摘要：【目的】研究多情景土地利用变化下生态系统服务价值（ESV）的协同关系，分析生态系统服务功能时空变化及权衡协同关系。【方法】以极端干旱区新疆吐鲁番市为例，基于土地利用变化模拟模型（Patch-generating Land Use Simulation Model，PLUS）、当量因子法、空间自相关、ESCI、ESTD模型等方法计算并预测2010～2035年（自然发展、耕地保护、生态保护）吐鲁番市ESV变化、时空分布特征和权衡协同关系。【结果】（1）2010年、2015年和2020年吐鲁番市草地和建设用地面积分别增加0.16×104hm2和1.98×104hm2，耕地、林地、水域和未利用地分别减少0.51×104、0.46×104、0.33×104和0.85×104hm2，各时间段土地利用转移模式为2010～2015年、2015～2020年以未利用地转草地为主，除未利用地外，草地转出和转入面积均最大；（2）2010年、2015年和2020年研究区ESV分别为213.75×108、209.23×108和205.78×108元，呈直线下降趋势，共减少7.97×108元；在自然发展、耕地保护、生态保护3种模拟情景下，ESV呈上升趋势，空间分布特征为“北部山区高-南部荒漠低”；（3）2035年3种情景土地利用变化下，各项生态系统服务功能间以协同为主，“高-高”、“低-低”协同集聚区与ESV高值、低值区分布高度一致，权衡关系零星分布于城镇空间与农业空间交界地带及其他局部地区。
【结论】自然发展、耕地保护和生态保护情景ESV依次为207.90×108、213.06×108和240.40×108元，均高于2020年的ESV。
关键词：生态系统服务价值；PLUS模型；多情景模拟；权衡协同
中图分类号：X171；F301.2文献标志码：A文章编号：1001-4330（2024）09-2245-13
0引 言
【研究意义】生态系统服务是指人类从自然生态系统中直接或间接获取的收益［1］。全球60%的生态系统正在持续退化［2］。文献显示［3］，生态系统服务关联生态系统。土地利用作为人类最基本的生产实践活动，其类型、空间格局、地类变化可对生态系统服务功能产生直接或间接的影响［4-5］，也对维持生态系统服务起决定作用［6］，生态系统服务的变化亦可影响人类对土地的利用，两者相互作用、相互影响［7］。新疆吐鲁番市为典型“山地-绿洲-荒漠”（MODS）复合系统，该系统是我国西北干旱区典型的地表景观格局类型。极端干旱区具有降水量少、蒸发量大、生态环境极其脆弱、水土资源不匹配等特征，开展多情景下极端干旱区土地利用变化生态系统服务权衡协同研究，分析生态系统服务及其权衡协同关系对土地利用变化的响应机制，对提升各生态系统服务间的协同效应、改善生态环境具有重要意义。【前人研究进展】“权衡”是指各项生态系统服务功能之间存在对立关系，而“协同”则是指各项生态系统服务协同发展（同增同减）［8］。生态系统服务功能权衡协同关系受生态过程复杂性、生物多样性和空间异质性影响，探究生态系统服务权衡协同关系已成为目前研究的前沿热点［9］。Hughes等［9］开展了相关研究。隋露等［10］对乌鲁木齐的研究中，基于PLUS模型，选取综合发展情景，探究乌鲁木齐市土地利用变化下的权衡协同关系，各生态系统服务间以协同为主。【本研究切入点】目前多采用聚类的方法对生态系统服务进行分析，目前关于生态系统服务的研究多为基于历史时期，或者单一节点的［11-12］的静态分析，鲜有对未来生态系统服务变化开展评估分析。但仍存在不足之处，研究区域上，主要集中在矿区［13］、流域［14］、喀斯特岩溶区［14］及经济发达地区［15］，对我国极端干旱区的研究较少；研究方法来看，以空间自相关分析、统计学方法、空间分析法和情景模拟方法等，多以静态分析生态系统服务功能，而对未来进行多情景动态模拟的研究较少［16］；从研究模型来看，PLUS模型是从FLUS模型基础上改进的模型，对土地利用变化的影响因素解释性好，模拟精度高［17］。目前对生态系统服务权衡与协同的关系多为静态研究分析和时空分布研究，而针对极端干旱区的生态系统服务价值动态评估和权衡协同关系研究较为缺乏。需选用PLUS模型，基于斑块尺度下的土地利用变化模拟，对未来的生态系统服务进行量化评估，利用Geo-da 1.20.0、ESCI、ESTD模型分析生态系统服务功能间权衡协同度。【拟解决的关键问题】
