基于多情景模拟的伊犁河谷土地利用景观格局分析.pdf

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 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);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】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 835000,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 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 Patch-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,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,while 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 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 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 theoretical 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;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14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,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 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 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生变化的“种子”。在模拟过程中,土地利用需求通过自身的变化对当地土地利用产生影响,促使“种子”演变成新的土地利用类型,以达到模拟土地利用变化的目的。本文采用最新版本的模型 软 件 PLUS v1.4(https:/ 2 所示17。1.3.2.2 驱动因子选择土地利用变化是社会经济与自然环境等内外因素的综合作用表现。土地利用变化除受到自身理化性质等自然因素影响外,更多是受到来自社会、经济等多元因子的复合作用和驱动21。试验借鉴有关土地利用驱动因子选择的研究成果22-25。最终确定社会因子、气象因子、交通因子、地形土壤因子、水系因子5 类综合性因子。具体如表 2 所列。1.3.2.3 模型参数设置邻域权重取值范围0,1,权重值越接近 1 代4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 表 2 驱动因子类型Table 2 Driver types一级因子二级因子社会因子人口密度GDP距 A 级景区距离距县政府距离气象因子年降水量年平均气温交通因子距一级道路距离距二级道路距离距三级道路距离距高速公路距离距铁路距离地形土壤因子高 程坡 度土壤类型水系因子距水体距离表该土地类型扩张能力越强,更容易产生新的土地斑块。由于驱动因子同土地利用变化间关系复杂且影响各用地类型的扩张强度难于直接计算,但各用地类型历史扩张规律是各地类扩张能力最好体现26。研究基于 2010 年和 2020 年土地利用数据为基础,预测2030 年土地利用情况,因此可以通过计算 2010 年至2020 年各类用地土地扩张占比来确定每个土地利用类型的邻域权重。计算公式如下Wi=TAi-TAminTAmax-TAmin(2)式中,Wi为土地类型邻域权重;TAi为土地类型扩张面积;TAmin为土地利用中最小扩张面积;TAmax为土地利用最大扩张面积。计算得农田、森林、草地灌木、湿地水体、冰雪、未利用地和不透水面邻域因子权重分别为 0.77、0.6、0、0.54、0.44、1、0.6。1.3.2.4 用地规模需求预测(Markov 模型)Markov 模型是一种基于 Markov chain 过程理论预测事件发生概率的方法27。具有无后效性和稳定性的特点。即利用两个时期土地利用变化的转换概率矩阵来预测未来土地利用,模型预测假设 t+1 时土地状态只与 t 时状态有关,与其他因素无关。具体表达式如下St+1=StPij(3)式中,St+1、St分别为 t+1、t 时刻的土地利用状态;Pij为状态转移矩阵。1.3.2.5 模型精度对比指标采用 Kappa 系数和像元精度对比方法对模型精度进行检验。