大理市土地利用变化模拟及景观效应分析

张洪 宋贝扬 张雪岩

摘要  以2014年的土地利用现状数据为基础，以大理市生态安全重要区的划定和大理市土地利用总体规划各类土地利用总量的变化为依据，构建了4种不同的情景模式，利用DLS模型模拟了2020年大理市土地利用分布情况;在此基础上，对4种模式下2020年的模拟结果进行了对比分析，同时以景观生态学的角度，利用Fragstats软件从斑块和类型景观2个尺度的景观指数上对不同模式下的结果进行了评价。

关键词   土地利用/覆被变化;DLS模型;情景模拟;景观格局

中图分类号F  301.2文献标识码

A文章编号0517-6611（2018）36-0048-05

自1978年改革开放以来，我国城镇化建设用地正以前所未有的速度扩张，促使耕地、水体及植被等土地利用类型大量转向城镇用地，进一步加剧了原本就紧张的人地矛盾，并带来了一系列的生态环境问题，对建设用地扩张的模拟研究已成为我国地理科学研究的前沿和热点。受地区自身条件以及模型限制等多种因素的影响，我国的城镇用地扩张模拟研究主要集中在自然条件相对简单、经济高速发展的区域。

有关土地利用/覆被变化的发展趋势预测模型已是土地利用/覆被变化及全球变化分析的重要技术手段。当今社会随着3S技术的快速发展和充分利用，土地利用/覆被变化预测模型的研究无论是在理论上还是在研究方法上都有了重大进展。在生态文明概念被重视、生态安全逐步深入人心的基础上，景观生态学也有了快速发展，在土地利用/覆被变化研究中，景观生态学、应用生态学的相关理论与方法被逐步利用和分析，为土地利用/覆被变化的分析和进一步研究树立了新的方向和热点{1-3]。

景观生态学强调人类活动对地表景观的影响，人类活动的干扰是景观格局变化的主要驱动因素，而土地利用/覆盖变化是人类活动的直接表现，也是景观格局变化的直接原因。LUCC不仅带来了地表景观格局变化，而且深刻影响了景观内部物质循环与能量流动，对区域生物多样性和重要生态过程产生了巨大影响。因此，LUCC的景观生态效应研究己成为土地利用/覆盖变化研究的重要方向之一，探讨LUCC的景观生态效应越来越受到学者们重视{4-5]。

目前针对区域土地利用动态模拟的研究较多，在土地动态模拟的情景设置上，众多学者围绕基准情景、生态情景、经济优先发展情景、耕地保护、规划目标情景几个方面{6];在模拟结果的评价方面，很多学者开始从对模拟结果在数量和分布上进行简要分析越来越多地转向对模拟结果在生态方面的有关评价上。这些为该研究奠定了理论和实践基础，但在研究的情景设计上，仍可以有新的思路设计出新的不同模式;在模拟的方法上，也有不同的模型可供选择和利用;在模拟结果的评价上仍有值得探讨的问题，特别是针对特定区域的结果研究更具有现实意义{7-10]。

相比而言，对于地势起伏大、生态环境脆弱、经济发展相对落后的山地城镇用地扩张模拟的研究相对不足。山地城镇的城市发展和建设受地形和山地灾害等因素的限制，表现出沿山间平地扩张的方向性特征{11-13]，并且山地城镇的发展与扩张会引起相比于平原地区更为突出的人地矛盾，对生态环境的影响也更为剧烈，因此开展山地城镇用地的模拟研究十分必要。

1研究方法与数据来源

1.1研究方法

1.1.1DLS模拟。

DLS是由中国科学院地理科学与资源研究所邓祥征教授研究出的一种区域尺度土地系统动力学情景分析模型{14-16]。在有关土地利用变化的研究中被广泛地应用于地区经济与自然作用下的土地利用动态变化模拟中。结合该研究案例和具体情况，采用DLS模型作为模拟模型进行分析，并按模拟要求制备有关数据。表1为各用地类型驱动因子及系数。

1.1.2景观格局分析法。

景观格局指数法在目前有关景观格局的研究中应用较多，特别是在对土地利用变化带来的生态效应分析的景观格局研究中。景观格局指数能够对范围内的景观格局信息进行充分而简单的说明。

美国俄勒冈州立大学森林科学系开发了Fragstats软件，用来对景观指标进行计算。该软件是为揭示分类图的分布格局而设计的、计算多种景观指数的桌面软件程序，目前在景观分析中应用较为广泛。

该研究依据研究目的和具体情况，从斑块类型水平和景观水平2个方面考虑，选取具有代表性的景观指数：NP（斑块个数）、PD（斑块密度）、ED（边缘密度）、LPI（最大斑块所占斑块的面积比）、AI（聚集度指数）、CONTAG（蔓延度指数）、SHEI（均匀度指数）。对模拟的基期数据和4种情景的模拟结果进行整体景观水平的对比分析。

