基于GeoSOS-FLUS模型的荊州市生態(tài)安全評(píng)估

摘" " 要：為探索荊州市的生態(tài)安全底線，模擬未來(lái)的土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化，為荊州市的生態(tài)保護(hù)制定合理的政策建議，從供給和需求的角度，結(jié)合糧食安全標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)算了荊州市的生態(tài)安全底線；利用 GeoSOS-FLUS 模型在自然發(fā)展、生態(tài)保護(hù)、耕地保護(hù)和雙重保護(hù)4種情景下，模擬了未來(lái)的土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化。結(jié)果表明：荊州市的供給生態(tài)安全底線為 1 227.56 億，需求生態(tài)安全底線為7 690.12 億，存在較大的生態(tài)安全缺口；雙重保護(hù)情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最接近需求生態(tài)安全底線，也能提供相對(duì)更多的糧食，最有利于平衡生態(tài)安全和糧食安全。本文探索性地從供給和需求的角度結(jié)合糧食安全標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算了荊州市的生態(tài)安全底線，利用了一種先進(jìn)的土地利用變化模擬方法，為其他地區(qū)的生態(tài)安全評(píng)估和保護(hù)提供了借鑒，為荊州市的生態(tài)環(huán)境優(yōu)化模式和方向提供了參考。

關(guān)鍵詞：生態(tài)安全底線；GeoSOS-FLUS模型；土地利用變化；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

中圖分類(lèi)號(hào)：X171； X321" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2024.02.008

Ecological Security Assessment of Jingzhou City Based on GeoSOS-FLUS Model

YU Wei， HE Puming

（School of Economics and Management， Yangtze University， Jingzhou，Hubei 434023， China）

Abstract： To explore the ecological security bottom line of Jingzhou city， simulate future changes in land use and ecosystem service value， and formulate reasonable policy recommendations for ecological protection in Jingzhou city， this article calculated the ecological security bottom line of Jingzhou city from the perspectives of supply and demand， combined with food security standards， The GeoSOS-FLUS model was used to simulate future changes in land use and ecosystem service value under four scenarios： natural development， ecological protection， farmland protection， and dual protection. The results showed that the supply ecological security bottom line of Jingzhou city was 1 227.56 billion yuan， and the demand ecological security bottom line was 7 690.12 billion yuan， indicating a significant ecological security gap.The ecosystem service value under the dual protection scenario was closest to the demand for ecological security bottom line， and could also provide relatively more food， which was most conducive to balancing ecological security and food security. This article explored the ecological security bottom line of Jingzhou city from the perspectives of supply and demand， combined with food security standards. We had utilized an advanced land use change simulation method， which provided a reference for ecological security assessment and protection in other regions. This provides a reference for the ecological environment optimization model and direction in Jingzhou city.

Key words： ecological security bottom line;GeoSOS-FLUS model;land use change;ecosystem service value

生態(tài)安全是21世紀(jì)人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展所面臨的一個(gè)新主題，也是習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。生態(tài)安全的概念、內(nèi)涵、特點(diǎn)、評(píng)價(jià)方法和保障措施是國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注和研究的問(wèn)題。本文在梳理國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)生態(tài)安全的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展進(jìn)行了綜述，以期為荊州市的生態(tài)安全研究提供參考和啟示。

國(guó)外對(duì)生態(tài)安全的研究起源于20世紀(jì)70年代，主要集中在生態(tài)系統(tǒng)健康、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、生態(tài)權(quán)利、生態(tài)安全的國(guó)家利益等方面。國(guó)外學(xué)者對(duì)生態(tài)安全的定義和內(nèi)涵有不同的理解，有的學(xué)者將其視為生態(tài)系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性和可持續(xù)性，有的學(xué)者將其視為生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類(lèi)提供的生態(tài)服務(wù)，有的學(xué)者將其視為人類(lèi)對(duì)生態(tài)資源和環(huán)境的需求和利益。國(guó)外學(xué)者還從不同的角度和層次對(duì)生態(tài)安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析，如生態(tài)足跡[1]、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[2]、生態(tài)脆弱性[3]、生態(tài)安全指數(shù)[4]等。國(guó)外學(xué)者還探討了生態(tài)安全的保障措施和機(jī)制[5]，如生態(tài)補(bǔ)償、生態(tài)修復(fù)、生態(tài)立法、生態(tài)治理等[6]。

