低山丘陵區(qū)縣域生態(tài)用地演變及生態(tài)服務(wù)價值響應(yīng)

邢曉露，郭嵐，楊梅煥，張全文，王益展

（西安科技大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710054）

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境與效用[1-2]。土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互影響、相互制約，土地利用通過改變土地地表覆被來改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的功能和結(jié)構(gòu)，進而改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值。深入探討土地利用變化及其引起的生態(tài)效應(yīng)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值轉(zhuǎn)移[3-4]，有助于為土地利用規(guī)劃、生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展等提供科學(xué)依據(jù)[5-7]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值研究已成為生態(tài)學(xué)與地理學(xué)的研究熱點[8-9]。GROOT等[10]在結(jié)合全球1 350 個案例基礎(chǔ)上，得出全球平均生態(tài)服務(wù)價值水平。COSTANZA等[11]總結(jié)前人經(jīng)驗，探索得出全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評價模型。在其研究方法基礎(chǔ)上，謝高地等[12]制定了適合中國大陸的當(dāng)量因子表，將國內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分為11 個類型，利用當(dāng)量因子法對11 個類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（Ecosystem service value，ESV）進行評估，并計算出各省份生態(tài)總價值量。管青春等[13]對生態(tài)用地的概念進行了界定，深入分析了全國生態(tài)用地的ESV的變化特征和規(guī)律。近年來，有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值驅(qū)動因素的研究增多，徐夢冉等[14]采用主成分分析法從自然因素和人類活動兩方面探討建設(shè)用地結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動因素，認(rèn)為社會經(jīng)濟發(fā)展是建設(shè)用地結(jié)構(gòu)變化的主要驅(qū)動力。呂立剛等[15]采用圖譜分析技術(shù)對江蘇省土地利用變化的影響因素進行探討，得出人類對自然資源不合理的開發(fā)是江蘇省土地利用類型發(fā)生變化的主要因素。目前，土地利用變化和生態(tài)服務(wù)價值研究主要聚焦于省會城市、生態(tài)敏感區(qū)和沿海發(fā)達地區(qū)[16-18]，相比而言，針對小尺度縣城尤其是低山丘陵區(qū)的研究仍屬于薄弱環(huán)節(jié)。因此在國土空間規(guī)劃和生態(tài)文明建設(shè)背景下，明確山區(qū)生態(tài)用地空間分布格局和時空變化、制定山區(qū)科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃、提高生態(tài)用地利用效率十分必要。

泗水縣是魯南泰沂余脈典型的低山丘陵地區(qū)，區(qū)內(nèi)低山丘陵分布較多，屬于重點生態(tài)功能保護區(qū)，生態(tài)文明建設(shè)一直備受關(guān)注。泗水縣作為南水北調(diào)東線工程的重點地區(qū)，區(qū)內(nèi)泗河源頭水源涵養(yǎng)生態(tài)功能保護區(qū)作為省內(nèi)31 個重點生態(tài)功能保護區(qū)之一，承擔(dān)著極重要的生態(tài)功能。近年來城鎮(zhèn)化[19]和耕地資源的過度開采[20]等對區(qū)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響。本研究基于地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)定量分析泗水縣土地利用類型變化，采用當(dāng)量因子法評估泗水縣生態(tài)服務(wù)價值，旨在形象直觀地反映各個生態(tài)系統(tǒng)功能的價值量；同時利用Logistic 回歸模型探索生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的驅(qū)動因子，以更好地處理空間因素變量問題，深入分析泗水縣生態(tài)用地變化特點和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值時空變化規(guī)律，以期為國土空間規(guī)劃編制及鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

