基于PLUS模型多情景分析的土地利用变化及生态系统服务价值评估——以福州市为例.pdf
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1、2023 年 6 月第 3 期198209甘肃农业大学学报 JOURNAL OF GANSU AGRICULTURAL UNIVERSITY第5 8卷双 月 刊基于 PLUS 模型多情景分析的土地利用变化及生态系统服务价值评估以福州市为例周道媛,王娟,周凤娟(信阳农林学院,河南 信阳 464399)摘要:【目的】开展不同发展情景下土地利用变化的模拟及其引起的生态价值变化研究,对促进土地科学开发利用、构建生态系统安全具有重要意义。【方法】本研究以福州市为例,基于 20002030年土地利用数据,运用PLUS模型进行自然发展、耕地保护和生态优先3种情景下的土地利用模拟,再采用价值当量因子法分析不同
2、情景下的生态系统服务价值(ecosystem services values,ESV)变化。【结果】运用斑块生成土地利用变化模拟模型(patch-generating land use simulation model,PLUS)对福州市2030年土地利用变化类型进行模拟的效果较好,其总体精度为80.47%,Overall值为0.92,FOM值为1.64,说明该区域内PLUS模型具有一定的普适性;自然发展情景、耕地保护情景、生态优先情景下,建设用地扩张趋势分别较2020年增加了14.33%、10.50%和10.61%,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
3、提高土地利用效率;2020年实际情景下的ESV为2 407.96亿元,2030年自然发展情景、耕地保护情景、生态优先情景下的ESV分别为2 216.62亿元、2 247.32亿元和2 254.89亿元,表明一定程度限制生态用地的流出以抑制建设用地无序扩张是维持生态环境的重要保障;生态价值敏感度小于1,表明福州市ESV对生态系数缺乏弹性。【结论】福州市不同土地利用变化类型对生态系统服务价值具有不同的影响,根据不同的土地利用变化及生态系统服务价值评估,科学开展生态建设和恢复,对福州市土地资源可持续利用和高质量发展具有重要意义。关键词:PLUS模型;土地利用变化;多情景模拟;生态系统服务价值;福州市
4、中图分类号:X321;X36;X37 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1003-4315(2023)03-0198-12Evaluation of land use change and ecosystem service value based on multi-scenario analysis of PLUS modelwith Fuzhou City as an exampleZHOU Daoyuan,WANG Juan,ZHOU Fengjuan(Xinyang Agriculture and Forestry University,Xinyang
5、464399,China)Abstract:【Objective】The study is conducted to carry out the simulation of land use change and explore the resulting ecological value change under different development scenarios,which is of great significance for promoting scientific development and utilization of land and the security
6、of ecological system.DOI:10.13432/ki.jgsau.2023.03.025第一作者:周道媛,硕士,助教,研究方向为风景园林规划与设计。E-mail:收稿日期:2022-11-14;修回日期:2023-02-14第 3 期周道媛等:基于PLUS模型多情景分析的土地利用变化及生态系统服务价值评估【Method】With Fuzhou as an example,based on the data of land use from 2000 to 2030,the PLUS model is used to simulate land use under three
7、 scenarios,i.e.,natural development,cultivated land protection and ecological priority,followed by analyzing the change of ecosystem service value(ESV)under different scenarios by using the method of value equivalent factor.【Result】It is effective to simulate the types of land use change in Fuzhou i
8、n 2030 by using the Patch-generating Land Use Simulation Model(PLUS).Its overall accuracy value was 80.47%,Overall value is 0.92,and the FOM value is 1.64,indicating that the PLUS model used in this area had a certain universality.Under the natural development,cultivated land protection and ecologic
