滨海城区土地利用格局时空演变及生态服务价值研究——以大连市旅顺口区为例

钱思彤，宋 飏，杨 俊，王士君

（1.东北师范大学 地理科学学院，吉林 长春130024；2.辽宁师范大学 人居环境研究中心，辽宁 大连116029）

随着我国社会经济的快速发展和城乡转型的不断推进，土地利用程度日渐加大，有限的土地资源承载着巨大的人口压力，不仅导致了人类生存环境的恶化，还影响了社会、经济、生态的协调发展［1-3］。党的十九大报告提出，要抓紧构建国土空间开发保护制度，充分发挥陆海统筹的战略引领作用，优化国土空间开发布局和严守生态保护红线已成为推动我国经济结构调整和生态文明建设的客观需要。

我国滨海城区生态禀赋和资源优势相对较好，但受到自然和人为因素的综合影响，生态系统较为脆弱［4］。明晰滨海城区生态系统服务价值对土地利用变化的响应机制，对于优化我国国土空间布局和生态系统服务质量提升具有重要作用。当前，亟需对滨海城区土地利用方式的转变及其呈现出的生态服务价值变化进行研究。

土地 利 用/覆 被 变 化（LUCC，Land Use Cover Change）探究由人类活动引起的土地利用方式的转变，是人类经济社会活动作用于资源和自然环境的综合反映，是生态经济系统的持续运动过程，与特定的经济和社会发展阶段相对应［5-7］。生态系统服务价值（ESV，Ecosystem Service Value）是通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务的具体量化反映［8］。生态服务价值对土地利用变化的响应是体现国土空间开发与生态价值变化二者间关系的方式之一。国内外学者针对这一方面的研究已取得了较多成果，但多数直接沿用了前人的方法和指标，缺乏对二者之间内部联系的探索，以及对区域生态建设实际应用问题的讨论［9］。杨勇、任志远选取斑块密度等指数，从生态学角度对关中地区土地利用类型及20 年内的土地流向进行了探究［10］；谢花林、刘黎明、李波等利用莫兰指数描述了土地利用变化的空间自相关，并建立了混合回归—空间自相关回归模型［11］；1977 年，Westman 提出了“自然服务”的概念［12］；1997 年，Daily 首次构建了生态系统服务框架［13］，Costanza 划分了全球生态系统服务功能，科学量化了对生态服务价值的估算，做出了深远的贡献［14］；欧阳志云、王如松首次评估了我国陆生系统的生态服务价值［15］；谢高地、张彩霞、张雷明等根据Costanza的研究进行了深入的推敲和考证，提供了科学的量化指标，建立了适用于我国实际情况的陆生系统服务价值表［16］；丁丽莲、王奇、陈欣等通过修正生态系统服务价值当量因子，对淀山湖地区土地利用变化及生态系统服务价值进行了分析［17］；郭椿阳、高尚、周伯燕等在格网尺度上分析了不同空间区位上生态服务价值增减的主要土地利用类型及原因［18］。目前国内相关研究的案例地区一般以内陆地区为主，研究尺度以沿海地区、沿海城市等大尺度居多，针对滨海城区这一特殊微观尺度的相关研究尚较少，在生态文明新时代的大背景下亟需深入开展［19-21］。根据《中国海洋年鉴》中的定义，沿海地区为有海岸线的地区，包括沿海省、自治区、直辖市；沿海城市为有海岸线的直辖市和地级市，包括直辖市、地级市及其辖区［22］。为了更好地区别沿海城市及其辖区，参考沿海地区和沿海城市两个概念，提出滨海城区的概念：具有一定海岸线，发展对海洋有依赖背景的沿海城市辖区。

本文研究了大连市旅顺口区2006—2015 年土地利用方式的时空变化情况，并对旅顺口区的生态服务价值进行了估算，分析了其时间尺度下的速度变化和空间格局的转变情况，并验证了生态服务价值对价值系数的敏感性。本文对特殊类型地域的生态服务价值研究具有一定的理论补充，为大连市旅顺口区社会经济发展、土地利用、生态保护等相关政策的制定提供科学依据，同时可供我国东北地区和其他滨海城区生态文明建设工作借鉴和参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

