(dá)80%以上,按農(nóng)業(yè)或景觀用水標(biāo)準(zhǔn)0.071元/m3計(jì)價(jià)[17]。

(2)調(diào)蓄洪水 按照南湖、東湖及沙湖等典型城市湖泊最高水位與常水位對(duì)應(yīng)的平均水深之差作為調(diào)蓄洪水水深,并結(jié)合遙感估算的湖泊面積估算出總蓄洪量。單位蓄水量庫(kù)容成本以全國(guó)水庫(kù)建設(shè)投資額為標(biāo)準(zhǔn),取值5.714元/m3。

(3)調(diào)節(jié)氣候 按照武漢市水資源統(tǒng)計(jì)資料,1987年和1996年按照武漢東湖年平均蒸發(fā)量、2007和2016年按武漢市水面年平均蒸發(fā)量為標(biāo)準(zhǔn)取值,結(jié)合遙感統(tǒng)計(jì)水面面積,估算武漢市城市湖泊水面年水汽蒸發(fā)量;參照前人相關(guān)研究成果[17],單位體積水汽調(diào)節(jié)氣候的價(jià)值為0.129元。

(4)固碳釋氧 生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧效益與植被的生物量密切相關(guān),本研究生態(tài)價(jià)值估算主要以水域范圍為主,因此生物量的采集主要來(lái)源于水生植物。參考武漢市不同湖泊類型水生植物生物量調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果[39],結(jié)合研究年份的生態(tài)環(huán)境特征及人類干擾程度,1987年和1996年參照自然湖泊、2007年參照半自然湖泊、2016年參照人工湖泊計(jì)算平均固碳釋氧量,從而估算出水域的固碳釋氧總量。固碳價(jià)值采用國(guó)際通用的瑞典碳稅率150美元/t,按2016年匯率折算為990元/t,釋氧價(jià)值按照工業(yè)制氧價(jià)格400元/t,即可估算出總的固碳釋氧價(jià)值。

(5)揚(yáng)塵削減 城市粉塵削減過(guò)程復(fù)雜,考慮到估算的可行性,參考前人研究結(jié)論[42],自然環(huán)境下湖泊水面年揚(yáng)塵削減效益為49.8 t/km2,1987年和1996年研究區(qū)人工干擾較小,以自然湖泊粉塵截留效益為標(biāo)準(zhǔn);由于水面截留吸收粉塵的效益與環(huán)境粉塵濃度密切相關(guān),2007年和2016年研究區(qū)污染程度相對(duì)較高,根據(jù)武漢市粉塵空間分布特征[43],以2倍標(biāo)準(zhǔn)即99.6 t/km2進(jìn)行換算,結(jié)合水面面積可估算出年揚(yáng)塵削減的總效益。粉塵削減價(jià)值參照工業(yè)粉塵處理成本,標(biāo)準(zhǔn)為0.15元/kg。

(6)凈化水質(zhì) 參照相關(guān)研究[17],結(jié)合武漢主城區(qū)多年污水排放數(shù)據(jù),得到人均生活污水量,按照武漢城市污水處理情況,1987年和1996年根據(jù)人口數(shù)量估算出研究范圍相應(yīng)年份污水排放量,全部按自然凈化處理。2007年和2016年按照當(dāng)年的《武漢市環(huán)境狀況公報(bào)》公布的武漢城區(qū)排污總量減去污水處理廠處理的污水量計(jì)算。凈化水質(zhì)的生態(tài)價(jià)值按污水處理廠處理污水的平均成本1.1元/t為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

(7)提供生物棲息地 城市湖泊能為鳥類和魚類提供生境棲息地,其單位生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值參考中國(guó)內(nèi)地濕地系統(tǒng)生物棲息地價(jià)值的平均值[21],以130.4萬(wàn)元/km2的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

(8)教育科研 湖泊的科研價(jià)值在遙感面積統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,參照全球濕地生態(tài)系統(tǒng)平均科研價(jià)值和國(guó)內(nèi)湖泊生態(tài)服務(wù)價(jià)值的相關(guān)研究成果[17]取值2894.5元/hm2,估算總價(jià)值。

(9)文化娛樂(lè) 城市湖泊及水域所承載的文化娛樂(lè)價(jià)值以中國(guó)水體生態(tài)系統(tǒng)單位面積平均文化娛樂(lè)價(jià)值3840.2元/hm2[14]為標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合對(duì)應(yīng)年份的總面積進(jìn)行總量估算。

