近30a城市土地利用变化模拟研究进展

城市土地利用变化模拟研究是当前土地科学领域的热点,基于文献综合法、归纳总结法和逻辑推理法,梳理国内外城市土地利用变化模拟的理论研究与实践进展方面的文献,论述研究中取得的成果、不足及未来研究趋势,以期为城市土地利用变化研究及城市土地管理制度的制定和科学决策提供参考.结果表明,城市土地利用变化模拟研究已从单一的数量或空间预测,向多情景、多模型的耦合方式发展;城市土地利用变化模拟的理论体系和模拟方式逐步完善,利益相关者在情景设置、情景模拟和结果验证等过程中的参与度逐步提升;城市土地利用变化模拟研究仍存在局限性,即缺乏全球和局地尺度方面的研究,模拟方式相对单一,模拟结果验证方法尚未成熟,存在过度依赖历史验证的问题.城市土地利用变化研究应聚焦增强模拟模型的可扩展性和可靠性,从而进一步预测和解释土地利用变化的格局和过程,推进情景模拟在决策支持系统中的应用.

基于SD-PLUS耦合模型的陕西省土地利用变化及碳储量多情景预测

[目的]为探讨不同土地利用方式对区域生态系统碳储量的影响。[方法]以陕西省为研究对象,利用SD-PLUS耦合模型,采用国际耦合模式比较计划第6阶段(CMIP6)提出的耦合共享社会经济路线和代表性浓度路线(SSP-RCP)情景,对2030年陕西省的土地利用变化进行预测,然后利用InVEST模型模拟未来不同情景下陕西省碳储量及其空间分布。[结果](1)对构建的SD模型进行历史检验,其误差<5%,PLUS模型模拟的2020年土地利用Kappa指数为0.86,模型精度和可靠性总体符合要求;(2)3种情景下,未来建设用地面积均增加,增长速率从低到高的情景分别为SSP126、SSP245、SSP585;在所有情景下,林地面积均增加,水域面积均保持稳定;草地面积在SSP126情景下有小幅度增加,其他情景下减少;耕地面积3种情景下均减少;(3)3种情景下,陕西省碳储量均减少,关中平原建设用地的扩张占用大量的耕地是造成陕西省碳储量下降的主要原因。[结论]在SSP126情景下,建设用地扩张所占用的生态用地面积最小,碳储量损失最少,该情景同时考虑社会经济发展及生态保护的需要,可为未来陕西省国土资源保护和高质量发展提供参考模式。

快速城镇化地区生态环境质量时空格局演变及对土地利用变化响应——以廊坊市北三县为例

对生态环境质量时空格局及其对土地利用变化的响应进行研究可为区域制定生态保护修复政策提供参考。通过构建遥感生态指数,对廊坊市北三县2000-2020年生态环境质量分布格局分析评价,利用地理加权回归模型探索生态环境质量变化对土地利用变化的响应。结果表明,北三县2000-2020年生态环境质量等级以“良”和“一般”为主,整体呈下降趋势,等级“较差”面积呈快速增长趋势。建设用地变化、土地利用强度变化和生态环境质量变化呈负相关关系,回归系数在空间上呈现较大的异质性;生态用地变化与生态环境质量变化呈正相关关系,回归系数在空间上异质性不强。城镇快速扩张的区域生态环境质量变化对建设用地变化和土地利用强度变化响应最显著。大量耕地向建设用地转变是区域生态环境变化的最主要影响因素,在国土空间规划中应划定城市边界,严格控制建设用地规模,提高集约节约利用水平,确保区域可持续发展。

能源富集区土地利用变化及驱动因素分析——以山西省为例

对山西省土地利用变化及驱动因素研究可以为黄河流域生态保护与高质量发展战略落实提供科学依据。基于1980-2020年7期影像数据,利用土地利用动态度、转移矩阵及地理探测器对山西省土地利用变化特征进行分析并探究土地利用变化影响因素。研究期内最主要的3种土地利用类型为耕地、草地和林地。建设用地动态度最大。耕地、草地及林地三者之间的相互转化最为突出。因子探测结果表明,不同研究时期山西黄土高原土地利用变化的主导因子不同。高程、坡度、土壤类型、人口密度、GDP等5个因子的平均解释力较强。因子间交互作用相对于单因子均有所增强,GDP、人口密度、城镇化等因子与其他因子间交互作用增强最为显著。