Kappa 系数是一种较好地用来描述栅格数据集随时间变化以及变化方向的方法,常用于检查影像分类对于真实地物判断的正确性程度,该系数能够反应未来土地利用空间模拟精度28。像元精度对比方法主要依据 FOM(Figure of merit,质量指数)值的大小判定,一般计算值范围为0.01,0.25。本文采用的两种精度验证方法皆通过 PLUS v1.4 软件计算。1.3.3 模拟情景设置为推进城市建设、经济发展和生态保护协调发展,建设人地协调发展模式,本研究设置自然发展情景、经济发展情景、生态保护情景等 3 种土地利用变化模拟情景。自然发展情景是仅依照历史条件下土地利用转换规律演变,各类用地扩张基于 2010 年2020 年土地利用变化需求。不设置限制条件以及未涉及人类计划和政府政策影响,利用 Markov 模型计算得到数值作为 2030 年各类土地利用需求量;经济发展情景参考新疆维吾尔自治区土地利用总体规划的城市用地建设目标以及伊宁霍尔果斯经济区建设计划。对不透水面扩张不加限制,依据 20102020 年土地利用转移矩阵发现,不透水面主要由农田、草地和湿地水体转变而来,并且草地灌木转变量占比最大。假设将农田向不透水面转变概率增加 70%;草地灌木向不透水面转变概率增加 90%;湿地水体向不透水面转变概率增加 50%,同时加快对未利用地的开发建设,将未利用地向不透水面转变概率增加 60%;其余土地类型转移概率保持不变29-32。生态情景强调对生态环境建设和保护,考虑到伊犁河谷地区草地退化现象,以及政府出台伊犁河谷生态环境保护条例进一步推广,假设将农田向森林、草地灌木转移概率分别增加 20%和 40%;向不透水面转移概率减少50%,草地灌木向未利用地转移概率减少 30%;向不透水面转移概率减少 50%;草地灌木向农田转移概率增加 20%;未利用地向草地灌木和农田移概率增加 50%和 40%;湿地水体向不透水面和未利用地转移概率减少 60%和 50%;并且把湿地作为限制发展区域29-32。2 2 结结果果分分析析2.1 土地利用结构变化分析 基于土地利用转移矩阵对 2000 年、2010 年和2020 年 3 期研究区土地利用数据统计分析。各类用地变化面积由大到小依次为:草地灌木农田森林未利用地不透水面冰雪湿地水体。由图 3 可知,5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 3 伊犁河谷 20002020 年土地利用面积变化Fig.3 Changes in land use area in the Yili River Valley,20002020自 2000 年至 2020 年农田、森林和不透水面面积呈现持续增长态势,分别增加 1 313.95 km2、1 478.68km2、68.22 km2;湿地水体和冰雪面积先增加后减少,整体上呈现增加态势,分别增加 131.76 km2和161.43 km2;未利用地面积变化表现为先减少后增加,减少幅度大于增加幅度,二十年内减少 296.58km2;草地灌木面积持续减少,减少 2 857.45 km2。迅速增长的人口需求和农业技术革新,促使开垦农田量猛增。人工林木生产虽补充了森林资源,但木材需求量庞大、人为干预强烈,人工林生态效应远落后于天然林;近年来,天然林保护工作成效日益显著,得益于各级森林保护区和自然保护区,为伊犁河谷不断输送高质量生态效益。由于城镇建设侵吞、农田开垦、传统放牧规模增大等因素,导致草地大面积消退,人地矛盾激化,成为伊犁河谷人地矛盾的焦点问题。分析图 3 可知,2000 年至 2010 年期间,草地灌木向农田和森林的转移较多,分别转移 1 700.36 km2和 1 490.51 km2,占总转移量的 3.07%和 2.09%。未利用地转出方向以草地灌木和冰雪为主,转移量分别为 333.42 km2和 241.42 km2,占未利用地转移总量的 18%和 13%。2000 年至 2010 年伊犁河谷土地利用变化主要集中在农田、草地、森林及未利用地之间频繁流动,农田变化主要沿河流两侧和草地灌木边界处。2010 年至 2020 年草地灌木仍呈下降态势,转为其他用地以农田和未利用地为主,转移量分别为1 216.30 km2和 793.09 km2,占转移总量的 2.2%和 1.43%。冰雪转为未利用地面积增加,由于气候变暖导致山区部分冰川积雪融化后岩石裸露。不透水面明显增加,主要由农田、草地灌木和湿地水体转换而来。随着城镇建设,城镇开始向外扩张侵占周围草地灌木和农田,不透水面增加量在原建成区周边明显增多。2.2 土地利用变化驱动分析 基于 LEAS 模块的各类用地发展概率计算结果,绘制不同地类的驱动因子贡献值雷达图(见图 4)。由图 4 可知,引起农田变化的主要驱动因子是交通因子,约占总贡献度的 35%,其次是社会因子和气象因子,分别约占总贡献度 25%和 17%。由于农田的扩张受人口需求增长影响,因此人为因素占主导地位,便捷的交通和稳定的经济发展有利于农田开垦。