基于多情景模拟的伊犁河谷土地利用景观格局分析.pdf
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1、水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.9崔文兵,侯国博,陈万基,等.基于多情景模拟的伊犁河谷土地利用景观格局分析J.水利水电技术(中英文),2023,54(9):1-12.CUI Wenbing,HOU Guobo,CHEN Wanji,et al.Landscape pattern analysis of land use in Yili River Valley based on multi-scenario simu-lationJ.Water Resources
2、 and Hydropower Engineering,2023,54(9):1-12.基于多情景模拟的伊犁河谷土地利用景观格局分析崔文兵1,2,3,侯国博1,2,3,陈万基1,2,3,赵 阳1,2,3,崔 东1,2,3(1.伊犁师范大学 资源与生态研究所,新疆 伊宁 835000;2.新疆伊犁河谷资源植物保护与利用重点实验室,新疆 伊宁 835000;3.伊犁师范大学 生物与地理科学学院,新疆 伊宁 835000)收稿日期:2023-03-01;修回日期:2023-03-29;录用日期:2023-03-29;网络出版日期:2023-04-13基金项目:国家自然科学基金项目(32260272)
3、;伊犁师范大学高级别培育项目(YSPY202209);伊犁师范大学“学实高层次人才岗位”项目(YSXSGG22001)作者简介:崔文兵(2002),男,学士,主要从事土地利用变化研究。E-mail:2330564672 通信作者:赵 阳(1988),男,讲师,硕士,主要从事资源与环境遥感研究。E-mail:327201548 Editorial Department of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.摘 要:【目的】
4、为探索人地协调城镇发展模式,解决绿洲重点经济建设区人地矛盾问题,模拟未来土地利用发展状况尤为重要。【方法】基于土地利用转移矩阵和 PLUS(Patch-generating land use simu-lation,PLUS)模型对 20002020 年期间的伊犁河谷土地利用变化及其驱动因子进行分析,并设置多种发展情景进行模拟。【结果】结果显示:(1)20002020 年伊犁河谷土地利用变化明显,其中草地退化严重,不透水面扩张显著,人地矛盾激烈。(2)各地类变化主要驱动因子差异明显,少数地类单因子主导驱动明显,大部分地类多因子复合驱动作用明显。(3)从 3 种情景模拟结果来看,自然情景以农田和
5、未利用地增加为主,其次不透水面扩张明显;经济发展情景是通过增加不透水面扩张面积来达到最佳经济效益;生态保护情景下草地退化和未利用地扩张得到控制,湿地区域保护加强,实现生态效益显著提升。【结论】对土地利用驱动因子分析,要侧重多因子复合驱动作用的影响。PLUS 模型对伊犁河谷土地利用变化模拟适用性较好,多情景模拟土地利用景观格局未来发展,可为伊犁河谷及地理环境相似的绿洲解决人地矛盾,发展人地协调模式提供理论指导与参考。关键词:伊犁河谷;土地利用变化;PLUS 模型;多情景模拟;人地关系;人地协调模式;生态保护;人类活动DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.09.001开放科学(资源
6、服务)标志码(OSID):中图分类号:K903文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)09-0001-12Landscape pattern analysis of land use in Yili River Valley based on multi-scenario simulationCUI Wenbing1,2,3,HOU Guobo1,2,3,CHEN Wanji1,2,3,ZHAO Yang 1,2,3,CUI Dong1,2,3(1.Institute of Resources and Ecology,Yili Normal University,Yining 8
7、35000,Xinjiang,China;2.Key Laboratory of Plant Resources Protection and Utilization in Xinjiang Yili Valley,Yining 835000,Xinjiang,China;3.College of Biology and Geography,Yili Normal University,Yining 835000,Xinjiang,China)1崔文兵,等/基于多情景模拟的伊犁河谷土地利用景观格局分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期Abstract:Objective
8、 In order to explore the urban development mode of man-land coordination and solve the problem of man-land contradiction in the key economic construction areas of oasis,it is particularly important to simulate the future land use development situation.MethodsBased on land use transfer matrix and Pat
