基于PLUS模型的三门峡市土地利用变化及模拟研究

基于PLUS模型的三门峡市土地利用变化及模拟研究

研究土地利用结构变化特征、转移情况及未来趋势，对优化土地资源空间布局，实现区域经济与生态环境协调可持续发展具有重要意义。因此，采用河南省三门峡市2000年、2010年、2020年3期土地利用数据，通过土地利用转移矩阵探究三门峡市2000—2020年土地利用变化，并利用PLUS模型模拟预测4种情景下2030年三门峡市土地利用格局。结果表明，2000—2020年三门峡市土地利用变化总体稳定，优势地类为耕地和林地，耕地面积先增加后减少，总体小幅增加，建设用地面积不断增加，草地面积持续减少，水域和未利用地面积均先减少后增加，总体小幅增加，建设用地和耕地之间转换频繁，耕地始终是建设用地主要转入来源。城镇发展情景下，2030年三门峡市耕地面积大量流失；耕地保护情景下，2030年三门峡市耕地面积有微弱涨幅，建设用地扩张得到抑制；生态保护情景下，2030年三门峡市林地、水域面积明显增长。为实现土地利用可持续发展和生态环境保护，三门峡市未来土地利用规划应关注耕地保护、合理规划建设用地、加强草地恢复和生态保护等方面工作。

随着经济发展和人口增长，城市扩张、农业耕地变动及自然资源开发利用等导致土地利用方式改变，不仅影响生态系统功能结构，还对全球气候、水资源、土壤质量等产生深远影响[1]。因此，开展土地利用变化及模拟研究，有助于理解区域生态经济系统演变规律，对制定可持续发展策略、优化土地资源配置、维护生态平衡具有指导意义[2]。

当前，土地利用分布格局模拟相关研究主要集中于省级地区和省会城市，对普通地级市研究较少。基于此，以河南省三门峡市为研究区，在分析2000—2020年当地土地利用变化特征基础上，引入已广泛用于国内外土地利用变化模拟研究的PLUS模型，对4种发展情景下2030年三门峡市土地利用分布格局进行模拟，以揭示土地利用变化规律，为三门峡市乃至黄河流域可持续发展规划提供科学依据[3-5]。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

三门峡市位于河南省西部，地理位置为东经110°21′～112°01′、北纬33°31′～35°05′。三门峡市下辖两县、两市及两区，土地总面积9 936 km2，地势东北低、西南高，包括平原、山地、丘陵等多种地貌类型，境内河流、沟、溪众多，主要属于黄河和长江两大水系。三门峡市大部分地区属暖温带大陆性季风气候，年平均气温13.5 ℃，年平均降水量550～800 mm。

1.2 数据

1.3 研究方法

1.3.1 PLUS模型

PLUS模型结合基于土地扩张分析规则挖掘方法及基于多类型随机种子机制的CA模型，旨在挖掘土地扩张驱动因素和预测土地利用景观的斑块级演化[6]。

在应用过程中，首先选取14个驱动因子（指标）；接着通过LEAS模块提取各类用地扩张区域，算出各景观类型发展概率；最后用CA模型对未来景观格局进行模拟预测[7]。

此次研究用2000年和2010年三门峡市土地利用数据作为初始输入预测2020年三门峡市土地利用分布格局，用Kappa系数进行对比检验[8]。结果显示，Kappa系数为0.910 275，表明该模型可靠性较高，可用于预测三门峡市未来土地利用格局。

1.3.2 多情景设定

1）自然发展情景。将水源作为限制发展区域，保持原有土地利用类型间转换概率，作为其他情景模拟的基础。

2）城镇发展情景。草地、林地和耕地向建设用地转换概率升高20%，建设用地向除耕地之外其他土地利用类型转换概率降低20%。

3）耕地保护情景。耕地向建设用地转换概率降低60%，林地、草地向耕地转换概率升高30%。

4）生态保护情景。除建设用地外，其他地类均可转为草地和林地，林地、草地和耕地向建设用地转换概率降低30%，耕地和草地向林地转换概率升高30%。

2 结果与分析

2.1 土地利用转移分析

由表2可知，2000—2010年三门峡市土地利用转换幅度较大的是耕地、草地和建设用地。具体来说，2000—2010年三门峡市耕地转出192.97 km2，主要转为建设用地、草地和林地；草地转出291.04 km2，主要转为耕地和林地；建设用地转出58.46 km2，主要转为耕地。2000—2010年，三门峡市耕地和建设用地分别转入335.99、132.03 km2，耕地转入中67.01%来自草地，建设用地转入中77.38%来自耕地。其他地类均有少量转换，但波动较小，相对稳定。

由表3可知，2010—2020年三门峡市土地利用转换幅度较大的是耕地和林地。具体来说，2010—2020年三门峡市耕地转出175.46 km2，同时有109.61 km2耕地转入，其中林地向耕地转入78.09 km2，是耕地主要转入来源；林地转出128.96 km2，转入140.84 km2。2010—2020年，三门峡市建设用地面积持续增加，耕地仍是建设用地主要转入来源，转入64.75 km2；草地分别向林地、耕地转出59.11、20.47 km2。

