山東省土地利用變化的生態系統服務交叉敏感性評價

關 梅 張文信 蔣海明 路 昌 葛藝冰 董光龍*

(1.山東省國土空間規劃院，濟南 250014； 2.山東建筑大學 管理工程學院，濟南 250101)

世界各國經歷了或正在經歷著快速的城鎮化過程，預計至2050年將有2/3的人口生活在城鎮地區。中國作為發展中國家，經歷了史無前例的城鎮化過程，城鎮化率由1978年的17.92%提升至2020年的63.89%。社會經濟轉型發展以土地利用轉型為空間載體，隨著快速的城鎮化過程，城鎮空間迅速擴張，不可避免地占用農業空間和生態空間。劇烈的土地利用轉型還造成了大氣污染、城市熱島、生物多樣性降低、人居質量下降等生態環境問題。土地利用轉型與生態環境保護失調日益凸顯。在“高速增長”到“高質量發展”的社會經濟轉型背景下，面對人民對美好生活的向往與追求，系統、科學地揭示土地利用轉型的生態敏感性，有助于優化國土空間格局，保護生態環境。

土地利用變化不僅會顯著改變土地利用結構、功能和景觀格局，而且與生態系統服務功能密切相關，是生態系統服務敏感性的重要影響因素。生態系統服務敏感性是指生態系統對自然和人類活動干擾的敏感程度，敏感度越高，發生生態環境問題的可能性越大，因此常被用來衡量土地利用變化的生態環境效應。傳統生態系統服務敏感性分析通常采用Kreuter提出的敏感性系數評估生態服務價值對當量因子的敏感性。該方法主要是考慮到在當量因子測算過程中，直接賦予各種生物量價值系數的不確定性，通過調整價值系數，評估生態系統服務價值測算的敏感度，實質上是檢驗生態系統服務價值當量因子的合理性，無法反映土地利用變化對生態系統服務價值的影響。Aschonitis等通過簡單的微積分計算，證明了傳統敏感性系數取值范圍為0～1，進而指出生態系統服務價值的傳統敏感性系數存在錯誤應用和解讀。已有研究進一步構建了交叉敏感性系數，用來定量評估生態服務價值對土地利用變化的敏感性。該方法考慮不同土地利用類型之間的凈變化，能夠更好的反映土地利用變化對生態系統服務價值的影響。朱昌麗等將該方法應用到閩江上游地區，研究發現森林和水域、草地和水域相互轉換的生態系統服務價值交叉敏感性最高。在雄安新區，水域、濕地、耕地和建設用地向其他地類轉型對生態系統服務價值的影響均較為敏感。然而，研究表明交叉敏感性系數在基期的選擇上存在一定的偏差，偏離了彈性系數的基本內涵。路昌等進一步改進了交叉敏感性系數，用以衡量2種地類之間凈轉型引起的生態服務價值變化對生態服務價值總量變化的影響。

山東省是中國的人口大省和經濟強省。近年來，隨著城鎮化和工業化的快速推進，山東省土地利用沖突明顯，土地利用結構和功能變化顯著，引發了空氣質量下降、三生空間沖突、生態空間縮小等一系列生態環境問題。土地利用凈變化是導致生態系統服務價值變化的主要原因，而生態系統服務交叉敏感性系數能夠較好的反映土地利用變化對生態系統服務價值的影響，但土地利用變化的生態系統服務敏感性評價仍有待進一步探討。因此，本研究擬以山東省2009年、2015年和2020年3期土地利用數據為依據，定量化探明2009—2020年山東省土地利用變化格局，測算生態服務價值，并在此基礎上進一步探析土地利用變化的生態系統服務交叉敏感性，劃分生態敏感區，以期為優化山東省國土空間格局、實現高質量發展提供科學參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

山東省位于中國東部沿海，中部山地突起，西部屬華北平原，東部為低山丘陵，整體上呈現出“中部高四周低”的地貌格局(圖1)；氣候屬暖溫帶季風氣候類型。降水集中，雨熱同季，年平均氣溫11～14 ℃。截至2020年底，山東省下轄16個地級市，包括137個縣級行政單元，土地總面積為1.58×10km，總人口突破1 億，達1.02 億，城鎮化水平達63.05%，GDP高達73 129億元。近年來，隨著“建設山東新舊動能轉換綜合實驗區”、“打造鄉村振興齊魯樣板”、“黃河流域生態保護和高質量發展”等戰略措施的實施，山東省迎來新的發展機遇，與此同時生態環境保護也將面臨更為嚴峻的挑戰。

