基于土地利用情景的福建省生态经济系统协调度时空演变模拟

李胜鹏, 柳建玲, 林 津, 范胜龙

(1.福建农林大学 公共管理学院, 福州 350002; 2.南京农业大学 公共管理学院, 南京 210095)

生态和经济发展相协调是人类社会可持续健康发展的内在要求。21世纪初，时任福建省省长的习近平就曾做出建设生态省的战略决策，并明确要求，经过20年的努力，福建省要在恢复和保持良好的生态环境、合理利用自然资源的前提下，促进全省社会、经济和生态环境协调发展。近20年来，福建省经济发展主要以建设用地扩张、耕地减少为代价，各类生态系统也因此遭到不同程度的破坏。识别生态经济系统协调发展现状与未来演变特征，对福建省未来持续深入实施生态省战略有重要现实意义。

在定量评价生态经济系统协调发展相关研究中，较多运用能值分析法[1]、生态足迹法[2]、综合指标法等[3]在城市群[4]、省域[5]、市域[6]和县域等[7]尺度下对生态经济系统协调度(EEH)进行分析，并取得了大量成果，但是由于生态经济系统协调发展问题的综合性与复杂性，需要从不同的途径来深化对该问题的研究[8]。生态系统服务功能对地球生命维持系统运作至关重要，是区域实现可持续发展的基础[9]，其价值变化与社会经济发展密切相关。因此，可根据一定时期内土地利用变化导致的生态系统服务价值(ESV)变化与区域经济发展的关系来衡量区域生态经济系统协调发展状况[8]，目前该方面的研究成果虽有报道[10-14]，但仍相对较少。利用ESV变化与经济发展的关系衡量生态经济系统协调度的核心问题是ESV的测算[15]。关于ESV的测算方法现有文献中较多采用的是当量因子系数法[16]，该方法由Costanza等[17]提出，经过谢高地等[18-20]引入并结合中国实际情况进行修正，在区域相关研究中取得丰富成果[21-26]。然而，目前针对于EEH和ESV的研究较多侧重于在土地利用变化的基础上对历史数据的时空变化进行回顾分析，对模拟未来不同土地利用变化情景下ESV和EEH变化情况的相关研究较少。在研究区域方面，现有文献较多是从城市群[27]、市域[28-29]、县域等[30-31]对ESV和EEH变化进行模拟分析，但是较少对实施重大生态战略区域展开研究。

基于此，本文通过FLUS模型模拟2026年不同情景(一般情景和耕地保护情景)的土地利用变化情况，利用净初级生产力(NPP)修正的当量因子法测算福建省2000—2026年土地利用变化引起的ESV变化，结合GDP测算生态经济系统协调度变化，分析2000—2026年福建省生态经济系统协调度变化特征，可为合理控制土地利用变化、优化国土空间布局、继续深入实施生态省战略和国土空间规划提供科学参考，实现区域可持续发展。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

本文以福建省为研究区，福建省位于中国东南沿海，陆地介于北纬23°33′—28°20′、东经115°50′—120°40′，陆地总面积12.14万km2，境内山地、丘陵面积约占全省总面积的80%，森林覆盖率高，耕地面积仅占约1.6%。《福建省统计年鉴—2019》统计显示，2000年以来福建省经济发展经历了持续多年的高速增长阶段，总产值增幅显著。2000年地区生产总值为3 764.54亿元，其中一、二、三产业生产总值分别为17.02%，43.26%，39.73%；到2018年实现地区生产总值35 804.04亿元，其中一、二、三产业生产总值分别为6.65%，48.13%，45.22%。

1.2 研究数据来源与处理

研究区主要数据来源详见表1。其中，土地利用分类数据采用6个一级地类(耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地)进行土地利用变化分析；空间数据均采用行列一致的空间分辨率为100 m×100 m的栅格数据，利用ArcGIS 10.4软件对栅格数据进行预处理，并统一为Albers投影。土地利用变化是自然和人类社会共同作用的结果，本文结合研究区实际情况与前人研究成果[21,32-34]，选取交通、地形、社会经济、人口等12项驱动因子用以模拟社会经济发展过程中的土地利用变化，具体数据来源及处理方法详见表2。

