山东省土地利用变化的生态系统服务交叉敏感性评价

关 梅 张文信 蒋海明 路 昌 葛艺冰 董光龙*

(1.山东省国土空间规划院，济南 250014； 2.山东建筑大学 管理工程学院，济南 250101)

世界各国经历了或正在经历着快速的城镇化过程，预计至2050年将有2/3的人口生活在城镇地区。中国作为发展中国家，经历了史无前例的城镇化过程，城镇化率由1978年的17.92%提升至2020年的63.89%。社会经济转型发展以土地利用转型为空间载体，随着快速的城镇化过程，城镇空间迅速扩张，不可避免地占用农业空间和生态空间。剧烈的土地利用转型还造成了大气污染、城市热岛、生物多样性降低、人居质量下降等生态环境问题。土地利用转型与生态环境保护失调日益凸显。在“高速增长”到“高质量发展”的社会经济转型背景下，面对人民对美好生活的向往与追求，系统、科学地揭示土地利用转型的生态敏感性，有助于优化国土空间格局，保护生态环境。

土地利用变化不仅会显著改变土地利用结构、功能和景观格局，而且与生态系统服务功能密切相关，是生态系统服务敏感性的重要影响因素。生态系统服务敏感性是指生态系统对自然和人类活动干扰的敏感程度，敏感度越高，发生生态环境问题的可能性越大，因此常被用来衡量土地利用变化的生态环境效应。传统生态系统服务敏感性分析通常采用Kreuter提出的敏感性系数评估生态服务价值对当量因子的敏感性。该方法主要是考虑到在当量因子测算过程中，直接赋予各种生物量价值系数的不确定性，通过调整价值系数，评估生态系统服务价值测算的敏感度，实质上是检验生态系统服务价值当量因子的合理性，无法反映土地利用变化对生态系统服务价值的影响。Aschonitis等通过简单的微积分计算，证明了传统敏感性系数取值范围为0～1，进而指出生态系统服务价值的传统敏感性系数存在错误应用和解读。已有研究进一步构建了交叉敏感性系数，用来定量评估生态服务价值对土地利用变化的敏感性。该方法考虑不同土地利用类型之间的净变化，能够更好的反映土地利用变化对生态系统服务价值的影响。朱昌丽等将该方法应用到闽江上游地区，研究发现森林和水域、草地和水域相互转换的生态系统服务价值交叉敏感性最高。在雄安新区，水域、湿地、耕地和建设用地向其他地类转型对生态系统服务价值的影响均较为敏感。然而，研究表明交叉敏感性系数在基期的选择上存在一定的偏差，偏离了弹性系数的基本内涵。路昌等进一步改进了交叉敏感性系数，用以衡量2种地类之间净转型引起的生态服务价值变化对生态服务价值总量变化的影响。

山东省是中国的人口大省和经济强省。近年来，随着城镇化和工业化的快速推进，山东省土地利用冲突明显，土地利用结构和功能变化显著，引发了空气质量下降、三生空间冲突、生态空间缩小等一系列生态环境问题。土地利用净变化是导致生态系统服务价值变化的主要原因，而生态系统服务交叉敏感性系数能够较好的反映土地利用变化对生态系统服务价值的影响，但土地利用变化的生态系统服务敏感性评价仍有待进一步探讨。因此，本研究拟以山东省2009年、2015年和2020年3期土地利用数据为依据，定量化探明2009—2020年山东省土地利用变化格局，测算生态服务价值，并在此基础上进一步探析土地利用变化的生态系统服务交叉敏感性，划分生态敏感区，以期为优化山东省国土空间格局、实现高质量发展提供科学参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

山东省位于中国东部沿海，中部山地突起，西部属华北平原，东部为低山丘陵，整体上呈现出“中部高四周低”的地貌格局(图1)；气候属暖温带季风气候类型。降水集中，雨热同季，年平均气温11～14 ℃。截至2020年底，山东省下辖16个地级市，包括137个县级行政单元，土地总面积为1.58×10km，总人口突破1 亿，达1.02 亿，城镇化水平达63.05%，GDP高达73 129亿元。近年来，随着“建设山东新旧动能转换综合实验区”、“打造乡村振兴齐鲁样板”、“黄河流域生态保护和高质量发展”等战略措施的实施，山东省迎来新的发展机遇，与此同时生态环境保护也将面临更为严峻的挑战。

