山东省生态用地时空演变格局及其影响因素

张文慧,蔡利平,吕 晓

(1.曲阜师范大学 地理与旅游学院,山东 日照276826;2.国土资源部海岸带开发与保护重点实验室,江苏 南京 210024)

随着我国工业化、城镇化进程的加速推进和经济的高速发展,人口增长速度过快、资源储备迅速减少、生态环境不断被破坏等现象成为发展中不容忽视的严峻问题[1]。工业化和城镇化对一定地区的生态系统造成影响往往是不可逆转的,区域空间差异与人类生产活动和社会经济建设等的空间地域特点一起,共同决定了一个区域生态用地的时空演变方向[2,3]。山东省作为我国工业化、城镇化高速发展的典型代表,兼具较好的农业基础和优良的环境质量,但建设用地大规模无序扩展对原有的自然和生态空间造成了巨大威胁,导致土地退化、水资源短缺、环境污染严重等问题越来越严重[4,5]。

通过“三生空间”划定与格局优化,是推动区域协调可持续发展成为生态文明建设的重要路径。从土地利用视角,科学界定并评价生态空间成为值得关注的科学问题。“生态用地”一词首次被提出是在2000年我国发布的《全国生态环境保护纲要》,之后越来越多的学者出于不同的目的,开始了对生态用地的潜心研究[6]。多年来,国内外学者关于生态用地在城镇化快速发展时代的重要性这一问题上达成了共识。即在未来的快速城镇化过程中,区域土地不能一味地开发,必须要保留一定数量的生态用地,这对区域的可持续发展有着至关重要的作用[7,8]。但到目前为止,国内外学者对生态用地的定义和类别划分尚未达成共识[9]。随着生态文明建设的日益加强,我国空间规划体制改革、省级国土规划编制等实践工作持续推进,科学界定生态用地并进行实证分析成为支撑改革实践的重要基础。基于此,本文借鉴已有研究提出生态用地的概念界定和分类体系,综合运用土地利用动态度和土地利用类型转移矩阵等方法,以山东省为研究区域,对该省1980—2015年生态用地的时空演变及其影响因素进行分析,以期为科学编制国土规划，推动生态文明建设提供参考借鉴。

1 研究数据与方法

1.1 研究区概况

山东位于114°36′—122°43′E、34°25′—38°23′N,土地总面积为1.567×1010hm2。山东省中部多为山地,东部多为丘陵,西部和北部低洼,但较平坦。平原盆地、山地丘陵和水域分别占该省土地总面积的63%、34%和3%。全省属于暖温带半湿润季风气候,东部沿海海洋性气候特征明显,西部内陆大陆性气候特征突出。山东省现辖济南、青岛、日照等17个地级市，1980—2015年经济总量和常住人口数量都有较大程度的提升。截至2017年,山东省GDP增长至72678.2亿元，年末常住人口为9847.165万人，城镇化率达60.58%。近年来随着全省经济的高速发展和城镇化的加速推进,城市建设用地大范围向外扩张,该省人地矛盾加剧,生态用地的可持续发展面临着严峻挑战。

1.2 数据来源与处理

本文采用的土地利用数据来源于中国科学院资源和环境科学数据中心提供的20世纪70年代末期(为方便表述,统称为1980年)、20世纪80年代末期(统称为1990年)、1995年、2000年、2010年和2015年共6期山东省域数据,该数据的底图来自1980年代以来的Landsat TM数字图像、航测地形图、辅助历史资料等。数据处理主要包括利用Google Earth核查原始数据中各地类,如其中的海洋是否为滩涂。利用Arcmap将各地类(二级地类和三级地类)合并,然后将其与山东省行政区划图进行叠加处理,再通过自然间断点法做出生态用地在全省各地市的占比图;利用Envi输出土地利用转移矩阵和土地利用转移概率矩阵等。针对山东省在研究阶段内土地利用类型的特征,参考土地利用现状分类国家标准(GBT 21010—2007),将土地利用现状分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地六大类。

1.3 研究方法

生态用地分类:目前国内外学者对生态用地的定义尚未达成共识,对生态用地的分类也还没有形成统一的标准。国内外对生态用地类别划分有两个主流观点:①把能直接或间接地产生生态服务价值，对生态系统具有保护作用的生态空间定义为生态用地,包括林草地、水域、农田等。②生态用地的主要功能是发挥生态价值,产生生态效益,所以将用于生产的农业用地排除之外[10]。因此,针对具体的研究工作而言,可根据当地实际情况来对生态用地自行分类。

