基于土地利用情景的福建省生態經濟系統協調度時空演變模擬

李勝鵬, 柳建玲, 林 津, 范勝龍

(1.福建農林大學 公共管理學院, 福州 350002; 2.南京農業大學 公共管理學院, 南京 210095)

生態和經濟發展相協調是人類社會可持續健康發展的內在要求。21世紀初，時任福建省省長的習近平就曾做出建設生態省的戰略決策，并明確要求，經過20年的努力，福建省要在恢復和保持良好的生態環境、合理利用自然資源的前提下，促進全省社會、經濟和生態環境協調發展。近20年來，福建省經濟發展主要以建設用地擴張、耕地減少為代價，各類生態系統也因此遭到不同程度的破壞。識別生態經濟系統協調發展現狀與未來演變特征，對福建省未來持續深入實施生態省戰略有重要現實意義。

在定量評價生態經濟系統協調發展相關研究中，較多運用能值分析法[1]、生態足跡法[2]、綜合指標法等[3]在城市群[4]、省域[5]、市域[6]和縣域等[7]尺度下對生態經濟系統協調度(EEH)進行分析，并取得了大量成果，但是由于生態經濟系統協調發展問題的綜合性與復雜性，需要從不同的途徑來深化對該問題的研究[8]。生態系統服務功能對地球生命維持系統運作至關重要，是區域實現可持續發展的基礎[9]，其價值變化與社會經濟發展密切相關。因此，可根據一定時期內土地利用變化導致的生態系統服務價值(ESV)變化與區域經濟發展的關系來衡量區域生態經濟系統協調發展狀況[8]，目前該方面的研究成果雖有報道[10-14]，但仍相對較少。利用ESV變化與經濟發展的關系衡量生態經濟系統協調度的核心問題是ESV的測算[15]。關于ESV的測算方法現有文獻中較多采用的是當量因子系數法[16]，該方法由Costanza等[17]提出，經過謝高地等[18-20]引入并結合中國實際情況進行修正，在區域相關研究中取得豐富成果[21-26]。然而，目前針對于EEH和ESV的研究較多側重于在土地利用變化的基礎上對歷史數據的時空變化進行回顧分析，對模擬未來不同土地利用變化情景下ESV和EEH變化情況的相關研究較少。在研究區域方面，現有文獻較多是從城市群[27]、市域[28-29]、縣域等[30-31]對ESV和EEH變化進行模擬分析，但是較少對實施重大生態戰略區域展開研究。

基于此，本文通過FLUS模型模擬2026年不同情景(一般情景和耕地保護情景)的土地利用變化情況，利用凈初級生產力(NPP)修正的當量因子法測算福建省2000—2026年土地利用變化引起的ESV變化，結合GDP測算生態經濟系統協調度變化，分析2000—2026年福建省生態經濟系統協調度變化特征，可為合理控制土地利用變化、優化國土空間布局、繼續深入實施生態省戰略和國土空間規劃提供科學參考，實現區域可持續發展。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

本文以福建省為研究區，福建省位于中國東南沿海，陸地介于北緯23°33′—28°20′、東經115°50′—120°40′，陸地總面積12.14萬km2，境內山地、丘陵面積約占全省總面積的80%，森林覆蓋率高，耕地面積僅占約1.6%。《福建省統計年鑒—2019》統計顯示，2000年以來福建省經濟發展經歷了持續多年的高速增長階段，總產值增幅顯著。2000年地區生產總值為3 764.54億元，其中一、二、三產業生產總值分別為17.02%，43.26%，39.73%；到2018年實現地區生產總值35 804.04億元，其中一、二、三產業生產總值分別為6.65%，48.13%，45.22%。

1.2 研究數據來源與處理

研究區主要數據來源詳見表1。其中，土地利用分類數據采用6個一級地類(耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地)進行土地利用變化分析；空間數據均采用行列一致的空間分辨率為100 m×100 m的柵格數據，利用ArcGIS 10.4軟件對柵格數據進行預處理，并統一為Albers投影。土地利用變化是自然和人類社會共同作用的結果，本文結合研究區實際情況與前人研究成果[21,32-34]，選取交通、地形、社會經濟、人口等12項驅動因子用以模擬社會經濟發展過程中的土地利用變化，具體數據來源及處理方法詳見表2。

