城市生态

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1 引言

土地利用是城市地域空间的实体表现形态和核心主体.土地利用变化被认为是全球生态系统变化,生物化学过程变化,气候变化和人类脆弱性变化的主要驱动因素之一[1],同时也是人地系统交互耦合的承载核心.城市是人类社会与自然环境相互作用最为剧烈的地区.这种交互作用的突出特点之一是赋予了城市用地的多重功能属性.从广义的层面来看,土地资源不仅是重要的生产要素,提供人类生存不可或缺的食物,淡水以及木材,纤维,能源等生产原料,动力等,也是人类活动的关键性资源,提供诸如居住,交通,存储,休闲娱乐等生活功能,其同时还具备土壤,水文,气候,植被,地形等生态环境特征[1].这种多功能性是城市用地组织,协调与配置的基础,是判定城市用地内在功能形态,功能组合模式和功能之间动态权衡的关键.因此,明晰城市土地利用的多功能性对决策制定,城市和区域空间规划实践以及"城市发展边界,生态安全红线和耕地保护红线"三线划定都具有重要的指导意义.

土地功能的概念由来已久,但最近几年相关研究才逐步涌现.要明晰土地功能的基本概念,需要对土地利用,生态系统功能和景观功能有一个明确的认识.从功能性来看,土地利用更倾向为社会经济目的导向下的土地利用.而从连续性来看,联合国粮农组织(FAO)将土地利用定义为更像是"人们对特定土地利用覆被类型的安排,活动和投入去获取生产,转化和维持这些能力".土地利用多功能研究最早发端于农业多功能性研究,源于20世纪末的欧盟[2].农业多功能性与农业政策一直是国外学者研究的重点[3].近几年基于指标量化体系的农业多功能性定量表达逐步被学者认可[4-7].农业多功能分析框架也逐步涌现,农业功能分类体系,农业综合功能及多功能性评价,农业多功能性定量表征及其空间化,农业多功能相互作用机理解析,农业多功能性动态演变及趋势预测和农业多功能性多层次关联成为研究热点[8].在单一的农业多功能性分析基础上,土地利用多功能性分析也逐步受到关注.可持续的土地利用多功能性理念[9]一直是土地多功能利用的基本前提.由于直接定量刻画的难度,土地利用多功能分析往往通过指标分析方法进行定量测算和表达.因此,土地利用多功能分析指标体系框架构建一直是学者研究的基础和热点问题[10-11].对此国内学者也进行了有益尝试[12-15].但是,土地功能的概念至今尚缺乏一个广泛认可的定义.为了明晰土地功能,此处将其定义为"土地利用系统和特定景观尺度的生态系统提供的资产和服务".土地功能包括生态,生产和生活三种功能类型,涵盖生物物理过程,直接和间接生产以及精神,文化,休闲,美学的需求满足等,是自然系统和社会经济系统协同耦合的产物.

生态系统功能在生态学框架下逐步演化而来,被认为是人类从生态系统中获取的福利[16],核心目标是链接生态系统变化和人类福利.生态系统功能价值评估工作是开展最早,影响力最大的功能价值评估系统.其也是景观功能,土地功能分类和评估的基础.20世纪90年代末以全球自然资本评估[17]为代表的一系列研究加速了全球范围内生态系统服务价值研究的热潮.尤其是2001-2005年开展的Millennium Ecosystem Assessment (MA)计划更是将这一浪潮推到顶点.价值转换方法是生态系统评估最为常用的方法.基于定量化模型的测算方法(InVEST,SoIVES,Ecosystem Service-based State and Transition Models等)和借助GIS的生态系统服务价值空间制图与定量化表达[18-21]日益成为生态系统服务价值评估的热点.景观功能概念起源于景观生态学和空间规划,被视为是景观对人类社会的需求满足.景观是生态系统和土地利用交互作用的产物.从可持续发展的角度,景观功能被细分为生产(经济),生活(社会)和调节(生态)功能.要精确地区分开景观功能和生态系统功能是极为困难的.因此,部分学者认为生态系统功能与景观功能属同义.但从诸多景观功能分类研究来看,承载功能(空间支持功能)是景观功能区别与生态系统功能的主要体现.de Groot认为以调节功能,栖息地功能,生产功能,信息功能和承载功能为主导的景观功能分类框架是景观功能分析工具应对景观规划中土地利用冲突问题的可行方法[22].景观多功能性的定量识别与制图表达,多功能景观空间识别,多功能景观规划与管理,多功能景观权衡机理解析,多功能景观尺度和划区效应评估,多功能景观动态监测和情景模拟也是近年来研究的一大热点[23-27].

中共十八大报告中明确指出国土生态--生产--生活空间的发展目标----"生产空间集约高效,生活空间宜居适度,生态空间山清水秀" (资料来源:http://www.gov.cn/ldhd/2012-11/17/content_2268826.htm.).这一空间划分方法与国内外广泛认可的可持续发展的生态--生产--生活"三支柱"理念不谋而合.因此,城市的可持续发展是以三生空间为本底的可持续发展,三生空间的发展目标对城市层面的实体空间布局,功能组合都具有重要的指导意义.同时,基于土地利用多功能框架下的三生空间研究仍处于初级阶段.三生空间的具体内涵,定量识别与测度,交互关系,功能组合形式,优化路径等都亟待厘清.基于此,本文主要从理论和实践两个层面借助生态系统服务,景观功能和土地功能分析方法构建城市三生空间功能体系,定量测度三生空间功能价值量,结合实证案例对三生空间的主导功能进行定量识别,并分析空间功能毗邻关系以及集聚性.

