福州中心城區生態服務價值與景觀生態風險時空變化及相關性分析

徐乙文, 戴文遠,3,, 黃萬里,3, 黃康, 胡航簫

福州中心城區生態服務價值與景觀生態風險時空變化及相關性分析

徐乙文1,2, 戴文遠1,2,3,*, 黃萬里1,2,3, 黃康1,2, 胡航簫1,2

1. 福建師范大學濕潤亞熱帶生態地理過程教育部重點實驗室, 福州 350007 2. 福建師范大學地理科學學院, 福州 350007 3. 福建師范大學地理研究所, 福州 350007

基于“三生用地”土地利用分類, 應用GIS、Fragstats和GeoDa等軟件輔助, 以福州中心城區為研究區, 基于2000、2009和2015年三期遙感影像提取土地利用數據, 分析2000—2015年間研究區生態服務價值和景觀生態風險時空變化特征以空間相關性, 結果表明: (1)三生用地變化上看, 研究區生態用地及生態生產用地小幅度減少, 生產生態用地和生活生產用地變化相對較大, 城市擴張所需的生活生產用地主要從生產生態用地轉出; (2)2000—2015 年研究區生態系統服務價值總量由772.06×108元降低到562.16×108元, 生態風險指數呈現緩慢降低趨勢, 區域生態風險有所好轉; (3)研究區單位面積生態系統服務價值和生態風險指數數量上顯著相關, 時間上2000年為負向相關, 2009年與2015年為正向相關。研究結果有助于調控福州中心城區生態風險, 優化土地利用布局, 為城市健康持續發展提供科學依據。

景觀生態風險; 三生用地; 生態服務價值; 福州中心城區

0 前言

隨著城市化進程的加快, 城市在經濟高速發展的同時也造成大氣、土壤和水資源等污染與破壞[1-3], 導致城市面臨諸多生態風險[4-6], 直接影響城市生活質量及社會可持續發展。生態系統服務功能評價可直觀反映區域生態系統服務功能效益, 為制定生態保護規劃與管理制度提供參考和依據[7], 而景觀生態風險評價能夠實現多源風險的綜合表征及其空間可視化, 有效指引區域景觀格局優化與管理[8]。因此, 開展上述研究對提高人類生活質量及維持社會可持續發展有重要意義, 相關研究也逐漸成為科研究熱點領域。

關于景觀生態風險的研究, 目前國內外研究主要包括時空變化、風險評價等方面, 研究區域多集中在流域[9]、行政區[10]、城市[11]、礦區[12]和海岸帶[13]等區域, 從評價方法上來看, 可分為兩類: 一是基于風險源匯的評價[14]。該方法需要識別威脅區域生態系統健康的風險受體和風險源, 如許妍等[15]從風險源、生境、受體等方面構建評價體系, 對太湖流域生態風險的時空演化特征進行分析。二是基于景觀格局的評價。該方法是以土地利用變化為誘因的生態風險評價, 如汪翡翠等[16]通過劃分生態風險小區, 計算生態風險重心, 來揭示京津冀城市群地區土地利用生態風險空間分布特征以及風險區的空間轉移動態變化規律。關于生態系統服務的研究, 目前主要側重于城市[17]、雨林[18]、山區[19]等環境敏感地帶, 研究方法主要有土地利用的面積當量法, 遙感定量法和模型綜合法三種。如Costanza[20]等利用土地利用/覆蓋數據核算了全球生系統服務價值; 何浩[21]等設置遙感參數對中國陸地生態系統價值進行測算; 王蓓[22]等利用Invest模型對黑河流域生態系統服務空間格局進行分析。隨著2015年中央城市工作會議提出城市發展要依照“三生用地”內在聯系統籌布局的新要求, 這為城市環境質量與景觀生態風險評價提供了新的視角。但目前從“三生用地”視角上開展生態系統服務價值與景觀生態風險相結合的研究還較少見。

