基于CA-Markov模型的寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶土地利用變化及模擬研究

馮麗媛，米文寶，馬國慶

（1.寧夏土地勘測規(guī)劃院 寧夏 銀川750002；2.寧夏大學 資源環(huán)境學院，寧夏 銀川750021）

土地作為人類活動與自然環(huán)境相互作用的紐帶，是人類生產(chǎn)生活的空間載體和社會經(jīng)濟發(fā)展的重要保障，其開發(fā)利用受自然、經(jīng)濟、政策等因素綜合影響。自改革開放以來，土地資源有力保障了社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，促進了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速推進，同時土地利用覆被特征也出現(xiàn)明顯變化，進而影響區(qū)域國土空間格局優(yōu)化、生態(tài)環(huán)境保護和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。特別是近年來隨著生態(tài)文明戰(zhàn)略的深入推進，國家對國土開發(fā)利用保護提出了更高要求，提出節(jié)約優(yōu)先、保護優(yōu)先和自然恢復為主的方針，重點解決國土無序開發(fā)等問題，構(gòu)建有序、高效、可持續(xù)的國土空間開發(fā)格局，未來將對土地利用變化產(chǎn)生新的影響。因此，開展土地利用變化和模擬，有助于揭示人類社會經(jīng)濟活動規(guī)律，對引導地區(qū)合理開發(fā)利用保護土地和國土空間格局優(yōu)化具有重要意義。自1995年“國際地圈與生物圈計劃（IGBP）”和“全球變化的人文因素計劃（IHDP）”聯(lián)合制訂“土地利用與土地覆被變化”研究計劃以來，土地利用變化研究成為各界專家研究的重點及熱點問題。在研究尺度方面，形成了宏觀、中觀和微觀尺度等一系列研究成果，其中劉紀遠等［1］對中國2010—2015年土地利用變化的時空格局變化進行了研究；楊浩等［2］對京津冀城市群土地利用變化對熱環(huán)境的影響情況進行了研究；李丹等［3］對綏芬河市土地利用變化的時空格局進行了研究。在研究內(nèi)容方面，主要有土地利用變化時空特征、空間模擬、驅(qū)動力以及對生態(tài)環(huán)境影響等研究，如柯新利等［4］對1990年以來武漢城市圈土地利用變化時空特征進行了研究；鄧華等［5］對三峽庫區(qū)土地利用未來情景進行了模擬；郭燕燕［6］對深圳市土地利用變化情況進行了模擬研究；史培軍等［7］對影響深圳市土地利用變化的驅(qū)動力進行了研究；于淼等［8］對江蘇省沿海地區(qū)土地利用變化產(chǎn)生的生態(tài)效應進行了研究。在研究方法方面，主要有CLUE-S［9］、CA-Markov［10］、Logistic-Markov［11］、土 地 利 用 動 態(tài) 度［8，4，12］等 方 法?？傮w來看，之前的研究成果對自然、區(qū)位等驅(qū)動因素考慮的較多，但對政策方面的驅(qū)動因素如禁止建設區(qū)、永久基本農(nóng)田等研究較少。

寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶作為寧夏全域經(jīng)濟社會發(fā)展的增長極，人口、產(chǎn)業(yè)和資本要素高度集聚，城鎮(zhèn)建設和產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強勁，是國家重點開發(fā)區(qū)之一；同時，寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶基本農(nóng)田集中連片分布，河流、湖泊等水域規(guī)模較大，是國家農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)和平原綠洲生態(tài)帶，土地利用變化頻率較快，經(jīng)濟社會快速發(fā)展產(chǎn)生的用地需求與耕地、生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾更為突出，有序開發(fā)利用自然資源對實現(xiàn)寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。因此，本研究運用Markov方法對寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶土地利用變化情況進行了分析，并基于CA-Markov 方法，對自然發(fā)展情景、土地規(guī)劃情景、耕地和環(huán)境保護情景下的2025年土地利用格局進行了模擬，以期將來為國土空間規(guī)劃編制、優(yōu)化國土空間格局和自然資源配置提供重要參考。

