福州中心城区生态服务价值与景观生态风险时空变化及相关性分析

徐乙文, 戴文远,3,, 黄万里,3, 黄康, 胡航箫

福州中心城区生态服务价值与景观生态风险时空变化及相关性分析

徐乙文1,2, 戴文远1,2,3,*, 黄万里1,2,3, 黄康1,2, 胡航箫1,2

1. 福建师范大学湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室, 福州 350007 2. 福建师范大学地理科学学院, 福州 350007 3. 福建师范大学地理研究所, 福州 350007

基于“三生用地”土地利用分类, 应用GIS、Fragstats和GeoDa等软件辅助, 以福州中心城区为研究区, 基于2000、2009和2015年三期遥感影像提取土地利用数据, 分析2000—2015年间研究区生态服务价值和景观生态风险时空变化特征以空间相关性, 结果表明: (1)三生用地变化上看, 研究区生态用地及生态生产用地小幅度减少, 生产生态用地和生活生产用地变化相对较大, 城市扩张所需的生活生产用地主要从生产生态用地转出; (2)2000—2015 年研究区生态系统服务价值总量由772.06×108元降低到562.16×108元, 生态风险指数呈现缓慢降低趋势, 区域生态风险有所好转; (3)研究区单位面积生态系统服务价值和生态风险指数数量上显著相关, 时间上2000年为负向相关, 2009年与2015年为正向相关。研究结果有助于调控福州中心城区生态风险, 优化土地利用布局, 为城市健康持续发展提供科学依据。

景观生态风险; 三生用地; 生态服务价值; 福州中心城区

0 前言

随着城市化进程的加快, 城市在经济高速发展的同时也造成大气、土壤和水资源等污染与破坏[1-3], 导致城市面临诸多生态风险[4-6], 直接影响城市生活质量及社会可持续发展。生态系统服务功能评价可直观反映区域生态系统服务功能效益, 为制定生态保护规划与管理制度提供参考和依据[7], 而景观生态风险评价能够实现多源风险的综合表征及其空间可视化, 有效指引区域景观格局优化与管理[8]。因此, 开展上述研究对提高人类生活质量及维持社会可持续发展有重要意义, 相关研究也逐渐成为科研究热点领域。

关于景观生态风险的研究, 目前国内外研究主要包括时空变化、风险评价等方面, 研究区域多集中在流域[9]、行政区[10]、城市[11]、矿区[12]和海岸带[13]等区域, 从评价方法上来看, 可分为两类: 一是基于风险源汇的评价[14]。该方法需要识别威胁区域生态系统健康的风险受体和风险源, 如许妍等[15]从风险源、生境、受体等方面构建评价体系, 对太湖流域生态风险的时空演化特征进行分析。二是基于景观格局的评价。该方法是以土地利用变化为诱因的生态风险评价, 如汪翡翠等[16]通过划分生态风险小区, 计算生态风险重心, 来揭示京津冀城市群地区土地利用生态风险空间分布特征以及风险区的空间转移动态变化规律。关于生态系统服务的研究, 目前主要侧重于城市[17]、雨林[18]、山区[19]等环境敏感地带, 研究方法主要有土地利用的面积当量法, 遥感定量法和模型综合法三种。如Costanza[20]等利用土地利用/覆盖数据核算了全球生系统服务价值; 何浩[21]等设置遥感参数对中国陆地生态系统价值进行测算; 王蓓[22]等利用Invest模型对黑河流域生态系统服务空间格局进行分析。随着2015年中央城市工作会议提出城市发展要依照“三生用地”内在联系统筹布局的新要求, 这为城市环境质量与景观生态风险评价提供了新的视角。但目前从“三生用地”视角上开展生态系统服务价值与景观生态风险相结合的研究还较少见。

福州是闽江口金三角经济圈的核心城市，随着经济高速发展, 近年来城市用地快速扩张, 土地开发利用与生态环境之间的矛盾日益加剧。因此本文基于“三生用地”划分, 对福州市中心城区2000—2015年生态系统服务价值和景观生态风险指数进行定量分析, 探究两项指标的时空变化及相关程度, 为福州调控城市生态风险, 优化城市土地空间布局提供科学参考和依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