9、al priority scenarios,the trend of construction land expansion increased by 14.33%,10.50%and 10.61%,respectively,compared with year 2020,indicating that the implementation of both cultivated land protection and ecological priority policies needs to strengthen constraint on the expansion of construct
10、ion land,and further to adjust land use structure in order to improve land use efficiency.The ESV in the realistic scenario was 240.796 billion yuan in 2020,and in 2030,the ESVs under natural development scenario,cultivated land protection scenario,and ecological priority scenario will be 221.662,22
11、4.732,and 225.489 billion yuan,respectively,indicating that limiting the outflow of ecological land aimed to restrain disorder expansion of construction land is an important guarantee for maintaining ecological environment.The value of ecological sensitivity was less than 1,indicating that the ESV o
12、f Fuzhou lacks elasticity to the ecological coefficient.【Conclusion】Different types of land use change in Fuzhou have different impacts on the value of ecosystem service.According to different land use change and ecosystem service value assessment,scientifical construction and restoration of ecology
13、 is of great significance for sustainable use and high-quality development of land resources in Fuzhou.Key words:PLUS model;land use change;multi-scenario simulation;ecosystem service value;Fuzhou City当前,我国社会经济迅速发展的同时,生态环境危机也日趋严重。在人类活动导致的生态环境问题中,受人类支配的土地利用变化过程对区域生态安全起着决定性作用1。因此,如何协调好社会经济发展与生态环境保护间的关
14、系,是当前亟待解决的问题。2018年习近平总书记提出“绿水青山就是金山银山”的生态理念,阐述了生态环境保护与经济发展之间的关系,揭示了保护生态环境就是保护生产力、改善生态环境就是发展生产力的道理,指明了实现发展和保护协同共生的新路径。党的十九大报告和2022年出台的中央一号文件均强调了生态文明建设的重要性。2016年6月,福建省成为全国首个生态文明试验区,作为福建省的省会城市,福州市勇当排头兵,始终坚持绿色发展理念,大力推进生态文明建设,积极努力实现生态环境高颜值与经济发展高质量齐头并进。2019年福州市环境空气质量综合指数在全国168个重点城市中排名第六,连续6 a位居省会城市前三。但长期积
15、累的环境矛盾正集中显现,经济发展与生态保护之间的矛盾越发凸显,生态环境保护形势依然严峻。基于此,本文以生态资源丰富和生态价格显著的福州市为例,从多情景模拟福州市未来土地利用变化的角度出发,探讨不同情景下土地利用变化及其生态系统服务价值(ecosystem services value,ESV),对推动社会经济可持续发展和维护区域生态安全具有重要的意义。当前,学术界对土地利用变化模拟以及ESV研究方面取得了丰硕的成果2。其中,土地利用模拟与预测可通过多种模型实现,元胞自动机(cellular automata,CA)作为诸多模型构建的基础,得到广泛的应用并在其基础上优化改进,开发衍生出模拟精度更
16、 高 的 模 型,如 Logistic-CA3-4、CLUE-S5-6、FLUS7-8等模型。相对于以上模型,PLUS模型通过引入用地扩张分析策略和多类型随机斑块种子生成机制可以很好地适用于大尺度和多地类复杂演变综合模拟,同时具有更准确的模拟精度、数据处理快等优势。王佳楠等9利用Markov-PLUS复合模型199甘肃农业大学学报2023 年对2040年柴北缘土地利用变化进行预测和模拟;马瑞等10耦合GMOP与PLUS模型模拟了昌吉回族自治州自然发展情景下未来土地利用格局变化趋势;Zhang等11采用PLUS模型结合多元线性回归和马尔科夫链模型对2050年福建三角洲地区的景观格局进行预测,以上
17、研究表明PLUS模型具有良好的适用性。生态系统服务价值评估是生态建设的代表性指标之一,早在20世纪90年代,国内外学者就对其展开了大量的研究12-13。核算ESV最常用的方法为价值当量因子法和功能价值评估法。其中,价值当量因子法由美国学者Costanza等在 Nature 上发布的研究成果并得到推广,该方法通常用于较大尺度的生态系统评价,是基于不同生态系统功能的基础上,通过对每一类生态服务功能进行标准量化,从而构建出不同类型的服务功能价值当量系数,并对区域生态系统分布进行评价的一种方法14-15,而功能价值法是对生态系统服务的功能逐项估价,常见于小尺度区域的ESV评估16-17。从已有研究成果
