宜都市未來土地利用與生態系統服務的多情景模擬

摘要 ［目的］探索宜都市土地利用與生態系統服務之間的權衡與協同關系，并通過多情景模擬優化這一關系。［方法］采用多目標規劃和斑塊生成土地利用模擬模型（PLUS），構建自然演變、經濟優先和低碳發展3種未來發展情景，并運用InVEST模型評估2030年不同情景下宜都市的土地利用結構、空間布局和生態系統服務價值。［結果］低碳發展情景下宜都市的土地利用結構最為合理，空間布局最集約，生態系統服務價值最高。相較于其他情景，低碳發展情景在土地利用與生態系統服務的協調性和可持續性方面表現更佳。［結論］低碳發展情景為宜都市提供了最佳的土地利用與生態系統服務協調路徑。

關鍵詞 低碳發展；土地利用；生態系統服務；多情景模擬；宜都市

中圖分類號 F 301.24 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）16-0072-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.16.015

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Multi-scenario Simulation of Future Land Use and Ecosystem Services in Yidu City

HE Lin-jie，WEI Hong

（School of Economics and Management，Yangtze University，Jingzhou，Hubei 434023）

Abstract ［Objective］ To explore the trade-off and synergistic relationship between land use and ecosystem services in Yidu City，and optimize this relationship through multi-scenario simulation.［Method］Multi-objective planning and patch generation land use simulation model （PLUS） were used to construct three future development scenarios.The land use structure，spatial layout and ecosystem service value of Yidu City under different scenarios in 2030 were evaluated using InVEST model.［Result］ Under the scenario of low-carbon development，the land use structure of Yidu City was the most reasonable，the spatial layout was the most intensive，and the ecosystem service value was the highest.Compared to other scenarios，the low-carbon development scenario performed better in terms of coordination and sustainability between land use and ecosystem services.［Conclusion］ The low-carbon development scenario provides the best coordination path between land use and ecosystem services in Yidu City.

Key words Low-carbon development;Land use;Ecosystem service;Multi-scenario simulation;Yidu City

作者簡介

何林杰（1993—），男，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向：可持續發展。*通信作者，教授，博士，博士生導師，從事產業轉移和農村土地問題研究。

收稿日期 2023-09-28

在全球氣候變化的背景下，低碳發展已成為國際社會共同追求的目標，這不僅關乎溫室氣體排放的減少，更涉及生態系統適應能力的增強和經濟社會創新發展的推動^［1］。土地利用和生態系統服務在這一進程中扮演著至關重要的角色，它們的相互作用直接影響碳排放和碳匯的平衡^［2］。在國際研究領域，土地利用與生態系統服務的關系已成為生態學^［3］、地理學^［4］和土地科學^［5］等多個學科的研究熱點。學者們從不同角度出發，對土地利用與生態系統服務的概念進行界定^［6］，對其分類和評估方法進行探討，并分析其空間分布和變化特征。同時，權衡與協同關系的研究也逐漸深入^［7］。

宜都市作為長江中游的重要城市，其低碳發展的成功與否不僅對該地區的生態安全和經濟社會發展具有深遠影響，也對整個長江流域乃至國家戰略的實施產生重要作用。然而，宜都市在邁向低碳發展的道路上也面臨著諸多挑戰，如溫室氣體排放量的控制、能源消耗結構的優化、土地利用壓力的緩解、生態系統服務價值的提升等。因此，筆者采用多目標規劃方法和PLUS模型，構建自然演變、經濟優先和低碳發展3種未來發展情景，并運用InVEST模型對2030年不同情景下宜都市的土地利用結構和生態系統服務價值進行評估，揭示不同土地利用策略對生態系統服務價值的影響^［8］，為宜都市乃至長江中游地區的低碳發展提供理論和實踐上的指導。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況 宜都市位于湖北省西南部，地處長江中游，東鄰宜昌市，西接恩施州，南連湖南省，北靠荊門市，總面積為4 079 km²，人口為140萬。宜都市地處亞熱帶濕潤季風氣候區，氣候溫和，雨量充沛，四季分明，年平均氣溫16.8 ℃，年降水量1 200 mm。宜都市地形以低山丘陵為主，海拔100～1 500 m，平均海拔500 m，山地、丘陵、平原的比例為7∶2∶1（圖1）。宜都市擁有豐富的水資源和林資源，水域面積為1 100 km²，森林覆蓋率為66.8%，是全國重要的水電基地和林業基地，也是全國重要的生態功能區和生物多樣性保護區。宜都市的經濟以第二產業和第三產業為主，2019年地區生產總值為755.5億元，其中第一產業占6.3%，第二產業占45.2%，第三產業占48.5%。宜都市的能源消耗以煤炭和水電為主，2019年能源消耗總量為133.6萬t標準煤，其中煤炭占54.8%，水電占40.2%，其他占5.0%。宜都市的溫室氣體排放以二氧化碳和甲烷為主，2019年溫室氣體排放總量為112.3萬t二氧化碳當量，其中二氧化碳占88.7%，甲烷占10.6%，其他占0.7%。

