黨 輝,李 晶,*,張渝萌,周自翔

1 陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 西安 710119 2 西安科技大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 西安 710054

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念由Holden和Ehrlic等學(xué)者于20世紀(jì)70年代最早提出[1],被定義為人類能夠從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的那些有助于人類社會發(fā)展的惠益[2- 4]。城市綠地可以提供許多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),如調(diào)節(jié)小氣候、固碳釋氧、減少噪音、暴雨截留、凈化空氣和游憩服務(wù)等[5-6],這些服務(wù)為城市公民維持身心健康提供了保證。然而隨著城市資源的不斷緊縮,綠地區(qū)域面積總量不斷減少并呈現(xiàn)出碎片化的趨勢,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局的優(yōu)化配置意義凸顯。

城市綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型多樣,許多學(xué)者通過不同的指標(biāo)體系,使用多種方法從不同角度對各類服務(wù)進(jìn)行測算[7-12],構(gòu)建了針對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的多種評價框架[13-14]。對于城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其空間格局的探索分析,一方面可以平衡生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與城市經(jīng)濟(jì)社會功能之間的協(xié)調(diào)關(guān)系,另一方面對提升城市環(huán)境宜居性和城市生態(tài)建設(shè)等方面具有關(guān)鍵意義。在城市綠地出現(xiàn)不同程度萎縮的過程中,人們所享有的城市綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益產(chǎn)生了不同程度的不公平性,這與城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間格局息息相關(guān)。公平性一般是指每個人具有平等的獲得資源、服務(wù)等的權(quán)利,綠地這類公共資源的公平性則可被定義為人人都具有均等的享受綠地資源及其相關(guān)服務(wù)的權(quán)利。目前已有的研究不乏對城市綠地能夠起到的改善城市生態(tài)環(huán)境作用的評判,但多以評價性意見為主,缺乏量化的數(shù)據(jù)支撐,也就無法從綠地資源分配公平性的角度滿足社會可持續(xù)發(fā)展的基本原則[15-17]。城市綠地社會公平原則的落實(shí)往往依靠人口和綠地可達(dá)性等指標(biāo),但綠地的數(shù)量并非是滿足公平條件的唯一標(biāo)準(zhǔn),城市綠地依其植物種類、植物群落多樣性,植物葉面積指數(shù)等多個條件各有所不同,因此依據(jù)城市綠地能夠提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)來進(jìn)行公平性的分配相較傳統(tǒng)方法更為合理有效,更能真正意義上實(shí)現(xiàn)社會資源公平。

城市綠地公平性評價與優(yōu)化有助于提高綠地生態(tài)產(chǎn)品的供給能力和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平,然而破碎的綠地斑塊對城市綠地空間格局的優(yōu)化帶來一定困難,行政區(qū)劃級別的管理并不能達(dá)到更好的效果。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇[18]是有助于提高多功能景觀管理的研究方法,它認(rèn)為自然可以視為多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的集合,同時城市網(wǎng)格化管理對城市綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化管理具有一定的借鑒意義,不僅能夠做到上級層面的有的放矢,而且能夠從網(wǎng)格單元上達(dá)到精準(zhǔn)治理的效果。傳統(tǒng)的聚類過程沒有考慮幾何之間的空間關(guān)系[19-20],基于探索性空間數(shù)據(jù)分析的方法[21-23]具有不確定性,因此以客觀、定量、可重復(fù)和透明的方法來確定同質(zhì)區(qū)域,將滿足對城市綠地綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定和有力估計(jì)的需要。具有動態(tài)約束的聚類和分區(qū)的區(qū)域化方法(REDCAP)是Guo等[24]提出的一種新的空間聚類和區(qū)域化方法,該算法已用于將一個區(qū)域劃分為若干空間連續(xù)區(qū)域,區(qū)域化已用于氣候分區(qū)[25],生態(tài)區(qū)分析[26]和建立可變率農(nóng)業(yè)管理區(qū)[27]等領(lǐng)域。

