基于FLUS模型的喀斯特地區生態用地時空變化及多情景預測
——以湖南省寧遠縣為例

林 彤, 馮兆華, 吳大放, 楊木壯, 馬佩芳

(1.廣州大學 地理科學與遙感學院, 廣東 廣州 510006; 2.湖南省第二測繪院, 湖南 長沙 410000)

生態用地是以提供環境調節、生物支持等生態系統服務和生態產品為主體功能的土地利用類型[1]，是衡量區域國土生態環境質量優劣的“晴雨表”[2]。隨著工業化、城鎮化和農業現代化同步發展，農業和生態用地空間受到擠壓，國土空間格局矛盾加劇。《全國國土規劃綱要(2016—2030年)》指出，中國資源約束加劇，生態環境壓力加大，耕地土壤環境質量堪憂，生態系統功能不斷退化，部分地區森林破壞、水土流失、濕地萎縮、草原退化等問題突出[3]。隨著生態文明建設戰略地位提升，中國對統籌推進國土開發、利用、保護和整治提出了明確要求，要嚴格水土資源保護，提高自然生態系統功能，構建安全和諧的生態環境保護格局。

國外對于生態用地沒有明確的定義與劃分，通常在對土地系統分類時考慮生態系統功能[4-7]，或將土地利用變化與生態環境安全[8-9]進行綜合分析。中國對生態用地的研究還處于起步階段，主要在生態用地的分類、格局評價、優化模擬和保護利用4個方面進行探討[1]。目前中國對于生態用地的劃分標準還未完全統一[10-11]，爭議焦點是兼具生產生態功能的耕地是否應當劃入生態用地[12-14]。除此之外，還圍繞生態用地時空變化[15]和驅動因素[16]進行探討，近年來還逐漸重視對生態環境效應的影響[17-20]。隨著FLUS模型的提出以及廣泛運用，越來越多研究開始對未來土地利用進行模擬預測[21-23]。近年來也有研究對生態用地進行多情景模擬預測[24-25]，以確定保護生態用地的最佳發展模式。喀斯特地區生態系統較為脆弱，水土流失和石漠化等問題較嚴重，平地少，山地多，在有限可利用土地資源上要解決“吃飯、建設和生態”三者的問題[26]。隨著喀斯特地區城鎮迅速發展，脆弱的生態系統面臨著開發建設帶來的一系列生態環境問題。國內外目前對于喀斯特地區生態用地研究主要集中在時空變化[27-28]、生態環境效應[29]、生態紅線劃定[30]、生態安全格局[31-32]、“雙評價”[33]、驅動力分析等[34-35]方面，少有模擬預測未來時點不同情景下喀斯特地區生態用地變化情況，已有研究多將所有地類進行統一考量[36]，沒有重點關注到生態用地的變化[37-38]，或是未考慮到不同情景下的土地利用模式[39]。如何劃分喀斯特地區的生態用地類型？喀斯特地區生態用地有何特點，呈現何種變化趨勢？何種情景能夠處理喀斯特地區保障發展和保護生態的關系？這些科學問題尚未有答案，亟待解決。基于此，本研究以湖南省寧遠縣為例，在獲取寧遠縣2000，2010和2020年土地利用覆被數據的基礎上，先劃分生態用地類別，然后分析生態用地數量結構時空變化特征，最后用FLUS模型，綜合自然地理因素、社會經濟因素和生態環境因素3大層面共10個影響因素，預測2030年在自然發展情景、生態優先情景和快速發展情景下寧遠縣生態用地空間分布狀況，選出最優發展情景，為寧遠縣或同類地區未來國土空間開發保護、生態空間管控以及區域生態經濟可持續發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

