山東省土地利用變化及其對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響

尹登玉, 張全景,2, 翟騰騰

(1.曲阜師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院, 山東 日照 276826; 2.曲阜師范大學(xué) 土地研究中心, 山東 日照 276826)

土地利用變化作為全球環(huán)境變化的重要內(nèi)容，對土地資源的合理配置、生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定發(fā)展、人類生產(chǎn)生活等都帶來很大的影響[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指的是生態(tài)系統(tǒng)用來維持人類生存與發(fā)展所需要的各種環(huán)境條件和效益[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與土地利用實質(zhì)上是相互制約和影響的矛盾統(tǒng)一體[3]，因此通過計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，將兩者聯(lián)系起來，對生態(tài)環(huán)境建設(shè)、區(qū)域可持續(xù)利用都具有重要的意義。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值作為對區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能強弱的評價標(biāo)準，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[4]。國外學(xué)者最早開展了對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究，主要集中在相關(guān)理論、生態(tài)服務(wù)價值計算方法等方面。Coatanza等[5]主要研究了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的計算方法，系統(tǒng)分析了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化；Carpenter等[6]研究認為土地利用方式的不同會改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和過程，進而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能；Ronnback[7]和Bolund等[8]揭示了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的概念，并對生態(tài)服務(wù)價值的估算方法進行了完善。自20世紀80年代末起，國內(nèi)學(xué)者借鑒國外學(xué)者的相關(guān)研究成果，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值展開了研究。謝高地等[9]認為Coatanza在估算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時有很多缺點，在參考相關(guān)有益成果之上，經(jīng)過大量調(diào)查，測算出中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)；歐陽志云等[10]主要對中國生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的生態(tài)經(jīng)濟價值進行了評估；李全等[11]以遙感影像和梯度分析為基礎(chǔ)，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的空間分布格局特征進行了系統(tǒng)分析；陳婧祎等[12]分析了研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值與社會經(jīng)濟的時空變化特征，并結(jié)合空間自相關(guān)分析方法探討兩者的空間自相關(guān)關(guān)系。

綜上所述，諸多學(xué)者選擇從不同的研究視角，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的特征做出大量分析。但對于從省級尺度和考慮建設(shè)用地的生態(tài)服務(wù)價值角度進行研究的較少，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空格局演變特征也缺乏綜合考慮[13]。山東省是中國重要的沿海城市，經(jīng)濟發(fā)達，土地利用程度高，生態(tài)系統(tǒng)有多種類型，但由于人類活動的增加使得土地利用變化對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生很大影響，出現(xiàn)土壤侵蝕、土地退化、水土流失等生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能帶來負影響。因此，本文擬參考Costanza和謝高地等人的研究，利用GIS技術(shù)獲取1995，2005，2015年土地利用類型數(shù)據(jù)，結(jié)合山東省實際生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)，分析區(qū)域土地利用變化下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空演變特征，以期為優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)、提高生態(tài)效益、促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

山東省地理位置位于北緯34°22.9′—38°24.1′，東經(jīng)114°47.5′—122°42.3′，山東省土地總面積約為1.57×107hm2，占全國土地總面積的1.63%左右。其地勢較為復(fù)雜，中部多為山地、東部為丘陵，西部和北部為平原。省內(nèi)氣候?qū)儆谂瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候，降水多集中在夏季，春秋比較短暫，冬夏時間長。全省現(xiàn)轄濟南、青島、淄博、濱州等17個地級市，31個縣級市，49個市轄區(qū)。山東省經(jīng)濟發(fā)達并且發(fā)展迅速，在全國經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展中具有十分重要的戰(zhàn)略地位。截至2015年末，山東省常住人口達到9.85×107人，生產(chǎn)總值為6.30×1012元，人均生產(chǎn)總值約63 981.24元。全省城鎮(zhèn)化、工業(yè)化水平比較高，人類活動導(dǎo)致土地結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，勢必會對生態(tài)系統(tǒng)空間分布格局影響重大。因此分析山東省土地利用結(jié)構(gòu)變化及其帶來的生態(tài)環(huán)境問題對于中國和區(qū)域生態(tài)安全、糧食安全等都具有重要意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源

