基于CA-Markov和InVEST模型的土地利用格局与生境质量时空演变及预测——以江西省南昌市为例

为揭示土地利用变化对区域生境质量时空演变的影响,促进土地资源的合理利用和生态规划体系的建立健全,以江西省南昌市为例,基于1995年、2005年和2015年的土地利用数据,应用CA-Markov和MCE模型并结合InVEST模型,评价和预测了土地利用演变角度下的生境演化特征。结果表明:(1) 1995—2015年,草地、耕地及水域是南昌市的主要土地利用类别,占比超过90%;建设用地急剧扩张,20 a间涨幅高达96.44%,耕地和林地是流转为建设用地的重要地类。(2)研究区整体景观生境质量显著下降,大量高等级生境景观向低等级生境景观转化;城市附近和各个流域的生境退化比较显著;生境稀缺性高的用地类型大多是耕地和林地。(3) 2015—2025年期间,区内景观格局和生境质量继续保持1995—2015年的演变趋势,建设用地等生境适宜度较低的地类高速扩张,进而侵扰林地、水域和草地等生境质量优质地区,致使威胁源规模和影响范畴急剧扩大,景观破碎度水平升高,稳定性降低,这将引起研究区生境质量的持续下降。1995—2025年研究区生境质量明显退化,城镇化扩张与生态用地缩减是其主要原因。     

基于CA-Markov和InVEST模型的土地利用变化对生境影响评价——以福建省福州新区为例

[目的]研究福建省福州新区近15 a来的土地利用变化并对未来15 a的变化进行预测,并对30 a的生境质量变化进行分析;将预测结果与规划形成对比,为土地利用规划提供参考。[方法]以福建省福州新区为例,基于2000年Landsat_ETM~+和2015年Landsat_OLT遥感影像解译的土地利用数据,对国家级新区——福州新区的土地利用动态变化进行空间分析,运用CA-Markov模型对其2030年的土地利用格局进行预测。在此基础上,进一步采用InVEST模型对新区内过去,现在和未来的生境质量进行评价。[结果]①15 a间福州新区耕地、林地、水域和建设用地变化速度较快,草地和海域变化相对较小,未利用地变化较小但变化较为剧烈;②CA-Markov模型预测显示研究区2015—2030年土地利用变化趋势与2000—2015年大体相同,表现为除未利用地呈现增加的趋势外,建设用地和生态用地分别呈现急剧扩张和持续减少的趋势;③2000—2030年研究区内大量耕地、林地、草地和水域向建设用地转化,导致威胁源的增加,进一步降低了生境质量。[结论]福州新区由于建设用地快速扩张导致区内生境质量严重下降,应加强生态保育,合理控制建设用地的增长,避免生境质量进一步恶化。建议将2030年用地规划中的建设用地边界作为限制建设区边界,将预测结果作为允许建设区边界,提高建设用地的集约利用程度。     

2000—2020年基于土地利用变化的生境质量时空动态演变——以武汉城市圈为例

土地利用变化直接扰动生境质量,导致国土空间生态结构-过程不稳定及其累积效应下的服务功能退化。为分析武汉城市圈生境质量的时空演变特征,探究其土地利用变化对生境质量的影响情况,运用InVEST模型的生境质量模块,以2000年、2010年、2020年3期土地利用数据为基础,探究了武汉城市圈土地利用变化所引起的生境质量时空演变特征。结果表明:(1)武汉城市圈土地利用变化主要表现为耕地减少和建设用地扩张,其中耕地净转出面积为1 470.92 km²,建设用地净转入面积为1 340.61 km²。(2)2000—2020年,武汉城市圈的生境质量变化幅度较小,87%的区域生境质量等级不变,主要处于“一般”和“优”2个级别,6%的区域生境质量等级升高,7%的区域生境质量等级下降,整体生境质量良好;(3)低等生境(差、一般)主要分布在城市的经济发展核心区域及周边地区,高等生境(良好、优)一般分布在武汉城市圈的东北部和东南部海拔较高的地区。(4)2000—2020年,耕地、未利用地转化为水域,建设用地转为耕地以及草地转为林地的转化率具有最大的积极影响,CI值分别为2.271 9,0.509 1,0.421 4,0.226 2。耕地转为水域以及林地转化为耕地和建设用地对生境质量的消极影响最大,CI值分别为-3.350 6,-1.490 9,-1.409 9。综上,建设用地快速扩张和人口增长使得生境质量加速退化。未来应通过土地利用布局优化促进生境局地环境系统保护与修复措施,提升系统应对变化环境的弹性适应能力。     