寧遠縣位于湖南省永州市南部，地理坐標為東經110°42′—112°27′，北緯25°11′—26°08′，轄16個鄉鎮(其中少數民族鄉4個)，4個街道辦事處，4個國有林場，土地總面積2 510 km2。截至2020年初，全縣戶籍總戶數26.58萬戶，戶籍總人口89.24萬人。年末全縣常住人口71.43萬人，常住人口中的城鎮人口為33.09萬人，城鎮化率為46.33%。寧遠縣境內喀斯特地貌廣布，森林覆蓋率較高，有得天獨厚的生態環境，是湖南省用材林基地縣之一，具有重要的生態戰略地位。寧遠縣屬中亞熱帶季風濕潤區，氣候溫暖，雨量豐沛，水系發育，素有“天然溫室”之稱。寧遠縣山地面積廣，是典型的喀斯特地區，山丘面積占全縣面積的63%。地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地、平原、水面之比大體為47∶15∶16∶20∶2。2020年，全縣實現地區生產總值2 323 706萬元，同比增長4.1%[40]。

1.2 數據來源

土地利用覆被數據源于GlobeLand30全球公共地理信息平臺(http:∥www.globallandcover.com/)，該平臺是中國研制的30 m空間分辨率全球地表覆蓋數據。GlobeLand30V2010數據的總體精度為83.50%，kappa系數0.78。GlobeLand30V2020數據的總體精度為85.72%，kappa系數為0.82。GlobeLand30數據共包括10個1級類型，分別是：耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪。在獲取中國共53個分幅原始數據的基礎上，基于ArcGIS平臺，經投影變換、拼接、裁剪等處理，得到中國區域地表覆被數據，數據為30 m分辨率，坐標系統為Albers等積投影。然后根據寧遠縣行政邊界矢量數據裁剪出寧遠縣2000，2010年和2020年土地利用覆被數據。

自然地理數據如DEM數據來源于SRTM 90 m數據集。社會經濟數據源于《寧遠縣國民經濟和社會發展統計公報(2000—2020年)》《寧遠縣統計年鑒(2000—2020年)》。

1.3 研究方法

1.3.1 喀斯特地區生態用地劃定 根據龍花樓等[13]對生態用地的概念涵義及分類表，基于研究區土地利用覆被數據特征，對生態用地進行定性的范圍界定和分級分類(表1)，主要劃分出兩大類生態用地，分別是半人工生態用地(耕地)和原生態用地(林地、草地、水域、濕地)，其余為非生態用地(建設用地)。

表1 基于土地利用類型特征的生態用地分級分類

1.3.2 FLUS模型 FLUS模型是一種通過耦合人類活動和自然效應來模擬多類型土地利用情景的集成模型，由劉小平等[41]學者提出。FLUS模型的自適應慣性和競爭機制能夠解決不同土地利用類型之間的競爭和相互作用。FLUS模型中具體運用的數據以及參數如下：

(1) 適宜性概率。根據寧遠縣區域特征，共選取自然地理因素、社會經濟因素和生態環境因素共10個土地利用變化驅動因子(表2)，運用FLUS模型ANN板塊計算土地利用適宜性概率。

(2) 多情景預測。《寧遠縣土地利用總體規劃(2006—2020年)》和《永州市農業產業發展“十三五”規劃》均要求寧遠縣進一步加強規劃統籌引導，落實最嚴格的耕地保護制度和集約節約用地制度，優化生產空間、生活空間、生態空間布局。為探究何種國土空間開發利用模式能夠同時達到規劃目的和保障發展建設，從現實需求出發，模擬預測2030年自然發展情景、生態優先情景和快速發展情景下寧遠縣生態用地的數量結構特征和分布狀況。

表2 寧遠縣土地利用覆被變化影響因素

(3) 鄰域影響權重。鄰域影響權重是指某種土地利用類型的擴張能力，范圍在[0,1]，越接近1表示該土地利用類型的擴張能力越強。該項參數參考前人[24-25]設置，設定耕地0.2，林地0.01，草地0.3，水域0.4，建設用地1。

(4) 成本矩陣設定。成本矩陣中，1代表地類能發生轉換，0代表不能發生轉換，以此構建土地利用轉移成本矩陣，a，b，c，d，e分表代表耕地、林地、草地、水域和建設用地(表3)。

