基于SD-FLUS模型的宁夏土地利用多情景模拟.pdf

第45卷第4期2023年7 月耿思筱，杨志，党小虎，等.基于SDFLUS模型的宁夏土地利用多情景模拟J.地球科学与环境学报，2 0 2 3，45（4）：8 0 6-8 18.GENG Si-xiao,YANG Zhi,DANG Xiao-hu,et al.Multi-scenarios Simulation of Ningxia Land Use in China Based on SD-FLUS ModelJJ.Journal of Earth Sciences and Environment,2023,45(4):806-818.D0I:10.19814/j.jese.2022.08042基于 SD-FLUS模型的宁夏土地利用多情景模拟地球科学与环境学报Journal of Earth Sciences and EnvironmentVol.45No.4July2023环境与可持续发展专刊耿思筱1，杨志，党小虎1*，隋博洋1，曹小曙3.4，李鹏5.6,郑智宇1（1.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安7 10 0 54；2.宁夏回族自治区水土保持监测总站，宁夏银川7 50 0 0 2；3.陕西师范大学自然资源与国土空间研究院，陕西西安7 10 0 6 2；4.陕西师范大学西北城镇化与国土环境空间模拟重点实验室，陕西西安7 10 0 6 2；5.西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安7 10 0 48；6.西安理工大学旱区生态水文与侵蚀灾害防治国家林业和草原局重点实验室，陕西西安7 10 0 48)摘要：土地利用变化会对区域发展及生态环境产生重要影响。通过分析宁夏2 0 0 52 0 2 0 年土地利用变化，综合自上而下的系统动力学（SD)模型和自下而上的未来土地利用模拟（FLUS)模型（SD-FLU S模型），结合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，模拟了2 0 35年不同情景下的土地利用变化。结果表明：SD模型模拟的历史时期各类型土地利用面积误差均小于5%，FLUS模型模拟的2 0 2 0 年土地利用总体精度为93%，Kappa指数为0.90，模型精度和可靠性总体符合要求。2 0 35年所有情景下的建设用地均呈现增加趋势，增长速率从大到小的情景依次为SSP585情景、SSP245情景、SSP119情景；所有情景下，林地面积增加，水域面积保持稳定，草地面积呈现不同程度的减少；耕地面积在SSP585情景下增加，在SSP245情景下稳定，在SSP119情景下减少。在SSP119情景下，建设用地扩张的同时，生态用地被挤占的程度最小，该情景兼顾社会经济发展和生态保护两种需求，可以作为宁夏黄河流域生态保护和高质量发展先行先试区的未来土地利用参考模式。关键词：土地利用；多情景模拟；SD-FLUS模型；SSP-RCP情景；生态保护；高质量发展；宁夏中图分类号：X321;F301.2文章编号：16 7 2-6 56 1（2 0 2 3)0 4-0 8 0 6-13Multi-scenarios Simulation of Ningxia Land Use in ChinaBased on SD-FLUS ModelGENG Si-xiao,YANG Zhi?,DANG Xiao-hul*,SUI Bo-yang,CAO Xiao-shu3-4,LI Peng,ZHENG Zhi-yul(1.College of Geology and Environment,Xian University of Science and Technology,Xian 71o054,Shaanxi,China;2.Ningxia Soil and Water Conservation Monitoring Station,Yinchuan 750002,Ningxia,China;3.Natual Resources and National Land Use Research Institute,Shaanxi Normal University,Xian 710062,Shaanxi,China;4.Key Laboratory for Urbanization and Environment