海南岛土地利用及产水量时空变化模拟

　　摘要:以海南岛为例，采用InVEST模型的产水模块研究其1995—2015年的产水量时空变化。同时，基于FLUS模型利用1995与2015年两期的土地利用数据及自然、交通和社会因子模拟2035年海南岛不同情景的土地利用变化及其对产水功能的影响。结果表明：1995—2015年间，海南岛城镇化加剧导致建设用地增加，增加的建设用地主要来源于林地和耕地的转换。近20年间海南岛产水量处于增长状态，产水深度总体呈现出东北部高，西南部低的空间分布格局。2035年自然发展情景下海南岛仍延续快速城镇化的发展速度，建设用地将增加36.7%，由此导致海南岛产水量较2015年增长0.67%;生态空间保护模拟的产水量增长率为-0.21%,显著小于自然发展情景，说明实施生态保护措施可以很好地抑制产水量的增加，能够降低洪涝风险，保障海岛生态系统功能。

　　关键词：土地利用;产水量;InVEST模型;FLUS模型;海南岛

　　土地利用变化对生态系统功能影响具有空间差异性，以生态系统碳循环为例，土地利用在热带和中高纬度地区分别导致的是碳释放和碳汇两种截然不同的变化[1]。热带地区土地利用导致反照率、蒸散发效率和地表粗糙率等变化的综合效应引起温度升高，从而对区域气候产生影响，进而影响生态系统功能[2]。生态系统产水服务是生态系统重要功能之一，科学评估热带区域土地利用/覆被变化对生态系统产水功能的影响，对热带区域的水资源利用有着重要意义[3]。

　　土地利用论文范例：滇南小流域3种土地利用方式下土壤侵蚀及养分流失特征

　　生态系统服务与权衡交易的综合评估模型[4](TheIntegrateValuationofEcosystemServicesandTradeoffsTools，InVEST),其产水量模块主要基于水量平衡原理，根据土地利用、气候及土壤等要素实现对生态系统产水功能的定量、动态及可视化评估，目前已被学者应用于英国典型流域[5]、伊朗半干旱盆地[6]、横断山脉[7]、太湖流域[8]、三江源[9]、海南岛[10]和大连市[11]等国内外区域的生态系统产水服务的评估研究，均取得较好的模拟效果。

　　土地利用以其类型、格局和强度变化影响着生态系统服务[12]，依据土地利用模拟预测可以定量评估生态系统服务的发展趋势，为未来生态系统的可持续发展提供支撑，这是当前生态与土地学科的交叉研究热点。土地利用预测模型如Theconversionoflanduseanditseffectsatsmallregionextent(CLUE-S)[13]、Landusescenariodynamics(LUSD)[14]和Afuturelandusesimulationmodel(FLUS)[15].等的研究应用已比较成熟。其中，FLUS模型基于元胞自动机及自适应惯性竞争机制，与其他模型相比模拟精度更高，广泛应用于省级生态空间规划[16]，城市边界划定[17]及农牧交错带土地利用优化[18]等方面的研究，但较少用于热带区域土地利用变化模拟对生态系统功能的影响。

　　海南岛是我国典型的热带岛屿，作为一个独立地理单元，随着城镇化进程加快及旅游资源的释放，其生态系统功能受人类活动干扰发生的变化也较为明显。在此过程中发生的大规模土地利用变化显著影响了生态系统功能，而这些变化的趋势对生态系统产水功能的进一步影响也不清楚。为探明人类活动导致的土地利用变化以及趋势对生态系统产水功能的作用，本研究通过分析1995-2015年海南岛土地利用变化趋势，基于InVEST模型的产水模块和空间制图分析探讨近20年海南岛的产水量变化趋势及空间格局，分析各种土地利用类型的产水能力;同时基于FLUS模型进行2035年不同政策下的土地利用变化情景模拟，评估其对岛屿产水功能的影响，有利于海南岛生态保护、土地利用与水资源保护与规划等科学应对。

　　1.研究区概况及数据处理

　　1.1研究区概况

　　海南岛位于我国最南端，地处热带，位置在北纬18°10′N～20°10′N，东经108°37′～111°3′之间，陆域总面积约3.4万km2，整体地形为四周高中间低，地貌结构复杂。受热带季风气候影响，海南岛降雨量比较丰沛，年均降水量1500mm[10]。由于台风频繁及降雨时空分布不均的原因，海南岛极易发生暴雨洪涝灾害，洪涝灾害风险由海南岛中部地区向四周沿海地区逐渐增大，海南岛东部及北部地势平缓，人口密集，是发生洪涝灾害的高风险区。据相关统计，1949—1979年间海南岛共出现洪涝灾害20次,给社会经济带来很大损失[19-20]。

