黃河三角洲土地利用與生態系統服務演變特征及耦合關系分析

摘要為探究土地利用變化背景下黃河三角洲生態系統服務的響應，采用遙感與地理信息技術，量化土地利用動態度、土地利用強度以及生態系統服務價值，分析了1985—2019年該地區土地利用及生態系統服務價值的時空演變特征，并基于耦合協調模型計算其土地利用強度與生態系統服務價值的耦合關系。結果表明，（1）1985—2019年研究區建設用地和水體面積呈增加趨勢，裸地、草地和耕地面積呈減少趨勢，其中耕地整體動態度數值較小，年際變化小，水體的動態度數值較大，年際變化大；土地利用強度表現為由沿海向內陸逐漸增加的空間分布特征。（2）研究區東南部海岸黃河入海口區域草地面積減少，生態系統服務價值呈減弱趨勢；西北部海岸受水體面積增加的影響，其生態系統服務價值呈上升趨勢；內陸由于建設用地面積的增加，生態系統服務價值相對較低。（3）1985—2019年研究區生態系統服務價值與土地利用強度間的耦合協調性總體呈上升趨勢，新增高協調發展區域位于研究區內陸與海岸的過渡區域，適度發展不平衡區主要分布于沿海。研究為研究區的高質量發展和資源環境監測提供了參考。

關鍵詞黃河三角洲；土地利用；生態系統服務；耦合協調

中圖分類號X171.1；TP79文獻標識碼A文章編號1007-7731（2024）18-0054-08

DOI號10.16377/j.cnki.issn.1007-7731.2024.18.012

Evolution characteristics and coupling relationship between land use and ecosystem services in the Yellow River Delta

XUE ShuqiXU Ying

（School of Civil Engineering， Shandong Jiaotong University， Jinan 250000， China）

Abstract In order to explore the response of ecosystem services in the Yellow River Delta under the background of land use change， remote sensing and geographic information technology were used to quantify land use dynamic attitude， land use intensity and ecosystem service value， and the spatio-temporal evolution characteristics of land use and ecosystem service value were analyzed in the research area from 1985 to 2019. The coupling relationship between land use intensity and ecosystem service value was analyzed based on the coupling coordination model. The results showed that， （1） From 1985 to 2019， the area of construction land and water body in the research area showed an increasing trend， while the area of bare land， grassland and cultivated land showed a decreasing trend. The dynamic attitude value of cultivated land was small and the inter-annual change was small， while the dynamic attitude value of water body was large and the inter-annual change was large. The land use intensity in the research area was characterized by the increase of spatial characteristics from coastal to inland. （2） In the southeast coast the grassland area decreased and the ecosystem service showed an weakentrend; in the northwest coast， affected by the increase of water area， the ecosystem service value showed an upward trend. In the inland part of the delta， the ecosystem service value was relatively low due to the increase of construction land area. （3） The coupling coordination between ecosystem service value and land use intensity in the research area showed an increasing trend from 1985 to 2019， the newly added areas of high coordinated development were mainly located in the transition area from inland delta to the coast， and moderate unbalanced development were mainly distributed in the coastal areas. The research provided a reference for high-quality development and resource and environment monitoring in the Yellow River Delta.

Keywords Yellow River Delta; land use; ecosystem services; coupling coordination

隨著社會經濟迅速發展并取得巨大進展^[1-2]，人們對物質、環境等方面的需求不斷增加^[3]。生態系統在為人類社會提供食物、原材料和其他生態系統產品，以及氣候調節和水土保持等生態系統服務的同時^[4]，承受著社會經濟發展帶來的巨大壓力。生態系統服務價值評估可以為區域可持續發展提供科學參考。通過評估生態系統產品和服務價值，定量核算其價值，可以加強對生態系統服務的了解，幫助了解生態系統對人類的貢獻以及人類社會從生態系統中獲得的利益^[5]。

土地利用/覆蓋變化（Land use and land cover change，LUCC）對生態系統服務的供給潛力有較大影響^[6-7]。因此，研究土地利用變化的歷史和未來變化軌跡及其對生態系統服務的影響，有利于對土地開發利用與保護做出科學決策，實現區域可持續發展。關于土地利用變化及其對生態系統服務影響的研究，主要集中在評估不同的土地利用類型在生態系統服務供給中的作用^[8-9]，通過整合自然和經濟因素，分析識別以往影響生態系統服務供給的驅動因素及機制^[10]，或預測未來不同土地開發利用策略下土地利用變化引起的生態系統服務的演變趨勢^[11-12]。這些研究有助于了解生態系統服務的時間、空間異質性特征及其未來發展趨勢，但其結果在預測和緩解未來問題方面指導性有待進一步增強。

