基于生态系统服务供需关系的福州绿地生态网络构建分区

李 倩，吴雅华，李佳芯，刘 燕，刘兴诏，黄柳菁

(福建农林大学 园林学院，福建 福州 350002)

快速城市化改变了城市生态系统原有结构和功能，带来了生境破碎、环境污染等生态问题，使得城市居民对生态系统服务的需求愈发强烈，从而导致城市生态系统服务供需失衡[1]。构建科学的城市绿地生态网络可以有效地促进不同地域生态系统空间流动，提高生态功能从而保障区域生态安全格局，起到保护和恢复生态系统的作用[2]。考虑到生态系统服务供需可以有效表征绿地生态网络构建的生态本底与需求，将其引入绿地生态网络构建研究中，综合考虑社会和生态压力以诊断城市生态环境关键问题并进行分区管控。既益于城市发展与环境保护相协调，解决规划绿地网络结构简单、生态用地有限等问题，也益于扩展生态系统服务研究的应用。

城市绿地生态网络是指城市、市域范围内生态空间依据特定规律而连接的复合型生态网络[3]。19世纪，绿地生态网络构建思想初现于欧美，其后基于自然生境评价识别生态廊道构建生态网络方案的规划模式和流程逐渐成熟[4]。1990年，国内绿地生态网络概念提出并展开相关研究[5]，其思想及其规划还未得到广泛的应用和实践。学者基于土地利用方式等[6-7]不同生态系统服务供给视角“选取源地—识别廊道—构建生态网络”的绿地生态网络空间规划基本范式已是很普遍。但研究多侧重于生态廊道的连接，对生态节点识别、城市绿地的聚焦关注度不够且忽视了区域层面建设分区管理的探讨[8-9]。此外，城市绿地具有重要的尺度特征，目前研究尺度较多集中在市域范围，而在街道、城市群尺度上的研究较少[10]。

生态系统服务研究有关生态系统服务供给价值评估[11]、需求量化分析[12]以及人类福祉与生态系统服务关系[13]的成果较多。而有关生态系统服务供需关系的研究尚处于初期理论研究阶段，需求指标的选取与量化存在一定困难，缺少对供需关系定量化分析的研究[14]。生态系统服务供需空间异质性可以表征一个地区的社会经济状况、人与自然发展是否均衡等问题[15]。因此，分析生态系统服务供需空间分异特征，可以为绿地生态网络差异化建设提供定量依据，对推动城市协调发展具有重要的现实意义。

福州市是我国生态建设的先行者，据2019年福州市园林局发布的《福州市绿地建设情况》，2015-2017年福州市市本级共建设绿道155.9 km，并拟于2018年新建139.57 km绿道。但随着城市建设的高速发展，福州市面临着资源环境与社会经济难以有效协调的压力，加之其特殊的地理位置，城市环境污染、生态脆弱、生态供需空间不匹配等问题日益凸显。因此，研究综合考虑经济、人口等因素，测算生态系统服务供需水平并分析空间分异特征，依据分析结果提出绿地生态网络建设分区方案和管理措施，以期为福州市城市规划工作开展提供科学依据和针对性指导。

1 研究区概况

福州市(118°08′-120°31′E，25°15′-26°39′N)位于福建省中东部的闽江口，属亚热带海洋性季风气候，自然资源丰富，生物多样性显著，为城市各类绿地建设提供优越的条件。2018年，福州市城镇化率达71.60%，建成区绿化覆盖率达44.92%，绿地率41.69%。研究范围为《福州市城市总体规划(2011-2020年)》划定的中心城区，为了便于研究在区县尺度上将连江县的琯头镇归于马尾区，区县尺度上共计5区1县，镇、街道尺度上共计20个镇31个街道，土地总面积为1 447 km2(图1)。

2 研究方法

2.1 数据来源与预处理

2018年区县、镇街边界数据与分辨率1.07 m×1.07 m的天地图影像来源于91卫图助手软件。土地利用数据通过ArcGIS及天地图影像目视解译获取，根据研究目的及归类研究的方便性，将土地利用数据划分为生态用地(林地、草地、耕地、园地、公共绿地、湿地、水体)和建设用地(城镇、居住、交通、工矿用地)和未利用土地3类一级地类，11类二级分类。2015年1 km×1 km的人口及GDP栅格数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，运用GIS软件处理得到各镇街人口、GDP数据。经济、社会等人文数据来自2019年的《福州市统计年鉴》《福建省统计年鉴》及《中国农村统计年鉴》。

