基于CA-Markov-PLUS 模型的佛山市土地利用及生態系統服務分析與預測

摘要：分析并預測生態系統服務不但有助于了解區域生態系統的運行狀況，而且對制定有效的生態保護和恢復策略有重要意義。本文以佛山市為研究區，基于CA-Markov-PLUS 模型預測分析了2010—2030 年土地利用和4 種生態系統服務空間布局變化，探討了2010—2030 年生態系統服務時空變化規律。結果表明：（1）在2010—2020 年間，佛山市耕地、林地面積大量減少，向建設用地轉換，在2020—2030 年間，耕地和水域面積增加，林地面積減少，建設用地擴張速度下降。（2）對比佛山市2010 年與2020 年的生態系統服務指數，發現生境質量、碳儲存量、土壤保持以及產水服務均有不同程度的下降，以土壤保持量下降程度最為嚴重；相較于2020 年，2030 年佛山市生境質量、碳儲存的下降速度減小，土壤保持基本不變，產水量均值略有上升。（3）2010—2030 年佛山市的綜合生態系統服務水平先降低后升高，說明人為正向干擾有利于提高佛山市生態系統服務水平。實驗結果將為佛山市生態保護進而實現高質量發展提供合理建議。

關鍵詞：土地利用變化；綜合生態系統服務；CA-Markov-PLUS 模型

中圖分類號：F301.24 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1329（2024）03-0130-07

生態系統服務是直接或間接地影響人類可持續福祉的一個或多個生態特征、生態功能或生態過程[1]。然而佛山市的快速城市化給環境帶來了巨大的壓力，在改變了局部的土地類型的同時，也擾動了生態系統服務的運行過程。因此，土地作為影響生態系統的驅動因子之一，通過分析不同時期的土地利用變化來研究生態系統空間布局，對建立可持續的綠色發展模式以及制定更有針對性的環境保護政策具有重要意義。近些年來，國內外對生態系統服務之間的相互影響關系及其運行規律進行了大量的研究，主要圍繞著碳儲量[2]、生境質量[3]、土壤保持[4]、水源涵養[5]等對單一生態系統服務的研究，或將生態系統服務供需關系[6] 進行分析，或對多種生態系統服務的綜合評價。目前運用較多的研究方法是統計學方法[7]、空間分析方法[8]、情景模擬[9] 以及服務流動性分析方法[10] 等，這些研究不但加強了人類對生態系統服務運行規律的認識，同時模擬未來生態系統服務空間布局的方法也應運而生，其中SD-PLUS 模型[11]、PLUS-InVEST 模型、Markov-FLUS 模型、Markov-PLUS 模型得到廣泛應用。本文利用CA-Markov-PLUS 模型對佛山市2030 年土地利用狀態進行預測，其中CA-Markov 模型是基于CA 模型自有的離散特征得到不同時間尺度的土地利用類型轉換矩陣，預測出未來某一時間的土地利用類型[8]，PLUS 模型具有較高的模擬精度，可以獲取與現實生態景觀類型分布較相近的結果[12]， CA-Markov-PLUS 模型綜合CA-Markov 模型在時間尺度分析的優勢和PLUS 模型在空間尺度分析的優勢，能降低研究中制定轉換規則的困難程度，同時也能減少人為因素的過多干擾，從而對生態系統服務的階段性變化進行細致研究。

進入21 世紀以來，佛山市作為國家東部戰略重要區域，全市生產總值逐年上升，其快速城市化使得土地利用強度也隨之活躍，與經濟駛入快車道不同，當地生態退化嚴重。為了能更好地貫徹習近平總書記綠色發展理念，本文通過分析2010 年、2020 年及預測2030 年土地利用變化，進而測算2010—2030 年各項生態系統服務指數，了解其時空分布差異并綜合分析整體特征，為佛山市提出更合理的土地利用規劃，提高生態系統服務的貢獻度具有重要研究意義。

1 研究區概況

佛山市位于廣州省中部，總面積3797.72 km2。境內河網密布，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫23.2℃，全境地勢平緩，西部丘陵地區地勢較高，東部平原地勢較低，主要以丘陵和沖積平原為主，其中沖積平原占70.9%（圖1）。植被類型較為單一，生態環境基礎較為簡單。佛山市常住人口961.54 萬人，GDP 達13276.14 億元[13]，是中國不可缺少的制造業基地，社會經濟的飛速發展不可避免地擠占了其他植被類型的面積，生態環境面臨的壓力逐漸增大。因此，提高土地利用率并進一步研究其空間分布特征和變化趨勢從而提高生態系統服務貢獻度，成為了制定有效的生態保護和恢復策略的重要依據。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本文基于空間分辨率為30 m 的2010 年和2020 年土地利用數據進行生態系統服務研究， 利用ArcGIS 軟件對佛山市進行掩膜提取、重分類。為了預測2030 年土地利用和生態系統服務空間布局，選擇了社會經濟數據、氣候和環境數據作為驅動因子，數據來源如表1 所示。

