福州市土地生態系統服務時空分異特征

胡喜生,洪 偉,吳承禎*,祁新華

(1.福建農林大學城市規劃系,福建 福州 350002；2.福建農林大學森林生態研究所,福建 福州 350002；3.福建師范大學地理科學學院,福建 福州 350007)

土地生態系統服務已經成為當今國內外可持續發展研究的熱點之一[1-8].目前,國內外研究主要圍繞土地生態系統服務內涵[9-10]、類型劃分[1,11]及其價值評估方法[12-13]等方面進行了有益的探討,國內主要運用價值系數法對區域生態系統服務價值進行評估并開展生態環境狀況評價等方面的研究[14-15],但對研究區土地生態系統服務價值本身空間分布特征的研究較少[16-17].梁守真等[18]采用變異系數分析了洞庭湖區生態服務價值區域差異,表明該區土地利用變化明顯,各縣市之間差異明顯;胡和兵等[19]對南京市九鄉河流域生態系統服務價值的空間異質性及其與城市化之間的關系進行研究,表明城市化對流域生態系統服務價值的負效應明顯;許倍慎等[15]運用地統計學方法,揭示了潛江市2009年生態系統服務價值在縣級空間尺度上的依賴性和異質性,并對空間分布狀況與特征進行了分析.這些研究均表明對區域土地生態系統服務價值的空間分布格局進行研究,有利于揭示研究對象之間的空間相互作用機制和深入了解區域生態系統的特征.然而,現有的對區域土地生態系統服務價值空間變異的研究大部分停留在對研究區不同區域土地生態系統服務價值估算的基礎上進行簡單的橫向比較分析,很難揭露區域土地生態系統服務價值空間分異的內在機制.為了對區域土地生態系統服務價值進行定量計算并對其空間分異特征的內在變化機制進行分析,本文以 Costanza等[1]和謝高地等[20]的研究成果為基礎,對福州市1993、2004和2009年各縣(市)區的土地生態系統服務價值進行核算,并借鑒“力矩平衡點”的方法[21],對該市土地生態系統服務價值空間分布重心及其轉移路徑進行探討,結合生態服務功能分區,從而為研究區制定土地利用政策提供更加可靠的科學依據.

1 研究區域概況

福州(118°08′～120°31′E, 25°15′～26°39′N)位于福建省中部東端,臺灣海峽西岸,全市土地總面積12154km2.現轄鼓樓區、臺江區、倉山區、晉安區、馬尾區、閩侯縣、連江縣、羅源縣、閩清縣、永泰縣、平潭縣、長樂市、福清市等 5區6縣2市,2010年全市總人口 711萬人,市區人口292萬人,人口密度為581人/km2.2011年,福州市實現地區生產總值 3734.78億元,人均地區生產總值 52144元.境內地形復雜,地貌多樣,南部為福州盆地的大部分,北部為山地,從西南向東傾斜,西部為中低山地,東部丘陵平原相間,鷲峰、戴云兩山脈斜切南北,閩江橫貫市區東流入海.海岸線曲折迂回,長達 1148.8km,海岸直線距離為 146km.沿海大小島嶼 316個,平潭島245km2,為全國第五大島.屬亞熱帶海洋性季風氣候,溫暖濕潤,雨量充沛.全年無霜期326 d,年平均氣溫 19.6℃,年降雨量 900～2100mm.風向受地貌影響很大,風速由沿海到山地遞減顯著,6～9月為臺風季節,最大風力可達12級.

2 研究方法

2.1 土地利用數據來源

本文所采用的福州市 1993、2004和 2009年的土地利用數據由福建省地質遙感與地理服務中心提供,數據格式為 Shapfile格式,包含土地利用一級類型 8個.將城鎮村及工礦用地和交通運輸用地合并為建設用地,合并后共有 7個土地利用一級類型(表1).

