山东省土地利用转型与生态服务功能交叉敏感性研究

路 昌 韩 笑 韩会芹

(山东建筑大学管理工程学院， 济南 250101)

0 引言

作为土地利用/覆被变化(Land use/cover change，LUCC)重要研究内容之一，土地利用转型[1]是指伴随着经济社会的发展，与之相对应的区域土地利用形态在时间序列上发生动态转变的过程[2]。英国学者GRAINGER[3]最早提出土地利用转型的概念，被龙花楼等[4]引入中国后，国内学者在此基础上围绕土地利用转型的理论与假说[5]、空间格局[6-7]和生态环境效应[8-10]等方面开展了系统的研究工作。土地利用转型过程中对生态环境造成的水土流失、大气污染、生态系统退化等一系列问题，引起了社会各界的广泛关注[11-13]。生态系统服务功能是指生态系统形成的满足人类生存的自然环境条件和基础[14-15]，而生态系统服务价值(Ecosystem service value，ESV)是评判生态系统服务功能变化的重要评估方法之一，对其变化量的研究在一定程度上可以反映生态系统受人类活动的影响程度[16-17]。区域社会经济发展过程中，分析土地利用转型对生态系统服务价值产生的影响，对于统筹城乡土地资源和提高生态环境质量均具有非常重要的现实意义。

生态敏感性指生态系统对区域内自然和人类活动反应的敏感程度[18-20]。传统的敏感性分析将KREUTER等[21]提出的敏感性系数作为判定当量因子系数数值的主要方法，无法反映出生态系统服务价值对每种土地利用类型相互转换过程的响应程度，存在一定的局限性。基于此，普拉提·莫合塔尔等[22]提出生态系统服务交叉敏感性的概念与计算模型，但是由于土地面积转换比率的基期选择存在一定的偏差，故难以得出“地类之间转换净增加面积变动1%引起生态系统服务价值变动百分之几”的结论，其计算结果难以表达出弹性系数应有的现实意义[23]。

随着我国经济发展进入新常态时期，社会经济发展已由高速增长转至高质量增长阶段，土地集约利用及生态环境保护面临的压力持续增长。山东省作为人口大省和经济强省，在土地利用程度处于较高水平的同时，土地集约利用后备资源分布不均衡、供需不匹配、生态环境恶化等问题日益凸显，严重制约着区域国土资源的可持续利用[24-25]。在此背景下，省级国土空间规划编制指南、山东省生态环境保护“十三五”规划等一系列政策的出台，对构建科学合理的国土空间管控格局提出了更高的要求。本文基于2005、2010、2015年3期山东省土地利用遥感监测数据，改进交叉敏感性系数模型，探讨不同地类间的净转型对促进或抑制生态系统服务价值变化的影响程度，进而划定敏感性分区，并分析各等级生态敏感区的空间分布特征，以期为优化山东省土地利用格局、保护生态环境、实现区域土地资源可持续发展提供科学指导。

1 研究区概况

山东省位于黄河下游、京杭大运河中北段，地理坐标34°22.9′～38°24.01′N，114°47.5′～122°42.3′E，包含16个地级市，地势整体呈现“中部高四周低”的态势，属温带季风气候，年均光照时间2 290～2 890 h，年均降水量550～950 mm，由东南向西北递减。截至2015年末，区域土地总面积1.56×107hm2，总人口0.98亿人，GDP和粮食总产量分别占全国9.15%和7.58%，产业结构以二、三产业为主。作为全国经济大省和粮食主产区，近十年来，山东省城镇化进程快速推进，土地利用格局剧烈变化，经济发展与粮食安全、生态安全之间冲突日益突出。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

山东省2005、2010、2015年的土地利用变化遥感监测数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心构建的“全国陆地区域多时相土地利用现状数据库”(http:∥www.resdc.cn)，空间分辨率为30 m×30 m，根据研究区的实际特点并借助ArcGIS软件，将研究区土地利用类型划分为森林、草地、农田、湿地、水域、荒漠及建设用地7种地类。

2.2 研究方法

2.2.1生态系统服务价值计算模型

基于谢高地等[26]的中国生态系统服务的价值中单位面积生态系统服务价值当量表，利用山东省当量因子系数(山东省为1.38)[27]对其进行修正，得到研究区农田、草地、森林、湿地、水域、荒漠的生态系统服务价值当量因子分别为1.86、5.67、9.26、24.45、31.94、0.31万元/hm2，并运用COSTANZA等的生态系统服务价值公式[28]对2005、2010、2015年的各生态系统类型的生态服务价值进行评估，生态系统服务价值计算公式为