选取吐鲁番市为研究对象，结合价值当量法和2010年、2015年和2020年3期的土地利用数据，运用PLUS模型模拟预测2035年3种情景下的ESV变化和GIS空间分析ESV空间变化，并利用生态系统服务权衡协同度模型（ESCI、ESTD）和Geo-da1.20.0软件对11项生态服务功能进行权衡协同关系分析。基于新疆吐鲁番市2010年、2015年和2020年3期土地利用数据，利用PLUS模型模拟2035年吐鲁番市多情景下土地利用变化情况，采用单位面积当量法计算不同情景下吐鲁番市的ESV，采用双变量空间自相关、ESCI、ESTD等模型，定量分析2010～2035年生态系统服务间协同关系。
1材料与方法
1.1材 料
1.1.1研究区概况
吐鲁番市（41°12′～43°40′N，87°16′～91°55′E）位于新疆中东部，下辖高昌区、托克逊县和鄯善县，为典型的暖温带荒漠气候，年均气温14℃，年均降水量不足20 mm，是典型“山地-绿洲-荒漠”复合系统，是极端干旱区、脆弱性生态系统的重要组成部分［18］。
1.1.2数据来源及预处理
数据来源包括基础数据和驱动因子2大类，其他数据（农作物面积、价格、单产）来源于《全国农产品成本收益资料汇编-2021年》以及《新疆2021年统计年鉴》。选取年均气温、年降水量、灌溉条件、坡度、高程、农村道路距离、公路距离、铁路距离、河流距离、村庄距离、市中心距离、GDP、人口密度、夜间灯光分布等14个因素作为土地利用变化驱动因素。其中坡度由DEM数据处理得出；灌溉条件、农村道路、公路、铁路、河流、村庄、市中心距离，基于ArcGIS10.8利用欧式距离处理得出。表1
1.2方 法
1.2.1土地利用转移矩阵
土地利用转移矩阵用来直观地表示各种土地类型的转移方向［19］。
Sij=s11…s1nsm1…smn."（1）
式中，Sij是研究期内i土地类型转化成j类土地类型的面积，单位为，n为土地利用的总数。
1.2.2PLUS模型
PLUS模型是一个“自顶向下”基于随机森林算法（RS）获取的，主要包括2个部分：①用地扩张分析策略（LEAS），提取各类用地扩张部分；②基于多类随机斑块种子的CA模型（CARS），动态模拟斑块的自动生成，结合吐鲁番市实际情况，从自然、社会、经济因素3个方面选取14个驱动因子。
结合吐鲁番市国土空间规划（2021～2035年）和吐鲁番市国土空间修复规划（2021～2035年），设定自然发展、耕地保护和生态保护3种情景模拟预测2035年土地利用变化趋势。表2
以2010年和2015年土地利用数据为基期数据，模拟得出2020年土地利用状况，利用Kappa系数将模拟结果和2020年现状进行精度验证。
1.2.3生态系统服务单位价值计算
1.2.3.1生态系统服务价值估算（表3）
当量因子的确定是根据谢高地等［20］在2015年对生态系统服务价值当量因子表调整之后的成果，结合研究区的实际情况，耕地、未利用地和水域三种地类分别采用了当量表中的水浇地、裸地和水域的单位面积服务价值当量。除此之外，林地主要是根据阔叶林、灌木林与林地总面积的相应比值取值；草地是根据草原、灌草丛与草甸三者的平均值来取值；估算吐鲁番市的生态系统服务价值。
ESV=∑ni=1Ai×VCi.（2）
VCi=∑kj=1ECj×Ea.（3）
式中，ESV为生态系统服务价值（元/年）；Ai为第i类的土地利用类型面积（hm2）；VCi为第i类的生态系统服务价值系数（元/（hm2·a））；ECj为某类土地利用类型第j项生态系统服务价值当量；Ea为1个单位生态系统服务的经济价值（元/hm2）。
根据“单位农田提供的生产服务经济价值，是无人力投入的自然生态系统的经济价值的7倍”的规则，运用公式（4）对单位生态系统服务的经济价值进行修正［21］。鉴于数据的可获取性，忽
