摘要：【目的】研究多情景土地利用變化下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值（ESV）的協(xié)同關(guān)系，分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能時(shí)空變化及權(quán)衡協(xié)同關(guān)系。【方法】以極端干旱區(qū)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(dāng)量因子法、空間自相關(guān)、ESCI、ESTD模型等方法計(jì)算并預(yù)測2010～2035年（自然發(fā)展、耕地保護(hù)、生態(tài)保護(hù)）吐魯番市ESV變化、時(shí)空分布特征和權(quán)衡協(xié)同關(guān)系?！窘Y(jié)果】（1）2010年、2015年和2020年吐魯番市草地和建設(shè)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(shí)間段土地利用轉(zhuǎn)移模式為2010～2015年、2015～2020年以未利用地轉(zhuǎn)草地為主，除未利用地外，草地轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入面積均最大；（2）2010年、2015年和2020年研究區(qū)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(fā)展、耕地保護(hù)、生態(tài)保護(hù)3種模擬情景下，ESV呈上升趨勢，空間分布特征為“北部山區(qū)高-南部荒漠低”；（3）2035年3種情景土地利用變化下，各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間以協(xié)同為主，“高-高”、“低-低”協(xié)同集聚區(qū)與ESV高值、低值區(qū)分布高度一致，權(quán)衡關(guān)系零星分布于城鎮(zhèn)空間與農(nóng)業(yè)空間交界地帶及其他局部地區(qū)。

【結(jié)論】自然發(fā)展、耕地保護(hù)和生態(tài)保護(hù)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(guān)鍵詞：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；PLUS模型；多情景模擬；權(quán)衡協(xié)同

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

0引 言

【研究意義】生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類從自然生態(tài)系統(tǒng)中直接或間接獲取的收益［1］。全球60%的生態(tài)系統(tǒng)正在持續(xù)退化［2］。文獻(xiàn)顯示［3］，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)。土地利用作為人類最基本的生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)，其類型、空間格局、地類變化可對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能產(chǎn)生直接或間接的影響［4-5］，也對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)起決定作用［6］，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化亦可影響人類對(duì)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(fù)合系統(tǒng)，該系統(tǒng)是我國西北干旱區(qū)典型的地表景觀格局類型。極端干旱區(qū)具有降水量少、蒸發(fā)量大、生態(tài)環(huán)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(qū)土地利用變化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同研究，分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其權(quán)衡協(xié)同關(guān)系對(duì)土地利用變化的響應(yīng)機(jī)制，對(duì)提升各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的協(xié)同效應(yīng)、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】“權(quán)衡”是指各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間存在對(duì)立關(guān)系，而“協(xié)同”則是指各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同發(fā)展（同增同減）［8］。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能權(quán)衡協(xié)同關(guān)系受生態(tài)過程復(fù)雜性、生物多樣性和空間異質(zhì)性影響，探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系已成為目前研究的前沿?zé)狳c(diǎn)［9］。Hughes等［9］開展了相關(guān)研究。隋露等［10］對(duì)烏魯木齊的研究中，基于PLUS模型，選取綜合發(fā)展情景，探究烏魯木齊市土地利用變化下的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間以協(xié)同為主?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前多采用聚類的方法對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行分析，目前關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究多為基于歷史時(shí)期，或者單一節(jié)點(diǎn)的［11-12］的靜態(tài)分析，鮮有對(duì)未來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化開展評(píng)估分析。但仍存在不足之處，研究區(qū)域上，主要集中在礦區(qū)［13］、流域［14］、喀斯特巖溶區(qū)［14］及經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)［15］，對(duì)我國極端干旱區(qū)的研究較少；研究方法來看，以空間自相關(guān)分析、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、空間分析法和情景模擬方法等，多以靜態(tài)分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，而對(duì)未來進(jìn)行多情景動(dòng)態(tài)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(chǔ)上改進(jìn)的模型，對(duì)土地利用變化的影響因素解釋性好，模擬精度高［17］。目前對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡與協(xié)同的關(guān)系多為靜態(tài)研究分析和時(shí)空分布研究，而針對(duì)極端干旱區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值動(dòng)態(tài)評(píng)估和權(quán)衡協(xié)同關(guān)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(duì)未來的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行量化評(píng)估，利用Geo-da 1.20.0、ESCI、ESTD模型分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間權(quán)衡協(xié)同度?！緮M解決的關(guān)鍵問題】

