基于CLUE－S与生态敏感性分析的土地利用生态效应动态模拟分析

赵 天，陈文波* ，李芳颢，罗 璇

(1.南昌市景观与环境重点实验室，江西 南昌 330045;2.江西农业大学 景观与环境生态研究中心，江西 南昌 330045;3.江西省国土资源勘测规划院，江西 南昌 330025)

土地利用与土地覆被变化(LUCC)及其生态环境效应研究是当前全球变化研究的热点之一。土地利用变化受到区域经济社会发展驱动和自然资源约束，也影响着区域中很多的生态过程[1]。模拟土地利用变化过程并预测其变化趋势是研究其它生态过程变化的基础[2－4]。CLUE－S模型是20世纪末由荷兰瓦赫宁根大学环境科学学院研发，是在CLUE模型的基础上发展起来的适用于小面积土地利用变化模拟的空间直观模型，它能很好地反映土地利用变化在空间上的关联性、等级性、竞争性和土地利用的相对稳定性[5]，在国内外已取得广泛应用[9]。生态敏感性是指生态系统对区域各种自然和人类活动干扰的敏感程度，它反映的是区域生态系统在遇到干扰时发生生态环境问题的难易程度和可能性大小[6]，与区域土地利用变化密切相关，是研究土地利用变化生态效应的有力工具[7－8]。目前将土地利用动态模拟与土地生态敏感性结合起来，分析土地利用变化生态效应的研究还鲜为报道。本研究在生态敏感性分析的基础上，基于CLUE－S土地利用空间变化模拟结果，分析不同生态敏感区内的土地利用变化，并有针对性的提出优化土地利用的对策，可为土地利用生态效应研究提供新思路，为促进南昌市土地生态环境建设与保护、实施宏观规划和管理提供参考与依据。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

南昌市位于东经 115°27'～116°35'、北纬 28°10'～29°11'，为江西省省会，濒临我国第一大淡水湖鄱阳湖西南岸，是鄱阳湖生态经济区核心城市。全市辖区南北长约l12.l km，东西宽约107 km，土地总面积 7 194.61 km2。2010年农用地 4 656.63 km2，建设用地 1 086.49 km2，其它土地 1 451.49 km2，地势以平原为主，东南地势平坦，西北丘陵起伏(图7)。南昌市目前面临的主要环境问题有水土流失、水体污染和土壤污染等。

1.2 数据来源

所用数据资料主要包括(1)专题地图数据:南昌市2005年和2010年1∶10万土地利用现状图，2010年文物古迹分布图，2010年地质灾害分布图，2010年主要河流图、2010年土壤质量等级分布图，2010年交通图;(2)历史统计资料:2005－2010年统计年鉴;(3)规划文本:南昌市土地利用总体规划(2006—2020年)和南昌市基本农田保护规划(2006—2020年)。DEM数据来自于中国科学院科学数据库(http://www.sdb.ac.cn/，分辨率 90 m×90 m)。

2 研究方法

2.1 生态敏感性分析

生态敏感性分析的关键在于评价指标的确定[10]。评价指标体系的选择往往依据评价区域的实际情况和评价内容加以考虑，结合南昌市环境问题，选择文物古迹及森林公园、地质灾害、水环境、土壤综合质量4个有代表性的因子作为土地生态敏感因子，评价等级分为极度敏感性、重度敏感性、中度敏感性、轻度敏感性、微度敏感性。在单因子分析方面，采用点面结合的方法进行文物古迹及森林公园敏感性评价;采用综合评价方法，将区域地壳稳定性、地面稳定性和地基稳定性3者叠加，评价地质灾害敏感性;将全市划分为赣江下游(峡江至外洲)、抚河(李家渡以上)、修河(永修以上)和鄱阳湖环湖区，根据评价点到河流湖泊的距离计算评价点的敏感度值，不同生态影响的水体划定不同宽度的核心区、缓冲区和影响区，对地表水的敏感性进行评价;土壤综合质量的等级划分是依据《土壤环境质量标准》中各指标的分级限制值，采用尼梅罗综合指数法进行评价[11]，依据以上方法，得到各因子敏感性分布图。通过专家打分法，邀请农业、林业、土地、环保、水利等相关专家8名，经过两轮打分确定单因子的权重值(文物古迹及森林公园0.25，地质灾害0.2，水环境0.35，土壤综合质量0.2)，加权求和后进行空间叠加运算，确定土地生态敏感性的综合等级和分布。