已有学者对沿海地区的生态用地做了研究。李姝娟在等对滨海新区生态用地特征与低碳目标下的优化策略进行研究时,将盐田、草地、水域、林地归类为生态用地[11];徐丽芬等在分析渤海湾沿岸地区土地利用的生态系统服务价值当量时,将盐田归类为生态服务价值当量较高的滨海湿地[12];俞炜炜在等对福建兴化湾湿地生态服务功能进行研究时,盐田的单位生态服务价值为33992元/(hm2·a),农田的生态服务价值为736元/(hm2·a)[13]。从当今社会生态环境恶化、环境污染、土地资源短缺角度考虑,为改善生态环境、优化配置土地资源,应特别注意:生态用地应以发挥生态服务功能为第一要务,且对生态系统无副作用[14]。而农业用地在农业耕作期间大量施肥,产生了一系列的生态副作用。综上所述,生态用地应是能发挥生态功能、维护区域生态平衡的土地,不包括城乡建设性用地和生产性用地,因此本文将耕地列为非生态用地,最终确定山东省的生态用地包括林地、草地、水域和未利用土地。

土地利用类型动态度:对区域生态用地时空演变格局进行研究时,研究期内各地类的数量变化情况是不可缺少的参考指标。本文选取单一土地利用动态度K用来定量描述研究区特定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况,表达式为:

(1)

式中,UA、UB分别为研究期初、期末某种土地类别的数量;T为研究时长。当T设定为年时,K值就是该研究区内某种地类的年变化率[15]。

土地利用转移矩阵:摸清各地类在研究期内的数量变化是研究的基础,在此基础上要通过模型来计算各地类的转换方向和数量是关键。土地利用转移矩阵是指在一定时期内,一种土地利用类型与其他土地利用类型的相互转换。数学表达式为:

M11…M1n︙⋱︙Mn1…Mnn

式中,Aij为研究初期与研究末期的土地利用状态;n为土地利用类型数。

不稳定版块空间变化及趋势分析:上述两个方法着重单一土地利用类型变化的规律和特征,如单一土地利用动态度K仅反映了某一土地利用类型的数量变化,无法解释研究期内研究区各地类整体的的空间变化及各土地利用类型的稳定性;土地利用转移矩阵也只是反映了各地类转入和转出的情况。本文选取Rss来表示土地利用类型的空间变化:

(3)

式中,Rss为研究时段内某一土地利用类型空间动态度;ΔUout为研究时段内某一地类转变为其他地类的面积之和;ΔUin为其他地类转变为该地类的面积之和;T为研究时长[16]。

(4)

式中,Ps为某一土地利用类型的变化趋势和状态指数,其他参数代表意义不变。

当0ΔUout≥0。即由其他地类转换成该地类的面积大于由该地类转换成其他地类的面积,该地类的面积呈现出增长的趋势。Ps的值越接近0,表示该地类增长的速度越平缓,即这一阶段研究区各地类的空间稳定度越高;Ps的值越接近1,表示地类转换方向主要是由其他地类向该地类转换,且转换速度很快,该地类呈现高速扩张形势,说明这一阶段研究区各地类的空间稳定度较低,各地类发展不平衡。

当-1≤Ps<0时,可解得ΔUout>ΔUin≥0。即由该地类转换成其他地类的面积小于由其他地类转换成该地类的面积,该地类的面积呈现出减少的趋势。Ps的值越接近0,表示该地类面积减少的速度越平缓,说明这一阶段研究区各地类的空间稳定度越高;Ps的值越接近-1,表示地类转换方向主要是由该地类向其他地类转换,且转换速度很快,该地类呈现高速萎缩形势,说明这一阶段研究区各地类的空间稳定度较低,各个地类发展不平衡。

2 结果与分析

2.1 生态用地数量变化

生态用地的时空演变可从多个方面来分析,本文主要从其数量变化和结构变化两方面展开分析论证,综合运用研究区域的土地利用动态度和土地利用转移矩阵等加以论证。

数量结构变化:通过对山东省各土地利用类型阶段性变化的研究,结果表明，1980—2015年山东省生态用地面积逐年减少,非生态用地面积则逐年增加。其中,城乡建设用地面积增加的最多,耕地面积减少的最多;林地、水域、未利用地面积一直在波动,总体上呈持续减少的态势;草地在1995年之前先小幅度增加随后又持续减少,并且减少幅度波动较大。各研究时段内,1995—2005年生态用地减少幅度最大,林草地、水域和未利用地面积均在减少，其中草地减少面积所占比重最大,达4.69%。

