白羽萍, 王佳斌,劉 戀, 杜昱東, 鄧祥征, 陳建成

1 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京 100083

2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101

3 北京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,北京 100083

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和過(guò)程為人類生產(chǎn)生活提供的產(chǎn)品和服務(wù),是人類通過(guò)直接或間接的方式從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的惠益[1]。生態(tài)系統(tǒng)作為承載人類生產(chǎn)與人類活動(dòng)的重要樞紐,為實(shí)現(xiàn)社會(huì)福祉提供穩(wěn)定、持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[2]。聯(lián)合國(guó)已將食品、能源、水等關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)列為2030年要實(shí)現(xiàn)的17個(gè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的組成部分[3]。然而,聯(lián)合國(guó)千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估表明過(guò)去50年中全球約60%的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)退化[4],而這多是由于人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值和功能造成了一定的破壞[5]。隨著城市化、工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程的加快,人們的生活方式、可持續(xù)發(fā)展理念等都在不斷改變,由此影響著不同時(shí)期的土地利用格局[6-7]。城市人口的增加導(dǎo)致其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求也在增加,而如何權(quán)衡社會(huì)發(fā)展所謀求的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和從可持續(xù)發(fā)展角度追求的生態(tài)效益是當(dāng)前城市發(fā)展亟需考慮的問(wèn)題。

由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的特殊性,它給人類生產(chǎn)生活帶來(lái)的無(wú)形價(jià)值難以評(píng)估。若能對(duì)區(qū)域內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行有效估價(jià),并建立一套具有普適性的基于價(jià)值量的評(píng)估指標(biāo),不僅在堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展所帶來(lái)的生態(tài)效益方面更加具體、有說(shuō)服力,還有利于進(jìn)行不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的比較,引導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)資產(chǎn)化管理以及生態(tài)補(bǔ)償?shù)日叩挠行?shí)行,從而對(duì)社會(huì)土地利用行為做出規(guī)范和指導(dǎo)。需要指出的是,盡管我們出于社會(huì)發(fā)展的目的將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值貨幣化和資本化,但不可否認(rèn)其作為一種特殊的衡量對(duì)象具有極高的價(jià)值[8]。謝高地等[9]基于Costanza等對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估的研究,總結(jié)了單位價(jià)值量的核算方法并對(duì)我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估。此后,我國(guó)學(xué)者開展系統(tǒng)研究工作,在價(jià)值評(píng)估方面多是在Costanza的研究方法的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)[10]。傅伯杰等[11]對(duì)前人生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估研究中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析,為后人開展相關(guān)研究拓寬了思路。謝高地等[12]采取價(jià)值當(dāng)量因子的方式,核算了中國(guó)11種生態(tài)服務(wù)類型價(jià)值,為我國(guó)不同生態(tài)系統(tǒng)的價(jià)值評(píng)估打下了基礎(chǔ)。劉倩等[13]建立生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型,從縣域小尺度揭示區(qū)域服務(wù)價(jià)值的動(dòng)態(tài)變化機(jī)制。然而,目前有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估多是基于歷史時(shí)期的觀測(cè)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)評(píng)價(jià),而對(duì)于動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)及其驅(qū)動(dòng)因素的研究較少,特別是對(duì)未來(lái)精細(xì)柵格尺度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損益的變化規(guī)律及協(xié)同權(quán)衡關(guān)系仍不明晰。

