海岸帶土地利用變化多情景模擬——以山東海岸帶為例

宋百媛, 侯西勇, 王曉利, 劉玉斌

海岸帶土地利用變化多情景模擬——以山東海岸帶為例

宋百媛1, 2, 3, 4, 侯西勇1, 3, 4, 王曉利1, 3, 4, 劉玉斌1, 2, 3, 4

(1. 中國(guó)科學(xué)院 煙臺(tái)海岸帶研究所, 山東 煙臺(tái) 264003; 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3中國(guó)科學(xué)院海岸帶環(huán)境過(guò)程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 煙臺(tái) 264003; 4 山東省海岸帶環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)科學(xué)院 煙臺(tái)海岸帶研究所, 山東 煙臺(tái) 264003)

海岸帶土地利用長(zhǎng)時(shí)間序列多情景模擬, 對(duì)海岸帶綜合管理和可持續(xù)發(fā)展有重要指導(dǎo)意義。以山東海岸帶為例, 構(gòu)建山東海岸帶土地利用需求系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SD)模型, 設(shè)置SSP1-RCP2.6(A-可持續(xù)發(fā)展路徑)、SSP2-RCP4.5(B-經(jīng)濟(jì)社會(huì)適中發(fā)展路徑)、SSP3-RCP4.5(C-逆全球化的區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)路徑)三種情景, 模擬至2100年土地利用需求, 進(jìn)而使用FLUS模型模擬近期(2030年)、中期(2050年)和遠(yuǎn)期(2100年)的土地利用空間分布。結(jié)果表明: (1) 情景A人口較少、城鎮(zhèn)化率高、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高, 情景B各因素發(fā)展趨勢(shì)適中, 情景C人口數(shù)量較多、城鎮(zhèn)化率較低、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低。(2) 至2100年各地類的需求面積變化曲線表現(xiàn)出顯著的情景差異及類型差異; 情景A經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)土地資源的依賴性較小; 情景B對(duì)主要地類的面積需求在三種情景中處于中等水平; 情景C經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)生活、生產(chǎn)用地需求突出, 建設(shè)用地面積增長(zhǎng)趨勢(shì)強(qiáng)勁。(3) 至2100年三種情景土地利用的格局—過(guò)程差異顯著, 情景A主要地類趨向于集中分布, 建設(shè)用地在近、中期將延續(xù)擴(kuò)張趨勢(shì), 但濱海濕地能夠得到有效的保護(hù); 情景B海岸帶區(qū)域建設(shè)用地和人工濕地的擴(kuò)張及林草地的萎縮趨勢(shì)均較顯著; 情景C建設(shè)用地?cái)U(kuò)張最顯著, 人工濕地與耕地有向海擴(kuò)張的趨勢(shì), 濱海濕地顯著萎縮。研究結(jié)果可為海岸帶管理長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略決策制定提供科學(xué)支持。

土地利用; 情景分析; 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué); 海岸帶

海岸帶是陸地和海洋交互作用強(qiáng)烈的過(guò)渡地帶, 是具有獨(dú)特的陸、海屬性的動(dòng)態(tài)而復(fù)雜的自然體系, 也是空間開(kāi)發(fā)利用最密集、資源環(huán)境壓力最突出和各類矛盾問(wèn)題最集中的復(fù)雜系統(tǒng)[1-2]。改革開(kāi)放四十余年,中國(guó)經(jīng)歷了快速的城鎮(zhèn)化與工業(yè)化發(fā)展, 尤其是人口和產(chǎn)業(yè)稠密的海岸帶區(qū)域, 高強(qiáng)度的人類活動(dòng)導(dǎo)致顯著的土地利用變化過(guò)程, 土地資源面臨巨大的壓力和挑戰(zhàn)[3-4]。進(jìn)入21世紀(jì), 隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)對(duì)空間的需求發(fā)生變化, 海岸帶土地利用/覆被變化將展現(xiàn)出新的特征、趨勢(shì)及內(nèi)涵機(jī)制。

