摘要:以海南島為例，采用InVEST模型的產(chǎn)水模塊研究其1995—2015年的產(chǎn)水量時(shí)空變化。同時(shí)，基于FLUS模型利用1995與2015年兩期的土地利用數(shù)據(jù)及自然、交通和社會(huì)因子模擬2035年海南島不同情景的土地利用變化及其對(duì)產(chǎn)水功能的影響。結(jié)果表明：1995—2015年間，海南島城鎮(zhèn)化加劇導(dǎo)致建設(shè)用地增加，增加的建設(shè)用地主要來源于林地和耕地的轉(zhuǎn)換。近20年間海南島產(chǎn)水量處于增長狀態(tài)，產(chǎn)水深度總體呈現(xiàn)出東北部高，西南部低的空間分布格局。2035年自然發(fā)展情景下海南島仍延續(xù)快速城鎮(zhèn)化的發(fā)展速度，建設(shè)用地將增加36.7%，由此導(dǎo)致海南島產(chǎn)水量較2015年增長0.67%;生態(tài)空間保護(hù)模擬的產(chǎn)水量增長率為-0.21%,顯著小于自然發(fā)展情景，說明實(shí)施生態(tài)保護(hù)措施可以很好地抑制產(chǎn)水量的增加，能夠降低洪澇風(fēng)險(xiǎn)，保障海島生態(tài)系統(tǒng)功能。

　　關(guān)鍵詞：土地利用;產(chǎn)水量;InVEST模型;FLUS模型;海南島

　　土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能影響具有空間差異性，以生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)為例，土地利用在熱帶和中高緯度地區(qū)分別導(dǎo)致的是碳釋放和碳匯兩種截然不同的變化[1]。熱帶地區(qū)土地利用導(dǎo)致反照率、蒸散發(fā)效率和地表粗糙率等變化的綜合效應(yīng)引起溫度升高，從而對(duì)區(qū)域氣候產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)功能[2]。生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)重要功能之一，科學(xué)評(píng)估熱帶區(qū)域土地利用/覆被變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水功能的影響，對(duì)熱帶區(qū)域的水資源利用有著重要意義[3]。

　　土地利用論文范例：滇南小流域3種土地利用方式下土壤侵蝕及養(yǎng)分流失特征

　　生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與權(quán)衡交易的綜合評(píng)估模型[4](TheIntegrateValuationofEcosystemServicesandTradeoffsTools，InVEST),其產(chǎn)水量模塊主要基于水量平衡原理，根據(jù)土地利用、氣候及土壤等要素實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水功能的定量、動(dòng)態(tài)及可視化評(píng)估，目前已被學(xué)者應(yīng)用于英國典型流域[5]、伊朗半干旱盆地[6]、橫斷山脈[7]、太湖流域[8]、三江源[9]、海南島[10]和大連市[11]等國內(nèi)外區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水服務(wù)的評(píng)估研究，均取得較好的模擬效果。

　　土地利用以其類型、格局和強(qiáng)度變化影響著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[12]，依據(jù)土地利用模擬預(yù)測(cè)可以定量評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)，為未來生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供支撐，這是當(dāng)前生態(tài)與土地學(xué)科的交叉研究熱點(diǎn)。土地利用預(yù)測(cè)模型如Theconversionoflanduseanditseffectsatsmallregionextent(CLUE-S)[13]、Landusescenariodynamics(LUSD)[14]和Afuturelandusesimulationmodel(FLUS)[15].等的研究應(yīng)用已比較成熟。其中，F(xiàn)LUS模型基于元胞自動(dòng)機(jī)及自適應(yīng)慣性競(jìng)爭機(jī)制，與其他模型相比模擬精度更高，廣泛應(yīng)用于省級(jí)生態(tài)空間規(guī)劃[16]，城市邊界劃定[17]及農(nóng)牧交錯(cuò)帶土地利用優(yōu)化[18]等方面的研究，但較少用于熱帶區(qū)域土地利用變化模擬對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響。