Simulator in Northwest China,Shaanxi Normal University,Xian 710062,Shaanxi,China;5.State Key Laboratory of Eco-hydraulicsin Northwest Arid Gegion of China,Xian University of Technology,Xian 710048,Shaanxi,China;收稿日期：2 0 2 2-0 8-19；修回日期：2 0 2 3-0 3-0 2基金项目：宁夏回族自治区水土保持监测总站项目（GZ4-21-05-069/-ZC-F）；国家自然科学基金项目（42 2 7 130 9）作者简介：耿思筱（1999-），女，陕西商洛人，工学硕士研究生，E-mail：g 2 38 4946 0 2 3 16 3.c o m。*通讯作者：党小虎（196 8-），男，宁夏隆德人，教授，理学博士，E-mail：d a n g x h 2 0 18 x u s t.e d u.c n。文献标志码：A投稿网址：http：/je s e.c h d.e d u.c n/第4期6.Key Laboratory of National Forestry and Grassland Administration on Ecological Hydrology and DisasterPrevention in Arid Regions,Xian University of Technology,Xian 710048,Shaanxi,China)Abstract:Land use change has a significant impact on regional development and ecologicalquality.The land use change in Ningxia from 2005 to 2020 was analyzed;and based on thescenarios of CMIP6 shared socioeconomic pathways and the representative concentrationpathways(SSP-RCP),the system dynamics(SD)model and future land use simulation(FLUS)model were integrated to simulate the possible land use change of Ningxia in 2035.The resultsshow that compared to the land use changes in the historical periods,the area error for theland use simulated by SD model is less than 5%,and the overall accuracy of FLUS model for theland use in 2020 is 93%with the Kappa index of 0.90,indicating that the model accuracy androbustness are satisfactory.The construction land areas simulated under all scenarios increase,and the scenarios are SSP585,SSP245 and SSP119 in the descending order of growth rate;thesimulated area of forest increases with a constant water area and a reduced area of grassland in2035;the simulated area of cultivated land increases under SSP585 scenario,remains stable underSSP245 scenario,and decreases under SSP119 scenario.U n d e r SSP119 s c e n a r i o,t h econstruction land expands