呼和浩特市中心城區(qū)景觀格局及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究

馬 赫 延相東

（1.內(nèi)蒙古開放大學(xué)教學(xué)部，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；2.云南師范大學(xué)美術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650000）

改革開放以來，大量人口涌入城市使得城市建設(shè)用地迅速擴(kuò)張，城市交通道路網(wǎng)增加使得各類景觀被分隔?！皵偞箫灐笔降某鞘袛U(kuò)張方式引起城市景觀格局變化，從而改變城市初始物質(zhì)循環(huán)和能量流動方式，進(jìn)而影響城市原有生態(tài)系統(tǒng)平衡，致使城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和生態(tài)質(zhì)量大幅降低[1?2]。因此，開展城市尺度下的景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究，可為城市生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論支撐，明晰城市未來空間發(fā)展方向，同時在維持城市生態(tài)系統(tǒng)高效運轉(zhuǎn)方面具有重要的現(xiàn)實意義。

Grǎdinaru 等[3]利用明確的城市景觀演變數(shù)據(jù)對城市空間規(guī)劃成果進(jìn)行評估；Su 等[4]利用農(nóng)業(yè)景觀數(shù)據(jù)耦合分析了城市化的進(jìn)程；Kane 等[5]基于城市各類景觀景觀指數(shù)分析了城市擴(kuò)張原因。自1997 年Costanza 等[6]在《Nature》雜志上發(fā)表生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（ESV）評估原理的文章后，相關(guān)學(xué)者分別基于不同區(qū)域不同尺度下以貨幣形式進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估的研究呈明顯的增長趨勢。國外在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值方面的研究包含全球尺度、流域尺度、市域尺度及單個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究等。國內(nèi)ESV 評估相關(guān)研究起步較晚，主要以借鑒國外評價體系為基礎(chǔ)，根據(jù)不同研究區(qū)域?qū)嶋H情況對系數(shù)進(jìn)行修正，從而分析研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空演變規(guī)律及生態(tài)反饋信息[7?8]。

城市中心城區(qū)是城市市域范圍內(nèi)土地開發(fā)利用強(qiáng)度最大、集約度最高、社會經(jīng)濟(jì)效益最好的人工建設(shè)環(huán)境[9]。呼和浩特市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部，是內(nèi)蒙古自治區(qū)政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。隨著中國中央政府西部大開發(fā)政策及相關(guān)區(qū)域戰(zhàn)略規(guī)劃的實施，呼和浩特市逐漸成為我國北方沿邊開放地區(qū)重要的中心城市[10]。隨著呼和浩特市社會經(jīng)濟(jì)不斷活躍，城市聚集效應(yīng)越發(fā)明顯，城市人口迅速增加，呼和浩特市城區(qū)用地向周邊地區(qū)快速擴(kuò)張，景觀格局發(fā)生巨大變化，主要表現(xiàn)為城市“灰色空間”侵占“綠色空間”，對城市生態(tài)環(huán)境帶來巨大影響[11]。因此本研究以呼和浩特市中心城區(qū)為研究區(qū)，基于所劃分的研究網(wǎng)格，深入分析呼和浩特市中心城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)信息時空變化特征，研究成果將對呼和浩特市中心城區(qū)城市生態(tài)建設(shè)及土地利用規(guī)劃調(diào)整工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

呼和浩特位于東經(jīng)110°46′～112°10′E，北緯40°51′～41°8′N，地處內(nèi)蒙古高原向黃土高原的過渡地帶，內(nèi)地質(zhì)地貌條件復(fù)雜多樣，平均海拔為1 000 m。屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均溫6.5 ℃，年均降水量約420 mm 左右，區(qū)域內(nèi)災(zāi)害性天氣較多，特別是春季大風(fēng)日數(shù)增多，并伴有沙塵暴和揚沙天氣，對生態(tài)環(huán)境影響較大。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

在地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http://www.gscloud.cn/）獲取覆蓋研究區(qū)的Landsat 衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息見表1。所獲取的遙感影像云量較低，且研究區(qū)未被云層覆蓋，符合研究需求。首先對所獲取的原始影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像裁剪等預(yù)處理。參考相關(guān)研究成果[12?15]，研究網(wǎng)格大小由研究區(qū)景觀斑塊平均大小的2～5 倍和采樣工作量決定，因此將研究區(qū)分割為622個1 km×1 km 的研究網(wǎng)格。

