黑河流域生態系統服務價值預測及權衡分析——以張掖市為例

白羽萍, 王佳斌,劉 戀, 杜昱東, 鄧祥征, 陳建成

1 中國地質大學(北京)土地科學技術學院,北京 100083

2 中國科學院地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬重點實驗室, 北京 100101

3 北京林業大學經濟管理學院,北京 100083

生態系統服務是指生態系統結構、功能和過程為人類生產生活提供的產品和服務,是人類通過直接或間接的方式從生態系統中獲得的惠益[1]。生態系統作為承載人類生產與人類活動的重要樞紐,為實現社會福祉提供穩定、持續的生態系統服務[2]。聯合國已將食品、能源、水等關鍵生態系統服務列為2030年要實現的17個可持續發展目標的組成部分[3]。然而,聯合國千年生態系統評估表明過去50年中全球約60%的生態系統服務退化[4],而這多是由于人類活動對生態系統服務的價值和功能造成了一定的破壞[5]。隨著城市化、工業化發展進程的加快,人們的生活方式、可持續發展理念等都在不斷改變,由此影響著不同時期的土地利用格局[6-7]。城市人口的增加導致其對生態系統服務的需求也在增加,而如何權衡社會發展所謀求的經濟效益、社會效益和從可持續發展角度追求的生態效益是當前城市發展亟需考慮的問題。

由于生態系統服務的特殊性,它給人類生產生活帶來的無形價值難以評估。若能對區域內部生態系統服務價值進行有效估價,并建立一套具有普適性的基于價值量的評估指標,不僅在堅持可持續發展所帶來的生態效益方面更加具體、有說服力,還有利于進行不同生態系統服務價值的比較,引導生態系統資產化管理以及生態補償等政策的有效實行,從而對社會土地利用行為做出規范和指導。需要指出的是,盡管我們出于社會發展的目的將生態系統服務價值貨幣化和資本化,但不可否認其作為一種特殊的衡量對象具有極高的價值[8]。謝高地等[9]基于Costanza等對生態系統服務價值評估的研究,總結了單位價值量的核算方法并對我國陸地生態系統服務價值進行評估。此后,我國學者開展系統研究工作,在價值評估方面多是在Costanza的研究方法的基礎上不斷改進[10]。傅伯杰等[11]對前人生態系統服務評估研究中存在的問題進行分析,為后人開展相關研究拓寬了思路。謝高地等[12]采取價值當量因子的方式,核算了中國11種生態服務類型價值,為我國不同生態系統的價值評估打下了基礎。劉倩等[13]建立生態系統服務價值的動態評價模型,從縣域小尺度揭示區域服務價值的動態變化機制。然而,目前有關生態系統服務價值評估多是基于歷史時期的觀測或統計數據進行靜態評價,而對于動態預測及其驅動因素的研究較少,特別是對未來精細柵格尺度下生態系統服務價值損益的變化規律及協同權衡關系仍不明晰。

土地利用情景分析是生態系統服務價值預測的研究基礎。目前,預測未來土地利用變化的模擬方法主要包括經驗統計模型[14]、元胞自動機模型[15]、系統動力學模型[16]和CLUE-S模型[17]等,主要從土地用結構和空間布局兩個維度進行研究。與傳統建模技術相比,可計算的一般均衡分析(CGE)模型[18]是多部門和非線性的,通過嵌入土地資源賬戶,可以較為準確地反映社會經濟系統對土地利用變化的作用。而土地系統動態模擬(DLS)模型綜合考慮區域社會經濟發展特征、自然條件及土地利用變化歷史趨勢,將土地系統的動態宏觀分析和柵格尺度的微觀計量分析緊密結合,能夠較好地反映土地利用變化系統中復雜的自組織過程和用地類型間的競爭過程[19]。本研究以黑河流域張掖市為研究區,構建土地利用變化均衡分析(CGELUC)模型及土地利用動態模擬(DLS)模型,模擬預測多情景下張掖市 2010—2030 年的土地利用變化時空分異特征,并通過生態系統服務價值(ESV)估算、空間自相關分析等方法預測并評估多情景下張掖市2010—2030年的ESV變化及其時空特征,分析多情景下2030年張掖市ESV各項服務間的權衡與協同關系。研究主要目的是預測精細尺度下區域未來生態系統服務價值的動態時空演變,從科學的角度提出土地資源優化配置的可行方案,支撐中、小尺度國土空間規劃并在此基礎上統籌社會經濟發展及生態可持續目標實現。