2.2 土地生態系統服務價值的估算方法

2.2.1 非建設用地生態系統服務價值的估算方法 非建設用地包括耕地、園地、林地、草地、水域以及未利用土地,其單位面積服務價值計算公式如下：

式中：Pa為1個服務價值當量因子的經濟價值量;pi為i類土地生態系統單位面積的經濟產值;Pij為i種土地生態系統j種服務功能的單位面積價值;eij為i種土地生態系統j種服務功能的當量數,各種土地生態系統的不同服務價值當量因子參照參考謝高地等[20]的研究結果.

2.2.2 建設用地生態系統服務價值的估算方法 Costanza等[1]認為建設用地生態服務價值為零,而實際上建設用地作為土地生態系統的重要組成部分,對自然和半自然生態系統服務功能的發揮及其價值大小產生的影響應當專門考慮和計算[22].其對生態系統服務的影響主要體現在大氣調節、水分調節和廢物處理等各項功能方面.本文借鑒有關研究成果,采用防治成本法、替代成本法等間接市場法來估算建設用地對生態系統服務價值的影響,從而為生態服務價值的修正提供依據[22-24].其中氣體調節的影響價值采用防治成本法測算;水源涵養的影響價值采用替代成本法測算;廢物處理的影響價值采用防治成本法測算;氣候調節、土壤形成與保護、生物多樣性保護、原材料的影響取值為0[25].

建設用地氣體調節生態服務價值計算公式：

式中：Pg為建設用地氣體調節單位面積生態服務價值;Qt為t類廢氣排放量;Ct為治理t類廢氣所需的成本;Su為建設用地總面積.

建設用地水源涵養生態服務價值計算公式：

式中：Pw為建設用地水源涵養單位面積生態服務價值;W為用水總量;P為水單價(按 1.70元/t計算);Qw為廢水排放總量;Cw為治理廢水所需的成本.

建設用地廢物處理生態服務價值計算公式：

式中：Pr為建設用地廢物處理單位面積生態服務價值;Qr為廢物排放量;Cr為治理廢物所需的成本.

福州市為歷史文化名城,具備一定的旅游開發潛力,但是缺乏必要的數據,因此本文將《福州統計年鑒 2010》[26]中旅游總收入在建設用地、水域和森林三者之間平攤,作為建設用地的娛樂文化價值.

2.2.3 土地生態系統服務單位面積價值的確定 由于福建省特殊的地形特征,素有“八山一水一分田”之稱,丘陵、山地的比例占絕對優勢,因此,僅以農田糧食產量作為核算基礎,計算結果誤差將較大,為此,提出根據種植面積較大的農作物(包括糧食、蔬菜、果樹、茶葉等)的單位面積經濟價值來計算其他生態系統服務的經濟價值.根據《福州年鑒 2010》[27]中各種主要農作物面積、產量、總產值的數據,利用式(1)計算得到福州市的服務價值當量因子Pa＝4 262.73元[28].進一步根據謝高地等[20]制定的我國生態系統生態服務價值當量因子表和式(2)計算得到福州市不同類型土地生態系統的單位面積生態系統服務價值,結果詳見文獻[28]表(3),其中建設用地的氣體調節、水源涵養、廢物處理單位面積價值根據式(3)～式(5)計算,其中用于計算的城市“三廢”排放量及治理費用數據來源于《福州統計年鑒2010》[26].

2.2.4 土地生態系統服務價值的估算方法 根據各類土地生態系統面積和單位面積生態系統服務價值,區域土地生態系統服務總價值為：

其中：V為區域土地生態系統服務總價值;Ai為各類土地生態系統的面積.

2.3 土地生態系統服務價值重心計算方法

圖1 福州市各縣(市)區相對坐標Fig.1 Relative coordinates of each county in Fuzhou City

空間分布重心的計算方法有范力農“銅心”法[29]和弗朗西斯·沃爾克“力矩平衡點”法[21].美國學者弗朗西斯·沃爾克于 1874年提出的“力矩平衡點”法計算分布重心的辦法具有較強的普適性,得到眾多學者的認同[21,29-30],因此,本文也采用此方法計算價值重心,其定義為：一個地區各縣(市)區的土地生態系統服務價值在全部平面上力矩達到平衡的一點即為價值重心.當某個縣(市)區的土地生態系統服務價值發生變化時,其價值重心也會發生相應的移動,根據價值重心移動的軌跡,可以發現該地區土地利用空間分布的變化趨勢.其計算公式如下：

