区域一体化地区的土地利用与生态服务价值研究——以双莱先行区为例

刘霞，郭澍，王琳*

1. 中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266000；2. 中国科学院大学生命科学学院，北京 100049

生态系统服务是指人类从生态系统结构、过程和功能直接或间接得到的产品或惠益（Costanza et al.，1997），是人类生存与发展的重要基础（Boyd et al.，2007；欧阳志云等，2013）。生态服务价值（Ecosystem Service Value，ESV）作为衡量生态系统服务的重要指标，在一定程度上反映了生态系统与经济发展之间的动态关系（李鲁冰等，2022；赵筱青等，2022），对于衡量生态系统服务的供给潜力和生态效用具有重要意义（董悦等，2022；朱相君等，2022）。土地利用变化关系到生态系统整体结构与功能，与生态系统服务关系紧密，是ESV 变化的重要影响因素（李文芳等，2023），对优化空间格局、环境管理、区域可持续发展具有参考意义（Benton et al.，2018）。目前已有学者针对土地利用变化和生态服务价值关系进行了研究，此类研究已成为当前生态学、地理学等领域研究的热点之一（Fei et al.，2018；李金雷等，2022）。

区域一体化先行区是统筹区域发展的重要保障，能够整合区域资源、实现合作共赢，推进区域经济协调发展。然而，生态用地风险与压力也随之提高，生态用地规模与生态服务功能有所影响（田雅丝等，2023）。讨区域一体化背景下的土地利用与生态服务价值关系，对管理区域环境、制定发展决策、平衡地区经济与生态保护均具有重要意义。

莱西市、莱阳市发展先行区（简称“双莱先行区”），是山东省首个获批建设的区域一体化先行区，对标长三角生态示范区，旨在完善我国北方地区缺乏一体化绿色发展区域的相关研究，成为提高生态文明、经济发展效益的着力点（王修齐等，2022）、推动胶东经济圈一体化发展的突破口。

本研究以双莱先行区为例，基于近20 年土地利用数据，评估2000、2010、2020 年3 期ESV，探索ESV 与土地利用变化的相关性。以期通过以上研究为北方地区提供土地利用规划，为区域一体化可持续发展提供科学参考，为探索共建共享、共创共赢的区域一体化发展提供案例支撑。

1 研究区及方法

1.1 研究区概况

双莱先行区覆盖青岛莱西市、烟台莱阳市全域，陆域面积3.3×103km2，总人口约152 万，2020年两地GDP 达995 亿元。研究区位于胶东经济圈中心区域，地理空间相接，产业发展相融，具备良好的一体化发展基础。其中，莱西市地势北高南低，境内河流多，均为大沽河水系。莱阳市地势由北向南倾斜，地形主要为低山丘陵，北部、东部、中部、东南部、西南部低山丘陵群均不相连，年平均气温11.6 ℃。研究区概况图见图1。

图1 研究区概况图Figure 1 Overview of the research area

1.2 数据来源

本研究所需2000、2010、2020 年土地利用数据，从GlobeLand 30 数据研制所获取，使用30 m 多光谱影像。土地利用类型为耕地、林地、草地、湿地、水体、建设用地6 个一级类型。高程数据采用地理空间数据云ASTER GDEM 30 m 分辨率数据；研究所用社会经济数据中单位面积粮食产量和农作物总收益来源于国家统计局官网（https://data.stats.gov.cn）及莱西市、莱阳市多级统计年鉴，价格数据来源于《中国农产品价格调查年鉴》。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用动态度

土地利用动态度是指研究区的某地类数量在研究时期内的变化情况，可反映土地利用变化的强弱程度（董春等，2017），是分析土地利用变化动态的重要指标（付乐等，2022）。

（1）单一土地动态度，指某种土地利用类型在研究期间的动态变化情况。按照公式（1）进行计算。

式中：

Ci——动态度；

S——总面积（km2）；

|△Si,j|——第i类转换为第j类土地类型净变化面积的绝对值（km2）；

n——土地类型数量；

t——研究时段的差值。

（2）综合土地动态度，指在某个研究时段内，考虑所有土地利用类型变化情况而计算得出的动态指数。按照公式（2）进行计算。

式中：

ρ——综合土地动态度；

Si——研究初期用地类型为i的面积（km2）；

△Si,j——第i类向j类转化的面积（km2）；

n——土地类型数量；

t——研究时间的差值。

1.3.2 ESV 评估

1.3.2.1 当量因子价值确定

当量因子法，是基于研究区域的当量因子价值，在确定不同生态系统的面积后，相乘加和获得总ESV（谢高地等，2015a），以计算量小、普适性高、适合区域评估等特点，被学者广泛使用（Robert et al.，2014；李佳鸣等，2019）。根据谢高地等（2015a）提出的“1 个标准单位ESV 当量因子的价值=单位面积农田生态系统主要粮食作物生产的净利润”，通过公式（3）修订当量因子。