西安市是全國副省級城市、關(guān)中平原城市群核心城市,也是國家森林城市、國家園林城市。但近年來,西安市城市霧霾的頻發(fā)和高溫天氣的持續(xù),再度引起人們的關(guān)注。為提高人人享受綠地資源及其相關(guān)服務(wù)的權(quán)利,優(yōu)化城市綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局,本文以具有代表性的西安市主城區(qū)為例,針對當(dāng)前存在的環(huán)境問題,選取了生物多樣性、凈化空氣、固碳釋氧、氣候調(diào)節(jié)四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),通過識別并分析現(xiàn)有城市綠地資源,從公平性視角評價城市綠地資源空間分配,基于REDCAP算法以及前人的相關(guān)研究優(yōu)化研究區(qū)在劃定的城市綠地公平性閾值下的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局,實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局的區(qū)域化,為合理高效地應(yīng)用城市綠地生態(tài)功能提供重要的數(shù)據(jù)支撐和保障。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

圖1 研究區(qū)綠地分布圖Fig.1 Distribution map of green space in study area

西安市位于渭河流域中部關(guān)中盆地,近年來西安市城市綠地建設(shè)在不斷發(fā)展,基于2018年Sentinel- 2 10m遙感影像數(shù)據(jù),從綠地分布情況來看,見圖1,西安市成片狀的較大綠地斑塊數(shù)量較少,主要以分散零碎的小型綠地斑塊類型為主。

本文所用數(shù)據(jù)主要包括:①西安的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù),包括行政區(qū)縣等,主要來源于國家基礎(chǔ)信息中心；②獲取時間為2018年1月14日及6月23日的Sentinel- 2 10m遙感影像數(shù)據(jù)；③氣象數(shù)據(jù),包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、相對濕度、降水量,主要來源中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)；④PM2.5數(shù)據(jù),西安市13個國家監(jiān)測站點(diǎn)PM2.5的連續(xù)測量每小時實(shí)時數(shù)據(jù), 主要來源國家環(huán)境保護(hù)部(http://www.mee.gov.cn/)；⑤大氣剖面參數(shù),來源于NASA官網(wǎng)(https://www.nasa.gov/)；以及來自西安市統(tǒng)計(jì)年鑒的相關(guān)人口社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù),部分?jǐn)?shù)據(jù)由野外實(shí)測獲取。

1.2 野外實(shí)地調(diào)查

本研究在西安市六個城區(qū)中根據(jù)實(shí)際情況分別選取不同數(shù)量的綠地樣方,為了保證樣方的普遍性,選取的綠地包含多種類型,例如公園、社區(qū)綠地、大學(xué)校園、景區(qū)等。在進(jìn)行樣方數(shù)據(jù)實(shí)測過程中,利用手持GPS或含有經(jīng)緯度信息的其他移動設(shè)備進(jìn)行樣方(大小為20m×20m)定位。野外實(shí)測主要使用的工具包括胸徑測量尺、測高儀、“形色”APP等。野外數(shù)據(jù)收集時間為2018年6月至8月,野外測量主要收集的綠地植物信息包括胸徑(樹木距地面1.3m處)、枝下高、左右冠幅、樹高、健康狀況、所處坐標(biāo)等信息,其他情況單獨(dú)記錄。實(shí)測數(shù)據(jù)樣方共計(jì)121組,其中雁塔區(qū)25組、碑林區(qū)25組、蓮湖區(qū)25組、新城區(qū)22組、未央?yún)^(qū)16組、灞橋區(qū)8組,一共獲取1795棵綠地喬木植物測量數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)測算

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行判斷,選取生物多樣性、固碳、凈化空氣、氣候調(diào)節(jié)四種服務(wù)進(jìn)行測算。生物多樣性服務(wù)在實(shí)地測量數(shù)據(jù)和遙感影像的基礎(chǔ)上,使用的喬木層物種多樣性反演模型[28]進(jìn)行測算；根據(jù)沉降速率計(jì)算沉降通量[29],結(jié)合研究區(qū)葉面積指數(shù)來進(jìn)行綠地對PM2.5清除能力的評估,PM2.5濃度逐小時獲取時間為2018年1月14日；借助遙感工具和InVEST模型 Carbon模塊[30]對研究區(qū)綠地的固碳服務(wù)能力及其空間分布進(jìn)行研究；利用單窗算法[31]進(jìn)行地表溫度測算,影像數(shù)據(jù)獲取時間為2018年6月23日。具體測算指標(biāo)體系如表1。

1.3.2綠地公平性評價

本研究引入?yún)^(qū)位熵[34-35]的概念來分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)公平性分布的空間格局。假設(shè)各個區(qū)域單元的區(qū)位熵為該區(qū)域內(nèi)人口的人均綠地面積和四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量,具體的計(jì)算公式如下:

(1)

式中QSi表示第i個空間區(qū)域單元區(qū)位熵；Gi表示第i個空間區(qū)域單元中綠地面積和對應(yīng)的四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量；Pi表示第i個空間區(qū)域單元中的常住人口；G表示整個區(qū)域內(nèi)的總綠地面積和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量的總和；P表示整個研究區(qū)范圍人口總數(shù)。

表1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)測算指標(biāo)與方法

1.3.3小單元區(qū)域化

本研究采用基于動態(tài)約束凝聚集群和分區(qū)的區(qū)域化方法(REDCAP)對公平性評價待改善的地區(qū)進(jìn)行集群和分區(qū),以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的分區(qū)管理與優(yōu)化。該算法實(shí)質(zhì)上是基于六種區(qū)域化方法的,這些方法是將三種聚集聚類方法(單鏈接聚類,平均鏈接聚類和完全鏈接聚類)和兩種不同的空間約束策略(一階約束和全階約束)結(jié)合在一起構(gòu)成的。本研究基于距離的k近鄰矩陣和一組驅(qū)動凝聚聚類方法的約束策略。平均鏈接聚類將兩個聚類之間的距離定義為所有跨聚類數(shù)據(jù)點(diǎn)對之間的平均差異:

(2)

式中|L|和|M|分別是簇L和M中數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量,u∈L和v∈M是兩個數(shù)據(jù)點(diǎn),duv是u和v之間的不相似性。

合并過程使用全階約束策略合并了鄰接約束。連續(xù)性約束的聚類要求兩個聚類在空間上不連續(xù)時不能合并,這是經(jīng)典空間聚類和區(qū)域化之間的差異元素。全序約束策略包括聚類過程中的所有邊緣,并且在所有邊緣上定義了兩個聚類之間的距離。此策略是動態(tài)的,因?yàn)樗鼤诿看魏喜⒑蟾锣徑泳仃?以跟蹤連接兩個不同簇的所有邊。

2 結(jié)果與分析

2.1 城市綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估

如圖2所示,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行測算,多樣性指數(shù)范圍為1.694—1.725,較高值主要分布在公園等地及附近,最高值出現(xiàn)在西安植物園、灞橋生態(tài)濕地公園、渭河城市運(yùn)動公園等,最低值出現(xiàn)在灞橋區(qū)東部,周邊主要是一些村鎮(zhèn)聚集地,以及西高新立交、漢城立交附近；整體上來看,西安市綠地存在群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度較低、綠地的分布不均衡、單一植物的分布較為高頻等現(xiàn)象明顯,生物多樣性水平有待提升。通過對城市綠地PM2.5的日削減量分析,其最高值為0.0145g/m3,吸附效果明顯的區(qū)域主要分布于研究區(qū)北側(cè)渭河城市運(yùn)動公園、西側(cè)漢長安城遺址公園、中部大明宮國家遺址公園、東側(cè)灞橋生態(tài)濕地公園以及城區(qū)內(nèi)一些旅游風(fēng)景區(qū)等植物覆蓋程度較高的區(qū)域,而日削減量最低值為0.0058g/m3,低值區(qū)主要分布于城區(qū)內(nèi)道路密集的地方,植物吸附效果較差主要和污染量大、道路揚(yáng)塵頻繁等因素相關(guān)。研究區(qū)不同區(qū)域碳儲能力存在較大差異,單位面積最高值是12.8t/hm2,城市綠地植物固碳能力較強(qiáng)的區(qū)域主要分布在歷史較久的大型公園、大學(xué)校園和風(fēng)景區(qū)等地,未央?yún)^(qū)、雁塔區(qū)以及灞橋區(qū)相對于其他區(qū)域而言固碳能力更強(qiáng),研究區(qū)固碳量整體上南部高于北部,東部高于西部。2018年6月23日遙感影像反演的地表溫度在20.2 ℃—54.1 ℃之間,使用自然斷點(diǎn)法對地表溫度進(jìn)行分級,地表溫度呈現(xiàn)從西北向東南遞減,且高溫區(qū)密集而低溫區(qū)分散的特征,水體、大型公園等地明顯出現(xiàn)低溫區(qū)；進(jìn)一步分析城市綠地與熱島區(qū)域的聯(lián)系,NDVI的低值區(qū)域和地表溫度的高值區(qū)域吻合度較高,NDVI的高值區(qū)則位于大部分城市公園區(qū)域,NDVI的低值區(qū)域主要是河流等水體和城市中心綠地分布較少的區(qū)域。研究區(qū)NDVI與地表溫度兩者在0.01水平上呈顯著負(fù)相關(guān),表明植被覆蓋較高的綠地區(qū)域地表溫度相對于其他區(qū)域較低,即綠地能夠在一定程度上降低地表溫度,緩解城市熱島效應(yīng)。

