生態系統服務與人類活動協調性時空演變及預測

摘要：探究并預測生態系統服務與人類活動之間關系的演變特征對于推動建設人與自然和諧共生的生態新格局意義重大。以陜西省黃河流域為例，通過價值當量法、人類活動強度模型、PLUS模型和多種統計分析方法，對生態系統服務與人類活動以及二者之間的協調性進行時空演變特征分析和多情景預測。結果表明：1980～2020年陜西省黃河流域生態系統服務價值總體增加54.33億元，與2020年相比，2030年慣性發展和經濟優先模式下生態系統服務價值分別減少7.81億元、20.11億元，耕地保護和生態保護模式下分別增加0.27億元、8.24億元。1980～2020年人類活動強度呈現出“N”形變化特征，與2020年相比，經濟優先和慣性發展模式下人類活動強度增強，耕地保護和生態保護模式下有所減弱。研究區生態系統服務與人類活動呈現逐漸增強的負相關關系，二者協調性較差，2030年生態保護模式下二者的負相關作用最弱，經濟優先模式下最強。綜合來看，未來經濟優先模式下的負面影響最大，陜西省黃河流域應優先選擇生態保護型的發展模式。

關 鍵 詞：生態系統服務；人類活動；多情景模擬；協調性；黃河流域

中圖法分類號：X24；F301.2；X171.1

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.10.014

0 引 言

黃河流域位于中國北部地區，近半個世紀以來，隨著人口增加和社會經濟快速發展，流域地區城市化水平迅速提升，人類活動對黃河流域本就脆弱的生態環境影響頗深，如何平衡流域生態保護與人類活動一直以來是有關黃河流域的核心議題^［1］。習近平總書記多次對黃河流域做出重要指示批示，在2019年9月18日黃河流域生態保護和高質量發展座談會上強調“黃河流域是我國重要的生態屏障和重要的經濟地帶，是打贏脫貧攻堅戰的重要區域，在我國經濟社會發展和生態安全方面具有十分重要的地位。”，明確指出“黃河流域生態保護和高質量發展，同京津冀協同發展、長江經濟帶發展、粵港澳大灣區建設、長三角一體化發展一樣，是重大國家戰略”^［2］。黨中央、國務院及流域內相關政府制定并落實了《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》、省市《黃河流域生態保護和高質量發展規劃》等政策規劃，關鍵目標之一是維護區域內生態系統功能，協調生態保護與人類活動，改善人民生態福祉。在此背景下，開展黃河流域生態系統服務價值與人類活動協調發展評價與預測的相關主題研究既符合黨中央、國務院對黃河流域生態保護和高質量發展的戰略定位，也符合建設造福人民幸福河的群眾期盼，同時對于推動黃河流域可持續發展意義重大。

生態系統服務評估與人類活動管理的研究與實踐活動已在全球范圍內得到了廣泛關注，眾多學者圍繞生態系統服務概念內涵、量化方法以及時空特征、權衡協同、供需匹配及其相關的驅動機制^［3-8］等方面展開了大量討論，并取得了豐碩的研究成果。在此過程中，通過耦合人類活動以順應生態管理實踐的研究議題逐漸成為了當前人地關系研究的熱點^［9-10］，但多局限于針對“過去時”狀態的揭示，而對“將來時”生態系統服務與人類活動協調特征的預測研究仍有待豐富。因此，本研究以陜西省黃河流域為例，以提供生態系統服務和承載人類活動的土地為切入點，結合價值當量法、人類活動強度模型、PLUS模型等方法和多種統計分析手段，揭示生態系統服務價值與人類活動強度的時空演變規律及未來發展趨勢，并分析和預測二者之間的協調特征，以期豐富生態系統服務與人類活動相互作用主題研究的內容，為促進黃河流域生態保護與人類活動協調發展提供前瞻性的決策支撐。