選取吐魯番市為研究對(duì)象，結(jié)合價(jià)值當(dāng)量法和2010年、2015年和2020年3期的土地利用數(shù)據(jù)，運(yùn)用PLUS模型模擬預(yù)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度模型（ESCI、ESTD）和Geo-da1.20.0軟件對(duì)11項(xiàng)生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行權(quán)衡協(xié)同關(guān)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(shù)據(jù)，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(dāng)量法計(jì)算不同情景下吐魯番市的ESV，采用雙變量空間自相關(guān)、ESCI、ESTD等模型，定量分析2010～2035年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間協(xié)同關(guān)系。

1材料與方法

1.1材 料

1.1.1研究區(qū)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(qū)、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(fù)合系統(tǒng)，是極端干旱區(qū)、脆弱性生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分［18］。

1.1.2數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

數(shù)據(jù)來源包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)因子2大類，其他數(shù)據(jù)（農(nóng)作物面積、價(jià)格、單產(chǎn)）來源于《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編-2021年》以及《新疆2021年統(tǒng)計(jì)年鑒》。選取年均氣溫、年降水量、灌溉條件、坡度、高程、農(nóng)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(gè)因素作為土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素。其中坡度由DEM數(shù)據(jù)處理得出；灌溉條件、農(nóng)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(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣用來直觀地表示各種土地類型的轉(zhuǎn)移方向［19］。

Sij=s11…s1nsm1…smn."（1）

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

1.2.2PLUS模型

PLUS模型是一個(gè)“自頂向下”基于隨機(jī)森林算法（RS）獲取的，主要包括2個(gè)部分：①用地?cái)U(kuò)張分析策略（LEAS），提取各類用地?cái)U(kuò)張部分；②基于多類隨機(jī)斑塊種子的CA模型（CARS），動(dòng)態(tài)模擬斑塊的自動(dòng)生成，結(jié)合吐魯番市實(shí)際情況，從自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)因素3個(gè)方面選取14個(gè)驅(qū)動(dòng)因子。

結(jié)合吐魯番市國土空間規(guī)劃（2021～2035年）和吐魯番市國土空間修復(fù)規(guī)劃（2021～2035年），設(shè)定自然發(fā)展、耕地保護(hù)和生態(tài)保護(hù)3種情景模擬預(yù)測2035年土地利用變化趨勢。表2

以2010年和2015年土地利用數(shù)據(jù)為基期數(shù)據(jù)，模擬得出2020年土地利用狀況，利用Kappa系數(shù)將模擬結(jié)果和2020年現(xiàn)狀進(jìn)行精度驗(yàn)證。

1.2.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位價(jià)值計(jì)算

1.2.3.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算（表3）

當(dāng)量因子的確定是根據(jù)謝高地等［20］在2015年對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表調(diào)整之后的成果，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，耕地、未利用地和水域三種地類分別采用了當(dāng)量表中的水澆地、裸地和水域的單位面積服務(wù)價(jià)值當(dāng)量。除此之外，林地主要是根據(jù)闊葉林、灌木林與林地總面積的相應(yīng)比值取值；草地是根據(jù)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

ESV=∑ni=1Ai×VCi.（2）

VCi=∑kj=1ECj×Ea.（3）

式中，ESV為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值系數(shù)（元/（hm2·a））；ECj為某類土地利用類型第j項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量；Ea為1個(gè)單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值（元/hm2）。

根據(jù)“單位農(nóng)田提供的生產(chǎn)服務(wù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是無人力投入的自然生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值的7倍”的規(guī)則，運(yùn)用公式（4）對(duì)單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行修正［21］。鑒于數(shù)據(jù)的可獲取性，忽

略價(jià)格波動(dòng)因素，統(tǒng)一選取2020年研究區(qū)主要農(nóng)作物（小麥、玉米、豆類）的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行修正，并計(jì)算其平均值，研究區(qū)每單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為1 524.56 元/hm2。

Ea=17∑ni=1MiPiQiM.（4）

式中，Ea為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單位ESV當(dāng)量因子的價(jià)值（元/hm2）；Mi為i種農(nóng)產(chǎn)品的平均價(jià)格（元/kg）；Pi為i種農(nóng)產(chǎn)品的單位面積產(chǎn)量（kg/hm2）；Qi為i種農(nóng)產(chǎn)品的種植面積（hm2）；M為農(nóng)產(chǎn)品的總種植面積（hm2）。