圖2 城市綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價結(jié)果Fig.2 Evaluation of ecosystem services in urban green spaces

根據(jù)野外實(shí)測數(shù)據(jù),進(jìn)行實(shí)測驗(yàn)證,計(jì)算了相關(guān)系數(shù)。對于生物多樣性服務(wù),相關(guān)系數(shù)為0.887,在0.01置信水平上顯著相關(guān)；由于綠地結(jié)構(gòu)信息難以識別進(jìn)行判斷,結(jié)構(gòu)較差的綠地群落盡管植被覆蓋高但多樣性水平偏低,故在本研究利用變量參數(shù)反演得到的指標(biāo)結(jié)果相對于實(shí)測值偏高。對于固碳服務(wù),結(jié)合異速生長方程,來對各類樹種的生物量進(jìn)行測算[36-37],相關(guān)系數(shù)為0.811,在0.01置信水平上顯著相關(guān)；由于InVEST模型在估算過程中除了地上植物本身通過光合作用將碳固定之外還涉及了土壤中的碳密度和植物枯枝落葉等死亡有機(jī)質(zhì)等通過腐殖質(zhì)所累積下來的固碳,模型計(jì)算結(jié)果偏大。

2.2 西安市綠地分布公平性評價

2.2.1基于區(qū)位熵測算的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)公平性評價

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的物質(zhì)量為公平性量化提供可能,本文從社會公平概念出發(fā),以城市綠地系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為內(nèi)容,建立了研究區(qū)城市綠地評價公平性的定量指標(biāo),根據(jù)區(qū)位熵值的高低進(jìn)行等級劃分,見表2。

表3 區(qū)域熵值的分類標(biāo)準(zhǔn)

如圖3所示,從區(qū)位熵分布情況可以看出,不同區(qū)域單元在綠地面積、植物群落豐富度、樹種固碳能力差異及綠地凈化空氣和氣候調(diào)節(jié)方面存在不同程度的差異；如圖4所示,結(jié)合了區(qū)域人口因素的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)人均水平差異,也從另一個角度表明各區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)存在不均衡的問題。

圖3 綠地面積和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的區(qū)位熵分布模式Fig.3 Location entropy distribution pattern of green space area and ecosystem services

圖4 行政區(qū)人均綠地面積與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)Fig.4 Percapita green space area and ecosystem services in administrative region

結(jié)果表明,不同行政區(qū)域單元之間生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)區(qū)位熵存在明顯差異。整體上雁塔區(qū)的綠地面積雖然處于中上水平,但四類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)人均值處于較低水平；灞橋區(qū)人均綠地面積較高,凈化空氣服務(wù)和固碳服務(wù)人均水平較高；新城區(qū)在生物多樣性、氣候調(diào)節(jié),凈化空氣三類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)方面人均水平較高；碑林區(qū)在生物多樣性、固碳和氣候調(diào)節(jié)服務(wù)方面人均水平較高；蓮湖區(qū)和未央?yún)^(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)人均水平處于中等水平。根據(jù)資料可知,灞橋區(qū)人口密度約為2.3萬人/km2,而雁塔區(qū)人口密度約為4.5萬人/km2,約等于灞橋區(qū)人口密度的兩倍,因此,盡管雁塔區(qū)存在較多的公園、風(fēng)景區(qū)等不同類型綠地,但綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)人均水平仍然較低。相對來說在人口密度低的區(qū)域,其人均綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平較高,因此將人口密度因素考慮進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布格局使得城市綠地公平性的研究更加合理,更有利于實(shí)現(xiàn)社會公平。

2.2.2基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)公平性評價結(jié)果的城市綠地格局區(qū)域化

圖5 綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價圖Fig.5 Comprehensive ecosystem service evaluation map

