土地是自然的产物，是人类赖以生存和发展的物质基础^［1］。人类在不断地改造和利用土地，使土地利用/覆被发生变化，进而产生一系列的自然、社会、经济结果^［2］。土地利用变化是全球环境变化的主要内容，对土地资源的合理配置、生态环境的稳定发展、人类的生产生活等具有很大的影响^［3］。生态系统服务是指人类从生态系统中所获得的收益^［4］。土地利用变化影响生态系统的结构、过程和功能，进而影响生态系统的平衡及生态系统的服务价值^［5］。从研究尺度上来看，很多学者分别以流域^［6］、区域^［7］、省^［8］、市^［9］、县^［10］、镇^［11］、格网^［12］等为研究尺度就土地利用变化对生态系统服务价值的影响做了相关研究。从生态系统服务价值研究方法上来看，主要有InVEST模型方法、经济学方法、能值方法等。对黄河流域生态系统服务价值的研究主要类型有城市化与生态系统服务价值之间的耦合关系^［13］和省级及地市级尺度的生态系统服务价值核算^［14-17］，但目前还没有基于格网对甘肃省黄河流域土地利用程度与生态系统服务类型之间关系的相关研究。

甘肃省位于黄土高原、内蒙古高原和青藏高原交会处，是黄河上游重要的水源涵养区，对保障国家生态安全具有非常重要的作用。甘肃省黄河流域面积占全省总面积的34.3%，生产总值和人口分别约占全省的80%。因此，谋划推进甘肃省黄河流域生态保护和高质量发展战略，事关生态保护大局和高质量发展全局，事关建设幸福美好新甘肃。本文运用土地利用动态度、土地利用程度指数、土地利用转移矩阵等方法分析1995—2020年甘肃省黄河流域土地利用变化情况，引用Costanza等^［18］估算方法及谢高地等^［19］提出的生态系统服务价值当量表，对甘肃省黄河流域生态系统服务价值进行评估，并分析土地利用程度对不同生态系统服务类型的影响程度，以期为甘肃省黄河流域土地持续利用、生态环境建设和生态恢复等方面提供借鉴。

甘肃省位于黄土高原、青藏高原、内蒙古高原三大高原和西北干旱区、青藏高寒区、东部季风区三大自然区域的交会处，地域狭长，地质地貌、气候类型复杂多样，具有森林、草原、荒漠、湿地、农田、城市等六大陆地生态系统，是国家“两屏三带”中“青藏高原生态屏障”“黄土高原-川滇生态屏障”和“北方防沙带”生态安全战略重要实施区。以乌鞘岭、西秦岭为界将甘肃省分为内陆河流域、黄河流域和长江流域三大流域。其中，甘肃省黄河流域处于乌鞘岭以南、西秦岭以北地带，流域面积14.59万km²，占全省总面积的34.3%。黄河干流流经白银、兰州、临夏和甘南4市州，长达913 km，占黄河全长的16.7%（图1）；黄河支流流经武威、庆阳、平凉、天水、定西5市，渭河、洮河、泾河、大夏河等河流是黄河重要的补给水源，多年平均自产地表水资源量125.2亿m³，超过黄河流域总水量的五分之一，人口和生产总值占甘肃省的80%以上^［20］。

使用数据主要有土地利用数据、行政区界线数据、DEM数据、粮食作物面积和粮食产量数据等。土地利用数据包括1995、2000、2005、2010、2015、2020年，来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（https：//www.resdc.cn），空间分辨率为1 km，下载格式为.hdf，经过MRT（MODIS Reprojection Tool）转换为.tif格式；县界、市界数据来源于土地利用变更数据库；DEM数据来源于地理空间数据云网站（http：//www.gscloud.cn）；粮食作物面积和粮食产量包括2000—2020年数据，主要来源于各年度的甘肃省统计年鉴和甘肃省黄河流域涉及各市州的统计年鉴。

单一土地利用动态度表示一定时间段内不同土地利用类型的变化速度与幅度^［21］，综合土地利用动态度表示研究区整体的土地利用类型变化速度与幅度：

式中：K为研究期间内某一土地利用类型的动态度；U_a 、U_b 分别为研究初期和末期某一土地利用类型的面积；T为研究时段；L_c 为综合土地利用动态度；LU_i 为研究初期第i类土地利用类型面积；ΔLU_i-j 为研究初期到研究末期第i类土地利用类型变为其他类土地利用类型面积的绝对值。

