基于生態系統服務價值的曹妃甸新區土地利用空間優化

袁殷　馬麗梅　王暉　張樂

摘要：以曹妃甸新區為例，提出了基于生態服務價值的土地利用空間優化方法，運用RS與GIS技術，采用最小積累阻力模型，模擬曹妃甸新區生態保護用地和城鄉建設用地擴張過程，合理的劃分土地空間分布格局并提出各區域的管制要求。結果表明，曹妃甸新區生態系統服務價值整體上由北向南分異明顯，呈現中、高、低分布趨勢。區域可分為重點保護區、一般保護區、適宜建設區、優化建設區，面積分別為214.39、809.42、499.11、424.91 km2，結果突出了生態系統服務價值的空間差異，完善了土地空間優化方法。

關鍵詞：生態系統服務價值；土地利用；最小積累阻力模型；曹妃甸新區

中圖分類號：F301 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）08-1968-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.08.015

Abstract： In order to better coordinate the contradiction between economic development and ecological protection，taking Caofeidian new district as an example， using RS and GIS technology， the paper presents the partition method of land space based on ecosystem service value. We used the minimum resistance model to simulate the expansion process of urban construction land and ecological protection land and predicted the reasonable land spatial distribution pattern and the regional regulatory requirements. The results showed that：the ecosystem service value of Caofeidian New District showed obvious differentiation from north to south with high，medium and low distribution. The total area could be divided into four parts：Key protected zone， general protection region， construction-suitable zone and construction optimized zone. The area was 214.39， 809.42，499.11，424.91 km2， respectively. The results highlight the spatial differences in ecosystem service valueand improved the land space partition method， which was significant for the sustainable land use in Caofeidian new district.

Key words：ecosystem service value；land use；minimum accumulation resistance model；Caofeidian new district

生態系統服務為人類提供醫藥、食物以及生活所需的其他生產原料，形成和維持人類賴以發展和生存的環境和效用，同時還具有凈化環境、維持地球生物化學循環、維護和支撐物種及遺傳多樣性等作用[1-3]。生態系統服務價值的退化和喪失越來越威脅到人類的健康和安全。隨著全球環境保護意識的不斷增強與資源的過度利用，生態系統服務價值不斷地退化和喪失，已經威脅到人類的健康和安全，乃至全球的生態安全[4-6]，已成為國際生態學研究的前沿和熱點，將為區域性環境問題的有效解決和可持續發展提供積極的科技支撐。生態系統服務價值作為生態系統服務研究的重要方面之一，是量化和評價生態服務功能強弱的重要方法[7-9]。自20世紀90年代以來，國際社會關于生態系統服務價值的研究以及評估獲得了較為廣泛的關注，尤其是聯合國等有關機構與國際組織為生態系統服務的研究做出了杰出的貢獻[10-12]，近年來中國學者從生態系統服務評價方法[13]、生態系統內外部驅動因素[14]等方向分別展開了研究，并取得了顯著成果。

土地利用空間優化[15，16]是對土地利用的合理布局。國內外學者常采用識別土地利用類型資源型關鍵地段的方式，對某一區域進行土地利用用途管制分區，但隨著城鎮化以及工業化進程的快速發展，區域內土地利用類型隨之發生劇烈的相互轉化，使得區域內土地利用景觀類型的斑塊面積減小，且破碎度增大。在這種情況下，僅僅通過識別土地利用類型資源型關鍵地段的方式進行土地空間分區存在一定的困難。

曹妃甸新區作為典型的經濟快速發展的城市之一，隨著經濟的快速發展，土地利用和覆被發生劇烈變化，生態環境脆弱。因此，本研究運用RS和GIS技術，分析曹妃甸新區生態系統服務價值的空間分異特征，識別出曹妃甸新區生態敏感區域，基于最小積累阻力模型構建土地空間分區模型，從而劃分較為合理的曹妃甸新區土地利用空間分布格局并提出分區管制要求，以期為曹妃甸新區城市化過程中土地資源持續利用和生態保護提供科學依據。

1 研究區概況

曹妃甸新區位于河北省唐山市南部沿海，地理坐標北緯38°54′-39°26′，東經118°59′-118°54′，總面積為1 943.72 km2。現管轄“兩區一縣一城”，即曹妃甸工業區、唐海縣、南堡經濟開發區和曹妃甸新城。截至2007年，曹妃甸新區人口22萬，主要集中在唐海、南堡開發區和曹妃甸工業區。研究區屬東部季風區暖溫帶半濕潤氣候區，四季分明，雨熱同季，年平均氣溫10.8 ℃，春夏兩季氣溫比同緯度地區偏低。區域內主要分布有耕地、林地、鹽田、居民點及工礦用地、港口碼頭、沿海灘涂、淡水水域及濕地、未利用地等土地利用類型。新區具有豐富的水生動、植物資源，為以水禽為主的鳥類提供了豐富的食物來源和筑巢、隱藏等天然的活動場所和棲息環境。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