1.2 數據來源及預處理

山東省2009年、2015年和2020年3期土地利用數據，來源于山東省土地利用變更調查數據庫，由山東省土地調查規劃院提供。本研究基于土地利用變更調查的三級分類，進一步將山東省土地利用類型整合為森林、草地、農田、濕地、水域、荒漠和建設用地等7種地類(表1和2)。考慮到土地利用變更調查數據圖斑細碎、數量大、屬性多等特點，使得覆蓋山東省的矢量數據太大，難以處理。因此，借助ArcGIS 10.5軟件，在充分利用土地利用調查數據高精度特征的基礎上，參考土地利用數據的常用空間分辨率，結合山東省地域范圍大小，將整合地類后的土地利用變更調查矢量數據轉換為空間分辨率為30米的柵格數據，以方便后續處理。

圖1 研究區域地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

表1 基于第二次全國土地調查的土地利用類型劃分
Table 1 Land use type classification based on the second national land survey

重分類Reclassification土地利用類型Land use type農田 Farmland水田、水澆地和旱地森林 Forest有林地、灌木林地、其他林地、果園、茶園和其他園地草地 Grassland天然牧草地、人工牧草地和其他草地建設用地Construction land批發零售用地、住宿餐飲用地、商務金融用地、其他商服用地、工業用地、采礦用地、倉儲用地、城鎮住宅用地、農村宅基地、機關團體用地、新聞出版用地、科教用地、醫衛慈善用地、文體娛樂用地、公共設施用地、公園與綠地、風景名勝設施用地、軍事設施用地、使領館用地、監教場所用地、宗教用地、殯葬用地、鐵路用地、公路用地、街巷用地、農村道路、機場用地、港口碼頭用地、管道運輸用地和水工建筑用地濕地 Wetland沿海灘涂、內陸灘涂和沼澤地水域 Water河流水面、湖泊水面、水庫水面、坑塘水面和溝渠荒漠 Desert鹽田、設施農用地、田坎、空閑地、冰川及永久積雪、鹽堿地、沙地和裸地

2 研究方法

2.1 生態服務價值測算模型

參考全球生態服務價值估算模型，謝高地等制定了更加符合中國實際情況的當量因子表及區域修正系數。據此，可得山東省森林、農田等各地類的當量因子。結合土地利用數據，根據以下公式估算山東省2009年、2015年和2020年生態服務價值。

ESV=∑(

A

×VC)

(1)

式中：ESV為生態服務價值，元；

A

為第

k

種地類的面積，km；VC為第

k

種地類的生態服務價值當量因子。一般而言，生態系統服務通常劃分為氣體調節、氣候調節、水源涵養、土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性維持、食物生產、原材料生產、休閑娛樂等9類，各類均有相應當量因子，本研究中的VC為以上9類生態系統服務當量因子之和。

表2 基于第三次全國國土調查的土地利用類型劃分
Table 2 Land use type classification based on the third national land survey

重分類結果Reclassificationresult土地利用類型Land use type農田 Farmland水田、水澆地和旱地森林 Forest果園、茶園、橡膠園、其他園地、喬木竹林、竹林地、灌木林地和其他林地草地 Grassland天然牧草地、人工牧草地和其他草地建設用地Construction land零售商業用地、批發市場用地、餐飲用地、旅館用地、商務金融用地、娛樂用地、其他商服用地、工業用地、采礦用地、倉儲用地、城鎮住宅用地、農村宅基地、機關團體、新聞出版用地、科研用地、教育用地、文化設施用地、醫療衛生用地、社會福利用地、體育用地、公用設施用地、公園與綠地、軍事設施用地、使領館用地、監教場所用地、宗教用地、殯葬用地、風景名勝設施用地、鐵路用地、軌道交通用地、公路用地、城鎮村道路用地、交通服務場站用地、農村道路、機場用地、港口碼頭用地、管道運輸用地和水工建筑用地濕地 Wetland森林沼澤、灌叢沼澤、沼澤草地、紅樹林地、沿海灘涂、內陸灘涂和沼澤地水域 Water河流水面、湖泊水面、水庫水面、坑塘水面和溝渠荒漠 Desert鹽田、設施農用地、田坎、空閑地、冰川及永久積雪、鹽堿地、沙地、裸土地和裸巖石礫地