2 城市生态--生产--生活空间功能分类体系

2.1 城市生态--生产--生活空间功能分类依据

生态系统服务价值评估虽然有50年左右的历史,但系统而综合的生态系统服务分类体系一直较欠缺[28].而生态系统功能分类体系是生态系统服务价值评估的前提,因此也吸引了一些学者和生态系统研究项目的关注.de Groot长期致力于此项研究,并不断完善其分类体系[28-29],其系统提出了将生态系统功能分为调节功能,栖息地功能,生产功能和信息功能4大类功能共计23项具体功能的分类体系.2007年开始的TEEB(The Economics of Ecosystems and Biodiversity)计划在很大程度上吸收了de Groot的研究成果,将生态系统功能分为提供功能,调节功能,栖息地功能和文化功能4大类22个具体功能.而前面所述的MA计划将生态系统功能分为支持功能,供给功能,调节功能和文化功能4大类,目前颇具影响力.Costanza等在其Nature论文中提出的17种生态系统功能是对生态系统功能的较为全面的总结[17],也为多数学者所接受.但随着社会经济的不断发展,一些之前并不显著的服务功能不断被发现,各类体系也需要不断修正和更新.

景观功能分类与生态系统功能分类有较大相似之处.de Groot将景观功能分为调节功能,栖息地功能,生产功能,信息功能和承载功能5大类[22].Lovell等基于景观多功能性的视角将景观功能分为生产,生态和文化3大类15个具体景观功能[24].Willemen等基于规划需要通过代理指标将景观分为居住,集约养殖,文化遗产,饮用水,旅游,植被栖息,耕地生产和休闲骑行8项基本功能[30].这些分类为城市三生空间功能分类体系构建提供了参考.

土地利用是自然和半自然系统的综合,土地功能应该是一个更为综合的功能体系.但至今仍缺乏一个完善的土地功能分类.大部分的分类体系仍无法实现真正的综合.虽然不少学者从生产,生活,生态的视角借助指标体系的方法对土地功能进行了尝试性的分类[5, 10],但毕竟代理指标只是替代变量无法测度相关功能较为精准的水平.基于此,本文试图系统整合生态系统功能体系和景观功能体系,提出一个较为完善和综合的以土地多功能性为基础的城市生态--生产--生活空间功能体系(表1).

表1   城市生态--生产--生活空间功能分类体系

Tab. 1   Functional classification system of urban ecological-production-living spaces

功能形式一级功能二级功能解释三级潜在表征指标生
态
功
能调节
功能E1气体调节大气化学成份调节单位面积大气污染物净化能力E2气候调节碳汇,温度,降水及其它由生物媒介的全球及地区性的气候调节单位面积碳汇量/碳储量E3水调节地表水体径流调节与涵养渗透量/渗透比率(径流量/表层面积);土壤水蓄储能力(mm/m);泛滥平原水蓄储能力(mm/m)E4水和废物净化水源净化沉积物,农药,病原细菌和病原体,过滤和分解水中和土壤中的有机物质输沙量(g/l);固体溶解总量(mg/l),分解总量和种类(n/hm2);分解率(kg/hm2·a)E5缓和突发事件洪水,火灾,飓风,地震和疾病控制等洪峰强度,地震强度,飓风强度及损失量,控制的疾病等E6授粉生态系统变化影响到授粉的分布,丰度和效率植物种类,分布以及传粉者的可获得性E7土壤保持土壤保持,土壤侵蚀和滑坡控制能力植被覆盖率(%);水侵和风侵土壤流失量(kg/hm2·a);通用土壤流失方程评估滑坡频率系数(n/hm2·a)E8养分循环养分循环能力(氮,磷等)水质指标:氮(mg/l),磷(mg/l);营养流失量(kg/hm2·a);导电系数(μs/cm);固体溶解量(mg/l);营养流通率,氮,磷(y-1)等E9初级生产植物初级生产能力NPP(净初级生产力)生
产
功
能生存与健康物质供给功能P1食物供给持续生产或收获粮食,水果,野生浆果,蘑菇,坚果,牲畜,半家养动物,猎物,鱼和其它水生资源等持续(有机的)获取粮食产品(t,hm2);持续(有机的)获取牲畜(t,hm2);持续获取渔类产品(t,hm2);野生动物可作为食物的种类;持续获取野生动植物产品(t,hm2)P2淡水供给淡水提供整体的淡水资源量(百万m3)P3药物供给持续生产和获得自然药物产品,生物化学或药物产品成分由自然药物衍生的药品种类;运用自然化合物的药物种类P4基因资源当地和地方性的品种保护,品种基因库的维持辛普森(Simpson)指数;香农-威纳(Shannon-wiener)指数;粮食种类;牲畜品种;渔类品种原材料生产功能P5木材供给木材产出自然供给和持续产出的工业圆材量(百万m3);由自然森林获取的纸浆和纸产品量;P6纤维供给纤维制品材料提供持续的(有机的)棉花产品供给量(t,hm2);P7装饰资源持续生产和获得装饰和观赏用的野生植物,木制品和贝壳等用于工艺品制作的自然材料种类;
持续获取观赏用园艺植物的总量能源矿产生产功能P8能源生产石油,天然气,生物质能等生物质能(百万t油当量);石油和天然气产量(百万t油当量)P9矿产生产矿物产出矿产,黄金等间接生产功能P10商品与服务产品生产第二,三产业生产批发零售用地,住宿餐饮用地,商务金融用地,其它商服用地,工业用地以及商用仓储用地等生
活
功
能空间承载与避难功能L1居住承载住房与附属设施用地住宅用地价格(基准价格)L2交通承载水陆空交通线路及设施用地替代价格(基准地价)L3公共服务承载公共服务设施用地,避难空间等替代价格(基准地价)物质生活保障功能L4基本生活保障维持基本生活保障征地补偿标准,最低生活保障标准L5就业保障提供就业机会直接提供和保障的就业人数精神生活保障功能L6科学和教育为科学研究和教育提供对象科研数量;教育课程数量,人数L7休闲提供休闲旅游空间最大可持续承载的旅游人数,营业收入L8文化和艺术提供艺术欣赏对象和设计灵感以空间作为灵感或基础产出的书籍,印刷品数量L9美学提供美学基础,景观美学质量等美学价值,例如靠近自然保护区的户数L10精神和历史景观,宗教,文化,图腾,历史文物等精神或宗教吸引的人数

