基于EKC & Lorenz Curve的山東省生態用地時空演變及保護區劃研究

安國強

（1.山東省土地調查規劃院，山東 濟南 250014；2.國土資源部土地利用重點實驗室山東科研基地，山東 濟南 250014）

1 引言

隨著生態文明建設和美麗中國戰略的實施，土地生態逐漸成為學者們廣泛關注的科學問題。分析區域生態用地的時空演變和分布特點，合理劃分生態用地保護區域，可以為科學編制國土空間規劃，保護自然資源提供依據。國際上對于生態用地的內涵沒有明確和統一的定論[1]，對生態用地整體研究相對較少，而對原生森林[2]、草地[3]、濕地[4]等單一生態用地的研究比較多見。在研究方法上，JESS CRESPO CUARESMA等利用遙感數據建立了環境庫茲涅茲（EKC）模型研究了全球玻利維亞—巴西等邊界地區森林退化現狀[5]，YUANYUAN YANG等采用洛倫茲曲線（Lorenz Curve）/基尼系數（Gini）方法研究了土地利用的演變歷史[6]。可見EKC和Lorenz Curve/Gini是研究生態用地或土地覆被變化較為科學的定量分析方法。近年來，土地生態成為中國土地資源學研究的核心內容[7]，對于生態用地研究的國內文獻也顯著增加。在基礎理論上，學者們對生態用地的概念[1，8]、分類[9-10]、生態服務[11]等的研究為土地生態學的進一步發展奠定了基礎；在研究內容上，對于全國[1]及區域[12-14]生態用地格局、生態用地規劃[15]的研究也普遍增多，2017年主要集中在土地生態安全和土地利用生態效應兩方面[16]，但綜合研究生態用地動態變化的文獻相對較少。研究方法則以定量分析[17]、關聯分析[18]、碳氧平衡法[19]、生態服務價值[20-21]較為廣泛，而采用定量的方法研究生態用地時空演變和分布特點的文獻尚不多見。本文以山東省為例，采用EKC和Lorenz Curve/Gini對區域生態用地的時空演變及分布特點進行了定量分析，初步劃分了全省生態用地保護區域，提出了差別化的生態用地保護和利用對策。

2 資料來源與研究方法

2.1 研究區概況

山東省位于中國東部沿海，黃河下游，土地總面積15.8×104km2，是全國人口、經濟大省。全省地勢以泰魯山地為中心，向四周逐漸降低，總體可分為魯中南山地、半島丘陵和魯西北平原區三大地貌單元。全省屬于典型的溫帶大陸性季風氣候，從沿海到內陸非地帶性氣候差異顯著。年均氣溫從沿海的11 ℃逐漸升高到內陸的14 ℃，年均降水量由魯東、魯南900 mm減少到魯西、魯北600 mm。復雜多樣的地形地貌和氣候特征，為多樣化的生態系統提供了天然的優勢條件。森林生態系統[22-23]包括山區、沿海、平原三種類型，以針葉落葉闊葉混交林為主，主要分布于山地丘陵區。濕地生態系統包括海岸、河口灣、河流、湖泊、沼澤等五大類型，以魯西北平原湖區、黃河三角洲及萊州灣濕地以及魯東與魯東南濱海濕地[24-26]分布居多。

2.2 數據來源

（1）1996—2016年山東省土地利用現狀調查數據及年度變更數據。其中土地利用現狀調查數據包括1996年第一次土地調查數據、2005年更新調查數據和2009年第二次土地調查數據，其他年份數據采用歷年變更調查匯總成果數據。選擇有代表性的1996、2001、2006、2011和2016年作為生態用地演變的典型年份。

（2）土地利用空間數據。采用2016年土地利用現狀數據庫作為生態用地空間數據基礎，以縣級行政轄區作為基本單元，分析全省生態用地分布特征。

（3）社會經濟數據。社會經濟數據作為輔助數據，用以研究山東省近20年來經濟社會發展對生態用地演變的影響。

2.3 研究方法

采用EKC模擬生態用地總量的演變趨勢，采用Lorenz Curve/Gini研究生態用地的分布及其變化情況，在充分分析生態用地時空演變特點及其原因的基礎上，以生態用地標準化指數為主要依據劃分不同生態用地保護區（圖1）。

