基于CA-Markov模型的宁夏沿黄生态经济带土地利用变化及模拟研究

冯丽媛，米文宝，马国庆

（1.宁夏土地勘测规划院 宁夏 银川750002；2.宁夏大学 资源环境学院，宁夏 银川750021）

土地作为人类活动与自然环境相互作用的纽带，是人类生产生活的空间载体和社会经济发展的重要保障，其开发利用受自然、经济、政策等因素综合影响。自改革开放以来，土地资源有力保障了社会经济的快速发展，促进了农业现代化、工业化和城镇化的快速推进，同时土地利用覆被特征也出现明显变化，进而影响区域国土空间格局优化、生态环境保护和社会经济可持续发展。特别是近年来随着生态文明战略的深入推进，国家对国土开发利用保护提出了更高要求，提出节约优先、保护优先和自然恢复为主的方针，重点解决国土无序开发等问题，构建有序、高效、可持续的国土空间开发格局，未来将对土地利用变化产生新的影响。因此，开展土地利用变化和模拟，有助于揭示人类社会经济活动规律，对引导地区合理开发利用保护土地和国土空间格局优化具有重要意义。自1995年“国际地圈与生物圈计划（IGBP）”和“全球变化的人文因素计划（IHDP）”联合制订“土地利用与土地覆被变化”研究计划以来，土地利用变化研究成为各界专家研究的重点及热点问题。在研究尺度方面，形成了宏观、中观和微观尺度等一系列研究成果，其中刘纪远等［1］对中国2010—2015年土地利用变化的时空格局变化进行了研究；杨浩等［2］对京津冀城市群土地利用变化对热环境的影响情况进行了研究；李丹等［3］对绥芬河市土地利用变化的时空格局进行了研究。在研究内容方面，主要有土地利用变化时空特征、空间模拟、驱动力以及对生态环境影响等研究，如柯新利等［4］对1990年以来武汉城市圈土地利用变化时空特征进行了研究；邓华等［5］对三峡库区土地利用未来情景进行了模拟；郭燕燕［6］对深圳市土地利用变化情况进行了模拟研究；史培军等［7］对影响深圳市土地利用变化的驱动力进行了研究；于淼等［8］对江苏省沿海地区土地利用变化产生的生态效应进行了研究。在研究方法方面，主要有CLUE-S［9］、CA-Markov［10］、Logistic-Markov［11］、土 地 利 用 动 态 度［8，4，12］等 方 法。总体来看，之前的研究成果对自然、区位等驱动因素考虑的较多，但对政策方面的驱动因素如禁止建设区、永久基本农田等研究较少。

宁夏沿黄生态经济带作为宁夏全域经济社会发展的增长极，人口、产业和资本要素高度集聚，城镇建设和产业发展势头强劲，是国家重点开发区之一；同时，宁夏沿黄生态经济带基本农田集中连片分布，河流、湖泊等水域规模较大，是国家农产品主产区和平原绿洲生态带，土地利用变化频率较快，经济社会快速发展产生的用地需求与耕地、生态环境保护之间的矛盾更为突出，有序开发利用自然资源对实现宁夏沿黄生态经济带可持续发展具有重要意义。因此，本研究运用Markov方法对宁夏沿黄生态经济带土地利用变化情况进行了分析，并基于CA-Markov 方法，对自然发展情景、土地规划情景、耕地和环境保护情景下的2025年土地利用格局进行了模拟，以期将来为国土空间规划编制、优化国土空间格局和自然资源配置提供重要参考。

