福州市濱海地區生態系統服務價值評估與動態模擬

王培俊 孫 煌 華寶龍 范勝龍

(福建農林大學公共管理學院，福州 350002)

0 引言

自1995年地球系統科學聯盟國際地圈-生物圈計劃(International Geosphere-Biosphere Programme, IGBP)和全球環境變化中的人文領域計劃(International Human Dimension Programme on Global Environmental Change, IHDP)提出土地利用/覆蓋變化(Land use/cover change, LUCC)以來，LUCC成為生態系統研究的熱點[1-3]。土地利用是人類根據土地的自然特點，按照一定的經濟、社會目的，采取一系列生物、技術手段，對土地進行長期性或周期性的經營管理和治理改造；而土地覆蓋是被自然營造物和人工建造物所覆蓋的地表諸要素的綜合體[4]。土地利用和土地覆蓋關系密切，人類對土地的利用會影響土地覆蓋，土地的覆蓋情況也會影響人類對土地的利用。近年來，研究者從土壤侵蝕[5-7]、水文變化[8]、景觀格局[9]、土地資源優化配置[10]、生態環境和生態系統服務[11-12]等方面開展研究，意識到土地利用/覆蓋變化是導致全球生態系統變化的重要原因[13-14]。生態系統服務是指生態系統與生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用[15-16]。

生態系統服務價值最早由COSTANZA等[17]提出，并從總體上核算了全球陸地系統和海洋系統的生態系統服務價值，其評估方法在中國直接運用存在缺陷[18]，文獻[19-22]系統地對生態系統服務價值的理論、方法和體系展開了研究。目前對生態系統服務的研究主要集中在生態系統服務分類、服務價值以及服務價值評價方法上[21]。生態系統服務價值主要側重于單一的生態系統服務價值評估、歷史變化研究及其對生態環境的影響。此外，土地利用/覆蓋變化是導致全球生態系統變化的重要原因，基于土地利用/覆蓋變化的生態系統服務價值的研究以及對生態系統服務價值的現有時空變化與預測研究較少。

作為福州市建設綠色新區的重要延伸地段，濱海地區是福州市未來發展的新興之地，其發展潛力巨大。根據國家發展和改革委員會發布的《福州新區總體方案》，生態文明先行區是福州新區發展的重要戰略定位之一，福州新區將被建設成為綠色新區。隨著福州市經濟社會的快速發展，其城市建設用地擴張增長劇烈，城市熱島效應等環境問題日益凸顯。本文基于福州市濱海地區4期的Landsat TM/OLI數據，分析其LUCC，通過福建省價格修訂的價值當量因子法，對福州市濱海地區1988—2018年生態系統服務價值進行評估，并根據福州市土地利用變化驅動因子，運用GeoSOS-FLUS模型進行LUCC模擬和生態系統服務價值動態變化預測，為福州市濱海地區建設成綠色新區提供生態理論和科學支撐。

1 研究方法

1.1 研究區域及數據

福州市濱海地區位于福州市東部沿海，跨羅源縣、連江縣、馬尾區、長樂區、倉山區、福清市兩縣三區一市，地理位置119°3′44″～119°59′4″E，25°17′9″～26°38′18″N(圖1)。研究區內主要為亞熱帶海洋性季風氣候，歷年平均降水量1 419.30 mm，年平均氣溫21.3℃。研究區地處濱海，地勢較為平坦，為典型的沿海平原景觀。福州市濱海地區區位條件優越、港口設施完善、文化底蘊深厚、生態環境良好。2015年8月30日，國務院正式批復同意福州市濱海地區設立福州新區，根據國務院批復的初期規劃范圍涉及福州濱海地區兩縣三區一市共26個鄉鎮，擁有7個國家級、3個省級和2個市級開發區。濱海地區作為福州市“東進南下、沿江向海”建設綠色新區戰略目標的區域，與臺灣省隔海相望，毗鄰平潭綜合實驗區，未來發展前景廣闊。