土地利用程度指数主要指土地利用的广度和深度，体现自然属性及人类活动对土地的影响程度^［22］。按照未利用地为1级，林地、草地及水域为2级，耕地为3级，城镇用地为4级，将甘肃省黄河流域的土地利用程度分为4级^［23-25］。

式中：L为整个研究区的土地利用程度指数；A_i 为第i级土地的土地利用程度分级指数；C_i 为研究区内第i级土地面积占整个研究区面积的百分比；n为土地利用程度的分级数；CC_i 为第i级土地利用类型的总面积；HJ为整个研究区土地的总面积；I_a 为研究初期土地利用程度指数；I_b 为研究末期土地利用程度指数；C_ia 为研究初期第i级土地利用程度的面积；C_ib 为研究末期第i级土地利用程度的面积。

土地利用转移矩阵主要反映一段时间内研究区内各土地利用类型变化的方向及数量^［26］。本文主要基于土地利用数据，利用ArcGIS软件的相交功能实现：

式中：S代表面积；n代表土地利用的类型数；i代表研究初期土地利用类型；j代表研究末期土地利用类型。

（1） 生态系统服务价值当量。根据土地利用/覆被类型将研究区分为耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地；参照“千年生态系统评估”（Millennium Ecosystem Assessment，MA）的分类体系，将生态系统服务划分为供给服务、调节服务、支持服务和文化服务^［27］。参照谢高地等^［19］提出的“中国生态系统单位面积生态系统服务价值当量表”确定耕地、林地、草地、水域和未利用地的生态系统服务价值当量因子；参照孙兴辉等^［28］的研究确定建设用地生态系统服务价值当量因子（表1）。

（2） 单个生态系统服务价值当量的经济价值。谢高地等^［19］确定中国的1个生态服务价值当量因子经济价值量为449.1元·hm^-2，本文参照孙兴辉等^［28］和曾杰等^［29］的研究对甘肃省黄河流域单个生态系统服务价值当量因子的经济价值量进行修正：

式中：X为甘肃省黄河流域1个生态系统价值当量的经济价值；E_a 为中国1个生态系统服务价值当量因子的经济价值量，本文为449.1元·hm^-2；y′为2000—2020年甘肃省黄河流域耕地平均粮食单产；y为2000—2020年全国耕地平均粮食单产。

结合数据获取的可能性，本研究收集了2000—2020年全国和甘肃省黄河流域（包括兰州市、白银市、临夏州、甘南州、定西市、天水市、平凉市、庆阳市）的耕地平均粮食单产数据，并计算其平均值，得到2000—2020年全国耕地平均粮食单产为5 017.05 kg·hm^-2，2000—2020年甘肃省黄河流域耕地平均粮食单产为3 184.65 kg·hm^-2，根据公式计算得到甘肃省黄河流域单个生态当量的价值为285.08元·hm^-2。根据甘肃省黄河流域单位面积生态系统服务价值当量因子表和甘肃省黄河流域单个生态当量的价值，得到甘肃省黄河流域生态系统服务价值系数（表2）。

（3） 生态系统服务价值^［18］。

式中：ESV为区域生态系统服务价值；S_i 为第i类土地利用类型的面积；VC_i 为第i种土地利用类型生态系统服务价值系数；X为甘肃省黄河流域1个生态系统价值当量的经济价值；Y_i 为第i种土地利用类型生态系统服务价值当量。

生态系统服务价值敏感性主要反映生态系统服务价值随着时间变化对生态系统服务价值系数变化的依赖程度，即生态系统服务价值系数变化引起的生态系统服务价值变化情况^［30］：

式中：a，b分别表示调整前和调整后的状态值；VC为生态系统服务价值系数（一般将土地利用类型生态系统服务价值系数P上下调整50%^［31］）；ESV为生态系统服务价值；i代表土地利用类型；CS为生态系统服务价值敏感性指数。CS >1，表明生态系统服务价值对生态系统服务价值系数富有弹性，结果准确度差，可信度低；反之，缺乏弹性，结果可信^［32］。