　　截至2019年底，海南省地区生产总值完成5309亿元，比2018增长5.8%。常住人口为944.72万人，城镇化率为59.23%。根据海南自贸港建设的需求，未来常住人口仍将持续增加。2019年5月《国家生态文明试验区(海南)实施方案》提出，为进一步发挥海南省的生态优势，将海南定位于国家生态文明试验区，为推进全国生态文明建设探索新经验。由此可知，研究区既存在自贸港建设对经济增长的要求，也面临着生态文明建设的挑战。

　　1.2数据来源

　　研究数据主要包括用于产水量和未来土地利用变化的模拟所需数据，产水量需要的数据包括土地利用、气象及土壤数据等;未来土地利用变化模拟则利用自然、交通区位以及社会经济等因素的空间驱动因子数据。

　　1.3数据处理

　　产水量运算需要的数据包括土地利用、降水量、年潜在蒸散量、土壤深度、有效含水量和生物物理参数等。土地利用栅格数据是1995和2015年两期基于LandsatTM/ETM遥感影像分类生成的空间分辨率为1km的数据产品，根据国标(GB/T2010-2007)《土地利用分类现状》和海南岛实际情况将土地利用类型分为耕地、林地、草地、园地、水域、建设用地和未利用地7类。气象数据方面，为提升代表性，分别用1985-1995年和2005-2015年两个时段表示1995与2015两期的气象特征。其中，基于海南岛7个气象站点的日均降雨观测数据，处理得到多年平均降水量，通过反距离加权插值得到1995和2015年两期分辨率为1km的降雨量栅格数据;潜在蒸散量是基于七个气象站点的气温、风速、日照时数和气压等日值数据，采用Penman-Monteith公式[21-22]计算并插值得出分辨率为1km的栅格数据。

　　土壤深度栅格数据基于南京土壤所中国1:100万土壤数据库提取;有效含水率数据根据的是土壤质地中砂粒、粉粒及黏粒的比例，采用土壤有效含水量经验公式计算获取并通过重分类生成的栅格数据，两者分辨率均为1km。生物物理参数表的蒸散系数和植被根系深度分别根据联合国粮农组织作物蒸散系数指南和Canadell等[23]的研究获取得到。FLUS模型除了相应的土地利用数据外，还包括自然、交通及社会经济等驱动因子数据。其中，自然因子包括高程、坡度和到河流距离，它们从根本上影响着土地利用方式。

　　研究采用SRTM30m分辨率的DEM数据，同时基于ArcGIS空间分析的坡度功能生成坡度数据;交通因素对土地利用格局也有较大影响，如城镇会沿着交通道路沿线发展。交通通达性因子包括到一般公路、高速公路、城镇中心的距离，利用ARCGIS欧式距离计算生成。社会经济因素对土地利用格局也有着相当大的影响，本研究将海南各市县的常住人口及地区生产总值数据进行空间格网化获取社会经济因子。

　　2.研究方法

　　2.1InVEST模型的产水量模拟

　　InVEST模型产水量模块主要基于水量平衡的假设估算方法，以某个栅格单元的降雨量减去实际蒸散发量即为产水量。

　　2.2基于FLUS模型的土地利用变化预测

　　FLUS模型主要由基于神经网络适宜性概率计算及基于自适应惯性机制的元胞自动机组成。本研究采用FLUS模型基于1995年与2015年的两期土地利用数据进行模拟，然后基于模拟结果预测2035年不同情景下的海南岛土地利用格局变化。首先，采用随机采样策略提取1995年数据的10%作为训练样本，设置训练隐藏层数为10，通过归一化驱动因子，利用神经网络算法计算得出2015年海南岛土地利用类型适宜性概率图层。

