1980—2020年濟南市土地利用變化對生態系統服務價值的影響

張夢虹 姜鵬 趙麗 趙靜 劉維國 紀東 時海 牟剛 王靜

摘要：面對資源緊缺、土地利用方式不合理、生態系統退化等問題，探索土地利用變化對生態系統服務價值的影響，對于制定適宜的國土空間規劃、自然資源管理、生態文明建設等方面的政策措施具有重要意義。本文選取濟南市作為研究區域，探討了1980—2020年研究區土地利用結構變化以及土地利用類型間轉移情況，并核算了生態系統服務價值，分析了不同土地利用類型對生態系統服務價值變化的生態貢獻率。研究結果表明：①在研究時段內，研究區建設用地面積呈現持續增加的趨勢；在1980—2000年階段，耕地、林地、草地、水域面積呈現波動式變化，在2000—2020年階段處于持續下降的趨勢。②1980—2020年，生態系統服務總價值呈先下降后上升再下降的趨勢；從單項服務價值來看，供給、調節、支持和文化4種主要的服務價值均有不同程度的減少，尤其在2005—2010年，下降幅度最大。③耕地對濟南市生態系統服務價值變化影響最大，主要由于研究區內受城市發展的影響，導致耕地面積大幅減少，其次影響較大的是林地、草地和水域。

關鍵詞：土地利用變化；生態系統服務價值；生態貢獻率；濟南市

中圖分類號：P301.2????文獻標識碼：A????doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.02.010

引文格式：張夢虹，姜鵬，趙麗，等.1980—2020年濟南市土地利用變化對生態系統服務價值的影響［J］.山東國土資源，2024，40（2）：5664. ZHANG Menghong， JIANG Peng， ZHAO Li， et al. Influence of Land Use Changes on the Value of Ecosystem Services in Ji'nan from 1980 to 2020［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（2）：5664.

0?引言

改革開放以來，我國經濟進入高速發展階段，城鎮化進程加快，城鎮化率已由17.92%提升至2021年的64.72%［12］。社會經濟轉型發展以土地利用轉型為空間載體，對農業空間和生態空間的占用難以避免，進而加劇區域土地利用結構趨于不合理，直接影響區域生態系統服務水平［3］。生態系統服務價值（Ecological Service Value，ESV）是人類直接或間接通過生態系統獲得的所有惠益，主要包括供給、調節、文化和支持四種服務價值［45］。生態系統服務對維持地球生命系統的正常運轉至關重要，它們直接或間接地為人類提供福祉［6］。聯合國千年生態系統評估（The Millennium Ecosystem Assessment）中指出，近100多年來全球60%的生態系統正在或已經退化［7］，很大程度在于對生態系統服務價值認識不足而盲目開發所導致［8］。土地利用變化不僅會直接影響土地利用結構、功能和景觀格局的變化［911］，而且也會間接影響生態系統服務功能的變化。

近年來，生態系統服務價值的定量評價已成為國內學者的研究熱點［12］。Costanza等首先提出了生態系統服務價值估算的原理和方法［13］，并得到了廣泛的應用；但由于地域性的差異，不同地區直接采用該方法進行核算，研究結果的誤差較大，會影響生態系統服務價值估算結果的可靠性。鑒于此，謝高地等在該研究基礎上，提出了適合我國的生態系統服務評估體系，該方法目前應用廣泛［1419］。國內眾多學者采用謝高地改進的當量因子法，分析了土地利用/覆被變化（Land Use / Cover Change，LUCC）下的ESV變化情況及其相互間的影響［2021］；不少學者對濟南市生態系統服務價值開展了系列研究和討論［2225］，但研究時段主要集中在2000年以后，對更早期的研究時段較少，且研究不同土地利用類型對生態系統服務價值變化的生態貢獻率的較少，不能較好的體現兩者間的內在關聯。

本文基于長時間跨度的土地利用/覆被數據，采用謝高地等提出的當量因子法核算濟南市ESV，探討1980—2020年濟南市土地利用變化對生態系統服務價值的影響，研究二者間相互關系，以期為濟南市在國土空間規劃、自然資源管理、生態文明建設提供決策依據。

1?數據與方法

1.1?研究區概況

濟南市是山東省省會，地勢由南向北依次為低山丘陵、山前沖積—洪積傾斜平原和黃河沖積平原的地貌形態。濟南市呈現出北部臨黃帶，中部為山前平原帶，南部為丘陵山區帶的地形特征（圖1）。其四周與德州、濱州、淄博、泰安、聊城等地市相鄰，全市總面積10244.45 km2。

