1980—2020年济南市土地利用变化对生态系统服务价值的影响

张梦虹 姜鹏 赵丽 赵静 刘维国 纪东 时海 牟刚 王静

摘要：面对资源紧缺、土地利用方式不合理、生态系统退化等问题，探索土地利用变化对生态系统服务价值的影响，对于制定适宜的国土空间规划、自然资源管理、生态文明建设等方面的政策措施具有重要意义。本文选取济南市作为研究区域，探讨了1980—2020年研究区土地利用结构变化以及土地利用类型间转移情况，并核算了生态系统服务价值，分析了不同土地利用类型对生态系统服务价值变化的生态贡献率。研究结果表明：①在研究时段内，研究区建设用地面积呈现持续增加的趋势；在1980—2000年阶段，耕地、林地、草地、水域面积呈现波动式变化，在2000—2020年阶段处于持续下降的趋势。②1980—2020年，生态系统服务总价值呈先下降后上升再下降的趋势；从单项服务价值来看，供给、调节、支持和文化4种主要的服务价值均有不同程度的减少，尤其在2005—2010年，下降幅度最大。③耕地对济南市生态系统服务价值变化影响最大，主要由于研究区内受城市发展的影响，导致耕地面积大幅减少，其次影响较大的是林地、草地和水域。

关键词：土地利用变化；生态系统服务价值；生态贡献率；济南市

中图分类号：P301.2    文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.02.010

引文格式：張梦虹，姜鹏，赵丽，等.1980—2020年济南市土地利用变化对生态系统服务价值的影响［J］.山东国土资源，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

改革开放以来，我国经济进入高速发展阶段，城镇化进程加快，城镇化率已由17.92%提升至2021年的64.72%［12］。社会经济转型发展以土地利用转型为空间载体，对农业空间和生态空间的占用难以避免，进而加剧区域土地利用结构趋于不合理，直接影响区域生态系统服务水平［3］。生态系统服务价值（Ecological Service Value，ESV）是人类直接或间接通过生态系统获得的所有惠益，主要包括供给、调节、文化和支持四种服务价值［45］。生态系统服务对维持地球生命系统的正常运转至关重要，它们直接或间接地为人类提供福祉［6］。联合国千年生态系统评估（The Millennium Ecosystem Assessment）中指出，近100多年来全球60%的生态系统正在或已经退化［7］，很大程度在于对生态系统服务价值认识不足而盲目开发所导致［8］。土地利用变化不仅会直接影响土地利用结构、功能和景观格局的变化［911］，而且也会间接影响生态系统服务功能的变化。

近年来，生态系统服务价值的定量评价已成为国内学者的研究热点［12］。Costanza等首先提出了生态系统服务价值估算的原理和方法［13］，并得到了广泛的应用；但由于地域性的差异，不同地区直接采用该方法进行核算，研究结果的误差较大，会影响生态系统服务价值估算结果的可靠性。鉴于此，谢高地等在该研究基础上，提出了适合我国的生态系统服务评估体系，该方法目前应用广泛［1419］。国内众多学者采用谢高地改进的当量因子法，分析了土地利用/覆被变化（Land Use / Cover Change，LUCC）下的ESV变化情况及其相互间的影响［2021］；不少学者对济南市生态系统服务价值开展了系列研究和讨论［2225］，但研究时段主要集中在2000年以后，对更早期的研究时段较少，且研究不同土地利用类型对生态系统服务价值变化的生态贡献率的较少，不能较好的体现两者间的内在关联。

本文基于长时间跨度的土地利用/覆被数据，采用谢高地等提出的当量因子法核算济南市ESV，探讨1980—2020年济南市土地利用变化对生态系统服务价值的影响，研究二者间相互关系，以期为济南市在国土空间规划、自然资源管理、生态文明建设提供决策依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

济南市是山东省省会，地势由南向北依次为低山丘陵、山前冲积—洪积倾斜平原和黄河冲积平原的地貌形态。济南市呈现出北部临黄带，中部为山前平原带，南部为丘陵山区带的地形特征（图1）。其四周与德州、滨州、淄博、泰安、聊城等地市相邻，全市总面积10244.45 km2。

