福州市建成區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究

汪 娜，韓永剛，黃義雄，葉功富

（1.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福州 350007；2.福建省水土保持試驗(yàn)站，福州 350003；3.福建省林業(yè)科學(xué)研究所，福州 350012）

科技進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加，給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的壓力，使生態(tài)系統(tǒng)遭到了破壞，這些引起了人們的廣泛關(guān)注。福州地處生態(tài)環(huán)境脆弱帶，作為地處東南沿海重要地理位置的福建省省會(huì)城市，對(duì)其生態(tài)環(huán)境的保護(hù)更是刻不容緩［1］。生態(tài)系統(tǒng)健康是環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的一門新興科學(xué)，它是一門研究人類活動(dòng)、社會(huì)組織、自然系統(tǒng)及人類健康的綜合性學(xué)科［2］。生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)是生態(tài)環(huán)境研究的熱門領(lǐng)域［3］。國外學(xué)者對(duì)生態(tài)學(xué)、生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了較多的研究［4－10］。目前，我國生態(tài)系統(tǒng)健康研究的對(duì)象包括城市［11－12］、草地［13］、農(nóng)田［14］、黃土丘陵區(qū)［15］、濕地［16－19］、行政區(qū)［20－24］等。但研究面臨評(píng)價(jià)指標(biāo)難以統(tǒng)一，評(píng)價(jià)因子無法適應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的過程等問題。雖然生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究的文章很多，但方法基本雷同，一些評(píng)價(jià)指標(biāo)也大同小異，在權(quán)重確定中受人為意識(shí)左右較多，同一指標(biāo)不同學(xué)者權(quán)重賦值差異很大，難以客觀進(jìn)行比較。基于此，本文在RS和GIS的支持下，借助SPSS數(shù)量分析法，通過計(jì)算壓力、狀態(tài)、響應(yīng)評(píng)價(jià)及健康綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果，分析影響生態(tài)系統(tǒng)健康的因素，為研究福州市生態(tài)系統(tǒng)健康提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理狀況

福州市位于福建省中部東端，東臨臺(tái)灣海峽，西靠三明市、南平市，南鄰莆田市，北接寧德市。東西最大橫距128km，南北最大縱距145km，總面積11968 km2，其中市區(qū)面積1032 .29km2。地理位置介于東經(jīng)118°08′—120°31′，北緯25°15′—26°39′。福州市位于閩江下游，地勢由西北向東南傾斜，海拔600～1000 m。地貌屬于典型的河口盆地，城區(qū)位于盆區(qū)中央，四周群山環(huán)抱。

1.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況

福州市現(xiàn)轄五區(qū)六縣二市，即倉山、臺(tái)江、鼓樓、晉安、馬尾5個(gè)區(qū)，連江、羅源、閩侯、閩清、永泰、平潭（縣）綜合試驗(yàn)區(qū)6個(gè)縣，福清、長樂兩個(gè)縣級(jí)市。人口711.54萬（2010年）。本文研究范圍為福州市建成區(qū)，包括臺(tái)江區(qū)、倉山區(qū)、鼓樓區(qū)、晉安區(qū)和馬尾區(qū)，總面積為1032 .29km2。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括圖件資料和文字資料，其中圖像資料包括2011年福州市ETM＋遙感影像、福州市行政區(qū)劃圖兩部分；文字資料包括GDP總值、人口數(shù)量、土地面積等數(shù)據(jù)，來源于《2011年福州統(tǒng)計(jì)年鑒》。同時(shí)借鑒前人研究的成果，獲取不同類型生態(tài)系統(tǒng)碳密度、生態(tài)彈性限度歸類等數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

使用地理信息系統(tǒng)ArcGIS 9.3對(duì)ETM＋影像進(jìn)行目視解譯，得到研究區(qū)土地利用矢量圖，并對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行校正。進(jìn)一步將矢量圖轉(zhuǎn)化成像元大小為8m的柵格圖像。用生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)的壓力—狀態(tài)—響應(yīng)（P－S－R）模型，以解譯好的圖像及其派生數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)信息源，分別采用Fragstats 3.3和Excel軟件計(jì)算壓力、狀態(tài)、響應(yīng)等指標(biāo)值，并采用極值標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)不同量綱的數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，再使用SPSS 17.0對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的值進(jìn)行主成分分析，得到不同指標(biāo)的權(quán)重值，進(jìn)而計(jì)算得出壓力、狀態(tài)、響應(yīng)及健康綜合指標(biāo)分值，采用五級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)綜合分值進(jìn)行分級(jí)。最后運(yùn)用ArcGIS對(duì)各分類結(jié)果進(jìn)行空間表達(dá)，并結(jié)合區(qū)域的實(shí)際情況，找出影響研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的主要因素。