1 研究區(qū)概況

自20世紀90年代寧夏提出“黃河經(jīng)濟”戰(zhàn)略以來，逐步整合資源、優(yōu)化生產(chǎn)力布局，逐步形成分工合理、產(chǎn)業(yè)配套、密切協(xié)作、競爭有序的產(chǎn)業(yè)集群，經(jīng)濟實力強勁，帶動了寧夏經(jīng)濟社會整體快速發(fā)展，并躍升為國務院確定的18個國家重點開發(fā)區(qū)之一。2017年，寧夏第十二次黨代會將生態(tài)文明建設思想融入沿黃經(jīng)濟帶建設，正式提出要打造“寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶”。寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶共涉及13個縣（市、區(qū)），分別為銀川市5個縣（市、區(qū)）、石嘴山市3個縣（市、區(qū)）、吳忠市利通區(qū)和青銅峽市、中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)和中寧縣，用地總面積226.92 km2，其中建設用地19.78 km2，占寧夏建設用地面積的61.03%。截止2017年底，寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值3.00×1011元，占寧夏整體87.12%；固定資產(chǎn)投資2.88×1011元，占寧夏整體75.59%；常住人口4.50×106人，城鎮(zhèn)人口3.95×106人，城鎮(zhèn)化率達到69.39%。

2 數(shù)據(jù)來源和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1.1 數(shù)據(jù)來源 本文采用的2009 年、2017 年土地利用現(xiàn)狀地類來源于寧夏各縣（市、區(qū)）土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查成果；2020年土地利用規(guī)劃地類、禁止建設區(qū)、永久基本農(nóng)田保護數(shù)據(jù)來源于各縣（市、區(qū)）土地利用總體規(guī)劃調(diào)整完善成果（2016年版）；坡度和高程來源于地理空間數(shù)據(jù)云，分辨率為30 m。

2.1.2 數(shù)據(jù)預處理 首先，運用ArcGIS軟件的空間分析功能，提取研究區(qū)坡度和高程；其次，對2009年、2017年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，2020年土地規(guī)劃數(shù)據(jù)及其他矢量數(shù)據(jù)進行柵格化處理，轉(zhuǎn)化為30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

CA-Markov模型綜合了Markov模型時間序列預測和CA 模型空間分布模擬的優(yōu)勢，可以較好的對土地利用變化數(shù)量、空間格局進行模擬［13］。本文基于2017 年土地利用現(xiàn)狀情況，采用CA-Markov模型，分別基于自然發(fā)展情景、土地規(guī)劃情景、耕地和環(huán)境保護情景，對2025年寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶土地利用狀況進行了模擬。具體步驟如下：

（1）轉(zhuǎn)換規(guī)則。運用Markov模型，將時間周期設置為8 a，比例誤差設置為0.15，分別得到了寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶2009—2017年和2009—2020 年土地利用轉(zhuǎn)移面積矩陣和轉(zhuǎn)移概率矩陣。

（2）制作適宜性圖集。在自然發(fā)展情景下，以2009—2017年土地轉(zhuǎn)移面積矩陣作為適宜性圖集進行了模擬；在土地規(guī)劃情景下，以2009—2020年土地利用轉(zhuǎn)移面積矩陣作為適宜性圖集進行了模擬；在耕地和環(huán)境保護情景下，綜合考慮了耕地、生態(tài)環(huán)境保護等因素，并結(jié)合寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶發(fā)展實際，將水域、建設用地、永久基本農(nóng)田、禁止建設區(qū)作為限制因子，將坡度和高程作為限制條件，制作了適宜性圖集。

（3）構(gòu)造CA 濾波器。根據(jù)相關文獻，一個元胞周圍5×5個元胞組成的矩形空間對該元胞狀態(tài)的改變具有顯著影響，故采用5×5的濾波器［14］。

（4）確定CA 循環(huán)次數(shù)。首先，以2009 年為基期，循環(huán)次數(shù)設置為8 a，對2017年土地利用變化情況進行模擬，用于計算模擬精度；以2017年為基期，循環(huán)次數(shù)設置為8 a，對沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶2025年土地利用格局進行模擬。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用分析

3.1.1 土地利用變化分析 結(jié)合《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB／T 21010-2007），將土地劃分為10 個類別，分別為耕地、園地、林地、牧草地、其他農(nóng)用地、城鄉(xiāng)建設用地、交通水利用地、其他建設用地、水域及自然保留地。通過對原始數(shù)據(jù)進行重分類，得到寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶2009，2017年土地利用現(xiàn)狀柵格圖（見附圖4—5）。

通過對寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶2009—2017年各類用地面積及比例變化情況進行分析，發(fā)現(xiàn)土地利用整體呈現(xiàn)出耕地、其他農(nóng)用地及各類建設用地不斷增加，園地、林地、牧草地、水域及自然保留地均不斷減少的特點（見表1）。農(nóng)用地中，隨著耕地占補平衡政策落實、土地整治工程有力推進，寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶耕地得到有效保護，溝渠等農(nóng)田設施用地不斷完善，2009—2017年耕地和其他農(nóng)用地面積有所增加；園地、林地及牧草地面積均有所下降。2009—2017年間，各類建設用地均有所增加，其中城鄉(xiāng)建設用地增幅最大，依次為交通水利用地和其他建設用地。其他土地中，水域和自然保留地面積均有所減少，尤其是自然保留地降幅較大為1.12%。