从表3和图2可以看出，甘肃省黄河流域土地利用类型以草地、耕地、林地为主，约占总面积的95%。草地占地最多，达到总面积的53%，集中分布在甘南高原黄河上游生态屏障区及零星分布在甘肃省黄河流域的中部和东部，主要因为甘南高原地处青藏高原东北部边缘，以高寒阴湿的草甸草原为主，甘南玛曲草原、桑科草原等分布在甘南藏族自治州；耕地次之，约占总面积的30%，主要分布在中部和东部的陇东陇中黄土高原生态安全屏障区，主要因为陇东陇中属于黄土高原丘陵沟壑区^［33］，产业以农业为主；林地约占总面积的12%，主要分布在东部的子午岭和甘南高原北部，主要因为子午岭是天然植被区，是重要的生态公益林，甘南高原北部属于太子山天然林保护区和莲花山风景林自然保护区，也是林地分布区。1995—2020年，耕地和未利用地面积减少，林地、草地、水域、建设用地面积增加。其中，耕地净变化量最显著，呈先增加后减少的趋势，净减少3 109 km²；建设用地变化量次之，呈持续增加趋势，净增加1 296 km²；林地净变化量较明显，呈先增加后减少趋势，25年净增加1 025 km²；草地呈减少→增加→减少→增加的趋势，净增加737 km²；水域净变化量较小，呈先减少再增加的趋势，净增加109 km²；未利用地净变化量最小，并呈减少→增加→减少的趋势，净减少58 km²。耕地的减少量与林地、草地、建设用地的增加量基本持平，主要原因是为保护生态环境，实施了“固沟保塬”和“退耕还林还草”项目，成效显著，且随着经济的飞速发展，城镇扩张，导致部分耕地被占用。2010—2015年，研究区耕地、林地和草地面积均减少，主要原因在于城镇化扩张不仅占用了耕地，也占用了林地和草地，且占用林地和草地的面积大于退耕还林还草面积，导致三者面积都有所减少，建设用地面积增加。

从表4的单一土地利用动态度可以看出，甘肃省黄河流域各地类在1995—2020年，建设用地变化速度最快，且所有地类在2015—2020年变化最明显，其中耕地和未利用地减少率分别为0.848%和0.819%，林地、草地、水域、建设用地增加率分别为0.552%、0.206%、1.779%、4.226%。从表4中综合土地利用动态度可以看出，2015—2020年甘肃省黄河流域土地利用变化速率最大，变化率为0.271%。其中，耕地和未利用地以大致相同的速度在减少，林地、草地、水域、建设用地分别以不同的速度在增加。2000—2005年内甘肃省黄河流域土地利用变化速率次之，变化率为0.107%。其中，耕地和未利用地以不同速度在减少，林地、草地、水域、建设用地分别以不同的速率在增加。2010—2015年甘肃省黄河流域土地利用变化速率较低，仅为0.080%。其中，耕地、林地、草地以不同速率在减少，水域、建设用地、未利用地以不同速率在增加。1995—2000年和2005—2010年甘肃省黄河流域土地利用变化速率相当，变化率仅为0.027%和0.025%。总体来看，土地利用变化与城镇化建设、退耕还林工程等人类活动息息相关。城镇化使建设用地面积持续增加，退耕还林还草区域耕地面积减少^［34］。

各土地利用类型的土地利用程度综合指数，反映不同时段人类活动对甘肃省黄河流域土地利用变化的影响程度^［35］ 。从表5可以看出，1995、2000、2005、2010、2015、2020年甘肃省黄河流域土地利用程度综合指数分别为2.313、2.315、2.312、2.311、2.314和2.310，呈现增大→减小→增大→减小的趋势，且2000年的土地利用程度综合指数最大。

1995—2020年，草地的土地利用程度最高，水域的土地利用程度最低，耕地和未利用地的土地利用程度有所减小，林地、草地、水域、建设用地的土地利用程度有所增加。甘肃省黄河流域土地利用综合指数变化量总体减少了0.003，其中1995—2000、2000—2005、2005—2010、2010—2015、2015—2020年土地利用程度综合指数变化量分别为0.001、-0.003、 -0.001、0.003、-0.003。1995—2000、2010—2015年土地利用综合指数变化量为正值，说明这两个时段甘肃省黄河流域土地利用处于发展期，究其原因，主要是1995—2000年高分值耕地面积增加，2010—2015年城镇快速扩张导致分值最高的建设用地面积增加较多。2000—2005、2005—2010、2015—2020年土地利用综合指数变化量为负值，说明这3个时段甘肃省黄河流域土地利用处于调整期，究其原因，主要是林地、草地、建设用地面积的增加。

从表6可以看出，甘肃省黄河流域土地利用类型转移面积为［10 000，+∞］ km²的主要有耕地→草地和草地→耕地，转移面积为［1 000，10 000） km²的主要有耕地→林地、耕地→建设用地、林地→耕地、林地→草地、草地→林地、草地→未利用地、建设用地→耕地和未利用地→草地。草地、耕地、林地的转出总量和转入总量远高于同期其他地类，转出总量占总转出总量的91.14%，转入总量占总转入总量的93.42%。耕地和未利用地的转入总量大于转出，林地、草地、水域、建设用地的转入总量小于转出总量（图3）。

