基于InVEST-PLUS模型的郑州市碳储量时空演变及空间自相关分析.pdf

第4 3卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持通报B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.4 3,N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 1 修回日期:2 0 2 3-0 5-2 7 资助项目:河南省科技攻关项目“韧性城市理念下基于气候适应性的景观基础设施规划设计方法与技术研究”(1 8 2 1 0 2 2 1 0 1 7 7)第一作者:孙一帆(1 9 9 8),女(汉族),河南省洛阳市人,硕士研究生,研究方向为生态服务功能评估及城乡规划与设计。E m a i l:s y f 0 6 1 2g s.z z u.e d u.c n。通信作者:汪霞(1 9 7 4),女(汉族),四川省简阳市人,博士,教授,主要从事可持续发展的城市规划理论与方法研究及景观生态规划。E m a i l:w x 1 2 0 8 z z u.e d u.c n。基于I n V E S T-P L U S模型的郑州市碳储量时空演变及空间自相关分析孙一帆,徐梦菲,汪 霞(郑州大学 建筑学院,河南 郑州4 5 0 0 0 0)摘 要:目的陆地生态系统碳储量的主要驱动因素之一是土地利用变化,以“过去现在未来”的逻辑,分析河南省郑州市土地利用与碳储量时空演变之间响应关系,为实现城市的生态安全可持续发展提供参考。方法首先基于G I S和I n V E S T模型,对2 0 0 52 0 2 0年碳储量时空分布进行定量评估,然后结合P L U S模型,模拟2 0 5 0年自然发展情景和生态保护情景下土地利用和碳储量时空变化特征;并辅以莫兰指数和热点分析在格网尺度下评估其空间关联程度。结果2 0 0 52 0 2 0年,耕地不断调整为建设用地,累计转入10 0 4.9 8k m2,致使郑州市土地利用结构发生显著变化,生态保护情景下生态用地减少趋势相对自然发展情景得到较好改善。受城镇化快速扩张的影响,2 0 0 5,2 0 2 0年郑州市碳储量分别为6.5 91 07,5.6 71 07t,1 5a间高碳密度地类用地转移,碳储量空间分布呈“西高东低,南北中等,中部低”的特点,自然发展情景和生态保护情景下碳储量变化分别减少了8.2 71 06t和1.8 01 06t,其中耕地发挥着重要碳汇作用。碳储量空间分布上具有集聚性,冷热点分布不均,生态保护情景下热点破碎化程度缓和。巩义市和登封市始终为碳储量集聚程度较高区域。结论碳储量时空分布特征与土地利用结构变化密切相关,郑州市未来土地利用规划应适当采取生态保护措施,优化土地利用格局,增强生态系统固碳能力。关键词:碳储量;土地利用变化;空间自相关;热点分析;河南省郑州市文献标识码:A 文章编号:1 0 0 0-2 8 8 X(2 0 2 3)0 5-0 3 7 4-1 1 中图分类号:X 3 2 1,F 3 0 1.2文献参数:孙一帆,徐梦菲,汪霞.基于I n V E S T-P L U S模型的郑州市碳储量时空演变及空间自相关分析J.水土保持通报,2 0 2 3,4 3(5):3 7 4-3 8 4.D O I:1 0.1 3 9 6 1/j.c n k i.s t b c t b.2 0 2 3.0 5.0 4 3;S u nY i f a n,X uM e n g f e i,W a n gX i a.S p a t i a l-t e m p o r a le v o l u t i o no fc a r b o ns t o r a g ea n ds p a t i a la u t o c o r r e l a t i o na n a l y s i si nZ h e n g z h o uC i t yb a s e do nI n V E S T-P L U Sm o d e lJ.B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,4 3(5):3 7 4-3 8 4.S p a t i a l-t e m p o r a lE v o l u t i o no fC a r b o nS t o r a g ea n dS p a t i a lA u t o c o r r e l a t i o nA n a l y s i s i nZ h e n g z h o uC i t yB a s e do nI n V E S T-P L U SM o d e lS u nY i f a n,X uM e n g f e i,W a n gX i a(S c h o o l o fA r c h i t e c t u r e,Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y,Z h e n g z h o u,H e n a