基于PLUS—InVEST模型的滁州市土地利用與生境質量時空演變及預測

摘""" 要：探究土地利用及生境質量變化，對促進區域土地資源可持續利用，維護生態安全具有重大意義。以滁州市為研究區，基于2000—2020年土地利用數據，利用PLUS模型、IM模型和InVEST模型分析土地利用及生境質量時空演變，并預測2030年滁州市不同情景下的土地利用和生境質量狀況。結果表明：2000—2020年，滁州市建設用地持續擴張，耕地面積逐漸減少，土地利用強度變化傾向性特征明顯;2030年滁州市生態保護情景下的林草地增長較明顯，建設用地擴張速度減緩，其他3種情景下的生態用地呈減少趨勢，城市藍綠空間萎縮;2000—2020年，滁州市生境質量整體呈下降趨勢，建設用地擴張引發瑯琊區及周邊生境質量顯著下降;2030年滁州市4種情景下的生境質量水平由高到低排序為生態保護情景gt;耕地保護情景gt;自然發展情景gt;經濟發展情景。綜上，本研究可為滁州市生態格局優化及高質量發展提供科學參考。

關鍵詞：土地利用變化;生境質量;PLUS模型;InVEST模型;滁州市

中圖分類號：X826;X171.1"""""""" 文獻標識碼：A"""""""""" DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2024.08.006

Spatio-temporal Evolution and Prediction of Land Use and Habitat Quality in Chuzhou City Based on PlUS-InVEST Model

REN Chaoqun，LIU Pinghui

（School of Earth Sciences， East China University of Technology， Nanchang， Jiangxi 330000， China）

Abstract：Exploring land use patterns and habitat quality under different scenarios is of great significance to promote the sustainable use of regional land resources and maintain ecological security. Based on the land use data of Chuzhou City from 2000 to 2020， the PLUS model， IM model and InVEST model were used to analyze the spatial-temporal evolution characteristics of land use change and habitat quality and to simulate the land use pattern and habitat quality of Chuzhou City under different scenarios in 2030. The results showed that from 2000 to 2020， the construction land of Chuzhou City continued to expand， the cultivated land area gradually decreased， and the change tendency of land use intensity was obvious. In 2030， under the ecological protection scenario of Chuzhou City， forest and grassland land increased significantly， and the expansion rate of construction land slowed down. In the other three scenarios， ecological land use decreased， and the urban blue-green spaces shrank.From 2000 to 2020， the overall habitat quality of Chuzhou City showed a downward trend， and the expansion of construction land led to a significant decline in habitat quality in Langya District and its surrounding areas. In 2030， the habitat quality of Chuzhou City was ranked from high to low in four scenariosecological protection scenariogt;cultivated land protection scenariogt;natural development scenariogt;economic development scenario. The results can provide scientific references for the optimization of ecological patterns and the high-quality development in Chuzhou City.

Key words： land use change; habitat quality; PLUS model; InVEST model; Chuzhou City

天津農業科學" Tianjin Agricultural Sciences

2024，30（8）：39-47

收稿日期：2024-07-03

作者簡介：任超群（1997—），女，安徽滁州人，在讀碩士生，主要從事土地資源管理研究。

通訊作者簡介：劉平輝（1969—），男，江西撫州人，教授，博士，主要從事土地資源管理研究。

土地利用變化是連接自然與人類社會的重要紐帶，也可以直接反映人類活動在地表環境上的轉化過程[1]。生境質量是指生態系統在特定時空條件下，提供給物種生存和可持續發展的能力[2]，在一定程度上反映區域生物多樣性狀況，是衡量生態環境的重要指標。然而，隨著社會經濟的快速發展和人類活動強度的提高，建設用地擴張不斷，土地利用結構和功能發生巨大改變[3-4]，區域生境質量下降，生境斑塊破碎化現象日益凸顯[5]。因此，深入分析區域土地利用變化及生境質量時空演變，能夠為生態文明建設提供科學借鑒。

