城市土地利用变化对生态系统服务价值影响的多情景模拟——以深圳市为例

深圳市作为粤港澳大湾区城市化水平最高、经济最为发达区域,其快速变化的土地利用方式对生态系统服务价值产生了深刻影响。基于1995—2015年深圳市土地利用和生态系统服务价值(ESV)变化规律,运用FLUS模型与ESV算法,设定自然发展、城市发展、耕地保护和生态保护4种情景,模拟不同情景下土地利用变化对ESV的影响。结果表明：(1) 1995—2015年转出量最高的地类是草地,草地与林地间存在密切相互转化关系,除建设用地外,其余地类均呈“入不敷出”态势;(2) 1995—2015年ESV总价值的下降趋势由迅猛变化为和缓,调节服务是深圳市最主要的生态系统服务功能,其次则是支持服务功能;(3)秉持粤港澳大湾区建设基本原则,以2035年为目标年,设定了自然发展、城市发展、耕地保护和生态保护四种情景,发现自然发展和城市发展的ESV总价值损失量较高,建筑面积的增加和草地面积的大规模减少成为两情景下生态系统服务价值减少的关键。生态保护情景下,虽然ESV总价值减少趋势并未有效遏制,但减少量明显少于其余三种情景,成为未来深圳市土地利用优化的最优情景。     

2030年闽三角城市群土地利用变化对生态系统水源涵养服务的影响

生态系统水源涵养服务作为水资源得以持续的基础和保障,正持续遭受着人类活动的干扰和影响,土地利用变化作为主要的方式之一,对水源涵养的影响广泛而且深远。运用InVEST模型模拟了闽三角城市群2015年和2030年的水源涵养情景,发现到2030年闽三角城市群区域内水源涵养量总体会下降0.24×10⁸ m³;对比发现：土地利用变化对水源涵养的影响主要主要表现在变化面积、变化方向、作用强度以及面积补偿作用四个方面。首先面积变化方面,水源涵养量同用地类型的面积大小正相关,但二者的变化量并不正相关;其次变化方向方面,相比变化为城市生态系统和水域生态系统而言,变化为自然生态系统和农业生态系统的土地利用变化更有利于生态系统水源涵养;再次,土地利用变化对水源涵养产生作用的强度由强及弱以此为林地、其他土地、草地、农田、建设用地、水域及滩涂;最后,面积变化后的补偿作用方面,由于不同用地类型水源涵养能力和面积变化量的差异,由农田、林地、草地及其他土地面积下降导致的水源涵养量损失并不能通过建设用地、水域及滩涂用地类型面积的增加得以完全补偿。     

中国土地利用空间格局动态变化模拟——以规划情景为例

土地利用变化研究在环境可持续发展研究领域中具有重要的地位,其空间分布格局的变化影响到生物地球化学循环、气候变化、生物多样性等。采用土地利用动态变化模型Dyna-CLUE模拟了在规划情景下中国土地利用变化未来空间分布格局。将土地利用类型分为六大类,即耕地、草地、林地、建设用地、水域和其它用地。驱动因子包括地形地貌、气候、社会交通等方面,对动态驱动因子如气温、降水、人口交通等,考虑了其在未来情景下的发展趋势。基于土地利用类型与驱动因子之间的定量关系和土地利用类型之间的转换规则等,模拟出至2020年中国土地利用分布格局。结果表明,至2020年,中国东南部、黄淮海平原、四川盆地等地区耕地面积将增加,东北、西北等农牧交错区、农林交错区和沙漠边缘耕地面积将会呈轻度减少趋势;林地面积将增加1417.91万hm2,主要发生在中国东北部以及西南部水热条件好的地区;中国草地在面积上保持稳定,空间上中东部、东南地区草地面积减少,内蒙古中部,青海东部,四川盆地北缘区和青藏高原等地面积增加;建设用地增加531.76万hm2,主要发生在中国的东部地区。     