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2.2 生态功能

生态功能是指生态系统与生态过程所形成的,维持人类生存的自然条件及其效用,包括气体调节,气候调节,水调节,水和废物净化,缓和突发事件,授粉,土壤保持,养分循环,初级生产9类具体功能.生态功能的9类二级功能大都来源于生态系统功能体系,同时也是生态系统功能研究中广泛认可的基本功能.土壤,水文,植被,气候和生物要素是构成土地利用生态功能的基本组件,通过这些要素的综合作用产生具体的功能类型.生物物理过程,尤其是其中的物质和能量流动过程是生态功能量的直接表征,也是土地利用生态功能识别的对象.

2.3 生产功能

生产功能是指土地作为劳作对象直接获取或以土地为载体进行社会生产而产出各种产品和服务的功能,它被进一步细分为生产与健康物质供给生产,原材料生产功能,能源矿产生产功能及间接生产功能4大类.生存与健康物质供给功能是维持人类生存和发展的基础性功能.人们熟知食物和水是土地利用系统最为重要的两大功能性供给物品.而药物和基因资源供给却往往被人们所忽视.药物资源是维持人类健康的必要保证.而基因资源是扩展人类食物供给的重要途径.两者在人类生存和健康上都具有重要意义.原材料生产功能为二次生产提供基本原料.能源和矿产生产功能是维持现代工业文明社会的核心.由于大部分的能源和矿产资源不可再生,多数学者将其并未包含在传统的生态系统功能中.但是,从土地利用系统的视角来看,在一定时间范围内能源和矿产用地的属性是大体不变的.而且忽视能源矿产资源生产功能的土地利用系统是不全面的.土地系统提供的间接生产功能其实并不是真正的生产,其本质功能来源于其对地上附着物的承载,只是由于其承载的地上活动是间接生产而将其归于生产功能.这样划分也是为了将其与生活功能区别开来.

2.4 生活功能

生活功能是指土地在人类生存和发展过程中所提供的各种空间承载,物质和精神保障功能.具体细分为空间承载与避难功能,物质生活保障功能和精神生活保障功能.居住承载,交通承载,存储承载和公共服务承载功能是维持城市和区域系统运行的基底.同时,由土地系统提供的基本物质生活保障功能是维持人的基本生活需要的最后一道防线.农业人口占较大比例的中国更是如此.例如,耕地系统给予人的不仅仅是传统的生产功能,还有生活和工作的基本保障.在提供基本物质生活保障的同时,精神生活保障功能也是土地功能体系的核心内容.大自然为科学研究和教育活动提供了天然的研究对象.自然和人文景观更是人类追求休闲,文化和艺术,美学以及精神和历史的源泉.

3 数据与方法

3.1 研究区概况与数据来源

塘栖镇隶属于杭州市余杭区,距市中心约20 km.依托强劲的经济发展势头,塘栖镇成为浙江省首批小城市培育试点镇(图1).塘栖镇地处杭州市城市边缘区是城市用地扩展较为迅速的区域.著名的京杭大运河穿镇而过,使其成为苏,沪,嘉,湖的水路要津.镇区内河道纵横,水网密布,是个典型的江南水乡.2010年,全镇共辖27个村,7个社区,503个村民小组,镇区总面积为79 km2,年末户籍人口94058人,其中非农人口46775人.2010年实现生产总值(GDP)41.69亿元,增长13.5%,全年完成工业总产值为155.69亿元,农业总产值6.23亿元,第三产业增加值10.43亿元.第二次土地利用调查结果显示,全镇农用地面积为4923.08 hm2,占镇域总面积的61.90%;建设用地面积为1978.67 hm2,占24.88%;未利用地面积为1051.11 hm2,占13.22%.

图1   研究区区位图及2009年土地利用现状图

Fig. 1   Location and land-use map of Tangqi Town in 2009

土地利用数据来源于塘栖镇第二次土地利用调查数据库.统计数据主要来源于《浙江省统计年鉴》(2010年),《杭州市统计年鉴》(2010年)和《余杭区统计年鉴》(2010年).生态系统监测数据来源于国家生态系统观测研究网络数据共享网(http://cerndis1.cern.ac.cn/index.html).基准地价数据来源于杭州市国土资源局,包括基准地价表和地价图.另外,TEEB数据集来源于de Groot等的研究数据集[31].