泗水縣（117°05′～117°35′ E，35°28′～35°58′ N）位于山東省中南部，總面積為1.12×105hm2，是山東省典型的低山丘陵地區(qū)（圖1），地形以低山丘陵為主、低山丘陵面積約7.49×104hm2，占研究區(qū)總面積的67%。研究區(qū)內(nèi)水資源、林業(yè)資源豐富，如泉林水體自然保護區(qū)、賀莊水庫和龍灣套水庫，同時，濟河及泗河等多條河流穿城而過，水域面積約6.05×103hm2，境內(nèi)擁有泉林國家森林公園和青龍山省級森林公園。

圖1 泗水縣區(qū)位圖Figure 1 Location of Sishui County

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究涉及的三期（1997、2007、2017 年）土地利用數(shù)據(jù)來源于泗水縣土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)，根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，將泗水縣土地利用現(xiàn)狀分為耕地、林地、草地、水域以及建設(shè)用地5 種類型，根據(jù)研究目的，生態(tài)用地包括耕地、林地、草地及水域4 種類型，此外，研究中涉及的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和社會數(shù)據(jù)資料來源于《泗水統(tǒng)計年鑒》（1997—2017）。

1.2 研究方法

1.2.1 單一土地利用類型動態(tài)度

單一土地利用類型動態(tài)度是指在研究時段內(nèi)某種土地利用類型的年際變化率[21]，公式[22]為：

式中：K表示動態(tài)度；Sa、Sb分別表示研究區(qū)初期、末期某類生態(tài)用地面積，hm2，T表示研究時段，a。

1.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估方法

在COSTANZA 等[11]研究基礎(chǔ)上，謝高地等[12]對當(dāng)量因子法進行修正得出適用于中國的單位面積ESV系數(shù)，由于該方法具有較強的實用性和可靠性，被經(jīng)常采用。本研究也采用此方法對泗水地區(qū)ESV 進行估算，將耕地與農(nóng)田對應(yīng)、林地與森林對應(yīng)，參考現(xiàn)有方法[23-25]，調(diào)整和確定泗水地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當(dāng)量因子，依據(jù)泗水縣1997—2017 年平均糧食產(chǎn)量（5.69×103kg·hmˉ2）和平均糧食價格（2.29 元·kgˉ1），計算得出泗水縣一個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能當(dāng)量為1.86×103元·hm-2。結(jié)合泗水縣當(dāng)量因子值，進一步得到泗水地區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)（表1）。

表1 泗水縣不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)（元·hm-2·a-1）Table 1 Ecological service value coefficients of each land use type in Sishui County（yuan·hm-2·a-1）

泗水縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算公式為：

式中：VES表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，元；Ak表示某一類土地類型面積，hm2；Ck表示某一土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)，元·hm-2。

1.2.3 Logistic回歸模型

Logistic 回歸分析常被用于分析土地利用變化與驅(qū)動因素之間的關(guān)系[26-27]。選取空間距離和自然因素作為邏輯回歸模型的自變量，因變量是對泗水縣2017 年生態(tài)用地柵格結(jié)構(gòu)二值化（0，1）處理得到，1表示生態(tài)用地，0表示非生態(tài)用地。利用Logistic回歸模型探討生態(tài)用地空間分布與驅(qū)動因素之間的相關(guān)性，其表達式為：

式中：P表示每個柵格出現(xiàn)生態(tài)用地的概率；β0為常量；β1，β2，…，βn表示影響因素的回歸系數(shù)；x1，x2，…，xn表示影響生態(tài)用地空間分布的因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 1997—2017年生態(tài)用地結(jié)構(gòu)和空間格局時空變化