伴隨信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 土地利用變化研究的廣度、深度日益擴(kuò)展, 土地利用/覆被變化時(shí)空過(guò)程監(jiān)測(cè)、情景模擬與動(dòng)力學(xué)機(jī)制的理解已經(jīng)成為科研前沿[5]。土地利用變化模型是土地利用變化研究的重要工具[6], 但目前的土地利用模擬研究技術(shù)主要基于歷史及當(dāng)前土地變化規(guī)律, 以時(shí)間為變化引導(dǎo), 預(yù)測(cè)未來(lái)某一時(shí)間點(diǎn)或時(shí)期的土地覆蓋數(shù)量及空間變化[7], 模擬的時(shí)間尺度以未來(lái)5—20年為主[8-10], 難以反映長(zhǎng)期趨勢(shì)和特征。因此, 構(gòu)建深入反映土地動(dòng)力機(jī)制的長(zhǎng)時(shí)間序列模擬模型, 可以對(duì)區(qū)域土地利用有更長(zhǎng)遠(yuǎn)的趨勢(shì)模擬和判斷。

大多數(shù)土地利用變化模擬模型由土地需求模擬與空間模擬兩部分組成。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamic, 簡(jiǎn)稱SD)是土地利用需求數(shù)量模擬的常用方法, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同的研究區(qū)域和目的, 構(gòu)建土地利用變化SD模型[11-13]。FLUS模型可以得到較好的空間模擬結(jié)果, 其基于輪盤(pán)賭的地類選擇機(jī)制不但能同時(shí)模擬多種地類的變化, 而且使得非主導(dǎo)地類也有機(jī)會(huì)被分配至元胞上, 因而, 模型能反映真實(shí)土地利用變化中的不確定性以及模擬跳躍式土地利用變化情形[14]。將SD自上而下的數(shù)量模擬與FLUS自下而上的空間模擬相結(jié)合, 能夠深刻揭示土地利用變化的時(shí)空特征及內(nèi)在機(jī)制。本文擬探究海岸帶土地利用動(dòng)力學(xué)機(jī)制, 進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)期情景模擬, 主要將人口、城市化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及國(guó)際環(huán)境等因素的未來(lái)長(zhǎng)期發(fā)展態(tài)勢(shì)納入土地利用變化的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。具體以山東海岸帶為例, 基于共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展路徑(Shared Socioeconomic Pathways, SSPs)與IPCC第五次評(píng)估報(bào)告采用的典型濃度路徑(Repre-sentative Concentration Pathways, RCPs)組合情景, 構(gòu)建山東海岸帶土地利用需求模擬系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型, 進(jìn)行至本世紀(jì)末長(zhǎng)時(shí)間序列多情景模擬, 并使用FLUS模型進(jìn)行近期(2030年)、中期(2050年)和遠(yuǎn)期(2100年)多情景的空間模擬, 以期為海岸帶區(qū)域中長(zhǎng)期的戰(zhàn)略決策制定提供科學(xué)支持。

1 研究區(qū)概況

山東省海岸帶地處115°45′E—122°49′E、34°23′E—38°32′N之間, 瀕臨渤海、黃海, 屬于溫帶季風(fēng)氣候。本文以陸域市級(jí)行政邊界和海域–10 m等深線確定研究區(qū)邊界, 包括濱州、德州、東營(yíng)、濰坊、煙臺(tái)、威海、青島、日照和臨沂以及–10 m等深線覆蓋的淺海水域, 其中, 臨沂雖未直接靠海但轄區(qū)距離海岸線較近, 受海域影響較大, 因此也劃入研究區(qū)范圍(圖1)。研究區(qū)面積約11.62萬(wàn) km2, 是我國(guó)華東地區(qū)重要的城市密集區(qū)之一, 與韓國(guó)、朝鮮、日本距離較近, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高, 產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)雄厚, 人口稠密, 人類活動(dòng)強(qiáng)烈。研究區(qū)處于海陸交互的過(guò)渡地帶, 分布著山地、丘陵、河谷、平原、海灣、河口三角洲、灘涂、島嶼等地貌, 土地類型多樣, 土地利用/覆被變化特征復(fù)雜。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

(1) 土地利用數(shù)據(jù): 利用文獻(xiàn)[3]和[15]的研究成果, 將其重分類為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、內(nèi)陸水體、濱海濕地、淺海水域、人工濕地和未利用地9個(gè)地類。