with the least loss of ecological land,which takes a trade-off of socio-economic development and ecological protection into account,thus can be used as a referenceparadigm for future land use in Ningxia,which is the pilot area of ecological protection and high-quality development in the Yellow River Basin.Key words:land use;multi-scenario simulation;SD-FLUS model;SSP-RCP pathway;ecologicalprotection;high-quality development;Ningxia0 引 言土地作为非再生资源，既担负着粮食安全的重任，还要满足人类发展的其他需求。人类参与的土地利用过程（包括森林砍伐、农业开发和城市建设等)导致温室气体加速排放1，最终将对全球生物多样性造成不可逆转的破坏2 。而土地利用变化系统内的反馈是通过空气污染、自然资源短缺和粮食安全风险等对人类福祉及社会可持续发展产生的不良影响表现出来的3。因此，科学预测和合理规划国土空间开发利用是实施土地资源管理的有效手段，借助模型预测各土地利用类型的需求总量，模拟不同情景下各土地利用类型的空间格局，探讨其空间格局变化的异质性，可为区域土地资源流转、产业布局调整及城市发展提供参考依据。目前，常用的土地利用/覆被变化（LandUse/Cover Change,LUCC)模拟模型主要包括量化土地需求的数量模型、微观土地空间分配的空间模型以及综合模型4。其中，数量模型侧重于分析各土地利用类型的面积变化及变化速率等特征，研究引起土地利用变化的直接因子和潜在因素，以系统动力学（System Dynamics，SD）模型5-6)、马尔科夫耿思筱，等：基于SD-FLUS模型的宁夏土地利用多情景模拟807(Markov)模型7 最常见，但数量模型以模拟计算各土地利用类型的面积为主要特点，缺少对空间分布格局的描述，难以反映空间格局变化。空间模型侧重于模拟土地利用的空间分配，常见模型有元胞自动机（Cellular Automata，C A）模型8-9、CLUE(Conversion of Land Use and Its Effects）模型10-11、CLUE-S模型12 13、未来土地利用模拟（Fu-ture Land Use Simulation,FLUS)模型14-15、斑块生成土地利用模拟（Patch-generating Land UseSimulation,PLUS）模型16-17 及多智能体（Agent-basedModel,ABM)模型18-2 0 1等。单一的空间模型可视化土地利用变化的具体区域和范围，但需要输人对应年份的土地面积需求数量。为取长补短、突破单一模型固有的局限性，现有研究构建了诸多综合模型，将数量模型模拟的用地需求通过空间模型可视化，更加合理地将各类土地在空间上进行分配，如多智能体模型与CA模型结合分析农村土地利用变化的驱动机制2 1，SD模型与CA模型结合预测土地利用时空变化2 2 。对于土地利用/覆被变化模拟，CA模型缺少元胞状态转变限制模块，只能针对某一地类进行模拟，具有一定限制性。多智能体模型是未来土地利用模拟的一种主流模型，是多学科808交叉融合的最新成果，但是多智能体模型的构建中如何定义多智能体（Agent）及其行为，如何对智能体进行抽象化，智能体对外部信息如何进行反馈，仍是模拟难点。SD-FLUS模型相较于上述模型，涵盖的驱动因子较为全面。该模型将自然因素和人为影响因素充分纳入长期多类型的土地利用变化模拟中，有效模拟土地利用/覆被变化过程中的不确定性，并分析自然、气候、人类及技术创新等驱动因子对土地利用/覆被变化时空异质性的影响13，被广泛应用于城市扩张模拟2 3、生态承载力预测2 4、中国2 0 50 年的土地利用时空变化模拟141以及中国海岸带城市的土地利用需求变化预测2 51等。情景模拟是土地利用模拟的热点问题，但目前研究多以模拟自然发展、生态保护及耕地保护情景2 6-2 7 下的土地利用空间格局为主，或以“三区三线数据为基础的土地利用模拟及城镇开发边界划定2 8 。