多情景下昌吉市生態系統服務價值預測及權衡協同研究

摘要：以新疆昌吉市為例，基于PLUS模型和當量因子法預測2030年多種情景下土地利用和生態系統服務價值（ESV）的時空變化特征，同時進行Pearson相關分析和雙變量空間自相關分析探討各生態系統服務間的權衡協同關系。結果表明，2010—2030年昌吉市土地利用結構變化明顯，其中城市發展情景下變化最明顯，生態保護情景下變化最緩和。2010—2020年，昌吉市ESV減少6.93億元。2020—2030年，城市發展情景、耕地保護情景和自然發展情景下ESV分別減少6.53億、6.26億、6.11億元；生態保護情景下ESV增加0.50億元，各單項ESV也呈增長趨勢。昌吉市生態系統服務間均表現出明顯的協同關系，北部荒漠以及中部建設用地區域表現為低-低協同，南部林地、草地主要為高-高協同，高-低權衡和低-高權衡呈點狀在濕地周圍分布。

關鍵詞：生態系統服務價值；多情景預測；PLUS模型；權衡協同；昌吉市

中圖分類號：X171.1" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2025）01-0016-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2025.01.003 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on prediction and trade-off/synergies of ecosystem service value in Changji City under multiple scenarios

CHEN Meng-xi， WANG Cheng-wu， YAN Tian-liang

（School of Public Management（School of Law）， Xinjiang Agricultural University， Urumqi" 830052， China）

Abstract： Taking Changji City of Xinjiang Province as an example， the spatial and temporal variation characteristics of land use and ecosystem service value （ESV） under multiple scenarios in 2030 were predicted based on the PLUS model and the equivalent factor method. At the same time， Pearson correlation analysis and bivariate spatial auto-correlation analysis were carried out to explore the trade-off/synergies relationship. The results showed that， from 2010 to 2030， the land use structure of Changji City had changed significantly， with the most significant changes under the urban development scenario and the most moderate changes under the ecological protection scenario. From 2010 to 2020， the ESV of Changji City decreased by 693 million yuan. From 2020 to 2030， the ESV would decrease by 653 million yuan， 626 million yuan and 611 million yuan in the urban development scenario， cultivated land protection scenario and natural development scenario， respectively； under the ecological protection scenario， the ESV would increase by 50 million yuan， and the individual ESV also showed an increasing trend. There was an obvious synergistic relationship between ecosystem services in Changji City， with the northern desert and central construction land areas showing low-low synergy， while the southern woodland and grassland were mainly high-high synergy， and the high-low trade-off and low-high trade-off were distributed around the wetland in a dotted pattern.

Key words：ecosystem service value； multi-scenario forecasting； PLUS model； trade-off/synergies； Changji City

生態系統服務是人類直接或間接地從生態系統中獲得的各種惠益，包括供給、調節、支持和文化服務［1］。土地利用是指人類基于一定目的而進行的土地資源利用活動，在該過程中土地的自然屬性被人類所利用［2］。高強度的土地利用活動對土地覆蓋變化產生直接影響，從而阻礙生態系統服務的穩定供給；生態環境惡化也會破壞均衡的土地利用結構，制約土地的開發利用，帶來負面的經濟效應。21世紀以來，中國經濟發展迅速，城市化進程加快，高強度的土地利用活動帶來了負面的生態效應。以土地利用為基礎評估區域生態系統服務價值（ESV）并探討其時空演繹特征及權衡協同關系，能夠為相關部門對未來土地利用結構的優化調整及生態管理提供一定的參考［3］。

預測未來生態系統服務價值的前提是要準確把握未來土地利用需求及空間格局，土地利用變化模擬模型包括SD模型［4］、CLUE-S模型［5］、Markov模型［6］、FLUS模型［7］以及斑塊生成土地利用變化模擬（PLUS）模型，該模型在模擬多類土地斑塊生成和時空演化方面具有絕對優勢，能夠更準確地模擬土地利用斑塊級別變化的固有非線性關系，從而提高土地利用的模擬精度［8］。1997年，Constanza等［9］利用價值當量法首次評估全球17種生態系統服務的價值。隨后，眾多國外學者在全球不同區域和尺度上開展了大量的工作，進一步豐富了生態系統服務相關研究［10］。國內學者對生態系統服務的研究起步較晚，其概念最早由歐陽志云等［11］于1999年提出。之后謝高地等［12］對Costanza等提出的價值當量法進行修訂，總結出具有中國地理特色的的生態系統服務價值當量表。至此，國內生態系統服務研究逐步發展起來，其成果多應用于土地利用規劃和決策中。但國內學者多從歷史尺度和當前尺度展開研究，對未來尺度下ESV量化及權衡協同分析的研究較少。因此，本研究通過設置多種情景來探究未來ESV時空演變特征及權衡協同關系，以期為昌吉市國土空間規劃提供一定的借鑒。

