福州市土地生态系统服务时空分异特征

胡喜生,洪 伟,吴承祯*,祁新华

(1.福建农林大学城市规划系,福建 福州 350002；2.福建农林大学森林生态研究所,福建 福州 350002；3.福建师范大学地理科学学院,福建 福州 350007)

土地生态系统服务已经成为当今国内外可持续发展研究的热点之一[1-8].目前,国内外研究主要围绕土地生态系统服务内涵[9-10]、类型划分[1,11]及其价值评估方法[12-13]等方面进行了有益的探讨,国内主要运用价值系数法对区域生态系统服务价值进行评估并开展生态环境状况评价等方面的研究[14-15],但对研究区土地生态系统服务价值本身空间分布特征的研究较少[16-17].梁守真等[18]采用变异系数分析了洞庭湖区生态服务价值区域差异,表明该区土地利用变化明显,各县市之间差异明显;胡和兵等[19]对南京市九乡河流域生态系统服务价值的空间异质性及其与城市化之间的关系进行研究,表明城市化对流域生态系统服务价值的负效应明显;许倍慎等[15]运用地统计学方法,揭示了潜江市2009年生态系统服务价值在县级空间尺度上的依赖性和异质性,并对空间分布状况与特征进行了分析.这些研究均表明对区域土地生态系统服务价值的空间分布格局进行研究,有利于揭示研究对象之间的空间相互作用机制和深入了解区域生态系统的特征.然而,现有的对区域土地生态系统服务价值空间变异的研究大部分停留在对研究区不同区域土地生态系统服务价值估算的基础上进行简单的横向比较分析,很难揭露区域土地生态系统服务价值空间分异的内在机制.为了对区域土地生态系统服务价值进行定量计算并对其空间分异特征的内在变化机制进行分析,本文以 Costanza等[1]和谢高地等[20]的研究成果为基础,对福州市1993、2004和2009年各县(市)区的土地生态系统服务价值进行核算,并借鉴“力矩平衡点”的方法[21],对该市土地生态系统服务价值空间分布重心及其转移路径进行探讨,结合生态服务功能分区,从而为研究区制定土地利用政策提供更加可靠的科学依据.

1 研究区域概况

福州(118°08′～120°31′E, 25°15′～26°39′N)位于福建省中部东端,台湾海峡西岸,全市土地总面积12154km2.现辖鼓楼区、台江区、仓山区、晋安区、马尾区、闽侯县、连江县、罗源县、闽清县、永泰县、平潭县、长乐市、福清市等 5区6县2市,2010年全市总人口 711万人,市区人口292万人,人口密度为581人/km2.2011年,福州市实现地区生产总值 3734.78亿元,人均地区生产总值 52144元.境内地形复杂,地貌多样,南部为福州盆地的大部分,北部为山地,从西南向东倾斜,西部为中低山地,东部丘陵平原相间,鹫峰、戴云两山脉斜切南北,闽江横贯市区东流入海.海岸线曲折迂回,长达 1148.8km,海岸直线距离为 146km.沿海大小岛屿 316个,平潭岛245km2,为全国第五大岛.属亚热带海洋性季风气候,温暖湿润,雨量充沛.全年无霜期326 d,年平均气温 19.6℃,年降雨量 900～2100mm.风向受地貌影响很大,风速由沿海到山地递减显著,6～9月为台风季节,最大风力可达12级.

2 研究方法

2.1 土地利用数据来源

本文所采用的福州市 1993、2004和 2009年的土地利用数据由福建省地质遥感与地理服务中心提供,数据格式为 Shapfile格式,包含土地利用一级类型 8个.将城镇村及工矿用地和交通运输用地合并为建设用地,合并后共有 7个土地利用一级类型(表1).