皖江城市带近20年土地利用变化及其生态环境效应

分析区域土地利用变化及其对生态环境的影响,能为区域土地利用结构优化及生态环境保护提供理论依据.以皖江城市带为例,基于2000年、2010年、2020年土地利用数据集,运用土地利用转移矩阵模型,分析了该地区土地利用时空变化特征;同时结合生态环境质量指数、网格单元分析方法及土地利用转型的生态贡献率,探究了土地利用变化的生态环境效应.结果表明:(1)皖江城市带土地利用转移主要为耕地和森林之间的相互转移,以及人造地表对耕地的侵占;(2)皖江城市带森林的生态价值重要性最大,最高达到55.29%,人造地表用地的变动对该区域的生态影响较大,生态价值贡献率为28.20%;(3)皖江城市带生态环境质量指数稳定且有下降趋势,区域生态环境质量指数呈现“南高北低”的空间格局;(4)耕地向森林及草地的转换是导致生态环境改善的主要原因,森林转向耕地及耕地转向人造地表是导致生态环境恶化的主要原因.

基于PLUS-InVEST模型的陕南地区土地利用变化多情景模拟与碳储量评估

在PLUS模型中纳入POI驱动因子并利用LASSO回归进行驱动体系筛选与精度验证,设定自然发展、经济保护与生态保护3种情景,利用筛选后的驱动因子模拟2030年各情景下陕南地区的土地利用格局,利用InVEST模型分析2000—2020年陕南地区碳储量的时空分异特征,探讨不同发展情景下土地利用变化对陕南地区碳储量的影响。结果表明:(1)2000—2020年,陕南地区的建设用地面积由23648.49 hm^(2)增长到78000.21 hm^(2),侵占了耕地、林地和草地的生存空间,使其分别减少了39415.05 hm^(2),8787.51 hm^(2)与17476.56 hm^(2),2030年3种发展情景下的建设用地均保持扩张的趋势。(2)在PLUS模型中加入POI驱动因子且利用LASSO算法筛选驱动因子有效提升了模型的精度与运行效率,模型的Kappa系数和OA系数分别提高了2.53%和0.20%,更精准地模拟了建设用地的分布情况。(3)2000—2020年陕南地区碳储量总量呈下降趋势,由2.1887×10^(9)t下降至2.1775×10^(9)t。2030年经济保护情景与自然发展情景的碳储量总量均小于2020年,生态保护情景下的碳储量总量最高,达到了2.1830×10^(9)t。(4)生态保护情景更有利于陕南地区的可持续发展策略,以陕南地区平均碳密度分区分布为基础,可为陕南地区分区发展与区域碳收支平衡提供参考,对未来不同情景下土地利用对区域碳储量的影响和双碳背景下的国土空间规划具有借鉴意义。

基于土地利用变化的湖南省生态服务功能时空变化

生态系统服务会随着土地利用的变化而产生相应的变化。基于1990年、2005年、2018年三期土地利用数据,借助ArcGIS与InVEST模型对研究期限内的生境质量、碳储量、产水量、水质净化、土壤保持5种生态系统服务进行整体评估。研究结果表明:近29年来湖南省土地利用结构基本稳定,林地面积占比最大,未利用地占比最小。各类土地面积变化较小,但是相互转化较为频繁。在5种生态系统服务中,只有水质净化服务功能小幅提升,其余4种生态服务功能均呈现不同程度的下降。其中生境质量、土壤保持服务功能下降速率持续加剧,产水量与碳储量服务功能虽然仍在下降,但是近期下降速率逐渐放缓,呈现好转趋势。