3.2 生态--生产--生活空间功能定量测度方法

三生空间功能定量测度的核心理念是通过整合多学科知识从人文和自然系统耦合的视角对土地功能进行统一标准的价值化表达.单从价值化方法来看,直接的生物物理过程测算和价值转化方法是最为常用的方法.但两者各有优劣势.生物物理过程测算相对更为准确但对数据的依赖性较强,而价值转化方法的适用性强但精度和空间异质性较差.因此,此处的首选方法是生物物理过程计算方法,以价值转换方法作为辅助对比.作为城市三生空间功能识别的基础,基于TEEB的1100余个全球范围内的功能案例对中国第二次土地利用调查的具体地类(12个一级类57个二级类,实践操作中由于农村土地利用调查的限制运用了8个大类38个二级类的分类体系)的功能形态进行定性识别.

3.2.1 生态空间功能定量测度方法

按照功能分类体系我们对生物物理测算方法进行了系统总结.功能体系中的9种功能类型有8种类型已经有了较为成熟的测算方法.缓和突发事件功能由于缺乏成熟的测度方法,此处应用TEEB的价值转换方法对此进行测算.对其他8种功能类型经济价值的测算方法总结如表3所示.

表3   生态空间功能定量测度模型

Tab. 3   Quantitative measure model for ecological space function

功能类型公式解释来源气体调节功能Vi,O2=Vi,O2_NPV×r×(1+r)t/[(1+r)t-1VO2_NPV=(V1O2+V2O2)2×1(1+r)tV1O2=QO2×S1O2V2O2=QO2×S2O2QO2=1.2×∑NPPiVi,O2为第i种土地利用的释放氧气单位年价值量;Vi,O2_NPV为释放氧气的净现值;V1O2为采用造林法测算的释放氧气价值;V2O2为采用工业制氧法测算的释放氧气价值;r为社会折旧率,t可以视为土地利用用途不变的时间,此处r为0.07,t为10;QO2为氧气释放物质量,一般通过NPP(净初级生产力)来计算;1.2是生产1 g植物干物质能释放氧气的数量;S1O2为氧气单位释放量的造林成本(元/t),由1989年造林成本为260.9元/t C (参见中国林业统计年鉴,1990年),可以推算出2009年的价格为646.29元/t C;S2O2为氧气单位释放量的工业制氧成本(元/a),1991年工业制氧成本为0.4元/kg (参见中国统计年鉴,1992年),可以推算出2009年价格为0.99元/kg;NPPi是第i种植被单位面积净初级生产力.[32-33]气候调节功能Vi,C=Vi,C_NPV×r×(1+i)t/[(1+r)t-1Vi,C_NPV=(Vi,C_market+Vi,C_social)×1(1+r)tVi,C_market=(QA,i+QB,i+QS,i)×NPPiNPPmean×CcVi,C_social=(QA,i+QB,i+QS,i)×Cost(Ps)Vi,C为单位碳固定和储存的年价值;Vi,C_NPV为单位碳固定和储存的净现值;r为社会折旧率;t可以视为土地利用用途不变的时间;Vi,C_markrt为市场价值;Vi,C_social为社会价值;QA,i是第i类土地利用方式单位面积地表碳固定和储存量;QB,i为单位面积地下碳固定和储存量;QS,i为单位面积土壤有机碳固定和储存量;Cc为瑞典碳税率,40.5美元/t,换算为人民币为251.72元/t (2009年);Cost(Ps)为碳固定和储存的社会成本.QA,i,QB,i和QS,i的单位面积数量值参考Leh等的研究;Cost(Ps)参考InVEST的设定方法,100美元/t(2009年)左右,换算为人民币为621元/t.[34-35]水调节功能Vi,a=Vw×r×(1+r)t/[(1+r)t-1Vw=Qt×P×1(1+r)tQt=Qc+Ql+QsQc=ε×PyQl=Gi×LiQs=hi×fiVi,a为水源涵养单位年价值(元);Vw为水源涵养总价值(元);r为社会贴现率,t为项目运行年限(a),折现率一般为0.07,水库使用年限按20a计算;P为单位水库库容造价,根据1993-1999年《中国水利年鉴》平均水库库容造价为2.17元/t,推算得到单位库容造价为7.14元/t (2009年);Qt为水源涵养总量;Qc为树冠截水量;ε为树冠截水率;Py为年降水量;Ql为枯枝落叶层持水量;Gi为枯枝落叶层干重;Li为枯枝落叶层饱和持水率;Qs为土壤层持水量;hi为第i种土壤厚度;fi为第i种土壤的粗孔隙率.