福州是福建省政治、经济和文化中心, 位于中国东南沿海, 闽江下游, 地理坐标介于118°08′E—120°31′E, 25°15′N—26°39′N。福州属于典型亚热带季风气候,气温温暖, 雨量充沛, 年降水约1500 mm。地形为典型的河口盆地, 盆地四周群山环绕, 东接鼓山, 西靠旗山, 南有五虎山, 北临莲花峰, 地势自西向东倾斜, 闽江自西北向东南横贯盆地后注入东海。本文以《福州市城市总体规划(2011—2020)》划定的中心城区为研究区(图1), 包括鼓楼区、仓山区、台江区、马尾区，晋安区的茶园街道、王庄街道、象园街道、鼓山镇、新店镇、岳峰镇,闽侯县的荆溪镇、南屿镇、南通镇、尚干镇、祥谦镇、青口镇、上街镇和连江县的琯头镇, 土地面积1443 km2。截止2016年, 福州中心城区建设面积已达260 km2, 常住人口达300万, 但城市的快速发展对生态环境造成日益严重的干扰, 非农建设用地大量侵占农用地, 水资源污染较为严重, 城市建设用地布局不合理, 导致城市面临日益严重的生态风险问题。

1.2 数据来源

研究数据主要来源于研究区2000年、2009年Landsat7 ETM+和2015年Landsat8 OLI三期遥感影像。在几何校正与影像匹配的基础上, 利用eCognition软件对三期影像采用面向对象的监督分类进行解译, 获得研究区土地利用数据。结合研究区土地利用二调数据、Google Earth对解译精度进行校正, 并进行实地抽样验证, 数据精度达到86%以上, 满足研究要求。参考全国土地利用分类体系(GB/T 21010—2017)与前人研究[23-25], 并结合研究区实际情况, 根据土地利用功能特点将土地利用类型划为分湿地生态用地、林业生态用地、其他生态用地、特殊用地、水域生产用地、农业生产用地、城乡生活用地、工矿交通用地8大类, 如表1:

图1 研究区位置示意图

Figure 1 Location of the study area

表1 福州中心城区“三生用地”分类体系

1.3 生态系统服务价值计算及修正

参考谢高地[26]的研究, 采用当量因子法计算福州中心城区2000—2015年生态系统服务价值, 考虑研究区实际, 本文利用研究区种植面积较大、产量较高的粮食、蔬菜、水果和茶叶的单位面积产值来计算单位面积生态服务价值, 公式如(1)。在此基础上, 分别计算不同“三生用地”类型的生态服务价值。其中,由于农业生产用地中包含园地, 园地的生态系统服务价值当量取农田与森林的平均值, 故生产生态用地的生态服务价值取园地和农田的平均值; 而生活生产用地则参考胡喜生[27]的研究对城乡生活用地、工矿交通用地的生态服务价值进行修正, 采用替代成本法、防治成本法等从气体调节、水源涵养、固体废物、娱乐文化四方面计算。其中前三项指标计算公式如(2)(3)(4), 而娱乐文化用旅游收入代替。

=S×W+S×W+S×W+S×W(1)

式中,S、S、S、S分别表示粮食、蔬菜、水果和茶叶的播种面积占四种作物总播种面积的百分比;W、W、W、W分别指粮食、蔬菜、水果和茶叶的单位面积产值。

式中,P为建设用地气体调节单位面积生态价值,Q为类废气排放量,C为类废气治理成本,S为建设用地面积。

P=–(+QC)/S(3)

式中,P为建设用地水源涵养单位面积生态价值,为用水总量,为水单价,Q为废水排放总量,C为治理废水所需的成本,S含义同上。

P=–QC/S(4)

式中,P为建设用地废物单位面积生态价值,Q为废物排放量,C为治理废物所需的成本,S含义同上。

1.4 生态风险指数构建

生态风险指数是由区域生态系统受到外部干扰和内部抵抗力共同决定的。本文首先利用景观干扰度指数、脆弱性指数共同构建生态风险指数计算模型, 公式如(5), 其次, 利用ArcGIS对研究区进行网格化处理, 将研究区按照1 km×1 km的正方形网格来划分,并计算每个评价单元的生态风险指数; 最后将计算结果其作为该样地中心点的生态风险水平,利用克里金插值法得到研究区生态风险空间分布图。

