基于GIS和CA-Markov模型的乌江下游地区土地利用变化情景模拟与生态环境效应评价

摘要

当前，人类活动深刻影响着土地利用格局及其变化。因此，探究土地利用变化原因和机理、模拟未来土地利用格局分布对当前土地政策、土地规划具有重要意义。以乌江下游的涪陵等六个区县为研究区，基于1995年、2005年、2015年的Landsat影像解译数据，综合运用GIS空间分析技术、CA-Markov模型和MCE模型，实现研究区土地利用时空格局模拟。结合情景分析方法，探讨在“快速城镇化情景”、“规划情景”和“生态保护情景”三种模式下研究区2020年、2030年、2050年的土地利用格局。参考其他学者制定的生态服务价值当量因子，结合研究区实际情况，利用植被净初级生产力、降水、土壤数据对研究区的单位面积生态系统服务功能价值当量加以校正，然后通过生态系统服务价值估算方法，计算研究区未来不同情景下的生态系统服务功能价值。研究结果表明：
　　（1）研究区以耕地和林地为主，两者之和占总面积的86%及以上，20年来，耕地经历了“先减后增”的过程，前10年减少了451.85km2，占耕地总面积（1995）的6.84%，后10年耕地面积略有增加，但增幅较缓；与此相反，林地在20年内持续增加，2015年比1995年增加了894.49 km2，年均增幅达0.4%。此外，草地和未利用地面积20年间持续减少，尤其是未利用地，减少了590.61 km2，占未利用地总面积（1995）的80%，且主要转化为耕地和林地。水域面积变化虽略有起伏，但总体上幅度不大。
　　（2）20年间研究区土地利用的动态度差异比较明显。就单一土地利用动态度而言，未利用地的变化幅度最大，1995-2015年间达到-8%；其次是建设用地，前10年比后10年变化幅度要大，总体呈逐年增加趋势；耕地和林地的年动态度均小于1%，而前者呈现先减少后缓慢增加的趋势，后者则呈现轻微增加的趋势；草地呈现逐年减少的趋势，且后10年变化幅度更大；水域总体上变化比较平稳。就综合土地利用动态度而言，三个时段各地类综合动态度都小于2%，其中，耕地、林地、水域和建设用地的综合动态度都小于1%，而草地和未利用地的综合动态度基本上介于1%-2%之间，这说明研究区土地利用变化的总体幅度或强度不大，但个别地类变化比较明显。
　　（3）1995-2005年间耕地转出量最大，为783.26 km2，是转入总量的2.36倍，耕地面积的大幅度减少不容忽视。从耕地转出类型来看，位居第一的是转换为林地，数量为627.93 km2，占转出总面积的80.17%。其次是建设用地，在此期间有112.38 km2的耕地转为了建设用地，占转出总面积的14.35%。从转入类型来看，未利用地和林地转为耕地数量最多，分别为140.00 km2和116.09 km2。2005-2015年各地类之间的转换大致与上一阶段相同。1995-2015年研究区各土地类型相互转入转出量较大，土地类型转移变化十分明显，且呈“三增三减”的变化趋势，即林地、水域和建设用地增加，耕地、草地和未利用地减少。
　　（4）在“快速城镇化情景”下，建设用地急剧扩张，35年间其面积增加了一倍，达到1390.46 km2，且主要来源为耕地，约占转出耕地面积的一半；林地增长十分缓慢，草地和未利用地持续减少，到2050年分别减少了186.58 km2和69.40 km2，未利用地减少了一半。在“规划情景”下，建设用地增长仍然较快，2050年增加了347.92 km2，增幅达37.92%；耕地减幅有所下降，林地增加也比“快速城镇化情景”要快，但草地和未利用地仍在持续减少，35年间分别减少了25.9%和44.3%。而在“生态保护情景”下，林地、草地、未利用地等生态用地不断恢复和增加，到2050年，生态用地总面积占研究区64%；建设用地无序扩张得到限制，到2050年其总面积为1171.42 km2，比同期“快速城镇化情景”减少了219.04 km2；耕地虽有减少，但逐渐趋于平衡，始终保持在6000 km2以上。
　　（5）研究区未来不同情景下土地利用变化的生态系统服务价值变化与各土地利用类型面积变化密切相关，即当生态系统服务功能单价一定时，土地利用类型面积的增加或减少直接导致其对应的生态系统服务总价值的增加或减少。未来三种情景下，由于研究区土地利用变化呈现“三减、两增、一平”的趋势，即耕地、草地和未利用地持续减少，林地和建设用地持续增加，水域总体上变化不明显，其对应的生态系统服务价值也呈现相同的变化趋势。但从生态系统服务总价值的变化幅度来看，生态保护情景下的生态系统服务价值变化幅度最小，且林地、草地、水域等生态用地的生态系统服务价值比同期“快速城市化情景”、“规划情景”都要大，其产生的生态环境效应也比较明显。
　　因此，“生态保护情景”是研究区未来经济、社会和环境协调发展较为理想的模式。研究结果可为该地区土地规划、区域可持续发展提供科学参考。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 研究综述

1.3 研究内容

1.4 研究思路与方法

1.5研究特色与创新点

第2章 研究区域与数据预处理

2.1 研究区域概况

2.2 数据来源与预处理

第3章 乌江下游地区1995-2015年土地利用变化研究

3.1 土地利用面积变化

3.2 土地利用动态度变化

3.3 土地利用转移变化

3.4 土地利用变化的影响因素

第4章 基于CA-Markov模型的土地利用变化情景模拟与分析

4.1 研究区2015年土地利用变化预测模拟与验证

4.2 研究区未来土地利用变化情景设计与模拟

第5章 基于不同情景下未来土地利用变化生态环境效应评价

5.1 单位面积生态系统服务价值的测算

5.2 不同情景下生态系统服务价值计算与结果分析

第6章 结论与讨论

6.1 结论

6.2 讨论

参考文献

致谢

在学期间发表的论文及参加的课题