多情景土地利用變化下極端干旱區系統生態系統服務權衡協同分析

摘要：【目的】研究多情景土地利用變化下生態系統服務價值（ESV）的協同關系，分析生態系統服務功能時空變化及權衡協同關系。【方法】以極端干旱區新疆吐魯番市為例，基于土地利用變化模擬模型（Patch-generating Land Use Simulation Model，PLUS）、當量因子法、空間自相關、ESCI、ESTD模型等方法計算并預測2010～2035年（自然發展、耕地保護、生態保護）吐魯番市ESV變化、時空分布特征和權衡協同關系。【結果】（1）2010年、2015年和2020年吐魯番市草地和建設用地面積分別增加0.16×104hm2和1.98×104hm2，耕地、林地、水域和未利用地分別減少0.51×104、0.46×104、0.33×104和0.85×104hm2，各時間段土地利用轉移模式為2010～2015年、2015～2020年以未利用地轉草地為主，除未利用地外，草地轉出和轉入面積均最大；（2）2010年、2015年和2020年研究區ESV分別為213.75×108、209.23×108和205.78×108元，呈直線下降趨勢，共減少7.97×108元；在自然發展、耕地保護、生態保護3種模擬情景下，ESV呈上升趨勢，空間分布特征為“北部山區高-南部荒漠低”；（3）2035年3種情景土地利用變化下，各項生態系統服務功能間以協同為主，“高-高”、“低-低”協同集聚區與ESV高值、低值區分布高度一致，權衡關系零星分布于城鎮空間與農業空間交界地帶及其他局部地區。

【結論】自然發展、耕地保護和生態保護情景ESV依次為207.90×108、213.06×108和240.40×108元，均高于2020年的ESV。

關鍵詞：生態系統服務價值；PLUS模型；多情景模擬；權衡協同

中圖分類號：X171；F301.2文獻標志碼：A文章編號：1001-4330（2024）09-2245-13

0引 言

【研究意義】生態系統服務是指人類從自然生態系統中直接或間接獲取的收益［1］。全球60%的生態系統正在持續退化［2］。文獻顯示［3］，生態系統服務關聯生態系統。土地利用作為人類最基本的生產實踐活動，其類型、空間格局、地類變化可對生態系統服務功能產生直接或間接的影響［4-5］，也對維持生態系統服務起決定作用［6］，生態系統服務的變化亦可影響人類對土地的利用，兩者相互作用、相互影響［7］。新疆吐魯番市為典型“山地-綠洲-荒漠”（MODS）復合系統，該系統是我國西北干旱區典型的地表景觀格局類型。極端干旱區具有降水量少、蒸發量大、生態環境極其脆弱、水土資源不匹配等特征，開展多情景下極端干旱區土地利用變化生態系統服務權衡協同研究，分析生態系統服務及其權衡協同關系對土地利用變化的響應機制，對提升各生態系統服務間的協同效應、改善生態環境具有重要意義。【前人研究進展】“權衡”是指各項生態系統服務功能之間存在對立關系，而“協同”則是指各項生態系統服務協同發展（同增同減）［8］。生態系統服務功能權衡協同關系受生態過程復雜性、生物多樣性和空間異質性影響，探究生態系統服務權衡協同關系已成為目前研究的前沿熱點［9］。Hughes等［9］開展了相關研究。隋露等［10］對烏魯木齊的研究中，基于PLUS模型，選取綜合發展情景，探究烏魯木齊市土地利用變化下的權衡協同關系，各生態系統服務間以協同為主。【本研究切入點】目前多采用聚類的方法對生態系統服務進行分析，目前關于生態系統服務的研究多為基于歷史時期，或者單一節點的［11-12］的靜態分析，鮮有對未來生態系統服務變化開展評估分析。但仍存在不足之處，研究區域上，主要集中在礦區［13］、流域［14］、喀斯特巖溶區［14］及經濟發達地區［15］，對我國極端干旱區的研究較少；研究方法來看，以空間自相關分析、統計學方法、空間分析法和情景模擬方法等，多以靜態分析生態系統服務功能，而對未來進行多情景動態模擬的研究較少［16］；從研究模型來看，PLUS模型是從FLUS模型基礎上改進的模型，對土地利用變化的影響因素解釋性好，模擬精度高［17］。目前對生態系統服務權衡與協同的關系多為靜態研究分析和時空分布研究，而針對極端干旱區的生態系統服務價值動態評估和權衡協同關系研究較為缺乏。需選用PLUS模型，基于斑塊尺度下的土地利用變化模擬，對未來的生態系統服務進行量化評估，利用Geo-da 1.20.0、ESCI、ESTD模型分析生態系統服務功能間權衡協同度。【擬解決的關鍵問題】