1990~2020年赤峰市土地利用变化及景观生态风险评价

本文以内蒙古赤峰市为研究区域,利用1990、2000、2010和2020年4期土地利用数据分析40年间土地利用的数量变化、空间变化及程度变化分析,在此基础上进行研究区的景观生态风险评价。结果表明:(1) 草地、耕地和林地是研究区主要地类,四个时期草地均占总面积40%以上,耕地和林地的占比分别为22%和14%左右,在研究时期草地转移最大,其次为林地、耕地、未利用地、建设用地和水域。赤峰市各类土地利用重心迁移具有差异性,赤峰市各辖旗县区土地利用程度变化量和变化率均大于0,表明赤峰市整体上土地利用程度加深,处于发展时期,整体土地利用效率不断提高。(2) 景观生态评价方面:赤峰市1990~2020年的生态风险指数平均值分别呈逐年上升趋势,表明随着土地利用结构的变化,研究区生态安全状况趋于恶化。从景观生态风险空间分异来看,研究区生态风险等级主要以中风险区和较高风险区为主。赤峰市1990~2020年的景观生态风险空间分布变化并无差异。整体风险由中心向四周梯度递减,呈“较高–中–较低”的空间分布格局。

基于土地利用变化的洞庭湖生态经济区生态系统服务价值时空演变及相关性分析

土地利用变化是导致生态系统服务价值(ESV)变化的重要原因,以洞庭湖生态经济区为研究区,在3km×3km格网尺度下,基于2000—2020年土地利用变化定量测度洞庭湖生态经济区ESV并分析其时空特征及空间相关性。结果表明:洞庭湖生态经济区土地利用格局总体稳定,耕地、林地以及水域为主要用地类型。耕地在2000—2020年减少规模最大,建设用地始终保持增长态势;2000—2020年,研究区ESV呈先增加后减少趋势,价值总量共增长10.12亿元,水域和林地是ESV主要贡献者。ESV高值区主要集中于中部洞庭湖区及四水流域,四周林地为次高值区;研究区ESV空间分布具有正相关性,存在显著集聚效应,但ESV空间分异效应逐年增强。

基于土地利用变化的长江中游地区生态系统服务供需平衡研究

[目的]揭示生态系统服务供需平衡的时空特征,并进一步探究土地利用变化对生态系统服务供需平衡的双重效应及其影响机理。[方法]选取长江中游地区作为研究对象,引入生态系统服务供需量化矩阵分析生态系统供需平衡的时空格局,并运用土地利用变化生态贡献率模型分析土地利用变化对生态系统服务供需平衡的双重影响。[结果](1)研究期间,长江中游地区生态系统服务供需平衡状况持续恶化,主要是由建设用地大规模扩张和耕地、林地大面积缩减带来的生态系统服务供给能力减少和消费需求增加造成的。(2)长江中游地区不同类型生态系统服务供给间的关系在时间尺度上由权衡转为协同,需求和供给平衡间的协同关系在时间尺度上进一步增强,但不同类型生态系统服务供给、需求和供需平衡间的权衡或协同性质及其程度在空间尺度上却存在高度异质。(3)长江中游地区土地利用变化对生态系统服务供需平衡存在改善和恶化双重效应,且恶化效应显著大于改善效应,但引起生态系统服务及其分项服务供需改善和恶化的土地利用变化类型具有时序异质性。[结论]应促进具有协同改善生态系统服务供需平衡的土地利用变化类型,提升与区域主体生态系统服务功能一致的土地利用类型,以及遏制具有协同恶化生态系统服务供需平衡的土地利用变化类型,以实现区域生态系统服务供需改善。

气候变化和土地利用变化驱动下的生物多样性系统分析新框架

尽管目前已有大量关于生物多样性评估的研究,但同时考虑生物多样性多维评估、多驱动因素对生物多样性变化的影响评估及生物多样性变化中长期动态模拟预测等研究仍相对缺乏,这会引起对生物多样性不同维度变化水平的片面理解,导致生物多样性保护工程管理决策失误。基于此,综述现有生物多样性评估维度、驱动因素及历史评估的研究进展,并基于现有研究存在的局限性提出生物多样性多维评估方法与人地耦合系统下生物多样性模拟模型构建思路,基于此提出气候变化和土地利用变化驱动下的生物多样性系统分析新框架。该框架包括:①生物多样性“潜力-贡献-重要性”多维评估理论与方法构建;②人地耦合系统下生物多样性模拟模型构建;③人地耦合系统下生物多样性预测及生物多样性保护工程效果仿真与管理。该框架可为生物多样性保护工程管理及可持续开展提供科学建议。