圖1 研究區示意圖

選取美國地質調查局(USGS，https:∥earthexplorer.usgs.gov/)1988、1999、2008、2018年4期的Landsat5 TM/ Landsat8 OLI影像，所選影像云層在2%以下。通過ENVI 5.3對Landsat TM影像幾何校正、輻射定標、FLAASH大氣校正、裁剪，采用最大似然法人工交互監督分類解譯得到福州市濱海地區LUCC矢量數據。遙感解譯采用Google Earth quick bird分米級高分辨率影像作為對照參考，其中2018、2008、1999、1988年各年份數據分別選取281、198、146、156個訓練樣本。訓練樣本可分離度均大于1.8，樣本點純凈度較高，可分離度達到要求，計算Kappa系數均大于0.85，一致性較好，分類總體精度均大于90%，符合研究要求。本文所涉及的糧食產量、價格和播種面積數據來源于福建省統計年鑒、國家糧食和物資儲備局，福州市城市中心和普通公路、高速公路、鐵路數據來源于國家地球系統科學數據共享平臺、中國科學院數據中心。

1.2 生態系統服務劃分與價值評估

COSTANZA等[17]在1997年將生態系統類型劃分陸地系統和海洋系統共計16個生態系統類型，其評估方法在中國直接運用存在缺陷[18]。根據文獻[18-20,22]的研究，結合福州市濱海地區特點，將福州市濱海地區生態系統劃分為耕地(包含水田和旱地)、建設用地(包含商住用地和交通用地)、水體(包含河流和水庫)、濕地(包含近海域、河流灘涂)、林地和草地。

生態系統服務類型劃分標準不一，COSTANZA把生態系統服務類型劃分為氣體調節、氣候調節等17類，略顯復雜。國內專家對此總結后將生態系統服務類型劃分為：供給服務(含食物生產、水資源供給和原材料生產)、調節服務(含氣體調節、氣候調節、水文調節和凈化環境)、支持服務(含土壤保持、維持養分循環和維持生物多樣性)、文化服務(含提供美學景觀)。本文采用國內專家的生態系統服務類型分類。

生態系統服務價值(ESV)評估采用COSTANZA提出的生態系統服務價值評估體系。福州市濱海地區的生態系統服務價值計算式為

ESV=∑AkVck

(1)

式中ESV——研究區域生態系統服務價值總價值,元

Ak——k類生態系統LUCC面積,m2

Vck——k類生態系統服務價值單價,元/m2

1.3 生態系統服務價值當量

COSTANZA試圖用對生態系統服務的“償付意愿”來估計全球生態系統服務價值，生態系統服務價值當量因子是某類型生態系統單位面積生態系統服務價值系數，文獻[18]認為生態系統服務價值當量因子可以定義為1 hm2全國平均產量的農田每年自然糧食產量的經濟價值。單位面積農田自然糧食生產產量的經濟價值，可利用研究區內主要糧食作物播種面積(福建省糧食作物主要有稻谷、小麥、甘薯、大豆)、主要糧食單產、主要糧食作物的全國平均價格(表1)計算，計算式[20]為

(2)

式中E——單位面積農田生態系統提供食物生產服務的經濟價值，元/hm2

mi——i種糧食作物的播種面積，hm2

pi——i種糧食作物2018年的全國平均價格，元/t

qi——i種糧食作物單產，t/hm2

M——糧食作物播種的總面積，hm2

n——糧食種類

根據式(2)得到福建省單位面積農田每年自然糧食產量的經濟價值為1 940.29元/hm2。

表1 福建省主要農作物播種面積、糧食單產和全國平均單價

采用2015年修訂的符合中國等發展中國家實際的生態系統服務價值當量因子表[18]，根據福州市濱海地區生態系統服務類型劃分，制定了單位面積生態系統服務價值當量，如表2所示。單位面積生態系統服務價值當量計算式為