1.2 数据来源

土地利用/覆被数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心，Landsat遥感影像是该LUCC的主要数据源，解译方法以人工目视解译为主。受数据源的影响，1980年LUCC数据主要基于Land-MSS遥感影像数据解译得到，1990—2010年LUCC主要基于Landsat-TM/ETM遥感影像数据解译得到，2015、2020年LUCC更新主要使用Landsat 8数据。主要粮食产量、市场价格、种植面积数据来源于《济南市2021年统计年鉴》和《全国农产品成本收益资料汇编2019》。1.3 研究方法

1.3.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵用于反映在研究时段内济南不同地类面积间相互转化的动态过程［2627］。公式（1）如下：

Sij=S11 S12 … S1n

S21 S22 … S2n

…  … … …

Sn1 Sn2 … Snn（1）

式中：S为面积；n为济南市土地利用类型数；i，j（i，j=1，2，…，n）分别是土地类型变化前后所代表的土地类型；Sij为i与j地类间转换的面积量［28］。

1.3.2 生态服务系统价值测算

本文以修正后的中国生态系统单位面积生态服务当量表为依据［6，29］，结合济南市社会经济发展情况，对济南市单位面积粮食产量创造的经济价值进行修正。鉴于建设用地的生态系统服务价值的特殊性，本文以谢高地等修正后的当量因子表为依据，将建设用地系数设为0。

通过查询《济南市2021年统计年鉴》可以看出，1980—2020年济南平均粮食单产为5130.49 kg·hm2；查询《全国农产品成本收益资料汇编2019》获取2018年山东地区粳稻、小麦、玉米、大豆4种主要粮食作物的价格，计算得到4种粮食作物的平均价格为2.846元·kg1，并将其作为济南市平均粮食价格，根据“一个标准生态系统服务经济价值等效系数是单位面积农田的食物生产经济价值的1/7”［30］，核算出济南市一个生态系统服务价值当量因子为2085.91元·hm2，其次通过与修正后的当量表相乘得出济南生态系统单位面积服务价值系数表，最后以此核算济南市ESV（表1）。

1.3.3 生态贡献率

生态贡献率表示不同土地利用类型在某一时段内的服务价值变化量对区域总服务价值变化量的影响。公式（2）为：

SKT=|ΔESVKT|∑6K=1|ΔESVKT|（2）

式中：SKT代表的是地类K在时间段T内的生态贡献率；ΔESVKT代表的是地类K在时间段T内的ESV变化量［31］。

2 结果与分析

2.1 济南土地利用/覆被变化分析

2.1.1 土地利用类型结构变化分析

1980—2020年间，济南市土地利用类型中，耕地面积占比最大，维持在国土总面积的55%～63%之间，主要分布于济南市北部、西南和东南等区域；林地、草地、建设用地面积占比在8%～20%之间，林地、草地主要分布于中部山地区域，建设用地主要分布于中部地区以及零散分布于耕地之间；水域面积占比较小，在2%～3%之间（表2，图2）。

40年间耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6种土地类型中，建设用地面积呈现持续扩张的趋势，耕地、林地、草地呈现面积均呈现下降的趋势，水域面积变化不大。在研究时段内，建设用地总共增加1069.53 km2，面积翻了一倍；其中增长最快的阶段在2005—2010年期间。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。相较于1980年，2020年耕地面积减少691.14 km2，2005—2010年期间耕地面积减少最多；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年减少了136.74 km2，2005—2010年减少了373.45 km2，2010—2015年减少了84.98 km2，2015—2020年减少了41.09 km2。林地在1980—2020年期间，面积减少了84.17 km2，2005—2010年期间林地面积减少最多；其中1980—1990年林地面积减少了34.57 km2，1990—1995年面积又增加了14.04 km2，1995—2000年减少了12.60 km2，2000—2005年增加了4.79 km2，2005—2010年减少了55.18 km2，2010—2015年减少了1.49 km2，2015—2020年增加了0.84 km2。1980—2020年期间，草地面积减少了217.44 km2，2005—2010年期间草地面积减少最多；其中1980—1990年草地面积减少了5.78 km2，1990—1995年面积又增加了13.17 km2，1995—2000年减少了13.45 km2，2000—2005年减少了3.41 km2，2005—2010年减少了207.19 km2，2010—2015年减少了1.88 km2，2015—2020年增加了1.10 km2。相比于1980年，2020年水域面积减少了15.16 km2，水域面积整体变化不大。

