基于EKC & Lorenz Curve的山东省生态用地时空演变及保护区划研究

安国强

（1.山东省土地调查规划院，山东 济南 250014；2.国土资源部土地利用重点实验室山东科研基地，山东 济南 250014）

1 引言

随着生态文明建设和美丽中国战略的实施，土地生态逐渐成为学者们广泛关注的科学问题。分析区域生态用地的时空演变和分布特点，合理划分生态用地保护区域，可以为科学编制国土空间规划，保护自然资源提供依据。国际上对于生态用地的内涵没有明确和统一的定论[1]，对生态用地整体研究相对较少，而对原生森林[2]、草地[3]、湿地[4]等单一生态用地的研究比较多见。在研究方法上，JESS CRESPO CUARESMA等利用遥感数据建立了环境库兹涅兹（EKC）模型研究了全球玻利维亚—巴西等边界地区森林退化现状[5]，YUANYUAN YANG等采用洛伦兹曲线（Lorenz Curve）/基尼系数（Gini）方法研究了土地利用的演变历史[6]。可见EKC和Lorenz Curve/Gini是研究生态用地或土地覆被变化较为科学的定量分析方法。近年来，土地生态成为中国土地资源学研究的核心内容[7]，对于生态用地研究的国内文献也显著增加。在基础理论上，学者们对生态用地的概念[1，8]、分类[9-10]、生态服务[11]等的研究为土地生态学的进一步发展奠定了基础；在研究内容上，对于全国[1]及区域[12-14]生态用地格局、生态用地规划[15]的研究也普遍增多，2017年主要集中在土地生态安全和土地利用生态效应两方面[16]，但综合研究生态用地动态变化的文献相对较少。研究方法则以定量分析[17]、关联分析[18]、碳氧平衡法[19]、生态服务价值[20-21]较为广泛，而采用定量的方法研究生态用地时空演变和分布特点的文献尚不多见。本文以山东省为例，采用EKC和Lorenz Curve/Gini对区域生态用地的时空演变及分布特点进行了定量分析，初步划分了全省生态用地保护区域，提出了差别化的生态用地保护和利用对策。

2 资料来源与研究方法

2.1 研究区概况

山东省位于中国东部沿海，黄河下游，土地总面积15.8×104km2，是全国人口、经济大省。全省地势以泰鲁山地为中心，向四周逐渐降低，总体可分为鲁中南山地、半岛丘陵和鲁西北平原区三大地貌单元。全省属于典型的温带大陆性季风气候，从沿海到内陆非地带性气候差异显著。年均气温从沿海的11 ℃逐渐升高到内陆的14 ℃，年均降水量由鲁东、鲁南900 mm减少到鲁西、鲁北600 mm。复杂多样的地形地貌和气候特征，为多样化的生态系统提供了天然的优势条件。森林生态系统[22-23]包括山区、沿海、平原三种类型，以针叶落叶阔叶混交林为主，主要分布于山地丘陵区。湿地生态系统包括海岸、河口湾、河流、湖泊、沼泽等五大类型，以鲁西北平原湖区、黄河三角洲及莱州湾湿地以及鲁东与鲁东南滨海湿地[24-26]分布居多。

2.2 数据来源

（1）1996—2016年山东省土地利用现状调查数据及年度变更数据。其中土地利用现状调查数据包括1996年第一次土地调查数据、2005年更新调查数据和2009年第二次土地调查数据，其他年份数据采用历年变更调查汇总成果数据。选择有代表性的1996、2001、2006、2011和2016年作为生态用地演变的典型年份。

（2）土地利用空间数据。采用2016年土地利用现状数据库作为生态用地空间数据基础，以县级行政辖区作为基本单元，分析全省生态用地分布特征。

（3）社会经济数据。社会经济数据作为辅助数据，用以研究山东省近20年来经济社会发展对生态用地演变的影响。

2.3 研究方法

采用EKC模拟生态用地总量的演变趋势，采用Lorenz Curve/Gini研究生态用地的分布及其变化情况，在充分分析生态用地时空演变特点及其原因的基础上，以生态用地标准化指数为主要依据划分不同生态用地保护区（图1）。