圖1 山東海岸帶的位置、范圍與概貌

(2) 土地利用變化驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù): 根據(jù)已有研究的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[16-17]和研究區(qū)實(shí)際及數(shù)據(jù)可獲取性, 選取8個(gè)驅(qū)動(dòng)力因子, 數(shù)據(jù)源及其處理如表1所示。其中, 未來(lái)時(shí)期(2030—2100年)氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)是利用SimCLIM模型, 基于CMIP5的44個(gè)全球氣候模式在RCP2.6和RCP4.5情景下預(yù)估得到, 氣候數(shù)據(jù)的預(yù)估結(jié)果采用多模型集合的平均值[18]; 利用國(guó)家氣象局氣象信息中心提供的1996—2018年的地面氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)氣候模型的預(yù)估能力進(jìn)行評(píng)估, 結(jié)果表明模型預(yù)估效果比較理想。空間數(shù)據(jù)均采用行列一致的空間分辨率為100 m×100 m的柵格數(shù)據(jù), 并統(tǒng)一為Albers投影。

(3) 社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù): 歷史時(shí)期人口、經(jīng)濟(jì)、固定資產(chǎn)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于山東省及各地級(jí)市2000—2015年統(tǒng)計(jì)年鑒、統(tǒng)計(jì)公報(bào)。未來(lái)人口、城鎮(zhèn)化率模擬數(shù)據(jù)源自Chen等的研究成果[19], 該研究根據(jù)1995—2015年各省歷史城鎮(zhèn)化率對(duì)各省的S型函數(shù)進(jìn)行修正, 并對(duì)今后各省的城鎮(zhèn)化水平進(jìn)行SSPs多情景預(yù)測(cè), 得到至2100年各省城鎮(zhèn)化率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù); 進(jìn)而, 基于SSPs和RCPs情景框架, 通過(guò)遞歸多維模型預(yù)測(cè)人口, 得到至2100年SSP-RCP情景矩陣下的未來(lái)年度人口網(wǎng)格數(shù)據(jù)。文本從15種情景組合中選用SSP1-RCP2.6、SSP2-RCP4.5、SSP3-RCP4.5三種情景, 通過(guò)裁剪、統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到研究區(qū)所需的人口數(shù)量及城鎮(zhèn)化率數(shù)據(jù)。未來(lái)GDP情景分析數(shù)據(jù)來(lái)源于姜彤等人的研究成果[20], 該數(shù)據(jù)集基于中國(guó)歷次人口和經(jīng)濟(jì)普查及逐年統(tǒng)計(jì)年鑒, 使用柯布道格拉斯(Cobb-Douglas)經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)模型, 依據(jù)SSPs框架情景, 獲得至2100年中國(guó)31個(gè)省(區(qū)、市)GDP模擬數(shù)據(jù)庫(kù);本研究假設(shè)未來(lái)時(shí)期山東海岸帶區(qū)域GDP占全省的比例保持不變(2000—2015年間占比變化很小), 與SSP1、SSP2、SSP3情景下的山東省GDP模擬結(jié)果相乘, 得到至2100年山東海岸帶GDP多情景數(shù)據(jù)。

表1 驅(qū)動(dòng)力因子數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

2.2 研究方法

本研究主要包括經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展情景設(shè)置、土地需求多情景SD模型、土地利用FLUS空間模擬三部分。在對(duì)山東海岸帶區(qū)域進(jìn)行宏觀情景發(fā)展路徑設(shè)定的基礎(chǔ)上, 構(gòu)建土地利用需求模擬系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型, 進(jìn)行至2100年的年尺度土地需求多情景模擬, 并針對(duì)近期(2030年)、中期(2050年)和遠(yuǎn)期(2100年), 使用FLUS模型進(jìn)行多情景空間模擬, 技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線