圖1 生態用地時空演變及區劃研究思路示意圖Fig.1 The research framework of temporal and spatial evolution in ecological land

2.3.1 生態用地分類

綜合龍花樓等[27]、王靜等[28]以及其他學者對生態用地的概念和分類的研究結果，按照土地生態功能，全省土地利用類型可分為原生生態用地、人工生態用地與非生態用地。其中原生生態用地的時空演變特征能夠準確反映全省土地生態狀況，是本文的研究重點，文中 “生態用地”一詞，在無特殊說明情況下一般是指原生生態用地。

2.3.2 生態用地消耗EKC模型

根據EKC曲線，隨著經濟發展，環境先是惡化，而后得到改善。許多國家的實踐證明，經濟增長與環境質量之間存在這種倒U型關系。本文建立了生態用地消耗的EKC模型（圖2）。

圖2 生態用地消耗的EKC模型Fig.2 EKC model for ecological land consumption

理論上生態用地消耗呈先增長后減少的倒U型曲線。在前期階段，生態用地消耗速度呈現平穩—加速—減緩的趨勢。采用生態用地消耗指數（EK）作為衡量指標，計算公式如下：

式

（1）中：EKi為第i年生態用地消耗指數（%），由本年年末生態用地面積（Elandi）和初始年份的生態用地面積Eland0決定，是從初始年份開始的累積減少百分比。連續多年的生態用地消耗指數，可以反映區域內生態用地的演變過程和演變速度。

2.3.3 生態用地分布洛倫茲曲線與基尼系數

洛倫茲曲線與基尼系數[29]被廣泛應用于收入、消費、財富等分配的均衡程度[30]。本文通過繪制生態用地分布洛倫茲曲線，求算生態用地分布基尼系數，研究區域內生態用地空間分布及演變規律。具體方法如下：

（1）繪制生態用地分布洛倫茲曲線。根據生態用地面積標準化值計算各單元Y值：

式（2）中：Lcij為第i年度、第j單元的洛倫茲指數，由單元內生態用地面積（Elandij）和第i年度區域內所有單元內生態用地最大值（Elandimax）和最小值（Elandimin）決定。對區域內所有單元按照Lci值由小到大的順序排列，并把單元總數轉化為百分比，可以得到第i年度洛倫茲曲線。其中橫坐標X值計算公式為：

式（3）中：Uj為單元格總個數；j為單元格序號。由于研究時間跨度較長，受行政轄區調整的影響，Uj隨縣級行政轄區的個數變化而變化，生態用地分布洛倫茲曲線如圖3所示。

（2）生態用地分布基尼系數。圖3中，對角線OQ為絕對平衡分布曲線，由式（2）可知，其含義是生態用地在各個單元分布的面積均衡，生態面積標準化值沿正方形對角線方向增長。Le為生態用地分布曲線，按照生態用地面積標準化值由小到大順序累計，反映了生態用地的分布情況。基尼系數（Geland）計算公式如下：

式（4）中：Gelandi為第i年度生態用地分布的基尼系數，面積Ai計算公式為：

2.3.4 生態用地比重標準化指數

為科學反映各單元生態用地分布情況，需求算單元內生態用地絕對分布比重（Epa）和相對分布比重（Epb）。其中Epa是指單元內生態用地面積占全區域生態用地面積比重，衡量單元內生態用地總量與其他單元對比情況，計算公式為：

Epb是指單元生態用地面積占單元土地總面積（Land）比重，反映單元內生態用地分布情況，計算公式為：

分別對Epa與Epb進行標準化，利用ArcGIS字段計算功能對標準化結果逐單元求和，對計算結果再次標準化獲得生態用地比重標準化指數（Ieland），其中標準化公式參見式（2）。