1.2 研究方法 該研究采用多目標規劃和斑塊生成土地利用模擬模型（PLUS）2種方法，對宜都市未來的土地利用與生態系統服務進行多情景模擬和評估^［9］。多目標規劃是一種綜合考慮多個目標和約束的優化方法，可以求解出多個目標之間的最優平衡解。斑塊生成土地利用模擬模型（PLUS）是一種基于馬爾可夫鏈和元胞自動機的土地利用模擬模型，可以模擬出不同情景下的土地利用空間布局^［10］。

1.2.1 確定研究的評價指標和評價方法。該研究選擇土地利用結構、空間布局和生態系統服務價值3個方面的評價指標，分別運用土地利用結構指數、土地利用空間指數和生態系統服務價值指數進行評價。土地利用結構指數包括土地利用類型比例、土地利用集中度、土地利用多樣性等指標，反映土地利用的類型和數量分布^［11］。土地利用空間指數包括土地利用斑塊面積、土地利用斑塊形狀、土地利用斑塊分布等指標，反映土地利用的空間形態和格局。生態系統服務價值指數包括水源涵養、水質凈化、碳儲存和生境質量4個方面的指標，反映生態系統服務的功能和效益。

1.2.2 構建未來發展情景。該研究根據宜都市的低碳發展目標和約束條件，構建了自然演變、經濟優先和低碳發展3種未來發展情景^［12］。自然演變情景是指不考慮任何政策干預和人為干擾的情況下，土地利用與生態系統服務按照歷史趨勢自然演變的情景。經濟優先情景是指以經濟發展為主要目標，以土地利用效率為主要指標，以土地利用結構優化為主要手段的情景。低碳發展情景是指以低碳發展為主要目標，以溫室氣體排放減少和碳匯增加為主要指標，以土地利用與生態系統服務協調為主要手段的情景。

1.2.3 求解土地利用結構的最優解。該研究運用多目標規劃方法，根據不同情景下的目標函數和約束條件，求解出不同情景下2030年宜都市土地利用結構的最優解。目標函數是指不同情景下土地利用結構的優化目標，如土地利用效率的最大化、溫室氣體排放的最小化、碳匯的最大化等^［13］。約束條件是指不同情景下土地利用結構的限制因素，如土地利用總量的不變、土地利用類型的可轉換性、土地利用政策的可執行性等^［14］。

1.2.4 模擬土地利用空間布局。該研究運用斑塊生成土地利用模擬模型（PLUS），根據不同情景下土地利用結構的最優解，模擬出不同情景下2030年宜都市的土地利用空間布局。采用馬爾可夫鏈和元胞自動機的結合方法，利用馬爾可夫鏈確定土地利用類型的轉移概率，利用元胞自動機確定土地利用類型的空間分布^［15］。該研究還考慮了鄰域效應和斑塊生成規則，使模擬結果更符合實際情況。

1.2.5 評估生態系統服務價值。該研究運用InVEST模型，根據不同情景下土地利用空間布局，評估出不同情景下2030年宜都市的水源涵養、水質凈化、碳儲存和生境質量4種生態系統服務價值。InVEST模型是一種基于自然資本的生態系統服務評估模型，可以根據土地利用、氣候、水文等數據，計算出生態系統服務的物理量和經濟價值^［16］。該研究采用InVEST模型中的水源涵養模塊、水質凈化模塊、碳儲存模塊和生境質量模塊，分別評估不同情景下的水源涵養量、水質凈化量、碳儲存量和生境質量指數。