1 研究区概况

自20世纪90年代宁夏提出“黄河经济”战略以来，逐步整合资源、优化生产力布局，逐步形成分工合理、产业配套、密切协作、竞争有序的产业集群，经济实力强劲，带动了宁夏经济社会整体快速发展，并跃升为国务院确定的18个国家重点开发区之一。2017年，宁夏第十二次党代会将生态文明建设思想融入沿黄经济带建设，正式提出要打造“宁夏沿黄生态经济带”。宁夏沿黄生态经济带共涉及13个县（市、区），分别为银川市5个县（市、区）、石嘴山市3个县（市、区）、吴忠市利通区和青铜峡市、中卫市沙坡头区和中宁县，用地总面积226.92 km2，其中建设用地19.78 km2，占宁夏建设用地面积的61.03%。截止2017年底，宁夏沿黄生态经济带实现地区生产总值3.00×1011元，占宁夏整体87.12%；固定资产投资2.88×1011元，占宁夏整体75.59%；常住人口4.50×106人，城镇人口3.95×106人，城镇化率达到69.39%。

2 数据来源和方法

2.1 数据来源及处理

2.1.1 数据来源 本文采用的2009 年、2017 年土地利用现状地类来源于宁夏各县（市、区）土地利用现状变更调查成果；2020年土地利用规划地类、禁止建设区、永久基本农田保护数据来源于各县（市、区）土地利用总体规划调整完善成果（2016年版）；坡度和高程来源于地理空间数据云，分辨率为30 m。

2.1.2 数据预处理 首先，运用ArcGIS软件的空间分析功能，提取研究区坡度和高程；其次，对2009年、2017年土地利用现状数据，2020年土地规划数据及其他矢量数据进行栅格化处理，转化为30 m×30 m的栅格数据。

2.2 研究方法

CA-Markov模型综合了Markov模型时间序列预测和CA 模型空间分布模拟的优势，可以较好的对土地利用变化数量、空间格局进行模拟［13］。本文基于2017 年土地利用现状情况，采用CA-Markov模型，分别基于自然发展情景、土地规划情景、耕地和环境保护情景，对2025年宁夏沿黄生态经济带土地利用状况进行了模拟。具体步骤如下：

（1）转换规则。运用Markov模型，将时间周期设置为8 a，比例误差设置为0.15，分别得到了宁夏沿黄生态经济带2009—2017年和2009—2020 年土地利用转移面积矩阵和转移概率矩阵。

（2）制作适宜性图集。在自然发展情景下，以2009—2017年土地转移面积矩阵作为适宜性图集进行了模拟；在土地规划情景下，以2009—2020年土地利用转移面积矩阵作为适宜性图集进行了模拟；在耕地和环境保护情景下，综合考虑了耕地、生态环境保护等因素，并结合宁夏沿黄生态经济带发展实际，将水域、建设用地、永久基本农田、禁止建设区作为限制因子，将坡度和高程作为限制条件，制作了适宜性图集。

（3）构造CA 滤波器。根据相关文献，一个元胞周围5×5个元胞组成的矩形空间对该元胞状态的改变具有显著影响，故采用5×5的滤波器［14］。

（4）确定CA 循环次数。首先，以2009 年为基期，循环次数设置为8 a，对2017年土地利用变化情况进行模拟，用于计算模拟精度；以2017年为基期，循环次数设置为8 a，对沿黄生态经济带2025年土地利用格局进行模拟。

3 结果与分析

3.1 土地利用分析

3.1.1 土地利用变化分析 结合《土地利用现状分类》（GB／T 21010-2007），将土地划分为10 个类别，分别为耕地、园地、林地、牧草地、其他农用地、城乡建设用地、交通水利用地、其他建设用地、水域及自然保留地。通过对原始数据进行重分类，得到宁夏沿黄生态经济带2009，2017年土地利用现状栅格图（见附图4—5）。

通过对宁夏沿黄生态经济带2009—2017年各类用地面积及比例变化情况进行分析，发现土地利用整体呈现出耕地、其他农用地及各类建设用地不断增加，园地、林地、牧草地、水域及自然保留地均不断减少的特点（见表1）。农用地中，随着耕地占补平衡政策落实、土地整治工程有力推进，宁夏沿黄生态经济带耕地得到有效保护，沟渠等农田设施用地不断完善，2009—2017年耕地和其他农用地面积有所增加；园地、林地及牧草地面积均有所下降。2009—2017年间，各类建设用地均有所增加，其中城乡建设用地增幅最大，依次为交通水利用地和其他建设用地。其他土地中，水域和自然保留地面积均有所减少，尤其是自然保留地降幅较大为1.12%。