3 結(jié)果與分析

3.1 武漢主城區(qū)湖泊空間分布特征

圖1是通過(guò)遙感影像解譯的1987、1996、2007、2016年武漢主城區(qū)湖泊水面的空間分布范圍,為更好的理解武漢主城區(qū)湖泊的空間結(jié)構(gòu)特征,對(duì)不同年份的空間格局指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(表2)。結(jié)合圖1和表2可知,1987年和1996年呈現(xiàn)出相似的空間結(jié)構(gòu)特征：水體覆蓋面積占研究區(qū)范圍的1/5左右,城市湖泊數(shù)量多,且分布相對(duì)均勻,總體形狀復(fù)雜,形成較為完整的水體網(wǎng)絡(luò)體系;到2007年和2016年,湖泊面積急劇減少,不到研究區(qū)范圍的1/10,尤其是漢口,城市湖泊基本被填占、所剩無(wú)幾,武昌的東湖、沙湖、南湖等原有的大型湖泊覆蓋范圍也嚴(yán)重萎縮,漢陽(yáng)原有的水系網(wǎng)絡(luò)已被割裂成獨(dú)立的斑塊。隨著武漢社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,主城區(qū)湖泊的密度由1987年的1.67個(gè)/km2減少到2016年的0.21個(gè)/km2,但平均面積由1987年的12.72 hm2增加到2016年的42.69 hm2,29年間,保留下來(lái)的城市湖泊多為原來(lái)面積較大的湖泊,但其面積也縮減明顯,面積過(guò)小的湖泊基本都被填占,大多數(shù)已從武漢主城區(qū)消失。結(jié)合圖1的空間分布特征看,武漢市主城區(qū)湖泊填占有著近地域性特點(diǎn),越靠近建成區(qū)的湖泊由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要被填占越嚴(yán)重,離市中心較遠(yuǎn)的湖泊填占現(xiàn)象相對(duì)較輕。

圖1 1987年,1996年,2007年和2016年武漢城市湖泊空間分布Fig.1 Lake distribution maps in 1987, 1996, 2007 and 2016 in Wuhan urbanized area

表2 武漢主城區(qū)湖泊空間結(jié)構(gòu)特征

3.2 1987—2016年武漢主城區(qū)湖泊時(shí)空演變

表3統(tǒng)計(jì)了研究期間武漢主城區(qū)湖泊的變化情況, 1987年到2016年間,武漢主城區(qū)的湖泊面積共縮減82 km2,減少了56.9%,湖泊水面一半以上都被侵占;以平均每年2.8 km2的速度消失,而漢口最大的城中湖——塔子湖面積為0.3 km2,相當(dāng)于29年間平均每年有大約9個(gè)塔子湖從武漢主城區(qū)消失。具體從1987—1996年、1996—2007年及2007—2016年3個(gè)時(shí)期看,1987—1996年9年期間,主城區(qū)湖泊總面積基本保持不變,年均動(dòng)態(tài)度僅為-0.08%。變化幅度最大的是1996—2007年期間,湖泊總面積減少了59.5%,共計(jì)85 km2,11年間相當(dāng)于2.5個(gè)東湖水面悄然“蒸發(fā)”;平均每年減少7.7 km2,年動(dòng)態(tài)度達(dá)到5.4%,湖泊生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重干擾。2007—2016年間,湖泊面積首次出現(xiàn)增長(zhǎng),以平均每年0.4 km2的增幅,9年間湖泊面積增加4 km2,增加了6.9%。

表3 1987—2016年武漢主城區(qū)湖泊動(dòng)態(tài)特征

為更好地理解研究期內(nèi)武漢主城區(qū)湖泊的演變方向、幅度及趨勢(shì),運(yùn)用轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)1987—1996年、1996—2007年和2007—2016年的湖泊變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,圖2為相應(yīng)時(shí)期湖泊水體與建設(shè)用地、農(nóng)用地和城市綠地間的轉(zhuǎn)移空間分布,結(jié)合相應(yīng)時(shí)期的社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)探討不同時(shí)期湖泊演變的主要驅(qū)動(dòng)力。