山東省1995年，2005年，2015年土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)，數(shù)據(jù)的生產(chǎn)主要以各期Landsat TM/ETM遙感影像為數(shù)據(jù)源，通過人工目視解譯生成1 km的土地利用數(shù)據(jù)。首先用reclassify 工具對土地利用類型進行重分類，對于提取的地類賦值為1，其他地類賦值為Nodata。按照不同的分區(qū)進行統(tǒng)計，統(tǒng)計出山東省17個地市的地類數(shù)據(jù)。綜合考慮研究區(qū)狀況，將土地利用類型進行統(tǒng)一分類，共有耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地等6類土地。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于《山東省統(tǒng)計年鑒》和《中國統(tǒng)計年鑒》。

2 研究方法

2.1 土地利用動態(tài)度

為能更好的衡量區(qū)域土地利用類型的變化，本文引入單一土地利用動態(tài)度。單一土地利用動態(tài)度可以定量描述研究區(qū)一定時期內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化[14]，其值越低，表明土地系統(tǒng)內(nèi)部越穩(wěn)定，其表達式為：

(1)

式中：K——某種地類在研究期內(nèi)的動態(tài)度；Ua，Ub——某種用地類型在研究初期和期末的數(shù)量；T——研究時長，當(dāng)T為具體某一年份時，K為某種地類在該年的變化率。

2.2 土地利用程度綜合指數(shù)

本研究主要是依照劉紀遠提出的土地利用程度分類方法，將土地利用程度分為若干等級，并對等級指數(shù)進行賦值[15]，計算出土地利用程度綜合指數(shù)，其公式如下：

(2)

式中：L——研究區(qū)內(nèi)土地利用程度綜合指數(shù)；A——研究區(qū)域內(nèi)土地利用類型的分級指數(shù)；C——第i種地類面積所占總面積的比例(%)；i——研究區(qū)域內(nèi)土地利用程度分級的個數(shù)。下同。

2.3 土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度

土地利用信息熵值的大小主要用來衡量土地利用結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和有序狀況[16]，其中，信息熵的值越低，代表土地利用系統(tǒng)的有序度越高，反之，有序度則越低。

(3)

式中：pi——第i類土地利用類型的面積占土地總面積的比例(%)。

為了能更好的反映研究區(qū)內(nèi)土地利用的結(jié)構(gòu)與規(guī)模變化的基本規(guī)律，本文在信息熵的基礎(chǔ)上引入了均衡度這個概念，并建立區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度計算模型如下：

(4)

式中：E——土地利用結(jié)構(gòu)的均衡度;m——土地利用類型的數(shù)量，E值的取值范圍在0～1之間。

2.4 土地利用生態(tài)服務(wù)價值估算方法

(1) 單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的計算。Costanza等[17]提出的生態(tài)服務(wù)價值評價方法存在很多缺點，并不適合一些地區(qū)某些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的研究。因此，本研究參考謝高地等[9]基于問卷調(diào)查的中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子表，根據(jù)山東省實際情況對系數(shù)進行修正，以方便下一步對生態(tài)效應(yīng)進行分析。修正過程如下：依據(jù)山東省統(tǒng)計年鑒可以計算出山東省1995—2015年糧食平均產(chǎn)量為5 655.86 kg/hm2，根據(jù)山東省糧油交易中心糧食價格統(tǒng)計數(shù)據(jù)，估算出2015年山東省糧食收購價格為2.72元/kg，生態(tài)系統(tǒng)提供的經(jīng)濟價值是在沒有人力投入的情況下單位面積農(nóng)田提供的糧食生產(chǎn)經(jīng)濟價值的1/7[18-20]，計算出山東省一個標(biāo)準當(dāng)量因子所提供的農(nóng)田糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟價值約為2 197.71元/hm2。表1為修正后計算得出的符合區(qū)域發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)。

表1 山東省不同土地利用類型單位面積生態(tài)服務(wù)價值 元/(hm2·a)