1 研究區概況與數據

1.1 研究區概況

圖1 研究區位置及行政區劃圖Fig.1 Study area

張掖,甘肅省省轄市。舊稱“甘州”,位居甘肅省西北部,河西走廊中段,地處全國第二大內陸河黑河的中上游地帶,位于97°20′—102°12′E,37°28′—39°57′N之間。張掖市下轄6個縣區,分別為甘州區、臨澤縣、高臺縣、山丹縣、民樂縣和肅南縣(圖1),區內擁有耕地約43萬hm2,共有可墾荒地20多萬hm2；流域內含河流26條,年平均徑流量可達26.6億m3,儲存有十分豐富的地下水資源,森林覆蓋率達9.2%；擁有豐富的礦物、土地、水利、太陽能和勞動力資源。張掖市屬于典型大陸性氣候,干燥是氣候的顯著特點,年均溫6℃,年日照可達3000h。張掖市2012年生產總值達291.92億元,同比增長13.66%,相比于2000年的國民生產總值增長了近3倍。產業結構呈現出服務業與工業比例增加的趨勢,服務業與工業所占比例在2012年均達到了36%。作為絲綢之路經濟帶戰略規劃的重要節點城市,近年來張掖市經濟發展十分迅猛,特別是旅游產業發展迅速,產業結構獲得持續的調整優化。其生態系統服務價值變化與預測研究對開展生態建設、現代農業建設與絲綢之路經濟帶區域建設具有典型意義。

1.2 數據來源

本研究土地利用模擬使用的基礎數據為張掖市2010年和2015年兩期的土地利用柵格數據及自然環境、氣候、區位條件、社會經濟驅動因子柵格數據(空間分辨率),來源于中國科學院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn/),空間分辨率尺度為1km×1km；社會經濟統計數據來源于《中國糧食年鑒》(2016年)、《張掖市統計年鑒》(2016年)和張掖市2012年投入產出表[20]。

2 研究方法

2.1 土地利用變化模擬預測

(1)土地利用變化均衡分析模型

本研究基于傳統單區域靜態CGE模型ORANI-G模型(A Generic Single-Country Computable General Equilibrium Model)[20],構建了張掖市土地利用變化均衡分析模型(CGELUC)。在該模型分析框架下,土地被作為生產要素歸入生產函數中。模型建立了動態遞歸機制,主要服務于未來土地系統結構動態的情景預測與分析。該模型以Gempack軟件作為模型運行環境。

模型基礎與投入產出模型類似,是一個多投入、多產出的模型,遵循著一般均衡的規則。在生產模塊中,模型描述了各個經濟部門的生產機制。該機制由多層次生產函數嵌套構成,描述了各個生產階段的最優組合,從而保證生產成本的最小化。其中,頂層的嵌套基于Leontief 函數刻畫商品、生產要素以及其他成本間的最優化組合；第二層嵌套則基于CES函數刻畫國內商品與進口商品間的商品組合以及勞動力、資本與土地等生產要素組合。最后,基于雙層嵌套的CET函數刻畫總產出在出口與國內市場間的分配組合。其中,土地(LNDi)、資本(CAPi)、勞動力(LABi)之間的組合以如下函數描述：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,PPRIMi表示生產部門i中主要生產要素(土地、資本、勞動力等,以下簡稱主要生產要素)組合價格,PLNDi表示生產部門i中土地價格,PLABi表示生產部門i中的勞動力價格,PCAPi表示生產部門i中資本價格,slndi表示生產部門i中土地投入份額,slabi表示生產部門i中勞動力投入份額,scapi表示生產部門i中資本投入份額,σprimi表示生產部門i中主要生產要素替代彈性。

模型的其他模塊和運行機制詳見白羽萍等[21]。

(2)土地系統動態模擬模型 (DLS)

