黄河流域土地利用变化与生态系统服务价值的多情景模拟

论文主要研究了黄河流域（YRB）的土地利用变化对生态系统服务价值（ESV）的影响，并提出了三种不同情景下的土地利用变化模拟。论文通过对1990年、2000年、2010年和2018年的土地利用数据进行分析，以耕地、森林、草地、水域、建设用地和未利用地六类土地利用类型为基础，计算和分析了过去30年来黄河流域的土地利用变化和生态系统服务价值的变化。研究采用了PLUS模型，模拟了不同情景下的土地利用变化（自然发展情景、耕地保护情景和生态保护情景），并估算了每个情景下的生态系统服务价值，并进行了比较分析。研究发现，黄河流域的土地利用面积在研究期间发生了显著变化。过去30年来，黄河流域的生态系统服务价值缓慢增长了约150亿美元。生态保护情景下获得的生态系统服务价值最高。对黄河流域未来土地利用变化的模拟以及不同情景下生态系统服务价值的比较和分析，为全球河流流域的生态保护和高质量发展提供了指导和科学依据。

研究方法

1、估算黄河流域的生态系统服务价值

文章首先对黄河流域当前耕地面积的实际价值进行了修正。根据1990年、2000年、2010年和2018年的粮食种植面积，选择了小麦、玉米和水稻等主要粮食作物，并确定了它们的经济产值。根据谢高地等人的研究，单个等效因子的价值约为单位面积平均粮食产量的实际价值的1/7。随后文章确定了研究区生态系统服务中的单个等效因子值。参考谢高地等人提出的当量因子表，可以计算每种土地利用类型的单位面积生态系统服务价值。根据黄河流域和中国农产品价格调查年鉴的数据，文章还计算了1990年至2018年黄河流域小麦、玉米和水稻的单位产量市场价格为0.36美元/千克。这个计算是基于每单位面积耕地的生态系统服务价值为市场经济价值的平均粮食单位产量的1/7，以及黄河流域各种土地利用类型的单位面积ESV系数表。

2、敏感度分析和PLUS模型

在本研究中，使用经济学中的弹性系数作为敏感性指标（敏感性系数，CS）进行分析，以验证价值系数（VC）对ESV值的影响的准确性。当CS > 1时，ESV对VC是弹性的；当CS < 1时，ESV对VC是非弹性的，即1%的VC变化将导致ESV变化小于1%。

本研究采用的PLUS模型是在HPSCIL@CUG开发的，旨在揭示潜在的驱动因素及其对变化的贡献。该模型将元胞自动机(CA)模型与补丁生成模拟策略相结合。本研究利用PLUS模型模拟了三种不同情景下黄河流域土地利用的变化, 揭示了模拟景观类型的斑块级演变, 使其更符合流域内实际的复杂景观模式。

3、三种未来情景的设定

本研究分析了三种情景：（1）自然发展情景。基于1990年至2018年黄河流域的土地利用变化、当前的自然发展城市化模式和土地利用转移率，该情景在转移矩阵中不限制其他土地类型的转换，不考虑政策规划的影响，除了水域不能转化之外。（2）耕地保护情景。该情景充分考虑了耕地保护的需求。基于自然发展情景，限制了耕地不能转化为其他土地利用类型，其他土地利用类型可以转化为耕地。（3）生态保护情景。基于自然发展情景，该情景控制了森林、草地和水域向建设用地、耕地和未利用地的转化，其他土地类型可以流向森林、草地和水域。

研究结果

1、土地利用变化的总体特征

通过收集和处理黄河流域1990年、2000年、2010年和2018年的土地利用数据，并对各类别进行重新分类，得到了黄河流域耕地、森林、草地、水域、建设用地和未利用地的分布图。黄河流域的整体土地利用特征如下：西部以草地和森林为主导；东部以耕地和建设用地为主导；水域分布零散；大部分未利用地分布在西北地区。从上下游的角度看，各类土地利用类型的分布差异更为显著：上游以未利用地、草地和森林为主，下游以耕地和建设用地为主。

 

在过去的30年里（1990-2018年），黄河流域中各种土地利用区域的比例略有变化，但各种土地利用区域的差异比较大。在过去的30年里，草地占研究区土地利用结构的最大比例（平均为41%）。未利用地面积占27%左右，耕地占18%左右，森林占9.7%左右，水域和建设用地的面积比例最小，分别为2.5%和3%左右。总体而言，耕地面积以4.2%的速度急剧减少，减少了15,289 km ² 。未利用地面积也有所减少，以4.1%的速度减少了22,887km ² 。草地在研究区面积占比最大，但从1990年到2018年，草地面积变化不大，呈波动增长，面积从834,735km ² 增加到836,222km ² ，增长速度为0.2%。从1990年到2018年，森林面积增加了3174km ² ，增长速度为1.6%。水域面积稳步增加，2018年有显著增加，总体上增加了14%。基于改革开放的促进，从1990年到2018年，建设用地面积以64%的速度显著快速增加了24,376km ² ，建设用地主要分布在中游和下游地区。

