濱海城區土地利用格局時空演變及生態服務價值研究
——以大連市旅順口區為例

錢思彤，宋 飏，楊 俊，王士君

（1.東北師范大學 地理科學學院，吉林 長春130024；2.遼寧師范大學 人居環境研究中心，遼寧 大連116029）

隨著我國社會經濟的快速發展和城鄉轉型的不斷推進，土地利用程度日漸加大，有限的土地資源承載著巨大的人口壓力，不僅導致了人類生存環境的惡化，還影響了社會、經濟、生態的協調發展［1-3］。黨的十九大報告提出，要抓緊構建國土空間開發保護制度，充分發揮陸海統籌的戰略引領作用，優化國土空間開發布局和嚴守生態保護紅線已成為推動我國經濟結構調整和生態文明建設的客觀需要。

我國濱海城區生態稟賦和資源優勢相對較好，但受到自然和人為因素的綜合影響，生態系統較為脆弱［4］。明晰濱海城區生態系統服務價值對土地利用變化的響應機制，對于優化我國國土空間布局和生態系統服務質量提升具有重要作用。當前，亟需對濱海城區土地利用方式的轉變及其呈現出的生態服務價值變化進行研究。

土地 利 用/覆 被 變 化（LUCC，Land Use Cover Change）探究由人類活動引起的土地利用方式的轉變，是人類經濟社會活動作用于資源和自然環境的綜合反映，是生態經濟系統的持續運動過程，與特定的經濟和社會發展階段相對應［5-7］。生態系統服務價值（ESV，Ecosystem Service Value）是通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品和服務的具體量化反映［8］。生態服務價值對土地利用變化的響應是體現國土空間開發與生態價值變化二者間關系的方式之一。國內外學者針對這一方面的研究已取得了較多成果，但多數直接沿用了前人的方法和指標，缺乏對二者之間內部聯系的探索，以及對區域生態建設實際應用問題的討論［9］。楊勇、任志遠選取斑塊密度等指數，從生態學角度對關中地區土地利用類型及20 年內的土地流向進行了探究［10］；謝花林、劉黎明、李波等利用莫蘭指數描述了土地利用變化的空間自相關，并建立了混合回歸—空間自相關回歸模型［11］；1977 年，Westman 提出了“自然服務”的概念［12］；1997 年，Daily 首次構建了生態系統服務框架［13］，Costanza 劃分了全球生態系統服務功能，科學量化了對生態服務價值的估算，做出了深遠的貢獻［14］；歐陽志云、王如松首次評估了我國陸生系統的生態服務價值［15］；謝高地、張彩霞、張雷明等根據Costanza的研究進行了深入的推敲和考證，提供了科學的量化指標，建立了適用于我國實際情況的陸生系統服務價值表［16］；丁麗蓮、王奇、陳欣等通過修正生態系統服務價值當量因子，對淀山湖地區土地利用變化及生態系統服務價值進行了分析［17］；郭椿陽、高尚、周伯燕等在格網尺度上分析了不同空間區位上生態服務價值增減的主要土地利用類型及原因［18］。目前國內相關研究的案例地區一般以內陸地區為主，研究尺度以沿海地區、沿海城市等大尺度居多，針對濱海城區這一特殊微觀尺度的相關研究尚較少，在生態文明新時代的大背景下亟需深入開展［19-21］。根據《中國海洋年鑒》中的定義，沿海地區為有海岸線的地區，包括沿海省、自治區、直轄市；沿海城市為有海岸線的直轄市和地級市，包括直轄市、地級市及其轄區［22］。為了更好地區別沿海城市及其轄區，參考沿海地區和沿海城市兩個概念，提出濱海城區的概念：具有一定海岸線，發展對海洋有依賴背景的沿海城市轄區。

本文研究了大連市旅順口區2006—2015 年土地利用方式的時空變化情況，并對旅順口區的生態服務價值進行了估算，分析了其時間尺度下的速度變化和空間格局的轉變情況，并驗證了生態服務價值對價值系數的敏感性。本文對特殊類型地域的生態服務價值研究具有一定的理論補充，為大連市旅順口區社會經濟發展、土地利用、生態保護等相關政策的制定提供科學依據，同時可供我國東北地區和其他濱海城區生態文明建設工作借鑒和參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概況