國家“一帶一路”倡議提出以來，昌吉市作為新疆中歐班列開行城市之一，經濟迅猛發展，但在此過程中，存在過度追求GDP、過度依賴資源、煤炭開墾無節制、農民過度開荒等問題，人地矛盾加劇，但該區域生態環境本就脆弱，土地利用結構的劇烈變化讓生態環境面臨更大挑戰。基于此，本研究以昌吉市為研究區，選用PLUS模型，從自然、經濟、可達性3個方面選擇驅動因子，綜合考慮該區域城市發展、糧食安全和生態保護，設定了包括自然發展、城市發展、耕地保護、生態保護在內的4種情景模式，探討昌吉市2030年4種情景下ESV的時空演變特征及權衡協同關系，對緩和昌吉市及同類型干旱區生態脆弱城市經濟社會發展與生態保護的矛盾，推動區域生態環境與經濟可持續發展具有重要意義。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

昌吉市位于新疆北部，是烏魯木齊都市圈重要次中心城市和州府所在地，位于東經86°24′—87°37′，北緯43°06′—45°20′，下轄8鎮2鄉。南鄰天山，中部為沖積平原，北部沙漠分布較廣。冬季寒冷干燥，夏季高溫，受地形影響，南部夏季降水量高于北部。該市2010年GDP為175.67億元，2020年為420.17億元，10年間增長139.18%，2020年年末總人口約40萬人，城鎮化率達70.8%。

1.2 數據來源

所使用的數據及來源見表1。從道路數據中單獨提取出國道、省道、縣道數據，對鐵路、道路和河流水系數據進行歐式距離分析，得出到鐵路、國道、省道、縣道、水域的距離；所有空間數據按掩膜提取，重采樣分辨率為30 m，投影坐標統一為Krasovsky_1940_Albers，保持行列數一致。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用模擬 土地利用模擬包含未來土地利用需求數量預測和空間分布模擬，前者通過PLUS模型的Markov模塊實現，其原理是以研究區現期土地利用為基礎，按照其基期到現期的土地利用轉移矩陣生成未來研究年份的土地利用數量。空間分布模擬首先是在PLUS模型的提取土地擴張模塊提取昌吉市2010—2020年土地擴張柵格數據；綜合已有研究成果［13，14］，結合昌吉市現狀及數據可獲取性，選擇NDVI、高程、年均氣溫、年均降水量、到鐵路的距離、到國道的距離、到省道的距離、到縣道的距離、到水域距離、夜間燈光、人均GDP、人口12個驅動因子，連同土地擴張數據輸入LEAS模塊生成昌吉市每個柵格上各地類發展潛力；在CARS模塊中，以2010—2020年昌吉市各地類擴張面積占總擴張面積之比設置鄰域權重［15］，耕地、林地、草地、濕地、建設用地、未利用地的鄰域權重分別為0.106 5、0.002 3、0.494 1、0.003 6、0.093 3、0.300 2；輸入2010年土地利用數據和各地類發展潛力數據，模擬出昌吉市在2020年的土地利用情況，并用2020年真實土地利用情況對其進行精度驗證。結果顯示，Kappa系數為0.816，總體精度為87.20%，FOM值為0.122，模擬精度較好［16］，可用于昌吉市2030年土地利用模擬。

1.3.2 多情景設置 以昌吉市2010—2020年土地利用為基礎，參考其國土空間總體規劃，并結合其他學者的研究［17，18］，設定自然發展、城市發展、生態保護、耕地保護4種情景模擬昌吉市2030年土地利用情況（表2）。