2.2 城市绿地生态系统服务供给测算

2.2.1 城市绿地生态系统服务供给指标选取及测算 生态系统服务供给指特定区域范围和时间内，提供生态系统产品、服务的能力[16]。参照谢高地等[17]的研究成果将生态系统服务供给划分为供给、调节、文化、支持型。选取食品生产、原材料(供给服务)、气体、气候调节、水源涵养、废物处理(调节服务)和娱乐文化(文化服务)指标运用价值当量法进行测算。由于城市绿地是生态系统支持服务的重要提供者，对城市生态系统运行和维持起着重要的支撑和保障作用，而目前生态系统支持服务评估研究文献数量虽多但不够深入[18]。故研究根据可获得性、代表性选取绿地景观格局指数、生境质量两个维度以更加细致地测算支持型生态系统服务供给。其中，绿地景观格局指数可以有效表征生态系统的完整性和受人类干扰的程度[19]，生境质量能反映生物多样性[20]。最后，运用熵值法去除各变量单位对结果所造成的影响测算生态系统服务综合供给量。

2.2.2 价值当量法测算生态系统服务价值 参考谢高地等[21]提出的中国生态系统服务价值当量因子表，并依据顾康康等[15]、胡忠秀等[22]对于价值当量表的修正方法进行2次修正，以提升测算结果的可靠程度。根据式(1)测算福州市主城区城市绿地生态系统服务价值。

(1)

式中：ESV表示研究单元生态系统服务总价值；Vcj表示第j类城市绿地景观生态系统服务单价；Aj表示第j类城市绿地景观类型面积；A表示研究区土地总面积。

2.2.3 城市绿地景观格局指数分析 根据研究目的从景观破碎度、多样性及形状上选取斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、香农多样性指数(SHDI)、香农均度指数(SHEI)、蔓延性指数(CONTAG)和景观形状指数(LSI)6个具有代表性的景观格局指数[23-24]，运用Fragstats4.2对各镇(街道)逐一测算得到各镇(街道)景观格局指数。

2.2.4 INVEST模型生境质量模块 研究通过INVEST 模型计算区域生境质量，计算公式如式(2)所示。其中，模型设定参数需要符合地域特征，本研究中所需要的参数生态胁迫因子量(表1)、不同胁迫因子的敏感度(表2)借鉴于关于福建省生境质量的测度文献[25]。并对所得生境质量指数进行重分类统计，分为3个等级：较差、一般、较好。

表1 生态胁迫因子量

表2 不同胁迫因子的敏感度

(2)

式中：Qxj表示j类型生境中x元胞的生境质量指数；Hj为j类型生境的生境适合性；Dxj表示j类型生境中x元胞所受胁迫水平；k设置为0.5；z为归一化常量。

2.3 城市绿地生态系统服务需求测算

生态系统服务需求指人类社会获得的生态系统服务总量[16]。研究根据可获得性、生态系统服务变化驱动因子从经济、人口及土地需求方面选取地均GDP、人口密度和建设用地占比3个指标测算生态系统服务需求。地均GDP、人口密度、建设用地占比分别与生态系统服务获取期望、需求数量与土地开发利用程度成正比，值越大市民对生态系统服务的期望值、需求量和消耗程度就越高。借助统计学取对数的方法消除各指标的波动，综合表征城市绿地态系统服务总需求，计算公式为：

ESD=lgX1i+lgX2i+lgX3i

(3)

式中：X1i、X2i、X3i分别表示各研究单元地均GDP、人口密度及建设用地占比；ESD表示城市绿地生态系统服务需求。

2.4 生态系统服务供给与需求匹配分析

生态系统服务供需关系受生态环境、城市格局、经济发展等自然和社会因素的综合影响，因而需要根据城市实际情况对其展开综合评估。将生态系统服务供给与需求测算结果做z-score标准化处理并作象限图(图2)，再运用GeoDa软件的二元局部空间自相关模型和根据式(4)、式(5)和式(6)计算生态系统服务供需协调度与聚集程度，分析和探讨供需空间协调、匹配和聚集的特征[26]。在此基础运用ArcGIS空间分析技术对福州市城市绿地生态网络建设分区和讨论。

