基于CLUE-S模型的黑河中游土地利用情景模拟研究 ——以张掖市甘州区为例

由于传统的土地利用空间统计分析问题中存在固有的空间自相关效应,进而影响到不同土地利用类型空间分布概率模拟的精度.研究在CLUE-S模型中传统的二值Logistics回归的基础之上引入了空间自相关因子形成Autologistic回归模型,并将其用于区域土地利用情景模拟.结果表明:(1)考虑了土地利用类型空间自相关性的Autologistic回归模型在模拟土地利用空间格局时能更好地反映真实土地利用分布格局.耕地、林地、草地、水域及未利用地的空间格局拟合优度ROC值分别从0.914、0.820、0.697、0.635和0.798提高到0.924、0.892、0.766、0.716和0.835;(2)基于Autologistic回归分析的建模对CLUE-S模型的模拟精度有一定的提高.Autologistic回归分析下模拟结果的Kappa指数0.935 4大于Logistic回归模拟结果0.888 0;(3)通过模拟2020年研究区5种情景方案下土地利用格局,表明在不同情景方案下的土地利用/覆被格局存在显著的空间差异:①自然增长情景方案下,耕地的增加对于保障粮食安全有重要意义,而建设用地的扩张则会促进研究区经济建设的快速发展,但林地和草地转化为未利用地会加剧土地的退化和生态环境的恶化;②在3种水资源约束情景方案下,水资源对干旱区土地利用/覆被变化的制约非常明显,提高水资源利用率是改善干旱区生态环境的一个重要措施;③土地结构优化情景方案下土地利用比较全面地考虑到了流域粮食安全、生态保护以及经济发展等需要,具有较强的合理性;④经济发展情景方案下建设用地快速扩张,大量侵占周边耕地和草地,粮食安全会受到较大的威胁;⑤生态保护情景方案下林地、草地和水域等生态保护用地面积呈显著扩张,区域生态环境质量明显改善.     

基于PLUS与InVEST模型的鄱阳湖流域碳储量时空变化与预测

城市扩张、土地利用变化引起流域生境及其碳储量改变,为探明土地利用更替对碳储量造成的影响,以鄱阳湖流域为研究区域,应用InVEST和PLUS模型甄别鄱阳湖流域土地利用及碳储量时空分布特征,探索自然发展、城市建设和生态保护情景下流域碳储量时空演变及响应机制。结果表明：2000—2020年鄱阳湖流域水域、建设用地均呈扩张趋势,而土地碳储量持续下降;在自然发展和城镇发展情景下,林地、草地和未利用地数量均减少,在生态保护情景下,草地呈现减少而林地呈现扩张,在自然发展情景中耕地呈现扩张;较2020年,在自然发展、城镇发展和生态保护情景下的2030年碳储量,分别下降19万,149万和上升25万t,且土地利用分布与碳储量分布呈高度一致性。明确鄱阳湖流域土地利用及碳储量时空演变特征,预测其未来变化趋势,有利于流域土地利用可持续发展,为推进流域“双碳”目标实现提供参考。     

不同土地利用情景下四平市生态系统碳储量时空演变

基于1990～2020年四平市土地利用类型数据,运用GeoSOS-FLUS模型,设定自然发展、耕地保护和生态优先三种情景,模拟不同情景下2030年四平市土地利用空间格局,同时结合InVEST模型定量分析研究区1990～2020年碳储量的时空分异特征,并探讨不同情境下土地利用变化对碳储量的影响,评估未来碳储量的潜力.结果表明:1990～2020年四平市耕地和林地分别减少了951.5 5km²和357.54km²,且以1990～2000年间的降幅最大.草地和建设用地呈增加趋势,分别增加了702.97km²和587.64km².2030年在生态优先情景下,林地呈扩张态势,耕地有少量增加,在耕地保护情景下,耕地数量得到有效保障,而林地和草地有不同程度缩减.建设用地在三种情景下都呈现扩张的趋势,在自然发展情景下增长幅度最大.1990～2020年,四平市陆地生态系统的总碳储量及平均碳密度呈连续减少的势态,以1990～2000年的降幅最大,主要原因是该时段内土地利用变化以耕地的减少和建设用地的增加为主.四平市碳储...     