遼寧 省 大 連 市 旅 順 口 區 地 處38°7′—39°N、120°8′—121°35′E，南北兩端相距26.1km，東西貫穿31.2km，總面積約506.8km2，海岸線長約169.7km，轄12 個街道，距離市區32km；北依甘井子區，南與山東半島遙相對望，西臨渤海，東傍黃海；氣候類型為北溫帶季風氣候，四序分明；地貌類型以丘陵為主，地形構成為“六丘、半水、三分半田”，土地利用方式以旱地和水澆地為主。所在城市大連市是我國東北地區最大的港口城市，具有較高的生態環境價值稟賦和得天獨厚的地理區位優勢。旅順口區是遼寧沿海經濟帶重點發展區域，同時作為國家級生態示范區，成為研究濱海城區土地利用方式轉變和生態服務價值方面的典型代表。

1.2 數據來源

本文使用的基礎數據主要包括大連市旅順口區2006年、2009 年、2012 年、2015 年4 個時序的土地利用數據、行政區劃圖、社會經濟數據等。在ENVI 軟件支持下，對4 期土地利用遙感影像數據進行糾正、融合、拼接等預處理。在ArcGIS10.2 軟件環境下，建立了圖形和屬性數據庫，具體數據來源及說明見表1。

表1 數據來源及說明

本文在參照《土地利用現狀分類》（GB/T 2101—2017）規范的基礎上，結合研究區土地利用特點和實際情況，將旅順口區土地利用類型分為6 個一級、24個二級分類類型。旅順口區為濱海城區，在遙感影像解譯的結果上，海鹽制鹽場和水域呈現出相同的水體特征，綜合旅順口區土地利用的實際情況，本文將海鹽鹽場劃分至“水域”范圍內，詳細分類結果見表2。

表2 旅順口區土地利用類型分類體系

1.3 研究方法

土地利用變化測算指標：土地利用變化幅度用以描述土地利用的總體形勢及時序內地類結構的轉變。本文通過計算各地類的面積、所占比重及其面積變化，分析各地類面積分布的變化情況。計算公式為：

式中，R為時序內地類面積改變的幅度；Ua為研究期初的面積；Ub為研究期末的面積。

土地利用變化速度，既可以定量描述某地類在一定時序內的面積變化速度，也可以概括區域土地利用總體情況。計算公式為：

式中，K為時序內地類的動態度；Ua為研究期初的面積；Ub為研究末期的面積；T 為時序間隔（本文中相鄰時序間隔3 年，K為年變化率）。

土地利用矩陣可以詳細并清楚地表達任意相鄰時序內各土地利用類型之間的面積轉換關系，本文使用ArcGIS的空間分析模塊進行計算，通過生成二維表查看各個地類間相互轉化的具體情況，從而明確整體土地利用變化具體數量情況。在實際應用中，土地利用轉移矩陣常以二維表的形式體現，模型表達式為：

式中，i、j 分別為研究期初、研究期末的土地利用類型；Sij為由i類型轉至j類型的土地利用面積；n為土地利用類型數量。

生態系統服務價值測算模型：本文參考Costanza對全球生態系統服務價值評估的研究［14］，結合謝高地、魯春霞、冷允法等建立的中國陸地生態系統單位面積服務價值表［23］和遼寧省相關研究成果［24］，確立了旅順口區各地類單位面積提供的價值（表3）。其中，林地、耕地、水域和未利用地分別對應謝高地研究成果中的森林、農田、水體、荒漠，園地和建設用地對應遼寧省相關研究成果中的園地和建設用地（建設用地以居民點及工礦用地、交通用地、建制鎮在水源涵養和廢物處理方面的價值為主）。計算公式為：

式中，ESV表示生態服務價值，單位：元；k 為6，表示地類數量；Ak為某時序第k 種地類的面積，單位：hm2；VC（Valuation Coefficient）是價值系數，即某種地類單位面積提供的價值，單位：元/hm2·a。

生態服務價值變化動態度，描述時序內地類的ESV 變化速度，有助于更加明確地探索局部的ESV動態變化情況。計算公式為：

式中，K為某時序內某種土地利用類型的生態服務價值動態度；ESVa為該地類在研究期初的生態服務價值；ESVb為該地類研究期末的生態服務價值；T 為時間跨度（本文中分段時序為3 年）。對于計算結果，如果K ＜0，表示ESV變化速度下降；如果K ＝0，表示ESV變化速度相對穩定，保持不變；如果K ＞0，表示ESV變化速度上升。根據遼寧省相關研究結果［24］，并結合旅順口區的實際情況，將動態程度分為7 級：-0.35≤K ＜-0.25 為Ⅰ級，對應顯著降低；-0.25≤K ＜- 0.15 為Ⅱ級，對應中度降低；-0.15≤K ＜0 為Ⅲ級，對應輕微降低；K ＝0 為Ⅳ級，對應無變化；0 ＜K≤0.15 為Ⅴ級，對應輕微增長；0.15 ＜K≤0.25 為Ⅵ級，對應中度增長；0.25 ＜K≤0.35為Ⅶ級，對應顯著增長。旅順口區各土地利用類型單位面積生態系統服務價值見表3。