表1 研究區數據來源

表2 空間驅動因子

1.3 研究方法

1.3.1 FLUS模型 采用FLUS模型模擬人類活動與自然影響下不同情景的土地利用變化，整個模型包括3個模塊：(1) 測算未來用地的需求量；(2) 基于ANN模型的各類用地的出現概率：(3) 基于自適應慣性競爭機制的CA模型未來用地的模擬。參考Liang等[35]的參數處理方法，通過SD模型或Markov等預測模型測算未來不同情景下各類用地需求量，設置各地類相互轉換成本、限制區與鄰域權重。轉換成本中將一種地類允許轉換到另一種地類設置為1，不允許轉換設置為0；限制區中將可以轉換的區域設置為1，不可以轉換的區域設置為0；鄰域權重是各地類擴張能力，取值在[0，1]范圍內，取值越大擴張能力越強。

設置一般情景與耕地保護情景對研究區未來(2026年)土地利用變化進行模擬，兩種情景下的未來各類用地需求量均采用Markov鏈進行測算。(1) 一般情景：僅依據研究區歷史土地利用變化規律，設定各地類之間均可相互轉換，不對土地利用變化模擬過程設定限制區；(2) 耕地保護情景：從嚴格保護耕地角度出發，考慮到福建省耕地的資源稟賦，在未來土地利用變化模擬過程中設定水田為限制變化區，同時限制耕地和非耕地之間相互轉換，其他地類可相互轉換。通過計算歷史各地類擴張強度指數設定模型的鄰域權重(表3)[27]，各地類相互轉換成本和限制區則根據不同情景進行設置。

表3 鄰域權重參數

基于以上要求對模型進行設置，利用研究區2010年土地利用柵格數據模擬2018年研究區土地利用情況，并將模擬的結果與2018年實際土地利用現狀進行精度驗證，驗證精度達0.93，Kappa系數達到0.88，表明該模型在一定程度能夠模擬研究區2026年土地利用變化情況。

1.3.2 生態系統服務價值測算方法 以謝高地等[19]的當量因子法為基礎，并通過地區的NPP數據進行當量因子修正，測算生態系統服務價值。為了減少市場和自然因素對糧食價格與作物種植面積的影響，以2000—2018年糧食凈利潤的平均值作為標準當量因子價值[25]，其計算方法見式(1)，(2)，計算福建省各地類單位面積生態系統服務價值見表4。

表4 福建省各地類單位面積的態系統服務價值 元/hm2

(1)

(2)

1.3.3 生態經濟系統協調度評價 生態經濟系統協調度反映了區域自然生態與經濟發展的協調狀況，借鑒吳建寨等和王振波等[8,11-12,14]研究成果，采用生態經濟系統協調指數(EEHC)對區域內生態經濟系統的協調一致性進行評價。EEHC的計算方法見公式(3)，但環境與經濟協調發展的類型暫無統一的劃分標準，本文根據吳建寨等[8-9]研究成果將EEHC劃分為6個類型，見表5。

表5 生態經濟系統協調類型的劃分

(3)

式中：ESVpi，ESVpj，GDPpi，GDPpj分別為研究區某時期始、末年份的單位面積生態系統服務價值(元/hm2)和單位面積GDP(元/hm2)，根據2000—2018年的各年份GDP回歸預測得2026年GDP，因金門縣數據的不可獲得，本文未對其進行測算。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化分析

利用ArcGIS 10.4作2000—2018年土地利用轉移矩陣(結果見表6)，據測算：福建省在2000—2018年耕地減少1 601.22 km2，林地減少602.51 km2，草地減少564.44 km2，水域增加183.93 km2，建設用地增加2 569.83 km2，未利用地增加14.41 km2。建設用地增加來源主要是耕地、林地和草地，分別占62.05%，32.37%，12.82%；未利用地增加主要來源是林地和水域。建設用地增加增幅較大的區域主要是沿海一帶的廈門市、漳州市轄區、龍海市、泉州市轄區、南安市、晉江市、惠安縣、福州市轄區、閩侯縣、羅源縣以及莆田市轄區、寧德市轄區等，這些市縣(區)基本為福州經濟圈或廈漳泉經濟圈輻射影響范圍。內陸的各個市轄區和縣中心城區的建設用地面積也均有小幅度增加，而水域面積增加來源主要是內陸新建水庫和沿海地區的東山縣、漳浦縣的沿海耕地退耕。