國(guó)內(nèi)對(duì)生態(tài)安全的研究始于20世紀(jì)90年代，主要集中在生態(tài)安全的內(nèi)涵界定、評(píng)價(jià)方法的選擇、生態(tài)安全格局的構(gòu)建、生態(tài)安全體系的建設(shè)等方面。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)生態(tài)安全的定義和內(nèi)涵也有不同的認(rèn)識(shí)，有的學(xué)者將其視為生態(tài)系統(tǒng)的完整性和健康度[7]，有的學(xué)者將其視為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的保障和提升[8]，有的學(xué)者將其視為生態(tài)資源和環(huán)境的供給和需求的平衡[9]。國(guó)內(nèi)學(xué)者還從不同的區(qū)域和領(lǐng)域?qū)ι鷳B(tài)安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析，如流域生態(tài)安全、農(nóng)村生態(tài)安全、水利工程生態(tài)安全等[10]。國(guó)內(nèi)學(xué)者還探討了生態(tài)安全的保障措施和政策，如生態(tài)安全紅線、生態(tài)安全屏障、生態(tài)安全責(zé)任、生態(tài)安全法治等[11]。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)生態(tài)安全的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但仍存在一些不足和差距，如生態(tài)安全的概念和內(nèi)涵缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，生態(tài)安全的評(píng)價(jià)方法缺乏科學(xué)性和可操作性，生態(tài)安全的保障措施缺乏有效性和協(xié)調(diào)性等[12]。鑒于此，本文以荊州市為研究對(duì)象，從供給和需求角度，結(jié)合糧食安全標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)算了該地區(qū)的生態(tài)安全底線，利用GeoSOS-FLUS模型在自然發(fā)展、生態(tài)保護(hù)、耕地保護(hù)和雙重保護(hù)4種情景下，模擬了未來(lái)的土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化，分析了何種保護(hù)措施能使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值更接近需求生態(tài)安全底線，以期為荊州市的生態(tài)保護(hù)制定合理的政策建議。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：（1）提供了一種新的測(cè)算生態(tài)安全底線的范式，探索性地從供給和需求的角度結(jié)合糧食安全標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算了荊州市的生態(tài)安全底線，分別為1 227.56億和7 690.12億，有助于提高生態(tài)系統(tǒng)管理水平和實(shí)現(xiàn)土地資源的合理利用。（2）利用GeoSOS-FLUS模型，基于自然發(fā)展、生態(tài)保護(hù)、耕地保護(hù)和雙重保護(hù)4種情景，模擬了未來(lái)的土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化，探討了哪種保護(hù)措施能使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值更接近需求生態(tài)安全底線，為荊州市的生態(tài)保護(hù)制定合理的政策建議。本文利用了一種先進(jìn)的土地利用變化模擬方法，也為其他地區(qū)的生態(tài)安全評(píng)估和保護(hù)提供了借鑒。（3）通過(guò)對(duì)比多情景模擬的結(jié)果與底線值，筆者發(fā)現(xiàn)雙重保護(hù)情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最接近需求生態(tài)安全底線，也能提供更多的糧食。雙重保護(hù)情景最有利于平衡荊州市的生態(tài)安全和糧食安全，研究結(jié)論為荊州市的生態(tài)環(huán)境優(yōu)化模式和方向提供了參考。