選取吐魯番市為研究對象，結合價值當量法和2010年、2015年和2020年3期的土地利用數據，運用PLUS模型模擬預測2035年3種情景下的ESV變化和GIS空間分析ESV空間變化，并利用生態系統服務權衡協同度模型（ESCI、ESTD）和Geo-da1.20.0軟件對11項生態服務功能進行權衡協同關系分析。基于新疆吐魯番市2010年、2015年和2020年3期土地利用數據，利用PLUS模型模擬2035年吐魯番市多情景下土地利用變化情況，采用單位面積當量法計算不同情景下吐魯番市的ESV，采用雙變量空間自相關、ESCI、ESTD等模型，定量分析2010～2035年生態系統服務間協同關系。

1材料與方法

1.1材 料

1.1.1研究區概況

吐魯番市（41°12′～43°40′N，87°16′～91°55′E）位于新疆中東部，下轄高昌區、托克遜縣和鄯善縣，為典型的暖溫帶荒漠氣候，年均氣溫14℃，年均降水量不足20 mm，是典型“山地-綠洲-荒漠”復合系統，是極端干旱區、脆弱性生態系統的重要組成部分［18］。

1.1.2數據來源及預處理

數據來源包括基礎數據和驅動因子2大類，其他數據（農作物面積、價格、單產）來源于《全國農產品成本收益資料匯編-2021年》以及《新疆2021年統計年鑒》。選取年均氣溫、年降水量、灌溉條件、坡度、高程、農村道路距離、公路距離、鐵路距離、河流距離、村莊距離、市中心距離、GDP、人口密度、夜間燈光分布等14個因素作為土地利用變化驅動因素。其中坡度由DEM數據處理得出；灌溉條件、農村道路、公路、鐵路、河流、村莊、市中心距離，基于ArcGIS10.8利用歐式距離處理得出。表1

1.2方 法

1.2.1土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣用來直觀地表示各種土地類型的轉移方向［19］。

Sij=s11…s1nsm1…smn."（1）

式中，Sij是研究期內i土地類型轉化成j類土地類型的面積，單位為，n為土地利用的總數。

1.2.2PLUS模型

PLUS模型是一個“自頂向下”基于隨機森林算法（RS）獲取的，主要包括2個部分：①用地擴張分析策略（LEAS），提取各類用地擴張部分；②基于多類隨機斑塊種子的CA模型（CARS），動態模擬斑塊的自動生成，結合吐魯番市實際情況，從自然、社會、經濟因素3個方面選取14個驅動因子。

結合吐魯番市國土空間規劃（2021～2035年）和吐魯番市國土空間修復規劃（2021～2035年），設定自然發展、耕地保護和生態保護3種情景模擬預測2035年土地利用變化趨勢。表2

以2010年和2015年土地利用數據為基期數據，模擬得出2020年土地利用狀況，利用Kappa系數將模擬結果和2020年現狀進行精度驗證。

1.2.3生態系統服務單位價值計算

1.2.3.1生態系統服務價值估算（表3）

當量因子的確定是根據謝高地等［20］在2015年對生態系統服務價值當量因子表調整之后的成果，結合研究區的實際情況，耕地、未利用地和水域三種地類分別采用了當量表中的水澆地、裸地和水域的單位面積服務價值當量。除此之外，林地主要是根據闊葉林、灌木林與林地總面積的相應比值取值；草地是根據草原、灌草叢與草甸三者的平均值來取值；估算吐魯番市的生態系統服務價值。