式中：

D——当量因子价值量（yuan·hm−2）；

Sr、Sw、Sc——稻谷、小麦、玉米的播种面积占总作物播种总面积的百分比（%）；

Fr、Fw、Fc——稻谷、小麦、玉米单位面积平均净利润（yuan·hm−2）。

1.3.2.2 ESV 区域修正

考虑到生态系统在不同区域、不同时间所具有的生态系统服务及价值量不断变化（谢高地等，2008b），需要对当量因子进行价值修订（王波等，2021）。本研究参考封清（2022）的研究成果，按照公式（4），将莱西市、莱阳市分别与全国地区的农田生产力比值作为区域修正系数，公式如下：

式中：

λ——地区修订转换系数；

Q——研究区的单位面积粮食产量（kg·hm−2）；

Q0——全国农田的单位面积粮食产量（kg·hm−2）。

1.3.2.3 ESV 计算

在具体区域评估ESV 时明确各生态系统的具体面积，按照公式（5）计算。

式中：

E——生态服务价值（yuan）；

Vij——第i种土地类型第j种生态价值系数（yuan·hm−2）；

Sik——第i种土地类型在第k种土地类型面积（km2）；

n——土地类型数量，n=6；

p——生态服务类型数量，p=9。

1.3.3 ESV 敏感性分析

ESV 敏感性指数是指当生态服务价值系数变动1%引起的具体价值变化（危小建等，2022）。根据李建蓉等（2021）学者研究，该指数可以衡量ESV 对系数的依赖关系。若敏感性指数小于1，说明ESV 对系数不具有弹性，结果可信；指数大于1，表明富有弹性，可信度低（姚富明等，2021）。具体按照公式（6）计算。

式中：

S——敏感性值；

Ei——调整1%前的生态服务价值（yuan）；

Ej——调整1%后的生态服务价值（yuan）；

Vik——调整前的生态价值系数（yuan·hm−2）；

Vjk——调整后的生态价值系数（yuan·hm−2）。

1.3.4 空间相关性分析

目前肖红克（2020）等研究表明，使用Moran’s指数可以有效表征全局空间相关性（胡蒙蒙等，2016）。具体计算如公式（8）。I取值一般为[−1, 1]，其中，I<0 代表负相关，I=0 代表不相关，I>0 代表正相关。由于研究区地理相邻，采取具有临接关系的Queen 空间权重矩阵。使用LISA 指数表征局部相关性，反映空间差异程度差异的显著性，具体计算如公式（7）。

式中：

I——单变量Moran’sI值；

n——研究区内栅格总数；

Xi——相邻栅格i的属性值；

Xj——相邻栅格j的属性值；

——所有样本的平均值；

Wij——空间单元和之间的空间连接矩阵。

2 结果与分析

2.1 土地利用动态研究

根据解译后的遥感数据获取2000、2010、2020年土地利用情况（表1），制作双莱先行区土地利用类型分布图（图2），计算2000－2010、2010－2020、2000－2020 年的单一土地动态变化与综合土地动态变化度。

表1 双莱先行区土地利用类型占比Table 1 Proportion of land use types in Shuanglai Pilot Area

图2 双莱先行区土地利用变化图Figure 2 Land use change map of shuanglai Pilot Area

表1 为双莱先行区的土地利用类型占比。从单一土地动态变化来看，双莱先行区属于山东管辖，作为农业大省，农耕占据城市GDP 比例相对较高，耕地占地比例极高多，为84.0%，其次为建设用地，占据总面积12.6%，二者合计共占据总面积高于95%。与2000 年相比，2010 年建设用地增加比例最大，其次为草地、湿地、水体，耕地、林地面积有所减少。从莱西市、莱阳市土地利用类型分析，两地情况大致相似，均为耕地面积最大，占据总面积超过83%，其次为建设用地和水体，这三类用地占比总面积超过98%。其中，2000 年耕地、建设用地占莱西市总面积的98.3%，2010 年占莱西市总面积的96.3%，2020 年占莱西市总面积的97.3%；莱阳市2000 年耕地、建设用地占总面积95.5%，2010年占总面积95.7%，2020 年占总面积95.9%，存在耕地向建设用地转变的趋势。