土地利用改造规划的多因子空间分析

以福清市土地利用分布为例 ,在完成土地利用状况和土地适宜性参评因子空间数据库基础上 ,集成土地适宜性综合指数模型和地块紧凑度模型 ,开发了基于地理信息系统的土地适宜性评价和土地利用控制决策支持系统。通过土地适宜性多因子空间分析 ,模拟大农业 (耕地、林地、园地 )各目标用地条件下各地块土地使用适宜度 ,并结合土地利用现状 ,得到单目标土地改造方案 ;再经模型优化和综合比较得出多目标土地利用改造规划可选方案。计算结果表明 ,福清市土地资源中开发改造为新耕地的潜力极有限 ,而用于开发改造新林地和园地的土地尚有226 80km₂ 和36 34km₂ ,为福清市土地利用改造规划和总体规划的制定和调整提供了定量依据。     

基于InVEST与CA-Markov模型的昆明市碳储量时空演变与预测

土地利用/覆被变化是引起陆地生态系统碳储量变化的重要驱动因素,影响整个生态系统的碳循环过程.以昆明市为研究案例,在修正碳密度系数的基础上,通过耦合InVEST模型碳储存模块和CA-Markov模型,分析2000～2020年及“三线”约束下未来不同土地利用情景陆地生态系统碳储量变化的时空差异特征.结果表明：(1)昆明市土地利用类型主要以耕地、林地和草地为主,土地利用转移也发生在三者之间.(2)2000～2020年,昆明市碳储量整体表现为南低北高的空间分布特征,碳储量逐年下降,累计损失5.27×10⁶ t,林地和草地退化是碳储量减少的主要原因.(3)2020～2030年,4种情景碳储量均有所减少,其中惯性发展情景碳储量下降最明显,主要是建设用地快速扩张引起;耕地保护情景相比惯性发展情景有效减缓了碳储量减少幅度;生态保护情景则能够增强研究区固碳能力,碳储量达到262.49×10⁶ t,但不能有效控制耕地面积的减少;防止城市扩张情景有效抑制了建设用地无序扩张,间接防止了碳储量进一步减少.因此,研究区可统筹考虑耕地保护情景、生态保护情景和防止城市扩张情...     

京津冀城市群建设用地扩张多情景模拟及其对生态系统碳储量的影响

量化分析建设用地扩张对陆地生态系统碳储量的影响,探索模拟建设用地扩张的优化方案以提高未来生态系统碳储量,对区域可持续发展和生态文明建设具有重要的现实意义.基于土地利用和地理空间数据,利用生态系统服务与权衡综合评估（InVEST）模型和基于栅格的斑块生成土地利用模拟（PLUS）模型,以2 km网格为基本单元,核算分析了京津冀城市群2000~2020年生态系统碳储量和格局演变,拟合回归了建设用地变化和碳储量变化两者关系,设置不同城市扩张发展情景对京津冀城市群2030年土地利用格局进行了模拟并分析了不同发展情景下2020~2030年建设用地扩张对碳储量的影响.结果表明：①京津冀城市群2000、2010和2020年生态系统碳储量（以C计）分别为2 088.02、2 106.78和2 121.25 Tg,其中林地碳库占比最大.研究期间碳储量减少的网格单元集中分布在北京、天津、石家庄和唐山等大城市周边,建设用地扩张的区域是碳储量变化最为剧烈的区域.②在建设用地占比10%以上的各等级网格单元区域,建设用地扩张和碳储量变化回归拟合关系良好,两者回归系数均呈现波动上升趋势.③在自然发展、建设用地扩张增速减少15%和建设用地扩张增速减少30%这3种发展情景下,2030年生态系统碳储量（以C计）分别为2 129.12、2 133.55和2 139.10 Tg.2020~2030年建设用地扩张和碳储量变化两者回归拟合效果均明显优于2000~2010年和2010~2020年,回归系数随着建设用地占比等级的增加均呈现波动增加的趋势.在各建设用地占比等级区域,回归系数值均呈现：自然发展情景<建设用地扩张增速减少15%发展情景<建设用地扩张增速减少30%发展情景.在“双碳”目标下,京津冀城市群应优先选择建设用地扩张增速降低发展情景,对建设用地的扩张应优先控制在建设用地占比较高的区域.     