图1 生态用地时空演变及区划研究思路示意图Fig.1 The research framework of temporal and spatial evolution in ecological land

2.3.1 生态用地分类

综合龙花楼等[27]、王静等[28]以及其他学者对生态用地的概念和分类的研究结果，按照土地生态功能，全省土地利用类型可分为原生生态用地、人工生态用地与非生态用地。其中原生生态用地的时空演变特征能够准确反映全省土地生态状况，是本文的研究重点，文中 “生态用地”一词，在无特殊说明情况下一般是指原生生态用地。

2.3.2 生态用地消耗EKC模型

根据EKC曲线，随着经济发展，环境先是恶化，而后得到改善。许多国家的实践证明，经济增长与环境质量之间存在这种倒U型关系。本文建立了生态用地消耗的EKC模型（图2）。

图2 生态用地消耗的EKC模型Fig.2 EKC model for ecological land consumption

理论上生态用地消耗呈先增长后减少的倒U型曲线。在前期阶段，生态用地消耗速度呈现平稳—加速—减缓的趋势。采用生态用地消耗指数（EK）作为衡量指标，计算公式如下：

式

（1）中：EKi为第i年生态用地消耗指数（%），由本年年末生态用地面积（Elandi）和初始年份的生态用地面积Eland0决定，是从初始年份开始的累积减少百分比。连续多年的生态用地消耗指数，可以反映区域内生态用地的演变过程和演变速度。

2.3.3 生态用地分布洛伦兹曲线与基尼系数

洛伦兹曲线与基尼系数[29]被广泛应用于收入、消费、财富等分配的均衡程度[30]。本文通过绘制生态用地分布洛伦兹曲线，求算生态用地分布基尼系数，研究区域内生态用地空间分布及演变规律。具体方法如下：

（1）绘制生态用地分布洛伦兹曲线。根据生态用地面积标准化值计算各单元Y值：

式（2）中：Lcij为第i年度、第j单元的洛伦兹指数，由单元内生态用地面积（Elandij）和第i年度区域内所有单元内生态用地最大值（Elandimax）和最小值（Elandimin）决定。对区域内所有单元按照Lci值由小到大的顺序排列，并把单元总数转化为百分比，可以得到第i年度洛伦兹曲线。其中横坐标X值计算公式为：

式（3）中：Uj为单元格总个数；j为单元格序号。由于研究时间跨度较长，受行政辖区调整的影响，Uj随县级行政辖区的个数变化而变化，生态用地分布洛伦兹曲线如图3所示。

（2）生态用地分布基尼系数。图3中，对角线OQ为绝对平衡分布曲线，由式（2）可知，其含义是生态用地在各个单元分布的面积均衡，生态面积标准化值沿正方形对角线方向增长。Le为生态用地分布曲线，按照生态用地面积标准化值由小到大顺序累计，反映了生态用地的分布情况。基尼系数（Geland）计算公式如下：

式（4）中：Gelandi为第i年度生态用地分布的基尼系数，面积Ai计算公式为：

2.3.4 生态用地比重标准化指数

为科学反映各单元生态用地分布情况，需求算单元内生态用地绝对分布比重（Epa）和相对分布比重（Epb）。其中Epa是指单元内生态用地面积占全区域生态用地面积比重，衡量单元内生态用地总量与其他单元对比情况，计算公式为：

Epb是指单元生态用地面积占单元土地总面积（Land）比重，反映单元内生态用地分布情况，计算公式为：

分别对Epa与Epb进行标准化，利用ArcGIS字段计算功能对标准化结果逐单元求和，对计算结果再次标准化获得生态用地比重标准化指数（Ieland），其中标准化公式参见式（2）。