与之相比，国际耦合模式比较计划第6 阶段(CMIP6)提出了耦合共享社会经济路线（SharedSocioeconomic Pathway，SSP）和代表性浓度路线(Representative Concentration Pathway,RCP）情景2 9-30 。预测该耦合情景下土地利用时空变化可能是未来土地利用/覆被变化领域的核心工作之一，现阶段的研究更多关注大尺度（如全球）土地利用/覆被变化，而综合SSP-RCP情景的模拟需要更多关注中小尺度（如省、市)土地利用时空变化，这方面工作仍需要加强。本文基于SD-FLUS模型，以宁夏为研究对象，利用CMIP6的SSP-RCP情景，考虑社会经济状况和生态保护政策，设计了SSP119、SSP2 45、SSP58 5等3种情景；基于2 0 0 52 0 2 0 年土地利用数据，构建并验证宁夏土地利用耦合模型，对上述3种情景下的土地利用变化进行模拟，以期为宁夏社会经济发展、生态环境保护、土地资源分配以及区域可持续发展提供科学参考。1研究区概况宁夏地处我国西北内陆的干旱与半干旱区，属于黄河流域（图1），经度范围为10 417 E10 7 39E,纬度范围为3514 N392 3 N。其地形南北狭长，地势南高北低，年均气温为6 10，年降水量在2 8 0 mm左右，其中北部年均降雨量为2 0 0 mm左右，中部年均降雨量为30 0 mm左右，南部年均降雨量在40 0 mm以上。宁夏社会经济发展水平远低于东部发达地区，2 0 2 0 年总人口约为7 2 0 万人，地地球科学与环境学报海拔/m1000150015002000200025002.50030003000中卫中卫地名主要河流行政边界线图1宁夏地理位置图Fig.1Geographical Location Map of Ningxia区生产总值约为39 2 0 亿元，全区平均城镇化水平达到6 5%。按自然环境条件、社会经济发展水平以及农业开发模式，宁夏可分为北部平原区、中部干旱荒漠草原区和南部黄土丘陵沟壑区2 7 。北部平原区社会经济发展和城市化水平较高，中部干旱荒漠草原区生态脆弱，经济发展缓慢；南部黄土丘陵沟区水土流失相对比较严重。宁夏作为我国西部重要的生态安全屏障区，是我国生态安全战略格局“两屏三带一区多点”“黄土高原一川滇生态屏障”“北方防沙带”和“其他点块状分布重点生态区域”的重要组成部分。宁夏地处黄河中上游及黄土高原与沙漠的交汇地带，地理位置特殊，在全国生态安全战略格局中具有特殊地位。区域内气候波动明显，水土流失严重，自然灾害较为频繁，景观破碎度较大，面临着生态保护与区域发展的双重压力。实现宁夏生态环境保护与社会经济协调发展是当前巫需解决的关键问题31。2数据来源与分析方法2.1数据来源及预处理本文使用的数据主要包括土地利用数据、基础2023年N石嘴山银川吴忠固原030km第4期地理信息数据、社会经济数据和未来气候数据。土地利用数据来源于中国科学院资源与环境科学数据中心（网址为https：/w w w.r e s d c.c n/），包括2 0 0 5、2 0 10、2 0 15、2 0 18、2 0 2 0 年共5期全国土地利用数据，空间分辨率为30 m。在ArcGIS10.6软件中利用空间分析模块，提取宁夏土地利用数据并将其重分类为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地等6 类。基础地理信息数据主要为数字高程模型(DEM)数据，来源于地理空间数据云（网址为ht-tps：/w w w.g s c lo u d.c n/),空间分辨率为9 0 m。坡度和坡向是利用ArcGIS软件中的表面分析，根据DEM数据提取所得；距水域的距离和距城镇的距离基于2 0 15年及2 0 2 0 年土地利用数据提取，并利用欧氏距离计算所得；道路数据来源于OpenStreet-Map网站（网址为http：/w w w.o p e n s t r e e t ma p.org/），距道路的距离也是利用欧式距离计算所得。社会经济数据主要为历史时期人口、经济、固定资产投资等统计数据，来源于2 0 0 52 0 2 0 年宁夏统计年鉴以及国民经济公报。未来人口、GDP数据采用社会共享经济路径下的预测数据。人口密度据来源于WorldPop平台（网址为https：/w w w.w o r ld-pop.org/），G D P数据来源于中国科学院资源与环境科学数据中心（网址为https：/w w w.r e s d c m d i.ln l.g o v/C M I P6/)。