2.2 土地利用变化模拟

由表4可知，与2020年相比，2030年三门峡市自然发展情景下耕地、草地面积有不同程度的减少，分别减少60.92、26.05 km2；建设用地在三门峡市北部和东北部明显扩张，面积增加56.33 km2。

城镇发展情景与自然发展情景模拟结果较为接近。具体来说，2030年三门峡市建设用地面积较2020年增加71.44 km2，耕地面积较2020年减少73.21 km2，建设用地扩张在一定程度上侵占了耕地。

耕地保护情景相比其他情景各地类面积变化幅度较小，相对稳定。具体来说，2030年三门峡市耕地面积为3 416.56 km2，与2020年相比，面积有所增加；建设用地与2020年相比增加18.18 km2，其扩张态势与自然发展情景相比有所好转，表明对其他类型土地侵占耕地的情况进行管控可有效保护耕地资源。

生态保护情景下，2030年三门峡市除耕地和草地面积减少外，其他地类面积均有所增加，其中水域、林地等生态用地面积明显增加；建设用地扩张得到抑制。

3 结论与建议

3.1 结论

1）2000—2020年，三门峡市土地利用变化总体稳定，优势地类为耕地和林地；耕地面积先增加后减少，总体小幅增加；建设用地面积不断增加，草地面积持续减少，水域和未利用地面积均先减少后增加，总体小幅增加；三门峡市建设用地和耕地之间转换频繁，耕地始终是建设用地主要转入来源。

2）4种情景模拟下，2030年三门峡市土地利用都体现了各自的发展效果。具体来说，与2020年相比，自然发展、城镇发展、生态保护情景下2030年三门峡市耕地面积存在不同程度的减少，其中城镇发展情景下耕地流失最多，只在耕地保护情景下耕地面积略微增加。与2020年相比，自然发展、城镇发展、生态保护情景下2030年三门峡市林地面积均有不同程度的增加，其中生态保护情景下林地面积增加最多，仅在耕地保护情景下林地面积小幅度减少。与2020年相比，4种情景下2030年三门峡市草地面积均有所减少，其中生态保护情景下草地面积减少最多；4种情景下2030年三门峡市建设用地面积均有所增加，其中耕地保护情景下建设用地面积增加最少，说明耕地保护情景下对建设用地扩张的抑制效果最大；4种情景下2030年三门峡市水域面积和未利用地面积都小幅增加，但总体趋于稳定。

3.2 未来规划建议

1）强化耕地保护。根据模拟结果，2030年三门峡市耕地面积减少风险较大。因此，三门峡市应设立耕地保护区，实施耕地保护政策和用途管制，确保耕地数量不减少、质量不下降，优化耕地布局，提高耕地利用效率。

2）合理规划建设用地。根据模拟结果，2030年三门峡市建设用地呈现扩张态势。因此，三门峡市应科学划定城镇开发边界，严格限制建设用地规模，优化建设用地结构，盘活存量建设用地。同时，推进土地利用向集约型方式转变，可考虑开发地下空间和改造旧城，减少对其他地类的占用。

3）加强草地恢复。根据模拟结果，2030年三门峡市草地面积与2020年相比有所减少，草地保护面临较大的压力。因此，三门峡市应加强草地恢复工作，防止草地退化，改善草地质量，提高草地生态系统稳定性和服务功能，维护生态平衡。

4）加强生态保护。根据模拟结果，生态保护情景下2030年三门峡市林地、水域等生态用地面积与2020年相比明显增加。因此，三门峡市应合理利用林地资源，加强林地保护和经营管理，实施退牧还草、退耕还林等生态工程以增加森林覆盖率。同时，要合理利用水资源，加强水域保护，防止水污染，改善生态环境。

参考文献：

[1] O'NEIL S.COP26：some progress，but nations still fiddling while world warms[J].Engineering，2022，11（4）：6-8.

[2] 刘菁华，李伟峰，周伟奇，等.权衡城市扩张、耕地保护与生态效益的京津冀城市群土地利用优化配置情景分析[J].生态学报，2018，38（12）：4341-4350.

[3] 黄韬，刘素红.基于PLUS-InVEST模型的福建省土地利用变化与碳储量评估[J].水土保持学报，2024，38（2）：246-257.

[4] XUN L，QINGFENG G，C.K C，et al.Understanding the drivers of sustainable land expansion using a patch-generating land use simulation（PLUS）model：a case study in Wuhan，China[J].Computers，Environment and Urban Systems，2021，85：101569.

[5] 王业宁，张小磊，裴颖春，等.河南省三维生态足迹及其驱动力分析[J].环境科学与技术，2023，46（S2）：217-225.

[6] 胡丰，张艳，郭宇，等.基于PLUS和InVEST模型的渭河流域土地利用与生境质量时空变化及预测[J].干旱区地理，2022，45（4）：1125-1136.

[7] LIANG X，LIU X P，LI D，et al.Urban growth simulation by incorporating planning policies into a CA-based future land-use simulation model[J].International Journal of Geographical Information Science，2018，32（11）：2294-2316.

[8] 袁雪.基于PLUS模型的武汉市土地利用变化情景模拟与景观生态风险研究[D].南昌：东华理工大学，2022.