ESV=∑ni=1Ai×VCi.（2）

VCi=∑kj=1ECj×Ea.（3）

式中，ESV為生態系統服務價值（元/年）；Ai為第i類的土地利用類型面積（hm2）；VCi為第i類的生態系統服務價值系數（元/（hm2·a））；ECj為某類土地利用類型第j項生態系統服務價值當量；Ea為1個單位生態系統服務的經濟價值（元/hm2）。

根據“單位農田提供的生產服務經濟價值，是無人力投入的自然生態系統的經濟價值的7倍”的規則，運用公式（4）對單位生態系統服務的經濟價值進行修正［21］。鑒于數據的可獲取性，忽

略價格波動因素，統一選取2020年研究區主要農作物（小麥、玉米、豆類）的經濟價值進行修正，并計算其平均值，研究區每單位生態系統服務的經濟價值為1 524.56 元/hm2。

Ea=17∑ni=1MiPiQiM.（4）

式中，Ea為1個標準單位ESV當量因子的價值（元/hm2）；Mi為i種農產品的平均價格（元/kg）；Pi為i種農產品的單位面積產量（kg/hm2）；Qi為i種農產品的種植面積（hm2）；M為農產品的總種植面積（hm2）。

1.2.4生態系統服務權衡協同度

參照生態系統服務功能時間變化模型（ESCI）［22］，研究權衡協同關系，則參照權衡協同度模型ESTD［23-26］（Ecosystem services trade-off degree）。

ESCIi=（ESia－ESib）ESib.（5）

ESTDij=（ESCIi/ESCIj+ESCIj/ESCIi）/2."（6）

式中，ESia、ESib分別為a、b時刻第i種生態系統服務的值；ESCIi是第i種生態系統服務的變化指數（ecosystem services change index，ESCI）；ESCIj為第j種生態系統服務的變化指數；ESTDij表示第i、j種生態系統服務之間的權衡協同度，ESTD為負值表示第i與j種生態系統服務為權衡關系，ESTD為正值表示兩者之間為協同關系，ESTD絕對值的大小反映了權衡/協同水平。

1.3數據處理

利用Origin2022軟件中三角形熱圖功能模塊對11項二級生態系統服務功能進行相關性分析。基于吐魯番市各鄉鎮行政區劃，選取較符合吐魯番市未來發展定位的開發情景，在Geo-da1.20.0軟件進行雙變量局部自相關分析（Moran's I）以探究各項生態系統服務間的權衡協同關系，LISA圖可更直觀呈現研究區局部關聯性情況。

2結果與分析

2.1土地利用總體變化特征

研究表明，2010年、2015年和2020年，吐魯番市的主要用地類型為未利用地和草地，耕地主要集中分布于中部綠洲區城鎮空間周邊；草地、林地主要分布于天山山脈，另有零星分布在中部綠洲區艾丁湖濕地范圍內；建設用地集中分布于吐魯番市中部綠洲區，人口較為聚集，該區域為天山山脈融雪消融匯集形成的綠洲區。2010年和2015年，草地轉出面積為88.42×104hm2（12.71%），轉入面積為88.88×104hm2（12.78%），轉出面積低于轉入面積，主要轉入地類為未利用地，轉入面積為6.18×104hm2，與吐魯番市“造林綠化”、“退牧還草”等工程政策相符合。2015年和2020年，耕地轉出面積（9.30×104hm2）小于轉入面積（12.85×104hm2），轉入貢獻率為1.84%，其中未利用地轉入面積高達2.62×104hm2。建設用地凈轉入量為3.99×104hm2，主要來源為未利用地、草地和耕地，分別轉入1.90×104、0.61×104和0.50×104hm2。耕地在2010～2015年時間段內，轉入量小于轉出量，而在2015～2020年時間段內，轉入量大于轉出量。圖1～2，表4

2.2多情景下土地利用變化模擬

2.2.1精度檢驗

研究表明，在PLUS軟件Validation模塊中，將2015年的模擬圖與2015年現狀圖進行對比；2020年模擬圖與2020年現狀圖對比，計算得到Kappa值分別為0.8436、0.7465。符合模擬要求，具有高度的一致性，可作為預測2035年數據的基礎。

