大理市土地利用變化模擬及景觀效應(yīng)分析

張洪 宋貝揚(yáng) 張雪巖

摘要 ?以2014年的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以大理市生態(tài)安全重要區(qū)的劃定和大理市土地利用總體規(guī)劃各類土地利用總量的變化為依據(jù)，構(gòu)建了4種不同的情景模式，利用DLS模型模擬了2020年大理市土地利用分布情況;在此基礎(chǔ)上，對(duì)4種模式下2020年的模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，同時(shí)以景觀生態(tài)學(xué)的角度，利用Fragstats軟件從斑塊和類型景觀2個(gè)尺度的景觀指數(shù)上對(duì)不同模式下的結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞 ??土地利用/覆被變化;DLS模型;情景模擬;景觀格局

中圖分類號(hào)F??301.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2018）36-0048-05

自1978年改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)用地正以前所未有的速度擴(kuò)張，促使耕地、水體及植被等土地利用類型大量轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)用地，進(jìn)一步加劇了原本就緊張的人地矛盾，并帶來(lái)了一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，對(duì)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的模擬研究已成為我國(guó)地理科學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)。受地區(qū)自身?xiàng)l件以及模型限制等多種因素的影響，我國(guó)的城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張模擬研究主要集中在自然條件相對(duì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的區(qū)域。

有關(guān)土地利用/覆被變化的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型已是土地利用/覆被變化及全球變化分析的重要技術(shù)手段。當(dāng)今社會(huì)隨著3S技術(shù)的快速發(fā)展和充分利用，土地利用/覆被變化預(yù)測(cè)模型的研究無(wú)論是在理論上還是在研究方法上都有了重大進(jìn)展。在生態(tài)文明概念被重視、生態(tài)安全逐步深入人心的基礎(chǔ)上，景觀生態(tài)學(xué)也有了快速發(fā)展，在土地利用/覆被變化研究中，景觀生態(tài)學(xué)、應(yīng)用生態(tài)學(xué)的相關(guān)理論與方法被逐步利用和分析，為土地利用/覆被變化的分析和進(jìn)一步研究樹(shù)立了新的方向和熱點(diǎn){1-3]。

景觀生態(tài)學(xué)強(qiáng)調(diào)人類活動(dòng)對(duì)地表景觀的影響，人類活動(dòng)的干擾是景觀格局變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，而土地利用/覆蓋變化是人類活動(dòng)的直接表現(xiàn)，也是景觀格局變化的直接原因。LUCC不僅帶來(lái)了地表景觀格局變化，而且深刻影響了景觀內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)，對(duì)區(qū)域生物多樣性和重要生態(tài)過(guò)程產(chǎn)生了巨大影響。因此，LUCC的景觀生態(tài)效應(yīng)研究己成為土地利用/覆蓋變化研究的重要方向之一，探討LUCC的景觀生態(tài)效應(yīng)越來(lái)越受到學(xué)者們重視{4-5]。

目前針對(duì)區(qū)域土地利用動(dòng)態(tài)模擬的研究較多，在土地動(dòng)態(tài)模擬的情景設(shè)置上，眾多學(xué)者圍繞基準(zhǔn)情景、生態(tài)情景、經(jīng)濟(jì)優(yōu)先發(fā)展情景、耕地保護(hù)、規(guī)劃目標(biāo)情景幾個(gè)方面{6];在模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)方面，很多學(xué)者開(kāi)始從對(duì)模擬結(jié)果在數(shù)量和分布上進(jìn)行簡(jiǎn)要分析越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向?qū)δM結(jié)果在生態(tài)方面的有關(guān)評(píng)價(jià)上。這些為該研究奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，但在研究的情景設(shè)計(jì)上，仍可以有新的思路設(shè)計(jì)出新的不同模式;在模擬的方法上，也有不同的模型可供選擇和利用;在模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)上仍有值得探討的問(wèn)題，特別是針對(duì)特定區(qū)域的結(jié)果研究更具有現(xiàn)實(shí)意義{7-10]。