(4)

(5)

(6)

式中：D表示协调度指数；C表示耦合度指数；T为供需综合协调性指标；因供需重要性一样；α和β取一样的系数0.5；E供和E需分别代表生态系统服务供给与需求。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务供给空间特征分析

林地生态系统服务价值占比最高(46.86%)，其次是水体，后由大到小依次排序为：湿地、草地、公共绿地、耕地、园地。其中，具有较高生态系统文化服务的公共绿地由于占地面积较小其价值贡献量不高，在未来城市规划中应完善城市绿地基础设施建设以提高生态系统文化服务。区域生物多样性一般，生境质量较好的地区不超过总面积的50%，生境较差地区占31.21%。城市绿地景观空间分布较为均衡(SHEI为0.85)、连通性一般(CONTAG为53.25)，具有丰富的景观类型但没有明显的优势类型(SHDI为2.11)、景观空间过于冗杂(LSI为73.62)、景观破碎化程度较高(PD为6.25和LPI为7.86)，不利于生态过程进行和维系整个区域生态系统的稳定(图3、表3)。

表3 生态系统服务价值

福州市主城区生态系统服务供给空间差异大，数值波动为-0.57～3.24,特别是东西两边的区域明显高于城中心区域，呈现出由边界向城市中心递减的趋势。生态系统服务供给水平总体较好的区域主要是耕地、林地覆盖面积较高的闽侯县与马尾区，该区除了尚干镇、罗星街道供给水平较差外，其余供给水平数值皆在0.20以上。其次，除了鼓山、新店镇(晋安区)、建新、盖山、城门镇(仓山区)生态系统服务供给水平处于一般水准之外，晋安、仓山区其他镇街与鼓楼、台江区形成了城中心低值区域，其供给水平皆小于-0.37(图3)。

3.2 生态系统服务需求空间特征分析

福州市主城区人口密度和地均GDP差异显著，其中台江区的茶亭街道(192 952人/km2)和义洲街道(1 685 010.38万元/km2)人口密度和地均GDP最高，而马尾区琅岐镇(16人/km2)和闽侯县青口镇(1 695.98万元/km2)分别为人口密度和地均GDP最低的区域。全城土地利用强度开发一般，土地利用开发强度>60%的地区集中分布于台江、鼓楼区，部分落于晋安、仓山区，而马尾区、闽侯县因山地、滩涂等地理因素土地开发程度较低(图4)。

福州市主城区生态系统服务需求水平不足，数值波动为-2.50～1.26，呈现出与生态系统服务供给水平截然相反的态势。其中，生态系统服务需求高值区主要集中于区域面积小、人口密集及经济较为发达的城中心区域，例如台江区(上海、宁化、义洲、后洲、洋中、茶亭、苍霞街道)、鼓楼区(安泰、鼓西、南街街道)和仓山区(三叉街街道)生态系统服务需求皆处于极好的水平。而城市边界区域各镇、街生态系统服务需求普遍小于-0.31(图4)。

3.3 生态系统服务供需匹配特征分析

按象限属性将绿地生态系统服务供需匹配特征划分为4种类型(图5)。据统计未有镇街划分至好生态本底-高生态需求(第1象限)，计31个镇街落于差生态本底-高生态需求(第2象限)，计8个镇街落于差生态本底-低生态需求(第3象限)，计12个镇街落于好生态本底-低生态需求(第4象限)。在各区县中，仓山区除盖山、螺洲和城门镇分别落于第3象限和第4象限外，大部分地区落于差生态本底-高生态需求。晋安区与鼓楼区有相同较差的生态本底，但晋安区与鼓楼区的生态需求恰恰相反。闽侯县和马尾区除了尚干镇(闽侯县)生态本底差、需求低外，其他区域好生态本底不能匹配相应的生态需求。