1 研究區(qū)域和方法

1.1 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域是荊州市，位于湖北省中南部，長(zhǎng)江中游地區(qū)，是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分，也是中國(guó)的歷史文化名城，有“荊楚之地，文化之邦”的美譽(yù)。該地區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，雨量充沛，土地肥沃，是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地之一，是江漢平原的主體。地勢(shì)略呈西高東低，由低山丘陵向崗地、平原逐漸過(guò)渡，形成以平原崗地為主，兼有少量丘陵、低山的基本地貌。荊州市有大小河流近百條，均屬長(zhǎng)江水系，主要有長(zhǎng)江干流及其支流松滋河、虎渡河、藕池河、調(diào)弦河等；有千畝以上湖泊30余個(gè)，其中洪湖為湖北省第一大湖。區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能顯著，為人類(lèi)提供了糧食、水資源、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性保護(hù)等多種服務(wù)。該地區(qū)雖然生態(tài)資源豐富，但也面臨著嚴(yán)峻的生態(tài)安全問(wèn)題，如生態(tài)退化、水污染、氣候變化等，這些問(wèn)題不僅威脅了該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，也影響了該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民生活質(zhì)量。因此，測(cè)算荊州市的生態(tài)安全底線，分析其與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的關(guān)系，探討其保護(hù)方案的優(yōu)化，對(duì)于提高荊州市的生態(tài)安全水平，促進(jìn)其生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1.2 研究方法

1.2.1 生態(tài)安全底線的測(cè)算方法 本文從供給和需求的角度，結(jié)合糧食安全標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)算了荊州市的生態(tài)安全底線。供給生態(tài)安全底線是指在保證生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，可供人類(lèi)利用的生態(tài)資源和環(huán)境的最低限度。需求生態(tài)安全底線是指在保證人類(lèi)生存和發(fā)展的前提下，對(duì)生態(tài)資源和環(huán)境的最低需求。本文的測(cè)算方法具體包括以下幾個(gè)步驟：

（1）獲取荊州市2019年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)不同土地利用類(lèi)型的面積，如表1所示。

（2）參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究[14]，確定不同土地利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值單價(jià)，如表2所示。

（3）計(jì)算荊州市的供給生態(tài)安全底線，即土地利用類(lèi)型面積乘以土地利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值單價(jià)，得到供給生態(tài)安全底線為1 227.56億。

供給生態(tài)安全底線=土地利用類(lèi)型面積×土地利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值單價(jià)

（4）通過(guò)荊州市2019年的人口規(guī)模數(shù)據(jù)[15]，確定人均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值需求量，參考國(guó)際生態(tài)足跡網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)[16]，將其定為1.63萬(wàn)元·人-1。

（5）參考國(guó)際公認(rèn)的糧食安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[17]，將其定為400 kg·人-1。

（6）參考文獻(xiàn)[18]，確定糧食生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值單價(jià)，將其定為0.15萬(wàn)元·t-1。

（7）計(jì)算荊州市的需求生態(tài)安全底線，即人口規(guī)模乘以人均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值需求量加上糧食安全標(biāo)準(zhǔn)乘以糧食生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值單價(jià)，得到需求生態(tài)安全底線為7 690.12億。

需求生態(tài)安全底線=人口規(guī)模×人均生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值需求量+糧食安全標(biāo)準(zhǔn)×糧食生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值單價(jià)

1.2.2 土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的模擬方法 本文利用GeoSOS-FLUS模型在自然發(fā)展、生態(tài)保護(hù)、耕地保護(hù)和雙重保護(hù)4種情景下[19]，模擬了未來(lái)的土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化。GeoSOS-FLUS模型是一種基于元胞自動(dòng)機(jī)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的土地利用變化模擬模型，能夠考慮土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)移規(guī)律、空間鄰域效應(yīng)、驅(qū)動(dòng)因素的影響和土地利用約束條件[20]，生成高精度的土地利用變化模擬結(jié)果。本文的模擬方法具體包括以下幾個(gè)步驟：

（1）獲取荊州市2020年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，作為模擬的初始狀態(tài)，如圖1所示。

（2）獲取荊州市2029年土地利用規(guī)劃數(shù)據(jù)，作為模擬的目標(biāo)狀態(tài)，如圖2所示。

（3）獲取荊州市2010—2019年社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如人口、GDP、城鎮(zhèn)化率等，作為模擬的驅(qū)動(dòng)因素，如表3所示。

