基于CLUE-S模型的哈尔滨市生态用地格局时空演变与情景模拟研究

发布时间：2020-04-14 10:36

【摘要】：哈尔滨市是我国东北地区的中心城市之一,并且正在处于城市快速发展与扩张的阶段,许多具有重要生态系统服务功能的生态用地被转换为建设用地,导致区域生态系统服务无法满足居民的需求,最终引起了许多生态环境问题。生态用地的数量与空间布局直接影响到城市生态系统的稳定性与安全性,因此,研究生态用地格局演变与模拟变成了国内外学者关注的重要热点之一。目前,国内外对生态用地格局演变的研究大多局限于对历史变化规律的分析,而且大多只注重生态用地的数量变化,很少有研究从生态用地质量与生态功能的角度来分析生态用地演变特征与机制。在城市生态用地的模拟方面,很少有研究考虑了土地的生态功能属性与生态用地格局之间的关系;此外,大部分应用于生态用地格局模拟的模型没有考虑到引起生态用地变化的各类驱动因子之间相互作用的影响,忽略了自然生态系统与社会经济系统之间的内在关系对生态用地数量的影响。这些问题导致了无法科学合理地模拟未来城市生态用地的需求数量和空间格局。为了解决上述问题,本研究从生态系统服务价值演变的角度来研究生态用地的质量变化,更加全面地揭示了哈尔滨市生态用地格局演变特征与机制;为了将生态用地的生态功能属性与其空间格局充分关联起来,本文通过最小累积阻力(MCR)模型划分哈尔滨市的生态用地保护分区来设定CLUE-S模型中的空间限制模块;此外,基于SD模型来解释生态用地演变过程中各因素之间的相互作用的影响,耦合SD模型与CLUE-S模型来模拟多目标情景下未来哈尔滨市生态用地数量与格局的变化趋势。其结果如下:(1)2000至2015年间,哈尔滨市生态用地面积减少了665.2 km~2,减少速度越来越快。其中,耕地、草地和湿地的面积减少,水体和林地面积分别增加了374.72 km~2和194.40 km~2。但是,裸地与建设用地的面积逐渐增加,扩张速度也越来越快。这表明哈尔滨进入了全面城镇化建设的高速发展阶段,建设用地的扩张导致了生态用地的面积持续缩减。市郊区域的部分草地和裸地转变为建设用地,位于城市远郊区、主干路和村庄周边的小部分林地转化成了耕地,大部分脆弱的裸地和湿地转变成耕地。这说明生态用地与非生态用地的转变与居民的食物需求、至主要城镇村庄的距离、至主要道路的距离有着密切的关系。生态用地的演变除了受到自然因子的影响,也受到经济、社会等驱动力因素的影响。所以,本研究从自然因素、经济因素、社会因素这三个方面选取了16个具有代表性的驱动因素来构建驱动力指标体系。(2)2000年至2015年期间哈尔滨市生态系统服务价值(ESV)总量年际变化波动较大,但总体趋势是下降的。ESV值较高的区域主要集中在水域、湿地和东南部的林地等区域,而ESV重心主要集中在ESV值较高的区域,通过ESV重心的空间转移可知松花江上游区域的生态环境质量有所好转。总之,哈尔滨市ESV的时空演变与生态用地的数量和空间变化密切相关,其中生态用地的调节服务和支持服务所占比重较大,而水文调节服务、保护生物多样性与土壤保持供给服务相对比较重要。本文基于以上的特征识别重要的生态“源”区,确定生态用地扩张阻力系数,通过MCR模型来划分哈尔滨市生态用地保护分区。结果表明哈尔滨市累积阻力值较低的区域主要集中分布在水体、湿地、林地和远离城镇的大片耕地的区域,其周边区域的景观连通性相对较好。生态用地保护分区可以根据较低累积阻力值的区域来划分,为之后的生态用地格局模拟奠定基础。(3)通过SD模型来模拟生态用地需求量,其构建的生态用地变化系统动力学模型由是三个子系统组成:土地子系统、社会子系统、经济子系统。最终模拟结果的相对误差在0.95以内,可较好地模拟哈尔滨市各类生态用地的需求量。此外,基于研究初期2000年哈尔滨市生态用地数据,对之前选取的驱动因子进行二元逻辑斯蒂回归分析,确定ROC值最高的200m×200m栅格分辨率作为模拟的研究尺度。然后,将之前得到的生态用地保护分区、需求数量等结果输入到CLUE-S模型中进行模拟,验证得到Kappa指数为0.89898,说明驱动因子及其回归系数、生态限制区等数据能较好地解释哈尔滨市生态用地格局的空间变化。通过将SD模型和MCR模型的结果耦合到CLUE-S模型中来模拟四种目标情景下哈尔滨市2030年生态用地格局的变化趋势,不仅考虑到生态用地演变过程中各类因素之间相互作用的影响,还考虑到生态用地的生态功能属性与空间格局之间的关系来确定生态用地的数量与分布。(4)通过对四种目标情景下哈尔滨市2030年生态用地格局的分析,发现哈尔滨市城镇发展速度与生态用地格局演变紧密相关,生态用地的管理与城镇用地扩张之间有较多的矛盾。在经济发展主导情景下,湿地、草地等具有重要生态系统服务功能的生态用地被建设用地或耕地所侵占,未来需要严禁生态敏感性较弱的区域被开发建设,通过划分基础生态红线、生态空间等措施来保护重要生态用地。在生态建设主导情景下,生态环境保护整体上较好,但是存在较严重的水土侵蚀的情况,未来需要加强水域周围的植被保护和流域的生态修复,推广实行保护性耕作方式。在经济-生态协调发展情景下,生态用地保护与城镇用地扩张处于一个平衡的状态,但是牺牲了耕地来满足城镇扩张的需求,对粮食安全产生了一定的威胁,未来需要通过发展集约化农业等方式解决耕地与建设用地之间的冲突。在经济-生态低速发展情景下,水域面积大量减少,存在围湖造田、填湖造地的情况,应该采取加强城市河道综合治理、生态修复、退田还湖等措施来修复重要流域生态系统。不同情境下生态系统服务价值特征表明,城镇发展速度越快生态系统服务价值量相对较少,而南部山林地区的生态系统服务价值较高,未来应该在此区域划分出一片生态保护区来保护此处生态系统的完整性。通过对四种情景下哈尔滨市生态用地格局的问题提出相应的规划建议,最终达到合理调控用地,保障城市生态安全,兼顾社会经济发展与生态环境保护的目的。
【图文】：