1.2?數據來源

土地利用/覆被數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心，Landsat遙感影像是該LUCC的主要數據源，解譯方法以人工目視解譯為主。受數據源的影響，1980年LUCC數據主要基于Land-MSS遙感影像數據解譯得到，1990—2010年LUCC主要基于Landsat-TM/ETM遙感影像數據解譯得到，2015、2020年LUCC更新主要使用Landsat 8數據。主要糧食產量、市場價格、種植面積數據來源于《濟南市2021年統計年鑒》和《全國農產品成本收益資料匯編2019》。1.3?研究方法

1.3.1?土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣用于反映在研究時段內濟南不同地類面積間相互轉化的動態過程［2627］。公式（1）如下：

Sij=S11?S12?…?S1n

S21?S22?…?S2n

…??…?…?…

Sn1?Sn2?…?Snn（1）

式中：S為面積；n為濟南市土地利用類型數；i，j（i，j=1，2，…，n）分別是土地類型變化前后所代表的土地類型；Sij為i與j地類間轉換的面積量［28］。

1.3.2?生態服務系統價值測算

本文以修正后的中國生態系統單位面積生態服務當量表為依據［6，29］，結合濟南市社會經濟發展情況，對濟南市單位面積糧食產量創造的經濟價值進行修正。鑒于建設用地的生態系統服務價值的特殊性，本文以謝高地等修正后的當量因子表為依據，將建設用地系數設為0。

通過查詢《濟南市2021年統計年鑒》可以看出，1980—2020年濟南平均糧食單產為5130.49 kg·hm2；查詢《全國農產品成本收益資料匯編2019》獲取2018年山東地區粳稻、小麥、玉米、大豆4種主要糧食作物的價格，計算得到4種糧食作物的平均價格為2.846元·kg1，并將其作為濟南市平均糧食價格，根據“一個標準生態系統服務經濟價值等效系數是單位面積農田的食物生產經濟價值的1/7”［30］，核算出濟南市一個生態系統服務價值當量因子為2085.91元·hm2，其次通過與修正后的當量表相乘得出濟南生態系統單位面積服務價值系數表，最后以此核算濟南市ESV（表1）。

1.3.3?生態貢獻率

生態貢獻率表示不同土地利用類型在某一時段內的服務價值變化量對區域總服務價值變化量的影響。公式（2）為：

SKT=|ΔESVKT|∑6K=1|ΔESVKT|（2）

式中：SKT代表的是地類K在時間段T內的生態貢獻率；ΔESVKT代表的是地類K在時間段T內的ESV變化量［31］。

2?結果與分析

2.1?濟南土地利用/覆被變化分析

2.1.1?土地利用類型結構變化分析

1980—2020年間，濟南市土地利用類型中，耕地面積占比最大，維持在國土總面積的55%～63%之間，主要分布于濟南市北部、西南和東南等區域；林地、草地、建設用地面積占比在8%～20%之間，林地、草地主要分布于中部山地區域，建設用地主要分布于中部地區以及零散分布于耕地之間；水域面積占比較小，在2%～3%之間（表2，圖2）。

40年間耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6種土地類型中，建設用地面積呈現持續擴張的趨勢，耕地、林地、草地呈現面積均呈現下降的趨勢，水域面積變化不大。在研究時段內，建設用地總共增加1069.53 km2，面積翻了一倍；其中增長最快的階段在2005—2010年期間。1980—1990年，增加了12.02 km2；1990—1995年，增加了82.53 km2；1995—2000年，增加了19.01 km2；2000—2005年，增加了108.84 km2；2005—2010年，增加了722.59 km2；2010—2015年，增加了83.64 km2；2015—2020年，增加了40.90 km2。相較于1980年，2020年耕地面積減少691.14 km2，2005—2010年期間耕地面積減少最多；其中1980—1990年耕地增加了42.25 km2，1990—1995年減少了155.46 km2，1995—2000年增加了58.37 km2，2000—2005年減少了136.74 km2，2005—2010年減少了373.45 km2，2010—2015年減少了84.98 km2，2015—2020年減少了41.09 km2。林地在1980—2020年期間，面積減少了84.17 km2，2005—2010年期間林地面積減少最多；其中1980—1990年林地面積減少了34.57 km2，1990—1995年面積又增加了14.04 km2，1995—2000年減少了12.60 km2，2000—2005年增加了4.79 km2，2005—2010年減少了55.18 km2，2010—2015年減少了1.49 km2，2015—2020年增加了0.84 km2。1980—2020年期間，草地面積減少了217.44 km2，2005—2010年期間草地面積減少最多；其中1980—1990年草地面積減少了5.78 km2，1990—1995年面積又增加了13.17 km2，1995—2000年減少了13.45 km2，2000—2005年減少了3.41 km2，2005—2010年減少了207.19 km2，2010—2015年減少了1.88 km2，2015—2020年增加了1.10 km2。相比于1980年，2020年水域面積減少了15.16 km2，水域面積整體變化不大。