1 研究區與數據來源

1.1 研究區概況

陜西省黃河流域位于黃河流域中部（圖1），覆蓋陜西省77個縣（市、區），面積12.9萬km²，約占黃河流域總面積的16.3%。陜西省黃河流域海拔介于316～3 742 m之間，大致呈現東南低西北高的特點，屬于半濕潤半干旱氣候區，多年平均降雨量為325～878 mm，表現出自南向北遞減的空間特征。該地區土地利用類型以耕地、草地和林地為主，土壤類型以黃土為主，土質疏松、易被風和水侵蝕，是中國水土流失較為嚴重的地區之一^［11］。陜西省黃河流域生態基礎薄弱，地形、氣候等要素具有明顯的空間異質性，長期以來存在著干旱缺水、土地退化、水土流失等一系列典型生態問題^［12］。與此同時，在退耕還林還草工程實施、城市建設用地擴張等人類活動的交叉影響下，該地區社會-生態系統發生了顯著變化^［11］，有必要對其生態系統服務及人類活動進行量化和預測，并進一步揭示兩者協調演變規律，以更好地服務于黃河流域生態保護和高質量發展。

1.2 數據基礎

本研究所需數據及其來源如表1所列。

2 研究方法

2.1 生態系統服務量化

基于謝高地等^［5］提出的價值當量法計算陜西省黃河流域的生態系統服務價值。詳細過程如下：

（1）單位生態系統服務當量經濟價值的計算。結合公式（1）對陜西省黃河流域單位生態系統服務當量的經濟價值進行計算。

E=17∑Q×P×S∑S（1）

式中：E為單位生態系統服務當量的經濟價值；l為糧食作物種類；Q為l類糧食作物單產；P為l類糧食作物單價；S為l類糧食作物面積。

（2）生態系統服務價值系數的修訂。采用植被凈初級生產力（NPP）對生態系統服務價值系數進行本地化修正^［13］。計算公式為

VC=E×H×σ（3）

式中：σ為本地化修正系數；NPP、NPP分別為陜西省黃河流域和全國的NPP值；VC為i類用地的第f項生態系統服務價值系數；H為i類用地的第f項生態系統服務當量。

（3）生態系統服務價值的量化。采用公式（4）計算陜西省黃河流域的生態系統服務價值。

ESV=∑∑S×VC（4）

式中：ESV為生態系統服務價值；S為i類用地類型的面積。由于研究區不同縣域單元面積的差異，為保證生態系統服務價值計算結果在不同縣域間的可比性，結合不同縣域面積，求取地均生態系統服務價值，用于相關分析中。

（4）生態系統服務價值結果的檢驗。以經濟學中常用的彈性系數計算價值系數的敏感性，以確定陜西省黃河流域生態系統服務價值對價值系數變化調整的依賴程度，以檢驗結果的合理性。計算公式如下：

SC=ESV-ESV/ESVVC-VC/VC（5）

式中：SC為敏感性系數；ESV和ESV代表初始和調整后的生態系統服務價值；VC、VC表示i類用地類型的初始和調整后的價值系數。本研究將各用地類型的價值系數分別調整50%，來衡量生態系統服務價值的變化情況。若SC>1，說明生態系統服務價值對VC是富有彈性的，即可信度較低；若SC<1，則說明生態系統服務價值對VC是缺乏彈性的，計算結果是可信的^［13］。

經計算，得到陜西省黃河流域不同土地利用類型的敏感性系數，如表2所列。可以發現，在1980～2020年以及2030年不同情景模式下所有土地利用類型的敏感性系數均遠小于1，說明本研究生態系統服務價值的計算結果符合研究區實際。

2.2 人類活動強度量化

人類活動通過改變土地利用類型，改變生態系統的結構和過程，進而與生態系統服務產生關聯。因此，本研究采用基于土地利用類型的人類活動強度模型^［14］來量化陜西省黃河流域的人類活動強度。公式如下：

HAI=∑S×H∑S（6）

式中：HAI為人類活動強度；S為i類用地的面積；H為i類用地的人類活動強度指數，以Delphi法、Lohani清單法和Leopold矩陣法的平均值表示^［15］（表3）。