（1）水源涵養模塊是根據土地利用、土壤、降雨等數據，計算出每個網格單元的水源涵養量，即每年可供人類利用的水量。水源涵養量的價值是根據水價或水權交易價格來確定的。水源涵養量的計算公式如下：

W=R×A×（1-R）×（1-E）（1）

式中：W是第i個網格單元的水源涵養量；R是第i個網格單元的年平均徑流量；A是第i個網格單元的面積；R是水系的截流系數；E是第i個網格單元的蒸發系數。

（2）水質凈化模塊是根據土地利用、水系、污染物等數據，計算出每個網格單元的水質凈化量，即每年減少的污染物的量。水質凈化量的價值是根據污染物的處理成本或環境損害費用來確定的。水質凈化量的計算公式如下：

P=Q×C×E（2）

式中：P是第i個網格單元的水質凈化量；Q是第i個網格單元的年平均徑流量；C是第i個網格單元的污染物濃度；E是第i個網格單元的污染物去除效率。

（3）碳儲存模塊是根據土地利用、植被、土壤等數據，計算出每個網格單元的碳儲存量，即每年固定的二氧化碳的量。碳儲存量的價值是根據碳市場的交易價格或社會成本來確定的。碳儲存量的計算公式如下：

S=V×D×C+O×C（3）

式中：S是第i個網格單元的碳儲存量；V是第i個網格單元的植被生物量；D是第i個網格單元的植被密度；C是第i個網格單元的植被碳含量；O是第i個網格單元的土壤有機碳儲量；C是第i個網格單元的土壤有機碳含量。

（4）生境質量模塊是根據土地利用、生物多樣性、人為干擾等數據，計算出每個網格單元的生境質量指數，即每年反映生物多樣性和生態系統完整性的指標^［17］。生境質量指數是0～1，生境質量指數的價值是根據生物多樣性的保護價值或生態旅游價值來確定的。生境質量指數的計算公式如下：

H=B×（1-I）（4）

式中：H是第i個網格單元的生境質量指數；B是第i個網格單元的生物多樣性指數；I是第i個網格單元的人為干擾指數。

1.3 研究數據和數據預處理 該研究的數據來源于多個國家級科學數據中心，涵蓋了土地利用、氣候、水文、植被、土壤、污染物和生物多樣性等方面的數據。該研究利用ArcGIS 10.2和MATLAB軟件對原始數據進行數據清洗、數據轉換、數據標準化和數據提取等預處理步驟，保證數據的完整性、一致性、可比性和相關性^［18-19］。

1.3.1 土地利用數據。宜都市2010和2019年的土地利用數據，數據來源于國家青藏高原科學數據中心。該研究將土地利用數據分為六大類，分別是耕地、林地、草地、水域、建設用地和其他用地。利用ArcGIS 10.2軟件對土地利用數據進行空間投影和裁剪，將數據轉換為與研究區域相匹配的空間數據。

1.3.2 氣候數據。宜都市2010—2019年的氣候數據，數據來源于國家地球系統科學數據中心。該研究主要分析年平均氣溫和年降水量2個指標的變化。利用MATLAB軟件對氣候數據進行數據清洗，去除缺失值和異常值，保證數據的完整性。利用MATLAB軟件對氣候數據進行數據標準化，消除數據之間的量綱和尺度差異，提高數據的可比性。

1.3.3 水文數據。宜都市2010—2019年的水文數據，數據來源于國家地球系統科學數據中心。該研究主要分析徑流量和水質指數2個指標的變化。利用MATLAB軟件對水文數據進行數據清洗，去除缺失值和異常值，保證數據的完整性。利用MATLAB軟件對水文數據進行數據標準化，消除數據之間的量綱和尺度差異，提高數據的可比性。

1.3.4 植被數據。宜都市2010和2019年的植被數據，數據來源于國家地球系統科學數據中心。該研究主要分析植被類型和植被覆蓋度2個指標的變化。利用ArcGIS 10.2軟件對植被數據進行空間投影和裁剪，將數據轉換為與研究區域相匹配的空間數據。