湖南省重点生态功能区生境质量时空变化及其预测

[目的] 对湖南省南岳重点生态功能区土地利用变化及生境质量开展研究,揭示人类活动导致的林地减少与生境质量之间的关系,为该地区生态保护与经济建设的协调发展提供理论支持。[方法] 基于2009,2012,2015,2018和2021年5期土地利用变更数据得到土地利用转移矩阵,借助InVEST模型和CA-Markov模型分析预测南岳重点生态功能区土地利用结构及生境质量时空分布特征,并运用双变量空间自相关分析方法探究林地与生境质量两者的相关性。[结果] ①2009—2021年研究区林地和耕地主要转出为建设用地;建设用地面积增加15.87%,其中45.37%,36.25%分别由林地和耕地转入。②2009—2021年该地区生境质量呈现出“先快后慢”的持续下降趋势和“西部高,东南低”的空间分布特征。③研究区林地与生境质量在空间分布上的正相关性逐渐增强,以林地和优等生境质量的高高聚集为主要表现类型。④南岳区2025年建设用地将增加4.36%,2030年建设用地面积将达到1 563.53 hm²;未来生境质量将缓慢下降。[结论] 生境质量变化与人类活动干扰导致的林地减少,建设用地扩张紧密联系,应加强对南岳重点生态功能区的资源与环境管控。     

基于矢量属性的宁夏中部干旱带土地利用变化信息挖掘

[目的]增加对土地利用变化矢量属性的认知,进一步挖掘潜藏于土地利用变化中的特征和规律,丰富土地利用变化研究方法,为区域土地资源调控提供参考依据。[方法]基于土地转移流视角,提出土地转移率和土地转移链概念,采用Landsat MSS/TM/ETM遥感影像数据,对宁夏中部干旱带同心县的土地变化过程进行研究。[结果]1978—2015年同心县耕地和草地比例增大,未利用地减少。区县尺度上土地转移率渐次降低;类型尺度上,耕地转移率先升后降,草地转移率先降后升,未利用地转移率呈"降—升—降"特征。1978—1987年的土地转移流以草地转未利用地为主,1987—1996年则呈现多元特征,1996年表现为退耕还林还草和对未利用地的改造利用。1978—2015年土地利用转移围绕着耕地的流失与保护进行,土地转移单向链以31型(草地转耕地)和61型(未利用地转耕地)为主,往复链以Ⅱa型为主,主要是161型(耕地—未利用地—耕地)和131型(耕地—草地—耕地)。[结论]同心县土地利用变化存在较大份额的"往复链"。在土地资源开发与管理中要重视往复链所揭示的内涵并采取针对性措施。     

基于CA-Markov模型的宁夏沿黄生态经济带土地利用变化及模拟研究

[目的]研究宁夏沿黄生态经济带2009—2017年土地利用变化特点,并模拟2025年土地利用空间格局,为宁夏沿黄生态经济带土地开发、利用与保护提供引导,为国土空间规划编制提供参考。[方法]基于时间尺度和空间尺度,对宁夏沿黄生态经济带2009—2017年各类用地变化情况进行了分析,计算得出了各类用地转移概率矩阵,并基于CA-Markov模型,对自然发展情景、土地规划情景、耕地和生态保护情景下宁夏沿黄生态经济带2025年土地利用格局进行了模拟研究。[结果] 2009—2017年,宁夏沿黄生态经济带土地利用整体呈现出耕地、其他农用地及各类建设用地不断增加,园地、林地、草地、水域及自然保留地均有所减少的特点;除水域、其他建设用地外,其他各类用地转为城乡建设用地概率普遍较高,特别是耕地转为城乡建设用地概率最高,达到10.65%。[结论]在自然发展、土地规划、耕地和环境保护3种情景下,宁夏沿黄生态经济带2025年土地利用结构仍然以牧草地、耕地、自然保留地为主,但随着城镇化进程加快和基础设施持续完善,城乡建设用地和交通水利用地增加幅度较大。     

