Multi-scenarios simulation of land use and habitat quality change in the source area of Pearl River

曲靖市(24°19′~27°03′N，103°03′~104°50′E) 以高原山地为主，喀斯特地貌广布，生态脆弱。降水季节变化大，气象灾害频发。地处珠江源头，在流域生态安全保障及区域生态文明建设上具有重要意义。曲靖市为云南省第二大经济体，面积为2.89×10⁴ km²，辖麒麟、宣威、罗平等9个县(市、区)(图1)。2023年户籍人口为674.3万人，常住人口为568.8万人，人口城镇化率为43.62%。曲靖市是云南省重要的粮食生产地区，土地利用结构变化激烈。随着区域干旱发生频率增加、持续时间增长以及城乡发展水平不断提高，用地类型变化显著，区域生态脆弱性日益加剧，生态环境质量、人地关系矛盾愈发显著。

Figure 1.  Location and topography of study area

曲靖市1980、2000、2020年的土地利用数据来自中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/Default.aspx)，分辨率为30 m×30 m，综合精度达90%^[26]，土地利用数据共分为耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地等6个一级类。

采用InVEST软件Habitat Quality模块对曲靖市1980、2000、2020年及多情景的2040年生境质量进行测度。模型如下：

式(1)~(2)中：Q_xj为土地利用类型j中栅格x的生境质量指数；D_xj为生境退化度，代表土地利用类型j中栅格x的生境退化程度；H_xj为土地利用类型j中栅格x的生境适应性；k为半饱和常数；z为归一化常量，取值为2.5；Y_r为威胁因子r栅格总数；w_r为各个威胁因素权重。r_y为威胁因子强度；i_rxy为栅格y中威胁因子r对栅格x的影响；β_x为生境抗干扰水平；S_jr为不同生境对不同威胁因子的相对敏感程度。

式(3)为线性衰退，式(4)为指数衰退。i_rxy为栅格y中威胁因子r对栅格x的影响；r为生境威胁因子；d_xy为栅格x与栅格y之间距离；d_rmax为威胁因子r 影响范围。

参考文献[27]，选择农业、交通、城镇、农村居民点和工业用地为胁迫因子。参考InVEST模型手册及相关研究^[28]设置胁迫因子参数及各土地利用类型对胁迫因子敏感度参数(表1~2)。

PLUS模型由用地扩张分析策略和基于多类型随机斑块种子的元胞自动机模型集成，能很好解释土地利用变化的影响因素，模拟精度更高^[29]。结合国务院关于《云南省国土空间规划(2021—2035年)》的批复，设置自然发展、生态保护、城镇发展及耕地保护4种情景，模拟2040年曲靖市土地利用需求。①自然发展情景：保持现有土地利用变化转移概率，即与2000—2020年的土地利用转移矩阵一致。同时，以2000—2020年自然发展为基础，设置另外3种情景。②生态保护情景：考虑曲靖为珠江源生态安全屏障区，为保证区域生态安全，使耕地向建设用地转移减少40%，林地向建设用地转移减少40%，建设用地向林地转移增加30%，草地向建设用地转移减少20%，水域自身转移增加10%；③城镇发展情景：考虑曲靖作为云南及滇中城市建设的重要区域，将城镇用地、耕地、林地分别向城镇用地转移增加10%；④耕地保护情景：曲靖市作为“滇东粮仓”，为保证粮食安全，使耕地向城镇建设用地转移减少7%，草地向耕地转移增加15%，林地向耕地转移增加15%。

由表3可知：40 a中曲靖市草地、林地、耕地为主要用地类型，共占97.000%。其中，草地和林地2类生态用地占74.000%。各类用地变化中，建设用地增幅高达91.515%，尤其是2000年以后增幅高达72.335%。其次，水域面积也呈增加趋势，1980—2020年增幅达39.200%，近20 a来增幅达29.084%。草地、耕地占比分别减少了3.205%和1.742%。其中，耕地在前20 a占比下降，减少了2.560%，后20 a呈上升趋势，增加了0.840%；草地在前20 a占比增加了0.921%，后20 a占比减小了4.088%。此外，林地在各阶段均保持增长态势。总体来看，曲靖市土地利用面积从大到小依次为：草地、林地、耕地、建设用地、水域、未利用地。

由图2可知：1980—2020年土地利用整体空间变化保持相对稳定，呈“锁定”效应。草地与林地集中在山区，耕地、建设用地集中在坝区。其中，草地集中在宣威东部及会泽大部分地区、富源东南部及罗平北部，草地面积整体呈先增加后下降趋势；林地集中分布在乌蒙山区，草地和林地分布区共同构成研究区的生态屏障。1980—2000年建设用地集中于麒麟区，呈“单核心”空间结构，有沿珠江源大道扩展的趋势。2000—2020年形成以宣威、会泽、陆良及罗平4个县城为次级核心区的X型建设用地空间结构。

Figure 2.  Spatial distribution of land use change in Qujing City from 1980 to 2020