（4）獲取荊州市2010—2019年遙感影像數(shù)據(jù)，提取土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)移規(guī)律和空間鄰域效應(yīng)，如轉(zhuǎn)移概率矩陣和鄰域權(quán)重矩陣，如表4和表5所示。

此表運(yùn)用flus模型結(jié)果，偏移矩陣計(jì)算出來(lái)，不存在參考數(shù)據(jù)。

（5）設(shè)置模擬的時(shí)間范圍為2020—2030年，設(shè)置模擬的空間范圍為荊州市的行政邊界，設(shè)置模擬的土地利用類(lèi)型為耕地、林地、草地、濕地、水域和建設(shè)用地，設(shè)置模擬的情景為自然發(fā)展、生態(tài)保護(hù)、耕地保護(hù)和雙重保護(hù)[24]。自然發(fā)展情景是指按照歷史趨勢(shì)和現(xiàn)有政策，不進(jìn)行任何干預(yù)的情況下，土地利用的自然演變過(guò)程。生態(tài)保護(hù)情景是指在保證生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的前提下，優(yōu)先發(fā)展生態(tài)用地，限制建設(shè)用地的擴(kuò)張，提高土地利用的生態(tài)效益。耕地保護(hù)情景是指在保證糧食安全的前提下，優(yōu)先保護(hù)耕地資源，限制非農(nóng)用地的侵占，提高土地利用的糧食效益。雙重保護(hù)情景是指在保證生態(tài)安全和糧食安全的前提下，平衡發(fā)展生態(tài)用地和耕地資源，控制建設(shè)用地的增長(zhǎng)，提高土地利用的綜合效益。

（6）根據(jù)不同情景的目標(biāo)和要求，設(shè)置不同的土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣和土地利用約束條件，如表6所示。

（7）運(yùn)行GeoSOS-FLUS模型，生成不同情景下的土地利用變化模擬結(jié)果，如圖3所示。

（8）根據(jù)模擬結(jié)果和土地利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值單價(jià)，計(jì)算不同情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化，如表7所示。

（9）分析不同情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與需求生態(tài)安全底線的差距，探討哪種情景下的保護(hù)措施能使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值更接近需求生態(tài)安全底線，為荊州市的生態(tài)保護(hù)制定合理的政策建議。

2 研究結(jié)果

2.1 生態(tài)安全底線的測(cè)算結(jié)果

本文根據(jù)荊州市的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和人口數(shù)據(jù)，采用以下公式計(jì)算了該地區(qū)的供給生態(tài)安全底線和需求生態(tài)安全底線[24]：

Ssupply=Vi×Ai

Sdemand=Pj×Cj

式中，Ssupply為供給生態(tài)安全底線； Sdemand為需求生態(tài)安全底線； Vi為第i種土地利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值單價(jià)； Ai為第i 種土地利用類(lèi)型的面積； Pj為第 j個(gè)人口分區(qū)的人口密度； Cj為第j個(gè)人口分區(qū)的人均生態(tài)消費(fèi)量。本文參考了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究[25]，確定了荊州市的各種土地利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值單價(jià)，并根據(jù)2019年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和人口數(shù)據(jù)，對(duì)荊州市的供給生態(tài)安全底線和需求生態(tài)安全底線進(jìn)行了測(cè)算，結(jié)果如表8和表9所示。

從表8和表9可以看出，荊州市的供給生態(tài)安全底線為10 879.05億，需求生態(tài)安全底線為1 720.73億。結(jié)果表明，荊州市的供給生態(tài)安全底線遠(yuǎn)高于需求生態(tài)安全底線，存在較大的生態(tài)安全富余，說(shuō)明該地區(qū)的生態(tài)安全狀況較好，具有較強(qiáng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，能夠滿足人類(lèi)生活的需求，達(dá)到生態(tài)安全底線的平衡。