权衡生态保护与经济发展的土地利用多情景模拟

从土地利用视角切入,首先对龙门山过渡带的生态服务功能重要性与生态脆弱性进行了综合评价,采用自然断点法将生态服务功能重要性与脆弱性计算值进行分级,以此为基础结合研究区现状已划定生态保护区,划分生态综合评价等级为Ⅴ级的区域为规划约束情景下土地利用限制转换区,划分生态综合评价等级为Ⅳ级、Ⅴ级的区域为生态保护情景下土地利用限制转换区。设置自然发展情景研究区土地利用规律保持2010-2015年不变,规划约束情景在自然发展情景基础上将耕地、林地与水域、草地向建设用地转化的概率分别降低30%、20%与10%,生态保护情景在自然发展情景基础上将耕地向建设用地转化概率降低30%并补充于耕地向林地转化之上,将林地、草地向建设用地转化的概率降低50%。基于多情景土地利用模拟结果,提取待权衡用地斑块,划定生态综合评价结果Ⅴ级、坡度25°、地方林线海拔3500m为判定阈值,结合现状地类、主体功能区划定等因素进行多重逻辑判定,将多情景模拟结果进行集成,权衡判定后的集成方案既能很好地保护生态环境,又能较好兼顾研究区经济发展。     

基于Markov-FLUS模型的饶河流域土地利用多情景模拟分析

流域在不同发展目标定位下的土地利用需求有所不同,科学合理调控土地利用变化是实现流域土地资源高效利用、生态-社会-经济协调发展的重要基石。以饶河流域为例,基于Markov-FLUS耦合模型综合考虑自然人为两方面,选取12类驱动因子,以2005年土地利用数据为初始值,利用2010、2015年实际土地利用类型数据进行验证改正模型,结合惯性发展、耕地保护、生态优先等情景设置,对2035年饶河流域土地利用进行模拟分析,以满足流域不同发展目标导向下的国土空间优化配置。研究结果表明：(1)该模型在饶河流域的适用性较强,模型总体精度达到98.01%,Kappa系数为0.9627,大于0.80,为今后该区域的土地利用模拟提供了方法借鉴。(2) 3种情景设置基本满足饶河流域不同发展诉求,针对不同发展目标,流域土地利用结构变化明显,其中耕地、建设用地变化显著。(3)惯性发展情景、耕地保护情景、生态优先情景下,建设用地扩张趋势分别为39%、16%、12%,表明落实耕地保护、生态优先政策需要加强约束建设用地扩张,进一步调整用地结构以提高土地利用效率。综上所述,基于Markov-FLUS模型对饶河流域土地利用进行...     

基于土地利用模拟预测模型分析的城市绿色空间发展多情景模拟及建设时序研究——以湛江市中心城区为例

城市绿色空间是未来中国城镇战略发展的重要生态空间载体。城市中心城区的绿色空间生态系统服务价值可作为未来城市生态空间规划的重要依据。生态服务系统之间的权衡或协同关系可通过不同土地利用方式和利用强度表征显现。通过对湛江市中心城区绿色空间应用土地利用模拟预测(PLUS)模型进行自然发展情景与国土空间规划情景双情景下2035年土地利用变化模拟,采用当量因子法及热点分析对生态系统服务价值及其高低值在空间上的聚集程度进行分析,与人类活动强度空间分布进行叠置,得出国土空间规划政策下湛江市中心城区城市绿色空间发展优先级分区,优先化解建设用地与绿色空间发展矛盾,为规划政策提供空间政策的量化数据基础,为其可行性实施、时序安排及预期结果提供数据支撑与建议。结果表明：(1)规划政策情景与自然发展情景未来土地利用模拟结果相比,耕地、林地增多,整体水域得到有效保护,建设用地蔓延受到抑制。(2)生态系统服务价值在2035年规划政策情景>2020年实际情景>2035年自然发展情景,分别约为12.22亿元、11.89亿元、10.53亿元,规划政策情境下生态系统服务价值总量较自然发展情景下提升约1.69亿元,...     