2.3 不同情景模式模擬

（1）情景模式設置。本研究結合陜西省國土空間總體規劃成果、生態恢復背景以及區域城市化發展特征，共設置了以下4種情景模式，以模擬2030年不同情景模式下的土地利用格局。① 慣性發展模式：考慮城市化進程和現有的土地政策，延續歷史的土地利用發展趨勢，保持各土地利用類型轉移概率不變，模擬2030年的土地利用情況。② 經濟優先模式：陜西省黃河流域正處于城市化和經濟快速發展和轉型階段，該模式強調以經濟發展和城市建設為核心，依據城市建設用地擴張需求，基于慣性發展模式，通過限制建設用地向耕地、水域、林地的轉移概率，增加耕地、林地、草地、水域、未利用地向建設用地的轉移概率，實現對2030年土地利用格局的模擬。③ 耕地保護模式：耕地是糧食安全的載體，以耕地保護為首要目的，基于慣性發展模式，一方面增加未利用地向耕地的轉移概率，另一方面嚴格控制耕地向建設用地、草地、水域的轉移，實現對2030年土地利用格局的模擬。④ 生態保護模式：在當前的國土空間規劃背景下，生態保護模式基于慣性發展模式，以生態環境保護為首要目的，限制城鎮化發展，突出嚴格管控生態用地的大規模開發，通過嚴格限制生態用地的轉出概率、增強未利用地向林地和草地的轉移，實現對2030年土地利用格局的模擬。

（2）模型模擬。PLUS模型克服了CA-Markov、FLUS等模型在轉化規則挖掘策略和景觀動態變化模擬策略等方面存在的限制，同時還克服了CLUE-S模型模擬區域受限、無法考慮政策驅動和引導作用的問題。因此，本研究采用PLUS模型對陜西省黃河流域2030年的土地利用格局進行模擬，模型詳細介紹見文獻［16］。為更準確地模擬不同情景模式下陜西省黃河流域的土地利用情況，綜合前人研究^［16-17］與研究區實際情況，從自然環境、社會經濟和可達性3個角度選取海拔、坡度、年平均降雨、年平均溫度、人口密度、經濟密度、到居民點距離、到政府距離、到水域距離、到道路距離、到鐵路距離等11個驅動因子。

（3）模型結果驗證。采用PLUS模型對陜西省黃河流域2020年土地利用格局進行預測，并與2020年實際土地利用數據進行對比驗證。經計算，Kappa系數為0.875，總體精度為0.913，模擬精度較高，結果可信，說明PLUS模型在陜西省黃河流域未來土地利用預測中具有良好的適用性。

2.4 統計分析方法

2.4.1 地理集中度

地理集中度可以在綜合考慮區域面積的前提下，刻畫要素的空間集聚狀態^［18］。因此，本研究采用地理集中度描述生態系統服務與人類活動強度的空間分布特征。公式為

R=ESV/∑ESVS/∑S（7）

R=HAI/∑HAIS/∑S（8）

式中：R與R分別為縣域j的生態地理集中度和人類活動地理集中度，其值越大說明該縣域生態系統服務價值或人類活動強度越集中，即生態系統服務價值或人類活動強度越高；ESV、HAI、S分別為縣域j的生態系統服務價值、人類活動強度和面積。

2.4.2 相關性分析

采用Spearman相關系數檢驗生態系統服務與人類活動之間的整體相互作用關系，公式如下：

ρ=1-6×∑kq=1d²k×（k²-1）（9）

式中：ρ為Spearman相關系數；d為要素之間同一組樣本的位次差；k為樣本數量。

2.4.3 空間關聯性分析

采用雙變量全局空間自相關分析揭示生態系統服務與人類活動在空間上的關聯特征，公式如下：

I=∑∑Wx-xy-yS²∑∑W（10）

式中：I為雙變量全局莫蘭指數，I<1表示空間負相關，I>1表示空間正相關，I=0表示不存在空間相關性；W為空間權重矩陣；x、y分別為地均生態系統服務價值、人類活動強度的觀測值；S²為所有樣本的方差。

2.4.4 協調性分析

采用一致性指數衡量生態系統服務與人類活動之間協調性的空間格局，可以用生態地理集中度與人類活動地理集中度的比值來表示^［18］。公式如下：

CPE=RR（11）

式中：CPE為一致性指數，其值越接近于1說明生態系統服務價值與人類活動強度的空間演變趨勢越一致，即生態系統服務與人類活動越協調，其值小于1說明生態系統服務價值演變滯后于人類活動強度，其值大于1說明生態系統服務價值演變超前于人類活動強度。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務價值時空演變特征及預測