2.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化

研究區(qū)生態(tài)用地時空變化特征可以從空間布局和面積增減兩個方面來描述。從空間布局（圖2）來看，泗水縣城鎮(zhèn)擴張呈現(xiàn)“聚集-外擴”特征，林地的空間增加主要源于泉林國家森林公園的建立與兗石鐵路、327 國道等主要干道兩側(cè)“退耕還林”工程。草地面積的減少主要由研究區(qū)南部荒草地開發(fā)所致。泗河源、龍灣湖等濕地公園的建立對水域生態(tài)用地貢獻較大。從變化數(shù)量（表2）來看，不同研究時期，泗水縣土地利用變化趨勢有所不同。1997—2007 年，耕地和草地面積分別減少了5.91×102、5.56×102hm2，林地和水域面積增幅均小于1%，受“退耕還林”和“封山育林”等工程的影響，林地、草地和耕地面積變化加快。2007—2017 年，研究區(qū)內(nèi)各類生態(tài)用地變化明顯，耕地和林地變化較為突出，占比最高的耕地面積減少最多，10 年間共減少6.48×103hm2，變化率達到-11.69%，動態(tài)度為-1.17%；其次是林地，面積共增加4.07×103hm2，變化率為13.52%，動態(tài)度為1.35%；水域面積變化較小，變化率為7.93%，動態(tài)度為0.79%。

表2 1997—2017年泗水縣土地利用變化格局Table 2 Land use change pattern of Sishui County from 1997 to 2017

圖2 泗水縣1997—2017年生態(tài)用地空間變化Figure 2 Spatial changes of the ecological land in Sishui County from 1997 to 2017

2.1.2 生態(tài)用地轉(zhuǎn)移面積及特征

研究區(qū)生態(tài)用地轉(zhuǎn)移情況如表3所示，以2007年為分界點，各類用地類型的轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入明顯。1997—2017 年，生態(tài)用地類型中水域的保留率最高，達到74.50%，其次是耕地，保留率為61.18%，耕地的主要轉(zhuǎn)移類型是林地，轉(zhuǎn)移比例為26.65%，說明退耕還林工程對泗水縣生態(tài)用地的恢復(fù)有一定的積極作用。草地轉(zhuǎn)移的主要去向是耕地和林地，20 年間共轉(zhuǎn)移5.78×103hm2，其中位于研究區(qū)南部的泗張鎮(zhèn)和圣水峪鎮(zhèn)內(nèi)的荒草地開發(fā)是主要因素。耕地的減少主要是城鎮(zhèn)開發(fā)所導(dǎo)致，對荒草地開發(fā)是草地面積減少的主要因素，林地和水域面積的增加主要是國家森林自然保護區(qū)的建立和濕地公園的建設(shè)。研究期間約有3.18×103hm2的耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，主要發(fā)生在村落周邊，是由村落的更替和擴張引起的。

表3 1997—2017年泗水縣生態(tài)用地轉(zhuǎn)移面積及比例Table 3 Transfer areas and proportions of ecological lands of Sishui Country during 1997—2017

2.2 1997—2017年生態(tài)用地價值轉(zhuǎn)移

從表4可知，1997—2017年泗水縣各類生態(tài)用地ESV均呈現(xiàn)不同程度的變化，總體來看全縣生態(tài)用地生態(tài)服務(wù)總價值呈先減少后增加的趨勢，20 年間共增長1.42×108元，增長率為4.31%，年均增長0.22%。林地的ESV 最高，占總價值的55.50%，呈持續(xù)上升的趨勢，水域的ESV共增加4.78×107元，增幅較小，變化率為8.66%。1997—2007 年耕地和草地的ESV 呈現(xiàn)不同程度的減少，分別減少9.25×106、1.29×107元；水域10 年間共增加3.75×106元，變化幅度最小。2007—2017 年，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增加1.55×108元，該階段草地和水域的ESV 變化較小，耕地的ESV 減少了1.01×108元，下降幅度較大，但林地的ESV 增加高達2.27×108元，主要與該時段內(nèi)林地面積的大幅增長密切相關(guān)。同時表明泗水縣近年來生態(tài)功能逐步好轉(zhuǎn)，退耕還林和生態(tài)造林等工程成效明顯，森林儲蓄量上升促使生態(tài)服務(wù)價值增加。

表4 1997—2017年泗水縣各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（VES）及其變化Table 4 Changes of ecosystem service value（VES）of Sishui County during 1997—2017

