土地利用模型CLUE-S在辽宁省中部城市群规划中的应用

土地利用模型在分析、模拟和预测景观格局和过程中发挥着重要的作用。本文应用CLUE-S模型以辽宁省中部城市群为例,探讨了该模型在规划中的应用。在分析研究区1988—2004年景观格局和景观变化的驱动力基础上,对CLUE-S模型进行了参数设置。根据研究区的实际情况设置了3个规划预案:历史趋势预案、生态保护预案和城市规划预案,分别从2004年一直模拟到2024年;并将城市规划方案的结果与辽宁中部城市群的规划进行了对比,结果表明,CLUE-S模型模拟结果更符合实际情况,是区域规划有力的技术手段和科学支撑,能够对规划结果进行预测和评价。     

县域土地利用变化下生态系统服务价值损益预测——以重庆市巴南区为例

土地利用/覆被变化是全球变化的研究热点,评估县域土地利用变化对生态系统服务价值损益的影响对促进生态环境保护和推动城乡区域协调发展具有重要意义。基于重庆市巴南区2000年以来连续5期遥感影像及CLUE-S模型,量化土地利用变化对生态系统服务价值的影响并预测2020-2030年服务价值损益的时空动态。结果表明2000-2020年巴南区土地利用变化主要表现为耕地持续转化为其他用地类型和林地面积的大幅增长,该趋势将在未来10年内延续。2000-2030年耕地占巴南区面积的比例下降了39.58%,而林地占比将增长28.86%并在2025年后取代耕地成为最主要的地类;建设用地、水域和未利用地面积占比分别增长8.29%、2.25%和0.18%。土地利用类型变化下巴南区生态系统服务价值在2000-2020年由11.69亿元增长到27.64亿元,并将持续增长至2030年的30.19亿元。耕地和林地转化为建设用地、耕地转化为林地（尤其是转化为针叶林和针阔混交林）分别是服务价值损失及增益的主要方式。2000-2030年巴南区生态系统服务价值总损失0.58亿元、总增益19.09亿元,净增益18.50亿元。土地利用结构变化和生态系统服务当量因子价值升高分别贡献了净增益的70.96%和29.04%。巴南区生态系统服务价值损益与地形密切相关。2000-2030年间巴南区生态系统服务价值由匀质分布逐渐形成北低南高的发展格局;价值损益在全局和局域尺度上均呈现出显著的正向空间自相关特性。巴南区现有的土地利用模式能够兼顾经济发展及生态环境保护两方面的需求。未来需要继续实行生态保护工程、合理规划城市用地边界、严守耕地红线以推动城乡区域协调发展。     

中国未来土地利用变化对地上植被生物量的影响

土地利用变化通过改变生态系统结构对植被生物量产生很大影响.采用土地利用动态模型模拟了沿历史趋势情景(未来土地利用面积变化由1988-2005年的历史趋势推衍而来)和规划情景下(未来土地利用面积变化基于国家尺度上的土地利用规划来制定)中国至2030年土地利用变化的时空分布格局,基于此格局并结合密度法估算了植被生物量空间分布.模拟结果表明:沿历史趋势情景下,森林面积将减少,但随着林龄的增长,森林生物量密度增加,至2030年中国植被生物量为14619 Tg,比2005年增加了251.19 Tg;规划情景下,森林面积将增加,至2030年中国植被生物量为15468Tg,比2005年增加了1100Tg.在规划情景下,由于人工林面积较大,林龄普遍较低,导致至2030年植被生物量密度低于沿历史趋势情景,因此规划情景下中国植被作为碳汇的潜力更大.     

基于SLEUTH模型的上海城市增长预测

基于SLEUTH模型,利用1989-2005年高分辨率土地利用数据,模拟4种土地资源保护情景下,2006-2035年上海的城市增长,以及城市化对城市景观格局的影响.结果表明:在各种情景下,城市土地利用类型的面积均呈增长趋势,增量随着保护等级的提高而逐渐减少;城市增长方式主要是边缘增长,扩散增长和道路影响增长出现在郊区,增长主要发生在西北方向,西南和东南方向次之;城市化显著影响城市景观格局,并存在阶段性;早期阶段城市化导致景观破碎化,斑块密度增加,景观多样性和异质性提高;后期阶段,城市化将导致景观多样性和异质性降低,城市景观趋于均质化,加大农田和绿地景观的保护等级将减缓城市化降低景观多样性和增加均质化的趋势.     