式中：和為區域土地生態系統服務價值分布重心的坐標;n為組成該區域的縣(市)區的數目;Ei為各縣(市)區的土地生態系統服務總價值(或不同類型土地生態系統服務價值);xi、yi是以福州市政府的坐標(0,0)作為參照時,各縣(市)區政府所在地的相對坐標(xi,yi)(圖1).

3 結果與分析

3.1 土地生態系統服務價值空間分異

由表 1可知,福州市土地生態系統服務價值1993～2009年經歷了先減少后增加的過程,1993年土地生態系統服務價值為 95541.91×106元,2004 年為 91437.19×106元,年均減少 373.16×106元,而 2009年值為 99192.32×106元,年均增加1551.03×106元.其中單位面積服務價值最高的水域面積在研究前期減少幅度較大,而在研究后期迅速增加是最主要的原因.

在各種土地利用類型中,林地生態系統服務價值不斷增加,且對在福州市土地生態系統服務總價值的貢獻最大,水域對土地生態系統服務總價值的貢獻排第二,兩者的價值之和約占總價值的 87%～92%;耕地與草地生態系統服務價值呈明顯下降趨勢;建設用地對土地生態系統服務總價值的負面影響逐漸增加.

在各縣(市)區中,永泰縣、閩侯縣和福清市的土地生態系統服務價值位居前三,占福州市土地生態系統服務總價值的 50%以上;而市轄區、長樂市和平潭縣的土地生態系統服務價值為倒數第三,只占福州市土地生態系統服務總價值的15.87%.從各縣(市)區的平均單位土地面積服務價值來看,總體上表現為在水域面積比例較大的或森林面積比例較大的縣(市)區較高,前者如平潭縣、連江縣和福清市等沿海區域,后者如永泰縣、閩清縣和羅源縣等;而市轄區由于其建設用地面積所占比例較大,因而其平均單位土地面積服務價值較低.各縣(市)區的土地生態系統服務價值在三個時期間變化規律基本一致.

3.2 福州市土地生態系統服務價值重心空間分異

根據式(7)可知,土地生態系統服務價值重心的分布受各縣(市)區政府所在地相對坐標和他們各自的土地生態系統服務價值大小的影響.各種價值重心均分布在福州市中心城區附近(圖2).這說明福州市中心城區不但是區域行政中心、地理中心、經濟中心,而且是生態服務中心,可以從一個側面證明了福州市行政中心選址的合理性.其中總價值重心分布在第三象限,這主要是由于福清縣、閩侯縣、永泰縣和閩清縣的土地生態系統服務價值較大,而羅源縣、長樂市和平潭縣的較小.總價值重心從1993～2004年呈現由東向西、由南向北移動的趨勢;從 2004～2009年呈現由西向東的趨勢,而在南北方向變化不大.

由圖 2可知,福州市各種土地利用類型的生態系統服務價值重心在1993、2004和2009年期間變化規律存在明顯的差異.其中,草地、未利用土地和園地價值重心在研究期間轉移范圍較大,而耕地、林地的價值重心在研究期間轉移范圍較小.價值重心轉移范圍大小的決定因素是各縣(市)區中不同類型土地生態系統服務價值的變化率,變化率越大,價值重心轉移就越大.