表3 多情景模式下成本矩陣參數設定

2 結果與分析

2.1 喀斯特地區生態用地現狀與變化特點

2.1.1 喀斯特地區生態用地數量結構及空間分布 2000—2020年寧遠縣生態用地數量結構表(表4)顯示，20 a來，半人工生態用地面積減少了1 369.42 hm2，所占比例從28.35%下降至27.80%。原生態用地共減少了730.35 hm2，其中林地面積減少了1 211.28 hm2，所占比例從57.18%下降為56.59%。草地占比先稍有增加后輕微減少，但最終處于增加的狀態，增加了64.05 hm2。濕地面積極少，水域經歷了先減后增的過程。總體而言，寧遠縣2000—2020年生態用地占了絕大多數的面積，到2020年，原生態用地面積所占比例高達70.14%，半人工生態用地所占比例為27.80%，只有2.05%的建設用地。各類生態用地面積所占比例從大到小排序為：林地>耕地>草地>水域>濕地。林地和耕地是寧遠縣的主要土地利用類型，這一土地利用特性使得寧遠縣具有重要的農業生產種植和林業發展地位。

土地利用空間分布圖(圖1)顯示，寧遠縣地勢南北高、中部低，西部高、東部低，耕地主要集中在寧遠縣中部，向南北兩端延伸；生態用地中，林地集中在寧遠縣的北部的五龍山瑤族鄉、南部的九嶷瑤族鄉、西部的中和鎮和棉花坪瑤族鄉；草地分布較為零散，多在寧遠縣的中部和南部。非生態用地建設用地集中連片區處于寧遠縣中部文廟街道、東溪街道、桐山街道和舜陵街道4個街道的交界處，各鄉鎮地勢低平處有零散分布。

圖1 寧遠縣2000，2010和2020年土地利用類型

表4 寧遠縣生態用地數量結構

2.1.2 喀斯特地區生態用地轉移趨勢 寧遠縣生態用地轉移矩陣顯示(表5—6)，2000—2010年，半人工生態用地即耕地主要轉出為水域和建設用地，土地利用動態度為-0.08%，到下一時段動態度為-0.11%，處于緩慢減少的狀態。原生態用地中，林地和草地未轉換成其他用地類型，面積均有輕微增加。濕地全部轉出為林地和水域，水域動態度為-3.45%，面積減少得最快。2010—2020年，耕地持續轉出，面積減少幅度不大。原生態用地中，林地和草地輕微減少，水域面積的上升趨勢極為明顯，動態度為11.14%，處于劇烈增加的狀態。將2000—2020年的土地利用轉移可視化(圖2)，結果表明，耕地、林地和草地這三大生態用地的總體形態沒有較大改變，還是維持在2000年時的分布情況。部分區域有較明顯變化的是各類生態用地之間的轉化，如耕地—林地、耕地—草地、林地—草地等，同時還存在非生態用地和生態用地之間的相互轉換。耕地—林地的區域主要位于高程較高的南部、北部和西部，較明顯的區域為鯉溪鎮、保安鎮、冷水鎮和中和鎮等地。耕地—草地的區域主要位于九嶷瑤族鄉和灣井鎮。

圖2 寧遠縣2000—2020年土地利用轉移格局

表5 寧遠縣2000—2010年生態用地轉移矩陣

2.1.3 喀斯特地區生態用地變化因素 《湖南省國土空間總體規劃(2021—2035年)》中提到，要嚴格生態保護紅線管控，確保生態功能不弱化，面積不減少，性質不改變，為區域生態安全提供有力保障。寧遠縣有大量林場，主要集中分布在地勢較高的南部、北部和西部區域。這些區域林場受到重點管理與保護，不會輕易發生土地利用類型的變化。同時《永州市土地利用總體規劃(2006—2020年)》(下稱《規劃》)[42]指出，寧遠縣在規劃期要新建玉琯湖水庫、金鉤掛水庫和九嶷山調節水庫，還進行了河涌水道整治工程。《規劃》還強調，要完善水資源配置格局，加強河湖生態保護，加快中、小型水庫等重點水源工程建設，開展江(庫)—庫連通、水庫挖潛調度及雨洪資源利用，以形成蓄豐補枯的供水格局。這是2010—2020年寧遠縣水域面積快速增加的原因。耕地面積下降、建設用地面積不斷增加的原因主要是寧遠縣擴建和續建的幾條省國道公路用地侵占了耕地，新建寧遠通用航空機場、文廟旅游區旅游公路、九嶷山舜帝陵景區旅游公路共占用了耕地19.29 hm2；新建的污水處理廠、污水管網、工業園區工業污水集中處理設施也占據了一定的建設規模。在南部灣井鎮和九嶷瑤族鄉交界處的舜帝陵景區，有大量耕地退耕轉換為草地。寧遠縣九嶷瑤族鄉有九嶷山國家森林公園和九嶷山縣級自然保護區，還有舜帝陵景區，為了保護景區自然景觀，退耕還草是必然之舉。由此可知，寧遠縣生態用地極大地受到社會經濟發展需求的牽制。