表1 2009－2017年土地利用变化情况分析

3.1.2 土地利用流向分析 在对宁夏沿黄生态经济带2009年和2017年土地利用现状栅格数据进行叠加分析后，计算出2009—2017年各类土地转换概率矩阵（见表2）。由表2可知，农用地中，耕地转为城乡建设用地的概率最大，达到10.65%，依次为交通水利用地和牧草地；园地转为城乡建设用地和耕地的概率相当，分别为8.58%和8.2%；林地转为牧草地的概率最大，为5.25%，依次为耕地、城乡建设用地和自然保留地；牧草地主要转为城乡建设用地，其概率为5.22%，依次为自然保留地和牧草地；其他农用地转为城乡建设用地概率较高，为9.14%。建设用地中，城乡建设用地转为耕地概率远高于其他用地，达到9.85%；交通水利用地转为城乡建设用地概率为7.28%，其次为自然保留地；其他建设用地转为自然保留地概率高于其他用地，为7.18%。其他土地中，水域转为耕地概率高达10.34%；自然保留地转为耕地和城乡建设用地概率均较高，分别为6.52%和6.06%。

表2 2009－2017年土地利用转移概率矩阵 %

从空间分布看，增加的耕地主要为近年来大力实施中北部土地开发整理重大工程新增耕地，集中分布在石嘴山市惠农区、平罗县及银川市永宁县等地；增加的建设用地在各县（市、区）均有分布，主要是随着西部大开发战略深入实施，城镇化进程不断推进，宁夏沿黄生态经济带投资环境不断改善，城镇发展、产业集聚用地需求不断增强，导致近几年建设用地增加，主要分布于城镇周边及工业园区范围内，尤其是银川市辖区、滨河新区及宁东能源化工基地建设用地增加规模较大；增加的牧草地主要是由于退耕还林还草政策的贯彻落实，导致一定规模的劣等耕地转为牧草地，对提高耕地整体质量，促进生态环境保护具有重要作用。

3.2 2025年土地利用演变模拟

基于预处理后的各类数据及适宜性图集，以2017年土地利用现状地类为初始年，运用CA-Markov模型，将迭代次数设置为8，实现了自然发展情景、土地规划情景、耕地和环境保护情景下宁夏沿黄生态经济带2025 年土地利用格局的模拟，具体见附图6—8。

如图1所示，将3种情景下宁夏沿黄生态经济带土地利用空间分布及各类用地面积进行对比后发现，各类用地空间分布格局大体一致，但用地面积有所差异。随着宁夏沿黄生态经济带城镇化进程进一步推进，基础设施不断完善，土地资源开发力度持续加大，3种情景模拟结果均呈现出自然保留地、草地较2017年均有所减少；城乡建设用地、交通水利用地均有所增加；其他各类用地不同情景下有增有减的特点。耕地和环境约束情景下，宁夏沿黄生态经济带2025年耕地、城乡建设用地、交通水利用地、其他建设用地、水域较2017 年均有所增加，特别是耕地和水域得到了有效保护，较2017 年分别增加了3 147.78，10 667.61 hm2；自然保留地、其他农用地、草地、林地、园地较2017年均有所下降。自然发展情景下，宁夏沿黄生态经济带2025年自然保留地、草地、林地、园地及耕地均较2017年有所减少，但水域、其他建设用地、交通水利用地、城乡建设用地、其他农用地均有所增加，其中城乡建设用地较2017 年增加了109 926.54 hm2。土地规划情景下，宁夏沿黄生态经济带2025年自然保留地、水域、其他建设用地、其他农用地、草地比2017年有所减少；交通水利用地、城乡建设用地、林地、园地及耕地均有所增加，其中耕地较2017年增加了19 934.73 hm2，城乡建设用地增加了128 223.99 hm2。

