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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 20 期摇 摇 2012 年 10 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
太湖流域源头溪流氧化亚氮(N2O)释放特征 袁淑方,王为东 (6279)……………………………………………
闽江河口湿地植物枯落物立枯和倒伏分解主要元素动态 曾从盛,张林海,王天鹅,等 (6289)…………………
宁夏荒漠草原小叶锦鸡儿可培养内生细菌多样性及其分布特征 代金霞,王玉炯 (6300)………………………
陕西省栎黄枯叶蛾蛹的空间分布 章一巧,宗世祥,刘永华,等 (6308)……………………………………………
模拟喀斯特生境条件下干旱胁迫对青冈栎苗木的影响 张中峰,尤业明,黄玉清,等 (6318)……………………
中国井冈山生态系统多样性 陈宝明,林真光,李摇 贞,等 (6326)…………………………………………………
鄂西南木林子常绿落叶阔叶混交林恢复过程中优势树种生态位动态 汤景明,艾训儒,易咏梅,等 (6334)……
不同增温处理对夏蜡梅光合特性和叶绿素荧光参数的影响 徐兴利, 金则新,何维明,等 (6343)……………
模拟长期大风对木本猪毛菜表观特征的影响 南摇 江,赵晓英,余保峰 (6354)…………………………………
雷竹林土壤和叶片 N、P 化学计量特征对林地覆盖的响应 郭子武,陈双林,杨清平,等 (6361)………………
利用树木年轮重建赣南地区 1890 年以来 2—3月份温度的变化 曹受金,曹福祥,项文化 (6369)……………
川西亚高山草甸土壤呼吸的昼夜变化及其季节动态 胡宗达,刘世荣,史作民,等 (6376)………………………
火干扰对小兴安岭白桦沼泽和落叶松鄄苔草沼泽凋落物和土壤碳储量的影响
周文昌,牟长城,刘摇 夏,等 (6387)
…………………………………
……………………………………………………………………………
黄土丘陵区三种典型退耕还林地土壤固碳效应差异 佟小刚,韩新辉,吴发启,等 (6396)………………………
岩质公路边坡生态恢复土壤特性与植物多样性 潘树林,辜摇 彬,李家祥 (6404)………………………………
坡位对东灵山辽东栎林土壤微生物量的影响 张摇 地,张育新,曲来叶,等 (6412)………………………………
太湖流域典型入湖港口景观格局对河流水质的影响 王摇 瑛,张建锋,陈光才,等 (6422)………………………
基于多角度基尼系数的江西省资源环境公平性研究 黄和平 (6431)……………………………………………
中国土地利用空间格局动态变化模拟———以规划情景为例 孙晓芳,岳天祥,范泽孟 (6440)…………………
世界主要国家耕地动态变化及其影响因素 赵文武 (6452)………………………………………………………
不同氮源下好氧反硝化菌 Defluvibacter lusatiensis str. DN7 的脱氮特性 肖继波,江惠霞,褚淑祎 (6463)………
基于生态足迹方法的南京可持续发展研究 周摇 静,管卫华 (6471)………………………………………………
基于投入产出方法的甘肃省水足迹及虚拟水贸易研究 蔡振华,沈来新,刘俊国,等 (6481)……………………
浦江县土壤碱解氮的空间变异与农户 N投入的关联分析 方摇 斌,吴金凤,倪绍祥 (6489)……………………
长江河口潮间带盐沼植被分布区及邻近光滩鱼类组成特征 童春富 (6501)……………………………………
深圳湾不同生境湿地大型底栖动物次级生产力的比较研究 周福芳,史秀华,邱国玉,等 (6511)………………
灰斑古毒蛾口腔反吐物诱导沙冬青细胞 Ca2+内流及 H2O2 积累 高海波,张淑静,沈应柏 (6520)……………
濒危物种金斑喙凤蝶的行为特征及其对生境的适应性 曾菊平,周善义,丁摇 健,等 (6527)……………………
细叶榕榕小蜂群落结构及动态变化 吴文珊,张彦杰,李凤玉,等 (6535)…………………………………………
专论与综述
流域生态系统补偿机制研究进展 张志强 ,程摇 莉 ,尚海洋,等 (6543)…………………………………………
可持续消费的内涵及研究进展———产业生态学视角 刘晶茹,刘瑞权,姚摇 亮 (6553)…………………………
工业水足迹评价与应用 贾摇 佳,严摇 岩,王辰星,等 (6558)………………………………………………………
矿区生态风险评价研究述评 潘雅婧,王仰麟,彭摇 建,等 (6566)…………………………………………………
研究简报
围封条件下荒漠草原 4 种典型植物群落枯落物枯落量及其蓄积动态 李学斌,陈摇 林,张硕新,等 (6575)……
密度和种植方式对夏玉米酶活性和产量的影响 李洪岐,蔺海明,梁书荣,等 (6584)……………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*312*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄10
封面图说: 草丛中的朱鹮———朱鹮有着鸟中“东方宝石冶之称。 洁白的羽毛,艳红的头冠和黑色的长嘴,加上细长的双脚,朱鹮
历来被日本皇室视为圣鸟。 20 世纪前朱鹮在中国东部、日本、俄罗斯、朝鲜等地曾有较广泛地分布,由于环境恶化等
因素导致种群数量急剧下降,至 20 世纪 70 年代野外已认为无踪影。 1981 年 5 月,中国鸟类学家经多年考察,在陕
西省洋县重新发现朱鹮种群,一共只有 7 只,也是世界上仅存的种群。 此后对朱鹮的保护和科学研究做了大量工
作,并于 1989 年在世界首次人工孵化成功。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 20 期
2012 年 10 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 20
Oct. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家杰出青年科学基金(40825003);国家重点基础研究发展计划“973 计划冶 (2010CB950904);国家自然科学基金重点项目课题
(41023010)
收稿日期:2011鄄10鄄27; 摇 摇 修订日期:2012鄄08鄄03
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: yue@ lreis. ac. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201110271605
孙晓芳,岳天祥,范泽孟.中国土地利用空间格局动态变化模拟———以规划情景为例.生态学报,2012,32(20):6440鄄6451.