表3 旅順口區土地利用類型單位面積生態系統服務價值（元/hm2·a）

生態服務價值敏感性分析：彈性系數是描述相對時間內，相互具有某種內部聯系的兩個變量之間的依存關系［25］。本文引入彈性系數指標以檢驗2006—2015 年間旅順口區不同土地利用類型的生態服務價值對于價值系數是否存在一定依存關系，并觀察二者之間的依賴程度。計算公式為：

式中，CS為彈性指數；VCik為第k種地類調整前的價值系數；VCjk為調整后的價值系數；ESVi為ESV初值；ESVj為VC 調整（± 50%）后的值。對于計算結果，若CS ＞1，代表ESV 對VC 敏感，具有彈性；若CS ＜1，代表ESV對VC不敏感，彈性較低。

2 結果及分析

2.1 旅順口區土地利用變化分析

土地利用數量變化（表4）：2006—2015 年，旅順口區建設用地是唯一一個面積呈持續上升趨勢的地類，在2006—2012 年內建設用地面積高速增長，2012年開始增速放緩，但總體增長幅度較大，基本體現了旅順口區城市建設的實際情況；耕地面積呈下降速度不斷放緩的減少趨勢；林地面積變化略有增減但相對穩定；水域面積略有增加，主要集中于雙島灣街道和江西街道的交界位置，其中雙島灣街道、江西街道的坑塘水面、鹽場面積有所增加；園地面積略有降低但變化不大；林地面積呈先上升后緩步下降的趨勢，整體較為平穩。研究期初，旅順口區處于城鎮化進程加速期，各類用地之間轉換較為迅速，建設用地擴張程度逐漸加大，由此造成了其他地類面積的持續降低。后期轉換速度放緩，整體呈現出建設用地面積顯著增加，而耕地和未利用地面積不斷降低的變化特征。

表4 2006—2015年旅順口區土地利用動態度

土地利用結構變化（圖1）：旅順口區全域面積為509.33km2。從一級地類來看，2015 年旅順口區林地面積為202.13km2，占總面積的比例最大；建設用地面積為148.15km2，耕地面積為68.97km2，園地面積為38.28km2，水域面積為27.30km2，未利用地面積為24.50km2。從二級地類來看，有林地占林地面積為92.3%，比例最大；居民點在建設用地面積中占71.6%；耕地中以旱地為主，占65.3%；果園占園地面積的99.7%；沿海灘涂和坑塘水面分別占水域面積的48.5%和37.2%；裸地是未利用地中占比最高的二級類型。

本文通過對2006 年和2015 年旅順口區土地利用現狀圖進行融合和疊置分析，建立了旅順口區的土地利用轉移矩陣（表5）。從土地轉移方向上來看，耕地主要轉向建設用地和林地，建設用地主要轉向水域和未利用地，林地主要轉向建設用地和未利用地，水域主要轉向建設用地和未利用地，園地主要轉向建設用地和耕地。從轉移來源來看，耕地主要由園地和林地轉移而來，建設用地主要由耕地和未利用地轉移而來，林地主要由耕地和園地轉來，未利用地主要由耕地和林地轉移而來，水域主要由建設用地和未利用地轉移而來，園地主要由耕地和林地轉移而來。在6 種地類中，轉向建設用地的面積最大、程度最劇烈，其次為水域、林地、未利用地、園地、耕地，耕地面積增加最少。

圖1 2006—2015 年旅順口區土地利用分布

表5 2006 年、2015 年旅順口區土地利用類型面積轉化情況（hm2）

2.2 生態服務價值估算及分析

生態服務價值估算：近10 年間，旅順口區生態服務價值降低了5.63 億元，整體呈現先增長再下降的趨勢。2009 年旅順口區生態服務價值最高，然后逐漸下降，到2012 年和2015 年生態服務價值保持穩定。其中，2006—2009 年是旅順口區生態服務價值上升最為突出的階段，2009—2012 年是生態服務價值下降最多的階段。在所有地類中，林地對旅順口區生態服務價值貢獻最大，其他按供應價值由多至少分別為水域、耕地、園地、未利用地；水域是促進ESV增長最高的地類，“建設用地→林地”、“建設用地→耕地”是生態服務價值提升效率最高的兩種轉換方式。