1993～2004年期間,耕地、未利用土地的價值重心變化方向與總價值變化方向較一致,林地、草地、建設用地的變化方向則反,而園地與水域的變化方向與總價值變化方向形成一定的角度,對總價值變化方向具有一定的推動作用.在1993～2004年期間,福州市實行“東擴、南進”的城市發展戰略,在此方向上,建設用地拓展迅速,占用耕地、未利用土地等用地的現象嚴重,同時對園地與水域具有一定的侵占現象,但林地面積不但沒有減少反而略有增加,因此造成上述各土地利用類型價值重心的變化趨勢,并導致了總價值重心“西擴、北進”的轉移過程.具體表現如下：位于福州東南方向的市轄區、福清市、長樂市和連江縣的耕地、水域等用地類型降幅較大,該期間市轄區、福清市、長樂市和連江縣減少的耕地面積占福州市耕地減少總面積的69.83%,減少的水域面積占福州市水域減少總面積的66.24%,增加的建設用地面積占福州市新增建設用地總面積的比例高達71.10%;而西北方向的閩清縣、永泰縣和羅源縣的新增建設用地的比例較小,只占福州市新增建設用地總面積的24.12%,因此,林地、水域和耕地等生態系統服務價值當量較高的土地利用類型面積變化較少,其中林地面積也略有增長,但增長幅度低于東南方向的縣(市)區.

表1 福州市各縣(市)區1993、2004和2009年不同類型土地生態系統服務價值Table 1 Land ecosystem values in each county of Fuzhou City in 1993, 2004 and 2009

2004～2009年期間,林地、水域的價值重心變化方向與總價值變化方向較一致,園地的變化方向則反,耕地、草地、建設用地、未利用土地的變化方向與總價值變化方向形成一定的角度,對總價值變化方向具有一定的作用.這主要由于福州市在此期間實施“東擴、南進、西拓”的城市發展戰略,其中以“西拓”特征最為明顯.具體表現為：位于福州市轄區西面的閩侯縣在該期間土地利用發生了較大的變化,如該縣耕地減少的面積占福州市耕地減少總面積的27.18%,草地減少的面積占福州市草地減少總面積的15.36%,新增建設用地面積占福州市新增建設用地總面積的28.35%;位于福州市轄區東南面的長樂市和連江縣減少的耕地、草地面積和新增建設用地面積分別占福州市各自類型土地變更總量的 28.11%、17.91%和 19.76%.由此可見,城市發展戰略(城市化方向)將通過對重點建設區域土地利用的變更,導致了這些區域土地生態系統服務價值的降低,從而使得價值重心發生轉移.

圖2 福州市1993、2004和2009年不同類型土地生態系統服務價值重心轉移路徑Fig.2 Barycenter transfer routes of ecosystem service value of different land use types in 1993, 2004 and 2009

從福州市1993、2004和2009年各種土地利用類型的生態系統服務價值變化情況看,該市對單位面積生態系統服務價值較高的林地和水域保護較好,面積均有不同程度的增長.如在“十一五”期間,位于福州東部沿海的連江縣林地面積增長幅度在20%左右,其他縣(市)區林地面積也均有微小幅度的增長;位于福州東部沿海的連江縣、羅源縣、福清市和長樂市,水域面積增長幅度在 20%～90%區間,其中連江縣增長幅度高達 90%左右,羅源縣增長幅度也超過 50%.研究期間,福州市各縣(市)區的耕地、草地、園地和未利用土地面積不斷減少,大部分轉化為建設用地,但土地生態系統服務總價值不但沒有下降,反而增加,這要得益于政府的“退耕還林”、“退灘還水”等環境保護政策.因此,政府環境保護與經濟發展和社會進步協調發展的策略,有助于土地生態系統服務功能的維持.

3.2 土地生態系統服務功能分區

為了進一步區分不同縣(市)區的資源生態承載能力,并制定不同的空間開發策略,本文擬對福州市土地生態系統服務進行功能分區.土地生態服務功能分區就是依據土地生態系統服務價值以及地理區位等,將研究區劃分為不同的生態服務區類型.由于福州市各縣(市)區在 3個時期土地利用結構基本一致,因此,本文僅以2009年為例,運用SPSS軟件的K均值聚類功能對福州市進行土地生態系統服務功能分區,同時分析各類功能區的不同特征,可以為福州市產業布局和生態環境建設提供參考依據.將13個縣(市)區的聚類類別數設置為3類,聚類結果如表2所示.