基于CLUE-S模型的昆明市域土地利用预案模拟

模型方法在分析、模拟和预测土地利用变化中发挥着重要的作用。本文基于遥感方法得到1986、1996和2006年昆明市域土地利用图,在GIS技术的支持下对CLUE-S模型在地形复杂的昆明区域的适用性进行了评价。在考虑不同政策和发展趋势的影响下,设定了3个预案对昆明市域2007—2020年的土地利用进行了模拟。结果表明:CLUE-S模型在20年的时间尺度内能够较好模拟昆明市的土地利用变化。"历史发展趋势预案"下,作为研究区景观基质的林地面积将不断减少,建设用地和草地面积将不断增加,景观破碎化程度不断加剧;"规划预案"下,建设用地上升最快,耕地和林地面积下降,景观格局破碎化的趋势比历史发展趋势下有所放缓;"生态优先预案"下,林地面积不断上升,耕地和草地面积下降,景观格局将向着优化的方向发展。CLUE-S模型模拟结果能够对区域规划和相关土地利用政策制定提供有力的技术手段和科学支撑。     

基于CLUE-S和InVEST模型的南四湖流域生态系统产水功能对土地利用变化的响应

土地利用/覆被变化对水文过程与水资源利用具有重要影响,是流域生态系统产水功能的驱动力之一.以山东省南四湖流域为研究对象,分析1990—2013年土地利用变化,运用CLUE-S模型预测未来土地利用变化趋势,并基于土地利用变化格局,采用InVEST模型的产水模块和空间制图探讨了近25年、未来城市化增长情景以及流域生态保护管理情景下土地利用变化对产水功能的影响.结果表明: 近25年来,随着南四湖流域城市化进程的加快,城市建设用地增加3.5%,耕地面积减少2.4%,城市用地的增加主要来源于耕地转换;InVEST模型模拟显示,城市建设用地的增加会促进产水,由此引起产水功能在过去25年中先降低后升高,2013年最高达到232.1 mm;CLUE-S模型模拟预测现状增长情景下土地利用变化,按照城市化快速发展的速度,城市建设用地将增加6.7%,由此导致2030年产水量显著增长,流域洪水风险亦会相应升高;湖区周围300 m缓冲区实施退耕还林情景模拟表明,这一生态措施会明显降低流域产水量,较2013年减少1.2%.     

基于RS和GIS的科尔沁沙地南缘章古台地区土地利用变化及其驱动力

利用遥感影像,借助于GIS技术以及数理统计方法,对章古台地区近20年间土地利用变化及驱动力进行了分析。结果表明:1988-2009年间,章古台地区土地利用构成以耕地和林地为主;土地利用类型变化以林地、耕地和建设用地面积的增加和草地、水域及未利用土地面积的减少为特征,其中,草地、建设用地和未利用土地的年变化率大于其他土地利用类型;土地利用程度综合指数由1988年的235.34增至2009年的251.65;土地类型间的转化以草地、未利用土地向林地、耕地转化和耕地与林地间转化为主,占总转化面积的95.58%。章古台地区土地利用变化受人口、政策和自然因素的综合影响,虽然自然因素是决定土地利用变化的重要因素,但在20年的时间尺度上,人口增长和政策引导则是加剧这种变化的主导因素。     

海湾型城市生态系统服务权衡的情景模拟——以福建省泉州市为例

海湾型城市拥有丰富的海陆资源和较大的环境承载力,但人口和产业环绕海湾高密度聚集也让海湾型城市成为典型的生态环境脆弱区.本研究以典型的海湾型城市泉州市为例,基于土地利用数据、气象站点数据、地形数据和统计数据等多源数据,运用Logistic-CA-Markov耦合模型,设置自然情景、规划情景和保护情景,模拟了2030年3种不同情景下泉州市的土地利用及景观格局的变化,并进一步预测和估算了保水、保土、固碳(净初级生产力)和食物供给4种关键的生态系统服务功能及权衡关系.结果表明: 3种情景之下,2030年泉州市的耕地和建设用地面积增加,林地、草地和水体面积有不同程度减少,土地利用的破碎化程度加剧.与2015年相比,除保土服务功能外,泉州市2030年的保水、固碳和食物供给服务功能都出现了不同程度的下降;自然情景下生态系统服务功能的降幅更大,保护情景下的降幅低于规划情景.在保护情景和规划情景下,2030年的保水服务与保土服务、保水服务与固碳服务、保土服务与固碳服务的协同关系均增强,权衡关系减弱.     