(2) 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值測算。本文主要按照以下對應(yīng)方式確定山東省生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量因子：耕地、林地和草地分別與農(nóng)田、森林、草地相對應(yīng)，水域?qū)?yīng)河流和湖泊，未利用地與荒漠對應(yīng)[21]。同時，本文綜合考慮了建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，主要根據(jù)彭文甫等[22]和段瑞娟等[23]的研究成果，確定建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)，生態(tài)服務(wù)價值表達公式如下[23-25]：

(5)

(6)

式中：ESVi——研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值〔元/(hm2·a)〕； ESVf——研究區(qū)單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值〔元/(hm2·a)〕；Pi——用地類型的面積(hm2)；Ai——單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值；Afi——單位面積單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值〔元/(hm2·a)〕；i——研究區(qū)內(nèi)土地利用數(shù)據(jù)的類型。

土地利用變化的結(jié)果對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響存在很大差異，因此本文引入貢獻率來量化影響程度，其計算公式為：

(7)

式中：SKT——第K種地類在T時間段內(nèi)產(chǎn)生的ESV變化的絕對值占到所有土地利用類型產(chǎn)生的ESV變化的總絕對值的比例； ΔESVKT——某種土地利用類型在T時段內(nèi)發(fā)生的變化引起的ESV變化量。

2.5 敏感性分析

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價是否準確，需要進一步驗證。本文引入了敏感性指數(shù)(CS)來衡量生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)的變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響，敏感性指數(shù)計算公式如下[26]：

(8)

式中：VC——生態(tài)價值系數(shù)；i，j——調(diào)整前后的總價值；k——土地利用類型。

若CS>1，表明生態(tài)價值評估的結(jié)果是富有彈性的，且CS的值越大，表明VC的準確性相對來說越重要，所修正的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)不可信；相反，若CS<1，則表明生態(tài)價值評估的結(jié)果被認為是缺乏彈性的，并且計算的生態(tài)服務(wù)價值是可靠的。本研究將生態(tài)價值系數(shù)分別增加(或減少)50%，對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化態(tài)勢進行分析與研究。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用格局變化分析

3.1.1 土地利用總體變化 山東省的土地利用分布情況如圖1所示。1995—2015年，耕地是山東省面積比例最多的地類，建設(shè)用地和草地面積次之，所占比例最小的是未利用地。研究期間，土地利用變化表現(xiàn)為耕地、林地、草地和未利用地減少，水域和建設(shè)用地增加的狀態(tài)，1995—2005年比2005—2015年各土地利用類型變化的更為劇烈。整個研究期間，建設(shè)用地面積逐年增加，1995年山東省建設(shè)用地面積占全省總面積的12.34%，2015年增加至總面積的14.70%，增加了3.644×105hm2，從各種土地利用類型面積增加的狀態(tài)來看，山東省建設(shè)用地面積的增加是最快的，也是最多的。在1995—2015年，水域面積總體上也呈現(xiàn)增加的趨勢，但增加的速率較慢，近20 a增加了2.91×104hm2。總體來看，山東省的土地主要以耕地、建設(shè)用地和草地為主，這三者的面積之和約占總面積的88%以上，水域和未利用地相對較少。

對于山東省各地市而言，土地利用變化的趨勢與研究區(qū)整體變化基本相似。其耕地、林地、草地明顯減少，2005—2015年減少的面積明顯大于1995—2005年減少的面積。建設(shè)用地面積增加明顯，其中青島、濰坊、煙臺和濱州等地增加的面積較多，表明這些地市建設(shè)用地擴張比較明顯。對于水域面積而言，除了東營、濰坊、淄博和威海這4個地市的水域面積減少，其他各個地市的水域面積都有所增加，其中濱州的水域面積增加的最多，菏澤和臨沂次之。萊蕪、日照和濟寧的未利用地面積增加，其他各個地市的未利用到面積減少，其中東營和濱州的未利用地面積減少的最多。總體來看，建設(shè)用地的面積變化的最為明顯，建設(shè)用地的快速擴張在一定程度上占用了其他土地類型的空間，主要由于社會經(jīng)濟的快速發(fā)展推動了城鎮(zhèn)化的進程，城鎮(zhèn)化水平的提高使得建設(shè)用地的面積迅速增加，進而影響了其他土地類型的變化。

