基于CLUE-S 模型的吴忠市土地利用时空演变及多情景模拟预测*

吕文清 ，马晓芳

（宁夏师范学院资源环境与生命科学学院，宁夏 固原 756000）

0 引言

土地利用变化对生态环境与国土资源协调可持续发展至关重要[1]，不合理的土地利用模式易导致土壤退化、水土流失、生物多样性下降等生态问题[2]。因此，研究不同情景下的未来土地利用时空演变格局，对合理利用土地资源、科学规划国土空间开发格局和区域高质量发展具有重要意义。

目前，许多学者借助CA-Markov 模型[3]、FLUS模型[4]和CLUE-S 模型[5]等对土地利用进行分析和模拟。其中，CLUE-S 模型作为一种比较完善和理想的土地利用变化经验统计模型，可根据经验量化土地利用变化与驱动因子间的关系，并同时模拟多种土地利用方式变化的情景[6]，CLUE-S 模型因具有上述优势而被广泛应用于土地利用变化模拟与预测方面。彭树宏等[7]应用CLUE-S 模型模拟奎屯河流域的土地空间格局变化，得出节水型发展是干旱区典型绿洲城市未来空间发展的最优模式。韦钰等[8]应用CLUE-S 模型模拟了柳州市2025 年自然增长和耕地保护两个不同情景的土地类型，通过分析得出柳州市未来可能出现耕地撂荒情况，并提出了相关对策。顾汉龙等[9]运用CLUE-S模型预测2030年法库县土地利用分布空间格局及各情景下土地利用碳收支状况，得出土地利用结构优化情景是法库县中长期发展阶段较为适宜的土地利用模式。董兆蓉[10]运用CLUE-S 模型预测2030 年岷江上游自然发展、生态保护、城镇化快速发展这三种情景下的土地利用空间冲突水平。唐娇娇等[11]运用CLUE-S 和InVEST 模型对苏州市的生境质量进行评估及预测。刘纪远等[12]对中国2010—2015 年土地利用变化的时空格局进行了研究。姜立伟[13]依据乌裕尔河流域1980—2010 年的数据，利用L-THIA 模型对依安站集水区土地利用变化的水文效应进行模拟和分析，得出土地利用变化情况对径流的影响明显的结论。刘欣等[14]为实现在多目标中的土地利用规划并提高土地利用效率，以河北省廊坊市北三县为例，借助CLUE-S 模型对土地利用布局进行多目标模拟。王雅、巩杰等[15-16]根据InVEST 模型对黑河中游土壤保有量、生态环境质量、大气调节和源头水质等的空间分布特征进行了模拟，并用定量分析评估了LUCC在生态环境中的作用，产生了可观的效益。李媛洁等[17]基于CLUE-S 模型对南昌市的“三生”空间进行时空演变及情景模拟研究。赵明松等[18]运用CLUE-S模型对煤矿城市的土地利用变化进行了模拟。樊文杰等[19]以四川省为研究对象，运用CLUE-S模型对其未来10 年土地利用变化进行了预测和分析。总体而言，CLUE-S 模型相对成熟，具有良好的模拟能力，能够深挖出未来区域土地利用的适宜模式。

吴忠市地处黄河中上游，是宁夏沿黄城市带发展的核心区之一，也是黄河流域生态保护和高质量发展先行区重点开发的区域，其土地利用布局优化和国土空间开发格局科学规划对于区域生态环境保护和高质量发展至关重要。因此，本文以吴忠市为研究区域，选定2030 年为时间节点，利用土地利用转移矩阵、CLUE-S 模型，分析2000—2020 年吴忠市土地利用时空演变格局，从自然增长、生态保护和经济增长三个情景模拟预测2030 年吴忠市土地利用格局，以期为吴忠市合理利用土地资源、优化国土空间开发格局、实现高质量发展提供参考依据。

1 研究区概况与数据预处理

吴忠市位于宁夏回族自治区中部，地处宁夏平原腹地，地理坐标为东经105°17′~107°47′，北纬36°34′~38°15′，总面积2.14 万km2，下辖利通区、红寺堡区、青铜峡市、盐池县、同心县5 个县（市、区），具体如图1 所示。地处西北内陆，属中温带干旱、半干旱气候地区，年平均气温9.3 ℃，年平均降水量184.6 mm~273.5 mm。吴忠市历史文化悠久、资源丰富，是新丝绸之路经济带重要的节点城市，也是宁夏沿黄城市带发展的核心区之一，区位优势显著。