(1)1987—1996年：武漢主城區(qū)湖泊水域的變化率為-0.7%,湖泊面積保持平穩(wěn),主要是與農(nóng)用地之間的轉(zhuǎn)化。具體來(lái)看(圖2),水體共轉(zhuǎn)出32 km2,其中有17 km2轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)用地(占53.1%),14 km2轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地(占43.8%);共轉(zhuǎn)進(jìn)31 km2,其中90.3%為農(nóng)用地轉(zhuǎn)變而來(lái)。雖然湖泊總面積并沒(méi)有明顯減少,但是仍然有近一半的湖泊被建設(shè)用地所侵占,而總量的平穩(wěn)主要是以占用農(nóng)用地為代價(jià)。總體來(lái)看,這一時(shí)期主城區(qū)湖泊的變化主要是湖泊水面和農(nóng)用地之間的相互轉(zhuǎn)換,填湖種地和圍田養(yǎng)魚等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)為其主要空間驅(qū)動(dòng)力。

(2)1996—2007年：武漢主城區(qū)湖泊面積銳減85 km2,城市水體的變化率為-59.5%,城市水體共轉(zhuǎn)出89 km2,其中53.9%(48 km2)轉(zhuǎn)向城市建設(shè)用,38.2%(34 km2)轉(zhuǎn)向農(nóng)用地。一方面,由于這一時(shí)期轉(zhuǎn)出農(nóng)用地的91.09%城市建設(shè)用地開(kāi)發(fā)占用,因而部分水體被圍占為農(nóng)用地,導(dǎo)致湖泊面積縮小。另一方面,城市化導(dǎo)致城市人口迅速增加、城市空間需求加大,一些湖泊及水體經(jīng)政府審批被城市道路、市政設(shè)施等“征用”;更多的是由于房地產(chǎn)的迅速崛起,商業(yè)利益驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致開(kāi)發(fā)商開(kāi)始“填湖造城”,從而導(dǎo)致原來(lái)的湖泊和城市水體被填埋。圖2中可明顯看出,黃塘湖、沙湖、東湖、南湖等大型城市湖泊有明顯的縮減趨勢(shì),且基本被房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)利用;而轉(zhuǎn)入的4 km2面積則主要來(lái)自于天新洲洲頭的部分農(nóng)用地。總體看,這一時(shí)期湖泊水面變化受到農(nóng)業(yè)發(fā)展和城市建設(shè)的共同作用。

(3)2007—2016年：武漢主城區(qū)湖泊面積增加了4 km2,主要是與建設(shè)用地的相互轉(zhuǎn)換,其中轉(zhuǎn)出6 km2,全部轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,結(jié)合圖2中可知,轉(zhuǎn)出的水面大部分是由于城市公共綠地和公共設(shè)施建設(shè)需要;另有10 km2轉(zhuǎn)入,其中建設(shè)用地轉(zhuǎn)進(jìn)的共有7 km2,占所有轉(zhuǎn)入面積的70%,其他為農(nóng)用地(20%)和城市綠地(10%)共同轉(zhuǎn)入。湖泊面積的增加與2002年后武漢市實(shí)施的一系列城市湖泊保護(hù)條例和措施密切相關(guān),由于社會(huì)各界開(kāi)始意識(shí)到城市湖泊保護(hù)的生態(tài)意義,政府開(kāi)始遏制湖泊填占,實(shí)施湖泊保護(hù)。總體來(lái)看,政府的保護(hù)政策、條例法規(guī)是城市湖泊面積變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。

圖2 1987—1996年,1996—2007年和2007—2016年武漢主城區(qū)湖泊轉(zhuǎn)移空間分布Fig.2 Distribution of lake area transfer during 1987—1996, 1996—2007 and 2007—2016 in Wuhan urbanized area

3.3 1987—2016年武漢城市湖泊生態(tài)效益及生態(tài)服務(wù)價(jià)值響應(yīng)