2.2.2多情景模擬預測

研究表明，2035年自然發展情景下，除未利用地外，草地是優勢地類，面積為92.31×104hm2，占比為13.26%，其次是耕地，面積為10.96×104hm2，占總面積的1.57%，水域僅占0.08%。由于自然發展情景下，設定水域為限制性因子，與2020年相比，耕地、草地、建設用地呈增加趨勢，分別增加了1.71×104、3.4×104和0.27×104hm2，林地、水域、未利用地呈減少趨勢，分別減少0.33×104、0.03×104和5.07×104hm2，在自然發展情景下，水域減少速度放緩，但建設用地持續大規模的擴張。耕地保護情景下，耕地占總面積的1.61%，與2020年相比，耕地增加了1.99×104hm2，而建設用地增加了0.08×104hm2，增幅遠低于自然發展情景。生態保護情景下，與2020年相比，草地面積增加了11.21×104hm2，水域減少速度得到有效控制，減少了0.02×104hm2，未利用地減少了12.88×104hm2，未利用地在生態保護情景下降幅遠高于自然發展和耕地保護情景，主要轉向草地，生態保護情景下，生態用地面積得到有效提高，在3種情景中，水域的面積持續減少，吐魯番市降水量呈下降的趨勢，且氣溫逐年升高，水資源蒸發量持續增加，從而導致水域面積持續減少。圖2，表5

2.3生態系統服務價值時空演變特征

研究表明，不同生態系統服務價值ESV差異較大，2010年、2015年和2020年3年間，調節服務價值最高（149.39×108元），占總價值的67.49%，其中水文調節的價值最高（53.55×108元），但該系統服務功能持續呈下降趨勢，是水域面積持續下降導致；其次為支持服務（46.37×108元）、供給服務（11.16×108元）和文化服務（9.84×108元），分別占21.69%、5.22%和4.60%。研究期內四項服務的價值有不同程度減少，其中調節服務減少最多（6.85×108元），文化服務減少最少（0.17×108元）。表6

2020年和2035年3種情景下，各項生態系統服務價值均呈上升趨勢。自然發展情景中，相較于2020年，調節服務，增加了1.94×108元，其中水文調節服務增長最多（0.73×108元），支持服務增加了0.53×108元，供給服務減少了0.42×108元，文化服務增加了0.11×108元。與自然發展情景相比，耕地保護情景下，供給服務從10.29×108元增加到10.55×108元，增加了0.26×108元，調節服務增加3.3×108元，支持服務增加1.32×108元，文化服務增加0.27×108元。與耕地保護情景相比，生態保護情景下，調節服務增加17.7×108元，增幅最大，其次為支持服務，增加6.51×108元。在生態保護情景下，4種生態系統服務功能價值均為最大值，其中，調節服務增幅最大，尤其是氣候調節大幅度提升，主要是由于生態用地（草地、水域、林地）面積增加，水域面積減少速度得到有效控制所致。

比較不同尺度下格網的差異性，最終選擇創建一個5 km×5 km正方形網格，計算每個網格的生態系統服務價值，得出2035年3種情景生態系統服務價值空間分異，采用自然斷點法將研究區生態系統服務價值從低到高劃分為5個等級，5級ESV最低，1級ESV最高。

3種情景下生態系統服務功能價值空間分異與ESV分布符合實際情況。吐魯番市生態系統服務價值，自北向南，呈“高-中-低”的空間分布特征，即北部山地ESV高值區（林地、草地）、中部綠洲區和南部荒漠ESV低值區（未利用地）。圖3

2.4生態系統服務權衡協同關系

2.4.1生態系統服務權衡協同度

研究表明，2010～2015年各生態系統服務之間組成55組值，其中17組為負值（權衡關系），38組為正值（協同關系），權衡協同關系分別占30.91%、69.09%，該時段內吐魯番市協同關系大于權衡關系。協同關系存在于調節服務、支持服務內部及調節服務與支持服務之間，權衡關系存在于水資源供給和原材料生產與其余項生態系統服務功能之間。2015～2020年，研究區各項生態系統服務功能之間的權衡協同關系相較2010～2015年存在明顯差異，10組負值（權衡），45組正值（協同），原材料生產與其余生態系統服務功能間呈協同關系。協同關系中，水文調節與土壤保持的協同度最高（5.42），水資源供給與土壤保持的協同度最低（-96.99），生態系統服務權衡度的極值增大，其中水資源供給和土壤保持、氣體調節、原材料生產、維持養分循環和氣候調節，食物生產和水資源供給表現為強權衡關系。近10a年來，食物生產-水資源供給服務之間，均表現為權衡關系。