图1 研究区位置

本文采用的2000—2020 年土地利用数据，来源于30 米全球地表覆盖数据GlobeLand30（http://globeland30.org/），空间分辨率为30 m。该数据的总体精度为80.30%，中国范围内的总体精度达到82.39%[20]。本文将GlobeLand30 的10 种地表覆盖根据土地资源及其利用属性，分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6 类[21]。利用ArcGIS 10.7 软件经投影变换、拼接、裁剪等处理后，根据吴忠市行政边界矢量数据掩膜提取出2000年、2010年和2020 年吴忠市土地利用数据。数字高程数据（DEM）来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/），社会经济数据、道路数据均来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（https://www.resdc.cn/）。

2 研究方法

2.1 土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵能够全面具体刻画区域土地利用变化的结构特征，反映人类活动所引导的土地利用变化方向，更好地揭示土地利用格局的时空演化过程[22]，其表达式为：

式中，Sij为i类土地转为j类土地的面积，n为土地利用的类型数。利用ArcGIS 的融合、相交等工具结合Excel 软件，计算得到2000—2010 年、2010—2020 年共两期土地利用转移数据，以分析吴忠市土地利用变化情况。

2.2 CLUE-S模型

CLUE-S模型是由荷兰瓦格宁根大学的Verburg等在CLUE 模型的基础上开发的一种小尺度土地利用模拟模型，包括空间分析模块和非空间分析模块两部分[23]。CLUE-S模型通过空间分析、转化规则设定、土地利用需求、模拟时空尺度设定等模型设置定量化分析土地利用变化与社会经济、自然环境等驱动因子之间的关系，以此来模拟预测未来土地利用变化情况[24]。

3 结果与分析

3.1 土地利用时空演变特征

本文基于2000 年、2010 年、2020 年吴忠市3 期年土地利用数据，运用ArcGIS 软件将研究区土地利用类型按照中国土地利用/土地覆盖数据三级分类系统划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地六类[25]，如图2 所示。并通过土地利用转移矩阵分析吴忠市不同年份土地利用情况和各土地利用类型转移状况。

图2 2000 年、2010年、2020年吴忠市土地利用变化

由图2 可知，吴忠市土地利用类型主要以草地和耕地为主，其中草地面积占比56.59%，耕地面积占比34.11%，未利用地和建设用地次之，水域面积最少。2000—2010 年林地转耕地面积最多，草地也有部分转为耕地；耕地主要转为水体和建设用地；建设用地有扩大的趋势，这表明吴忠市在此期间经济发展和城市建设速度加快。2010—2020 年以耕地转为建设用地以及草地转为耕地为主。

2000—2010 年吴忠市土地利用变化矩阵如表1所示。2000—2010 年吴忠市各类土地利用类型中，草地、耕地的土地利用面积有扩大的趋势，未利用土地有一部分转为耕地，林地转为耕地面积较多。在吴忠市土地利用类型面积分布中，草地占据绝大多面积比例，水域占比较少。耕地面积整体有所增加，原因在于多年来，吴忠市坚持不懈地开展全民土地国情、国策、国法教育，走“开源”之路，大规模开发土地。

表1 2000—2010年吴忠市土地利用变化矩阵

2010—2020 年吴忠市土地利用变化矩阵如表2所示。2010—2020 年吴忠市各类土地利用类型中，整体草地面积呈现出下降趋势，总结原因在于草地的植被覆盖对土壤的依附力较低，转化力较强，可改变性高于林地、水体等土地利用类型。林地和水体等土地利用类型的转化较少，原因在于该类型土地转化所需要的时间较长，短时间内发生的变化较小。耕地面积表现出增加趋势，原因在于人口增加，需要保障粮食生产总量及粮食安全，塑造良好的生态功能。由于城市化和经济的快速发展，建设用地大幅度增加，水体、林地和未利用地的土地利用面积有所增加，但增长幅度远小于建设用地。