2.2 研究方法

2.2.1 單項生態系統服務評估

（1）生境質量

生境質量反映了生態系統的健康狀態和穩定 性[14]，一般用生境質量指數來表示。生境質量指數通過對研究區土地利用類型的生境適宜性和生境退化程度狀況進行評價， 受威脅因子、棲息地類型對威脅因子的相對敏感性、棲息地與威脅源之間的距離以及土地受法律保護程度等影響。本研究選擇InVEST 模型中的生境質量模塊結合外界環境影響（表2）和景觀敏感性（表3）來計算佛山市2010 年和2020 年的生境質量指數，并對研究期內生境質量的空間特征進行分析。計算公式如下[15]：

（2）碳儲量

碳儲量是指生態系統對生態環境中二氧化碳等氣體的存留量。InVEST 模型的碳儲量模塊將碳儲量劃分為地上碳庫、地下碳庫、土壤碳庫、死亡有機質碳庫，該模型基于每個時期的土地利用數據和相應的碳密度（表4主要依賴現有文獻中的測量數據[16]），模擬碳儲量總碳庫，計算公式[17] 為：

（3）土壤保持服務

土壤保持量是指生態系統在極度退化狀況下土壤侵蝕量與現實狀況下土壤侵蝕量的差值。本文利用InVEST模型中的土壤保持模塊來衡量區域生態系統保育土壤的能力， 采用修正通用水土流失方程估算土壤侵蝕量[18]，因此表示為：

（4）產水量

InVEST 模型中的產水模塊是基于水量平衡原理，結合土壤根系深度和植物可利用水量等數據，計算柵格內實際降水量和蒸散發量之間的差值得到產水量[19]，公式表示為：

2.2.2 CA-Markov-PLUS 耦合預測模型

本文基于CA-Markov-PLUS 模型對2030 年各土地利用進行預測，CA 模型能夠在空間、時間及狀態上都具有離散的特征[19]。Markov 模型是馬爾可夫建立的一種離散概率模型，可用于計算土地利用類型轉換概率。PLUS 模型可用于斑塊尺度的土地利用變化模擬，在土地利用數量的約束下模擬土地利用空間格局。將三者進行耦合，使其不僅具有空間分布模擬功能，又有較強的數據預測能力，能反映地類間相互轉化的動態過程。其方程式為：

2.2.3 精度驗證

為驗證預測模型精度，本文以佛山市2010 年土地利用數據為基礎，結合佛山市的實際情況和數據的可獲取性，參考已有文獻[20]，選取了降雨、氣溫、坡度、人口規模、GDP 等11 項驅動因子，通過CA-Markov-PLUS 模型模擬2030 年土地利用空間布局，并與真實土地利用情況進行對比。結果顯示Kappa 值為0.87，整體模擬精度為0.917，模擬精度較高。為了使預測結果更貼合實際情況，本文將佛山市國家“耕地紅線”政策和綠色發展等政策作為約束條件，模擬預測2030 年土地利用和生態系統服務時空變化。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

本文通過土地轉移矩陣分析2010—2030 年土地面積流轉變化情況。由表5 可知，2010—2020 年間，佛山市流出面積最多的為耕地，共19126.53 hm2，主要轉化為建設用地、水域以及林地；其次為林地、水域和建設用地，轉化面積分別為9151.38 hm2、8117.46 hm2、9197.84hm2。林地主要轉化為建設用地、耕地和水域，水域主要轉化為建設用地和耕地，建設用地主要轉化為耕地和水域；流出面積較少的為草地與未利用地，草地主要轉化為耕地和林地，共流出142.02 hm2；未利用地主要轉化為耕地，共流出16.47 hm2。