表2 为双莱先行区单一土地利用动态度，图3为2000－2020 年双莱先行区土地利用类型变化情况。2000－2010 年，双莱先行区林地、耕地动态度为负数，说明林地、耕地面积对应减少，其中，林地减少面积明显；其余动态度为正数，说明对应类型的面积增加，增加幅度不一。2010－2020 年，耕地、水体动态度为负数，说明耕地面积持续较少，水体保护力度也相应降低。2000－2020 年，建设用地面积处于持续增长。从城市来看，莱西市2000－2010 年林地动态度为−66.0%，说明减少比例非常高；草地、水体、湿地动态度为正数，结合耕地动态度同样为负数，推断该段时间莱西市在部分地区施行了退耕还草/湖、退林还草/湖措施。2010－2020年耕地动态度为负数，草地、林地动态度为正数且数值较大，推断莱西市持续规划了退耕还草/湖，但林地动态度为0，代表林地面积变化数值极小，可忽略不计。莱阳市2000－2010 年增速最快的是草地，增加15.2%，2010－2020 年土地利用类型变化不明显，动态度数值相对稳定。综合土地利用动态度来看，双莱地区2000－2010、2010－2020、2000－2020 年分别是2.56%、3.64%、5.00%，其中，莱西市分别是2.53%、4.81%、5.40%，莱阳市分别是2.59%、2.61%、4.63%，莱西市变化更显著。

表2 双莱先行区单一土地利用动态度Table 2 Dynamic degree of single land use in Shuanglai Pilot Area

图3 2000－2020 年双莱先行区土地利用类型变化情况Figure 3 Changes in Land Use Types in Shuanglai Pilot Area from 2000 to 2020

2.2 ESV 变化分析演变

2.2.1 当量因子价值及区域修正

为准确计算，本研究以2020 年数据为基准，根据《2021 年莱西市统计年鉴》《2021 年莱阳市统计年鉴》农作物播种面积，结合《全国农产品成本收益资料汇编2021》山东省3 种粮食作物的市场价格，计算得出莱西市2020 年D 值为3 063.86 yuan·hm−2，莱阳市 2020 年 D 值为 3 146.52 yuan·hm−2。计算2020 年、2010 年CPI（居民消费价格指数）相比于2000 年CPI 的变化系数，计算得出莱西市2000 年、2010 年D 值分别是1 971.23、2 364.70 yuan·hm−2；莱阳市2000、2010 年D 值分别是2 236.05、2 606.12 yuan·hm−2。

莱西市、莱阳市的主要粮食作物为小麦、玉米，以2020 年粮食的单位面积产量与全国均值进行比较，得到莱西市、莱阳市2020 年修订系数分别为1.12 与1.01，根据以上方法，计算得出莱西市2000年修订系数为1.42、莱阳市修订系数为0.87，2010年修订系数分别为1.33 与1.24，2000、2010、2020年单位生态服务价值当量表格详见表3。

表3 双莱先行区生态服务价值当量表Table 3 Equivalent table of ecological service value in Shuanglai Pilot Area Unit

2.2.2 不同土地类型的ESV 变化分析

据表4 分析，2000－2020 年双莱先行区整体ESV 先增后减，总体共增加23.2 亿元，从时间而言，2000－2010年ESV变化量明显，2010－2020年ESV有小幅减少。土地利用类型中，以耕地ESV 占比最大为84.3%，其次是水体、林地、耕地，林地ESV减少最为明显。在研究时间内，耕地ESV 增量高达18.5 亿元，远高于其他土地利用类型的价值增量。增长率方面，湿地ESV 增速最快，其次为水体。从表5 发现，莱西市整体ESV 小于莱阳市，结合莱西市、莱阳市土地利用数据而言，分析原因是由于莱西市整体面积小于莱阳市，且莱西市单位当量因子价值相对低导致。

表4 2000－2020 年双莱先行区不同生态系统类型的价值变化Table 4 Value Changes of Different Ecosystem Types in Shuanglai Pilot Area from 2000 to 2020

表5 2000－2020 年莱西市与莱阳市生态服务价值变化Table 5 Changes in ecological service value between Laixi City and Laiyang City from 2000 to 2020