福州是閩江口金三角經濟圈的核心城市，隨著經濟高速發展, 近年來城市用地快速擴張, 土地開發利用與生態環境之間的矛盾日益加劇。因此本文基于“三生用地”劃分, 對福州市中心城區2000—2015年生態系統服務價值和景觀生態風險指數進行定量分析, 探究兩項指標的時空變化及相關程度, 為福州調控城市生態風險, 優化城市土地空間布局提供科學參考和依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

福州是福建省政治、經濟和文化中心, 位于中國東南沿海, 閩江下游, 地理坐標介于118°08′E—120°31′E, 25°15′N—26°39′N。福州屬于典型亞熱帶季風氣候,氣溫溫暖, 雨量充沛, 年降水約1500 mm。地形為典型的河口盆地, 盆地四周群山環繞, 東接鼓山, 西靠旗山, 南有五虎山, 北臨蓮花峰, 地勢自西向東傾斜, 閩江自西北向東南橫貫盆地后注入東海。本文以《福州市城市總體規劃(2011—2020)》劃定的中心城區為研究區(圖1), 包括鼓樓區、倉山區、臺江區、馬尾區，晉安區的茶園街道、王莊街道、象園街道、鼓山鎮、新店鎮、岳峰鎮,閩侯縣的荊溪鎮、南嶼鎮、南通鎮、尚干鎮、祥謙鎮、青口鎮、上街鎮和連江縣的琯頭鎮, 土地面積1443 km2。截止2016年, 福州中心城區建設面積已達260 km2, 常住人口達300萬, 但城市的快速發展對生態環境造成日益嚴重的干擾, 非農建設用地大量侵占農用地, 水資源污染較為嚴重, 城市建設用地布局不合理, 導致城市面臨日益嚴重的生態風險問題。

1.2 數據來源

研究數據主要來源于研究區2000年、2009年Landsat7 ETM+和2015年Landsat8 OLI三期遙感影像。在幾何校正與影像匹配的基礎上, 利用eCognition軟件對三期影像采用面向對象的監督分類進行解譯, 獲得研究區土地利用數據。結合研究區土地利用二調數據、Google Earth對解譯精度進行校正, 并進行實地抽樣驗證, 數據精度達到86%以上, 滿足研究要求。參考全國土地利用分類體系(GB/T 21010—2017)與前人研究[23-25], 并結合研究區實際情況, 根據土地利用功能特點將土地利用類型劃為分濕地生態用地、林業生態用地、其他生態用地、特殊用地、水域生產用地、農業生產用地、城鄉生活用地、工礦交通用地8大類, 如表1:

圖1 研究區位置示意圖

Figure 1 Location of the study area

表1 福州中心城區“三生用地”分類體系

1.3 生態系統服務價值計算及修正

參考謝高地[26]的研究, 采用當量因子法計算福州中心城區2000—2015年生態系統服務價值, 考慮研究區實際, 本文利用研究區種植面積較大、產量較高的糧食、蔬菜、水果和茶葉的單位面積產值來計算單位面積生態服務價值, 公式如(1)。在此基礎上, 分別計算不同“三生用地”類型的生態服務價值。其中,由于農業生產用地中包含園地, 園地的生態系統服務價值當量取農田與森林的平均值, 故生產生態用地的生態服務價值取園地和農田的平均值; 而生活生產用地則參考胡喜生[27]的研究對城鄉生活用地、工礦交通用地的生態服務價值進行修正, 采用替代成本法、防治成本法等從氣體調節、水源涵養、固體廢物、娛樂文化四方面計算。其中前三項指標計算公式如(2)(3)(4), 而娛樂文化用旅游收入代替。

=S×W+S×W+S×W+S×W(1)

式中,S、S、S、S分別表示糧食、蔬菜、水果和茶葉的播種面積占四種作物總播種面積的百分比;W、W、W、W分別指糧食、蔬菜、水果和茶葉的單位面積產值。

式中,P為建設用地氣體調節單位面積生態價值,Q為類廢氣排放量,C為類廢氣治理成本,S為建設用地面積。

P=–(+QC)/S(3)

