福州市建成区生态系统健康评价研究

2014-02-11韩永刚黄义雄叶功富

水土保持研究 2014年2期

汪娜，韩永刚，黄义雄，叶功富

（1.福建师范大学地理科学学院，福州 350007；2.福建省水土保持试验站，福州 350003；3.福建省林业科学研究所，福州 350012）

科技进步、经济发展和人口增加，给生态环境带来了巨大的压力，使生态系统遭到了破坏，这些引起了人们的广泛关注。福州地处生态环境脆弱带，作为地处东南沿海重要地理位置的福建省省会城市，对其生态环境的保护更是刻不容缓［1］。生态系统健康是环境保护领域的一门新兴科学，它是一门研究人类活动、社会组织、自然系统及人类健康的综合性学科［2］。生态系统健康评价是生态环境研究的热门领域［3］。国外学者对生态学、生态系统健康进行了较多的研究［4－10］。目前，我国生态系统健康研究的对象包括城市［11－12］、草地［13］、农田［14］、黄土丘陵区［15］、湿地［16－19］、行政区［20－24］等。但研究面临评价指标难以统一，评价因子无法适应生态系统动态变化的过程等问题。虽然生态系统健康评价研究的文章很多，但方法基本雷同，一些评价指标也大同小异，在权重确定中受人为意识左右较多，同一指标不同学者权重赋值差异很大，难以客观进行比较。基于此，本文在RS和GIS的支持下，借助SPSS数量分析法，通过计算压力、状态、响应评价及健康综合评价的结果，分析影响生态系统健康的因素，为研究福州市生态系统健康提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理状况

福州市位于福建省中部东端，东临台湾海峡，西靠三明市、南平市，南邻莆田市，北接宁德市。东西最大横距128km，南北最大纵距145km，总面积11968 km2，其中市区面积1032 .29km2。地理位置介于东经118°08′—120°31′，北纬25°15′—26°39′。福州市位于闽江下游，地势由西北向东南倾斜，海拔600～1000 m。地貌属于典型的河口盆地，城区位于盆区中央，四周群山环抱。

1.2 社会经济状况

福州市现辖五区六县二市，即仓山、台江、鼓楼、晋安、马尾5个区，连江、罗源、闽侯、闽清、永泰、平潭（县）综合试验区6个县，福清、长乐两个县级市。人口711.54万（2010年）。本文研究范围为福州市建成区，包括台江区、仓山区、鼓楼区、晋安区和马尾区，总面积为1032 .29km2。

2 材料与方法

2.1 数据来源

本研究所用基础数据主要包括图件资料和文字资料，其中图像资料包括2011年福州市ETM＋遥感影像、福州市行政区划图两部分；文字资料包括GDP总值、人口数量、土地面积等数据，来源于《2011年福州统计年鉴》。同时借鉴前人研究的成果，获取不同类型生态系统碳密度、生态弹性限度归类等数据。

2.2 数据处理

使用地理信息系统ArcGIS 9.3对ETM＋影像进行目视解译，得到研究区土地利用矢量图，并对解译结果进行校正。进一步将矢量图转化成像元大小为8m的栅格图像。用生态系统健康状况评价的压力—状态—响应（P－S－R）模型，以解译好的图像及其派生数据作为基础信息源，分别采用Fragstats 3.3和Excel软件计算压力、状态、响应等指标值，并采用极值标准化法对不同量纲的数值进行标准化处理，再使用SPSS 17.0对标准化后的值进行主成分分析，得到不同指标的权重值，进而计算得出压力、状态、响应及健康综合指标分值，采用五级划分标准对综合分值进行分级。最后运用ArcGIS对各分类结果进行空间表达，并结合区域的实际情况，找出影响研究区域生态系统健康的主要因素。

2.3 解译结果与分析

对2010年福州市ETM＋影像进行解译，按照土地利用方式解译出6种类型，共750个斑块。其中仓山区103个斑块，台江区4个斑块，鼓楼区27个斑块，晋安区492个斑块，马尾区124个斑块。福州市的晋安区、马尾区东部、仓山区的耕地分布密度较大。这些地区的土地垦殖率较大，马尾区最大，土地压力较大。福州市的耕地中水田占98.09%。闽江穿过福州市的仓山区和马尾区中部，最后折向东北流出琅歧岛注入东海。河流两岸的冲击平原地势平坦，土壤较为肥沃，同时闽江河口湿地在农田灌溉中发挥了重要的作用［21］。

