余曉芳++安裕倫++安寧++姜海峰

摘要：為合理利用喀斯特山區(qū)的土地，選取貴州省貴陽市作為研究區(qū)域，基于Logistic-CA-Markov模型預(yù)測不同情境下2020年貴陽市土地利用情況并對土地利用變化驅(qū)動下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（ESV）進行評估。結(jié)果表明，貴陽市在2000—2010年年間，草地、耕地、林地均有向居民工礦用地轉(zhuǎn)移的趨勢，居民工礦用地面積增加202.53 km2，耕地面積減少了452.90 km2，ESV呈上升趨勢，林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻(xiàn)最大；借助Logistic-CA-Markov模型模擬出貴陽市2010年土地利用格局，得到其Kappa系數(shù)約為0.78，說明模擬的效果較好，經(jīng)濟快速發(fā)展情境下的貴陽市2020年居民工礦用地較自然情境下的面積增加更多，林地、草地、耕地均有所減少，在空間上主要以城區(qū)為中心擴展；基于預(yù)測結(jié)果評估土地利用變化驅(qū)動下的ESV，2010—2020年年間各土地利用類型服務(wù)價值均有所下降，情境Ⅱ中ESV下降了87.93千萬元，經(jīng)濟建設(shè)對生態(tài)環(huán)境已經(jīng)產(chǎn)生了負(fù)面影響，喀斯特山區(qū)都市的生態(tài)環(huán)境形勢仍然嚴(yán)峻。

關(guān)鍵詞：土地利用變化預(yù)測；Logistic-CA-Markov模型；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（ESV）；喀斯特山區(qū)

中圖分類號： F301.24文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）09-0217-06

20世紀(jì)以來，人類可利用的土地資源隨著人口的加劇而變得越來越少，尤其是人地矛盾日益深化，土地利用的合理性與否逐漸引起世界關(guān)注。土地利用/土地覆被變化在全球環(huán)境變化和可持續(xù)發(fā)展中占有重要的地位[1]。土地利用的變化時刻改變著區(qū)域乃至全球生態(tài)環(huán)境的變化[2]，研究土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響及相互作用關(guān)系具有重要意義[3]。國外學(xué)者Kumar等結(jié)合Markov模型和遙感技術(shù)預(yù)測Tamil Nadu的土地利用結(jié)構(gòu)[4]；Xia等基于元胞自動機（cellular automate，CA）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（neural-network，NN）模型預(yù)測土地利用動態(tài)變化[5]；Yang等將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)—元胞自動機（artificial neural network—cellular automata，ANN-CA模型）和景觀格局指數(shù)（landscape pattern indice，LPI）結(jié)合來預(yù)測未來土地利用情況[6]。國內(nèi)學(xué)者對于喀斯特山區(qū)土地利用變化的研究主要有王磊等采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與元胞自動機[CM（25]的耦合模型對喀斯特地區(qū)的土地利用格局變化進行模[CM）][LM]擬[7]；周傳艷等通過對貴州省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行評估探討喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能特征[8]；羅俊等以土地利用和生態(tài)服務(wù)功能變化為基礎(chǔ)揭露喀斯特地區(qū)土地利用變化下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化特征[9]；熊鷹等參照中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位服務(wù)價值系數(shù)根據(jù)土地利用變化對喀斯特區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行估算[10]；李正等采用灰色模型對區(qū)域土地利用構(gòu)成和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行預(yù)測[3]；趙國粱等基于 CILE-S模型揭示廣西喀斯特山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的時空變化規(guī)律[11]。但是很少有學(xué)者基于Logistic-CA-Markov模型對喀斯特山區(qū)土地利用格局的模擬結(jié)果來預(yù)測分析其驅(qū)動下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值，喀斯特山區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人地矛盾尤為突出，人均耕地少，經(jīng)濟條件落后，評估及模擬該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價值可以了解各生態(tài)系統(tǒng)的重要性及其未來發(fā)展動向，可為喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整提供決策參考，貴陽市作為典型喀斯特區(qū)域之一，研究其土地利用演變規(guī)律有利于了解喀斯特山區(qū)土地的演變趨勢。以貴州省貴陽市為研究區(qū)域，基于CA-Markov模型引入Logistic修正CA的轉(zhuǎn)換規(guī)則，建立 Logistic-CA-Markov模型，從空間和數(shù)量上預(yù)測未來貴陽市土地利用結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上研究土地利用變化驅(qū)動下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（ESV）的變化規(guī)律。