浏阳河流域土地利用变化特征及其与关键水文要素的关系

探究流域土地利用类型与水文过程的相互作用关系可为变化环境下流域水土资源管理和旱涝灾害预防提供科学依据。基于浏阳河流域1990-2019年土地利用、降雨以及蒸发数据,采用动态度、新型土地利用变化模型、交叉小波分析等方法,分析了流域土地利用的变化特征及其与关键水文要素的相互关系。结果表明:森林面积占流域总面积的69.12%~76.64%,且呈现减少的趋势,而城镇用地则逐年扩张,土地利用的转移主要发生于森林、耕地和城镇用地之间;新型土地利用变化模型可有效挖掘浏阳河流域土地利用类型转化过程中抑制性和倾向性等深层次特征规律,其中,森林向耕地的转化呈现绝对倾向性的转化特征;年降雨量与流域主要土地利用类型无明显线性关系,而蒸发与森林、耕地和城镇用地均存在较显著线性相关关系,年降雨量、年蒸发量与主要土地利用类型之间的灰关联度指标在0.4982~0.8097范围内变动,非线性相关关系均较为显著;耕地面积的变化会显著促进年降雨量和年蒸发量的变化,而森林面积则受到流域关键水文要素的显著影响。浏阳河流域土地利用类型发生了变化,且土地利用类型与关键水文要素之间相互作用,相互影响,优化流域土地利用模式,可为缓解流域气象水文灾害开辟新途径。

量化气候和土地利用变化对生态资产变化的相对贡献——以房山区为例

生态资产与人类福祉密切相关,开展生态资产评估并定量区分气候和人类活动对生态资产变化的相对贡献,对于评估区域生态文明建设成效、生态补偿、干部离任的自然资产审计等均具有重要意义。在单位面积价值当量因子方法的基础上,重新定义了标准生态服务价值当量因子,并构建了一个能够定量区分气候变化和土地利用变化对生态资产变化相对贡献的方法,以北京市房山区为例,分析了2000年至2019年房山区生态资产的变化,以及气候变化和土地利用变化对生态资产变化的相对贡献,结果表明:(1)房山区2019年生态资产总价值177.14亿元。森林、草地、农田和湿地的生态资产分别占生态资产总价值的82.33%、11.76%、5.25%和0.095%。(2)房山在2000—2019年期间,生态资产总价值增加了2.275亿元,气候变化使得房山区的生态资产总价值增加了2.689亿元,而土地利用变化使得生态资产总价值减少了0.414亿元。(3)房山区生态资产西高东低,其中霞云岭乡生态资产总价值最高;琉璃河镇的生态资产增加最多,而拱辰街道下降最显著。过去20年是房山区社会经济快速发展的时期,由于气候变化和生态保护与修复使得生态资产增加,抵消了由于建设用地扩张所带来的生态资产损失。

气候和土地利用变化情景下闽江流域水沙变化模拟

[目的]模拟未来土地利用和气候影响下的流域水沙变化有利于制定适合的流域管理计划。[方法]基于土地利用和气象数据,结合CMIP6气候模式数据、PLUS模型和SWAT模型,定量模拟2030年土地利用及不同气候情景下径流和泥沙的时空变化。[结果](1)SWAT模型在闽江流域月尺度模拟精度较好,其中径流模拟的R 2范围为0.80~0.95,NSE范围为0.75~0.91;泥沙模拟的R 2范围为0.75~0.98,NSE范围为0.64~0.94。(2)利用2020年土地利用数据对PLUS模型进行精度评估的Kappa系数为0.77,模拟2030年闽江流域建设用地和耕地将分别增加325.64,1157.51 km^(2)。(3)SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下,2025-2035年平均降水量分别增加0.15%和2.18%,年平均气温分别增加0.23,0.62℃。(4)低碳情景和高碳情景下,仅土地利用变化导致年平均径流量相较于基准期分别增加0.08%和0.07%,年平均输沙量分别增加0.24%和减少0.05%;仅气候变化导致年平均径流量相较基准期分别减少4.76%和4.11%,年平均输沙量分别增加18.12%和0.13%;土地利用和气候综合影响导致年平均径流量相较于基准期分别减少4.57%和3.93%,年平均输沙量分别增加18.28%和0.33%。(5)未来气候和土地利用综合变化情景下,地表径流和产沙量较高且增幅较大的区域集中在以南平邵武市为中心的流域西北部和以三明将乐县为中心的流域西南部。[结论]研究结果为未来闽江流域的合理开发建设提供一定参考依据。