耦合MOP与GeoSOS-FLUS模型的县级土地利用结构与布局复合优化

在自然资源整合不断加强,土地利用结构日趋复杂的形势下,采用单一土地利用结构优化方式难以有效满足区域土地利用合理规划的需求。综合考虑生态文明、乡村振兴、城乡融合等土地可持续利用目标,构建土地利用结构优化与布局优化的集成体系,对提升规划适用性具有积极作用。选取常州市金坛区为研究区,以经济效益与生态效益为优化目标,设置自然演变、经济优先和生态优先三种发展情景,在通过MOP(多目标规划)模型进行土地利用结构优化的基础上,利用GeoSOS-FLUS模型实现土地利用布局优化。结果表明:通过集成MOP和GeoSOS-FLUS模型,采用"结构+约束+布局+准则"研究模式探索县域单元下的土地利用结构布局优化,对调整土地利用结构,优化土地利用空间布局有一定帮助。从案例分析结果看,城镇工矿用地数量在自然演变和经济效益优先情景下分别增加了39%和95%;林地在生态效益优先情景下增加了40%;农村居民点在三种情景下分别减少33%、66%和66%。在三种发展情景下,空间格局都将面临城镇空间与生态空间两级分化的现象,后期区域发展中应加强城乡土地利用与生态保护协调发展,促进空间布局均衡化。     

土地利用变化对赣江流域径流的影响研究

论文以赣江流域为研究区,基于SWAT分布式水文模型及SUFI-2 算法,利用流域DEM、土地利用、土壤、气象等数据,结合GIS和RS技术,对流域土地利用变化的径流响应进行定量分析与研究。结果表明:影响模型模拟效果前3 位的敏感参数分别为ALPHA_BF、CN2、ESCO,得出率定期和验证期的模拟值与实测流量过程拟合程度较优,其R²和Nash-Sutcliffe 效率系数E_{NS均高于0.90,相对误差|Re|均小于3%;流域内1990 年与2000 年土地利用均以林地、水稻田、草地为主,此3 种类型约占流域总面积的85%;在相同气象条件下,两期土地利用情景下的月、年均径流量变化趋势较为一致,2000 年土地利用情景下的年径流量比1990 年略大;相比1990 年土地利用情景,2000 年产水量增加最为显著的区域主要为赣江流域东部、东南部和西南部,建筑用地、水浇地和裸岩面积的增加、林地面积的减少可能是引起产水量增加的主要因素。}     

基于土地利用/覆被动态变化的粤港澳大湾区碳储量评价与预测

土地利用/覆被变化会增加区域碳储量或引发碳损耗,进而影响全球气候.研究湾区土地利用与碳储量变化的影响机制,对区域生态系统保护及社会经济可持续发展具有重要意义.基于InVEST模型和PLUS模型,分析了粤港澳大湾区土地利用与碳储量的动态变化特征及影响机制,进一步模拟预测了2030年3种发展情景（自然趋势情景、建设用地优先情景和生态优先情景）下土地利用类型变化对碳储量的影响.结果表明：(1)2000～2020年粤港澳大湾区的耕地（减少5.38%）和建设用地（增加8.68%）变化最显著,其余用地类型的变化较小.林地作为大湾区的主要用地类型,同样也是重要的碳库,空间上集中分布于东、北、西三面的台地和丘陵地区,碳储存低值区集中于中部平原,以建设用地为主.(2)受不同用地类型相互转化的影响,粤港澳大湾区的碳损失了20.12×106 Mg.耕地和林地面积的减少以及建设用地面积的增加是碳损耗的主要原因.(3)模拟研究发现生态保护措施将有效提高区域碳储量.具体来说,当耕地、林地和草地向建设用地的转化减少20%,湿地和水体向建设用地的转化减少30%时（生态优先情景）,区域碳储量可增加2.58×106 Mg...     