1研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1研究區(qū)概況

貴陽市是貴州省的省會城市，位于中部偏北地區(qū)，包括6區(qū)（白云區(qū)、烏當(dāng)區(qū)、觀山湖區(qū)、云巖區(qū)、南明區(qū)和花溪區(qū)）3縣（息烽縣、開陽縣和修文縣）1市（清鎮(zhèn)市）（圖1），位于 106°27′～107°03′E、26°11′～26°55′N之間，東與甕安縣、龍里縣、福泉縣接壤，南接惠水縣，西靠織金縣、平壩縣，北鄰金沙縣、遵義縣，總面積約為8 043.14 km2。海拔最高為1 738 m，最低為508 m，主要發(fā)育深中丘、淺中丘，深切割中山和中切割低中山地貌，土壤主要以硅鋁質(zhì)中層黃壤和中層黃色石灰土為主。研究區(qū)屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，年均溫為 153 ℃，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，自然資源豐富。

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于貴州省2010年人口統(tǒng)計和GDP數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)主要來源于貴州省2010年交通、水系數(shù)據(jù)和分辨率為30 m的DEM數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)來源于貴州省生態(tài)環(huán)境10年（2000—2010年）變化遙感調(diào)查與評估項目，具體做法是以1 ∶5萬地形圖為基礎(chǔ)，對3期遙感影像數(shù)據(jù)采用監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法進行土地利用的遙感解譯，并進行野外數(shù)據(jù)核查。參考地形圖上的土地利用分類，按照《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》中使用的土地利用現(xiàn)狀體系，根據(jù)土地的用途、利用方式、覆蓋特征等因素，我國土地可以被分為8大類、46小類，8大類土地分別是耕地、園地、林地、牧草地、居民點及工礦用地、交通用地、水域和未利用地。根據(jù)研究需要和研究區(qū)實際情況，共劃分出6種土地利用類型，分別是草地、耕地、林地（林地和園地）、未利用地、居民工礦用地（居民點及工礦用地和交通用地）和水域，得到2000年、2005年、2010年貴陽市土地利用數(shù)據(jù)（圖2）。

所選用的矢量和柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一投影坐標(biāo)系，每個柵格大小統(tǒng)一重采樣為30 m×30 m。制作各地類適宜性圖集，須分別從2005年、2010年中提取各地類數(shù)據(jù)，該地類土地利用屬性賦值為1，其他地類賦值為0。主要選取的土地利用變化影響因子為自然因子（dem、slope）、社會經(jīng)濟因子（人口、GDP）、可達(dá)性因子（交通、水系），將人口和GDP通過處理得到貴陽市人口密度和人均GDP柵格數(shù)據(jù)，交通和水系在Arcgis中通過[CM（25]計算歐氏距離（即指計算每個柵格中心到交通和水系的距離遠(yuǎn)近）得到距交通距離和距水系距離的柵格數(shù)據(jù)，最后將土地利用變化影響因子和土地利用數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)化為IDRISI軟件所識別的rst格式，制作適宜性圖集。

2研究方法

2.1Logistic回歸分析模型

Logistic回歸模型主要是指在1個變量和多個自變量之間形成多元回歸關(guān)系，用來預(yù)測某一區(qū)域中某一事件概率發(fā)生的大小，主要是指建立各土地利用與影響因子之間的回歸關(guān)系來預(yù)測某一區(qū)域中演變?yōu)槟骋煌恋乩玫母怕蚀笮?。某柵格出現(xiàn)某一種土地利用i的概率為pi，回歸方程為