略价格波动因素，统一选取2020年研究区主要农作物（小麦、玉米、豆类）的经济价值进行修正，并计算其平均值，研究区每单位生态系统服务的经济价值为1 524.56 元/hm2。
Ea=17∑ni=1MiPiQiM.（4）
式中，Ea为1个标准单位ESV当量因子的价值（元/hm2）；Mi为i种农产品的平均价格（元/kg）；Pi为i种农产品的单位面积产量（kg/hm2）；Qi为i种农产品的种植面积（hm2）；M为农产品的总种植面积（hm2）。
1.2.4生态系统服务权衡协同度
参照生态系统服务功能时间变化模型（ESCI）［22］，研究权衡协同关系，则参照权衡协同度模型ESTD［23-26］（Ecosystem services trade-off degree）。
ESCIi=（ESia－ESib）ESib.（5）
ESTDij=（ESCIi/ESCIj+ESCIj/ESCIi）/2."（6）
式中，ESia、ESib分别为a、b时刻第i种生态系统服务的值；ESCIi是第i种生态系统服务的变化指数（ecosystem services change index，ESCI）；ESCIj为第j种生态系统服务的变化指数；ESTDij表示第i、j种生态系统服务之间的权衡协同度，ESTD为负值表示第i与j种生态系统服务为权衡关系，ESTD为正值表示两者之间为协同关系，ESTD绝对值的大小反映了权衡/协同水平。
1.3数据处理
利用Origin2022软件中三角形热图功能模块对11项二级生态系统服务功能进行相关性分析。基于吐鲁番市各乡镇行政区划，选取较符合吐鲁番市未来发展定位的开发情景，在Geo-da1.20.0软件进行双变量局部自相关分析（Morans I）以探究各项生态系统服务间的权衡协同关系，LISA图可更直观呈现研究区局部关联性情况。
2结果与分析
2.1土地利用总体变化特征
研究表明，2010年、2015年和2020年，吐鲁番市的主要用地类型为未利用地和草地，耕地主要集中分布于中部绿洲区城镇空间周边；草地、林地主要分布于天山山脉，另有零星分布在中部绿洲区艾丁湖湿地范围内；建设用地集中分布于吐鲁番市中部绿洲区，人口较为聚集，该区域为天山山脉融雪消融汇集形成的绿洲区。2010年和2015年，草地转出面积为88.42×104hm2（12.71%），转入面积为88.88×104hm2（12.78%），转出面积低于转入面积，主要转入地类为未利用地，转入面积为6.18×104hm2，与吐鲁番市“造林绿化”、“退牧还草”等工程政策相符合。2015年和2020年，耕地转出面积（9.30×104hm2）小于转入面积（12.85×104hm2），转入贡献率为1.84%，其中未利用地转入面积高达2.62×104hm2。建设用地净转入量为3.99×104hm2，主要来源为未利用地、草地和耕地，分别转入1.90×104、0.61×104和0.50×104hm2。耕地在2010～2015年时间段内，转入量小于转出量，而在2015～2020年时间段内，转入量大于转出量。图1～2，表4
2.2多情景下土地利用变化模拟
2.2.1精度检验
研究表明，在PLUS软件Validation模块中，将2015年的模拟图与2015年现状图进行对比；2020年模拟图与2020年现状图对比，计算得到Kappa值分别为0.8436、0.7465。符合模拟要求，具有高度的一致性，可作为预测2035年数据的基础。
2.2.2多情景模拟预测
研究表明，2035年自然发展情景下，除未利用地外，草地是优势地类，面积为92.31×104hm2，占比为13.26%，其次是耕地，面积为10.96×104hm2，占总面积的1.57%，水域仅占0.08%。由于自然发展情景下，设定水域为限制性因子，与2020年相比，耕地、草地、建设用地呈增加趋势，分别增加了1.71×104、3.4×104和0.27×104hm2，林地、水域、未利用地呈减少趋势，分别减少0.33×104、0.03×104和5.07×104hm2，在自然发展情景下，水域减少速度放缓，但建设用地持续大规模的扩张。耕地保护情景下，耕地占总面积的1.61%，与2020年相比，耕地增加了1.99×104hm2，而建设用地增加了0.08×104hm2，增幅远低于自然发展情景。生态保护情景下，与2020年相比，草地面积增加了11.21×104hm2，水域减少速度得到有效控制，减少了0.02×104hm2，未利用地减少了12.88×104hm2，未利用地在生态保护情景下降幅远高于自然发展和耕地保护情景，主要转向草地，生态保护情景下，生态用地面积得到有效提高，在3种情景中，水域的面积持续减少，吐鲁番市降水量呈下降的趋势，且气温逐年升高，水资源蒸发量持续增加，从而导致水域面积持续减少。图2，表5
