宜都市未来土地利用与生态系统服务的多情景模拟
作者： 何林杰 韦鸿
摘要 ［目的］探索宜都市土地利用与生态系统服务之间的权衡与协同关系，并通过多情景模拟优化这一关系。［方法］采用多目标规划和斑块生成土地利用模拟模型（PLUS），构建自然演变、经济优先和低碳发展3种未来发展情景，并运用InVEST模型评估2030年不同情景下宜都市的土地利用结构、空间布局和生态系统服务价值。［结果］低碳发展情景下宜都市的土地利用结构最为合理，空间布局最集约，生态系统服务价值最高。相较于其他情景，低碳发展情景在土地利用与生态系统服务的协调性和可持续性方面表现更佳。［结论］低碳发展情景为宜都市提供了最佳的土地利用与生态系统服务协调路径。
关键词 低碳发展；土地利用；生态系统服务；多情景模拟；宜都市
中图分类号 F 301.24 文献标识码 A
文章编号 0517-6611（2024）16-0072-06
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.16.015
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Multi-scenario Simulation of Future Land Use and Ecosystem Services in Yidu City
HE Lin-jie，WEI Hong
（School of Economics and Management，Yangtze University，Jingzhou，Hubei 434023）
Abstract ［Objective］ To explore the trade-off and synergistic relationship between land use and ecosystem services in Yidu City，and optimize this relationship through multi-scenario simulation.［Method］Multi-objective planning and patch generation land use simulation model （PLUS） were used to construct three future development scenarios.The land use structure，spatial layout and ecosystem service value of Yidu City under different scenarios in 2030 were evaluated using InVEST model.［Result］ Under the scenario of low-carbon development，the land use structure of Yidu City was the most reasonable，the spatial layout was the most intensive，and the ecosystem service value was the highest.Compared to other scenarios，the low-carbon development scenario performed better in terms of coordination and sustainability between land use and ecosystem services.［Conclusion］ The low-carbon development scenario provides the best coordination path between land use and ecosystem services in Yidu City.
Key words Low-carbon development;Land use;Ecosystem service;Multi-scenario simulation;Yidu City
作者简介
何林杰（1993—），男，湖北黄冈人，硕士研究生，研究方向：可持续发展。*通信作者，教授，博士，博士生导师，从事产业转移和农村土地问题研究。
收稿日期 2023-09-28
在全球气候变化的背景下，低碳发展已成为国际社会共同追求的目标，这不仅关乎温室气体排放的减少，更涉及生态系统适应能力的增强和经济社会创新发展的推动［1］。土地利用和生态系统服务在这一进程中扮演着至关重要的角色，它们的相互作用直接影响碳排放和碳汇的平衡［2］。在国际研究领域，土地利用与生态系统服务的关系已成为生态学［3］、地理学［4］和土地科学［5］等多个学科的研究热点。学者们从不同角度出发，对土地利用与生态系统服务的概念进行界定［6］，对其分类和评估方法进行探讨，并分析其空间分布和变化特征。同时，权衡与协同关系的研究也逐渐深入［7］。