基于土地利用变化的祁连山地区生境质量时空演变分析

[目的]对祁连山地区的生境质量和生境退化状况开展研究,揭示人类活动对该地区生态环境的影响程度,为该地区的生态环境保护和发展提供科学参考。[方法]基于1970s末以来全国1∶10万土地利用数据,分析1970s末至2015年近35 a来祁连山地区的土地利用和景观格局变化特征,并采用InVEST模型评估该地区生境质量变化。[结果]①草地和未利用土地是该区最主要的土地利用类型,其次是林地、耕地、水域、城乡工矿居民用地;其中草地和城乡工矿居民用地的变化较剧烈,前者先减后增,后者持续增加。②在时间变化上,随着土地利用类型的变化,该区的生境质量由恶化的态势逐渐趋于改善,2015年生境质量最好。③在空间分布上,该区的生境质量和生境退化度均表现为东高西低。[结论]优越的自然条件使其生境质量较高;人类活动强度较高则是生境退化度较高的原因。     

郑州市土地利用/覆被变化与生境质量的时空演变及情景预测

[目的] 探究郑州市土地利用格局和生境质量时空演变特征并预测未来发展趋势,为区域生态保护实践和可持续发展提供理论参考。 [方法] 基于PLUS模型和InVEST模型,同时结合ArcGIS空间分析及地理信息图谱法,分析2000—2020年郑州市土地利用变化情况,并模拟2030年基准情景和生态保护情景下的空间分布格局,探究郑州市生境质量时空演变规律和像元尺度下的迁移状态。 [结果] ①2000—2020年,耕地和建设用地为郑州市主要景观类型,20年间,建设用地面积激增,涨幅15.76%,主要来源于耕地; ②PLUS模型对郑州市土地利用模拟具有适用性,相较于基准情景,2030年生态保护情景下建设用地扩张受限,生态用地总量上升,该情景可为研究区推进生态建设提供参考; ③2000—2020年生境质量不断退化,空间分布差异显著,高生境质量区始终位于巩义市和登封市,低和较低等级的图谱单元相互转移最频繁; ④2030年延续“西高东低”格局,生态保护情景下生境质量呈“低值减少,高值增多”的特征,向较高和高等级转移率升至14.44%,与基准情景相比表现出稳中向好的发展趋势。 [结论] 郑州市生境质量时空分布与土地利用变化密切相关,未来应注重国土空间结构的合理布局,增强土地利用效率,提升生态系统质量和稳定性。     

基于CA-Markov与InVEST模型的吉林省生态系统服务价值模拟及预测

[目的] 分析与预测吉林省土地利用演变过程,衡量其对生态系统服务价值的影响程度,为吉林省生态环境保护与改善方针策略的制定提供理论依据。[方法] 基于吉林省2000,2010和2017年3期土地利用数据,采用CA-Markov模型对2024年的土地利用格局进行模拟预测,利用InVEST模型分析吉林省2000-2024年生态系统服务价值变化及生境质量时空演变特征。[结果] ①2000-2024年吉林省耕地、草地、建设用地面积持续增长,林地、水域和未利用土地面积有所减少。②2000-2024年生态系统服务总价值呈下降趋势,其中森林的生态系统服务价值量最大,水文和气候调节是主要的生态服务功能。③吉林省生境质量在空间分布上呈中西部低,东部高的特征,质量在不断退化,城市周边和各大水系流域沿岸退化严重。[结论] 吉林省中部及西部地区生境质量下降较为严重,应注重城市周边及水系的保护与合理利用。     

宁夏中部生态脆弱区农业土地利用可持续发展初探——以宁夏同心县为例

在分析宁夏同心县生态环境及农业土地利用现状和经济发展现状水平的基础上,提出以提高农业经济效益和生态效益为目的,遵循因地因时制宜的土地利用原则,采取一系列措施,合理利用土地资源,提高土地利用率,以及利用节水灌溉技术和灌溉水资源管理制度,提高水资源利用率,实现宁夏中部生态脆弱区农业土地利用可持续发展。     