1.1.3土地政策与情景分析。

为适应地方发展，同时为进行低丘缓坡用地综合开发和非低丘缓坡用地综合开发试点工作，大理市在2013年开展了土地利用总体规划修改工作，修规对大理市各类土地的利用总量进行了调整，将建設用地面积增加了5.67km2，耕地减少了1.63km2。

生态保护红线是指在自然生态服务功能、环境质量安全、自然资源利用等方面，需要实行严格保护的空间边界与管理限值，以维护国家和区域生态安全及经济社会可持续发展，保障人民群众健康。“生态保护红线”是继“18亿亩耕地红线”后另一条被提到国家层面的“生命线”。

该研究综合考虑从水源涵养、水土保持、生物多样性3个方面构建大理市重点生态功能区，从而划定生态功能区红线（表2）。

1.2数据来源

该研究基础数据是大理市2014年末的土地利用变更调查数据，来源于大理市国土资源局;驱动因子数据、生物多样性数据、水土保持数据、水源涵养数据均来源于国土资源部公益性行业科研经费专项“低丘缓坡山地开发土地规划与监管技术和示范”课题组。土地需求数据设置时采用的需求量数据来源于大理市《土地利用总体规划》及其修编数据。

2结果与分析

2.1土地变化结果分析

经模型模拟得到2020年的4种不同情形下的模拟结果（图1～4）。从各类土地空间分布图上分析可知，建设用地在洱海东岸零星出现，另外在下关镇的下方和凤仪镇下部零星地向外增加，受生态安全重要区红线的限制，建设用地的增加呈现出零星分布的状态。分布在洱海西岸的零星建设用地被周围耕地侵占，形成连片耕地。而在大理市西北部原先分布在林地中间的部分耕地被转换为林地。情景2的用地分布与情景1中基本相似，但位于下关镇与凤仪镇中间的部分耕地被转换为建设用地，此外在洱海西北部零星分布的建设用地又有一部分被耕地所侵占;在东部地区有零星的建设用地增加。情景3建设用地的增加主要是在大理下关城区和凤仪镇以及海东的部分区域，在下关城区是建设用地持续向外发展，尤其是下关与凤仪镇相接壤的坝区，这一部分是侵占了原有的农田和其他土地，使下关城区与大理市紧紧联系在一起，与情景1相比在洱海东北部出现的新增建设用地明显减少。对于耕地而言，在洱海东部出现了连片的耕地，同时在洱海西部耕地向林地侵占。情景4的发展趋势与情景3存在一定的相似性，建设用地的增加主要是在大理下关城区和凤仪镇以及海东的部分区域，在下关城区是建设用地持续向外发展，尤其是下关与凤仪镇相接壤的坝区，这一部分是侵占了原有的农田和其他土地，使下关城区与大理市紧紧联系在一起，另外情景4的发展继续对凤仪镇向下关的耕地进行了侵占。同时与情景3相比，在洱海东岸出现的新增建设用地明显减少。对于耕地而言，在洱海东部出现了连片的耕地，同时在洱海西部耕地继续向林地侵占。

2.2结果生态效应评价

2.2.1斑块类型水平评价。

在斑块类型水平上，通过对比同一土地利用类型在不同情形下的模拟结果，可发现各类型土地的斑块数量及变化情况（表3）。

斑块数量（NP）和斑块密度（PD）是2个表征斑块数量和破碎程度的指标，斑块数量越多，单位面积内斑块所占的比例也越大，斑块破碎化程度越明显，以上5类斑块类型景观水平上，只有建设用地的破碎化与基准土地利用的结果相比是有所提升的，说明随着社会的发展，建设用地将越来越趋于集中化，整体性指数（COHESION）和聚集度指数（AI）的增加进一步说明建设用地的发展趋于集聚化，并且数据表明在没有生态安全区域限制的条件下，建设用地的聚集指数更大。同时，对比在生态安全重要区域的限制下，随着规划修改后建设用地增加，建设用地的破碎度不断加大，而在没有生态安全限制的情景下，随着建设用地的增多，建设用地的破碎化得到了一定的改善。因为在没有生态安全红线的限制下，建设用地的扩张是逐步向外推进，组团发展，随着建设用地的增多，建设用地逐渐成片，景观破碎化得到改善。并且在生态安全红线的限制下，生态安全区的设置使得建设用地的扩张被有些生态安全区所分割或阻断，影响了建设用地的布局。隨着建设用地的增加，这种破碎化在逐步加剧。

4种情形中，耕地破碎程度均较基准土地利用现状数据有所加剧，对应的在整体性指数（COHESION）和聚集度指数（AI）上都有所降低。但对比分析发现，与建设用地类似，在没有生态安全红线的控制下，土地的破碎度反而较之控制下更低，也相对较为聚集。而耕地总量的变化从一定程度上而言，对土地景观的破碎度和聚集度并不会产生太大影响。