Vci=eiE

(3)

式中Vci——i類生態系統單位面積生態系統價值當量，元/hm2

ei——i類生態系統單位面積生態系統價值當量因子

表2 單位面積生態系統服務價值當量

1.4 敏感性分析

以生態系統服務價值為輸入變量，以單位面積生態系統服務價值當量為輸出變量，通過計算單位面積生態系統服務價值當量的敏感性指數(CS)[23]，確定生態系統服務價值在時間的變化過程中對于單位面積生態系統服務價值當量的依賴程度。CS大于1，表示富有彈性，CS小于1，表示缺乏彈性。敏感性指數計算式為

(4)

式中CSi——i類土地利用類型生態系統服務價值的敏感性指數

ESVm——調整前生態系統服務總價值

ESVn——調整后生態系統服務總價值

Vcmi——調整前i類土地利用類型單位面積生態系統服務價值系數

Vcni——調整后i類土地利用類型單位面積生態系統服務價值系數

1.5 生態系統服務價值動態模擬

元胞自動機(Cellular automata, CA)自20世紀40年代由WOLFRAM提出以來[24]，已經發展成為一種時間、空間、狀態都離散，空間上的相互作用及時間上的因果關系皆局部的網格動力學模型，CA以其自身“自下而上”的模擬能力，強大的離散計算功能，被廣泛應用于城市形態和土地利用變化的模擬中[25-26]。為促進CA模型的模擬與優化能力，文獻[27-28]在傳統元胞自動機的基礎上做了較大的改進，組織研發了GeoSOS-FLUS軟件。FLUS模型采用神經網絡算法(ANN)從一期土地利用數據與包含人為活動與自然效應的多種驅動力因子獲取各類用地類型在研究范圍內的適宜性概率。在土地變化模擬過程中，FLUS模型提出一種基于輪盤賭選擇的自適應慣性競爭機制，該機制能有效處理多種土地利用類型在自然作用與人類活動共同影響下發生相互轉換時的不確定性與復雜性，使得FLUS模型具有較高的模擬精度并且能獲得與現實土地利用分布相似的結果[27-28]。由于影響研究區土地利用變化的驅動因子通常包括自然因素和人文因素，其中土地利用變化對福州市生態系統服務造成影響的主要驅動因子為人口數量和城市擴張[29-30]。本文通過選取到研究區城市中心距離、高速公路距離、鐵路距離、普通公路距離、DEM和城市綠地6類可達性驅動因子，運用基于GeoSOS-FLUS模型的元胞自動機模擬功能，對福州市濱海地區的土地利用/覆蓋變化進行模擬。

2 結果分析

2.1 福州市濱海地區LUCC

圖2 福州市濱海地區LUCC圖

通過Landsat影像解譯獲取的LUCC數據如圖2、3和表3所示。福州市濱海地區以林地為主，1988—2018年30年間，林地面積先增加后減少，總體上呈增長的趨勢，共增長了310.02 km2。建設用地面積占比從3.39%增長到17.2%，2008—2018年增加最為明顯，增加了311.60 km2。耕地面積呈逐年減少趨勢，占比從31.83%減少到18.59%，累計減少了632.91 km2。濕地、草地面積先增加后減少，其中濕地面積總體增加了14.22 km2，草地總體減少321.38 km2。水體面積先減少后增加，總體上比較平穩，合計減少31.99 km2。未利用地面積先增加后減少，總體上變化較為平穩，平均面積占比3%左右，合計增加1.67 km2。

圖3 福州市濱海地區LUCC占比

2.2 福州市濱海地區生態系統服務價值評估

根據LUCC數據，計算福州市濱海地區生態系統服務價值，結果如表4和圖4所示。福州市濱海地區生態系統服務價值出現先增長后降低的趨勢，總體價值在190.439～202.419億元。