[36-37]水和废物净化功能Vx=Cost(p)×Retention×∑t=0T-11(1+r)tRetention=ALVx×filtrationALVx=λxλw̅×polxλa=log(∑Y)Vx为水质和废物净化年价值量;Cost(p)为污染物处理成本,以最终污染物过滤量为单位,目前全国单位面积最终污染物处理成本为300元/t;Retention为污染物过滤量;r为贴现率,一般为0.07;T为污水处理厂使用年限,此处设为20a;ALVx为调整后的污染物载荷量;filtration为污染物过滤能力;λx为径流系数λw̅为平均径流系数,通过两者计算水文敏感分值;polx为污染物产出系数;λα为地表径流系数计算的一般公式,其中Y为产水量.相关参数设定参考Leh等的研究附录.[19, 34]缓和突发事件功能Vi,e=Vmean,i×f(v_indexi,Ri)Vi,e为第i种土地利用缓和突发事件年价值;Vmean为TEEB全球范围内计算得到的第i类土地利用方式缓和突发事件年均值;v_index为第i类土地利用方式的脆弱性指数,用于说明第i类土地利用方式的整体状况,一般取值为0~1;R为第i类土地利用方式的恢复力,用于表征缓和突发事件的效率水平,一般取值为0~1.授粉功能Vi_hb=∑i=1n(Vi×Di×Pi)Di=(Yi0-Yit)/Yi0Vi_hb为每年农作物授粉产生的经济价值;Vi为农作物年产量;Di为农作物昆虫授粉依存度;Pi为农作物产品价格;Di为授粉依存度;Yi0为开放授粉区农作物产量;Yic为无授粉区农作物产量.[38]土壤保持功能St=  MSr-MSfMS(pt)=βl×μj×σk×MS(ps)MSf=∑lkMS(pl)/kMSr=∑jhMS(pj)/h
Vi,S=(VS1+VS2+VS3)×r×(1+r)t/[(1+r)t-1VS1=Ri×(1/ni)×PiVS2=Costi/(104×ρi×hi)VS3=0.24×C/ρiSt为土壤流失减少量(m3/a);MSr和MSf分别为无植被覆盖和有植被覆盖的土壤侵蚀模数;MS(pt)是第i类植被--土壤--坡度复合的土壤侵蚀模数的计算公式;βl为植被参数(l =1, 2, 3, et al.6);μj为土壤参数(j =1, 2, 3, et al.5);σk为坡度参数(k =1, 2, 3);MS(pS)为标准植被--土壤--坡度复合状态下的侵蚀模数;k和h分别为有植被和无植被总数;Vi,s为第i种土地利用的单位年价值(r和t的设置同前式);VS1为保持土壤养分的单位价值;Ri为单位质量土壤中养分(碱解氮,速效磷,速效钾)的平均含量(t);ni为土壤中碱解氮,速效磷,速效钾分别在磷酸二胺和氯化钾中的含量,分别为14%,15%和60%;Pi为化肥(磷酸二胺,氯化钾)价格(元/t),2009年价格分别为3500元/t,2900元/t;VS2为减少废弃土地的单位价值;ρi为土壤容重(t/m3);hi为土壤厚度(m);Costi为第i种土地利用方式单位面积的机会成本,或者第i种土地利用方式的年均收益(元/(hm2·a)).VS3为减少泥沙淤积的单位价值;C为单位库容造价(元/m3),2009年单位库容造价为7.02元/m3.[32, 39]养分循环功能Vi,n=NPPi×(NiC1R1+PiC2R2+KCiC2R3+MiC3)Vi,n为i种土地利用类型的单位面积养分循环年价值;NPPi为年均净初级生产力;Ni,Pi,Ki,Mi分别为不同土地利用方式下土壤中氮磷钾和有机质的含量;C1,C2,C3分别为磷酸二胺,氯化钾化肥,有机质价格(元/t),2009年价格分别为3500元/t,2900元/t和500元/t;R1,R2,R3分别为磷酸二胺含氮量,磷酸二胺含磷量,氯化钾含钾量(%),分别为14%,15%和60%.[40]初级生产功能NPP=RDIrRn(r2+Rn2+rRn)(Rn+r)(Rn2+r2)×exp[-(9.87+6.25RDI)0.5]×100Rn=RDI×r×L×2.38×10-4RDI=0.629+0.237PER-0.00313PER2PER=58.93BTTAP
Vi_NPP=NPPi×PS×1.474×10-6NPP为净初级生产力(gDWm-2yr-1);r为年均降水量(mm),RDI为辐射干燥指数;Rn为地表截获的净辐射量(Jcm-1yr-1);Rn可以通过PER计算得出,其中PER为蒸散率,通过BT年均温(0℃~30℃)和TAP年均总降水量计算,通过月数据算得;L为潜伏热(2503 Jg-1);Vi_NPP为第i种土地利用类型的单位NPP年价值;NPPi为净初级生产力;Ps为标准煤价格(元/t),2009年价格为元877元/t (1 g碳相当于2.2 g的有机物质,1 g的有机物质在燃烧释放的能量上相当于0.679 g的标准煤,而1 g碳相当于1.474 g (2.2×0.679)的标准煤).[41-43]

