福州市建成區生態系統健康評價研究

汪 娜，韓永剛，黃義雄，葉功富

（1.福建師范大學 地理科學學院，福州 350007；2.福建省水土保持試驗站，福州 350003；3.福建省林業科學研究所，福州 350012）

科技進步、經濟發展和人口增加，給生態環境帶來了巨大的壓力，使生態系統遭到了破壞，這些引起了人們的廣泛關注。福州地處生態環境脆弱帶，作為地處東南沿海重要地理位置的福建省省會城市，對其生態環境的保護更是刻不容緩［1］。生態系統健康是環境保護領域的一門新興科學，它是一門研究人類活動、社會組織、自然系統及人類健康的綜合性學科［2］。生態系統健康評價是生態環境研究的熱門領域［3］。國外學者對生態學、生態系統健康進行了較多的研究［4－10］。目前，我國生態系統健康研究的對象包括城市［11－12］、草地［13］、農田［14］、黃土丘陵區［15］、濕地［16－19］、行政區［20－24］等。但研究面臨評價指標難以統一，評價因子無法適應生態系統動態變化的過程等問題。雖然生態系統健康評價研究的文章很多，但方法基本雷同，一些評價指標也大同小異，在權重確定中受人為意識左右較多，同一指標不同學者權重賦值差異很大，難以客觀進行比較。基于此，本文在RS和GIS的支持下，借助SPSS數量分析法，通過計算壓力、狀態、響應評價及健康綜合評價的結果，分析影響生態系統健康的因素，為研究福州市生態系統健康提供科學依據。

1 研究區概況

1.1 自然地理狀況

福州市位于福建省中部東端，東臨臺灣海峽，西靠三明市、南平市，南鄰莆田市，北接寧德市。東西最大橫距128km，南北最大縱距145km，總面積11968 km2，其中市區面積1032 .29km2。地理位置介于東經118°08′—120°31′，北緯25°15′—26°39′。福州市位于閩江下游，地勢由西北向東南傾斜，海拔600～1000 m。地貌屬于典型的河口盆地，城區位于盆區中央，四周群山環抱。

1.2 社會經濟狀況

福州市現轄五區六縣二市，即倉山、臺江、鼓樓、晉安、馬尾5個區，連江、羅源、閩侯、閩清、永泰、平潭（縣）綜合試驗區6個縣，福清、長樂兩個縣級市。人口711.54萬（2010年）。本文研究范圍為福州市建成區，包括臺江區、倉山區、鼓樓區、晉安區和馬尾區，總面積為1032 .29km2。

2 材料與方法

2.1 數據來源

本研究所用基礎數據主要包括圖件資料和文字資料，其中圖像資料包括2011年福州市ETM＋遙感影像、福州市行政區劃圖兩部分；文字資料包括GDP總值、人口數量、土地面積等數據，來源于《2011年福州統計年鑒》。同時借鑒前人研究的成果，獲取不同類型生態系統碳密度、生態彈性限度歸類等數據。

2.2 數據處理

使用地理信息系統ArcGIS 9.3對ETM＋影像進行目視解譯，得到研究區土地利用矢量圖，并對解譯結果進行校正。進一步將矢量圖轉化成像元大小為8m的柵格圖像。用生態系統健康狀況評價的壓力—狀態—響應（P－S－R）模型，以解譯好的圖像及其派生數據作為基礎信息源，分別采用Fragstats 3.3和Excel軟件計算壓力、狀態、響應等指標值，并采用極值標準化法對不同量綱的數值進行標準化處理，再使用SPSS 17.0對標準化后的值進行主成分分析，得到不同指標的權重值，進而計算得出壓力、狀態、響應及健康綜合指標分值，采用五級劃分標準對綜合分值進行分級。最后運用ArcGIS對各分類結果進行空間表達，并結合區域的實際情況，找出影響研究區域生態系統健康的主要因素。