4种情景下，曲靖市2040年土地结构变化与2020年相比存在差异(表4)。自然发展情景下，耕地、草地、水域面积均呈下降趋势，分别减小了24.264、284.066、0.274 km²；林地和建设用地面积均呈增加趋势，分别增加了206.999、101.615 km²。生态保护情景下，耕地、林地面积均呈增加趋势，分别增加了74.614、85.075 km²；草地面积减小了159.678 km²。城镇发展情景下，耕地、林地、草地面积均呈下降趋势，分别减小了29.552、30.018、373.648 km²；建设用地是唯一面积增加的地类，增加了433.229 km²。耕地保护情景下，耕地、林地面积均呈增加趋势，分别增加了155.774、228.114 km²；草地和水域面积均呈减小趋势，分别减小了377.636、8.832 km²；建设用地基本保持稳定。从空间看，除城镇发展情景下建设用地在曲沾坝和陆良坝中有扩张外，其余3种情景的土地利用类型空间分布与2020年基本一致。

生境质量是区域土地利用类型变化程度的重要体现。基于曲靖市1980—2020年及2040年不同情景，采用自然断点法将生境质量分为3级：低等级[0.000, 0.480)、中等级[0.480, 0.828)、高等级[0.828, 1.000]。

从过程看，1980、2000和2020年平均生境质量分别为0.686、0.688和0.683，整体呈先增加后减小趋势，为中等级水平，但不同等级生境质量变化存在差异。其中，低等级生境质量面积呈先减小后增加趋势，1980—2000年低等级面积减小了1.958%，2000—2020年低等级面积增加了4.248% (表5)。中等级生境质量面积呈先增加后减小趋势，1980—2000年中等级面积增加了0.728%，2000—2020年中等级面积减小了3.829%。高等级生境质量面积呈增加趋势，1980—2000年高等级面积增加了0.565%，2000—2020年高等级面积增加了1.686%。

从分布看(图3)，曲靖市生境质量呈北高南低特征。高等级生境质量区主要分布在山地和保护区内，形成以乌蒙山东北部的宣威和乌蒙山西南部的马鸣乡2个高值区，以及会泽驾车华山松省级自然保护区、罗平鲁布革及多依河风景区、独木水库水源地保护区3个高值区。低等级生境质量区主要分布在坝区和矿业开采区，主要在曲沾坝和陆良坝，以及会泽者海铅锌矿和富源营上煤炭开采区。

Figure 3.  Spatial distribution of habitat quality in Qujing City from 1980 to 2020

由表6和图4可知：曲靖市2040年自然发展、生态保护、城镇发展、耕地保护情景的平均生境质量分别为0.678、0.679、0.672和0.678，从高到低依次为：生态保护、耕地保护、自然发展、城镇发展。具体表现为：①自然发展的低中高生境质量面积分别为7 500.121、11477.810及9 938.301 km²，相较2020年分别增加167.705 km²、减小167.149 km²及0.557 km²。其中，低等级面积增加2.287%，主要由中等级转化。整体上看，曲沾坝、陆良坝及宣威坝生境质量进一步下降，是因为坝区既是农业活动集中区，又是城镇扩张的主要空间。曲靖作为滇中城市群的重要城市及省级副中心城市，未来仍需要大量耕地转化为城镇建设用地，以促进区域社会经济发展。②相较自然发展，生态保护的生境质量低等级面积占比增加较小。低中高生境质量面积分别为7 512.028、11 417.694、9 986.51 km²，相较2020年分别增加179.612 km²、减小227.265 km²及增加47.653 km²。整体上水域生境质量有明显提高，但研究区为喀斯特区，水域面积扩张受限，生境质量提高相对有限。③与自然情景相比，城镇发展的生境质量低等级面积占比明显增加，主要位于曲沾坝和陆良坝边缘地区。低中高生境质量面积分别为7 735.078、11 269.124、9 912.030 km²，相较2020年分别增加402.662 km²、减小375.835 km²及26.827 km²。其中，低等级面积增加了5.492%。④相较自然发展，耕地保护的生境质量低等级面积占比增加较大。低中高生境质量面积分别为7 551.210、11 478.007及9 887.015 km²，相较2020年分别增加218.794 km²、减小166.952 km²及51.834 km²。整体上看，与2020年相比，2040年4种情景下的曲靖市生境质量水平均呈现下降趋势。从空间分布看，2040年4种情景下曲靖市生境质量整体呈“北高南低”的分异规律，生境质量低值区与曲靖的坝子空间分布高度一致。

Figure 4.  Spatial distribution of multi-scenarios habitat quality in Qujing City in 2040