式中,P為建設用地水源涵養單位面積生態價值,為用水總量,為水單價,Q為廢水排放總量,C為治理廢水所需的成本,S含義同上。

P=–QC/S(4)

式中,P為建設用地廢物單位面積生態價值,Q為廢物排放量,C為治理廢物所需的成本,S含義同上。

1.4 生態風險指數構建

生態風險指數是由區域生態系統受到外部干擾和內部抵抗力共同決定的。本文首先利用景觀干擾度指數、脆弱性指數共同構建生態風險指數計算模型, 公式如(5), 其次, 利用ArcGIS對研究區進行網格化處理, 將研究區按照1 km×1 km的正方形網格來劃分,并計算每個評價單元的生態風險指數; 最后將計算結果其作為該樣地中心點的生態風險水平,利用克里金插值法得到研究區生態風險空間分布圖。

式中:ERI第個評價單元的生態風險指數;S為第個評價單元的第類景觀類型的面積;S為第個評價單元的面積;為第類景觀類型的干擾度指數;F為第類景觀類型的脆弱度指數。

(1)景觀干擾度指數

E=aC+bS+cD(6)

式中:E為景觀干擾度指數;C為景觀破碎度指數;S為景觀分離度指數;D為景觀優勢度指數;、、為各對應指數的權重系數, 且和為1, 參考相關研究[28], 三個指數分別賦值為0.5, 0.3, 0.2。

(2)景觀脆弱性指數。結合相關的研究經驗[29], 采用專家打分法, 根據研究區實際對不同地類排序, 其他生態用地為8, 林業生態用地為7, 水域生產用地為6, 濕地生態用地為5, 農業生產用地為4, 特殊用地為3, 工礦交通用地為2, 城鄉生活用地為1。并進行歸一化處理最終得到景觀脆弱度指數。

1.5 雙變量空間自相關分析

空間自相關是反映一個空間單元位置的要素觀測值與相鄰單元的觀測值之間的關聯程度[30]一般包括全局空間自相關和局部空間自相關[31]。全局空間自相關是對整個區域的空間特征的描述和關聯程度的測度, 本文采用 Morans′ I系數來表示區域總體的空間關聯和空間差異程度。計算如公式(7):

式中:為樣本總數,x與x分別為樣本與在所在位置的屬性值,`為樣本平均值,w為空間權重。

2 結果與分析

2.1 “三生用地”格局演變

據研究區2000、2009和2015年“三生用地”數量統計(圖2)、變化圖(圖3)和土地轉移矩陣(表3)可看出,隨著城市化進程加快,15a間福州中心城區內“三生用地”面積發生了顯著的變化, 生態用地面積從75824.59hm2減少到72232.64 hm2, 生產生態用地面積由18601.64 hm2減少到17250.38hm2, 生態生產用地面積由27901.3 hm2減少到18684 hm2, 而生活生產用地面積增加, 由21907.04 hm2增加到36067.61 hm2。從二級分類看, 福州中心城區主要以林業生態用地、城鄉生活用地為主, 2015年的林地、城鄉生活用地面積分別為: 66737.31 hm2、31310.63 hm2, 分別占總面積的: 46.27%、21.71%, 2000—2015年濕地面積減少474.83 hm2, 水域生產用地、其他生態用地面積分別減少了1526.21 hm2和1597.92 hm2, 特殊用地、工礦交通用地面積分別增加了174.94 hm2和2668 hm2。福州地貌為河口盆地，建設空間有限，隨著城鎮化進程加快，城鄉生活用地和工礦交通用地面積擴張, 侵占了不少農業生產用地、水域生產用地和其他生態用地。其中，城鄉生活用地侵占農業生產用地面積高達7732.94 hm2, 工礦交通用地占用了1362.58 hm2。而研究區生態用地及生態生產用僅有小幅減少,主要是因為福州中心城區林業生態用地多分布于盆地四周的山地上, 城市建設對其影響較小。