表4和圖4顯示福州市濱海地區林地的生態系統服務價值占比最高，1988—2018年占比均在42%以上，達到86.301～107.194億元。水體的生態服務價值位居第二，30年來占比在30%左右，達到57.279～68.191億元。草地的生態系統服務價值變化較大，從1988年占比13.5%到2018年占比7.8%，價值分別為27.05、14.772億元。耕地的生態系統服務價值變化較小，30年來占比在3%～5%，價值為5.931～10.155億元。本研究區的濕地、未利用地生態系統服務價值較小，占比2.12%以下，達0.001～4.285億元。30年來林地、濕地、未利用地的生態系統服務價值有所增加，耕地、水體、草地的生態系統服務價值都有減少。

表3 福州市濱海地區LUCC數據

表4 福州市濱海地區生態系統服務價值

圖4 1988—2018年福州市濱海地區生態系統服務價值占比情況

2.3 敏感性分析

CS越小表明生態系統服務價值在時間的變化過程中對于單位面積生態系統服務價值當量缺乏彈性，可信度高。將福州市濱海地區6種生態系統服務類型的價值系數上下調整50%，計算得到本研究區1988、1999、2008、2018年各類型的敏感性指數。結果表明(圖5)，福州市濱海地區林地、耕地、草地、水體、濕地和未利用地生態系統服務類型的敏感性指數依次降低，并且均遠遠小于1，近乎等于0。可見，福州市濱海地區生態系統服務總價值對生態系統服務價值系數幾乎沒有彈性，表明通過生態服務價值系數計算的福州市濱海地區的生態系統服務價值是可信的。

圖5 6種生態系統服務類型敏感性指數

2.4 生態系統服務價值變化模擬

為檢驗GeoSOS-FLUS模型對本文的適用性，用2008年LUCC數據和驅動因子驗證2018年土地利用情況，結果如表5和圖6所示，模擬效果良好。考慮到LUCC受到政策影響較大，根據自然演變與社會因素，本文設定兩種發展情景：

(1)一般發展情景：運用研究區高程、高速公路、鐵路和普通公路驅動因子作為一般發展情景的模擬要素。主要反映根據以往一般的發展模式，未來研究區的LUCC的變化，結果如表5和圖6所示。按照以往一般的發展模式，LUCC中建設用地還將大幅增加至968.08 km2，將會占用大量的生態服務用地包括耕地、濕地。通過模擬結果計算一般發展情景未來10年福州市濱海地區的生態系統服務總價值為187.90億元。其中，林地的生態系統服務價值最高，達103.77億元，其次是水體61.54億元、草地15.90億元、耕地5.35億元、濕地1.34億元，未利用地近乎為零。

(2)綠色發展情景：研究區城市綠地、城市中心驅動因子作為綠色發展情景的模擬要素。主要反映以城市人口集中高效集約用地，保護城市綠地的福州新區綠色發展模式，結果如表5和圖6所示。如果以綠色發展模式，LUCC盡可能減少建設用地增加，至884.65 km2。在城市建設過程中，多將未利用地和城市空地植樹造林，從而增加城市綠地面積。通過模擬結果計算綠色發展情景未來10年福州市濱海地區的生態系統服務總價值為195.11億元。其中，林地的生態系統服務價值最高，達106.39億元，其次是水體63.74億元、草地16.01億元、耕地5.35億元、濕地3.62億元，未利用地近乎為零。

表5 LUCC與生態系統服務價值模擬結果

圖6 福州市濱海地區LUCC模擬圖

3 討論

盡管生態系統較難獲得定量的結果，但本文參照國內外生態系統服務價值的計算方法，結果顯示LUCC對福州市濱海地區生態系統的影響顯而易見。人類社會對LUCC的影響是最為劇烈的，商住、交通建設用地的擴張大量改變了原來的土地利用類型，尤其是建設用地占用耕地。1988—2018年的30年間，福州市濱海地區林地面積先增加后減少，其中1999年至2008年的近10年間，城市化是林地面積減少的重要原因[31]。2010年以后，隨著全國林地保護利用規劃綱要(2010—2020年)的頒布，林地保護得到重視。耕地減少的同時，城鎮建設用地不斷擴大，這是福州市城市擴展大量占用耕地的重要體現[32]。總體而言，LUCC變化與生態系統服務價值變化息息相關[30]。

