袁殷　馬麗梅　王暉　張樂

摘要：以曹妃甸新區(qū)為例，提出了基于生態(tài)服務價值的土地利用空間優(yōu)化方法，運用RS與GIS技術(shù)，采用最小積累阻力模型，模擬曹妃甸新區(qū)生態(tài)保護用地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地擴張過程，合理的劃分土地空間分布格局并提出各區(qū)域的管制要求。結(jié)果表明，曹妃甸新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值整體上由北向南分異明顯，呈現(xiàn)中、高、低分布趨勢。區(qū)域可分為重點保護區(qū)、一般保護區(qū)、適宜建設(shè)區(qū)、優(yōu)化建設(shè)區(qū)，面積分別為214.39、809.42、499.11、424.91 km2，結(jié)果突出了生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間差異，完善了土地空間優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：生態(tài)系統(tǒng)服務價值；土地利用；最小積累阻力模型；曹妃甸新區(qū)

中圖分類號：F301 文獻標識碼：A 文章編號：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(tài)系統(tǒng)服務為人類提供醫(yī)藥、食物以及生活所需的其他生產(chǎn)原料，形成和維持人類賴以發(fā)展和生存的環(huán)境和效用，同時還具有凈化環(huán)境、維持地球生物化學循環(huán)、維護和支撐物種及遺傳多樣性等作用[1-3]。生態(tài)系統(tǒng)服務價值的退化和喪失越來越威脅到人類的健康和安全。隨著全球環(huán)境保護意識的不斷增強與資源的過度利用，生態(tài)系統(tǒng)服務價值不斷地退化和喪失，已經(jīng)威脅到人類的健康和安全，乃至全球的生態(tài)安全[4-6]，已成為國際生態(tài)學研究的前沿和熱點，將為區(qū)域性環(huán)境問題的有效解決和可持續(xù)發(fā)展提供積極的科技支撐。生態(tài)系統(tǒng)服務價值作為生態(tài)系統(tǒng)服務研究的重要方面之一，是量化和評價生態(tài)服務功能強弱的重要方法[7-9]。自20世紀90年代以來，國際社會關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務價值的研究以及評估獲得了較為廣泛的關(guān)注，尤其是聯(lián)合國等有關(guān)機構(gòu)與國際組織為生態(tài)系統(tǒng)服務的研究做出了杰出的貢獻[10-12]，近年來中國學者從生態(tài)系統(tǒng)服務評價方法[13]、生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)外部驅(qū)動因素[14]等方向分別展開了研究，并取得了顯著成果。

土地利用空間優(yōu)化[15，16]是對土地利用的合理布局。國內(nèi)外學者常采用識別土地利用類型資源型關(guān)鍵地段的方式，對某一區(qū)域進行土地利用用途管制分區(qū)，但隨著城鎮(zhèn)化以及工業(yè)化進程的快速發(fā)展，區(qū)域內(nèi)土地利用類型隨之發(fā)生劇烈的相互轉(zhuǎn)化，使得區(qū)域內(nèi)土地利用景觀類型的斑塊面積減小，且破碎度增大。在這種情況下，僅僅通過識別土地利用類型資源型關(guān)鍵地段的方式進行土地空間分區(qū)存在一定的困難。

曹妃甸新區(qū)作為典型的經(jīng)濟快速發(fā)展的城市之一，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，土地利用和覆被發(fā)生劇烈變化，生態(tài)環(huán)境脆弱。因此，本研究運用RS和GIS技術(shù)，分析曹妃甸新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間分異特征，識別出曹妃甸新區(qū)生態(tài)敏感區(qū)域，基于最小積累阻力模型構(gòu)建土地空間分區(qū)模型，從而劃分較為合理的曹妃甸新區(qū)土地利用空間分布格局并提出分區(qū)管制要求，以期為曹妃甸新區(qū)城市化過程中土地資源持續(xù)利用和生態(tài)保護提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