表1 研究区数据来源

表2 空间驱动因子

1.3 研究方法

1.3.1 FLUS模型 采用FLUS模型模拟人类活动与自然影响下不同情景的土地利用变化，整个模型包括3个模块：(1) 测算未来用地的需求量；(2) 基于ANN模型的各类用地的出现概率：(3) 基于自适应惯性竞争机制的CA模型未来用地的模拟。参考Liang等[35]的参数处理方法，通过SD模型或Markov等预测模型测算未来不同情景下各类用地需求量，设置各地类相互转换成本、限制区与邻域权重。转换成本中将一种地类允许转换到另一种地类设置为1，不允许转换设置为0；限制区中将可以转换的区域设置为1，不可以转换的区域设置为0；邻域权重是各地类扩张能力，取值在[0，1]范围内，取值越大扩张能力越强。

设置一般情景与耕地保护情景对研究区未来(2026年)土地利用变化进行模拟，两种情景下的未来各类用地需求量均采用Markov链进行测算。(1) 一般情景：仅依据研究区历史土地利用变化规律，设定各地类之间均可相互转换，不对土地利用变化模拟过程设定限制区；(2) 耕地保护情景：从严格保护耕地角度出发，考虑到福建省耕地的资源禀赋，在未来土地利用变化模拟过程中设定水田为限制变化区，同时限制耕地和非耕地之间相互转换，其他地类可相互转换。通过计算历史各地类扩张强度指数设定模型的邻域权重(表3)[27]，各地类相互转换成本和限制区则根据不同情景进行设置。

表3 邻域权重参数

基于以上要求对模型进行设置，利用研究区2010年土地利用栅格数据模拟2018年研究区土地利用情况，并将模拟的结果与2018年实际土地利用现状进行精度验证，验证精度达0.93，Kappa系数达到0.88，表明该模型在一定程度能够模拟研究区2026年土地利用变化情况。

1.3.2 生态系统服务价值测算方法 以谢高地等[19]的当量因子法为基础，并通过地区的NPP数据进行当量因子修正，测算生态系统服务价值。为了减少市场和自然因素对粮食价格与作物种植面积的影响，以2000—2018年粮食净利润的平均值作为标准当量因子价值[25]，其计算方法见式(1)，(2)，计算福建省各地类单位面积生态系统服务价值见表4。

表4 福建省各地类单位面积的态系统服务价值 元/hm2

(1)

(2)

1.3.3 生态经济系统协调度评价 生态经济系统协调度反映了区域自然生态与经济发展的协调状况，借鉴吴建寨等和王振波等[8,11-12,14]研究成果，采用生态经济系统协调指数(EEHC)对区域内生态经济系统的协调一致性进行评价。EEHC的计算方法见公式(3)，但环境与经济协调发展的类型暂无统一的划分标准，本文根据吴建寨等[8-9]研究成果将EEHC划分为6个类型，见表5。

表5 生态经济系统协调类型的划分

(3)

式中：ESVpi，ESVpj，GDPpi，GDPpj分别为研究区某时期始、末年份的单位面积生态系统服务价值(元/hm2)和单位面积GDP(元/hm2)，根据2000—2018年的各年份GDP回归预测得2026年GDP，因金门县数据的不可获得，本文未对其进行测算。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化分析

利用ArcGIS 10.4作2000—2018年土地利用转移矩阵(结果见表6)，据测算：福建省在2000—2018年耕地减少1 601.22 km2，林地减少602.51 km2，草地减少564.44 km2，水域增加183.93 km2，建设用地增加2 569.83 km2，未利用地增加14.41 km2。建设用地增加来源主要是耕地、林地和草地，分别占62.05%，32.37%，12.82%；未利用地增加主要来源是林地和水域。建设用地增加增幅较大的区域主要是沿海一带的厦门市、漳州市辖区、龙海市、泉州市辖区、南安市、晋江市、惠安县、福州市辖区、闽侯县、罗源县以及莆田市辖区、宁德市辖区等，这些市县(区)基本为福州经济圈或厦漳泉经济圈辐射影响范围。内陆的各个市辖区和县中心城区的建设用地面积也均有小幅度增加，而水域面积增加来源主要是内陆新建水库和沿海地区的东山县、漳浦县的沿海耕地退耕。