結(jié)合公平性評價結(jié)果,選取各行政區(qū)域單元中區(qū)位熵處于中下水平(區(qū)位熵值小于1.14)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行綜合優(yōu)化評價,以期為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提升提供借鑒。由于各個服務(wù)指標(biāo)存在量綱不一致的問題,因此首先需要對生物多樣性、改善空氣質(zhì)量、固碳以及緩解城市熱島效應(yīng)四類服務(wù)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理,來消除指標(biāo)量綱不一致所造成的影響。標(biāo)準(zhǔn)化操作之后,進(jìn)而得到待改善的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布情況,即各個行政單元局部區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)待改善程度的空間分布情況,見圖5。

綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)越低的地方,其優(yōu)化對于整個區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的提升價值越高,通過空間分布情況可以直觀判斷需要盡快改善的局部地區(qū),并且可以判斷待改善區(qū)域的改善重要性優(yōu)先級。然而破碎化的綠地景觀生態(tài)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理優(yōu)化具有不可操作性,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間區(qū)域化對政府及相關(guān)部門實(shí)行精準(zhǔn)調(diào)控具有積極的指導(dǎo)意義。本研究基于格網(wǎng)尺度,以1km為單位共得到913個格網(wǎng),統(tǒng)計(jì)對應(yīng)格網(wǎng)的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù),基于REDCAP的方法實(shí)現(xiàn)研究區(qū)不同改善程度的區(qū)域劃分。分區(qū)統(tǒng)計(jì)每個格網(wǎng)的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)平均值作為輸入數(shù)據(jù),基于距離的k近鄰矩陣方法生成空間權(quán)重矩陣,通過 REDCAP方法識別連續(xù)和均勻塊的聚類,具體過程如圖6。選擇了Sum of Squared Error (SSE)組內(nèi)平方誤差和來確定最佳聚類數(shù)目,調(diào)用R語言中現(xiàn)成的factoextra包進(jìn)行計(jì)算。如圖7中的拐點(diǎn)圖顯示,當(dāng)超過12個群集時,聚類中的方差不會顯著減少。因此選擇群集的最佳數(shù)為12。

圖6 區(qū)域化過程圖Fig.6 Regionalization process diagram

圖7 最佳聚類數(shù)選擇Fig.7 Optimal cluster number selection

將913個生態(tài)網(wǎng)格的進(jìn)行區(qū)域化后得到12類分區(qū),進(jìn)一步根據(jù)表3所顯示各同質(zhì)區(qū)域的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行再分類最終確定5類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇。如圖8、9所示為通過REDCAP確定的同質(zhì)區(qū)域結(jié)果。區(qū)域1(第一類分區(qū)簇)主要為未央?yún)^(qū)、灞橋區(qū)的大部分地區(qū),研究區(qū)內(nèi)水系主要分布在該地區(qū),包括一橫(渭河)兩縱(浐河、灞河)大型水域,該區(qū)域綠地建設(shè)工程的腳步近年來不斷加快,但仍然需要關(guān)注提升綠地物種多樣性的豐富程度,且道路綠化帶的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平仍需提升,由于風(fēng)向等自然因素和地理因素,位于渭北臺塬南部與白鹿原西部地區(qū)空氣質(zhì)量相對較差,因此綠地植物可以多選擇葉面積指數(shù)較高的樹種,并注意根據(jù)風(fēng)向因素調(diào)整建筑物及綠地植物排列,以便空氣質(zhì)量的改善；區(qū)域2(第二類分區(qū)簇)大部分地區(qū)為城市化更高的碑林區(qū)、雁塔區(qū)、新城區(qū)和蓮湖區(qū),該地區(qū)綠地破碎程度大且公園較多,包括各類公園、大學(xué)綠地、社區(qū)綠地以及綠化帶等,由于城鎮(zhèn)建設(shè)生態(tài)環(huán)境的考慮整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平相對較高,針對具體斑塊如火車站附近及部分社區(qū)綠化資源較少,應(yīng)適量栽種一些固碳量較高的樹種例如懸鈴木、欒樹等,并通過增加社區(qū)綠化來提升局部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平；區(qū)域3、4、6、7、8、12(第三類分區(qū)簇)為研究區(qū)內(nèi)綠化資源未分布的地區(qū)或已達(dá)到相對公平指標(biāo)的地區(qū)；區(qū)域5(第四類分區(qū)簇)為山地部分,也具有較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平；區(qū)域9、10、11(第五類分區(qū)簇)具有占比較高的農(nóng)田分布,城鎮(zhèn)化率低,鮮有具有強(qiáng)生態(tài)效益的植被,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)偏低。