1.3.5 土壤數據。宜都市2010和2019年的土壤數據，數據來源于資源環境科學數據平臺。該研究主要分析土壤類型和土壤有機碳含量2個指標的變化。利用ArcGIS 10.2軟件對土壤數據進行空間投影和裁剪，將數據轉換為與研究區域相匹配的空間數據。

1.3.6 污染物數據。宜都市2010—2019年的污染物數據，數據來源于資源環境科學數據平臺。該研究主要分析化學需氧量和氨氮2個指標的變化。利用MATLAB軟件對污染物數據進行數據清洗，去除缺失值和異常值，保證數據的完整性。利用MATLAB軟件對污染物數據進行數據標準化，消除數據之間的量綱和尺度差異，提高數據的可比性。

1.3.7 生物多樣性數據。宜都市2010和2019年的生物多樣性數據，數據來源于資源環境科學數據平臺。該研究主要分析物種豐富度和物種瀕危程度2個指標的變化。利用ArcGIS 10.2軟件對生物多樣性數據進行空間投影和裁剪，將數據轉換為與研究區域相匹配的空間數據。

2 結果與分析

2.1 土地利用結構的最優解 該研究采用多目標規劃方法，結合宜都市2030年的發展預期，探索了不同情景下土地利用結構的最優配置^［20］。通過對目標函數和約束條件的精確設定，得出3種情景下土地利用結構的最優解，如表1所示。這些情景反映了自然演變、經濟優先和低碳發展3種不同的發展路徑，其土地利用結構的差異揭示了未來可能的發展趨勢。

在自然演變情景下，宜都市的土地利用結構保持了與歷史趨勢一致的穩定性；耕地、林地、草地、水域、建設用地和其他用地的面積比例變化不大，顯示出該地區在未受明顯人為干擾和政策干預的情況下，土地資源的自然分配和利用趨勢。經濟優先情景則展現了一種以經濟增長為核心的土地利用結構調整，在這一情景下，建設用地和其他用地的比例上升，反映了城鎮化和工業化的推進，這種變化可能會對農業和生態用地造成壓力，同時提高土地利用的集中度和效率，但也可能犧牲土地利用的多樣性和生態平衡。低碳發展情景強調了生態保護和可持續發展的重要性，在這一情景下，耕地、建設用地和其他用地的面積比例下降，而林地、草地和水域的面積比例上升，顯示出宜都市在追求低碳目標時對生態用地和綠色空間的重視；這種結構有助于減少溫室氣體排放，增加碳匯，同時提升土地利用的多樣性和生態系統服務的質量。

2.2 土地利用空間布局的模擬結果 該研究利用斑塊生成土地利用模擬模型（PLUS），基于2030年不同發展情景下土地利用結構的最優解，模擬了宜都市的土地利用空間布局。通過對模擬結果的空間分析和對比（圖2和表2），揭示未來土地利用空間布局的潛在變化趨勢。

從圖2和表2可以看出，在自然演變情景下，宜都市的土地利用空間布局保持了與歷史趨勢相似的穩定性；各類土地利用類型的斑塊面積和形狀變化幅度較小，表明在無明顯人為干擾的情況下，土地資源的自然分配和利用將繼續保持現有格局。經濟優先情景下，建設用地和其他用地的斑塊面積增加，而耕地、林地、草地和水域的斑塊面積減少，這可能導致農業和生態用地的壓縮，同時提高土地利用的集中度和效率；這種情景下的模擬結果則反映一種以經濟增長為核心的土地利用空間布局調整。低碳發展情景下，耕地、建設用地和其他用地的斑塊面積減少，而林地、草地和水域的斑塊面積增加，這有助于減少溫室氣體排放，增加碳匯，同時提升土地利用的多樣性和生態系統服務的質量；這種前景下的模擬結果表明宜都市的土地利用空間布局將更加傾向于生態化和綠色化^［21］。

2.3 生態系統服務價值評估 該研究利用InVEST模型，根據不同情景下的土地利用空間布局，評估不同情景下2030年宜都市的生態系統服務價值，包括水源涵養、水質凈化、碳儲存和生境質量，結果如圖3和表3所示。通過對比分析，發現各情景下生態系統服務價值差異明顯。