2.2.1 經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展情景設(shè)置

情景分析是一種系統(tǒng)地、創(chuàng)造性地針對(duì)研究對(duì)象設(shè)置系列情景來(lái)思考未來(lái)的方法[22]。海岸帶長(zhǎng)時(shí)間尺度土地利用變化具有顯著的系統(tǒng)性、復(fù)雜性和不確定性, 因此, 情景分析是一種行之有效的研究方法。IPCC提出一套由社會(huì)經(jīng)濟(jì)情景和氣候情景共同構(gòu)成的情景框架[23], 其中, 社會(huì)經(jīng)濟(jì)情景由共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)路徑(Shared Socioeconomic Pathways, SSPs)表示, 氣候情景由典型濃度路徑(Representative Concentration Pathways, RCPs)表示。SSPs可以描述具有不同適應(yīng)和減緩挑戰(zhàn)的未來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況, 共設(shè)計(jì)5種, 分別是SSP1可持續(xù)路徑、SSP2中間路徑、SSP3區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)路徑、SSP4不均衡路徑和SSP5化石燃料為主發(fā)展路徑[24]。本文重點(diǎn)參照Chen等(2020)和姜彤等(2018)的研究成果, 構(gòu)建未來(lái)山東海岸帶區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展情景, 假定該區(qū)域未來(lái)發(fā)展基調(diào)以可持續(xù)發(fā)展為主, 但也會(huì)受到全球競(jìng)爭(zhēng)外在因素影響, 因此選擇SSP1-RCP2.6(A-可持續(xù)發(fā)展路徑)、SSP2-RCP4.5(B-經(jīng)濟(jì)社會(huì)適中發(fā)展路徑)和SSP3- RCP4.5(C-逆全球化的區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)路徑)三種情景。

情景A: 是一種以人為本的綠色道路, 實(shí)現(xiàn)RCP2.6輻射強(qiáng)迫目標(biāo)。人口增長(zhǎng)較慢, 生育率低、死亡率低、教育程度高, 人口遷移適度, 城鎮(zhèn)化率高。長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)放緩, 部分資金會(huì)投入到生態(tài)環(huán)境保護(hù)上, 濕地保護(hù)強(qiáng)度高。在高教育水平加上可持續(xù)發(fā)展帶動(dòng)下科技進(jìn)步將較為顯著。資源節(jié)約型生活方式下土地節(jié)約集約利用程度高, 人均建設(shè)用地低。可持續(xù)發(fā)展需要充足糧食保障作為支撐, 因此設(shè)置較高的耕地保護(hù)強(qiáng)度。

情景B: 發(fā)展路徑趨于溫和, 歷史過(guò)程得以維持和延續(xù)的特征突出, 實(shí)現(xiàn)RCP4.5輻射強(qiáng)迫目標(biāo)。在該發(fā)展路徑下各發(fā)展指標(biāo)主要為中值狀態(tài)或保持現(xiàn)狀。

情景C: 實(shí)現(xiàn)RCP4.5輻射強(qiáng)迫目標(biāo)。人口增長(zhǎng)較快, 生育政策全面開(kāi)放, 教育衛(wèi)生投資較低, 導(dǎo)致高死亡率、受教育程度較低, 人口流動(dòng)減少, 城鎮(zhèn)化率相對(duì)較低。經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展會(huì)受到國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)摩擦的影響, 形成低經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式。土地集中利用和城市更新需要較高的投資成本, 低經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式難以支持大面積的土地更新以及生態(tài)用地的保護(hù)與恢復(fù)。并且, 為增強(qiáng)區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)而對(duì)建設(shè)用地有較高的需求量。

情景變量分為主導(dǎo)變量與趨勢(shì)變量(表2)。其中, (1) 主導(dǎo)變量的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)如圖3所示。人口數(shù)量增長(zhǎng)速度放緩, 至2030年左右達(dá)到峰值, 之后開(kāi)始下降, 2050年左右三種情景之間人口的差異開(kāi)始顯著增大; 城市化進(jìn)程將繼續(xù)推進(jìn), 到2030年左右城鎮(zhèn)化率增速開(kāi)始放緩, 到2050年左右我國(guó)建成社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家, 城鎮(zhèn)化率開(kāi)始趨于穩(wěn)定, 其中SSP1情景的城鎮(zhèn)化率最先達(dá)到70%; 經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)也是在上升一段時(shí)期后開(kāi)始趨于穩(wěn)定, SSP2情景的GDP將于2040s開(kāi)始與SSP1情景拉開(kāi)距離, 但在末期趕上SSP1。三種情景之間相比, 人口與經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)相近, 但亦存在顯著差異; SSP1情景人口少, 城鎮(zhèn)化率高, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展好; SSP2情景各因素發(fā)展趨勢(shì)適中; SSP3情景人口數(shù)量多, 城鎮(zhèn)化率較低, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展較低。(2)趨勢(shì)變量是對(duì)不同情景發(fā)展路徑的趨勢(shì)假設(shè), 本文設(shè)置高、中、低三種模式。

表2 情景參數(shù)設(shè)置

圖3 人口、GDP、城鎮(zhèn)化率未來(lái)趨勢(shì)