多情景模拟下的新疆生态系统服务价值评估

研究多情景下的新疆土地利用变化及生态系统服务价值（ESV）,探讨区域内最优的土地利用分布格局,对干旱区的可持续发展与土地利用规划具有重要意义。该研究耦合多目标优化和斑块生成土地利用模拟(PLUS)模型对自然发展情景、经济发展情景、生态优先情景、可持续发展情景4种情景下的土地利用需求及空间分布进行预测模拟,采用价值当量法计算新疆未来情景下的生态系统服务价值。结果表明：（1）2000-2020年,新疆土地利用类型以荒地为主,土地利用变化主要表现为耕地的增加和荒地的减少。2035年4种情景下的土地利用变化不同,空间模拟结果整体上扩张趋势一致,局部变化明显。（2）利用PLUS模型对新疆的土地利用变化模拟效果较好,Kappa系数均值达到0.899 1,总体精度均值达到0.954 8,可以有效模拟新疆2035年的土地利用空间格局。（3）2035年自然发展、经济发展、生态优先、可持续发展情景下的ESV分别为18 717.25、17 816.36、19 221.52、18 134.45亿元。加强草地、水域、林地、湿地等生态用地的保护,有利于提高ESV价值总量。可持续发展情景可作为兼顾生态保护和经济发展...     

面向SDGs的城市扩张多情景模拟——以“一带一路”中亚区为例

在全球倡导可持续发展目标（SDGs）的背景下,城市作为人类活动的主要场所,既是SDGs的聚焦区域,更是世界各国落实SDGs的着力点。以“一带一路”沿线中亚五国首都城市区为例,面向SDGs设定发展情景和相应参数,采用Markov-FLUS模型模拟2030年自然发展、生态优先与经济优先情景下的城市发展格局,权衡SDGs与多情景城市格局演化规律,从空间视角协调城市的社会、生态与经济,提供城市发展的决策依据。结果表明：（1）2010—2015年来,研究区均出现建设用地总量增加、生态用地总量减少的现象。（2）未来情景模拟中均表现出由建设用地扩张引致的生态用地破碎化;生态优先情景有效抑制了建设用地扩张;经济优先情景下转化为裸地的土地有所减少,建设用地出现连片扩张。（3）未来城市发展应协调生态保护与经济发展,将生态保护理念融入城市建设,实现国家政策推动土地资源可持续利用,促进实现2030年全球可持续发展目标。     

不同土地利用/覆盖情景下东北沟流域植被生态需水量及其对产流影响

针对京津水源区上游生态环境建设需水与向下游多输水的矛盾现实,基于气象、土壤、土地利用/覆盖(1990年和2009年)数据,应用Penman-Monteith公式估算潜在蒸散量,再用土壤和植被信息对其进行修正,计算了水源区东北沟流域1990年、2009年及其他5种不同土地利用/覆盖情景下的最小生态需水量和适宜生态需水量。结果表明:2005-2009年4-10月潜在蒸散量是715.04 mm;2009年流域植被适宜生态需水量是399.42 mm,最小生态需水量是339.68 mm,比1990年的适宜和最小量分别多122.5 mm、144.5 mm;平水年的降雨均可满足各种情景生态需水要求,其中需水量较大的是情景Ⅲ(草地转化为林地),其适宜需水量达784.69×10⁴ m³,情景Ⅱ(林地转化为草地)的需水量最小,适宜需水量是687.27×10⁴ m³,该情景较适合向下游输水为目的的生态建设,但该情景实施的前提是建立下游向上游的生态补偿机制。     