LUCC研究中，模擬并預測未來LUCC演變過程成為普遍研究方法。在CA模型的基礎上，研究人員開發出FLUS、CLUS-S、PLUS等模型[6-7]。PLUS模型能夠有效模擬多地類綜合演變，被廣泛應用于國內外研究。周侗等[8]基于PLUS模型分析不同情景下的南京市土地利用的時空動態變化，比較不同情景下的生態風險等級占比和土地類型的空間分布。徐海斌等[9]利用PLUS模型模擬各類用地未來空間布局，劃分各類用地彈性空間。目前，常見的生境質量評價研究方法主要有RSEI、HIS、SoLVES、InVEST等模型[10-11]，而InVEST模型具有操作簡便、數據易獲取的優勢。國內研究多集中在城市群、流域、市域等尺度。常玉旸等[12]基于InVEST模型和Fragstats軟件評估京津冀地區景觀格局和生境質量演變特征。楊伶等[13]基于InVEST模型模擬2030年洞庭湖流域不同情景下的生境質量格局。蘇敬等[14]利用InVEST模型評估1985—2020年忻州市生境質量并分析其地形梯度效應。

PLUS模型和InVEST模型在預測土地利用和評估生境質量等方面各有優勢并得到了廣泛運用。鑒于此，耦合2種模型并深入探究未來城市土地利用變化和生境質量演變特征，可為制定區域生物多樣性保護和土地開發政策提供了重要的理論支撐。

近年來，滁州市憑借南京都市圈和合肥都市圈的地緣優勢，工業化、城鎮化進程加快，土地利用格局發生改變，經濟社會發展與生態環境之間矛盾突出。因此，利用相關軟件定量探究滁州市生境質量具有重要的現實意義。本文基于滁州市2000年、2010年、2020年3期土地利用數據，運用InVEST模型定量評估研究區生境質量時空演變特征，借助PLUS模型預測2030年滁州市不同發展情景下的土地利用格局并分析生境質量，對未來滁州市管理生態環境質量，實現可持續發展目標具有借鑒意義。

1 研究區域概況與數據來源

1.1 研究區域概況

滁州市（31°51'～33°13'N，117°09'～119°13'E）位于安徽省東部，是長三角一體化發展核心城市之一。滁州屬亞熱帶濕潤季風氣候，雨熱同期。地勢西高東低，地貌以丘陵、平原為主。土地利用類型總體上以耕地、林地為主，建設用地總量不斷擴張。截至2023年底，滁州市地區實現生產總值3 782.01億元，常住人口405萬人。隨著人口增長和城鎮化水平提高，滁州市土地利用與覆被發生變化，生物多樣性減少，威脅到區域的可持續發展。

1.2 數據來源

本文所用數據包括土地利用數據[15]和PLUS模型驅動因子數據[16]，數據來源見表1。所有柵格數據精度統一為30 m×30 m，坐標統一為WGS_1984_UTM_Zone_50N。

2 研究方法

2.1" PLUS模型

2.1.1 模型介紹 PLUS模型是基于柵格數據預測未來土地利用空間格局的模型[6]。該模型通過挖掘各類土地利用變化的誘因，利用隨機森林算法提取土地擴張部分，計算各地類發展的可能性，分析土地利用變化綜合概率，實現對土地利用模式的優化[17]。PLUS模型具有模擬精度高、數據處理速度快的優點。

LEAS模塊采用隨機森林算法對空間數據進行隨機抽樣，探索土地利用類型擴張的驅動因素，獲得各地類發展概率[17]。CARS模塊負責區域內各地類的發展演變趨勢模擬，聯合土地利用轉換規則、領域權重和各地類未來需求像元數等模擬不同斑塊的生長和轉換過程。模型運行各參數設置參照陳竹安等[18]研究和滁州市實際情況。公式如下[17]：

Pi， k" （X） =（1）

式中，Pi， k" （X） 為空間單元i處輸出的地類k的增長概率;X表示多個驅動力因素組成的向量;函數I為決策樹集成的指數函數;函數hn（X）為預測的土地利用類型;M為決策樹的總數;d取值1或0。若d=1，表示存在其他地類可以轉為地類k;若d=0，則表示其他地類可以向地類k以外的地類轉移。

（2）

式中，Dk t 表t時地類k的慣性系數;Gk t -1和Gk t -2分別表示t-1時和t-2時土地需求和實際數量的差值。

2.1.2 精度驗證 本文以2000—2010年土地利用數據為基礎，預測2020年土地利用空間分布，并與2020年實際數據進行空間疊加分析。結果顯示，Kappa系數為0.85，FOM值為0.23。Kappa系數大于0.8，表明模擬精度較高[13]，PLUS模型對滁州市土地利用變化模擬效果較好。