在遙感提取武漢市主城區(qū)不同年份湖泊水域面積的基礎(chǔ)上,結(jié)合不同時(shí)期湖泊開(kāi)發(fā)利用模式及生態(tài)環(huán)境特征,參考相關(guān)研究成果,對(duì)武漢主城區(qū)相關(guān)研究年份的湖泊及流域水面生態(tài)效益和生態(tài)價(jià)值進(jìn)行了估算(表4)。1987年和1996年由于主城區(qū)湖泊面積差別較小且生態(tài)環(huán)境特征類似,總的生態(tài)價(jià)值比較接近,約為21億元;9年間生態(tài)服務(wù)總價(jià)值增加0.17億元,增加了0.81%,主要是由于城區(qū)人口增加導(dǎo)致湖泊凈水價(jià)值的提高。從1996年到2007年11年間,湖泊面積減少了59.5%(表3),主城區(qū)湖泊生態(tài)服務(wù)價(jià)值隨之減少14.16億元,減少了67.06%,以平均每年6.1%的速度減少,每年損失生態(tài)服務(wù)價(jià)值約1.29億元。2016年主城區(qū)湖泊面積比2007年增加了6.9%(表3),但其生態(tài)服務(wù)價(jià)值總量卻減少了2.44%,從表4中可知,其他各生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值均不變或不同程度增加,只有凈化水質(zhì)的生態(tài)價(jià)值減少且比重較大,導(dǎo)致年度總價(jià)值的減少?？傮w來(lái)看,1987—2016年武漢主城區(qū)湖泊生態(tài)服務(wù)價(jià)值減少14.17億元,共減少了67.64%,總體呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。一方面由于城市化導(dǎo)致研究區(qū)湖泊水面被大量侵占,29年間減少了82 km2,使得與面積相關(guān)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值如調(diào)節(jié)氣候和調(diào)蓄洪水的總價(jià)值減少幅度過(guò)大;另一方面則是由于城市污染排放量增大使湖泊水質(zhì)惡化,從而導(dǎo)致湖泊水源質(zhì)量降低、凈化水質(zhì)的功能退化,相應(yīng)的服務(wù)功能價(jià)值量明顯減少。

表4 武漢主城區(qū)湖泊生態(tài)效益及生態(tài)價(jià)值

從各生態(tài)服務(wù)功能的價(jià)值構(gòu)成來(lái)看,綜合四年的估算結(jié)果,調(diào)蓄洪水的生態(tài)服務(wù)價(jià)值最大,占總價(jià)值的48.84%,其次為凈化水質(zhì)(19.35%)、涵養(yǎng)水源(14.16%)、提供生物棲息地(10.07%)、文化娛樂(lè)(2.98%)、教育科研(2.26%)、調(diào)節(jié)氣候(1.03%)、固碳(0.94%)、釋氧(0.28%)和揚(yáng)塵削減(0.09%)生態(tài)服務(wù)價(jià)值。但不同年份各生態(tài)服務(wù)價(jià)值構(gòu)成卻不完全一致,1987年和1996年構(gòu)成比例一致,生態(tài)服務(wù)價(jià)值最高的前3為分別為調(diào)蓄洪水(42.83%)、涵養(yǎng)水源(26.72%)和凈化水質(zhì)(13.71%),共占總服務(wù)價(jià)值的83.26%;2007年和2016年構(gòu)成比例一致,前3位依次為調(diào)蓄洪水(54.84%)、凈化水質(zhì)(24.99%)和提供生物棲息地(11.29%),占總價(jià)值的91.12%。盡管在主城區(qū)湖泊及流域的所有生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值中,固碳釋氧、調(diào)節(jié)氣候及揚(yáng)塵削減的價(jià)值比例較低,但對(duì)于武漢城市發(fā)展而言,其生態(tài)服務(wù)功能同樣具有重要意義。以服務(wù)價(jià)值比重較小的揚(yáng)塵削減為例,相對(duì)所有生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值總和,其占比僅為0.05%—0.14%,平均不足總量的0.1%;但根據(jù)武漢市環(huán)境質(zhì)量狀況公報(bào)結(jié)果,2016年武漢主城區(qū)降塵平均值為每月8.48 t/km2,年總降塵量為68993.3 t,研究估算當(dāng)年湖泊揚(yáng)塵削減量為6165.2 t,占全年總降塵量的8.94%,其生態(tài)效益不可忽視。

