基于生態系統服務重要性的城鎮優化管理
——以福州沿海地區為例

阮俊杰

(上海市環境科學研究院, 上海 200233)

?

基于生態系統服務重要性的城鎮優化管理
——以福州沿海地區為例

阮俊杰

(上海市環境科學研究院, 上海 200233)

在RS與GIS技術支持下，選擇研究區比較重要的生物多樣性保護、土壤保持、水源涵養和洪水調蓄4個生態系統服務功能，對福州沿海地區生態系統服務功能進行綜合評估，并采用最小累積阻力模型開展基于生態系統服務重要性的城鎮建設用地空間分區優化研究。結果顯示：(1) 福州沿海地區生態系統服務重要性程度較高，極重要和重要區域的面積占總面積的66%，且空間差異明顯，北部較高，南部較低;(2) 研究區域可劃分為適宜建設區(2 698.06 km2)、限制建設區(1 345.06 km2)、生態保護區(655.08 km2)與重點生態保護區(459.92 km2)，建議結合區域實際情況開展差異化發展。

城鎮; 建設用地; 生態系統服務重要性; 最小阻力模型; 福州沿海地區

生態系統服務功能是生態系統及其生態過程所形成與維持的人類賴以生存的自然環境條件和效用，是人類生存和發展的基礎[1-2]。從20世紀70年代起，短短二十幾年時間內，對生態系統服務的研究已經發展成為生態學及其相關領域的研究前沿、熱點，備受研究人員關注[1-6]。生態系統服務重要性評價是針對區域典型生態系統，分析生態系統服務的區域分異規律，明確各種生態系統服務的重要區域，可以為生態系統的科學管理、生態保護關鍵區的確定、生態保護和建設政策的制定提供依據[7-8]。

近年來，我國工業化和城鎮化進程加快，城鎮建設用地快速擴張，大大削弱生態系統服務能力的發揮，環境污染、水土流失、植被破壞、生物多樣性減少等一系列生態環境問題凸顯，嚴重威脅區域生態安全和可持續發展[9]。因此，在城鎮空間拓展的同時，要注重土地資源的優化配置，達到城鎮建設需求與生態需求相互和諧。目前土地資源優化配置的研究多集中于土地利用數量結構的優化，而忽視了土地利用空間格局對諸多生態過程和功能的影響。本研究以福州沿海地區為例，基于地理信息系統(GIS)空間分析技術，評價區域生態系統服務重要性，并在此基礎上構建最小阻力模型，對土地資源進行優化配置，以期為地區的可持續發展和生態保護提供支持。

1 研究區概況

研究區域位于福州東部，毗鄰東海，下轄福州的5區2市2縣(鼓樓區、臺江區、倉山區、晉安區、馬尾區、長樂市、福清市、羅源縣和連江縣)，面積5 574 km2，人口260萬。該區域介于長江三角洲和珠江三角洲之間，臺灣島西面，區位條件優越，對臺合作優勢突出。福州沿海地區產業基礎堅實，港口岸線資源豐富，文化底蘊深厚，生態環境良好，其不但是福州的政治、經濟和文化中心，亦是福建乃至海峽西岸經濟區政治、經濟、文化、科研中心以及現代金融服務業中心。

2 研究方法

2.1 數據來源

本研究所用到各項數據，主要包括研究區行政邊界、DEM、土地利用數據、衛星遙感數據以及相關的氣象數據、土壤數據、生態敏感目標分布和生物資源分布等。上述數據來源于國家基礎地理信息中心、中國科學院生態環境研究中心、環境保護部衛星環境應用中心、福州市環境保護局以及前期的研究成果。

2.2 生態系統服務重要性評價

在已有的研究成果的基礎上，結合研究區域的生態環境特征，選擇比較重要的生物多樣性保護、土壤保持、水源涵養和洪水調蓄4個生態系統服務功能建立評價模型，對福州沿海地區的生態系統服務重要性進行綜合研究。

2.2.1 生物多樣性保護重要性評價 不同的生態系統類型保持生物資源的能力不同，同時重要的生態保護關鍵區對特殊物種和珍稀、瀕危生物的保護作用突出[10]。因此，根據生態系統類型重要性，并結合自然保護區、森林公園、風景名勝區和重要濕地等關鍵生態保護區范圍進行劃分，確定研究區生物多樣性保護重要性等級(表1)[10-11]。