基于成像時間為2010年8月曹妃甸新區SPOT5影像數據，分辨率為5 m。用幾何精校正及配準的1∶50 000土地利用現狀圖及其矢量化數據，對影像進行配準。采用遙感多波段數據融合獲取土地利用信息，通過相關性及統計分析，確定最佳波段影像組合為TM3（B）、4（G）、7（R）合成假彩色方案。根據建立的土地利用地表景觀解譯標志，利用Envi的分類監督功能解譯出2010年曹妃甸新區土地利用現狀圖（圖1）。參照《全國土地分類》，將研究區土地利用分為耕地、林地、未利用地、淡水水域及濕地、鹽田、居民點及工礦用地、沿海灘涂以及港口碼頭等8種類型。在遙感影像分類結果上隨機選取100個檢查點，通過實地調查、參考同年的土地利用圖和地形圖獲取檢查點的實際土地利用類型，然后在ENVI 4.7軟件的支持下計算混淆矩陣和Kappa指數，對遙感影像的解譯結果進行精度檢驗，得出遙感影像解譯精度評價結果達到85%以上，滿足本研究的需要。

2.2 研究方法

2.2.1 區域生態服務價值修正 根據Costanza等[5]的研究，通過估算生態系統服務價值，從科學意義上明確生態系統服務價值的方法及原理。但此研究存在不足，從而引發國內外相關學者的討論。根據中國實際情況，謝高地等[7，8]通過對中國200位生態學方面的相關專家采用調查問卷的方式進行分析，并結合中國實際情況，構建了中國大陸生態系統服務價值當量系數表，即每年不同地類單位面積的生態服務價值。

針對研究目的，主要是對土地系統的生態服務價值或者變化趨勢進行分析。故采用Millennium提出的生態服務價值估算公式及相關研究成果[17，18]，1個生態服務價值當量因子的經濟價值為54美元/hm2，按2010年的基準價6.667 5元/美元計算[19]，確定曹妃甸新區1個生態服務價值當量因子的經濟價值約為360.05元/hm2，由此確定各陸地生態系統的生態服務價值系數（表1）。核算新區生態服務價值公式為：

式中，ESV（元/年）為年生態系統服務總價值；Ai（hm2）為研究區第i種土地利用類型的分布面積（i=1，2，…，6，為土地利用類型）；VCi（元/hm2·年）為第i種土地利用類型的生態系統服務價值當量。

通過參考曹妃甸新區2020年土地利用總體規劃以及城鎮發展規劃，未來曹妃甸新區定位于建設成為國際化港口，所以新區南部沿海灘涂根據未來城市發展需要劃分為建設用地，為未來港口建設預留空間。根據研究區范圍大小以及斑塊的平均大小，利用ArcGIS技術，進行30 m×30 m柵格轉換，計算出每個柵格的生態系統服務價值。由圖2可見，曹妃甸新區生態系統服務價值整體上由北向南分異明顯呈現中、高、低分布趨勢。生態服務價值較高的地區主要是石臼坨鳥類自然保護區、唐海濕地和鳥類自然保護區以及草泊水庫，三者沿東南至西北依次排開，形成了曹妃甸新區生態敏感區。較低的區域主要分布在主要的建成區以及南堡鹽場、曹妃甸工業區和大清河鹽場地帶，而北部主要分布大量的耕地，是主要的農業保護區，生態系統服務價值以中等為主。

2.2.2 土地空間優化模型的構建 最小累積阻力模型（MCR）最早由Knaappen等人提出，經國內學者的修改用下式表示[20]：

式中，Ri為景觀基面i對物種運動阻力；Dij為從源j到空間中某一個點五中穿越景觀基面i空間距離；f為未知的一個正函數，體現空間一點的最小阻力與這一點到所有源的空間距離以及景觀基面特征的相關關系。

空間分區模型的構建參照劉孝富等[21]的研究成果，假設城市土地的用途劃分適宜建設適宜生態的兩大用地；城鄉建設用地和生態保護用地擴張，受到土地生態系統關鍵性地段的約束、推進和刺激，其擴張是相互制約和相互聯系的過程，以期達到平衡，用下式表示：

MCR差值=MCR生態保護用地擴張-MCR城市建設用地擴張

當MCR差值<0，劃分為適宜生態建設用地；MCR差值>0時，劃分為適宜城鄉建設發展用地；當MCR差值=0時，為劃分適宜生態建設用地和適宜城鄉建設發展用地之間的分界線。

源的確定。基于對區域生態服務價值空間分析將石臼坨鳥類自然保護區、唐海濕地和鳥類自然保護區以及草泊水庫，三者沿東南至西北依次排開，形成了曹妃甸新區生態敏感區以及優質的基本農田保護區為生態用地擴張的源；城鎮建成區為城鎮建設用地擴張的源。