土地利用情景分析是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值預(yù)測(cè)的研究基礎(chǔ)。目前,預(yù)測(cè)未來(lái)土地利用變化的模擬方法主要包括經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型[14]、元胞自動(dòng)機(jī)模型[15]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[16]和CLUE-S模型[17]等,主要從土地用結(jié)構(gòu)和空間布局兩個(gè)維度進(jìn)行研究。與傳統(tǒng)建模技術(shù)相比,可計(jì)算的一般均衡分析(CGE)模型[18]是多部門和非線性的,通過(guò)嵌入土地資源賬戶,可以較為準(zhǔn)確地反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對(duì)土地利用變化的作用。而土地系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬(DLS)模型綜合考慮區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展特征、自然條件及土地利用變化歷史趨勢(shì),將土地系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)宏觀分析和柵格尺度的微觀計(jì)量分析緊密結(jié)合,能夠較好地反映土地利用變化系統(tǒng)中復(fù)雜的自組織過(guò)程和用地類型間的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程[19]。本研究以黑河流域張掖市為研究區(qū),構(gòu)建土地利用變化均衡分析(CGELUC)模型及土地利用動(dòng)態(tài)模擬(DLS)模型,模擬預(yù)測(cè)多情景下張掖市 2010—2030 年的土地利用變化時(shí)空分異特征,并通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(ESV)估算、空間自相關(guān)分析等方法預(yù)測(cè)并評(píng)估多情景下張掖市2010—2030年的ESV變化及其時(shí)空特征,分析多情景下2030年張掖市ESV各項(xiàng)服務(wù)間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系。研究主要目的是預(yù)測(cè)精細(xì)尺度下區(qū)域未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的動(dòng)態(tài)時(shí)空演變,從科學(xué)的角度提出土地資源優(yōu)化配置的可行方案,支撐中、小尺度國(guó)土空間規(guī)劃并在此基礎(chǔ)上統(tǒng)籌社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)可持續(xù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置及行政區(qū)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(guó)第二大內(nèi)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(gè)縣區(qū),分別為甘州區(qū)、臨澤縣、高臺(tái)縣、山丹縣、民樂(lè)縣和肅南縣(圖1),區(qū)內(nèi)擁有耕地約43萬(wàn)hm2,共有可墾荒地20多萬(wàn)hm2；流域內(nèi)含河流26條,年平均徑流量可達(dá)26.6億m3,儲(chǔ)存有十分豐富的地下水資源,森林覆蓋率達(dá)9.2%；擁有豐富的礦物、土地、水利、太陽(yáng)能和勞動(dòng)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(diǎn),年均溫6℃,年日照可達(dá)3000h。張掖市2012年生產(chǎn)總值達(dá)291.92億元,同比增長(zhǎng)13.66%,相比于2000年的國(guó)民生產(chǎn)總值增長(zhǎng)了近3倍。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出服務(wù)業(yè)與工業(yè)比例增加的趨勢(shì),服務(wù)業(yè)與工業(yè)所占比例在2012年均達(dá)到了36%。作為絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶戰(zhàn)略規(guī)劃的重要節(jié)點(diǎn)城市,近年來(lái)張掖市經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分迅猛,特別是旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)獲得持續(xù)的調(diào)整優(yōu)化。其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化與預(yù)測(cè)研究對(duì)開展生態(tài)建設(shè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)與絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域建設(shè)具有典型意義。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究土地利用模擬使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為張掖市2010年和2015年兩期的土地利用柵格數(shù)據(jù)及自然環(huán)境、氣候、區(qū)位條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)(空間分辨率),來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),空間分辨率尺度為1km×1km；社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)糧食年鑒》(2016年)、《張掖市統(tǒng)計(jì)年鑒》(2016年)和張掖市2012年投入產(chǎn)出表[20]。

2 研究方法

2.1 土地利用變化模擬預(yù)測(cè)

(1)土地利用變化均衡分析模型

本研究基于傳統(tǒng)單區(qū)域靜態(tài)CGE模型ORANI-G模型(A Generic Single-Country Computable General Equilibrium Model)[20],構(gòu)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(chǎn)要素歸入生產(chǎn)函數(shù)中。模型建立了動(dòng)態(tài)遞歸機(jī)制,主要服務(wù)于未來(lái)土地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)的情景預(yù)測(cè)與分析。該模型以Gempack軟件作為模型運(yùn)行環(huán)境。

模型基礎(chǔ)與投入產(chǎn)出模型類似,是一個(gè)多投入、多產(chǎn)出的模型,遵循著一般均衡的規(guī)則。在生產(chǎn)模塊中,模型描述了各個(gè)經(jīng)濟(jì)部門的生產(chǎn)機(jī)制。該機(jī)制由多層次生產(chǎn)函數(shù)嵌套構(gòu)成,描述了各個(gè)生產(chǎn)階段的最優(yōu)組合,從而保證生產(chǎn)成本的最小化。其中,頂層的嵌套基于Leontief 函數(shù)刻畫商品、生產(chǎn)要素以及其他成本間的最優(yōu)化組合；第二層嵌套則基于CES函數(shù)刻畫國(guó)內(nèi)商品與進(jìn)口商品間的商品組合以及勞動(dòng)力、資本與土地等生產(chǎn)要素組合。最后,基于雙層嵌套的CET函數(shù)刻畫總產(chǎn)出在出口與國(guó)內(nèi)市場(chǎng)間的分配組合。其中,土地(LNDi)、資本(CAPi)、勞動(dòng)力(LABi)之間的組合以如下函數(shù)描述：