圖1 1995-2015年山東省各土地利用類型面積

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)移特征與動態(tài)度 如表2所示，1995—2015年山東省耕地增加了1.75×106hm2，主要由建設(shè)用地和草地轉(zhuǎn)換而來，而耕地面積的去向主要是轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地，研究期間建設(shè)占用耕地面積為1.20×106hm2，占所有轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地總面積的87.79%，說明山東省通過大量占用耕地進行擴張。林地的增加主要由草地轉(zhuǎn)移而來，1995—2015年有1.78×105hm2草地變?yōu)榱值?，減少的林地主要復(fù)墾為耕地。草地和水域主要由耕地轉(zhuǎn)變而來，相應(yīng)的減少的面積主要開墾為耕地。未利用地主要用于耕地的復(fù)墾以及建設(shè)用地的擴張。

表2 1995-2015年山東省各地區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移 hm2

為了更好的分析各地市土地利用轉(zhuǎn)移特征，本文將山東省17地市劃分為魯東地區(qū)(青島、煙臺、威海)、魯中地區(qū)(濟南、萊蕪、濰坊、淄博、泰安)、魯南地區(qū)(濟寧、菏澤、棗莊、臨沂、日照)和魯西北地區(qū)(德州、聊城、濱州、東營)。分區(qū)域來看，各個地區(qū)耕地減少的主要去向轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。整個研究期間，魯東、魯中、魯南和魯西北地區(qū)分別有1 876，3 011，4 062，3 048 hm2的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，而分別只有1 970，1 987，2 437，940 hm2的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋仡愋汀８氐闹饕獊碓粗饕菍ㄔO(shè)用地和草地的開墾，這一現(xiàn)象與研究區(qū)整體變化相似，其中魯中地區(qū)對于草地的開墾較多。

1995—2015年魯中地區(qū)水域面積呈現(xiàn)出減少的趨勢，其他各個地區(qū)水域面積均有所擴張。各個地區(qū)的林地和未利用面積均減少，主要表現(xiàn)為林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾筒莸兀蠢棉D(zhuǎn)變?yōu)楦?表2)。

在分析山東省1995—2015年土地利用分布數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用公式(1)可以得出在此期間山東省單一土地利用動態(tài)度如圖2所示。

圖2 2005-2015年各土地利用類型變化率及動態(tài)度

由圖2可知，1995—2015年，土地利用變化率與動態(tài)度變化狀態(tài)一致。土地利用變化率表現(xiàn)為未利用地的變化率最大，為-32.29%，建設(shè)用地的變化率次之，變化率為19.26%，耕地的變化率最小，僅為-1.74%，說明耕地的變化較為穩(wěn)定。研究期內(nèi)，各土地利用類型的單一土地利用動態(tài)度差異明顯。其中，土地利用動態(tài)度為正值的包括水域和建設(shè)用地，表明其面積是增加的，而耕地、林地、草地和未利用地的動態(tài)度是負數(shù)，表現(xiàn)為這些土地利用類型的面積是減少的。土地利用類型面積增加較快的是建設(shè)用地，其動態(tài)度為0.96%，其次為水域用地，動態(tài)度為0.27%；土地利用類型面積減少最快的是未利用地，動態(tài)度為-1.61%，其次是草地，動態(tài)度為-0.34%。1995—2015年山東省土地利用程度綜合指數(shù)較高，變化幅度不大，總體呈上升的趨勢。同期，各個地市的土地利用程度綜合指數(shù)也呈上升態(tài)勢，與整個研究區(qū)變化情況差別不大。

3.1.3 土地利用結(jié)構(gòu)變化 本研究在分析土地利用數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，運用公式(3)和(4) 分別計算出信息熵與均衡度(圖3)。結(jié)果表明，從整體變化上看，1995—2015年，研究區(qū)內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)信息熵總體上呈上升的趨勢，信息熵最大值為1.112，最小值為1.090，表明在近20 a間，山東省土地利用系統(tǒng)內(nèi)部處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，整體來看有序度在降低。分時段來看，1995—2005年信息熵呈緩慢下降的態(tài)勢，2005—2015年信息熵迅速增加，系統(tǒng)不穩(wěn)定性增加。同時，研究期間均衡度與信息熵值變化規(guī)律大致相同，也呈現(xiàn)出上升的趨勢，表明土地利用系統(tǒng)的均質(zhì)性增強?？傮w上來看，近10 a來山東省均衡度的最大值為0.6左右，表明土地利用結(jié)構(gòu)處于不均衡的狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。