目前生態系統服務價值評估的方法有市場替代法、影子價格法、機會成本法和重置成本法等，運用較多的是基于COSTANZA研究改進的市場替代法——價值當量因子法[16]。價值當量因子實質上是基于大量生態系統研究專家經驗打分綜合得到的當量系數，這些當量系數根據中國的實際情況得到了修正[18,22]，會比COSTANZA的研究更符合中國國情，同時對生態系統服務價值評估有更強的權威性。本文運用了價值當量因子法，并考慮福建省當地的實際情況做了修正，能夠較好地預測福州市濱海地區未來生態系統服務價值的變化，但盡管如此也不能忽略價值當量因子法基于專家經驗的不足。本文假設近年來隨著全球氣候的變化，生態系統服務價值變化應逐年遞減，但實際測算的結果卻是先增長后遞減。主要原因一方面可能是20世紀80年代以來退耕還林，林地呈現增加的趨勢，對生態系統服務價值貢獻較高的林地增加對此有較大的影響。此外，2008年以來建設用地增長較為迅猛，對生態系統服務價值幾乎沒有貢獻的建設用地面積增加導致整體的生態系統服務價值減少。

根據福州市濱海地區兩種情景下的生態系統服務價值評估分析，在濱海地區規劃建設福州綠色新區過程中，除強調開發建設的空間格局外，還應適當調整空間規劃，將生態理念融入到空間格局，保證開發建設過程中，保留一定的城市綠地等生態服務用地[33-34]；同時，應合理開發、保護濱海區域的濕地。如此，才能落實生態理念，保持、提升未來福州市濱海地區生態系統服務價值。

4 結論

(1)在1988—2018年的30年間，福州市濱海地區LUCC變化較大。建設用地逐年增長，共增長了660.38 km2；耕地面積呈現逐年減少趨勢，累計減少了632.91 km2；林地面積先增加、后減少，總體呈增長趨勢，共增長了310.02 km2；濕地、草地面積先增加、后減少，其中濕地總體增加14.22 km2，草地總體減少321.38 km2；水體面積先減少、后增加，總體上比較平穩，合計減少31.99 km2；未利用地面積先增加、后減少，總體上變化較為平穩，合計增加1.67 km2。

(2)福州市濱海地區30年來生態系統服務價值呈現先增長、后降低的趨勢，總體價值在190.439～202.419億元之間。從6種土地利用類型來看，福州市濱海地區林地的生態系統服務價值占比最高，達到86.301～107.194億元；水體的生態服務價值位居第二，達到57.279～68.191億元；草地的生態系統服務價值變化較大，從1988年的27.05億元減少到2018年的14.772億元；耕地的生態系統服務價值變化較小，為5.931～10.155億元；研究區的濕地、未利用地生態系統服務價值較小，為0.001～4.285億元。30年來，林地、濕地、未利用地的生態系統服務價值有所增加，耕地、水體、草地的生態系統服務價值都有所減少。

(3)基于GeoSOS-FLUS模型，分一般發展情景和綠色發展情景預測了2028年福州市濱海地區的土地利用情況。在一般發展情景下，2028年福州市濱海地區生態系統服務總價值預計為187.90億元，在綠色發展情景下，預計為195.11億元。

(4)在濱海地區規劃建設福州綠色新區過程中，應將生態理念融入到空間格局，保留一定的城市綠地等生態服務用地，同時，應合理開發、保護濱海區域的濕地。