式中:ERI第个评价单元的生态风险指数;S为第个评价单元的第类景观类型的面积;S为第个评价单元的面积;为第类景观类型的干扰度指数;F为第类景观类型的脆弱度指数。

(1)景观干扰度指数

E=aC+bS+cD(6)

式中:E为景观干扰度指数;C为景观破碎度指数;S为景观分离度指数;D为景观优势度指数;、、为各对应指数的权重系数, 且和为1, 参考相关研究[28], 三个指数分别赋值为0.5, 0.3, 0.2。

(2)景观脆弱性指数。结合相关的研究经验[29], 采用专家打分法, 根据研究区实际对不同地类排序, 其他生态用地为8, 林业生态用地为7, 水域生产用地为6, 湿地生态用地为5, 农业生产用地为4, 特殊用地为3, 工矿交通用地为2, 城乡生活用地为1。并进行归一化处理最终得到景观脆弱度指数。

1.5 双变量空间自相关分析

空间自相关是反映一个空间单元位置的要素观测值与相邻单元的观测值之间的关联程度[30]一般包括全局空间自相关和局部空间自相关[31]。全局空间自相关是对整个区域的空间特征的描述和关联程度的测度, 本文采用 Morans′ I系数来表示区域总体的空间关联和空间差异程度。计算如公式(7):

式中:为样本总数,x与x分别为样本与在所在位置的属性值,`为样本平均值,w为空间权重。

2 结果与分析

2.1 “三生用地”格局演变

据研究区2000、2009和2015年“三生用地”数量统计(图2)、变化图(图3)和土地转移矩阵(表3)可看出,随着城市化进程加快,15a间福州中心城区内“三生用地”面积发生了显著的变化, 生态用地面积从75824.59hm2减少到72232.64 hm2, 生产生态用地面积由18601.64 hm2减少到17250.38hm2, 生态生产用地面积由27901.3 hm2减少到18684 hm2, 而生活生产用地面积增加, 由21907.04 hm2增加到36067.61 hm2。从二级分类看, 福州中心城区主要以林业生态用地、城乡生活用地为主, 2015年的林地、城乡生活用地面积分别为: 66737.31 hm2、31310.63 hm2, 分别占总面积的: 46.27%、21.71%, 2000—2015年湿地面积减少474.83 hm2, 水域生产用地、其他生态用地面积分别减少了1526.21 hm2和1597.92 hm2, 特殊用地、工矿交通用地面积分别增加了174.94 hm2和2668 hm2。福州地貌为河口盆地，建设空间有限，随着城镇化进程加快，城乡生活用地和工矿交通用地面积扩张, 侵占了不少农业生产用地、水域生产用地和其他生态用地。其中，城乡生活用地侵占农业生产用地面积高达7732.94 hm2, 工矿交通用地占用了1362.58 hm2。而研究区生态用地及生态生产用仅有小幅减少,主要是因为福州中心城区林业生态用地多分布于盆地四周的山地上, 城市建设对其影响较小。

图2 2000—2015年福州中心城区三生用地变化图

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

图3 2000—2015年三生格局变化

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

2.2 生态系统服务价值变化分析

据式(1)—(4)计算不同用地生态系统服务价值(表3)可知, 2000—2015年间研究区的生态系统价值由772.06×108元降低到562.16×108元, 年均减少13.99×108 元, 年均增长率为-5.28%。从三生用地分类看各类用地的生态服务价值都在不断减少, 其中，林地的年均变化率最小为0.16%, 工矿交通用地是年均变化率最大为6.05%。从生态系统服务功能上看, 四种功能逐年减少,调节功能变化最大, 年均变化率为4.49%；其次是支持功能，年均变化率为0.69%；第三为供给功能，年均变化率为0.59%；文化功能变化最小, 年均变化率为0.55%, 四种服务的年均变化速率呈现波动性增长。