表6 2000-2018年福建省土地利用转移矩阵 km2

利用FLUS模型分别在一般情景与耕地保护情景下对福建省2026年土地利用变化情况进行模拟，结果见图1D与1E。一般情景下，各地类之间转换无限制，模拟结果显示林地、耕地转向建设用地的面积较大，其中，林地转向建设用地337.65 km2，耕地转向建设用地294.25 km2。林地转为建设用地的区域主要集中在福清市、福鼎市、长乐区、连江县、罗源县、惠安县、宁德市辖区、霞浦县、漳浦县、云霄县；耕地转为建设用地的区域主要集中在厦门市、惠安县、龙海市、福清市和长乐区。耕地保护情景下，将水田设置为限制转换区，地类转化面积最大的是林地与草地，均向建设用地转换，转换面积分别为286.24 km2，189.68 km2，主要集中于福清市、长乐区、罗源县、厦门市、福鼎市、宁德市辖区。

图1 2000-2026年福建省土地利用分类图

在两种土地利用情景下，福州城市经济圈与厦漳泉城市经济圈的建设用地面积均为增加趋势，且其他内陆地区的建设用地面积均有所增加，建设用地增加的来源主要是耕地与林地，因此在生态省发展与建设过程中要严控耕地红线，做好建设用地的集约利用，以防建设用地的无序扩张导致生态用地趋于破碎化。

2.2 生态系统服务价值变化特征

福建省2000—2026年的生态系统服务价值(ESV)计算结果见表7。2000—2018年，福建省ESV总体下降了0.4%，其中耕地、林地、草地的ESV分别下降了7.7%，0.8%，3.1%。由图2可知，同期单项ESV中食物生产价值、原料生产价值、气体调节价值、气候调节价值、净化环境价值、土壤保持价值、维持养分循环价值、生物多样性价值、美学景观价值分别下降了3.9%，1.3%，1.7%，1.2%，0.7%，1.1%，2.2%，1.1%，0.9%。结合土地利用变化可知，以上ESV减少与耕地、林地、草地面积减少且大量转为建设用地相吻合。一般情景下，福建省2026年的ESV较2018年增加0.3%，但因耕地、林地、未利用地面积减少，三者ESV相较2018年分别下降了2.0%，0.5%，7.2%；草地和水域面积的增加使得二者的ESV分别增加0.8%，5.3%。耕地保护情景下，福建省2026年的ESV较2018年增加0.2%，林地和未利用地的ESV较2018年分别下降了0.5%，7.2%，草地和水域的ESV较2018年分别增加0.8%和5.3%。

图2 2000-2026年福建省各单项生态系统服务价值

表7 2000-2026年不同情景福建省生态系统服务价值 亿元

2.3 生态经济系统协调度时空演变

2000—2018年福建省生态经济系统总体表现为低度冲突的协调发展特征，在经济发展过程中土地利用变化引起生态环境效益降低。根据生态经济系统协调指数(EEHC)划分标准将2000—2018年各县域生态经济协调发展类型划分见图3，其中有3个县(区)为高度冲突区，2个县(区)为中度冲突区、40个县(区)为低度冲突区、17个县(区)为低度协调区、3个县(区)为高度协调区。福建省大部分县(区)环境经济发展协调类型呈低度冲突区与低度协调区，主要集中于内陆县(区)。沿海地带环境经济协调类型多样，与沿海地区经济发展不平衡，土地利用开发程度不同相关。其中漳浦县、连江县、平潭县为高度冲突区，区域环境经济发展不可持续；惠安县和罗源县为中度冲突区，区域环境经济发展不协调；平和县和云霄县以及东山县为高度协调区。

图3 福建省生态经济系统协调类型分布

2026年一般情景下，有17个县(区)处于低度冲突区，48个县(区)处于低度协调区。2018—2026年，生态经济系统协调类型弱化发展的县(区)有8个，其中平和县、云霄县、东山县由高度协调区转为低度协调区和低度冲突区，龙海市、福清市、宁德市辖区、霞浦县、松溪县等由低度协调区转为低度冲突区；生态经济系统协调类型协调发展的县(区)有39个，其中平潭县变化最为显著，由高度冲突区转变为低度协调区，生态经济系统逐渐恢复协调，而漳浦县、连江县则由高度冲突区转为低度冲突区，罗源县和惠安县由中度冲突区转为低度冲突区，德化县、南靖县等34个县(区)由低度冲突区转为低度协调区。耕地保护情景下，有19个县(区)为低度冲突区，46个县(区)为低度协调区。该情景下生态经济系统协调类型大致与一般情景下的类型相同，顺昌县、寿宁县、泉州市辖区和屏南县为低度冲突区；仙游县和长汀县为低度协调区。