(1)

(2)

(3)

(4)

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

模型的其他模塊和運(yùn)行機(jī)制詳見白羽萍等[21]。

(2)土地系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬模型 (DLS)

在此基礎(chǔ)上,選用土地系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬模型 (DLS)模擬預(yù)測(cè)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(tǒng)模型相比,DLS模型依據(jù)空間分配原則和土地供需平衡,對(duì)自然控制因子和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子對(duì)土地利用變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行綜合考慮,能實(shí)現(xiàn)精細(xì)柵格尺度上的土地系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬。在DLS模型中,土地供需的變化是一個(gè)總量保持平衡的動(dòng)態(tài)收斂過(guò)程。通過(guò)考慮每個(gè)柵格內(nèi)部的局部驅(qū)動(dòng)因子的作用及其周圍柵格的驅(qū)動(dòng)因子對(duì)中心柵格的鄰域作用,準(zhǔn)確的描述了各土地利用類型間動(dòng)態(tài)競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程。其核心是微觀尺度上土地需求的空間分配過(guò)程。

(5)

土地系統(tǒng)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(wěn)定性參數(shù)、不同用地類型的競(jìng)爭(zhēng)力指標(biāo)等因素,構(gòu)成了空間格局模擬的土地利用總概率Li,k。通過(guò)模型內(nèi)多次迭代,實(shí)現(xiàn)空間中用地面積需求的分配。

(6)

本研究選取了18個(gè)影響用地類型分布的驅(qū)動(dòng)因子,進(jìn)行空間顯性建模與Logistic回歸參數(shù)估計(jì),為 DLS 模型模擬柵格尺度張掖市未來(lái)土地利用空間格局變化提供參數(shù),結(jié)果如表1所示。

表1 張掖市土地利用類型 Logistic 回歸分析結(jié)果

(3)情景設(shè)計(jì)

本文對(duì)張掖市的未來(lái)不同情景下的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況進(jìn)行模擬。參考以往的研究成果,綜合了張掖市近期出臺(tái)的發(fā)展規(guī)劃,研究構(gòu)建了三種不同的情景模擬預(yù)測(cè)2030年張掖市的土地利用情況。參考以往研究的經(jīng)驗(yàn)值,通過(guò)對(duì)模型多次調(diào)試驗(yàn)證,確定了以資本增長(zhǎng)率、勞動(dòng)力技術(shù)進(jìn)步、居民消費(fèi)增長(zhǎng)率、人口就業(yè)增長(zhǎng)率、投資增長(zhǎng)率、出口增長(zhǎng)率耦合的外生變量設(shè)定(表2)。

1情景一：基準(zhǔn)情景。是以過(guò)去至當(dāng)前相同的投資、出口、居民消費(fèi)、資本投入、人口就業(yè)和勞動(dòng)力技術(shù)進(jìn)步變化幅度預(yù)測(cè)未來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的趨勢(shì)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的用地需求,同時(shí)用于對(duì)比其他兩種情景。

2情景二：生態(tài)保護(hù)情景。重點(diǎn)考慮生態(tài)安全和生態(tài)恢復(fù),以相比于基本情景較小變化幅度的投資、出口、居民消費(fèi)和資本投入對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的用地需求產(chǎn)生較小的沖擊和作用,并假設(shè)人口就業(yè)和勞動(dòng)力技術(shù)進(jìn)步速率保持不變。

3情景三： 建設(shè)開發(fā)情景。重點(diǎn)考慮高速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)水平和社會(huì)的快速發(fā)展,以相比于基本情景更大變化幅度的投資、出口、居民消費(fèi)、資本、人口就業(yè)和勞動(dòng)力技術(shù)進(jìn)步對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的用地需求產(chǎn)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估

本研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估基于謝高地結(jié)合我國(guó)具體情況得出的中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表[22],并基于糧食價(jià)格和生物量對(duì)其進(jìn)行修訂。

(1)基于糧食價(jià)格的修訂

考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件的差異性,本文首先依據(jù)張掖市2015年糧食作物平均價(jià)格以及糧食作物單產(chǎn)對(duì)單位面積農(nóng)田糧食作物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行修正。其結(jié)果為張掖市單位面積產(chǎn)出糧食作物平均市場(chǎng)價(jià)值的1/7,修訂方法如下：

(7)