1.2 数据来源及预处理

山东省2009年、2015年和2020年3期土地利用数据，来源于山东省土地利用变更调查数据库，由山东省土地调查规划院提供。本研究基于土地利用变更调查的三级分类，进一步将山东省土地利用类型整合为森林、草地、农田、湿地、水域、荒漠和建设用地等7种地类(表1和2)。考虑到土地利用变更调查数据图斑细碎、数量大、属性多等特点，使得覆盖山东省的矢量数据太大，难以处理。因此，借助ArcGIS 10.5软件，在充分利用土地利用调查数据高精度特征的基础上，参考土地利用数据的常用空间分辨率，结合山东省地域范围大小，将整合地类后的土地利用变更调查矢量数据转换为空间分辨率为30米的栅格数据，以方便后续处理。

图1 研究区域地理位置图Fig.1 Geographical location map of the study area

表1 基于第二次全国土地调查的土地利用类型划分
Table 1 Land use type classification based on the second national land survey

重分类Reclassification土地利用类型Land use type农田 Farmland水田、水浇地和旱地森林 Forest有林地、灌木林地、其他林地、果园、茶园和其他园地草地 Grassland天然牧草地、人工牧草地和其他草地建设用地Construction land批发零售用地、住宿餐饮用地、商务金融用地、其他商服用地、工业用地、采矿用地、仓储用地、城镇住宅用地、农村宅基地、机关团体用地、新闻出版用地、科教用地、医卫慈善用地、文体娱乐用地、公共设施用地、公园与绿地、风景名胜设施用地、军事设施用地、使领馆用地、监教场所用地、宗教用地、殡葬用地、铁路用地、公路用地、街巷用地、农村道路、机场用地、港口码头用地、管道运输用地和水工建筑用地湿地 Wetland沿海滩涂、内陆滩涂和沼泽地水域 Water河流水面、湖泊水面、水库水面、坑塘水面和沟渠荒漠 Desert盐田、设施农用地、田坎、空闲地、冰川及永久积雪、盐碱地、沙地和裸地

2 研究方法

2.1 生态服务价值测算模型

参考全球生态服务价值估算模型，谢高地等制定了更加符合中国实际情况的当量因子表及区域修正系数。据此，可得山东省森林、农田等各地类的当量因子。结合土地利用数据，根据以下公式估算山东省2009年、2015年和2020年生态服务价值。

ESV=∑(

A

×VC)

(1)

式中：ESV为生态服务价值，元；

A

为第

k

种地类的面积，km；VC为第

k

种地类的生态服务价值当量因子。一般而言，生态系统服务通常划分为气体调节、气候调节、水源涵养、土壤形成与保护、废物处理、生物多样性维持、食物生产、原材料生产、休闲娱乐等9类，各类均有相应当量因子，本研究中的VC为以上9类生态系统服务当量因子之和。

表2 基于第三次全国国土调查的土地利用类型划分
Table 2 Land use type classification based on the third national land survey

重分类结果Reclassificationresult土地利用类型Land use type农田 Farmland水田、水浇地和旱地森林 Forest果园、茶园、橡胶园、其他园地、乔木竹林、竹林地、灌木林地和其他林地草地 Grassland天然牧草地、人工牧草地和其他草地建设用地Construction land零售商业用地、批发市场用地、餐饮用地、旅馆用地、商务金融用地、娱乐用地、其他商服用地、工业用地、采矿用地、仓储用地、城镇住宅用地、农村宅基地、机关团体、新闻出版用地、科研用地、教育用地、文化设施用地、医疗卫生用地、社会福利用地、体育用地、公用设施用地、公园与绿地、军事设施用地、使领馆用地、监教场所用地、宗教用地、殡葬用地、风景名胜设施用地、铁路用地、轨道交通用地、公路用地、城镇村道路用地、交通服务场站用地、农村道路、机场用地、港口码头用地、管道运输用地和水工建筑用地湿地 Wetland森林沼泽、灌丛沼泽、沼泽草地、红树林地、沿海滩涂、内陆滩涂和沼泽地水域 Water河流水面、湖泊水面、水库水面、坑塘水面和沟渠荒漠 Desert盐田、设施农用地、田坎、空闲地、冰川及永久积雪、盐碱地、沙地、裸土地和裸岩石砾地