圖8 區(qū)域化結(jié)果Fig.8 Regionalized results

圖9 分區(qū)群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇Fig.9 Zoning group ecosystem service

表3 各同質(zhì)區(qū)域統(tǒng)計(jì)值

3 討論

近年來西安市城市建設(shè)步伐加快,緩解城市化所帶來的生態(tài)系統(tǒng)負(fù)面影響勢在必行,揭示量化城市綠地所產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對改善人居環(huán)境質(zhì)量與生態(tài)空間建設(shè)管理具有重要的指導(dǎo)價值。本研究采用城市綠地實(shí)測數(shù)據(jù)與高分辨率Sentinel- 2遙感影像數(shù)據(jù),選取了生物多樣性、固碳、氣候調(diào)節(jié)和凈化空氣四種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),分析了西安市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間格局,結(jié)果表明多樣性指數(shù)分布范圍為0.694—1.725,城市綠地對PM2.5的日削減量范圍為0.0058—0.0145g/m3,城市綠地碳儲存單位面積最高值是12.8t/hm2。韓曄等[10]基于TM遙感影像對西安市綠地吸收霧霾的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進(jìn)行了測算和空間分析,發(fā)現(xiàn)西安市綠地景觀吸收霧霾的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間差異明顯,整體表現(xiàn)為中心值高于四周；胡忠秀等[11]應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)方法測評和分析西安市區(qū)綠地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能及其空間格局特征,從單項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能來看,空間分布差異較大。該結(jié)果與前人研究結(jié)論基本一致。本文并基于公平性結(jié)果通過分區(qū)化揭示了12個特征明顯的聚群、5類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇。各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇特征明顯,第一類分區(qū)簇為研究區(qū)內(nèi)水系主要分布地,包括一橫(渭河)兩縱(浐河、灞河)大型水域,河道周邊植被豐富。由于該區(qū)域?qū)儆诂F(xiàn)階段快速城市建設(shè)的區(qū)域,各類綠色基礎(chǔ)設(shè)施還不夠完善,故該地區(qū)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)差距大。第二類分區(qū)簇為城鎮(zhèn)化程度更高的城市核心區(qū),城市綠地規(guī)劃完善,但相對核心區(qū)周圍綠化資源較少。第三類分區(qū)簇為城市綠地資源無分布的地區(qū)或已達(dá)到相對公平指標(biāo)的地區(qū)。第四類分區(qū)簇為山地地區(qū),具有較高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平。第五類分區(qū)簇具有占比較高的農(nóng)田分布,城鎮(zhèn)化率低,鮮有具有強(qiáng)生態(tài)效益的植被,復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)偏低。具有動態(tài)約束的聚類和分區(qū)的區(qū)域化方法以空間權(quán)重的形式考慮了幾何之間的空間關(guān)系,區(qū)域化方法作為一種特殊的空間聚類方法,利用目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)化將若干較小的區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)橛梢恍┛臻g相連的較大的同質(zhì)區(qū)域?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的目標(biāo)優(yōu)化不僅能夠最大限度涵蓋生態(tài)用地的功能屬性,而且能夠在空間上量化不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相對比例,有助于對綠地系統(tǒng)與生態(tài)功能之間的對應(yīng)關(guān)系形成深入系統(tǒng)的認(rèn)識,從而為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)精細(xì)化管理和生態(tài)治理差異化管控提供借鑒。

復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)的空間區(qū)域化不僅可以更好地緩解城市生態(tài)問題,更能在此基礎(chǔ)上提升城市的綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)層次,進(jìn)一步改善城市居民的生態(tài)環(huán)境,使在進(jìn)行整體綠地格局規(guī)劃與管理過程中有的放矢,精準(zhǔn)改善。城市綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)角度下的空間優(yōu)化就是最大化發(fā)揮其本身生態(tài)效益的有效途徑,只有進(jìn)一步讓綠地與城市融合,優(yōu)化綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間格局才能更有助于綠地系統(tǒng)發(fā)揮本身的生態(tài)效益。但是如何進(jìn)行更深層的城市與環(huán)境之間的耦合,其內(nèi)部機(jī)理仍然需要我們探究,從實(shí)際情況出發(fā),因地制宜的進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃。