2.1.2?土地利用轉移矩陣分析

從土地利用轉移矩陣（表3）可以發現，1980—2020年期間，耕地和建設用地互相流轉頻繁，其他地類間流轉較少。耕地流出部分主要轉移為建設用地，占流出總面積的90.36%；耕地流入部分主要來源于建設用地和草地，分別占流入總面積的39.46%和26.87%。

從土地利用轉移矩陣空間分布（圖3）來看，LUCC變化最為頻繁的區域主要位于城鎮、居民地附近，是耕地和建設用地間的轉換。在城鎮化快速發展階段，建設用地面積的迅速擴張必將擠占其他地類，而濟南市主要以平原耕種區域為主，因此耕地被建設用地占用；在進入高質量發展階段后，國家嚴格控制耕地紅線、違法建筑拆除復墾等系列舉措，耕地在一定程度尚有所增加。

2.2?濟南生態系統服務價值變化

2.2.1?生態系統服務總價值變化

1980—2020年期間，濟南市生態系統服務總價值呈先下降后上升再下降的趨勢（表4），總價值從1980年的237.75億元下降到1990年的234.85億元，1995年上升至235.38億元，2020年下降至214.52億元。1980—2020年，濟南市生態系統服務價值總體下降23.23億元，減幅約10%，主要是由于對生態系統服務價值無影響的建設用地面積增加，而耕地、林地、草地等面積減少，導致濟南市生態系統服務總價值量下降。

2.2.2?單項生態系統服務價值變化

通過對濟南市1980—2020年單項生態系統服務價值變化分析發現，每項ESV均有不同程度的減少（表5），尤其在2005—2010年，下降幅度最大。在研究期內，供給服務價值下降了2.98億元，減幅為9.82%，1980—2000年期間波動幅度較小，主要在于該時段經濟發展緩慢，城鎮化率不高，耕地、林地、草地面積變化小，生產糧食和原材料能力較好；2005—2010年下降幅度較大，減少了1.87億元，主要原因在于該時段內濟南市城鎮化進程加快，建設用地面積快速增加，導致其他地類面積均有所減少，進而促使生產糧食和原材料的能力有所下降；2010—2020年降幅較小，主要是由于經濟發展模式逐漸從粗放式向高質量高效益模式轉變，嚴格保護耕地，實現耕地占補平衡，同時大力保護生態環境，從而使得該時段內供給服務價值整體平穩。

在研究時段內，濟南市的調節服務價值呈衰減趨勢，1980—2005年期間下降幅度小，減少了1.85億元，下降幅度為1.47%；2005—2010年時段內下降幅度大，減少了9.46億元，下降幅度為7.65%；2010—2020年較為穩定，波動小，減少了0.62億元，下降幅度為0.54%。調節服務價值變化受耕地、林地、草地的影響較大，這主要由3種地類在生態系統中的功能和特性所決定的，同時3者面積占比較大所造成的。但是在研究時段內，3者的面積持續減少，導致了在氣候、水文等方面的調節能力有所下降，從而導致調節服務價值的降低。

支持服務價值主要反映保持土壤和微生物多樣性的情況，耕地、林地和草地在該方面起到了重要作用，因此支持服務價值的變化受三者變化的影響較大。1980—2020年間，支持服務價值呈現持續減少的趨勢，但各階段的減少幅度存在差異。1980—2005年，支持服務價值下降了1.53億元；2005—2010年期間，減少了4.99億元；2010—2020年期間，減少了0.63億元。其主要原因是耕地、林地和草地在研究時段內都持續減少，導致1980—2020年期間內支持服務價值降低。

濟南市文化服務價值受林地、水域影響較大，但在1980—2020年間，林地和水域面積持續下降，使其美學景觀和文化服務價值均持續降低。主要是由于大量的林地和水域流轉為耕地、建設用地等其他地類，導致兩者面積持續減少，直接導致文化服務價值的下降。