农业生产受气象影响明显,因此,气象因子也占有重要驱动地位;引起森林变化的主要驱动因子为交通因子、地形土壤因子和气象因子,其中地形土壤因子和气象因子贡献度总和约占总贡献度 50%。研究区海拔高差较大,森林垂直地带性明显,复杂的坡度坡向创造了丰富的生境条件,山地和平原迥异的气候也为森林扩张创造条件;引起不透水面变化的主要驱动因素为交通因子和社会因子,分别约占总贡献度 30%和 25%。不透水面扩张来源于人类社会经济发展,通达的交通和良好的经济社会环境使得人口集中聚居,城镇扩张明显。气象因子和地形土壤因子也占有重要比重,由于它们直接影响建成区人居环境,对不透水面的扩张有着一定的制约作用;引起湿地水体变化的驱动因子主要有交通因子与社会因子,两种因子贡献度之和约占总贡献度50%。由于在城镇扩张过程中,湿地水体是最容易被侵占的地类,所以湿地水体的扩张受城镇建设的制约;引起未利用地变化的主要驱动因子是交通因子、地形土壤因子和社会因子,分别约占总贡献度 28%、19%、16%。未利用地变化主要来自于城市建设和林草地退化及冰雪消融,交通因子和社会因子推进城镇建设,占用未利用地,林草地退化和冰雪消融导致地表裸露,产生新的未利用地;引起冰雪变化的驱动因子主要有地形土壤因子和交通因子,分别约占总贡献6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 5 2020 年伊犁河谷土地现状图与模拟Fig.5 Land status and simulation map of Ili River Valley in 2020图 4 驱动因子贡献度Fig.4 Driver contribution度 25%和 22%。冰雪主要集中在高山,高程是主导因素,近年来随着全球气候变暖,高山雪线上升,冰雪消融明显;引起草地灌木变化的因子主要有交通因子和社会因子,两者贡献度总和约占总贡献度 57%。由于研究区草地灌木面积占据研究区土地面积一半有余且自然地理条件优越,河谷平原地带可供人类发展的土地有限,通过侵占草地进行农田开垦、城镇建设是目前伊犁河谷土地变化的显著特征,因此草地灌木变化主要受人类活动影响,交通和社会经济发展直接影响其变化。2.3 多情景土地利用模拟2.3.1 模拟精度验证通过 2010 年至 2020 年土地扩张数据以及各地类土地发展潜力模拟 2020 年的土地利用数据,使用PLUS 模型中的精度验证模块,将 2020 年土地利用现状图与 2020 年模拟图进行对比(见图 5),计算得Kappa 系数为 0.95,总体精度值为 0.97,FOM 值为0.159。Kappa 系数和 FOM 值均表现出较高模拟精度,模拟结果与现实结果具有较好的一致性33。通过精度验证,说明该模型适宜模拟以伊犁河谷为代表的典型绿洲土地利用。2.3.2 伊犁河谷 2030 年多情景模拟基于 PLUS 模型模拟自然发展情景、经济发展情景、生态保护情景 3 种情景下的伊犁河谷 2030 年土地利用变化数据(见图 6、图 7)。可以发现,自然发展情景下草地退化较为严重,草地灌木面积将会减少到约 33 577.8 km2,减少量约为 2020 年的 3%。草地灌木、农田和未利用地的大量转移是基准情景下主要土地利用转移方式。土地利用主要为未利用地扩张,其次为农田增加,两者分别增加约 556 km2和 362km2,未利用土地扩张幅度明显高于农田扩张幅度。未利用地的增加是因为伊犁河谷位于干旱半干旱气候区,土壤蒸散发较大且土壤贫瘠,此外部分草场存在超载畜牧现象,如果不约束其发展,其他地类必然转换为未利用地。在空间发展上,草地灌木转未利用地的空间分布集中河谷中部和西北部地区,呈现出在农田边缘或天然牧场区大面积退化成未利用地,扩张形状成块状发展。由于研究区森林分布主要在高山区,与其他地类转换较少,森林覆盖量仍然呈增长态势,增加量约60 km2。由于伊犁河谷不透水面面积占总体基数较小且转入趋向缓慢,转入面积约76 km2。空间上增长格局依然在原有的核心区域向外辐射,保持了城市发展的原有趋势,增加面积主要来源于对周围草7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 6 伊犁河谷 2030 年多情景模拟结果Fig.6 Results of multi-scenario simulation of the Ili River Valley in 2030图 7 三种模拟情景相较于 2020 年各地类面积变化Fig.7 Changes of the three simulated scenarios compared with the regional class area in 20208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 期地灌木和农田的侵占。此情景下的湿地水体仍呈下降趋势,表现在一些小型湖泊出现干枯或改造成其他用地。