圖2 2000—2015年福州中心城區三生用地變化圖

Figure 2 Spatial structure change of production-living-ecological land use in the Fuzhou central city during 2000-2015

圖3 2000—2015年三生格局變化

Figure 3 Changes in production-living-ecological pattern from 2000 to 2015

2.2 生態系統服務價值變化分析

據式(1)—(4)計算不同用地生態系統服務價值(表3)可知, 2000—2015年間研究區的生態系統價值由772.06×108元降低到562.16×108元, 年均減少13.99×108 元, 年均增長率為-5.28%。從三生用地分類看各類用地的生態服務價值都在不斷減少, 其中，林地的年均變化率最小為0.16%, 工礦交通用地是年均變化率最大為6.05%。從生態系統服務功能上看, 四種功能逐年減少,調節功能變化最大, 年均變化率為4.49%；其次是支持功能，年均變化率為0.69%；第三為供給功能，年均變化率為0.59%；文化功能變化最小, 年均變化率為0.55%, 四種服務的年均變化速率呈現波動性增長。

計算1618個網格的生態系統服務價值, 賦值到每個網格的中心點再利用Arcgis的克里金插值法,進行空間插值，并根據自然斷點法將生態系統服務價值分為5個等級(圖4)。從圖4可以看出2015年研究區高生態系統服務價值分布區居多, 面積占31.47%; 其次是中生態系統服務價值, 占20.46%; 低生態系統服務價值面積最少, 僅占9.7%。同時, 15a間高、較高、中生態系統服務價值面積不斷減少, 較低、低生態系統服務價值面積劇增, 高生態系統服務價值分布在福州中心城區的外圍山地, 多為林業生態用地, 生態服務價值較高, 低生態服務價值的區域為主城區部分, 建設用地占比大, 幾乎無生態服務價值。隨著中心城區建設擴張,農業生產用地等用地被大量侵占,導致低生態服務價值區域增多。

表2 2000—2015年福州中心城區土地利用轉移矩陣(hm2)

表3 2000—2015福州中心城區生態系統服務價值變化

圖4 福州中心城區生態系統服務價值空間分布圖

Figure 4 Spatial distribution of ecosystem services value in Fuzhou central city

2.3 生態風險時空變化

將評價單元的生態風險指數計算結果賦值給評價單元中心點, 借助ArcGIS用普通克里金插值形成3期景觀生態風險值的分布圖，結果顯示，3期景觀生態風險指數范圍介于0.055—10.231之間,并采用自然間斷點分為5級得到2000、2009和2015年的景觀生態風險等級圖(圖5)。由圖5 統計可得, 從2000年到2015年福州中心城區生態風險都是以中高風險為主, 分別占不同年份土地總面積的57.59%、44.68%、46.80%, 但15a間中高風險的面積一直在減少, 從82874.73 hm2減少到67339.40 hm2。從空間分布看, 中高風險區多位于福州周邊山地, 景觀以林業生態用地和農業生產用地為主；低生態風險主要分布在鼓樓區、臺江區、倉山區等城市中心地, 且面積在不斷增加, 15a間面積從6916.78 hm2上升到10957.24 hm2高生態風險主要分布在馬尾區, 羅亭街道, 亭江鎮等地, 15a間面積先減少后增加, 該區域處于城鄉結合部, 其中林業、農業、工交等多種用地交雜一起, 人類活動干擾強烈, 導致生態風險有所回升, 值得引起重視。