圖3 1995-2015年山東省土地利用結(jié)構(gòu)信息熵和均衡度

3.2 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空格局特征

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值變化 由表3可知，1995—2015年，整個研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值逐漸減少，由1995年的3.20×1011元減少到2015年的3.14×1011元，整個研究期間減少了6.62×109元，變化率為-2.07%，表明山東省生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。山東省生態(tài)服務(wù)價值主要來源于耕地、水域和林地，這三者的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占全省的90%以上，雖然水域面積占總面積的比例較少，僅為3.6%左右，但其產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較大，貢獻率達到38%；其次是草地，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值是逐漸減少的，主要由于其面積減少所致；所占比例最少的是未利用地，表明未利用地的變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值影響最小，建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值為負值，對山東省的生態(tài)環(huán)境帶來負效應(yīng)，建設(shè)用地面積的增加是山東省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值減少的一個主要原因。

由表3還可以看出，在不同時間段內(nèi)，研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價值變化呈現(xiàn)出不同的變化狀況，貢獻率的變化也不同。1995—2005年，草地和林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的較大，耕地的生態(tài)服務(wù)價值變化的最??；2005—2015年耕地和水域的生態(tài)服務(wù)價值變化的較大，而林地和未利用地的變化量較小，這與1995—2015年總體的變化趨勢相同。就貢獻率來看，1995—2005年，草地的貢獻率最大，其次為林地和水域；2005—2015年，耕地的貢獻率最大，其次為水域?？傮w來看，1995—2015年，耕地和水域的貢獻率較大，其次是草地和林地，表明這些土地利用類型的變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化帶來的影響較大。

3.2.2 單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值變化 1995—2015年，水文調(diào)節(jié)生態(tài)服務(wù)價值表現(xiàn)出增長的狀態(tài)，其他單項生態(tài)服務(wù)價值均表現(xiàn)出持續(xù)減少的態(tài)勢(表4)。其中，氣體調(diào)節(jié)的生態(tài)服務(wù)價值減少的最快，變化率為-17.86%，其次是氣候調(diào)節(jié)，變化率為-4.84%，這兩者的生態(tài)服務(wù)價值減少主要是由于價值系數(shù)較高的林地面積減少所致；原材料生產(chǎn)、維持生物多樣性和保持土壤的生態(tài)服務(wù)價值減少的相對較慢，廢物處理減少的最慢，其變化率僅為-0.04%。各單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值中，水文調(diào)節(jié)、廢物處理和保持土壤是山東省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的主體，這三者之和占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的55%以上，而原材料和娛樂文化的生態(tài)服務(wù)價值僅占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的6%左右，對總的生態(tài)效應(yīng)影響較小。雖然山東省是農(nóng)業(yè)大省，但食物生產(chǎn)服務(wù)價值并不高，這主要是由于食物生產(chǎn)服務(wù)價值系數(shù)與其他生態(tài)系統(tǒng)單項服務(wù)相比比較低，即使在耕地中，其價值系數(shù)也低于廢物處理和保持土壤的生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)。因此，研究區(qū)內(nèi)雖然耕地所占比例較高，并且食物生產(chǎn)服務(wù)價值主要由耕地產(chǎn)生，但是食物生產(chǎn)所產(chǎn)生的單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值仍然較低。

表3 山東省各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值(ESV)變化及貢獻率

表4 山東省單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

3.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間演變 根據(jù)山東省不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值表(表1)和提取的山東省各個地市的土地利用變化數(shù)據(jù)，運用公式，通過計算得到山東省各地市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值及其變化情況(表5)。

表5 山東省生態(tài)服務(wù)價值空間變化 108元/a

分地市來看，山東省17個地市中，臨沂市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最高，1995，2005，2015年分別為3.82×1010,3.83×1010和3.82×1010元，占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的11.93%，12.10%和12.19%；其次，煙臺市和濰坊市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值也較高，占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的比例都在9.51%以上；威海、日照和棗莊市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值比較低，占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的比例都在4%以下；萊蕪市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值最低，僅占地區(qū)總價值的1.83%左右。