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3.2.2 生产空间功能定量测度方法

生产功能体系中具有10种功能类型,其中8种功能类型的经济价值测算可以计量表达,其他2种功能价值量通过价值转化方法计算,具体总结如表4所示.

表4   生产空间功能定量测度模型

Tab. 4   Quantitative measure model for production space function

功能类型公式解释来源食物,纤维供给以及能源和矿产生产功能Vi,a=∑Yi,a×Pi,a-Costi,a
Vi,f=∑Yi,f×Pi,f-Costi,f
Vi,e=∑Yi,e×Pi,e-Costi,e
Vi,e=∑Yi,e×Pi,e-Costi,eVi,a为第i种土地利用食物供给的年价值;Yi,a为第i类可收获食物的单位面积年均产量(kg/hm2);Pi,a为第i类食物的当年市场平均价格(元/kg);Costi,a为单位面积成本;Vi,f为第i种土地利用纤维供给的年价值;Yi,f为第i类可收获纤维的单位面积年均产量(kg/hm2);Pi,f为第i类纤维的当年市场平均价格(元/kg);Costi,f为单位面积成本;Vi,e为第i种土地利用方式能源供给的年价值;Yi,e为第i类土地利用的能源产出功能量;Pi,e为第i类能源的当年市场平均价格;Costi,e为单位面积能源的获取成本.Vi,e为第i种土地利用方式下矿产供给的年价值;Yi,e为第i类土地利用方式下的矿产产出量;Pi,e为第i类矿产的当年市场平均价格;Costi,e为单位面积矿产的获取成本.淡水供给功能Vi,w=Yxj×WP;Yxj=(1-AETxjPx)×PxAETxjPx=1+ωRxj1+ωRxj+1Rxj;Rxj=kxj×ET0Pxωx=ZAWCxPxYxj为产水量;WP为单位面积水价,2009年均价为2.5元/t;Yxj为x土地覆被类型j年产水量;AETxj为x土地覆被类型j年蒸散发量;Px为年均降水量;ω为修正植被年可利用水量与预期降水量的比值;Rxj为x土地覆被类型j的Budyko干燥指数(实际蒸散与降水的比值),无量纲;kxj为植被蒸散系数;ET0为参考作物蒸散;Z为Zhang系数,此处为3.33;AWCx为土壤有效含水量;相关参数设定参考Leh等的设定方法.[34]药物供给功能
Vi,m=Vmean,i×f(adjustment indexi)Vi,m为第i类土地资源产出药物资源的年价值;Vmean,i为TEEB统计的全球范围内的平均值;f(adjustment indexi )是根据当地调查了解到的药物资源种类,产量等而设定的调整系数.基因资源供给功能V=(H×C1+P×1.26×1025)×C2/AH=∑i=1sNi/Nlog2Ni/NP=(m/M)×(t/12)×(s/S)H为Shannao-Wearer指数;C1为bits转化率,为5.78×1013,C2为能值--经济值转化率,为8.67×1012;P为珍稀物种支持率;A为调查总面积;Ni为第i种物种的个体数;N是S个物种的总个体数;m为生态系统中珍稀物种个体数;M为地球上珍稀物种总数;t为珍稀物种一年内在该生态系统中生活的时间(月);s为该系统面积;S为t时间内物种个数的实际活动面积.[44]木材供给功能VHi=Perc_harvi×Perc_availi×Pricei×Accum_massi-Harv_costiVHi为单位面积可收获木材的净值;Perc_harvi为可收获的木材比例;Perc_harvi为综合出材率;Pricei为木材市场价格,2009年原木价格为2800元/m3;Accum_massi为单位面积木材蓄积量;Harv_costi为单位面积木材年收获成本.[34]装饰资源供给功能Vi,o=Vmean,i×f(adjustment indexi)Vi,o为第i类土地资源产出装饰资源的年价值;Vmean,i为TEEB统计的全球范围内的平均值;f(adjustment indexi )是根据当地调查了解到的装饰资源的种类,产量等而设定的调整系数.商品与服务产品生产功能Vi,land=Vi,b_price×(1+∑Ki,factors)×Yi,year×Di,data×Ri,plot ratio
Vi,land=(Ei,a+Ei,d+T+Ri,1+Ri,2+Ri,3)×S×KVi,land为待估宗地价格;Vi,b_price为待估宗地所处区的基准地价;Ki,factors为各影响因素修正系数之和,包括区域因素(城市繁华程度及区域在城市中的位置交通条件,公共及基础设施水平,区域环境条件,土地使用限制和自然条件等)和个别因素(与宗地直接有关的自然条件,市政设施条件,宗地面积,形状,长度,宽度,地质条件,使用限制和宗地位置等);Yi,year为年期修正系数,一般为Yi,year=[1-1/(1+r)m]/1-1/1+r)n],m为待估宗地的使用年期;n为基准地价设定的使用年期;Di,data为期日修正系数,Di,data=Qi/Q0,Qi为估价期日地价指数,Q0为基准地价估价期日地价指数;Ri,plot ratio为容积率修正系数,Ri,plot ratio=Ri/R0,Ri为待估宗地容积率,R0为基准地价设定的容积率.Ei,a为土地取得费;Ei,d为土地开发费;T为税费;Ri,1为利息;Ri,2为利润;Ri,3为土地增值;S为个别修正系数;K为年期修正系数.

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3.2.3 生活空间功能定量测度方法

生活功能体系中具有10种功能类型,其中5种功能类型的经济价值核算可以实现计量测算,其他4种通过生态系统服务价值转换方法计算,具体总结如表5所示.

表5   生活空间功能定量测度模型

Tab. 5   Quantitative measure model for living space function

功能类型公式解释来源居住承载功能
Vi,land=Vi,b_price×(1+∑Ki,factors)×Yi,year×Di,data×Ri,plot ratio
Vi,land=(Costi+Ri)×S×K
(乡村宅基地价格核算)Vi,land为待估宗地价格;Vi,b_price为待估宗地所处区的基准地价;Ki,factors为各影响因素修正系数之和,包括区域因素和个别因素;Yi,year为年期修正系数;m为待估宗地的使用年期;n为基准地价设定的使用年期;Di,data为期日修正系数;Ri,plot ratio为容积率修正系数;Costi为土地成本价格,成本无法核算的可以运用当地征地补偿标准(每年)替代;Ri为土地增值;S为个别修正系数;K为年期修正系数.交通与公共服务承载功能Vi,land=P̅i×S×DVi,land为待估用地价格;P̅为待估用地所处区周边用地的平均价格;S为个别修正系数;D为区域修正系数.基本生活保障功能Vi=Pi×L/KVi为基本生活保障功能价值;Pi为第i种土地利用方式的人口承载力;L为研究区相应年份的城镇最低生活保障水平(元/人·a);K为相应年份城市居民人均可支配收入与农民人均纯收入的比例,即城农收入比.[45]就业保障功能Vw=(P0-P1)×B/KVw为失业保险功能价值;P0为人口承载力,中国土地资源在中等投入水平下人口承载力为3.68~5.51人/hm2,此处取5人/hm2;P1为土地资源的最小承载力,此处取3.68人/hm2.B为研究区相应年份的城镇失业保险金标准(元/人·a).K为相应年份城市居民人均可支配收入与农民人均纯收入的比例,即城农收入比.[45]休闲功能Ptravel=Tcap×Ii×Ti-1×l/Ail=L×(1+ae-bt)-1t=En-1-3Ptravel为研究区休闲价值;Tcap为研究区总体旅游环境容量;Ii为研究区第i年的旅游收入,Ti为第i年的游客总量;l为社会发展阶段系数;L为极富阶段的支付意愿,取值为1;t为时间变量,表示社会发展阶段;a,b为常数,取值为1;e为自然对数;En为恩格尔系数,Ai为旅游区的总面积(hm2).[33]科学和教育,文化和艺术,美学功能,精神和历史功能Vi,SE=Vmean,i×f(adjustment ind exi)Vi,EA=Vmean,i×f(adjustment ind exi)Vi,AES=Vmean,i×f(adjustment ind exi)Vi,SH=Vmean,i×f(adjustment ind exi)Vi,c为第i类土地资源具有的科学和教育,文化和艺术,美学功能,精神和历史的年价值;Vmean,i为TEEB统计的全球范围内第i类服务的平均值;f(adjustment indexi)是根据当地调查了解到的级别,功能量,文化艺术价值等信息而设定的调整系数.