Sun X F, Yue T X, Fan Z M. Simulation of the spatial pattern of land use change in China: the case of planned development scenario. Acta Ecologica
Sinica,2012,32(20):6440鄄6451.
中国土地利用空间格局动态变化模拟
———以规划情景为例
孙晓芳1,2,岳天祥1,*,范泽孟1
(1. 中国科学院地理科学与资源研究所,北京摇 100101; 2. 中国科学院研究生院,北京摇 100049)
摘要:土地利用变化研究在环境可持续发展研究领域中具有重要的地位,其空间分布格局的变化影响到生物地球化学循环、气
候变化、生物多样性等。 采用土地利用动态变化模型 Dyna鄄CLUE 模拟了在规划情景下中国土地利用变化未来空间分布格局。
将土地利用类型分为六大类,即耕地、草地、林地、建设用地、水域和其它用地。 驱动因子包括地形地貌、气候、社会交通等方面,
对动态驱动因子如气温、降水、人口交通等,考虑了其在未来情景下的发展趋势。 基于土地利用类型与驱动因子之间的定量关
系和土地利用类型之间的转换规则等,模拟出至 2020 年中国土地利用分布格局。 结果表明,至 2020 年,中国东南部、黄淮海平
原、四川盆地等地区耕地面积将增加,东北、西北等农牧交错区、农林交错区和沙漠边缘耕地面积将会呈轻度减少趋势;林地面
积将增加 1417. 91 万 hm2,主要发生在中国东北部以及西南部水热条件好的地区;中国草地在面积上保持稳定,空间上中东部、
东南地区草地面积减少,内蒙古中部,青海东部,四川盆地北缘区和青藏高原等地面积增加;建设用地增加 531. 76 万 hm2,主要
发生在中国的东部地区。
关键词:中国;土地利用变化;空间模型;情景;降尺度
Simulation of the spatial pattern of land use change in China: the case of planned
development scenario
SUN Xiaofang1,2, YUE Tianxiang1,*, FAN Zemeng1
1 Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
2 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Land use change is a key subject in the research of sustainable development in environment. The spatial pattern
of land use change closely related to earth system functioning, such as climate warming, biogeochemical circle and
landscape biodiversity. In order to improve ecological environment and promote social development, a series of land use
policies such as afforestation, restoration of degraded grassland and protection of cultivated land had been formulated. These
policies will exert a great influence on the spatial pattern of land use in China. However, the land use policies only provide
an overview of the land use changes at the national scale but can忆 t give insight into the changes at the regional and
landscape scales. In this paper, the Dyna鄄CLUE model, which is a dynamic, spatially explicit land use change model had
been used to simulate the spatial pattern of land use change in China in the coming decades. The planned development
scenario was developed, in which the total area for each land use types in the future were defined as required by the land
use policies. The Chinese level land use demands were downscaled to land use pattern at 2 km2 resolution. Six land use
types were distinguished which are built鄄up land, arable land, grassland, forest land, water area and other land. The
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spatial allocation of land uses were simulated based on the location suitability and user鄄specified decision rules. The driving
factors include climatic and economic condition, traffic situation, soil texture, topography and demography. Logistic
regression was used to quantify the relation between land use patterns and these drving factors. Climatic factors, traffic and
population were defined as dynamic driving factors. In the future, the HadCM3 B2 climatic scenario was adopted to provide
climatic data; the spatial pattern of population was simulated by SMPD (surface modeling of population distribution), and
the railway and road development plan was made by the government. Other stable driving factors such as topography, soil
texture were assumed to remain unchanged in the future 15 years. The performance of the land use change model was
validated, showing that this method can simulate the spatial pattern of land use change accurately. The results indicate that
the area of cultivated land would keep no less than 120. 33 million hectares, however, it would decrease in western region
where the land is not suitable for cultivation and would increase in central south China. The forest area would increase by
14. 28 million hectares, mainly in northeastern and southwestern China, where the climate is sufficiently hospitable for
forest growth. The area of built鄄up land would increase by 5. 3176 million hectares, mainly in eastern and southeastern
regions of China which are characterized by high population density and advanced economy. The simulation has the potential
to help decision makers and scientists identify the critical regions that need specific consideration. The high spatial
resolution of the results enable the assessment of impact of land use change on a large number of environmental indicators,
including climate change, carbon sequestration and landscape diversity.