阻力面的建立。由于生態服務價值與景觀類型具有一定相關性，生態服務價值越高對于城鎮擴張阻力越大，生態用地擴張過程中阻力越小。因此在研究中以選取生態服務價值景觀基質作為阻力因子，分析得出阻力因子的相對阻力大小并分別賦予阻力分值（表2），景觀組分阻力分值參照已有的研究成果（表3）。用ArcGIS9.3軟件分別制作阻力因子的分級圖層，形成以柵格方式存儲的景觀單元阻力分級圖，在景觀阻力分級的基礎上，考慮保護“源”與距離的遠近關系，采用最小累積阻力模型分別建立生態用地擴張和城市建設用地擴張景觀阻力面分布圖（圖3）。

分區閾值的確定。根據模型可計算兩個最小阻力面差值圖，其中北部基本農田保護區、中部曹妃甸濕地核心區、中東部鳥類自然保護區及各河流水面，重點水源保護地的城鎮建設用地的擴張阻力大于生態用地擴張阻力，因此，其最小阻力面差值較低，將其劃分為生態保護用地（圖4）；而區域各城鎮建設區以及工業區生態用地擴張阻力遠大于城鎮建設用地擴張阻力，因此，最小阻力面差值較高，適宜劃分為城鎮建設用地。參照李紀宏等[22]的研究成果當某種擴張過程穿越突變點時，突變點所在網格單元的阻礙或刺激作用會產生明顯的變化，所以可將突變點前后劃分為不同的土地利用類型。本研究根據ArcGIS9.3中最小阻力差值和柵格數量關系圖可以明確分析得出其突變點，進一步展開土地空間分區表（表4），并通過重分類確定曹妃甸新區生態服務價值空間分區（圖5）。

2.3 2010年曹妃甸新區土地生態服務價值各區域面積

統計2010年土地生態服務價值各區域面積及其百分比，結果表明，重點保護區的面積為214.39 km2，占曹妃甸新區總面積的11.01%，主要為唐海濕地河口濕地鳥類自然保護區及優質的基本農田。生態服務價值較高且生態敏感脆弱，是曹妃甸新區生態系統服務價值和功能的核心保護區域，對維護整個生態系統健康發展起著舉足輕重的作用。一般保護區的面積約為809.42 km2，占曹妃甸新區總面積的41.55%，是曹妃甸新區生態保護用地擴張的緩沖地帶，形成了曹妃甸新區天然的生態保護屏障，適宜建設區的面積為499.11 km2，占曹妃甸新區總面積的25.62%，主要是曹妃甸工業區填海形成的大部分陸地，十里海養殖場、五農場南部、四農場東北部、三農場西北部、一農場北部、八里灘養殖場東南部、九農場的大部、南堡鎮北部（原灤南縣）、嘴東地區、南堡開發區西北部、六農場西北部和八農場的東北部等，隨著建設用地的擴張其生態服務價值呈快速下降趨勢，優化建設區面積為424.91 km2，占曹妃甸新區總面積的21.81%，唐海縣縣城、南堡開發區、曹妃甸新城、曹妃甸工業區的已經開展建設的土地和正在開展建設的土地，各農場已經建設的地區，該地區開發利用程度較高，在進一步優化發展過程中應注意生態補償建設。

3 小結與討論

曹妃甸新區生態系統服務價值整體上由北向南分異明顯，呈現中、高、低的分布趨勢。生態服務價值較高的地區主要是石臼坨鳥類自然保護區、唐海濕地和鳥類自然保護區以及草泊水庫，三者沿東南至西北依次排開，形成了曹妃甸新區生態敏感區。較低的區域主要分布在主要的建成區以及南堡鹽場、曹妃甸工業區和大清河鹽場地帶，而北部的主要分布大量的耕地是主要的農業保護區，生態系統服務價值以中等為主，根據這一特征可以明顯識別曹妃甸新區生態服務價值的空間差異，為城鎮規劃中生態系統服務、生物多樣性保護和環境資源閾值的設定提供了依據，可更有效地提高生態環境保護及生態補償機制的針對性研究。

應用最小累積阻力模型進行模擬，并引入生態系統服務價值作為空間擴張的作用因子，最終確定曹妃甸新區重點保護區的面積為214.39 km2，占曹妃甸新區總面積的11.01%；一般保護區的面積約為809.42 km2，占曹妃甸新區總面積的41.55%，適宜建設區的面積為499.11 km2，占曹妃甸新區總面積的25.62%；優化建設區面積為424.91 km2，占曹妃甸新區總面積的21.81%；得到的土地利用空間分區符合實際生態保護和建設發展需求，對曹妃甸濱海新區土地利用可持續發展具有重要現實指導意義。

應用最小累積阻力模型，通過構建生態系統服務價值空間分布格局并在此基礎上進行土地利用變化分區模擬，模擬結果更具科學性。但是城鎮建設用地與生態用地擴張在不同地域和不同歷史時期其發展態勢各有不同，其影響因素也多種多樣，涉及自然、經濟、社會等各個方面，因此在今后區域模擬研究中，需要統籌考慮區域自然、經濟、社會等多因素的影響。

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