2.4 生態系統服務價值與生態風險的相關性分析

用Geoda軟件的雙變量空間相關性分析, 分析2000—2015年間生態風險和生態系統價值的空間相關性, 結果表明, 2000年、2009年和2015年的莫蘭指數為-0.073, 0.200和0.258, 且P<0.05, 說明空間上具有相關性。2000年生態服務價值與生態風險之間存在負向空間關聯性且空間差異較大, 2009和2015年二者之間為正向空間關聯性；局部空間自相關LISA 分析結果如圖6所示, 生態系統服務與生態風險局部關聯性顯著區域主要分布在鼓樓區, 倉山區, 臺江區、晉安區等地, 分為高價值—高風險(HH) 、低價值—低風險(LL)、低價值—高風險(LH)、高價值—低風險(HL)和不顯著(NS)共5 種類型。其中，高生態服務價值高風險區域分布在晉安區鼓山一帶。鼓山地區以林地生態用地為主, 但其中也交織了少量農業生產用地和其他生態用地, 所以生態系統服務價值較高生態風險等級也較高。低生態服務價值低風險區域分布在倉山區、鼓樓區和臺江區等主城區。主城區主要為集中連片的城鄉建設用地, 幾乎無生態服務價值, 生態風險低。隨著城市發展,城區面積進一步擴大, 低價值—低風險區域還將繼續擴大。高價值—低風險區域分布在閩江干流及沿岸附近。閩江是福州的母親河, 生態保護日益受到重視, 其生態服務價值和生態風險總體將保持穩定。

圖5 福州中心城區生態風險等級空間分布圖

Figure 5 Spatial distribution map of ecological risk scale in Fuzhou central city

圖6 福州中心城區單位面積生態系統服務價值與生態風險指數空間自相關

Figure 6 The spatial autocorrelation between unit area ecosystem service values and ecological risk index in Fuzhou central city

表4 2000—2015福州中心城區生態系統服務功能與生態風險指數灰色綜合關聯度

選取每個評價單元的服務價值、調節服務、支持服務、供給服務、文化服務與生態風險指數做灰色關聯度分析, 分辨系數選取0.5, 結果顯示, 2000年、2009年和2015年各服務功能與生態風險指數關聯度都大于0.5, 說明有顯著相關性。其中, 2000年的支持服務與生態風險指數的相關性最大, 2015年的調節服務與生態風險指數相關性最小。四種調節服務中, 調節服務與生態風險指數的相關性最小, 表明調節服務對生態風險指數影響較小; 支持服務與生態風險指數相關性最大, 且支持服務的相關系數比綜合服務價值高, 說明單項支持服務更能反映與生態風險之間的關系。

3 討論與結論

本文基于“三生用地”視角, 以福州中心城區2000、2009和2015年三期遙感數據為基礎, 利用ArcGIS計算了生態系統服務價值和景觀生態風險指數, 并采用灰色關聯度分析和雙變量空間自相關分析研究區生態系統服務價值和生態風險的空間變化特征及空間相關性, 結果表明:

(1)2000—2015年福州市中心城區的“三生用地”發生了較大的變化, 主要表現為隨著城市的擴張,城鄉生活用地面積在不斷增加,農業生產用地面積不斷減少,城鄉生活用地侵占農業生產用地面積達7732.94 hm2。

(2)15年間研究區的生態風險變化較為顯著,中高生態風險轉向中生態風險、中低生態風險較多, 城市中心地帶如鼓樓區、臺江區等生態風險值一直較低, 而靠近主城區近郊的上街鎮、南嶼鎮、南通鎮等部分地區因城市化發展較快, 地塊整體生態風險值逐年降低, 高生態風險區在2000—2009年有所降低, 但在2009—2015年間部分地區有所反彈, 說明在后7年的發展過程中, 城市新發展導致景觀破碎度增加提高了生態風險值。

(3)15年間研究區的生態系統服務價值由772.06×108元降低到562.16×108元, 年均減少13.99×108元, 單位面積上生態服務價值大小順序是, 林業生態用地>水域生產用地>農業生產用地>濕地生態用地>其他生態用地>特殊用地>城鄉生活用地>工礦交通用地, 且各類用地的生態服務價值都在不斷減少, 從服務功能上看, 調節服務>支持服務>供給服務>文化服務, 15年間各類服務價值亦在不斷減少。