表6 2000-2018年福建省土地利用轉移矩陣 km2

利用FLUS模型分別在一般情景與耕地保護情景下對福建省2026年土地利用變化情況進行模擬，結果見圖1D與1E。一般情景下，各地類之間轉換無限制，模擬結果顯示林地、耕地轉向建設用地的面積較大，其中，林地轉向建設用地337.65 km2，耕地轉向建設用地294.25 km2。林地轉為建設用地的區域主要集中在福清市、福鼎市、長樂區、連江縣、羅源縣、惠安縣、寧德市轄區、霞浦縣、漳浦縣、云霄縣；耕地轉為建設用地的區域主要集中在廈門市、惠安縣、龍海市、福清市和長樂區。耕地保護情景下，將水田設置為限制轉換區，地類轉化面積最大的是林地與草地，均向建設用地轉換，轉換面積分別為286.24 km2，189.68 km2，主要集中于福清市、長樂區、羅源縣、廈門市、福鼎市、寧德市轄區。

圖1 2000-2026年福建省土地利用分類圖

在兩種土地利用情景下，福州城市經濟圈與廈漳泉城市經濟圈的建設用地面積均為增加趨勢，且其他內陸地區的建設用地面積均有所增加，建設用地增加的來源主要是耕地與林地，因此在生態省發展與建設過程中要嚴控耕地紅線，做好建設用地的集約利用，以防建設用地的無序擴張導致生態用地趨于破碎化。

2.2 生態系統服務價值變化特征

福建省2000—2026年的生態系統服務價值(ESV)計算結果見表7。2000—2018年，福建省ESV總體下降了0.4%，其中耕地、林地、草地的ESV分別下降了7.7%，0.8%，3.1%。由圖2可知，同期單項ESV中食物生產價值、原料生產價值、氣體調節價值、氣候調節價值、凈化環境價值、土壤保持價值、維持養分循環價值、生物多樣性價值、美學景觀價值分別下降了3.9%，1.3%，1.7%，1.2%，0.7%，1.1%，2.2%，1.1%，0.9%。結合土地利用變化可知，以上ESV減少與耕地、林地、草地面積減少且大量轉為建設用地相吻合。一般情景下，福建省2026年的ESV較2018年增加0.3%，但因耕地、林地、未利用地面積減少，三者ESV相較2018年分別下降了2.0%，0.5%，7.2%；草地和水域面積的增加使得二者的ESV分別增加0.8%，5.3%。耕地保護情景下，福建省2026年的ESV較2018年增加0.2%，林地和未利用地的ESV較2018年分別下降了0.5%，7.2%，草地和水域的ESV較2018年分別增加0.8%和5.3%。

圖2 2000-2026年福建省各單項生態系統服務價值

表7 2000-2026年不同情景福建省生態系統服務價值 億元

2.3 生態經濟系統協調度時空演變

2000—2018年福建省生態經濟系統總體表現為低度沖突的協調發展特征，在經濟發展過程中土地利用變化引起生態環境效益降低。根據生態經濟系統協調指數(EEHC)劃分標準將2000—2018年各縣域生態經濟協調發展類型劃分見圖3，其中有3個縣(區)為高度沖突區，2個縣(區)為中度沖突區、40個縣(區)為低度沖突區、17個縣(區)為低度協調區、3個縣(區)為高度協調區。福建省大部分縣(區)環境經濟發展協調類型呈低度沖突區與低度協調區，主要集中于內陸縣(區)。沿海地帶環境經濟協調類型多樣，與沿海地區經濟發展不平衡，土地利用開發程度不同相關。其中漳浦縣、連江縣、平潭縣為高度沖突區，區域環境經濟發展不可持續；惠安縣和羅源縣為中度沖突區，區域環境經濟發展不協調；平和縣和云霄縣以及東山縣為高度協調區。

圖3 福建省生態經濟系統協調類型分布

2026年一般情景下，有17個縣(區)處于低度沖突區，48個縣(區)處于低度協調區。2018—2026年，生態經濟系統協調類型弱化發展的縣(區)有8個，其中平和縣、云霄縣、東山縣由高度協調區轉為低度協調區和低度沖突區，龍海市、福清市、寧德市轄區、霞浦縣、松溪縣等由低度協調區轉為低度沖突區；生態經濟系統協調類型協調發展的縣(區)有39個，其中平潭縣變化最為顯著，由高度沖突區轉變為低度協調區，生態經濟系統逐漸恢復協調，而漳浦縣、連江縣則由高度沖突區轉為低度沖突區，羅源縣和惠安縣由中度沖突區轉為低度沖突區，德化縣、南靖縣等34個縣(區)由低度沖突區轉為低度協調區。耕地保護情景下，有19個縣(區)為低度沖突區，46個縣(區)為低度協調區。該情景下生態經濟系統協調類型大致與一般情景下的類型相同，順昌縣、壽寧縣、泉州市轄區和屏南縣為低度沖突區；仙游縣和長汀縣為低度協調區。