PESV=∑SkVck

(1)

式中PESV——生态系统服务价值总值，万元

Sk——土地利用类型k的面积，hm2

Vck——修正后地类k生态系统服务价值当量因子，万元/hm2

2.2.2交叉敏感性系数模型

(1)交叉敏感性系数

交叉敏感性系数(Coefficient of cross-sensitivity, CCS)是指土地利用类型转换面积的单位面积变化率所引起的生态系统服务价值的变化率，主要用来衡量来自外界自然或人为的活动对区域环境的干扰程度[22]。一般情况下，土地利用类型的转换过程是双向的，因此不同土地利用类型之间的净转型才导致生态服务价值的实际变化。当一定面积的土地从地类k转换为地类i时，假设其余地类之间此时未发生地类转型，计算公式为

(2)

式中Pccski——第j+1年地类k转换为地类i的交叉敏感性系数

ΔPESV——第j+1年与第j年的生态服务价值变化量，万元

PESV(j)——第j年生态系统服务价值总值，万元

ΔSki——第j+1年与第j年的地类k与地类i之间的净转换面积，hm2

Si——土地利用类型i的第j年的面积，hm2

式(2)虽然满足敏感性形式，但是由于土地面积转换比率的基期选择存在一定的偏差，只能得出“土地净转移面积占初始两地类面积平均值的比例增加1%，引起生态系统服务价值变动百分之几”的结论，计算结果难以表达弹性系数应有的现实意义[23]。因此，本文提出改进的交叉敏感性系数模型。

(2)改进的交叉敏感性系数

改进的交叉敏感性系数(Coefficient of improved cross-sensitivity, CICS)指某2种不同土地利用类型之间的净转型对促进或抑制生态系统服务价值变化产生的影响程度。当CICS大于0时，表明某2种地类之间的净转型对生态系统服务价值的变化起促进作用，反之，则抑制生态系统服务价值变化。CICS绝对值越大，表明生态系统服务价值对于某2种土地利用类型的净转型越敏感，反之，则越不敏感。敏感性系数模型计算公式为

(3)

式中Pcicski——修改后的地类k转换为地类i的交叉敏感性系数

Vci——修正后的地类i的生态系统服务价值当量因子，万元/hm2

3 结果与分析

3.1 土地利用转型分析

10年间，山东省土地利用空间格局相对稳定，农田分布范围最广，广泛分布于山东省内；其次是建设用地，主要分布在临沂市、潍坊市和菏泽市；森林和草地主要分布在鲁中南山地丘陵区和鲁东丘陵区；而水域和湿地集中分布在南四湖和莱州湾地区，荒漠零星分布(图1)。研究期内土地利用结构转型较为明显，前期剧烈，后期趋缓，其中，水域、湿地和建设用地呈现增长趋势，农田、森林、草地和荒漠呈现减少趋势，建设用地扩张现象较为明显，土地供需矛盾进一步加剧，后备资源不足(表1)。

图1 2005—2015年山东省土地利用空间格局Fig.1 Land use spatial patterns of Shandong Province from 2005 to 2015

表1 2005—2015年山东省土地利用结构变化Tab.1 Change of land use structure in Shandong Province from 2005 to 2015 万hm2

(1)2005—2010年，山东省各地类土地利用转型较为明显，农田、草地、森林和荒漠呈现减少趋势，湿地、水域和建设用地呈现增长趋势。其中，变化最为剧烈的是建设用地，面积增加49.87万hm2，表明城镇化进程的快速推进使得建设用地急剧扩张；其次是草地，面积减少46.56万hm2，主要原因是城市建设和农业生产对草地的占用；此外，受益于黄河三角洲地区生态保护政策的推行，研究区水域面积增长较为明显，由46.92万hm2增加到63.72万hm2。

(2)2010—2015年，山东省各地类土地利用转型的趋势变缓，整体土地利用结构趋于稳定，农田、湿地和荒漠面积减少，水域和建设用地面积增加，草地和森林面积趋向稳定。其中，面积变化最大的是农田，面积减少11.36万hm2，主要原因是退耕还林还草政策的实施；其次是建设用地，面积增加11.29万hm2，增长幅度明显放缓。