二元局部空间自相关分析得到的Moran's Ⅰ指数值为-0.555，表明生态系统服务供需总体服务呈负相关。将生态系统服务供需空间相关性划为5个类型(图6)，据统计高-高聚集型未有区域，计 27个镇街没有明显聚合现象(无显著性)；计马尾全区及城门、南屿、南通等10个镇街为高-低聚集型；计宁化、上海、南街等13个街道为低-高聚集型；计尚干镇1个镇街为低-低聚集型，可见各镇街生态系统服务供需空间自相关以低-高或高-低聚集为主。其次，将生态系统服务供需协调度划为3大类5小类，空间上呈现出边界区域高于城中心的趋势，其协调度平均值为0.27(基本平衡)，表明福州市主城区绿地生态系统服务供需关系一般。其中，供需协调区域(>0.29)数量占比为37.25%，集中分布于闽侯县和马尾区等边界地区；供需基本平衡区域(0.21～0.29)数量占比为27.45%，主要分布于尚干、螺洲镇等14个镇街；供需失衡区域(<0.21)数量占比为35.29%，主要分布于发展较好的城中心和地广人稀的近海区域。

3.4 绿地生态网络建设类型区域划分与管理

结合福州市主城区地理环境格局、社会经济发展以及《福州市城市总体规划(2011-2020年)》，根据福州市主城区城市绿地生态系统服务供需协调度、空间匹配等特征，将51个镇街划分为城市生态斑块修复型、绿地生态节点重构型和生态源地网络连通型3大类型6个分区，并针对不同分区提出城市绿地生态网络建设区域管理策略(图7、表4)。

表4 福州市主城区分镇街绿地生态网络建设

3.4.1 斑块生态建设区 该区呈聚拢状分布于城中心东街、王庄及上海等街道区域，生态系统服务呈现“差本底-高需求”空间格局。该区地势较为平坦、人口密集并且城镇化、社会经济发展水平较高，而区域生态斑块数量过少、连通性差远不能满足居民所需，以至于供需协调度处于失衡状况，且大部分镇街呈现出低高的聚集状态。该区绿色生态网络建设应侧重于生态斑块建设，重视生态修复及完善城市绿地基础设施，充分利用城市点状、线状空间(内河、交通道路等)增加生态用地和廊道景观，以提高生态系统服务功能，综合权衡生态文明建设与经济发展。

3.4.2 斑块生态改良区 该区多分布于鼓楼、仓山区的西部地区，生态系统服务呈现“差本底-高需求”空间格局。区域内虽有少量丘陵、河流等生态斑块存在，但自身生态系统服务供给不能满足高生态需求以至于供需失衡，供需协调度为基本平衡或初级协调，聚集状态不太显著。该区绿地生态网络构建应以斑块生态改良为主，一方面保护好高生态系统服务供给的生态斑块，另一方面增设绿道以提高低值生态用地的利用效益。

3.4.3 节点空间重构区 该区主要分布于城市三环边界的茶园街道等地区，属于“差本底-低需求”服务空间格局，供需协调度为基本平衡，聚集状态不太显著。该区应注重生态廊道交汇点的优化建设，在绿地生态网络构建中，一应保护区域内现有沿江分布用地、山体等可建设生态节点的生态资源；二应重构生态节点空间，适当扩大现有生态节点绿地斑块面积，并完善内部基础设施，加强与生态廊道之间的联系。

3.4.4 节点空间重建区 该区主要分布于盖山、鼓山、岳峰、新店镇城中心偏东部区域，属于“差本底-低需求”服务空间格局，供需协调度为初级协调，空间聚集状态不显著。该区域土地开发力度不强、人口较为稀疏且有大面积的工业区域，绿地斑块面积小且破碎，尤其是林地和草地不足，因而能够提供的生态系统服务水平也较低。加强该区用地生态修复，释放建设用地所占用地并结合当地人文资源重建生态节点空间，如福州鹤林生态公园、牛岗山公园经过生态修复重建生态空间，与该区的人文、商业资源相结合，发展该区生态旅游产业。