相比而言，對(duì)于地勢(shì)起伏大、生態(tài)環(huán)境脆弱、經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后的山地城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張模擬的研究相對(duì)不足。山地城鎮(zhèn)的城市發(fā)展和建設(shè)受地形和山地災(zāi)害等因素的限制，表現(xiàn)出沿山間平地?cái)U(kuò)張的方向性特征{11-13]，并且山地城鎮(zhèn)的發(fā)展與擴(kuò)張會(huì)引起相比于平原地區(qū)更為突出的人地矛盾，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響也更為劇烈，因此開(kāi)展山地城鎮(zhèn)用地的模擬研究十分必要。

1研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1研究方法

1.1.1DLS模擬。

DLS是由中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所鄧祥征教授研究出的一種區(qū)域尺度土地系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)情景分析模型{14-16]。在有關(guān)土地利用變化的研究中被廣泛地應(yīng)用于地區(qū)經(jīng)濟(jì)與自然作用下的土地利用動(dòng)態(tài)變化模擬中。結(jié)合該研究案例和具體情況，采用DLS模型作為模擬模型進(jìn)行分析，并按模擬要求制備有關(guān)數(shù)據(jù)。表1為各用地類型驅(qū)動(dòng)因子及系數(shù)。

1.1.2景觀格局分析法。

景觀格局指數(shù)法在目前有關(guān)景觀格局的研究中應(yīng)用較多，特別是在對(duì)土地利用變化帶來(lái)的生態(tài)效應(yīng)分析的景觀格局研究中。景觀格局指數(shù)能夠?qū)Ψ秶鷥?nèi)的景觀格局信息進(jìn)行充分而簡(jiǎn)單的說(shuō)明。

美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)森林科學(xué)系開(kāi)發(fā)了Fragstats軟件，用來(lái)對(duì)景觀指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。該軟件是為揭示分類圖的分布格局而設(shè)計(jì)的、計(jì)算多種景觀指數(shù)的桌面軟件程序，目前在景觀分析中應(yīng)用較為廣泛。

該研究依據(jù)研究目的和具體情況，從斑塊類型水平和景觀水平2個(gè)方面考慮，選取具有代表性的景觀指數(shù)：NP（斑塊個(gè)數(shù)）、PD（斑塊密度）、ED（邊緣密度）、LPI（最大斑塊所占斑塊的面積比）、AI（聚集度指數(shù)）、CONTAG（蔓延度指數(shù)）、SHEI（均勻度指數(shù)）。對(duì)模擬的基期數(shù)據(jù)和4種情景的模擬結(jié)果進(jìn)行整體景觀水平的對(duì)比分析。

1.1.3土地政策與情景分析。

為適應(yīng)地方發(fā)展，同時(shí)為進(jìn)行低丘緩坡用地綜合開(kāi)發(fā)和非低丘緩坡用地綜合開(kāi)發(fā)試點(diǎn)工作，大理市在2013年開(kāi)展了土地利用總體規(guī)劃修改工作，修規(guī)對(duì)大理市各類土地的利用總量進(jìn)行了調(diào)整，將建設(shè)用地面積增加了5.67km2，耕地減少了1.63km2。

生態(tài)保護(hù)紅線是指在自然生態(tài)服務(wù)功能、環(huán)境質(zhì)量安全、自然資源利用等方面，需要實(shí)行嚴(yán)格保護(hù)的空間邊界與管理限值，以維護(hù)國(guó)家和區(qū)域生態(tài)安全及經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，保障人民群眾健康?！吧鷳B(tài)保護(hù)紅線”是繼“18億畝耕地紅線”后另一條被提到國(guó)家層面的“生命線”。

該研究綜合考慮從水源涵養(yǎng)、水土保持、生物多樣性3個(gè)方面構(gòu)建大理市重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，從而劃定生態(tài)功能區(qū)紅線（表2）。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

該研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是大理市2014年末的土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)，來(lái)源于大理市國(guó)土資源局;驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)、生物多樣性數(shù)據(jù)、水土保持?jǐn)?shù)據(jù)、水源涵養(yǎng)數(shù)據(jù)均來(lái)源于國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研經(jīng)費(fèi)專項(xiàng)“低丘緩坡山地開(kāi)發(fā)土地規(guī)劃與監(jiān)管技術(shù)和示范”課題組。土地需求數(shù)據(jù)設(shè)置時(shí)采用的需求量數(shù)據(jù)來(lái)源于大理市《土地利用總體規(guī)劃》及其修編數(shù)據(jù)。