2.2.3 不同生态功能的ESV 变化分析

根据各项生态功能系数，计算得到双莱先行区2000、2010、2020 年各项生态系统服务的价值量占比及变化率（表6）。从9 项生态功能所占比例而言，2000－2020 年功能变化均不大，最大的为水文调节为0.7%，其次为废物处理。从ESV 增量角度，前三位为废物处理、水文调节、气候调节。从变化率角度，提供美学景观的变化率最大近40%。相对于2000－2010 年而言，2010－2020 年变化率显著降低，部分生态功能变化为负数，如水文调节、废物处理、提供美学景观。

表6 2000－2020 年双莱先行区不同生态功能价值变化Table 6 Changes in Value of Different Ecological Functions in Shuanglai Pilot Area from 2000 to 2020

2.2.4 不同地区的ESV 变化分析

计算2000、2010 和2020 年莱西市11 个镇街、莱阳市18 个镇街的生态系统服务价值，分别作出2000－2020 年镇街ESV 分布图（图4），以便分析29 个镇街ESV 空间演变规律。从空间分布角度，莱西市镇街ESV 集中在2－6 亿元，莱阳市集中在0－4 亿元，分析原因是莱西、莱阳两市面积相近，莱阳市辖镇街高于莱西市镇街数量的因素导致（莱西市辖11 个镇街，莱阳市辖18 个镇街）。从分布来看，ESV 超过2 亿元的镇街主要分布在双莱先行区西北部、西南部和东南等周边一带。中部地区主要为耕地与建设用地，人口密切聚集，人为活动干预程度高，导致ESV 相对较低，低于2 亿元的镇街集中于此。

图4 2000－2020 年双莱先行区空间变化图Figure 4 Spatial Changes in Shuanglai Pilot Zone from 2000 to 2020

2.3 ESV 敏感性评价

根据公式（5），分别将研究区的各项生态服务价值系数变动1%，计算莱西市、莱阳市2000、2010、2020 年的ESV 敏感性（为确保ESV 计算结果的准确性，结合莱西市、莱阳市实际，选取了不同的生态价值指数，无法以双莱先行区为主体计算ESV 敏感性）。根据表7 计算结果可知，2000－2020年敏感性相对稳定，且敏感度指数都小于1，代表生态服务价值对其系数不敏感且缺乏弹性，整体研究可信。研究区内各地类敏感度指数从高到低为耕地>水域>湿地>草地>林地。以上研究结果表明，耕地对ESV 的贡献最大，林地、草地的贡献最小。因此，为了保护双莱先行区的ESV 相对稳定，应加强耕地保护力度。

表7 ESV 敏感性指数Table 7 ESV sensitivity index

2.4 ESV 与土地利用类型相关性分析

采用GeoDa 软件，构建双莱先行区空间权重矩阵，得到2000－2010、2010－2020、2000－2020年ESV 变化量与土地利用类型的全局Moran’sI值，计算结果分别为−0.059、0.082、−0.032。结果发现，除2010－2020 年，其余时间段的相关性均为负数，呈负相关。根据检验结果，绘制2000－2020 年ESV与综合土地利用动态度的双变量局部空间自相关LISA 聚集图。由图5 可知，2000－2010 年，双莱先行区高-高、高-低、低-高、低-低四型分布都有，其中高-高型较多，西北部呈现显著性分布，表示该地区ESV 与综合土地利用度均表现为高值，且连片分布；其余3 种类型零星分布。2010－2020 年，西部地区、南部地区呈现低-低型，表示ESV 较低，但综合土地利用动态度值较高，中部地区（水集街道）呈现高-低性，表示ESV 较高，结合数据可以发现，该地区在此研究时段ESV 值在双莱先行区29 个镇街中排名第一。2000－2020 年，29 个镇街只有1 个地区（南墅镇）呈现了低-低型，其余地区相关性均不显著。

图5 双莱先行区土地利用类型与ESV 在空间上的变化Figure 5 Spatial changes in land use types and ESV in Shuanglai pilot area

3 讨论

3.1 土地利用变化

双莱先行区属于典型的农耕为主的一体化区域，土地利用类型以耕地为主，占据比例极高，超过80%。2000－2020 年耕地面积占比有所下降，从2000 年的87.93%下降为2020 年的84.0%，下降比例为3.98%，面积超过130 km2，分析原因是由于区域城镇化发展、人口数量增加、资源开发强度提高等因素共同导致。同时，莱西市、莱阳市两座县级市为扩大城区范围，通过将耕地类型转换为建设用地的方式，增加建设用地的占地面积。除耕地外，林地面积同样呈现下降状态，减少总面积比例为0.94%，分析原因是由于21 世纪初我国处于GDP为先的时代，部分地区倡导先污染后治理的发展思路。林地相对于湿地、水体等土地类型，难以为当地的经济发展带来直接利益的增长，故对林地的重视程度显著不足，存在林地转换为其他用地类型的情况，这与张晓光等（2022）和邵明榆（2022）研究结果相近。

