城市热环境对城市生态系统服务功能时空变化的响应*——以成都市为例

邵 明 李 雄 刘志成

北京林业大学园林学院 北京 100083

城市热环境是指能够影响人类生存发展且与热相关的外部因素组成的物理环境系统，主要以地表温度与大气温度作为基础表征[1]。诸多国内外研究成果显示，城市热环境直接关系到人类的生存质量与自然的合理演替。2007年，唐纳德(Donald M) 等[2]认为，仅加拿大多伦多地区，每年为应对城市温度上升而增加的花费超过了1 100万美元；2010年，埃雷拉 (R.Garcia-Herrera)等[3]的研究证实了21世纪初期的欧洲热浪直接或间接造成了超过4万人次的市民死亡；2015年，帕潘尼(D.K.Papanastasiou) 等[4]通过对雅典城市热环境与空气质量的关联研究，证实了雅典城市热环境的劣化已经导致各类污染物分别增加了14%～38%。

目前研究更侧重城区内部的单一元素与城市热环境的关联分析，对城市全域自然生态系统与城市热环境间相互作用机制的研究较少[5]。因此，本研究以生态当量因子法测度成都市域生态系统服务功能，通过皮尔逊指数及回归分析判断成都市域热环境对自然生态系统服务的响应情况，在此基础上通过双变量空间局部相关性分析二者权衡协同的空间落位，为成都市后续城市可持续发展提供依据。

1 数据与方法

1.1 研究范围

研究范围为成都市域，总面积1.43万km2。成都市属于典型的亚热带季风气候，雨热同期，年均湿度约为80%，年均降雨量约为1 000 mm，年平均气温约为16 ℃。成都市作为四川省省会城市，城市建成区面积占比超过8.26%，林地草地空间占比约为37.95%、水域面积比例约为0.74%，整体生态基础良好[6－7]。

1.2 研究数据

本次研究使用年均地表温度数据表征城市热环境[8]，行政区划数据以及年均地表温度数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心。地表覆盖数据来源于欧洲航天局(ESA)，结合成都市域自然环境现状与《土地利用现状分类》 将其重分类为田地、灌木地、林地、草地、湿地、水体及城市已建成区。社会经济数据来源于《中国统计年鉴2019》《全国农产品成本收益资料汇编2019》。本研究选择2000、2005、2010、2015年4个时间节点。

1.3 研究方法

1.3.1 生态系统动态度

本研究选择利用动态度模型表述成都市域各类型生态系统变化速度以及区域性差异[9]，同时参考乔伟峰等人[10]的研究，修正其公式如式(1):

式(1) 中，Ca是修正后单一生态系统动态度，Ly、Lx分别为研究期末与研究期初单一生态系统面积，ΔLx－y为第x类生态系统研究期内转出至第y类生态系统面积，ΔLx－y第y类生态系统研究期内转入至第x类生态系统面积，T为研究期长，x，y为生态系统种类。

1.3.2 生态系统服务功能测度方法

本研究参考千禧年评价体系，将生态系统服务功能划定为供给、调节、支持、文化4大类，以及食物生产、原材料供给、气体调节、气候调节、水文调节、废物处理、保持土壤、维持生物多样性、提供景观美学9个子项，并选择生态因子当量价值法对其进行量化[11－12]。

当量因子计算公式如式(2):

式(2) 中，ESVxy是第x类生态系统第y类单项服务价值，ESVC是生态系统的服务价值当量因子，Cxy是中国陆地生态系统服务功能价值当量因子表中第x类生态系统第y类单项服务所对应的当量系数，Sx是第x类生态系统的面积。

1.3.3 城市热环境与生态系统服务功能响应相关性测度

本研究采用皮尔逊相关系数检验城市热环境对城市自然生态系统服务功能的响应相关性。皮尔逊指数(P值) 常见于统计学中检测两个变量间关联性[13]，其计算公式如式(3):

式(3) 中，Pxy为第y年城市热环境对第x类生态系统服务功能的响应相关性，ESVz为z区域第x类生态系统服务功能价值，ESVP为所有区域第x类生态系统服务功能价值的平均值，TEMPz为z区域第y年地表温度，TEMPP为所有区域第y年地表温度的平均值，n为区域数量。