生態用地比重標準化指數可以兼顧研究區內各單元中生態用地的絕對量和相對量，能夠反映生態用地分布的面積總量和集中程度。

圖3 生態用地分布洛倫茲曲線圖Fig.3 Lorenz curve for ecological land use distribution

3 結果分析

3.1 生態用地總量演變特征

圖4表明，近20年來，山東省各類生態用地有著不同的增減變化趨勢，而生態用地總量表現為持續減少的特征，其減少速度變化的階段性特征明顯，如圖4（a）所示。數據表明，以1996年全省生態用地為基數（100%），到2001、2006、2011、2016年分別減少了3.30%、7.79%、12.17%和14.88%。其中1996—2001年，生態用地減少趨勢平穩，年均減少量為0.54%。2001—2011年間，生態用地面積減少的速度有所加快，年均減少量為0.81%。2012—2016年，生態用地總面積減少速度趨于平緩，年均減少量為0.43%。

選擇全省面積較大、分布較廣、有代表性的天然有林地、天然草地、水域、灘涂、鹽堿地分析全省生態用地變化趨勢，如圖4（b）所示。其中天然有林地和水域減少趨勢相對和緩，20年內分別減少了2.83%和1.93%，裸地、天然草地、鹽堿地、灘涂面積減少迅速，分別減少了43.92%、31.17%、30.11%和21.36%。各類生態用地消耗曲線同樣表現出了明顯的階段性特點：2001年以前，除鹽堿地外，其它各類生態用地減少速度相對平緩，2001—2011年，除水域、天然有林地之外，各類生態用地迅速減少，2011年以后，除鹽堿地外，各類生態用地的消耗速度明顯下降。近20年以來，受未利用地開發活動的影響，其他天然草地、鹽堿地、灘涂和裸地減少的速度最快。

1996—2001年，全省建設用地擴張相對較慢，耕地占補平衡壓力相對較小，未利用地開發的工程項目相對較少，生態用地尚未受到較大規模人類活動的干預。2001—2011年，全省城鎮化、工業化快速發展，城鎮建設用地迅速擴張，耕地占補平衡壓力逐步增大，各地積極開發未利用土地以補充耕地。部分地區已經出現土地開發和土地整理難以滿足建設用地擴張的需求，被迫實行“異地補充耕地”和“異地基本農田代保”的政策。2011—2016年間，山東省生態用地總量減少速度放緩的原因主要有：第一，山東省耕地后備資源嚴重不足，僅2003—2015年，耕地后備資源總面積減少了30.81萬hm2，其中天然草地、鹽堿地、灘涂等生態用地是減少最明顯的土地利用類型[31]。第二，山東省城鎮擴張的速度有著明顯的放緩趨勢，1990—2000年、2000—2005年、2005—2010年、2010—2014年4個階段的擴張速度分別為11.17%、11.89%、6.01%和2.42%[32]，耕地占補平衡總量隨之降低。第三，部分地區實行“增減掛鉤的政策”，土地資源利用模式逐步由“外延的擴張”轉型為“內涵的挖潛”[33]。

圖4 山東省1996ü2016年生態用地消耗趨勢圖Fig.4 Trends of ecological land consumption in Shandong Province in 1996-2016 years

3.2 生態用地分布演變特征

選擇典型年份洛倫茲曲線及20年來全省生態用地分布基尼系數研判生態用地分布演變規律。圖5表明，典型年份洛倫茲曲線隨著時間的推進而趨于平緩，A區域面積逐漸縮小。圖6 表明，1996—2016年，全省生態用地分布基尼系數雖然波動較大，但是下降趨勢明顯，由1996年的0.523逐漸降低到了2016年的0.480。

山東省生態用地分布有著明顯的三個特點，如圖7所示：（1）生態用地連片分布于魯中南山地區、黃河三角洲地區和半島丘陵區，另外在青島市的嶗山區、黃島區，棗莊市的山亭區，濟寧市的微山縣分布相對集中。（2）近20年來，全省各地生態用地比重逐步下降。1996年，全省生態用地面積比重為20.04%，2001年、2006年、2011年、2016年分別下降到19.38%、18.47%、17.51%和16.97%。（3）全省生態用地比重較低的區域逐步擴大，比重較高的區域逐漸縮小。生態用地比重低于10%的縣級單元由48個增加到了55個，比重高于30%的縣級單元由27個減少到20個，其中2001—2011年生態用地變化趨勢尤為明顯。