三亚市土地利用变化多情景模拟研究

热带区域的城市土地利用变化具有独特特征, 通过多情景模拟可以了解其变化特征及未来的发展趋势, 从而有效引导土地规划, 为区域的可持续发展提供依据。利用FLUS模型, 基于2014和2018年的Landsat遥感影像解译土地利用数据, 结合自然、交通、社会发展及POI等14个变量作为驱动因子对进行土地利用变化模拟。同时, 分别以自然发展、耕地保护及生态控制三种情景模拟预测2030年的三亚市土地利用变化情况。结果表明: FLUS模型模拟精度高, Kappa系数为0.82,总体分类精度为87.17%; 基于三种情景的模拟及比较分析发现, 生态控制情景下林地与水域等生态空间得到保护, 耕地总量条件得以满足, 同时有效遏制了建设用地扩张, 因此基于FLUS模型的生态控制情景较适用于三亚市的未来土地利用发展策略。     

土地利用变化情景下浑河-太子河流域的非点源污染模拟

近年来非点源污染已经成为水污染的主要来源,对非点源污染发生机理和控制方法的研究有着重要的科学和现实意义.为了研究不同土地利用方式对非点源污染的影响,本文基于土地利用变化模型CLUE-S模拟了城市规划、历史趋势和生态保护3个预案下浑河-太子河流域土地利用未来变化.应用SWAT模型对非点源污染进行了模拟研究,并结合实测数据对模拟结果进行了评价.结合两个模型研究了3个土地利用预案下非点源污染对土地利用和景观格局变化的响应.结果表明: SWAT模型在浑河-太子河流域模拟精度较高,该模型在研究区具有适用性.城市规划和历史趋势预案下非点源污染负荷不断增加,城市规划方案下最高,生态保护预案下非点源污染负荷呈不断下降趋势.不同土地利用和景观格局对非点源污染有一定的影响,科学合理的生态建设能够有效减少非点源污染负荷.研究结果可以为流域的非点源污染研究提供案例,为非点源污染防治和最佳管理措施的制定提供科学依据,为相关政策制定提供参考.     

基于元胞自动机的城市空间动态模拟

城市空间动态的模拟与预测可以为城市可持续发展规划与管理提供重要的参考依据。SLEUTH元胞自动机模型在城市空间模拟中较强的适用性和可移植性,该模型通过对历史数据的蒙特卡洛迭代自动寻找城市增长误差最小的参数组合,解决了传统元胞自动机模型中转换规则不易确定的问题。以武汉市为研究案例,运用SLEUTH模型进行了城市空间动态模拟与情景预测。2007年至2011年的城市空间模拟结果显示,模拟结果与实际历史数据可以获得良好的空间匹配度,Lee-Sallee形状指数均在0.6以上,显示SLEUTH元胞自动机模型经过本地化校正后具有较强的适用性和满意的模拟精度。进而,设置了现状趋势、基本保护、严格保护等3种情景对武汉2025年城市空间动态进行了预测,结果显示,各情景模式下城市居住用地均明显增长,农业用地、林地、水域等均有所减少;现状趋势情景和基本保护情景下农田、林地、水域减少的幅度较大,会加剧区域的生境破碎、耕地功能下降、水资源匮乏、湖滨湿地萎缩等生态问题,说明这两种情景不能有效满足城市生态系统健康和可持续发展的需要。严格保护情景下,城市居住用地扩张的程度得到了明显的控制,水域和林地得到了有效的保护,对于重要的自然生态系统组分保护及其服务能力维持可以起到显著作用。     