2.1.2 土地利用转移矩阵分析

从土地利用转移矩阵（表3）可以发现，1980—2020年期间，耕地和建设用地互相流转频繁，其他地类间流转较少。耕地流出部分主要转移为建设用地，占流出总面积的90.36%；耕地流入部分主要来源于建设用地和草地，分别占流入总面积的39.46%和26.87%。

从土地利用转移矩阵空间分布（图3）来看，LUCC变化最为频繁的区域主要位于城镇、居民地附近，是耕地和建设用地间的转换。在城镇化快速发展阶段，建设用地面积的迅速扩张必将挤占其他地类，而济南市主要以平原耕种区域为主，因此耕地被建设用地占用；在进入高质量发展阶段后，国家严格控制耕地红线、违法建筑拆除复垦等系列举措，耕地在一定程度尚有所增加。

2.2 济南生态系统服务价值变化

2.2.1 生态系统服务总价值变化

1980—2020年期间，济南市生态系统服务总价值呈先下降后上升再下降的趋势（表4），总价值从1980年的237.75亿元下降到1990年的234.85亿元，1995年上升至235.38亿元，2020年下降至214.52亿元。1980—2020年，济南市生态系统服务价值总体下降23.23亿元，减幅约10%，主要是由于对生态系统服务价值无影响的建设用地面积增加，而耕地、林地、草地等面积减少，导致济南市生态系统服务总价值量下降。

2.2.2 单项生态系统服务价值变化

通过对济南市1980—2020年单项生态系统服务价值变化分析发现，每项ESV均有不同程度的减少（表5），尤其在2005—2010年，下降幅度最大。在研究期内，供给服务价值下降了2.98亿元，减幅为9.82%，1980—2000年期间波动幅度较小，主要在于该时段经济发展缓慢，城镇化率不高，耕地、林地、草地面积变化小，生产粮食和原材料能力较好；2005—2010年下降幅度较大，减少了1.87亿元，主要原因在于该时段内济南市城镇化进程加快，建设用地面积快速增加，导致其他地类面积均有所减少，进而促使生产粮食和原材料的能力有所下降；2010—2020年降幅较小，主要是由于经济发展模式逐渐从粗放式向高质量高效益模式转变，严格保护耕地，实现耕地占补平衡，同时大力保护生态环境，从而使得该时段内供给服务价值整体平稳。

在研究时段内，济南市的调节服务价值呈衰减趋势，1980—2005年期间下降幅度小，减少了1.85亿元，下降幅度为1.47%；2005—2010年时段内下降幅度大，减少了9.46亿元，下降幅度为7.65%；2010—2020年较为稳定，波动小，减少了0.62亿元，下降幅度为0.54%。调节服务价值变化受耕地、林地、草地的影响较大，这主要由3种地类在生态系统中的功能和特性所决定的，同时3者面积占比较大所造成的。但是在研究时段内，3者的面积持续减少，导致了在气候、水文等方面的调节能力有所下降，从而导致调节服务价值的降低。

支持服务价值主要反映保持土壤和微生物多样性的情况，耕地、林地和草地在该方面起到了重要作用，因此支持服务价值的变化受三者变化的影响较大。1980—2020年间，支持服务价值呈现持续减少的趋势，但各阶段的减少幅度存在差异。1980—2005年，支持服务价值下降了1.53亿元；2005—2010年期间，减少了4.99亿元；2010—2020年期间，减少了0.63亿元。其主要原因是耕地、林地和草地在研究时段内都持续减少，导致1980—2020年期间内支持服务价值降低。

济南市文化服务价值受林地、水域影响较大，但在1980—2020年间，林地和水域面积持续下降，使其美学景观和文化服务价值均持续降低。主要是由于大量的林地和水域流转为耕地、建设用地等其他地类，导致两者面积持续减少，直接导致文化服务价值的下降。