表1 Landsat 影像基本信息Table 1 The information of Landsat remote sensing images

2.2 景觀分類

根據(jù)《土地利用分類》（GB/T 21010—2017）[16]，將呼和浩特市中心城區(qū)景觀類型劃分為建設(shè)用地、林地、水體、農(nóng)田、草地和未利用地6 種景觀類型，采用計算機(jī)監(jiān)督分類方法提取出呼和浩特市中心城區(qū)3 期景觀類型斑塊信息數(shù)據(jù)；利用Google Earth 平臺提供的不同時期高清衛(wèi)星影像，作為驗證參考影像，計算驗證樣本的混淆矩陣，對各期景觀分類結(jié)果進(jìn)行精度評價，3 期景觀分類結(jié)果總體精度均大于90%，Kappa 系數(shù)均在0.85 以上，滿足研究精度需要，各期精度評價見表2。

表2 計算機(jī)解譯精度評價（2011—2021 年）Table 2 Evaluation of computer interpretation accuracy (2011?2021)

2.3 景觀格局指數(shù)選取與計算

景觀格局指數(shù)可有效評價研究區(qū)靜止?fàn)顟B(tài)下的生態(tài)信息，同時在監(jiān)測景觀格局變化方面發(fā)揮著重要作用[17]。參考相關(guān)研究成果[18?20]，同時根據(jù)研究需求且避免計算數(shù)據(jù)冗余，在30 m 分辨率下，基于所劃分的研究網(wǎng)格，在景觀水平選取斑塊數(shù)量（NP）、聚集度指數(shù)（AI）和香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）來反映研究區(qū)景觀斑塊破碎度、聚集度和多樣性特性。計算網(wǎng)格內(nèi)各景觀格局指數(shù)，并將計算所得的數(shù)值歸一化[0,1]，為方便可視化和對比分析，采用等間距法將其劃分為[0,0.2)、[0.21,0.4)、[0.41,0.6)、[0.61,0.8)和[0.81,1)5 個等級進(jìn)行可視化分析。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算

以“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子表”[21]研究成果為基礎(chǔ)。根據(jù)研究區(qū)歷年農(nóng)作物產(chǎn)量以及價格數(shù)據(jù)得出研究區(qū)1 hm2糧食產(chǎn)量的平均經(jīng)濟(jì)價值為1 794.85 元。結(jié)合研究區(qū)實際情況，在“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子表”的基礎(chǔ)上，將農(nóng)田景觀類型對應(yīng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，林地景觀類型對應(yīng)林地生態(tài)系統(tǒng)，水體景觀類型對應(yīng)水體生態(tài)系統(tǒng)，草地景觀類型對應(yīng)草地生態(tài)系統(tǒng)，未利用地景觀類型對應(yīng)荒漠生態(tài)系統(tǒng)，建設(shè)用地則參照石垚等[22]、胡金龍[23]研究方法，由于建設(shè)用地水源涵養(yǎng)和廢物處理2 項為明顯負(fù)效應(yīng)，將其經(jīng)濟(jì)價值設(shè)置為負(fù)值。最終得到呼和浩特市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)，結(jié)果見表3。根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算公式[24]，計算每個網(wǎng)格內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，并采用等間距法將其劃分為低生態(tài)服務(wù)價值、較低生態(tài)服務(wù)價值、中生態(tài)服務(wù)價值、較高生態(tài)服務(wù)價值和高生態(tài)服務(wù)價值5 個等級進(jìn)行對比分析。

表3 呼和浩特市不同生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)Table 3 Ecological service value coefficient of different ecosystems in Hohhot 元/hm2