Key Words: China; land use change; spatial model; scenario; downscaling
土地利用变化从根本上改变生态系统结构和功能,对资源、环境和社会产生深远的影响。 随着人口增长
和经济的发展,人类对自然资源的开发和利用日益增加,促使土地利用变化愈加活跃,由此所引起的气候变
化、生物多样性保持、食物供给能力、环境污染等问题成为社会和科学界共同关注的热点问题[1鄄5],因此对土
地利用变化空间分布格局的模拟显得十分重要。 近年来国内外发展了很多土地利用变化空间模型,如 CLUE
(Conversion of Land Use and its Effects model) [6], GEOMOD[7], SLEUTH[8],DSL(Dynamics of Land System) [9]
等。 Verburg等利用全球经济模型 GTAP(Global Trade Analysis Project)和 IMAGE(Integrated Modeling to Assess
the Global Environment)模型估算了欧洲国家尺度上对农田的面积总需求,并基于 CLUE鄄S(Conversion of Land
Use and its Effects at Small regional extent)模型将该面积总需求扩展到空间尺度[10]。 何春阳等通过综合系统
动力学模型和元胞自动机模型,从宏观用地需求总量和微观土地供给相平衡的角度发展了土地利用情景变化
动力学模型(LUSD, Land Use Scenarios Dynamics model),模拟了中国北方 13 省未来 20a 土地利用变化情
景[11]。 Deng等采用土地系统动态模拟系统 DSL模拟了太仆寺旗在经济、生态和参考 3 种情景下土地利用变
化的时空分布模式[12]。 Liu 等采用细胞自控制模型与人工神经网络模型相耦合的方法对珠江三角洲各发展
情景下的土地利用格局变化进行了模拟[13]。 梁友嘉等通过集成 SD(System Dynamics model)模型和 CLUE鄄S
模型模拟了中国张掖市甘州区在经济加速发展、平稳发展和减速发展 3 种情景下至 2035 年土地利用变化的
时空过程[14]。 此外,基于遥感探测数据,目前已建成了大量全球和区域尺度的土地利用变化时空数据集,成
为气候变化、生物地球化学模拟等地球系统过程研究的重要数据基础[15]。 以上研究分别在不同时空尺度上
模拟了土地利用变化空间格局,从不同方向推动了土地利用变化空间格局模拟研究的发展。
为了缓解生态环境破坏加剧的趋势、保障国家粮食安全,统筹土地资源的开发,我国制定了相关的未来的
土地利用总体规划,而仅在全国尺度上分析评估土地利用变化对一系列生态过程的影响显然是不够的,中国
的自然环境和社会经济状况在地区间的差距较大,各土地利用类型变化具有明显的地域分异,因此必须将国
家尺度的土地利用规划与空间分布相结合,对未来土地利用的空间分布格局进行模拟分析,才能了解土地利
用变化的热点区域、评估土地利用系统与陆地生态系统之间的相互作用及土地利用变化对生态、社会经济等
的影响。 本研究以 Dyna鄄CLUE (Dynamic Conversion of Land Use and its Effects model) 为例模拟了中国未来土
1446摇 20 期 摇 摇 摇 孙晓芳摇 等:中国土地利用空间格局动态变化模拟———以规划情景为例 摇
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地利用变化的空间分布格局,实现了国家规划驱动下的土地利用变化过程的空间表现,介绍了所采用的气候、
地形地貌和社会经济数据,分析土地利用与各因子之间的关系、模拟结果一方面能够对各地区资源的合理开
发利用、生态环境的保护、社会经济的可持续发展和因地制宜调整土地利用格局提供有益建议,另一方面使得
土地利用变化对各种环境指示因子如碳收支和生物多样性等的影响评估成为可能。
1摇 模型与方法
1. 1摇 土地利用模拟方法
研究基于国家对各类型土地利用面积规划数据,采用土地利用动态变化模型对中国未来土地利用变化进
行空间模拟分析,研究方案如图 1 所示。 Dyna鄄CLUE 模型是在 CLUE鄄S 模型[16鄄17]的基础上进行了发展改进,
是考虑了社会经济驱动因子和生物、物理驱动因子,综合分析土地利用变化的跨尺度动态模型。 将“自上而
下冶和“自下而上冶过程相结合,综合了土地利用变化的宏观驱动因素与微观格局演化特征,融合了土地利用
的数量变化与空间分布,同时能够全面的考虑多种土地利用变化驱动因子,通过运用系统论处理各土地利用
类型间的竞争关系,实现对不同土地利用变化在空间上的直观表达[6]。
图 1摇 规划情景下中国土地利用空间分布模拟方法框架
Fig. 1摇 Flowchart of the simulation of future land use spatial pattern for China under the planned development scenario
Dyna鄄CLUE模型假设土地利用变化受土地利用需求驱动,土地需求、土地利用空间分布格局和该地区自
然环境、社会经济状况三者之间处于动态平衡态。 模型主要包括 4 个模块,土地需求模块,空降水等气候因间
适宜性分析模块,各类型土地利用转换设置模块和空间政策制约模块[18]。 其中空间需求模块中确定每种土
地利用类型实际应分配到的面积总量,决定每种土地利用类型整体上的竞争力。 空间适宜性模块中,基于土
地利用空间格局现状与多种驱动因素所建立的空间相关关系和邻域效应原则对每个栅格上各土地利用类型
的适宜性做出评价,在空间上对各土地利用类型进行优化布局,是模型核心部分之一,决定土地利用的空间格
局特征。 各类型土地利用转化设置模块包括对不同土地利用类型的稳定性进行设置和对土地利用类型之间
相互转换的可能性进行设置。 空间政策制约模块中,模型设置了土地利用类型间的转换条件,例如自然保护
区的森林和草地等不容许转换为耕地和建设用地,从而使得模拟结果更接近实际情况。 在 Dyna鄄CLUE 模型
的模拟过程中,综合各土地类型的总需求、空间分布适宜性、土地利用转化规则、限制条件,基于土地利用现状
图,对土地利用进行空间分配。 首先确定可转换的土地利用模拟单元,按照该单元不同土地利用类型的分布
适宜性大小对土地利用变化进行分配,生成最初土地利用图,然后与土地利用需求之间寻求平衡,通过多次迭