式中,Ea為張掖市單位面積農(nóng)田糧食作物的市場(chǎng)價(jià)值(元/hm2) ；P為張掖市2015年糧食作物平均價(jià)格；Q為糧食作物單位面積產(chǎn)量(kg/hm2)。

(2) 基于生物量的修訂

考慮生態(tài)系統(tǒng)條件的時(shí)空差異性, 利用謝高地等給出的全國(guó)各省域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生物量因子表[23],確定了研究區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物量因子取0.42,根據(jù)生物量因子對(duì)張掖市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行修訂,得出張掖市單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)表如下(表3):

表3 張掖市單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)/(元/km2)

(3)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值計(jì)算

利用公式(2)以及張掖市單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)計(jì)算ESV。本文選取1km柵格為評(píng)價(jià)單元,以表征ESV與區(qū)域內(nèi)部土地利用變化的關(guān)系。為了方便比較區(qū)域內(nèi)部所有的差異,本文使用單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[24](UESV)來(lái)表現(xiàn)其空間分異規(guī)律。運(yùn)用自然斷點(diǎn)法,將UESV劃分為一至五級(jí)。等級(jí)越高,代表UESV值越大。計(jì)算公式如下：

駐村第一書記的到來(lái)，給林畬村帶來(lái)巨大變化。幾年來(lái)，村里的路修好了，紅軍紀(jì)念廣場(chǎng)建起來(lái)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(zhēng)取到一處30kW的光伏發(fā)電項(xiàng)目，村集體有望實(shí)現(xiàn)真正意義上的穩(wěn)定收入。

(8)

(9)

式中,ESV為研究區(qū)內(nèi)總生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(元);Aj為j類生態(tài)系統(tǒng)面積(hm2)；Eij為j類生態(tài)系統(tǒng)的i類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)(元/hm2) ；m為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)種類總數(shù)；n為土地利用類型總數(shù)；UESV為單位柵格面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(元)；S為柵格單元面積(hm2)。

2.3 空間自相關(guān)分析

本文使用空間自相關(guān)分析表征ESV的集聚與分異特征?？臻g自相關(guān)分為全局自相關(guān)和局部自相關(guān)兩類[25]。在此基礎(chǔ)上,Ansenlin[26]提出了雙變量空間自相關(guān),度量了兩個(gè)屬性變量之間的空間關(guān)聯(lián)水平。本文空間自相關(guān)分析由GeoDa 1.18.0 10軟件完成。為消除區(qū)域內(nèi)部差異并有效表征ESV空間集聚規(guī)律,本文空間自相關(guān)分析利用UESV聚合后的3km柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行。

3 結(jié)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?；?010年和2015年兩期柵格數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行Kappa指數(shù)驗(yàn)證。利用2010年?yáng)鸥駭?shù)據(jù)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(shù)達(dá)到0.9036,大于0.7,表示模擬達(dá)到了較高水平,說(shuō)明DLS模型的預(yù)測(cè)結(jié)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(guò)渡區(qū)域；水域和建設(shè)用地面積較少,主要分布于軸線東北側(cè)的中北部局部地區(qū)。2010—2020年間,在基準(zhǔn)情景下,耕地、林地和建設(shè)用地面積整體保持穩(wěn)定,草地、水域面積有所上升,分別增加了242km2和17km2,增長(zhǎng)率分別為1.64%和2.51%。未利用地面積則下降了239km2。在生態(tài)保護(hù)情景中,耕地面積增長(zhǎng)67km2,林地、草地面積增加最為顯著,分別增長(zhǎng)29km2和684km2,未利用地面積則減少708km2。表現(xiàn)出由未利用地向生態(tài)用地轉(zhuǎn)化的主要趨勢(shì)。在建設(shè)開發(fā)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(shè)用地開始向軸線南部地區(qū)擴(kuò)散。2020—2030 年,在基準(zhǔn)情景中,林地、水域面積基本保持穩(wěn)定,未利用地面積略有下降,建設(shè)用地呈現(xiàn)外擴(kuò)趨勢(shì)。耕地面積減少了271km2,在原有面積的基礎(chǔ)上降低6.56%。草地面積增加了257km2,增長(zhǎng)率為1.59%。 在生態(tài)保護(hù)情景中,建設(shè)用地仍呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢(shì),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(tài)用地發(fā)生轉(zhuǎn)變,使三者的增長(zhǎng)幅度分別為2.48%、2.56%和2.36%。在建設(shè)開發(fā)情景中,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張迅猛,增加31km2,增長(zhǎng)率達(dá)到8.96%。同時(shí)該情景下耕地退化嚴(yán)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(fā)生小規(guī)模的擴(kuò)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(shí)空演變及預(yù)測(cè)Fig.2 The land use spatiotemporal evolution and prediction in Zhangye from 2010 to 2030