2026年兩種不同土地利用情景下，福建省整體生態經濟系統均向好協調發展，生態經濟系統協調發展特征均由低度沖突區轉變為低度協調區，ESV與GDP同向正向增長，但ESV的增長速率并未大于GDP。在不同土地利用模擬情景中，福建省全域生態經濟系統協調類型均只表現為低度沖突區與低度協調區兩種類型，其中低度沖突區主要分布在東南沿海縣(區)，而內陸縣(區)主要以低度協調區為主。綜上，在兩種土地利用模擬情景下2018—2026年，福建省大部分縣(區)的ESV增長速度落后于經濟增長速度，部分縣(區)ESV呈負增長，社會經濟發展對生態系統造成一定的影響與破壞。因此，在生態省戰略布局下，應適當加強對部分生態系統的保護，防止因土地利用類型變化造成生態系統進一步破壞。

3 討論與結論

3.1 結 論

在回顧分析2000—2018年福建省土地利用變化、生態系統服務價值及生態經濟系統協調類型的基礎上，運用FLUS模型模擬2026年不同情景下福建省土地利用變化情況，計算未來福建省各地區的ESV，分析生態經濟系統協調類型，主要結論如下：

(1) 2000—2018年，福建省耕地、林地、草地面積均減少，且大部分轉為建設用地；土地利用變動較大的主要是廈漳泉經濟圈與福州經濟圈。2026年一般情景下，仍呈現林地、耕地向建設用地轉變，而耕地保護情景下則是林地、草地向建設用地轉變，兩種情景下，建設用地面積均表現為大量增長趨勢，水域面積小幅度增長。

(2) 2000—2018年，福建省ESV總體下降幅度為0.4%，其中耕地ESV下降幅度最大達7.7%，水域和未利用地分別上升10.3%和14.3%。2026年，一般情景的ESV略高于耕地保護情景，單項ESV中食物生產的ESV低于耕地保護情景。2000—2018年，福建省實施生態省戰略初有成效，ESV一定程度上能夠與GDP協調增長，但ESV仍有較大的增長空間，應該重點關注沿海經濟發達地區的生態經濟系統協調格局建設。因此，在社會發展規劃與國土空間規劃中要十分注重對耕地總量的控制和空間布局，科學保護耕地資源，提升糧食產量，維護區域糧食安全，保障經濟和生態協調發展。

(3) 2000—2018年福建省生態經濟系統協調類型為低度沖突，在2018—2026年將由低度沖突區向低度協調區轉變。在未來一段時間內，各個縣(區)的生態經濟系統協調類型的多樣性將減少，以低度沖突區和低度協調區為主，低度沖突區主要位于沿海縣(區)，低度協調區主要位于內陸縣(區)。福建省沿海地帶是省內經濟最為發達的地區，城鎮化水平高，林地、水域等地類面積比內陸縣(區)少，因此沿海地區的ESV基本上為負增長狀態，所以呈現生態經濟系統協調類型為低度沖突狀態，未來在持續深入生態省戰略的過程要注重生態系統的維護與保護，以確保生態系統服務功能正常供給。

綜上，福建省在繼續深入實施生態省戰略的過程中應當要切實防控耕地非農化，嚴格控制林地、草地及水域向建設用地轉變，合理規劃城鎮建設用地的發展邊界。特別在沿海的縣(區)要做好城鎮內部綠色設施的建設，構建與城市圈生態經濟系統相協調的發展格局。

3.2 討 論

(1) 未來可基于土地利用變化的多樣性，針對不同區域發展實際拓展不同情景的土地利用變化模擬，從而明確不同情景所適配的模擬模型，更加精確地分析未來土地利用變化情況，力求預測結果貼近現實發展。

(2) 預測未來的經濟發展情況是現代社會中重要研究內容，本文基于歷史GDP回歸預測未來GDP以探討未來EEHC的變化，未來研究可根據GDP增速在區間內的波動規律預測GDP增速。

(3) 本文基于100 m×100 m的柵格數據模擬土地利用變化，分析ESV與EEHC對土地利用變化的響應，但土地利用變化在不同的時空尺度上會呈現不同特性，未來可在多尺度下對模擬系數進行修正從而探究土地利用變化情況，分析EEH的尺度效應。