2.2 交叉敏感性系数

交叉敏感性系数反映的是生态服务价值总量对地类间土地利用变化所引起的生态服务价值变化的敏感程度。需要说明的是，土地利用变化是具有方向性的。例如，森林与农田之间的转换，既存在森林向农田的转换，又存在农田向森林的转换。这种双向的转换可能因地理位置的不同，而导致生态服务价值变化量的不同。但当研究区域较小时，依据谢高地等提出的生态服务价值估算模型，等量的双向转换可以相互抵消。因此，参考相关研究，采用改进的交叉敏感性系数(Coefficient of improved cross-sensitivity, CICS)，衡量土地利用变化的生态系统服务交叉敏感性，即2种地类间净转换所引起的生态服务价值变化对生态服务价值总量变化的影响。其公式如下：

(2)

式中：CICS为

k

地类转化为

l

地类的交叉敏感性系数；VC为修改后的

l

地类的生态服务价值当量因子；Δ

A

为

k

地类与

l

地类的净转型面积，km；Δ

P

为生态服务价值变化总量，元。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化特征

由图2可知，2009—2020年山东省土地利用方式、结构和布局相对稳定。农田、森林和建设用地是山东省主要的土地利用方式，三者占山东省土地总面积的比例在85%左右。农田空间分布范围较广，在全省范围均有分布，受地形等因素的影响，在鲁西平原地区集中连片分布；森林在鲁中山区和鲁东丘陵地区分布较为集中；建设用地呈满天星状分散在各地，在城镇地区规模相对较大。

图2 山东省土地利用空间分布格局Fig.2 Spatial distribution pattern of land use in Shandong Province

山东省土地利用变化明显，尤其是农田、森林和建设用地之间的转换。其中：农田、草地、湿地和荒漠等呈减少趋势，农田减少了1.77万km，显著大于其他类型，主要流向了森林、建设用地和水域；森林、建设用地和水域呈增加趋势，森林增加最多，达1.63万km，主要由农田、草地和建设用地转入，建设用地次之，为0.57万km，主要由农田和森林转入。主要结果有：1)2009—2015年，土地利用变化相对较为平稳。农田、森林、草地和湿地面积减少，建设用地面积增加，水域和荒漠面积基本稳定。其中，变化最为剧烈的为建设用地，其面积增加了0.18万km，主要由农田、森林和水域转入；而面积减少最多的为森林，为0.07万km，主要流向了农田和建设用地；农田面积减少次之，为0.06万km，主要转化为建设用地和森林；2)2015—2020年，土地利用变化较为剧烈。森林、建设用地和水域等用地面积呈增加态势，森林增长幅度最大，为1.68万km，主要由农田和草地转入；建设用地次之，增加了0.39万km，主要由农田、森林和荒漠转入。农田、草地、湿地和荒漠等呈减少态势，农田减少幅度最大，达1.71万km，主要流向森林、建设用地和水域等；荒漠次之，减少了0.29万km，主要转向森林和建设用地。