2.2 土地生态系统服务价值的估算方法

2.2.1 非建设用地生态系统服务价值的估算方法 非建设用地包括耕地、园地、林地、草地、水域以及未利用土地,其单位面积服务价值计算公式如下：

式中：Pa为1个服务价值当量因子的经济价值量;pi为i类土地生态系统单位面积的经济产值;Pij为i种土地生态系统j种服务功能的单位面积价值;eij为i种土地生态系统j种服务功能的当量数,各种土地生态系统的不同服务价值当量因子参照参考谢高地等[20]的研究结果.

2.2.2 建设用地生态系统服务价值的估算方法 Costanza等[1]认为建设用地生态服务价值为零,而实际上建设用地作为土地生态系统的重要组成部分,对自然和半自然生态系统服务功能的发挥及其价值大小产生的影响应当专门考虑和计算[22].其对生态系统服务的影响主要体现在大气调节、水分调节和废物处理等各项功能方面.本文借鉴有关研究成果,采用防治成本法、替代成本法等间接市场法来估算建设用地对生态系统服务价值的影响,从而为生态服务价值的修正提供依据[22-24].其中气体调节的影响价值采用防治成本法测算;水源涵养的影响价值采用替代成本法测算;废物处理的影响价值采用防治成本法测算;气候调节、土壤形成与保护、生物多样性保护、原材料的影响取值为0[25].

建设用地气体调节生态服务价值计算公式：

式中：Pg为建设用地气体调节单位面积生态服务价值;Qt为t类废气排放量;Ct为治理t类废气所需的成本;Su为建设用地总面积.

建设用地水源涵养生态服务价值计算公式：

式中：Pw为建设用地水源涵养单位面积生态服务价值;W为用水总量;P为水单价(按 1.70元/t计算);Qw为废水排放总量;Cw为治理废水所需的成本.

建设用地废物处理生态服务价值计算公式：

式中：Pr为建设用地废物处理单位面积生态服务价值;Qr为废物排放量;Cr为治理废物所需的成本.

福州市为历史文化名城,具备一定的旅游开发潜力,但是缺乏必要的数据,因此本文将《福州统计年鉴 2010》[26]中旅游总收入在建设用地、水域和森林三者之间平摊,作为建设用地的娱乐文化价值.

2.2.3 土地生态系统服务单位面积价值的确定 由于福建省特殊的地形特征,素有“八山一水一分田”之称,丘陵、山地的比例占绝对优势,因此,仅以农田粮食产量作为核算基础,计算结果误差将较大,为此,提出根据种植面积较大的农作物(包括粮食、蔬菜、果树、茶叶等)的单位面积经济价值来计算其他生态系统服务的经济价值.根据《福州年鉴 2010》[27]中各种主要农作物面积、产量、总产值的数据,利用式(1)计算得到福州市的服务价值当量因子Pa＝4 262.73元[28].进一步根据谢高地等[20]制定的我国生态系统生态服务价值当量因子表和式(2)计算得到福州市不同类型土地生态系统的单位面积生态系统服务价值,结果详见文献[28]表(3),其中建设用地的气体调节、水源涵养、废物处理单位面积价值根据式(3)～式(5)计算,其中用于计算的城市“三废”排放量及治理费用数据来源于《福州统计年鉴2010》[26].

2.2.4 土地生态系统服务价值的估算方法 根据各类土地生态系统面积和单位面积生态系统服务价值,区域土地生态系统服务总价值为：

其中：V为区域土地生态系统服务总价值;Ai为各类土地生态系统的面积.

