摘要:以海南島為例，采用InVEST模型的產水模塊研究其1995—2015年的產水量時空變化。同時，基于FLUS模型利用1995與2015年兩期的土地利用數據及自然、交通和社會因子模擬2035年海南島不同情景的土地利用變化及其對產水功能的影響。結果表明：1995—2015年間，海南島城鎮化加劇導致建設用地增加，增加的建設用地主要來源于林地和耕地的轉換。近20年間海南島產水量處于增長狀態，產水深度總體呈現出東北部高，西南部低的空間分布格局。2035年自然發展情景下海南島仍延續快速城鎮化的發展速度，建設用地將增加36.7%，由此導致海南島產水量較2015年增長0.67%;生態空間保護模擬的產水量增長率為-0.21%,顯著小于自然發展情景，說明實施生態保護措施可以很好地抑制產水量的增加，能夠降低洪澇風險，保障海島生態系統功能。

　　關鍵詞：土地利用;產水量;InVEST模型;FLUS模型;海南島

　　土地利用變化對生態系統功能影響具有空間差異性，以生態系統碳循環為例，土地利用在熱帶和中高緯度地區分別導致的是碳釋放和碳匯兩種截然不同的變化[1]。熱帶地區土地利用導致反照率、蒸散發效率和地表粗糙率等變化的綜合效應引起溫度升高，從而對區域氣候產生影響，進而影響生態系統功能[2]。生態系統產水服務是生態系統重要功能之一，科學評估熱帶區域土地利用/覆被變化對生態系統產水功能的影響，對熱帶區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分流失特征

　　生態系統服務與權衡交易的綜合評估模型[4](TheIntegrateValuationofEcosystemServicesandTradeoffsTools，InVEST),其產水量模塊主要基于水量平衡原理，根據土地利用、氣候及土壤等要素實現對生態系統產水功能的定量、動態及可視化評估，目前已被學者應用于英國典型流域[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]等國內外區域的生態系統產水服務的評估研究，均取得較好的模擬效果。

　　土地利用以其類型、格局和強度變化影響著生態系統服務[12]，依據土地利用模擬預測可以定量評估生態系統服務的發展趨勢，為未來生態系統的可持續發展提供支撐，這是當前生態與土地學科的交叉研究熱點。土地利用預測模型如Theconversionoflanduseanditseffectsatsmallregionextent(CLUE-S)[13]、Landusescenariodynamics(LUSD)[14]和Afuturelandusesimulationmodel(FLUS)[15].等的研究應用已比較成熟。其中，FLUS模型基于元胞自動機及自適應慣性競爭機制，與其他模型相比模擬精度更高，廣泛應用于省級生態空間規劃[16]，城市邊界劃定[17]及農牧交錯帶土地利用優化[18]等方面的研究，但較少用于熱帶區域土地利用變化模擬對生態系統功能的影響。

　　海南島是我國典型的熱帶島嶼，作為一個獨立地理單元，隨著城鎮化進程加快及旅游資源的釋放，其生態系統功能受人類活動干擾發生的變化也較為明顯。在此過程中發生的大規模土地利用變化顯著影響了生態系統功能，而這些變化的趨勢對生態系統產水功能的進一步影響也不清楚。為探明人類活動導致的土地利用變化以及趨勢對生態系統產水功能的作用，本研究通過分析1995-2015年海南島土地利用變化趨勢，基于InVEST模型的產水模塊和空間制圖分析探討近20年海南島的產水量變化趨勢及空間格局，分析各種土地利用類型的產水能力;同時基于FLUS模型進行2035年不同政策下的土地利用變化情景模擬，評估其對島嶼產水功能的影響，有利于海南島生態保護、土地利用與水資源保護與規劃等科學應對。

　　1.研究區概況及數據處理

　　1.1研究區概況

　　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，地貌結構復雜。受熱帶季風氣候影響，海南島降雨量比較豐沛，年均降水量1500mm[10]。由于臺風頻繁及降雨時空分布不均的原因，海南島極易發生暴雨洪澇災害，洪澇災害風險由海南島中部地區向四周沿海地區逐漸增大，海南島東部及北部地勢平緩，人口密集，是發生洪澇災害的高風險區。據相關統計，1949—1979年間海南島共出現洪澇災害20次,給社會經濟帶來很大損失[19-20]。

　　截至2019年底，海南省地區生產總值完成5309億元，比2018增長5.8%。常住人口為944.72萬人，城鎮化率為59.23%。根據海南自貿港建設的需求，未來常住人口仍將持續增加。2019年5月《國家生態文明試驗區(海南)實施方案》提出，為進一步發揮海南省的生態優勢，將海南定位于國家生態文明試驗區，為推進全國生態文明建設探索新經驗。由此可知，研究區既存在自貿港建設對經濟增長的要求，也面臨著生態文明建設的挑戰。

　　1.2數據來源

　　研究數據主要包括用于產水量和未來土地利用變化的模擬所需數據，產水量需要的數據包括土地利用、氣象及土壤數據等;未來土地利用變化模擬則利用自然、交通區位以及社會經濟等因素的空間驅動因子數據。

　　1.3數據處理

　　產水量運算需要的數據包括土地利用、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等。土地利用柵格數據是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的數據產品，根據國標(GB/T2010-2007)《土地利用分類現狀》和海南島實際情況將土地利用類型分為耕地、林地、草地、園地、水域、建設用地和未利用地7類。氣象數據方面，為提升代表性，分別用1985-1995年和2005-2015年兩個時段表示1995與2015兩期的氣象特征。其中，基于海南島7個氣象站點的日均降雨觀測數據，處理得到多年平均降水量，通過反距離加權插值得到1995和2015年兩期分辨率為1km的降雨量柵格數據;潛在蒸散量是基于七個氣象站點的氣溫、風速、日照時數和氣壓等日值數據，采用Penman-Monteith公式[21-22]計算并插值得出分辨率為1km的柵格數據。