表2 2010—2020年吴忠市土地利用变化矩阵

在这20 年内，吴忠市整体土地利用面积变化程度不大，变化集中表现为各类型土地间转换，如图3所示。其中：1）耕地的面积呈增长趋势，主要是因为吴忠市是我国实施西部大开发战略的重要地区，生态环境脆弱，耕地后备资源不足，区域发展不平衡，所以在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中指出增强对耕地尤其是基本农田的全面保护，严格控制管理非农投资建设耗用耕地，强化耕地数量保护和质量提升；2）建设用地不断扩张，主要在于推进了基础设施的建设。

图3 2000—2020年吴忠市土地利用转移桑基图

3.2 未来土地利用多情景模拟预测结果

以2000 年吴忠市土地利用情况作为基础数据，并以2010 年与2020 年吴忠市土地利用数据作为模型计算数据，综合以上数据进行预测；将预测结果与2020 年吴忠市土地利用现状数据进行对比分析，并进行模型精度检验与校正。然后利用CLUE-S 模型从自然增长情景、生态保护情景和经济增长情景分别预测2030 年吴忠市未来土地发展变化情况。多情景模拟下成本矩阵参数设定如表3所示。

表3 多情景模拟下成本矩阵参数设定

1）通过CLUE-S 模型进行2030 年未来土地利用自然增长情景预测，通过模拟预演，实验所得自然增长情景下Kappa Coefficient 为0.618 115，即61.81%，位于40%~80%之间，表示CLUE-S 模型的仿真精度高，可以利用该模型进行预测。

2）通过CLUE-S 模型进行2030 年未来土地利用生态保护情景预测，通过模拟预演，实验所得生态保护情景下Kappa Coefficient为0.882 170，即88.21%，高于75%，表示CLUE-S 模型的仿真精度高，可以利用该模型进行预测。

3）通过CLUE-S 模型进行2030 年未来土地利用经济增长情景预测，通过模拟预演，实验所得经济增长情景下Kappa Coefficient为0.852 191，即85.21%，高于75%，表示CLUE-S 模型的仿真精度高，可以利用该模型进行预测。

预测结果如图4 所示，符合吴忠市土地发展整体规划，在确保生态安全与粮食安全的情况下进行城镇化的建设，自然增长情景下吴忠市草地面积逐渐扩大，水体占地面积有所增加，建设用地面积有所减少，未利用土地面积占比有所增加；生态保护情景下耕地面积有所减少，但林地、草地、水体面积呈现出大幅度增长趋势，同时建设用地面积也呈现出一定的增长趋势；经济增长情景下耕地面积与建设用地面积有所增加，未利用土地在自然生态优化完善的社会大环境下连续减少，得到了全面的开发和使用，未利用土地面积有所减少在一定程度上也反映了吴忠市逐渐进入高质量发展阶段。

图4 2030 年吴忠市土地利用自然增长、生态保护、经济增长情景预测

4 结论与讨论

4.1 结论

1）2000—2010 年吴忠市各类土地利用类型中，草地、耕地的土地利用面积有扩大的趋势，未利用土地有一部分转为耕地，林地转为耕地面积较多；2010—2020 年吴忠市各类土地利用类型中，草地面积整体呈现出下降趋势，耕地面积表现出增加趋势，建设用地大幅度增加，水体、林地和未利用地的土地利用面积有所增加，但增长幅度远小于建设用地。

2）通过CLUE-S 模型对吴忠市2030 年土地利用变化情况进行预测，预测结果如下：自然增长情景下吴忠市草地面积逐渐扩大，水体占地面积有所增加，建设用地面积有所减少，未利用土地面积占比有所增加；生态保护情景下耕地面积有所减少，但林地、草地、水体面积呈现出大幅度增长趋势，同时建设用地面积也呈现出一定的增长趋势；经济增长情景下耕地面积与建设用地面积有所增加，未利用土地在自然生态优化完善的社会大环境下连续减少。

4.2 讨论

预测结果显示，2030 年吴忠市各情景下的土地利用类型面积都出现不同方向的增加或减少，但土地利用的变化发展是一个较稳定的长时间过程，所以各类土地利用的布局并没有出现很剧烈的变化。在之后的研究中，应该注重运用大数据的优势，进一步提高数据的现势性和准确性，以此来提高模拟结果的精确性。