3.2 生态系统服务价值时空变化特征

以山东省140个县(市)区为基本研究单位，从2005—2015年ESV总值、ESV变化量及地均ESV 3个方面，对山东省生态系统服务价值时空变化特征进行分析。

研究期间，山东省ESV总值呈现先大幅增加后小幅减少的趋势，由2005年5 560.98亿元增加至2015年5 780.71亿元，增加219.73亿元，主要原因是湿地和水域面积大幅增加。2005—2015年山东省140个县(市)区ESV变化情况与土地利用转型情况较为一致，整体以减少为主，其中100个行政单元是减少趋势(图2)。ESV减少区域分布较为广泛，主要集中在鲁中山地丘陵、鲁西北平原和胶东半岛北部地区，建设用地大规模扩张占用其他地类导致生态系统服务价值减少；ESV增加区域主要集中在潍坊市北部、东营市中部、滨州市北部以及胶东半岛南部等受人类活动干扰较少的区域，得益于水域和湿地自然生态系统面积增大。2005—2015年地均ESV均值区域差异较为明显，高值区(8.83～51.14万元/hm2)在济宁市市中区和微山县，2005—2015年地均ESV均值分别为51.14万元/hm2和20.55万元/hm2，明显高于省内其他地区，该区域地属南四湖流域，水域面积占比较高，生态环境优异；低值区(0.28～2.93万元/hm2)集中在青岛市和鲁西北平原地区，其中青岛市四方区地均ESV最低，仅为0.29万元/hm2，作为山东省城市发展核心区域，青岛市经济发展与生态安全之间的矛盾较为突出，而鲁西北平原地区以农田生态系统为主，地类较为单一(图2)。

图2 2005—2015年山东省生态系统服务价值时空变化Fig.2 Time and space changes in value of ecosystem services in Shandong Province from 2005 to 2015

3.3 生态系统交叉敏感性分析

2005—2010年和2010—2015年2个时间段7种地类之间21种转型的交叉敏感性系数如图3所示。由于2个地类间净转换面积是双向对称的，交叉敏感性也具有对称性，因此本文仅展示单向的敏感性系数。通过分析可知，研究区内农田和水域向其他地类的转型较为敏感，其中最敏感的是水域向湿地转型，其次是水域向建设用地、农田向建设用地以及农田向水域的转型，交叉敏感性系数均大于1；而草地、荒漠向其他土地利用类型转型的交叉敏感性系数均较低，缺乏敏感性。

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(1)农田与其他地类转型的交叉敏感性

图3 山东省生态系统服务价值交叉敏感性系数Fig.3 Cross-sensitivity coefficient of value of ecosystem services in Shandong Province

2005—2010年，农田与森林、草地和湿地之间的转型表现为农田向森林、草地和湿地净转出，2010—2015年，随着生态环境保护力度的提高，农田向森林、草地和湿地净转入，研究期间CICS均为负值且CICS绝对值均呈现下降趋势，表明农田与森林、草地和湿地间的净转型对ESV的变化均起抑制作用，生态服务功能对此3类转型缺乏敏感且研究后期敏感性明显下降；农田和水域之间的转型导致农田减少、水域增加，ESV增加，同时CICS由0.57降低至-1.53，表明对ESV的变化由促进转变为抑制，生态服务功能对此类转型较为敏感且敏感性明显增强；农田和建设用地之间的转型导致农田减少、建设用地增加，CICS由-0.37增加为1.82，生态服务功能对此类转型较为敏感且敏感性明显增强，表明区域建设用地急剧扩张占用大量农田，对生态系统服务价值影响较为显著；农田和荒漠之间的转型，前5年呈现荒漠向农田的净转入，后5年呈现农田向荒漠的净转入，CICS值较低，均小于0.05，生态服务功能对此类转型缺乏敏感。

(2)森林与其他地类转型的交叉敏感性

森林和草地之间的转型，2005—2010年呈现草地向森林的净转入，ESV增加，2010—2015年呈现森林向草地的净转入，ESV减少，对ESV的变化起促进作用，研究期间CICS绝对值由0.01增加到0.02，生态服务功能对此类转型不敏感；森林与水域、建设用地和荒漠之间的转型导致森林减少、其余3种地类增加，其中森林向建设用地转型的CICS绝对值由0.80下降到0.51，生态服务功能对森林与建设用地转型的敏感性下降，表明研究后期建设用地占用森林的现象发生明显改善，森林和水域、荒漠之间转型的CICS绝对值均小于0.05，生态服务功能对此类转型缺乏敏感；森林和湿地之间的转型，前5年呈现森林向湿地的净转入，后5年呈现湿地向森林的净转入，对ESV的变化起促进作用，CICS绝对值均小于0.01，生态服务功能对此类转型敏感程度较低。

(3)草地与其他地类转型的交叉敏感性

草地与水域、湿地、建设用地和荒漠之间的转型导致草地减少、其余4种地类增加，其中由草地向水域和湿地的转型引起ESV增加，对ESV的变化起先促进后抑制的作用，草地向建设用地和荒漠的转型引起ESV的减少，草地与荒漠间转型对ESV的变化起先抑制后促进的作用，与建设用地间转型对ESV的变化起促进作用；草地与水域、湿地、建设用地和荒漠之间转型的CICS绝对值均小于0.50，表明生态服务功能对上述转型均缺乏敏感。