福州市林地分布范围较为广泛，除了台江区外，其他的4个区林地覆盖率都较高。林地面积占城区面积的61.49%。森林在生态环境中的作用不言而喻。林地所占比例越大，对生态系统健康的积极效应就越大。2010年7月，在中国环境规划院的中国最宜居城市评比中，福州位居榜首。福州市草地面积较小，分布也较为零散。但福州市的草地50.88%为高覆盖度草地。草地面积比例越大，对生态系统健康的正面效应越大。草地对维持大陆性气候区的生态环境和保护物种繁衍具有重要的生物学意义。福州市建设用地面积占福州市面积的22.58%，分布相对集中，其中城镇建设用地占了74.75%，城镇用地主要分布于仓山、鼓楼和台江区。城镇用地指的是大、中、小城市及县镇以上建成区用地。城乡、工矿、居民用地比例越大，对生态系统健康的负面效应越大。

3 福州市建成区生态系统健康评价

3.1 指标数据获取

本文压力指标选择土地压力、人口压力和人类干扰指数。土地压力用土地垦殖率来表示，指一定区域内耕地面积占土地总面积的比例，是反映土地资源利用程度和结构的重要指标。人口压力用人口密度来体现，反映某一地区范围内人口疏密程度。人类干扰指数是由建设用地面积与总面积指标的比值来计算。

状态指标选择区域平均碳密度、多样性指数、优势度指数、均匀度指数、破碎度指数、生态弹性度来表示。

碳密度指单位面积的碳储量。计算公式为［2］:

式中:C——活力指数，是表征物种丰富度和均匀度的综合指标；Pi——第i种土地类型所占面积比例；Di——第i种土地类型的碳密度；m——土地类型总数。

区域生态弹性度可以通过区域内不同土地类型弹性度的加权平均计算求得，计算公式为［2］:

式中:ECOres——所有土地类型的平均弹性限度；Pi——第i种土地类型的权重；m——土地类型总数；Bi——土地利用类型i的弹性限度。

响应指标选择林地覆盖率和人均地区生产总值两个指标。林地覆盖率＝林地面积／土地总面积×100%。根据实测资料和具体模型计算得出压力—状态—响应指标数据实值（表1—2）。

表1 压力、响应指标计算实值

表2 状态指标计算实值

3.2 指标数据标准化

为了消除量纲、变异自身大小和数值大小的影响，将数据进行标准化。对于正向指标，指标越大越好，计算方法为:

对于负向指标，指标越小越好，计算方法为:

3.3 生态系统健康指标综合得分

对标准化后的各个指标数值采用SPSS科学软件计算各综合指标。计算过程及分级结果如表3—4所示。按照分级标准，压力指标处于一级的是仓山区；处于二级的是马尾区；处于三级的是晋安区；压力指标的四级空缺；鼓楼区和台江区的压力指标处于五级区域。状态指标处于一级的是马尾区；处于二级的空缺；处于三级的是鼓楼区和晋安区；处于四级的是仓山区；台江区的状态指标处于五级区域。响应指标处于一级的是马尾区；处于二级的是鼓楼区；处于三级的空缺；处于四级的是仓山区和晋安区；台江区的响应指标处于五级区域。

表3 压力、响应、状态的特征值、贡献率和累计贡献率

表4 压力、响应、状态的综合指数

3.4 健康综合指标计算结果

计算过程及其结果如表5，6所示。

表5 特征值、贡献率和累计贡献率

表6 健康综合指数

由以上结果可以看出，生态系统健康综合指标处于一级的是马尾区；处于二级的空缺；处于三级的鼓楼区、仓山区、晋安区；处于四级的空缺；台江区的健康综合指标处于五级区域。

4 空间表达结果分析

4.1 生态系统健康压力、状态响应、状况分析

根据计算结果得出的生态系统健康指标数据，在ArcGIS软件支持下绘制了福州市生态系统健康状况分布图（图1）。由图1可以看出，压力指标处于一级的是仓山区；处于二级的是马尾区；处于三级的是晋安区；压力指标的四级空缺；鼓楼区和台江区的压力指标处于五级区域。鼓楼区和台江区之所以压力相对较大，属于五级健康区，主要是因为其人口密度大、人口干扰度高，虽然土地垦殖率相对于其他地区小，但总体压力还是较大。