2.2.2 土地需求多情景SD模型

針對(duì)未來(lái)時(shí)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的三種情景, 利用SD模型建立未來(lái)時(shí)期的土地需求模擬模型。土地利用系統(tǒng)是由人口、經(jīng)濟(jì)、土地、生態(tài)環(huán)境等多因素驅(qū)動(dòng)的具有一定演化規(guī)律的復(fù)雜高階系統(tǒng)[25], 通過(guò)構(gòu)建土地利用SD模型, 探索和理解社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及政策等因素引起土地利用需求變化的特征與機(jī)制, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)土地需求的模擬。

在模型中, 人口和經(jīng)濟(jì)作為宏觀主導(dǎo)因素, 顯著影響各地類的需求量及變化過(guò)程; 固定資產(chǎn)和各類產(chǎn)業(yè)的投資比例在一定程度上反映了政府的政策方向, 在系統(tǒng)中將其看作政策調(diào)控; 人均城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積、城市土地集約利用強(qiáng)度、科技進(jìn)步、濕地保護(hù)強(qiáng)度、耕地保護(hù)強(qiáng)度視為未來(lái)時(shí)期各地類的定性趨勢(shì)變量, 對(duì)應(yīng)三種情景分別設(shè)置高中低三種趨勢(shì)模式, 使用可以構(gòu)造變量之間非線性關(guān)系的表函數(shù)來(lái)表達(dá)定量關(guān)系[26]; 海岸帶土地利用類型及其變化過(guò)程復(fù)雜多樣, 不可能完全展現(xiàn)全部變化過(guò)程, 而且并非每一種過(guò)程都具有穩(wěn)定的系統(tǒng)性變化模式, 因此, 一方面, 將部分模式簡(jiǎn)化為2000—2015年變化均量, 另一方面, 將未利用地視為調(diào)控地類, 以保持區(qū)域總面積的恒定。

經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試和不斷優(yōu)化, 得到山東海岸帶土地利用需求變化系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型(圖4), 模型中所定義的變量關(guān)系較為合理, 能夠比較準(zhǔn)確地反映海岸帶土地利用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與作用機(jī)制, 利用該模型得到2015年土地利用模擬值, 將其與基于遙感技術(shù)的觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比, 表明, 除了作為總面積“調(diào)節(jié)器”的未利用地之外, 其余8個(gè)地類的誤差絕對(duì)值均小于5%(表3), 參照Wang et al.的研究[27]認(rèn)為誤差可以接受, 模型有效。在此基礎(chǔ)上, 以2015年為模擬基期, 模擬獲得至2100年三種情景逐年的土地利用需求時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

2.2.3 FLUS模型

FLUS模型是用于模擬人類活動(dòng)與自然影響下的土地利用變化, 獲得未來(lái)時(shí)期土地利用空間分布情景的模型。FLUS模型基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)概率(probability-of-occurrence)計(jì)算模塊使用ANN方法訓(xùn)練和評(píng)估每個(gè)柵格土地利用類型發(fā)生的概率[28], 并對(duì)傳統(tǒng)的元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模型進(jìn)行較大改進(jìn), 基于自適應(yīng)慣性機(jī)制的CA空間模擬模塊進(jìn)行用地空間配置, 采用基于輪盤(pán)賭選擇的自適應(yīng)慣性競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制, 能有效處理多種土地利用類型在自然因素與人類活動(dòng)共同影響下發(fā)生相互轉(zhuǎn)化時(shí)的不確定性與復(fù)雜性, 具有較高的模擬精度并能獲得與現(xiàn)實(shí)土地利用分布非常相似的結(jié)果[29]。基于自適應(yīng)慣性機(jī)制的CA對(duì)鄰域影響的計(jì)算公式為:

圖4 山東海岸帶土地利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)因果關(guān)系圖

表3 山東海岸帶土地利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型校驗(yàn)

自適應(yīng)慣性系數(shù)用于判斷特定土地利用類型的發(fā)展趨勢(shì)與實(shí)際需求是否存在較大差距, 如存在, 則在下一次迭代中調(diào)整該土地利用的發(fā)展趨勢(shì), 從而動(dòng)態(tài)控制該土地利用類型的數(shù)量[29], 其表達(dá)式為:

運(yùn)用FLUS模型模擬至2100年山東海岸帶土地利用空間分布, 區(qū)分近期(至2030年)、中期(2031～ 2050年)和遠(yuǎn)期(2051～2100年)3個(gè)時(shí)間階段, 逐漸放寬地類轉(zhuǎn)換系數(shù)。選取均勻采樣模式, 基于基期(2015年)土地利用數(shù)據(jù)和土地利用變化驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù), 將各因素進(jìn)行歸一化, 提取0.1%的柵格樣本進(jìn)行ANN訓(xùn)練及適宜性概率計(jì)算。基于2015年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)計(jì)算近期(至2030年)模型模擬所需的適宜性概率集, 模擬獲得2030年土地利用空間分布數(shù)據(jù); 基于2030年模擬結(jié)果計(jì)算中期(2031～2050年)模型模擬所需的適宜性概率集, 模擬獲得2050年土地利用空間分布數(shù)據(jù); 依次類推, 計(jì)算遠(yuǎn)期(2051～ 2100年)模型模擬所需的適宜性概率集并得到2100年土地利用空間分布數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析

3.1 土地需求發(fā)展態(tài)勢(shì)

山東海岸帶土地需求多情景模擬結(jié)果如圖5所示。整體上, 三種情景之間, 尤其是情景B與情景C之間, 各地類的需求面積變化趨勢(shì)較為相近, 近期將延續(xù)當(dāng)前土地利用變化趨勢(shì), 中期之后差異逐漸增大。

地類之間相比, 面積需求變化趨勢(shì)差異顯著。耕地面積近期大幅度減少, 長(zhǎng)期則呈現(xiàn)為緩慢減少。林地面積呈增加趨勢(shì), 較大可能性以經(jīng)濟(jì)林和果園增加為主, 情景A增加幅度最大。草地面積先下降后上升, 但2015—2100年間3種情景均為凈減少。建設(shè)用地面積在情景A將顯著減少, 在情景B保持穩(wěn)定狀態(tài), 在情景C則呈現(xiàn)小幅增加趨勢(shì)。內(nèi)陸水體面積三種情景均為顯著減少趨勢(shì)。濱海濕地面積整體呈現(xiàn)近期下降、中遠(yuǎn)期上升的趨勢(shì)。濱海濕地具有很高的生態(tài)服務(wù)價(jià)值[30], 在應(yīng)對(duì)海平面上升、抵御自然災(zāi)害方面作用突出, 是可持續(xù)發(fā)展路徑值得重點(diǎn)保護(hù)和修復(fù)的地類; 在不考慮海平面上升的情況下, 社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的承載空間會(huì)繼續(xù)向海拓展, 因此, 淺海水域面積呈下降趨勢(shì); 居民生活質(zhì)量的不斷提高, 對(duì)海水養(yǎng)殖業(yè)的需求有很大上升空間, 因此, 人工濕地需求面積總體呈上升趨勢(shì)。

3.2 土地利用多情景空間模擬結(jié)果

運(yùn)用FLUS模型得到2030、2050和2100年多情景土地利用空間分布結(jié)果(圖6), 統(tǒng)計(jì)土地利用結(jié)構(gòu)(表4), 將其與土地需求SD模型的模擬值(圖5)相比較, 耕地、林地、草地、建設(shè)用地、內(nèi)陸水體、淺海水域相差1.5%以內(nèi), 濱海濕地與人工濕地相差在9.6%以內(nèi), 表明FLUS模型的模擬效果總體很好。

3.2.1 情景A: 可持續(xù)發(fā)展路徑

經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)土地資源的依賴性較小, 土地利用變化主要反映生態(tài)地類的保護(hù)與恢復(fù), 主要地類逐漸集中分布。近、中期建設(shè)用地仍需擴(kuò)張, 到2050年擴(kuò)張到14 520.10 km2, 以城市為中心擴(kuò)張, 相近的城市逐漸聚合為一體; 遠(yuǎn)期, 隨著城鎮(zhèn)化率的提高, 土地集約利用加上社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展低空間需求, 建設(shè)用地中的農(nóng)村居民點(diǎn)減少, 海岸線附近的建設(shè)用地有修復(fù)為濕地的趨勢(shì)。到2100年, 林地、草地、濕地有相應(yīng)的擴(kuò)張趨勢(shì), 林地在陸域擴(kuò)張明顯, 草地主要在萊州灣東部有擴(kuò)張趨勢(shì), 濱海濕地空間分布由破碎化向恢復(fù)和擴(kuò)大的趨勢(shì)發(fā)展; 集中發(fā)展海水養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)可有效促進(jìn)濱海濕地保護(hù)與修復(fù), 提升海岸帶的防災(zāi)減災(zāi)能力。