9、ch-generating land use simulation(PLUS)model,land use change and its driving factors in Yili Valley from 2000 to 2020 are analyzed,and a variety of development scenarios are set up for simulation.ResultsThe results are as follows:(1)The land use changes in Yili Valley from 2000 to 2020 are obvi-ous,
10、including serious grassland degradation,significant expansion of impervious surface,and intense contradiction between man and land.(2)There were significant differences in the main driving factors of class change among different regions.In a few land classes,the single-factor driving was obvious,whi
11、le in most land classes,the multi-factor compound driving was obvious.(3)According to the simulation result of the three scenarios,farmland and unused land increase in the natural scenario,followed by the obvious expansion of impervious water surface;Economic development scenario is to increase the
12、impervious surface expansion area to achieve the best economic benefits;Under the ecological protection scenario,grassland degradation and unused land expansion were controlled,wetland protection was strengthened,and ecological benefits were significantly improved.ConclusionFor the analysis of land
13、use driving factors,the impact of multi-factor composite driving factors should be focused.The PLUS model has good applicability to the simulation of land use change in the Ili River Valley,and the multi-scenario simu-lation of the future development of the land use landscape pattern can provide the
14、oretical guidance and reference for solving the contradiction between people and land in the Ili River Valley and oases with similar geographical environment,and developing the human-land coordination model.Keywords:Yili River Valley;land-use and land-cover chang;PLUS model;multi-scenario simulation
15、;man-land relationship;human land coordination mode;ecological protection;human activity0 0 引引 言言土地利用/土地覆盖变化(Land-Use and Land-Cover Chang,LUCC)对区域生态环境变化有着重要影响,是指导建设人地友好关系的基础指标1-2。工业革命以来,随着全球性的社会经济高速发展和参差不齐的工业化与城市化快速推进,人地矛盾加剧,土地利用问题尖锐。伴随着科学技术的发展与全球人地意识觉醒,近年来有部分国家地区进行人地协调化人居环境建设试验,取得显著成效,人地矛盾有所缓解,但是如
16、何科学规划土地利用,兼顾社会与生态环境效益的人地协调发展模式,仍是亟待需要探索解决的社会问题。地理学与计算机信息学的结合,为解决土地利用问题提供了新的思路。通过信息技术结合地理学原理建立 LUCC 相关模型,为深入探索土地变化成因及模拟未来发展趋势,进而分析土地利用变化规律、制定相关建设指导政策提供高效有力的支撑3。目前,土地利用变化模型主要以系统动力学模型4、Logis-tic 回归模型5、FLUS(Future Land Use Simulation,FLUS)模型6、Markov 模型7和元胞自动机(Cellular Automata,CA)相关模型8等为主。由于部分模型不能实现研究区土
17、地利用多情景模拟9,部分难以实现时空间分布动态地模拟多种土地利用类型的斑块变化10,单一模型的局限性突出,耦合两种或两种以上模型可以互补模型不足,满足研究区特征研究,充分发挥模型优势11-12。数量-空间耦合模型在模拟土地利用斑块数量及其在空间上的快速变化表现突出,成为近年来土地利用研究的主流方法。PLUS(Patch-generating land use simulation,PLUS)模型是基于 CA发展起来一种新型非线性土地利用预测模型,它综合了土地利用需求和土地利用竞争效应13,可以更加精准的模拟未来情景下土地利用变化情况。PLUS 模型高精度和全面性的特点得到诸多学者认可。LI等1