2.1.3 多情景設置 根據滁州市保護與發展的需求，結合已有研究經驗[7]，參考歷史滁州市土地利用轉移變化規律和《滁州市國土空間總體規劃（2021—2035年）》，本文設定自然發展、耕地保護、生態保護和經濟發展4種情景。

自然發展情景：2030年土地需求基于2010—2020年演化趨勢利用Markov chain模塊預測確定，將水域設為限制轉化區。

耕地保護情景：在自然發展情景基礎上，通過限制像元數降低轉移概率限制。建設用地向耕地轉移的概率增加50%，耕地向建設用地轉移的概率減少50%。

生態保護情景：建設用地轉為林地的概率增加50%，林地向建設用地轉移的概率減少50%，草地和水域等生態用地轉為建設用地的概率均減少20%。

經濟發展情景：耕地、草地、林地轉為建設用地的概率均增加20%，建設用地向其他地類轉移的概率減少20%。

2.2 IM模型

IM模型是由中國地質大學（武漢）李帥呈在深入研究土地利用轉移的基礎上[19]提出的強度分析框架。該模型依據絕對數量和相對比例2個維度，通過構建土地利用變化強度圖譜直觀地展示地類間的轉換特征，從而對LUCC的轉移趨勢展開深入探究。相較于單一的土地利用分析方法，IM模型能夠更深層次地挖掘土地利用類型演變趨勢和轉移規律[20]，分析該趨勢對土地利用/覆被結構產生的影響，為土地利用管理提供了有效的科學依據。

2.3 InVEST模型

InVEST模型中，生境質量模塊被廣泛應用于評估生境質量和人類活動對生態環境的影響。該模型基于威脅因子權重、影響距離、土地利用類型對威脅因子的敏感度計算研究區的生境質量，具有良好的適用性和易操作性[21]。生境質量取值范圍為0～1。值越接近1，表明生境質量越好;值越接近0，表明生境質量越差。計算公式如下[22-23]：

Qik=Hk1-

（3）

式中，Hk為生境適宜度;Dik為生境退化度;K為半飽和參數，軟件默認取值0.5;Z為常量，一般取值為2.5;Qik為生境質量指數，取值范圍0～1。值越大，表明生境質量越好。

通過參考現有研究成果[24-25]，結合研究區實際情況，本研究將耕地、建設用地和未利用地作為威脅因子，設置InVEST模型相關參數（表2、表3）。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化

3.1.1 土地利用結構 2000—2020年，滁州市土地利用類型以耕地和林地為主（表4）。區內耕地分布范圍連續且廣泛。林地主要分布在江淮分水嶺地區，水域主要集中分布在天長市和明光市地區。

建設用地主要分布在東部中心城市及城鎮地區和西北部平原地區。草地和未利用地面積較少，不足總面積的2%，呈零星斑狀分布（圖1）。

圖2顯示不同土地利用類型在20年間的動態轉換關系。2000—2010年，滁州市林地面積變化最大，減少9 354.87 hm2，主要轉為耕地和建設用地。此階段人口增長，糧食需求量增加，人造地表擴張。2010—2020年，滁州市建設用地擴張幅度最大，增加50 411.25 hm2，大量耕地、林地轉為建設用地。隨著退耕還林（草）和長江防護林工程的實施，林地面積的變化幅度呈下降趨勢。此階段城市化進程加快，對住宅用地和工業用地需求增加，城市基礎設施建設不斷完善，侵占農業和生態空間。總體而言，20年間滁州市耕地面積呈減少趨勢，建設用地以瑯琊區為中心面積逐步擴大，生態土地覆蓋流失嚴重，耕地、林地和建設用地之間相互轉換劇烈。

3.1.2 土地利用強度 由圖3可知，耕地和林地向建設用地轉化、林地向耕地轉化呈現出系統傾向性的轉換特征;耕地向林地轉化、建設用地向水域轉化呈現出絕對傾向性特征;未利用地向建設用地、林地轉化等呈現出相對傾向性特征;草地、水域向建設用地轉化等呈現出系統抑制性特征。