1980—2015年,山东省生态用地面积占土地总面积的20.42%—22.45%,呈减少的趋势。生态用地中林地和草地所占比重较大,林地约占研究区总面积的6%,草地约占研究区总面积的8%;水域面积变动较小,基本保持在4%；利用地则大幅减少,由2.7%减少到1.5%。非生态用地面积占研究区总面积的43.67%—44.32%,总体上呈增长的趋势。其中,耕地占研究区总面积的比重较大,达到35.81%—37.58%,呈减少的趋势;城乡建设用地的占比则由6.10%增加到8.50%,生态用地和耕地面积的减少基本上均表现为建设用地面积的增加(表1)。

表1 山东省各研究时段土地利用类型面积变化

从表2可见,山东省未利用地在研究期内的动态度较大,1980—1995年的动态度达到2.245%;其他各地类单一动态度都不大,除1980—1995年水域的动态度(0.615%)、城乡建设用地的动态度(1.190%)和2005—2015年未利用地的动态度(1.268%)超过0.5%外,基本都在0.5%以下。从动态度来看,1980—1995年山东省生态用地的动态度最大,为0.369%。山东省土地利用动态变化并不剧烈,变化过程体现了城镇化过程中土地利用变化较普遍的特点:耕地面积持续减少,建设用地面积持续增加,生态用地有不同程度的流失,且这种变化有进一步延续下去的趋势,影响当地的生态环境和城市的可持续发展。

表2 山东省各研究时段各地类单一动态度

土地利用变化过程:基于转移概率矩阵中各土地利用类型保持自身面积不变的比例即保留率,可据此来分析研究区各个土地利用类型在研究时段内的稳定性情况并加以比较。某一土地利用类型的保留率越大,其空间稳定性也就越强,在以往学者的研究中往往以保留率50%作为判定某一土地利用类型空间稳定性的高低与否,即临界值。保留率高的土地利用类型,在区域尺度上有利于生态功能的维持和可持续发展。1980—2000年,山东省耕地、林地、草地、水域、城乡建设用地和未利用地的保留率分别为97.926%、99.225%、98.096%、78.551%、99.985%、66.672%(表3),说明在这一时期,全省土地利用空间稳定性较强,只有未利用地的保留率稍低,主要转出方向为耕地和城乡建设用地。此外,生态用地的空间稳定性整体上比非生态用地的空间稳定性低。

表3 1980—2000年山东省土地利用转移概率矩阵(%)

2000—2015年,山东省耕地、林地、草地、水域、城乡建设用地和未利用地的保留率分别为96.733%、99.299%、94.011%、92.307%、99.733%、74.687%(表4),可见生态用地的空间稳定性仍比非生态用地的空间稳定性低,但生态用地的稳定性有逐年增高的趋势。从两个时段来看,生态用地内部各地类的稳定性差异较大。其中,水域和未利用地的保留率较上一时期分别提高了13.756%和8.015%,草地的保留率却减少了4.085%。非生态用地的空间稳定性一直处于较高的水平,其中耕地的空间稳定性虽然很高但有明显下降趋势,耕地流失现象仍存在,城乡建设用地的稳定性则在两个研究时段内有所增强。一方面,近年来人类活动对环境的干扰愈演愈烈,给区域环境的保护和可持续发展带来极大的压力;另一方面,数据显示未利用地的保留率从66.672%增加到了74.687%,这在一定程度上也体现了人类已意识到生态用地所面临的严峻形势,已对其采取了某种形式的特殊保护。

表4 2000—2015年山东省土地利用转移概率矩阵(%)

2.2 生态用地空间变化特征

本文选取6个时期山东省各地市生态用地占比情况见图1。从空间尺度来看,山东省生态用地呈现出“东多西少”的格局。其中,西部的菏泽市、聊城市和德州市生态用地占比小于10%,低于全省的平均水平(21%),在未来的生态用地可持续发展工作上留有较大的进步空间;其他地市的生态用地占比基本上保持在30%左右,处于生态用地发展的健康状态。从时间尺度来看,20世纪80年代—21世纪初山东省中部和东北部各地市生态用地占比较大,分布较广,尤其是东营市和烟台市分别在1980和1990年的生态用地占比达到44.08%和79.24%;2000年以来,生态用地在各地市的占比表现出了明显减少的趋势,除莱芜市和淄博市生态用地占比略高外,其他地市的占比均小于或等于30%。总体来看,山东省生态用地面积在2000年之前变化较小,于20世纪末达到峰值,随后逐年减少,2010年以来减少趋势有明显变缓的态势。