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀格局變化特征分析

呼和浩特市中心城區(qū)景觀指數(shù)空間分布見圖1。由圖1 可知，呼和浩特市中心城區(qū)各景觀指數(shù)均呈現(xiàn)出“內(nèi)、中2 環(huán)+1 外帶”的分布狀態(tài)。2011—2021 年期間，“內(nèi)環(huán)”主要表現(xiàn)為低值NP 網(wǎng)格數(shù)量逐漸增多，高值A(chǔ)I 網(wǎng)格數(shù)量逐漸增多，低值SHDI 網(wǎng)格數(shù)量逐漸增多；由此說明內(nèi)環(huán)景觀破碎化程度有所降低，景觀斑塊之間越來越聚集，景觀異質(zhì)性降低，景觀類型向著少樣性發(fā)展?！爸协h(huán)”主要分布著較高值NP 網(wǎng)格，AI 網(wǎng)格數(shù)值呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，SHDI 網(wǎng)格數(shù)值則呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢；由此說明中環(huán)景觀破碎化程度最高，景觀斑塊之間聚集性呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后降低，而景觀異質(zhì)性逐漸增強(qiáng)，景觀類型向著多樣性發(fā)展?！巴鈳А钡腘P、AI 和SHDI 網(wǎng)格數(shù)值變化最為豐富，呈現(xiàn)出極不穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合呼和浩特市中心城區(qū)各基年期景觀分類情況來看，大量建設(shè)用地面積增加，“內(nèi)環(huán)”區(qū)域的建設(shè)用地連片發(fā)展，土地開發(fā)在原有基礎(chǔ)進(jìn)一步加強(qiáng)，逐漸形成規(guī)整和聚集狀態(tài)，由此導(dǎo)致內(nèi)環(huán)景觀破碎化降低，景觀聚集性增強(qiáng)，但景觀類型主要為建設(shè)用地，“內(nèi)環(huán)”景觀向著單一類型演進(jìn)；“中環(huán)”建設(shè)用地面積相對“內(nèi)環(huán)”增加緩慢，且為城市近郊區(qū)域，出現(xiàn)較多細(xì)碎的建設(shè)用地斑塊，導(dǎo)致中環(huán)整體景觀破碎化程度最高；而“外帶”為城市遠(yuǎn)郊區(qū)域，主要分布著農(nóng)田、林地和草地和未利用地4 種景觀類型，由于植被更迭變化受當(dāng)?shù)貧夂蛴绊戄^大，因此“外帶”景觀格局呈現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 呼和浩特市中心城區(qū)景觀指數(shù)空間分布Fig.1 Spatial distribution map of landscape index in downtown Hohhot

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空變化

呼和浩特市中心城區(qū)生態(tài)服務(wù)價值空間分布見圖2。由圖2 可知，2011—2021 年期間呼和浩特市中心城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值整體呈現(xiàn)逐漸降低趨勢。其中低生態(tài)服務(wù)價值網(wǎng)格由研究區(qū)中西部小片組團(tuán)逐漸向外擴(kuò)張，在研究期末形成大片聚合的的團(tuán)狀結(jié)構(gòu)；較低生態(tài)服務(wù)價值網(wǎng)格呈包圍狀分布在低生態(tài)服務(wù)價值網(wǎng)格外圍，隨著時間推移，較低生態(tài)服務(wù)價值網(wǎng)格逐漸轉(zhuǎn)換成為低生態(tài)服務(wù)價值網(wǎng)格；中生態(tài)服務(wù)價值網(wǎng)格主要在研究區(qū)東部和南部逐漸增多，且在2021 年中生態(tài)服務(wù)價值網(wǎng)格成為研究區(qū)東部和南部生態(tài)服務(wù)價值主要構(gòu)成網(wǎng)格；2011 年較高生態(tài)服務(wù)價值網(wǎng)格主要在研究區(qū)東部和南部呈片狀分布，至2021 年減少呈零散的點狀分布；高生態(tài)服務(wù)價值網(wǎng)格僅在研究區(qū)南部少量保留，2021 年較高和高生態(tài)服務(wù)價值網(wǎng)格在研究區(qū)內(nèi)極少出現(xiàn)，由此說明研究期末研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值銳減嚴(yán)重。

圖2 呼和浩特市中心城區(qū)生態(tài)服務(wù)價值空間分布Fig.2 Spatial distribution map of ecological service value in downtown Hohhot

綜合分析表明，2011—2021 年期間因呼和浩特市城市化的快速發(fā)展，城市中心及周邊城鎮(zhèn)建設(shè)用地迅速擴(kuò)張是呼和浩特市中心城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值下降的主要原因；在未來城市化發(fā)展進(jìn)程中，應(yīng)轉(zhuǎn)換經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，改進(jìn)并優(yōu)化城市土地利用結(jié)構(gòu)和布局，在城市內(nèi)部增加城市公共綠地，在城市外圍加強(qiáng)林地、草地、耕地等生態(tài)用地的保護(hù)，進(jìn)而緩解城市快速擴(kuò)展對生態(tài)環(huán)境的壓力。

4 結(jié)論與討論

本研究以呼和浩特市中心城區(qū)為研究區(qū)，以2011 年、2016 年和2021 年Landsat 遙感影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于1 km×1 km 的研究網(wǎng)格，從呼和浩特市中心城區(qū)景觀格局和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間變化等方面展開研究，得出以下結(jié)論：