基于文献计量学的近40年土地利用变化研究综述

土地利用变化反映了气候变化与人类活动之间的复杂相互作用,并与生物多样性、地表能量平衡、大气循环和碳循环等各种陆地过程密切相关。以中国知网平台为文献数据源,利用CiteSpace文献计量学软件,分析了1980—2022年以土地利用变化为主题的学术论文。结果显示,2002—2009年关于土地利用变化的论文发表量明显增加,并且在2020年和2021年突破600篇/年。中国科学院地理科学与资源研究所、北京师范大学和南京大学等是主要的研究机构,《水土保持研究》《安徽农业科学》和《水土保持通报》等知名期刊的发文量较多。研究热点主要包括土地利用变化的驱动力和机制、生态环境效应、经济社会影响、空间模式与规划研究等方面。最后,探讨了土地利用变化研究中存在的问题,提出了加强数据收集与处理、探索新型有效的研究方法、综合考虑各种影响因素以及强化可持续发展观念在土地利用变化研究中的应用等建议。研究结果可为土地利用变化与可持续发展等相关研究提供参考。

基于SWAT和PLUS模型的窟野河流域径流对土地利用变化的响应及预测

[目的]为揭示窟野河流域径流对土地利用变化的响应,并预测未来径流变化。[方法]以窟野河流域为研究区,基于SWAT和PLUS模型,通过2000年、2005年、2010年、2015年、2020年和预测得到的自然发展情景下2025年、2030年7期土地利用数据,定量分析径流在不同土地利用情景下的变化。[结果](1)SWAT模型率定期和验证期的R 2和NS均>0.7;PLUS模型总体精度为0.8774,Kappa系数为0.8021,2个模型在窟野河流域适用性较好;(2)2000—2020年,窟野河流域林地、建设用地面积分别增加102.92,600.90 km 2,耕地、草地、水域和未利用地分别减少277.15,366.25,40.44,19.98 km 2;(3)窟野河流域年平均径流深整体呈现“上游低,下游高,西部低,东部高”的空间分布格局;(4)在保证其他输入数据不变的情况下,改变土地利用数据,情景分析结果表明,林地、草地面积减少会促进径流,建设用地面积增加同样会促进径流;(5)自然发展情景下,2025年和2030年窟野河流域土地利用空间分布格局未发生显著变化,仍以耕地和草地为主,年平均径流量较2020年分别增加3.21%,5.00%。[结论]土地利用与径流变化关系密切,情景分析角度下,林地、草地对径流起抑制作用,建设用地对径流起促进作用。未来自然发展情景下,随土地利用变化,径流呈增加态势,研究结果可为窟野河流域的土地利用结构优化和水土资源的合理规划提供科学依据。

融入功能分区的土地利用变化多情景模拟——以福建南平市建阳区为例

土地利用变化多情景模拟是合理配置土地资源的重要依据。已有研究通常聚焦于省级、城市群等较大尺度区域,较少关注南方山区城镇土地利用变化及其面临的生态安全约束。本文以福建省南平市建阳区为研究区,应用RSEI-MCR-PLUS耦合模型,将生态约束下的土地功能分区融入土地利用变化模拟,分析惯性发展、经济发展优先、生态保护优先、可持续发展四种情景下2030年建阳区土地利用空间格局。结果表明:(1)建阳区内适宜开发区、缓冲开发区、限制开发区、生态缓冲区和生态保护区面积占比分别为3.17%、27.94%、26.73%、25.68%和16.48%,各功能区以适宜开发区为中心空间上呈环状分布。(2)惯性发展情景下,建设用地呈现多点扩散,土地资源利用效率相对低下;经济发展优先情景下,新增建设用地侵占林地和耕地,加剧空间冲突;生态保护优先情景下,土地资源利用效率低下,并限制经济快速发展;可持续发展情景下,建设用地呈组团式发展,生态系统得到保护,土地资源配置更为合理。本成果可为合理配置土地资源、优化山区国土空间开发保护格局提供科学参考。