1.3.4 热环境与生态系统服务功能空间权衡协同关系测度

研究选择空间双变量局部自相关指数解读城市热环境对城市生态系统二者空间的权衡协同相应关系[14]，其公式如式(4):

式(4) 中，Moran'Ixy z是第y年空间z位置城市热环境对第x类生态系统服务功能的响应相关性指数，是空间z位置第x类生态系统服务功能价值数，是x类生态系统服务功能价值平均数，是空间w位置第y年年均地表温度，是第y年地表温度平均值，n是空间栅格数量，Wzw是基于空间邻域建立的权重矩阵。

2 结果与分析

2.1 成都市域生态系统时空分异特征

在ArcGIS10.6中进行地理配准、坐标转换、面积统计、像元融合、图像相交，并根据式(1)计算各类型生态系统的动态度(表1)。

表1 成都市2000—2015年市域各类生态系统面积及生态系统动态度表

由表(1) 可知，成都市域田地、林地、草地生态系统占据主导地位，其中田地生态系统总量占比最高，占市域总体面积比例超过50%；林地生态系统仅次于田地，占比约为24%；草地生态系统占比约为14%。已建成区面积总量波动较大，占比3.51%～8.26%；灌木地、湿地、水体生态系统面积占比不足1.5%。同时，从整个研究时期来看，成都市域田地、林地、水体生态系统整体呈下降趋势；湿地、已建成区整体呈上升趋势；灌木地、草地生态系统除2010—2015年有小幅下降，整体呈上升趋势。

从生态系统转换空间的整体来看，2000—2005年，成都市域生态系统转换主要是成都市核心城区的南侧及东侧的绿色空间向已建成区转化，其主要是成都向南的城市副中心与向东的产业结构扩张格局所致；2005—2010年，成都市域生态系统转换主要是田地生态系统大量转入已建设区，西北侧的郫都、温江、新都3区出现林草空间向已建成区转化趋势，市域北部彭州市出现大面积林地退化为灌木地、草地，其主要原因是2003年成都市将原有的东进南扩重新定义为“北进南下、西优东扩”[15]，郫都、温江、新都3区被统一纳入成都市都市区规划，分别作为高新产业、居住、新型工业的卫星城布局；2010—2015年，成都市域生态系统转换主要是田地、林地、草地向已建设区转入的过程，郫都、温江、双流3区大面积绿色生态空间转化为城市已建成区，其主要原因是“十二五”期间，双流区纳入天府新城建设发展规划体系，高新产业卫星城发展模式初见成效，西南扩张趋势明确。

2.2 成都市生态系统服务与热环境价值时空分异特征

根据式(2)，采用单位面积价值表征地区生态系统服务水平，得到2000—2015年成都市各区市县单位面积生态系统服务价值分布图(图1、图2)。

图1 2000—2015年成都市各区市县4大类单位面积生态系统服务价值分布图

图2 2000—2015年成都市各区市县9小类单位面积生态系统服务价值分布图

由图1、图2可知，从各类型生态系统服务空间分布特征看，市域范围整体北高南低，西高东低，城市核心区服务功能明显低于外围市县区。同时，从各类型生态系统服务价值变化趋势看，市域范围整体呈现明显下降趋势，核心区县变化相较城市边缘县市变化幅度偏大。成都市域2000、2005、2010、2015年总生态系统服务价值分别为509.34、507.42、495.99、484.65亿元，价值分别缩减1.92、11.43、11.34亿元，其中占据主导地位的是调节与支持类生态系统服务功能。根据综合分析结果，可以看到北部及西部的边缘市县区域生态系统服务功能趋向稳定，而城市核心区与边缘区域的交界处、市域东部的市县区域生态系统服务价值波动幅度较大。

研究将成都市年均温度按照各区市县进行平均化处理，得到2000—2015年成都市各区市县地表年均温度分布示意图(图3)

