基于生态系统服务价值的曹妃甸新区土地利用空间优化

袁殷　马丽梅　王晖　张乐

摘要：以曹妃甸新区为例，提出了基于生态服务价值的土地利用空间优化方法，运用RS与GIS技术，采用最小积累阻力模型，模拟曹妃甸新区生态保护用地和城乡建设用地扩张过程，合理的划分土地空间分布格局并提出各区域的管制要求。结果表明，曹妃甸新区生态系统服务价值整体上由北向南分异明显，呈现中、高、低分布趋势。区域可分为重点保护区、一般保护区、适宜建设区、优化建设区，面积分别为214.39、809.42、499.11、424.91 km2，结果突出了生态系统服务价值的空间差异，完善了土地空间优化方法。

关键词：生态系统服务价值；土地利用；最小积累阻力模型；曹妃甸新区

中图分类号：F301 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）08-1968-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.08.015

Abstract： In order to better coordinate the contradiction between economic development and ecological protection，taking Caofeidian new district as an example， using RS and GIS technology， the paper presents the partition method of land space based on ecosystem service value. We used the minimum resistance model to simulate the expansion process of urban construction land and ecological protection land and predicted the reasonable land spatial distribution pattern and the regional regulatory requirements. The results showed that：the ecosystem service value of Caofeidian New District showed obvious differentiation from north to south with high，medium and low distribution. The total area could be divided into four parts：Key protected zone， general protection region， construction-suitable zone and construction optimized zone. The area was 214.39， 809.42，499.11，424.91 km2， respectively. The results highlight the spatial differences in ecosystem service valueand improved the land space partition method， which was significant for the sustainable land use in Caofeidian new district.

Key words：ecosystem service value；land use；minimum accumulation resistance model；Caofeidian new district

生態系统服务为人类提供医药、食物以及生活所需的其他生产原料，形成和维持人类赖以发展和生存的环境和效用，同时还具有净化环境、维持地球生物化学循环、维护和支撑物种及遗传多样性等作用[1-3]。生态系统服务价值的退化和丧失越来越威胁到人类的健康和安全。随着全球环境保护意识的不断增强与资源的过度利用，生态系统服务价值不断地退化和丧失，已经威胁到人类的健康和安全，乃至全球的生态安全[4-6]，已成为国际生态学研究的前沿和热点，将为区域性环境问题的有效解决和可持续发展提供积极的科技支撑。生态系统服务价值作为生态系统服务研究的重要方面之一，是量化和评价生态服务功能强弱的重要方法[7-9]。自20世纪90年代以来，国际社会关于生态系统服务价值的研究以及评估获得了较为广泛的关注，尤其是联合国等有关机构与国际组织为生态系统服务的研究做出了杰出的贡献[10-12]，近年来中国学者从生态系统服务评价方法[13]、生态系统内外部驱动因素[14]等方向分别展开了研究，并取得了显著成果。

土地利用空间优化[15，16]是对土地利用的合理布局。国内外学者常采用识别土地利用类型资源型关键地段的方式，对某一区域进行土地利用用途管制分区，但随着城镇化以及工业化进程的快速发展，区域内土地利用类型随之发生剧烈的相互转化，使得区域内土地利用景观类型的斑块面积减小，且破碎度增大。在这种情况下，仅仅通过识别土地利用类型资源型关键地段的方式进行土地空间分区存在一定的困难。

曹妃甸新区作为典型的经济快速发展的城市之一，随着经济的快速发展，土地利用和覆被发生剧烈变化，生态环境脆弱。因此，本研究运用RS和GIS技术，分析曹妃甸新区生态系统服务价值的空间分异特征，识别出曹妃甸新区生态敏感区域，基于最小积累阻力模型构建土地空间分区模型，从而划分较为合理的曹妃甸新区土地利用空间分布格局并提出分区管制要求，以期为曹妃甸新区城市化过程中土地资源持续利用和生态保护提供科学依据。

1 研究区概况

曹妃甸新区位于河北省唐山市南部沿海，地理坐标北纬38°54′-39°26′，东经118°59′-118°54′，总面积为1 943.72 km2。现管辖“两区一县一城”，即曹妃甸工业区、唐海县、南堡经济开发区和曹妃甸新城。截至2007年，曹妃甸新区人口22万，主要集中在唐海、南堡开发区和曹妃甸工业区。研究区属东部季风区暖温带半湿润气候区，四季分明，雨热同季，年平均气温10.8 ℃，春夏两季气温比同纬度地区偏低。区域内主要分布有耕地、林地、盐田、居民点及工矿用地、港口码头、沿海滩涂、淡水水域及湿地、未利用地等土地利用类型。新区具有丰富的水生动、植物资源，为以水禽为主的鸟类提供了丰富的食物来源和筑巢、隐藏等天然的活动场所和栖息环境。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