本研究以黃河三角洲為研究區，以5年為時間間隔計算其土地利用面積變化、土地利用動態度以及土地開發利用強度，分析1985—2019年該區域土地利用變化的時空特征；進而計算其生態系統服務價值，分析土地利用變化背景下生態系統服務價值的響應變化特征；利用土地利用強度與生態系統服務價值構建耦合協調模型，分析其土地利用強度與生態系統服務協調程度的演變，為促進該區域的高質量發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區基本情況

研究區位于黃河入海口地帶，地處中緯度，37°40′～38°10′ N，118°41′～119°16′ E，靠陸朝海，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區。四季溫差較為明顯，年最高氣溫41.9 ℃，年最低氣溫-23.3 ℃，年平均氣溫11.7～12.6 ℃。土壤質地以輕壤土居多，新淤地較肥沃，新淤地淡質土層之下為老鹽土和高礦化度的潛水，開采不當容易引起土壤的鹽漬化。內陸地區土壤以鹽堿地居多，沿岸淤地較為肥沃，水資源豐富，是重要的候鳥棲息地之一，具有生物多樣性保護價值，也蘊含巨大的生態服務價值。

1.2 數據來源

本研究遙感數據來源于中國地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn），為1985、1995、2000、2005、2010、2015和2019年共7個時間段的Landsat影像。按照現有的土地利用分類標準以及土地利用特點，將研究區土地利用類型主要劃分為耕地、草地、裸地、水體和建設用地5種。利用ENV I5.6軟件對Landsat遙感數據進行FLAASH大氣校正，通過監督分類得到各年份土地利用空間數據。生態系統服務價值換算涉及的社會經濟統計數據來源于當地統計年鑒。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用動態變化及利用強度量化分析

（1）土地利用動態度評價。土地利用動態度能夠量化某一土地利用類型的變化速率，可定量描述區域土地利用變化的速度，計算方法如式（1）。

式（1）中，K為ca6a4cfb78ea7b62da51b5e33286e128研究期內某種土地利用類型的動態度結果；Ua與Ub分別表示研究初期和末期某種土地利用類型的面積，hm²；為研究時段長度。

（2）土地利用強度評估。將土地利用強度定義為陸地生態系統經歷由人類主導活動的影響強度。采用的土地利用強度計算公式參考文獻[13]。該公式基于不同土地利用類型的面積以及單位面積土地使用能源和材料數量進行計算，已被證實是一種用于評估人類沿著連續梯度的累積效應的有效衡量指標。計算公式為每種土地利用類別的面積加權，如式（2）所示。

式（2）中，LUI為土地利用強度，LUi為不同土地利用類型的面積占比，LDIi為不同土地利用類型的利用強度系數（表1），該系數為歸一化能值（范圍在1.0～10.0），是一種能源和材料直接或間接用于制造產品或服務的衡量標準，系數越大，說明人為干擾的程度越大。

1.3.2 生態系統服務價值估算及標準化處理 根據研究區實際修正生態系統服務價值的數值，利用統計年鑒數據計算2019年該區域單位面積糧食生產（小麥、水稻、玉米、小米、高粱、大豆和土豆）的年經濟價值（1 605.83元/hm²），并以此作為研究區生態系統服務的單位經濟價值。利用謝高地等^[14]提出的“中國土地生態系統單位面積服務價值等值表”，估算研究區1985—2019年生態系統服務價值量。具體計算如式（3）～（4）。

式（3）～（4）中，ESV為生態系統服務價值，元；為土地利用類型；為生態系統服務類型；Ai為第類土地利用類型的面積，hm²；VCi為第類土地利用類型單位面積的生態系統服務價值，元/hm²；ECj為某類土地利用類型第項生態系統服務價值當量（表2）；為生態系統服務類型數量；Ea為單位生態系統服務的經濟價值。

為統一比較，采用極差標準化法對數據進行消除量綱處理。標準化后，生態系統服務價值的取值范圍均在0～1。使用ArcGIS的創建漁網工具，設置每個網格的尺度3.5 km×3.5 km，通過計算獲得每個網格中土地的生態系統服務價值總和，使用極差標準化法計算出每個格子對應的歸一化值，將歸一化值的等級按照表3順序分為5個等級。

1.4 耦合協調性分析

耦合概念源于物理學，意為兩個或兩個以上的系統通過相互的作用而互相影響，耦合協調度表示系統之間的相互作用程度^[15]。為更好地反映土地利用綜合集約度和生態系統服務價值，通過式（5）計算。