表1 生態系統服務重要性分級

2.2.2 土壤保持重要性評價 采用InVEST模型[12]對研究區域的生態系統土壤保持功能進行評估。InVEST模型中的土壤保持模塊是以通用土壤流失方程為基礎，綜合考慮氣候、土壤、地形和植被等各影響土壤侵蝕的因子，并綜合考慮其自身的泥沙持留量，計算土壤保持量：

Ac=R·K·LS(1-C·P)+S

(1)

式中：Ac——土壤保持量[t/(hm2·a)]；R——降雨侵蝕力指標[(MJ·mm)/(hm2·h·a)]；K——土壤可蝕性因子；LS——坡長坡度因子；C——地表植被覆蓋因子；P——土壤保持措施因子；S——泥沙持留量。然后根據表1進行土壤保持重要性評價。

2.2.3 水源涵養重要性評價 采用InVEST產水量模型[12]，通過徑流調節量的大小進行評估。InVEST產水量模型是基于Budyko曲線和年均降雨量的數學模型，其中，產水量等于降水量減去蒸散量，公式如下：

Yxj=(1-AETxj/Pxj)Pxj

(2)

式中：Yxj——第j土地利用類型柵格x的產水量；AETxj——第j土地利用類型柵格x的每年實際蒸發量，Pxj——第j土地利用類型柵格x的年降雨量。通過InVEST產水量模型，估算區域年度產水量及其空間分布特征，然后根據表1進行水源涵養重要性評價。

2.2.4 洪水調蓄重要性評價 洪水調蓄是水生態系統自身水循環的一個過程，能夠起到自身調節作用，間接為人類減輕水系的洪水威脅，減少洪水和嚴重暴雨帶來的更大范圍的損失。洪水調蓄功能是通過衡量水體能夠容納調蓄的洪水量來體現，包括河道調蓄量、防洪庫容及濕地調蓄量，其重要性分為極重要、重要和一般重要3個等級(表1)[13]。

2.2.5 生態系統服務重要性評價 以各單項生態系統服務及其空間特征評價為基礎，對生態系統服務進行綜合評價。采用取大方法評價等級，利用GIS獲得生態系統服務重要性空間特征：

S=MAX(S1,…，Si)

(3)

式中：Si——i種生態系統服務重要性最高等級，i=1,…,4。

2.3 城鎮擴張優化管理

2.3.1 最小阻力模型 最小累積阻力是反映最小費用距離的重要概念，反映了物種在從源到目的地運動過程中所需耗費的最小代價[14-18]。從城鎮擴張的角度來講，阻力值反映的是對不同景觀單元對于城鎮空間擴張的阻力或適宜程度[19]。最小累積阻力模型最早由Knappen等[17]于1992年提出，經國內俞孔堅等[18]修改用下式表示：

(4)

式中：MCR——最小累積阻力值；f——與阻力因素呈正相關的函數；Dij——從源j到單元i的空間距離；Ri——景觀單元i對某物種遷移的阻力系數。模型的計算通過GIS空間分析(Spatial Analyst)模塊中的成本距離(cost distance)功能實現。

2.3.2 參數設置 源的確定：選擇2010年研究區域內的主要城鎮建成區作為城鎮用地的擴張源，包括了福州市主城區及周邊郊區區縣鄉鎮的建成區。

阻力面的構建：參照已有研究成果[20-22]，將區域景觀主要分為廊道、斑塊與基質，并賦予相對阻力系數。廊道指不同于兩側景觀的狹長地帶，多呈線性或帶狀結構。根據在城鎮擴張過程中所起的不同作用，將廊道分為通道型廊道(道路)和阻隔型廊道(河流)兩種。斑塊指與周圍環境在外貌或性質上不同，并具有一定內部均質性的空間單元。與廊道相同，亦可分為跳板(居民點)和障礙(生態敏感目標)兩種。基質指斑塊鑲嵌內的背景生態系統或土地利用形式，是景觀分布中最廣、連續性最大的背景結構。本研究的基質以先前的生態系統服務重要性評價為基礎，根據評價等級確定阻力系數。各景觀阻力系數確定如表2所示。