2.2 交叉敏感性系數

交叉敏感性系數反映的是生態服務價值總量對地類間土地利用變化所引起的生態服務價值變化的敏感程度。需要說明的是，土地利用變化是具有方向性的。例如，森林與農田之間的轉換，既存在森林向農田的轉換，又存在農田向森林的轉換。這種雙向的轉換可能因地理位置的不同，而導致生態服務價值變化量的不同。但當研究區域較小時，依據謝高地等提出的生態服務價值估算模型，等量的雙向轉換可以相互抵消。因此，參考相關研究，采用改進的交叉敏感性系數(Coefficient of improved cross-sensitivity, CICS)，衡量土地利用變化的生態系統服務交叉敏感性，即2種地類間凈轉換所引起的生態服務價值變化對生態服務價值總量變化的影響。其公式如下：

(2)

式中：CICS為

k

地類轉化為

l

地類的交叉敏感性系數；VC為修改后的

l

地類的生態服務價值當量因子；Δ

A

為

k

地類與

l

地類的凈轉型面積，km；Δ

P

為生態服務價值變化總量，元。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化特征

由圖2可知，2009—2020年山東省土地利用方式、結構和布局相對穩定。農田、森林和建設用地是山東省主要的土地利用方式，三者占山東省土地總面積的比例在85%左右。農田空間分布范圍較廣，在全省范圍均有分布，受地形等因素的影響，在魯西平原地區集中連片分布；森林在魯中山區和魯東丘陵地區分布較為集中；建設用地呈滿天星狀分散在各地，在城鎮地區規模相對較大。

圖2 山東省土地利用空間分布格局Fig.2 Spatial distribution pattern of land use in Shandong Province

山東省土地利用變化明顯，尤其是農田、森林和建設用地之間的轉換。其中：農田、草地、濕地和荒漠等呈減少趨勢，農田減少了1.77萬km，顯著大于其他類型，主要流向了森林、建設用地和水域；森林、建設用地和水域呈增加趨勢，森林增加最多，達1.63萬km，主要由農田、草地和建設用地轉入，建設用地次之，為0.57萬km，主要由農田和森林轉入。主要結果有：1)2009—2015年，土地利用變化相對較為平穩。農田、森林、草地和濕地面積減少，建設用地面積增加，水域和荒漠面積基本穩定。其中，變化最為劇烈的為建設用地，其面積增加了0.18萬km，主要由農田、森林和水域轉入；而面積減少最多的為森林，為0.07萬km，主要流向了農田和建設用地；農田面積減少次之，為0.06萬km，主要轉化為建設用地和森林；2)2015—2020年，土地利用變化較為劇烈。森林、建設用地和水域等用地面積呈增加態勢，森林增長幅度最大，為1.68萬km，主要由農田和草地轉入；建設用地次之，增加了0.39萬km，主要由農田、森林和荒漠轉入。農田、草地、濕地和荒漠等呈減少態勢，農田減少幅度最大，達1.71萬km，主要流向森林、建設用地和水域等；荒漠次之，減少了0.29萬km，主要轉向森林和建設用地。