2.3 解譯結果與分析

對2010年福州市ETM＋影像進行解譯，按照土地利用方式解譯出6種類型，共750個斑塊。其中倉山區103個斑塊，臺江區4個斑塊，鼓樓區27個斑塊，晉安區492個斑塊，馬尾區124個斑塊。福州市的晉安區、馬尾區東部、倉山區的耕地分布密度較大。這些地區的土地墾殖率較大，馬尾區最大，土地壓力較大。福州市的耕地中水田占98.09%。閩江穿過福州市的倉山區和馬尾區中部，最后折向東北流出瑯歧島注入東海。河流兩岸的沖擊平原地勢平坦，土壤較為肥沃，同時閩江河口濕地在農田灌溉中發揮了重要的作用［21］。

福州市林地分布范圍較為廣泛，除了臺江區外，其他的4個區林地覆蓋率都較高。林地面積占城區面積的61.49%。森林在生態環境中的作用不言而喻。林地所占比例越大，對生態系統健康的積極效應就越大。2010年7月，在中國環境規劃院的中國最宜居城市評比中，福州位居榜首。福州市草地面積較小，分布也較為零散。但福州市的草地50.88%為高覆蓋度草地。草地面積比例越大，對生態系統健康的正面效應越大。草地對維持大陸性氣候區的生態環境和保護物種繁衍具有重要的生物學意義。福州市建設用地面積占福州市面積的22.58%，分布相對集中，其中城鎮建設用地占了74.75%，城鎮用地主要分布于倉山、鼓樓和臺江區。城鎮用地指的是大、中、小城市及縣鎮以上建成區用地。城鄉、工礦、居民用地比例越大，對生態系統健康的負面效應越大。

3 福州市建成區生態系統健康評價

3.1 指標數據獲取

本文壓力指標選擇土地壓力、人口壓力和人類干擾指數。土地壓力用土地墾殖率來表示，指一定區域內耕地面積占土地總面積的比例，是反映土地資源利用程度和結構的重要指標。人口壓力用人口密度來體現，反映某一地區范圍內人口疏密程度。人類干擾指數是由建設用地面積與總面積指標的比值來計算。

狀態指標選擇區域平均碳密度、多樣性指數、優勢度指數、均勻度指數、破碎度指數、生態彈性度來表示。

碳密度指單位面積的碳儲量。計算公式為［2］:

式中:C——活力指數，是表征物種豐富度和均勻度的綜合指標；Pi——第i種土地類型所占面積比例；Di——第i種土地類型的碳密度；m——土地類型總數。

區域生態彈性度可以通過區域內不同土地類型彈性度的加權平均計算求得，計算公式為［2］:

式中:ECOres——所有土地類型的平均彈性限度；Pi——第i種土地類型的權重；m——土地類型總數；Bi——土地利用類型i的彈性限度。

響應指標選擇林地覆蓋率和人均地區生產總值兩個指標。林地覆蓋率＝林地面積／土地總面積×100%。根據實測資料和具體模型計算得出壓力—狀態—響應指標數據實值（表1—2）。

表1 壓力、響應指標計算實值

表2 狀態指標計算實值

3.2 指標數據標準化

為了消除量綱、變異自身大小和數值大小的影響，將數據進行標準化。對于正向指標，指標越大越好，計算方法為:

對于負向指標，指標越小越好，計算方法為:

3.3 生態系統健康指標綜合得分

對標準化后的各個指標數值采用SPSS科學軟件計算各綜合指標。計算過程及分級結果如表3—4所示。按照分級標準，壓力指標處于一級的是倉山區；處于二級的是馬尾區；處于三級的是晉安區；壓力指標的四級空缺；鼓樓區和臺江區的壓力指標處于五級區域。狀態指標處于一級的是馬尾區；處于二級的空缺；處于三級的是鼓樓區和晉安區；處于四級的是倉山區；臺江區的狀態指標處于五級區域。響應指標處于一級的是馬尾區；處于二級的是鼓樓區；處于三級的空缺；處于四級的是倉山區和晉安區；臺江區的響應指標處于五級區域。