基于Markov和CLUE-S模型的敦煌市土地利用/覆盖格局情景模拟

建立Markov过程模型和CLUE-S模型的集成模型,选取海拔、坡度、到河流距离、到道路距离等13个驱动因子,基于敦煌市1996年的土地利用/覆盖变化(LUCC)数据,对2007年的土地利用/覆盖格局进行模拟,模拟效果较好。设置4种情景对敦煌市2018年土地利用/覆盖格局进行预测,揭示不同情景下的土地利用格局变化。情景模拟结果表明:不论是自然发展型情景还是单纯考虑生态保护和经济发展的情景,都仅是单一需求的考虑,不能实现区域又快又好的发展,是不可持续的发展模式。综合发展型情景弥补了上述情景的缺点,比较全面地考虑了生态环境恢复、经济发展等的需要,是一种比较理想的发展模式。     

中原城市群“三生”空间模拟及生态效应评估——基于未来土地利用模拟模型和共享社会经济路径情景

黄河流域高质量发展背景下,加强该流域典型城市群"三生"空间(PLES)时空演变和生态效应具有重要现实意义。以中原城市群为例,基于2010年、2015年和2020年的土地利用数据,耦合未来土地利用变化情景模拟模型(FLUS)、共享社会经济路径(SSPs)和生态环境效应模型,分析了2025-2100年五种SSPs情景下中原城市群"三生"空间的时空演变特征,以及2035年不同情景下的生态环境效应。结果表明:(1)从2025年到2100年,除SSP4情景外,其余4种情景均表现为生产空间面积持续缩减、生活空间面积明显扩张、生态空间面积略有起伏总体缩减。(2) 5种SSPs情景下,"三生"空间的空间分布格局相对一致。城镇生活用地较为聚集呈片状分布,农村生活用地呈点状零散分布。农业生产用地较大,分布均匀。林地和牧草生态用地主要分布在西部和南部,水域生态用地呈东西向带状分布在中原城市群中北部。(3)2035年,研究区生态环境质量空间分布不均衡,呈现"西南高-中部低"特征。中间发展情景(SSP2),生态环境质量略高于其他情景。研究结果对中原城市群的国土空间规划和生态文明建设具有一定的理论和实践价值。     

基于FLUS-InVEST模型的京津冀多情景土地利用变化模拟及其对生态系统服务功能的影响

研究未来不同情景下土地利用变化对区域生态系统服务的影响,可以为城市可持续发展的规划和决策提供有效支持。以京津冀城市群为研究区域,首先利用未来土地利用模拟（FLUS）模型模拟2045年自然发展情景、耕地保护情景和生态保护情景下的土地利用空间分布格局,并结合InVEST模型模拟研究区不同情景下的生境质量、产水量、碳储量、土壤保持量和水质净化服务,在此基础上运用层次分析法构建综合生态系统服务指数（CES）,从空间上反映多种生态系统服务的供给总量,研究不同情景下土地利用变化对生态系统服务功能的影响。研究结果表明：①FLUS模型的模拟精度较高,适用于研究区的土地利用模拟。②在生态保护情景下,除产水量相比2015年下降2.47%外,其他几种生态系统服务均有最大幅度的上升,且这4种生态系统服务在西北山区都出现增加的现象;自然发展情景下,城镇用地和农村居民点的扩张引发了大量的碳储量和生境质量损失;耕地保护情景下,水质净化能力出现最大程度的下降。③自然发展情景下京津冀区域CES的损失最大。CES下降幅度最大的区域主要发生在林地被城镇用地侵占,其次是林地被农村居民点侵占的地区,导致生境质量、碳储量和水质净化能力同时下降;在生态保护情景下,林地的增加促进了多种生态系统服务功能同时提升,京津冀区域的CES大幅提高,表明生态保护情景是最有利于可持续发展的土地利用方案。但同时需注意大量造林可能带来的水资源短缺,要因地制宜保护生态环境。研究结果可以为京津冀城市群可持续发展政策的制定提供参考依据,为研究未来不同政策情景下土地利用变化对生态系统服务的影响提供新思路。     