表2 主要景觀組分阻力賦值

2.3.3 城鎮建設用地適宜性分區 根據最小累積阻力計算結果，利用GIS的“再分類(Reclassfy)”工具中的“幾何周期(Geometrical Intervals)”分類模型，將最小累積阻力值劃分為4個等級，阻力值反映了城鎮空間擴展的空間阻力，阻力值越高的地方，城鎮空間越難以擴展，越不適宜于城鎮開發建設，可占用性越小；反之，越高。根據阻力值劃分結果，將研究區劃分為適宜建設區、限制建設區、生態保護區和重點生態保護區4類。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務重要性評價

3.1.1 生物多樣性保護重要性 生物多樣性保護重要性如圖1、附圖7—8所示，其中，極重要地區面積629.25 km2，占總面積的12.2%，主要分布在晉安區和閩清的西部地區；生物多樣性保護重要地區面積最大，達2 261.76 km2，占比43.85%，重要地區主要分布在羅源縣、連江縣、馬尾區和福清市西部；中等重要和一般重要的面積為1 002.44，1 264.68 km2，分別占總面積的19.43%，24.52%，主要分布在福州主城區及東部沿海地區。

圖1 生態系統服務重要性評價結果

3.1.2 土壤保持重要性 福州沿海地區土壤侵蝕程度較輕，土壤保持極重要地區面積380.39 km2，占總面積的7.37%，主要分布在區域北部的山區地帶；土壤保持重要地區面積最大，為1 991.21 km2，占比38.6%，主要分布在閩江以北地區，南部地區分布相對較少；中等重要和一般重要的面積為1 190.59，1 595.94 km2，分別占總面積的23.08%，30.94%，主要分布在福州主城區、長樂市和福清市的東部地區。

3.1.3 水源涵養重要性 研究區水源涵養功能突出，其中，水源涵養極重要和重要地區的面積分別為1 053.67，1 840.66 km2，占區域總面積的20.43%，35.69%，該區域主要分布在閩江以北地區，南部的長樂市和閩清市交界處及閩清市西部；中等重要和一般重要的面積為799.78，1 464.05 km2，分別占總面積的28.38%，15.51%，這些區域的分布狀況和土壤保持重要性相似，主要分布在福州主城區、長樂市和福清市的東部地區。

3.1.4 洪水調蓄重要性 如圖1、附圖7—8所示，極重要和重要地區面積分別為254.72，112.87 km2，占區域總面積的4.94%，2.19%，這些地區主要分布在閩江沿岸、中西部大型湖泊水庫以及東部沿海地區，其余地區均為洪水調蓄一般重要地區，面積4 790.57 km2，占比92.88%。

3.1.5 生態系統服務重要性 如圖1、附圖7—8所示，區域內生態系統服務極重要和重要地區分布面積較大，面積分別為1 707.02，1 767.14 km2，分別占區域總面積的33.09%，34.26%；而中等重要和一般重要地區的面積相對較小，分別為654.42，1 029.53 km2，分別占總面積的12.69%，19.96%。從空間上看，北部地區生態系統服務重要性較高，南部地區較低，最高值主要分布在晉安區中北部，而最低值主要分布在福州主城區、長樂市東部和福清市東南部地區。

3.2 城鎮建設用地適宜性評價

福州沿海地區東部地區累積阻力較低，西部地區累積阻力較高，總體適宜城鎮建設發展(圖2、附圖9)。其中，適宜建設區、限制建設區、生態優先區和生態保護區的面積分別為2 698.06，1 345.06，655.08，459.92 km2，分別占區域總面積的52.31%，26.08%，12.7%，8.92%。從附圖9中可以看出，重點生態保護區主要以西部山區的自然保護區、森林公園、風景名勝區和水資源保護區為主。生態保護區是區域內生態系統較為完整、生態環境質量較好的區域，多為山地。限制建設區主要是適宜建設區的外延，對于城鎮空間與生態空間起到過渡、屏障的作用。適宜建設區則包含了城市主城區及周邊城鎮的建成區，是城鎮空間擴展的主要區域。