1.3.3 生態系統服務價值評估 昌吉市ESV量化選用謝高地等［19］修正過的當量因子法。考慮到經濟水平和生態環境狀況的區域差異，首先依據昌吉市2010—2020年糧食作物平均單位面積產量、糧食均價、播種面積修正單位面積糧食作物的經濟價值［20］；其次依據生物量因子進行修正［21］，計算出昌吉市一個標準生態系統服務經濟價值等效系數為" "1 182.96元/hm2，是其單位面積糧食作物經濟價值的1/7［22］，與已修正過的單位面積生態系統服務價值當量表相乘得出昌吉市單位面積生態系統服務價值系數（表3），公式如下。

[Ea=17i=1nmipiqiS×r]" " （1）

式中，Ea為昌吉市單位面積糧食作物的經濟價值（元/hm2）；n、i分別為糧食作物數量和種類；mi為第i類糧食作物平均播種面積（hm2）；pi為第i類糧食作物均價（元/kg）；qi為第i類糧食作物平均單位面積產量（kg/hm2）；S為昌吉市糧食播種總面積（hm2）；r為昌吉市農田生態系統生物量因子，取0.58。

基于昌吉市單位面積ESV系數，結合式（2）計算昌吉市ESV。為更好地分析研究區內部ESV對土地利用變化的空間響應，經過多次反復試驗，選擇最適合研究區范圍大小的1 km×1 km格網單元為評價單元，獲取每個格網單元的ESV，利用克里金法進行插值，得到昌吉市ESV的空間分布，基于自然斷點法將其劃分為5個等級，單位格網內ESV越大，等級越高。

[ESV=x=1ey=1fSyExy]" " " " "（2）

式中，ESV為昌吉市總生態系統服務價值（元）；f為土地利用類型總數；e為生態系統服務類型總數；Sy為第y種地類面積（hm2）；Exy為第y種地類的第x類生態系統服務的ESV系數。

1.3.4 生態系統服務價值權衡協同關系量化 為探究昌吉市ESV權衡與協同關系，分別利用SPSS26.0和GeoDa軟件對昌吉市ESV進行Pearson相關分析和雙變量全局自相關分析，得出各類生態系統服務兩兩之間的相關關系，即權衡協同關系［23，24］；利用雙變量局部自相關分析法進一步分析昌吉市ESV，探究各項生態系統服務在內部空間上權衡協同關系的聚類特征。

2 結果與分析

2.1 昌吉市土地利用變化

2.1.1 2010—2020年土地利用變化特征 由圖1可知，2010—2020年，昌吉市土地利用類型以草地、未利用地、耕地為主，未利用地主要分布在昌吉市北部，耕地集中分布在中部平原地區，草地多分布在昌吉市南部、中部區域。2010—2020年，昌吉市草地、林地、濕地面積呈減少趨勢，其中草地面積減少最多（506.87 km2），其轉出面積達539.08 km2，轉出貢獻率為13.01%，是其轉入面積的16.73倍，轉為未利用地310.93 km2，占昌吉市總面積的7.50%，轉為耕地161.25 km2，占昌吉市總面積的3.89%；林地、濕地面積變化較小。耕地、建設用地、未利用地面積11年間分別增加109.34、95.66、307.90 km2，增幅分別為8.01%、92.67%、14.73%。

2.1.2 2030年多情景下土地利用變化特征 2030年昌吉市不同情景下土地利用預測結果如表4所示，土地利用空間分布如圖1所示。自然發展情景下，草地是主要地類，占昌吉市總面積的40.08%，其次是耕地，面積占比為19.59%，建設用地面積占比為3.62%。自然發展情景下土地利用按照研究區2010—2020年土地利用轉移趨勢進行慣性預測，與2020年相比，2030年草地呈減少趨勢，減少了439.64 km2，耕地、建設用地、未利用地面積則呈增加趨勢，分別增加88.37、89.91、268.75 km2。在自然發展情景下，過度放牧等不合理用地方式時有發生，草地、濕地等不斷退化，建設用地的擴張也未得到較好的約束，持續侵占草地等生態用地，對昌吉市生態安全可持續發展構成威脅。城市發展情景下，與2020年相比，2030年建設用地增加141.91 km2，增幅達71.35%，其斑塊在中部平原地區沿居民點呈連片狀發展；耕地基本保持穩定，未利用地占比增加3.35個百分點，林地、草地、濕地占比減少0.05、5.76、0.04個百分點。耕地保護情景下，與2020年相比，2030年耕地面積增加154.93 km2，增幅達10.51%，占比增加1.94個百分點，主要分布在研究區中部及中部偏北區域，草地面積減少471.97 km2，建設用地、未利用地增加57.98、266.55 km2，增幅低于自然發展情景。生態保護情景下，昌吉市構建“一屏兩帶兩廊多點”生態保護格局，提高森林覆蓋率，保護并修復草地，筑牢生態空間安全屏障，林地、草地等生態用地得到保護，與2020年相比，2030年林地、草地、濕地、建設用地呈增長趨勢，分別增長0.14%、0.32%、6.10%、8.87%，耕地、未利用地呈減少趨勢，分別減少1.29%、0.61%。