基于成像时间为2010年8月曹妃甸新区SPOT5影像数据，分辨率为5 m。用几何精校正及配准的1∶50 000土地利用现状图及其矢量化数据，对影像进行配准。采用遥感多波段数据融合获取土地利用信息，通过相关性及统计分析，确定最佳波段影像组合为TM3（B）、4（G）、7（R）合成假彩色方案。根据建立的土地利用地表景观解译标志，利用Envi的分类监督功能解译出2010年曹妃甸新区土地利用现状图（图1）。参照《全国土地分类》，将研究区土地利用分为耕地、林地、未利用地、淡水水域及湿地、盐田、居民点及工矿用地、沿海滩涂以及港口码头等8种类型。在遥感影像分类结果上随机选取100个检查点，通过实地调查、参考同年的土地利用图和地形图获取检查点的实际土地利用类型，然后在ENVI 4.7软件的支持下计算混淆矩阵和Kappa指数，对遥感影像的解译结果进行精度检验，得出遥感影像解译精度评价结果达到85%以上，满足本研究的需要。

2.2 研究方法

2.2.1 区域生态服务价值修正 根据Costanza等[5]的研究，通过估算生态系统服务价值，从科学意义上明确生态系统服务价值的方法及原理。但此研究存在不足，从而引发国内外相关学者的讨论。根据中国实际情况，谢高地等[7，8]通过对中国200位生态学方面的相关专家采用调查问卷的方式进行分析，并结合中国实际情况，构建了中国大陆生态系统服务价值当量系数表，即每年不同地类单位面积的生态服务价值。

針对研究目的，主要是对土地系统的生态服务价值或者变化趋势进行分析。故采用Millennium提出的生态服务价值估算公式及相关研究成果[17，18]，1个生态服务价值当量因子的经济价值为54美元/hm2，按2010年的基准价6.667 5元/美元计算[19]，确定曹妃甸新区1个生态服务价值当量因子的经济价值约为360.05元/hm2，由此确定各陆地生态系统的生态服务价值系数（表1）。核算新区生态服务价值公式为：

式中，ESV（元/年）为年生态系统服务总价值；Ai（hm2）为研究区第i种土地利用类型的分布面积（i=1，2，…，6，为土地利用类型）；VCi（元/hm2·年）为第i种土地利用类型的生态系统服务价值当量。

通过参考曹妃甸新区2020年土地利用总体规划以及城镇发展规划，未来曹妃甸新区定位于建设成为国际化港口，所以新区南部沿海滩涂根据未来城市发展需要划分为建设用地，为未来港口建设预留空间。根据研究区范围大小以及斑块的平均大小，利用ArcGIS技术，进行30 m×30 m栅格转换，计算出每个栅格的生态系统服务价值。由图2可见，曹妃甸新区生态系统服务价值整体上由北向南分异明显呈现中、高、低分布趋势。生态服务价值较高的地区主要是石臼坨鸟类自然保护区、唐海湿地和鸟类自然保护区以及草泊水库，三者沿东南至西北依次排开，形成了曹妃甸新区生态敏感区。较低的区域主要分布在主要的建成区以及南堡盐场、曹妃甸工业区和大清河盐场地带，而北部主要分布大量的耕地，是主要的农业保护区，生态系统服务价值以中等为主。

2.2.2 土地空间优化模型的构建 最小累积阻力模型（MCR）最早由Knaappen等人提出，经国内学者的修改用下式表示[20]：

式中，Ri为景观基面i对物种运动阻力；Dij为从源j到空间中某一个点五中穿越景观基面i空间距离；f为未知的一个正函数，体现空间一点的最小阻力与这一点到所有源的空间距离以及景观基面特征的相关关系。

空间分区模型的构建参照刘孝富等[21]的研究成果，假设城市土地的用途划分适宜建设适宜生态的两大用地；城乡建设用地和生态保护用地扩张，受到土地生态系统关键性地段的约束、推进和刺激，其扩张是相互制约和相互联系的过程，以期达到平衡，用下式表示：

MCR差值=MCR生态保护用地扩张-MCR城市建设用地扩张

当MCR差值<0，划分为适宜生态建设用地；MCR差值>0时，划分为适宜城乡建设发展用地；当MCR差值=0时，为划分适宜生态建设用地和适宜城乡建设发展用地之间的分界线。

源的确定。基于对区域生态服务价值空间分析将石臼坨鸟类自然保护区、唐海湿地和鸟类自然保护区以及草泊水库，三者沿东南至西北依次排开，形成了曹妃甸新区生态敏感区以及优质的基本农田保护区为生态用地扩张的源；城镇建成区为城镇建设用地扩张的源。