从不同时段各土地利用类型的转出方向来看,非生态用地内部相互转换较明显。尤其是耕地向城乡建设用地的转换,随着时间的推进,这种内部转换更加明显(表5、表6),研究期两个时段耕地转出为城乡建设用地的面积分别为19.40万hm2、29.04万hm2;建设用地转出的数量非常少,主要的转出方向也为耕地。生态用地一方面表现为向耕地、建设用地的转出,主要为林地、草地和水域向耕地的转换;另一方面表现为生态用地内部的相互转换。耕地除了转出为城乡建设用地外,主要转出为水域;林地除了向耕地转出以外,主要转出为草地;草地除了向耕地转换以外,主要转出为林地,三者之间相互转换频率较高;未利用地的保留率相当低,主要转出方向为林地,仅部分转出为城乡建设用地。

图1 山东省各地市生态用地占比

表5 1980—2000年山东省土地利用转移矩阵(km2)

表6 2000—2015年山东省土地利用转移矩阵(km2)

从空间动态度(表7)看,生态用地的空间动态度逐年下降,非生态用地的空间动态度则逐年增高。整体看,生态用地的空间动态度大于非生态用地的空间动态度,说明生态用地的输入与输出转化频繁,且转化量占各自期初面积的比例较大。生态用地各地类的空间动态度无明显规律性,林地、草地、未利用地的空间动态度逐渐增大,水域则逐渐减小;非生态用地中耕地的空间稳定性逐渐增大,城乡建设用地则逐渐减小。从变化趋势和状态指数看(表7),生态用地在各个时期都是朝着规模递减的方向发展,但2000年以后减少趋势变缓,逐渐向稳定的方向发展。其中,草地和水域分别于1980—2000年、2000—2015年呈现出小幅度增长趋势;非生态用地在整个研究期内都呈现出规模递增趋势,2000年以后增长势有所变缓。其中,耕地则是持续性地与非生态用地整体变化趋势相反,在整个研究期内均呈现递减趋势,且在2000年以后减少幅度显著增加,城乡建设用地的面积变化则呈现出“过山车式”的大幅增减模式。两个研究阶段内,生态用地和非生态用地的变化趋势和状态指数分别从-0.47变化到-0.33，从0.33变化到0.13,都有向稳定发展的趋势转变,因此可认为近年来山东省土地利用情况朝着稳定的方向发展。

表7 山东省两个时段生态用地与非生态用地空间动态度Rss及变化趋势和状态指数Ps变化

3 影响因素分析

造成生态用地变化的原因有很多种,概括起来主要是自然环境条件和人类社会经济活动。综合考虑山东省的自然环境特征和社会经济因素,本文选出以下影响生态用地时空演变的因素。

3.1 自然环境条件

山东省是一个兼具海洋和大陆性气候的沿海城市,因此考虑影响生态用地时空演变的自然环境条件主要是指气象条件。气象条件作为区域自然环境发展的“天然制约力”,对生态用地的影响是显著的。其中,降水作为非常关键的气象条件之一,其多寡对于区域植被覆盖程度有明显的影响。植被不仅是发展国民经济的重要物质资源,对环境保护和水土保持等也发挥着重要的作用,在区域生态用地的空间布局与时空演变中更是充当着不可缺少的角色。此外,温度与日照时长在某种程度上会通过影响区域内生态群落的生长来对生态用地的数量增减产生不可忽视的作用。总体来看,降水量越富足、日照时长越多、森林等生态群落生长地越好、植被覆盖度越高,生态价值和生态效益就越高,越有利于生态用地的可持续发展。