由表7可以看出，1995—2020年研究区生态系统服务价值总体呈增加趋势，由505.728亿元增加到510.833亿元，增加了5.104亿元。其中，1995—2000、2000—2005、2005—2010、2015—2020年生态系统服务价值呈增加趋势，分别增加了0.100亿、2.500亿、0.390亿、3.290亿元。2010—2015年生态系统服务价值呈减少趋势，减少了1.180亿元，究其原因主要是耕地、草地、林地面积的减少。从各类土地利用类型的生态系统服务价值来看，甘肃省黄河流域6种土地利用类型中，草地的生态系统服务价值最大，2020年达255.016亿元；林地次之，2020年达144.721亿元；耕地相对较小，2020年达91.804亿元；2020年水域、建设用地、未利用地生态系统价值分别为12.980亿、0.358亿、5.954亿元。1995—2020年耕地和未利用地的生态系统服务价值减少，分别减少了7.002亿、0.109亿元，其中耕地呈先增加后减少趋势，未利用地呈减少→增加→减少的趋势；林地、草地、水域、建设用地的生态系统服务价值增加，分别增加了8.217亿、2.452亿、1.409亿、0.137亿元，其中林地呈增加→减少→增加趋势，草地呈减少→增加→减少→增加趋势，水域呈先减少再增加趋势，建设用地呈持续增加趋势。

由表8可以看出，甘肃省黄河流域各生态系统服务类型的价值保持土壤>维持生物多样性>水文调节>气候调节>气体调节>废物处理>提供美学景观>原材料生产>食物生产。保持土壤、维持生物多样性、水文调节、气候调节、气体调节和废物处理生态系统服务价值所占比重较大，约占83.38%。

由表9可以看出，甘肃省黄河流域各生态系统食物生产呈先增加再减小趋势，原材料生产、气体调节、气候调节、水文调节、维持生物多样性呈增大→减小→增大趋势，废物处理呈减小→增大→减小→增大→减小趋势，保持土壤呈减小→增大→减小→增大趋势，提供美学景观呈持续增大趋势。1995—2020年，甘肃省黄河流域各生态系统服务类型变化最大的是水文调节，增加了1.406亿元，变化最小的为废物处理，减小了0.001亿元。

结合研究区实际情况，将1995、2000、2005、2010、2015、2020年甘肃省黄河流域生态系统服务价值划分为低、中、高3个等级，分别对应生态系统服务价值为［0，20）、［20，75）、［75，130］。由图4可以看出，研究区以中值区为主，主要分布在研究区中部（中部沿黄河地区生态走廊）和东部（陇东陇中黄土高原生态安全屏障区）；高值区主要分布在研究区西南角的甘南高原、东北角子午岭等林地、草地分布区；低值区零星分布在研究区，主要是建设用地和未利用地分布区。

由表10可以看出，甘肃省黄河流域生态系统服务价值敏感性指数均小于1，且草地>林地>耕地>水域>未利用地>建设用地，表明研究区内的生态系统服务价值对生态系统服务价值系数是缺乏弹性的，研究结果可信。1995—2020年，林地、水域和建设用地的敏感性指数增大，表明其生态系统服务价值系数对生态系统服务价值的作用是增大的；建设用地、水域、未利用地的敏感性指数值很小，均小于0.015，尤其建设用地的生态敏感性指数仅为0.0002—0.0004，表明这3种地类的生态系统服务价值系数的变化对甘肃省黄河流域生态系统服务价值影响很小。

研究区1995、2000、2005、2010、2015、2020年土地利用程度分别为2.313、2.315、2.312、2.311、2.314、2.310，生态系统服务价值分别为505.728亿、505.835亿、508.328亿、508.716亿、507.541亿、510.833亿元。土地利用程度与生态系统服务价值相关系数为0.912，表现为强相关，且通过趋势线可以看出生态系统服务价值随着土地利用程度的增加呈下降趋势，说明二者存在显著的负相关。原因主要是“退耕还林工程”的实施，使单位面积生态系统服务价值高但土地利用程度等级为2级的林地、草地、水域面积增加，而单位面积生态系统服务价值低但土地利用程度相对较高的耕地面积减少。