2.3 LUCC对生态系统服务价值变化的贡献率

根据表6的结果表明，1980—2005年、2005—2010年、2010—2020年、1980—2020年4个不同时段内，耕地对生态系统服务价值变化的贡献率最大，尤其在2010—2020年间高达78.20%，主要由于研究区域耕地被人类活动大量占用，导致其生态系统服务价值变化最大；其次是林地，1980—2005年間对ESV的贡献率最高，为28.38%。1980—2005年间，耕地对ESV的贡献率最大，其他土地利用类型对ESV的贡献率从大到小依次为林地、水域、草地、未利用地；2005—2010年，耕地对ESV的贡献率最大，其他土地利用类型对ESV的贡献率从大到小依次为草地、林地、水域、未利用地；2010—2020年，耕地对ESV的贡献率最大，其他土地利用类型对ESV的贡献率从大到小依次为水域、林地、草地、未利用地；1980—2020年，耕地对ESV的贡献率最大，其他土地利用类型对ESV的贡献率从大到小依次为草地、林地、水域、未利用地。

3 结论与讨论

本文以济南市为研究区域，采用谢高地当量因子法，探讨了1980—2020年间研究区内的土地利用变化情况，并以此为基础对济南市的生态系统服务价值进行了核算，最后通过分析不同土地利用类型的生态贡献率掌握了ESV变化的主要影响因素。得出以下3点结论：

（1）在研究时段内，研究区在土地利用结构上，主要以耕地为主，其次为建设用地、林地、草地；从变化趋势上看，1980—2020年间建设用地面积呈现持续增加的趋势，在1980—2000年阶段，耕地、林地、草地、水域面积呈现波动式变化，在2000—2020年阶段处于持续下降的趋势。

（2）1980—2020年，从生态系统服务总价值来看，整体呈先下降后上升再下降的趋势；从单项服务价值来看，供给服务价值、调节服务价值、支持服务价值和文化服务价值均有不同程度的减少，尤其在2005—2010年，下降幅度最大。

（3）生态贡献率结果表明，耕地对济南市生态系统服务价值变化影响最大，主要由于研究区内受城市发展的影响，导致耕地面积大幅减少，其次影响较大的是林地、草地和水域。

本文在宏观尺度上对济南市的生态系统服务价值进行分析，研究结果在一定程度上可作为未来城市发展提供决策依据。但受土地利用数据空间分辨率、农作物市场价格波动等因素的影响，可能对研究成果产生一定影响。下一步作者将从提高土地利用数据分辨率、修正市场价格的角度，尽可能减少二者对研究结果的影响。

参考文献：

［1］ 国家统计局，中国统计年鉴［M］．北京：中国统计出版社，1999.

［2］ 国家统计局，中国统计年鉴［M］．北京：中国统计出版社，2022.

［3］ 关梅，张文信，蒋海明，等.山东省土地利用变化的生态系统服务交叉敏感性评价［J］.中国农业大学学报，2022，27（6）：192203.

［4］ 谢高地，张彩霞，张雷明，等.基于单位面积价值当量因子的生态系统服务价值化方法改进［J］.自然资源学报，2015，30（8）：12431254.

［5］ 马丽娜，张飞云，翟玉鑫，等.1980—2020年新疆土地利用变化下生态系统服务价值时空演变分析［J］.干旱区地理，2023，46（2）：253263.

［6］ Costanza R ，Arge，Groot R D，et al.The value of the world's ecosystem services and natural capital［J］.Nature，1997，387（15）：253260.

［7］ Assesment M E.Ecosystems and human wellbeing： synthesis［J］.Physics Teacher，2005，34（9）：534538.

［8］ 雷军成，王莎，汪金梅，等.土地利用变化对寻乌县生态系统服务价值的影响［J］.生态学报，2019，39（9）：30893099.

［9］ DONG G，XU E，ZHANG H .Spatiotemporal Variation of Driving Forces for Settlement Expansion in Different Types of Counties［J］.Sustainability，2015，8（1）：39.