辽宁 省 大 连 市 旅 顺 口 区 地 处38°7′—39°N、120°8′—121°35′E，南北两端相距26.1km，东西贯穿31.2km，总面积约506.8km2，海岸线长约169.7km，辖12 个街道，距离市区32km；北依甘井子区，南与山东半岛遥相对望，西临渤海，东傍黄海；气候类型为北温带季风气候，四序分明；地貌类型以丘陵为主，地形构成为“六丘、半水、三分半田”，土地利用方式以旱地和水浇地为主。所在城市大连市是我国东北地区最大的港口城市，具有较高的生态环境价值禀赋和得天独厚的地理区位优势。旅顺口区是辽宁沿海经济带重点发展区域，同时作为国家级生态示范区，成为研究滨海城区土地利用方式转变和生态服务价值方面的典型代表。

1.2 数据来源

本文使用的基础数据主要包括大连市旅顺口区2006年、2009 年、2012 年、2015 年4 个时序的土地利用数据、行政区划图、社会经济数据等。在ENVI 软件支持下，对4 期土地利用遥感影像数据进行纠正、融合、拼接等预处理。在ArcGIS10.2 软件环境下，建立了图形和属性数据库，具体数据来源及说明见表1。

表1 数据来源及说明

本文在参照《土地利用现状分类》（GB/T 2101—2017）规范的基础上，结合研究区土地利用特点和实际情况，将旅顺口区土地利用类型分为6 个一级、24个二级分类类型。旅顺口区为滨海城区，在遥感影像解译的结果上，海盐制盐场和水域呈现出相同的水体特征，综合旅顺口区土地利用的实际情况，本文将海盐盐场划分至“水域”范围内，详细分类结果见表2。

表2 旅顺口区土地利用类型分类体系

1.3 研究方法

土地利用变化测算指标：土地利用变化幅度用以描述土地利用的总体形势及时序内地类结构的转变。本文通过计算各地类的面积、所占比重及其面积变化，分析各地类面积分布的变化情况。计算公式为：

式中，R为时序内地类面积改变的幅度；Ua为研究期初的面积；Ub为研究期末的面积。

土地利用变化速度，既可以定量描述某地类在一定时序内的面积变化速度，也可以概括区域土地利用总体情况。计算公式为：

式中，K为时序内地类的动态度；Ua为研究期初的面积；Ub为研究末期的面积；T 为时序间隔（本文中相邻时序间隔3 年，K为年变化率）。

土地利用矩阵可以详细并清楚地表达任意相邻时序内各土地利用类型之间的面积转换关系，本文使用ArcGIS的空间分析模块进行计算，通过生成二维表查看各个地类间相互转化的具体情况，从而明确整体土地利用变化具体数量情况。在实际应用中，土地利用转移矩阵常以二维表的形式体现，模型表达式为：

式中，i、j 分别为研究期初、研究期末的土地利用类型；Sij为由i类型转至j类型的土地利用面积；n为土地利用类型数量。

生态系统服务价值测算模型：本文参考Costanza对全球生态系统服务价值评估的研究［14］，结合谢高地、鲁春霞、冷允法等建立的中国陆地生态系统单位面积服务价值表［23］和辽宁省相关研究成果［24］，确立了旅顺口区各地类单位面积提供的价值（表3）。其中，林地、耕地、水域和未利用地分别对应谢高地研究成果中的森林、农田、水体、荒漠，园地和建设用地对应辽宁省相关研究成果中的园地和建设用地（建设用地以居民点及工矿用地、交通用地、建制镇在水源涵养和废物处理方面的价值为主）。计算公式为：

式中，ESV表示生态服务价值，单位：元；k 为6，表示地类数量；Ak为某时序第k 种地类的面积，单位：hm2；VC（Valuation Coefficient）是价值系数，即某种地类单位面积提供的价值，单位：元/hm2·a。

生态服务价值变化动态度，描述时序内地类的ESV 变化速度，有助于更加明确地探索局部的ESV动态变化情况。计算公式为：

式中，K为某时序内某种土地利用类型的生态服务价值动态度；ESVa为该地类在研究期初的生态服务价值；ESVb为该地类研究期末的生态服务价值；T 为时间跨度（本文中分段时序为3 年）。对于计算结果，如果K ＜0，表示ESV变化速度下降；如果K ＝0，表示ESV变化速度相对稳定，保持不变；如果K ＞0，表示ESV变化速度上升。根据辽宁省相关研究结果［24］，并结合旅顺口区的实际情况，将动态程度分为7 级：-0.35≤K ＜-0.25 为Ⅰ级，对应显著降低；-0.25≤K ＜- 0.15 为Ⅱ级，对应中度降低；-0.15≤K ＜0 为Ⅲ级，对应轻微降低；K ＝0 为Ⅳ级，对应无变化；0 ＜K≤0.15 为Ⅴ级，对应轻微增长；0.15 ＜K≤0.25 为Ⅵ级，对应中度增长；0.25 ＜K≤0.35为Ⅶ级，对应显著增长。旅顺口区各土地利用类型单位面积生态系统服务价值见表3。