2026年两种不同土地利用情景下，福建省整体生态经济系统均向好协调发展，生态经济系统协调发展特征均由低度冲突区转变为低度协调区，ESV与GDP同向正向增长，但ESV的增长速率并未大于GDP。在不同土地利用模拟情景中，福建省全域生态经济系统协调类型均只表现为低度冲突区与低度协调区两种类型，其中低度冲突区主要分布在东南沿海县(区)，而内陆县(区)主要以低度协调区为主。综上，在两种土地利用模拟情景下2018—2026年，福建省大部分县(区)的ESV增长速度落后于经济增长速度，部分县(区)ESV呈负增长，社会经济发展对生态系统造成一定的影响与破坏。因此，在生态省战略布局下，应适当加强对部分生态系统的保护，防止因土地利用类型变化造成生态系统进一步破坏。

3 讨论与结论

3.1 结 论

在回顾分析2000—2018年福建省土地利用变化、生态系统服务价值及生态经济系统协调类型的基础上，运用FLUS模型模拟2026年不同情景下福建省土地利用变化情况，计算未来福建省各地区的ESV，分析生态经济系统协调类型，主要结论如下：

(1) 2000—2018年，福建省耕地、林地、草地面积均减少，且大部分转为建设用地；土地利用变动较大的主要是厦漳泉经济圈与福州经济圈。2026年一般情景下，仍呈现林地、耕地向建设用地转变，而耕地保护情景下则是林地、草地向建设用地转变，两种情景下，建设用地面积均表现为大量增长趋势，水域面积小幅度增长。

(2) 2000—2018年，福建省ESV总体下降幅度为0.4%，其中耕地ESV下降幅度最大达7.7%，水域和未利用地分别上升10.3%和14.3%。2026年，一般情景的ESV略高于耕地保护情景，单项ESV中食物生产的ESV低于耕地保护情景。2000—2018年，福建省实施生态省战略初有成效，ESV一定程度上能够与GDP协调增长，但ESV仍有较大的增长空间，应该重点关注沿海经济发达地区的生态经济系统协调格局建设。因此，在社会发展规划与国土空间规划中要十分注重对耕地总量的控制和空间布局，科学保护耕地资源，提升粮食产量，维护区域粮食安全，保障经济和生态协调发展。

(3) 2000—2018年福建省生态经济系统协调类型为低度冲突，在2018—2026年将由低度冲突区向低度协调区转变。在未来一段时间内，各个县(区)的生态经济系统协调类型的多样性将减少，以低度冲突区和低度协调区为主，低度冲突区主要位于沿海县(区)，低度协调区主要位于内陆县(区)。福建省沿海地带是省内经济最为发达的地区，城镇化水平高，林地、水域等地类面积比内陆县(区)少，因此沿海地区的ESV基本上为负增长状态，所以呈现生态经济系统协调类型为低度冲突状态，未来在持续深入生态省战略的过程要注重生态系统的维护与保护，以确保生态系统服务功能正常供给。

综上，福建省在继续深入实施生态省战略的过程中应当要切实防控耕地非农化，严格控制林地、草地及水域向建设用地转变，合理规划城镇建设用地的发展边界。特别在沿海的县(区)要做好城镇内部绿色设施的建设，构建与城市圈生态经济系统相协调的发展格局。

3.2 讨 论

(1) 未来可基于土地利用变化的多样性，针对不同区域发展实际拓展不同情景的土地利用变化模拟，从而明确不同情景所适配的模拟模型，更加精确地分析未来土地利用变化情况，力求预测结果贴近现实发展。

(2) 预测未来的经济发展情况是现代社会中重要研究内容，本文基于历史GDP回归预测未来GDP以探讨未来EEHC的变化，未来研究可根据GDP增速在区间内的波动规律预测GDP增速。

(3) 本文基于100 m×100 m的栅格数据模拟土地利用变化，分析ESV与EEHC对土地利用变化的响应，但土地利用变化在不同的时空尺度上会呈现不同特性，未来可在多尺度下对模拟系数进行修正从而探究土地利用变化情况，分析EEH的尺度效应。