2020年和2035年自然發展情景下，各生態系統服務功能間均呈協同關系，其中水資源供給服務-凈化環境服務呈強協同關系（380.86），2020～2035年耕地保護情景下，耕地面積增加使得食物生產服務收益最佳，但同時除水資源供給服務外，其余9項生態系統服務功能增加，耕地面積的增加會使其服務衰減，各項服務系統功能之間的值，均低于自然發展情景；2020年和2035年生態保護情景下，水資源供給服務上升，導致水資源供給服務和其他服務之間的協同關系減弱，其協同關系為3種情景中最低值。圖4

2.4.2生態系統服務功能空間

研究表明，吐魯番市生態系統服務總值的全局Moran's I值均大于0，P值均小于0.001，其空間分布均具有較強的正向相關性。

各項ESV空間分布關系以協同為主，“高-高”、“低-低”協同聚集特征與ESV高值區和低值區分布高度吻合，“高-高”集聚的協同關系主要集中鄯善縣北部、吐魯番市高昌區北部直屬1、庫加依鎮、吐魯番市中心鎮區、庫米什鎮中部，該區域主要分布在山地和綠洲區域，其中地類主要為草地、林地、耕地、水域等，均為生態價值系數高的地類；“低-低”集聚的協同關系主要分布在伊拉湖鎮、吐魯番市高昌區南部直屬2、鄯善縣中心城鎮以外的區域，以及高昌區中心城區周邊各鄉鎮，主要分布在南部荒漠區，地類主要是未利用地。表現為權衡關系的行政區主要分布于博斯坦鎮、郭勒布依鄉和鄯善縣中心城區各鄉鎮，此3處區域生態脆弱且易受人類活動干擾，導致其表現為權衡關系。供給服務對其余三種服務之間的權衡關系在主城區周圍表現尤為顯著，這是由于糧食生產與其余各二級類型服務功能用地之間沖突所致。圖5

3討 論

3.1

常用的格網單元有1 km×1 km［24］、3 km×3 km［25］、5 km×5 km［26］等。近10 a吐魯番市水域、林地和草地面積減少最為顯著，尤其是在2015～2020年期間出現大幅度下降，水域、林地和草地單位ESV較大且為重要的生態用地。研究結果與張娜麗等［27］對阿爾泰山2000～2020年生態系統服務價值變化一致，其中未利用地轉出面積最大，草地和林地生態系統服務價值最大；與文獻［28-29］對新疆地區1982～2015年生態系統服務時空變化及權衡協同相比，研究運用PLUS模型動態模擬預測多情景下ESV變化及權衡協同關系特征，具有一定的前瞻性。

3.2

2035年3種情景中各項生態系統服務功能間以協同為主，權衡關系主要分布在城鎮空間和農業空間交界帶以及局部地區，自然發展情景下，由于城市空間擴張，林地和水域受到影響，部分林地和水域轉化為草地和耕地；耕地保護情景下，吐魯番市耕地面積增加，建設用地減少；在生態保護情景下，吐魯番市的城市建設放緩，生態用地（林地、草地、水域）增多。ESV呈顯著的空間協同集聚特征，協同聚集區與ESV高值、低值區域分布高度吻合，主要分布在天山山脈和吐魯番中部綠洲區域；行政區域上，表現為權衡關系主要分布于博斯坦鎮、托克遜縣、郭勒布依鄉、吐魯番市高昌區西北部和鄯善縣中心城區各鄉鎮，其中郭勒布依鄉和吐魯番市高昌區北部位于天山山脈附近的冰雪消融區。研究區為典型“山地-綠洲-荒漠”復合系統（MODS），各個系統間存在著顯著差異，在后續研究時，應進行各個系統間分別討論研究。

