摘要：日益加剧的不平等威胁着人类福祉的改善。城市绿地作为城市中重要的绿色基础设施，提供生态系统服务，促进人类健康。人均城市绿地面积和生态系统服务的不平等是关键的环境正义和公共卫生问题，但尚未得到很好的理解。基于中国20个城市的绿地空间格局、土地租金和人口，利用基尼系数评价了人均绿地面积和生态系统服务的不平等。结果表明:(1)人均生态系统有效服务量的基尼系数为0.430，大于人均绿地面积的基尼系数(0.357);(2)人均生态系统服务量的不平等程度与以人口和GDP衡量的城市规模呈负相关;(3)绿地面积的不平等程度与主观生活质量呈负相关。生态系统服务不平等与城市经济竞争力呈负相关。建议城市规划者综合考虑人均绿地面积、人均绿地面积基尼系数、生态系统服务等多个指标，同时评价绿地建设的效率与公平性。
介绍
2 方法
2.1 研究区域
图1 中国20个案例城市的空间分布及沿城市中心边缘梯度样带的建立(a)20个案例市覆盖16个省、直辖市。(b)城市中心边缘梯度示意图。将城市中心到边缘的距离平均划分，将整个建成区划分为中心、中间和边缘区域。(c)上海市中心边缘梯度样带(不包括崇明岛)。案例城市的遥感图像来自Google Earth。
2.2. 数据收集
2.2.1. 绿地覆盖空间信息
2.2.2. 绿地的社区结构
2.2.3. 各城市地价、地租空间信息
2.2.4. 各城市人口空间信息
2.2.5. 城市的经济竞争力
城市的经济竞争力是指城市吸引、竞争和转化资源创造价值的能力(Ni, 2015)。经济竞争力是用连续5年的平均国内生产总值(GDP)增量乘以单位城市面积的国内生产总值(GDP)来衡量的复合变量。值得注意的是，连续五年GDP平均增量和单位城市面积GDP的值域均采用最小-最大归一化方法转化为[0,1]。因此，经济竞争力的数值也在0~1之间。2015年各城市综合经济竞争力数据来源于《中国城市竞争力报告》(Ni, 2015)。
2.2.6. 主观生活质量
“主观生活质量”的概念是指个人对生活条件和地位的感受(National Institute for Economic Experimentation, 2015)。2015年各城市主观生活质量数据由国家经济实验研究所(2015)通过计算机辅助电话采访(CATI)收集。要求受访者根据非常满意(100分)、满意(75分)、一般(50分)、不满意(25分)、非常不满意(0分)五个答案对自己的生活质量进行主观评价。将每个城市所有受访者的得分取平均值，得到每个城市的主观生活质量数据，范围从0到100。从国家经济实验研究所(2015)的调查数据中，我们只能得到15个案例城市的15个主观生活质量值(每个城市都有一个值)，其他5个城市的数据无法获得。以每个城市为单位，分析了15个城市(剔除5个无数据城市)绿地空间不平等与主观生活质量的关系。
通过土地租金法估算绿地总文化生态系统服务的货币价值(Chang et al., 2017)。我们还估算了五种正向调节生态系统服务(固碳、空气过滤、径流减缓、降噪、小气候调节)和一种负向调节生态系统服务(BVOC排放)的生物物理价值和货币价值，并获得了调节服务的总货币价值。各生态系统服务功能的详细估算方法见补充方法。
2.4. 人均绿地面积和生态系统服务不平等的量化
2.4.1. 洛伦兹曲线的绘制
在计算基尼系数之前，我们需要绘制人均绿地面积和生态系统服务的洛伦兹曲线(图2a)。它们是根据城市不同地点的人均绿地面积和生态系统服务数据绘制的。我们假设沿城市中心边缘梯度的每个环(补充图S3)中人们可获得的生态系统服务来自环内的绿地。由于绿地面积及其调节功能具有排他性，故环n的人均绿地面积(GSApn, m2 /人)为:
将城市人口按人均绿地面积或生态系统服务功能由低到高排序后，以累积人口为横坐标，以相应的绿地面积或生态系统服务功能为纵坐标，绘制出各城市人均绿地面积或生态系统服务功能的洛伦兹曲线(图2a和补充图S4)。
图2 人均绿地面积或生态系统服务不平等的图形定义。(a)基尼系数。基尼系数的定义是相等线与洛伦兹曲线之间的面积(图中标记为A)与相等线下的总面积(图中标记为A和B)之比。基尼系数的范围从0(完全平等)到1(完全不平等)。(b)三条洛伦兹曲线。一种对称情况(洛伦兹不对称系数(Lorenz asymmetric coefficient, LAC)等于1)，两种不对称情况(LAC＞1或LAC<1)。
2.4.2. 计算基尼系数
参考Althoff et al(2017)，人均绿地面积和生态系统服务的基尼系数计算为:
Gini=A/(A+B)
其中，A为不等面积，即洛伦兹曲线与等号线之间的面积，B为洛伦兹曲线下的面积(图2a)。基尼系数的范围从0(完全平等)到1(完全不平等)。洛伦兹曲线下的面积(图中标记为B)计算为:
结合式(5)，式(7)可改写为:
结合式(6)，式(8)可变形为:
2.4.3. Lorenz不对称系数(LAC)的计算
我们使用LAC来评估洛伦兹曲线的不对称程度(见补充方法)。它可以解释哪些阶层对不平等贡献最大(Damgaard & Weiner, 2000;吴,郑,魏,2017)。若洛伦兹曲线与等号线平行的点落在对称轴上LAC=1，则表示洛伦兹曲线是对称的(图2b)。如果该点位于对称轴之上(图2b)， LAC大于1，则不平等主要是由于少数个体享有大量的绿地面积或生态系统服务。如果该点位于对称轴以下(图2b)， LAC小于1，则贫困个体对不平等的贡献最大。
2.5. 整合和分析不同层次的数据
我们将沿城市中心边缘梯度的每个环(见补充图S3)作为一个单元，匹配绿地面积(或生态系统服务)与人口的空间信息，得到每个环的人均绿地面积和人均生态系统服务。为了确定城市中心边缘梯度上绿地覆盖、土地租金、人口、生态系统服务、人均绿地面积和人均生态系统服务的空间格局，我们通过简单的回归分析尝试了几种函数(包括线性、指数、对数和二次函数)。最后，我们选择具有最大解释力的函数(决定系数R2)来描述这些空间格局。
本研究通过人均绿地面积的Lorenz曲线和人均生态系统服务功能的Lorenz曲线检验是否存在系统差异，该过程由Wu, Zheng,& Wei(2017)在Stata软件中完成。以城市为单位，运用回归分析方法，探讨城市绿地空间不平等(包括绿地面积和生态系统服务)与城市人口、GDP、经济竞争力和主观生活质量等社会经济变量之间的关系。
3. 结果
3.1. 城市绿地覆盖与生态系统服务的空间格局
20个城市绿地覆盖度总体呈下降趋势，但不同城市的绿地覆盖度表现为单调下降、驼峰和无趋势三种类型(图3a和补充图S5)。土地租金和人口密度、调节服务、文化服务和总生态系统服务的总体趋势也沿着梯度下降(图3b-f和补充图S6- S10)。20个城市中心区每土地面积的生态系统服务价值在5690~86825 USD ha-1·yr-1之间，城市边缘区每土地面积的生态系统服务价值在107~23061 USD ha-1·yr-1之间。20个城市中心区与边缘区生态系统服务强度的差异在4~86倍之间。
图3 中国20个城市中心边缘梯度绿地覆盖与生态系统服务(a)绿地覆盖率。(b)地租。(c)人口密度。(d)调节生态系统服务。(e)文化生态系统服务。(f)绿地的生态系统服务总量。每条颜色线代表一个城市的一个模式，粗线是20个城市的回归。