生态用地比重标准化指数可以兼顾研究区内各单元中生态用地的绝对量和相对量，能够反映生态用地分布的面积总量和集中程度。

图3 生态用地分布洛伦兹曲线图Fig.3 Lorenz curve for ecological land use distribution

3 结果分析

3.1 生态用地总量演变特征

图4表明，近20年来，山东省各类生态用地有着不同的增减变化趋势，而生态用地总量表现为持续减少的特征，其减少速度变化的阶段性特征明显，如图4（a）所示。数据表明，以1996年全省生态用地为基数（100%），到2001、2006、2011、2016年分别减少了3.30%、7.79%、12.17%和14.88%。其中1996—2001年，生态用地减少趋势平稳，年均减少量为0.54%。2001—2011年间，生态用地面积减少的速度有所加快，年均减少量为0.81%。2012—2016年，生态用地总面积减少速度趋于平缓，年均减少量为0.43%。

选择全省面积较大、分布较广、有代表性的天然有林地、天然草地、水域、滩涂、盐碱地分析全省生态用地变化趋势，如图4（b）所示。其中天然有林地和水域减少趋势相对和缓，20年内分别减少了2.83%和1.93%，裸地、天然草地、盐碱地、滩涂面积减少迅速，分别减少了43.92%、31.17%、30.11%和21.36%。各类生态用地消耗曲线同样表现出了明显的阶段性特点：2001年以前，除盐碱地外，其它各类生态用地减少速度相对平缓，2001—2011年，除水域、天然有林地之外，各类生态用地迅速减少，2011年以后，除盐碱地外，各类生态用地的消耗速度明显下降。近20年以来，受未利用地开发活动的影响，其他天然草地、盐碱地、滩涂和裸地减少的速度最快。

1996—2001年，全省建设用地扩张相对较慢，耕地占补平衡压力相对较小，未利用地开发的工程项目相对较少，生态用地尚未受到较大规模人类活动的干预。2001—2011年，全省城镇化、工业化快速发展，城镇建设用地迅速扩张，耕地占补平衡压力逐步增大，各地积极开发未利用土地以补充耕地。部分地区已经出现土地开发和土地整理难以满足建设用地扩张的需求，被迫实行“异地补充耕地”和“异地基本农田代保”的政策。2011—2016年间，山东省生态用地总量减少速度放缓的原因主要有：第一，山东省耕地后备资源严重不足，仅2003—2015年，耕地后备资源总面积减少了30.81万hm2，其中天然草地、盐碱地、滩涂等生态用地是减少最明显的土地利用类型[31]。第二，山东省城镇扩张的速度有着明显的放缓趋势，1990—2000年、2000—2005年、2005—2010年、2010—2014年4个阶段的扩张速度分别为11.17%、11.89%、6.01%和2.42%[32]，耕地占补平衡总量随之降低。第三，部分地区实行“增减挂钩的政策”，土地资源利用模式逐步由“外延的扩张”转型为“内涵的挖潜”[33]。

图4 山东省1996ü2016年生态用地消耗趋势图Fig.4 Trends of ecological land consumption in Shandong Province in 1996-2016 years

3.2 生态用地分布演变特征

选择典型年份洛伦兹曲线及20年来全省生态用地分布基尼系数研判生态用地分布演变规律。图5表明，典型年份洛伦兹曲线随着时间的推进而趋于平缓，A区域面积逐渐缩小。图6 表明，1996—2016年，全省生态用地分布基尼系数虽然波动较大，但是下降趋势明显，由1996年的0.523逐渐降低到了2016年的0.480。

山东省生态用地分布有着明显的三个特点，如图7所示：（1）生态用地连片分布于鲁中南山地区、黄河三角洲地区和半岛丘陵区，另外在青岛市的崂山区、黄岛区，枣庄市的山亭区，济宁市的微山县分布相对集中。（2）近20年来，全省各地生态用地比重逐步下降。1996年，全省生态用地面积比重为20.04%，2001年、2006年、2011年、2016年分别下降到19.38%、18.47%、17.51%和16.97%。（3）全省生态用地比重较低的区域逐步扩大，比重较高的区域逐渐缩小。生态用地比重低于10%的县级单元由48个增加到了55个，比重高于30%的县级单元由27个减少到20个，其中2001—2011年生态用地变化趋势尤为明显。