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3.3 生态--生产--生活空间主导功能识别方法

理论上按照组合规律城市生态--生产--生活空间功能组合模式共有25种(图2).为了量化城市三生空间多功能性,以城市生态--生产--生活空间功能分类体系为基础,依据城市生态--生产--生活空间功能初步识别结果,对各种地类的各项功能价值量分别进行定量化核算,再根据价值量的对比来最终确定各地类的主导功能形态和多功能性的组合情况.同时,为了提高功能识别的稳健性,以TEEB数据库的研究案例为参照,进行综合对比分析和校正.以生态,生产和生活功能为单元分别汇总每一地类的价值量;对比不同地类的生态,生产和生活功能价值量的大小;确定该地类的主导功能,次级功能和副级功能,对照理论功能组合类型,确定地类的功能组合类型.

图2   城市生态--生产--生活空间功能组合模式

Fig. 2   Function composite patterns of urban ecological-production-living spaces

4 结果与分析

4.1 三生空间识别结果

运用生态--生产--生活空间功能测度方法,对研究区17种土地利用类型的空间功能进行识别(表6).根据每种地类的生态--生产--生活功能单位价值分别识别出每一地类的具体功能类型和主导功能类型.总体结果显示林地,河流水面,坑塘水面和裸地以生态功能为主导;耕地,园地,设施农用地和采矿用地以生产功能为主导;交通运输用地,建制镇,村庄和风景名胜及特殊用地以生活功能为主导.通过功能类型的统计分析并对照理论功能组合类型,发现塘栖镇共涵盖了城市生态--生产--生活空间功能25种组合模式中的7种模式.同时,发现同种一级地类的功能组合模式存在较强的一致性.

表6   塘栖镇生态--生产--生活空间识别结果

Tab. 6   Identification result of ecological-production-living spaces in Tangqi Town

一级类二级类生态功能单位价值(元/hm2)生产功能单位价值(元/hm2)生活功能单位价值(元/hm2)主导
功能具体功能识别具体组合模式01耕地011水田1928964637172442123生产主--生态副--生活次空间013旱地1560726487155642123生产主--生态副--生活次空间02园地021果园4527087343205172123生产主--生态副--生活次空间022茶园2589436666159672123生产主--生态副--生活次空间023其他园地2945735157158362123生产主--生态副--生活次空间03林地031有林地6025028172215761123生态主--生产副--生活次空间033其他林地2152218187166641123生态主--生产副--生活次空间04草地043其他草地10363933297671123生态主--生产副--生活次空间10交通运输用地102公路用地088991153977323生活主--生产副空间11水域及水利设施用地111河流水面125891014987721123生态主--生产副--生活次空间114坑塘水面79830011生态主空间12其他土地122设施农用地126121366000212生活主--生态副空间127裸地32170011生态主空间20城镇村及工矿用地202建制镇022235690366323生活主--生产副空间203村庄0285514217508323生活主--生产副空间204采矿用地08710022生产主空间205风景名胜及特殊用地18024216003482173123生活主--生态副--生产次空间

注:主导功能类型中1代表生态功能,2代表生产功能,3代表生活功能;红色代表主导功能,橘黄代表辅助功能,浅绿代表次级功能.

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为了实现空间功能价值的可视化,借助ArcGIS10.0作为制图平台对三生空间功能价值量的空间分布进行刻画.结果显示生态功能的高值区集聚在研究区的东南部,镇区是低值集中分布区;生产功能总体呈散布状分布,只在局部小区域出现集聚;生活功能高值区集中在镇区,其他区域亦呈分散分布(图3).总体来看,不同功能空间在分布上存在一定的局部集聚性.因此,有必要对其空间集聚性进行深入分析.

图3   塘栖镇生态--生产--生活价值量空间分布示意图

Fig. 3   Spatial distribution of ecological-production-living value in Tangqi Town

从三生空间结构来看,生产空间占塘栖镇镇域总面积的48.83%,生态空间和生活空间的比例较为接近,分别占26.51%和24.66%,生产空间占据主导地位(图4).这一格局表明追求生产功能是当前社会经济发展阶段对空间功能的客观要求.从三生空间演进的角度来看,不同空间在不同发展阶段可能被赋予了不同的功能形态,同时也具有一定的演进规律性.从空间的多功能性来看,超过90%的空间存在双重或三重功能,多功能性十分显著.多种功能混杂和交织在一定程度上可能有助于缓解功能单一造成的景观失衡,但同时也往往存在冲突,矛盾和负向影响.因此,对空间多功能性进行定量识别和综合权衡是不同功能空间科学利用的客观要求.