国家重点生态功能区生态系统服务价值对土地利用变化的时空响应

【目的】研究国家重点生态功能区用地结构转变对生态系统服务功能的影响,对编制地方经济社会发展计划和调整国土资源合理配置有重大参考价值。【方法】利用安徽省太湖县2000、2010、2020年3期土地利用数据,建立转移矩阵分析土地利用变化规律,在600 m×600 m格网尺度下计算生态系统服务价值的空间定量,并运用空间自相关探究生态系统服务价值对土地利用变化的时空聚集特征与冷热点分异规律。【结果】(1)2000—2020年太湖县土地利用面积变化的速度总体缓慢,建设用地增长了1.43%,耕地减少了1.00%,草地、林地、耕地面积逐年下降,建设用地逐年增加;(2)土地利用综合变化指数高于0,全县的土地利用变化结构正处于成长期;(3)20 a来,太湖县各土地利用类型的生态系统服务价值均出现一定程度的下降,其中水域和林地对研究区生态系统服务价值总量的贡献率最高;(4)土地利用变化对生态系统服务价值空间分布呈正相关,以低-低聚集区和高-高聚集区为主,随着土地利用结构的改变,集聚的相关度也随之增加。从冷热点分布状况看,太湖县生态系统服务价值变化量在总体上呈现“中热北冷,南部冷热分异明显”的分布特征。【结论】太湖县不同土地利用类型生态系统服务价值的数量和空间分布差异明显,需要关注水体面积保护与南部建设用地扩张两者的土地资源配置优化问题,加强对土地利用结构的优化和生态用地空间格局的提升。

哈密市土地利用变化对生态系统碳储量的影响研究

基于InVEST模型评估1990—2020年哈密市碳储量变化及其对土地利用变化的响应,运用最优参数地理探测器模型分析碳储量空间驱动因素,并采用PLUS模型预测2040年生态系统碳储量。结果表明,1990—2020年哈密市耕地、草地、建设用地面积增加,未利用地、林地、水域面积减少,生态系统碳储量共增加3855.93×10^(4) t,呈现中间高、四周低的空间分布特征,土地利用与人为干扰指数是主要驱动因素。未利用地向草地转移是碳储量增加的主要原因,生态用地向建设用地和未利用地转移是碳储量减少的主导因素。2040年哈密市生态系统碳储量预测值为50525.62×10^(4) t,伊州区和巴里坤县为未来碳储量主要增加区。

基于SDG15.3.1的土地利用变化对生态系统服务价值的影响

[目的]可持续发展目标15.3.1是表征土地退化的重要指标之一,探析土地利用变化和生态系统服务价值(ESV)对可持续发展目标15.3.1的影响是改进土地退化的关键因素。基于土地利用及碳储量变化对SDG15.3.1指标制定新的评价规则,并对SDG15.3.1完成情况进行评估。[方法]采用等效因子法计算生态系统服务价值,以定量分析土地利用变化对ESV的影响。[结果](1)研究区土地利用类型转换频繁,主要表现为高林地、水体和建设用地增加,耕地、草地和灌木林减少,未利用地基本保持不变。(2)ESV在空间上呈中间高、四周低,西部高、东部低的分布格局;2000-2020年总ESV损失7.32×10^(8)元。其中,2000-2010年,土地退化区域的ESV损失3.03×10^(9)元;2010-2020年,土地退化区域的ESV损失2.28×10^(9)元。(3)根据SDG15.3.1评估结果显示,2000-2010年和2010-2020年SDG15.3.1指标分别为5.22%和4.77%,而土地净恢复面积分别为-1.62×10^(5) hm 2和-2.4×10^(5) hm 2。SDG15.3.1指标的完成情况有所提高,但仍未实现土地退化零增长目标。[结论]研究结果为高原城市群在实现可持续发展目标15.3.1过程中土地利用变化对生态系统服务价值的影响提供参考。