表3 旅顺口区土地利用类型单位面积生态系统服务价值（元/hm2·a）

生态服务价值敏感性分析：弹性系数是描述相对时间内，相互具有某种内部联系的两个变量之间的依存关系［25］。本文引入弹性系数指标以检验2006—2015 年间旅顺口区不同土地利用类型的生态服务价值对于价值系数是否存在一定依存关系，并观察二者之间的依赖程度。计算公式为：

式中，CS为弹性指数；VCik为第k种地类调整前的价值系数；VCjk为调整后的价值系数；ESVi为ESV初值；ESVj为VC 调整（± 50%）后的值。对于计算结果，若CS ＞1，代表ESV 对VC 敏感，具有弹性；若CS ＜1，代表ESV对VC不敏感，弹性较低。

2 结果及分析

2.1 旅顺口区土地利用变化分析

土地利用数量变化（表4）：2006—2015 年，旅顺口区建设用地是唯一一个面积呈持续上升趋势的地类，在2006—2012 年内建设用地面积高速增长，2012年开始增速放缓，但总体增长幅度较大，基本体现了旅顺口区城市建设的实际情况；耕地面积呈下降速度不断放缓的减少趋势；林地面积变化略有增减但相对稳定；水域面积略有增加，主要集中于双岛湾街道和江西街道的交界位置，其中双岛湾街道、江西街道的坑塘水面、盐场面积有所增加；园地面积略有降低但变化不大；林地面积呈先上升后缓步下降的趋势，整体较为平稳。研究期初，旅顺口区处于城镇化进程加速期，各类用地之间转换较为迅速，建设用地扩张程度逐渐加大，由此造成了其他地类面积的持续降低。后期转换速度放缓，整体呈现出建设用地面积显著增加，而耕地和未利用地面积不断降低的变化特征。

表4 2006—2015年旅顺口区土地利用动态度

土地利用结构变化（图1）：旅顺口区全域面积为509.33km2。从一级地类来看，2015 年旅顺口区林地面积为202.13km2，占总面积的比例最大；建设用地面积为148.15km2，耕地面积为68.97km2，园地面积为38.28km2，水域面积为27.30km2，未利用地面积为24.50km2。从二级地类来看，有林地占林地面积为92.3%，比例最大；居民点在建设用地面积中占71.6%；耕地中以旱地为主，占65.3%；果园占园地面积的99.7%；沿海滩涂和坑塘水面分别占水域面积的48.5%和37.2%；裸地是未利用地中占比最高的二级类型。

本文通过对2006 年和2015 年旅顺口区土地利用现状图进行融合和叠置分析，建立了旅顺口区的土地利用转移矩阵（表5）。从土地转移方向上来看，耕地主要转向建设用地和林地，建设用地主要转向水域和未利用地，林地主要转向建设用地和未利用地，水域主要转向建设用地和未利用地，园地主要转向建设用地和耕地。从转移来源来看，耕地主要由园地和林地转移而来，建设用地主要由耕地和未利用地转移而来，林地主要由耕地和园地转来，未利用地主要由耕地和林地转移而来，水域主要由建设用地和未利用地转移而来，园地主要由耕地和林地转移而来。在6 种地类中，转向建设用地的面积最大、程度最剧烈，其次为水域、林地、未利用地、园地、耕地，耕地面积增加最少。

图1 2006—2015 年旅顺口区土地利用分布

表5 2006 年、2015 年旅顺口区土地利用类型面积转化情况（hm2）

2.2 生态服务价值估算及分析

生态服务价值估算：近10 年间，旅顺口区生态服务价值降低了5.63 亿元，整体呈现先增长再下降的趋势。2009 年旅顺口区生态服务价值最高，然后逐渐下降，到2012 年和2015 年生态服务价值保持稳定。其中，2006—2009 年是旅顺口区生态服务价值上升最为突出的阶段，2009—2012 年是生态服务价值下降最多的阶段。在所有地类中，林地对旅顺口区生态服务价值贡献最大，其他按供应价值由多至少分别为水域、耕地、园地、未利用地；水域是促进ESV增长最高的地类，“建设用地→林地”、“建设用地→耕地”是生态服务价值提升效率最高的两种转换方式。