1.2.4生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度

參照生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能時(shí)間變化模型（ESCI）［22］，研究權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，則參照權(quán)衡協(xié)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(shí)刻第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的值；ESCIi是第i種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化指數(shù)（ecosystem services change index，ESCI）；ESCIj為第j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化指數(shù)；ESTDij表示第i、j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同度，ESTD為負(fù)值表示第i與j種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)為權(quán)衡關(guān)系，ESTD為正值表示兩者之間為協(xié)同關(guān)系，ESTD絕對(duì)值的大小反映了權(quán)衡/協(xié)同水平。

1.3數(shù)據(jù)處理

利用Origin2022軟件中三角形熱圖功能模塊對(duì)11項(xiàng)二級(jí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行相關(guān)性分析?；谕卖敺懈鬣l(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)劃，選取較符合吐魯番市未來發(fā)展定位的開發(fā)情景，在Geo-da1.20.0軟件進(jìn)行雙變量局部自相關(guān)分析（Moran's I）以探究各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，LISA圖可更直觀呈現(xiàn)研究區(qū)局部關(guān)聯(lián)性情況。

2結(jié)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(qū)城鎮(zhèn)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(qū)艾丁湖濕地范圍內(nèi)；建設(shè)用地集中分布于吐魯番市中部綠洲區(qū)，人口較為聚集，該區(qū)域?yàn)樘焐缴矫}融雪消融匯集形成的綠洲區(qū)。2010年和2015年，草地轉(zhuǎn)出面積為88.42×104hm2（12.71%），轉(zhuǎn)入面積為88.88×104hm2（12.78%），轉(zhuǎn)出面積低于轉(zhuǎn)入面積，主要轉(zhuǎn)入地類為未利用地，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)出面積（9.30×104hm2）小于轉(zhuǎn)入面積（12.85×104hm2），轉(zhuǎn)入貢獻(xiàn)率為1.84%，其中未利用地轉(zhuǎn)入面積高達(dá)2.62×104hm2。建設(shè)用地凈轉(zhuǎn)入量為3.99×104hm2，主要來源為未利用地、草地和耕地，分別轉(zhuǎn)入1.90×104、0.61×104和0.50×104hm2。耕地在2010～2015年時(shí)間段內(nèi)，轉(zhuǎn)入量小于轉(zhuǎn)出量，而在2015～2020年時(shí)間段內(nèi)，轉(zhuǎn)入量大于轉(zhuǎn)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(yàn)

研究表明，在PLUS軟件Validation模塊中，將2015年的模擬圖與2015年現(xiàn)狀圖進(jìn)行對(duì)比；2020年模擬圖與2020年現(xiàn)狀圖對(duì)比，計(jì)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(yù)測2035年數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。

2.2.2多情景模擬預(yù)測

研究表明，2035年自然發(fā)展情景下，除未利用地外，草地是優(yōu)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(fā)展情景下，設(shè)定水域?yàn)橄拗菩砸蜃樱c2020年相比，耕地、草地、建設(shè)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(fā)展情景下，水域減少速度放緩，但建設(shè)用地持續(xù)大規(guī)模的擴(kuò)張。耕地保護(hù)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(shè)用地增加了0.08×104hm2，增幅遠(yuǎn)低于自然發(fā)展情景。生態(tài)保護(hù)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(tài)保護(hù)情景下降幅遠(yuǎn)高于自然發(fā)展和耕地保護(hù)情景，主要轉(zhuǎn)向草地，生態(tài)保護(hù)情景下，生態(tài)用地面積得到有效提高，在3種情景中，水域的面積持續(xù)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(fā)量持續(xù)增加，從而導(dǎo)致水域面積持續(xù)減少。圖2，表5

2.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空演變特征

研究表明，不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值ESV差異較大，2010年、2015年和2020年3年間，調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值最高（149.39×108元），占總價(jià)值的67.49%，其中水文調(diào)節(jié)的價(jià)值最高（53.55×108元），但該系統(tǒng)服務(wù)功能持續(xù)呈下降趨勢，是水域面積持續(xù)下降導(dǎo)致；其次為支持服務(wù)（46.37×108元）、供給服務(wù)（11.16×108元）和文化服務(wù)（9.84×108元），分別占21.69%、5.22%和4.60%。研究期內(nèi)四項(xiàng)服務(wù)的價(jià)值有不同程度減少，其中調(diào)節(jié)服務(wù)減少最多（6.85×108元），文化服務(wù)減少最少（0.17×108元）。表6