基于改进CA-Markov模型的山地城市边缘区土地利用变化模拟

山地都市边缘区土地利用处于深刻转型中,其变化模拟一直以来都是难点问题。现有的模拟方法如传统的CA-Markov模型等存在明显缺陷。该研究基于层次分析的多标准评价模型MCE引入传统的CA-Markov模型,改进传统模拟方法。在限制因素和限制因子适宜性评价基础上,结合实证区域2006,2011和2016年土地利用现状数据,引入改进的CA-Markov模型,模拟山地城市边缘区土地利用时空变化。首先是利用改进的模型与传统的模拟分别模拟2016年研究区域的土地利用变化;其次将2种方法获取的图像分别与实证区域的土地利用现状图进行精度分析,改进方法模拟精度明显高于传统方法精度;最后利用改进的方法和2016年现状数据,进一步模拟2030年实证区域的土地利用时空格局。结果表明：维持研究区现有的城镇化发展速度,到2030年研究区的耕地、林地、园地、水域、未利用地和农村居民点等将大幅减少,这对于研究区粮食安全、生态保护等造成较大威胁。改进的MCE-adjusted CA-Markov模型,相对于传统的CA-Markov模型,能较好地模拟山地城市边缘区土地利用时空格局变化。此外,讨论了研究结果对该区域国土空间规划编制的启示以及模型未来改进的方向等。     

基于改进CA-Markov模型的山地城市边缘区土地利用变化模拟（英文）

山地都市边缘区土地利用处于深刻转型中,其变化模拟一直以来都是难点问题。现有的模拟方法如传统的CA-Markov模型等存在明显缺陷。该研究基于层次分析的多标准评价模型MCE引入传统的CA-Markov模型,改进传统模拟方法。在限制因素和限制因子适宜性评价基础上,结合实证区域2006,2011和2016年土地利用现状数据,引入改进的CA-Markov模型,模拟山地城市边缘区土地利用时空变化。首先是利用改进的模型与传统的模拟分别模拟2016年研究区域的土地利用变化;其次将2种方法获取的图像分别与实证区域的土地利用现状图进行精度分析,改进方法模拟精度明显高于传统方法精度;最后利用改进的方法和2016年现状数据,进一步模拟2030年实证区域的土地利用时空格局。结果表明：维持研究区现有的城镇化发展速度,到2030年研究区的耕地、林地、园地、水域、未利用地和农村居民点等将大幅减少,这对于研究区粮食安全、生态保护等造成较大威胁。改进的MCE-adjusted CA-Markov模型,相对于传统的CA-Markov模型,能较好地模拟山地城市边缘区土地利用时空格局变化。此外,讨论了研究结果对该区域国土空间规划编制的启示以及模型未来改进的方向等。     

基于InVEST模型的未利用地开发前后生境质量评价——以唐县为例

生境质量评价对生物多样性保护有至关重要的作用,为探究未利用地开发对唐县生境质量的影响,本文运用InVEST模型中的Habitat Quality模块分析2000年、2007年和2016年河北省唐县未利用地开发前后的生境质量变化情况。研究表明:1)2000—2016年,未利用地开发方向主要以草地、林地和耕地为主,未利用地比例从100%(以2000年未利用地面积为基数)减少到33.70%,草地、林地和耕地比例从0分别增加到27.43%、 21.30%和10.46%。2)唐县未利用地斑块所占景观面积比逐年减少,其平均斑块面积由开发前的94.73 hm~2减少到开发后的6.15hm~2;林地、水域和草地所占景观面积比例增加。未利用地开发后均匀度指数和多样性指数都有所增加,各景观组分所占面积比例差异减小,生态系统稳定性提高。3)未利用地开发后,研究区生境质量明显提升,生境质量得分由2000年的0.09上升到2007年的0.28,2016年又上升到0.39。研究结果可以为制定合理的土地规划以及土地开发工作中的生境及生物多样性保护等提供科学依据。     

基于CA-Markov模型的藉河流域土地利用变化动态模拟

为了探讨黄土丘陵沟壑区藉河流域的土地利用变化规律及驱动力,基于1995和2008年两期遥感影像解译得到的土地利用数据,通过土地利用动态度模型和空间测算模型对藉河流域土地利用类型的动态变化程度进行分析,并运用CA-Markov模型对2022年土地利用空间格局进行预测.结果表明,空间分析测算模型由于同时考虑了各土地利用类型的空间转移及新增过程,能更为准确地测算出各种土地利用类型的动态变化程度与速率;CA-Markov模型预测结果表明,整个流域总体的Kappa系数为0.9515,预测结果可信;除草地和未利用地外,2008-2022年期间其他土地利用类型继续原有的变化趋势,到了2022年表现出坡耕地、草地、水域和未利用地面积减少趋势,梯田、林地和居民地面积呈增加趋势.黄土丘陵沟壑区水土流失严重,此研究有助于加强土地资源的保护和实施退耕还林还草等措施,为当地土地利用规划管理提供参考.     