n4 5 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eO n eo f t h em a i nd r i v e r so f t e r r e s t r i a l e c o s y s t e mc a r b o ns t o r a g e i s l a n du s e c h a n g e.T h es p a t i a l-t e m p o r a l r e s p o n s er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl a n du s ea n dc a r b o ns t o r a g ee v o l u t i o ni nZ h e n g z h o uC i t y,H e n a nP r o v i n c ew a sa n a l y z e db a s e do nt h el o g i co f“p a s t-p r e s e n t-f u t u r e”i no r d e rt op r o v i d er e f e r e n c e sf o rr e a l i z i n ge c o l o g i c a ls e c u r i t ya n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t.M e t h o d sT h es p a t i a l-t e m p o r a ld i s t r i b u t i o no fc a r b o ns t o r a g ef r o m2 0 0 5t o2 0 2 0w a sq u a n t i t a t i v e l ye v a l u a t e du s i n gG I Sa n dt h eI n V E S T m o d e l.T h e n,c o m b i n e dw i t ht h eP L U Sm o d e l,t h e s p a t i a l-t e m p o r a l c h a n g e so f l a n du s ea n dc a r b o ns t o r a g ew e r e s i m u l a t e df o r2 0 5 0u n d e ran a t u r a l d e v e l o p m e n t s c e n a r i oa n da ne c o l o g i c a l c o n s e r v a t i o ns c e n a r i o.T h ed e g r e eo f s p a t i a lc o r r e l a t i o nw a se v a l u a t e da tt h eg r i ds c a l eu s i n g M o r a nsIa n dt h eG e t i s-O r dG*is t a t i s t i cf o rh o ts p o ta n a l y s i s.R e s u l t s F r o m2 0 0 5t o2 0 2 0,c u l t i v a t e d l a n dw a sc o n t i n u o u s l yc o n v e r t e dt oc o n s t r u c t i o nl a n d,w i t hac u m u l a t i v et r a n s f e ro f10 0 4.9 8k m2,r e s u l t i n gi ns i g n i f i c a n tc h a n g e si nt h el a n du s es t r u c t u r eo fZ h e n g z h o uC i t y.T h ed e c r e a s ei ne c o l o g i c a l l a n da r e au n d e rt h ee c o l o g i c a lc o n s e r v a t i o ns c e n a r i ow a sb e t t e rt h a nu n d e rt h en a t u r a ld e v e l o p m e n ts c e n a r i o.T h er a p i de x p a n s i o no fu r b a n i z a t i o ni nZ h e n g z h o uC i t yp r o d u c e dc a r b o ns t o r a g e i n2 0 0 5a n d2 0 2 0o f6.5 91 07ta n d5.6 71 07t,r e s p e c t i v e l y.O v e rt h ep a s t1 5y e a r s,t h eh i g h-c a r b