2.3 解譯結(jié)果與分析

對(duì)2010年福州市ETM＋影像進(jìn)行解譯，按照土地利用方式解譯出6種類型，共750個(gè)斑塊。其中倉山區(qū)103個(gè)斑塊，臺(tái)江區(qū)4個(gè)斑塊，鼓樓區(qū)27個(gè)斑塊，晉安區(qū)492個(gè)斑塊，馬尾區(qū)124個(gè)斑塊。福州市的晉安區(qū)、馬尾區(qū)東部、倉山區(qū)的耕地分布密度較大。這些地區(qū)的土地墾殖率較大，馬尾區(qū)最大，土地壓力較大。福州市的耕地中水田占98.09%。閩江穿過福州市的倉山區(qū)和馬尾區(qū)中部，最后折向東北流出瑯歧島注入東海。河流兩岸的沖擊平原地勢平坦，土壤較為肥沃，同時(shí)閩江河口濕地在農(nóng)田灌溉中發(fā)揮了重要的作用［21］。

福州市林地分布范圍較為廣泛，除了臺(tái)江區(qū)外，其他的4個(gè)區(qū)林地覆蓋率都較高。林地面積占城區(qū)面積的61.49%。森林在生態(tài)環(huán)境中的作用不言而喻。林地所占比例越大，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的積極效應(yīng)就越大。2010年7月，在中國環(huán)境規(guī)劃院的中國最宜居城市評(píng)比中，福州位居榜首。福州市草地面積較小，分布也較為零散。但福州市的草地50.88%為高覆蓋度草地。草地面積比例越大，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的正面效應(yīng)越大。草地對(duì)維持大陸性氣候區(qū)的生態(tài)環(huán)境和保護(hù)物種繁衍具有重要的生物學(xué)意義。福州市建設(shè)用地面積占福州市面積的22.58%，分布相對(duì)集中，其中城鎮(zhèn)建設(shè)用地占了74.75%，城鎮(zhèn)用地主要分布于倉山、鼓樓和臺(tái)江區(qū)。城鎮(zhèn)用地指的是大、中、小城市及縣鎮(zhèn)以上建成區(qū)用地。城鄉(xiāng)、工礦、居民用地比例越大，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的負(fù)面效應(yīng)越大。

3 福州市建成區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

3.1 指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取

本文壓力指標(biāo)選擇土地壓力、人口壓力和人類干擾指數(shù)。土地壓力用土地墾殖率來表示，指一定區(qū)域內(nèi)耕地面積占土地總面積的比例，是反映土地資源利用程度和結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)。人口壓力用人口密度來體現(xiàn)，反映某一地區(qū)范圍內(nèi)人口疏密程度。人類干擾指數(shù)是由建設(shè)用地面積與總面積指標(biāo)的比值來計(jì)算。

狀態(tài)指標(biāo)選擇區(qū)域平均碳密度、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、均勻度指數(shù)、破碎度指數(shù)、生態(tài)彈性度來表示。

碳密度指單位面積的碳儲(chǔ)量。計(jì)算公式為［2］:

式中:C——活力指數(shù)，是表征物種豐富度和均勻度的綜合指標(biāo)；Pi——第i種土地類型所占面積比例；Di——第i種土地類型的碳密度；m——土地類型總數(shù)。

區(qū)域生態(tài)彈性度可以通過區(qū)域內(nèi)不同土地類型彈性度的加權(quán)平均計(jì)算求得，計(jì)算公式為［2］:

式中:ECOres——所有土地類型的平均彈性限度；Pi——第i種土地類型的權(quán)重；m——土地類型總數(shù)；Bi——土地利用類型i的彈性限度。

響應(yīng)指標(biāo)選擇林地覆蓋率和人均地區(qū)生產(chǎn)總值兩個(gè)指標(biāo)。林地覆蓋率＝林地面積／土地總面積×100%。根據(jù)實(shí)測資料和具體模型計(jì)算得出壓力—狀態(tài)—響應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)值（表1—2）。

表1 壓力、響應(yīng)指標(biāo)計(jì)算實(shí)值

表2 狀態(tài)指標(biāo)計(jì)算實(shí)值

3.2 指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為了消除量綱、變異自身大小和數(shù)值大小的影響，將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)于正向指標(biāo)，指標(biāo)越大越好，計(jì)算方法為:

對(duì)于負(fù)向指標(biāo)，指標(biāo)越小越好，計(jì)算方法為:

3.3 生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)綜合得分

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的各個(gè)指標(biāo)數(shù)值采用SPSS科學(xué)軟件計(jì)算各綜合指標(biāo)。計(jì)算過程及分級(jí)結(jié)果如表3—4所示。按照分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，壓力指標(biāo)處于一級(jí)的是倉山區(qū)；處于二級(jí)的是馬尾區(qū)；處于三級(jí)的是晉安區(qū)；壓力指標(biāo)的四級(jí)空缺；鼓樓區(qū)和臺(tái)江區(qū)的壓力指標(biāo)處于五級(jí)區(qū)域。狀態(tài)指標(biāo)處于一級(jí)的是馬尾區(qū)；處于二級(jí)的空缺；處于三級(jí)的是鼓樓區(qū)和晉安區(qū)；處于四級(jí)的是倉山區(qū)；臺(tái)江區(qū)的狀態(tài)指標(biāo)處于五級(jí)區(qū)域。響應(yīng)指標(biāo)處于一級(jí)的是馬尾區(qū)；處于二級(jí)的是鼓樓區(qū)；處于三級(jí)的空缺；處于四級(jí)的是倉山區(qū)和晉安區(qū)；臺(tái)江區(qū)的響應(yīng)指標(biāo)處于五級(jí)區(qū)域。

表3 壓力、響應(yīng)、狀態(tài)的特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率

表4 壓力、響應(yīng)、狀態(tài)的綜合指數(shù)

3.4 健康綜合指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算過程及其結(jié)果如表5，6所示。

表5 特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率

表6 健康綜合指數(shù)

由以上結(jié)果可以看出，生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指標(biāo)處于一級(jí)的是馬尾區(qū)；處于二級(jí)的空缺；處于三級(jí)的鼓樓區(qū)、倉山區(qū)、晉安區(qū)；處于四級(jí)的空缺；臺(tái)江區(qū)的健康綜合指標(biāo)處于五級(jí)區(qū)域。

4 空間表達(dá)結(jié)果分析

4.1 生態(tài)系統(tǒng)健康壓力、狀態(tài)響應(yīng)、狀況分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出的生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)數(shù)據(jù)，在ArcGIS軟件支持下繪制了福州市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況分布圖（圖1）。由圖1可以看出，壓力指標(biāo)處于一級(jí)的是倉山區(qū)；處于二級(jí)的是馬尾區(qū)；處于三級(jí)的是晉安區(qū)；壓力指標(biāo)的四級(jí)空缺；鼓樓區(qū)和臺(tái)江區(qū)的壓力指標(biāo)處于五級(jí)區(qū)域。鼓樓區(qū)和臺(tái)江區(qū)之所以壓力相對(duì)較大，屬于五級(jí)健康區(qū)，主要是因?yàn)槠淙丝诿芏却?、人口干擾度高，雖然土地墾殖率相對(duì)于其他地區(qū)小，但總體壓力還是較大。

圖1 福州市建成區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康壓力、狀態(tài)、響應(yīng)指標(biāo)等級(jí)分布

狀態(tài)指標(biāo)處于一級(jí)的是馬尾區(qū)；處于三級(jí)的是鼓樓區(qū)和晉安區(qū)；處于四級(jí)的是倉山區(qū)；臺(tái)江區(qū)的狀態(tài)指標(biāo)處于五級(jí)區(qū)域。馬尾區(qū)綜合狀態(tài)指標(biāo)的得分最高，狀態(tài)最好，這是因?yàn)檫@一區(qū)域處于閩江下游沖擊平原，地勢平坦，土壤肥沃，水源充足。閩江口濕地對(duì)植物的生態(tài)健康十分有利［21］，林地覆蓋率也較高，生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)碳能力較強(qiáng)，斑塊結(jié)構(gòu)合理，生態(tài)彈性度較大。人口密度和人口干擾度都較小。

響應(yīng)指標(biāo)處于一級(jí)的是馬尾區(qū)；處于二級(jí)的是鼓樓區(qū)；處于四級(jí)的是倉山區(qū)和晉安區(qū)；臺(tái)江區(qū)的響應(yīng)指標(biāo)處于五級(jí)區(qū)域。馬尾區(qū)綜合狀態(tài)指標(biāo)最高，狀態(tài)最好，這是由于馬尾區(qū)隸屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，植被豐富，林地覆蓋率也較高。生態(tài)環(huán)境綜合指標(biāo)名列福建省前茅。人均地區(qū)生產(chǎn)總值在五區(qū)中居榜首。