2.3 土地生态系统服务价值重心计算方法

图1 福州市各县(市)区相对坐标Fig.1 Relative coordinates of each county in Fuzhou City

空间分布重心的计算方法有范力农“铜心”法[29]和弗朗西斯·沃尔克“力矩平衡点”法[21].美国学者弗朗西斯·沃尔克于 1874年提出的“力矩平衡点”法计算分布重心的办法具有较强的普适性,得到众多学者的认同[21,29-30],因此,本文也采用此方法计算价值重心,其定义为：一个地区各县(市)区的土地生态系统服务价值在全部平面上力矩达到平衡的一点即为价值重心.当某个县(市)区的土地生态系统服务价值发生变化时,其价值重心也会发生相应的移动,根据价值重心移动的轨迹,可以发现该地区土地利用空间分布的变化趋势.其计算公式如下：

式中：和为区域土地生态系统服务价值分布重心的坐标;n为组成该区域的县(市)区的数目;Ei为各县(市)区的土地生态系统服务总价值(或不同类型土地生态系统服务价值);xi、yi是以福州市政府的坐标(0,0)作为参照时,各县(市)区政府所在地的相对坐标(xi,yi)(图1).

3 结果与分析

3.1 土地生态系统服务价值空间分异

由表 1可知,福州市土地生态系统服务价值1993～2009年经历了先减少后增加的过程,1993年土地生态系统服务价值为 95541.91×106元,2004 年为 91437.19×106元,年均减少 373.16×106元,而 2009年值为 99192.32×106元,年均增加1551.03×106元.其中单位面积服务价值最高的水域面积在研究前期减少幅度较大,而在研究后期迅速增加是最主要的原因.

在各种土地利用类型中,林地生态系统服务价值不断增加,且对在福州市土地生态系统服务总价值的贡献最大,水域对土地生态系统服务总价值的贡献排第二,两者的价值之和约占总价值的 87%～92%;耕地与草地生态系统服务价值呈明显下降趋势;建设用地对土地生态系统服务总价值的负面影响逐渐增加.

在各县(市)区中,永泰县、闽侯县和福清市的土地生态系统服务价值位居前三,占福州市土地生态系统服务总价值的 50%以上;而市辖区、长乐市和平潭县的土地生态系统服务价值为倒数第三,只占福州市土地生态系统服务总价值的15.87%.从各县(市)区的平均单位土地面积服务价值来看,总体上表现为在水域面积比例较大的或森林面积比例较大的县(市)区较高,前者如平潭县、连江县和福清市等沿海区域,后者如永泰县、闽清县和罗源县等;而市辖区由于其建设用地面积所占比例较大,因而其平均单位土地面积服务价值较低.各县(市)区的土地生态系统服务价值在三个时期间变化规律基本一致.

3.2 福州市土地生态系统服务价值重心空间分异

根据式(7)可知,土地生态系统服务价值重心的分布受各县(市)区政府所在地相对坐标和他们各自的土地生态系统服务价值大小的影响.各种价值重心均分布在福州市中心城区附近(图2).这说明福州市中心城区不但是区域行政中心、地理中心、经济中心,而且是生态服务中心,可以从一个侧面证明了福州市行政中心选址的合理性.其中总价值重心分布在第三象限,这主要是由于福清县、闽侯县、永泰县和闽清县的土地生态系统服务价值较大,而罗源县、长乐市和平潭县的较小.总价值重心从1993～2004年呈现由东向西、由南向北移动的趋势;从 2004～2009年呈现由西向东的趋势,而在南北方向变化不大.

由图 2可知,福州市各种土地利用类型的生态系统服务价值重心在1993、2004和2009年期间变化规律存在明显的差异.其中,草地、未利用土地和园地价值重心在研究期间转移范围较大,而耕地、林地的价值重心在研究期间转移范围较小.价值重心转移范围大小的决定因素是各县(市)区中不同类型土地生态系统服务价值的变化率,变化率越大,价值重心转移就越大.