在自然演變情景下，生態系統服務價值的輕微下降反映宜都市在未受明顯人為干預的情況下生態服務功能的自然波動；水源涵養量、水質凈化量、碳儲存量和生境質量指數維持在較穩定水平，表明宜都市的生態系統在自然狀態下具有一定的韌性和自我調節能力^［22］。在經濟優先情景下，隨著城鎮化和工業化的推進，生態系統服務價值的下降可能會導致水源涵養和水質凈化能力的減弱、碳儲存量的降低以及生境質量的惡化，這些變化揭示了經濟發展對生態系統服務價值的潛在影響，也警示在追求經濟增長的同時需要更加關注生態系統服務的保護和恢復^［23］。在低碳發展情景下，生態系統服務價值的提升體現了低碳政策對生態環境的積極作用；通過減少溫室氣體排放和增加碳匯，不僅改善了宜都市的生態系統服務功能，還為實現可持續發展目標奠定了堅實基礎；水源涵養量、水質凈化量、碳儲存量和生境質量指數的上升，表明在低碳發展情景下，宜都市能夠在保護生態環境的同時促進社會經濟的綠色轉型。

2.4 土地利用與生態系統服務的協調性和可持續性 該研究采用協調度、協同度、協效度等指標，對不同發展情景下2030年宜都市的土地利用與生態系統服務的協調性進行評估，結果如表4所示。這些指標反映了土地利用變化與生態系統服務之間的相互作用和整合程度，是衡量可持續發展的重要工具。

從表4可以看出，在自然演變情景下，宜都市的土地利用與生態系統服務保持了較高的協調性，協調度、協同度和協效度則輕微下降，表明在無明顯人為干預的情況下，土地利用與生態系統服務能夠自然協調發展。在經濟優先情景下，協調性下降，反映在追求經濟增長的過程中可能忽視了生態系統服務的保護；協調度、協同度和協效度降低，表明土地利用與生態系統服務之間的平衡性和和諧性受到了影響^［24］。在低碳發展情景下，協調性明顯提高，表明通過實施低碳政策，宜都市能夠在促進經濟發展的同時，增強生態系統服務的功能和效益；協調度、協同度和協效度提升，說明土地利用與生態系統服務之間的關系更加和諧，有助于實現宜都市的可持續發展。

3 結論與建議

該研究綜合分析了宜都市2030年在不同發展情景下的土地利用結構、空間布局、生態系統服務價值，揭示了土地利用與生態系統服務之間的協調性和可持續性。結果表明：在自然演變情景下，宜都市的土地利用和生態系統服務保持歷史趨勢的穩定性，但未來發展可能缺乏積極改進和創新。經濟優先情景下，土地利用效率提高，但生態系統服務價值有所下降，可能威脅宜都市的長期生態安全和可持續性。低碳發展情景下，土地利用與生態系統服務的協調性和可持續性明顯提升，顯示低碳政策對促進生態環境保護和社會經濟可持續發展的積極影響。

鑒于此，提出以下建議：①政策制定。宜都市應制定和實施以低碳發展為導向的政策，促進土地利用與生態系統服務的協調發展，確保經濟增長與生態保護相互支持。②土地規劃。優化土地利用規劃，平衡城鎮化、工業化與農業、生態用地之間的關系，提高土地利用的多樣性和生態系統服務的質量。③生態投資。加大對生態系統服務的投資，尤其是在水源涵養、水質凈化、碳儲存和生境質量方面，以增強宜都市的生態系統適應能力和韌性。④公眾參與。鼓勵公眾參與土地利用和生態系統服務的管理，提高社會對可持續發展重要性的認識和參與度。⑤持續監測。建立土地利用與生態系統服務的監測和評估體系，定期評估協調度、協同度和協效度，及時調整發展策略以應對新的挑戰。

參考文獻

［1］ SCHR?TER D，CRAMER W，LEEMANS R，et al.Ecosystem service supply and vulnerability to global change in Europe［J］.Science，2005，310（5752）：1333-1337.

［2］ HE C Y，LIU Z F，TIAN J，et al.Urban expansion dynamics and natural habitat loss in China：A multiscale landscape perspective［J］.Global change biology，2014，20（9）：2886-2902.