在此基礎上,選用土地系統動態模擬模型 (DLS)模擬預測張掖市2015—2030年三種不同情景下的土地利用空間格局變化特征。與CLUE-S、CA、ABM等傳統模型相比,DLS模型依據空間分配原則和土地供需平衡,對自然控制因子和社會經濟因子對土地利用變化的驅動機制進行綜合考慮,能實現精細柵格尺度上的土地系統動態模擬。在DLS模型中,土地供需的變化是一個總量保持平衡的動態收斂過程。通過考慮每個柵格內部的局部驅動因子的作用及其周圍柵格的驅動因子對中心柵格的鄰域作用,準確的描述了各土地利用類型間動態競爭的過程。其核心是微觀尺度上土地需求的空間分配過程。

(5)

土地系統演化格局的變化不僅取決于土地利用的組合概率,還考慮了土地利用穩定性參數、不同用地類型的競爭力指標等因素,構成了空間格局模擬的土地利用總概率Li,k。通過模型內多次迭代,實現空間中用地面積需求的分配。

(6)

本研究選取了18個影響用地類型分布的驅動因子,進行空間顯性建模與Logistic回歸參數估計,為 DLS 模型模擬柵格尺度張掖市未來土地利用空間格局變化提供參數,結果如表1所示。

表1 張掖市土地利用類型 Logistic 回歸分析結果

(3)情景設計

本文對張掖市的未來不同情景下的社會經濟發展情況進行模擬。參考以往的研究成果,綜合了張掖市近期出臺的發展規劃,研究構建了三種不同的情景模擬預測2030年張掖市的土地利用情況。參考以往研究的經驗值,通過對模型多次調試驗證,確定了以資本增長率、勞動力技術進步、居民消費增長率、人口就業增長率、投資增長率、出口增長率耦合的外生變量設定(表2)。

1情景一：基準情景。是以過去至當前相同的投資、出口、居民消費、資本投入、人口就業和勞動力技術進步變化幅度預測未來社會經濟發展的趨勢以及社會經濟系統的用地需求,同時用于對比其他兩種情景。

2情景二：生態保護情景。重點考慮生態安全和生態恢復,以相比于基本情景較小變化幅度的投資、出口、居民消費和資本投入對社會經濟系統的用地需求產生較小的沖擊和作用,并假設人口就業和勞動力技術進步速率保持不變。

3情景三： 建設開發情景。重點考慮高速增長的經濟水平和社會的快速發展,以相比于基本情景更大變化幅度的投資、出口、居民消費、資本、人口就業和勞動力技術進步對社會經濟系統的用地需求產生更大的沖擊和作用。

表2 2013—2030年不同情景下各影響因素變化率/%

2.2 生態系統服務價值評估

本研究生態系統服務價值評估基于謝高地結合我國具體情況得出的中國生態系統服務價值當量表[22],并基于糧食價格和生物量對其進行修訂。

(1)基于糧食價格的修訂

考慮社會經濟條件的差異性,本文首先依據張掖市2015年糧食作物平均價格以及糧食作物單產對單位面積農田糧食作物的經濟價值進行修正。其結果為張掖市單位面積產出糧食作物平均市場價值的1/7,修訂方法如下：

(7)

式中,Ea為張掖市單位面積農田糧食作物的市場價值(元/hm2) ；P為張掖市2015年糧食作物平均價格；Q為糧食作物單位面積產量(kg/hm2)。

(2) 基于生物量的修訂

考慮生態系統條件的時空差異性, 利用謝高地等給出的全國各省域農田生態系統的生物量因子表[23],確定了研究區農田生態系統生物量因子取0.42,根據生物量因子對張掖市生態系統服務進行修訂,得出張掖市單位面積生態系統服務價值系數表如下(表3):

表3 張掖市單位面積生態系統服務價值系數/(元/km2)

(3)生態系統服務價值計算

利用公式(2)以及張掖市單位面積生態系統服務價值系數計算ESV。本文選取1km柵格為評價單元,以表征ESV與區域內部土地利用變化的關系。為了方便比較區域內部所有的差異,本文使用單位面積生態系統服務價值[24](UESV)來表現其空間分異規律。運用自然斷點法,將UESV劃分為一至五級。等級越高,代表UESV值越大。計算公式如下：

駐村第一書記的到來，給林畬村帶來巨大變化。幾年來，村里的路修好了，紅軍紀念廣場建起來了，一處原本雜亂的牛棚被改造成了街邊公園。更重要的是，2017年，前任駐村第一書記爭取到一處30kW的光伏發電項目，村集體有望實現真正意義上的穩定收入。