代直到符合各土地利用类型的面积需求[10]。
1. 2摇 数据
根据 Dyna鄄CLUE模型的结构,进行模拟时需要输入四类数据,即各类型土地利用未来总面积需求数据、
地域特征数据、空间政策制约数据和土地利用类型之间转换的参数设置。
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摇 图 2摇 2005 年至 2020 年土地利用规划中各土地利用类型需求面
积变化曲线
Fig. 2摇 Variation curves of needed area of various types of land in
land use planning for 2005—2020
其中各类型土地利用未来总面积需求数据基于
《全国土地利用总体规划纲要(2006—2020 年)》;该规
划制定了未来至 2020 年中国主要土地利用类型(如建
设用地、林地、耕地、草地)的发展目标,各土地利用类
型未来的面积变化如图 2 所示。 由于统计部门数据和
土地利用遥感数据[19]存在一定的偏差,其中,遥感监测
获得的 2005 年建设用地、耕地、林地、草地的面积分别
是 19 万、179 万、300 万、225 万 km2,而统计部门对应的
数据分别是 31 万、122 万、262 万、247 万 km2,因此对数
据进行了适当的调整,基于各土地利用类型的空间数据
与统计数据的比例,将各土地利用类型未来的规划数据
与空间数据相匹配。 土地利用规划纲要做出了对 2010
年和 2020 年各土地利用类型的发展规划,2010 年至
2020 年逐年各土地利用类型面积由线性内插得到。 以
2005 年中国土地利用遥感解译图作为初始基准面数据[18],根据本研究需要,将原土地利用图中的土地利用
类型合并为 6 种:建设用地、耕地、林地、草地、水域和未利用地。 各类型土地利用未来总面积需求数据将在总
体上控制着全国土地利用变化的总量水平[20]。
土地利用变化受到许多自然因子和社会因子的影响[21鄄22],本研究中将驱动土地利用变化的地域特征因
子分为两大类,即非动态驱动因子和动态驱动因子。 非动态驱动因子包括高程、坡度、坡向、排水能力等地形
地貌数据,土壤厚度、pH 值、土壤质地、土壤有机质含量等土壤因子数据,假定上述非动态驱动因子在未来
20a不会发生明显的变化。 动态驱动因子包括气温、降水等气候因子、公路分布、铁路分布、人口数量等社会
经济因子,动态驱动因子在未来时期会发生较为明显的变化,需要提供未来时期的空间数据,从而更好地模拟
未来情景下土地利用分布格局。 本研究中,未来交通数据来源于《中长期铁路网规划》和中国国家公路网建
设发展规划,根据规划图进行数字化得到(图 3,图 4);未来人口采用人口空间分布曲面模型(SMPD, Surface
Modeling of Population Distribution)模拟得到[23鄄24];根据我国“十一五冶中长期发展规划,中国未来发展与区域
可持续发展(B2)情景接近,因此本研究选用 B2 情景下的气候数据作为未来驱动土地利用变化的气候因素,
GCM(General Circulation Model)的模拟数据是全球尺度上对未来气候情景进行宏观预测分析,结合 DEM
(Digital Elevation Model)数据、经纬度、坡向、坡度等系列地形特征数据,构建年平均气温的降尺度模型和年平
均降水的降尺度模型的基础上,运用 HASM(高精度高速度曲面建模方法, High Accuracy Surface Modeling)对
HadCM3(the third version of the Hadley center Coupled Model)的全国未来平均气温和平均降水进行高精度曲
面模拟[25鄄27],得到全国 1 km分辨率的气候情景数据[28鄄29]。
采用 Logistic逐步回归评价分析各土地利用类型与其驱动因子的关系及其空间表现形式,该方法是土地
利用变化研究中的常用方法[30],以各土地利用类型为因变量,驱动因子为自变量建立二元 Logistic 回归方程,
通过土地利用空间分布与驱动因素之间的关系得出各土地利用类型的空间分布概率,对土地利用需求进行空
间分配。
空间政策制约模块指根据各地土地利用的实际情况确定土地利用转换中的特殊限制条件,根据国家土地
利用规划内容,严格控制各项建设工程征占自然保护区、森林公园,本研究中对中国自然保护区内土地利用类
型的转化进行了限制,中国的自然保护区分布如图 5 所示,在保护区内,森林、草地等自然生态系统不会受到
干扰和破坏而转变为建设用地和耕地。
土地利用稳定程度即某一土地利用类型转换为其他类型的难度大小,该参数介于 0—1之间,参数为 0 时
可以任意转换为其它类型,参数为 1 时则不会转换为其它类型。 本研究中,根据专家经验建设用地、耕地、草
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图 3摇 中国未来主要铁路分布图
Fig. 3摇 Spatial distribution of railway in China in 2015 and 2020
图 4摇 中国未来主要公路分布图
Fig. 4摇 Spatial distribution of road in China in 2015 and 2020
地、林地、水域的稳定程度分别设置为 0. 9、0. 7、0. 6、0. 9、0. 9。 各土地利用类型之间转移规则为,允许建设用
地转移为耕地,不允许其转移为林地和草地;允许耕地转移为建筑用地、草地、林地和未利用地;自然保护区外
允许草地转移为耕地、建设用地,而不能转移为林地;自然保护区外林地可以转移为建设用地、耕地、草地和未
利用地,未利用地可以转移为建设用地、耕地和草地,在降雨量大于 250 mm 的地区,未利用地可以转移为林
地[31鄄32]。 上述各土地利用类型之间的转移规则是依据专家经验和文献资料所制定,只是体现了各类型之间
相互转化的可能性,而各类型之间是否会发生转移还要根据局地土地利用的适宜性来判定。
1. 3摇 土地利用模型验证
利用 1985 年的土地利用空间分布图作为基准年数据,采用 Dyna鄄CLUE 模型预测出 2000 年的土地利用
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图 5摇 中国自然保护区分布图
Fig. 5摇 Spatial distribution of natural reserve in China