表1 2009－2017年土地利用變化情況分析

3.1.2 土地利用流向分析 在對寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶2009年和2017年土地利用現(xiàn)狀柵格數(shù)據(jù)進行疊加分析后，計算出2009—2017年各類土地轉(zhuǎn)換概率矩陣（見表2）。由表2可知，農(nóng)用地中，耕地轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設用地的概率最大，達到10.65%，依次為交通水利用地和牧草地；園地轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設用地和耕地的概率相當，分別為8.58%和8.2%；林地轉(zhuǎn)為牧草地的概率最大，為5.25%，依次為耕地、城鄉(xiāng)建設用地和自然保留地；牧草地主要轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設用地，其概率為5.22%，依次為自然保留地和牧草地；其他農(nóng)用地轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設用地概率較高，為9.14%。建設用地中，城鄉(xiāng)建設用地轉(zhuǎn)為耕地概率遠高于其他用地，達到9.85%；交通水利用地轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設用地概率為7.28%，其次為自然保留地；其他建設用地轉(zhuǎn)為自然保留地概率高于其他用地，為7.18%。其他土地中，水域轉(zhuǎn)為耕地概率高達10.34%；自然保留地轉(zhuǎn)為耕地和城鄉(xiāng)建設用地概率均較高，分別為6.52%和6.06%。

表2 2009－2017年土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣 %

從空間分布看，增加的耕地主要為近年來大力實施中北部土地開發(fā)整理重大工程新增耕地，集中分布在石嘴山市惠農(nóng)區(qū)、平羅縣及銀川市永寧縣等地；增加的建設用地在各縣（市、區(qū)）均有分布，主要是隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略深入實施，城鎮(zhèn)化進程不斷推進，寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶投資環(huán)境不斷改善，城鎮(zhèn)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)集聚用地需求不斷增強，導致近幾年建設用地增加，主要分布于城鎮(zhèn)周邊及工業(yè)園區(qū)范圍內(nèi)，尤其是銀川市轄區(qū)、濱河新區(qū)及寧東能源化工基地建設用地增加規(guī)模較大；增加的牧草地主要是由于退耕還林還草政策的貫徹落實，導致一定規(guī)模的劣等耕地轉(zhuǎn)為牧草地，對提高耕地整體質(zhì)量，促進生態(tài)環(huán)境保護具有重要作用。

3.2 2025年土地利用演變模擬

基于預處理后的各類數(shù)據(jù)及適宜性圖集，以2017年土地利用現(xiàn)狀地類為初始年，運用CA-Markov模型，將迭代次數(shù)設置為8，實現(xiàn)了自然發(fā)展情景、土地規(guī)劃情景、耕地和環(huán)境保護情景下寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶2025 年土地利用格局的模擬，具體見附圖6—8。

如圖1所示，將3種情景下寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶土地利用空間分布及各類用地面積進行對比后發(fā)現(xiàn)，各類用地空間分布格局大體一致，但用地面積有所差異。隨著寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶城鎮(zhèn)化進程進一步推進，基礎設施不斷完善，土地資源開發(fā)力度持續(xù)加大，3種情景模擬結(jié)果均呈現(xiàn)出自然保留地、草地較2017年均有所減少；城鄉(xiāng)建設用地、交通水利用地均有所增加；其他各類用地不同情景下有增有減的特點。耕地和環(huán)境約束情景下，寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶2025年耕地、城鄉(xiāng)建設用地、交通水利用地、其他建設用地、水域較2017 年均有所增加，特別是耕地和水域得到了有效保護，較2017 年分別增加了3 147.78，10 667.61 hm2；自然保留地、其他農(nóng)用地、草地、林地、園地較2017年均有所下降。自然發(fā)展情景下，寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶2025年自然保留地、草地、林地、園地及耕地均較2017年有所減少，但水域、其他建設用地、交通水利用地、城鄉(xiāng)建設用地、其他農(nóng)用地均有所增加，其中城鄉(xiāng)建設用地較2017 年增加了109 926.54 hm2。土地規(guī)劃情景下，寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶2025年自然保留地、水域、其他建設用地、其他農(nóng)用地、草地比2017年有所減少；交通水利用地、城鄉(xiāng)建設用地、林地、園地及耕地均有所增加，其中耕地較2017年增加了19 934.73 hm2，城鄉(xiāng)建設用地增加了128 223.99 hm2。