4 討論

4.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位價(jià)值對(duì)比

湖泊或濕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值與其面積、生態(tài)環(huán)境及所選擇的生態(tài)服務(wù)功能指標(biāo)息息相關(guān),選取城市湖泊水域生態(tài)系統(tǒng)主要的生態(tài)功能,分別與中國(guó)內(nèi)陸濕地生態(tài)系統(tǒng)71個(gè)濕地案例[21]以及湖泊型濕地生態(tài)系統(tǒng)[7,9,11-12]相關(guān)生態(tài)功能單位服務(wù)價(jià)值進(jìn)行對(duì)比(表5)。從表中可知,本研究城市湖泊水域固碳和釋氧的單位生態(tài)服務(wù)價(jià)值遠(yuǎn)比湖泊型濕地和內(nèi)陸濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的平均值小,因固碳釋氧和調(diào)節(jié)氣候的服務(wù)價(jià)值與植物的生物量直接相關(guān)[17, 39],而武漢主城區(qū)湖泊水域只計(jì)算水生植物的生物量,不包括湖泊消落帶或?yàn)I水植物的生態(tài)價(jià)值。武漢主城區(qū)湖泊水域涵養(yǎng)水源、調(diào)蓄洪水和凈化水質(zhì)的單位服務(wù)價(jià)值均遠(yuǎn)低于內(nèi)陸濕地生態(tài)系統(tǒng)的平均值,但調(diào)蓄洪水和凈化水質(zhì)的單位生態(tài)價(jià)值明顯高于湖泊型濕地生態(tài)系統(tǒng)的平均值。這是因?yàn)閮?nèi)陸濕地的研究案例對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的估算針對(duì)整個(gè)濕地系統(tǒng),估算結(jié)果會(huì)與濱水草地、森林等其他生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值交叉或重復(fù),導(dǎo)致結(jié)果偏高[21];而對(duì)照的湖泊型濕地大多以自然或人為干擾較小的大型湖泊為主,相對(duì)于城市湖泊而言,調(diào)蓄洪水和凈化水質(zhì)的生態(tài)需求較小[7, 11]。前人不同案例地濕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能單位服務(wù)價(jià)值差別較大,不同研究對(duì)于濕地生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)涵認(rèn)定和范圍界定標(biāo)準(zhǔn)不同[21,23,32],且受到其他如區(qū)域特征、社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景、計(jì)算方法等因素的影響[7- 18],影響了研究結(jié)果的可比性。

表5 主要生態(tài)功能單位價(jià)值量統(tǒng)計(jì)/(×104元/km2)

4.2 生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值構(gòu)成對(duì)比

武漢主城區(qū)湖泊水域與多數(shù)濕地生態(tài)系統(tǒng)一樣,生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值構(gòu)成中,調(diào)蓄洪水的生態(tài)價(jià)值比重最大,占到總價(jià)值量的48.84%,而濕地生態(tài)系統(tǒng)[17,20,29]對(duì)應(yīng)比重平均為33.02%—56%,結(jié)果基本一致;武漢主城區(qū)湖泊凈化水質(zhì)、涵養(yǎng)水源的生態(tài)價(jià)值比重僅次于調(diào)蓄水量的功能,分別為19.35%和14.16%,前人研究中濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)值變化幅度大,但在總價(jià)值量中同樣占有較大的比重[17,21,32]。這說(shuō)明無(wú)論是湖泊水面還是濕地生態(tài)系統(tǒng),盡管由于地域、時(shí)空、生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成、生態(tài)功能指標(biāo)體系等的差異性,各生態(tài)功能的服務(wù)價(jià)值比值有所區(qū)別,但是調(diào)蓄洪水、凈化水質(zhì)、涵養(yǎng)水源等水體所特有的生態(tài)功能服務(wù)價(jià)值,均占有較重的分量,具有森林、草地等其他自然生態(tài)系統(tǒng)所不具備的生態(tài)優(yōu)勢(shì),有著不可替代的作用;尤其在硬質(zhì)地表覆蓋比例高、地表徑流大的城市地區(qū),湖泊和濕地生態(tài)系統(tǒng)由于其特殊的地形條件,在抵御洪澇災(zāi)害、調(diào)蓄水量方面有著極其重要的地位,是城市人居環(huán)境健康、維護(hù)城市生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的保障。而本研究中生態(tài)價(jià)值比例較低的調(diào)節(jié)氣候(1.03%)、固碳釋氧(1.22%)功能,在濕地生態(tài)系統(tǒng)中均有較高的占比[15,17-18, 21],分別為10%—20.86%和7.75%—20.46%,主要原因在于濕地生態(tài)系統(tǒng)中沼澤、灘涂、濱水等植物的生物量較高,導(dǎo)致城市湖泊水域與濕地生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)價(jià)值比重差別較大。