2、ESV 的变化特征

从1990年到2018年，黄河流域的ESV分别为5910亿美元、5900亿美元、5940亿美元和6060亿美元。ESV首先下降，然后上升，整体增长缓慢。耕地的ESV变化很大。在过去的30年里，它减少了30亿美元，变化率约为4%。林地ESV的变化与其面积的变化相同，在过去的30年里缓慢增加，林地ESV增加了20亿美元，增长率约为2%。草地对黄河流域的ESV贡献最大，在四个时期分别为2460亿美元、2450亿美元、2450亿美元和2470亿美元。草地ESV的总体变化很小，其价值与林地的价值相同，呈现波动性增长，ESV增加了4亿美元，增长率约为1%。未利用的土地对 ESV 的贡献最小，在过去的30年中，ESV 以约4% 的速度减少了8亿美元。在过去30年中，黄河流域的总体ESV一直在波动。它增加了约150亿美元，增长率约为3%。利用ArcGIS 10.5将黄河流域各地级市的平均ESV进一步可视化，得到ESV的时空分布图。黄河流域所有地级市的ESV都呈现出中上游高、中下游低的空间格局。

3、敏感度分析

系数敏感性（CS）可以用来确定ESV根据生态系统价值系数的变化程度。通过将不同土地利用类型的生态系统价值系数调整±50%，计算得出黄河流域1990年至2018年的ESV敏感性指数。五种土地利用类型的敏感性指数小于1，因此研究结果可靠。未利用地的敏感性指数小于0.1，表明其价值系数的准确性对研究区域的总ESV影响不大。草地的敏感性指数在0.407-0.417之间，意味着每增加1%的草地价值系数，研究区域的ESV将增加0.407-0.417%，远远超过其他四种类型。森林、水域和耕地的CS值大于1%，表明这些土地利用类型对研究区域的ESV有显著影响。结果显示，区域研究中生态系统价值系数的敏感性排序为：草地>森林>水域>耕地>未利用地。

4、多情景模拟

根据黄河流域的实际情况，文章模拟了2026年的三种土地利用变化情景——自然发展情景、耕地保护情景和生态保护情景。根据三种情景下的土地利用分布图可以看出，黄河流域各类别的分布差异并不显著。在自然发展和生态保护情景中，耕地、森林土地、草地和水域的分布是一样的。在生态保护情景中，建设用地面积比自然发展情景小4064km ² ，未利用地面积比自然发展情景大4064km ² 。耕地保护情景的耕地面积大于生态保护和自然开发情景的耕地面积。草原、林地和水域是一样的。耕地保护情景下，建设用地面积比其他两种情景减少10000km ² ，但耕地面积的增加更为显著。

自然发展和生态保护情景的ESV变化趋势相同：水域ESV显著减少，耕地、森林土地、草地和未利用地的ESV略微增加；2026年的耕地保护情景中，水域和森林土地的ESV减少，而耕地、草地和未利用地的ESV增加。与自然发展和生态保护情景相比，耕地保护情景中的耕地和未利用地ESV较高。与2018年相比，自然发展和生态保护情景下的黄河流域总ESV缓慢增加，而在耕地保护情景下减少，ESV值比自然发展和生态保护情景小约2亿美元。总体而言，每种情景下的总ESV变化更为明显。生态保护情景下的ESV高于其他两种情景，具体而言，比自然发展情景高约1.5亿美元，比耕地保护情景高约8亿美元。

讨论

流域内土地利用的变化与ESV的变化是一致的，呈现出波动性增长。流域的ESV在1990-2000年期间下降，2000年后缓慢上升。这些变化可归因于1999年大规模 "退耕还林还草工程 "的实施，大大缓解了黄河流域中上游地区的下降趋势。结果还表明，林地、草地和其他生态用地类型是黄河流域中ESV的主要贡献者，这主要是因为流域内林地和草地的面积较大，林地和草地的ESV增加决定了黄河流域整体ESV的增加。虽然黄河流域的ESV普遍增加，但该地区仍然面临着生态威胁。从流域内的土地利用分布来看，下游地区以耕地为主。由于城市化，大量的耕地被占用，耕地的ESV下降了。这表明，耕地的减少改变了下游的ESV。因此，必须在黄河流域生态保护和高质量发展的指导下，合理调整流域内的土地利用结构，如在水土流失和生态破坏方面。