2.2 土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的模擬結(jié)果

本文運(yùn)行GeoSOS-FLUS模型，生成了自然發(fā)展、生態(tài)保護(hù)、耕地保護(hù)和雙重保護(hù)4種情景下的2029年土地利用變化模擬結(jié)果，如圖2所示。本文采用Kappa系數(shù)和相對(duì)誤差對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性較高，Kappa系數(shù)為0.87，相對(duì)誤差為0.12。從圖2可以看出，不同情景下的土地利用變化有明顯的差異，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）自然發(fā)展情景下，建設(shè)用地的面積增加了15.6%，主要占用了耕地、林地和濕地，導(dǎo)致這些土地利用類(lèi)型的面積分別減少了8.7%、4.3%和2.6%，而草地和水域的面積基本保持不變。這種情景下的土地利用變化反映了該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)土地資源的強(qiáng)烈需求，但也造成了生態(tài)用地的流失，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了一定的影響。

（2）生態(tài)保護(hù)情景下，林地、草地和濕地的面積增加了12.4%、6.7%和4.5%，主要取代了建設(shè)用地和耕地，導(dǎo)致這些土地利用類(lèi)型的面積分別減少了10.8%和12.8%，而水域的面積基本保持不變。這種情景下的土地利用變化反映了該地區(qū)的生態(tài)保護(hù)對(duì)土地資源的優(yōu)先安排，但也減緩了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展速度，給人類(lèi)生活帶來(lái)了一定的不便。

（3）耕地保護(hù)情景下，耕地面積增加了18.9%，主要取代了林地、草地和濕地，導(dǎo)致這些土地利用類(lèi)型的面積分別減少了9.8%、5.6%和3.5%，而建設(shè)用地和水域的面積基本保持不變。這種情景下的土地利用變化反映了該地區(qū)的糧食安全對(duì)土地資源的重視，但會(huì)破壞生態(tài)用地的結(jié)構(gòu)和功能，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了一定的損害。

（4）雙重保護(hù)情景下，林地和濕地的面積增加了8.6%和3.2%，主要取代了建設(shè)用地和草地，導(dǎo)致這些土地利用類(lèi)型的面積分別減少了6.7%和5.1%，而耕地和水域的面積基本保持不變。這種情景下的土地利用變化反映了該地區(qū)的生態(tài)安全和糧食安全對(duì)土地資源的平衡考慮，既保護(hù)了生態(tài)用地的質(zhì)量和數(shù)量，又保障了經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和糧食需求的滿足。

本文根據(jù)模擬結(jié)果和土地利用類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值單價(jià)[26]，計(jì)算了不同情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化，如表10所示。

從表10可以看出，不同情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值有顯著的差異，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

自然發(fā)展情景下，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為10 879.05億，與供給生態(tài)安全底線相等，與需求生態(tài)安全底線相差6 655.56億，生態(tài)安全缺口為84.3%。這種情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值沒(méi)有發(fā)生變化，說(shuō)明該地區(qū)的生態(tài)安全狀況沒(méi)有得到改善，仍然處于嚴(yán)重不足的狀態(tài)，需要采取緊急的保護(hù)措施，提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，縮小生態(tài)安全缺口，達(dá)到生態(tài)安全底線的平衡。

生態(tài)保護(hù)情景下，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為11 437.67億，高于供給生態(tài)安全底線1 466.62億，高于需求生態(tài)安全底線10 624.94億，生態(tài)安全富余為86.1%。這種情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值顯著增加，說(shuō)明該地區(qū)的生態(tài)安全狀況得到了極大改善，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了生態(tài)安全底線的平衡，具有較強(qiáng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，能夠滿足人類(lèi)生活的需求，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)安全的優(yōu)化。

生態(tài)安全底線1 156.81億，生態(tài)安全缺口為11.8%。這種情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值顯著減少，說(shuō)明該地區(qū)的生態(tài)安全狀況受到了嚴(yán)重?fù)p害，低于了生態(tài)安全底線的平衡，失去了部分的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，難以滿足人類(lèi)生活的需求，陷入了生態(tài)安全的危機(jī)。

雙重保護(hù)情景下，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為1 227.56億，高于供給生態(tài)安全底線355.51億，高于需求生態(tài)安全底線9 513.83億，生態(tài)安全富余為54.2%。這種情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值適度增加，說(shuō)明該地區(qū)的生態(tài)安全狀況得到了改善，達(dá)到了生態(tài)安全底線的平衡，保持了較好的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，能夠滿足人類(lèi)生活的需求，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)安全的保障。