2.2 CLUE－S空间模拟与参数设定

根据实际情况将南昌市年土地利用类型分为耕地、园林地、建设用地、水域和其它用地5种类型。对CLUE－S模型进行参数设置过程中，首先提取各用地类型的二值图，结合影响各用地类型的驱动因子，包括高程、坡度、坡向、城市化率、人均GDP及城镇、水系、公路和铁路的空间通达性，利用SPSS软件进行二元Logistic逐步回归分析，得到各驱动因子的影响系数β，回归方程的解释能力一般用ROC(Relative Operating Characteristics)方法进行验证[12]。土地需求根据《南昌市土地利用总体规划(2006—2020年)》中各类土地规划目标，利用线性内插方式得到。转换规则主要依据区域内土地利用变化的历史情况、现状及规划本身的导向作用确定:耕地0.7，园林地1，建设用地1，水域1，其它用地0.5(0表示土地类型容易发生转化，1表示土地类型不发生变化，0～1之间的系数越接近0表示越容易发生变化，越接近1表示越稳定)。空间约束条件是用来限定不允许发生地类变化的区域，在本次研究中，参照《南昌市基本农田保护规划(2006—2020年)》，设定基本农田保护区为空间约束区域。在综合分析土地利用空间分布概率、土地需求情景、土地利用变化规则、限制区域等基础上，经过有效性检验(通常使用Kappa指数)，对未来南昌市土地利用格局进行模拟。

2.3 研究技术路线图

在生态敏感性分析与CLUE－S土地利用动态变化模拟的基础上，对两者结果进行空间叠加分析，提取了2010年、2015年和2020年不同土地生态敏感区内的土地利用变化信息，并提出优化土地利用对策与建议。具体技术路线如图1。

图1 技术路线Fig.1 The technical route

3 结果与分析

3.1 生态敏感性评价结果与分析

研究区内文物古迹及森林公园的敏感性以微度、轻度和中度为主，占全区面积的88.36%;重度敏感和极度敏感区主要分布在各自然保护区内，艾溪湖森林湿地公园、大公岭自然保护区、西山自然保护区、梅岭国家森林公园、南矶山自然保护区等(图2，表1)。

表1 单因子及综合生态敏感性面积及比例Tab.1 The area and percentage of single factor and integrated ecological sensitivity

图2 文物古迹及森林公园Fig.2 Heritage and forest park

图3 地质灾害Fig.3 Geological disasters

研究区内地质敏感性分两类，微度和中度敏感性，微度敏感区分布在南昌市区，中度敏感区分布在南昌市各县(图3，表1)。研究区内水环境敏感性以微度敏感为主，占全区面积的46.45%;极重度敏感区占全区面积的26.95%，主要分布在鄱阳湖、军山湖周边和赣江流域(图4，表1)。研究区内土壤综合质量敏感性以微度敏感为主，占全区面积的93.74%;极重度敏感区主要分布在重工业工厂附近(图5，表1)。

就综合敏感性而言，微度敏感区占研究区比例为15.14%，主要分布在安义县和进贤县;轻度敏感区占研究区比例为40.83%，主要分布在新建县、南昌县和南昌市5个区;中度敏感区面积占研究区比例为21.68%，主要分布在鄱阳湖支流、湾里重要生态功能区、梅岭森林公园等区域;重度敏感区面积研究区比例为18.39%，主要分布在西山自然保护区、香炉峰省级国家森林公园、鄱阳湖西北部、外青岚湖湿地保护区、军山湖水源涵养区等区域;极度敏感区面积占研究区比例为3.96%，主要分布在鄱阳湖与南矶山自然保护区的重叠区域以及军山湖与大公岭自然保护区的重叠区域(图6，表1)。

3.2 CLUE－S模型模拟与分析

模拟结果显示二元Logistic回归结果ROC系数均大于0.7，说明根据CLUE－S模型计算的土地利用空间发生概率是合理的。首先模拟2005—2010年南昌市土地利用变化图，将2010年模拟图与实际土地利用图进行对比，得到Kappa系数为0.85，说明模型可靠性较高，可以用其来模拟2010—2020年土地利用时空变化情况。空间模拟结果如图8，9所示。