式中：β0為常量；β1，β2，…，βn是回歸系數(shù)；X1，X2，…，Xn為影響因子。

2.2CA-Markov模型

CA于20世紀(jì)40年代末由Neumann等提出，就像許多的相同圖靈機放置在格網(wǎng)之中并彼此連接在一起[12]，對于具有時空演化特征的地理復(fù)雜系統(tǒng)更具有優(yōu)勢。CA主要由元胞、元胞空間、元胞鄰居、時間和轉(zhuǎn)換規(guī)則組成，其中以轉(zhuǎn)換規(guī)則為核心。

馬爾可夫（Markov）過程是一種具有“無后效性”的特殊隨機過程[13]?！盁o后效性”指某個隨機過程在第（t+1）步時刻的狀態(tài)S（t+1）與第t步以前的狀態(tài)無關(guān)，僅與t時刻的狀態(tài)S（t）有關(guān)，此時隨機過程S（t）為一個馬爾可夫鏈。土地利用概率轉(zhuǎn)移矩陣能定量地說明土地利用之間的相互轉(zhuǎn)移情況，表示事件從初始時刻的某一狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一時刻其他狀態(tài)的可能性，狀態(tài)是指土地利用，用Pij表示土地利用i轉(zhuǎn)化為土地利用j的轉(zhuǎn)移概率，n指土地利用，轉(zhuǎn)移概率矩陣可表示如下：

式中，須滿足以下2個條件：①Pij∈[0，1]；②[FK（W+9mm。2*2]∑[DD（]nj=1[DD）]Pij[FK）]=1（i、j=1，2，3，…，n）。

CA模型的空間概念比較強，能夠很好地模擬復(fù)雜空間的變化程度，Markov模型的空間參數(shù)比較弱，而在數(shù)量變化上的預(yù)測較強[14]。CA-Markov模型將上述2種模型優(yōu)點相結(jié)合，既從數(shù)量上模擬未來土地利用的情況，也從空間上模擬未來土地利用的分布情況。以CA模型中的轉(zhuǎn)換規(guī)則為核心，引入Markov模型中產(chǎn)生的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣進行修正，最后將Logistic回歸模型引入了自然、社會和可達(dá)性等影響因子，再次修正CA模型進而提高CA-Markov模型模擬的精度，最終形成Logistic-CA-Markov模型。

2.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值計算模型

ESV是指生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（元）；Ak是研究區(qū)第k種土地利用類型分布面積（hm2）；VCk為生態(tài)價值系數(shù)[元/（年·hm2）]，即單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值。ESV作為生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的量化指標(biāo)，能夠根據(jù)ESV的評估結(jié)果來揭示生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

3結(jié)果與分析

3.1土地利用類型變化

從表1中可以看出，貴陽市2000年主要是以耕地、林地為主，所占比例分別是41.46%、40.83%，即主要以農(nóng)林地為主，且處于絕對優(yōu)勢。2010年草地、未利用地、水域無明顯變化，耕地面積比例減少5.63百分點，林地、居民工礦用地的面積比例分別增加2.65、2.52百分點，這是一種城市化進程加速發(fā)展的表現(xiàn)，居民工礦用地的增加不僅體現(xiàn)在貴陽市，在全國范圍內(nèi)這種趨勢也較明顯，這種趨勢在大力尋求經(jīng)濟發(fā)展的城市將繼續(xù)保持，耕地的減少主要是因為采取了退耕還林政策及人類活動的影響。從土地利用類型變化轉(zhuǎn)移矩陣可知，耕地、林地、草地會向居民工礦用地發(fā)展，其中耕地面積轉(zhuǎn)移最大為180.26 km2，居民工礦用地面積從192.47 km2增加到 395.00 km2，從側(cè)面反映了貴陽市的經(jīng)濟在不斷地加速發(fā)展，與之相關(guān)的經(jīng)濟建設(shè)如火如荼地開展著。由表2可知，耕地除了轉(zhuǎn)化為居民工礦用地，向林地轉(zhuǎn)移的面積達(dá)到 231.84 km2，這與貴陽市注重生態(tài)保護，采取退耕還林政策息息相關(guān)，與國家要求發(fā)展生態(tài)文明建設(shè)也高度吻合。

