基于PLUS模型的三門峽市土地利用變化及模擬研究

摘 要 研究土地利用結構變化特征、轉移情況及未來趨勢，對優化土地資源空間布局，實現區域經濟與生態環境協調可持續發展具有重要意義。因此，采用河南省三門峽市2000年、2010年、2020年3期土地利用數據，通過土地利用轉移矩陣探究三門峽市2000—2020年土地利用變化，并利用PLUS模型模擬預測4種情景下2030年三門峽市土地利用格局。結果表明，2000—2020年三門峽市土地利用變化總體穩定，優勢地類為耕地和林地，耕地面積先增加后減少，總體小幅增加，建設用地面積不斷增加，草地面積持續減少，水域和未利用地面積均先減少后增加，總體小幅增加，建設用地和耕地之間轉換頻繁，耕地始終是建設用地主要轉入來源。城鎮發展情景下，2030年三門峽市耕地面積大量流失；耕地保護情景下，2030年三門峽市耕地面積有微弱漲幅，建設用地擴張得到抑制；生態保護情景下，2030年三門峽市林地、水域面積明顯增長。為實現土地利用可持續發展和生態環境保護，三門峽市未來土地利用規劃應關注耕地保護、合理規劃建設用地、加強草地恢復和生態保護等方面工作。

關鍵詞 土地利用變化；PLUS模型；情景模擬；河南省三門峽市

中圖分類號：TU986 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.13.021

隨著經濟發展和人口增長，城市擴張、農業耕地變動及自然資源開發利用等導致土地利用方式改變，不僅影響生態系統功能結構，還對全球氣候、水資源、土壤質量等產生深遠影響[1]。因此，開展土地利用變化及模擬研究，有助于理解區域生態經濟系統演變規律，對制定可持續發展策略、優化土地資源配置、維護生態平衡具有指導意義[2]。

當前，土地利用分布格局模擬相關研究主要集中于省級地區和省會城市，對普通地級市研究較少。基于此，筆者以河南省三門峽市為研究區，在分析2000—2020年當地土地利用變化特征基礎上，引入已廣泛用于國內外土地利用變化模擬研究的PLUS模型，對4種發展情景下2030年三門峽市土地利用分布格局進行模擬，以揭示土地利用變化規律，為三門峽市乃至黃河流域可持續發展規劃提供科學依據[3-5]。

1" 數據來源與研究方法

1.1nbsp; 研究區概況

三門峽市位于河南省西部，地理位置為東經110°21′～112°01′、北緯33°31′～35°05′。三門峽市下轄兩縣、兩市及兩區，土地總面積9 936 km2，地勢東北低、西南高，包括平原、山地、丘陵等多種地貌類型，境內河流、溝、溪眾多，主要屬于黃河和長江兩大水系。三門峽市大部分地區屬暖溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫13.5 ℃，年平均降水量550～800 mm。

1.2" 數據來源

研究采用2000年、2010年、2020年三門峽市土地利用數據，選取5個氣候環境指標和9個社會經濟指標作為PLUS模型的驅動因素（見表1）。利用ArcGIS10.6對數據進行處理，空間分辨率統一為30 m×30 m，投影方式為Krasovsky_1940_Albers。

1.3" 研究方法

1.3.1" PLUS模型

PLUS模型結合基于土地擴張分析規則挖掘方法及基于多類型隨機種子機制的CA模型，旨在挖掘土地擴張驅動因素和預測土地利用景觀的斑塊級演化[6]。

在應用過程中，首先選取14個驅動因子（指標）；接著通過LEAS模塊提取各類用地擴張區域，算出各景觀類型發展概率；最后用CA模型對未來景觀格局進行模擬預測[7]。

此次研究用2000年和2010年三門峽市土地利用數據作為初始輸入預測2020年三門峽市土地利用分布格局，用Kappa系數進行對比檢驗[8]。結果顯示，Kappa系數為0.910 275，表明該模型可靠性較高，可用于預測三門峽市未來土地利用格局。

1.3.2" 多情景設定

1）自然發展情景。將水源作為限制發展區域，保持原有土地利用類型間轉換概率，作為其他情景模擬的基礎。

2）城鎮發展情景。草地、林地和耕地向建設用地轉換概率升高20%，建設用地向除耕地之外其他土地利用類型轉換概率降低20%。

3）耕地保護情景。耕地向建設用地轉換概率降低60%，林地、草地向耕地轉換概率升高30%。

4）生態保護情景。除建設用地外，其他地類均可轉為草地和林地，林地、草地和耕地向建設用地轉換概率降低30%，耕地和草地向林地轉換概率升高30%。

2" 結果與分析

2.1" 土地利用轉移分析

由表2可知，2000—2010年三門峽市土地利用轉換幅度較大的是耕地、草地和建設用地。具體來說，2000—2010年三門峽市耕地轉出192.97 km2，主要轉為建設用地、草地和林地；草地轉出291.04 km2，主要轉為耕地和林地；建設用地轉出58.46 km2，主要轉為耕地。2000—2010年，三門峽市耕地和建設用地分別轉入335.99、132.03 km2，耕地轉入中67.01%來自草地，建設用地轉入中77.38%來自耕地。其他地類均有少量轉換，但波動較小，相對穩定。