城市綠地系統(tǒng)的配置,應(yīng)轉(zhuǎn)變思路根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平指標(biāo)進(jìn)行指導(dǎo),才能夠最大化實(shí)現(xiàn)綠地的生態(tài)功能,合理利用并且避免綠地資源的浪費(fèi)。基于公平性評價的西安市城市綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間區(qū)域化相比于現(xiàn)有的行政區(qū)劃管理模式加強(qiáng)了對生態(tài)內(nèi)涵的考量,新算法的應(yīng)用也為其提供了更多可能,拓展了生態(tài)效益受益者需求導(dǎo)向的管理思路,提高了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量化管理的針對性和科學(xué)性,但由于數(shù)據(jù)獲取和評估方法的局限,研究仍有進(jìn)一步探索的空間。城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)服務(wù)功能多樣,已有的研究中已經(jīng)存在一些評價體系,本研究在綜合考慮了研究區(qū)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,針對當(dāng)前的快速城市化現(xiàn)狀,對研究區(qū)城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的未來規(guī)劃提供參考,且本研究使用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價方法具有普遍適用性。但如果要對城市綠地系統(tǒng)進(jìn)行全面的評價,研究的內(nèi)容可以被進(jìn)一步補(bǔ)充完善,例如包含于城市綠地環(huán)境的行道樹具有一定的吸附灰塵和減少噪音的功能,而這些功能的實(shí)現(xiàn)有待進(jìn)一步研究,再例如對城市中綠地系統(tǒng)的防災(zāi)減災(zāi)功能的研究,城市作為一個較為龐大的承災(zāi)體,如何進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)的話題已經(jīng)被廣泛討論,除生態(tài)功能之外,有城市內(nèi)部的綠地系統(tǒng)構(gòu)成的減災(zāi)避難體系也將成為綠地空間規(guī)劃的考慮因素之一。另外,本研究因?yàn)闀r間精力等限制,考慮到喬木作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的主要貢獻(xiàn)源,因此研究對象主要以綠地中的喬木植物為主,而未能采集灌木和草本植物的信息,今后的研究應(yīng)當(dāng)對城市綠地系統(tǒng)進(jìn)行充分的考慮,使得數(shù)據(jù)更為完整,也可選取高光譜遙感以及LiDAR技術(shù)等完善綠地樹種信息采集的工作。同時人均指標(biāo)的計(jì)算仍然是基于行政單元的,且行政單元為區(qū)級,未來可以考慮使用最新的街道級數(shù)據(jù)可能會使得區(qū)域分異水平更高。研究中選擇的四種城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)服務(wù)也主要是針對當(dāng)前西安市存在較為突出的生態(tài)問題,未來的研究可以從更為全面的綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)量化角度來建立多服務(wù)功能的評價模型,以期更好地為城市綠地規(guī)劃工作提供理論參考,為城市可持續(xù)發(fā)展提供助力。

4 結(jié)論

本文根據(jù)西安市生態(tài)環(huán)境問題的具體現(xiàn)狀,并綜合研究區(qū)的基礎(chǔ)地理?xiàng)l件,實(shí)現(xiàn)了西安市主城區(qū)綠地系統(tǒng)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的測算與空間化制圖,并從公平性角度對整個研究區(qū)綠地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行了評價分析,進(jìn)一步基于評價結(jié)果提出了區(qū)域化管理的構(gòu)想。研究表明:

(1)西安市主城區(qū)城市綠地群落的復(fù)雜程度較低,生物多樣性水平有待提升；植物對PM2.5具有一定的吸附作用,吸附效果明顯的區(qū)域主要分布于研究區(qū)一些旅游風(fēng)景區(qū)等植物覆蓋程度較高的區(qū)域；固碳量整體上南部高于北部,東部高于西部；綠地區(qū)域的地表平均溫度低于域整體地表溫度均值,并與NDVI存在相關(guān)性。

(2)整體上看,西安市主城區(qū)城市綠地資源分布配置不均,不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布普遍不合理。

(3)REDCAP算法協(xié)同其數(shù)量結(jié)構(gòu)與空間分布合理的進(jìn)行了研究區(qū)綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)的區(qū)域化,913個網(wǎng)格、12個分區(qū)、5個聚群為不同級別的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)化提供了空間上的規(guī)劃指導(dǎo),為城市生態(tài)環(huán)境的改善與公平化,為進(jìn)一步滿足居民生態(tài)環(huán)境需求,促進(jìn)人與環(huán)境和諧發(fā)展做出貢獻(xiàn)。