o n-i n t e n s i t y l a n dc l a s sw a s t r a n s f e r r e d,a n d t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o no f c a r b o ns t o r a g ew a sc h a r a c t e r i z e db yap a t t e r no f“h i g h e ri nt h ew e s t,l o w e ri nt h ee a s t,m e d i u mi nt h en o r t ha n ds o u t h,a n dl o w e r i nt h ec e n t r a l r e g i o n”.U n d e r t h e s c e n a r i o so f n a t u r a l d e v e l o p m e n t a n de c o l o g i c a l c o n s e r v a t i o n,t h ec a r b o ns t o r a g ed e c r e a s e db y8.2 71 06t a n d1.8 01 06t,r e s p e c t i v e l y,a n dc u l t i v a t e dl a n dp l a y e da ni m p o r t a n t r o l ea sac a r b o ns i n k.T h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o no f c a r b o ns t o r a g ew a s a g g l o m e r a t i v e,w i t ha nu n e v e nd i s t r i b u t i o no fc o l da n dh o t s p o t s.T h ed e g r e eo f f r a g m e n t a t i o no fh o t s p o t sw a sm o d e r a t eu n d e r t h ee c o l o g i c a l c o n s e r v a t i o ns c e n a r i o.G o n g y iC i t ya n dD e n g f e n gC i t y w e r ea l w a y st h er e g i o n sw i t hah i g hd e g r e eo fc a r b o ns t o r a g ea g g l o m e r a t i o n.C o n c l u s i o nT h es p a t i a l-t e m p o r a l d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc a r b o ns t o r a g ew e r ec l o s e l yr e l a t e dt oc h a n g e s i nl a n du s es t r u c t u r e.I nf u t u r e l a n du s ep l a n n i n go fZ h e n g z h o uC i t y,p e o p l es h o u l dt a k ea p p r o p r i a t ee c o l o g i c a lc o n s e r v a t i o n m e a s u r e st oo p t i m i z et h el a n du s ep a t t e r na n dt oe n h a n c et h ec a r b o ns e q u e s t r a t i o nc a p a c i t yo f t h ee c o s y s t e m.K e y w o r d s:c a r b o ns t o r a g e;l a n du s ec h a n g e;s p a t i a la u t o c o r r e l a t i o n;G e t i s-O r dGi;Z h e n g z h o uC i t y,H e n a nP r o v i n c e 陆地生态系统作为人类赖以生存和可持续发展的生命维持系统,是大气中重要的碳汇之一,其固碳作用能有效缓解温室效应,在全球碳循环和气候变化中起着极其重要的作用1,陆地生态系统固碳作用是各国政府和学者共同关注的研究热点。陆地生态系统碳储量的主要驱动因素之一是土地变化2,通过调整陆地生态系统原有土地利用类型及生态系统功能和结构等,改变生态系统的物质循环和能量流,直接或间接地影响其碳储量的变化3-5。客观评估碳储量和土地利用变化之间的反应机制,对促进区域自然环境与社会经济生态和谐发展有重大价值。