3.1.1 生態系統服務價值時間變化特征

陜西省黃河流域生態系統服務價值如圖2所示。可以看出，1980～2020年，研究區生態系統服務價值呈現出倒“N”形變化趨勢，先由1980年的2 987.64億元減少至1990年的2 983.93億元，隨后持續增加并于2010年達到研究期內最大值3 053.46億元，最后又減少至2020年的3 041.97億元，研究期內總體增加了54.33億元。2030年不同情景模式下的生態系統服務價值較2020年出現了不同方向的變化，其中慣性發展模式和經濟優先模式下生態系統服務價值出現減少，較2020年分別減少了7.81億元、20.11億元，而耕地保護模式和生態保護模式下生態系統服務價值出現增加，較2020年分別增加了0.27億元和8.24億元。總體來說，生態保護模式下的生態系統服務價值最高，經濟優先模式下的最低。

3.1.2 生態系統服務價值空間變化特征

陜西省黃河流域生態地理集中度的空間分布如圖3所示。從空間格局的時間變化上來說，不同年份以及不同情景模式下生態地理集中度存在著相似的空間分布特征，這很大程度上與生態系統的結構和過程有關。一般來說，生態系統的結構和過程決定著生態系統服務的供給，陜西省黃河流域不同時期同一縣域的生態系統結構和過程較為相像，進而導致生態地理集中度隨時間表現出相似的空間格局。從空間分布上來看，研究期內陜西省黃河流域最南部和中部地區的生態地理集中度較大，這里地形起伏較大，用地類型以林地和草地為主，生態環境相對較好，生態系統服務價值整體較高；相反，在研究區北部地區和中南部關中平原地區的生態地理集中度較小，其中北部地區未利用地分布廣泛，生態基礎較為薄弱，而關中平原地區地勢平坦，適宜耕種和居住，用地類型以耕地和建設用地為主，人類活動高強度干擾背景下的生態系統服務價值相對較低。

3.2 人類活動強度時空演變特征及預測

3.2.1 人類活動強度時間變化特征

圖4顯示了陜西省黃河流域人類活動強度變化情況。可以看出，1980～2020年，研究區人類活動強度呈現出“N”形變化特征，由1980年的0.324 5持續增加至2000年的0.327 4，隨后減小至2010年的0.319 5，最后又增加至2020年的0.322 0，以2000年人類活動強度最強，2020年人類活動強度最弱。在2030年的4種不同情景模式下，以經濟優先模式的人類活動強度最大（0.325 5），生態保護模式下的人類活動強度最小（0.321 2）。與2020年相比，經濟優先模式和慣性發展模式下的人類活動強度出現增強，而耕地保護模式和生態保護模式下的人類活動強度有所減弱。

3.2.2 人類活動強度空間變化特征

圖5顯示了陜西省黃河流域人類活動地理集中度的空間分布情況。從人類活動地理集中度空間格局的時間變化上來看，不同年份和不同情景模式下人類活動地理集中度在空間上存在著相似的分布特征。在空間分布上，陜西省黃河流域人類活動地理集中度的空間格局總體與生態地理集中度相反。研究區關中平原地區的人類活動地理集中度最高，這里人口密集，社會經濟發展迅速，人類活動強度整體較高；相反，在研究區北部和中部地區的人類活動地理集中度較低，尤其是榆林市西北部地區的人類活動地理集中度最低，這里氣候干旱、溝壑縱橫，用地類型以未利用地為主，人口分布稀疏，人類活動強度最小。

3.3 生態系統服務價值與人類活動強度協調性及預測

3.3.1 相關性分析

用Spearman相關系數對地均生態系統服務價值與人類活動強度進行相關性分析，結果如表4所列。1980～2020年二者之間存在著高度的負相關關系，二者之間不協調性非常明顯，且隨時間呈現出進一步惡化趨勢。2030年不同情景模式下，耕地保護模式與生態保護模式下二者間的不協調性出現改善，而慣性發展模式和經濟優先模式下二者間的不協調性與2020年相比有所惡化，需進一步探討二者之間協調發展的時空特征。