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图 3-1 哈尔滨市 2000-2015 年土地利用重心转移Figure 3-1 The changes of the gravity center of land use in Harbin from 2000 to 20153.1.3 生态系统服务价值演变特征一、ESV 数量变化特征除了分析生态用地格局的数量演变特征，还需要从生态系统服务价值（EcosystemService Value, ESV）的角度来分析生态用地的质量变化。因此，本文通过分析哈尔滨市生态系统服务价值的时空演变特征来研究生态用地的质量演变特征。表 3-5 哈尔滨市生态系统服务价值当量（修正）Table 3-5 Corrected equivalent value of ecosystem service in Harbin一级类型二级类型耕地林地草地湿地水体建设用地裸地供给服务食物生产 1.00 0.33 0.43 0.36 0.53 0.00 0.02原材料生产 0.39 2.98 0.36 0.24 0.35 0.00 0.04调节服务气体调节 0.72 4.32 1.50 2.41 0.51 0.00 0.06气候调节 0.97 4.07 1.56 13.55 2.06 0.00 0.13水文调节 0.77 4.09 1.52 13.44 18.77 0.00 0.07废物处理 1.39 1.72 1.32 14.40 14.85 0.26 0.26支持服务保持土壤 1.47 4.02 2.24 1.99 0.41 0.00 0.17维持生物多样性 1.02 4.51 1.87 3.69 3.43 0.40 0.40

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图 3-3 哈尔滨市 2000-2015 年生态系统服务重心转移Figure 3-3 The changes of the gravity center of ecosystem service value in Harbin from 2000 to20153.1.4 生态用地格局演变驱动力指标体系通过对哈尔滨市生态用地格局演变的特征与过程进行分析，可以发现生态用地的演变与多种因素有关，，这些因素构成了导致生态用地变化的驱动力体系，因此构建科学和全面的生态用地驱动力体系是生态用地格局演变研究与模拟的关键[74-76]。在进行驱动因子的选取时，综合考虑以下原则：
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：F301.2;X24

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