從表5 可以看出，1997—2017 年，除食物生產(chǎn)的ESV 減少1.25×107元外，其他各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的ESV 均有不同程度的增加。水域和林地的增加導(dǎo)致水源涵養(yǎng)、氣體調(diào)節(jié)和氣候調(diào)節(jié)價值升高，20 年間共增加8.20×107元，同時水源涵養(yǎng)貢獻比例最高，價值貢獻率為16.48%，另外在泗水縣內(nèi)，森林覆蓋率超過35%，巨大的森林覆蓋面積為水源涵養(yǎng)提供了基礎(chǔ)，同時泗水縣內(nèi)有泗河穿城而過，且縣城內(nèi)有花村水庫、賀莊水庫、龍灣套水庫，極大地提高了水源涵養(yǎng)價值。原材料和生物多樣性價值升高主要由于林草地面積增加，擴大了木材供給，并為生物提供了棲息條件。食物生產(chǎn)功能價值的減少主要由于耕地面積的下降，城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積擴張是耕地面積大幅減少的主要因素（表3），此外，研究區(qū)位于低山丘陵地帶，食物生產(chǎn)能力有限，在未來國土空間規(guī)劃中，應(yīng)深入探討泗水縣城鎮(zhèn)發(fā)展邊界的劃定，加大農(nóng)村居民點整合力度，守牢耕地保護紅線，確保耕地不受威脅，提升耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。

表5 泗水縣生態(tài)用地單項生態(tài)服務(wù)價值（VES）及其變化Table 5 Single ecosystem service value（VES）of the ecological land in Sishui County and its changes

2.3 生態(tài)用地分布空間影響因素探測

參考以往學(xué)者研究成果[28-29]，基于泗水縣區(qū)域特點及數(shù)據(jù)可獲取性，在自然因素和社會因素中選取8個與生態(tài)用地變化密切相關(guān)的變量因子對生態(tài)用地演變進行空間探測（圖3）。對2017 年生態(tài)用地布局二值化處理，由于模擬尺度會對土地利用空間格局模擬精度產(chǎn)生一定的影響，故在ArcGIS 中利用Conversion Tools 工具對各驅(qū)動因子進行80 m×80 m、110 m×110 m、140 m×140 m、170 m×170 m、200 m×200 m、230 m×230 m、260 m×260 m、290 m×290 m、320 m×320 m 等9 種尺度轉(zhuǎn)換。利用SPSS 軟件中的Binary Logistic 模塊回歸分析得到各參數(shù)，如表6 所示，對模擬精度進行ROC 分析，最終選取最優(yōu)尺度140 m×140 m，ROC 值為0.758，模擬結(jié)果相對較好。最終得出泗水縣生態(tài)用地空間分布概率與影響因子之間的方程為：

表6 生態(tài)用地變化的Logistic回歸模型相關(guān)參數(shù)Table 6 Correlation coefficient of logistic regression for change of ecological land

圖3 泗水縣生態(tài)用地變化驅(qū)動要素空間分布Figure 3 Spatial distribution of driving factors for land use changes in Sishui County

由表6生態(tài)用地空間分布驅(qū)動參數(shù)可以看出，生態(tài)用地分布受河流分布（0.168）、人口密度（-0.132）、到城鎮(zhèn)中心距離（0.115）、人均GDP（-0.112）和坡度（-0.107）因素影響較大。研究期間，受城鎮(zhèn)化和工業(yè)化快速發(fā)展的影響，距離鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心近、坡度小、交通發(fā)達、未劃定基本農(nóng)田保護區(qū)的區(qū)域成為生態(tài)用地變化的重點，使得生態(tài)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。充足的河流水源在一定程度上能夠促進周邊植被的生長[30]，有利于環(huán)境效益的提高。城鎮(zhèn)對周邊農(nóng)村居民點分布有一定的聚集作用[31]，在一定程度上促進生態(tài)用地的形成。地形地貌為人們提供生存和發(fā)展的空間，同時又約束著居民點的擴張，海拔越高、坡度越大的地方越不容易被開發(fā)，轉(zhuǎn)變?yōu)榉巧鷳B(tài)用地的概率越低。人口密度增長會加快城鎮(zhèn)化，帶動建設(shè)用地的擴張，但是城市中集約土地利用一定程度上有利于生態(tài)用地的形成，人均GDP 增長與建設(shè)用地變化密切相關(guān)，經(jīng)濟的快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整會加快生態(tài)用地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變。