2006—2015 年旅顺口区土地利用生态系统各服务功能价值变化见图2。

图2 2006—2015 年旅顺口区土地利用生态系统各服务功能价值变化

生态服务价值变化动态度分析（图3）：旅顺口区西部和东部地区由于水域面积较高，生态服务价值高于南部地区。2006—2009 年，旅顺口区生态服务价值增长最大，南部和西部地区水域增长的动态度显著上升。2009—2012 年，土地利用方式同比发生了较大程度改变，主要是由于城镇化进程的加速导致建设用地扩张，开发区建设投入加大，由其他地类转向建设用地的面积增加，使得研究区东部和西部地区生态服务价值有所降低。2012—2015 年，动态度同比变化不大，趋于稳定，这也符合旅顺经济开发区发展建设20 年的历史背景和固定资产投入趋于稳定，经济发展逐步提升的阶段特点。

图3 2006—2015 年旅顺口区土地利用生态服务价值变化动态度

生态系统敏感性分析：本文在计算生态系统敏感性时分别把各地类的价值系数增加/削减了50%，通过改变1%的生态价值系数观察整体生态价值的变化情况。从图4 可见，除林地外，其他地类敏感性指数均小于1，因此林地VC对于旅顺口区的整体生态服务价值具有弹性，由林地价值系数的增加使生态服务价值达到最高值0.89。即当林地的价值系数相对改变了1%时，生态服务价值将相应增加0.981%—1.004%。原因是：林地的单位面积生态系统服务价值较高，且研究区林地面积占比最大，对整体生态价值贡献较高。

图4 旅顺口区ESV价值敏感系数分布

3 结论与讨论

3.1 结论

本文以大连市旅顺口区作为滨海城区的案例，以2006 年、2009 年、2012 年、2015 年4 期土地利用数据为基础，通过测算土地利用变化速度，应用生态服务价值变化动态度等指标分析了2006—2015 年旅顺口区土地利用变化的时空格局，综合讨论了土地利用变化对生态服务价值的影响，得出以下主要结论：①2006—2015 年，旅顺口区为适应城市发展，土地利用在数量和结构上有了相应的转变。其中，耕地面积降低最多，水域和建设用地面积增长十分明显，林地面积涨幅不大，耕地和未利用地面积降低比较显著，园地面积略有降低。研究期初旅顺口区各类土地转换迅速，以建设用地、水域面积的增长和耕地数量的降低最为明显，在2009 年至研究期末各地类面积以微弱的增减幅度上下波动，总体呈现由未利用地、耕地、园地转至建设用地的趋势。②近10年间，旅顺口区的总体生态服务价值降低了5.63亿元，其中2006—2009 年是旅顺口区生态服务价值上升最为突出的阶段，2009—2012 年是生态服务价值下降最多的阶段。空间分布上，西部和东部地区生态服务价值高于南部；水域是促进生态服务价值增长最高的地类，“建设用地→林地”、“建设用地→耕地”是生态服务价值提升效率最高的转换类型。③在本研究的6 种一级地类中，只有林地的敏感性指数＞1，说明林地的价值系数对于旅顺口区的整体生态服务价值具有弹性，同时说明研究区生态系统服务价值缺乏弹性。④旅顺口区作为滨海城区，与其他辖区相比，水域资源和林地资源优势明显，整体生态服务价值较高，但伴随着围填海、海洋资源开发等人类活动对海洋生态系统服务的需求逐渐加大，生态系统较为脆弱。

3.2 讨论

本文将旅顺口区作为滨海城区的研究范例，综合讨论了滨海城区生态服务价值对土地利用变化的响应情况。近10 年间，旅顺口区土地利用结构在各地类之间不断转化的同时，呈现出由建设用地不断扩张造成耕地、水域等面积收缩，直接导致生态服务价值持续下降。因此，亟需优化土地利用结构，控制建设用地蔓延扩张，提升土地利用效率，实施生态空间生态保育工程，提升生态服务价值总量，加强人工干预以提升全域生态服务价值，持续推进人居条件与生态环境同步建设。本文沿用了已有的土地利用转移矩阵等研究方法，但对于滨海城区这一特殊微观研究区域的适用程度需进一步验证。此外，本文没有对土地利用和生态服务价值两者空间相互作用关系和变化机制的探索，缺乏结合社会经济等影响因素的分析。下一步的研究将在新常态视角下探讨二者之间的内部联系和变化机制，重点关注ESV 的空间热点变化，通过与其他滨海城区进行横向对比，总结其特点和一般规律。