3.2.2 情景B: 經(jīng)濟(jì)社會(huì)適中發(fā)展路徑

經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)土地資源的需求適中, 各地類需求面積在三種情景中基本處于中間位置。與情景A相比, 建設(shè)用地和濱海濕地的面積變化差異顯著, 到2100年建設(shè)用地需求面積將增至16 152.90 km2, 濱海濕地面積僅增至1 599.33 km2。遠(yuǎn)期, 黃河三角洲繼續(xù)逐漸向海擴(kuò)張, 建設(shè)用地及人工濕地的面積增加, 島嶼空間開(kāi)發(fā)比較明顯, 靠近海岸線的林草地逐漸萎縮, 海陸交互地帶的未利用地比較多。

3.2.3 情景C: 逆全球化的區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)路徑

全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)摩擦嚴(yán)重, 帶來(lái)的高度競(jìng)爭(zhēng)反映到土地利用系統(tǒng), 將加大土地利用程度以及建設(shè)用地面積的顯著增長(zhǎng)。到2100年建設(shè)用地面積將增至17 114.80 km2, 在東部沿海地區(qū)的擴(kuò)張尤為明顯。林地、草地、內(nèi)陸水體、濱海濕地等地類的面積存量明顯低于情景A和B; 人工濕地與耕地向海擴(kuò)張趨勢(shì)明顯, 也表明情景C的人地沖突在三種情景中最為嚴(yán)重。

圖5 山東海岸帶土地需求情景模擬結(jié)果

4 結(jié)論與討論

針對(duì)山東海岸帶區(qū)域, 在對(duì)未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展長(zhǎng)期態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析和情景設(shè)定的基礎(chǔ)上, 建立土地利用變化分析和模擬的SD-FLUS模型, 自上而下的面積需求預(yù)測(cè)與自下而上的空間模擬相結(jié)合, 得到至2100年多情景土地需求時(shí)間序列模擬結(jié)果, 以及近期(2030年)、中期(2050年)、遠(yuǎn)期(2100年)土地利用空間分布模擬結(jié)果。主要結(jié)論如下:

圖6 近、中、遠(yuǎn)期土地利用多情景空間格局模擬結(jié)果

表4 山東海岸帶近、中、遠(yuǎn)期土地利用結(jié)構(gòu)多情景模擬結(jié)果

(1) 情景A、B、C的人口與經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)相近, 但亦存在顯著差異。情景A人口較少, 城市化及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高; 情景B各因素發(fā)展趨勢(shì)適中; 情景C人口數(shù)量多, 城市化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低。

(2) 三種情景各地類需求面積變化趨勢(shì), 近期差異較小, 將延續(xù)以往的土地利用變化特征, 中期之后不同情景之間土地利用變化的差異將明顯增強(qiáng)。情景B與情景C的變化趨勢(shì)更為接近。情景A經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)土地資源的依賴性較小, 有助于各種生態(tài)型地類的保護(hù)與恢復(fù); 情景B經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)土地資源的需求在三種情景中處于中間位置; 情景C經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)生活、生產(chǎn)用地的需求顯著, 建設(shè)用地面積增長(zhǎng)最多, 濱海濕地面積萎縮趨勢(shì)顯著。

(3) 近期、中期、遠(yuǎn)期土地利用空間分布模擬結(jié)果顯示, 情景A地類趨向集中分布和格局優(yōu)化的態(tài)勢(shì)顯著, 情景B黃河三角洲繼續(xù)擴(kuò)張、建設(shè)用地及人工濕地?cái)U(kuò)展、海岸帶林草地萎縮、島嶼開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)比較明顯, 情景C建設(shè)用地向外圍擴(kuò)張、人工濕地與耕地向海擴(kuò)張的趨勢(shì)均較為顯著。