2.3生态系统服务价值时空演变特征
研究表明，不同生态系统服务价值ESV差异较大，2010年、2015年和2020年3年间，调节服务价值最高（149.39×108元），占总价值的67.49%，其中水文调节的价值最高（53.55×108元），但该系统服务功能持续呈下降趋势，是水域面积持续下降导致；其次为支持服务（46.37×108元）、供给服务（11.16×108元）和文化服务（9.84×108元），分别占21.69%、5.22%和4.60%。研究期内四项服务的价值有不同程度减少，其中调节服务减少最多（6.85×108元），文化服务减少最少（0.17×108元）。表6
2020年和2035年3种情景下，各项生态系统服务价值均呈上升趋势。自然发展情景中，相较于2020年，调节服务，增加了1.94×108元，其中水文调节服务增长最多（0.73×108元），支持服务增加了0.53×108元，供给服务减少了0.42×108元，文化服务增加了0.11×108元。与自然发展情景相比，耕地保护情景下，供给服务从10.29×108元增加到10.55×108元，增加了0.26×108元，调节服务增加3.3×108元，支持服务增加1.32×108元，文化服务增加0.27×108元。与耕地保护情景相比，生态保护情景下，调节服务增加17.7×108元，增幅最大，其次为支持服务，增加6.51×108元。在生态保护情景下，4种生态系统服务功能价值均为最大值，其中，调节服务增幅最大，尤其是气候调节大幅度提升，主要是由于生态用地（草地、水域、林地）面积增加，水域面积减少速度得到有效控制所致。
比较不同尺度下格网的差异性，最终选择创建一个5 km×5 km正方形网格，计算每个网格的生态系统服务价值，得出2035年3种情景生态系统服务价值空间分异，采用自然断点法将研究区生态系统服务价值从低到高划分为5个等级，5级ESV最低，1级ESV最高。
3种情景下生态系统服务功能价值空间分异与ESV分布符合实际情况。吐鲁番市生态系统服务价值，自北向南，呈“高-中-低”的空间分布特征，即北部山地ESV高值区（林地、草地）、中部绿洲区和南部荒漠ESV低值区（未利用地）。图3
2.4生态系统服务权衡协同关系
2.4.1生态系统服务权衡协同度
研究表明，2010～2015年各生态系统服务之间组成55组值，其中17组为负值（权衡关系），38组为正值（协同关系），权衡协同关系分别占30.91%、69.09%，该时段内吐鲁番市协同关系大于权衡关系。协同关系存在于调节服务、支持服务内部及调节服务与支持服务之间，权衡关系存在于水资源供给和原材料生产与其余项生态系统服务功能之间。2015～2020年，研究区各项生态系统服务功能之间的权衡协同关系相较2010～2015年存在明显差异，10组负值（权衡），45组正值（协同），原材料生产与其余生态系统服务功能间呈协同关系。协同关系中，水文调节与土壤保持的协同度最高（5.42），水资源供给与土壤保持的协同度最低（-96.99），生态系统服务权衡度的极值增大，其中水资源供给和土壤保持、气体调节、原材料生产、维持养分循环和气候调节，食物生产和水资源供给表现为强权衡关系。近10a年来，食物生产-水资源供给服务之间，均表现为权衡关系。
2020年和2035年自然发展情景下，各生态系统服务功能间均呈协同关系，其中水资源供给服务-净化环境服务呈强协同关系（380.86），2020～2035年耕地保护情景下，耕地面积增加使得食物生产服务收益最佳，但同时除水资源供给服务外，其余9项生态系统服务功能增加，耕地面积的增加会使其服务衰减，各项服务系统功能之间的值，均低于自然发展情景；2020年和2035年生态保护情景下，水资源供给服务上升，导致水资源供给服务和其他服务之间的协同关系减弱，其协同关系为3种情景中最低值。图4