2020年和2035年3種情景下，各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值均呈上升趨勢。自然發(fā)展情景中，相較于2020年，調(diào)節(jié)服務(wù)，增加了1.94×108元，其中水文調(diào)節(jié)服務(wù)增長最多（0.73×108元），支持服務(wù)增加了0.53×108元，供給服務(wù)減少了0.42×108元，文化服務(wù)增加了0.11×108元。與自然發(fā)展情景相比，耕地保護(hù)情景下，供給服務(wù)從10.29×108元增加到10.55×108元，增加了0.26×108元，調(diào)節(jié)服務(wù)增加3.3×108元，支持服務(wù)增加1.32×108元，文化服務(wù)增加0.27×108元。與耕地保護(hù)情景相比，生態(tài)保護(hù)情景下，調(diào)節(jié)服務(wù)增加17.7×108元，增幅最大，其次為支持服務(wù)，增加6.51×108元。在生態(tài)保護(hù)情景下，4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值均為最大值，其中，調(diào)節(jié)服務(wù)增幅最大，尤其是氣候調(diào)節(jié)大幅度提升，主要是由于生態(tài)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(wǎng)的差異性，最終選擇創(chuàng)建一個(gè)5 km×5 km正方形網(wǎng)格，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，得出2035年3種情景生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分異，采用自然斷點(diǎn)法將研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值從低到高劃分為5個(gè)等級(jí)，5級(jí)ESV最低，1級(jí)ESV最高。

3種情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值空間分異與ESV分布符合實(shí)際情況。吐魯番市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)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(qū)（林地、草地）、中部綠洲區(qū)和南部荒漠ESV低值區(qū)（未利用地）。圖3

2.4生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同關(guān)系

2.4.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度

研究表明，2010～2015年各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間組成55組值，其中17組為負(fù)值（權(quán)衡關(guān)系），38組為正值（協(xié)同關(guān)系），權(quán)衡協(xié)同關(guān)系分別占30.91%、69.09%，該時(shí)段內(nèi)吐魯番市協(xié)同關(guān)系大于權(quán)衡關(guān)系。協(xié)同關(guān)系存在于調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)內(nèi)部及調(diào)節(jié)服務(wù)與支持服務(wù)之間，權(quán)衡關(guān)系存在于水資源供給和原材料生產(chǎn)與其余項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間。2015～2020年，研究區(qū)各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系相較2010～2015年存在明顯差異，10組負(fù)值（權(quán)衡），45組正值（協(xié)同），原材料生產(chǎn)與其余生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間呈協(xié)同關(guān)系。協(xié)同關(guān)系中，水文調(diào)節(jié)與土壤保持的協(xié)同度最高（5.42），水資源供給與土壤保持的協(xié)同度最低（-96.99），生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡度的極值增大，其中水資源供給和土壤保持、氣體調(diào)節(jié)、原材料生產(chǎn)、維持養(yǎng)分循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)，食物生產(chǎn)和水資源供給表現(xiàn)為強(qiáng)權(quán)衡關(guān)系。近10a年來，食物生產(chǎn)-水資源供給服務(wù)之間，均表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系。

2020年和2035年自然發(fā)展情景下，各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間均呈協(xié)同關(guān)系，其中水資源供給服務(wù)-凈化環(huán)境服務(wù)呈強(qiáng)協(xié)同關(guān)系（380.86），2020～2035年耕地保護(hù)情景下，耕地面積增加使得食物生產(chǎn)服務(wù)收益最佳，但同時(shí)除水資源供給服務(wù)外，其余9項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能增加，耕地面積的增加會(huì)使其服務(wù)衰減，各項(xiàng)服務(wù)系統(tǒng)功能之間的值，均低于自然發(fā)展情景；2020年和2035年生態(tài)保護(hù)情景下，水資源供給服務(wù)上升，導(dǎo)致水資源供給服務(wù)和其他服務(wù)之間的協(xié)同關(guān)系減弱，其協(xié)同關(guān)系為3種情景中最低值。圖4

2.4.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能空間

研究表明，吐魯番市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(qiáng)的正向相關(guān)性。