宜都市作为长江中游的重要城市，其低碳发展的成功与否不仅对该地区的生态安全和经济社会发展具有深远影响，也对整个长江流域乃至国家战略的实施产生重要作用。然而，宜都市在迈向低碳发展的道路上也面临着诸多挑战，如温室气体排放量的控制、能源消耗结构的优化、土地利用压力的缓解、生态系统服务价值的提升等。因此，笔者采用多目标规划方法和PLUS模型，构建自然演变、经济优先和低碳发展3种未来发展情景，并运用InVEST模型对2030年不同情景下宜都市的土地利用结构和生态系统服务价值进行评估，揭示不同土地利用策略对生态系统服务价值的影响［8］，为宜都市乃至长江中游地区的低碳发展提供理论和实践上的指导。
1 资料与方法
1.1 研究区域概况 宜都市位于湖北省西南部，地处长江中游，东邻宜昌市，西接恩施州，南连湖南省，北靠荆门市，总面积为4 079 km2，人口为140万。宜都市地处亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量充沛，四季分明，年平均气温16.8 ℃，年降水量1 200 mm。宜都市地形以低山丘陵为主，海拔100～1 500 m，平均海拔500 m，山地、丘陵、平原的比例为7∶2∶1（图1）。宜都市拥有丰富的水资源和林资源，水域面积为1 100 km2，森林覆盖率为66.8%，是全国重要的水电基地和林业基地，也是全国重要的生态功能区和生物多样性保护区。宜都市的经济以第二产业和第三产业为主，2019年地区生产总值为755.5亿元，其中第一产业占6.3%，第二产业占45.2%，第三产业占48.5%。宜都市的能源消耗以煤炭和水电为主，2019年能源消耗总量为133.6万t标准煤，其中煤炭占54.8%，水电占40.2%，其他占5.0%。宜都市的温室气体排放以二氧化碳和甲烷为主，2019年温室气体排放总量为112.3万t二氧化碳当量，其中二氧化碳占88.7%，甲烷占10.6%，其他占0.7%。
1.2 研究方法 该研究采用多目标规划和斑块生成土地利用模拟模型（PLUS）2种方法，对宜都市未来的土地利用与生态系统服务进行多情景模拟和评估［9］。多目标规划是一种综合考虑多个目标和约束的优化方法，可以求解出多个目标之间的最优平衡解。斑块生成土地利用模拟模型（PLUS）是一种基于马尔可夫链和元胞自动机的土地利用模拟模型，可以模拟出不同情景下的土地利用空间布局［10］。
1.2.1 确定研究的评价指标和评价方法。该研究选择土地利用结构、空间布局和生态系统服务价值3个方面的评价指标，分别运用土地利用结构指数、土地利用空间指数和生态系统服务价值指数进行评价。土地利用结构指数包括土地利用类型比例、土地利用集中度、土地利用多样性等指标，反映土地利用的类型和数量分布［11］。土地利用空间指数包括土地利用斑块面积、土地利用斑块形状、土地利用斑块分布等指标，反映土地利用的空间形态和格局。生态系统服务价值指数包括水源涵养、水质净化、碳储存和生境质量4个方面的指标，反映生态系统服务的功能和效益。
1.2.2 构建未来发展情景。该研究根据宜都市的低碳发展目标和约束条件，构建了自然演变、经济优先和低碳发展3种未来发展情景［12］。自然演变情景是指不考虑任何政策干预和人为干扰的情况下，土地利用与生态系统服务按照历史趋势自然演变的情景。经济优先情景是指以经济发展为主要目标，以土地利用效率为主要指标，以土地利用结构优化为主要手段的情景。低碳发展情景是指以低碳发展为主要目标，以温室气体排放减少和碳汇增加为主要指标，以土地利用与生态系统服务协调为主要手段的情景。
1.2.3 求解土地利用结构的最优解。该研究运用多目标规划方法，根据不同情景下的目标函数和约束条件，求解出不同情景下2030年宜都市土地利用结构的最优解。目标函数是指不同情景下土地利用结构的优化目标，如土地利用效率的最大化、温室气体排放的最小化、碳汇的最大化等［13］。约束条件是指不同情景下土地利用结构的限制因素，如土地利用总量的不变、土地利用类型的可转换性、土地利用政策的可执行性等［14］。
1.2.4 模拟土地利用空间布局。该研究运用斑块生成土地利用模拟模型（PLUS），根据不同情景下土地利用结构的最优解，模拟出不同情景下2030年宜都市的土地利用空间布局。采用马尔可夫链和元胞自动机的结合方法，利用马尔可夫链确定土地利用类型的转移概率，利用元胞自动机确定土地利用类型的空间分布［15］。该研究还考虑了邻域效应和斑块生成规则，使模拟结果更符合实际情况。
1.2.5 评估生态系统服务价值。该研究运用InVEST模型，根据不同情景下土地利用空间布局，评估出不同情景下2030年宜都市的水源涵养、水质净化、碳储存和生境质量4种生态系统服务价值。InVEST模型是一种基于自然资本的生态系统服务评估模型，可以根据土地利用、气候、水文等数据，计算出生态系统服务的物理量和经济价值［16］。该研究采用InVEST模型中的水源涵养模块、水质净化模块、碳储存模块和生境质量模块，分别评估不同情景下的水源涵养量、水质净化量、碳储存量和生境质量指数。
（1）水源涵养模块是根据土地利用、土壤、降雨等数据，计算出每个网格单元的水源涵养量，即每年可供人类利用的水量。水源涵养量的价值是根据水价或水权交易价格来确定的。水源涵养量的计算公式如下：
Wi=Ri×Ai×（1-Rf）×（1-Ei）（1）
式中：Wi是第i个网格单元的水源涵养量；Ri是第i个网格单元的年平均径流量；Ai是第i个网格单元的面积；Rf是水系的截流系数；Ei是第i个网格单元的蒸发系数。
（2）水质净化模块是根据土地利用、水系、污染物等数据，计算出每个网格单元的水质净化量，即每年减少的污染物的量。水质净化量的价值是根据污染物的处理成本或环境损害费用来确定的。水质净化量的计算公式如下：