由生境质量冷热点可知：1980—2020年，曲靖市生境质量热点区范围缓慢缩小，面积由1980年的5 357.248 km²，减至2020年的5 069.327 km²。生境质量热点区集中分布在宣威西部及沾益北部、富源西部和麒麟东部、师宗南部，与草地及林地分布基本一致。冷点区范围快速缩小，面积由1980年的5 100.446 km²，减至2020年的4 663.243 km²。生境质量冷点区集中在曲沾坝、陆良坝、富源坝和罗平坝，与农业用地及建设用地分布基本一致。对比4种情景冷热点发现：除城镇发展情景外，其他3种情景下冷热点空间格局基本保持稳定，且热点面积为5 039.439 km²，冷点面积为3 067.258 km²。与2020年相比，2040年自然发展情景冷热点的面积相差不大，热点面积略缩小，冷点面积略扩大。但空间格局发生明显变化，表现为热点区南迁，冷点区北进趋势。生态保护情景的冷热点面积基本不变，空间格局整体呈北进态势。城镇发展情景的冷热点变化明显，热点面积减少344.268 km²，冷点面积减少150.438 km²；北部热点区域和南部冷点区域均呈缩小态势，尤其是北部的宣威和会泽，南部的陆良和罗平变化更为明显。耕地保护情景的热点面积不变，冷点面积扩大，热点西进，冷点东扩。

曲靖市土地利用变化受自然与社会经济活动共同作用。具体来看，高原山地地形导致草地和林地分布较广、面积较大，与前人研究^[30]认为高植被覆盖区多分布在地形崎岖的山地上一致。研究期内建设用地扩张最快，增幅最大，这源于滇中城市群建设的持续推进，与陈成等^[31]对滇北区研究结果相近。其次水域增长较快，除了与退耕还湖^[31]相关外，还与喀斯特地区水库兴建密切相关，如马龙车马碧水库修建。同时，林地面积整体呈增长态势，与长期生态治理工程、乡村能源结构改善、乡村畜牧业衰退等相关。整体上看，1980—2020年土地利用类型面积从大到小依次为：草地、林地、耕地、建设用地、水域、未利用地，与周俊鑫等^[32]的研究结果有明显差异，这与曲靖市以山地地貌为主的自然地理环境密切相关：山坝结构导致城镇化发展滞后，农业为区域主导产业，但发展水平不高及喀斯特地区地表水难以形成。

从研究区2040年的4种情景看，自然发展情景下建设用地以挤占草地、林地和耕地为主，面积扩张较快，与区域可持续发展理念相矛盾；耕地保护情景下建设用地受到严重制约，基本没有扩展；城镇发展情景下建设用地急剧扩张，大量挤占草地，与当下生态文明建设相冲突。整体上看，相较2040年自然发展情景，生态保护情景下的耕地增加98.878 km²，草地增加124.388 km²，水域增加0.274 km²，林地减少121.924 km²，建设用地减少101.615 km²，符合新时期对粮食安全和生态保护协调发展的需要。

曲靖市生境质量与土地利用类型密切相关，主要表现为：生境质量高等级区主要分布在山区林地和坝区水域，生境质量中等级区主要分布在山区草地，生境质量低等级区主要分布在坝区的建设用地和耕地。这是导致冷点区域扩张的直接原因，与伊犁河谷生境质量研究^[33]观点相近。但本研究中未利用地的生境质量为中等级区，而不是隋露等^[33]认为的低值区，这可能是南北差异导致的。1980—2000年低等级面积减小了1.979%，可能与林草相关法律法规及生态工程实施相关，法规实施促使区域生态恢复。而2000—2020年低等级面积增加了4.237%，可能与2009—2015年连续干旱有关，长期干旱导致喀斯特生态脆弱区植被大面积死亡。同时，这也是区域农业及城镇化快速发展时期，促使耕地向坝区及周围低海拔山地开发，草林地面积缩小，导致区域生境质量降低。此外，1980—2020年生境质量高等级区面积占比持续增加，主要是因为林地为该等级的重要支撑用地类型，多分布在地形崎岖山地上，受人类干扰相对较弱，且在各项生态保护政策作用下更易修复。

从2040年的4种情景看，生境质量中等级的面积占比在减小，而高等级及低等级面积占比在增加。生态保护情景下，高等级面积占比在4种情景中处于第1位，中及低等级均处于第3位。因此，生态保护情景为曲靖市生境质量发展的最佳模式，这与已有研究^[22−23]的结果一致。但在驱动机制上，已有研究^[22−23]认为是人造地表减小导致的生境质量提高，而本研究认为水域面积增加是导致生态保护情景下生境质量提高的重要原因。

本研究中，各项参数主要来自已有成果，评估结果会有一定偏差，需通过实证调研优化各项参数。进行情景模拟时，将坡度≤8°且海拔≤2000 m的区域定为优质耕地，作为限制图层，导致自然发展情景下的土地利用空间分布与耕地保护情景相似，后续应进一步优化限制转换区。此外，研究中定性阐述了气候变化与人类活动对曲靖市生境质量变化的影响，难以为区域优化调控提供较强科学依据，后续应采用SSP-RCP数据进行区域生境质量预测。

曲靖市北部为林地和草地集中区，南部以耕地和建设用地为主，草地和林地为研究区主要用地类型，但整体上呈减小趋势且草地优势较为明显。生境质量水平与土地利用类型之间存在高度的空间一致性，北部乌蒙山区为林地分布集中区，也是生境质量最高的地区，其次是草地生境质量较高，城镇人口密集区与农业活动较为强烈的耕作区则为生境质量低值区。生态保护情景为4种发展情景的最理想模式，相较于2020年，未来20 a中等级生境质量面积呈缓慢减小趋势，低等级生境质量面积呈增加趋势。