研究期內(nèi)，東營市、濱州市和臨沂市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值逐漸增加，其他各地市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均呈減少的趨勢，且變化的幅度也有較大差異。濱州市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加的相對較多，20 a間增加了2.81×108元，變化率為2.0%，主要原因在于水域的大量增加，其次是東營市，主要是由于耕地和林地面積增加所致，臨沂市增加的較少，僅為1.40×107元，變化率為0.04%，水域面積的增加以及林地面積的略微增加使得臨沂市的生態(tài)服務(wù)價值增加；濰坊市、煙臺市和青島市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值減少的較多，分別為1.31×109，9.64×108，9.26×108元，主要由于耕地和林地面積的大量減少導(dǎo)致的，萊蕪市和日照市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值分別減少了7.30×107，4.90×107元，對總價值來說影響不大。

經(jīng)過上述分析得知，不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值發(fā)生變化，為了更好的對山東省各地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間分布格局演變進行分析，本文引入了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值圖譜，圖譜中定義為3種區(qū)域，分別為生態(tài)保值區(qū)、生態(tài)增值區(qū)、生態(tài)減值區(qū)(圖4)[27]。將山東省1995，2005，2015年的土地利用數(shù)據(jù)進行重分類處理，然后分別將兩期的柵格數(shù)據(jù)運用地圖代數(shù)進行運算，得到這兩個時期的土地利用類型轉(zhuǎn)移圖譜，再乘以轉(zhuǎn)移后的土地利用類型所產(chǎn)生的生態(tài)服務(wù)價值差值，得到研究區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化圖譜。結(jié)合表5和圖4分析可得，20 a間山東省生態(tài)保值區(qū)分布最為廣泛，而生態(tài)減值區(qū)表現(xiàn)出較為顯著的空間分布格局，生態(tài)增值區(qū)主要集中在魯北和魯南地區(qū)，這一變化情況與土地利用類型的轉(zhuǎn)移相適應(yīng)。分時段來看，1995—2005年生態(tài)增值區(qū)范圍較大，主要集中在魯西北和魯南地區(qū)，生態(tài)減值區(qū)的范圍較廣，主要分布在魯中、魯東地區(qū)。2005—2015年生態(tài)增值區(qū)的范圍變小，生態(tài)減值區(qū)的范圍擴大，特別是山東省東部沿海地區(qū)生態(tài)減值區(qū)表現(xiàn)的最為顯著。山東省北部地區(qū)尤其在東營、濱州的河口地區(qū)和沿岸地帶的生態(tài)服務(wù)價值增加較多，這主要由于其他土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)樗颍瑢?dǎo)致水域面積增加所致，而這種變化在1995—2005年表現(xiàn)的最為強烈。山東省沿海地區(qū)、萊州灣地區(qū)生態(tài)服務(wù)價值減少的主要原因在于港口碼頭、居民點、鹽田等建設(shè)用地的增加，建設(shè)用地對生態(tài)環(huán)境具有負影響，使得該地區(qū)生態(tài)效應(yīng)降低。

圖4 山東省不同時段生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化

3.2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值敏感性分析 利用敏感性指數(shù)的計算方法，將各類用地的生態(tài)價值系數(shù)在原來的基礎(chǔ)上增加(或減少)50%，計算出山東省研究期間各土地利用類型的敏感性指數(shù)(圖5)。分析圖5可知：價值系數(shù)在分別上下調(diào)整50%的后，CS的值都比1小，并且各年份之間變化不大；CS的最小值為0.002，即當(dāng)未利用土地的VC增加1%時，對應(yīng)的ESV值增

加0%～0.002%，對研究區(qū)的ESV影響很?。籆S的最大值為0.563，即當(dāng)耕地的VC增加1%時，對應(yīng)的ESV增加0.563%，對研究區(qū)的ESV影響較大；同時，調(diào)整后的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值變化率與調(diào)整前的變化率相差不大，相差0.021%～1.356%。這些都說明研究區(qū)的ESV相對于VC是缺乏彈性的，即本研究區(qū)計算的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)是可靠的。