图4   塘栖镇生态--生产--生活空间分布示意图

Fig. 4   Spatial distribution of ecological-production-living spaces in Tangqi Town

4.2 三生空间邻域分析与集聚分析

探索不同类型空间功能的毗邻状态和融合程度是从图斑层面进一步剖析空间功能的重要内容之一.此处运用ArcGIS邻域分析方法对三生空间主导功能和具体功能的邻域性分别进行刻画.以三生空间主导功能和具体功能为基础的邻域分析结果表明,图斑的大小与空间功能邻接关系密不可分.图斑面积大毗邻不同空间功能的概率亦会增加,空间功能的互补性也会明显增加(图5).因此,图斑面积是影响空间功能邻接性和模式组合的重要因素之一.主导功能邻域分析显示生态空间处于邻域空间功能类型的高值区,一般毗邻2~3种空间功能类型;生产空间毗邻的空间功能类型相对单一,一般为1类,仅在图斑交界处有2~3类的邻接;生活空间邻域的空间功能类型基本为1~2种,与生态空间的毗邻稍多于生产空间(图5c).具体空间功能邻域分析结果显示,大部分邻域空间功能数集中在1~3类间;3~4类区域集中分布在东南部超山风景区和部分河网密布区;4~7类区域零星散布在大图斑周围(图5d).由此可见,塘栖镇三生空间的整体毗邻性较低,空间功能的互补和融合性不佳.因此,有必要在镇域空间规划中充分考虑这一问题,通过不同景观要素的优化布局来增强不同空间的匹配和融合.

图5   塘栖镇生态--生产--生活空间细分及空间功能邻域分析示意图

Fig. 5   Ecological-production-living spaces subdivision and neighborhood analysis in Tangqi Town

图斑尺度空间现象是否存在空间自相关和空间集聚规律往往是空间规划需要回答的问题.为了考察三生空间功能的微观分布规律,运用ArcGIS热点分析工具对三生空间功能的集聚性进行识别.具体是以生态--生产--生活空间三大功能为基础(生态,生产和生活空间功能分别用1,2和3代表),识别出塘栖镇空间功能集聚的冷点和热点区域(图6).分析结果进一步印证塘栖镇三生空间功能存在一定的空间集聚性.冷点区域明显集聚在中部区域,该区域存在低值集聚,而且显著性较高.从土地利用类型来看,该区域是河流,坑塘水面和农村居民点集聚地区.这种典型的江南水乡景观类型可能是导致空间功能集聚的主要原因.而热点区域散布在生活空间,镇区和面积较大的居民点均存在一定的空间集聚性.另外,生产空间也存在显著的连片集聚现象.因此,从空间规划的视角来看,空间功能集聚分析可以作为空间功能分区的有力支撑.

图6   塘栖镇生态--生产--生活空间热点区识别示意图

Fig. 6   Hotspot identification of ecological-production-living spaces in Tangqi Town

5 讨论与结论

论文从土地功能,生态系统功能和景观功能综合的视角构建了城市生态--生产--生活空间功能分类体系.该体系涵盖3个一级类和29个二级功能类,是目前较为综合的空间分类体系.依托该体系首先对基于第二次土地利用调查分类的城市生态--生产--生活空间功能进行识别.同时为了弥补定性识别的缺陷,以空间功能价值的货币化为手段,从生态--生产--生活的角度构建了三生空间功能价值定量测度函数群.生态功能以生态系统服务价值评估为基础测度了广泛认可的9种生态系统功能价值量.生产功能在借鉴生态系统服务供给功能和景观功能的基础上增加了能源,矿产和商品与服务产品生产3项功能,构建了10项生产功能价值测度函数子集.生活功能以满足人类生活需求为目标,构建了9种生活功能的测度函数子集.进而探讨了城市生态--生产--生活空间的主导功能识别方法和功能组合模式.从三生空间的组合关系来看,理论上存在25种功能组合模式.

在理论研究的基础上以杭州市塘栖镇为案例区实证分析了城市三生空间功能定量识别方法,并对三生空间功能的邻域性和集聚性进行了分析.从实证分析来看,分析结果与预期假设吻合度较高,表明三生空间功能分类体系反映了不同地类的功能类型.同时,空间主导功能的识别也与不同地类的功能基本匹配.从实践出口来看,该项研究对区域和城市空间规划实践具有较强的指导意义和较高的应用价值.

同时,在理论和实证分析中也发现了一些尚未解决的难点问题和可能存在的偏差.首先,生态系统服务价值评估的不确定性和空间异质性是当前较难回答的两大问题.因而,在一定程度上城市三生空间功能价值量的测算以及主导功能的识别都可能受到影响,如何提高分析结果的稳健性有待继续研究.其次,微观图斑尺度的空间分析和动态变化研究有待深入,图斑尺度的三生空间功能类型组合规律也有待深入研究.再次,虽然该研究具有较强的实践指导意义,但仍需要不同类型的研究案例来检验理论的可行性,特别是通过全国不同自然环境,城镇化发展阶段和经济发展阶段的样点来对比分析确定实践的调整方向.

最后,因三生空间功能量化涉及城市巨系统,未来仍需进一步强化三生空间功能的综合定量研究.同时,三生空间功能的综合量化仍需与城市问题(城市水问题,土地问题,生态问题等)紧密结合,为城市增长边界和生态保护红线划定以及海绵城市和生态城市发展等提供参考.

The authors have declared that no competing interests exist.

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