對(duì)山東海岸帶土地利用進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)期的情景分析和模擬, 雖然多情景之間存在較為明顯的差異, 但整體來(lái)看, 土地利用需求仍將持續(xù), 三生(生產(chǎn)、生活、生態(tài))空間向海拓展趨勢(shì)仍較為顯著, 如果考慮未來(lái)海平面上升帶來(lái)的土地淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)將有加劇趨勢(shì), 則未來(lái)時(shí)期海岸帶區(qū)域的人地矛盾將會(huì)更加突出。為此, 針對(duì)山東海岸帶區(qū)域, 未來(lái)時(shí)期, 建議進(jìn)行近、中、遠(yuǎn)期戰(zhàn)略規(guī)劃, 近期資源環(huán)境約束問(wèn)題仍較突出, 平衡和協(xié)調(diào)生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展之間在土地利用方面的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系至關(guān)重要; 中期土地利用變化幅度減緩, 但土地沖突問(wèn)題尚未消除, 宜進(jìn)一步優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)和格局以及完善陸海統(tǒng)籌等相關(guān)政策; 遠(yuǎn)期, 應(yīng)高瞻遠(yuǎn)矚, 重點(diǎn)考慮由于人口、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)重大轉(zhuǎn)型而引發(fā)的土地利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型問(wèn)題, 將更多的土地轉(zhuǎn)向生態(tài)空間, 提升海岸帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能, 應(yīng)對(duì)不斷加劇的海岸帶災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

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Multi-scenario simulation of land use change in coastal zones —A case study of Shandong coastal zone

SONG Bai-yuan1, 2, 3, 4, HOU Xi-yong1, 3, 4, WANG Xiao-li1, 3, 4, LIU Yu-bin1, 2, 3, 4

(1. Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China; 2. Uni-ver-sity of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory of Coastal Environmental Processes and Ecological Remediation, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China; 4. Shandong Key Laboratory of Coastal Environmental Processes, Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China)

Long-term series scenario to simulate coastal land use have important guiding significance for integrated coastal management and sustainable development. Based on three scenarios, namely, SSP1-RCP2.6 (A-Sustainability Path), SSP2-RCP4.5 (B-Middle of the Economic and Social Development Path), and SSP3-RCP4.5 (C-Inverse Globalization of Regional Rivalry Path, a system dynamics (SD) model of land use demand in the coastal zone of Shandong province to 2100 was established. The FLUS model is then used to simulate the recent (2030), medium (2050), and long-term (2100) land use spatial distribution. Results show the following: (1) scenario A has a small population, a high level of urbanization, and a high level of economic development. Meanwhile, scenario B has a moderate development trend of various factors, and scenario C has a large population, a low level of urbanization, and a low level of economic development. (2) By 2100, the demand area change curves of different regions show significant situational differences and type differences. Scenario A is less dependent on land resources for economic and social development. The area demand of the main ground class in scenario B is at a medium level in three scenarios. In scenario C, economic and social development has a prominent demand for land for living and production, and the area of the construction land has a strong growth trend. (3) By 2100, there are significant differences in land use patterns and processes among the three scenarios. Scenario A tends to have a centralized distribution. The construction land will continue to expand in the near- and medium-term, but coastal wetlands can be effectively protected. For scenario B, the expansion of the construction land, the constructed wetland, and the shrinking trend of forest and grassland in the coastal zone are significant. Scenario C has the most significant expansion of the construction land. The constructed wetland and cultivated land tend to expand to the sea, while the coastal wetland shrinks significantly. Research results can provide scientific support for coastal zone management to make long-term strategic decisions.

land use; scenario analysis; system dynamic; coastal zone

Nov. 18, 2020

P748

A

1000-3096(2022)01-0022-12

10.11759/hykx20201118002

2020-11-18;

2021-05-28

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA19060205)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41901133)、山東省海岸帶環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(2019SDHADKFJJ04)

[Strategic?Priority?Research?Program of?the?Chinese?Aca-de-my?of?Sciences, No. XDA19060205; National Natural Science Foundatio-n of China, No. 41901133; Shandong Key Laboratory of Coastal Environmental Processes, YICCAS, No. 2019SDHADKFJJ04]

宋百媛(1995—), 女, 山東臨沂人, 碩士研究生, 主要開(kāi)展海岸帶土地利用變化監(jiān)測(cè)與模擬方面研究, E-mail: bysong@yic.ac.cn; 侯西勇,通信作者, 研究員, 主要從事海岸帶資源環(huán)境遙感、海岸帶生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面的研究,E-mail: xyhou@yic.ac.cn

(本文編輯: 康亦兼)