4結 論

4.1

研究期內建設用地與草地數量增加，其中建設用地面積增加最多（1.13×104hm2），未利用地、耕地、水域與林地數量減少，其中未利用地減少最多（1.40×104hm2）。研究期內ESV分別為213.75×108、209.23×108和205.78×108元，總體呈下降的趨勢。

4.2

ESV整體呈“高-中-低”的特點，北部山區為草地和林地集中區域；中部綠洲區為建設用地和耕地；南部荒漠為未利用地。

4.3

自然發展、耕地保護和生態保護情景ESV依次為207.90×108、213.06×108及240.40×108元，均高于2020年的ESV。

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Study on the trade-off and synergy of ecosystem services in extreme arid areas under multi scenario land use changes

LUO Hao1，2， JIAN Zhengbo2，3， SUN Tingting1，2， WANG Yuelin2，3， SHAN Nana2，3， YANG Zhiying1

（1. College of Resources and Environment， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China; 2. Institute of Soil， Fertilizer and Water Conservation， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Urumqi 830091， China；

3. School of Public Management/Institute of soil，Fertilizer and Water conservation， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract：【Objective】 This project aims at studying the changes in ecosystem service value （ESV） caused by land use changes under multiple scenarios， as well as the spatiotemporal changes and trade-off synergies of ecosystem service functions in the hope of providing decision-making reference.

【Methods】 Taking Turpan City， an extremely arid region， as an example， based on the Patch-generating Land Use Simulation Model （PLUS）， equivalent factor method， spatial autocorrelation， ESCI， ESTD models， and other methods， the ESV changes， spatiotemporal distribution characteristics， and trade-off synergy relationships in Turpan City from 2010 to 2035 （natural development， farmland protection， ecological protection） were estimated and predicted.

【Results】 （1） From 2010 to 2020， the grassland and construction land areas in Turpan City increased by 0.16×104hm2 and 1.98×104hm2， respectively， while the cultivated land， forest land， water area， and unused land decreased by 0.51×104， 0.46×104， 0.33×104， and 0.85×104hm2， respectively. Under these three scenarios， the reduction rate of water area slowed down and the expansion degree of construction land decreased. （2） In 2010， 2015 and 2020， the ESV in the study area was 213.75×108 Yuan， 209.23×108 Yuan and 205.78×108 Yuan， respectively， showing a linear downward trend， with a total decrease of 7.97×108 Yuan；Under the three simulated scenarios of natural development scenario， cultivated land protection and ecological protection， the ESV showed an upward trend， and the spatial distribution characteristics were \"high in the northern mountainous area and low in the southern desert\" （3） In 2035， under the three scenarios， the main focus will be on synergy among various ecosystem service functions. The distribution of \"high-high\" and \"low-low\" collaborative agglomeration areas is likely to be highly consistent with the distribution of ESV high and low value areas， and the balance relationship would be scattered in the border area between urban and agricultural spaces and other local areas.

【Conclusion】 The ESV of natural development， cultivated land protection and ecological protection scenario was 207.90×108 Yuan、213.06×108 Yuan and 240.40×108 Yuan ， all higher than that in 2020 ESV.

Key words：ecosystem services value （ESV）; PLUS model; multi-scenario simulation; trade-off synergy

Fund project：Xinjiang Uygur Autonomous Region Youth Science Fund Project（2022D01B164）

Correspondence author：YANG Zhiying（1989-）， male， from Xinxiang， Henan， assistant researcher， research direction： territorial spatial planning， （E-mail）yangzhiyingXJ@162.com;

SHAN Nana（1976-）， female， from Urumqi， Xinjiang， Ph.D.， researcher， research direction： territorial spatial planning， （E-mail）406852066@qq.com

收稿日期（Received）：2024-02-25

基金項目：新疆維吾爾自治區青年科學基金（2022D01B164）

作者簡介：羅浩（1997-），男，重慶江津人，碩士研究生，研究方向為國土空間規劃，（E-mail）luohao0907@163.com

通訊作者：楊志瑩（1989-），男，河南新鄉人，助理研究員，研究方向為國土空間規劃，（E-mail）yangzhiyingXJ@162.com；

單娜娜（1976-），女，新疆烏魯木齊人，研究員，博士，研究方向為國土空間規劃，（E-mail）406852066@qq.com