目前,对于土地利用碳储量评估及二者之间的关系和影响机制,国内外学者进行了大量研究,在传统方面 多 采 用 样 地 清 查 法 和 微 气 象 学 法 等6-7。R a q e e bA.等8研究了森林地区土地利用动态变化对巴基斯坦吉尔吉特碳储量的影响;中国学者卢雅焱等9分析了新疆天山土地利用与碳储量变化之间的关系,进一步说明碳储量空间分布与土地利用变化密切相关。2 0世纪9 0年代以来,随着信息技术发展,模型为主结合R S和G I S技术的碳储量评估方法日益兴起,在获取土地利用数据基础上结合相关数字预测模型 进 行 研 究。其 中,生 态 系 统 服 务 评 估 模 型(I n V E S T)具有操作简单、估算精度高以及可将结果进行动态化和空间化表达等优势,被广泛应用于碳储量 计 算。郝 晓 慧 等1 0采 用D y n a-C L U E模 型 和I n V E S T模型,动态评估不同情景下中原城市群碳储量演变规律,证明了建设用地的无序扩张是导致碳储量收益下降的主要原因;任胤铭等1 1耦合F L U S-I n V E S T模型,分析了2 0 4 5年3种不同情景下京津冀城市群的土地利用空间格局并构建综合生态系统服务指数,结论为在生态保护情景中,碳储量上升幅度最大;Q i n M e n g l i n等1 2将F L U S和I n V E S T模型相结合,对中国北部湾城市群的土地利用及其对碳储量影响进行不同发展情景下的模拟。以上研究结果表明,探究土地利用变化对陆地生态系统碳储量具有重要意义。目前,土地利用模拟模型与生态系统服务模型相结合成为当下研究主要方法,并取得了一定的研究成果1 3。孙欣欣等1 4基于P L U S和I n V E S T模型模拟2 0 0 02 0 4 0年南京市在耕地保护和生态保护情景下的碳储量变化趋势,其土地利用预测结果的准确性较高;Y uY a n g等1 5通过使用C A和P L U S模型,加入植被类型碳密度表,预测2 0 3 02 0 6 0年不同发展情景下京津冀地区生态系统碳储量变化情况,说明了在生态保护措施下,土地利用碳储量有所提高,有利于区域碳平衡的稳定,但较少考虑到政策因素的影响。以往研究主要基于不同土地利用预测模型和I n V E S T模型的结合,分析不同发展模式下的土地利用及其碳储量变化情况1 6;P L U S模型作为土地利用预测模型之一,在模拟未来发展情景方面具有较大优势,目前利用该模型及I n V E S T模型同时开展碳储量相关分析并在此基础上进行空间分布相关性研究较少。在2 0 3 0碳达峰及2 0 6 0碳中和目标带来生态建设新机遇的背景下,2 0 2 3年1月,郑州市入选河南省碳达峰试点,但目前土地资源短缺和生态承载力不足573第5期 孙一帆等:基于I n V E S T-P L U S模型的郑州市碳储量时空演变及空间自相关分析成为制约郑州发展的瓶颈。基于此,本文将郑州市作为研究区,按照“过去现在未来”的逻辑角度,研究郑州市土地利用变化和碳储量之间的关系。在获取土地利用数据基础上,首先借助I n V E S T模型中C a r b o n模块对区域碳储量进行评估,关注土地利用变化 对 碳 储 量 的 影 响;其 次 分 析 郑 州 市2 0 0 52 0 2 0年碳储量时空分布,探析郑州市区域内部碳储量空间分布关联特征;最后通过P L U S模型,分析自然发展和生态保护两种不同情景的发展趋势对土地利用变化和碳储量的影响。本文旨在为未来郑州市陆地生态系统碳储量资源优化配置和用地结构合理科学提供参考,以期充分发挥生态用地的碳汇作用。1 材料与方法1.1 研究区概况郑州市(1 1 2 4 2 1 1 4 1 3 E,3 4 1 6 3 4 5 8 N)为河南省省会、国家级中心城市,地处中国中部平原地区。该区域地形起伏较大,西部为山地,东部为平原,中部是低山丘陵地带,拥有“依嵩山戴黄河”的自然景观格局(图1)。郑州市属北温带大陆性季风气候,年平均气温为1 5,年均降水量为5 7 7.7 0 6 9 1.6 0mm1 7。该区域原始林区较少,多为人工林和原始次生林,西部森林面积占市域森林面积的7 1%,平均 森林覆盖 率3 4.3%1 8。市内水系发达,分属黄河流域和淮河流域,以贾鲁河水系为主,伊洛河、双洎河和颍河3个小流域为辅。北部黄河湿地国家级自然保护区和1 3处自然公园具有重要生态价值。郑州市土地种类以耕地和建设用地为主,受人类活动影响大,土地利用类型变化较为显著。图1 河南省郑州市地形图F i g.1 T o p o g r a p h i cm a po fZ h e n g z h o uC i t y,H e n a nP r o v i n c e1.2 数据来源本研究以2 0 0 5年和2 0 2 0年两期郑州市土地利用数据为主要数据源,其中2 0 2 0年土地利用类型数据结合遥感影像,进行几何校正等预处理,将区域内用地类别划分为6大类,分别为耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地。