表2 土地利用结构Tab.2 Structure of land use km2

对模拟的结果进行分析得出，区内耕地和其它用地面积显著减少，减少面积分别为140.76 km2和483.64 km2，园林地和建设用地面积分别增加 204.39 km2和392.01 km2，水域的面积增加了28 km2。从模拟的结果地类变化的空间特征来看，建设用地面积显著增加的区域主要分布在南昌县、进贤县和新建县，建设用地的增加主要通过占用耕地和其它用地来实现扩展;园林地的变化面积较大，增加的区域主要分布在进贤县和安义县，主要由耕地和其它用地转化而来;基于对水体的保护政策，特别是鄱阳湖区域“退耕还湖”政策的实施，南昌市水域面积呈现增加趋势(表2)。

3.3 不同敏感区内土地利用变化

基于CLUE－S模型得到2015年和2020年南昌市土地利用模拟图，叠加土地生态敏感性综合图，得到各敏感区内地类变化情况(图10)。

图10 不同敏感区内土地利用变化Fig.1 0 Land use change in different sensitive areas

通过比较3年不同敏感区内地类面积比例可知:微度敏感区内，耕地逐步减少，园林地和建设用地面积处于增加趋势，其中2010—2015年增加幅度较大，其它用地大幅度减少，至2020年面积比例仅为0.23%。轻度敏感区内，耕地和其它用地减少幅度较大，园林地和水域增长速度平稳，建设用地面积增长较快。中度敏感区内，以建设用地变化最为显著，至2020年，建设用地面积增加了30.11%，耕地平缓减少，园林地和水域呈增加趋势，其它用地较少幅度较大。重度敏感区内，园林地和建设用地增长幅度较大，耕地和其它用地处于缓慢较少的趋势，水域面积小幅度增长。极度敏感区内，以园林地变化最为显著，2010—2020年期间增长了44.62%，耕地、水域和其它用地面积变化幅度小，建设用地面积无变化。

4 结论与讨论

生态敏感性是表征生态效益比较成熟的方法，它一般受一个区域大的地理与生态环境条件限制，具有稳定性;而土地利用可以看成是一个区域生态系统的人工干扰，一般而言，合理的土地利用不会对生态系统构成大的破坏。因此，本文将相对静态的生态敏感性与土地利用变化模拟相结合进行分析。研究结果表明:从单因子方面以地质灾害的生态敏感性最为突出，敏感区面积比例超过90%，均为中度敏感区;其次为文物古迹及森林资源敏感性，敏感区面积比例为75.61%，中度敏感占到28.90%;水环境敏感性面积比例为53.55%，极度敏感区面积比例为17.09%;土壤综合质量敏感性面积所占比例较小，占研究区面积比例为6.26%;从综合生态敏感性评价的角度来看，以轻度敏感为主，面积比例为40.83%，其次为中度敏感区和重度敏感区，面积比例为21.68%、18.39%，可见南昌市的生态敏感性较为乐观。在土地利用变化模拟方面，在2010—2020年，南昌市土地利用格局不断发生着变化，耕地面积减少140.76 km2，其它用地面积减少483.64 km2，园林地和建设用地面积分别增加204.39 km2和392.01 km2，水域的面积增加了28 km2，南昌县、进贤县和新建县的土地利用变化最为显著。将生态敏感性图和土地利用模拟图叠加分析的结果表明:各敏感区内的土地利用不断发生着变化，总体趋势为耕地和其它用地面积减少，园林地、建设用地和水域面积增加。

通过对不同生态敏感区内的土地利用变化特征进行分析，找出土地变化特征和相互之间的差异，可为不同生态敏感区土地利用方式优化提供参考。微度敏感区和轻度敏感区生态系统较为稳定，受干扰后恢复能力较强，可以承受较大强度的开发建设，同时需合理规划建设项目的开发，科学引导建设用地扩张，有效控制工业和生活污水的排放，避免可能造成的水污染、土壤污染、水土流失等生态问题，减轻生态环境压力;中度敏感区内水质较好，植被覆盖率较高，但生态环境较为脆弱，生态系统受损后较难恢复，需加强对水体和森林的保护力度，合理规划农业生产活动;重度和极度敏感区敏感性高，生态系统脆弱，恢复能力也较弱，其主要分布在各自然保护区内，应根据保护区的有关规定，切实保护水源及森林，严格控制与生态保护无关的建设活动，调整生产模式，最大限度减轻各类污染。随着南昌市经济快速发展，人类活动范围进一步扩大，强度的不断增强，对土地及生态环境将产生更大的压力和影响。因而，如何在规划中考虑土地利用空间动态模拟以优化土地利用布局和开展生态环境建设对南昌市可持续发展尤为重要。

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