　　海南島是我國典型的熱帶島嶼，作為一個(gè)獨(dú)立地理單元，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快及旅游資源的釋放，其生態(tài)系統(tǒng)功能受人類活動(dòng)干擾發(fā)生的變化也較為明顯。在此過程中發(fā)生的大規(guī)模土地利用變化顯著影響了生態(tài)系統(tǒng)功能，而這些變化的趨勢(shì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水功能的進(jìn)一步影響也不清楚。為探明人類活動(dòng)導(dǎo)致的土地利用變化以及趨勢(shì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水功能的作用，本研究通過分析1995-2015年海南島土地利用變化趨勢(shì)，基于InVEST模型的產(chǎn)水模塊和空間制圖分析探討近20年海南島的產(chǎn)水量變化趨勢(shì)及空間格局，分析各種土地利用類型的產(chǎn)水能力;同時(shí)基于FLUS模型進(jìn)行2035年不同政策下的土地利用變化情景模擬，評(píng)估其對(duì)島嶼產(chǎn)水功能的影響，有利于海南島生態(tài)保護(hù)、土地利用與水資源保護(hù)與規(guī)劃等科學(xué)應(yīng)對(duì)。

　　1.研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)處理

　　1.1研究區(qū)概況

　　海南島位于我國最南端，地處熱帶，位置在北緯18°10′N～20°10′N，東經(jīng)108°37′～111°3′之間，陸域總面積約3.4萬km2，整體地形為四周高中間低，地貌結(jié)構(gòu)復(fù)雜。受熱帶季風(fēng)氣候影響，海南島降雨量比較豐沛，年均降水量1500mm[10]。由于臺(tái)風(fēng)頻繁及降雨時(shí)空分布不均的原因，海南島極易發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害，洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)由海南島中部地區(qū)向四周沿海地區(qū)逐漸增大，海南島東部及北部地勢(shì)平緩，人口密集，是發(fā)生洪澇災(zāi)害的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，1949—1979年間海南島共出現(xiàn)洪澇災(zāi)害20次,給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來很大損失[19-20]。

　　截至2019年底，海南省地區(qū)生產(chǎn)總值完成5309億元，比2018增長5.8%。常住人口為944.72萬人，城鎮(zhèn)化率為59.23%。根據(jù)海南自貿(mào)港建設(shè)的需求，未來常住人口仍將持續(xù)增加。2019年5月《國家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)(海南)實(shí)施方案》提出，為進(jìn)一步發(fā)揮海南省的生態(tài)優(yōu)勢(shì)，將海南定位于國家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)，為推進(jìn)全國生態(tài)文明建設(shè)探索新經(jīng)驗(yàn)。由此可知，研究區(qū)既存在自貿(mào)港建設(shè)對(duì)經(jīng)濟(jì)增長的要求，也面臨著生態(tài)文明建設(shè)的挑戰(zhàn)。

　　1.2數(shù)據(jù)來源

　　研究數(shù)據(jù)主要包括用于產(chǎn)水量和未來土地利用變化的模擬所需數(shù)據(jù)，產(chǎn)水量需要的數(shù)據(jù)包括土地利用、氣象及土壤數(shù)據(jù)等;未來土地利用變化模擬則利用自然、交通區(qū)位以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素的空間驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)。

　　1.3數(shù)據(jù)處理

　　產(chǎn)水量運(yùn)算需要的數(shù)據(jù)包括土地利用、降水量、年潛在蒸散量、土壤深度、有效含水量和生物物理參數(shù)等。土地利用柵格數(shù)據(jù)是1995和2015年兩期基于LandsatTM/ETM遙感影像分類生成的空間分辨率為1km的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，根據(jù)國標(biāo)(GB/T2010-2007)《土地利用分類現(xiàn)狀》和海南島實(shí)際情況將土地利用類型分為耕地、林地、草地、園地、水域、建設(shè)用地和未利用地7類。氣象數(shù)據(jù)方面，為提升代表性，分別用1985-1995年和2005-2015年兩個(gè)時(shí)段表示1995與2015兩期的氣象特征。其中，基于海南島7個(gè)氣象站點(diǎn)的日均降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)，處理得到多年平均降水量，通過反距離加權(quán)插值得到1995和2015年兩期分辨率為1km的降雨量柵格數(shù)據(jù);潛在蒸散量是基于七個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和氣壓等日值數(shù)據(jù)，采用Penman-Monteith公式[21-22]計(jì)算并插值得出分辨率為1km的柵格數(shù)據(jù)。