国家地球系统科学数据中心黄土高原分中心（网址为http：/lo- 下2 0 2 12100年中国1km分辨率多情景多模式的逐月降水量、平均气温数据。通过Delta空间降尺度的方法生成中国1km分辨率的网格数据，再经剪裁、统计计算宁夏2 0 2 12 0 35年的年均气温和年降水量。以土地利用数据为基准，最终所有数据（表1)在ArcGIS10.6软件中经过重投影、重采样及裁剪等栅格处理，统一为同一坐标系（Krasovsky_1940_Albers)下30 0 m分辨率的栅格数据，并保证数据的行列数以及投影坐标完全一致。2.2分析方法本文采用模型模拟的方式，耦合SD模型与FLUS模型对宁夏的土地利用变化进行预测和模拟。具体耦合过程如下：通过构建SD模型，模拟各土地利用类型在时间序列上、多驱动因子下的数量关系，将SD模型预测到的2 0 35年土地利用需求数耿思筱，等：基于SD-FLUS模型的宁夏土地利用多情景模拟809据作为FLUS模型的数量预测输入，在FLUS模型中完成土地利用空间格局变化的模拟和分配。2.2.1SD 模型SD模型是通过简单的建模方式及复杂的非线性关系，对城市复合系统的土地利用变化进行定量仿真模拟，预测时间序列上土地利用类型的数量变化。本文根据宁夏的位置特征及数据资料的可获取性，将SD模型的模拟期定为2 0 0 52 0 35年，时间步长为1年。土地利用历史变化阶段对应2 0 0 52020年，历史阶段数据用于验证模型的准确性，所有土地利用类型面积的误差绝对值均小于5%，模型有效。情景模拟的基准年为2 0 2 0 年，通过输人不同情景的参数来模拟未来土地利用需求的变化。2.2.2FLUS 模型FLUS模型是基于对传统CA模型的改进，并引人人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN)将元胞转化为各土地利用类型的概率，同时结合惯性系数与轮盘竞争机制以表达模拟过程中各土地利用类型之间的互动与竞争机制32-33。首先，用人工神经网络结合驱动因子计算各元胞单元的土地利用类型适宜性概率，即每种土地利用类型在每个像元上出现的概率；其次，在CA模块中，结合适宜性概率、领域影响因子、惯性系数和转化成本，估算未来土地利用变化结果的总体概率；最后，在估算每次迭代的总体概率后，FLUS模型采用轮盘赌竞争机制来决定栅格单元是否发生土地利用类型的转换。2.2.3FLUS模型中空间转化限制因子及敏感性邻域权重是土地利用类型的扩张能力，范围为0，1。邻域权重越接近1表示扩张能力越强，其根据各土地利用类型扩张面积的占比来计算34。空间转化限制因子通过成本矩阵进行设定。根据研究区实际情况，构建不同情景下土地利用转移成本矩阵(表2)。本文在FLUS模型中进行多因子叠加训练适宜性概率分布的同时，对研究区的样本采样方式和采样比例进行敏感性分析。采样方式分为均匀采样和随机采样两种，采样比例分别为3%、5%、10%、15%。实验发现，测试样本的精度随着采样比例的增加而略有提高，但训练的运算量相对较大。为保证选择的样本不来自同一区域及训练时间不宜过长的综合考虑，本文选用随机采样，采样比例设为10%，隐藏层设定为12，计算所得训练均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)为0.2 8 7,说明训810类别土地利用社会经济地形基础地理信息气候当前土地利用类型GLCSG1L0C0S1J0W1注：G、L、C、S、J、W 分别代表耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用土地；1代表允许当前土地利用类型发生转换，0 代表不允许当前土地利用类型发生转换。练精度较高。时空尺度上的敏感性通过模型的迭代次数及数据的空间分辨率进行对比。在时间尺度上，模拟的时间跨度越长，迭代次数越多，精度越高；在空间尺度上，元胞的空间分辨率越高，精度越高。但基于模拟时间的考虑，本文将迭代次数定为30 0次，空间分辨率定为30 0 m。2.2.4SSP-RCP耦合情景IPCC的CMIP6气候情景数据是结合社会经济和全球气候变化的反馈设计的，耦合了共享社会经济路线和代表性浓度路线的不同场景，强调不同社会经济发展模式对气候变化的驱动作用2 9本文选择SSP119、SSP2 45、SSP58 5等3个情景。