2.2 昌吉市生態系統服務價值變化

2.2.1 2010—2020年生態系統服務價值變化特征 2010—2020年昌吉市經濟快速發展，生產生活用地迅速擴張，持續侵占耕地、草地等生態用地，對生態安全重視不夠，導致該市未利用地面積增加，林地、草地、濕地面積減少，生態環境質量下降。10年間ESV減少6.93億元，其中調節服務價值減少最多，由53.33億元降至48.86億元，減少4.47億元，供給、支持、文化服務價值分別減少0.48億、1.63億、0.35億元（表5）。空間上，昌吉市ESV整體上呈現出南高北低的分布特征，南部受地形影響，夏季降水多，能夠滿足多數植物生長需求，植被覆蓋度較高，大多數區域為ESV中值區和較高值區，中部濕地區域也有零星高值區分布，而北部降水少，沙漠分布廣，植物生長困難，多為ESV低值區（圖2）。

2.2.2 2030年多情景下生態系統服務價值變化特征 將2030年昌吉市4種情景下的ESV與2020年進行對比分析，結果見表5。自然發展情景下，各地類面積按照慣性增減，ESV也按照慣性趨勢進行增減，各單項ESV降幅從大到小依次為供給服務、文化服務、支持服務和調節服務，與2010—2020年保持一致。城市發展情景下，總ESV減少最多，減少6.53億元，其中供給、調節、支持、文化服務價值分別減少0.43億、4.25億、1.53億、0.32億元。這是因為此情景下生態用地保護意識不足，城市擴張侵占耕地、草地，生態環境質量下降，使得各項服務價值持續下降。耕地保護情景下，為保障昌吉市糧食安全，建設用地較少侵占耕地，草地向耕地轉移概率增加，耕地面積增加，雖然會使得食物生產價值增加，但同時會導致水資源消耗增加，且侵占草地等也使得原材料生產減少，因此此情景下總供給服務價值減少，且總ESV為4種情景下最低。生態保護情景下，總ESV增加0.50億元，供給、調節、支持、文化服務價值分別增加0.04億、0.39億、0.05億、0.02億元。該情景受生態保護政策影響，林地、濕地、草地面積增加，生態環境質量提升，使得各項ESV都呈增長趨勢。

2.3 昌吉市生態系統服務權衡協同關系特征

首先創建1 km格網單元的漁網進行裁剪并賦值，得到4種情景下每個格網單元上不同類型生態系統服務的價值，之后利用SPSS 26.0和GeoDa軟件進行Pearson相關分析，以此探究4種情景下昌吉市生態系統服務權衡協同關系。Pearson相關系數大于0為協同關系；反之則為權衡關系。雙變量全局Moran’s I大于0，表示不同類型生態系統服務之間在空間上為正相關，系數越大相關性越顯著；反之則為空間負相關。由表6可知，昌吉市4種情景下各類型生態系統服務之間均為協同關系。

為探究昌吉市生態系統服務權衡協同關系的空間集聚特征，利用GeoDa軟件對其進行雙變量局部空間自相關分析。昌吉市近11年經濟發展迅速，城鎮面積持續擴張，城市化率不斷提高，兼顧其顯著性，空間尺度上的權衡協同分析選擇城市發展情景下的ESV進行。由圖3可知，昌吉市4項生態系統服務在空間尺度主要表現為協同關系，分布在北部荒漠區域、南部草地和林地區域以及中部建設用地、耕地區域；局部表現為權衡關系，零星分布于河流沿線等濕地區域。北部荒漠地區的協同關系主要表現為低-低集聚，是因為該區域環境惡劣、生態脆弱，加之人類過度干預、保護不到位等，各項服務價值都處于減少趨勢；中部建設用地、耕地區域也表現為低-低集聚，此區域人口最為密集，生產用地持續擴張，草地、濕地等生態用地持續減少，對土地的不合理利用使得該區域為低-低集聚；南部草地、林地區域為高-高集聚，主要是由于該區域生態用地分布面積廣，生態環境基礎較好；表現為權衡關系的格網零散分布在昌吉市中部、南部，大多數處于濕地與耕地交界處，易受人類活動干擾。