曹妃甸新區(qū)位于河北省唐山市南部沿海，地理坐標北緯38°54′-39°26′，東經(jīng)118°59′-118°54′，總面積為1 943.72 km2。現(xiàn)管轄“兩區(qū)一縣一城”，即曹妃甸工業(yè)區(qū)、唐?？h、南堡經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和曹妃甸新城。截至2007年，曹妃甸新區(qū)人口22萬，主要集中在唐海、南堡開發(fā)區(qū)和曹妃甸工業(yè)區(qū)。研究區(qū)屬東部季風區(qū)暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，四季分明，雨熱同季，年平均氣溫10.8 ℃，春夏兩季氣溫比同緯度地區(qū)偏低。區(qū)域內(nèi)主要分布有耕地、林地、鹽田、居民點及工礦用地、港口碼頭、沿海灘涂、淡水水域及濕地、未利用地等土地利用類型。新區(qū)具有豐富的水生動、植物資源，為以水禽為主的鳥類提供了豐富的食物來源和筑巢、隱藏等天然的活動場所和棲息環(huán)境。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

基于成像時間為2010年8月曹妃甸新區(qū)SPOT5影像數(shù)據(jù)，分辨率為5 m。用幾何精校正及配準的1∶50 000土地利用現(xiàn)狀圖及其矢量化數(shù)據(jù)，對影像進行配準。采用遙感多波段數(shù)據(jù)融合獲取土地利用信息，通過相關(guān)性及統(tǒng)計分析，確定最佳波段影像組合為TM3（B）、4（G）、7（R）合成假彩色方案。根據(jù)建立的土地利用地表景觀解譯標志，利用Envi的分類監(jiān)督功能解譯出2010年曹妃甸新區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖（圖1）。參照《全國土地分類》，將研究區(qū)土地利用分為耕地、林地、未利用地、淡水水域及濕地、鹽田、居民點及工礦用地、沿海灘涂以及港口碼頭等8種類型。在遙感影像分類結(jié)果上隨機選取100個檢查點，通過實地調(diào)查、參考同年的土地利用圖和地形圖獲取檢查點的實際土地利用類型，然后在ENVI 4.7軟件的支持下計算混淆矩陣和Kappa指數(shù)，對遙感影像的解譯結(jié)果進行精度檢驗，得出遙感影像解譯精度評價結(jié)果達到85%以上，滿足本研究的需要。

2.2 研究方法

2.2.1 區(qū)域生態(tài)服務價值修正 根據(jù)Costanza等[5]的研究，通過估算生態(tài)系統(tǒng)服務價值，從科學意義上明確生態(tài)系統(tǒng)服務價值的方法及原理。但此研究存在不足，從而引發(fā)國內(nèi)外相關(guān)學者的討論。根據(jù)中國實際情況，謝高地等[7，8]通過對中國200位生態(tài)學方面的相關(guān)專家采用調(diào)查問卷的方式進行分析，并結(jié)合中國實際情況，構(gòu)建了中國大陸生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量系數(shù)表，即每年不同地類單位面積的生態(tài)服務價值。

針對研究目的，主要是對土地系統(tǒng)的生態(tài)服務價值或者變化趨勢進行分析。故采用Millennium提出的生態(tài)服務價值估算公式及相關(guān)研究成果[17，18]，1個生態(tài)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值為54美元/hm2，按2010年的基準價6.667 5元/美元計算[19]，確定曹妃甸新區(qū)1個生態(tài)服務價值當量因子的經(jīng)濟價值約為360.05元/hm2，由此確定各陸地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務價值系數(shù)（表1）。核算新區(qū)生態(tài)服務價值公式為：

式中，ESV（元/年）為年生態(tài)系統(tǒng)服務總價值；Ai（hm2）為研究區(qū)第i種土地利用類型的分布面積（i=1，2，…，6，為土地利用類型）；VCi（元/hm2·年）為第i種土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務價值當量。

通過參考曹妃甸新區(qū)2020年土地利用總體規(guī)劃以及城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃，未來曹妃甸新區(qū)定位于建設(shè)成為國際化港口，所以新區(qū)南部沿海灘涂根據(jù)未來城市發(fā)展需要劃分為建設(shè)用地，為未來港口建設(shè)預留空間。根據(jù)研究區(qū)范圍大小以及斑塊的平均大小，利用ArcGIS技術(shù)，進行30 m×30 m柵格轉(zhuǎn)換，計算出每個柵格的生態(tài)系統(tǒng)服務價值。由圖2可見，曹妃甸新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值整體上由北向南分異明顯呈現(xiàn)中、高、低分布趨勢。生態(tài)服務價值較高的地區(qū)主要是石臼坨鳥類自然保護區(qū)、唐海濕地和鳥類自然保護區(qū)以及草泊水庫，三者沿東南至西北依次排開，形成了曹妃甸新區(qū)生態(tài)敏感區(qū)。較低的區(qū)域主要分布在主要的建成區(qū)以及南堡鹽場、曹妃甸工業(yè)區(qū)和大清河鹽場地帶，而北部主要分布大量的耕地，是主要的農(nóng)業(yè)保護區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)服務價值以中等為主。