其中,SSP119情景是SSP1与RCP1.9的综合场景，代表可持续社会经济发展和低辐射强迫情景；SSP245情景是SSP2与RCP4.5的综合场景，代表社会经济发展的中间情景和中等辐射强迫情景；SSP585情景是SSP5和RCP8.5的综合场景，代表地球科学与与环境学报表1数据来源Table 1Required Data数据名称时间土地利用分布20052020年人口密度2015年、2 0 2 0 年GDP2015年、2 0 19年人口总量城镇化率GDP高程坡度坡向水域分布城镇居民点分布路网分布年平均气温年降雨量Table 2Cost Matrix of Land Use Change Under Different ScenariosSSP119情景下的土地利用类型WGLCS一111101一1012023年数据属性空间分辨率栅格30m栅格1 km20052020年统计数据2012年栅格2015年、2 0 2 0 年矢量2015年、2 0 2 0 年量20052035年栅格表2 不同情景下土地利用转移成本矩阵SSP245情景下的土地利用类型WGLCSJW1一00一1110111数据来源中国科学院资源与环境科学数据中心WorldPop平台中国科学院资源与环境科学数据中心宁夏统计年鉴、国民经济公报地理空间数据云90m由DEM计算所得由DEM计算所得基于2 0 15年、2 0 2 0 年土地利用数据提取OpenStreetMap网站国家地球系统科学数据中心1 km黄土高原分中心SSP585情景下的土地利用类型11一11一一11111111一1111000一1一着化石燃料大规模使用促使经济高速发展与高辐射强迫情景35-36 。本文中的人口、经济及气候参数是基于SSP-RCP情景下的未来预测数据，经过线性拟合确定其变化率。此外，在上述耦合情景的基础上，增加退耕还林还草面积和耕地保护面积2 个情景变量，结合多年土地转移的实际面积，确定变化幅度。具体参数设置详见表3。3丝结果分析3.1SD模型的建立本文构建了宁夏土地利用需求SD模型（图2），主要包括人口、经济、气候和土地利用等4个子系统，主要驱动因子有人口、GDP、气温、降水、城镇化率、固定资产投资比例以及各产业投资比例等。人口、经济、气候系统同时作用于土地利用系统，模拟各土地利用类型的未来发展趋势及需求量的内在联系。例如，在人口-土地利用系统中，随着人口数量1111一11011一11111111111111111100111111111第4期退耕还草政策一耕地保护耕地政策农业投资比例城镇化率城镇化变化量城镇建设角地城镇化增加率地类状态变量速率变量影子变量反馈回路表3不同情景参数设置Table 3Parameter Settings for Different Scenarios类型情景变量人口人口增长率/%GDP增长率/%经济城镇化率/%年均降雨量变化/4.3755(mm 年-1)气候年均气温变化/(年-1)退耕还林还草增加10%保持不变下降10%保护面积变化政策耕地保护面积变化的变化，农产品、水产品、肉类产品等的需求产生变化，因此对土地利用类型的需求也产生反馈作用；在经济-土地利用系统中，各产业的发展及投资比例的变化影响土地利用结构的转化，各变量之间的具体逻辑关系在SPSS软件中通过多变量回归和拟合得到。3.2历史土地利用时空动态特征宁夏土地利用总体格局为：以草地、耕地为主，未利用土地、林地次之，建设用地、水域占比最小。20052 0 2 0 年，宁夏林地、建设用地面积增加，草地、未利用土地面积减少，其中建设用地增加最明耿思筱，等：基于SD-FLUS模型的宁夏土地利用多情景模拟土地总面积退耕还林人均粮食政策粮食需求农业投资城镇人口人均城镇建设角地人均交通用地建设角地交通用地草地农村建设角地未利用土地建设用地土地总面积之覆蓝森林图2 宁夏土地利用变化SD模型Fig.2SD Model of Land Use Change in NingxiaSSP119SSP245情景情景0.61.06.55.00.91.00.68520.01020.01810.055 1下降10%保持不变增加10%811自然增长率需求人口变化量人口密度人均GDP-总人口人均水人均肉类产品需求产品需求渔业投资比例第一产业投资额农村人口水产品需求肉类产品需求渔业投资水域退耕还草农村人均政策显。城镇化率从2 0 0 5年的42.2 8%增加至2 0 2 0 年的6 4.96%，土地利用转移主要以耕地转为建设用SSP585地为主，耕地-建设用地转化的重心在北部平原区，情景中部干旱荒漠草原区及南部黄土丘陵沟区以林地0.8增加及草地缩小为主（图3）。