表3 壓力、響應、狀態的特征值、貢獻率和累計貢獻率

表4 壓力、響應、狀態的綜合指數

3.4 健康綜合指標計算結果

計算過程及其結果如表5，6所示。

表5 特征值、貢獻率和累計貢獻率

表6 健康綜合指數

由以上結果可以看出，生態系統健康綜合指標處于一級的是馬尾區；處于二級的空缺；處于三級的鼓樓區、倉山區、晉安區；處于四級的空缺；臺江區的健康綜合指標處于五級區域。

4 空間表達結果分析

4.1 生態系統健康壓力、狀態響應、狀況分析

根據計算結果得出的生態系統健康指標數據，在ArcGIS軟件支持下繪制了福州市生態系統健康狀況分布圖（圖1）。由圖1可以看出，壓力指標處于一級的是倉山區；處于二級的是馬尾區；處于三級的是晉安區；壓力指標的四級空缺；鼓樓區和臺江區的壓力指標處于五級區域。鼓樓區和臺江區之所以壓力相對較大，屬于五級健康區，主要是因為其人口密度大、人口干擾度高，雖然土地墾殖率相對于其他地區小，但總體壓力還是較大。

圖1 福州市建成區生態系統健康壓力、狀態、響應指標等級分布

狀態指標處于一級的是馬尾區；處于三級的是鼓樓區和晉安區；處于四級的是倉山區；臺江區的狀態指標處于五級區域。馬尾區綜合狀態指標的得分最高，狀態最好，這是因為這一區域處于閩江下游沖擊平原，地勢平坦，土壤肥沃，水源充足。閩江口濕地對植物的生態健康十分有利［21］，林地覆蓋率也較高，生態系統儲碳能力較強，斑塊結構合理，生態彈性度較大。人口密度和人口干擾度都較小。

響應指標處于一級的是馬尾區；處于二級的是鼓樓區；處于四級的是倉山區和晉安區；臺江區的響應指標處于五級區域。馬尾區綜合狀態指標最高，狀態最好，這是由于馬尾區隸屬亞熱帶季風氣候區，植被豐富，林地覆蓋率也較高。生態環境綜合指標名列福建省前茅。人均地區生產總值在五區中居榜首。

4.2 生態系統健康狀況綜合分析

由圖2可以看出，生態系統健康綜合指標處于一級的是馬尾區；鼓樓區、倉山區、晉安區處于三級；臺江區的健康綜合指標處于五級。從整體上來看，福州市的生態體統健康狀況五區分異較大，自西向東生態系統健康呈逐漸變好的趨勢。馬尾區生態系統健康狀態相對較好，臺江區較差，其他3個區居中。

馬尾區處于一級健康區，生態系統健康狀況良好，生態功能完善，生態系統健康程度高，處于生態系統具有持續發展的空間，社會經濟良性發展。馬尾區人口密度小，人口干擾度小，響應綜合指數最高，景觀多樣性和均勻度較高，優勢度和破碎度較低，雖然土地墾殖率高，綜合多方面因素看，其生態系統健康狀況仍然是最佳的。

圖2 福州市建成區生態系統健康綜合指標等級分布

鼓樓區、倉山區、晉安區處于三級健康區，生態系統結構完整，生態系統健康狀況一般，具有一定的活力。生態系統功能基本正常，但敏感性較強，存在少量的生態系統問題。鼓樓區人口密度大，人口干擾度大，森林覆蓋率低，景觀優勢度和破碎度高，雖然景觀多樣性高，土地墾殖率低，但綜合多方面因素看，其生態系統健康狀況一般。倉山區土地墾殖率高，人均地區生態總值在五區中最低，區域碳密度、景觀多樣性和均勻度都較高，其他各項指標都居中，綜合多方面因素看，其生態系統健康狀況一般。晉安區墾殖率較低，其他的情況和倉山區較為接近，綜合多方面因素看，其生態系統健康狀況一般。

臺江區處于五級健康區，生態系統結構被破壞，斑塊破碎程度高，活力極低，生態功能喪失，生態系統問題大量出現。在壓力、狀態、響應3個方面臺江區的表現都是最差的。區域平均碳密度、均勻度指數、多樣性指數均最低，優勢度指數和破碎度指數最高，生態彈性度最低，故歸屬于五級生態系統健康區。

從評價結果上看，結合福州市現有的生態系統健康狀況，比較符合福州市生態環境的現狀。

5 建議

本文選取福州市建成區為研究對象，通過構建壓力—狀態—響應（P－S－R）模型，借助 ArcGIS平臺，運用SPSS軟件、Excel軟件和Fragstats 3.3軟件，定量化評價福州市建成區生態系統的健康狀況。結果得出，福州市五區中，馬尾區生態系統健康綜合指標處于一級，鼓樓區、倉山區、晉安區處于三級，臺江區處于五級，二級和四級空缺。