虽然2017 年青岛市出台了《青岛北部生态屏障规划》，提出在莱西市加大林地面积，提高种植力度，但难以起到明显的林地面积增加效果。草地、湿地、水体、建设用地呈现面积增加趋势，四者面积占总面积的增长比例分别为0.73%、0.32%、0.14%、3.73%，该趋势出现的原因可能是这四类用地类型可以直接为当地的经济发展起到直接促进效果，提高当地政府建设的积极性。同时，为保证青岛、烟台市区的供水量，如莱西的产芝水库、高格庄水库，莱阳的沐浴水库等，占地面积均有所扩张，这是由于山东省的“河长制”政策落实力度强，河流保护力度有所提高。考虑到经济发展应以多种土地类型协同发展为前提，不能以破坏耕地、林地为代价。未来生态规划中，莱西市、莱阳市作为双莱先行区的主管政府，应该提高耕地重视程度与保护力度，严守耕地红线，妥善开展退耕措施。加强林地保护力度，可以通过在建设用地种植行道树等形式提高当地森林覆盖度，提高地区ESV。同时，严格把控建设用地扩张，注重经济与土地利用变化的协同发展，避免“耕地换建设用地”的问题大量发生，确保双莱先行区土地利用的可持续发展。

3.2 ESV 变化

修正当量因子价值时，需要将当地的粮食单产量作为重要指标进行考虑。戚丽萍等（2022）研究江苏省各市的生态服务价值时，选取了江苏省的平均粮食单产以修正当量因子价值。刘志涛等（2021）研究粤港澳大湾区生态服务价值时，考虑到香港、澳门粮食产量过低，以广东省粮食单产量为基准进行计算。本研究鉴于双莱先行区中的莱西市与莱阳市均属于典型的农耕城市，粮食单产量相对于山东省平均单产量高，且分属于不同的地级市管理，若采取山东省平均粮食单产量或任一城市的粮食单产作为基准量进行计算都有失公允，难以保障计算结果的精确性。因此，分别计算莱西市与莱阳市的ESV，将其加和得出双莱地区ESV，在一定程度上保证ESV 计算的精准性与真实性。从当量因子价值可以发现，莱阳市单产比莱西市高，因此计算得出的D 值也更大。两地ESV 值比较也可以发现莱阳市更高，这与莱阳市面积相较于莱西市多200 km2有直接关系。从不同用地类型ESV 可知，耕地ESV占比最大，高达总ESV 的84.3%，耕地的生态价值量占总ESV 值与耕地土地利用类型占地比例大致相当；水体ESV 占比为10.48%，但2020 年数据显示面积占总土地面积仅为1.5%，可见当量因子价值对于单个土地利用类型ESV 价值起到重要作用，而水体对于整体生态系统服务价值量影响极大，今后应加大水体的保护力度，尽可能使其提供更多的生态服务价值。

4 结论

（1）2000－2020 年，耕地面积在研究期内持续下降，共减少了132 km2；林地面积先减后增，但2010－2020 年增长幅度近似为0，共减少31.2 km2；水体面积先增后减，研究期内共增加4.57 km2；草地、湿地、建设用地面积均呈现上升状态，分别增加了24.0、10.7、122 km2。从土地利用动态变化的维度，草地的变化数值最大，为10.1%，其次是湿地9.03%。

综合土地动态度变化较为稳定。

（2）2000－2020 年，ESV 较高的区域主要集中在西北部、西南部和东南等地区，总体呈现增长状态，20 年研究期间ESV 共增加23.2 亿元。从地区分布来看，莱阳市ESV 高于莱西市。耕地是双莱先行区构成ESV 的主要地类，共增长18.5 亿元。从各项生态功能增量角度，废物处理、水文调节、气候调节为ESV 增量前三名。

（3）2000－2020 年，双莱先行区各土地利用类型的ESV 敏感性指数均小于1，说明ESV 对价值系数不具有弹性，结果可信。敏感性指数从高到低依次为：耕地、水域、湿地、草地、林地。其中，耕地的敏感性指数最高，产生的ESV 最大。

（4）2000－2020 年研究期间，除2010－2020年，其余时间段的ESV 与土地动态变化度相关性呈负相关。