7.53.3不同情景下的土地利用需求预测1.1至2 0 35年，SSP585、SSP2 45和SSP119情景下1.3228的耕地、林地、水域、建设用地均呈增加趋势，草地和未利用土地呈减少趋势（图4）。SSP585情景下，耕地面积增加；SSP245情景下，耕地面积基本保持稳定；SSP119情景下，耕地面积小幅下降。所有情景下，城镇化率、人口和GDP增长，建设用地面积显著增长。其中,SSP585情景下建设用地增长率最高，2035年的建设用地面积增长为2 0 2 0 年的1.5倍，SSP245情景次之,SSP119情景下的建设用地增长率最小。SSP119情景下，草地面积在2 0 2 5年前略有增加，2 0 2 5年后减少，总面积基本保持稳定，其他两种情景下的草地均呈现不同程度的减少，且SSP585情景下草地面积减少最为明显。随着时间推移，部分草地自然生长转换为林地，林地面积增加,其中SSP119情景下的林地面积显著增加。3种情景下的水域面积增幅较小，基本保持稳定。未利用土地为总面积与其他土地利用类型面积的差值，其他土地利用类型的变化导致未利用土地面积GDP增长率固定资产投资比例GDPGDP变化量固定资产投资额第二、三产业投资额第二、三产业投资比例第一产业投资额比例畜牧业投资林业投资额畜牧业投资比例林业投资降水一比例一温度退耕还林政策林地812无变化耕地林地草地水域建设用地未利用土地地球科学与环境学报水域建设用地(2005年）（2 0 0 5年）N无变化耕地林地草地水域建设用地未利用土地2023年林地(2005年)N未利用地(2005年）草地（2 0 0 5年）耕地（2 0 0 5年）未利用地(2020年）水域建设用地(2020年)(2020年）耕地(2 0 0 5年)林地(2 0 0 5年)水域(2 0 0 5年)建设用地(2005年)050km(a）空间格局变化(增加面积)Fig.3Changes of Spatial Pattern and Area of Land Use Change from 2005 to 202019200SSP119情景18600SSP245情景SSP585情景1800017400168001620020201.1101080u/105010209002020减少。3.4不同情景下的土地利用空间格局变化基于2 0 0 52 0 15年的土地利用数据及转移概率模拟2 0 18 及2 0 2 0 年的土地利用，并将模拟结果与实际数据进行比较，整体模拟精度为93.1%，Kappa系数为0.90，模型有效。然后，基于2 0 2 0 年的土地利用数据模拟了2 0 35年不同情景下的土地利用分布(图 5)。2035年宁夏土地利用总体格局与2 0 2 0 年相似，北部平原区以耕地和建设用地为主，中部干旱荒草地（2 0 2 0 年）050km(b）空间格局变化(减少面积)图320052020土地利用变化空间格局及面积变化2950元SSP119情景SSP245情景2900SSP585情景28502800275020252030年份(a)耕地SSP119情景SSP585情景SSP245情景20252030年份(d)水域Fig.4Demand Prediction of Land Use Types Under Different Scenarios耕地（2 0 2 0 年）林地(2020年)草地(2 0 0 5年)未利用地(2005年）耕地(2 0 2 0 年)林地(2 0 2 0 年)建设用地1水域(2 0 2 0 年)(2020年)(c)面积变化23 6002320022.80022.4002200021600203520203600SSP119情景3200SSP245情景SSP585情景28002400200020352020图4不同情景下土地利用类型需求预测漠草原区以草地和未利用土地为主，南部黄土丘陵沟区以耕地和林地为主。