图3 2000—2015年成都市各区市县地表年均温度分布图

由图3可知，从环境空间分布特征看，城市核心区县温度明显高于外围边缘市县区，整体呈现北低南高、西低东高的空间分布特征，北部及西部的都江堰、彭州市、崇州市、大邑县城市地表温度明显较低，城市中部及东南部地区的其余区县温度明显较高。同时，从热环境的演变趋势看，成都市域热环境明显整体上升，其中城市西南区域升温现象最为严重，彭州市、金堂县、青白江区、都江堰市增幅相对较小，温度上升1.00 ℃～1.30 ℃；而西南侧的新津县、大邑县、蒲江县、邛崃市增幅明显，温度上升1.77 ℃～2.00 ℃。整体市域温度上升幅度在7.39%～12.40%，城市热环境劣化趋势明显。

2.3 成都市热环境与生态系统服务功能相关性

在SPSS23.0软件中，分别将成都市各区市县4大类、9个子项单位面积生态系统服务分别与年均地表温度进行相关性分析(图4、图5)。

图4 2000—2015年成都城市热环境对4大类生态系统服务功能响应相关性分析图

图5 2000—2015年成都城市热环境对9小类生态系统服务功能响应相关性分析图

由图4、图5可知，4大类生态系统服务功能与城市各区域热环境的皮尔逊相关指数均大于－0.500，显著性均小于0.01，因此可以认为，成都城市热环境对自然生态系统服务功能的负响应相关性显著。原材料供给、气体调节、气候调节、提供景观美学4类呈现显著的主要作用关联；水文调节、保持土壤、维持生物多样性3类呈现次级作用关联；而食物生产、废物处理与热环境几乎没有作用关联。

从分析结果还可以看出，直接影响于城市热环境的生态系统服务功能包括气体调节和气候调节，这是是指自然生态系统直接作用于大气化学成分及大气物理特征的效应，其直接作用于空气构成、气温光照、降水蒸散等城市热环境所包括的系统因素，起到最直观的调节作用。间接影响于城市热环境的生态系统服务功能包括水文调节、保持土壤、维持生物多样性，其中，水文调节是通过作用于市域环境下水系统存量、运动、变化过程而对城市热环境进行间接调节；保持土壤通过对自然环境承载力的作用而影响植物生境基础；维持生物多样性通过作用于市域植物生境及群落构成，从而间接对城市热环境起到调节作用。连带影响于城市热环境的生态系统服务功能包括原材料供给和提供景观美学，这主要是因为主导提供该两项生态系统服务功能的生态系统为林地、湿地及水系，其对自然环境基础与资源环境承载力有着连带提升作用，从而连带改变城市热环境状态。

2.4 成都市热环境与生态系统服务功能空间权衡分析

基于成都市热环境与生态系统服务功能间相关性的分析结果，用公式(4) 计算成都市热环境与7个强相关生态系统服务的空间双变量局部自相关指数(图6)。

图6 成都市热环境与7项生态系统服务功能间权衡协空间分布图

由图6可知，各子项生态系统服务功能均与城市热环境出现明显的空间权衡关系。水文调节服务与城市热环境空间权衡关联性相对较小(Moran'I＜0.4，占比50.18%)，主要原因是成都地处四川盆地腹地，水文基础良好，生态系统干预影响程度较低；原材料供给服务与城市热环境权衡关联性相对较广(0.4 ＜Moran'I ＜0.6，占比68.6%)，主要原因是提供原材料供给服务类型生态系统为林草生态系统及田地生态系统，其在整个市域范围分布较广；气体调节、气候调节、保持土壤、维持生物多样性、提供景观美学服务与城市热环境权衡空间分布基本一致(0.4＜Moran'I＜0.6，占比约50%)，主要原因是中部及东部地区地理条件基本一致，生态系统成为城市热环境的主要因素，但都市核心区及核心区外围城市化程度较高，产业模式的转型以及城市建筑等元素的影响已经高于自然生态系统对城市热环境的影响。

2.5 基于生态系统服务的成都市热环境优化途径

整体来看，成都城市热环境对7类生态系统服务功能呈现较明显的空间权衡作用，其显著性空间特征表现为“东－中－西”分布。因此，本研究提出西部存量控制、中部格局优化、东部加强管控的城市热环境优化途径。