　　土壤深度柵格數(shù)據(jù)基于南京土壤所中國1:100萬土壤數(shù)據(jù)庫提取;有效含水率數(shù)據(jù)根據(jù)的是土壤質(zhì)地中砂粒、粉粒及黏粒的比例，采用土壤有效含水量經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲取并通過重分類生成的柵格數(shù)據(jù)，兩者分辨率均為1km。生物物理參數(shù)表的蒸散系數(shù)和植被根系深度分別根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織作物蒸散系數(shù)指南和Canadell等[23]的研究獲取得到。FLUS模型除了相應(yīng)的土地利用數(shù)據(jù)外，還包括自然、交通及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)。其中，自然因子包括高程、坡度和到河流距離，它們從根本上影響著土地利用方式。

　　研究采用SRTM30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，同時(shí)基于ArcGIS空間分析的坡度功能生成坡度數(shù)據(jù);交通因素對(duì)土地利用格局也有較大影響，如城鎮(zhèn)會(huì)沿著交通道路沿線發(fā)展。交通通達(dá)性因子包括到一般公路、高速公路、城鎮(zhèn)中心的距離，利用ARCGIS歐式距離計(jì)算生成。社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)土地利用格局也有著相當(dāng)大的影響，本研究將海南各市縣的常住人口及地區(qū)生產(chǎn)總值數(shù)據(jù)進(jìn)行空間格網(wǎng)化獲取社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子。

　　2.研究方法

　　2.1InVEST模型的產(chǎn)水量模擬

　　InVEST模型產(chǎn)水量模塊主要基于水量平衡的假設(shè)估算方法，以某個(gè)柵格單元的降雨量減去實(shí)際蒸散發(fā)量即為產(chǎn)水量。

　　2.2基于FLUS模型的土地利用變化預(yù)測(cè)

　　FLUS模型主要由基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適宜性概率計(jì)算及基于自適應(yīng)慣性機(jī)制的元胞自動(dòng)機(jī)組成。本研究采用FLUS模型基于1995年與2015年的兩期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，然后基于模擬結(jié)果預(yù)測(cè)2035年不同情景下的海南島土地利用格局變化。首先，采用隨機(jī)采樣策略提取1995年數(shù)據(jù)的10%作為訓(xùn)練樣本，設(shè)置訓(xùn)練隱藏層數(shù)為10，通過歸一化驅(qū)動(dòng)因子，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法計(jì)算得出2015年海南島土地利用類型適宜性概率圖層。

　　同時(shí)設(shè)定模型的鄰域影響因子和轉(zhuǎn)換成本，鄰域影響因子用以反映不同用地類型之間以及鄰域范圍內(nèi)不同用地單元間的相互作用，轉(zhuǎn)換成本表示當(dāng)前用地類型轉(zhuǎn)換為需求類型的困難度。鄰域影響因子的計(jì)算需要設(shè)定鄰域因子參數(shù)，其范圍為0～1，數(shù)值越大表示該用地類型的擴(kuò)張能力越強(qiáng)。參考已有研究的經(jīng)驗(yàn)并考慮熱帶島嶼的土地利用特征，依次定義各用地類型的擴(kuò)張能力。建設(shè)用地的擴(kuò)張能力最強(qiáng)，其值為1;林地次之，值為0.8;耕地、園地和草地均設(shè)為0.5;水域、未利用地最弱，值為0.1。研究選用3×3的Moore鄰域模型計(jì)算鄰域影響因子。然后基于馬爾科夫鏈模擬得到2015年各類用地的預(yù)期需求，計(jì)算實(shí)際用地之間的差異得到自適應(yīng)慣性系數(shù)。最終基于輪盤選擇機(jī)制來確定元胞最終轉(zhuǎn)換的土地利用類型，從而實(shí)現(xiàn)2015年的土地利用模擬。

　　3.結(jié)果分析

　　3.1海南島土地利用變化分析

　　1995年海南島土地利用/覆被結(jié)構(gòu)中，林地占比最高50.8%，其次是耕地占比26.1%，第三園地占比14.1%;水域、草地、建設(shè)用地及未利用地占比較小，分別為3.4%、3.1%、2.0%和0.5%。2015年，海南島的耕地、林地、草地及未利用地面積均有不同程度的減少，林地面積占比49.3%，耕地占比25.5%，園地占比15%;水域、草地、建設(shè)用地及未利用地占比分別為3.7%，2.9%，3.3%和0.3%。林地減小面積最多，共計(jì)493km2，其中52.2%轉(zhuǎn)變成園地，18.8%轉(zhuǎn)變成建設(shè)用地，16.7%轉(zhuǎn)變成耕地;其次是耕地，面積減少221km2，其中49%轉(zhuǎn)變成了建設(shè)用地，19.8%轉(zhuǎn)變成園地，16.4%轉(zhuǎn)變成林地。建設(shè)用地、園地與水域面積增加，建設(shè)用地增加最多，較1995年增加440km2，增幅為63.2%，主要由耕地(46.1%)、林地(26.4%)和園地(15.5%)轉(zhuǎn)化而來。