(4)水域与其他地类转型的交叉敏感性

水域与湿地之间的转型导致水域增加、湿地减少，CICS与ESV的变化符号相同，CICS绝对值从0.02增加到3.43，此类转型对生态服务功能影响最为显著；水域和建设用地之间的转型，前5年呈现建设用地向水域的净转入，ESV增加，后5年呈现水域向建设用地的净转入，ESV减少，CICS绝对值由1.29降低为0.19，敏感程度降低较为明显，反映出山东省施行的一系列生态保护制度政策已起到初步成效；水域与荒漠之间转型的CICS绝对值分别为0.13和0.02，生态服务功能对此类转型缺乏敏感。

湿地与建设用地之间的转型导致湿地减少、建设用地增加，同时CICS由-0.11增加为0.04，对ESV的变化起先抑制后促进的作用；湿地和荒漠之间的转型，前5年呈现荒漠向湿地的净转入，后5年呈现湿地向荒漠的净转入，对ESV的变化起促进作用；生态服务功能对这两类转型均缺乏敏感。

(6)建设用地与其他地类转型的交叉敏感性

建设用地与荒漠之间的转型导致建设用地增加、荒漠减少，ESV减少，CICS绝对值均小于0.01，生态服务功能对此类转型缺乏敏感。

3.4 生态系统交叉敏感性分区

交叉敏感性等级反映了生态系统服务功能受土地利用转型的影响程度，交叉敏感性高的区域说明该区域生态系统服务功能受此类土地利用转型的影响较大。基于前文对山东省土地利用转型生态系统交叉敏感性的分析，选取其中交叉敏感性较高的6种土地利用转型，在区分不同净转型方向的基础上，借助ArcGIS的自然断点法划分4类敏感性等级区，得到山东省土地利用转型的不同交叉敏感性等级分区面积统计结果(表2)及空间分区图(图4)。

表2 山东省土地利用转型交叉敏感性等级分区面积Tab.2 Area of cross-sensitivity grade partition of land use transformation in Shandong Province

图4 山东省土地利用转型的交叉敏感性等级分区Fig.4 Cross-sensitivity grade partition of land use transformation in Shandong Province

农田与草地之间转型的非生态敏感区分布范围较广，占总面积59.28%，主要分布在鲁西北平原区。农田与草地之间转型的中、低生态敏感区主要集中分布于鲁东丘陵区和胶东半岛北部地区；研究期间高生态敏感区分布范围最小，面积比例仅为4.63%，包括莒南县、费县、苍山县和胶南市4个县(市)。分析发现：农田与草地之间的转型主要表现为草地向农田的转型，126个县(市)区为草地向农田净转型区，主要分布于鲁中南山地丘陵区，作为全国粮食大省，在保障粮食安全和追求经济利益双重驱动作用影响下，区域内大量草地被开垦为农田，农田面积持续增加；7个县(市)区为农田向草地净转型区，主要分布于山东省中部地区。

农田与水域之间转型的非生态敏感区面积最大，占总面积的49.69%，集中分布在黄河冲击平原区以及南部低山丘陵区，中、低生态敏感区主要分布于东部半岛波状丘陵区。高生态敏感性区分布范围最小，占总面积的8.98%，主要分布在东营市东部以及滨州市北部，作为黄河三角洲地区和京杭大运河流经地区，该区域的高生态敏感性主要源于水域被开发利用为农田和水土流失现象较为严重，高敏感区极易受到人为干扰，而且一旦破坏很难短期恢复，是生态保护核心区域。

农田与建设用地之间转型主要集中在鲁中地区和胶东半岛东部地区，以农田向建设用地净转型为主。中、低生态敏感区分布范围较大，面积比例分别为32.90%和34.83%，而高生态敏感区面积最小，仅占总面积的3.73%，主要分布在章丘市、历下区、历城区、兰山区和诸城市5个市区，该区域近10年间经济快速发展，大量农田被开发为建设用地，建设用地规模急剧扩张，对生态环境影响作用较为显著，应对区域内耕地实行严格的保护管理制度，适度控制建设用地规模，引导山东省城乡建设均衡发展。