18、中发现,较多学者基于一般情景对ESV进行评估,基于多种情景视角的ESV评估相对比较薄弱。如王波等18以19802018年银川市的土地利用数据为基础,核算了其生态系统服务价值及其驱动因子。但单一情景下的ESV无法揭示在自然发展和社会政策影响下的ESV之间的差别。基于此,本研究以优化土地利用空间结构和协调经济社会发展与生态环境保护为目标,采用通过遥感影像解译出的2000年、2010年和2020年福州市土地利用数据,运用PLUS模型并结合自然发展、耕地保护、生态优先等情景设置,对2030年福州市土地利用变化进行模拟,同时通过价值当量因子法评估3种情景下福州市的ESV并进行对比分析,以期为福州市优化土
19、地利用结构以及生态环境保护提供参考和依据。1研究区域与数据来源1.1研究区概况福州市是福建省的省会城市,是福建省政治、经济、文化中心,探讨其土地利用变化与生态价值变化在东南沿海城市中具有一定的典型性。福州市地处N 2515 2639、E 11808 12037,位于福建省东部闽江下游,与台湾省隔海相望,总面积为1.19104 km2,气候湿润,年平均降水量为9002 100 mm;年平均气温为2025。福州市居于亚太经济圈中国东南的黄金海岸,属于典型的河口盆地,境内地势自西向东倾斜,山地丘陵占全市土地总面积的72.68%。区域内植被丰富,林地面积为7 792 km2,占全市总面积的65%。福州
20、市下辖6个市辖区、6个县、代管1个县级市,截止2019年末常住人口约为780万人,国内生产总值为9 392.30亿元,位于全国城市前列。1.2数据来源研究数据主要包括福州市的土地利用数据、DEM数据和基础地理信息数据3类。土地利用数据来源于武汉大学遥感与信息工程学院黄盺教授团队公 布 的 数 据 集(http:/doi.org/10.5281/zenodo.4417810),分辨率为30 m30 m,在此基础上将数据集转化为矢量并进行编辑,最后重新划分用地类型为耕地、林地、未利用地、草地、水域、建设用地类(图1);DEM数据由地理空间数据云(http:/)平台获取,并在其基础上提取出坡度和坡向
21、数据,分辨率为30 m30 m;距河流、省道、县道、普通道路、乡村和乡镇等距离以欧式距离进行度量。具体数据及其来源如表1所示。表1数据列表Table 1Data list类别CategoryLULCDEM数据基础地理信息数据数据Data土地利用数据高程、坡度、坡向路网、河流、乡村、乡镇分辨率Resolution30 m30 m矢量数据数据来源Data source武汉大学遥感与信息工程学院黄盺教授团队公布的数据集(http:/doi.org/10.5281/zenodo.4417810)地理空间数据云(http:/)各县市自然资源局、江西省土地整理中心,并基于ArcGIS10.6.1 软件进行
22、距离分析得到200第 3 期周道媛等:基于PLUS模型多情景分析的土地利用变化及生态系统服务价值评估2研究方法2.1PLUS模型1)模型简介 斑块生成土地利用变化模拟模型(patch-generating land use simulation model,PLUS)是一个以元胞自动机为基础的新模型。该模型首先通过提取两期土地利用变化将各类用地扩张的部分,并从增加部分中采样,采用随机森林算法获取各类用地的发展概率,其次基于轮盘赌的自适应惯性竞争机制获取土地利用变化综合概率,最后基于多类随机斑块生成和阈值递减机制实现斑块的自动生成。2)驱动因子的选取 土地利用变化是自然人为复合驱动下产生的一个复
23、杂动态的过程,参照研究区的实际情况与土地利用模拟相关研究成果,本文从自然(坡度、坡向、高程)、人为(河流距离、省道距离、县道距离、普通道路距离、乡村距离和乡镇距离)两个方面选取了9种驱动因子。3)邻域权重参数的设定 邻域权重的取值范围为01,其值越大,表明邻域影响越大,即该地类扩张能力越强。本研究以福州市2000年和2010年两期的土地利用数据为基础,根据王保盛等19学者提出的邻域权重参数方法,计算其扩张强度。可得邻域权重参数具体如表2所示。4)精度验证 本研究以2000年和2010年为基础预测2020年的土地利用数据,并将2020年预测值与真实值进行精确度验证,可得其总体精度为80.47%,
24、Overall值为0.916 806,FOM值为1.64,表明该模型精度较高,可用于福州市2030年土地利用模拟。2.2情景设置人类社会发展对土地的需求变化是土地利用空间变化的重要影响因素,不同区域发展需求决定了土地利用空间发展的地位,设置多种情景下的土地利用模拟预测,以期为决策者提供不同决策视角,辅助对未来土地利用空间变化进行更为科学的判断,对人地关系自然和谐、社会经济稳定发展具有重要的意义。为应对福州市不同发展需求,建立符合目标的福州市城市规划,本研究分别设置自然发展情景、耕地保护情景和生态优先3种情景,结合福州市实际土地利用现状来模拟福州市土地利用变化。具体情景设置如下。1)自然发展情景
25、 自然发展情景即不考虑人类计划与政策的影响,仅依照历史条件下的土地利图120002020年福州市土地利用空间分布Figure 1Spatial distribution of land use in Fuzhou City from 2000 to 2020表 2邻域权重参数Table 2Neighborhood weight parameters土地利用类型Land use type邻域权重Neighborhood weight耕地Cultivated land0.474 095林地Forest land0.004 47未利用地Unutilized land0.020 317草地Grassl
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