2結(jié)果與分析

2.1土地變化結(jié)果分析

經(jīng)模型模擬得到2020年的4種不同情形下的模擬結(jié)果（圖1～4）。從各類土地空間分布圖上分析可知，建設(shè)用地在洱海東岸零星出現(xiàn)，另外在下關(guān)鎮(zhèn)的下方和鳳儀鎮(zhèn)下部零星地向外增加，受生態(tài)安全重要區(qū)紅線的限制，建設(shè)用地的增加呈現(xiàn)出零星分布的狀態(tài)。分布在洱海西岸的零星建設(shè)用地被周圍耕地侵占，形成連片耕地。而在大理市西北部原先分布在林地中間的部分耕地被轉(zhuǎn)換為林地。情景2的用地分布與情景1中基本相似，但位于下關(guān)鎮(zhèn)與鳳儀鎮(zhèn)中間的部分耕地被轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，此外在洱海西北部零星分布的建設(shè)用地又有一部分被耕地所侵占;在東部地區(qū)有零星的建設(shè)用地增加。情景3建設(shè)用地的增加主要是在大理下關(guān)城區(qū)和鳳儀鎮(zhèn)以及海東的部分區(qū)域，在下關(guān)城區(qū)是建設(shè)用地持續(xù)向外發(fā)展，尤其是下關(guān)與鳳儀鎮(zhèn)相接壤的壩區(qū)，這一部分是侵占了原有的農(nóng)田和其他土地，使下關(guān)城區(qū)與大理市緊緊聯(lián)系在一起，與情景1相比在洱海東北部出現(xiàn)的新增建設(shè)用地明顯減少。對(duì)于耕地而言，在洱海東部出現(xiàn)了連片的耕地，同時(shí)在洱海西部耕地向林地侵占。情景4的發(fā)展趨勢(shì)與情景3存在一定的相似性，建設(shè)用地的增加主要是在大理下關(guān)城區(qū)和鳳儀鎮(zhèn)以及海東的部分區(qū)域，在下關(guān)城區(qū)是建設(shè)用地持續(xù)向外發(fā)展，尤其是下關(guān)與鳳儀鎮(zhèn)相接壤的壩區(qū)，這一部分是侵占了原有的農(nóng)田和其他土地，使下關(guān)城區(qū)與大理市緊緊聯(lián)系在一起，另外情景4的發(fā)展繼續(xù)對(duì)鳳儀鎮(zhèn)向下關(guān)的耕地進(jìn)行了侵占。同時(shí)與情景3相比，在洱海東岸出現(xiàn)的新增建設(shè)用地明顯減少。對(duì)于耕地而言，在洱海東部出現(xiàn)了連片的耕地，同時(shí)在洱海西部耕地繼續(xù)向林地侵占。

2.2結(jié)果生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)

2.2.1斑塊類型水平評(píng)價(jià)。

在斑塊類型水平上，通過(guò)對(duì)比同一土地利用類型在不同情形下的模擬結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)各類型土地的斑塊數(shù)量及變化情況（表3）。

斑塊數(shù)量（NP）和斑塊密度（PD）是2個(gè)表征斑塊數(shù)量和破碎程度的指標(biāo)，斑塊數(shù)量越多，單位面積內(nèi)斑塊所占的比例也越大，斑塊破碎化程度越明顯，以上5類斑塊類型景觀水平上，只有建設(shè)用地的破碎化與基準(zhǔn)土地利用的結(jié)果相比是有所提升的，說(shuō)明隨著社會(huì)的發(fā)展，建設(shè)用地將越來(lái)越趨于集中化，整體性指數(shù)（COHESION）和聚集度指數(shù)（AI）的增加進(jìn)一步說(shuō)明建設(shè)用地的發(fā)展趨于集聚化，并且數(shù)據(jù)表明在沒(méi)有生態(tài)安全區(qū)域限制的條件下，建設(shè)用地的聚集指數(shù)更大。同時(shí)，對(duì)比在生態(tài)安全重要區(qū)域的限制下，隨著規(guī)劃修改后建設(shè)用地增加，建設(shè)用地的破碎度不斷加大，而在沒(méi)有生態(tài)安全限制的情景下，隨著建設(shè)用地的增多，建設(shè)用地的破碎化得到了一定的改善。因?yàn)樵跊](méi)有生態(tài)安全紅線的限制下，建設(shè)用地的擴(kuò)張是逐步向外推進(jìn)，組團(tuán)發(fā)展，隨著建設(shè)用地的增多，建設(shè)用地逐漸成片，景觀破碎化得到改善。并且在生態(tài)安全紅線的限制下，生態(tài)安全區(qū)的設(shè)置使得建設(shè)用地的擴(kuò)張被有些生態(tài)安全區(qū)所分割或阻斷，影響了建設(shè)用地的布局。隨著建設(shè)用地的增加，這種破碎化在逐步加劇。