2.3?LUCC對生態系統服務價值變化的貢獻率

根據表6的結果表明，1980—2005年、2005—2010年、2010—2020年、1980—2020年4個不同時段內，耕地對生態系統服務價值變化的貢獻率最大，尤其在2010—2020年間高達78.20%，主要由于研究區域耕地被人類活動大量占用，導致其生態系統服務價值變化最大；其次是林地，1980—2005年間對ESV的貢獻率最高，為28.38%。1980—2005年間，耕地對ESV的貢獻率最大，其他土地利用類型對ESV的貢獻率從大到小依次為林地、水域、草地、未利用地；2005—2010年，耕地對ESV的貢獻率最大，其他土地利用類型對ESV的貢獻率從大到小依次為草地、林地、水域、未利用地；2010—2020年，耕地對ESV的貢獻率最大，其他土地利用類型對ESV的貢獻率從大到小依次為水域、林地、草地、未利用地；1980—2020年，耕地對ESV的貢獻率最大，其他土地利用類型對ESV的貢獻率從大到小依次為草地、林地、水域、未利用地。

3?結論與討論

本文以濟南市為研究區域，采用謝高地當量因子法，探討了1980—2020年間研究區內的土地利用變化情況，并以此為基礎對濟南市的生態系統服務價值進行了核算，最后通過分析不同土地利用類型的生態貢獻率掌握了ESV變化的主要影響因素。得出以下3點結論：

（1）在研究時段內，研究區在土地利用結構上，主要以耕地為主，其次為建設用地、林地、草地；從變化趨勢上看，1980—2020年間建設用地面積呈現持續增加的趨勢，在1980—2000年階段，耕地、林地、草地、水域面積呈現波動式變化，在2000—2020年階段處于持續下降的趨勢。

（2）1980—2020年，從生態系統服務總價值來看，整體呈先下降后上升再下降的趨勢；從單項服務價值來看，供給服務價值、調節服務價值、支持服務價值和文化服務價值均有不同程度的減少，尤其在2005—2010年，下降幅度最大。

（3）生態貢獻率結果表明，耕地對濟南市生態系統服務價值變化影響最大，主要由于研究區內受城市發展的影響，導致耕地面積大幅減少，其次影響較大的是林地、草地和水域。

本文在宏觀尺度上對濟南市的生態系統服務價值進行分析，研究結果在一定程度上可作為未來城市發展提供決策依據。但受土地利用數據空間分辨率、農作物市場價格波動等因素的影響，可能對研究成果產生一定影響。下一步作者將從提高土地利用數據分辨率、修正市場價格的角度，盡可能減少二者對研究結果的影響。

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[STHZ]Influence of Land Use Changes on the Value of Ecosystem Services in Ji'nan from 1980 to 2020

ZHANG Menghong1， JIANG Peng2， ?ZHAO Li1， ZHAO Jing1， LIU Weiguo3， JI Dong1， SHI Hai1， MOU Gang1， WANG Jing1

（1. Rizhao Bureau of Natural Resources and Planning， Shandong， Rizhao 276800， China; 2. No.1 Exploration Brigade of Shandong Coalfield Geological Bureau， Shandong Qingdao 266520， China; 3. Rizhao Central Vitality Zone Development Service Center Shandong Rizhao 276800， China）

Abstract：Faced the problem of resource shortage， unreasonable land utilization types and degradation of ecological systems， exploring the impact of land use change on the value of ecosystem services is of great significance for formulating appropriate policies and measures on territorial spatial planning， natural resource management and ecological civilization construction. Selecting Ji'nan city as the study area， the change of land use structure and transfer among land use types from 1980 to 2020 has been studied， the ecosystem service value has been calculated， and ecological contribution rate of different land use types to the change of ecosystem service value has been analyzed. It is showed that： ①The construction land area shows a trend of continuous increase within the whole period. The area of cultivated land， forest land， grassland and water area show a fluctuating change from 1980 to 2000， but are in a continuous decline between the year 2000 and 2020. ②From 1980 to 2020， the total service value of ecosystem show a general trend of down-up-down. To be specific， four main service values， such as supply， regulation， support and culture all decrease to varying degrees， and reach the largest degree from 2005 to 2010. ③Service value change of ecosystem in Ji'nan city is mostly affected by the cultivated land， which reduces tremendously in the study area due to the urban development. It will cause a significant reduction in arable land area， followed by significant impacts on forests， grasslands， and water bodies.

Key words：Land use change; ecosystem service value; ecological contribution rate; Ji'nan city

收稿日期：20231021；修訂日期：20231202；編輯：王敏作者簡介：張夢虹（1991—），女，山東日照人，工程師，主要從事測繪地理信息相關工作；Email：466370172@qq.com?*通訊作者：姜鵬（1990—），男，山東日照人，工程師，主要從事測繪地理信息工作；Email：penglove_1224@163.com