综上而言，随着社会的发展，除建设用地外，其他类型土地的破碎度和聚集度与基准土地利用状况相比，都呈现出破碎度加大、聚集度降低的趋势。并且总量控制指标的变化对林地、耕地、其他土地的景观格局变化影响不大。与基准土地利用状况相比，建设用地的破碎化得到改善、聚集度逐步增多，并且在没有生态安全控制的条件下，随着建设用地总量的增多，建设用地的景观破碎化逐渐改善。

2.2.2景观类型水平评价。景观整体水平格局指数是以区域整体景观单元为研究对象，综合研究区域景观格局动态变化规律，是对一个地区景观数量特征的高度概括和把握，集中反映区域开发程度和治理水平（表4）。

（1）与初始土地利用格局相比，4种情景下的NP、PD、LPI和LSI指数均有所上升，CONTAG和COHESION指数均有所下降，SHEI指数变化不大，在城市发展过程中，采取的生态保护与规划数量控制的政策基本上不能改变城市整体生态景观格局破碎度升高，景观连通性降低的基本趋势表明在城市发展利用进程背景下，土地利用政策不能扭转生态用地破碎度上升、连通性下降的趋势，地区生态格局受到社会经济扩张的影响，但与没有进行生态控制的情景相比，采用生态安全重要区限制的2种情景下，景观破碎度上升幅度和连通性下降幅度较小，表明土地生态安全重要区限制政策可以在一定程度上缓解这一趋势。

（2）采取同样的生态安全重要区在限制和没有限制的发展情况下，在2种不同规划总量指标控制下的情景中，2个景观破碎指标相差不大。情景2的斑块数量（NP）较情景1中有所上升，但情景2中斑块形状相对规则，由于指标相差数值并不大，难以区分在景观破碎度指标上，可以

在何种土地规划控制总量目标下，相对降低地区发展过程中的景观破碎上升的问题。

（3）从景观连通性指标上看，在生态安全重要区控制的条件下，CONTAG和COHESION指标均优于未限制的情景。由此可以得出采取生态红线限制政策是确保景观连通性的重要条件;一定程度上的规划控制总量的变化对维护景观连通性作用并不明显。

（4）从景观多样性指标来看，4种不同模式下的SHEI指数变化不大，现状土地利用变化也不明显，一定程度上表明在该研究中，有无发展区域的限制和土地利用类型总量的控制对景观多样性的影响并不大。

这4种情形下，景观格局生态指数与基准土地利用现状下原有指数对比，在评定结果上还是有一定的差异，综合来看，在生态重要功能区生态红线的划定可一定程度上降低地区发展过程中带来的生境破碎化、连通度下降的趋势，一定程度的规划控制总量的变动不会带来景观格局指数大的变化。

3结论

（1）从不同模式下大理市2020年土地利用的空间分布来看，建设用地增加主要是围绕大理市下关城区、下关与凤仪及海东区域相接壤的区域，及大理古城到大理城区的中间区域;相对而言在没有生态安全重要区控制的情况下，随着大理市规划控制建设用地总量的增加，建设用地逐步向外扩展;但在生态安全重要区红线的限制下，随着建设用地总量的增加，受限制区影响，

增加的建设用地零星地分布在大理市域内。

（2）从景观生态学的角度分析，无论在哪种模式下进行发展，在景观斑块类型格局指数和整体景观格局指数上，大理市2020发展结果与2014年相比都面临着生境破碎化增加、连通性下降、景观多样性下降的趋势。实施生态安全重要区限制的区域在一定程度上可以缓解以上生态风险。

（3）在生态安全重要区限制的情形下，在规划控制量前后的影响下，不同土地景观斑块类型格局指数有一定差异;在增加建设用地量的情形下，建设用地的斑块数量（NP）和斑块密度（PD）高于原有规划情景，说明在增加建设用地后，建设用地破碎化进一步增加，在其他景观斑块类型的连接性指标和整体性指标上两者并无太大差异。但与没有生态安全重要区限制的2种情形相比，各类土地的各种景观斑块类型格局指数均处于优势地位。

（4）在生态安全重要区限制的情形下，在规划控制量前后的影响下，两者的整体景观格局指数计算结果差异不大，总体而言在生境破碎化、连通性和景观多样性层面上，原有规划控制量下的情景结果（情景1）略优于修改规划后的情景结果（情景2），但情景2的各项指标均优于情景3和情景4。

（5）在生态安全重要区的控制下，大理市土地利用带来的生态景观效益会优于没有生态限制的情景;同时，大理市规划控制总量指标的修改与否对景观生态效益并无显著影响。

综上所述，在地区经济发展过程中，对于土地开发利用应该在一定的生态安全条件下进行，如此既可满足社会发展的需要，又使得生态环境得到有效的保护，实现了土地的可持续利用。此外，对规划中土地利用总量的适当调整不会带来未来土地利用景观生态效益大的变化，所以可适时按照地方发展需要和实际状况对土地利用总量进行调整。

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