(8)

(9)

式中,ESV為研究區內總生態系統服務價值(元);Aj為j類生態系統面積(hm2)；Eij為j類生態系統的i類生態系統服務價值系數(元/hm2) ；m為生態系統服務種類總數；n為土地利用類型總數；UESV為單位柵格面積生態系統服務價值(元)；S為柵格單元面積(hm2)。

2.3 空間自相關分析

本文使用空間自相關分析表征ESV的集聚與分異特征。空間自相關分為全局自相關和局部自相關兩類[25]。在此基礎上,Ansenlin[26]提出了雙變量空間自相關,度量了兩個屬性變量之間的空間關聯水平。本文空間自相關分析由GeoDa 1.18.0 10軟件完成。為消除區域內部差異并有效表征ESV空間集聚規律,本文空間自相關分析利用UESV聚合后的3km柵格數據進行。

3 結果與分析

3.1 張掖市土地利用變化分析

2015—2030年張掖市土地利用變化由CGELUC模型和DLS模型模擬得出。基于2010年和2015年兩期柵格數據對模擬結果進行Kappa指數驗證。利用2010年柵格數據模擬所得的張掖市2015年土地利用空間格局在整體輪廓上與遙感解譯獲得的張掖市2015年土地利用格局基本一致。Kappa系數達到0.9036,大于0.7,表示模擬達到了較高水平,說明DLS模型的預測結果具有可信性。

從圖2 可知,張掖市主要用地類型為草地、未利用地和耕地。以張掖市東南—西北走向的中線為軸,未利用地、耕地主要集中在軸線東北方向,草地、林地則主要位于其西南方向,張掖市西北部也有較多的未利用地面積；耕地主要分布于鄰近水系的山前平原地帶,林地主要分布于軸線南部山地,而草地主要分布于林地與耕地間的過渡區域；水域和建設用地面積較少,主要分布于軸線東北側的中北部局部地區。2010—2020年間,在基準情景下,耕地、林地和建設用地面積整體保持穩定,草地、水域面積有所上升,分別增加了242km2和17km2,增長率分別為1.64%和2.51%。未利用地面積則下降了239km2。在生態保護情景中,耕地面積增長67km2,林地、草地面積增加最為顯著,分別增長29km2和684km2,未利用地面積則減少708km2。表現出由未利用地向生態用地轉化的主要趨勢。在建設開發情景下,耕地面積減少58km2,林地、未利用地面積也略有下降。建設用地開始向軸線南部地區擴散。2020—2030 年,在基準情景中,林地、水域面積基本保持穩定,未利用地面積略有下降,建設用地呈現外擴趨勢。耕地面積減少了271km2,在原有面積的基礎上降低6.56%。草地面積增加了257km2,增長率為1.59%。 在生態保護情景中,建設用地仍呈現擴張趨勢,但增加在三種情景中最為緩和,耕地面積減少157km2。未利用地面積減少380km2,降低2.61%。減少的未利用地主要向林地、草地和水域等生態用地發生轉變,使三者的增長幅度分別為2.48%、2.56%和2.36%。在建設開發情景中,建設用地擴張迅猛,增加31km2,增長率達到8.96%。同時該情景下耕地退化嚴重,面積減少399km2,在10年間降低至原有面積的91.04%。林地和草地所占面積都在原有位置附近發生小規模的擴展,侵占了周圍的未利用地和耕地。

圖2 2010—2030年張掖市土地利用格局時空演變及預測Fig.2 The land use spatiotemporal evolution and prediction in Zhangye from 2010 to 2030

3.2 張掖市生態系統服務價值變化

2010—2020 年,張掖市ESV在基準情景下呈現小幅上漲趨勢,由380.04億元上升至383.43億元,增加3.40億元；在生態保護和建設開發情景下,則分別增長6.56和0.96億元。2020年—2030年,張掖市ESV在基準情景下繼續增長3.03億元；在生態保護情景下,張掖市ESV增加最為顯著,共增長6.60億元；建設開發情景下,張掖市ESV整體僅增加0.57億元,并且其值從2025年開始呈現下降趨勢,在2025—2030年間共降低0.04億元。