結合福州市五區的生態系統健康現狀，促進生態系統健康的發展，需要在進行經濟建設的同時堅持環境保護，實現兩者相互協調發展，響應十八大號召，將推動經濟社會發展作為第一要義，對現有的生態系統采取嚴格的生態保育措施，具體可以從以下4個方面入手:（1）加強環境保護宣傳教育，提高全民的生態保護意識；（2）加大生態環境保護力度，科學開展生態建設；（3）加強生態保護資金引入機制；（4）加強生態環境綜合治理。

［1］吳文英.福州城市景觀生態特點與建設途徑［J］.閩江學院學報，2002，23（2）:83－86.

［2］田雷.基于遙感信息的生態系統健康評價案例研究［D］.長春:吉林大學，2012.

［3］Karr J R，Fausch K D，Angermeier P L，et al.Assessing biological integrity in running waters:A method and its rational［M］.Champaign:Illinois Natural History Survey，1986.

［4］Leopolda.Wilderness as a land laboratory［J］.Living Wilderness，1941（7）:3.

［5］Woodwell G M.Effects of pollution on the structure and physiology of ecosystems［J］.Science，1970，168:429－433.

［6］Barrettg W.Stress ecology［J］.BioScience，1976，26（3）:192－194.

［7］Rapport D J，Regier H A，Hutchinson T C.Ecosystem behavior under stress［J］.The American Naturalist，1985，125:617－640.

［8］Kristin S.Ecosystem health:A new paradigm for ecological assessment［J］.Trends in Ecology ＆ Evolution，l994，9（12）:456－457.

［9］Schaffer D J，Henricks E E，Kerster H W.Ecosystem health.1.Measuring ecosystem health［J］.Environmental management，1988，12:445－455.

［10］Rapport D J.What constitutes ecosystem health［J］.Perspective in Biology and Medicine，1989，33（1）:120－132.

［11］周文華，王如松.基于熵權的北京城市生態系統健康模糊綜合評價［J］.生態學報，2005，25（12）:3244－3251.

［12］桑燕鴻，陳新庚，吳仁海，等.城市生態系統健康綜合評價［J］.應用生態學報，2006，17（7）:1280－1285.

［13］田雷.基于遙感信息的生態系統健康評價案例研究［D］.長春:吉林大學，2011.

［14］謝花林，李波，王傳勝，等.西部地區農業生態系統健康評價［J］.生態學報，2005，25（11）:3028－3036.

［15］戴全厚，劉國彬，田均良，等.侵蝕環境小流域生態系統健康定量評價［J］.生態學報，2006，26（7）:2219－2228.

［16］薛亮.東洞庭湖濕地生態系統健康評價研究［D］.長沙:中南林業科技大學，2010.

［17］蔣衛國，李京，李加洪，等.遼河三角洲濕地生態系統健康評價［J］.生態學報，2005，25（3）:408－414.

［18］崔保山，楊志峰.濕地生態系統健康評價指標體系.Ⅱ:方法與案例［J］.生態學報，2002，22（8）:1231－1239.

［19］宋利君，張燕.漓江流域生態系統的可持續發展研究［J］.水土保持研究，2012，19（5）:191－195.

［20］徐寅杰.山西省生態系統健康研究［D］.太原:太原理工大學，2012.

［21］高占國，朱堅，翁燕波，等.多尺度生態系統健康綜合評級:以寧波市為例［J］.生態學報，2010，30（7）:1706－1717.

［22］劉建，何宗，張治清.基于GIS的蒲江縣生態環境綜合評價研究［J］.水土保持研究，2012，19（5）:130－138.

［23］裴雪，侯淑濤，謝英楠，等.哈爾濱市農業生態系統能值分析［J］.水土保持研究，2013，20（1）:221－223.

［24］譚君，李世平.銅川市土地利用變化對生態系統服務價值的影響分析［J］.水土保持研究，2012，19（6）:132－136.