3 討論

本研究主要從土地利用變化動態(tài)度模型、Logistic 回歸分析等多角度對泗水縣生態(tài)用地演變過程進行了探討。目前研究多采用專家知識得出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)當(dāng)量因子，結(jié)合當(dāng)?shù)丶Z食產(chǎn)量及價格，計算出各個生態(tài)系統(tǒng)和單項功能的服務(wù)價值，該方法受人為主觀因素的干擾小且參數(shù)較少、操作容易。部分學(xué)者利用GIS 空間分析技術(shù)分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化規(guī)律，認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的減少主要是由具有較高系數(shù)的土地利用面積減少所致[32-33]。大多數(shù)學(xué)者僅將土地利用變化動態(tài)度模型作為自變量來分析生態(tài)服務(wù)價值變化規(guī)律，而空間因素對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的變化也有重要影響，將Logistic 回歸模型引入探測生態(tài)用地類型演變和生態(tài)服務(wù)價值變化驅(qū)動因素的研究中，可以有效克服空間因素變量問題，一定程度上反映出空間因素對研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)用地影響程度以及生態(tài)用地類型的轉(zhuǎn)換規(guī)律，對土地利用變化及生態(tài)服務(wù)價值響應(yīng)具有重要意義。

隨著生態(tài)系統(tǒng)的不斷完善以及生態(tài)服務(wù)理論的發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分類可能會有一定程度的改進；全國范圍不同城市的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算方法可以在后續(xù)研究中做出更加精確的修正，以滿足不同的需求導(dǎo)向；由于缺少數(shù)據(jù)，本研究驅(qū)動因素沒有考慮氣溫、日照條件，后期研究應(yīng)全面考慮驅(qū)動因素，進一步提高研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本研究以魯南山區(qū)泗水縣為研究對象，采用動態(tài)度、轉(zhuǎn)移矩陣和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位面積價值當(dāng)量評估等方法，對泗水縣1997—2017 年生態(tài)用地類型變化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值演變過程進行探討，并利用Logistic回歸模型對生態(tài)用地變化空間驅(qū)動因素進行探測。

（1）1997—2017 年，泗水縣生態(tài)用地面積變化明顯，總體呈不斷減少趨勢。林地面積比例由1997 年的26.85%增加到2017 年的30.57%，草地面積比例由7.29%減少到6.24%，耕地面積比例由50.11%減少到43.78%，水域面積比例由4.98%增加到5.41%。研究區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)“兩增兩減”的生態(tài)用地變化格局。

（2）研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值總量先減少后增加，總體呈增加趨勢，1997—2017 年共增長了1.42×108元，其中泗水縣林地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值增長最多，其次是水域，而耕地和草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值屬于減少型，分別減少1.11×108、2.72×107元。從各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能來看，食物生產(chǎn)功能價值呈下降趨勢，其他功能價值均有不同程度的增加，其中水源涵養(yǎng)價值共增加3.48×107元，價值貢獻率為16.48%。

（3）通過建立泗水縣生態(tài)用地變化的Logistic回歸模型來探討生態(tài)用地變化的驅(qū)動因素，結(jié)果表明，河流分布（0.168）、人口密度（-0.132）、到城鎮(zhèn)中心距離（0.115）、人均GDP（-0.112）和坡度（-0.107）是驅(qū)動生態(tài)用地變化的主要因素。