　　土壤深度柵格數據基于南京土壤所中國1:100萬土壤數據庫提取;有效含水率數據根據的是土壤質地中砂粒、粉粒及黏粒的比例，采用土壤有效含水量經驗公式計算獲取并通過重分類生成的柵格數據，兩者分辨率均為1km。生物物理參數表的蒸散系數和植被根系深度分別根據聯合國糧農組織作物蒸散系數指南和Canadell等[23]的研究獲取得到。FLUS模型除了相應的土地利用數據外，還包括自然、交通及社會經濟等驅動因子數據。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數據，同時基于ArcGIS空間分析的坡度功能生成坡度數據;交通因素對土地利用格局也有較大影響，如城鎮會沿著交通道路沿線發展。交通通達性因子包括到一般公路、高速公路、城鎮中心的距離，利用ARCGIS歐式距離計算生成。社會經濟因素對土地利用格局也有著相當大的影響，本研究將海南各市縣的常住人口及地區生產總值數據進行空間格網化獲取社會經濟因子。

　　2.研究方法

　　2.1InVEST模型的產水量模擬

　　InVEST模型產水量模塊主要基于水量平衡的假設估算方法，以某個柵格單元的降雨量減去實際蒸散發量即為產水量。

　　2.2基于FLUS模型的土地利用變化預測

　　FLUS模型主要由基于神經網絡適宜性概率計算及基于自適應慣性機制的元胞自動機組成。本研究采用FLUS模型基于1995年與2015年的兩期土地利用數據進行模擬，然后基于模擬結果預測2035年不同情景下的海南島土地利用格局變化。首先，采用隨機采樣策略提取1995年數據的10%作為訓練樣本，設置訓練隱藏層數為10，通過歸一化驅動因子，利用神經網絡算法計算得出2015年海南島土地利用類型適宜性概率圖層。

　　同時設定模型的鄰域影響因子和轉換成本，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不同用地單元間的相互作用，轉換成本表示當前用地類型轉換為需求類型的困難度。鄰域影響因子的計算需要設定鄰域因子參數，其范圍為0～1，數值越大表示該用地類型的擴張能力越強。參考已有研究的經驗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張能力。建設用地的擴張能力最強，其值為1;林地次之，值為0.8;耕地、園地和草地均設為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年各類用地的預期需求，計算實際用地之間的差異得到自適應慣性系數。最終基于輪盤選擇機制來確定元胞最終轉換的土地利用類型，從而實現2015年的土地利用模擬。

　　3.結果分析

　　3.1海南島土地利用變化分析

　　1995年海南島土地利用/覆被結構中，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493km2，其中52.2%轉變成園地，18.8%轉變成建設用地，16.7%轉變成耕地;其次是耕地，面積減少221km2，其中49%轉變成了建設用地，19.8%轉變成園地，16.4%轉變成林地。建設用地、園地與水域面積增加，建設用地增加最多，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%)的轉化。總體而言，1995-2015年間海南島處于快速城鎮化的過程，建設用地面積的增加主要來源于林地和耕地的轉化。

　　4.結論與討論

　　InVEST模型不僅可以實現模擬結果的空間化表達，還可以進行多情景評估的設置。FLUS模型可結合相關規劃、土地或生態等政策影響模擬未來土地利用變化。因此，兩者耦合有利于實現基于土地利用模擬的生態系統功能評估及優化，為政策實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化進程，表現為城鎮化對林地和耕地的占用。本文通過InVEST模型從空間上量化評估該進程對海南島生態系統產水功能的影響，同時耦合FLUS模型模擬不同政策情景下的土地利用變化及其對海南島生態系統產水功能的影響。通過產水量的模擬結果分析，1995-2015年海南島的產水量在增加，產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，建設用地的單位面積產水能力最高，園地次之，水域最低。

　　通過土地利用未來變化模擬結果顯示，2035年，自然發展情境下海南島仍延續快速的城市化趨勢，導致產水總量比2015年增長了0.74%;而生態空間保護情景表明，實施生態空間保護政策使得過去二十年間林地劇減的趨勢得以減緩，有效抑制區域產水量，這對海南島的生態功能保護具有重要啟示：實施嚴格的生態紅線保護及退耕還林還草等政策，能夠提升水源涵養、水土保持能力及碳匯等生態系統功能，降低洪澇風險。因此，一方面要科學管控城市的規模及其發展速度。因為盡管城市建設用地產水量較高，但是降水到達城市不透水面后通過地下管網直接排掉，難以被人類循環利用。另一方面，需要盡量減少對林地的侵占，增加城市綠化面積，保障城市的生態空間，同時發揮水庫對降水的攔蓄作用，提高水資源利用率，這對降低暴雨洪澇風險，提升城市抗災能力有積極作用。

　　本研究對于當前海南自由貿易港以及生態文明示范區的建設面臨的未來國土空間布局及生態空間布局建設等方面有著指導意義。本研究不足之處在于情景模擬時未考慮未來氣候變化的影響，同時產水量模型中參數設定是通過參考相關文獻獲取，未實現模型參數的本地化，這對模擬產水量的準確性有一定影響，這些不足在今后研究中有待加強。

　　作者：韓念龍，張亦清，張偉璇