1993～2004年期间,耕地、未利用土地的价值重心变化方向与总价值变化方向较一致,林地、草地、建设用地的变化方向则反,而园地与水域的变化方向与总价值变化方向形成一定的角度,对总价值变化方向具有一定的推动作用.在1993～2004年期间,福州市实行“东扩、南进”的城市发展战略,在此方向上,建设用地拓展迅速,占用耕地、未利用土地等用地的现象严重,同时对园地与水域具有一定的侵占现象,但林地面积不但没有减少反而略有增加,因此造成上述各土地利用类型价值重心的变化趋势,并导致了总价值重心“西扩、北进”的转移过程.具体表现如下：位于福州东南方向的市辖区、福清市、长乐市和连江县的耕地、水域等用地类型降幅较大,该期间市辖区、福清市、长乐市和连江县减少的耕地面积占福州市耕地减少总面积的69.83%,减少的水域面积占福州市水域减少总面积的66.24%,增加的建设用地面积占福州市新增建设用地总面积的比例高达71.10%;而西北方向的闽清县、永泰县和罗源县的新增建设用地的比例较小,只占福州市新增建设用地总面积的24.12%,因此,林地、水域和耕地等生态系统服务价值当量较高的土地利用类型面积变化较少,其中林地面积也略有增长,但增长幅度低于东南方向的县(市)区.

表1 福州市各县(市)区1993、2004和2009年不同类型土地生态系统服务价值Table 1 Land ecosystem values in each county of Fuzhou City in 1993, 2004 and 2009

2004～2009年期间,林地、水域的价值重心变化方向与总价值变化方向较一致,园地的变化方向则反,耕地、草地、建设用地、未利用土地的变化方向与总价值变化方向形成一定的角度,对总价值变化方向具有一定的作用.这主要由于福州市在此期间实施“东扩、南进、西拓”的城市发展战略,其中以“西拓”特征最为明显.具体表现为：位于福州市辖区西面的闽侯县在该期间土地利用发生了较大的变化,如该县耕地减少的面积占福州市耕地减少总面积的27.18%,草地减少的面积占福州市草地减少总面积的15.36%,新增建设用地面积占福州市新增建设用地总面积的28.35%;位于福州市辖区东南面的长乐市和连江县减少的耕地、草地面积和新增建设用地面积分别占福州市各自类型土地变更总量的 28.11%、17.91%和 19.76%.由此可见,城市发展战略(城市化方向)将通过对重点建设区域土地利用的变更,导致了这些区域土地生态系统服务价值的降低,从而使得价值重心发生转移.

图2 福州市1993、2004和2009年不同类型土地生态系统服务价值重心转移路径Fig.2 Barycenter transfer routes of ecosystem service value of different land use types in 1993, 2004 and 2009

从福州市1993、2004和2009年各种土地利用类型的生态系统服务价值变化情况看,该市对单位面积生态系统服务价值较高的林地和水域保护较好,面积均有不同程度的增长.如在“十一五”期间,位于福州东部沿海的连江县林地面积增长幅度在20%左右,其他县(市)区林地面积也均有微小幅度的增长;位于福州东部沿海的连江县、罗源县、福清市和长乐市,水域面积增长幅度在 20%～90%区间,其中连江县增长幅度高达 90%左右,罗源县增长幅度也超过 50%.研究期间,福州市各县(市)区的耕地、草地、园地和未利用土地面积不断减少,大部分转化为建设用地,但土地生态系统服务总价值不但没有下降,反而增加,这要得益于政府的“退耕还林”、“退滩还水”等环境保护政策.因此,政府环境保护与经济发展和社会进步协调发展的策略,有助于土地生态系统服务功能的维持.

3.2 土地生态系统服务功能分区

为了进一步区分不同县(市)区的资源生态承载能力,并制定不同的空间开发策略,本文拟对福州市土地生态系统服务进行功能分区.土地生态服务功能分区就是依据土地生态系统服务价值以及地理区位等,将研究区划分为不同的生态服务区类型.由于福州市各县(市)区在 3个时期土地利用结构基本一致,因此,本文仅以2009年为例,运用SPSS软件的K均值聚类功能对福州市进行土地生态系统服务功能分区,同时分析各类功能区的不同特征,可以为福州市产业布局和生态环境建设提供参考依据.将13个县(市)区的聚类类别数设置为3类,聚类结果如表2所示.