生态用地分布特征受自然地理因素和人类活动因素影响比较明显。山东省地势复杂，耕作历史悠久，生态用地在全省分布本身就表现出了不平衡的特征。近20年来，全省生态用地分布特征随着土地开发活动的不断深入而有所变化。集中分布于鲁中南山地区、黄河三角洲地区、半岛丘陵区的生态用地，包括天然草地、盐碱地、滩涂等被大规模开发为耕地，具有主导生态功能的土地利用类型不断减少，区域特色逐渐消失，因此生态用地分布基尼系数逐年下降。2001—2010年，生态用地分布基尼系数迅速下降，表明了这一时期土地开发活动明显地影响了全省生态用地分布情况。

3.3 生态用地保护区划

生态用地绝对分布比重（Epa）最大值为微山县的4.03%，最小值为青岛市市北区的0.01%，面积较大的平度市、沂水县绝对分布比重分别为1.32%和1.82%，但是相对分布比重分别为12.09%和22.01%；生态用地相对分布比重（Epb）最大值为长岛县的68.72%，最小值为冠县的3.92%，然而两个县的生态用地总量比较相近，分别为4 071.53 hm2、4 557.17 hm2。可见，两种比重指数都难以单独反映生态用地的分布特点，而生态用地比重标准化指数（Ieland）兼顾两者特点，可以作为保护区划的依据。

图5 典型年份生态用地分布洛伦兹曲线Fig.5 Lorenz curve of ecological land distribution in typical years

图6 1996ü2016年生态用地分布基尼系数趋势图Fig.6 Evolution trend of Gini coef fi cient during the period of 1996-2016

图7 山东省典型年份生态用地分布图Fig.7 Distribution map of ecological land in typical years in Shandong Province

根据生态用地比重标准化指数，采用自然裂点法和聚类分析法[34]，把全省划分为重点保护区、中等保护区和一般保护区三个生态用地保护类型区域，如图8所示。

（1）重点保护区。主要分布于鲁中南山地区、黄河三角洲地区、半岛丘陵区以及青岛沿海区和微山湖区。①鲁中南山地区主要包括泰安市的岱岳区、泰山区，莱芜市全部，淄博的淄川区、博山区、沂源县，潍坊的临朐县。本区地形复杂，相对高差变化较大，生物种类繁多，植被有着明显的垂直分带特点。本区主要的生态用地以林地、灌木、草地为主，水体则以河流、湖泊等为主。本区应该加大对自然林地、灌木的保护力度，严格控制土地开发、整理活动对生态用地的破坏。今后应该结合区域特色优势，建设自然保护区；发展生态景观、人文景观等旅游产业；农业生产应该因地制宜，培育地方特色农产品。②黄河三角洲地区主要分布在东营市，地势平坦，特色鲜明，有着“中国最年轻大陆”的称号。主要生态用地以盐碱地、滩涂、水域和自然林地为主，其中盐碱地占全省盐碱地总面积的69.16%，滩涂占全省滩涂总面积的38.40%。数据显示，因建设占用和土地开发活动影响，本区是20年来生态用地减少最快的区域[35]。本区域应该加大对具有主导功能的生态用地保护力度，禁止对盐碱地、滩涂的无序开发利用。今后发展方向应该结合黄河三角洲高效生态经济区建设战略，由土地资源的大规模开发向生态文明建设转型。③青岛沿海区主要包括青岛市的崂山区和黄岛区。本区主要受地形影响，形成沿海较为独特的生态用地集中分布区，主要生态用地为天然林地、草地和滩涂。区域发展既要依靠城市的辐射优势，把生态资源与旅游观光、特色农业有机结合，又要避免城市扩张对生态用地的破坏。④微山湖区主要分布于济宁市微山县境内，生态用地以南四湖湿地为主。本区应该把水污染防治和生态用地保护结合起来，同时严格控制湖泊围垦对生态环境的破坏。