分布格局,应用 2000 年真实的土地利用遥感解译图与
模型预测的 2000 年土地利用图进行 Kappa 指数分
析[33鄄34],其中 1985 至 2000 年间的土地利用面积数据采
取线性插值法获得。 分析结果表明位置 Kappa 系数值
为 0. 86,具有较高的一致性。 说明模型具有较好的空
间预测能力。 面积 Kappa 系数值为 0. 99,这是因为各
土地利用类型面积的需求值是作为已知参数输入的。
1. 4摇 土地利用动态度模型
为了分析各土地利用类型的空间格局的变化,采用
土地利用动态度模型对土地利用变化速率的区域差异
进行分析[20,35]:
S =移
n
ij
驻Si- j / S( )i 伊 1 /( )t
式中, Si 为模拟开始时间第 i 类土地利用类型总面积,
本研究指栅格单元面积; 驻Si- j 为模拟开始至模拟结束
时段内第 i 类土地利用类型转换为其他类土地利用类
型面积总和;t为土地利用变化时间段,S 为与 t 时段对
应的研究区土地利用变化速率。 该模型用于单一土地
利用类型变化速率的度量[20]。 根据 10 km 网格内主导转换类型的变化最大的类型确定为该栅格的变化类
型, 形成主导转换土地利用动态类型图。
2摇 结果和分析
2. 1摇 各土地利用类型空间分布适宜性
土地利用类型和各驱动因子进行 Logistic 回归的结果用 ROC(Receiver Operating Characteristic)来检
验[36],ROC的值在 0. 5 至 1. 0 之间,其值越接近 1. 0,表明回归方程对土地利用分布格局的解释能力越强,由
表 1 可知,各土地利用类型的 ROC值均在 0. 8 以上,说明本研究所选的驱动因素对中国土地利用空间分布判
别效果较好。 根据 Logistic回归结果得到土地利用分布的适宜性图(图 6)。 适宜发展耕地的地区分布在中、
东部气候湿润、地势平坦、人口相对集中、自然条件较为优越的地区。 林地适宜分布区为我国东北区、中亚热
带湿润区和南亚热带湿润区。 草地分布的适宜区为青藏高原区、新疆西北部地区及内蒙古地区。 建设用地的
适宜区集中在东部人口密集区,与耕地的适宜区有一定的交集,因此在土地利用规划过程中要进行科学配置,
提高土地利用效率,既要保障必要的设施用地,又要控制建设用地的低效扩张,控制其对耕地的占用。
表 1摇 各土地利用类型 Logistic逐步回归结果的 ROC值
Table 1摇 The ROC values for logistic regression for different land use types
土地利用类型 Land use type ROC值 ROC value
建设用地 Built鄄up 0. 884
草地 Grassland 0. 802
林地 Forest 0. 875
耕地 Arable land 0. 864
水域 Water area 0. 848
2. 2摇 中国土地利用时空格局变化模拟结果
2005 年和规划情景下 2020 年中国土地利用分布格局如图 7 所示,总体而言,中国土地利用分布状况不
会发生很大的变化,这是因为各土地利用类型的分布格局是在长期历史发展过程中形成的,与中国的自然地
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图 6摇 各土地利用类型的分布概率图
Fig. 6摇 Probability maps for cultivated land, forest, grassland and built鄄up land in China
理环境相适应,不会在较短的预测期内有大的变动,但是通过土地利用动态度模型的计算结果(图 8),能够较
为直观清晰的分析判断 2005 年至 2020 年中国土地利用空间分布格局的变化,有利于对土地利用变化及其影
响作进一步的分析研究。
根据土地利用规划,为了保障国家粮食安全和生态安全,耕地保护将得到强化,阻止优质耕地的减少,提
高耕地质量,全国耕地在 2020 年不低于 12. 03hm2(图 2)。 由 Dyna鄄CLUE模型模拟的土地利用变化空间分布
格局可知(图 8),中国东南部、黄淮海平原、四川盆地等地区耕地面积将增加,东北、西北等农牧交错区、农林
交错区和沙漠边缘耕地面积将会呈轻度减少趋势,因此,一些质量较差的非宜农地趋向于减少、东部及南部土
壤肥沃、农业生产力较高的高质量耕地面积增加。 这与中国耕地规划的意图是相符合的,即从数量和质量
(产能)两方面实现耕地保护目标,增强耕地管护。
森林生态系统在气候调节、水土保持、环境保护等方面具有重要的作用,因此,中国土地利用规划提出要
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图 7摇 2005 年和规划情境下 2020 年中国土地利用分布格局
Fig. 7摇 The spatial pattern of land use of China under planned development scenario
充分利用宜林荒山荒坡造林,扩大有林地面积,到 2020 年,林地面积增加 1417. 91 万 hm2。 根据模拟的结果,
增加的林地主要分布在中国东北部以及西南部水热条件好的地区(图 8),近几十年来,我国东北林区采伐率
高,林业用地面积缩小十分迅速,面临严重的森林资源危机,未来要实施合理采伐政策,重建受损林地,增加该
区森林面积。 西南地区森林成熟林、过熟林比重高,森林自然枯损严重,另外火灾、毁林开荒也普遍存在,提高
对该区森林资源管理水平能够增加该地区的森林面积。 模拟结果展现了林地面积增加时的最优分布格局,有
助于对植树造林的选址和用地进行科学的控制和引导,提高造林的生态效益。 如果仅以森林总面积的增加为
目的,不充分考虑林地分布的适宜性和合理性,则具有盲目性,例如在适宜草原分布的地区植树会导致下层土
酸化,原生植被受到破坏,反而不利于水土保持。
根据国家土地利用总体规划,全国草地总面积至 2020 年与 2005 年基本保持不变。 空间上根据模拟结果
表现为我国中东部、东南地区草地面积减少,内蒙古中部,青海东部,四川盆地北缘区和青藏高原等地面积增
加(图 8)。
我国处于城镇化工业化快速发展阶段,建设用地需求量将保持增加趋势,到 2020 年,建设用地面积将增
加 531. 76 万 hm2,主要发生在中国东部地区。 东南沿海、京津塘地区、黄淮海平原等地建设用地扩张显著
(图 8)。
3摇 结论和讨论
