呼和浩特市中心城区景观格局及生态系统服务价值研究

马 赫 延相东

（1.内蒙古开放大学教学部，内蒙古 呼和浩特 010011；2.云南师范大学美术学院，云南 昆明 650000）

改革开放以来，大量人口涌入城市使得城市建设用地迅速扩张，城市交通道路网增加使得各类景观被分隔。“摊大饼”式的城市扩张方式引起城市景观格局变化，从而改变城市初始物质循环和能量流动方式，进而影响城市原有生态系统平衡，致使城市生态系统服务功能和生态质量大幅降低[1−2]。因此，开展城市尺度下的景观格局与生态系统服务价值的研究，可为城市生态系统协调发展提供理论支撑，明晰城市未来空间发展方向，同时在维持城市生态系统高效运转方面具有重要的现实意义。

Grǎdinaru 等[3]利用明确的城市景观演变数据对城市空间规划成果进行评估；Su 等[4]利用农业景观数据耦合分析了城市化的进程；Kane 等[5]基于城市各类景观景观指数分析了城市扩张原因。自1997 年Costanza 等[6]在《Nature》杂志上发表生态系统服务价值（ESV）评估原理的文章后，相关学者分别基于不同区域不同尺度下以货币形式进行生态系统服务价值评估的研究呈明显的增长趋势。国外在生态系统服务价值方面的研究包含全球尺度、流域尺度、市域尺度及单个生态系统服务价值的研究等。国内ESV 评估相关研究起步较晚，主要以借鉴国外评价体系为基础，根据不同研究区域实际情况对系数进行修正，从而分析研究区生态系统服务价值的时空演变规律及生态反馈信息[7−8]。

城市中心城区是城市市域范围内土地开发利用强度最大、集约度最高、社会经济效益最好的人工建设环境[9]。呼和浩特市位于内蒙古自治区中西部，是内蒙古自治区政治、经济、文化中心。随着中国中央政府西部大开发政策及相关区域战略规划的实施，呼和浩特市逐渐成为我国北方沿边开放地区重要的中心城市[10]。随着呼和浩特市社会经济不断活跃，城市聚集效应越发明显，城市人口迅速增加，呼和浩特市城区用地向周边地区快速扩张，景观格局发生巨大变化，主要表现为城市“灰色空间”侵占“绿色空间”，对城市生态环境带来巨大影响[11]。因此本研究以呼和浩特市中心城区为研究区，基于所划分的研究网格，深入分析呼和浩特市中心城区生态系统信息时空变化特征，研究成果将对呼和浩特市中心城区城市生态建设及土地利用规划调整工作提供参考。

1 研究区概况

呼和浩特位于东经110°46′～112°10′E，北纬40°51′～41°8′N，地处内蒙古高原向黄土高原的过渡地带，内地质地貌条件复杂多样，平均海拔为1 000 m。属温带半干旱大陆性季风气候，年均温6.5 ℃，年均降水量约420 mm 左右，区域内灾害性天气较多，特别是春季大风日数增多，并伴有沙尘暴和扬沙天气，对生态环境影响较大。

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

在地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn/）获取覆盖研究区的Landsat 卫星遥感影像数据，数据信息见表1。所获取的遥感影像云量较低，且研究区未被云层覆盖，符合研究需求。首先对所获取的原始影像进行辐射定标、大气校正、图像裁剪等预处理。参考相关研究成果[12−15]，研究网格大小由研究区景观斑块平均大小的2～5 倍和采样工作量决定，因此将研究区分割为622个1 km×1 km 的研究网格。

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

2.2 景观分类

根据《土地利用分类》（GB/T 21010—2017）[16]，将呼和浩特市中心城区景观类型划分为建设用地、林地、水体、农田、草地和未利用地6 种景观类型，采用计算机监督分类方法提取出呼和浩特市中心城区3 期景观类型斑块信息数据；利用Google Earth 平台提供的不同时期高清卫星影像，作为验证参考影像，计算验证样本的混淆矩阵，对各期景观分类结果进行精度评价，3 期景观分类结果总体精度均大于90%，Kappa 系数均在0.85 以上，满足研究精度需要，各期精度评价见表2。

表2 计算机解译精度评价（2011—2021 年）Table 2 Evaluation of computer interpretation accuracy (2011−2021)