3.3.2 空間關聯特征

利用GeoDa軟件得到了陜西省黃河流域1980～2020年以及不同情景模式下地均生態系統服務價值與人類活動強度的雙變量全局莫蘭指數，如表4所列。可以發現，地均生態系統服務價值與人類活動強度在研究期內呈現出顯著的空間負關聯，且這種空間負關聯在1980～2020年隨時間呈現出增強趨勢。2030年，慣性發展模式和經濟優先模式下的空間負關聯較2020年有所增強，而耕地保護模式與生態保護模式下的空間負關聯與2020年相比有所減弱。

3.3.3 協調發展特征

在Spearman相關性分析和雙變量空間自相關分析的基礎上，通過引入一致性指數進一步厘清陜西省黃河流域生態系統服務與人類活動在各縣域內部的一致性特征及演變趨勢，以闡釋研究區生態系統服務與人類活動的協調性（圖6）。1980～2020年，陜西省黃河流域生態系統服務與人類活動的協調性較差，二者地理集中度的一致性指數在空間分布上多屬于大于1.5或小于0.5的狀態，說明研究區生態系統服務明顯超前或滯后于人類活動。從一致性指數空間格局的時間變化特征上來看，一致性指數在不同年份和不同情景模式下的空間格局較為相似，說明生態系統服務與人類活動的關系在陜西省黃河流域各縣域內部隨時間比較穩定。從一致性指數空間格局上來說，一致性指數在陜北地區明顯大于1，即生態系統服務價值演變超前于人類活動強度。這里生態基礎薄弱，是中國生態修復的核心區域之一，生態系統積極向好發展；與此同時，該地區屬于溝壑區，人口分布稀疏，經濟活動水平較低，人類活動強度低，進而導致了生態系統服務演變超前于人類活動的局面。一致性指數明顯小于1的縣域主要位于關中地區，這里地勢平坦，人口聚集，經濟活動活躍，人類活動強度高而生態系統服務價值低，生態系統服務明顯滯后于人類活動。

4 討 論

陜西省黃河流域作為全國水土流失最為嚴重的地區之一，自20世紀90年代以來進行了一系列生態建設活動^［19］，這也導致了1990年以后該地區生態系統服務價值出現明顯提升，特別是2000年以后，隨著退耕還林還草工程在全區范圍內的大規模實施，該地區生態系統服務價值進一步提升。但在2010～2020年，該地區生態系統服務價值有所減少，究其原因，盡管該時段生態修復仍在進行，但城市建設用地擴張速度明顯快于生態空間增加幅度^［20］，生態修復所帶來的生態效益小于同期城市空間擴張帶來的損失。本研究還發現生態系統服務與人類活動之間的權衡作用，即人類活動增強會導致生態系統服務的退化，這與其他研究的結果一致^{［14-15，21］}。

黨的二十大報告強調：“必須牢固樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，站在人與自然和諧共生的高度謀劃發展。”陜西省黃河流域作為黃河流域生態保護和高質量發展的重點區域，近40 a來社會經濟快速發展，頻繁的人類活動所引發的土地利用結構劇烈變化與生態系統服務退化等問題^{［19，22］}，是本研究發現生態系統服務與人類活動強度之間的負相關程度隨時間推移不斷加劇的原因。但是，不同情景模式下生態系統服務與人類活動強度以及二者之間時空關聯信息顯示，堅持生態優先原則的人類活動可緩解二者之間的權衡強度。因此，結合研究結果提出以下建議：① 在人類活動規劃方面，應嚴格防止城市盲目擴張侵吞自然生態空間，合理劃定城市發展邊界，避免因人類過度開發活動帶來的生態空間破碎，集約節約利用城市現有建設空間。② 在協調人與自然方面，對于生態系統服務價值演變超前于人類活動強度的縣域而言，未來應繼續推進生態修復，不斷改善生態環境本底，在維護生態系統完整性的同時，可通過提升基本公共服務水平等以增強縣域人口吸引力。而對于生態系統服務價值水平明顯滯后于人類活動的縣域，人與自然矛盾突出，人類活動復雜且強度高，未來應著重控制人口規模和不合理人類活動，界定人類活動影響閾值，大力倡導綠色低碳發展，同時可通過加快城市公園、綠地建設等以有效改善縣域生態環境。