從圖3 中可以看出,2020—2030年各種預測情景中,張掖市UESV 整體均呈現顯著的軸線南側高北側低、東南高西北低的空間格局特征。軸線南側UESV高值區的海拔較高且林地、草地居多,在地形上屬祁連山脈,具有良好的自然生態本底條件；軸線北側地形平坦,主要有未利用地、耕地和建設用地分布,UESV值普遍較低。其中在建設開發情景下,UESV等級最低的一級地數量最多,集中分布于張掖市軸線中部地帶,多為建設用地、耕地、未利用地散布區；與之相反,生態保護情景下UESV一級地數量最少,相同地區的UESV等級基本高于其他情景或與之持平。

圖3 2020—2030年不同情景下UESV時空變化Fig.3 Spatiotemporal variation of UESV in different scenarios from 2020 to 2030

根據圖4 可知,2020—2030 年不同情景下UESV值的總體變化較為明顯,其中建設開發情景UESV下降最為顯著。軸線北側及中部區域UESV整體呈下降態勢,主要是經濟效益驅動城鎮邊界向未利用地和耕地擴張造成,致使軸線北側地區生態環境壓力加劇； 在生態保護情景下,軸線南側區域UESV上升顯著,主要是因為該區域林地、草地廣布,自然本底條件優越；在基準情景下,UESV值總體變化不大,但呈現出其他兩種情景下變化的主要趨勢,可見這種發展模式兼顧了生態和經濟效益。

圖4 2020—2030年張掖市UESV變化Fig.4 Changes of UESV in Zhangye from 2020 to 2030

從圖5 中可知,2010—2020年間,基準和生態保護情景下,張掖市各項ESV整體上均呈現向好的發展態勢,并且生態保護情景下各項ESV服務的增值都比較顯著。建設開發情景下,至2020年,除供給服務外,各項ESV服務的水平相比2010年略有增加。這主要是張掖市當前城鎮開發水平較低,自然生態本底條件較好所致。2020—2030年,基準情景和生態保護情景下張掖市各項ESV均呈現上升趨勢。但生態保護情景下各項ESV增加較為顯著,以調節服務價值為例,生態保護情景下共增長3.63億元,基準情景下增長1.73億元。這主要是由于生態保護情景下林地、草地等生態用地面積不斷增大,生態效益突出。建設開發情景下,各項生態系統服務增長緩慢,四項服務中調節服務、支持服務和文化服務在10年間僅分別增加0.42億元、0.24億元和0.17億元,供給服務則減少0.27億元,低于2020年水平。這可能是建設開發情景下城鎮擴展顯著,生態保護強度較低所致。

圖5 2010—2030年供給、調節、支持與文化ESV變化Fig.5 Changes of ESV in supply,regulation,support and culture from 2010 to 2030分別為研究年的基準情景、生態保護、建設開發情景

3.3 生態系統服務權衡與協同關系特征

為探究張掖市不同情景下生態系統服務權衡與協同關系,本文將該區域三種情境下的評價單元設為3km的格網單元,每個格網單元服務于單一UESV,然后進行SPSS相關性分析、雙變量全局自相關分析。Pearson相關系數為正數則不同生態系統服務之間表現為協同關系,且系數越大,表明在時間上生態系統服務協同關系越顯著；反之,則表現為權衡關系。從基準情景、生態保護、建設開發三種情景下的Pearson相關系數和雙變量全局自相關Moran′sI指數來看,張掖市三種情景下的供給、調節、支持和文化服務均表現出一致的協同關系。從Pearson系數可知,協同關系顯著程度為供給-支持>調節-文化>支持-文化>供給-文化>調節-支持>供給-調節；從Moran′sI指數可知,顯著程度為供給-支持>支持-文化>供給-文化>供給-調節>調節-支持>調節-文化,具體結果如表4所示：