图3 福州市土地生态系统服务功能分区Fig.3 Land ecosystem service function zoning of Fuzhou City

第一类包括鼓楼区、台江区和仓山区,主要特征为建设强度最大,土地生态系统服务价值为(53.24～673.07)×106元,生态基质薄弱;第二类包括马尾区、福清市、长乐市、平潭县,主要特征为建设强度适中,具有一定面积比例的耕地、林地和水域用地,土地生态系统服务价值为(2516.37～16539.18)×106元,生态基质一般;第三类包括晋安区、闽侯县、连江县、罗源县、闽清县和永泰县,主要特征为建设强度小,具有大面积的森林,但水域面积比例不高,土地生态系统服务价值为(4171.97～18416.21)×106元,生态基质好.据此将福州市划分为 3个生态功能区(图 3)：人工调控生态区、半自然半人工恢复生态区和自然调控生态区.

4 建议

伴随着城市化进程的高速运行,生态用地的数量、功能与性质将发生了巨大的转变,生态用地规划和保护问题亟待解决.首先应通过生态敏感性分析合理划分生态用地和建设用地,确定其边界,给予严格的保护和发展导引[31].由于土地利用规划是指导土地利用变化地政策性纲领,而土地利用变化会引起土地生态系统服务价值的变化[32-33],因此可以根据土地生态系统服务价值的总量和构成的不同,将研究区划分为人工调控生态区、半自然半人工恢复生态区和自然调控生态区 3个生态功能区,并在土地利用规划中赋予不同的生态保护对策：

表2 聚类结果Table 2 Final cluster membership

人工调控生态区：土地利用强度最大区域,城市建设的同时应重视生态基质用地的保护,强调生态基础设施的建设,注重人工与自然环境的合理布局;城市发展规模应充分考虑自然生态环境的承载能力,切忌“超载”而造成生态环境的破坏;开发建设闽江、乌龙江水系两侧用地用时,应加强湿地保护、滨水绿带绿化建设.

半自然半人工恢复生态区：城市内部绿地建设应与周边森林用地融为一体,营造城市森林;滨海、入海口区域开发应与湿地建设、生态绿地网络化相结合;临近山体区域严禁开挖山体,破坏环境,要在山脚、陡坡等周围进行重点绿化;加强自然生态群落的营造,保护乡土树种、地域景观;城市绿地、基本农田保护区、林地、园地与水系成为有机整体.

自然调控生态区：严格控制该区城市建设用地的开发,以保护自然生态环境为主,建设规模不易过大过密;控制城市建设的占地量,强调相对集中而整体分散的发展模式;严格控制该区的人口发展规模;在水源保护地一定范围的建立缓冲区并严加控制,以防止建设开发活动过度而破坏水源;主要发展生态旅游产业.

5 结论

5.1 福州市各县(市)区在 1993、2004和 2009年 3个时期的土地生态系统服务价值时空分异的研究结果表明：该市土地生态系统服务价值从1993年到 2009年经历了先减少后增加的过程,其值从 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,林地对福州市土地生态系统服务价值的贡献最大,水域次之,两者价值之和约占总价值的 87%～92%,而建设用地对土地生态系统服务价值的负面影响逐渐加大.各县(市)区的土地生态系统服务价值由大到小依次为永泰县＞闽侯县＞福清市＞闽清县＞连江县＞罗源县＞市辖区＞长乐市＞平潭县.

5.2 土地生态系统服务价值重心的转移趋势受各种土地利用类型变化规律的影响,而土地利用类型的转变受城市发展战略和环境保护政策的影响.如福州市在研究前期实行的“东扩、南进”的城市发展战略与后期实行的“东扩、南进、西拓”的城市发展战略,直接导致了各县(市)区土地利用方式的异质性特征,从而影响土地生态系统服务价值的空间分布,进而使得各种价值重心发生空间转移.

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