生態用地分布特征受自然地理因素和人類活動因素影響比較明顯。山東省地勢復雜，耕作歷史悠久，生態用地在全省分布本身就表現出了不平衡的特征。近20年來，全省生態用地分布特征隨著土地開發活動的不斷深入而有所變化。集中分布于魯中南山地區、黃河三角洲地區、半島丘陵區的生態用地，包括天然草地、鹽堿地、灘涂等被大規模開發為耕地，具有主導生態功能的土地利用類型不斷減少，區域特色逐漸消失，因此生態用地分布基尼系數逐年下降。2001—2010年，生態用地分布基尼系數迅速下降，表明了這一時期土地開發活動明顯地影響了全省生態用地分布情況。

3.3 生態用地保護區劃

生態用地絕對分布比重（Epa）最大值為微山縣的4.03%，最小值為青島市市北區的0.01%，面積較大的平度市、沂水縣絕對分布比重分別為1.32%和1.82%，但是相對分布比重分別為12.09%和22.01%；生態用地相對分布比重（Epb）最大值為長島縣的68.72%，最小值為冠縣的3.92%，然而兩個縣的生態用地總量比較相近，分別為4 071.53 hm2、4 557.17 hm2。可見，兩種比重指數都難以單獨反映生態用地的分布特點，而生態用地比重標準化指數（Ieland）兼顧兩者特點，可以作為保護區劃的依據。

圖5 典型年份生態用地分布洛倫茲曲線Fig.5 Lorenz curve of ecological land distribution in typical years

圖6 1996ü2016年生態用地分布基尼系數趨勢圖Fig.6 Evolution trend of Gini coef fi cient during the period of 1996-2016

圖7 山東省典型年份生態用地分布圖Fig.7 Distribution map of ecological land in typical years in Shandong Province

根據生態用地比重標準化指數，采用自然裂點法和聚類分析法[34]，把全省劃分為重點保護區、中等保護區和一般保護區三個生態用地保護類型區域，如圖8所示。

（1）重點保護區。主要分布于魯中南山地區、黃河三角洲地區、半島丘陵區以及青島沿海區和微山湖區。①魯中南山地區主要包括泰安市的岱岳區、泰山區，萊蕪市全部，淄博的淄川區、博山區、沂源縣，濰坊的臨朐縣。本區地形復雜，相對高差變化較大，生物種類繁多，植被有著明顯的垂直分帶特點。本區主要的生態用地以林地、灌木、草地為主，水體則以河流、湖泊等為主。本區應該加大對自然林地、灌木的保護力度，嚴格控制土地開發、整理活動對生態用地的破壞。今后應該結合區域特色優勢，建設自然保護區；發展生態景觀、人文景觀等旅游產業；農業生產應該因地制宜，培育地方特色農產品。②黃河三角洲地區主要分布在東營市，地勢平坦，特色鮮明，有著“中國最年輕大陸”的稱號。主要生態用地以鹽堿地、灘涂、水域和自然林地為主，其中鹽堿地占全省鹽堿地總面積的69.16%，灘涂占全省灘涂總面積的38.40%。數據顯示，因建設占用和土地開發活動影響，本區是20年來生態用地減少最快的區域[35]。本區域應該加大對具有主導功能的生態用地保護力度，禁止對鹽堿地、灘涂的無序開發利用。今后發展方向應該結合黃河三角洲高效生態經濟區建設戰略，由土地資源的大規模開發向生態文明建設轉型。③青島沿海區主要包括青島市的嶗山區和黃島區。本區主要受地形影響，形成沿海較為獨特的生態用地集中分布區，主要生態用地為天然林地、草地和灘涂。區域發展既要依靠城市的輻射優勢，把生態資源與旅游觀光、特色農業有機結合，又要避免城市擴張對生態用地的破壞。④微山湖區主要分布于濟寧市微山縣境內，生態用地以南四湖濕地為主。本區應該把水污染防治和生態用地保護結合起來，同時嚴格控制湖泊圍墾對生態環境的破壞。