（2）中等保护区。属于重点保护区向一般保护区的过渡地带，主要分布在黄河三角洲、鲁中南山地和半岛丘陵区的周边地区，呈环状围绕重点保护区分布。这类区域地形一般以低丘缓坡为主，生态用地比重相对较高，是近几年土地开发整理补充耕地的主要区域。土地开发主要以荒草地为主，土地整理则以田坎为主。区内生态用地以天然林地、草地以及滨州市的盐碱地为主，生态用地面积减少的趋势比较明显。本区应该规范和控制土地开发整理活动，防治水体污染。

（3）一般保护区。一般保护区主要连片分布于鲁西北平原区及向东延伸的济青沿线、鲁西南平原区和临郯苍枣南平原区。本区地形较为单一，以平原为主，因农业耕作历史悠久，区内生态用地面积比重相对较低，以水域、零星林地、草地为主。今后应该对仅有的生态用地加以保护，可以适当增加人工林地、水域的比重，培育区域生态养护中心，构建保护国土资源的绿色屏障；同时加强对水体、土壤的污染防治和生态修复，提高土地资源的节约集约利用水平，提高生态用地的比重。

图8 山东省生态用地保护区划图Fig.8 Zoning map of ecological land protection in Shandong Province

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）数据表明，山东省生态用地总面积逐年减少，比重逐年降低，城镇化和农业开发对生态用地消耗的速度呈现了明显的库兹涅兹曲线前期阶段特征：由平稳消耗（1996—2000年）过渡到快速消耗（2001—2011年）再过渡到消耗渐缓（2011—2016年），根据环境库兹涅兹曲线倒U型曲线理论，随着生态文明建设和美丽中国战略的实施，通过土地整治和生态修复，全省生态用地有望出现由减少到增加的拐点。

（2）洛伦兹曲线和基尼系数较为准确地反映了全省生态用地分布特点和演变特征。一方面，受自然和社会因素的影响，山东省生态用地的分布不均衡特点较为明显，集中分布于黄河三角洲、鲁中南山地、半岛丘陵等地区。近20年来，山东省生态用地分布的基尼系数逐渐降低，说明全省生态用地分布逐渐趋于均衡，生态用地集中分布区的区域特色正在消失。

（3）根据全省生态用地时空演变特征和生态用地分布现状，本文把全省划分为重点保护区、中等保护区和一般保护区，初步提出不同保护区生态用地保护和利用策略，可以为制订差别化的区域生态文明发展战略提供参考。

4.2 讨论

（1）本文的研究对象限定在山东省原生生态用地，未对人工、半人工生态用地展开讨论，主要基于两个方面的考虑。一方面，学者们对于耕地、园地等是否可以归类为生态用地有不同的观点，而对原生生态用地的看法则较为一致。另一方面，近20年来，原生生态用地受到人类活动的影响比较深刻，变化特点较为明显，能够相对准确的反映出山东省生态用地的演变特点和分布现状。

（2）研究结果表明，受建设用地扩张及耕地占补平衡政策的影响，人类活动对土地的改造和利用范围越来越大，程度越来越深，不合理的开发与建设导致自然生态空间功能破坏、系统退化现象突出[36]。随经济社会的发展，生态用地的保护和科学利用成为自然资源管理和利用的重要问题。政策上，应当借鉴西方“生态补偿”“生态优先”“边界间隔”等生态保护理念[37]，建立健全生态用地的利用和保护法律法规，明确责任主体。技术上，应加大生态用地的保护和修复技术、土地整治技术的相关研究。管理上，应当针对区域生态用地现状和变化特点，实行差别化的管理政策，制定科学的空间规划，实施严格的国土资源用途管制。

（3）近年来，环境库兹涅兹曲线和基尼系数库兹涅兹越来越广泛地应用于土地领域的科学研究，本文探讨了构建生态用地的环境库兹涅兹曲线模型和计算基尼系数的方法，而揭示生态用地客观规律的科学方法尚需进一步研究，以便更科学地为生态用地保护提供依据。

（4）生态用地作为一种有限的环境资源，其总量随着建设用地扩张和土地开发利用而不断减少，随着人们的生态保护意识的提高和土地生态修复活动的推进而增加。本文分析了山东省生态用地保护和利用的紧迫形式，以期引起学者们的关注和讨论。