3.3 分區調控管理

適宜建設區位于研究區域中部的福州中心城區，是福州市的政治、經濟、文化中心。區域內人多地少，用地矛盾突出，應以優化開發利用為主，強化建設用地集約節約利用，優化整合土地利用結構和布局，強化中心城市的吸引力及輻射帶動功能。(1) 合理配置中心城區用地，通過用地安排科學有效引導人口集中，形成用地布局與人口規模相協調的格局；(2) 重點保障城市基礎設施用地和城市生態用地，構建良好的人居生態環境。區域南、北兩翼地區具有一定城鎮化和工業化基礎，發展潛力較大，資源環境承載力較強、集聚經濟和人口條件較好的區域，是今后建設發展的重點區域。其中，北翼羅源和連江具有良好的生態及港口優勢，開發發展潛力大：應以開發羅源灣為重點，積極支持臨港工業用地建設；保障基礎交通設施建設，承接中部地區經濟輻射；協調土地利用與生態保護，保護生態用地，防止土地退化與污染。而南部長樂和福清人口眾多，經濟基礎好，具有僑胞多、港口條件優越等優勢：因地制宜安排用地布局，優化土地利用結構，引導工業集中區及經濟開發區沿鎮區發展方向布局；在增加建設用地的同時，加強建設用地內涵挖潛和優化整合，強化建設用地集約利用，提高單位用地投資強度和容積率；加強生態環境建設與保護，加強水土流失治理，提高水土保持林和沿海防護林比例。

圖2 最小累積阻力分布

限制建設區多為適宜建設區的外延，是區域內耕地和園地的主要分布區。(1) 嚴格控制建設用地開發強度，限制企業發展規模，優先考慮低能耗、低污染的企業發展，確保城鎮建設與工業區擴展盡量不占或少占耕地；(2) 加強耕地保護，建設高標準農田，推進土地整理、復墾和開發，進一步挖掘土地利用潛力，保證耕地補充來源；(3) 調整優化園地結構，發展觀光農業，提高園地的經濟效益；(4) 加強對生態系統的保護及維系治理，提高生態系統利用效益，實現生態環境的良性循環。

生態保護區：區內生態系統完整，生態質量良好的山地丘陵。(1) 明確主導生態功能，建立生態功能保護區，制定管理規范，保護區域重要生態功能，防止和減輕自然災害，協調流域及區域生態保護與經濟社會發展；(2) 保障生態系統完整，禁止建設用地開發，允許在合適的區域發展生態農業和休憩旅游設施；(3) 優化生態安全空間格局，對生態脆弱區加強修復，構筑城市生態安全屏障。

重點生態保護區：主要包括自然保護區、飲用水源地、重要濕地和森林公園等。(1) 加強對自然保護區的管理和建設，禁止各類建設用地的發展，確保區內自然生態系統、生物物種和自然遺跡的完好；(2) 加強飲用水源區保護，不斷提高水源地的水源涵養能力，確保水質安全；(3) 加強濕地保護，優化濕地生態環境，并在濕地的周圍陸域建立鳥類棲息保護地，提升區域生物多樣性；(4) 加強對森林公園的管理，充分保護森林風景資源、生物多樣性和現有森林植被。

4 結 論

本研究顯示：福州沿海地區生態系統服務重要性程度較高，極重要和重要地區面積分別為1 707.02，1 767.14 km2，占區域總面積的33.09%，34.26%。空間上異質性明顯，北部山區和閩清西部地區的生態系統服務重要性較高，中部建成區、沿海沖擊平原及閩清東南部地區的生態系統服務重要性較低。根據這一明顯的空間差異特征，可有效提高區域生態保護策略、生態系統服務功能管理與生態補償機制的針對性。

本研究基于生態系統服務重要性評價，通過最小累積阻力模型得出城鎮建設用地適宜性分區，結果顯示：適宜建設區的面積達2 698.06 km2，符合《福州市土地利用總體規劃大綱(2006—2020年)》對于研究區域建設用地的需求，同時提出的分區管理調控措施對于區域開發建設過程中生產、生活空間對生態空間的占用以及區域生態安全格局的構建具有一定的指導意義。

[1] Daily G C. Nature′s Services: Societal Dependence on Natural Ecosystems[M]. Washington DC: Island Press,1997.

[2] Costanza R, D′Arge R, De Groot R, et al. The value of the world′s ecosystem services and natural capital[J]. World Environment,1997,387(6630):3-15.

[3] SCEP. Man′s Impact on the Global Environment[M]. Cambridge: MIT Press,1970.

[4] Millennium Ecosystem Assessment. Ecosystems and Human Well-Being[M]. Washington D C: Island Press,2005.

[5] 馬鳳嬌,劉金銅, Eneji A E.生態系統服務研究文獻現狀及不同研究方向評述[J].生態學報,2013，33(19):5963-5972.