3.2 張掖市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化

2010—2020 年,張掖市ESV在基準(zhǔn)情景下呈現(xiàn)小幅上漲趨勢(shì),由380.04億元上升至383.43億元,增加3.40億元；在生態(tài)保護(hù)和建設(shè)開發(fā)情景下,則分別增長(zhǎng)6.56和0.96億元。2020年—2030年,張掖市ESV在基準(zhǔn)情景下繼續(xù)增長(zhǎng)3.03億元；在生態(tài)保護(hù)情景下,張掖市ESV增加最為顯著,共增長(zhǎng)6.60億元；建設(shè)開發(fā)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(xiàn)下降趨勢(shì),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(yù)測(cè)情景中,張掖市UESV 整體均呈現(xiàn)顯著的軸線南側(cè)高北側(cè)低、東南高西北低的空間格局特征。軸線南側(cè)UESV高值區(qū)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(tài)本底條件；軸線北側(cè)地形平坦,主要有未利用地、耕地和建設(shè)用地分布,UESV值普遍較低。其中在建設(shè)開發(fā)情景下,UESV等級(jí)最低的一級(jí)地?cái)?shù)量最多,集中分布于張掖市軸線中部地帶,多為建設(shè)用地、耕地、未利用地散布區(qū)；與之相反,生態(tài)保護(hù)情景下UESV一級(jí)地?cái)?shù)量最少,相同地區(qū)的UESV等級(jí)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(shí)空變化Fig.3 Spatiotemporal variation of UESV in different scenarios from 2020 to 2030

根據(jù)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(shè)開發(fā)情景UESV下降最為顯著。軸線北側(cè)及中部區(qū)域UESV整體呈下降態(tài)勢(shì),主要是經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)動(dòng)城鎮(zhèn)邊界向未利用地和耕地?cái)U(kuò)張?jiān)斐?致使軸線北側(cè)地區(qū)生態(tài)環(huán)境壓力加??； 在生態(tài)保護(hù)情景下,軸線南側(cè)區(qū)域UESV上升顯著,主要是因?yàn)樵搮^(qū)域林地、草地廣布,自然本底條件優(yōu)越；在基準(zhǔn)情景下,UESV值總體變化不大,但呈現(xiàn)出其他兩種情景下變化的主要趨勢(shì),可見這種發(fā)展模式兼顧了生態(tài)和經(jīng)濟(jì)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(zhǔn)和生態(tài)保護(hù)情景下,張掖市各項(xiàng)ESV整體上均呈現(xiàn)向好的發(fā)展態(tài)勢(shì),并且生態(tài)保護(hù)情景下各項(xiàng)ESV服務(wù)的增值都比較顯著。建設(shè)開發(fā)情景下,至2020年,除供給服務(wù)外,各項(xiàng)ESV服務(wù)的水平相比2010年略有增加。這主要是張掖市當(dāng)前城鎮(zhèn)開發(fā)水平較低,自然生態(tài)本底條件較好所致。2020—2030年,基準(zhǔn)情景和生態(tài)保護(hù)情景下張掖市各項(xiàng)ESV均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。但生態(tài)保護(hù)情景下各項(xiàng)ESV增加較為顯著,以調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值為例,生態(tài)保護(hù)情景下共增長(zhǎng)3.63億元,基準(zhǔn)情景下增長(zhǎng)1.73億元。這主要是由于生態(tài)保護(hù)情景下林地、草地等生態(tài)用地面積不斷增大,生態(tài)效益突出。建設(shè)開發(fā)情景下,各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)增長(zhǎng)緩慢,四項(xiàng)服務(wù)中調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)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(wù)則減少0.27億元,低于2020年水平。這可能是建設(shè)開發(fā)情景下城鎮(zhèn)擴(kuò)展顯著,生態(tài)保護(hù)強(qiáng)度較低所致。

圖5 2010—2030年供給、調(diào)節(jié)、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(zhǔn)情景、生態(tài)保護(hù)、建設(shè)開發(fā)情景