与2 0 2 0 年土地利用结构相比，2 0 35年SSP585情景下宁夏耕地周边草地和未利用土地以转为耕地为主，以北部的引黄灌溉区耕地周围土地最为明显，SSP245和SSP119情景下的耕地主要表现为被建设用地占用和草地侵蚀；林地主要集中在北部的贺兰山区和南部的六盘山区；草地为占比最大的土地利用类型，SSP585情景下大部分被建设用地和耕地侵占，SSP119情景下以南部六盘山区为主的草地自然生长为林地；3种情草地(2 0 2 0 年)未利用地(2020年)SSP119情景SSP245情景SSP585情景20252030年份(b)林地20252030年份(e)建设用地20352035202050004800460044004200400020202025年份(c)草地SSP119情景SSP245情景SSP585情景20252030年份(f)未利用土地203020352035第4期耿思筱，等：基于SD-FLUS模型的宁夏土地利用多情景模拟813NNNN070km070km070kmJ070km耕地林地草地水域建设用地未利用土地(a）2 0 2 0 年土地利用现状14为转化明显且具北部平原区、中部干旱荒漠草原区、南部黄土丘陵沟壑区代表性的区域编号Fig.5 Simulated Results of Land Use Under Different Scenarios景下的水域分布基本相似，都以河流为主；建设用地面积大幅增长且变化明显，城市扩张主要发生在北部平原区，SSP585和SSP245情景下，建设用地以草地和未利用土地转入为主，离城市和居民点较近的草地被建设用地占用，SSP119情景下，建设用地以耕地占用为主；未利用地主要集中于西部的中卫市和东部的盐池等地区，SSP585情景下被建设用地明显占用，SSP245和SSP119情景下逐渐转变为草地。因为宁夏范围较大，且土地利用转化较为分散，所以选取图5中标注的转化明显且具北部平原区、中部干旱荒漠草原区、南部黄土丘陵沟区代表性的4个区域进行阐述（图6）。区域1、2 分别为石嘴山市、银川市附近区域，用于展示不同情景下建设用地、草地、耕地及未利用土地之间的转化及变化。SSP585情景下人口和经济增长较快，耕地增加，建设用地扩张明显，建设用地占用区域1、2 周围草地及未利用土地，耕地侵占区域2 周围部分草地；SSP245情景下两个区域都以建设用地扩张为主，但扩张幅度相比SSP585情景要小，两个区域均表现为建设用地对周围耕地、草地及未利用地的侵占；SSP119情景下耕地减少，建设用地扩张最慢但较为集中，对周围耕地进行大量侵占，且以区域2 周围变化最为显著。区域3为西部中卫市附近一处以草地为主，夹杂少量建设用地、耕地和未利用土地的区域。此区域的建设用地和未利用土地变化最为明显，建设用地扩张速率从大到小的情景依次为SSP585情景、SSP245情景、SSP119情景。SSP585和SSP245情耕地林地草地水域建设用地未利用土地(b)2035年SSP119情景图5不同情景下土地利用模拟结果景下土地利用类型转化较为相似，都以建设用地占用草地和未利用土地为主；SSP119情景下，此区域建设用地占用少量耕地，且变化不明显。区域4为南部的隆德县及泾源县周边区域，主要以草地和林地为主，用于对比不同情景下林地、草地交错带的变化差异。与2 0 2 0 年的土地利用格局相比，SSP585和SSP245情景下该区域的林地和草地变化不显著，存在少量的草地向林地转化；SSP119情景下，林地恢复较为显著，主要侵占周围的草地。4 讨 论基于2 0 152 0 2 0 年历史数据的验证结果，宁夏土地利用模型总体精度为9 3%，Kappa系数为0.90。当Kappa系数大于0.7 5时，模拟效果较好。从已有的研究来看，土地利用变化模拟的精度受研究区范围、驱动因子、模型验证时间跨度以及情景参数设计等因素的影响。不同研究尺度中的精度存在一定的差异。孙定钊等模拟的黄土高原土地利用总体精度为8 8%37 ，而Liu等模拟的全国土地利用总体精度为7 5%14。结合本研究来看，小尺度模拟精度总体上相对略高于大尺度。在SSP119、SSP2 45、SSP58 5情景下，GDP、固定资产投资比例以及人口总量和城镇化率等增长迅速，城市建设用地扩张显著，这给耕地及适合转为建设用地的其他土地利用类型带来了不小压力。北部平原区经济和人口增长较快，且地势平坦，相较于中部干旱荒漠草原区和南部黄土丘陵沟壑区更适宜于耕地林地草地水域建设用地未利用土地(c)2035年SSP245情景耕地林地草地水域建设用地未利用土地(d）2 0 35年SSP585情景814地球科学与环境学报2023年(a）2 0 2 0 年土地利用现状（区域1)(b）2 0 35年SSP119情景(区域1)(c）2 0 35年SSP245情景(区域1)(d）2 0 35年SSP585情景(区域1)(e）2 0 2 0 年土地利用现状(区域2)(f)2035年SSP119情景(区域2)(g