結合佛山市的實際情況，本研究以堅持“耕地紅線”，綠色發展為目標，選取了人口、GDP、降雨、溫度、坡度坡長、高程、土壤類型、到一、二、三級道路距離、到河流距離共計11 個驅動因子，對2030 年土地利用和生態系統服務進行預測，得到表6。在2020—2030 年間，林地流出面積最多，為2263.59 hm2，其中66.58% 轉化為建設用地，25.2% 轉化為耕地；其次為草地，流出面積為427.86 hm2，其中61.34% 轉化為建設用地，24.57% 轉化為耕地；水域流出面積為96.57 hm2，流入面積為169.48hm2，總體上水域面積增多。

圖2 為佛山市2010 年、2020 及2030 年土地利用空間格局，在2010—2020 年間，三水區北部、東部的耕地面積以及中部水域面積減少，并逐漸向建設用地轉變并聚集成落。禪城區建設用地擴張，主城區面積進一步增大；南海區北部的耕地以及林地逐漸減少、西北部水域面積明顯減少，向建設用地轉化；順德區南部的水域及耕地轉化為建設用地，主要是順德區地勢平緩，適宜轉換成建設用地；高明區的綠色覆蓋面積為佛山市第一，東部建設用地面積顯著增大，主要由耕地和林地共同轉化。在2020—2030 年間，耕地面積增多了716.58 hm2，建設用地在原有的基礎上增加了1786.41 hm2，主要增加區域為南海區以及禪城區。

3.2 各項生態系統服務時空分布格局

本文基于CA-Markov-PLUS 模型測算佛山市各項生態系統服務，其空間格局如圖3。2010 年，生境質量指數平均值為0.287，最大值為0.748，佛山市不同區域的生境質量差距較大，低值區主要分布在南海區、禪城區、順德區東北部以及南部，與建設用地所在范圍高度重合。高明區多為林地和耕地，生境質量高低值差距較小。碳儲存平均值為5.601 mt/p，以禪城區和南海區的建設用地和水域所在區域的碳儲存量最少，碳儲存值高值區主要集中在三水區、高明區以及順德區部分區域，主要植被類型為林地、草地及耕地。土壤保持平均值為25.3598 t/（km2·a），最高值達到878.086 t/（km2·a），其中高值主要分布在高明區西部、三水區北部以及南海區西南部，主要植被類型為林地和草地。單位面積平均產水量為7.573 m3/（hm2·a），高值區分布在高明區南部、東部和南海區西部，較高值分布在三水區南部、南海區北部以及順德區中部，低值區分布禪城區，具有鮮明的空間分布特點，其主要原因可能是在支流豐富，年降雨量較多，植被豐富區域，產水量隨之增多；反之，在人口聚集地和建設用地占地面積多的區域，降雨量較少，蒸散發較高，產水量也隨之減少。

圖4 為2020 年生態系統服務分布圖。2020 年生境質量指數最大值為0.7477，平均值為0.271，相較2010 年下降了5.6%，高明區東部、禪城區及順德區碳生境質量指數降低，低值范圍增大，與建設用地擴張方向一致。碳儲存平均值5.35 mt/p，禪城區由高值區向低值區轉換，碳儲存量下降程度最大；三水區南部、南海區北部及西部、高明區東部以及順德區中部由高值向中值轉換，下降程度較大，該范圍的植被類型以耕地為主。2020 年土壤保持平均值為22.798 t/（km2·a），相較于2010 年，下降了10.1%，高值主要分布在高明區西部、三水區北部以及南海區西南部，主要植被類型為林地和草地。2020 年佛山市單位面積平均產水量為4.269 m3/（hm2·a），相比2010 年降低了43.6%，南海區西部、高明區南部以及三水區南部下降程度明顯，禪城區北部的產水量由中值向低值區轉變。

綜上所述，從全域角度對比佛山市2010 年與2020 年的生態系統服務空間布局，發現生境質量、碳儲存量、土壤保持以及產水服務均有不同程度的下降，以土壤保持量下降程度最為嚴重；從局部角度看，以禪城區和南海區下降程度最大，三水區北部和順德區次之。

佛山市2030 年生態系統服務如圖5 所示，生境質量平均值為0.2687，相較于2020 年的0.2707，下降了0.2%，下降速度放緩，以三水區北部和高明區東部為主的低值范圍增大；碳儲存平均值為5.29 mt/p，高明區低值范圍增大，低值所在地為禪城區，碳儲存能力持續減弱，可能因為禪城區是主城區，建設用地持續擴張所導致。土壤保持的最高值保持不變，為789.964 t/（km2·a），平均值從22.7978 t/（km2·a） 下降到22.7936 t/（km2·a），變化幅度較小，其高值范圍主要集中在三水區北部和高明區西部，以林地、草地為主要植被類型；2030 年佛山市單位面積平均產水量為4.2964 m3/（hm2·a），較2020 年略有提升。綜上，在堅持“耕地紅線”和綠色發展政策的情況下，佛山市生境質量、碳儲存、土壤保持的平均值下降速度減小，產水量均值略有上升。