3.2 生态系统服务价值时空变化特征

2009—2020年山东省生态系统服务价值的时空分布特征见图3。2009—2015年，135个县级行政单元ESV减小；2015—2020年，129个县级行政单元ESV增加，所占比例高达94.16%。整体来看，山东省ESV总量呈现研究前期小幅减小，研究后期大幅增加的趋势，由2009年3 919.89亿元降低至2015年3 667.57亿元，再增加至2020年4 617.29亿元，增加了697.40亿元，主要是湿地和水域面积增长所致。山东省ESV的空间分布受地形、区位等因素影响较大，鲁中南山地丘陵地区、鲁东丘陵地区、黄河三角洲地区的ESV整体较高，西部平原区相对较低。具体而言，研究期间ESV高值区(60.01～186.57亿元)主要分布在栖霞市、平度市、微山县以及黄河三角洲地区，这些区域水域和湿地等生态用地分布广泛，受人类活动干扰较少；ESV中值区(30.01～45.00亿元)和中高值区(45.01～60.00亿元)分布广泛，且范围逐渐扩大，主要分布在鲁中山地丘陵和胶东半岛北部地区；ESV低值区(0.00～15.00亿元)和中低值区(15.01～30.00亿元)主要集中在鲁西平原地区，作为粮食主产区，农田众多且连片度高，生态用地规模较少，是区域生态系统服务价值偏低的主要原因。

图3 2009—2020年山东省生态服务价值时空变化Fig.3 Spatial and temporal changes of ecological service value in Shandong Province from 2009 to 2020

3.3 交叉敏感性分析

山东省土地利用变化的生态系统服务交叉敏感性系数见图4。可知：2009—2015年，生态服务价值总量对水域、森林、农田向建设用地的转换均较为敏感，CICS绝对值分别为2.26、2.22和1.3；2015—2020年，最敏感的是农田向森林转换所引起的生态服务价值变化，其次是农田向水域转换所引起的生态服务价值变化，交叉敏感性系数均大于1；而草地、湿地、荒漠向其他地类转换的交叉敏感性系数均较低。主要结果如下：

1)农田与其他地类转换的交叉敏感性。研究期间农田与森林、水域、荒漠的CICS均为负值，表明农田与上述地类的转换对ESV的变化起抑制作用。农田和森林之间转换的CICS绝对值由1.27升至6.11，生态服务系统对此类转换最为敏感且敏感性逐渐增强。农田和草地之间转换的CICS绝对值由0.51降低到0.10，生态服务系统对此类转换缺乏敏感且敏感性降低。农田和水域间转换的CICS绝对值由0.37升至3.07，生态服务系统对此类转换较为敏感，且对ESV变化抑制作用加强。农田和湿地之间的转换对ESV的变化由抑制作用转为促进作用。农田和建设用地之间转换的CICS绝对值由1.30降低到0.34，表明随着耕地保护力度加强，生态服务系统对此类转换敏感性逐渐减弱。农田与荒漠之间转换的CICS绝对值均小于0.1，生态服务系统对该类转换较不敏感。

2)森林与其他地类转换的交叉敏感性。森林和草地之间转换的CICS绝对值由0.003升至0.49，生态服务系统对此类转换敏感性增强。森林和水域之间转换的CICS由0.09增加到0.31，生态服务系统对此类转换敏感性增强但仍较不敏感。森林和湿地之间转换的CICS由0.01变化至-0.01，生态服务系统对此类转换缺乏敏感性，森林和湿地之间的净变化对ESV的变化由促进转为抑制作用。森林和建设用地之间转换的CICS绝对值由2.12降低至0.26，生态服务系统对此类转换敏感性由较为敏感转为较不敏感，表明前期建设用地急剧增加占用大量森林，后期森林保护力度增强。森林和荒漠之间转换的CICS绝对值由0.44升至0.50，生态服务系统对此类转换敏感性小幅增强，但敏感性仍较弱。

图4 山东省土地利用变化的生态系统服务交叉敏感性系数Fig.4 Cross-sensitivity coefficient of land use transition in Shandong Province

3)草地与其他地类转换的交叉敏感性。草地、湿地和水域之间转换的CICS绝对值均小于0.1，生态服务系统对这些转换均较不敏感。草地与建设用地之间转换表现为草地转向建设用地，CICS由-0.37变化至-0.05，表明草地与建设用地之间转换对ESV的变化起抑制作用，且生态服务系统对此类转换敏感性逐渐降低。草地和荒漠之间转换的CICS绝对值由0.05增加至0.17，生态服务系统对此类转换敏感性略有提高，但感敏性仍较低。