2006—2015 年旅順口區土地利用生態系統各服務功能價值變化見圖2。

圖2 2006—2015 年旅順口區土地利用生態系統各服務功能價值變化

生態服務價值變化動態度分析（圖3）：旅順口區西部和東部地區由于水域面積較高，生態服務價值高于南部地區。2006—2009 年，旅順口區生態服務價值增長最大，南部和西部地區水域增長的動態度顯著上升。2009—2012 年，土地利用方式同比發生了較大程度改變，主要是由于城鎮化進程的加速導致建設用地擴張，開發區建設投入加大，由其他地類轉向建設用地的面積增加，使得研究區東部和西部地區生態服務價值有所降低。2012—2015 年，動態度同比變化不大，趨于穩定，這也符合旅順經濟開發區發展建設20 年的歷史背景和固定資產投入趨于穩定，經濟發展逐步提升的階段特點。

圖3 2006—2015 年旅順口區土地利用生態服務價值變化動態度

生態系統敏感性分析：本文在計算生態系統敏感性時分別把各地類的價值系數增加/削減了50%，通過改變1%的生態價值系數觀察整體生態價值的變化情況。從圖4 可見，除林地外，其他地類敏感性指數均小于1，因此林地VC對于旅順口區的整體生態服務價值具有彈性，由林地價值系數的增加使生態服務價值達到最高值0.89。即當林地的價值系數相對改變了1%時，生態服務價值將相應增加0.981%—1.004%。原因是：林地的單位面積生態系統服務價值較高，且研究區林地面積占比最大，對整體生態價值貢獻較高。

圖4 旅順口區ESV價值敏感系數分布

3 結論與討論

3.1 結論

本文以大連市旅順口區作為濱海城區的案例，以2006 年、2009 年、2012 年、2015 年4 期土地利用數據為基礎，通過測算土地利用變化速度，應用生態服務價值變化動態度等指標分析了2006—2015 年旅順口區土地利用變化的時空格局，綜合討論了土地利用變化對生態服務價值的影響，得出以下主要結論：①2006—2015 年，旅順口區為適應城市發展，土地利用在數量和結構上有了相應的轉變。其中，耕地面積降低最多，水域和建設用地面積增長十分明顯，林地面積漲幅不大，耕地和未利用地面積降低比較顯著，園地面積略有降低。研究期初旅順口區各類土地轉換迅速，以建設用地、水域面積的增長和耕地數量的降低最為明顯，在2009 年至研究期末各地類面積以微弱的增減幅度上下波動，總體呈現由未利用地、耕地、園地轉至建設用地的趨勢。②近10年間，旅順口區的總體生態服務價值降低了5.63億元，其中2006—2009 年是旅順口區生態服務價值上升最為突出的階段，2009—2012 年是生態服務價值下降最多的階段。空間分布上，西部和東部地區生態服務價值高于南部；水域是促進生態服務價值增長最高的地類，“建設用地→林地”、“建設用地→耕地”是生態服務價值提升效率最高的轉換類型。③在本研究的6 種一級地類中，只有林地的敏感性指數＞1，說明林地的價值系數對于旅順口區的整體生態服務價值具有彈性，同時說明研究區生態系統服務價值缺乏彈性。④旅順口區作為濱海城區，與其他轄區相比，水域資源和林地資源優勢明顯，整體生態服務價值較高，但伴隨著圍填海、海洋資源開發等人類活動對海洋生態系統服務的需求逐漸加大，生態系統較為脆弱。

3.2 討論

本文將旅順口區作為濱海城區的研究范例，綜合討論了濱海城區生態服務價值對土地利用變化的響應情況。近10 年間，旅順口區土地利用結構在各地類之間不斷轉化的同時，呈現出由建設用地不斷擴張造成耕地、水域等面積收縮，直接導致生態服務價值持續下降。因此，亟需優化土地利用結構，控制建設用地蔓延擴張，提升土地利用效率，實施生態空間生態保育工程，提升生態服務價值總量，加強人工干預以提升全域生態服務價值，持續推進人居條件與生態環境同步建設。本文沿用了已有的土地利用轉移矩陣等研究方法，但對于濱海城區這一特殊微觀研究區域的適用程度需進一步驗證。此外，本文沒有對土地利用和生態服務價值兩者空間相互作用關系和變化機制的探索，缺乏結合社會經濟等影響因素的分析。下一步的研究將在新常態視角下探討二者之間的內部聯系和變化機制，重點關注ESV 的空間熱點變化，通過與其他濱海城區進行橫向對比，總結其特點和一般規律。