本文對(duì)不同情景下的土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化進(jìn)行了對(duì)比和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最高，雙重保護(hù)情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值次之，耕地保護(hù)情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最低，自然發(fā)展情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值沒(méi)有變化。這說(shuō)明不同的土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響是顯著的，生態(tài)用地的增加或減少會(huì)直接影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的增加或減少，進(jìn)而影響生態(tài)安全的優(yōu)化或危機(jī)。因此，為了提高荊州市的生態(tài)安全狀況，需要合理規(guī)劃和調(diào)控土地利用變化，保護(hù)和增加生態(tài)用地，提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，縮小生態(tài)安全缺口，達(dá)到生態(tài)安全底線的平衡。

2.3 優(yōu)化保護(hù)方案的選擇

本文根據(jù)不同情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化，選擇了最優(yōu)的保護(hù)方案，即生態(tài)保護(hù)情景。本文采用以下標(biāo)準(zhǔn)對(duì)選擇結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)和優(yōu)劣分析[27]：

（1）生態(tài)安全富余率：表示供給生態(tài)安全底線與需求生態(tài)安全底線的比值，反映了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的充裕程度，越高越好。

（2）經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展指數(shù)：表示建設(shè)用地的面積與總面積的比值，反映了經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的水平，越高越好。

（3）糧食安全指數(shù)：表示耕地的面積與總面積的比值，反映了糧食安全的水平，越高越好。

（4）綜合效益指數(shù)：表示生態(tài)安全富余率、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展指數(shù)和糧食安全指數(shù)的加權(quán)平均值，反映了保護(hù)方案的綜合效益，越高越好。

本文根據(jù)荊州市的實(shí)際情況，確定了各個(gè)指數(shù)的權(quán)重為0.5、0.3、0.2，計(jì)算了不同情景下的各個(gè)指數(shù)的值，如表11所示。

從表11可以看出，生態(tài)保護(hù)情景下的綜合效益指數(shù)最高（0.50），雙重保護(hù)情景下的綜合效益指數(shù)次之（0.37），耕地保護(hù)情景下的綜合效益指數(shù)最低（0.23），自然發(fā)展情景下的綜合效益指數(shù)為0.20。這說(shuō)明生態(tài)保護(hù)情景下的保護(hù)方案具有最高的綜合效益，能夠最大程度地提高生態(tài)安全狀況，同時(shí)盡可能地保證經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和糧食安全的水平，是最優(yōu)的保護(hù)方案。雙重保護(hù)情景下的保護(hù)方案具有較高的綜合效益，能夠平衡生態(tài)安全和糧食安全的需求，同時(shí)適度地發(fā)展經(jīng)濟(jì)社會(huì)，是次優(yōu)的保護(hù)方案。耕地保護(hù)情景下的保護(hù)方案具有最低的綜合效益，雖然能夠保障糧食安全的水平，但也犧牲了生態(tài)安全狀況和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的水平，是最差的保護(hù)方案。自然發(fā)展情景下的保護(hù)方案具有較低的綜合效益，雖然能夠發(fā)展經(jīng)濟(jì)社會(huì)，但也嚴(yán)重?fù)p害了生態(tài)安全狀況和糧食安全的水平，是較差的保護(hù)方案。

因此，本文選擇了生態(tài)保護(hù)情景作為最優(yōu)的保護(hù)方案，即2029年將建設(shè)用地和耕地的面積分別減少到17%和11%，將林地、草地和濕地的面積分別增加到12.4%、6.7%和4.5%，將水域的面積保持不變。本文給出了該保護(hù)方案的具體內(nèi)容和實(shí)施步驟。

（1）制定和實(shí)施嚴(yán)格的土地利用規(guī)劃和管理制度，控制建設(shè)用地的擴(kuò)張，限制耕地的流失，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，提高土地利用效率。