　　其次是園地，面積增加309.9km2，增幅為6.4%，主要分別由林地(74.9%)和耕地(17.9%)轉(zhuǎn)化而來;水域面積增加104km2，增幅為8.9%，主要來自耕地(37.5%)、林地(28.9%)和園地(21.7%)的轉(zhuǎn)化。總體而言，1995-2015年間海南島處于快速城鎮(zhèn)化的過程，建設(shè)用地面積的增加主要來源于林地和耕地的轉(zhuǎn)化。

　　4.結(jié)論與討論

　　InVEST模型不僅可以實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果的空間化表達(dá)，還可以進(jìn)行多情景評(píng)估的設(shè)置。FLUS模型可結(jié)合相關(guān)規(guī)劃、土地或生態(tài)等政策影響模擬未來土地利用變化。因此，兩者耦合有利于實(shí)現(xiàn)基于土地利用模擬的生態(tài)系統(tǒng)功能評(píng)估及優(yōu)化，為政策實(shí)施提供決策參考工具。海南島作為典型的熱帶島嶼,1995-2015年間土地利用變化主要特征是快速的城鎮(zhèn)化進(jìn)程，表現(xiàn)為城鎮(zhèn)化對(duì)林地和耕地的占用。本文通過InVEST模型從空間上量化評(píng)估該進(jìn)程對(duì)海南島生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水功能的影響，同時(shí)耦合FLUS模型模擬不同政策情景下的土地利用變化及其對(duì)海南島生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水功能的影響。通過產(chǎn)水量的模擬結(jié)果分析，1995-2015年海南島的產(chǎn)水量在增加，產(chǎn)水深度空間上形成了東北高-西南低的非均衡分布格局;在各土地利用類型中，建設(shè)用地的單位面積產(chǎn)水能力最高，園地次之，水域最低。

　　通過土地利用未來變化模擬結(jié)果顯示，2035年，自然發(fā)展情境下海南島仍延續(xù)快速的城市化趨勢(shì)，導(dǎo)致產(chǎn)水總量比2015年增長了0.74%;而生態(tài)空間保護(hù)情景表明，實(shí)施生態(tài)空間保護(hù)政策使得過去二十年間林地劇減的趨勢(shì)得以減緩，有效抑制區(qū)域產(chǎn)水量，這對(duì)海南島的生態(tài)功能保護(hù)具有重要啟示：實(shí)施嚴(yán)格的生態(tài)紅線保護(hù)及退耕還林還草等政策，能夠提升水源涵養(yǎng)、水土保持能力及碳匯等生態(tài)系統(tǒng)功能，降低洪澇風(fēng)險(xiǎn)。因此，一方面要科學(xué)管控城市的規(guī)模及其發(fā)展速度。因?yàn)楸M管城市建設(shè)用地產(chǎn)水量較高，但是降水到達(dá)城市不透水面后通過地下管網(wǎng)直接排掉，難以被人類循環(huán)利用。另一方面，需要盡量減少對(duì)林地的侵占，增加城市綠化面積，保障城市的生態(tài)空間，同時(shí)發(fā)揮水庫對(duì)降水的攔蓄作用，提高水資源利用率，這對(duì)降低暴雨洪澇風(fēng)險(xiǎn)，提升城市抗災(zāi)能力有積極作用。

　　本研究對(duì)于當(dāng)前海南自由貿(mào)易港以及生態(tài)文明示范區(qū)的建設(shè)面臨的未來國土空間布局及生態(tài)空間布局建設(shè)等方面有著指導(dǎo)意義。本研究不足之處在于情景模擬時(shí)未考慮未來氣候變化的影響，同時(shí)產(chǎn)水量模型中參數(shù)設(shè)定是通過參考相關(guān)文獻(xiàn)獲取，未實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)的本地化，這對(duì)模擬產(chǎn)水量的準(zhǔn)確性有一定影響，這些不足在今后研究中有待加強(qiáng)。

　　作者：韓念龍，張亦清，張偉璇