3.2 人类社会经济活动

生态用地与人类社会经济活动在空间结构上的博弈,主要取决于研究区的经济发展水平、产业结构、人口结构、政策等因子对生态用地变化所产生的影响。例如在城市交通条件方面,交通通达度会影响人类的活动范围,城市道路的布局会影响城市生态用地的分布格局,所以将距主干道距离和距河流距离作为影响生态用地变化的重要指标。交通越发达,人类的活动范围就越大;距离城市道路较近的区域往往商业较发达,生态效益则越来越低。生态用地往往与城市主干道路有一定距离,但不排除个别地区在城市主干道附近规划大中型公园等用地。河流附近的区域一般更具有生态价值,因为河流在整个水资源保护中所占的地位至关紧要。在河流附近一般禁止设立大型工厂,且河流也会影响局部气流,使河流附近生态环境优于其他地区。此外,随着社会经济的高速发展,城乡人口结构发生了巨大变化,相应地刺激了产业的集聚发展,城市建设用地逐步向外扩展。由于城市化进程速度加快,建设用地逐年向外扩张,所以生态用地面临着越来越大的威胁,人类社会经济的发展在一定程度上会不可避免地减少生态用地的面积。但另一方面,随着社会的发展,人们对周边环境质量的要求也逐渐提高,越来越多的人开始对生态用地增加关注,意识到生态用地存在的巨大价值与意义,这给生态用地面积和质量急剧下降带了巨大阻力,在保护生态用地方面起到积极的作用。

4 结论与建议

4.1 结论

1980—2015年,山东省的生态用地面积比例为20.42%—22.45%,基本满足了区域的生态保护需求和多样性、异质性的维持。山东省的土地利用变化主要表现为耕地和未利用地持续减少,建设用地持续增加,生态用地有不同程度的流失。

研究期内,生态用地中草地面积在20世纪末期表现出波动性变化,2000年之后便逐年减少,尤其2000—2005年间减少最多,为1468.13hm2;林地面积在1980—1995年先减少后又增加到原有水平,1995年以后便呈现出持续减少趋势,但减少趋势逐年变缓;水域面积变化没有明显的规律性,变动幅度以1995年为界,实现由大幅度波动到小幅度变动的转换;未利用地则从研究初期一直到末期都在持续减少。非生态用地中耕地和城乡建设用地呈现出恰恰相反的变化趋势,耕地持续减少,但减少幅度逐年变缓;城乡建设用地则持续增加,且目前仍表现出增加趋势。各研究时段,生态用地的空间稳定性相对非生态用地较低,有下降趋势,各地类不同时段空间稳定性有所差异。耕地和林地的空间稳定性较高,草地和水域的空间稳定性较低,但其保留率也都在50%以上。相对而言,耕地和城乡建设用地的空间稳定性比其他地类要高。

生态用地功能的发挥不仅与其数量有关,还取决于生态用地的空间格局特征。生态用地的空间动态度略有减少,非生态用地的空间动态度持续增加,非生态用地输入和输出转换地越来越频繁。生态用地各土地类别空间动态度变化没有明显的规律性,而非生态用地内部耕地和城乡建设用地的空间动态度都表现出明显的持续增加趋势。变化趋势和状态指数表明,整体上生态用地向着规模递减的方向发展,非生态用向着规模递增的方向发展。

4.2 建议

针对山东省城镇化速度加快,生态用地的可持续性受到严重威胁的问题,提出以下建议:①强化生态用地的理论和实践研究。生态用地理论实践研究,是生态用地保护的基础工作。目前国内外对生态用地的定义与分类尚未形成统一的认识,相关的界定和分类方法都以概念描述和定性分析为主,有待完善。随着我国社会经济的快速发展,已有的研究成果或者研究方法是否仍然适用、是否需要改进,都有待实践的检验。②加快对生态用地保护的法律文件制定。目前生态用地保护在社会经济可持续发展等方面发挥的重要作用已被人们悉知,但国内外未对生态用地的定义和分类达成共识,各地区在追求利益最大化的同时,生态用地很容易成为牺牲品,所以加强生态用地的立法保护就尤为重要。建议结合生态用地的生态服务功能等指标,在符合其他规划的前提下,确定关键生态保护区和一般生态保护区。③加强土地的节约集约利用。山东省在城镇化快速发展的背景下,一方面要保证生态用地的可持续发展,另一方面为应对建设用地供不应求的形势,提高土地的集约节约利用水平尤为重要。一是要完善土地储备、征收、征用等政策,挖掘土地存量,加强土地整治,减少闲置或者粗放的土地资源;二是要招商引资,推动产业结构升级,以此进一步推动土地结构布局优化;三是最大限度地发挥市场机制,用其特有的激励和约束作用来实现土地资源的有效集约节约利用。