水域与建设用地之间的转型主要以建设用地向水域净转型为主，集中分布在黄河三角洲地区，研究期间，在出台多项湿地保护政策法规背景下，区域内自然保护区及湿地公园建设力度加大，人工湿地面积大量增加。非生态敏感区所占面积比例最大，高达82.38%，主要原因是由于人工生态系统形成后，对土地利用转型便不存在生态敏感性，成为非敏感区，土地利用方式较为稳定。低生态敏感区主要在山东省东部沿海呈南北带状分布；中、高生态敏感性分布范围很小，主要在潍坊市北部。

水域与湿地之间转型的非生态敏感区分布范围最广，占总面积的52.84%，总体呈东北-西南方向分布。中、低生态敏感区所占比例分别为9.76%、20.73%，主要集中分布于沂河和沭河沿岸等部分县(市)区；高生态敏感区所占总面积比例最小，约为4.49%。相较于其他转型类型，水域与湿地之间转型的无净转型区所占面积范围较广，占总面积的12.18%。

森林与建设用地之间主要表现为森林向建设用地净转型，森林与建设用地转型的非生态敏感区所占面积比例最大，为43.65%，主要分布在鲁西北平原区和鲁中南山地丘陵区，该区域土地利用结构以农田为主，产业结构较为单一，森林与建设用地之间的转型不敏感。中、低生态敏感区所占比例分别为16.95%、32.45%，主要分布在鲁东丘陵区以及鲁中南山地丘陵区。高生态敏感区所占比例最小，为4.39%，主要分布在济南市和威海市，该区域经济发展迅速，应严格限制森林向建设用地的转型。

4 讨论

改进的交叉敏感性系数模型较好地反映了不同地类之间净转型对生态系统服务价值变化的影响程度。本文对山东省土地利用净转型驱动下的生态服务价值变化的影响程度，以及生态敏感性空间分布特征进行分析研究。研究期间，山东省内水域向建设用地、农田向水域、农田向建设用地及水域向湿地转型的交叉敏感性均处于较高水平，表明生态系统服务价值对以上4类土地利用转型的敏感性响应较强。一方面，在粮食安全和经济利益的驱动下，山东省山地丘陵区大量草地被开发利用成农田，生态系统服务价值下降；另一方面，在城镇化进程快速推进的背景下，建设用地规模急剧扩张，森林、草地面积下降，对区域生态环境造成较为严重的负面影响。因此，应适度控制建设用地规模，加强黄河三角洲及京杭大运河附近生态用地保护强度，减少国土空间资源不合理开发利用，引导城乡建设均衡发展，实现生态服务功能的延续和提升。

5 结论

(1)2005—2015年，山东省土地利用转型主要特征表现为：农田分布较为广泛，土地利用结构转型较为明显，前期剧烈，后期趋缓；农田、森林、草地、荒漠呈现面积减小趋势，水域、湿地和建设用地呈现面积增加趋势，其中建设用地扩张现象较为明显，土地供需矛盾进一步加剧，后备资源不足。

(2)研究期内，山东省ESV总值呈现先大幅增加、后小幅减小的趋势，ESV总值增加219.73亿元，水域和湿地对生态服务价值贡献最大。ESV减小区域分布较为广泛，主要集中在鲁中山地丘陵、鲁西北平原和胶东半岛北部地区；ESV增加区域主要集中在潍坊市北部、东营市中部、滨州市北部以及胶东半岛南部等人类活动干扰较少的区域。2005—2015年地均ESV均值区域差异较为明显，高值区出现在济宁市市中区和微山县，低值区集中在青岛市和鲁西北平原地区。

(3)2005—2015年，山东省7种地类之间21种转型的交叉敏感性分析结果表明，在土地利用转型过程中，农田和水域向其他地类转型对生态服务功能的影响较为敏感，其中最敏感的是水域向湿地的转型，其次是水域向建设用地、农田向建设用地以及农田向水域的转型，其敏感性系数均大于1；草地、荒漠向其他土地利用类型转型的交叉敏感性系数均较低，缺乏敏感性。在受经济利益的驱动和缺少外部环保政策限制的情况下，生态价值当量因子较高的地类向生态价值当量因子较低的地类转型，是区域生态环境质量变化的重要影响因素。

(4)生态系统交叉敏感性分区结果表明：农田与水域之间转型的高生态敏感区面积占比最小，为8.98%，主要分布在东营市东部以及滨州市北部；农田和建设用地之间转型的中、低生态敏感区面积比例均较大，分别为32.90%和34.83%，以农田向建设用地净转型为主；水域与建设用地之间转型的非生态敏感区所占面积比例最大，为82.38%，集中分布在黄河三角洲地区。研究期间，黄河三角洲地区水域向农田的净转型以及济南市农田向建设用地的净转型是引起生态系统服务价值变化的重点区域。