3 小結與討論

3.1 小結

1）2010—2030年，昌吉市城市化進程加快，土地利用結構變化明顯，尤其是建設用地，增長趨勢最為明顯。生態保護情景下，2030年林地、草地、濕地、建設用地呈增長趨勢，耕地、未利用地呈減少趨勢。其他情景下，2030年耕地、建設用地、未利用地逐年增加，林地、草地、濕地逐年減少。土地利用管理政策、生態保護政策、人類活動等對土地利用數量結構及空間格局影響明顯。

2）昌吉市4項生態系統服務中，調節服務價值占比最高，其次是支持服務，供給服務和文化服務價值占比較低。2010—2020年ESV下降，共減少6.93億元。2020—2030年，城市發展情景下ESV下降趨勢最為明顯，共減少6.53億元；其次是耕地保護情景和自然發展情景，ESV分別減少6.26億、6.11億元。生態保護情景下ESV增加0.50億元，各單項ESV也呈增加趨勢。因此，昌吉市在未來快速城市化過程中，應加強生態保護力度，制定生態補償、生態修復等生態保護政策，合理利用土地資源，減少高強度土地利用活動對生態環境的負面影響。

3）2030年各情景下，昌吉市不同種類生態系統服務之間均表現出明顯的協同關系，空間上，北部荒漠、中部耕地及建設用地區域呈低-低協同的空間集聚特征；南部草地、林地區域呈高-高協同的空間集聚特征；中部和南部零星地區表現為高-低權衡和低-高權衡的關系，主要分布于河流等濕地附近。本研究可為西北干旱區生態脆弱且城市發展迅速的地區優化土地利用結構、制定生態管理政策、促進區域可持續發展提供科學支撐。

3.2 討論

ESV量化能夠揭示區域生態安全程度和生態保護成效，有助于科學劃定“三區三線”、統籌經濟-生態協調可持續發展。昌吉市2010—2020年ESV持續減少，說明快速城市化背景下，人類對土地的不合理利用威脅生態環境，且昌吉市生態環境脆弱、自然基礎較差，未來城市發展應以土地利用策略優化為主，提升該地區生態環境質量。本研究設置4種情景來評估昌吉市ESV，生態保護情景下，建設用地增長緩慢，但仍能滿足當地生產生活需要，林地、草地、濕地呈增長趨勢，ESV高于其他3種情景，而城市發展情景則起到警示作用。從權衡協同關系來看，2030年各情景下各生態系統服務間總體上均為協同關系，其中供給服務與其他服務之間的協同關系與白羽萍等［25］、隋露等［26］的研究結果一致，但與冉璇等［27］的研究結果不一致，主要是由于空間異質性及評估方法不同。未來仍需從多尺度進行更深入的分析，以厘清其內部空間差異，從而根據區域實際情況科學制定土地利用管理政策和生態保護政策。零星地區表現為權衡關系，說明昌吉市各地類之間具有一定沖突，城市發展、糧食安全、生態保護之間存在競爭關系。未來應對建設用地發展加以限制，不斷提高森林覆蓋率、合理放牧、優化區域生態環境，使得經濟發展和生態保護同步進行。

3.3 不足與展望

1）在對土地利用進行多情景模擬時，設置了4種情景，但未來城市發展千變萬化，4種方案無法預測所有土地利用情況，為滿足多方需求，后續研究中要盡可能尋求更加全面的方案。

2）本研究利用當量因子法評估昌吉市ESV，該方法基于土地利用展開，但只考慮了耕地、林地、草地、濕地、建設用地、未利用地6類用地，而昌吉市草地在南部山地區域和北部接近荒漠區域均有分布， 2個區域內部自然條件存在差異，產生的ESV也存在差異，未來應對地類進行更加細致的劃分，以減少內部空間異質性的影響，使評估結果更精確。

3）研究過程中僅考慮了供給、調節、支持和文化服務這4個類型的生態系統服務，且研究以格網為評價單元，尺度較為單一，未來可以對生態系統服務進行更細致的劃分，從多尺度分析其權衡協同關系，探討其空間演變的內部機理，從而提出更加科學的土地利用策略。

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