城市中心边缘梯度的人均绿地面积呈现不同趋势(图4a和补充图S11)，人均调节服务也呈现不同趋势(图4b和补充图S12)。沿梯度的人均文化服务呈单调对数递减(图4c和补充图S13)，人均生态系统总服务也是如此(图4d和补充图S14)。在20个案例城市的中心区域，人均绿地面积最低仅为5m2，而最高则高达18m2(图4a)。人均调节服务最低为4美元/年-1，最高为18美元/年-1(图4b)。人均文化服务范围为4,949至85,920美元/年-1，人均生态系统总服务范围为4,956至85,928美元/年-1(图4c, d)。在20个案例城市的城市边缘，人均绿地面积最低仅为2 m2，最高为100 m2(图4a)。人均调节服务最低为3美元/年-1，最高为127美元/年-1(图4b)。人均文化服务范围从10到19,789美元/年-1，人均生态系统总服务范围从14到19,830美元/年-1(图4c, d)。
20个城市中心区文化服务占生态系统服务总量的比例平均为94%，人均文化服务占人均生态系统服务总量的比例为99%(图4e、f和附图S15和S16)。20个城市的城市边缘区，文化服务占生态系统服务总量的83%，人均文化服务占人均生态系统服务总量的97%。
图4 中国20个城市中心边缘梯度的人均绿地面积和生态系统服务。(a)人均绿地面积。(b)人均管制服务。(c)人均文化服务。(d)人均生态系统服务总量。每条颜色线代表一个城市的模式。(e) 3535个样地的文化服务在总生态系统服务中的比例。(f)沿城市中心边缘梯度427个环的人均文化服务占人均生态系统总服务的比例。
3.3. 人均绿地面积与生态系统服务的不平等
在20个案例城市中，绿地面积基尼系数最低(长春)为0.132，绿地面积基尼系数最高(广州，图5a和表1)为0.482。调节服务的基尼系数范围为0.118至0.486(图5b)。
图5 中国20个城市人均城市绿地面积和生态系统服务功能的Lorenz曲线(a)绿地面积。(b)管制服务。(c)文化事务。(d)生态系统服务总量。横轴-人口累积百分比。纵轴-与人口比例相对应的绿地面积或生态系统服务的百分比。每条颜色线代表一个城市。虚线-洛伦兹曲线的不对称系数大于1。实线-洛伦兹不对称系数小于1。a-d中的插入是基尼系数的频率分布。
文化服务的基尼系数总体较高，最低的为0.291(上海)，是绿地面积或调节服务基尼系数最低的2倍。文化服务的基尼系数最高为0.566(长春，图5c和表1)，比绿地面积或调节服务的基尼系数最高高出约17%。生态系统总服务功能的基尼系数为0.291 ~ 0.565(图5d和表1)，与人均文化服务功能的基尼系数相似。文化服务的基尼系数中位数最高(0.431)，其次是生态系统总服务(0.430)、调节服务(0.360)和绿地面积(0.357,Supplementary Fig. S17)。
表1 中国20个城市人均绿地面积和生态系统服务的基尼系数和洛伦兹不对称系数
图6 人均绿地面积Lorenz曲线与人均生态系统服务量Lorenz曲线的差异(一)安阳。(b)长春。杭州(c)。(d)成都。(e)南京。天津(f)。广州(g)。上海(h)。人均生态系统服务是人均文化服务和人均调节服务的总和。实线为两条洛伦兹曲线之差，灰色区域为95%置信区间。其他12个城市的结果见附图S18。
3.4. 绿地不平等与社会经济因素的关系
文化服务和生态系统总服务不平等与城市人口和GDP呈负相关，而绿地面积不平等与城市人口和GDP呈负相关(图7a、b和补充图S19)。主观生活质量与绿地面积不平等呈负相关，但与文化和总生态系统服务不平等无显著相关(图7c和补充图S19)。城市经济竞争力与绿地面积不平等呈正相关，与文化和生态系统总服务不平等呈负相关(图7d和补充图S19)。
4 讨论
4.1. 城市绿化水平的提高并不意味着绿地面积空间不平等的改善