［10］ 刘冰，王靖伟，吴福荣，等.黄河三角洲景观格局变化及生态风险评价［J］.山东国土资源，2023，39（5）：3945.

［11］ 刘冰，王海明，吴明阳，等.曹县黄河故道国家湿地公园整合优化后景观格局变化［J］.甘肃林业科技，2023，48（1）：5458.

［12］ 刘金勇，孔繁花，尹海伟，等.济南市土地利用变化及其对生态系统服务价值的影响［J］.应用生态学报，2013，24（5）：12311236.

［13］ 魏佳豪，温玉玲，龚志军，等.近30年鄱阳湖滨岸缓冲带土地利用变化及生态系统服务价值［J］.生态学报，2022，42（22）：92619273.

［14］ 何治学，王磊，罗君，等.宜宾市近20年土地利用变化及其生态系统服务价值的时空效应［J］.西华师范大学学报（自然科学版），2023，44（4）：350357.

［15］ 谢高地，张彩霞，张昌顺，等.中国生态系统服务的价值［J］.资源科学，2015，37（9）：17401746.

［16］ 卢辞，李明鸿.黄河三角洲城市化与生态系统服务价值的耦合关系［J］.国土与自然资源研究，2023（6）：2026.

［17］ 高雯娜，吴玉琪，吴可欣，等.基于生态系统服务价值的土地利用结构优化：以清流县为例［J］.赤峰学院学报（自然科学版），2023，39（10）：6266.

［18］ 王兆峰，杨钊颖，张海燕.基于生态系统服务价值的洞庭湖生态经济区生态补偿标准与策略优化［J］.湖南师范大学自然科学学报，2023，46（5）：6371.

［19］ 周夏青.海岸带土地生态系统服务价值评价及治理保护对策研究：以威海市为例［J］.山东国土资源，2023，39（9）：7278.

［20］ 赵颖，王飞.资源型省份土地利用变化及其对生态系统服务价值的影响［J］.中国农学通报，2015，31（17）：127133.

［21］ 杨光宗，吕凯，李峰.基于格网尺度的南昌市土地利用变化及生态系统服务价值时空相关性分析［J］.中国土地科学，2022，36（8）：121130.

［22］ 刘金勇，孔繁花，尹海伟，等.济南市土地利用变化及其对生态系统服务价值的影响［J］.应用生态学报，2013，24（5）：12311236.

［23］ 王敏，张聪，惠洪宽.济南市的土地利用变化及其生态服务价值研究［J］.齐鲁师范学院学报，2017，32（4）：108114.

［24］ 代静，王小燕，杜文强.济南市土地利用变化及生态服务价值时空演变分析［J］.环境保护科学，2019，45（2）：615.

［25］ 高登.大都市区土地利用变化及其生态系统服务价值响应：以济南市为例［J］.中国资源综合利用，2021，39（12）：7274.

［26］ 吕乐婷，张杰，彭秋志，等.东江流域景观格局演变分析及变化预测［J］.生态学报，2019，39（18）：68506859.

［27］ 李薇，谈明洪.太行山区不同坡度NDVI变化趋势差异分析［J］.中国生态农业学报，2017，25（4）：509519.

［28］ 翟浩然，唐新明，王光辉，等.中国超大城市建设用地遥感监测与时空格局［J］.遥感信息，2019，34（4）：3947.

［29］ 谢高地，甄霖，鲁春霞，等.一个基于专家知識的生态系统服务价值化方法［J］.自然资源学报，2008（5）：911919.

［30］ 邓楚雄，钟小龙，谢炳庚，等.洞庭湖区土地生态系统的服务价值时空变化［J］.地理研究，2019，38（4）：844855.

［31］ 封建民，郭玲霞，李晓华.汉中市土地利用时空变化及其对生态系统服务价值的影响［J］.水土保持研究，2020，27（1）：275282.

[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；编辑：王敏作者简介：张梦虹（1991—），女，山东日照人，工程师，主要从事测绘地理信息相关工作；Email：466370172@qq.com *通讯作者：姜鹏（1990—），男，山东日照人，工程师，主要从事测绘地理信息工作；Email：penglove_1224@163.com