(4)從生態系統服務價值和生態風險空間相關性上看, 2000年兩者呈現顯著的負相關性而2009年和2015年呈現顯著的正相關性。從生態風險與生態服務功能的灰色關聯度上看, 生態風險與各生態服務功能有顯著相關性, 調節服務與生態風險指數的相關性最小,支持服務與生態風險指數相關性最大, 且支持服務的相關系數比綜合服務價值高, 說明單項支持服務更能反映與生態風險之間的關系。

“三生用地”視角下的生態系統服務和生態風險的綜合評價能準確反映某一地區發展導致不同用地的生態環境變化情況, 評價區域各種用地的可持續發展潛力, 為區域合理用地劃分和生態環境保護提供依據。從文章研究結果看, 福州中心城區景觀生態風險有所回升, 生態系統服務價值降低, 因此在未來城市規劃中首先應加強對景觀生態風險的監測, 針對風險源和風險受體建立信息管理庫并提出應對措施; 其次要依據“三生用地”的內在聯系整合城市內部景觀單元, 防止城市景觀破碎化, 提高城市內部生態結構的完整性; 最后應重視景觀結構功能改變對生態安全造成的影響, 在城市擴張方面要合理控制建設用地的規模和速度, 實現城市可持續發展, 建成宜居城市。另外, 本文對生態系統服務和生態風險關系的研究僅限于相關性分析, 并不能很好反映兩者的內在聯系, 研究的廣度和深度有待進一步加強。

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Spatiotemporal evolution and correlation analysis of ecosystem service values and ecological risk in Fuzhou central city

XU Yiwen1,2, DAI Wenyuan1,2,3,*, HUANG Wanli1,2,3, HUANG Kang1,2, HU Hangxiao1,2

1. Key Laboratory for Humid Subtropical Eco-geographical Processes of the Ministry of Education,Fuzhou 350007, China 2. Fujian Normal University, School of Geographical Sciences, Fuzhou 350007, China 3. Institute of Geography, Fujian Normal University, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China

According to the land use classification of “production-living-ecological”,using GIS, Fragstats, GeoDa and other software, this paper analyzed the spatial temporal evolution and correlation of ecosystem service value and ecological risk in the central urban area of Fuzhou from 2000 to 2015. The results showed that: (1)the landscape type of central urban area of Fuzhou was forestry ecological land in 2000 to 2015.The change of landscape pattern was mainly reflected in the occupation of agricultural production land by urban and rural living land.(2)From 2000 to 2015,the total value of ecosystem services in the central urban area of Fuzhou continued to increased from 772.06×108yuan to 562.16×108yuan and the ecological risk index showed a slowly decreasing trend. Therefore, regional ecological risks improved. (3)There was a significant correlation between the value of ecosystem services per unit area and the ecological risk index. Spatially, there was a negative correlation in 2000 and a positive correlation in 2009 and 2015. The results of the research are helpful to regulate urban ecological risks, optimize the layout of urban land resources, and provide a scientific basis for the healthy and sustainable urban development of Fuzhou.

landscape ecological risk; production-living-ecological;ecosystem service ; Fuzhou central city

徐乙文, 戴文遠, 黃萬里, 等. 福州中心城區生態服務價值與景觀生態風險時空變化及相關性分析[J]. 生態科學, 2021, 40(4): 92–101.

XU Yiwen, DAI Wenyuan, HUANG Wanli, et al. Spatiotemporal evolution and correlation analysis of ecosystem service values and ecological risk in Fuzhou central city[J]. Ecological Science, 2021, 40(4): 92–101.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.04.011

K903

A

1008-8873(2021)04-092-08

2020-01-23;

2020-02-27

國家自然科學基金(41971261); 福建省自然科學基金(2018J01741); 福建省科技廳公益類重點項目(2017R1034-2)

徐乙文(1995—), 女, 江西宜春人, 碩士研究生, 主要從事自然地理學方面的研究, E-mail: 492921109@qq.com

戴文遠(1972—), 男, 福建莆田人, 副教授, 主要從事土地利用與城鄉發展研究, E-mail: dwygeo@fjnu.edu.cn