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系特征

為探究張掖市不同情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系,本文將該區(qū)域三種情境下的評(píng)價(jià)單元設(shè)為3km的格網(wǎng)單元,每個(gè)格網(wǎng)單元服務(wù)于單一UESV,然后進(jìn)行SPSS相關(guān)性分析、雙變量全局自相關(guān)分析。Pearson相關(guān)系數(shù)為正數(shù)則不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系,且系數(shù)越大,表明在時(shí)間上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同關(guān)系越顯著；反之,則表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系。從基準(zhǔn)情景、生態(tài)保護(hù)、建設(shè)開發(fā)三種情景下的Pearson相關(guān)系數(shù)和雙變量全局自相關(guān)Moran′sI指數(shù)來(lái)看,張掖市三種情景下的供給、調(diào)節(jié)、支持和文化服務(wù)均表現(xiàn)出一致的協(xié)同關(guān)系。從Pearson系數(shù)可知,協(xié)同關(guān)系顯著程度為供給-支持>調(diào)節(jié)-文化>支持-文化>供給-文化>調(diào)節(jié)-支持>供給-調(diào)節(jié)；從Moran′sI指數(shù)可知,顯著程度為供給-支持>支持-文化>供給-文化>供給-調(diào)節(jié)>調(diào)節(jié)-支持>調(diào)節(jié)-文化,具體結(jié)果如表4所示：

表4 2030年張掖市不同情景4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)分析結(jié)果

為探究張掖市不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在內(nèi)部空間上協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系的聚類特征,參照已有經(jīng)驗(yàn)[6],本研究引入雙變量局部自相關(guān)分析法進(jìn)行深入分析。 由于近年來(lái)張掖市經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快,兼顧其顯著性,選擇建設(shè)開發(fā)情景下的UESV值表征生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系。 通過(guò)圖6可以得出,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系的空間集聚特征總體較為顯著。 供給、調(diào)節(jié)、支持和文化四種服務(wù)在空間上主要表現(xiàn)為協(xié)同關(guān)系,集中分布于張掖市軸線南北兩側(cè)區(qū)域,局部表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系,零星分布于軸線中北側(cè)區(qū)域和東南部地區(qū)。 軸線北側(cè)、西南側(cè)的協(xié)同關(guān)系表現(xiàn)為低低集聚,主要由于建設(shè)用地?cái)?shù)量較高以及城市迅速向外擴(kuò)展導(dǎo)致；軸線東南側(cè)區(qū)域協(xié)同關(guān)系表現(xiàn)為高高集聚特征,是因?yàn)榇颂幜值亍⒉莸孛娣e廣,生態(tài)本底質(zhì)量?jī)?yōu)越；表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系的格網(wǎng)主要分布于軸線中北側(cè)、中南側(cè)地區(qū),北側(cè)區(qū)域基本處于南部林草地外圍,位于建設(shè)用地與未利用地、耕地之間的生態(tài)脆弱區(qū)；南側(cè)區(qū)域則處于林地、草地和未利用地的交界地帶,此二處區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)易受經(jīng)濟(jì)發(fā)展破壞,導(dǎo)致表現(xiàn)為權(quán)衡特征。另外,供給—文化服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系在北側(cè)區(qū)域較為顯著,主要是因?yàn)樵搮^(qū)域耕地廣布且位于城鎮(zhèn)邊界,糧食供給與景觀服務(wù)發(fā)生取舍所致。

圖6 2030年張掖市建設(shè)開發(fā)情景4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空演變預(yù)測(cè)與權(quán)衡關(guān)系分析

對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的評(píng)價(jià)較好地揭示了生態(tài)文明與可持續(xù)發(fā)展之間的關(guān)系,并能直觀反映自然的存在價(jià)值[27]。而針對(duì)ESV的時(shí)空演變的預(yù)測(cè)性分析能夠表征其變化特征,為統(tǒng)籌社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)、制定管理決策科學(xué)化提供有力支撐。目前國(guó)內(nèi)探討ESV時(shí)空演變的研究大多基于已有的土地利用變化等數(shù)據(jù)對(duì)歷史的ESV變化特征進(jìn)行總結(jié)[28-30],而對(duì)其演變進(jìn)行預(yù)測(cè)的較少。與之相比,本文對(duì)多情景下張掖市ESV時(shí)空演變的預(yù)測(cè)研究具有一定的前瞻性。同時(shí),與部分學(xué)者的類似研究[33]相比,本文在土地利用變化預(yù)測(cè)中,基于CGELUC模型和DLS模型的集成,從社會(huì)經(jīng)濟(jì)和自然環(huán)境變化兩方面全面量化了土地系統(tǒng)的相互作用趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)了土地系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的定量模擬和空間降尺度,為不同情景下區(qū)域土地系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬和評(píng)估提供了創(chuàng)新性的解決方案。高分辨率的土地利用變化情景輸出數(shù)據(jù)進(jìn)一步應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空演變預(yù)測(cè)研究。在空間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系方面,本文得出的結(jié)論與前人研究基本一致[6]。