4.2 生態(tài)系統(tǒng)健康狀況綜合分析

由圖2可以看出，生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指標(biāo)處于一級(jí)的是馬尾區(qū)；鼓樓區(qū)、倉山區(qū)、晉安區(qū)處于三級(jí)；臺(tái)江區(qū)的健康綜合指標(biāo)處于五級(jí)。從整體上來看，福州市的生態(tài)體統(tǒng)健康狀況五區(qū)分異較大，自西向東生態(tài)系統(tǒng)健康呈逐漸變好的趨勢。馬尾區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)相對(duì)較好，臺(tái)江區(qū)較差，其他3個(gè)區(qū)居中。

馬尾區(qū)處于一級(jí)健康區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)健康狀況良好，生態(tài)功能完善，生態(tài)系統(tǒng)健康程度高，處于生態(tài)系統(tǒng)具有持續(xù)發(fā)展的空間，社會(huì)經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展。馬尾區(qū)人口密度小，人口干擾度小，響應(yīng)綜合指數(shù)最高，景觀多樣性和均勻度較高，優(yōu)勢度和破碎度較低，雖然土地墾殖率高，綜合多方面因素看，其生態(tài)系統(tǒng)健康狀況仍然是最佳的。

圖2 福州市建成區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指標(biāo)等級(jí)分布

鼓樓區(qū)、倉山區(qū)、晉安區(qū)處于三級(jí)健康區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整，生態(tài)系統(tǒng)健康狀況一般，具有一定的活力。生態(tài)系統(tǒng)功能基本正常，但敏感性較強(qiáng)，存在少量的生態(tài)系統(tǒng)問題。鼓樓區(qū)人口密度大，人口干擾度大，森林覆蓋率低，景觀優(yōu)勢度和破碎度高，雖然景觀多樣性高，土地墾殖率低，但綜合多方面因素看，其生態(tài)系統(tǒng)健康狀況一般。倉山區(qū)土地墾殖率高，人均地區(qū)生態(tài)總值在五區(qū)中最低，區(qū)域碳密度、景觀多樣性和均勻度都較高，其他各項(xiàng)指標(biāo)都居中，綜合多方面因素看，其生態(tài)系統(tǒng)健康狀況一般。晉安區(qū)墾殖率較低，其他的情況和倉山區(qū)較為接近，綜合多方面因素看，其生態(tài)系統(tǒng)健康狀況一般。

臺(tái)江區(qū)處于五級(jí)健康區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被破壞，斑塊破碎程度高，活力極低，生態(tài)功能喪失，生態(tài)系統(tǒng)問題大量出現(xiàn)。在壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)方面臺(tái)江區(qū)的表現(xiàn)都是最差的。區(qū)域平均碳密度、均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)均最低，優(yōu)勢度指數(shù)和破碎度指數(shù)最高，生態(tài)彈性度最低，故歸屬于五級(jí)生態(tài)系統(tǒng)健康區(qū)。

從評(píng)價(jià)結(jié)果上看，結(jié)合福州市現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，比較符合福州市生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀。

5 建議

本文選取福州市建成區(qū)為研究對(duì)象，通過構(gòu)建壓力—狀態(tài)—響應(yīng)（P－S－R）模型，借助 ArcGIS平臺(tái)，運(yùn)用SPSS軟件、Excel軟件和Fragstats 3.3軟件，定量化評(píng)價(jià)福州市建成區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。結(jié)果得出，福州市五區(qū)中，馬尾區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指標(biāo)處于一級(jí)，鼓樓區(qū)、倉山區(qū)、晉安區(qū)處于三級(jí)，臺(tái)江區(qū)處于五級(jí)，二級(jí)和四級(jí)空缺。

結(jié)合福州市五區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)健康的發(fā)展，需要在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)建設(shè)的同時(shí)堅(jiān)持環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)兩者相互協(xié)調(diào)發(fā)展，響應(yīng)十八大號(hào)召，將推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展作為第一要義，對(duì)現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)采取嚴(yán)格的生態(tài)保育措施，具體可以從以下4個(gè)方面入手:（1）加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)宣傳教育，提高全民的生態(tài)保護(hù)意識(shí)；（2）加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度，科學(xué)開展生態(tài)建設(shè)；（3）加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)資金引入機(jī)制；（4）加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境綜合治理。

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