表4 2030年張掖市不同情景4種生態系統服務相關分析結果

為探究張掖市不同生態系統服務在內部空間上協同與權衡關系的聚類特征,參照已有經驗[6],本研究引入雙變量局部自相關分析法進行深入分析。 由于近年來張掖市經濟發展較快,兼顧其顯著性,選擇建設開發情景下的UESV值表征生態系統服務的協同與權衡關系。 通過圖6可以得出,生態系統服務之間協同與權衡關系的空間集聚特征總體較為顯著。 供給、調節、支持和文化四種服務在空間上主要表現為協同關系,集中分布于張掖市軸線南北兩側區域,局部表現為權衡關系,零星分布于軸線中北側區域和東南部地區。 軸線北側、西南側的協同關系表現為低低集聚,主要由于建設用地數量較高以及城市迅速向外擴展導致；軸線東南側區域協同關系表現為高高集聚特征,是因為此處林地、草地面積廣,生態本底質量優越；表現為權衡關系的格網主要分布于軸線中北側、中南側地區,北側區域基本處于南部林草地外圍,位于建設用地與未利用地、耕地之間的生態脆弱區；南側區域則處于林地、草地和未利用地的交界地帶,此二處區域生態系統易受經濟發展破壞,導致表現為權衡特征。另外,供給—文化服務之間的權衡關系在北側區域較為顯著,主要是因為該區域耕地廣布且位于城鎮邊界,糧食供給與景觀服務發生取舍所致。

圖6 2030年張掖市建設開發情景4種生態系統服務局部LISA圖Fig.6 The local LISA diagram of 4 ecosystem services under economic development scenario of Zhangye in 2030

4 討論

4.1 生態系統服務價值時空演變預測與權衡關系分析

對生態系統服務價值的評價較好地揭示了生態文明與可持續發展之間的關系,并能直觀反映自然的存在價值[27]。而針對ESV的時空演變的預測性分析能夠表征其變化特征,為統籌社會經濟發展和生態保護、制定管理決策科學化提供有力支撐。目前國內探討ESV時空演變的研究大多基于已有的土地利用變化等數據對歷史的ESV變化特征進行總結[28-30],而對其演變進行預測的較少。與之相比,本文對多情景下張掖市ESV時空演變的預測研究具有一定的前瞻性。同時,與部分學者的類似研究[33]相比,本文在土地利用變化預測中,基于CGELUC模型和DLS模型的集成,從社會經濟和自然環境變化兩方面全面量化了土地系統的相互作用趨勢,實現了土地系統動態的定量模擬和空間降尺度,為不同情景下區域土地系統動態模擬和評估提供了創新性的解決方案。高分辨率的土地利用變化情景輸出數據進一步應用于生態系統服務價值時空演變預測研究。在空間權衡與協同關系方面,本文得出的結論與前人研究基本一致[6]。

4.2 基于生態系統服務價值的城市發展模式建議

隨著城鎮化進程的快速推進,張掖市的各項建設將使土地利用格局發生較大的變動。張掖市目前還屬于欠發達地區,經濟發展仍然是城鎮化建設的主要目標,容易在當前政策的激勵下走向片面追求經濟效益的發展路徑。根據以往的認知[31-32],張掖市生態系統結構較為脆弱,自然本底條件并不優越,同時作為黑河流域內開發強度較高的綠洲城市,張掖市在快速發展進程中人地矛盾日益凸顯。在“可持續發展”“生態城市”等戰略背景下,合理統籌生態和經濟效益成為張掖市未來發展道路上不能回避的問題。本研究從生態系統服務價值預測及核算的角度證實在生態保護和基準情景下,張掖的城市發展并不會對生態服務價值的穩定供給帶來威脅,側面肯定了張掖市的經濟高速發展潛力。但是,受張掖市中部、東南部山地廣布的地形特征制約,張掖市適宜開發建設的區域與優質耕地分布區重合,易于引起城鎮基礎設施建設與耕地保護之間產生突出的矛盾。因此在經濟快速發展情景下,張掖市的生態服務價值出現了下降的趨勢,表明生態平衡遭到了破壞。而張掖市位居青藏高原和黃土高原間的地形交匯地帶,屬于西部地理格局中的生態安全屏障,其生態系統服務價值對于西部生態結構系統具有重要意義。因此,張掖市城市發展應避免走向城市無序擴張的模式,應尤其注重耕地保護,堅守耕地紅線不動搖。嚴格限制高臺縣西南部和民樂縣、山丹縣中部等地出現耕地收縮的現象。同時,需重點關注肅南縣、高臺縣北部以及甘州區的黑河濕地保護區和東大山自然保護區處未利用地向生態用地發生的轉變。也可結合生態保護模式下生態系統服務價值顯著增加的機理,探索將大量的未利用地向生態用地方向轉化的合理模式。在空間布局規劃方面,需要重視東南—西北方向軸線兩側ESV的異向協同關系,嚴格落實生態紅線制度保護南側生態價值高的林草地,遏制中北側建設用地與耕地向南側擴張的明顯趨勢；在技術條件可行的情況下,應優先支持中北部存量建設用地提高集約利用效益,加強基礎設施建設投入,避免城鎮邊界粗放擴張,遏制高臺縣中部及西南部、民樂縣中部和山丹縣中南部城鎮邊界擴張并進一步侵占周圍農田的趨勢；加強對生態系統服務價值較低的高臺縣、臨澤縣北部等未利用地的規劃意識,有計劃地開發其生態潛力。