圖3 福州市土地生態系統服務功能分區Fig.3 Land ecosystem service function zoning of Fuzhou City

第一類包括鼓樓區、臺江區和倉山區,主要特征為建設強度最大,土地生態系統服務價值為(53.24～673.07)×106元,生態基質薄弱;第二類包括馬尾區、福清市、長樂市、平潭縣,主要特征為建設強度適中,具有一定面積比例的耕地、林地和水域用地,土地生態系統服務價值為(2516.37～16539.18)×106元,生態基質一般;第三類包括晉安區、閩侯縣、連江縣、羅源縣、閩清縣和永泰縣,主要特征為建設強度小,具有大面積的森林,但水域面積比例不高,土地生態系統服務價值為(4171.97～18416.21)×106元,生態基質好.據此將福州市劃分為 3個生態功能區(圖 3)：人工調控生態區、半自然半人工恢復生態區和自然調控生態區.

4 建議

伴隨著城市化進程的高速運行,生態用地的數量、功能與性質將發生了巨大的轉變,生態用地規劃和保護問題亟待解決.首先應通過生態敏感性分析合理劃分生態用地和建設用地,確定其邊界,給予嚴格的保護和發展導引[31].由于土地利用規劃是指導土地利用變化地政策性綱領,而土地利用變化會引起土地生態系統服務價值的變化[32-33],因此可以根據土地生態系統服務價值的總量和構成的不同,將研究區劃分為人工調控生態區、半自然半人工恢復生態區和自然調控生態區 3個生態功能區,并在土地利用規劃中賦予不同的生態保護對策：

表2 聚類結果Table 2 Final cluster membership

人工調控生態區：土地利用強度最大區域,城市建設的同時應重視生態基質用地的保護,強調生態基礎設施的建設,注重人工與自然環境的合理布局;城市發展規模應充分考慮自然生態環境的承載能力,切忌“超載”而造成生態環境的破壞;開發建設閩江、烏龍江水系兩側用地用時,應加強濕地保護、濱水綠帶綠化建設.

半自然半人工恢復生態區：城市內部綠地建設應與周邊森林用地融為一體,營造城市森林;濱海、入?？趨^域開發應與濕地建設、生態綠地網絡化相結合;臨近山體區域嚴禁開挖山體,破壞環境,要在山腳、陡坡等周圍進行重點綠化;加強自然生態群落的營造,保護鄉土樹種、地域景觀;城市綠地、基本農田保護區、林地、園地與水系成為有機整體.

自然調控生態區：嚴格控制該區城市建設用地的開發,以保護自然生態環境為主,建設規模不易過大過密;控制城市建設的占地量,強調相對集中而整體分散的發展模式;嚴格控制該區的人口發展規模;在水源保護地一定范圍的建立緩沖區并嚴加控制,以防止建設開發活動過度而破壞水源;主要發展生態旅游產業.

5 結論

5.1 福州市各縣(市)區在 1993、2004和 2009年 3個時期的土地生態系統服務價值時空分異的研究結果表明：該市土地生態系統服務價值從1993年到 2009年經歷了先減少后增加的過程,其值從 1993年的 95541.91×106元降低至 2004年的 91437.19×106元,而后又增加至 2009年的99192.32×106元.其中,林地對福州市土地生態系統服務價值的貢獻最大,水域次之,兩者價值之和約占總價值的 87%～92%,而建設用地對土地生態系統服務價值的負面影響逐漸加大.各縣(市)區的土地生態系統服務價值由大到小依次為永泰縣＞閩侯縣＞福清市＞閩清縣＞連江縣＞羅源縣＞市轄區＞長樂市＞平潭縣.

5.2 土地生態系統服務價值重心的轉移趨勢受各種土地利用類型變化規律的影響,而土地利用類型的轉變受城市發展戰略和環境保護政策的影響.如福州市在研究前期實行的“東擴、南進”的城市發展戰略與后期實行的“東擴、南進、西拓”的城市發展戰略,直接導致了各縣(市)區土地利用方式的異質性特征,從而影響土地生態系統服務價值的空間分布,進而使得各種價值重心發生空間轉移.

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