（2）中等保護區。屬于重點保護區向一般保護區的過渡地帶，主要分布在黃河三角洲、魯中南山地和半島丘陵區的周邊地區，呈環狀圍繞重點保護區分布。這類區域地形一般以低丘緩坡為主，生態用地比重相對較高，是近幾年土地開發整理補充耕地的主要區域。土地開發主要以荒草地為主，土地整理則以田坎為主。區內生態用地以天然林地、草地以及濱州市的鹽堿地為主，生態用地面積減少的趨勢比較明顯。本區應該規范和控制土地開發整理活動，防治水體污染。

（3）一般保護區。一般保護區主要連片分布于魯西北平原區及向東延伸的濟青沿線、魯西南平原區和臨郯蒼棗南平原區。本區地形較為單一，以平原為主，因農業耕作歷史悠久，區內生態用地面積比重相對較低，以水域、零星林地、草地為主。今后應該對僅有的生態用地加以保護，可以適當增加人工林地、水域的比重，培育區域生態養護中心，構建保護國土資源的綠色屏障；同時加強對水體、土壤的污染防治和生態修復，提高土地資源的節約集約利用水平，提高生態用地的比重。

圖8 山東省生態用地保護區劃圖Fig.8 Zoning map of ecological land protection in Shandong Province

4 結論與討論

4.1 結論

（1）數據表明，山東省生態用地總面積逐年減少，比重逐年降低，城鎮化和農業開發對生態用地消耗的速度呈現了明顯的庫茲涅茲曲線前期階段特征：由平穩消耗（1996—2000年）過渡到快速消耗（2001—2011年）再過渡到消耗漸緩（2011—2016年），根據環境庫茲涅茲曲線倒U型曲線理論，隨著生態文明建設和美麗中國戰略的實施，通過土地整治和生態修復，全省生態用地有望出現由減少到增加的拐點。

（2）洛倫茲曲線和基尼系數較為準確地反映了全省生態用地分布特點和演變特征。一方面，受自然和社會因素的影響，山東省生態用地的分布不均衡特點較為明顯，集中分布于黃河三角洲、魯中南山地、半島丘陵等地區。近20年來，山東省生態用地分布的基尼系數逐漸降低，說明全省生態用地分布逐漸趨于均衡，生態用地集中分布區的區域特色正在消失。

（3）根據全省生態用地時空演變特征和生態用地分布現狀，本文把全省劃分為重點保護區、中等保護區和一般保護區，初步提出不同保護區生態用地保護和利用策略，可以為制訂差別化的區域生態文明發展戰略提供參考。

4.2 討論

（1）本文的研究對象限定在山東省原生生態用地，未對人工、半人工生態用地展開討論，主要基于兩個方面的考慮。一方面，學者們對于耕地、園地等是否可以歸類為生態用地有不同的觀點，而對原生生態用地的看法則較為一致。另一方面，近20年來，原生生態用地受到人類活動的影響比較深刻，變化特點較為明顯，能夠相對準確的反映出山東省生態用地的演變特點和分布現狀。

（2）研究結果表明，受建設用地擴張及耕地占補平衡政策的影響，人類活動對土地的改造和利用范圍越來越大，程度越來越深，不合理的開發與建設導致自然生態空間功能破壞、系統退化現象突出[36]。隨經濟社會的發展，生態用地的保護和科學利用成為自然資源管理和利用的重要問題。政策上，應當借鑒西方“生態補償”“生態優先”“邊界間隔”等生態保護理念[37]，建立健全生態用地的利用和保護法律法規，明確責任主體。技術上，應加大生態用地的保護和修復技術、土地整治技術的相關研究。管理上，應當針對區域生態用地現狀和變化特點，實行差別化的管理政策，制定科學的空間規劃，實施嚴格的國土資源用途管制。

（3）近年來，環境庫茲涅茲曲線和基尼系數庫茲涅茲越來越廣泛地應用于土地領域的科學研究，本文探討了構建生態用地的環境庫茲涅茲曲線模型和計算基尼系數的方法，而揭示生態用地客觀規律的科學方法尚需進一步研究，以便更科學地為生態用地保護提供依據。

（4）生態用地作為一種有限的環境資源，其總量隨著建設用地擴張和土地開發利用而不斷減少，隨著人們的生態保護意識的提高和土地生態修復活動的推進而增加。本文分析了山東省生態用地保護和利用的緊迫形式，以期引起學者們的關注和討論。