18、4基于 PLUS 模型模拟安徽省潜山市土地利用变化对生态系统服务价值的影响及不同情景下的生态系统服务价值。SHEN 等15通过 PLUS 模型对新疆博尔塔拉地区土地利用进行模拟分析并提出新的可持续发展方案。伊犁河谷是中国西北干旱区典型绿洲,其地理环境与周边有明显区别,既是新疆乃至中亚地区的生态调节枢纽,又是承载新疆重要社会经济发展的地理单元16。基于梁迅等17提出的 PLUS 模型,结合土地利用转移矩阵分析,探究伊犁河谷土地利用扩张驱动因子的影响,设置自然发展情景、经济发展情景和生态保护情景,模拟 2020 年至 2030 年伊犁河谷土地利用变化相互作用及空间动态变化,为伊犁河谷城镇建设规划和
19、生态保护政策制定与实施提供一定理论参考。2崔文兵,等/基于多情景模拟的伊犁河谷土地利用景观格局分析水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 9 期图 1 研究区概况Fig.1 Overview map of the study area1 1 材材料料与与方方法法1.1 研究区概况 研究区为位于中国新疆维吾尔自治区西部的伊犁河谷(80 09 42 E84 56 50 E,42 14 16 N445330N),地处丝绸之路经济带北线,是中国西北地区重要城镇聚集地。包括伊宁市、霍尔果斯市、伊宁县、尼勒克县、新源县、特克斯县、昭苏县、察布查尔锡伯自治县、霍城县。河谷地势中间低两边高,南北两
20、侧的天山支脉在河谷东端交汇,使得自西向东的水汽在此被抬升迂回,形成较大范围的地形雨。受特殊地形影响,河谷平原区与山区气候明显不同,平原区气候类型为典型的温带大陆性气候,干燥少雨。南北山区却有明显的高山高原气候特征,高海拔区降水可达 1 000 mm 左右。河谷内丰富的降水和发达的地表径流孕育了繁茂的森林草地,森林广泛分布在山地,中高山主要以雪岭云杉为主的耐寒针叶林18,山麓地带主要以伊犁河谷特有的野生果树和小叶白蜡等落叶林为主,丰富的森林资源使得伊犁河谷成为区域重要生态调节中枢;草地面积占河谷土地总面积约 64%,其中约 86%为可利用草原,优良的水土条件和丰富的草地类型为放牧提供了绝佳条件,
21、使其成为全国著名的优质牧场19。穿境而过的伊犁河及其支流,水量丰富,为灌溉农业提供条件,农田广泛分布在河谷平原区,主要种植作物有小麦、玉米、水稻、棉花、中药材等。河谷常住人口超 450 万人,且逐年呈现增加态势,建设用地和设施用地逐年增加,人口增长带来的用地紧张问题和城市发展引起的用地冲突逐渐成为伊犁河谷人地关系发展的矛头问题。如何应对城市化工业化进程中用地冲突,建设人地协调友好的发展模式成为伊犁河谷亟待解决的问题。研究区概况如图 1 所示。1.2 数据来源及预处理研究需要数据有土地利用数据、气象数据、DEM 数据、土壤类型数据、道路数据和部分社会经济数据。具体数据来源如表 1 所列。表 1
22、数据类型及来源Table 1 Data type and source数 据数据来源GlobeLand30 土地利用数据全球 地 理 信 息 公 共 产 品 官 网(ht-tp:/ 数据中国科学院资源环境与科学数据中心(https:/ 理 空 间 数 据 云(https:/ 级旅游景区新疆维吾尔自治区文化和旅游厅(ht-tp:/ 54 卷 2023 年第 9 期图 2 PLUS 模型情景模拟流程Fig.2 Flow chart of PLUS model scenario simulation 将所有栅格数据按掩膜提取,获取研究区数据。选取 2000 年、2010 年和 2020 年 3 期
23、GlobeLand30 数据,因灌木、湿地面积图斑较小、细碎,结合伊犁河谷土地利用实际情况和王洁宁等13研究分类,将原有 9 种地类重分类为农田、森林、草地灌木、湿地水体、冰雪、未利用地、不透水面 7 类。在 ArcGIS 10.8 软件中对研究区 DEM 数据进行高程重分类和坡度分析,获得研究区高程数据和坡度数据。对道路、河流水系和距县政府驻地距离数据采用欧式距离分析,获得相关栅格数据。将所有数据重采样至相同像元大小,行列对应一致。1.3 研究方法1.3.1 土地利用转移矩阵土地利用转移矩阵来源于系统分析中对系统状态和状态转移的定量描述,能够较好展示不同土地类型之间的转换情况,掌握不同土地利
24、用类型在不同年份发生变化的土地类别以及变化的面积,并通过矩阵形式把各类用地转移面积列出。通过分析土地利用类型的总量变化,可以了解土地利用变化总趋势和土地利用变化结构20。具体表达式为Pij=P11P1nPn1Pnn()(1)1.3.2 基于 PLUS 模型的土地利用变化分析与模拟1.3.2.1 PLUS 模型PLUS 模 型(Patch-generating Land Use Simulation Model,PLUS)是一种基于栅格数据斑块生成土地利用变化模拟的模型,主要 是 由 用 地 扩 张 分 析 策 略(Land Expansion Analysis Strategy,LEAS)和基
25、于多类随机斑块种子的 CA 模型(CA Model Based on Multiple Random Patch Seeds,CARS)两部分组成17。用地扩张分析策略在转换规律的框架支持下,将两期 LUCC 数据输入进行叠加,提取土地利用变化的网络,得到各土地利用类型变化的区域,随机采样取点。然后采用随机森林分类算法,分别探讨各土地利用类型的生长与多种驱动因子的关系,获取每种土地类型的变化概率和惯性概率。基于多类随机斑块种子的 CA 模块依据阈值下降的多类型随机斑块播种机制,通过土地利用类型总体概率,采用蒙塔科卡洛算法,当土地利用的领域效应为 0 时,在各种土地利用类型上产生发展的概率面上产
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