　　同时设定模型的邻域影响因子和转换成本，邻域影响因子用以反映不同用地类型之间以及邻域范围内不同用地单元间的相互作用，转换成本表示当前用地类型转换为需求类型的困难度。邻域影响因子的计算需要设定邻域因子参数，其范围为0～1，数值越大表示该用地类型的扩张能力越强。参考已有研究的经验并考虑热带岛屿的土地利用特征，依次定义各用地类型的扩张能力。建设用地的扩张能力最强，其值为1;林地次之，值为0.8;耕地、园地和草地均设为0.5;水域、未利用地最弱，值为0.1。研究选用3×3的Moore邻域模型计算邻域影响因子。然后基于马尔科夫链模拟得到2015年各类用地的预期需求，计算实际用地之间的差异得到自适应惯性系数。最终基于轮盘选择机制来确定元胞最终转换的土地利用类型，从而实现2015年的土地利用模拟。

　　3.结果分析

　　3.1海南岛土地利用变化分析

　　1995年海南岛土地利用/覆被结构中，林地占比最高50.8%，其次是耕地占比26.1%，第三园地占比14.1%;水域、草地、建设用地及未利用地占比较小，分别为3.4%、3.1%、2.0%和0.5%。2015年，海南岛的耕地、林地、草地及未利用地面积均有不同程度的减少，林地面积占比49.3%，耕地占比25.5%，园地占比15%;水域、草地、建设用地及未利用地占比分别为3.7%，2.9%，3.3%和0.3%。林地减小面积最多，共计493km2，其中52.2%转变成园地，18.8%转变成建设用地，16.7%转变成耕地;其次是耕地，面积减少221km2，其中49%转变成了建设用地，19.8%转变成园地，16.4%转变成林地。建设用地、园地与水域面积增加，建设用地增加最多，较1995年增加440km2，增幅为63.2%，主要由耕地(46.1%)、林地(26.4%)和园地(15.5%)转化而来。

　　其次是园地，面积增加309.9km2，增幅为6.4%，主要分别由林地(74.9%)和耕地(17.9%)转化而来;水域面积增加104km2，增幅为8.9%，主要来自耕地(37.5%)、林地(28.9%)和园地(21.7%)的转化。总体而言，1995-2015年间海南岛处于快速城镇化的过程，建设用地面积的增加主要来源于林地和耕地的转化。

　　4.结论与讨论

　　InVEST模型不仅可以实现模拟结果的空间化表达，还可以进行多情景评估的设置。FLUS模型可结合相关规划、土地或生态等政策影响模拟未来土地利用变化。因此，两者耦合有利于实现基于土地利用模拟的生态系统功能评估及优化，为政策实施提供决策参考工具。海南岛作为典型的热带岛屿,1995-2015年间土地利用变化主要特征是快速的城镇化进程，表现为城镇化对林地和耕地的占用。本文通过InVEST模型从空间上量化评估该进程对海南岛生态系统产水功能的影响，同时耦合FLUS模型模拟不同政策情景下的土地利用变化及其对海南岛生态系统产水功能的影响。通过产水量的模拟结果分析，1995-2015年海南岛的产水量在增加，产水深度空间上形成了东北高-西南低的非均衡分布格局;在各土地利用类型中，建设用地的单位面积产水能力最高，园地次之，水域最低。

　　通过土地利用未来变化模拟结果显示，2035年，自然发展情境下海南岛仍延续快速的城市化趋势，导致产水总量比2015年增长了0.74%;而生态空间保护情景表明，实施生态空间保护政策使得过去二十年间林地剧减的趋势得以减缓，有效抑制区域产水量，这对海南岛的生态功能保护具有重要启示：实施严格的生态红线保护及退耕还林还草等政策，能够提升水源涵养、水土保持能力及碳汇等生态系统功能，降低洪涝风险。因此，一方面要科学管控城市的规模及其发展速度。因为尽管城市建设用地产水量较高，但是降水到达城市不透水面后通过地下管网直接排掉，难以被人类循环利用。另一方面，需要尽量减少对林地的侵占，增加城市绿化面积，保障城市的生态空间，同时发挥水库对降水的拦蓄作用，提高水资源利用率，这对降低暴雨洪涝风险，提升城市抗灾能力有积极作用。

　　本研究对于当前海南自由贸易港以及生态文明示范区的建设面临的未来国土空间布局及生态空间布局建设等方面有着指导意义。本研究不足之处在于情景模拟时未考虑未来气候变化的影响，同时产水量模型中参数设定是通过参考相关文献获取，未实现模型参数的本地化，这对模拟产水量的准确性有一定影响，这些不足在今后研究中有待加强。

　　作者：韩念龙，张亦清，张伟璇