3.2 生態系統服務價值時空變化特征

2009—2020年山東省生態系統服務價值的時空分布特征見圖3。2009—2015年，135個縣級行政單元ESV減小；2015—2020年，129個縣級行政單元ESV增加，所占比例高達94.16%。整體來看，山東省ESV總量呈現研究前期小幅減小，研究后期大幅增加的趨勢，由2009年3 919.89億元降低至2015年3 667.57億元，再增加至2020年4 617.29億元，增加了697.40億元，主要是濕地和水域面積增長所致。山東省ESV的空間分布受地形、區位等因素影響較大，魯中南山地丘陵地區、魯東丘陵地區、黃河三角洲地區的ESV整體較高，西部平原區相對較低。具體而言，研究期間ESV高值區(60.01～186.57億元)主要分布在棲霞市、平度市、微山縣以及黃河三角洲地區，這些區域水域和濕地等生態用地分布廣泛，受人類活動干擾較少；ESV中值區(30.01～45.00億元)和中高值區(45.01～60.00億元)分布廣泛，且范圍逐漸擴大，主要分布在魯中山地丘陵和膠東半島北部地區；ESV低值區(0.00～15.00億元)和中低值區(15.01～30.00億元)主要集中在魯西平原地區，作為糧食主產區，農田眾多且連片度高，生態用地規模較少，是區域生態系統服務價值偏低的主要原因。

圖3 2009—2020年山東省生態服務價值時空變化Fig.3 Spatial and temporal changes of ecological service value in Shandong Province from 2009 to 2020

3.3 交叉敏感性分析

山東省土地利用變化的生態系統服務交叉敏感性系數見圖4。可知：2009—2015年，生態服務價值總量對水域、森林、農田向建設用地的轉換均較為敏感，CICS絕對值分別為2.26、2.22和1.3；2015—2020年，最敏感的是農田向森林轉換所引起的生態服務價值變化，其次是農田向水域轉換所引起的生態服務價值變化，交叉敏感性系數均大于1；而草地、濕地、荒漠向其他地類轉換的交叉敏感性系數均較低。主要結果如下：

1)農田與其他地類轉換的交叉敏感性。研究期間農田與森林、水域、荒漠的CICS均為負值，表明農田與上述地類的轉換對ESV的變化起抑制作用。農田和森林之間轉換的CICS絕對值由1.27升至6.11，生態服務系統對此類轉換最為敏感且敏感性逐漸增強。農田和草地之間轉換的CICS絕對值由0.51降低到0.10，生態服務系統對此類轉換缺乏敏感且敏感性降低。農田和水域間轉換的CICS絕對值由0.37升至3.07，生態服務系統對此類轉換較為敏感，且對ESV變化抑制作用加強。農田和濕地之間的轉換對ESV的變化由抑制作用轉為促進作用。農田和建設用地之間轉換的CICS絕對值由1.30降低到0.34，表明隨著耕地保護力度加強，生態服務系統對此類轉換敏感性逐漸減弱。農田與荒漠之間轉換的CICS絕對值均小于0.1，生態服務系統對該類轉換較不敏感。

2)森林與其他地類轉換的交叉敏感性。森林和草地之間轉換的CICS絕對值由0.003升至0.49，生態服務系統對此類轉換敏感性增強。森林和水域之間轉換的CICS由0.09增加到0.31，生態服務系統對此類轉換敏感性增強但仍較不敏感。森林和濕地之間轉換的CICS由0.01變化至-0.01，生態服務系統對此類轉換缺乏敏感性，森林和濕地之間的凈變化對ESV的變化由促進轉為抑制作用。森林和建設用地之間轉換的CICS絕對值由2.12降低至0.26，生態服務系統對此類轉換敏感性由較為敏感轉為較不敏感，表明前期建設用地急劇增加占用大量森林，后期森林保護力度增強。森林和荒漠之間轉換的CICS絕對值由0.44升至0.50，生態服務系統對此類轉換敏感性小幅增強，但敏感性仍較弱。

圖4 山東省土地利用變化的生態系統服務交叉敏感性系數Fig.4 Cross-sensitivity coefficient of land use transition in Shandong Province

3)草地與其他地類轉換的交叉敏感性。草地、濕地和水域之間轉換的CICS絕對值均小于0.1，生態服務系統對這些轉換均較不敏感。草地與建設用地之間轉換表現為草地轉向建設用地，CICS由-0.37變化至-0.05，表明草地與建設用地之間轉換對ESV的變化起抑制作用，且生態服務系統對此類轉換敏感性逐漸降低。草地和荒漠之間轉換的CICS絕對值由0.05增加至0.17，生態服務系統對此類轉換敏感性略有提高，但感敏性仍較低。