本文基于土地利用数据，分析了1995、2000、2005、2010、2015、2020年甘肃省黄河流域土地利用结构、土地利用动态度、土地利用程度和土地利用面积转移，并结合甘肃省黄河流域实际情况，对中国生态系统服务价值当量因子的经济价值量进行修正，使得到的这6个时期甘肃省黄河流域生态系统服务价值更接近实际。敏感性指数均小于1，表明生态系统服务价值对生态系统服务价值系数缺乏弹性，结果可信。甘肃省黄河流域土地利用类型以草地为主，建设用地面积较小；1995—2020年甘肃省黄河流域林地、草地、水域和建设用地增加，未利用地面积减少，这与任玺锦^［35］的研究结果相符；草地生态系统服务价值贡献最高，这与孙梦华等^［17］的研究结果相符；土地利用程度与生态系统服务呈负相关，与李辉等^［25］的研究结果相反，主要原因是土地利用变化的不同，导致土地利用程度变化趋势不同：李辉等研究的三峡库区生态系统服务增大，土地利用程度增大；而甘肃省黄河流域生态系统服务价值增大，土地利用程度减小。

可以看出政策因素对土地利用和生态系统影响较大。2000—2020年甘肃省黄河流域耕地面积减少，主要是受“退耕还林还草工程”的影响。1995—2020年建设用地持续增加，主要受“西部大开发战略”的影响。2010—2015年林地、草地面积减少，主要是因为经济的发展导致城镇扩张占用，转为建设用地。1995—2020年，除食物生产呈减少趋势外，其他类型生态系统服务价值总体呈增加趋势，建议未来制定政策时，不仅要考虑林地、草地、水域等生态系统服务价值高的地类，还要充分考虑对“食物生产”起重要作用的耕地，以维持生态系统服务功能及稳定性。

本文将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地，未对土地利用类型进一步细分（如：将草地分为天然牧草地、人工牧草地和其他草地），也只考虑了土地利用类型面积，未考虑土地利用类型的质量，导致研究结果与实际存在一定的偏差。对土地利用类型进行细分后结合土地利用类型质量，赋予生态系统服务价值系数后计算生态系统服务价值将是下一步研究的方向之一。

从土地利用结构来看，研究区主要的土地利用类型为草地、林地和耕地，约占总面积的95%；从1995—2020年土地利用变化来看，研究区土地利用类型面积总体减小的是耕地和未利用地，总体增加的是林地、草地、水域和建设用地，变化速度最快的是建设用地；整个研究期内变化速率最大的时段是2015—2020年，最小的时段是2005—2010年。从2020年土地利用程度来看，研究区土地利用程度最高的类型为草地，最低的土地利用类型为水域；从土地利用转移情况来看，1995—2020年研究区转入类型中其他地类转为草地的面积最大，达25 423 km²，转出类型中草地转为其他地类的面积最大，达26 149 km²；耕地主要转为草地、林地和建设用地3种土地利用类型，林地主要转化为草地，草地主要转化为耕地，建设用地主要转化为耕地，未利用地主要转化为草地。因此，甘肃省黄河流域土地利用变化主要原因是退耕还林工程和西部大开发战略的实施。

1995—2020年，研究区生态系统服务价值从505.728亿元增加到了510.833亿元，增加了5.104亿元。从时段来看，除2010—2020年呈减小趋势外，其余时段都呈增长趋势，且2015—2020年增长最快。从2020年土地利用类型来看，草地的生态系统服务价值最大，达255.016亿元，建设用地生态系统服务价值最小，仅为0.358亿元。从2020年生态系统服务类型来看，保持土壤最大，达87.94亿元，食物生产最小，仅为23.08亿元。从生态系统服务价值分级来看，低等级占4.6%，中等级占82.07%，高等级占13.33%。从生态敏感性指数来看，研究区生态系统服务价值敏感度指数均<1，且草地敏感性指数最大，建设用地敏感性指数最小。生态系统服务价值系数缺乏弹性，研究结果可信。从土地利用程度对不同生态系统服务类型的影响来看，研究区土地利用程度与生态系统服务价值呈显著负相关，相关系数为0.912。

从土地利用面积转移情况来看，草地和耕地转入和转出最多，但耕地面积总体呈减少趋势。原因主要是国土综合整治项目的实施后，开发新增耕地，使耕地面积增加；“退耕还林还草”工程实施，将自然条件差、质量等级低的耕地转换为林地和草地，最终从总面积上看耕地数量有所减少，实际耕地总体质量等级有所提升。