需要指出的是，本研究僅對陜西省黃河流域進行了案例分析，由于黃河流域地域遼闊，流域內自然環境條件和社會經濟發展水平等具有巨大的時空異質性，未來應加強黃河流域其他脆弱區如黃河源區、黃河三角洲等區域的相關研究，以更全面系統地掌握黃河流域的內部差異。此外，本研究采用價值當量法，并考慮了研究區生態實際對其進行了修正，但由于修正方法和參數的差異可能會導致生態系統服務價值量化結果與實際存有差異；而且，研究借助的價值當量法中將建設用地的價值系數假定為0，實際上建設用地可能會有負的價值系數^［23］。因此，如何實現生態系統服務價值更為精準的量化仍有深化空間。最后，本研究尚未深入探討生態系統服務與人類活動協調演變的驅動因素和機制，未來可加強背后影響因素的定量分析，以提供更具針對性和操作性的人與自然協調方案。

5 結 論

（1）1980～2020年陜西省黃河流域生態系統服務價值呈倒“N”形變化趨勢，總體增加54.33億元；空間上研究區最南部和中部地區的生態系統服務價值較高，而在研究區北部地區和中南部關中平原地區的價值較低；2030年，生態保護模式下的生態系統服務價值最高，而經濟優先模式下最低。

（2）1980～2020年陜西省黃河流域人類活動強度呈“N”形變化特征，2000年人類活動強度最強，2020年最弱；空間上關中平原地區的人類活動最強，而在研究區北部和中部地區的人類活動較弱，榆林市西北部地區的人類活動最弱；2030年，生態保護模式下的人類活動最弱，而經濟優先模式下最強。

（3）1980～2020年陜西省黃河流域生態系統服務與人類活動呈現逐漸增強的負相關關系，二者協調性較差；空間上陜北地區的生態系統服務價值演變超前于人類活動強度，而關中地區的生態系統服務明顯滯后于人類活動；2030年，生態保護模式下二者的負相關作用最弱，而經濟優先模式下最強。

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（編輯：黃文晉）

Spatiotemporal evolution and prediction of coordination between ecosystem

service and human activityLIU Tao¹，ZHANG Haipeng²，YANG Menghao³

（1.Henan Institute of Geological Sciences Co.Ltd.，Zhengzhou 450007，China； 2.Key Research Institute of Yellow River Civilization and Sustainable Development & Yellow River Civilization by Provincial and Ministerial Co-construction of Collaborative Innovation Center，Henan University，Kaifeng 475001，China； 3.College of Surveying and Geo-Informatics，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China）

Abstract： Exploring and predicting the evolution characteristics of relationship between ecosystem service and human activity is of great significance for promoting construction for the ecological security pattern of harmonious coexistence between human and nature.Taking the Yellow River Basin in Shaanxi Province as an example，this paper analyzed the spatiotemporal evolution characteristics and multi-scenario prediction of ecosystem services and human activities，as well as their coordination，through value equivalence method，human activity intensity model，PLUS model，and various statistical analysis methods.The results showed that the overall ecosystem service value of the Shaanxi Yellow River Basin increased by 5.433 billion yuan from 1980 to 2020.Compared with the result in 2020，the ecosystem service value under the inertia development mode and economic priority mode would decrease by 781 million yuan and 2.011 billion yuan respectively in 2030.The ecosystem service value under the cultivated land protection mode and ecological protection mode would increase by 27 million yuan and 824 million yuan respectively in 2030.From 1980 to 2020，the human activity intensity showed a "N" shaped change pattern.Compared with 2020，the human activity intensity increased under the economic priority mode and inertia development mode，while weakened under the cultivated land protection mode and ecological protection mode in 2030.In the study area，the negative correlation between ecosystem service and human activity was gradually increasing，and such coordination was poor.In 2030，the negative correlation between ecosystem service and human activity would be the weakest in the ecological protection mode，while the strongest in the economic priority model.Overall，the negative impact of economic priority mode is the greatest in the future，and the Yellow River Basin in Shaanxi Province should give priority to the ecological protection mode.

Key words： ecosystem service；human activity；multi-scenario simulation；coordination；Yellow River Basin