1) 保护西部生态系统绿色基础，控制城市生态存量底线。成都市域西部是成都市域核心绿色山林生态空间的分布区域，其中彭州市、都江堰市、崇州市、邛崃市、大邑县、浦江县共4市2县热环境对7项生态系统服务功能表现出了较强的低－高权衡相关性，其现状地表温度较低、城市热环境良好，生态系统服务功能较高，该区域内生态系统服务功能是调节城市热环境的主导性因素。该区域应遵循底线存量控制原则，强调其生态屏障及森林冷岛的基本功能作用，以保护现有生态系统基础存量优先，严格控制建设开发活动。同时，通过整合现有绿色资源、优化自然生态系统结构，强化其综合性服务功能，利用自然生态系统对城市热环境的自主性调节作用，对成都市西部区域城市热环境进行优化控制。

2) 优化中部生态系统布局结构，引导城市绿色产业发展。成都市域中部是成都市域核心都市区发展空间，其中郫都区、温江区、新都区、金牛区、青羊区、武侯区、锦江区、成华区、青白江区9区热环境对除水文调节外的6项生态系统服务功能均表现出高－低权衡相关性，其现状地表温度较高、城市热环境较差，生态系统服务功能较低。同时，该区域内城市边缘区城市热环境对自然生态系统服务功能的响应程度较差，政策规划、产业结构与生态系统共同作用于该区域城市热环境的形成。该区域应遵循布局结构优化原则，区域外围地区通过对生态空间布局调整，科学构建生态廊道，优化生态基质，提升生态系统结构稳定性，强化核心服务功能，对城市热环境做出积极影响；核心区与过渡区合理控制城市发展空间与外围自然生态空间的协作关系，适度引入绿色产业，形成可持续发展的环城绿色产业空间。

3) 加强东部生态系统空间管控，规范城市新城建设途径。成都市域东部是成都市域新城建设规划发展空间，其中龙泉驿区、金堂县、简阳市1区1县1市热环境仅对原材料供给表现出了高－低权衡相关性，其具有现状地表温度较高、城市热环境较差、生态系统服务功能较低的基本特征，该区域内由于地理环境的特殊以及自然生态系统的单一，政策引导及人为管控对地表热环境的影响更为显著。该区域应遵循加强空间管控原则，强化政策层面对区域生态环境的管控介入，在新城发展规划阶段通过对东部地区现有生态系统结构的引导与重构，建立综合合理的生态系统服务功能体系，从而为后续城市建设中的热环境优化提供良好的生态基础。

3 结论

本文通过生态当量因子法、皮尔逊相关指数、双变量空间莫兰指数等量化评估成都市域范围内生态系统服务的各项服务功能，研究城市热环境在时空维度上对各类型城市生态系统服务功能的响应情况以及权衡协同效应的空间落位，尝试提出成都市热环境的优化途径，主要结论如下:

1) 从成都市热环境演变结果看，市域范围内热环境逐渐劣化、其中城市西南区域升温现象最为严重，整体市域温度在2000—2015年的研究期限内上升1.0 ℃～2.0 ℃，整体温度增幅在7.39%～12.40%。

2) 从成都市域生态系统服务功能评估结果看，市域范围整体北高南低，西高东低，城市核心区生态系统服务功能明显低于外围市县区，且逐年降低趋势明显。

3) 从成都市热环境对生态系统服务功能响应情况看，热环境对7项生态系统服务功能具有明显的负向响应情况，其依照相关性大小从高至低排列为:原材料供给、气体调节、气候调节、景观美学、维持生物多样性、保持土壤、水文调节；其作用可以分为3类，即直接影响(气体调节、气候调节)、间接影响(水文调节、保持土壤、维持生物多样性) 以及连带影响(原材料供给、提供景观美学)。

4) 从成都市热环境对生态系统服务功能空间响应情况看，其显著性空间特征趋向“东－中－西”区域化分布；根据作用机制不同，分别提出底线存量控制、布局结构优化、强化空间管控的优化途径。

目前，本研究仍存在一定局限性，数据精度及评估方式的不同可能会导致生态系统服务功能量化结果的空间差异，在后续研究中应考虑在此基础上横向对比同类数据、不同价值测算评估方式，以便进一步矫正评估测算结果。同时，本研究侧重自然生态系统角度，并未考虑社会经济与城市发展对城市热环境的综合影响，后续研究可进一步提升完善。