強度圖譜體現土地利用類型的區域共性規律，有助于判斷各地類之間的轉換趨勢[19]。2000—2020年，滁州市地類轉入面積較多的有建設用地、耕地、林地，這與強度圖譜中的傾向性特征一致。這進一步說明了其他地類更傾向于轉入這3種地類，符合中國土地系統變化的一般性規律。

3.2 土地利用預測

在自然發展情景下，相較于2020年，2030年滁州市建設用地面積變化幅度較大，增加38 056.41 hm2;耕地和林地面積呈減少趨勢，林地、耕地面積分別減少16 066.26、23 869.08 hm2。在耕地保護情景下，耕地擴張顯著，增加28 884.96 hm2;林地和建設用地面積減少明顯，分別減少15 737.76、5 463.00 hm2。在生態保護情景下，建設用地擴張幅度較小;林地和草地面積分別增加3 335.31、1 147.50 hm2。在經濟發展情景下，建設用地較自然發展情景進一步擴張，耕地和林地規模大幅減小，面積分別減少30 967.20、17 626.05 hm2（表5、圖4）。

總體而言，在自然發展情景下，各土地利用類型主要流向建設用地，生態面積減少。在耕地保護情景下，實現了耕地的有效保護，但較少考慮經濟發展的實際情況，參考性較低。在生態保護情景下，受生態保護修復政策的影響，具有高生態效益的林地和草地得到有效保護，建設用地規模增長幅度較小，對滁州市土地利用變化有較強的指導作用。在經濟發展情景下，耕地和林地規模縮小，建設用地快速擴張，嚴重威脅滁州市耕地保護和生態建設。

3.3 生境質量變化

為了呈現生境質量在不同年份的演變過程，本文基于“自然斷點法”將生境質量結果依次劃分0～0.3、0.3～0.6、0.6～0.8、0.8～1，分別對應差、中、良、優4個等級[25]，得出各時期滁州市不同等級的生境質量面積占比（表6）。滁州市2000年、2010年、2020年生境質量均值分別為0.366 8、0.365 3、0.354 7，具有潛在的生境退化風險。

從時間尺度上看，2000年以來，滁州市生境質量呈逐年下降趨勢，各等級生境質量面積變化顯著。2000—2020年，中等級生境質量面積占比最大，但呈現逐年下降趨勢，面積減少48 535.38 hm2;良和優等級生境質量面積較2000年分別減少1 044.36、1 065.69 hm2;差等級生境質量區域分布范圍擴張，面積增加50 645.43 hm2。

從空間尺度上看，滁州市生境質量空間差異顯著，沿江淮嶺脊線和西北部呈高分布格局，其余區域呈低分布格局（圖5）。生境質量為優等的區域主要集中于中部林地，植被覆蓋度較高且受人類活動影響較小。中和良等級生境質量區域主要位于中部和西北部，集中在鳳陽縣、南譙區、來安縣西北部等地，該區域土地類型主要為林地、草地和水域。差等級生境質量區域主要位于東南部和西南部地區，集中于天長市、定遠縣、瑯琊區等地，該區域以耕地與建設用地為主，地勢平緩，人類活動密集。滁州市在南京經濟區的輻射帶動下，城鎮化和工業化對周邊生境的威脅較為強烈。

結合土地利用及轉移變化可知，2000—2020年，作為生境威脅源的建設用地快速擴張，林地、草地等生態用地面積減少，導致區域生態環境惡化，差等級生境質量面積持續增加。瑯琊區、來安縣、天長市等區域生境質量變差，這與工業園區建設和人造地表擴張有關。耕地向林地、草地轉移區域主要集中在南譙區、明光市，該區域生境質量相對較高。這說明退耕還林等生態保護措施的實施有利于恢復生態土地，提高區域生態服務功能。

3.4 生境質量模擬

本研究基于PLUS模型獲得的2030年滁州市多情景土地利用預測結果，提取各情景下的威脅因子數據導入InVEST模型（圖6）。自然發展情景、耕地保護情景、生態保護情景和經濟發展情景下的生境質量均值分別為0.344 0、0.351 5、0.354 9、0.338 3。與2020年相比，2030年滁州市不同情景下的各等級生境質量面積存在差異（表7）。