图1 不同情景下各类土地面积对比

4 结论与讨论

4.1 结论

通过对宁夏沿黄生态经济带2009—2017年土地利用变化及流向进行全面分析，并运用CA-Markov模型，基于自然发展情景、土地规划情景、耕地和生态保护情景对2025年土地利用演变进行模拟，得出以下结论：

（1）2009—2017年间，随着耕地占补平衡政策落实、土地整治工程有力推进、城镇化进程的不断加快，作为宁夏人口、产业、资本要素集聚地和经济社会发展辐射中心，宁夏沿黄生态经济带耕地得到有效保护，基础设施不断配套完善，城乡发展得到全力保障，土地开发力度不断加大，土地利用整体呈现出各类建设用地不断增加，除耕地和其他农用地外的园地、林地、草地，以及其他土地中的水域和自然保留地均减少的态势。

（2）从2009—2017 年各类用地转移概率矩阵看，除水域、其他建设用地外，其他各类用地转为城乡建设用地概率普遍较高，尤其是耕地转为城乡建设用地概率最高，达到10.65%，耕地和生态环境保护面临着巨大压力。同时，城乡建设用地、水域转化为耕地的概率也较高，分别为9.85%和10.34%，主要是随着城乡建设用地增减挂钩、耕地占补平衡、土地整理等项目的实施，耕地保护得到了有效落实。

（3）通过模拟发现，在自然发展、土地规划、耕地和环境保护3 种情景下，宁夏沿黄生态经济带2025年土地利用结构仍然以牧草地、耕地、自然保留地为主，但随着城镇化进程加快和基础设施持续完善，城乡建设用地和交通水利用地较2017 年均有大幅增加，主要集中分布在现有城镇周边及工业园区周边。同时，3种情景模拟结果相比，土地规划情景下的用地结构更加符合当前严格保护耕地、加强生态文明建设的政策要求，也更加符合宁夏沿黄生态经济带城镇建设、产业布局的发展方向。今后应继续发挥土地利用总体规划的用途管制和引导作用，进一步优化土地利用格局，提高空间治理能力，推动宁夏沿黄生态经济带可持续发展。

4.2 讨论

本研究综合考虑数据可获取性及土地分类细化程度，土地利用数据来源于历年土地利用现状变更调查，其用地格局基本与实际情况相符，但也存在农用地、自然保留地内部转化而未及时变更的问题，对模拟结果的精确性可能会产生影响。同时，采用CAMarkov模型进行模拟，虽综合了Markov模型时间序列预测和CA 模型空间分布模拟的优势，对宁夏沿黄生态经济带各类用地演变模拟效果较好，但个别地类模拟精度仍不理想，如交通水利用地发展趋势不同于城乡建设用地，CA-Markov模型并不适用于该类用地的演变模拟。虽然在耕地和环境保护情景下，尽可能的考虑了高程、坡度、水域、永久基本农田和禁止建设区等各类影响因素，但研究的系统性还有待进一步提高，由于土地利用覆被、自然条件、社会经济是一个复杂系统，引起土地利用变化的因素很多，既有高程、坡度等自然因素，又有人口、产业、道路、区位以及政策等一系列社会经济因素。在以后的研究中，应注重运用最新遥感影像解译数据，进一步提高研究数据的现势性和准确性；同时，要运用系统思维，在运用CA-Markov模型进行用地演变模拟时，综合高程、坡度、人口、经济、政策及区位条件等因素，制作更为科学、全面的适宜性图集，提高模拟结果的精确性，为优化土地利用结构及空间布局、国土空间规划编制、城镇及产业发展等提供重要参考。