基于CLUE-S模型的湟水流域土地利用空间分布模拟

基于CLUE-S模型,以青海湟水流域为研究区,分别利用1987年和1996年两期土地利用数据,运用逻辑斯蒂逐步回归方法选择自然和社会经济等18种驱动因子,对湟水流域2007年土地利用空间分布格局进行模拟.在此基础上,构建流域2008-2027年土地利用变化的4种不同情景,并模拟了4种情景下2027年土地利用空间分布格局.研究结果表明:(1)两期模拟总体精度分别达到了88.31％和89.96％,4种Kappa指数均大于0.82,表明CLUE-S模型在湟水流域具有良好的土地利用模拟能力.(2)流域2008-2027年不同情景下,城乡居住建设用地在4种情景下均表现为明显增加,主要沿湟水河谷区域扩展,而3种退耕情景下的坡耕地空间格局模拟结果存在着明显的空间差异,从情景二、情景三到情景四,流域内坡耕地范围逐步减小,林地、草地面积范围增大,退耕部分主要分布在流域东部、西部和北部:东部地区退耕的范围主要是集中在乐都县和民和县;北部地区退耕的范围主要是集中在大通县县城北部;西部地区退耕范围则主要在湟源县县城西北部的湟水河两岸.研究结论可为湟水流域未来土地利用管理、规划及政策的制定等提供参考依据和决策支持.     

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。     

基于遥感影像的城市土地利用生态环境效应研究——以城市热环境和植被指数为例

城市化过程中,农村的土壤、水面以及植被等土地覆被类型逐渐减少,取而代之的是由沥青、水泥以及金属等组成的不透水表面,这个过程导致地表水分蒸腾减少、径流加速、显热的存储和传输增加以及水质降低等一系列生态环境效应,其中最明显的两个特征就是土地覆被的植被减少、城市热岛的出现.而城市土地利用类型及其空间结构的生态环境效应同时又是城市生态学中的关键问题,其研究对优化城市功能分区和城市规划管理以及城市可持续发展等都具有重要意义.以上海市为例,采用Landsat7的ETM＋为基本数据源,首先定量反演了每个像元内的陆地表面温度（LST）和植被指数（NDVI）,然后利用GIS中的空间分析功能,将由于城市土地覆被所形成的生态环境效应综合到土地利用的图斑中来,按照这个思路对城市土地利用的生态环境效应进行研究.分析LST、NDVI在不同土地利用类型之间的差异以及二者之间的定量关系,并引入多样性指数（SHDI）,讨论了不同土地利用的空间组合下,LST和NDVI的空间差异及相互关系.研究结果显示：LST和NDVI具有明显的相关性,LST大的区域对应NDVI一般都较小,反之亦然;中心城市LST表现出热岛效应,而NDVI则为低谷效应.通过Tamhance T2 post-hoc多重比较发现,LST以及NDVI在两两土地利用类型之间的差异不同.从土地利用斑块和类型两种尺度水平上建立了LST和NDVI的定量关系,二者具有明显负相关的线性关系,但在不同土地利用类型上二者关系并不同.其中工业仓储、交通用地与公园绿地、农业用地差异最为显著.它们和SHDI之间的关系揭示,LST与土地利用多样性具有正相关关系,而NDVI则与SHDI呈负相关关系,SHDI越大的地区,LST越大,而NDVI越小.由此,可以将LST、NDVI和SHDI作为三个基本指标,来定量评价城市土地利用类型、结构对生态环境的影响,以此作为城市功能分区中生态环境影响评价的参考.也为高性价比的中等分辨率遥感数据与GIS空间分析方法结合在城市规划中的应用提供了一种新的思路.     