郑州市土地利用数据,年均温、年均降 水等自然环 境数据,人口 密度、中国G D P空间分布k m网格数据集等社会经济数据,均来源于中国科学院资源环境科学数据中心(h t t p s:www.r e s d c.c n/)。高程来源于地理空间数据云平台(h t t p s:www.g s c l o u d.c n/),坡度数据通过对高程进行提取后获得。土壤数据来源于联合国粮农组织(F AO)和维也纳国际应用系统研究所(A S A)所构建的世界土壤数据库中的中国土壤数据集(11 0 0万)。道路矢量数据 来源于O p e nS t r e e t M a p(h t t p s:www.o p e n s t r e e t m a p.o r g/),借助A r c G I S1 0.2软件进行分类处理,使用欧氏距离工具得到各级道路、政府和水体距离的可达性分析栅格图。碳密度通过查阅不同文献综合整理获得。空间分辨率统一为3 0m3 0m,坐标系为WG S8 4。1.3 研究方法1.3.1 P L U S模型与情景模拟 P L U S模型是由中国地质大学(武汉)高性能空间计算智能实验室研发1 9,在传统元胞自动机改进的基础上开发的新模型,基于土地扩张分析策略(L E A S)和基于多类随机斑块种子的元胞自动机模型(C A R S)两部分组成。相较于以往土地利用预测模型,其模拟精度更高,在研究土地利用影响机制和模拟生态用地斑块变化方面更具优势。该模型的应用,首先对两期土地利用数据之间地类相互转化的样本进行训练;其次在L E A S模块中,基于转化概率模拟未来土地利用,采用随机森林算法对各类土地利用扩张和驱动因子进行计算。本研究模拟阶段参数设置如下:决策树数量2 0,采样率0.0 1,训练特征个数1 6,经计算得到各类用地的发展潜力和驱动因子对该时段各类用地扩张的作用成效;最后在C A R S模块中,结合自动模拟生成的随机斑块,进行各项参数的设置:斑块生成阈值0.2,扩散系数0.1,随机种子比例0.0 0 01,并行线程数8,由此确定未来土地利用情况。综合已有研究成果及研究区实际情况,从自然、社会经济和可达性3个维度选择高程、坡度、人口密度、每1k m网格G D P、距道路距离、距铁路距离等1 6个驱动因子。除此之外,政策因素在土地利用变化的影响因素中也占据重要位置,但由于该因子在量化方面存在一定难度,因此将其作为情景标准与限制,融入模拟当中2 0。邻域权重是衡量不同土地利用类型之间扩张难易程度的重要指标2 1,以2 0 0 5年和2 0 2 0年两期土地利用数据为基础,计算各类用地扩张面积比例确定邻域权重(表1)。673 水土保持通报 第4 3卷表1 不同土地利用类型的邻域权重参数T a b l e1 N e i g h b o r h o o dw e i g h tp a r a m e t e r so fd i f f e r e n t l a n du s e t y p e s土地利用类型耕 地林 地草 地水 域建设用地未利用地邻域权重0.2 9 90.0 5 00.0 2 10.0 5 60.3 7 30.0 0 0 注:在P L U S模型中,邻域权重值根据两期土地利用数据中各类用地扩张比例经计算获得。本研究以2 0 0 5,2 0 2 0年两期郑州市土地利用作为模型训练数据,将2 0 2 0年模拟结果与实际土地利用状况进行对比(表2),采用F o M系数对其精度进行验证,F o M值为0.2 5 35(范围在01之间,值越高代表模拟结果精度越高。),表示预测结果可信度较高,适用于郑州市未来土地利用变化模拟。表2 郑州市2 0 2 0年模拟土地利用与2 0 2 0年实际土地利用对比T a b l e2 C o m p a r i s o no f s i m u l a t e d l a n du s ea n da c t u a l l a n du s eo fZ h e n g z h o uC i t y i n2 0 2 0土地利用类型2 0 2 0年实际面积/k m2比例/%2 0 2 0年模拟面积/k m2比例/%误差面积/k m2比例/%耕 地42 2 9.0 05 6.2 042 2 9.0 05 6.2 00.0 00.0 0林 地5 5 7.7 47.4 15 5 7.7 47.4 10.0 00.0 0草 地3 8 8.1 15.1 64 0 2.2 45.3 5-1 4.1 3-0.1 9水 域3 0 9.6 84.1 22 9 5.4 53.9 31 4.2 30.1 9建设用地20 4 0.1 42 7.1 120 4 0.1 42 7.1 10.0 00.0 0未利用地0.0 50.0 0 10.1 50.0 0 2-0.1 0-0.0 0 1F o M系数0.2 5 35 基于郑州市“山河魅力名城”的发展愿景,依据郑州市历史年份土地利用变化情况以及未来空间发展规划,本研究分别设置自然发展和生态保护发展两种情景,对郑州市2 0 5 0年土地利用变化情况进行预测。