3.2土地利用預(yù)測與檢驗

對各土地利用建立相應(yīng)的適宜性圖，組成適宜性圖集，在IDRISI軟件的支持下，利用Logistic-CA-Markov模型，得到預(yù)測的貴陽市2010年土地利用數(shù)據(jù)，與現(xiàn)有的土地利用數(shù)據(jù)進行對比分析（圖3）。引用Kappa系數(shù)來對預(yù)測數(shù)據(jù)的精度進行檢驗，Kappa系數(shù)一般用來評價遙感數(shù)據(jù)的分類精度，分析2個圖件的相似性[15]。計算公式如下：

式中，Po為柵格模擬一致的比例，Pc為隨機情況下柵格模擬一致的比例，Pp為理想情況下的柵格模擬一致比例。其中Kappa系數(shù)范圍為0～0.40，表明模擬性較差，模擬效果不佳；Kappa系數(shù)范圍為0.41～0.75，表明模擬性一般，模擬效果一般；Kappa系數(shù)范圍為0.76～1.00，表明模擬性較高，模擬效果較好。

由表3可以得出，研究區(qū)中柵格總數(shù)為8 936 874個，其中空間模擬一致的柵格數(shù)為7 361 221個，Po=0.82，隨機情況下Pc=1/6，理想情況下Pp=1，根據(jù)上面公式可知，Kappa系數(shù)約為0.78。由Kappa系數(shù)與模型模擬效果關(guān)系可知，利用Logistic-CA-Markov模型模擬一致性較高，模擬效果較好，說明利用此模型用來模擬喀斯特山區(qū)的土地利用是比較有效和可信的。

3.3不同情境下的未來土地利用預(yù)測

利用2000、2010年土地利用數(shù)據(jù)建立土地利用概率轉(zhuǎn)移矩陣預(yù)測2020年貴陽市土地利用情況。2012年國發(fā)2號文件是首個從國家層面系統(tǒng)支持貴州發(fā)展的綜合性政策文件，貴陽處在黔中經(jīng)濟區(qū)的核心地位，經(jīng)濟發(fā)展更加飛速，居民工礦用地的擴張比較迅速，將這種發(fā)展模式稱為經(jīng)濟快速發(fā)展模式。通過參考和分析現(xiàn)有的資料，可以發(fā)現(xiàn)居民工礦用地大都來自林地、耕地、草地的轉(zhuǎn)化，可以擬定將林地、耕地、草地轉(zhuǎn)化為居民工礦用地的概率分別提高30%、20%、10%，得到經(jīng)濟快速發(fā)展模式的概率轉(zhuǎn)移矩陣，分別模擬自然增長情境下和經(jīng)濟快速發(fā)展情境下的貴陽市2020年土地利用情況（圖4）。

根據(jù)貴陽市2020年模擬結(jié)果（表4）可知，草地、耕地、林地、未利用地、水域的面積均有不同程度的減少，居民工礦用地的面積大幅度增加。在自然發(fā)展情境（情境Ⅰ）下，耕地減少的面積最大，減少了755.66 km2，居民工礦用地增加的面積最大，增加了945.92 km2，其中耕地大部分轉(zhuǎn)化為居民工礦用地。在經(jīng)濟快速發(fā)展情境（情境Ⅱ）下，居民工礦用地的增加速度明顯加快，與情境Ⅰ相比，草地、耕地、林地的面積減少幅度加大，林地面積減少229.88 km2，耕地減少的面積最大為885.08 km2，草地減少了96.77 km2，居民工礦用地增加了1 243.31 km2，約是2010年居民工礦用地面積的3倍。從空間上看，情境Ⅰ下林地和草地的分布比較均勻，居民工礦用地的擴展主要在主城區(qū)，尤其是云巖區(qū)、觀山湖區(qū)、南明區(qū)和花溪區(qū)。林地和耕地主要分布在3縣1市和花溪區(qū)的南部區(qū)域。情境Ⅱ下的居民工礦用地的擴展主要是在云巖區(qū)、南明區(qū)的北部以及修文縣、開陽縣部分地區(qū)，主要原因為這些區(qū)域的林地和耕地轉(zhuǎn)化為居民工礦用地的概率大，故在情境Ⅱ下轉(zhuǎn)化為居民工礦用地的可能性較大。