1）2011—2021 年期間，呼和浩特市中心城區(qū)景觀格局發(fā)生較大變化，主要以原有西部老城區(qū)、東北部和南部新區(qū)城市建設(shè)用地占用建成區(qū)外圍農(nóng)田、林地和草地向外擴(kuò)張為主。呼和浩特市中心城區(qū)NP、AI 和SHDI 網(wǎng)格均呈現(xiàn)出“內(nèi)、中2 環(huán)+1 外帶”的分布形式?！皟?nèi)環(huán)”由于建設(shè)用地增加較多且呈連片式發(fā)展，導(dǎo)致NP 數(shù)值降低，斑塊呈聚集狀態(tài)，也是該區(qū)域景觀類型單一的主要原因?！爸协h(huán)”是“內(nèi)環(huán)”的建設(shè)用地向外延伸的次要區(qū)域，建設(shè)用地擴(kuò)展較“內(nèi)環(huán)”相對分散，同時與農(nóng)田、林地和草地景觀交叉分布，因此NP 數(shù)值較高，斑塊呈分散狀態(tài)，景觀類型豐富?！巴鈳А笔浅鞘羞h(yuǎn)郊區(qū)域，也是村鎮(zhèn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間主要分布地，建設(shè)用地體量較小，農(nóng)田斑塊較大，因此NP 數(shù)值較高，斑塊呈大小穿插的塊狀，景觀類型也較豐富。

2）2011—2021 年期間，呼和浩特市中心城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值整體呈逐漸下降趨勢。低生態(tài)服務(wù)價值網(wǎng)格逐年增多，主要集中在研究區(qū)西部老城區(qū)，研究初期高生態(tài)服務(wù)價值網(wǎng)格主要分布在研究區(qū)東北部和南部。研究期末高生態(tài)服務(wù)價值網(wǎng)格僅零星存在，說明隨著城市建設(shè)用地的增加，侵占生態(tài)用地導(dǎo)致城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值受到很大影響，可通過劃定生態(tài)保護(hù)紅線強(qiáng)制保護(hù)城市外圍生態(tài)空間，以提高現(xiàn)有城市土地集約利用水平，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的能力。

3）研究期末呼和浩特市中心城區(qū)建設(shè)用地主要分布在西北部，且在此區(qū)域中心主要分布NP 數(shù)值為[0,0.2)的網(wǎng)格、AI 數(shù)值為[0.81,1)的網(wǎng)格和SHDI 數(shù)值為[0,0.2)的網(wǎng)格，且低生態(tài)服務(wù)價值網(wǎng)格也主要分布在該區(qū)域，由此說明該區(qū)域建設(shè)用地面積占比過高導(dǎo)致該區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能降低，結(jié)合呼和浩特市中心城區(qū)實際情況，可知該區(qū)域為老城區(qū)。由于老城歷史人文資源豐富，是城市人口主要集中地，商業(yè)活動力強(qiáng)，老城區(qū)的發(fā)展具有一定優(yōu)勢，因此開發(fā)建設(shè)強(qiáng)度大，建筑密度高，由此導(dǎo)致老城區(qū)生活空間品質(zhì)較低；從生態(tài)角度來看，老城景觀發(fā)展相對單一，雖然存有部分綠色空間，但體量相對較小，老城綠色空間體量跟不上城市建設(shè)用地擴(kuò)張速度；另一方面，老城是低生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值主要匯集地，生態(tài)赤字問題凸顯。

因此結(jié)合以上問題，充分利用現(xiàn)有資源和優(yōu)勢，對呼和浩特市中心城區(qū)提出以下城市空間發(fā)展方向建議：“北部嚴(yán)控、東部優(yōu)化、南部拓展、西部聯(lián)動”。北部地區(qū)嚴(yán)格控制城市建設(shè)用地開發(fā)，作為山前的生態(tài)緩沖地帶；進(jìn)一步優(yōu)化完善城市東部農(nóng)田生態(tài)功能，以發(fā)展高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田為主；重點發(fā)展南部、西南部新區(qū)的發(fā)展空間，同時將城市自然和文化特色融合，構(gòu)建“山、水、城”融為一體的城市格局。

基于劃分的研究網(wǎng)格，對呼和浩特市中心城區(qū)進(jìn)行景觀格局及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化研究，并根據(jù)研究成果針對呼和浩特市中心城區(qū)提出城市未來空間發(fā)展方向建議。由于呼和浩特市所處特殊地理區(qū)位，可作為研究我國北方沿邊地區(qū)城市未來空間發(fā)展方向的典型案例。但本研究僅在1 km×1 km 網(wǎng)格尺度下進(jìn)行景觀格局及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究，所采用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算方法是參考前人研究成果，針對研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算方法還需進(jìn)一步改進(jìn)，以提高其準(zhǔn)確性。同時在后續(xù)研究中可結(jié)合其他評價模型，例如生態(tài)脆弱性評價、生態(tài)安全評價及生態(tài)適宜分區(qū)等，更全面對城市化過程所產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行探討，從預(yù)警分析的角度評價城市用地空間，進(jìn)而提高研究的科學(xué)性和對城市空間發(fā)展方向的指導(dǎo)性。