2.4.2生态系统服务功能空间
研究表明，吐鲁番市生态系统服务总值的全局Morans I值均大于0，P值均小于0.001，其空间分布均具有较强的正向相关性。
各项ESV空间分布关系以协同为主，“高-高”、“低-低”协同聚集特征与ESV高值区和低值区分布高度吻合，“高-高”集聚的协同关系主要集中鄯善县北部、吐鲁番市高昌区北部直属1、库加依镇、吐鲁番市中心镇区、库米什镇中部，该区域主要分布在山地和绿洲区域，其中地类主要为草地、林地、耕地、水域等，均为生态价值系数高的地类；“低-低”集聚的协同关系主要分布在伊拉湖镇、吐鲁番市高昌区南部直属2、鄯善县中心城镇以外的区域，以及高昌区中心城区周边各乡镇，主要分布在南部荒漠区，地类主要是未利用地。表现为权衡关系的行政区主要分布于博斯坦镇、郭勒布依乡和鄯善县中心城区各乡镇，此3处区域生态脆弱且易受人类活动干扰，导致其表现为权衡关系。供给服务对其余三种服务之间的权衡关系在主城区周围表现尤为显著，这是由于粮食生产与其余各二级类型服务功能用地之间冲突所致。图5
3讨 论
3.1
常用的格网单元有1 km×1 km［24］、3 km×3 km［25］、5 km×5 km［26］等。近10 a吐鲁番市水域、林地和草地面积减少最为显著，尤其是在2015～2020年期间出现大幅度下降，水域、林地和草地单位ESV较大且为重要的生态用地。研究结果与张娜丽等［27］对阿尔泰山2000～2020年生态系统服务价值变化一致，其中未利用地转出面积最大，草地和林地生态系统服务价值最大；与文献［28-29］对新疆地区1982～2015年生态系统服务时空变化及权衡协同相比，研究运用PLUS模型动态模拟预测多情景下ESV变化及权衡协同关系特征，具有一定的前瞻性。
3.2
2035年3种情景中各项生态系统服务功能间以协同为主，权衡关系主要分布在城镇空间和农业空间交界带以及局部地区，自然发展情景下，由于城市空间扩张，林地和水域受到影响，部分林地和水域转化为草地和耕地；耕地保护情景下，吐鲁番市耕地面积增加，建设用地减少；在生态保护情景下，吐鲁番市的城市建设放缓，生态用地（林地、草地、水域）增多。ESV呈显著的空间协同集聚特征，协同聚集区与ESV高值、低值区域分布高度吻合，主要分布在天山山脉和吐鲁番中部绿洲区域；行政区域上，表现为权衡关系主要分布于博斯坦镇、托克逊县、郭勒布依乡、吐鲁番市高昌区西北部和鄯善县中心城区各乡镇，其中郭勒布依乡和吐鲁番市高昌区北部位于天山山脉附近的冰雪消融区。研究区为典型“山地-绿洲-荒漠”复合系统（MODS），各个系统间存在着显著差异，在后续研究时，应进行各个系统间分别讨论研究。
4结 论
4.1
研究期内建设用地与草地数量增加，其中建设用地面积增加最多（1.13×104hm2），未利用地、耕地、水域与林地数量减少，其中未利用地减少最多（1.40×104hm2）。研究期内ESV分别为213.75×108、209.23×108和205.78×108元，总体呈下降的趋势。
4.2
ESV整体呈“高-中-低”的特点，北部山区为草地和林地集中区域；中部绿洲区为建设用地和耕地；南部荒漠为未利用地。
4.3
自然发展、耕地保护和生态保护情景ESV依次为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
基金项目：新疆维吾尔自治区青年科学基金（2022D01B164）
作者简介：罗浩（1997-），男，重庆江津人，硕士研究生，研究方向为国土空间规划，（E-mail）luohao0907@163.com
通讯作者：杨志莹（1989-），男，河南新乡人，助理研究员，研究方向为国土空间规划，（E-mail）yangzhiyingXJ@162.com；
单娜娜（1976-），女，新疆乌鲁木齐人，研究员，博士，研究方向为国土空间规划，（E-mail）406852066@qq.com