在伊犁河谷山区出现了冰雪消融现象减弱的趋向,冰雪面积有一定数量的增加。经济发展情景参考了城市发展政策,根据历史发展趋势中不透水面转入主要来自农田、草地灌木和湿地水体,因此将三种地类转移概率增大以达到经济效益最优目标。与 2020 年相比,不透水面面积增长约 132.5 km2,总增长量位居三种模拟情景首位。相比于自然发展情景的空间分布,该情境下不透水面在主要城市区分布面积更紧凑,此外周边中小城镇区域扩张面积更明显。由于对不透水面扩张不加限制使农田稳定性下降,农田相比较自然情景小幅度减少。生态保护情景下,该情景在保护原有城市增长模式下,结合退耕还草和退耕还林措施,将农田和未利用地转换为草地灌木、林地转换概率上调,农田、草地灌木和湿地水体转换为未利用地和不透水面概率降低,使林地和湿地水体面积得到更好保护,草地灌木转换量相对降低,空间上草地得到很好的恢复,面积达到约 34 028 km2。该情景下未利用地扩张与自然发展情景相比差异明显,未利用地面积减少约 291 km2,比自然发展情景减少 10%。农田扩张面积相较于前两种情景也有所降低,这使得绿地面积得到更好保护。此外,该情景将湿地区域作为限制发展区,使伊犁河谷生态敏感脆弱区得到很好保护,对保护生物多样性、水源涵养以及保持土壤具有重要意义。综上所述,自然发展情景下农田和未利用地明显扩张,经济发展情景下不透水面显著增加,生态保护情景下草地灌木和湿地水体面积最大。3 3 结结果果讨讨论论 以往的研究对土地利用变化模拟主要从土地利用变化模式和驱动机制展开,有关土地利用模拟大部分是线性的、是基于数值型的。蒋小芳等34利用PULS、CLUE-S 和 FLUS 模型模拟甘临高地区土地变化,结果显示 PLUS 模型在位置、数量和景观格局模拟方面精度均优于 CLUE-S 和 FLUS 模型,甘临高地区和伊犁河谷同属于干旱区绿洲,自然地理环境相似。采用 PLUS 模型预测伊犁河谷土地利用变化情况,可以在模拟过程中直接提供定量信息,以讨论影响土地利用类型变化的驱动因素,且模型的变化规则比以往发现规则相比保留了在一定时间段分析土地利用变化机理的能力,这弥补了 FLUS和 CLUE-S 模型分析时缺乏时段概念的不足,有助于决策者对驱动因子在短期内对土地利用变化影响的解读。从研究区域上看,国内大多数模拟未来土地利用变化多集中在京津冀、长三角和珠三角地区等经济发达地区35-37。少有针对西北干旱绿洲未来情景土地利用模 拟 的 综 合 性 分 析。本 研 究 基 于PLUS 模型模拟伊犁河谷不同情景下土地利用,为未来伊犁河谷内城市转型发展和空间区域优化配置提供参考。针对有些研究只是分析单因子对地类变化的影响局限性,本研究将同类驱动因子归类,综合考虑多驱动复合因子对地类变化的影响。根据新疆维吾尔自治区政府实施建设的“一圈两带四轴”城镇发展格局和伊犁哈萨克自治州实施的“两伊两霍”一体化发展战略,伊犁河谷成为承载区域社会经济发展的重要区域,这对原本脆弱的生态环境带来巨大压力。多情景模拟可以比较不同情景下的空间格局差异,也能实现多情景下的权衡发展。本研究综合考虑了气候、自然和社会经济等要素的影响,参考政策指引和土地历史发展趋势设置不同情景假设发展模式,运用 PLUS 模型较高精度模拟不同情景下的 LUCC 结构和分布模式的变化。在自然发展情景中,农田和未利用地面积大幅度增加,为了解决人口增加产生粮食需求问题,扩大农田面积以及部分草场放牧超载或畜牧结构不科学,导致草地灌木面积锐减。快速发展过程中对水域环境保护没有引起足够重视,导致水体面积下降,这与史明杰等38运用 CAMarkov 模型研究伊犁河谷提出结果相近。经济发展情景模拟中,不透水面急剧增加,主要城镇建成区面积扩张明显,这与伊犁河谷城建战略和区域经济发展密切相关,这一观点与许小亮等39在扬州市的研究结论略有差异,原因在于其选取的研究区与本次研究的研究区地理特性与区域经济定位相差悬殊,但模型模拟机理相似,可作为相互论证依据。生态保护情景模拟中,草地下降速度减缓,林地、水体和湿地保护区得到更好的恢复,这是因为伊犁哈萨克自治州各级自然保护区、林草等自然资源相关部门、市政绿化等长期规划与政策制定科学合理,自然保护地生态效益逐渐显著。在此情景中限制保护区域主要偏向林地、草地,不透水面主要以侵占原建成区边缘的农田、草地为主要扩张方式,这与张丽芳等40在天山北坡城市群城市景观模拟研究结论相近。虽然研究只提出三种伊犁河谷土地利用未来演变模式,不能完全模拟所有土地利用发展可能,但是可以为决策者未来土地管理提供一定参考。研究中存在以9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 期下不足:(1)PLUS 模型参数通过不断调试确定,有一定的主观性。(2)政策因素对土地利用影响过程比较复杂,很难将政策因素完全定量放入驱动因子中。为弥补上述研究局限性,建议决策者将区域规划政策、生态保护红线、永久基本农田、城镇开发边界融入限制区域,再进一步对土地利用发展做出相关决策。利用