收缩情境下城市土地利用及其生态系统服务的研究进展

随着国际国内社会经济环境的变化,城市收缩这一新现象逐渐在我国部分城市区域空间中呈现,成为未来新型城镇化转型的挑战之一。在简要梳理城市收缩相关文献的基础上,以土地利用为主线,重点关注收缩情景下的土地利用模拟及其政策、空置土地与城市生态系统服务等方面的相关研究。研究结果表明：（1）当前对城市收缩问题的研究主要集中于人口变动和经济发展维度,对由此引发的土地利用以及生态系统变化关注较少。（2）土地利用模拟在分析和预测收缩情境下的城市土地利用变化上具有较大价值,但不同模型适用于不同研究情景,复合模型将具有更好的解释力。（3）土地利用政策的制定和实施应充分考虑经济社会各方面诉求,绿色空间存储制度是促进收缩城市可持续发展的有力措施。（4）城市收缩产生的空置土地为发展生态系统服务提供了空间,应发展适用于我国城市收缩的生态系统服务评估方法。在我国城镇化进入“存量模式”甚至“减量模式”的背景下,应加大对城市收缩情景下土地利用和生态系统维度的研究,要积极借鉴并整合资源科学、地理学、生态学、管理科学和城市规划等相关学科的研究方法,并紧密结合我国当前城市发展和空间规划所面临的现实问题,促进城市收缩研究的方法创新和收缩城市的可持续发展。     

土地利用类型及其社会经济特征对河流水质的影响

流域尺度上土地利用类型与水体水质之间存在相关关系,这种相关关系同时会受到各种社会经济活动的影响.在自然或半自然区域内,土地利用类型与水质的相关关系比较显著.然而,在城市区域内社会经济活动将会影响土地利用类型与水质的相关关系.为证实这一现象的存在,选取京津地区11个小流域为研究对象,分别从小流域综合分析和小流域聚类分析2个角度,分析土地利用类型及其社会经济特征与河流水质的关系,并以温榆河小流域情景分析进一步探讨社会经济因素对土地利用类型与河流水质关系的影响,结果显示,聚类分析中,半自然区域中小流域的TN、TP、NH4+-N均与土地利用类型相关,而城市区域中小流域的TN、TP、NH4+-N均与社会经济因素相关,社会经济因素的差异改变甚至削弱了土地利用类型与河流水质的相关性,验证了假设现象的存在.因此,在跨域城乡梯度的区域尺度研究水体水质及其影响因素的相关性时,需要综合考虑土地利用类型及其社会经济特征.     

中原城市群区域碳储量的时空变化和预测研究

为了有效评估中原城市群碳储量,运用灰色预测模型获取动态碳密度数据,结合Dyna-CLUE模型和InVEST模型,动态评估2005~2030年土地利用变化下不同情景的碳储量演变特征,以及城市发展对碳储量的影响.结果表明,2005~2020年中原城市群碳储量分别为1689.59×10⁶t、2035.36×10⁶t、2066.34×10⁶t和2093.05×10⁶t,呈现持续增加趋势;2030年经济发展情景、生态保护情景和经济生态协调发展情景下碳储量分别为2162.45×10⁶t、2179.39×10⁶t和2174.28×10⁶t,经济发展情景下碳储量最低,生态保护情景下碳储量最高.碳储量变化与土地利用面积变化密切相关,主要表现为耕地面积的下降导致其碳储量减少约250×10⁶t,林地面积的扩张导致其碳储量增加约103.4×10⁶t,建设用地的扩张导致其碳储量增加约87.77×10⁶t;耕地和草地面积与总碳储量呈较弱的负相关关系,林地、水域、建设用地和未利用地面积与总碳储量呈较强的正相关关系.2005~2030年中原城市群30个城市的碳储量分别为11.38×10⁶t~214.24×10⁶t,碳储量的变化反映出城市土地碳排放在2030年之前已经达到峰值,且经济生态协调发展情景可能更适合未来城市发展的目标.     