基于InVEST和CA-Markov模型的黄河流域碳储量时空变化研究

区域土地利用/覆被变化是导致生态系统碳储量变化的主要原因,预测未来土地利用/覆盖变化及其对碳储量的影响对区域陆地生态系统的认识具有重要意义。本研究基于黄河流域2005—2018年土地利用/覆被变化规律,运用CA-Markov模型分别预测了生态保护情景(EVC)和自然变化情景(NVC)下的土地利用/覆被空间格局,采用修正后的碳密度,运用InVEST模型评估黄河流域2005—2030年6期碳储量。结果表明:2005—2018年黄河流域林地、水域和建设用地面积持续增加,耕地、草地和未利用土地面积减少, 13 a间全流域碳储量减少28.734×10~6 t。与自然变化情景相比,在生态保护情景下2030年草地和耕地相比2018年减少幅度较小,建设用地规模扩大得到了限制,产生了生态效应。2030年,自然变化情景和生态保护情景下的碳储量较2018年分别减少258.863×10~6 t和30.813×10~6 t,生态保护情景下土地利用覆被格局固碳能力高于自然变化情景,该研究可为黄河流域土地利用结构调整和土地利用管理决策提供科学依据。     

基于InVEST模型评估土地整治对生境质量的影响

土地整治通过对土地资源及其利用方式再组织和再优化影响生境斑块之间物质流、能量流的循环过程,从而改变区域生境质量和分布格局。该文以大安市土地整治重大项目为例,采用InVEST模型分析了土地整治对生境质量的影响。研究表明:1)土地整治前(2008年)、整治中(2011年)、整治后(2014年),耕地、草地和盐碱地均为项目区的主要土地利用类型;2)土地整治后,大量的盐碱地和草地转变为耕地,耕地面积由整治前的14.43%上升到71.19%;3)土地整治中,项目区的生境质量得分由整治前的0.194下降到0.189,整治后又上升到0.214;4)土地整治工程改善了项目区的生境质量,但整治完成后生境质量改善效果经历了先下降后上升的过程,在整治完成3~4 a时,生境质量仅比整治前提高了0.06左右,整治完成4 a之后,生境质量开始逐渐好转。研究结果可为土地整治工作中的生境及生物多样性保护工作提供科学依据。     

基于土地利用格局变化的生态风险与固碳功能评价——以河北省黄骅市为例

土地利用格局的变化会引起区域生态风险和固碳功能的变化。本文以河北省黄骅市为例,以1995年、2005年和2015年遥感影像为基础数据,基于土地利用格局变化构建生态风险指数,利用In VEST模型分析碳储量服务变化,并对二者进行相关性分析,以期为土地资源的合理利用提供科学依据。结果表明:1)1995—2015年,黄骅市主要土地利用类型为耕地、盐碱地和建设用地,对比2015年和1995年的结果发现,耕地、草地和建设用地破碎度和分离度增加,园地和盐碱地分离度和破碎度降低;园地和盐碱地损失度指数降低,而其他土地利用类型损失度指数增加。2)1995年、2005年和2015年黄骅市生态风险总和分别为12.58、10.32和11.10,生态风险区以较低风险区和高风险区为主,较低风险区面积逐渐增加且向南部集中,高风险区面积逐渐减少且向中部和东部海岸带集中。3)In VEST模拟结果表明,研究期间黄骅市碳储量呈现先上升后下降的趋势,1995年、2005年和2015年黄骅市的碳储量分别为2 387.05万t、2 491.51万t和2 028.86万t,3年的碳密度分别为107.63 t·hm~(-2)、112.34 t·hm~(-2)和93.16 t·hm~(-2),各土地利用类型碳储量的变化情况与各自面积的变化情况有较高的一致性。4)生态风险变化与碳储量服务变化的相关性分析结果表明,1995—2005年和2005—2015年二者相关性的决定系数分别为0.69和0.72(P0.01),呈显著负相关关系,表明生态系统服务变化在生态风险评价中应用的可能。基于土地利用格局变化对黄骅市生态风险和碳储量进行评价,对于其实现土地资源可持续利用和区域生态环境改善具有重要意义。