表6 寧遠縣2010—2020年生態用地轉移矩陣 hm2

2.2 喀斯特地區生態用地多情景模擬結果

2.2.1 FLUS模型精度 將2010年寧遠縣土地利用數據和10個影響因素放入FLUS模型中，得到2020年土地利用適宜性概率和土地利用模擬預測結果。用 2020年真實土地利用覆被數據對2020年模擬結果進行精度檢驗，結果表明kappa系數為0.78，總精度為89.40%，該精度可用于模擬預測2030年土地利用情況。

2.2.2 多情景縱向對比 2030年寧遠縣多情景模擬數量結構顯示(表7)，在2030年自然發展情景、生態優先情景和快速發展情景下，半人工生態用地的占比分別為27.66%，27.66%和27.63%，較2020年分別下降了0.15%，0.15%和0.18%，面積稍有減少。原生態用地的所占比例分別為69.86%，70.18%和69.65%，比例變化為-0.29%，0.03%和-0.50%。原生態用地中，林地在3個情景下的面積分別較2020年減少了732.69 hm2，增加了15.12 hm2和減少了982.35 hm2。草地則分別減少了10.08 hm2，增加了37.35，176.13 hm2。只有在快速發展情景下，水域面積減少了69.03 hm2。非生態用地在3個情景中，較2020年分別增加了1 076.22，297.45，1 669.69 hm2。

表7 寧遠縣2020年與2030年多情景土地利用面積對比

相比2020年，半人工生態用地面積在3個情景中的減幅大致相同。原生態用地的面積在自然發展情景中略有減少，在生態優先情景中能夠保障數量略有增加，在快速發展情景下迅速減少。非生態用地面積在各情景下都有所增加，在快速發展情景下增幅最大。可見，生態優先情景能夠有效基本保持半人工生態用地數量不劇變、保障原生態用地數量不減少、減緩非生態用地快增速的發展態勢。

2.2.3 多情景橫向對比

(1) 自然發展情景(圖3a)。該情景下土地利用變化趨勢視當地自然和社會經濟發展狀況而定，注重土地利用類型的自然轉換，受人為理念和政策的干預最少。自然發展狀態下非生態用地向生態用地進行了一定程度的擴張，是生態用地數量下降的主要原因，也是社會經濟發展和對建設用地需求逐漸增加的必然趨勢。

圖3 寧遠縣2030年多情景模式下土地利用空間分布

(2) 生態優先情景(圖3b)。生態優先情景以保護生態用地數量面積為目標前提，要求控制建設用地的擴張幅度，不對生態用地進行過多侵占。以自然發展情景為基礎情景進行比較，生態優先情景下半人工生態用地面積較其減少了6.48 hm2，原生態用地面積較其增加了785.25 hm2，其中林地、草地、水域的面積變化分別為747.81，47.34和-9.99 hm2。該情景能夠最大程度保證原生態用地數量不減少，尤其保障了寧遠縣林地的數量和分布情況。

(3) 快速發展情景(圖3c)。快速發展情景是以建設用地等生產生活用地擴張為主的發展情景。在該決策下建設用地擴張迅猛，不能有效保護生態用地。以自然發展情景為基礎情景進行比較，原生態用地面積共減少了518.40 hm2，其中林地、草地和水域面積分別減少249.66，166.05，102.69 hm2。建設用地在原有基礎上向周圍的生態用地進行擴張，分布區域主要集中在地勢低平的寧遠縣中部，具體表現為占用中部的耕地、草地、水域和部分林地，尤其是對耕地、草地還有水域的擴張。可見建設用地的快速擴張對半人工生態和原生態用地的侵占極其顯著。