式（5）中，為耦合協調度（0≤≤1）；表示耦合度（0≤≤1）；表示土地綜合利用強度與土地利用強度之間的影響水平；為標準化的土地綜合利用強度（0≤≤1）；為標準化生態系統服務價值。將土地耦合協調性分成6個等級，判別標準如表4所示。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化及動態度分析

基于土地利用數據，統計1985—2019年研究區土地利用面積變化及動態度，如表5所示。從面積變化來看，1985—2019年該區域耕地、草地和裸地面積減少，水域和建設用地面積增加。從年際變化趨勢來看，除建設用地一直呈增加趨勢外，其他各類土地利用類型面積年際變化均呈現一定的波動特征，其中耕地、草地面積整體呈減少趨勢，某一年際時段內面積增加，波動較小；裸地和水體面積變化年際波動較大，且均于1995—2000和2015—2019年兩個時段出現波動，其中裸地在面積整體減少的背景下，面積呈現減少—增加—減少—增加的變化特征；水體面積呈現增加—減少—增加—減少的變化趨勢。

土地利用動態度變化趨勢與土地利用面積變化基本一致。此外由動態度結果可知，不同土地利用類型變化速率的差異，耕地整體動態度數值較小，年際變化小；水體的動態度數值較大，年際變化大；其他土地利用類型的動態度數值居中，年際變化中偶有年份變異較大。

由1985—2019年研究區土地利用分布（圖1）可知，內陸主要以耕地和建設用地為主，沿海地區主要為水域、裸地，草地集中分布于黃河入海口附近。研究區內陸地區的土地利用變化主要表現為建設用地面積增加。此外，值得注意1995—2000年耕地的面積有所增加，黃河入海口處發育有廣闊的沖積平原，沖積平原形成后首先形成裸地，隨后被開發利用為耕地。沿海地區土地利用變化主要表現為水域面積擴大，裸地面積減小，且西北部海岸新增水域面積大于東南部海岸，結合實地調查發現，水體面積的增加與沿岸海水養殖面積擴大有關。此外，集中分布于東北部海岸黃河入海口區域的草地面積減少，部分草地逐漸轉變為裸地和耕地。

2.2 土地利用強度演變分析

基于土地利用數據計算得到網格尺度上土地利用強度，由圖2可知，研究區由沿海向內陸土地利用強度逐漸增加。內陸地區除黃河開發強度較低外，整體開發強度較高；研究區外圍沿海地區的開發強度整體較低，且低強度區域集中分布于西北部海岸和東南部海岸，這些區域的土地利用類型以裸地和水域為主，而東北部海岸耕地分布廣泛，故土地利用強度較高。1985—2019年研究區土地利用強度發生變化的區域主要位于沿海地區，表現為西北部海岸土地利用強度降低，東北部海岸土地利用強度增加。

2.3 生態系統服務價值變化分析

基于土地利用數據換算生態系統服務價值，進而統計1985—2019年研究區生態系統服務價值年際變化。由表6可知，該時段研究區生態系統服務價值總體呈增加趨勢，服務價值由1985年的247.55億元增加為341.88億元，增長了38.11%。從生態系統服務類型來看，供給服務和調節服務價值增加，其中調節服務增加比例最大（55.89%），供給服務價值增加比例較小（25.19%）；支持服務和文化服務降低，且從數值來看服務價值減少較小。此外，從年際變化特征來看，生態系統服務價值變化呈現波動性變化特征，總生態系統服務價值表現為增加—減少—增加—減少的波動特征。不同生態系統服務類型中，供給和調節服務年際變化波動較大，與總服務價值波動特征一致，支持服務和文化服務波動較小，呈減少—增加變化特征。

由圖3可知，研究區生態系統服務價值內陸低、沿海高，呈現由內陸向沿海逐漸增加的空間分布特征。從時間演變來看，沿海地區生態系統服務價值增加，內陸地區基本保持不變。分區域來看，研究區西北部海岸的生態系統服務價值增加明顯，1985—2019年由中等服務價值轉變為高生態系統服務價值。1985—2019年部分區域由低生態系統服務轉變為較高和高生態系統服務價值；東南部海岸大部分為較高等級服務價值；部分區域由高生態系統服務轉變為較高生態系統服務價值。內陸地區除黃河生態系統服務價值稍高外，生態系統服務價值均較低，且1985—2019年服務等級變化不大。

2.4 耦合協調性分析

根據土地利用強度與生態服務價值進行歸一化處理后計算得出耦合協調性（圖4），1985—2019年研究區生態系統服務價值與土地利用強度間的耦合協調性總體呈上升趨勢。1985—2000年以溫和協調發展和勉強協調發展為主，自2000年以來，高協調發展增多，至2019年轉變為以溫和協調發展和高協調發展為主。分區域來看，黃河及周邊區域一直表現為高協調發展，新增高協調發展區域主要位于研究區內陸向海岸過渡區域。另外，東南部海岸的耦合協調性有所改善，表現為由適度發展不平衡向輕微發展不協調轉變的特征。