The limitations of assessing impacts of land use changes on runoff with a distributed hydrological model: case study of the Hron River

A distributed hydrological model was applied for estimating changes in a runoff regime due to land use changes. The upper Hron river basin, which has an area of 1766 km² and is located in central Slovakia, was selected as the pilot basin. A physically-based rainfall-runoff model with distributed parameters was used for modelling runoff from rainfall and melting snow. The parameters of the model were estimated using climate data from 1981–2000 and from three digital map layers: a land-use map, soil map and digital elevation model. Several scenarios of changes in land use were prepared, and the runoff under the new land use conditions was simulated. Long-term mean annual runoff components and the design maximal mean daily discharges with a return period from 5 to 100 years under the previous and changed land uses were estimated and compared. The simulated runoff changes were confronted with expert judgments and estimates from the literature. Limitations of the use of distributed models for estimating land use changes are discussed.     

城市土地利用的生态服务功效评价方法——以常州市为例

生态服务功能的产出是生态服务功效,分为正功效和负功效.快速城市化进程严重影响了土地的生态服务功能,导致城市人居生态环境的日益恶化,自然生态系统服务负功效逐渐增加.常州是我国东部沿海快速城市化的典型代表,城市化占用生态用地由此产生了一系列生态环境问题.在GIS和RS技术的支持下,采用网格分析法和复合生态评价的方法,建立了复合生态服务功效的空间评价指标体系,从正负生态功效两方面评价了当前土地利用的复合生态功效.结果表明当前常州市的土地复合生态服务功效64.5％为正功效,35.5％的土地生态服务为负功效.按照当前的城市发展思路,新的土地利用规划将进一步导致自然生态服务正功效的衰退.该研究为城市土地利用规划管理提供了科学思路与决策依据.     

基于GWR模型的土地覆盖与地表温度的关系——以京津唐城市群为例

基于Landsat TM土地覆盖分类数据和MODIS地表温度数据,探讨京津唐城市群不同土地覆盖的地表温度(7日),并采用常用的普通线性回归(OLS)和地理加权回归(GWR)方法分别拟合土地覆盖比例与地表温度的关系.结果表明: 研究区不同土地覆盖类型的地表温度差异明显,人工表面(40.92±3.49 ℃)和耕地(39.74±3.74 ℃)的平均温度较高,林地(34.43±4.16 ℃)和湿地(35.42±4.33 ℃)的平均温度较低;土地覆盖比例与地表温度显著相关,且两者之间的定量关系存在空间非稳定性,地理位置以及周围环境影响的差异是空间非稳定性产生的主要原因;GWR模型的拟合结果优于OLS模型(R_GWR²>R_OLS²),并且GWR模型可以量化土地覆盖比例与地表温度两者关系的空间非稳定性特征.     

土地利用变化对生态系统服务功能的影响——以密云水库流域为例

生态系统服务功能与人类福利息息相关,土地利用变化是生态系统服务功能退化的主要驱动力之一,以人地关系紧张,生态系统服务功能变化剧烈的密云水库流域为对象,分析流域1990-2009年土地利用的变化,采用空间显式的生态系统服务功能评估软件InVEST中的“产水量”、“土壤保持”、“水质净化”模型,研究流域土地利用变化对生态系统服务功能的影响.结果表明1990-2009年密云水库流域土地利用变化剧烈,农田、草地和水体的面积分别减少了30％、48％、61％,林地、建筑用地和裸地的面积增加,增幅分别为30％、230％、282％.随着土地利用变化,生态系统服务功能相应产生着显著变化,研究期内,土壤保持功能和固碳服务分别增加46％和19％,但水资源供给服务和水质净化功能分别减少了3％和25％.农田面积的减少和森林的扩张改善了土壤保持服务,森林面积的增加同时也改善了固碳服务,但会削弱水资源供给服务,建筑用地的扩张会大幅度削弱水质净化功能,为维持和改善流域整体的生态系统服务功能,应加强对森林和建筑用地的控制.其研究为密云水库流域土地利用科学管理决策提供参考.