黑河流域生态系统服务价值预测及权衡分析--以张掖市为例

土地利用变化将改变区域生态系统服务的稳定供给能力,进而对区域生态稳定和可持续发展构成威胁。中国西部地区快速城镇化背景下,扩张的经济发展需求对土地利用变化产生了重大影响。以丝绸之路经济带规划的重要节点城市张掖市为例,基于土地利用变化均衡分析(CGELUC)模型及土地利用动态模拟(DLS)模型,模拟了多情景下张掖市2010-2030年的土地利用变化时空分异特征,并通过生态系统服务价值(ESV)估算、空间自相关分析等方法分析并预测了ESV及其时空演变特征,集中分析了多情景下2030年张掖市ESV各项服务间的权衡与协同关系。结果表明:(1)2010-2030年张掖市土地利用格局变化显著,建设开发情景下城镇建设用地扩张最为剧烈,建设用地增长7.41%,耕地面积减少11.05%;生态保护情景下城镇扩张最为和缓,同时未利用地减少明显,面积降低1088km²,主要向林地、草地、水域等生态用地发生转化。(2)2010-2030年张掖市ESV在基准情景和生态保护情景下分别增长6.43、13.16亿元,建设开发情景则整体仅增加1.53亿元。(3)供给、调节、支持与文化4种单项ESV,基准和生态保护情景下均呈现显著上升趋势;建设开发情景下有3项呈现缓慢的增长趋势,且该情景下供给服务则始终呈现下降趋势。(4)各单项生态系统服务协同关系明显,东南-西北轴线南北两侧区域表现为协同关系,仅有少数区域表现为权衡关系,且供给-文化服务的权衡关系较为明显。本研究可为西部城镇化快速发展地区统筹经济发展与生态保护提供科学方案。     

RCPs气候情景下珠江三角洲地区城市用地扩展的预测与模拟

随着社会经济的快速发展,中国城市规模和数量不断扩大,城市土地利用系统内部变化错综复杂.本研究以珠江三角洲地区城市群为例,研究了在自然环境条件和社会经济条件共同作用下城市化进程中城市用地动态变化的驱动机制,并设计了规划情景和RCPs气候情景,运用决策树元胞自动机模型对这几种情景下珠江三角洲地区城市用地的动态变化进行预测模拟.结果表明: 非农业人口和社会经济的增长对城市化过程起着决定性的推动作用,交通干线在整个城市化进程中始终起着重要的基础性作用,高程较高和坡度较大的区域制约了该地区的城市化进程.随着时间的推移,无论哪种情景,城市用地扩张的态势不变,但扩张速度到一定时间节点将会减缓,不同情景下减缓的时间点不同;规划情景、MESSAGE模式和AIM模式下的城市用地发展速度依次增加,但MESSAGE气候模式下的城镇发展较符合当前的城镇发展态势;城市用地扩张的区域主要集中在广州、东莞、佛山、珠海、深圳、湛江和潮汕等城市化相对较高的区域.
     

多情景模拟下重庆市土地利用变化对生态系统健康的影响

模拟多情景下区域土地利用变化引起生态系统健康状况改变,对优化用地格局和保障区域生态安全具有重要意义。基于重庆市2000-2020年土地利用和生态系统健康动态演变特征,运用生态系统健康模型和斑块生成土地利用模拟(PLUS)模型模拟自然发展(ND)、生态保护(EP)和城镇发展(UD)三种情景下土地利用变化对生态系统健康的影响程度。结果表明:(1)2000-2020年建设用地扩张迅速,耕地面积减少最多,主要向林地和建设用地转移;生态系统健康状况整体呈现向好趋势,但区域差异显著。(2)2030年土地利用类型仍以耕地、林地为主,ND、EP和UD情景的建设用地规模较2020年分别增加63.59%、44.54%和100.13%,中心城区成为建设用地扩张集聚地。(3)2030年ND和UD情景的生态系统健康值较2020年均减小,建设用地增加和林地减少成为其健康退化的重要原因;而EP情景的健康值呈上升趋势,与反映生态系统健康对土地利用变化响应弹性结果相反,可见EP情景下的土地利用优化是实现区域生态系统健康可持续发展的有效途径。研究结果可为研究区生态系统保护管理与土地利用政策优化提供参考依据。     