人均绿地面积是反映城市绿化水平的重要指标(Fuller & Gaston, 2009;Hartig & Kahn, 2016)。世界卫生组织建议，城市的人均绿地面积应至少为9平方米(Carlin, Cormican， & Gormally, 2016)。在本研究中，90%的案例城市人均绿地面积大于9 m2，且与绿地面积基尼系数呈正相关(P<0.05，补充图S20)。因此，城市人均绿地面积的增加并不意味着空间不平等的改善。绿化水平和绿地面积的不平等是评估绿地在环境正义和公共健康方面的作用的重要因素（Jennings, Larson, & Yun, 2016; Richards, Passy, & Oh. Jennings, Larson, & Yun, 2016; Richards, Passy, & Oh、 2017)。未来应该创建一个将基尼系数与城市绿化水平相结合的综合指标，同时评价城市绿地建设的效率与平等性。
70%的案例城市中心地区人均绿地面积不到外围地区人均绿地面积的1/2(图4和补充图S21)。柏林市中心的人均绿地面积也较低(不到城市外围的1/3;Kabisch & Haase, 2014)和曼谷(不到周边地区的1/4;Thaiutsa, Puangchit, Kjelgren， & Arunpraparut, 2008)。LAC可以揭示造成不平等的主要因素(Wu, Zheng， & Wei, 2017)。超过50%的案例城市绿地面积的LACs小于1(图5和表1)，说明这种不平等主要是由于中心区人口多而获得的绿地面积少。因此，增加中心城区的绿地面积或减少中心城区的人口，将会减少城市人均绿地面积的不平等。城市中心区土地稀缺(Chang et al .， 2017)，城市规划者可以通过屋顶绿化、墙体绿化等方式增加中心区的绿化覆盖面积。从2000年到2015年，杭州市中心城区的人口密度从每平方公里35554人下降到31102人(Chen, 2018)。因此，降低中心区人口密度的政策符合城市发展的趋势，是减少人均绿地面积不平等的可行措施。
人均绿地面积的不平等对城市人口和GDP衡量的城市规模没有响应(P>0.05，图7)。同样，在德国的53个城市中，绿地面积的不平等与城市规模没有关系(w<e:1>斯坦曼，Kalisch& Kolbe, 2017)。相反，生态系统服务均等性与城市规模呈正相关(P<0.05，图7)，即大城市生态系统服务均等性低于小城市。生态系统服务不平等的改善是由两个因素驱动的。首先，与文化服务和生态系统总服务相关的地租空间格局，大城市比小城市更平坦(Chang et al., 2017)。也就是说，大城市地租沿中心边缘梯度的衰减速率要慢于小城市，本研究也发现了这一点(图3b和补充图S22)。其次，大城市的人口空间格局也比小城市平坦(Corner, Ongee, & Dewan, 2014)。值得注意的是，生态系统服务功能的空间不平等与人口密度衰减率或生态系统服务功能沿城市中心边缘梯度的减小没有直接关系，而是与人口与生态系统服务功能的空间匹配程度有关(补充图S22)。与小城市相比，大城市生态系统服务与人口格局的扁平化增加了生态系统服务与人口的空间匹配度，并进一步导致生态系统服务不平等的尺度依赖性。
图7 绿地空间不平等与社会经济变量的关系(a)城市人口与不平等。(b) GDP与不平等。(c)不平等与主观生活质量。(d)不平等vs.经济竞争力。绿点表示人均绿地面积基尼系数，蓝点表示人均生态系统服务基尼系数。
4.3. 绿地面积和生态系统服务的不平等关系到人类福祉