4)水域與其他地類轉換的交叉敏感性。水域和濕地之間轉換的CICS絕對值由0.07升至0.14，總體來看生態服務系統對此類轉換缺乏敏感性。水域和建設用地之間轉換的CICS絕對值由2.26降至0.56，生態服務系統對此類轉換敏感性減弱但仍較為敏感，表明建設用地擴張占用水域現象較為嚴重。水域和荒漠之間轉換的CICS由-0.34變化至-0.89，生態服務系統對此類轉換敏感性增強，并保持對ESV抑制作用不變。

5)濕地與其他地類轉換的交叉敏感性。濕地與建設用地之間轉換的CICS由-0.35增加為0.55，對ESV的變化起到先抑制后促進的作用；濕地和荒漠之間轉換的CICS由-0.33增加為-0.15；生態服務系統對濕地與建設用地、濕地與荒漠之間轉換均缺乏敏感性。

6)建設用地與其他地類轉換的交叉敏感性。建設用地與荒漠之間轉換的CICS由-0.03增加至0.02，先抑制后促進ESV的增加。

3.4 交叉敏感性分區

為進一步分析山東省各變化類型生態服務敏感性時空分布特征，在所有土地利用變化類型中，選取土地利用變化生態系統服務交叉敏感性較高的類型，并在縣域尺度上分別測算相應交叉敏感性。在此基礎上，借助ArcGIS軟件，采用自然斷點法，將山東省土地利用變化的生態系統服務交叉敏感性劃分為高生態敏感區、中生態敏感區、低生態敏感區和非生態敏感區等4個分區，結果見圖5。

1)農田和森林之間轉換，低生態敏感區所占比例最大，占總面積的52.24%，在魯中南山地丘陵區和魯東丘陵地區集中連片分布。非生態敏感區面積次之，占總面積的37.37%，主要分布在魯西平原區。中生態敏感區分布范圍較小，面積所占比例為9.27%。僅沾化區為高生態敏感區，面積最小，所占比例僅為1.10%。研究期間，山東省出臺多項保護和改善生態環境的政策法規，退耕還林效果顯著，一定程度上扭轉生態環境退化現象，促進了生態環境質量向良好方向發展；

2)農田與水域之間轉換主要為農田轉向水域，非生態敏感區面積最大，占總面積的53.84%。僅沾化區和壽光市為高生態敏感區，分布范圍最小，僅占總面積的2.56%。養殖收入明顯高于種植收入，為尋求更高的經濟利益，大量農田被改建為坑塘和水池等用作養殖，導致農田面積減少、水域面積增加。中、低生態敏感區在空間分布上彼此鄰接，二者共占41.74%，集中分布在魯西平原區；

3)水域與荒漠之間轉換主要為荒漠轉為水域，其中高生態敏感區和中生態敏感區僅分布在濱州市和東營市，分布范圍較小，分別占總面積的4.6%和4.48%。低生態敏感區所占比例為10.87%，在魯西北平原區分布相對較為集中。非生態敏感區分布面積最廣，約為總面積的79.99%，無凈轉換區所占比例最小為0.06%；

圖5 山東省土地利用變化交叉敏感性分區Fig.5 Cross-sensitive zoning for land usechange in Shandong Province

4)水域與建設用地之間轉換主要是由水域轉變為建設用地，非生態敏感區分布較廣，其他類型生態敏感區零星分布。其中，高生態敏感區和中生態敏感區集中分布在黃河三角洲地區，分別占總面積的1.49%和4.13%，低生態敏感區零星分布在北部和東部沿海地區；

5)濕地和建設用地間轉換以非生態敏感區為主，所占比例高達92.82%。中、低生態敏感區零星分布，面積比例分別為1.47%和1.27%；僅沾化縣為高生態敏感區，面積所占比例最低為1.10%。這一方面是由于各地區對濕地資源保護的重視，另一方面是由于建設用地與濕地資源在空間上的分離性；

6)森林與草地之間轉換主要為草地向森林轉型，非生態敏感區分布范圍最廣，分布在魯中南山地丘陵地區和膠東半島丘陵地區之外的大部分地區，占總面積的64.14%。低生態敏感區分布在魯中山地丘陵地區和膠東半島地區，中生態敏感區主要分布在魯中地區，占總面積的7.77%。高生態敏感區面積范圍最小，僅占總面積的0.48%，分布在煙臺市北部。