3.4土地利用變化驅(qū)動下的ESV評估

基于前人的研究成果和貴州實際情況，得出貴州省與土地利用類型相對應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)類型及其生態(tài)價值系數(shù)（表5）[16]。

將每種土地利用類型與最接近的生態(tài)系統(tǒng)類型結(jié)合起來，利用2000、2010年和Logistic-CA-Markov模型預(yù)測的土地利用類型數(shù)據(jù)計算2000—2020年貴陽市各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值（表6）?？傮w上看，2000—2010年，貴陽市ESV呈增長趨勢，從80.093億元上升到82.576億元，增加 2.483 億元。其中耕地、居民工礦用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值下降，分別下降1.412、0.132億元；林地、草地、水域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值上升，分別增加3.690、0.335、0.002億元。從各土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的比例來看，林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值占據(jù)絕對優(yōu)勢，比例為71.11%、73.44%；居民工礦用地服務(wù)系統(tǒng)生態(tài)價值系數(shù)為負(fù)值，且近10年來其他地類均有不同程度的往居民工礦用地轉(zhuǎn)移的趨勢，居民工礦用地的面積有所增加，但是由于林地生態(tài)系統(tǒng)面積也在增加且其生態(tài)價值系數(shù)較大，故能彌補居民工礦用地生態(tài)服務(wù)價值的負(fù)面影響。對貴陽市2種情境下的ESV進行預(yù)測，2010—2020年貴陽市ESV呈下降趨勢，情境Ⅰ和情境Ⅱ中ESV為77.251、73.783億元，分別下降5.325、8.793億元。各土地利用類型的ESV均呈現(xiàn)下降趨勢，居民工礦用地的面積大幅度增加對ESV的負(fù)面影響更大。林地、草地和耕地生態(tài)系統(tǒng)仍然是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻(xiàn)最大的土地利用類型，占據(jù)了90%以上的生態(tài)服務(wù)價值。2種情境下的貴陽市ESV呈下降趨勢表明貴陽市經(jīng)濟的發(fā)展對生態(tài)環(huán)境已經(jīng)產(chǎn)生了負(fù)面的影響，必須加強退耕還林還草，在大力發(fā)展經(jīng)濟建設(shè)的同時注重生態(tài)環(huán)境的保護，盡量引導(dǎo)土地利用類型往生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值高的方面轉(zhuǎn)變。

4結(jié)論

通過對貴陽市2000—2010年近10年的土地利用分析，可知耕地的面積減少5.63百分點，其他地類面積均有不同程度的增加，其中居民工礦用地增加面積幅度較大，從 192.47 km2 增加到395.00 km2，草地、耕地、林地均有向居民工礦用地轉(zhuǎn)移的趨勢。ESV呈上升趨勢，林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值貢獻(xiàn)最大，林地、草地生態(tài)服務(wù)價值有所增加，耕地和居民工礦用地生態(tài)服務(wù)價值繼續(xù)下降，未利用地保持穩(wěn)定。

借助Logistic-CA-Markov模型模擬出貴陽市2010年土地利用格局，得到其Kappa系數(shù)約為0.78，表明此模型結(jié)果具有較高的可信度。模擬貴陽市2020年不同情境下土地利用情況可知：自然情境下，耕地面積減少了755.66 km2，草地和林地均有不同程度減少；經(jīng)濟發(fā)展情境下，林地和耕地面積減少的幅度加大，居民工礦用地面積增加迅速。從空間上可發(fā)現(xiàn)居民工礦用地主要以主城區(qū)為中心擴展，林地和耕地主要分布在鄉(xiāng)鎮(zhèn)上。

結(jié)合預(yù)測的結(jié)果評估土地利用變化驅(qū)動下的ESV，可知在2010—2020年，各土地利用類型的ESV均呈現(xiàn)下降趨勢，情境Ⅱ的經(jīng)濟建設(shè)更加明顯，居民工礦用地生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)對ESV的負(fù)影響更大，ESV下降了8.793億元。ESV能夠揭示生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，ESV下降表明經(jīng)濟建設(shè)對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了阻礙作用，喀斯特山區(qū)生態(tài)環(huán)境形勢仍然嚴(yán)峻。

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