2.2.2 土地空間優(yōu)化模型的構(gòu)建 最小累積阻力模型（MCR）最早由Knaappen等人提出，經(jīng)國內(nèi)學者的修改用下式表示[20]：

式中，Ri為景觀基面i對物種運動阻力；Dij為從源j到空間中某一個點五中穿越景觀基面i空間距離；f為未知的一個正函數(shù)，體現(xiàn)空間一點的最小阻力與這一點到所有源的空間距離以及景觀基面特征的相關(guān)關(guān)系。

空間分區(qū)模型的構(gòu)建參照劉孝富等[21]的研究成果，假設(shè)城市土地的用途劃分適宜建設(shè)適宜生態(tài)的兩大用地；城鄉(xiāng)建設(shè)用地和生態(tài)保護用地擴張，受到土地生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵性地段的約束、推進和刺激，其擴張是相互制約和相互聯(lián)系的過程，以期達到平衡，用下式表示：

MCR差值=MCR生態(tài)保護用地擴張-MCR城市建設(shè)用地擴張

當MCR差值<0，劃分為適宜生態(tài)建設(shè)用地；MCR差值>0時，劃分為適宜城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展用地；當MCR差值=0時，為劃分適宜生態(tài)建設(shè)用地和適宜城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展用地之間的分界線。

源的確定?；趯^(qū)域生態(tài)服務價值空間分析將石臼坨鳥類自然保護區(qū)、唐海濕地和鳥類自然保護區(qū)以及草泊水庫，三者沿東南至西北依次排開，形成了曹妃甸新區(qū)生態(tài)敏感區(qū)以及優(yōu)質(zhì)的基本農(nóng)田保護區(qū)為生態(tài)用地擴張的源；城鎮(zhèn)建成區(qū)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴張的源。

阻力面的建立。由于生態(tài)服務價值與景觀類型具有一定相關(guān)性，生態(tài)服務價值越高對于城鎮(zhèn)擴張阻力越大，生態(tài)用地擴張過程中阻力越小。因此在研究中以選取生態(tài)服務價值景觀基質(zhì)作為阻力因子，分析得出阻力因子的相對阻力大小并分別賦予阻力分值（表2），景觀組分阻力分值參照已有的研究成果（表3）。用ArcGIS9.3軟件分別制作阻力因子的分級圖層，形成以柵格方式存儲的景觀單元阻力分級圖，在景觀阻力分級的基礎(chǔ)上，考慮保護“源”與距離的遠近關(guān)系，采用最小累積阻力模型分別建立生態(tài)用地擴張和城市建設(shè)用地擴張景觀阻力面分布圖（圖3）。

分區(qū)閾值的確定。根據(jù)模型可計算兩個最小阻力面差值圖，其中北部基本農(nóng)田保護區(qū)、中部曹妃甸濕地核心區(qū)、中東部鳥類自然保護區(qū)及各河流水面，重點水源保護地的城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴張阻力大于生態(tài)用地擴張阻力，因此，其最小阻力面差值較低，將其劃分為生態(tài)保護用地（圖4）；而區(qū)域各城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)以及工業(yè)區(qū)生態(tài)用地擴張阻力遠大于城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴張阻力，因此，最小阻力面差值較高，適宜劃分為城鎮(zhèn)建設(shè)用地。參照李紀宏等[22]的研究成果當某種擴張過程穿越突變點時，突變點所在網(wǎng)格單元的阻礙或刺激作用會產(chǎn)生明顯的變化，所以可將突變點前后劃分為不同的土地利用類型。本研究根據(jù)ArcGIS9.3中最小阻力差值和柵格數(shù)量關(guān)系圖可以明確分析得出其突變點，進一步展開土地空間分區(qū)表（表4），并通過重分類確定曹妃甸新區(qū)生態(tài)服務價值空間分區(qū)（圖5）。

