面向可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的江蘇土地利用模型構(gòu)建與情景預(yù)測(cè)

馬尚靖,胡 雪,趙子竣,曹 敏,顧秋實(shí),陳 旻

(1.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023;2.江蘇銀行股份有限公司，江蘇 南京 210001;3.自然資源部城市國(guó)土資源與仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518034；4.東南大學(xué) 人文學(xué)院，江蘇 南京 211189)

0 引 言

可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(Sustainable Development Goals，SDGs)由聯(lián)合國(guó)各個(gè)成員國(guó)在峰會(huì)中提出，包含17個(gè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)和169個(gè)具體目標(biāo)，涵蓋了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境3個(gè)方面[1]，為全球各個(gè)國(guó)家在2015-2030年間經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步、環(huán)境保護(hù)3個(gè)方面的可持續(xù)發(fā)展工作提供指導(dǎo)。聯(lián)合國(guó)SDGs發(fā)布之后，還鮮有研究分析可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)體系在土地利用方面帶來(lái)的影響[2]，土地資源作為自然資源的一部分，土地資源的可持續(xù)利用與SDGs目標(biāo)一致，是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境全方面可持續(xù)發(fā)展的重要一環(huán)。

目前，對(duì)SDGs開(kāi)展的定性研究主要以土地資源保護(hù)[2]，可持續(xù)城市[3]，環(huán)境生態(tài)維持[4]等不同方面為切入點(diǎn)；定量研究一般結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)等多源大數(shù)據(jù)，探討SDGs指標(biāo)體系構(gòu)建的方法和過(guò)程，對(duì)不同城市進(jìn)行評(píng)估[5]。鮮有研究探討在SDGs約束下的未來(lái)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r，另外針對(duì)土地利用需求預(yù)測(cè)，一些學(xué)者考慮人口、經(jīng)濟(jì)等因素應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)了城市尺度乃至國(guó)家區(qū)域尺度的土地利用需求，但沒(méi)有考慮到可持續(xù)發(fā)展因素[6]。因此本文以江蘇省為研究案例，構(gòu)建面向SDGs的土地利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，依據(jù)聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展報(bào)告構(gòu)建指標(biāo)指數(shù)和指示板，進(jìn)行情景設(shè)置，探討多情景下江蘇省未來(lái)土地利用變化情況，可供土地利用變化模擬提供支撐，對(duì)SDGs目標(biāo)下土地可持續(xù)利用問(wèn)題研究意義重大。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來(lái)源

本文研究區(qū)域如圖1所示，收集了江蘇省SDGs相關(guān)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍為2001—2015年，數(shù)據(jù)來(lái)源為EPS數(shù)據(jù)平臺(tái)和國(guó)家統(tǒng)計(jì)局官方網(wǎng)站。

圖1 研究區(qū)域

2 面向SDGs的土地利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

2.1 模型子系統(tǒng)及指標(biāo)確定

本文結(jié)合SDGs指標(biāo)，以江蘇省為空間系統(tǒng)邊界，構(gòu)建土地利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，模型的系統(tǒng)邊界為2001—2030年，時(shí)間步長(zhǎng)1年，模型訓(xùn)練年份為2001—2015年，預(yù)測(cè)年份為2021—2030年。本文構(gòu)建的面向SDGs的土地利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型不僅包含人口、經(jīng)濟(jì)等方面的變量，還結(jié)合聯(lián)合國(guó)提出的SDGs指標(biāo)與美麗中國(guó)指標(biāo)體系，選定一系列指標(biāo)，共同作用于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。本文將土地利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型分為人口子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、社會(huì)生態(tài)子系統(tǒng)和土地利用子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)的因果回路如圖2所示。

圖2 模型子系統(tǒng)因果關(guān)系圖

2.2 模型構(gòu)建及精度檢驗(yàn)

通過(guò)人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生態(tài)和土地利用各個(gè)子系統(tǒng)之間的因果關(guān)系分析和具體指標(biāo)變量的確定，建立江蘇省系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。使用Vensim軟件繪制的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)流如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)流圖

在模型模擬的過(guò)程中，需要對(duì)模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)，以便于更好地模擬土地利用變化，得到更精確的結(jié)果。使用相對(duì)誤差對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，相對(duì)誤差由公式(1)計(jì)算得到。

δ=|L-L*|/L×100%

(1)

式中，δ為相對(duì)誤差，能反映出模擬值的可信程度；L為真實(shí)值；L*為與L對(duì)應(yīng)的模擬值。

對(duì)江蘇省系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行精度驗(yàn)證，計(jì)算2001—2015年各地類與真實(shí)面積值的平均相對(duì)誤差，結(jié)果如表1所示。由表可見(jiàn)，每種地類的平均相對(duì)誤差均小于2%，說(shuō)明模擬結(jié)果能較好地?cái)M合真實(shí)的地類變化。

表1 模型結(jié)果及精度評(píng)價(jià)(單位：%)

靈敏度檢驗(yàn)主要目的是檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果對(duì)于參數(shù)變化的敏感程度，確保模型結(jié)果不會(huì)過(guò)分依賴某個(gè)參數(shù)的變化[7]。靈敏度檢驗(yàn)公式如下：