4)水域与其他地类转换的交叉敏感性。水域和湿地之间转换的CICS绝对值由0.07升至0.14，总体来看生态服务系统对此类转换缺乏敏感性。水域和建设用地之间转换的CICS绝对值由2.26降至0.56，生态服务系统对此类转换敏感性减弱但仍较为敏感，表明建设用地扩张占用水域现象较为严重。水域和荒漠之间转换的CICS由-0.34变化至-0.89，生态服务系统对此类转换敏感性增强，并保持对ESV抑制作用不变。

5)湿地与其他地类转换的交叉敏感性。湿地与建设用地之间转换的CICS由-0.35增加为0.55，对ESV的变化起到先抑制后促进的作用；湿地和荒漠之间转换的CICS由-0.33增加为-0.15；生态服务系统对湿地与建设用地、湿地与荒漠之间转换均缺乏敏感性。

6)建设用地与其他地类转换的交叉敏感性。建设用地与荒漠之间转换的CICS由-0.03增加至0.02，先抑制后促进ESV的增加。

3.4 交叉敏感性分区

为进一步分析山东省各变化类型生态服务敏感性时空分布特征，在所有土地利用变化类型中，选取土地利用变化生态系统服务交叉敏感性较高的类型，并在县域尺度上分别测算相应交叉敏感性。在此基础上，借助ArcGIS软件，采用自然断点法，将山东省土地利用变化的生态系统服务交叉敏感性划分为高生态敏感区、中生态敏感区、低生态敏感区和非生态敏感区等4个分区，结果见图5。

1)农田和森林之间转换，低生态敏感区所占比例最大，占总面积的52.24%，在鲁中南山地丘陵区和鲁东丘陵地区集中连片分布。非生态敏感区面积次之，占总面积的37.37%，主要分布在鲁西平原区。中生态敏感区分布范围较小，面积所占比例为9.27%。仅沾化区为高生态敏感区，面积最小，所占比例仅为1.10%。研究期间，山东省出台多项保护和改善生态环境的政策法规，退耕还林效果显著，一定程度上扭转生态环境退化现象，促进了生态环境质量向良好方向发展；

2)农田与水域之间转换主要为农田转向水域，非生态敏感区面积最大，占总面积的53.84%。仅沾化区和寿光市为高生态敏感区，分布范围最小，仅占总面积的2.56%。养殖收入明显高于种植收入，为寻求更高的经济利益，大量农田被改建为坑塘和水池等用作养殖，导致农田面积减少、水域面积增加。中、低生态敏感区在空间分布上彼此邻接，二者共占41.74%，集中分布在鲁西平原区；

3)水域与荒漠之间转换主要为荒漠转为水域，其中高生态敏感区和中生态敏感区仅分布在滨州市和东营市，分布范围较小，分别占总面积的4.6%和4.48%。低生态敏感区所占比例为10.87%，在鲁西北平原区分布相对较为集中。非生态敏感区分布面积最广，约为总面积的79.99%，无净转换区所占比例最小为0.06%；

图5 山东省土地利用变化交叉敏感性分区Fig.5 Cross-sensitive zoning for land usechange in Shandong Province

4)水域与建设用地之间转换主要是由水域转变为建设用地，非生态敏感区分布较广，其他类型生态敏感区零星分布。其中，高生态敏感区和中生态敏感区集中分布在黄河三角洲地区，分别占总面积的1.49%和4.13%，低生态敏感区零星分布在北部和东部沿海地区；

5)湿地和建设用地间转换以非生态敏感区为主，所占比例高达92.82%。中、低生态敏感区零星分布，面积比例分别为1.47%和1.27%；仅沾化县为高生态敏感区，面积所占比例最低为1.10%。这一方面是由于各地区对湿地资源保护的重视，另一方面是由于建设用地与湿地资源在空间上的分离性；

6)森林与草地之间转换主要为草地向森林转型，非生态敏感区分布范围最广，分布在鲁中南山地丘陵地区和胶东半岛丘陵地区之外的大部分地区，占总面积的64.14%。低生态敏感区分布在鲁中山地丘陵地区和胶东半岛地区，中生态敏感区主要分布在鲁中地区，占总面积的7.77%。高生态敏感区面积范围最小，仅占总面积的0.48%，分布在烟台市北部。