各項(xiàng)ESV空間分布關(guān)系以協(xié)同為主，“高-高”、“低-低”協(xié)同聚集特征與ESV高值區(qū)和低值區(qū)分布高度吻合，“高-高”集聚的協(xié)同關(guān)系主要集中鄯善縣北部、吐魯番市高昌區(qū)北部直屬1、庫加依鎮(zhèn)、吐魯番市中心鎮(zhèn)區(qū)、庫米什鎮(zhèn)中部，該區(qū)域主要分布在山地和綠洲區(qū)域，其中地類主要為草地、林地、耕地、水域等，均為生態(tài)價(jià)值系數(shù)高的地類；“低-低”集聚的協(xié)同關(guān)系主要分布在伊拉湖鎮(zhèn)、吐魯番市高昌區(qū)南部直屬2、鄯善縣中心城鎮(zhèn)以外的區(qū)域，以及高昌區(qū)中心城區(qū)周邊各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，主要分布在南部荒漠區(qū)，地類主要是未利用地。表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系的行政區(qū)主要分布于博斯坦鎮(zhèn)、郭勒布依鄉(xiāng)和鄯善縣中心城區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，此3處區(qū)域生態(tài)脆弱且易受人類活動(dòng)干擾，導(dǎo)致其表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系。供給服務(wù)對(duì)其余三種服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系在主城區(qū)周圍表現(xiàn)尤為顯著，這是由于糧食生產(chǎn)與其余各二級(jí)類型服務(wù)功能用地之間沖突所致。圖5

3討 論

3.1

常用的格網(wǎng)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(xiàn)大幅度下降，水域、林地和草地單位ESV較大且為重要的生態(tài)用地。研究結(jié)果與張娜麗等［27］對(duì)阿爾泰山2000～2020年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化一致，其中未利用地轉(zhuǎn)出面積最大，草地和林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最大；與文獻(xiàn)［28-29］對(duì)新疆地區(qū)1982～2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空變化及權(quán)衡協(xié)同相比，研究運(yùn)用PLUS模型動(dòng)態(tài)模擬預(yù)測多情景下ESV變化及權(quán)衡協(xié)同關(guān)系特征，具有一定的前瞻性。

3.2

2035年3種情景中各項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間以協(xié)同為主，權(quán)衡關(guān)系主要分布在城鎮(zhèn)空間和農(nóng)業(yè)空間交界帶以及局部地區(qū)，自然發(fā)展情景下，由于城市空間擴(kuò)張，林地和水域受到影響，部分林地和水域轉(zhuǎn)化為草地和耕地；耕地保護(hù)情景下，吐魯番市耕地面積增加，建設(shè)用地減少；在生態(tài)保護(hù)情景下，吐魯番市的城市建設(shè)放緩，生態(tài)用地（林地、草地、水域）增多。ESV呈顯著的空間協(xié)同集聚特征，協(xié)同聚集區(qū)與ESV高值、低值區(qū)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(qū)域；行政區(qū)域上，表現(xiàn)為權(quán)衡關(guān)系主要分布于博斯坦鎮(zhèn)、托克遜縣、郭勒布依鄉(xiāng)、吐魯番市高昌區(qū)西北部和鄯善縣中心城區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其中郭勒布依鄉(xiāng)和吐魯番市高昌區(qū)北部位于天山山脈附近的冰雪消融區(qū)。研究區(qū)為典型“山地-綠洲-荒漠”復(fù)合系統(tǒng)（MODS），各個(gè)系統(tǒng)間存在著顯著差異，在后續(xù)研究時(shí)，應(yīng)進(jìn)行各個(gè)系統(tǒng)間分別討論研究。

4結(jié) 論

4.1

研究期內(nèi)建設(shè)用地與草地?cái)?shù)量增加，其中建設(shè)用地面積增加最多（1.13×104hm2），未利用地、耕地、水域與林地?cái)?shù)量減少，其中未利用地減少最多（1.40×104hm2）。研究期內(nèi)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(diǎn)，北部山區(qū)為草地和林地集中區(qū)域；中部綠洲區(qū)為建設(shè)用地和耕地；南部荒漠為未利用地。

4.3

自然發(fā)展、耕地保護(hù)和生態(tài)保護(hù)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，F(xiàn)ertilizer 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(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)青年科學(xué)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?yàn)閲量臻g規(guī)劃，（E-mail）luohao0907@163.com

通訊作者：楊志瑩（1989-），男，河南新鄉(xiāng)人，助理研究員，研究方向?yàn)閲量臻g規(guī)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?yàn)閲量臻g規(guī)劃，（E-mail）406852066@qq.com