寧遠縣有關規劃計劃資料顯示，寧遠縣土地利用規劃有著極強的生態保護目標導向。寧遠縣人民政府先后頒發了《寧遠縣創建湖南省森林城市實施方案》和《湖南省寧遠縣省級森林城市總體規劃(2018—2027年)》，規劃顯示，寧遠縣是位居國家南嶺生態功能區腹地的人口大縣，近年來緊緊圍繞“生態立縣”戰略，以建設綠色寧遠為主線，大力推進造林綠化，創新造林綠化方式，在2018年寧遠縣成功躋身全國首批生態文明先行示范區、重點生態功能區、生態文明示范工程試點縣，為創建湖南省森林城市打下了堅實的基礎[43]。目前，寧遠縣還在為創建國家級森林城市做準備，劃定了中長期目標，創建國家級森林城市的建設期為2018—2020年、鞏固期為2021—2023年、加強期為2024—2027年。《湖南省國土空間總體規劃(2021—2035年)》“三高四新”戰略更要求各市縣貫徹“高水平保護，高質量發展，高品質生活，高效能治理”理念，落實“生態優先的綠色發展策略”和“安全有效的資源保障策略”。因此，在寧遠縣以創建森林城市為目標導向的前提下，到2030年生態優先情景無疑是最優發展情景，該情景既能滿足生產發展對建設用地的需求，使建設用地處于有序有度擴張的狀態，又能保證林地等生態用地的數量，維持其生態服務功能，銜接落實縣市省各級的規劃計劃，達成寧遠縣森林城市的長期愿景，為建設現代化新湖南夯實生態根基。

3 討論與結論

3.1 討 論

(1) 研究考慮到規劃和政策的影響，經過多次調試參數后，將耕地、林地的鄰域因子數值設置較小，水域的鄰域因子數值設置較大。未來還應深入探究加入耕地質量等級、自然保護區、水土流失程度等驅動因素共同影響下的生態用地變化。

(2) 現有對于喀斯特地區生態用地的分類系統還沒有顯示出較強的喀斯特區域特點，是因為分類多是基于土地利用現狀分類表大類進行的。由于土地利用覆被數據自身特點，對于生態用地二級類沒有再進行更細致的劃分，未來還需細化喀斯特地區生態用地類別。

(3) 研究不足之處是尚未對生態用地的質量進行估算，除數量需求之外，還應當考慮到生態用地的質量空間分布對于規劃與決策的影響。未來將通過計算各地類的生態服務價值、耦合InVEST模型計算生境質量或者構建指標體系等方法，進一步對生態用地質量需求進行模擬。

3.2 結 論

(1) 生態用地變化結果表明，2000—2020年，寧遠縣半人工生態用地面積持續減少；原生態用地中，林地和草地經歷先增加后減少，最終處于相對減少的狀態；水域先減少后增加，最終面積略有提高。生態用地的空間分布基本無較大變化，半人工生態用地和原生態用地之間的轉換較為顯著，如在坡度較高、高程較高的區域，多數耕地轉為了林地或草地。無論任何時點，林地所占比例總是最大，所占比例高達接近57%，分布在寧遠縣的南北部和西部；其次是半人工生態用地，耕地面積占比約為28%。以寧遠縣為例，喀斯特地區“山城融合”的特性突出，土地利用結構呈現出“原生態用地多、非生態用地少”、“林地多、建設用地少”的特點。

(2) 多情景模擬結果顯示，生態優先情景是寧遠縣未來發展的最優情景。該情景對保護生態用地數量起到了極大作用，最大限度限制了建設用地對生態用地的侵占。從社會發展角度看，生態優先情景既能夠處理好保護資源與保障發展之間的關系，解決喀斯特山區“吃飯、生產和建設”的問題，并且符合寧遠縣規劃發展定位。從喀斯特區域生態環境特點來看，植樹造林還能夠有效治理喀斯特地區水土流失和石漠化等問題。