东辽河流域土地利用变化对非点源污染的影响研究

采用国际前沿的SWAT模型及CLUE-S模型,基于3S技术和统计分析方法,分析了吉林省东辽河流域土地利用2000~2005年的土地利用动态变化,并借助于Logistic回归结果探讨了2000~2005年土地利用变化的驱动力空间特征;运用2000年和2005年土地利用数据,结合CLUE-S模型,模拟不同预测方案下东辽河流域未来20a土地利用变化情况.在此基础上,应用SWAT模型分别对研究区2025年2种情景下非点源污染负荷进行模拟.结果表明:不同的土地利用条件下,情景2比情景1的多年平均径流减少了12.26mm、泥沙减少了8.4×103t、溶解态氮减少了8.29kg、有机氮减少了9.49kg、总氮减少了8.4kg、溶解态磷减少了8.61kg、有机磷减少了7.18kg、总磷减少了7.18kg,情景2比情景1更能有效的控制非点源污染.     

广东省土地利用驱动下红树林潜在生境预测

为探索土地利用变化对红树林潜在生境分布的影响,融合MaxEnt模型和Dyna-CLUE模型,建立了土地利用驱动下红树林生境变化的定量预测方法.以中国红树林分布面积最大的广东省作为研究区,利用MaxEnt模型模拟红树林在自然条件下的理论适生区,采用Dyna-CLUE模型预测2030年的三种土地利用变化情景,最后将模拟的土地利用格局作为限制条件估算未来可供红树林生境分布的空间.结果表明,2020年广东省红树林潜在生境面积约34531hm²,2030年趋势情景下湿地将减少58.61%,红树林潜在生境面积将退化至24375hm²;可持续发展情景下通过改进土地利用策略并开展一定规模的退塘还湿,红树林潜在生境面积将增加至38125hm²;生态保护情景下,如能开展全面的生态保护和恢复,红树林潜在生境面积可达到47525hm².本研究的研究方法可有效预测不同海岸带土地利用驱动下红树林潜在生境的空间变化.研究结果发现,不同土地利用政策会对红树林潜在生境分布造成明显影响;通过改进政策,可显著提升红树林潜在生境的面积和完整性.本结论可为区域红树林保护与生境修复的空间规划及政策制定等提供科学支持.     

东江下游河网区土地利用变化及其对水体的生态影响

论文以东莞市为研究区域,基于1990、2000、2009年3期遥感影像,采用土地利用变化速率、土地利用转移矩阵及景观指标,分析了近20 a东莞市土地利用变化过程及其对水体的生态效应。研究结果表明:①近20 a东莞市土地利用结构由农业用地、林地为主向城市建设用地为主迅速转变,耕地、园地、林地比例由1990年的23.56%、13.39%和28.73%下降为2009年的11.35%、3.26%和17.39%,与此同时建设用地面积比例则由20.21%增加为53.62%,此外,2000—2009年土地利用变化程度较1990—2000年更为剧烈;②东莞市农业用地面积逐年降低,单位面积化肥施用量减少58.30%,单位面积农药施用减少32.35%,表明农业面源污染在过去一段时间内具有减弱趋势,与此同时城镇建设用地下垫面增加导致的城市非点源污染威胁则逐渐增强,这一情形将随着城市化用地的继续扩展和水体总面积的减少而愈加严重;③东莞市水体景观优势程度逐渐下降,水体受人为干扰强烈。水库、河流缓冲带内建设用地比例明显增加,河道被人工化、渠道化程度增强。综合以上研究结果,东莞在城市化建设中应加强水资源的保护和管理;水污染防治中,在治理点源污染的基础上,加强城市下垫面非点源污染的防控。