2.3 2010年曹妃甸新區(qū)土地生態(tài)服務價值各區(qū)域面積

統(tǒng)計2010年土地生態(tài)服務價值各區(qū)域面積及其百分比，結(jié)果表明，重點保護區(qū)的面積為214.39 km2，占曹妃甸新區(qū)總面積的11.01%，主要為唐海濕地河口濕地鳥類自然保護區(qū)及優(yōu)質(zhì)的基本農(nóng)田。生態(tài)服務價值較高且生態(tài)敏感脆弱，是曹妃甸新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值和功能的核心保護區(qū)域，對維護整個生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展起著舉足輕重的作用。一般保護區(qū)的面積約為809.42 km2，占曹妃甸新區(qū)總面積的41.55%，是曹妃甸新區(qū)生態(tài)保護用地擴張的緩沖地帶，形成了曹妃甸新區(qū)天然的生態(tài)保護屏障，適宜建設(shè)區(qū)的面積為499.11 km2，占曹妃甸新區(qū)總面積的25.62%，主要是曹妃甸工業(yè)區(qū)填海形成的大部分陸地，十里海養(yǎng)殖場、五農(nóng)場南部、四農(nóng)場東北部、三農(nóng)場西北部、一農(nóng)場北部、八里灘養(yǎng)殖場東南部、九農(nóng)場的大部、南堡鎮(zhèn)北部（原灤南縣）、嘴東地區(qū)、南堡開發(fā)區(qū)西北部、六農(nóng)場西北部和八農(nóng)場的東北部等，隨著建設(shè)用地的擴張其生態(tài)服務價值呈快速下降趨勢，優(yōu)化建設(shè)區(qū)面積為424.91 km2，占曹妃甸新區(qū)總面積的21.81%，唐?？h縣城、南堡開發(fā)區(qū)、曹妃甸新城、曹妃甸工業(yè)區(qū)的已經(jīng)開展建設(shè)的土地和正在開展建設(shè)的土地，各農(nóng)場已經(jīng)建設(shè)的地區(qū)，該地區(qū)開發(fā)利用程度較高，在進一步優(yōu)化發(fā)展過程中應注意生態(tài)補償建設(shè)。

3 小結(jié)與討論

曹妃甸新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值整體上由北向南分異明顯，呈現(xiàn)中、高、低的分布趨勢。生態(tài)服務價值較高的地區(qū)主要是石臼坨鳥類自然保護區(qū)、唐海濕地和鳥類自然保護區(qū)以及草泊水庫，三者沿東南至西北依次排開，形成了曹妃甸新區(qū)生態(tài)敏感區(qū)。較低的區(qū)域主要分布在主要的建成區(qū)以及南堡鹽場、曹妃甸工業(yè)區(qū)和大清河鹽場地帶，而北部的主要分布大量的耕地是主要的農(nóng)業(yè)保護區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)服務價值以中等為主，根據(jù)這一特征可以明顯識別曹妃甸新區(qū)生態(tài)服務價值的空間差異，為城鎮(zhèn)規(guī)劃中生態(tài)系統(tǒng)服務、生物多樣性保護和環(huán)境資源閾值的設(shè)定提供了依據(jù)，可更有效地提高生態(tài)環(huán)境保護及生態(tài)補償機制的針對性研究。

應用最小累積阻力模型進行模擬，并引入生態(tài)系統(tǒng)服務價值作為空間擴張的作用因子，最終確定曹妃甸新區(qū)重點保護區(qū)的面積為214.39 km2，占曹妃甸新區(qū)總面積的11.01%；一般保護區(qū)的面積約為809.42 km2，占曹妃甸新區(qū)總面積的41.55%，適宜建設(shè)區(qū)的面積為499.11 km2，占曹妃甸新區(qū)總面積的25.62%；優(yōu)化建設(shè)區(qū)面積為424.91 km2，占曹妃甸新區(qū)總面積的21.81%；得到的土地利用空間分區(qū)符合實際生態(tài)保護和建設(shè)發(fā)展需求，對曹妃甸濱海新區(qū)土地利用可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實指導意義。

應用最小累積阻力模型，通過構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布格局并在此基礎(chǔ)上進行土地利用變化分區(qū)模擬，模擬結(jié)果更具科學性。但是城鎮(zhèn)建設(shè)用地與生態(tài)用地擴張在不同地域和不同歷史時期其發(fā)展態(tài)勢各有不同，其影響因素也多種多樣，涉及自然、經(jīng)濟、社會等各個方面，因此在今后區(qū)域模擬研究中，需要統(tǒng)籌考慮區(qū)域自然、經(jīng)濟、社會等多因素的影響。

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