2.3 景观格局指数选取与计算

景观格局指数可有效评价研究区静止状态下的生态信息，同时在监测景观格局变化方面发挥着重要作用[17]。参考相关研究成果[18−20]，同时根据研究需求且避免计算数据冗余，在30 m 分辨率下，基于所划分的研究网格，在景观水平选取斑块数量（NP）、聚集度指数（AI）和香农多样性指数（SHDI）来反映研究区景观斑块破碎度、聚集度和多样性特性。计算网格内各景观格局指数，并将计算所得的数值归一化[0,1]，为方便可视化和对比分析，采用等间距法将其划分为[0,0.2)、[0.21,0.4)、[0.41,0.6)、[0.61,0.8)和[0.81,1)5 个等级进行可视化分析。

2.4 生态系统服务价值计算

以“中国陆地生态系统服务价值当量因子表”[21]研究成果为基础。根据研究区历年农作物产量以及价格数据得出研究区1 hm2粮食产量的平均经济价值为1 794.85 元。结合研究区实际情况，在“中国陆地生态系统服务价值当量因子表”的基础上，将农田景观类型对应农田生态系统，林地景观类型对应林地生态系统，水体景观类型对应水体生态系统，草地景观类型对应草地生态系统，未利用地景观类型对应荒漠生态系统，建设用地则参照石垚等[22]、胡金龙[23]研究方法，由于建设用地水源涵养和废物处理2 项为明显负效应，将其经济价值设置为负值。最终得到呼和浩特市生态系统服务价值系数，结果见表3。根据生态系统服务价值计算公式[24]，计算每个网格内生态系统服务价值，并采用等间距法将其划分为低生态服务价值、较低生态服务价值、中生态服务价值、较高生态服务价值和高生态服务价值5 个等级进行对比分析。

表3 呼和浩特市不同生态系统生态服务价值系数Table 3 Ecological service value coefficient of different ecosystems in Hohhot 元/hm2

3 结果与分析

3.1 景观格局变化特征分析

呼和浩特市中心城区景观指数空间分布见图1。由图1 可知，呼和浩特市中心城区各景观指数均呈现出“内、中2 环+1 外带”的分布状态。2011—2021 年期间，“内环”主要表现为低值NP 网格数量逐渐增多，高值AI 网格数量逐渐增多，低值SHDI 网格数量逐渐增多；由此说明内环景观破碎化程度有所降低，景观斑块之间越来越聚集，景观异质性降低，景观类型向着少样性发展。“中环”主要分布着较高值NP 网格，AI 网格数值呈现出先升高后降低的趋势，SHDI 网格数值则呈现出逐渐升高的趋势；由此说明中环景观破碎化程度最高，景观斑块之间聚集性呈现出先增强后降低，而景观异质性逐渐增强，景观类型向着多样性发展。“外带”的NP、AI 和SHDI 网格数值变化最为丰富，呈现出极不稳定状态。结合呼和浩特市中心城区各基年期景观分类情况来看，大量建设用地面积增加，“内环”区域的建设用地连片发展，土地开发在原有基础进一步加强，逐渐形成规整和聚集状态，由此导致内环景观破碎化降低，景观聚集性增强，但景观类型主要为建设用地，“内环”景观向着单一类型演进；“中环”建设用地面积相对“内环”增加缓慢，且为城市近郊区域，出现较多细碎的建设用地斑块，导致中环整体景观破碎化程度最高；而“外带”为城市远郊区域，主要分布着农田、林地和草地和未利用地4 种景观类型，由于植被更迭变化受当地气候影响较大，因此“外带”景观格局呈现出不稳定状态。

图1 呼和浩特市中心城区景观指数空间分布Fig.1 Spatial distribution map of landscape index in downtown Hohhot

3.2 生态系统服务价值时空变化

呼和浩特市中心城区生态服务价值空间分布见图2。由图2 可知，2011—2021 年期间呼和浩特市中心城区生态系统服务价值整体呈现逐渐降低趋势。其中低生态服务价值网格由研究区中西部小片组团逐渐向外扩张，在研究期末形成大片聚合的的团状结构；较低生态服务价值网格呈包围状分布在低生态服务价值网格外围，随着时间推移，较低生态服务价值网格逐渐转换成为低生态服务价值网格；中生态服务价值网格主要在研究区东部和南部逐渐增多，且在2021 年中生态服务价值网格成为研究区东部和南部生态服务价值主要构成网格；2011 年较高生态服务价值网格主要在研究区东部和南部呈片状分布，至2021 年减少呈零散的点状分布；高生态服务价值网格仅在研究区南部少量保留，2021 年较高和高生态服务价值网格在研究区内极少出现，由此说明研究期末研究区生态系统服务价值锐减严重。