自然发展情景基于2 0 0 52 0 2 0年郑州市土地利用发展规律,不考虑任何 规划政策对 土地利用 的 约 束影响,未限制建设用地的扩张;生态保护情景在自然发展情景的基础上,参考 郑州市国土空间总体规划(2 0 2 12 0 3 5年)2 2中划定的生态空间范围,同时考虑郑州市未来将打造北部黄河生态文化保护带和西部嵩山文化生态保护区,保护“一带一区”山河生态基地的规划愿景。在此情景下设定约束条件:建设用地、耕地不宜占用林地、草地和水域,适当减少生态用地向其他地类的转换,以遏制建设用地扩张趋势,从而加强对林地、草地和水域的保护。结合以上情景,设定过渡转移矩阵,当取值为0时,表示该地类禁止转换为其他地类,当取值为1时,则情况相反(表3)。表3 2 0 2 02 0 5 0年郑州市土地利用多种模拟情景转换矩阵参数T a b l e3 P a r a m e t e r so f c o n v e r s i o nm a t r i xf o rm u l t i p l e s i m u l a t i o ns c e n a r i o so f l a n du s e i nZ h e n g z h o uC i t yd u r i n g2 0 2 02 0 5 0土地利用类型自然发展情景耕 地林 地草 地水 域建设用地未利用地生态保护情景耕 地林 地草 地水 域建设用地未利用地耕 地111111100011林 地111111011000草 地111111011000水 域000100000100建设用地000011111011未利用地1111111000111.3.2 I n V E S T模型与碳储量估算 I n V E S T模型是由美国斯坦福大学、大自然保护协会(T N C)和世界自然基金会(WWF)联合开发的,是用于评估生态系统服务功能量及其经济价值的模型2 3,包含碳储量、水土保持和生境质量等多个模块。本研究基于I n V S E T模型的C a r b o n模块进行研究,将陆地生态系统中的碳储量分为地上植被碳储量、地下植被碳储量、土壤有机碳储量和死亡有机质碳储量四部分。由于死亡有机质碳库数据难以获取,因此仅选用三大碳库碳储量进行计算,计算公式为:Ct o t a l=Ca b o v e+Cb e l o w+Cs o i l(1)式中:Ct o t a l为研究区总碳储量;Ca b o v e为地上植被碳储量;Cb e l o w为地下植被碳储量;Cs o i l为土壤碳储量,单位均为t。773第5期 孙一帆等:基于I n V E S T-P L U S模型的郑州市碳储量时空演变及空间自相关分析为了更加准确估算碳储量,参考刘晓娟等1 6和“2 0 1 0年中国陆地生态系统碳密度数据集”2 4获得地上植 被 和 土 壤 有 机 碳 密 度 数 据,以 此 作 为2 0 0 5,2 0 2 0,2 0 5 0年3大碳库碳储量的基础数据,同时运用方精云提出的“生物量转换因子法”对2 0 5 0年地下植被碳密度进行估算2 5。计算公式为:Cib e l o w=bCia b o v e(2)式中:Cib e l o w为第i种土地利用类型地下植被碳密度;i为土地利用类型;Cia b o v e为第i种土地利用类型地上碳密度;b为地下和地上植被根茎比值2 6。其中,Cib e l o w和Cia b o v e单位为t/h m2。建设用地地表多为不透水面,对碳的释放和储存影响不大;随着城市不断发展,未利用地面积逐渐减少,且多为沙地等2 7,结合多个研究成果,将二者生物量碳密度均设置为0;地上、地下植被根茎比值参考朴世龙等2 8,M o k a n yK等2 9对不同地类的研究成果,草地取值4.2 5,其余用地取值0.2进行计算(表4)。1.3.3 莫兰指数与空间自相关分析 空间自相关可表明具有空间单元和属性的要素与其周围要素是否存在空间关联,运用M o r a nsI指数分析区域内整体要素的聚散程度,可分为全域自相关和局部自相关两种类型3 0-3 1。本研究基于格网尺度,借助A r c G I S在研究区域上创建8 0 08 0 0格网及格网点,将碳储量赋予格网点,从而获取各格网的碳储量值,通过计算M o r a nsI指数,得到全域自相关结果,利用G e t i s-O r dG*i进一步分析研究区碳储量热点分布情况。计算公式为:G*i=njWi jxjnjxj(3)式中:Wi j为斑块i与斑块j之间的空间权重矩阵;Xj是斑块j的属性值;n为总的斑块数。表4 2 0 0 52 0 5 0年郑州市土地利用类型碳密度T a b l e4 C a r b o n i n t e n s i t yo f l a n du s e t y p e s i nZ h e n g z h o uC i t yd u r i n g2 0 0 52 0 5 0t/h m2土地利用类型植被碳密度地上地下土壤碳密度耕 地2 6.4 10.9 0 64 3.9 4林 地4 4.7 58.9 5 05 2.7 1草 地3 8.6 71 6 4.3 4 85 3.7 0水 域2 2.3 24.4 6 44 4.2 9建设用地0.0 00.0 0 04 1.6 1未利用地0.0 00.0 0 05 0.7 72 结果与分析2.1 郑州市土地利用时空变化特征2.1.1 2 0 0 52 0 2 0年郑州市土地利用变化特征分析 由图2,表5可知,郑州市土地利用类型以耕地和建设用地为主,其次是林地和草地。