3.4.5 丘陵生态输送区 该区分布于青口、城门与琅岐镇等城西部或近海边界地区，呈现出“好本底-低需求”的服务空间格局，供需协调度为初级协调或重度失调，聚集状态为高低聚集型。区域内琅岐岛具有较好的生态资源，有耕地、湿地、丘陵等多类型绿地生态斑块，还有着海洋等风景资源，但其内部人类活动不频繁，以至于供需协调度为重度失调。在绿道生态网络构建中，该区域一方面应以生态系统保育为主，注重农业面源污染解决，利用当地农业生产资源发展绿色有机食品等生态产业，向周边地区及城区内持续输送生态系统服务；另一方面构建生态廊道优化绿地生态斑块，利用区域特色的风景资源发展生态旅游产业，如琅岐岛的海洋风景资源，南通镇的森林溪流风景资源。吸引城中心区内人流入该区域，分散城中心区生态系统服务供给压力。

3.4.6 山地生态屏障区 该区分布于闽侯县西部边界区域与亭江镇，呈现出“好本底-低需求”的生态系统服务空间格局，供需协调度为高级协调。该区域有大面积的林地资源，森林覆盖率高，具有重要的生态屏障功能，应优先保护好生态源地并加强水源涵养等生态系统服务功能，构建生态廊道加强生境流通，加强森林自然保护区建设和管理。

4 结论与讨论

4.1 结论

福州市主城区城市绿地生态系统服务供需空间分布格局具有明显差异，生态系统服务供给呈现出由边界向城市中心递减的趋势，而生态系统服务需求呈现出与供给空间截然相反的态势且大部分地区需求水平不足。

福州市主城区生态系统服务供需匹配未有镇街落于好生态本底-高生态需求(第1象限)，60.78%镇街落于差生态本底-高生态需求(第2象限)，15.69%镇街落于差生态本底-低生态需求(第3象限)，23.53%镇街落于好生态本底-低生态需求(第4象限)。

各镇街生态系统服务供需关系呈负相关且空间自相关以低-高或高-低聚集为主，其供需协调度平均值为0.27(基本平衡)，表明福州市主城区绿地生态系统服务供需关系良好，并呈现出边界区域高于城中心的趋势。

城市绿地生态网络构建划分为城市生态斑块修复型、绿地生态节点重构型和生态源地网络连通型3大类型6个分区。总体上城市生态斑块修复型应以生态斑块修复为手段，保护好现有城市绿地同时完善城市绿地基础设施；绿地生态节点重构型应利用区域内生态资源一方面构建廊道提高生态系统服务供给；另一方面与结合产业经济重构产业空间，推动经济发展。生态源地网络连通型应保护好生态源地，并将生态与经济结合，实现产业结构转型。

4.2 讨论

本研究基于生态系统服务供需视角，测算生态系统服务供给与需求水平，分析各镇街生态系统服务供需协调、空间聚集与匹配特征，并提出城市绿地生态网络建设分区方案和管理策略。与以往城市绿地生态网络构建研究比较来看，存在诸多异同。

研究视角上，研究较多基于土地利用方式等从生态系统服务供给角度出发，较少将人的需求考虑在内。研究从生态系统服务供需角度综合考虑人的需求评估城市绿地功能作用，是对城市绿地生态网络建设研究的重要尝试。

研究目的上，研究多侧重于生态廊道的连接而忽视了区域分区管理的探讨。本研究聚焦城市绿地，在提高研究的准确性之外对绿地生态网络构建进行分区，以期为城市绿地生态网络构建生态节点的识别提供参考价值。此外，镇、街道作为规划建设和城市管理的重要单元，从镇、街道尺度研究生态系统供需空间关系，可为城市绿地生态网络构建区域管理提供理论依据。

供给评估方法上，供给评估较多集中在缓解城市洪涝[27]、固碳释氧[28]、文化服务[29]等单个或几方面进行评估，而综合评估的研究较少。本研究构建生态系统服务供给评价指标体系，综合评估城市绿地生态系统服务供给使所得结果更为全面。

目前城市绿地生态系统服务供需的研究仍然不够完善，本研究只选取了人口密度、地均GDP和土地利用强度3个指标表征生态系统服务需求，如何更精确地评估特定生态系统服务的真实需求有待进一步深入探讨，尤其对生态系统服务供需内涵的一致性需要高度关注。此外，本研究旨在从市域尺度宏观地提出福州市主城区城市绿地网络构建分区方案和管理措施，未来进一步研究可基于生态系统服务供需评价结果识别城市生态网络构建优先位置，参考绿地网络构建分区方案和管理措施分区管理城市绿地，将研究结果应用于实际绿地规划中。