4.3 研究不足及展望

本文利用遙感技術(shù)動(dòng)態(tài)分析1987—2016年武漢市主城區(qū)湖泊水域的時(shí)空演變特征及其驅(qū)動(dòng)因素,定量探討湖泊水域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)人類活動(dòng)及湖泊時(shí)空演變的響應(yīng)規(guī)律,能直觀揭示湖泊水域在維持城市生態(tài)系統(tǒng)安全中的重要作用,明確人類活動(dòng)對(duì)城市湖泊時(shí)空演變及生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值的影響,但仍存在一定的誤差和不確定性：研究中考慮到湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值會(huì)受到氣候、水質(zhì)、干擾程度等因素的影響,在進(jìn)行生態(tài)價(jià)值估算時(shí)1987、1996、2007、2016年相關(guān)指標(biāo)按照相應(yīng)時(shí)期的實(shí)際情況取值,保證了一定的科學(xué)性,但由于不同時(shí)期城市湖泊資源所處的生態(tài)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境復(fù)雜多變,核算時(shí)需要考慮更多的影響因素,才能保證估算結(jié)果的精確。同時(shí),在估算湖泊水域提供生物棲息地、教育科研、文化娛樂(lè)等生態(tài)功能服務(wù)價(jià)值時(shí),由于其服務(wù)方式難以直接定量,考慮到研究結(jié)果的可比性,直接采用國(guó)內(nèi)相關(guān)研究結(jié)果的平均值,這在一定程度上會(huì)影響生態(tài)價(jià)值的估算結(jié)果。另外,城市湖泊由于人類干擾較大,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值不僅受到所處環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)等自然因素的影響,更受不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展時(shí)期湖泊資源利用方式、管理水平、價(jià)值偏好等人文因素的影響,相關(guān)的定量研究將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

5 結(jié)論

基于遙感影像及GIS技術(shù),對(duì)1987—2016年武漢市主城區(qū)湖泊水域的時(shí)空變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),在此基礎(chǔ)上定量估算城市湖泊及流域水面的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值及變化,探討人類干擾較為頻繁的城市湖泊時(shí)空演變及其生態(tài)服務(wù)價(jià)值響應(yīng),有助于直觀理解城市湖泊保護(hù)對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的意義。主要的研究結(jié)論如下：

(1)武漢市主城區(qū)湖泊及流域占研究區(qū)總面積的比例從1987年的21.22%降到2016年的9.13%, 29年間共縮減82 km2,減少了56.9%;湖泊及流域水系由原來(lái)縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)格局被割裂成相互分散的獨(dú)立斑塊;且越靠近城市建成區(qū),湖泊面積縮減越明顯,湖泊面積越小,填占現(xiàn)象越嚴(yán)重。

(2)人類的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)是武漢主城區(qū)湖泊動(dòng)態(tài)變化的主要驅(qū)動(dòng)力：① 1987—1996年：湖泊及流域變化率為-0.7%,主要是與農(nóng)用地之間的轉(zhuǎn)換,填湖種地和圍田養(yǎng)魚等農(nóng)業(yè)活動(dòng)是湖泊面積變化的主要原因;② 1996—2007年：湖泊及流域總體變化率為-59.5%,主要是與農(nóng)用地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換,圍湖造田等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)等城市建設(shè)共同導(dǎo)致湖泊面積的急劇減少;③ 2007—2016年：湖泊及流域變化率為6.9%,主要是與建設(shè)用地的相互轉(zhuǎn)換,湖泊保護(hù)政策及條例法規(guī)的實(shí)施是主城區(qū)湖泊面積增加的主要原因。

(3)城市湖泊及流域面積減少導(dǎo)致調(diào)節(jié)氣候和調(diào)蓄洪水的生態(tài)服務(wù)價(jià)值大量減少,城市生活污染和工業(yè)污染等排放量增加引起的水質(zhì)惡化使城市湖泊涵養(yǎng)水源和凈化水質(zhì)的生態(tài)功能退化,降低了其總體生態(tài)效益及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。1987—2016年,武漢主城區(qū)湖泊及流域生態(tài)服務(wù)價(jià)值由20.95億元減少到6.78億元,29年間共減少14.17億元,減少了67.64%;其中1996—2007年間減少速度最快,平均每年減少6.1%、損失生態(tài)服務(wù)價(jià)值1.29億元。

(4)從各生態(tài)服務(wù)功能的價(jià)值構(gòu)成來(lái)看,城市湖泊各生態(tài)服務(wù)功能的比重依次為：調(diào)蓄洪水>凈化水質(zhì)>涵養(yǎng)水源>提供生物棲息地>文化娛樂(lè)>教育科研>調(diào)節(jié)氣候>固碳>釋氧>揚(yáng)塵削減。雖然城市湖泊及流域主要生態(tài)功能的單位服務(wù)價(jià)值遠(yuǎn)比濕地生態(tài)系統(tǒng)的平均值低,但其特有的調(diào)蓄洪水、涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)、提供生物棲息地等服務(wù)功能生態(tài)價(jià)值巨大,有著其他生態(tài)系統(tǒng)不可替代的優(yōu)勢(shì);大氣調(diào)節(jié)等生態(tài)服務(wù)功能雖然價(jià)值量較小,但對(duì)提高城市人居環(huán)境質(zhì)量而言,其生態(tài)效益亦不可忽視。