本文对中国规划情景下土地利用变化的空间分布格局进行了模型分析,根据各土地利用类型分布的空间
适宜性将国家尺度的土地利用规划降尺度到栅格尺度。 Dyna鄄CLUE 模型同时考虑了自然环境、社会、经济、
政策等多种因子与土地利用之间的相互作用,形成了土地适宜性,在此基础上对一定区域内的土地利用类型
进行空间优化布局,模拟结果为因地制宜调整各类用地布局、遵循生态规律制定相应的土地开发政策提供有
宜的参考和依据。 同时有利于决策者和科研工作者发现土地利用变化的热点和关键区域,对气候变化、生态
修复、碳循环等研究提供重要的数据基础。 例如根据土地利用变化空间格局模拟结果,结合不同时段的农田
土地利用分类面积数据计算中国光温生产潜力及其变化,可以估算出土地利用变化对中国农田光温生产潜力
的影响[37鄄38];土地利用变化是引起碳源、汇变化的主要原因之一,结合土地利用变化空间格局可以估算植被
碳储量和土壤碳储量的变化[39鄄43];根据土地利用格局所提取的各土地类型的面积和连通性可以估测土地利
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图 8摇 2005—2020 年间主要土地利用类型变化
Fig. 8摇 Land use change area of main types from 2005 to 2020
数值表明 10 km伊10 km栅格内,其净变化面积(hm2),即根据变化图斑汇总的此类型增加面积与减少面积的差
用类型对生物多样性分布的影响[44];土地利用变化通过生物地球物理作用和生物地球化学作用对气候变化
产生重要影响[45鄄48],对土地利用变化空间格局的模拟能够使得对未来气候变化的预测更加精确,增强应对全
球气候变化能力;另外,结合土地利用变化的空间格局以及水文模型如 L鄄THIA(Long鄄Term Hydrological Impact
Assessment)可模拟不同土地利用情景对地表径流的影响[49];等等。 在以后的研究中,拟结合其它相关数据源
和数学模型,在本研究结果的基础上,模拟不同情景下中国土地利用变化对关键生态环境因子的影响效应。
本文的预测建立在一些假设的基础上,因此模拟结果只是对未来土地利用变化的一种可能性展示,具有
很大的不确定性,并不能代表未来土地利用的实际变化。 这是因为,首先,模型假设土地利用变化和驱动因子
的关系在短期内保持不变,进而通过现存的土地格局与驱动因子的相关关系预测未来土地变化的空间分布;
其次,模型中的参数如土地利用转换规则和各土地利用类型的稳定强度是根据专家经验来设定,也具有一定
程度的不确定性;本文是基于规划情景进行的模拟,模拟结果是否接近未来实际也取决于规划目标是否能够
顺利实现。 因此本研究的结果仅说明了未来土地利用变化空间分布的可能趋势。
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ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 20 October,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Characteristics of nitrous oxide (N2O) emission from a headstream in the upper Taihu Lake Basin
YUAN Shufang, WANG Weidong (6279)
……………………………………
……………………………………………………………………………………………
Nutrient dynamics of the litters during standing and sediment surface decay in the Min River estuarine marsh
ZENG Congsheng, ZHANG Linhai, WANG Tian忆e, et al (6289)
………………………
…………………………………………………………………
Diversity and distribution of endophytic bacteria isolated from Caragana microphylla grown in desert grassland in Ningxia
DAI Jinxia, WANG Yujiong (6300)
……………
…………………………………………………………………………………………………
Spatial distribution of Trabala vishnou gigantina Yang pupae in Shaanxi Province, China
ZHANG Yiqiao, ZONG Shixiang, LIU Yonghua, et al (6308)
……………………………………………
……………………………………………………………………
Effects of drought stress on Cyclobalanopsis glauca seedlings under simulating karst environment condition
ZHANG Zhongfeng, YOU Yeming, HUANG Yuqing, et al (6318)
……………………………
…………………………………………………………………
Ecosystem diversity in Jinggangshan area, China CHEN Baoming, LIN Zhenguang, LI Zhen, et al (6326)…………………………
Niche dynamics during restoration process for the dominant tree species in montane mixed evergreen and deciduous broadleaved
forests at Mulinzi of southwest Hubei TANG Jingming, AI Xuenru,YI Yongmei, et al (6334)……………………………………
Effects of different day / night warming on the photosynthetic characteristics and chlorophyll fluorescence parameters of Sinocaly鄄