图2 呼和浩特市中心城区生态服务价值空间分布Fig.2 Spatial distribution map of ecological service value in downtown Hohhot

综合分析表明，2011—2021 年期间因呼和浩特市城市化的快速发展，城市中心及周边城镇建设用地迅速扩张是呼和浩特市中心城区生态系统服务价值下降的主要原因；在未来城市化发展进程中，应转换经济发展模式，改进并优化城市土地利用结构和布局，在城市内部增加城市公共绿地，在城市外围加强林地、草地、耕地等生态用地的保护，进而缓解城市快速扩展对生态环境的压力。

4 结论与讨论

本研究以呼和浩特市中心城区为研究区，以2011 年、2016 年和2021 年Landsat 遥感影像作为基础数据，基于1 km×1 km 的研究网格，从呼和浩特市中心城区景观格局和生态系统服务价值空间变化等方面展开研究，得出以下结论：

1）2011—2021 年期间，呼和浩特市中心城区景观格局发生较大变化，主要以原有西部老城区、东北部和南部新区城市建设用地占用建成区外围农田、林地和草地向外扩张为主。呼和浩特市中心城区NP、AI 和SHDI 网格均呈现出“内、中2 环+1 外带”的分布形式。“内环”由于建设用地增加较多且呈连片式发展，导致NP 数值降低，斑块呈聚集状态，也是该区域景观类型单一的主要原因。“中环”是“内环”的建设用地向外延伸的次要区域，建设用地扩展较“内环”相对分散，同时与农田、林地和草地景观交叉分布，因此NP 数值较高，斑块呈分散状态，景观类型丰富。“外带”是城市远郊区域，也是村镇和农业生产空间主要分布地，建设用地体量较小，农田斑块较大，因此NP 数值较高，斑块呈大小穿插的块状，景观类型也较丰富。

2）2011—2021 年期间，呼和浩特市中心城区生态系统服务价值整体呈逐渐下降趋势。低生态服务价值网格逐年增多，主要集中在研究区西部老城区，研究初期高生态服务价值网格主要分布在研究区东北部和南部。研究期末高生态服务价值网格仅零星存在，说明随着城市建设用地的增加，侵占生态用地导致城市生态系统服务价值受到很大影响，可通过划定生态保护红线强制保护城市外围生态空间，以提高现有城市土地集约利用水平，实现城市可持续发展的能力。

3）研究期末呼和浩特市中心城区建设用地主要分布在西北部，且在此区域中心主要分布NP 数值为[0,0.2)的网格、AI 数值为[0.81,1)的网格和SHDI 数值为[0,0.2)的网格，且低生态服务价值网格也主要分布在该区域，由此说明该区域建设用地面积占比过高导致该区域生态服务功能降低，结合呼和浩特市中心城区实际情况，可知该区域为老城区。由于老城历史人文资源丰富，是城市人口主要集中地，商业活动力强，老城区的发展具有一定优势，因此开发建设强度大，建筑密度高，由此导致老城区生活空间品质较低；从生态角度来看，老城景观发展相对单一，虽然存有部分绿色空间，但体量相对较小，老城绿色空间体量跟不上城市建设用地扩张速度；另一方面，老城是低生态系统服务价值主要汇集地，生态赤字问题凸显。

因此结合以上问题，充分利用现有资源和优势，对呼和浩特市中心城区提出以下城市空间发展方向建议：“北部严控、东部优化、南部拓展、西部联动”。北部地区严格控制城市建设用地开发，作为山前的生态缓冲地带；进一步优化完善城市东部农田生态功能，以发展高标准农田为主；重点发展南部、西南部新区的发展空间，同时将城市自然和文化特色融合，构建“山、水、城”融为一体的城市格局。

基于划分的研究网格，对呼和浩特市中心城区进行景观格局及生态系统服务价值变化研究，并根据研究成果针对呼和浩特市中心城区提出城市未来空间发展方向建议。由于呼和浩特市所处特殊地理区位，可作为研究我国北方沿边地区城市未来空间发展方向的典型案例。但本研究仅在1 km×1 km 网格尺度下进行景观格局及生态系统服务价值研究，所采用的生态系统服务价值计算方法是参考前人研究成果，针对研究区的生态系统服务价值计算方法还需进一步改进，以提高其准确性。同时在后续研究中可结合其他评价模型，例如生态脆弱性评价、生态安全评价及生态适宜分区等，更全面对城市化过程所产生的生态效应进行探讨，从预警分析的角度评价城市用地空间，进而提高研究的科学性和对城市空间发展方向的指导性。