绿地面积的不平等不能很好地代表生态系统服务的不平等(图6和补充图S18)。在我们的研究中，绿地面积平等性与主观生活质量呈正相关(P<0.05,图7c)。这可能是因为人均绿地面积是个人可以直接看到的指标(Jennings, Larson&Yun, 2016)。城市的经济竞争力与绿地面积平等性呈负相关(图7d)。这可能是由于经济活动的集聚效应导致了当地绿地的建设(Keuschnigg, 2019)。绿地提供的文化服务可以塑造城市的文化氛围(Dickinson & Hobbs, 2017)，进而影响城市的竞争力(Ni, 2015)。我们还发现，文化服务均等性与城市经济竞争力呈正相关(补充图S19)。虽然这些关系并不意味着因果关系，但它们强调了研究绿地面积不平等和生态系统服务的重要性。
20个城市绿地提供生态系统服务的不平等程度(Gini=0.291-0.565，平均0.437)高于绿地面积(0.132-0.482，平均0.346，图5a、d和表1)，绿地面积和生态系统服务的不平等程度均低于公园面积(Gini = 0.56, Tang & Gu, 2015;Xing,Liu, & Liu, 2018)，因为绿地通常比公园更小，分布更均匀(w<s:1>斯坦曼，卡利施，&科尔贝，2017)。分散的绿色空间更容易接近，更有利于人们充分利用和共同分享(Kabisch & Haase, 2014;Xu,Haase,Pribadi,& Pauleit, 2018)。将本研究中绿地面积和生态系统服务的不平等与现有研究中其他维度的不平等进行比较时，绿地面积和生态系统服务的不平等程度都高于人均受教育年限的不平等程度(0.23,Yang, Huang& Liu, 2014;补充图S23)和人的活动(0.27,Althoff et al., 2017;补充图S23)。这可能是因为，与城市中相对完善的步行系统和普及九年义务教育不同，城市中不同地点的绿地供应受到经济水平和人们偏好的影响(Nesbitt, Meitner, Girling, Sheppard& Lu, 2019)，导致比教育和活动更大的不平等。大城市绿地提供的生态系统服务的不平等程度低于小城市(图7a, b)。有证据表明，接触绿地会让人们感到快乐，并能将贫富之间的心理健康不平等减少40% (Mitchell, Richardson, Shortt， & Pearce, 2015)。因此，我们推断，相对于小城市，大城市生态系统服务不平等的改善将有助于改善公众健康。
4.4. 局限性及进一步研究
通过不同城市的比较，研究了城市绿地空间不平等(包括绿地面积和生态系统服务)与以人口和GDP衡量的城市规模之间的关系。然而，这些关系并不能说明不平等随着城市发展的变化。未来的研究需要观察城市绿地空间不平等随时间的变化，以了解不平等随城市发展的变化。虽然我们发现了绿地空间不平等与主观生活质量、城市经济竞争力之间的关系，但这些关系并不意味着因果关系。这些关系的机理有待进一步研究。在本研究中，我们只关注绿地面积、文化服务和总调节服务的空间不平等。在未来，不同调节服务的空间不平等之间的关系可以进一步讨论。
5. 结论
以往关于城市绿地空间不平等的研究主要集中在绿地面积上。在本研究中，我们研究了城市绿地面积和生态系统服务在城市中心边缘梯度上的空间不平等，这有助于丰富关于绿地不平等的文献，并促进对绿地空间不平等的更深入理解。绿地提供的生态系统服务的不平等大于绿地面积的不平等。与小城市相比，大城市生态系统服务不平等程度较低，这主要是由于生态系统服务与人口的空间匹配程度提高所致。大城市生态系统服务不平等程度的降低将进一步改善公众健康，因为绿地提供的生态系统服务有助于减少健康不平等。我们还发现，中国20个城市的绿地面积不平等与城市规模之间不存在显著关系，这与其他研究中德国城市的结果一致。城市绿地面积不平等与主观生活质量呈负相关，生态系统服务不平等与城市经济竞争力呈负相关。城市绿化水平不能反映绿地面积和生态系统服务的空间不平等，城市规划者应综合考虑二者，同时评价绿地建设的效率和平等性。