4.2 基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的城市發(fā)展模式建議

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn),張掖市的各項(xiàng)建設(shè)將使土地利用格局發(fā)生較大的變動(dòng)。張掖市目前還屬于欠發(fā)達(dá)地區(qū),經(jīng)濟(jì)發(fā)展仍然是城鎮(zhèn)化建設(shè)的主要目標(biāo),容易在當(dāng)前政策的激勵(lì)下走向片面追求經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)展路徑。根據(jù)以往的認(rèn)知[31-32],張掖市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為脆弱,自然本底條件并不優(yōu)越,同時(shí)作為黑河流域內(nèi)開發(fā)強(qiáng)度較高的綠洲城市,張掖市在快速發(fā)展進(jìn)程中人地矛盾日益凸顯。在“可持續(xù)發(fā)展”“生態(tài)城市”等戰(zhàn)略背景下,合理統(tǒng)籌生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益成為張掖市未來(lái)發(fā)展道路上不能回避的問(wèn)題。本研究從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值預(yù)測(cè)及核算的角度證實(shí)在生態(tài)保護(hù)和基準(zhǔn)情景下,張掖的城市發(fā)展并不會(huì)對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的穩(wěn)定供給帶來(lái)威脅,側(cè)面肯定了張掖市的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展?jié)摿?。但?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(fā)建設(shè)的區(qū)域與優(yōu)質(zhì)耕地分布區(qū)重合,易于引起城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與耕地保護(hù)之間產(chǎn)生突出的矛盾。因此在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展情景下,張掖市的生態(tài)服務(wù)價(jià)值出現(xiàn)了下降的趨勢(shì),表明生態(tài)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(tài)安全屏障,其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對(duì)于西部生態(tài)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有重要意義。因此,張掖市城市發(fā)展應(yīng)避免走向城市無(wú)序擴(kuò)張的模式,應(yīng)尤其注重耕地保護(hù),堅(jiān)守耕地紅線不動(dòng)搖。嚴(yán)格限制高臺(tái)縣西南部和民樂(lè)縣、山丹縣中部等地出現(xiàn)耕地收縮的現(xiàn)象。同時(shí),需重點(diǎn)關(guān)注肅南縣、高臺(tái)縣北部以及甘州區(qū)的黑河濕地保護(hù)區(qū)和東大山自然保護(hù)區(qū)處未利用地向生態(tài)用地發(fā)生的轉(zhuǎn)變。也可結(jié)合生態(tài)保護(hù)模式下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值顯著增加的機(jī)理,探索將大量的未利用地向生態(tài)用地方向轉(zhuǎn)化的合理模式。在空間布局規(guī)劃方面,需要重視東南—西北方向軸線兩側(cè)ESV的異向協(xié)同關(guān)系,嚴(yán)格落實(shí)生態(tài)紅線制度保護(hù)南側(cè)生態(tài)價(jià)值高的林草地,遏制中北側(cè)建設(shè)用地與耕地向南側(cè)擴(kuò)張的明顯趨勢(shì)；在技術(shù)條件可行的情況下,應(yīng)優(yōu)先支持中北部存量建設(shè)用地提高集約利用效益,加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入,避免城鎮(zhèn)邊界粗放擴(kuò)張,遏制高臺(tái)縣中部及西南部、民樂(lè)縣中部和山丹縣中南部城鎮(zhèn)邊界擴(kuò)張并進(jìn)一步侵占周圍農(nóng)田的趨勢(shì)；加強(qiáng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較低的高臺(tái)縣、臨澤縣北部等未利用地的規(guī)劃意識(shí),有計(jì)劃地開發(fā)其生態(tài)潛力。