4 讨论与结论

4.1 讨论

山东省土地利用变化前期(2009—2015年)平稳，后期(2015—2020年)剧烈。这主要与中国的城镇化发展有关，过去10年山东省经历了快速的城镇化过程，城镇化率由2009年的48.32%增加至2020年的63.89%，城镇人口增加了1 639.31 万人，大量人口涌入城市，城镇建设用地需求随之猛增，导致建设用地不断扩张甚至蔓延，而农田和城镇在空间上具有紧邻性，因此城镇的扩张不可避免的占用部分农田。与此同时，乡村人口减少，乡村劳动力主体流失，加上乡村土地流转制度不完善，农户自发的将部分农田转为森林利用。25 度以上的坡耕地和生态环境敏感地区实施的政策性退耕还林，也是农田与森林之间转换利用的主要原因之一。另外，近年来随着“绿水青山就是金山银山、山水林田湖草是生命共同体”等理念的贯彻落实和深入人心，山东省采取“废弃矿山复绿”等行动措施，大力开展了国土空间生态修复，进一步促进了森林覆盖率的提升。值得说明的是，2015—2020年土地利用剧烈变化还与第三次国土调查与之前土地利用变更调查在技术方法等方面的差异有关。

2009—2020年，山东省土地利用变化的生态交叉敏感性较高的分别为农田向森林、农田向水域、水域向荒漠、水域向建设用地、湿地向建设用地的转换。一方面，研究前期城镇化进程快速推进，建设用地扩张占用大量农田，经济发展与生态安全之间矛盾突出；另一方面，研究后期退耕还林还湿等生态建设工程效果显著，水域、森林面积大量增加，生态系统服务价值明显增加。综上可知，建设用地扩张以及退耕还林还湿等政策的变化是土地利用变化下生态交叉敏感性的重要影响因素。因此，山东省应统筹考虑城乡发展、粮食安全与生态安全，着眼未来，结合“碳达峰、碳中和”等目标，制定符合当前发展阶段的土地利用政策，科学划定城乡发展边界、永久基本农田保护红线、生态保护红线，施行更严格的土地用途管制制度，禁止建设用地随意扩张占用耕地和生态空间，通过城市更新、低效用地再利用等手段，控制增量、挖潜存量、鼓励减量、提效流量，合理控制建设用地扩张，提高土地利用效率，加强水域、湿地及森林等生态用地的保护，提升生境质量，提高生态用地之间的连通性，构建良好的生态安全格局，促进生态系统向良性循环方向发展，维持生态系统服务功能的完整与稳定。

受数据所限，本研究仅选取2009年、2015年、2020年山东省3期土地利用数据对土地利用变化及生态系统服务交叉敏感性进行了初步分析，鉴于土地利用转型的长期性，有必要选取长期连续年份的数据加以精确分析。此外，本研究在县域尺度上，对评价结果进行了统计分析，将来可尝试在格网尺度上进行分析，结合生态系统服务功能重要性以及土地利用冲突，构建生态安全格局，优化国土空间，以期为相关实践提供更加精准的参考。

4.2 结论

本研究主要结论如下：

1)研究期间，山东省土地利用方式、结构和布局相对稳定，农田、森林和建设用地是山东省主要的土地利用方式，农田面积分布最广。受城镇化和相关政策的影响，山东省土地利用变化明显，尤其是农田、森林和建设用地之间的转换，农田面积减少，森林、建设用地面积增加；

2)2009—2020年，山东省生态服务价值先小幅下降，后大幅度升高，生态环境呈良好发展趋势。但山东省生态服务价值空间分布区域差异较大，受地形和区位等因素影响，鲁中南山地丘陵地区、鲁东丘陵地区、黄河三角洲地区的生态服务价值整体较高，西部平原区的生态服务价值较低；

3)山东省土地利用变化的生态系统服务交叉敏感性受城镇扩张和退耕还林还湿等相关政策的影响较大，2009—2015年，水域、森林、农田向建设用地的转换均较为敏感；2015—2020年，农田向森林和水域转换较为敏感。