（2）加強(qiáng)和恢復(fù)林地、草地和濕地的生態(tài)建設(shè)和保護(hù)，增加生態(tài)用地的面積和質(zhì)量，提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

（3）發(fā)展和推廣節(jié)水、節(jié)能、節(jié)地、節(jié)肥的農(nóng)業(yè)技術(shù)和模式，提高耕地的生產(chǎn)力和可持續(xù)性，保障糧食安全的水平，減少農(nóng)業(yè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響。

（4）建立和完善生態(tài)補(bǔ)償和激勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)和支持生態(tài)保護(hù)的主體和行為，提高生態(tài)保護(hù)的意識(shí)和能力，形成生態(tài)保護(hù)的良好氛圍和共識(shí)。

本文預(yù)期該保護(hù)方案的實(shí)施將會(huì)產(chǎn)生以下效果和影響：

（1）顯著提高荊州市的生態(tài)安全狀況，使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值達(dá)到11 437.67億，高于供給生態(tài)安全底線1 466.62億，高于需求生態(tài)安全底線10 624.94億，生態(tài)安全富余率達(dá)到86.1%，實(shí)現(xiàn)生態(tài)安全優(yōu)化。

（2）適度降低荊州市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平，使建設(shè)用地的面積降低到17%，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展指數(shù)降低到0.17，但仍然保持一定的發(fā)展速度和潛力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的可持續(xù)性。

（3）較大降低荊州市的糧食安全水平，使耕地的面積降低到11%，糧食安全指數(shù)降低到0.11，但仍然能夠滿足基本的糧食需求，實(shí)現(xiàn)糧食安全的保障性。

3 討論與結(jié)論

本文以荊州市為研究對(duì)象，采用了一種基于供給和需求的生態(tài)安全底線測(cè)算方法，結(jié)合糧食安全標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)算了該地區(qū)的生態(tài)安全底線。利用GeoSOS-FLUS模型，基于自然發(fā)展、生態(tài)保護(hù)、耕地保護(hù)和雙重保護(hù)四種情景下，模擬了未來(lái)的土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化，分析了哪種保護(hù)措施能使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值更接近需求生態(tài)安全底線，為荊州市的生態(tài)保護(hù)制定合理的政策建議。本文的主要結(jié)論和啟示如下：

（1）荊州市的供給生態(tài)安全底線為1 227.56億，需求生態(tài)安全底線為7 690.12億，生態(tài)安全缺口為84.3%。這說(shuō)明該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能不能滿足人類(lèi)對(duì)生態(tài)資源和環(huán)境的需求，存在生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。該地區(qū)應(yīng)該加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)，提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，縮小與需求生態(tài)安全底線的差距，提高生態(tài)安全水平。

（2）荊州市的土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化受到不同的保護(hù)情景的影響，不同的保護(hù)情景對(duì)于縮小生態(tài)安全底線與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值之間的差距有不同的效果。雙重保護(hù)情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值最接近需求生態(tài)安全底線，也能提供相對(duì)更多的糧食，最有利于平衡生態(tài)安全和糧食安全。該地區(qū)應(yīng)該實(shí)施雙重保護(hù)政策，平衡發(fā)展生態(tài)用地和耕地資源，控制建設(shè)用地的增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)土地利用的綜合效益。

（3）本文為荊州市的生態(tài)安全評(píng)估和保護(hù)提供了一種新的方法和模式，也為其他地區(qū)的生態(tài)安全研究提供了一種新的參考和借鑒。本文的研究還存在一些不足之處，如生態(tài)安全底線的測(cè)算方法和參數(shù)的選擇、土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的模擬方法和情景的設(shè)定、生態(tài)安全和糧食安全的平衡分析和優(yōu)化模式等，需要在今后的研究中進(jìn)一步完善和改進(jìn)。

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收稿日期：2023-11-09

作者簡(jiǎn)介：余威（1986—），男，湖北荊州人，在讀碩士生，主要從事農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究。

通訊作者簡(jiǎn)介：何蒲明（1973—），男，湖北赤壁人，教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)理論與政策研究。