4 討論與結論

4.1 討論

山東省土地利用變化前期(2009—2015年)平穩，后期(2015—2020年)劇烈。這主要與中國的城鎮化發展有關，過去10年山東省經歷了快速的城鎮化過程，城鎮化率由2009年的48.32%增加至2020年的63.89%，城鎮人口增加了1 639.31 萬人，大量人口涌入城市，城鎮建設用地需求隨之猛增，導致建設用地不斷擴張甚至蔓延，而農田和城鎮在空間上具有緊鄰性，因此城鎮的擴張不可避免的占用部分農田。與此同時，鄉村人口減少，鄉村勞動力主體流失，加上鄉村土地流轉制度不完善，農戶自發的將部分農田轉為森林利用。25 度以上的坡耕地和生態環境敏感地區實施的政策性退耕還林，也是農田與森林之間轉換利用的主要原因之一。另外，近年來隨著“綠水青山就是金山銀山、山水林田湖草是生命共同體”等理念的貫徹落實和深入人心，山東省采取“廢棄礦山復綠”等行動措施，大力開展了國土空間生態修復，進一步促進了森林覆蓋率的提升。值得說明的是，2015—2020年土地利用劇烈變化還與第三次國土調查與之前土地利用變更調查在技術方法等方面的差異有關。

2009—2020年，山東省土地利用變化的生態交叉敏感性較高的分別為農田向森林、農田向水域、水域向荒漠、水域向建設用地、濕地向建設用地的轉換。一方面，研究前期城鎮化進程快速推進，建設用地擴張占用大量農田，經濟發展與生態安全之間矛盾突出；另一方面，研究后期退耕還林還濕等生態建設工程效果顯著，水域、森林面積大量增加，生態系統服務價值明顯增加。綜上可知，建設用地擴張以及退耕還林還濕等政策的變化是土地利用變化下生態交叉敏感性的重要影響因素。因此，山東省應統籌考慮城鄉發展、糧食安全與生態安全，著眼未來，結合“碳達峰、碳中和”等目標，制定符合當前發展階段的土地利用政策，科學劃定城鄉發展邊界、永久基本農田保護紅線、生態保護紅線，施行更嚴格的土地用途管制制度，禁止建設用地隨意擴張占用耕地和生態空間，通過城市更新、低效用地再利用等手段，控制增量、挖潛存量、鼓勵減量、提效流量，合理控制建設用地擴張，提高土地利用效率，加強水域、濕地及森林等生態用地的保護，提升生境質量，提高生態用地之間的連通性，構建良好的生態安全格局，促進生態系統向良性循環方向發展，維持生態系統服務功能的完整與穩定。

受數據所限，本研究僅選取2009年、2015年、2020年山東省3期土地利用數據對土地利用變化及生態系統服務交叉敏感性進行了初步分析，鑒于土地利用轉型的長期性，有必要選取長期連續年份的數據加以精確分析。此外，本研究在縣域尺度上，對評價結果進行了統計分析，將來可嘗試在格網尺度上進行分析，結合生態系統服務功能重要性以及土地利用沖突，構建生態安全格局，優化國土空間，以期為相關實踐提供更加精準的參考。

4.2 結論

本研究主要結論如下：

1)研究期間，山東省土地利用方式、結構和布局相對穩定，農田、森林和建設用地是山東省主要的土地利用方式，農田面積分布最廣。受城鎮化和相關政策的影響，山東省土地利用變化明顯，尤其是農田、森林和建設用地之間的轉換，農田面積減少，森林、建設用地面積增加；

2)2009—2020年，山東省生態服務價值先小幅下降，后大幅度升高，生態環境呈良好發展趨勢。但山東省生態服務價值空間分布區域差異較大，受地形和區位等因素影響，魯中南山地丘陵地區、魯東丘陵地區、黃河三角洲地區的生態服務價值整體較高，西部平原區的生態服務價值較低；

3)山東省土地利用變化的生態系統服務交叉敏感性受城鎮擴張和退耕還林還濕等相關政策的影響較大，2009—2015年，水域、森林、農田向建設用地的轉換均較為敏感；2015—2020年，農田向森林和水域轉換較為敏感。