canthus chinensis seedlings XU Xingli,JIN Zexin,HE Weiming, et al (6343)……………………………………………………
The effect of simulated chronic high wind on the phenotype of Salsola arbuscula
NAN Jiang,ZHAO Xiaoying, YU Baofeng (6354)
………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Responses of N and P stoichiometry on mulching management in the stand of Phyllostachys praecox
GUO Ziwu, CHEN Shuanglin, YANG Qingping, et al (6361)
…………………………………
……………………………………………………………………
Tree鄄ring鄄based reconstruction of the temperature variations in February and March since 1890 AD in southern Jiangxi Province,
China CAO Shoujin, CAO Fuxiang, XIANG Wenhua (6369)……………………………………………………………………
Diel variations and seasonal dynamics of soil respirations in subalpine meadow in western Sichuan Province, China
HU Zongda,LIU Shirong,SHI Zuomin, et al (6376)
…………………
………………………………………………………………………………
Effects of fire disturbance on litter mass and soil carbon storage of Betula platyphylla and Larix gmelinii鄄Carex schmidtii swamps
in the Xiaoxing忆an Mountains of Northeast China ZHOU Wenchang, MU Changcheng, LIU Xia, et al (6387)…………………
Variance analysis of soil carbon sequestration under three typical forest lands converted from farmland in a Loess Hilly Area
TONG Xiaogang, HAN Xinhui, WU Faqi, et al (6396)
………
……………………………………………………………………………
Soil鄄property and plant diversity of highway rocky slopes PAN Shulin,GU Bin,LI Jiaxiang (6404)……………………………………
Effects of slope position on soil microbial biomass of Quercus liaotungensis forest in Dongling Mountain
ZHANG Di, ZHANG Yuxin, QU Laiye, et al (6412)
………………………………
………………………………………………………………………………
Responses of water quality to landscape pattern in Taihu watershed: case study of 3 typical streams in Yixing
WANG Ying, ZHANG Jianfeng, CHEN Guangcai, et al (6422)
………………………
……………………………………………………………………
Study on the fairness of resource鄄environment system of Jiangxi Province based on different methods of Gini coefficient
HUANG Heping (6431)
………………
………………………………………………………………………………………………………………
Simulation of the spatial pattern of land use change in China: the case of planned development scenario
SUN Xiaofang, YUE Tianxiang, FAN Zemeng (6440)
……………………………
………………………………………………………………………………
Arable land change dynamics and their driving forces for the major countries of the world ZHAO Wenwu (6452)……………………
Denitrification characteristics of an aerobic denitrifying bacterium Defluvibacter lusatiensis str. DN7 using different sources of nitrogen
XIAO Jibo, JIANG Huixia, CHU Shuyi (6463)
……
……………………………………………………………………………………
Study on sustainable development in nanjing based on ecological footprint model ZHOU Jing, GUAN Weihua (6471)………………
Applying input鄄output analysis method for calculation of water footprint and virtual water trade in Gansu Province
CAI Zhenhua, SHEN Laixin, LIU Junguo, et al (6481)