圖5 1995-2015年山東省不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值敏感性指數(shù)變化

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

(1) 1995—2015年，研究區(qū)耕地、林地、草地和未利用地面積減少，建設(shè)用地和水域面積逐漸增加。耕地的減少主要用于建設(shè)用地的擴張，小部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗颍硗獠莸睾臀蠢玫匾沧優(yōu)榻ㄔO(shè)用地，多種來源使得建設(shè)用地在大范圍內(nèi)迅速擴張。各種土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移，在一定程度上造成了土地利用結(jié)構(gòu)有序度降低、均衡度變差，土地利用系統(tǒng)不穩(wěn)定。

(2) 1995—2015年山東省土地利用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值呈減少的狀態(tài)。從單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值來看，水文調(diào)節(jié)的生態(tài)服務(wù)價值逐漸增加，其它各單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值均減少，水文調(diào)節(jié)、廢物處理和保持土壤是山東省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的主要構(gòu)成；從空間上來看，1995—2015年山東省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值空間差異比較明顯，呈現(xiàn)出魯東、魯南地區(qū)高，魯中和魯西北地區(qū)低的空間分布規(guī)律。生態(tài)增值區(qū)主要集中在魯北沿岸地帶和河口地區(qū)以及魯中南低山丘陵地區(qū)，而生態(tài)減值區(qū)分布范圍較廣，在山東省各個地區(qū)均有分布且面積逐漸擴張，這與土地利用結(jié)構(gòu)有序度降低、均衡度變差、土地系統(tǒng)不穩(wěn)定密切相關(guān)。2005—2015年生態(tài)減值區(qū)的范圍比1995—2005年更廣泛，土地利用變化帶來的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值逐漸減少，所以山東省的生態(tài)效應(yīng)問題值得關(guān)注。

(3) 山東省各土地利用類型的生態(tài)服務(wù)價值敏感性指數(shù)的值都小于1，并且每年的變化幅度較小，總體上比較穩(wěn)定。這些都表明，研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值相對于價值系數(shù)來說是缺乏彈性的，即估算的生態(tài)服務(wù)價值系數(shù)對于研究區(qū)來說是合理的，與當(dāng)?shù)貙嶋H情況相符。

綜上分析，土地利用類型面積發(fā)生變化，其產(chǎn)生的生態(tài)服務(wù)價值與地類面積變化趨勢一致。雖然水域面積是增加的，但仍然不能彌補耕地、林地和草地等面積減少所帶來的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的減損。耕地作為山東省的主體，近20 a來呈現(xiàn)出減少的態(tài)勢，減少耕地大部分轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，使得食物生產(chǎn)等生態(tài)服務(wù)價值減少，因此需要加強對耕地的保護。同時也要保護好濕地灘涂、水域和林地等地類，因為兩者在區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值中同樣占有較大的比重。

4.2 討 論

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價存在很多影響因素，如若采用的評價方法不同，會使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的絕對量相差很大，但是不影響其時空變化規(guī)律。本文在Costanza和謝高地等人的研究基礎(chǔ)之上，基于1995，2005，2015年3期土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用一種廣泛適用的生態(tài)服務(wù)價值評價方法，對研究區(qū)土地利用變化以及產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)進行了系統(tǒng)分析。本方法雖然在一定程度上能揭示區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空分布格局演變特征，但依舊存在一些不足之處，需要進一步研究和探討。

(1) 生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值受多種因素的影響。本文雖然對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價的方法進行了完善，得出的結(jié)果具有一定的參考價值。但本研究只是從土地利用變化的角度，分析了研究區(qū)生態(tài)服務(wù)價值的時空演變規(guī)律，缺乏對其他影響因素的綜合考慮。

(2) 本文通過參考相關(guān)文獻對建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進行了賦值，得出建設(shè)用地的面積迅速增加，是研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值減少的一個重要原因；但由于建設(shè)用地的生態(tài)服務(wù)功能比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)獲取也有限，對于其影響的范圍和程度也難以界定。對于這些，本文沒有作深入的分析，存在不足之處，需要今后做進一步的研究。