由表3可知，2010—2020年三門峽市土地利用轉換幅度較大的是耕地和林地。具體來說，2010—2020年三門峽市耕地轉出175.46 km2，同時有109.61 km2耕地轉入，其中林地向耕地轉入78.09 km2，是耕地主要轉入來源；林地轉出128.96 km2，轉入140.84 km2。2010—2020年，三門峽市建設用地面積持續增加，耕地仍是建設用地主要轉入來源，轉入64.75 km2；草地分別向林地、耕地轉出59.11、20.47 km2。

2.2" 土地利用變化模擬

由表4可知，與2020年相比，2030年三門峽市自然發展情景下耕地、草地面積有不同程度的減少，分別減少60.92、26.05 km2；建設用地在三門峽市北部和東北部明顯擴張，面積增加56.33 km2。

城鎮發展情景與自然發展情景模擬結果較為接近。具體來說，2030年三門峽市建設用地面積較2020年增加71.44 km2，耕地面積較2020年減少73.21 km2，建設用地擴張在一定程度上侵占了耕地。

耕地保護情景相比其他情景各地類面積變化幅度較小，相對穩定。具體來說，2030年三門峽市耕地面積為3 416.56 km2，與2020年相比，面積有所增加；建設用地與2020年相比增加18.18 km2，其擴張態勢與自然發展情景相比有所好轉，表明對其他類型土地侵占耕地的情況進行管控可有效保護耕地資源。

生態保護情景下，2030年三門峽市除耕地和草地面積減少外，其他地類面積均有所增加，其中水域、林地等生態用地面積明顯增加；建設用地擴張得到抑制。

3" 結論與建議

3.1" 結論

1）2000—2020年，三門峽市土地利用變化總體穩定，優勢地類為耕地和林地；耕地面積先增加后減少，總體小幅增加；建設用地面積不斷增加，草地面積持續減少，水域和未利用地面積均先減少后增加，總體小幅增加；三門峽市建設用地和耕地之間轉換頻繁，耕地始終是建設用地主要轉入來源。

2）4種情景模擬下，2030年三門峽市土地利用都體現了各自的發展效果。具體來說，與2020年相比，自然發展、城鎮發展、生態保護情景下2030年三門峽市耕地面積存在不同程度的減少，其中城鎮發展情景下耕地流失最多，只在耕地保護情景下耕地面積略微增加。與2020年相比，自然發展、城鎮發展、生態保護情景下2030年三門峽市林地面積均有不同程度的增加，其中生態保護情景下林地面積增加最多，僅在耕地保護情景下林地面積小幅度減少。與2020年相比，4種情景下2030年三門峽市草地面積均有所減少，其中生態保護情景下草地面積減少最多；4種情景下2030年三門峽市建設用地面積均有所增加，其中耕地保護情景下建設用地面積增加最少，說明耕地保護情景下對建設用地擴張的抑制效果最大；4種情景下2030年三門峽市水域面積和未利用地面積都小幅增加，但總體趨于穩定。

3.2" 未來規劃建議

1）強化耕地保護。根據模擬結果，2030年三門峽市耕地面積減少風險較大。因此，三門峽市應設立耕地保護區，實施耕地保護政策和用途管制，確保耕地數量不減少、質量不下降，優化耕地布局，提高耕地利用效率。

2）合理規劃建設用地。根據模擬結果，2030年三門峽市建設用地呈現擴張態勢。因此，三門峽市應科學劃定城鎮開發邊界，嚴格限制建設用地規模，優化建設用地結構，盤活存量建設用地。同時，推進土地利用向集約型方式轉變，可考慮開發地下空間和改造舊城，減少對其他地類的占用。

3）加強草地恢復。根據模擬結果，2030年三門峽市草地面積與2020年相比有所減少，草地保護面臨較大的壓力。因此，三門峽市應加強草地恢復工作，防止草地退化，改善草地質量，提高草地生態系統穩定性和服務功能，維護生態平衡。

4）加強生態保護。根據模擬結果，生態保護情景下2030年三門峽市林地、水域等生態用地面積與2020年相比明顯增加。因此，三門峽市應合理利用林地資源，加強林地保護和經營管理，實施退牧還草、退耕還林等生態工程以增加森林覆蓋率。同時，要合理利用水資源，加強水域保護，防止水污染，改善生態環境。

參考文獻：

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[2] 劉菁華，李偉峰，周偉奇，等.權衡城市擴張、耕地保護與生態效益的京津冀城市群土地利用優化配置情景分析[J].生態學報，2018，38（12）：4341-4350.

[3] 黃韜，劉素紅.基于PLUS-InVEST模型的福建省土地利用變化與碳儲量評估[J].水土保持學報，2024，38（2）：246-257.

[4] XUN L，QINGFENG G，C.K C，et al.Understanding the drivers of sustainable land expansion using a patch-generating land use simulation（PLUS）model：a case study in Wuhan，China[J].Computers，Environment and Urban Systems，2021，85：101569.

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[6] 胡豐，張艷，郭宇，等.基于PLUS和InVEST模型的渭河流域土地利用與生境質量時空變化及預測[J].干旱區地理，2022，45（4）：1125-1136.

[7] LIANG X，LIU X P，LI D，et al.Urban growth simulation by incorporating planning policies into a CA-based future land-use simulation model[J].International Journal of Geographical Information Science，2018，32（11）：2294-2316.

[8] 袁雪.基于PLUS模型的武漢市土地利用變化情景模擬與景觀生態風險研究[D].南昌：東華理工大學，2022.

（責任編輯：劉寧寧）

收稿日期：2024-06-08

作者簡介：楊鈺瑤（1999—），在讀碩士，研究方向為國土空間規劃。E-mail：18803988500@163.com。