3.3 綜合生態系統服務時空分布特征

本文將2010—2030 年佛山市各項生態系統服務進行疊加得到綜合生態系統服務，時空分布特征如圖6 所示。在2010—2020 年，綜合生態系統服務整體呈下降趨勢，其中禪城區和南海區南部的低值區面積明顯增大，高明區的綜合生態系統服務由中值區向低值區轉換；在2020—2030 年，佛山市綜合生態系統服務整體呈上升趨勢，尤其是低值區面積顯著減少，三水區北部和高明區西部的綜合生態系統服務由較高值區向高值區轉換，高明區東部由低值區向低值區轉換，而順德區西南部則由低值區向較低值區轉換。在2010—2030 年間，綜合生態系統服務經歷了先降低后升高的過程，主要是因為在2010—2020 年間，佛山市在快速經濟發展階段，人類活動面積增大，對生態環境造成了一定的壓力，而在2020—2030年間，根據佛山市碧道建設總體規劃的“三環六帶”以及“耕地紅線”等政策，扭轉了生態環境繼續惡化的進程，從而使得綜合生態系統服務有了整體上的提升。

4 討論

本研究以廣東省佛山市為研究對象，分析了佛山市在歷史和未來的土地利用變化狀況，并評估了其生態系統服務變化特征。研究結果表明2010—2030 年佛山市綜合生態系統服務呈現先下降后上升的趨勢[19]，主要是因為在2010—2020 年間，佛山市的快速城市化進程加快，人類活動和社會發展給研究區生態系統造成了一定的負面影響，隨著社會經濟的進一步發展，建設用地不斷侵占林地、草地、耕地等生態用地，給當地生態系統造成了負面影響。2020—2030 年的綜合生態系統服務整體呈上升趨勢，這與佛山市碧道建設總體規劃的“三環六帶”和“耕地紅線”等政策 相契合。因此，未來應增強對耕地、林地、草地等生態系統服務貢獻較高的生態用地保護，提高土地利用度，降低建設用地擴張速度，同時也應該提高區域內土地集約利用水平和生態保護工作。

本研究利用CA-Markov-PLUS 模型預測2030 年土地利用情況時，考慮到相關政策可能會對模擬結果會造成一定影響，為了提高結果精確性，特增加了耕地保護這一約束條件。根據預測得到的2030 年土地利用變化情況進而對2030 年生態系統服務進行預測，卻忽略了降雨、溫度等自然因素對生態系統服務的影響，在預測未來生態系統服務時可能會存在一定的差異，但估算結果仍能反映出生態系統服務的大體趨墊，對研究區未來國十空間規劃以及生態保護具有一定的參考價值。

5 結論

本文通過耦合InVEST 模型及CA-Markov-PLUS 模型預測并探討了佛山市現在和未來土地利用和生態系統服務的時空演變特征，主要結論如下：

（1）在2010—2020 年間，佛山市耕地、林地面積減少，向建設用地轉換以禪城區以及南海區為主要增長區。在2020—2030 年間，耕地、水域等生態用地面積增加，建設用地擴張速度降低，林地面積繼續減少，多轉化為耕地和水域。

（2）對比佛山市2010 年與2020 年的生態系統服務指數，生境質量、碳儲存量、土壤保持以及產水服務均有不同程度的下降，以土壤保持量下降程度最為嚴重；從空間上，以禪城區和南海區下降程度最大，三水區北部和順德區次之。相較于2020 年，2030 年的生境質量指數值降低速度放緩，三水區北部和高明區東部低值區面積增加；碳儲存能力減弱，可能是建設用地增加，碳排放量增加所致；土壤保持值基本不變；佛山市單位平均產水量平均值上升了0.00273 m3/（hm2·a）， 可能是2030 年佛山市徑流面積增加。

（3）2010—2030 年佛山市的綜合生態系統服務經歷了先降低后升高 的過程，主要是因為在2010—2020 年間，佛山市在經濟快速發展階段，土地利用強度較為活躍，使得佛山市生態系統服務降低，而在2020—2030 年間，根據佛山市碧道建設總體規劃的“三環六帶”以及“耕地紅線”等政策，扭轉了生態環境繼續惡化的進程，從而使得綜合生態系統服務有了整體 上的提升。

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