阻力面的建立。由于生态服务价值与景观类型具有一定相关性，生态服务价值越高对于城镇扩张阻力越大，生态用地扩张过程中阻力越小。因此在研究中以选取生态服务价值景观基质作为阻力因子，分析得出阻力因子的相对阻力大小并分别赋予阻力分值（表2），景观组分阻力分值参照已有的研究成果（表3）。用ArcGIS9.3软件分别制作阻力因子的分级图层，形成以栅格方式存储的景观单元阻力分级图，在景观阻力分级的基础上，考虑保护“源”与距离的远近关系，采用最小累积阻力模型分别建立生态用地扩张和城市建设用地扩张景观阻力面分布图（图3）。

分区阈值的确定。根据模型可计算两个最小阻力面差值图，其中北部基本农田保护区、中部曹妃甸湿地核心区、中东部鸟类自然保护区及各河流水面，重点水源保护地的城镇建设用地的扩张阻力大于生态用地扩张阻力，因此，其最小阻力面差值较低，将其划分为生态保护用地（图4）；而区域各城镇建设区以及工业区生态用地扩张阻力远大于城镇建设用地扩张阻力，因此，最小阻力面差值较高，适宜划分为城镇建设用地。参照李纪宏等[22]的研究成果当某种扩张过程穿越突变点时，突变点所在网格单元的阻碍或刺激作用会产生明显的变化，所以可将突变点前后划分为不同的土地利用类型。本研究根据ArcGIS9.3中最小阻力差值和栅格数量关系图可以明确分析得出其突变点，进一步展开土地空间分区表（表4），并通过重分类确定曹妃甸新区生态服务价值空间分区（图5）。

2.3 2010年曹妃甸新区土地生态服务价值各区域面积

统计2010年土地生态服务价值各区域面积及其百分比，结果表明，重点保护区的面积为214.39 km2，占曹妃甸新区总面积的11.01%，主要为唐海湿地河口湿地鸟类自然保护区及优质的基本农田。生态服务价值较高且生态敏感脆弱，是曹妃甸新区生态系统服务价值和功能的核心保护区域，对维护整个生态系统健康发展起着举足轻重的作用。一般保护区的面积约为809.42 km2，占曹妃甸新区总面积的41.55%，是曹妃甸新区生态保护用地扩张的缓冲地带，形成了曹妃甸新区天然的生态保护屏障，适宜建设区的面积为499.11 km2，占曹妃甸新区总面积的25.62%，主要是曹妃甸工业区填海形成的大部分陆地，十里海养殖场、五农场南部、四农场东北部、三农场西北部、一农场北部、八里滩养殖场东南部、九农场的大部、南堡镇北部（原滦南县）、嘴东地区、南堡开发区西北部、六农场西北部和八农场的东北部等，随着建设用地的扩张其生态服务价值呈快速下降趋势，优化建设区面积为424.91 km2，占曹妃甸新区总面积的21.81%，唐海县县城、南堡开发区、曹妃甸新城、曹妃甸工业区的已经开展建设的土地和正在开展建设的土地，各农场已经建设的地区，该地区开发利用程度较高，在进一步优化发展过程中应注意生态补偿建设。

3 小结与讨论

曹妃甸新区生态系统服务价值整体上由北向南分异明显，呈现中、高、低的分布趋势。生态服务价值较高的地区主要是石臼坨鸟类自然保护区、唐海湿地和鸟类自然保护区以及草泊水库，三者沿东南至西北依次排开，形成了曹妃甸新区生态敏感区。较低的区域主要分布在主要的建成区以及南堡盐场、曹妃甸工业区和大清河盐场地带，而北部的主要分布大量的耕地是主要的农业保护区，生态系统服务价值以中等为主，根据这一特征可以明显识别曹妃甸新区生态服务价值的空间差异，为城镇规划中生态系统服务、生物多样性保护和环境资源阈值的设定提供了依据，可更有效地提高生态环境保护及生态补偿机制的针对性研究。

应用最小累积阻力模型进行模拟，并引入生态系统服务价值作为空间扩张的作用因子，最终確定曹妃甸新区重点保护区的面积为214.39 km2，占曹妃甸新区总面积的11.01%；一般保护区的面积约为809.42 km2，占曹妃甸新区总面积的41.55%，适宜建设区的面积为499.11 km2，占曹妃甸新区总面积的25.62%；优化建设区面积为424.91 km2，占曹妃甸新区总面积的21.81%；得到的土地利用空间分区符合实际生态保护和建设发展需求，对曹妃甸滨海新区土地利用可持续发展具有重要现实指导意义。

应用最小累积阻力模型，通过构建生态系统服务价值空间分布格局并在此基础上进行土地利用变化分区模拟，模拟结果更具科学性。但是城镇建设用地与生态用地扩张在不同地域和不同历史时期其发展态势各有不同，其影响因素也多种多样，涉及自然、经济、社会等各个方面，因此在今后区域模拟研究中，需要统筹考虑区域自然、经济、社会等多因素的影响。

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