计算1618个网格的生态系统服务价值, 赋值到每个网格的中心点再利用Arcgis的克里金插值法,进行空间插值，并根据自然断点法将生态系统服务价值分为5个等级(图4)。从图4可以看出2015年研究区高生态系统服务价值分布区居多, 面积占31.47%; 其次是中生态系统服务价值, 占20.46%; 低生态系统服务价值面积最少, 仅占9.7%。同时, 15a间高、较高、中生态系统服务价值面积不断减少, 较低、低生态系统服务价值面积剧增, 高生态系统服务价值分布在福州中心城区的外围山地, 多为林业生态用地, 生态服务价值较高, 低生态服务价值的区域为主城区部分, 建设用地占比大, 几乎无生态服务价值。随着中心城区建设扩张,农业生产用地等用地被大量侵占,导致低生态服务价值区域增多。

表2 2000—2015年福州中心城区土地利用转移矩阵(hm2)

表3 2000—2015福州中心城区生态系统服务价值变化

图4 福州中心城区生态系统服务价值空间分布图

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

2.3 生态风险时空变化

将评价单元的生态风险指数计算结果赋值给评价单元中心点, 借助ArcGIS用普通克里金插值形成3期景观生态风险值的分布图，结果显示，3期景观生态风险指数范围介于0.055—10.231之间,并采用自然间断点分为5级得到2000、2009和2015年的景观生态风险等级图(图5)。由图5 统计可得, 从2000年到2015年福州中心城区生态风险都是以中高风险为主, 分别占不同年份土地总面积的57.59%、44.68%、46.80%, 但15a间中高风险的面积一直在减少, 从82874.73 hm2减少到67339.40 hm2。从空间分布看, 中高风险区多位于福州周边山地, 景观以林业生态用地和农业生产用地为主；低生态风险主要分布在鼓楼区、台江区、仓山区等城市中心地, 且面积在不断增加, 15a间面积从6916.78 hm2上升到10957.24 hm2高生态风险主要分布在马尾区, 罗亭街道, 亭江镇等地, 15a间面积先减少后增加, 该区域处于城乡结合部, 其中林业、农业、工交等多种用地交杂一起, 人类活动干扰强烈, 导致生态风险有所回升, 值得引起重视。

2.4 生态系统服务价值与生态风险的相关性分析

用Geoda软件的双变量空间相关性分析, 分析2000—2015年间生态风险和生态系统价值的空间相关性, 结果表明, 2000年、2009年和2015年的莫兰指数为-0.073, 0.200和0.258, 且P<0.05, 说明空间上具有相关性。2000年生态服务价值与生态风险之间存在负向空间关联性且空间差异较大, 2009和2015年二者之间为正向空间关联性；局部空间自相关LISA 分析结果如图6所示, 生态系统服务与生态风险局部关联性显著区域主要分布在鼓楼区, 仓山区, 台江区、晋安区等地, 分为高价值—高风险(HH) 、低价值—低风险(LL)、低价值—高风险(LH)、高价值—低风险(HL)和不显著(NS)共5 种类型。其中，高生态服务价值高风险区域分布在晋安区鼓山一带。鼓山地区以林地生态用地为主, 但其中也交织了少量农业生产用地和其他生态用地, 所以生态系统服务价值较高生态风险等级也较高。低生态服务价值低风险区域分布在仓山区、鼓楼区和台江区等主城区。主城区主要为集中连片的城乡建设用地, 几乎无生态服务价值, 生态风险低。随着城市发展,城区面积进一步扩大, 低价值—低风险区域还将继续扩大。高价值—低风险区域分布在闽江干流及沿岸附近。闽江是福州的母亲河, 生态保护日益受到重视, 其生态服务价值和生态风险总体将保持稳定。