4種情形中，耕地破碎程度均較基準(zhǔn)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)有所加劇，對(duì)應(yīng)的在整體性指數(shù)（COHESION）和聚集度指數(shù)（AI）上都有所降低。但對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，與建設(shè)用地類似，在沒(méi)有生態(tài)安全紅線的控制下，土地的破碎度反而較之控制下更低，也相對(duì)較為聚集。而耕地總量的變化從一定程度上而言，對(duì)土地景觀的破碎度和聚集度并不會(huì)產(chǎn)生太大影響。

綜上而言，隨著社會(huì)的發(fā)展，除建設(shè)用地外，其他類型土地的破碎度和聚集度與基準(zhǔn)土地利用狀況相比，都呈現(xiàn)出破碎度加大、聚集度降低的趨勢(shì)。并且總量控制指標(biāo)的變化對(duì)林地、耕地、其他土地的景觀格局變化影響不大。與基準(zhǔn)土地利用狀況相比，建設(shè)用地的破碎化得到改善、聚集度逐步增多，并且在沒(méi)有生態(tài)安全控制的條件下，隨著建設(shè)用地總量的增多，建設(shè)用地的景觀破碎化逐漸改善。

2.2.2景觀類型水平評(píng)價(jià)。景觀整體水平格局指數(shù)是以區(qū)域整體景觀單元為研究對(duì)象，綜合研究區(qū)域景觀格局動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，是對(duì)一個(gè)地區(qū)景觀數(shù)量特征的高度概括和把握，集中反映區(qū)域開(kāi)發(fā)程度和治理水平（表4）。

（1）與初始土地利用格局相比，4種情景下的NP、PD、LPI和LSI指數(shù)均有所上升，CONTAG和COHESION指數(shù)均有所下降，SHEI指數(shù)變化不大，在城市發(fā)展過(guò)程中，采取的生態(tài)保護(hù)與規(guī)劃數(shù)量控制的政策基本上不能改變城市整體生態(tài)景觀格局破碎度升高，景觀連通性降低的基本趨勢(shì)表明在城市發(fā)展利用進(jìn)程背景下，土地利用政策不能扭轉(zhuǎn)生態(tài)用地破碎度上升、連通性下降的趨勢(shì)，地區(qū)生態(tài)格局受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)擴(kuò)張的影響，但與沒(méi)有進(jìn)行生態(tài)控制的情景相比，采用生態(tài)安全重要區(qū)限制的2種情景下，景觀破碎度上升幅度和連通性下降幅度較小，表明土地生態(tài)安全重要區(qū)限制政策可以在一定程度上緩解這一趨勢(shì)。

（2）采取同樣的生態(tài)安全重要區(qū)在限制和沒(méi)有限制的發(fā)展情況下，在2種不同規(guī)劃總量指標(biāo)控制下的情景中，2個(gè)景觀破碎指標(biāo)相差不大。情景2的斑塊數(shù)量（NP）較情景1中有所上升，但情景2中斑塊形狀相對(duì)規(guī)則，由于指標(biāo)相差數(shù)值并不大，難以區(qū)分在景觀破碎度指標(biāo)上，可以

在何種土地規(guī)劃控制總量目標(biāo)下，相對(duì)降低地區(qū)發(fā)展過(guò)程中的景觀破碎上升的問(wèn)題。

（3）從景觀連通性指標(biāo)上看，在生態(tài)安全重要區(qū)控制的條件下，CONTAG和COHESION指標(biāo)均優(yōu)于未限制的情景。由此可以得出采取生態(tài)紅線限制政策是確保景觀連通性的重要條件;一定程度上的規(guī)劃控制總量的變化對(duì)維護(hù)景觀連通性作用并不明顯。