4.3 不足與展望

本文主要有以下局限性：(1)ESV的評(píng)估采用了價(jià)值當(dāng)量法,雖然進(jìn)行了基于糧食價(jià)格和生物量的兩次修訂,但研究以假設(shè)不變的2015年價(jià)值量進(jìn)行預(yù)測(cè),客觀上存在高估或低估未來(lái)ESV的可能；(2)采用空間自相關(guān)分析和相關(guān)系數(shù)方法研究ESV空間權(quán)衡關(guān)系,缺乏對(duì)其內(nèi)部機(jī)理的深入探討；(3)為有效表征ESV空間集聚規(guī)律,采用3km柵格聚合的方式進(jìn)行研究,但此類空間分析具備復(fù)雜的尺度效應(yīng),結(jié)合原始數(shù)據(jù)精度,該操作對(duì)ESV空間分布特征的影響有待進(jìn)一步驗(yàn)證。未來(lái)的相關(guān)研究在內(nèi)容上可以采取多尺度的ESV時(shí)空變化區(qū)域?qū)Ρ鹊乃悸?并改良土地利用數(shù)據(jù)精度,探索尺度效應(yīng)對(duì)ESV時(shí)空演變預(yù)測(cè)的影響；可以結(jié)合新一輪政策豐富多樣化的情景和發(fā)展路徑預(yù)測(cè),加強(qiáng)其現(xiàn)實(shí)意義；另外,對(duì)其時(shí)空演變規(guī)律的內(nèi)在機(jī)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(zhǔn)確的ESV評(píng)估方法,利用不同的分析方法加強(qiáng)對(duì)ESV空間權(quán)衡關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

5 結(jié)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(shè)開發(fā)情景下,建設(shè)用地增長(zhǎng)趨勢(shì)最為明顯,耕地退化嚴(yán)重。生態(tài)保護(hù)情景下張掖市的發(fā)展調(diào)動(dòng)了大量的未利用地,將其轉(zhuǎn)化為生態(tài)用地,但城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張最為和緩?；鶞?zhǔn)情景下林地、水域面積基本保持穩(wěn)定,耕地、草地、建設(shè)用地和未利用地呈現(xiàn)相互消長(zhǎng)的關(guān)系。人類活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和政策干預(yù)對(duì)土地利用變化影響顯著。

(2)2010—2030年間,張掖市 ESV 整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),在基準(zhǔn)情景、生態(tài)保護(hù)情景和建設(shè)開發(fā)情景下分別增加6.43、13.16和1.53億元。其中, 2020—2030年建設(shè)開發(fā)情景ESV增長(zhǎng)趨勢(shì)不斷趨緩,并最終轉(zhuǎn)向下降態(tài)勢(shì),生態(tài)保護(hù)情景ESV則呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)。 2020—2030年各時(shí)期的 UESV空間分布特征較為均一,其中東南—西北軸線南側(cè)UESV整體較高,軸線北側(cè)UESV整體較低。軸線南北兩側(cè)UESV變化呈現(xiàn)兩極分化發(fā)展趨勢(shì),應(yīng)受到高度重視。

(3)分析張掖市供給、調(diào)節(jié)、支持、文化四種單項(xiàng)ESV變化可知, 2010—2030年間,基準(zhǔn)和生態(tài)保護(hù)情景下均呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)；建設(shè)開發(fā)情景下調(diào)節(jié)、支持、文化三項(xiàng)服務(wù)ESV呈現(xiàn)緩慢的增長(zhǎng)趨勢(shì),且該情景下供給服務(wù)則始終呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。因此,推動(dòng)張掖市城市可持續(xù)發(fā)展,必須加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)工作,落實(shí)生態(tài)保護(hù)修復(fù)等政策,減輕城鎮(zhèn)邊界擴(kuò)張對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的沖擊。

(4)2030年三種情景下張掖市各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系表現(xiàn)一致,均表現(xiàn)為明顯的協(xié)同效應(yīng)。 空間分布上,東南—西北軸線南北兩側(cè)區(qū)域“ 高高協(xié)同” 和“ 低低協(xié)同” 的集聚分異明顯；軸線中部區(qū)域及軸線南部零星地區(qū)表現(xiàn)為“ 高低權(quán)衡” 和“ 低高權(quán)衡” 關(guān)系,主要分布于北部耕地、建設(shè)用地交錯(cuò)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(wù)的權(quán)衡關(guān)系較為明顯。研究可為西部快速城鎮(zhèn)化發(fā)展地區(qū)優(yōu)化配置土地資源、支撐中小尺度國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)規(guī)劃并在此基礎(chǔ)上統(tǒng)籌社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)可持續(xù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供科學(xué)方案。