不同土地利用情景下汾河上游地区碳储量评估

陆地生态系统碳储量对预测气候变化、温室气体排放和减少等具有重要意义,而土地利用格局变化是研究陆地生态系统碳储量的基础,它直接影响陆地生态系统结构及分布情况,进而改变陆地生态系统碳储量。运用SDCLUE-S复合模型模拟了未来不同情景下汾河上游土地利用情况,并采用InVEST模型测算了不同时期下研究区碳储量情况。结果表明:2007—2017年汾河上游草地、未利用地及水体面积减少,耕地、建设用地、林地增加,自然增长情景与生态保护情景下2030年土地利用格局差异较大,耕地、建设用地、林地及水体呈相反趋势发展。2017年汾河上游生态系统碳储量和碳密度分别为58977910.98t和147.54t/hm²,与2007年相比增加了1237143.02t和3.09t/hm²。2017—2030年自然增长情景下汾河上游生态系统碳储量和碳密度显著下降,主要原因是林地、草地面积减少,建设用地增加,生态保护情景下显著增加,碳储量和碳密度分别为59142210.16t和147.95t/hm²。生态保护情景能够有效提高区域生态系统碳储量,但同时要考虑社会经济可持续发展,因此研究区在未来发展规划中应基于生态保护情景,统筹各项资源,保障经济发展。     

闽三角城市群生态安全格局构建及城镇扩展模拟

在快速城镇化背景下，构建生态安全格局并探讨城镇用地扩展格局已成为保障区域生态安全和缓解生态保护与土地开发矛盾的重要手段。以闽三角城市群为例，基于景观安全格局原理和ArcGIS空间分析法，从综合水安全、生物保护安全、地质灾害安全以及游憩安全四个方面叠加构建"底线安全格局-缓冲安全格局-最优安全格局"三种不同安全水平的综合生态安全格局；然后结合SLEUTH模型，将不同生态安全格局情景作为约束条件融入其排除图层，对研究区2015-2030年的城镇用地空间扩展进行多情景模拟。研究表明：①底线安全格局、缓冲安全格局以及最优安全格局的面积为9305.51、7576.28、3482.73 km²，分别占闽三角城市群总面积的36.89%、30.03%、13.81%；②三种生态安全格局情景模拟下城镇用地均呈增长趋势，但增长速度均小于历史用地的增长速度，高安全格局约束下的新增城镇用地面积和增长速度均最小，表明将生态安全格局作为城镇发展的约束条件，在城镇土地开发中能够增强对生态空间的保护力度，维护区域生态安全，控制城镇蔓延。相关研究成果可为城镇开发边界管控与国土空间规划的编制提供技术支撑与决策辅助。     

气候与土地利用变化下宁夏清水河流域径流模拟

气候和土地利用变化是影响水资源变化最直接的因素。应用SWAT模型对干旱半干旱区小流域宁夏清水河流域径流进行多情景模拟预测,以历史气候要素变化趋势和CA-Markov模型分别设置未来气候和土地利用变化情景,以决定系数R2和Nash-Sutcliffe模型效率系数Ens(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient)来衡量模拟值与实测值之间的拟合度,并评价模型在清水河流域的适用性。结果表明,韩府湾站在校准期和验证期的R~2分别为0.80和0.71,Ens分别为0.77和0.69,泉眼山站在校准期和验证期的R2分别为0.66和0.63,Ens分别为0.62和0.56,表明构建的SWAT模型可以用于清水河流域的径流模拟。对未来气候和土地利用变化情景下径流的模拟结果显示,径流变化主要由降水变化主导,降水减少和气温升高的综合作用对流域径流变化影响最为显著;由于耕地和建设用地的增加,未来3种土地利用情景下流域径流量将均会呈现明显增加变化。与2010年相比,到2020年,自然增长情景流域径流将增加17.04%,林地保护情景径流将增加14.44%,规划情景径流将增加13.98%;综合降水、气温和土地利用的结合变化情景显示,未来流域径流将会有不同程度的下降,规划情景和气候变化的结合情景的径流下降最为明显,而有意增大林地和加强生态保护的林地保护情景对减缓流域径流下降具有一定作用。在气候变化的大背景下,根据水资源利用管理目标,可通过调整流域管理措施,特别是土地利用变化和改善区域小气候来减缓气候变化对流域水资源的负面效果,以此来改善流域径流和生态环境状况。