(2)

(3)

式中，SQ為地類Q對(duì)變量X的敏感度，S為變量X的平均靈敏度；Q(t)、X(t)為t時(shí)刻的用地類型與變量取值；ΔQ(t)、ΔX(t)為地類和變量t時(shí)刻的變化量；n為地類數(shù)，SQi為某地類的靈敏度。

選取下文情景設(shè)置涉及的6個(gè)情景變量進(jìn)行靈敏度檢驗(yàn)，驗(yàn)證各地類對(duì)情景變量的靈敏度，結(jié)果如表2所示。各變量的靈敏度均低于2%，可以進(jìn)行后續(xù)的情景模擬。

表2 模型靈敏度(單位：%)

3 面向SDGs的土地利用面積多情景預(yù)測(cè)

3.1 情景設(shè)置

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)變量的取值變化來(lái)模擬不同情景下系統(tǒng)的變化情況。本文參考聯(lián)合國(guó)提出的SDGs指標(biāo)體系，選取GDP增長(zhǎng)率、空氣質(zhì)量因子、污染治理因子、基礎(chǔ)設(shè)施因子、醫(yī)療因子和教育因子6個(gè)指標(biāo)，通過(guò)每個(gè)指標(biāo)不同取值的組合，設(shè)置基準(zhǔn)情景、經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景、環(huán)境保護(hù)情景和社會(huì)進(jìn)步情景4種情景。依據(jù)《SDR 2020》報(bào)告中關(guān)于指標(biāo)指示板的說(shuō)明，構(gòu)建本文指標(biāo)的指數(shù)和指示板，將每個(gè)指標(biāo)的可持續(xù)程度依次分為：綠色、黃色、橙色和紅色不同等級(jí)。結(jié)合當(dāng)前可持續(xù)程度，得到情景設(shè)置如表3所示，綠色、黃色、橙色和紅色的具體取值，即各個(gè)指標(biāo)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，將由從指標(biāo)當(dāng)前年份的值線性發(fā)展至2030年達(dá)到各自等級(jí)最低值的斜率決定，由綠色到黃色、橙色和紅色表示當(dāng)前指標(biāo)的可持續(xù)程度逐漸降低，綠色表示該指標(biāo)的可持續(xù)發(fā)展程度為優(yōu)，紅色表示可持續(xù)程度最低，常規(guī)表示該指標(biāo)維持當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。

表3 情景參數(shù)設(shè)置

3.2 預(yù)測(cè)結(jié)果

在模型情景設(shè)置的基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中輸入不同情景下表函數(shù)、常量及各個(gè)一級(jí)指標(biāo)的取值，將模型預(yù)測(cè)初始年份設(shè)置為2016年，終止年份為2030年，得到江蘇省各個(gè)地類多情景下的預(yù)測(cè)結(jié)果，比較2030年不同情景下各地類占比情況如圖4所示。在不同發(fā)展情景下，每個(gè)用地類型的土地利用變化趨勢(shì)都與當(dāng)前該地類的變化情況相吻合，呈現(xiàn)出平穩(wěn)變化的特征。由于滾動(dòng)預(yù)測(cè)，不同情景下各指標(biāo)對(duì)土地利用變化的影響逐年累加，各個(gè)地類不同情景下土地利用變化的差異隨時(shí)間變化而加大。

在環(huán)境保護(hù)情景下，空氣質(zhì)量因子和污染治理因子的各個(gè)二級(jí)指標(biāo)均設(shè)置為到2030年至少達(dá)到可持續(xù)綠色等級(jí)。由圖4可知，在實(shí)現(xiàn)區(qū)域綠色發(fā)展的情景下，耕地、林地和草地面積在4種情景中減少量最小，城市用地增加量小于其他3種情景，空氣質(zhì)量和耕地等資源得到保護(hù)，一定程度上抑制了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景與社會(huì)進(jìn)步情景中，城市用地增長(zhǎng)率較高，其他用地類型面積下降率較高，這兩種情景均有較快的GDP增長(zhǎng)率，城鎮(zhèn)化進(jìn)程逐步加快。

圖4 2030年各情景預(yù)測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在SDGs本土化研究的基礎(chǔ)上，選取合適指標(biāo)，構(gòu)建面向SDGs的土地利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)置不同情景，預(yù)測(cè)不同情景下各個(gè)地類的數(shù)量需求及變化趨勢(shì)，得到如下結(jié)論：

(1)未來(lái)所有情景下江蘇省各個(gè)地類面積均呈現(xiàn)出平穩(wěn)變化的特征，然而隨時(shí)間累積增長(zhǎng)率變大，情景對(duì)土地利用變化程度的影響逐漸加深。

(2)4種情景下的土地利用變化中，環(huán)境保護(hù)情景的城市用地增加量最少，SDGs所倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展理念使耕地等資源得到保護(hù)，也在一定程度上抑制了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程。

(3)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步情景下，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，基礎(chǔ)設(shè)施及教育、醫(yī)療方面的SDGs指標(biāo)可持續(xù)發(fā)展程度較高，城市用地增長(zhǎng)較快，城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速，經(jīng)濟(jì)社會(huì)水平均得到迅速發(fā)展。