图1 福州市建成区生态系统健康压力、状态、响应指标等级分布

状态指标处于一级的是马尾区；处于三级的是鼓楼区和晋安区；处于四级的是仓山区；台江区的状态指标处于五级区域。马尾区综合状态指标的得分最高，状态最好，这是因为这一区域处于闽江下游冲击平原，地势平坦，土壤肥沃，水源充足。闽江口湿地对植物的生态健康十分有利［21］，林地覆盖率也较高，生态系统储碳能力较强，斑块结构合理，生态弹性度较大。人口密度和人口干扰度都较小。

响应指标处于一级的是马尾区；处于二级的是鼓楼区；处于四级的是仓山区和晋安区；台江区的响应指标处于五级区域。马尾区综合状态指标最高，状态最好，这是由于马尾区隶属亚热带季风气候区，植被丰富，林地覆盖率也较高。生态环境综合指标名列福建省前茅。人均地区生产总值在五区中居榜首。

4.2 生态系统健康状况综合分析

由图2可以看出，生态系统健康综合指标处于一级的是马尾区；鼓楼区、仓山区、晋安区处于三级；台江区的健康综合指标处于五级。从整体上来看，福州市的生态体统健康状况五区分异较大，自西向东生态系统健康呈逐渐变好的趋势。马尾区生态系统健康状态相对较好，台江区较差，其他3个区居中。

马尾区处于一级健康区，生态系统健康状况良好，生态功能完善，生态系统健康程度高，处于生态系统具有持续发展的空间，社会经济良性发展。马尾区人口密度小，人口干扰度小，响应综合指数最高，景观多样性和均匀度较高，优势度和破碎度较低，虽然土地垦殖率高，综合多方面因素看，其生态系统健康状况仍然是最佳的。

图2 福州市建成区生态系统健康综合指标等级分布

鼓楼区、仓山区、晋安区处于三级健康区，生态系统结构完整，生态系统健康状况一般，具有一定的活力。生态系统功能基本正常，但敏感性较强，存在少量的生态系统问题。鼓楼区人口密度大，人口干扰度大，森林覆盖率低，景观优势度和破碎度高，虽然景观多样性高，土地垦殖率低，但综合多方面因素看，其生态系统健康状况一般。仓山区土地垦殖率高，人均地区生态总值在五区中最低，区域碳密度、景观多样性和均匀度都较高，其他各项指标都居中，综合多方面因素看，其生态系统健康状况一般。晋安区垦殖率较低，其他的情况和仓山区较为接近，综合多方面因素看，其生态系统健康状况一般。

台江区处于五级健康区，生态系统结构被破坏，斑块破碎程度高，活力极低，生态功能丧失，生态系统问题大量出现。在压力、状态、响应3个方面台江区的表现都是最差的。区域平均碳密度、均匀度指数、多样性指数均最低，优势度指数和破碎度指数最高，生态弹性度最低，故归属于五级生态系统健康区。

从评价结果上看，结合福州市现有的生态系统健康状况，比较符合福州市生态环境的现状。

5 建议

本文选取福州市建成区为研究对象，通过构建压力—状态—响应（P－S－R）模型，借助 ArcGIS平台，运用SPSS软件、Excel软件和Fragstats 3.3软件，定量化评价福州市建成区生态系统的健康状况。结果得出，福州市五区中，马尾区生态系统健康综合指标处于一级，鼓楼区、仓山区、晋安区处于三级，台江区处于五级，二级和四级空缺。

结合福州市五区的生态系统健康现状，促进生态系统健康的发展，需要在进行经济建设的同时坚持环境保护，实现两者相互协调发展，响应十八大号召，将推动经济社会发展作为第一要义，对现有的生态系统采取严格的生态保育措施，具体可以从以下4个方面入手:（1）加强环境保护宣传教育，提高全民的生态保护意识；（2）加大生态环境保护力度，科学开展生态建设；（3）加强生态保护资金引入机制；（4）加强生态环境综合治理。

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