4.3 不足與展望

本文主要有以下局限性：(1)ESV的評估采用了價值當量法,雖然進行了基于糧食價格和生物量的兩次修訂,但研究以假設不變的2015年價值量進行預測,客觀上存在高估或低估未來ESV的可能；(2)采用空間自相關分析和相關系數方法研究ESV空間權衡關系,缺乏對其內部機理的深入探討；(3)為有效表征ESV空間集聚規律,采用3km柵格聚合的方式進行研究,但此類空間分析具備復雜的尺度效應,結合原始數據精度,該操作對ESV空間分布特征的影響有待進一步驗證。未來的相關研究在內容上可以采取多尺度的ESV時空變化區域對比的思路,并改良土地利用數據精度,探索尺度效應對ESV時空演變預測的影響；可以結合新一輪政策豐富多樣化的情景和發展路徑預測,加強其現實意義；另外,對其時空演變規律的內在機理的研究也將成為重要的突破口。在方法上,可以嘗試采用更為準確的ESV評估方法,利用不同的分析方法加強對ESV空間權衡關系的認識。

5 結論

(1)2010—2030年間,張掖市土地利用空間格局變化較為顯著。建設開發情景下,建設用地增長趨勢最為明顯,耕地退化嚴重。生態保護情景下張掖市的發展調動了大量的未利用地,將其轉化為生態用地,但城鎮建設用地擴張最為和緩。基準情景下林地、水域面積基本保持穩定,耕地、草地、建設用地和未利用地呈現相互消長的關系。人類活動、經濟發展和政策干預對土地利用變化影響顯著。

(2)2010—2030年間,張掖市 ESV 整體呈現上升趨勢,在基準情景、生態保護情景和建設開發情景下分別增加6.43、13.16和1.53億元。其中, 2020—2030年建設開發情景ESV增長趨勢不斷趨緩,并最終轉向下降態勢,生態保護情景ESV則呈現顯著上升趨勢。 2020—2030年各時期的 UESV空間分布特征較為均一,其中東南—西北軸線南側UESV整體較高,軸線北側UESV整體較低。軸線南北兩側UESV變化呈現兩極分化發展趨勢,應受到高度重視。

(3)分析張掖市供給、調節、支持、文化四種單項ESV變化可知, 2010—2030年間,基準和生態保護情景下均呈現顯著上升趨勢；建設開發情景下調節、支持、文化三項服務ESV呈現緩慢的增長趨勢,且該情景下供給服務則始終呈現下降趨勢。因此,推動張掖市城市可持續發展,必須加強生態保護工作,落實生態保護修復等政策,減輕城鎮邊界擴張對生態系統結構的沖擊。

(4)2030年三種情景下張掖市各項生態系統服務的權衡與協同關系表現一致,均表現為明顯的協同效應。 空間分布上,東南—西北軸線南北兩側區域“ 高高協同” 和“ 低低協同” 的集聚分異明顯；軸線中部區域及軸線南部零星地區表現為“ 高低權衡” 和“ 低高權衡” 關系,主要分布于北部耕地、建設用地交錯地帶以及南部林地、草地和未利用地的交界地帶,且供給—文化服務的權衡關系較為明顯。研究可為西部快速城鎮化發展地區優化配置土地資源、支撐中小尺度國土空間生態修復規劃并在此基礎上統籌社會經濟發展與生態可持續目標實現提供科學方案。