3 結論與討論

本文以5年為時間間隔，揭示研究區土地利用與生態系統服務動態演變特征，結果表明，1985—2019年研究區土地利用變化與生態系統服務演變呈現較強的時空異質性。時間尺度上，土地利用變化及生態系統服務演變過程復雜、頻繁，波動特征明顯。空間分布上，研究區內陸地區以耕地和建設用地為主，整體土地利用強度大，土地利用變化過程表現為建設用地面積增加，生態系統服務價值相對較低；沿海地區土地利用類型以水體、裸地和草地等自然景觀為主，土地利用強度較低，土地利用變化特征表現為水體面積增加，裸地和草地面積減少，其中西北部海岸水域面積增加明顯，生態系統服務價值明顯提升。結合土地利用變化分析，研究區耕地生態系統服務價值降低，水體生態系統服務價值增加，這與Wang等^[3]和Zhang等^[16]在黃河三角洲區域開展的生態系統服務演變研究結果基本一致。Zhang等^[16]研究指出，隨著該地區沿海水產養殖業的不斷發展，越來越多的沿海灘涂被開發利用，未來該區域內的水域面積還會不斷增加。此外，區域內草地具有水土保持、降塵減塵以及生物多樣性維護等多種重要生態功能，草地開發為耕地會導致影響生態系統功能^[17]。因此，從自然資源保護與生態系統服務持續提升的角度出發，需要特別關注區域內未利用土地的合理開發、灘涂陸海生態連通性的提升和高效生態種養模式的應用推廣^[18]。

1985—2019年研究區土地利用強度與生態系統服務價值耦合協調程度從以溫和協調發展和勉強協調發展為主轉變為以溫和協調發展和高協調發展為主，表明研究區土地資源開發利用與生態環境供給的關系更加協調向好。類似的研究結果也出現在黃河三角洲城市化與生態系統服務價值耦合協調關系研究中。盧辭等^[19]研究發現，2000年以來黃河三角洲城市化與生態系統服務價值耦合協調度呈上升趨勢，且沿海地區耦合協調指數增幅較大。土地利用變化和土地利用強度變化較明顯的區域，生態系統服務價值演變較劇烈的區域，以及耦合協調性轉變明顯的區域，均位于研究區沿海地區以及沿海向內陸的過渡地帶。這些區域受自然條件和人為因素影響，環境較敏感，穩定性有待進一步提高，需要高度重視該區域資源開發利用與環境保護之間的關系^[20]。此外，研究區內陸地區的黃河沿岸作為生態系統服務的熱點區域之一，其環境保護問題同樣需要特別關注。

在土地利用變化背景下，土地利用強度與生態系統服務價值的耦合協調程度可以反映區域土地資源開發與區域資源環境供給的關系。土地利用變化時，土地利用強度及生態系統服務供給均會做出響應，同時土地資源開發與區域資源環境供給的關系也會發生轉變。生態環境保護成為高質量發展的主要任務之一，為此，有必要協調資源開發與資源環境的關系，增加土地利用與生態系統服務供給的耦合協調程度，實現區域可持續發展。

本文分析了1985—2019年研究區土地利用變化背景下，土地利用強度、生態系統服務價值的時空變化特征，計算兩者的耦合協調性，主要研究結論如下。

（1）1985—2019年研究區土地利用變化較劇烈，表現為建設用地和水體面積增加，裸地、草地和耕地的面積呈減少趨勢，其中耕地整體動態度數值較小，年際變化小，水體的動態度數值較大，年際變化大。該區域土地利用強度表現為由沿海向內陸逐漸增加的分布特征。

（2）研究區土地利用變化明顯影響其生態系統服務時空分異，表現為內陸地區以耕地和建設用地為主，1985—2019年土地利用變化表現為建設用地面積擴張，生態系統服務價值相對較低；沿海地區土地利用類型主要為水體、裸地和草地，1985—2019年土地利用變化特征為水體面積擴大，裸地和草地面積減少，其中研究區西北部海岸水域面積增加明顯，生態系統服務價值明顯提升，東南部海岸黃河入海口區域草地面積減少。

（3）1985—2019年研究區生態系統服務價值與土地利用強度間的耦合協調性總體呈上升趨勢。黃河及周邊區域一直表現為高協調發展，新增高協調發展區域主要位于研究區內陸向海岸過渡的區域。

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（責任編輯：何艷）