在自然發展情景下，中等級生境質量面積減少45 830.16 hm2;差等級生境質量區域擴張，面積增加39 654.72 hm2，主要集中在瑯琊區、鳳陽縣西部;良和優等級生境質量面積無明顯變化。綜合來看，在自然發展情景下，滁州市生境質量進一步下降，生態環境脆弱。

在耕地保護情景下，中和優等級生境質量面積分別減少7 894.17、2 991.78 hm2，主要集中在江淮分水嶺地區;差等級生境質量面積增加10 847.07 hm2;良等級生境質量面積變化不明顯。與自然發展情景相比，耕地保護情景下的生境質量有所提升。

在生態保護情景下，差等級生境質量面積減少7 420.32 hm2;中等級生境質量面積增加11 067.75 hm2，主要集中在江淮分水嶺地區和天長市東部;良和優等級生境質量面積減少幅度較小。滁州市生境質量指數提高，草地和林地面積增多，區域景觀連通性提高，生境破碎化程度降低。

在經濟發展情景下，優等級生境質量面積減少3 873.06 hm2;差等級生境質量面積增加53 756.64 hm2，主要集中在瑯琊區和來安縣南部;中和良等級生境質量面積均減少。滁州市建設用地的擴張影響城市總體生境質量。

通過多情景預測和生境質量對比分析發現，在生態保護情景下，生境質量得到較大程度的恢復和改善。原因主要是建設用地面積縮減、林地等生態用地面積增多。因此，在滁州市土地利用發展過程中，應將空間規劃與生境質量相結合，發展經濟的同時，加大生態保護的力度，構建城市綠色發展空間，加強對土地資源的合理利用。

4 討論與結論

4.1 討論

結合土地利用和生境質量變化情況看，生境質量空間格局演變與土地利用變化基本一致。2000—2020年，滁州市生境質量存在退化趨勢，這與滁州市城市建設用地急劇擴張導致生態系統不穩定有關。在所有土地利用類型中，建設用地擴張對生境質量的影響最為明顯。江淮嶺脊線地區植被覆蓋度較高，并且近年來該地區積極開展生態保護，總體生境質量較高。滁州市東南部等平原地區，人口眾多，耕地面積廣闊，生境質量相對較差。

不同的發展情景會直接影響區域土地利用變化而土地利用變化是導致區域生境質量變化的重要因素。在自然發展情景、經濟發展情景和耕地保護情景下，滁州市未來生境質量不容樂觀。只有在生態保護情景下，區域生境質量才能得到有效恢復。因此，應當協調和穩定好生態用地平衡問題，降低建設用地擴張和農田開墾對生態廊道的破壞，實現生態安全格局優化，引導土地可持續發展。

本研究仍然存在不足，如涉及宏觀政策性的要素因種種原因未能加入模型、各情景下的像元需求數預測精度存在誤差等，未來將進一步優化。

4.2 結論

（1）滁州市土地利用類型以耕地為主，2000—2020年，建設用地大幅增長，建設用地增長主要由耕地、林地轉入。受人類開發活動的影響，耕地流出面積較多。耕地、林地和建設用地之間轉化較為明顯，土地利用強度變化傾向性特征明顯。

（2）2030年滁州市生態保護情景下的林草地面積增長較為明顯，建設用地擴張速度減緩;在自然發展情景和經濟發展情景下，建設用地增幅較大，城市藍綠空間萎縮;在耕地保護情景下，耕地面積明顯提升，林草地面積下降。

（3）2000—2020年，滁州市生境質量呈下降趨勢，高生境質量區域主要集中在江淮嶺脊線和西部林地。建設用地侵占耕地，生態用地急劇減少，引發瑯琊區及周邊生境質量的顯著下降。

（4）對比分析2030年滁州市4種情景下的生境質量可知，僅在生態保護情景下，差等級生境質量面積減少，生境質量整體呈改善趨勢，生態環境得到改善;在其他3種情景下，生境質量均呈現輕微下降趨勢。因此，滁州市政府需進一步管制生態用地用途，優化生態補償機制，控制建設用地，避免盲目擴張，保護生態用地完整性，提高滁州市整體生境質量。

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