……………………
……………………………………………………………………………
Correlation analysis of spatial variability of Soil available nitrogen and household nitrogen inputs at Pujiang County
FANG Bin, WU Jinfeng, NI Shaoxiang (6489)
…………………
……………………………………………………………………………………
Characteristics of the fish assemblages in the intertidal salt marsh zone and adjacent mudflat in the Yangtze Estuary
TONG Chunfu (6501)
…………………
………………………………………………………………………………………………………………
A comparison study on the secondary production of macrobenthos in different wetland habitats in Shenzhen Bay
ZHOU Fufang, SHI Xiuhua, QIU Guoyu, et al (6511)
………………………
……………………………………………………………………………
Regurgitant from Orgyia ericae Germar induces calcium influx and accumulation of hydrogen peroxide in Ammopiptanthus
mongolicus (Maxim. ex Kom. ) Cheng f. cells GAO Haibo, ZHANG Shujing,SHEN Yingbai (6520)…………………………
Behavior characteristics and habitat adaptabilities of the endangered butterfly Teinopalpus aureus in Mount Dayao
ZENG Juping, ZHOU Shanyi, DING Jian, et al (6527)
……………………
……………………………………………………………………………
Community structure and dynamics of fig wasps in syconia of Ficus microcarpa Linn. f. in Fuzhou
WU Wenshan, ZHANG Yanjie, LI Fengyu, et al (6535)
……………………………………
…………………………………………………………………………
Review and Monograph
Review and trend of eco鄄compensation mechanism on river basin ZHANG Zhiqiang, CHENG Li,SHANG Haiyang, et al (6543)……
Definition and research progress of sustainable consumption: from industrial ecology view
LIU Jingru, LIU Ruiquan, YAO Liang (6553)
……………………………………………
………………………………………………………………………………………
The estimation and application of the water footprint in industrial processes JIA Jia, YAN Yan, WANG Chenxing, et al (6558)……
Research progress in ecological risk assessment of mining area PAN Yajing,WANG Yanglin,PENG Jian, et al (6566)………………
Scientific Note
Litter amount and its dynamic change of four typical plant community under the fenced condition in desert steppe
LI Xuebin, CHEN Lin, ZHANG Shuoxin, et al (6575)
……………………
……………………………………………………………………………
Effects of planting densities and modes on activities of some enzymes and yield in summer maize
LI Hongqi, LIN Haiming,LIANG Shurong, et al (6584)
……………………………………
……………………………………………………………………………
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的生态学专业性高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研
究原始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、
新方法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
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(SHENGTAI摇 XUEBAO)
(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 32 卷摇 第 20 期摇 (2012 年 10 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
摇
(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 32摇 No郾 20 (October, 2012)
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