（4）從景觀多樣性指標(biāo)來(lái)看，4種不同模式下的SHEI指數(shù)變化不大，現(xiàn)狀土地利用變化也不明顯，一定程度上表明在該研究中，有無(wú)發(fā)展區(qū)域的限制和土地利用類型總量的控制對(duì)景觀多樣性的影響并不大。

這4種情形下，景觀格局生態(tài)指數(shù)與基準(zhǔn)土地利用現(xiàn)狀下原有指數(shù)對(duì)比，在評(píng)定結(jié)果上還是有一定的差異，綜合來(lái)看，在生態(tài)重要功能區(qū)生態(tài)紅線的劃定可一定程度上降低地區(qū)發(fā)展過(guò)程中帶來(lái)的生境破碎化、連通度下降的趨勢(shì)，一定程度的規(guī)劃控制總量的變動(dòng)不會(huì)帶來(lái)景觀格局指數(shù)大的變化。

3結(jié)論

（1）從不同模式下大理市2020年土地利用的空間分布來(lái)看，建設(shè)用地增加主要是圍繞大理市下關(guān)城區(qū)、下關(guān)與鳳儀及海東區(qū)域相接壤的區(qū)域，及大理古城到大理城區(qū)的中間區(qū)域;相對(duì)而言在沒(méi)有生態(tài)安全重要區(qū)控制的情況下，隨著大理市規(guī)劃控制建設(shè)用地總量的增加，建設(shè)用地逐步向外擴(kuò)展;但在生態(tài)安全重要區(qū)紅線的限制下，隨著建設(shè)用地總量的增加，受限制區(qū)影響，

增加的建設(shè)用地零星地分布在大理市域內(nèi)。

（2）從景觀生態(tài)學(xué)的角度分析，無(wú)論在哪種模式下進(jìn)行發(fā)展，在景觀斑塊類型格局指數(shù)和整體景觀格局指數(shù)上，大理市2020發(fā)展結(jié)果與2014年相比都面臨著生境破碎化增加、連通性下降、景觀多樣性下降的趨勢(shì)。實(shí)施生態(tài)安全重要區(qū)限制的區(qū)域在一定程度上可以緩解以上生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）在生態(tài)安全重要區(qū)限制的情形下，在規(guī)劃控制量前后的影響下，不同土地景觀斑塊類型格局指數(shù)有一定差異;在增加建設(shè)用地量的情形下，建設(shè)用地的斑塊數(shù)量（NP）和斑塊密度（PD）高于原有規(guī)劃情景，說(shuō)明在增加建設(shè)用地后，建設(shè)用地破碎化進(jìn)一步增加，在其他景觀斑塊類型的連接性指標(biāo)和整體性指標(biāo)上兩者并無(wú)太大差異。但與沒(méi)有生態(tài)安全重要區(qū)限制的2種情形相比，各類土地的各種景觀斑塊類型格局指數(shù)均處于優(yōu)勢(shì)地位。

（4）在生態(tài)安全重要區(qū)限制的情形下，在規(guī)劃控制量前后的影響下，兩者的整體景觀格局指數(shù)計(jì)算結(jié)果差異不大，總體而言在生境破碎化、連通性和景觀多樣性層面上，原有規(guī)劃控制量下的情景結(jié)果（情景1）略優(yōu)于修改規(guī)劃后的情景結(jié)果（情景2），但情景2的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于情景3和情景4。

（5）在生態(tài)安全重要區(qū)的控制下，大理市土地利用帶來(lái)的生態(tài)景觀效益會(huì)優(yōu)于沒(méi)有生態(tài)限制的情景;同時(shí)，大理市規(guī)劃控制總量指標(biāo)的修改與否對(duì)景觀生態(tài)效益并無(wú)顯著影響。

綜上所述，在地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，對(duì)于土地開(kāi)發(fā)利用應(yīng)該在一定的生態(tài)安全條件下進(jìn)行，如此既可滿足社會(huì)發(fā)展的需要，又使得生態(tài)環(huán)境得到有效的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了土地的可持續(xù)利用。此外，對(duì)規(guī)劃中土地利用總量的適當(dāng)調(diào)整不會(huì)帶來(lái)未來(lái)土地利用景觀生態(tài)效益大的變化，所以可適時(shí)按照地方發(fā)展需要和實(shí)際狀況對(duì)土地利用總量進(jìn)行調(diào)整。

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