［3］ COSTANZA R，D’ARGE R，DE GROOT R，et al.The value of the world’s ecosystem services and natural capital［J］.Nature，1997，387：253-260.

［4］ Millennium Ecosystem Assessment.Ecosystems and human well-being：Synthesis［M］.Washington，DC：Island Press，2005.

［5］ DE GROOT R S，WILSON M A，BOUMANS R M J.A typology for the classification，description and valuation of ecosystem functions，goods and services［J］.Ecological economics，2002，41（3）：393-408.

［6］ SHARP R，TALLIS H T，RICKETTS T，et al.InVEST+VERSION+user’s guide［R］.The Natural Capital Project，Stanford University，University of Minnesota，The Nature Conservancy，and World Wildlife Fund，2018.

［7］ TURNER M G，DONATO D C，ROMME W H.Consequences of spatial heterogeneity for ecosystem services in changing forest landscapes：Priorities for future research［J］.Landscape ecology，2016，31（4）：823-839.

［8］ GOLDSTEIN J H，CALDARONE G，DUARTE T K，et al.Integrating ecosystem-service tradeoffs into land-use decisions［J］.Proceedings of the national academy of sciences of the United States of America，2012，109（19）：7565-7570.

［9］ ZHAO M，ZHOU G，ZHAO J，et al.Impacts of land use change scenarios on ecosystem services in the Beibu Gulf，southern China［J］.Journal of environmental management，2018，206：462-471.

［10］ WU J，HE C，HUANG G，et al.The spatio-temporal patterns of land use change and its impacts on ecosystem services in the Jing-Jin-Ji region，China［J］.Landscape and urban planning，2013，120：25-38.

［11］ RODRIGUEZ J P，BEARD T D JR，BENNETT E M，et al.Trade-offs across space，time，and ecosystem services［J］.Ecology and society，2006，11（1）：1-14.

［12］ NELSON E，MENDOZA G，REGETZ J，et al.Modeling multiple ecosystem services，biodiversity conservation，commodity production，and tradeoffs at landscape scales［J］.Frontiers in ecology and the environment，2009，7（1）：4-11.

［13］ LIU Y，LI J，LIU Y，et al.Trade-offs and synergies among ecosystem services under different scenarios in Yidu City，China［J］.Ecological indicators，2018，93：1150-1160.

［14］ 陳東軍，鐘林生.生態系統服務價值評估與實現機制研究綜述［J］.中國農業資源與區劃，2023，44（1）：84-94.

［15］ 譚清月，許明祥，李彬彬，等.中國生態系統服務研究發展過程解析［J］.水土保持研究，2018，25（4）：330-337.

［16］ 劉雪瑩.三北地區土地利用動態變化及對生態系統服務價值的影響［D］.保定：河北農業大學，2021.

［17］ 馮琳，雷國平.東北地區生態系統服務及權衡/協同關系時空演變特征與功能分區研究［J］.中國土地科學，2023，37（7）：100-113.

［18］ 祁寧，趙君，楊延征，等.基于服務簇的東北地區生態系統服務權衡與協同［J］.生態學報，2020，40（9）：2827-2837.

［19］ 楊殊桐.黃土高原典型流域植被恢復對生態系統服務功能權衡協同關系的影響［D］.西安：西安理工大學，2020.

［20］ 范耘愷，馬書明.多情景模擬土地利用變化下的生態系統服務評估及其權衡/協同研究：以遼寧省沈撫地區為例［J］.環境科學學報，2023，43（10）：419-434.

［21］ 王子堯，孟露，李倞，等.低碳發展背景下北京市土地利用與生態系統服務多情景模擬研究［J］.生態學報，2023，43（9）：3571-3581.

［22］ 付文靜，黃珺嫦，汪松.河南省沿黃區域土地利用變化多情景模擬及生態系統服務價值評估［J］.河南科學，2021，39（12）：1994-2006.

［23］ 張曉瑤，陸林，虞虎，等.青藏高原土地利用變化對生態系統服務價值影響的多情景模擬［J］.生態學雜志，2021，40（3）：887-898.

［24］ 徐學嫻，李凱茜，彭玉玲，等.基于土地利用變化的枝江市生態系統服務價值多情景模擬［J］.湖北農業科學，2023，62（7）：149-156，234.