圖1 不同情景下各類土地面積對比

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

通過對寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶2009—2017年土地利用變化及流向進行全面分析，并運用CA-Markov模型，基于自然發(fā)展情景、土地規(guī)劃情景、耕地和生態(tài)保護情景對2025年土地利用演變進行模擬，得出以下結(jié)論：

（1）2009—2017年間，隨著耕地占補平衡政策落實、土地整治工程有力推進、城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，作為寧夏人口、產(chǎn)業(yè)、資本要素集聚地和經(jīng)濟社會發(fā)展輻射中心，寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶耕地得到有效保護，基礎設施不斷配套完善，城鄉(xiāng)發(fā)展得到全力保障，土地開發(fā)力度不斷加大，土地利用整體呈現(xiàn)出各類建設用地不斷增加，除耕地和其他農(nóng)用地外的園地、林地、草地，以及其他土地中的水域和自然保留地均減少的態(tài)勢。

（2）從2009—2017 年各類用地轉(zhuǎn)移概率矩陣看，除水域、其他建設用地外，其他各類用地轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設用地概率普遍較高，尤其是耕地轉(zhuǎn)為城鄉(xiāng)建設用地概率最高，達到10.65%，耕地和生態(tài)環(huán)境保護面臨著巨大壓力。同時，城鄉(xiāng)建設用地、水域轉(zhuǎn)化為耕地的概率也較高，分別為9.85%和10.34%，主要是隨著城鄉(xiāng)建設用地增減掛鉤、耕地占補平衡、土地整理等項目的實施，耕地保護得到了有效落實。

（3）通過模擬發(fā)現(xiàn)，在自然發(fā)展、土地規(guī)劃、耕地和環(huán)境保護3 種情景下，寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶2025年土地利用結(jié)構(gòu)仍然以牧草地、耕地、自然保留地為主，但隨著城鎮(zhèn)化進程加快和基礎設施持續(xù)完善，城鄉(xiāng)建設用地和交通水利用地較2017 年均有大幅增加，主要集中分布在現(xiàn)有城鎮(zhèn)周邊及工業(yè)園區(qū)周邊。同時，3種情景模擬結(jié)果相比，土地規(guī)劃情景下的用地結(jié)構(gòu)更加符合當前嚴格保護耕地、加強生態(tài)文明建設的政策要求，也更加符合寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶城鎮(zhèn)建設、產(chǎn)業(yè)布局的發(fā)展方向。今后應繼續(xù)發(fā)揮土地利用總體規(guī)劃的用途管制和引導作用，進一步優(yōu)化土地利用格局，提高空間治理能力，推動寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶可持續(xù)發(fā)展。

4.2 討論

本研究綜合考慮數(shù)據(jù)可獲取性及土地分類細化程度，土地利用數(shù)據(jù)來源于歷年土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查，其用地格局基本與實際情況相符，但也存在農(nóng)用地、自然保留地內(nèi)部轉(zhuǎn)化而未及時變更的問題，對模擬結(jié)果的精確性可能會產(chǎn)生影響。同時，采用CAMarkov模型進行模擬，雖綜合了Markov模型時間序列預測和CA 模型空間分布模擬的優(yōu)勢，對寧夏沿黃生態(tài)經(jīng)濟帶各類用地演變模擬效果較好，但個別地類模擬精度仍不理想，如交通水利用地發(fā)展趨勢不同于城鄉(xiāng)建設用地，CA-Markov模型并不適用于該類用地的演變模擬。雖然在耕地和環(huán)境保護情景下，盡可能的考慮了高程、坡度、水域、永久基本農(nóng)田和禁止建設區(qū)等各類影響因素，但研究的系統(tǒng)性還有待進一步提高，由于土地利用覆被、自然條件、社會經(jīng)濟是一個復雜系統(tǒng)，引起土地利用變化的因素很多，既有高程、坡度等自然因素，又有人口、產(chǎn)業(yè)、道路、區(qū)位以及政策等一系列社會經(jīng)濟因素。在以后的研究中，應注重運用最新遙感影像解譯數(shù)據(jù)，進一步提高研究數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性和準確性；同時，要運用系統(tǒng)思維，在運用CA-Markov模型進行用地演變模擬時，綜合高程、坡度、人口、經(jīng)濟、政策及區(qū)位條件等因素，制作更為科學、全面的適宜性圖集，提高模擬結(jié)果的精確性，為優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)及空間布局、國土空間規(guī)劃編制、城鎮(zhèn)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展等提供重要參考。