图5 福州中心城区生态风险等级空间分布图

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

图6 福州中心城区单位面积生态系统服务价值与生态风险指数空间自相关

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

表4 2000—2015福州中心城区生态系统服务功能与生态风险指数灰色综合关联度

选取每个评价单元的服务价值、调节服务、支持服务、供给服务、文化服务与生态风险指数做灰色关联度分析, 分辨系数选取0.5, 结果显示, 2000年、2009年和2015年各服务功能与生态风险指数关联度都大于0.5, 说明有显著相关性。其中, 2000年的支持服务与生态风险指数的相关性最大, 2015年的调节服务与生态风险指数相关性最小。四种调节服务中, 调节服务与生态风险指数的相关性最小, 表明调节服务对生态风险指数影响较小; 支持服务与生态风险指数相关性最大, 且支持服务的相关系数比综合服务价值高, 说明单项支持服务更能反映与生态风险之间的关系。

3 讨论与结论

本文基于“三生用地”视角, 以福州中心城区2000、2009和2015年三期遥感数据为基础, 利用ArcGIS计算了生态系统服务价值和景观生态风险指数, 并采用灰色关联度分析和双变量空间自相关分析研究区生态系统服务价值和生态风险的空间变化特征及空间相关性, 结果表明:

(1)2000—2015年福州市中心城区的“三生用地”发生了较大的变化, 主要表现为随着城市的扩张,城乡生活用地面积在不断增加,农业生产用地面积不断减少,城乡生活用地侵占农业生产用地面积达7732.94 hm2。

(2)15年间研究区的生态风险变化较为显著,中高生态风险转向中生态风险、中低生态风险较多, 城市中心地带如鼓楼区、台江区等生态风险值一直较低, 而靠近主城区近郊的上街镇、南屿镇、南通镇等部分地区因城市化发展较快, 地块整体生态风险值逐年降低, 高生态风险区在2000—2009年有所降低, 但在2009—2015年间部分地区有所反弹, 说明在后7年的发展过程中, 城市新发展导致景观破碎度增加提高了生态风险值。

(3)15年间研究区的生态系统服务价值由772.06×108元降低到562.16×108元, 年均减少13.99×108元, 单位面积上生态服务价值大小顺序是, 林业生态用地>水域生产用地>农业生产用地>湿地生态用地>其他生态用地>特殊用地>城乡生活用地>工矿交通用地, 且各类用地的生态服务价值都在不断减少, 从服务功能上看, 调节服务>支持服务>供给服务>文化服务, 15年间各类服务价值亦在不断减少。

(4)从生态系统服务价值和生态风险空间相关性上看, 2000年两者呈现显著的负相关性而2009年和2015年呈现显著的正相关性。从生态风险与生态服务功能的灰色关联度上看, 生态风险与各生态服务功能有显著相关性, 调节服务与生态风险指数的相关性最小,支持服务与生态风险指数相关性最大, 且支持服务的相关系数比综合服务价值高, 说明单项支持服务更能反映与生态风险之间的关系。

“三生用地”视角下的生态系统服务和生态风险的综合评价能准确反映某一地区发展导致不同用地的生态环境变化情况, 评价区域各种用地的可持续发展潜力, 为区域合理用地划分和生态环境保护提供依据。从文章研究结果看, 福州中心城区景观生态风险有所回升, 生态系统服务价值降低, 因此在未来城市规划中首先应加强对景观生态风险的监测, 针对风险源和风险受体建立信息管理库并提出应对措施; 其次要依据“三生用地”的内在联系整合城市内部景观单元, 防止城市景观破碎化, 提高城市内部生态结构的完整性; 最后应重视景观结构功能改变对生态安全造成的影响, 在城市扩张方面要合理控制建设用地的规模和速度, 实现城市可持续发展, 建成宜居城市。另外, 本文对生态系统服务和生态风险关系的研究仅限于相关性分析, 并不能很好反映两者的内在联系, 研究的广度和深度有待进一步加强。

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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, 戴文远, 黄万里, 等. 福州中心城区生态服务价值与景观生态风险时空变化及相关性分析[J]. 生态科学, 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

国家自然科学基金(41971261); 福建省自然科学基金(2018J01741); 福建省科技厅公益类重点项目(2017R1034-2)

徐乙文(1995—), 女, 江西宜春人, 硕士研究生, 主要从事自然地理学方面的研究, E-mail: 492921109@qq.com

戴文远(1972—), 男, 福建莆田人, 副教授, 主要从事土地利用与城乡发展研究, E-mail: dwygeo@fjnu.edu.cn