[6] 鄭華,李屹峰,歐陽志云,等.生態系統服務功能管理研究進展[J].生態學報,2013,33(3):702-710.

[7] 王治江,李培軍,萬忠成,等.遼寧省生態系統服務重要性評價[J].生態學雜志,2007，26(10):1606-1610.

[8] 王治江,李培軍,王延松,等.遼寧省生態功能分區研究[J].生態學雜志,2005,24(11):1339-1342.

[9] 鐘式玉,吳箐,李宇,等.基于最小累積阻力模型的城鎮土地空間重構:以廣州市新塘鎮為例[J].應用生態學報,2012,23(11):3173-3179.

[10] 李月臣,劉春霞,閔婕,等.三峽庫區生態系統服務功能重要性評價[J].生態學報,2013,33(1):168-178.

[11] 香寶,任華麗,馬廣文,等.成渝經濟區生態系統服務功能重要性評價[J].環境科學研究,2011,24(7):722-730.

[12] Tallis H T, Ricketts T, Nelson E, et al. InVEST1.005 Beta User′s Guide[Z]. Stanford: The Natural Capital Project,2010.

[13] 肖燚,陳圣賓,張路,等.基于生態系統服務的海南島自然保護區體系規劃[J].生態學報,2011,31(24):7357-7369.

[14] Adriaensen F, Chardon J P, Blust G D, et al. The application of ‘least-cost’ modelling as a functional landscape model[J]. Landscape & Urban Planning,2003,64(2):233-247.

[15] Environmental Systems Research Institute. Cell-based modeling with GRID[Z]. US: ESRI, Inc.，1991.

[16] 李紀宏,劉雪華.基于最小費用距離模型的自然保護區功能分區[J].自然資源學報,2006，21(2):217-224.

[17] Knaapen J P, Scheffer M, Harms B. Estimating habitat isolation in landscape planning[J]. Landscape & Urban Planning,1992,23(92):1-16.

[18] 俞孔堅.生物保護的景觀生態安全格局[J].生態學報,1999，19(1):8-15.

[19] 張有坤,樊杰.基于生態系統穩定目標下的城市空間增長上限研究:以北京市為例[J].地理經濟,2012，32(6):53-58.

[20] 陳燕飛,杜鵬飛,鄭筱津,等.基于GIS的南寧市建設用地生態適宜性評價[J].清華大學學報：自然科學版,2006,46(6):801-804.

[21] 陳燕飛,杜鵬飛.基于最小累積阻力模型的城市用地擴展分析[C]∥中國城市規劃學會.和諧城市規劃:2007中國城市規劃年會論文集.哈爾濱:黑龍江科學技術出版社，2007.

[22] 張小飛,王仰麟,李正國.基于景觀功能網絡概念的景觀格局優化:以臺灣地區烏溪流域典型區為例[J].生態學報,2005，25(7):1707-1713.

Research on Optimal Management of Urban Expansion Based on Importance of Ecosystem Service—A Case Study of Fuzhou Coastal Areas

RUAN Junjie

(ShanghaiAcademyofEnvironmentalSciences,Shanghai200233,China)

We selected four major ecosystem services such as biodiversity conservation, soil conservation, water conservation and flood storage to evaluate the importance of ecosystem services of Fuzhou coastal areas using RS and GIS techniques. We chose the minimum cumulative resistance model to conduct urban space dividing research based on a combination of ecosystem service importance assessment models. The results indicate that: (1) the ecosystem service importance of Fuzhou coastal areas is higher, the most important areas and regional area account for 66% of the total area, and the obvious spatial of ecosystem service importance is different, and the ecosystem service importance is high in the north and low in the south; (2) the total area can be divided into four parts: Suitability land for construction, restrictive land for construction, ecological conservation land and key ecological conservation land, the areas of which were 2 698.06 km2, 1 345.06 km2, 655.08 km2and 459.92 km2, respectively. We suggest alternative development plans with respect to the actual conditions of each area.

urban; construction land; ecosystem service importance; minimum cumulative resistance model; Fuzhou coastal areas

2014-10-28

2014-11-17

環保部項目“全國分省生態環境十年變化調查與評估”(STSN-05)

阮俊杰(1984—),男,浙江紹興人,碩士,工程師,主要從事遙感與GIS應用研究。E-mail:dhurjj@126.com

F301.24; X826

1005-3409(2015)05-0186-05