耕地主要分布在中部低山丘陵地区和东部平原地区,建设用地主要分布于东北部地区,林地和草地集中分布在西部和南部山地地区,水域呈线性分布于北部,包括部分黄河和水库等,未利用地以沙地和裸露岩石为主,零星分布在东部及西部山区。图2 2 0 0 52 0 2 0年郑州市土地利用空间分布F i g.2 S p a t i a l d i s t r i b u t i o no f l a n du s e i nZ h e n g z h o uC i t yd u r i n g2 0 0 52 0 2 0 2 0 0 52 0 2 0年间,建设用地增加趋势显著,面积由2 0 0 5年的10 1 9.9 1k m2增长至2 0 2 0年的20 4 0.1 4k m2,增加趋势显著;水域由2 7 6.3 2k m2增加至3 0 9.6 8k m2,建设用地和水域的增幅分别为1 3.5 6%,0.4 4%。郑州市作为黄河沿线地区,黄河水域受到自然和生态保护,引起水域面积增加,另外,南水北调中线工程完成873 水土保持通报 第4 3卷建设也是引起水域面积变 化的原因之 一。2 0 0 52 0 2 0年,转换幅度较大的主要为耕地、草地和建设用地3类用地。随建设用地面积的增多,耕地、林地和草地面积相应大幅度减少,耕地共转出11 9 9.1 2k m2,其中,8 3.8 1%转为建设用地;林地共转出3 0 1.3 5k m2,主要转为耕地、建设用地及草地,其转出的比例分别为6 4.6 2%,2 8.6 0%,5.4 8%;草地共转出3 4 1.7 1k m2,5 6.9 4%转出为耕地,2 9.5 9%转出为建设用地。建设用地共转入12 2 5.2 4k m2,其中8 2.0 2%来源于耕地,8.2 5%来源于草地。总体来看,郑州市土地利用结构变化表现出“建设用地面积激增,耕地大幅减少”等特点。究其原因,由于社会经济的发展需要,郑州开始实行“城乡一体化”统筹规划,布局中心城区、近郊城市圈、远郊卫星城和重 点 小 城 镇,进 行 资 源 重 置,产 业 结 构 调 整等3 2,土地开发量日渐增大。表5 2 0 0 52 0 2 0年郑州市土地利用转移矩阵T a b l e5 L a n du s e t r a n s f e rm a t r i xf o rZ h e n g z h o uC i t yd u r i n g2 0 0 52 0 2 0k m2年份土地利用类型2 0 2 0年面积耕地林地草地水域建设用地未利用地总计转出积面年5002耕 地35 8 9.4 75 6.8 32 4.5 51 1 2.7 610 0 4.9 80.0 047 8 8.5 911 9 9.1 2林 地1 9 4.7 34 5 0.2 01 6.5 23.9 28 6.1 90.0 07 5 1.5 53 0 1.3 5草 地1 9 4.5 64 4.9 23 4 3.3 11.1 11 0 1.1 30.0 06 8 5.0 33 4 1.7 1水 域5 1.3 50.9 22.4 91 8 9.1 93 2.3 80.0 02 7 6.3 28 7.1 4建设用地1 9 7.9 83.1 01.2 32.7 08 1 4.9 00.0 010 1 9.9 12 0 5.0 1未利用地0.9 11.7 80.0 10.0 00.5 60.0 53.3 13.2 6总 计42 2 8.9 95 5 7.7 43 8 8.1 13 0 9.6 820 4 0.1 40.0 575 2 4.7 121 3 7.6 0转 入6 3 9.5 21 0 7.5 44 4.8 01 2 0.512 2 5.2 40.0 021 3 7.6 0 2.1.2 2 0 5 0年不同情景下郑州市土地利用变化 郑州市2 0 5 0年不同情景下土地利用空间格局如图3和图4所示。自然发展情景下,延续2 0 0 52 0 2 0年发展规律,各用地类型大规模转为建设用地,截至2 0 5 0年,郑州 市 建 设 用 地 面 积 增 加10 3 1.1 0 k m2,其 中4 1.2 0%的土地面积由草地和林地转换而来,5 8.8 0%由耕地转换而来。耕地、林地和草地均呈减少趋势,分别减少了5 6 8.5 9,2 3 7.4 0,2 3 5.8 3k m2。由此可见,自然发展情景下,建设用地无约束扩张,不断侵占耕地和生态用地,不利于郑州市生态可持续健康发展。生态保护情景下,生态用地得到较好保护,耕地为郑州市的优势地类,其面积占总区域面积的4 8.2 8%。与2 0 2 0年相比,建设用地虽仍呈增长趋势,但增长态势远低于自然发展情景,生态用地减少趋势得到较好遏制,其中,耕地面积减少5 6 8.5 9k m2,林地面积增加1 2.3 9k m2。在生态保护情景下,生态用地呈现总体向