多目标土地利用优化对兰州-西宁城市群生态系统服务的贡献研究

科技   2024-11-07 11:30   贵州  

审核时间:48天;文章出版费用:3200美元

期刊领域:生态建模、生态学、生态进化、行为和系统学

期刊分区:地环境科学与生态学2区TOP

信息来源:ScienceDirect\中科院文献情报中心

期刊官网:https://www.sciencedirect.com/journal/ecological-indicators

文章梗概

本文以兰州-西宁城市群为研究对象,旨在通过多目标土地利用优化模型(LUO)减少生态脆弱地区的生态风险(ER),实现区域土地利用的最优配置,以支持可持续发展。研究采用NSGA-II、PLUS模型和InVEST模型,结合GIS空间分析技术,设置了自然发展、高风险、低风险和可持续发展四种情景,模拟未来土地利用变化及其对生态风险的影响。结果显示,2000年至2020年期间草地向林地、耕地和建设用地的转移显著,导致生态系统服务变化及生态风险逐渐增加。四种情景中,高风险情景经济价值最高但生态风险也最大,低风险情景生态价值最高,而可持续发展情景在综合生态与经济价值方面表现最佳,是未来土地管理的最优路径。研究建议合理控制未利用土地扩展、保护生态区域等措施,以降低生态风险并提升区域生态和经济价值,为区域土地管理及“一带一路”背景下的生态保护提供科学依据。

本文结论

1.优化工具的贡献:研究为生态脆弱地区的生态风险(ER)与土地利用效率的平衡提供了一种多目标优化工具,以减少兰州-西宁城市群(LXUA)的生态风险,并为未来国土空间规划提供科学依据。

2.土地利用变化分析:在2000年至2020年间,LXUA的土地利用/土地覆盖(LULC)变化主要表现为草地向林地、耕地和未利用土地的转移,导致碳储量(CS)变化呈现先增加后减少的趋势,同时高质量栖息地(HQS)、水源涵养(WY)和土壤保持(SDR)继续下降,生态风险逐渐增加。
3.耦合模型的有效性:耦合模型能够有效优化LULC的数量结构,并对2040年LULC的空间布局进行模拟。该模型在约束条件下对四种情景进行优化,尤其预测了ND和HR情景下的ER发展趋势。
4.SD情景的最优性:SD情景被认为是LXUA未来土地管理的最佳选择,其对降低生态风险和提升区域生态与经济价值具有显著效果。
5.土地管理措施的建议:合理扩展建设用地,优化耕地结构,控制未利用土地扩展,保护和恢复草地、林地、湿地和水域是降低生态风险、提升区域生态与经济价值的有效手段。
6.科学意义:研究对LXUA的生态保护与高质量发展有重要作用,并对生态脆弱地区的城市群土地管理及“一带一路”项目的建设具有科学意义。


本文研究方法和创新点分析

研究方法分析

1.多目标土地利用优化模型(LUO):使用NSGA-II(非支配排序遗传算法II)、PLUS模型以及InVEST模型,构建多目标优化框架,以减少兰州-西宁城市群的生态风险(ER)。LUO模型被用于分析不同情景下的土地利用,模拟各类情景的未来演变。
2.情景设定与模拟:研究者设定了四种土地利用情景,包括自然发展(ND)、高风险发展(HR)、低风险发展(LR)和可持续发展(SD)情景,以模拟在不同发展策略下土地利用的变化。这些情景用于评估各情景下对生态系统服务(ES)和生态风险的影响。
3.GIS空间分析技术:研究还应用了地理信息系统(GIS)进行土地利用数据的空间可视化和分析,帮助识别土地利用的空间格局变化以及其对生态系统的影响。GIS技术用于处理土地利用数据,分析土地利用及生态服务的空间分布特征。
4.数据收集与整合:研究使用了土地利用、生态系统服务、人口、经济等多方面的数据,通过系统收集与整合,确保模型的科学性与预测能力。这些数据用于校准和验证模型结果,确保不同情景的模拟与现实条件相符合。
5.生态系统服务评估:InVEST模型用于评估生态系统服务,包括碳储量、土壤保持、水源涵养等,帮助定量分析土地利用变化对生态系统服务的影响,并为各情景下的决策提供支持。

 创新点分析

1.综合使用多模型进行土地利用优化:本文通过综合应用NSGA-II、PLUS模型和InVEST模型,以多目标的方式优化土地利用,减少生态风险。这种模型结合的方法可以同时兼顾生态和经济因素,相较于传统单一模型分析更具全面性和实用性。

2.情景模拟的多样化应用:本文创新性地设定了四种土地利用情景:自然发展(ND)、高风险(HR)、低风险(LR)和可持续发展(SD),并通过模型进行模拟。这样的多情景模拟为不同政策条件下的未来土地利用提供了更具洞察力的参考。
3.将生态系统服务与土地利用变化紧密结合:文章将生态系统服务(如碳储量、水源涵养等)的评估与土地利用变化的模拟结合,以量化分析土地利用变化对生态系统的影响。这种方法可以为制定更科学、更可持续的土地管理政策提供强有力的数据支持。
4.侧重生态脆弱区域的土地利用规划:研究对象为生态脆弱的兰州-西宁城市群,聚焦于如何在脆弱环境中平衡生态保护与经济发展。该区域的独特性使得研究结果对类似区域具有广泛的借鉴意义。
5.为“一带一路”项目提供科学参考:本文通过优化土地利用方案,为“一带一路”沿线生态脆弱地区的土地利用管理与生态保护提供了科学依据,这对沿线地区的可持续发展具有战略意义。
6.多目标优化模型的创新应用:在土地利用优化中引入多目标优化模型,将多个生态系统服务(如碳储存、水源涵养、生物多样性保护和土壤保持)整合到同一优化框架中,以同时实现生态与经济目标的平衡。这种方法在区域土地管理中是一种创新的应用。
7..生态系统服务的多目标权衡分析:本文深入探讨了不同生态系统服务之间的权衡关系,通过情景模拟识别出各服务之间的最优平衡点。这种多服务目标的系统分析为生态系统管理提供了更精细的决策依据,是地理学研究中对生态服务优化的重要探索。
8.实证研究针对区域复杂生态系统:本文以兰州-西宁城市群为研究对象,面对复杂的生态和社会经济背景,提出了具有区域针对性的优化策略,为复杂区域的生态系统服务管理提供了实践案例,具有较强的应用价值和指导意义。




关键词

多目标土地利用优化 (Multi-objective land use optimization);生态风险 (Ecological risk);生态系统服务 (Ecosystem services);脆弱城市群 (Fragile urban agglomeration)








数据来源及实验步骤

数据来源

实验步骤

1.数据收集与预处理

收集兰州-西宁城市群的多源数据,包括土地利用、气象水文、生态系统服务参数和社会经济数据,并进行预处理,以确保数据格式和空间分辨率的一致性。
2.多目标优化模型的构建
将碳储存、水源涵养、生物多样性保护和土壤保持等生态目标纳入多目标优化模型,设定不同的情景以平衡生态与经济需求。
3.GIS数据支持的空间分析
① 利用GIS数据分析研究区域的土地利用现状
② 对各生态系统服务的空间分布特征进行分析,为优化模型提供输入数据支持
4.情景模拟与生态系统服务的权衡分析
① 设置不同的土地利用情景,如优先经济发展、优先生态保护等,通过模型模拟每种情景下生态系统服务的变化情况
② 通过权衡分析识别各生态系统服务之间的最优平衡点,为决策提供参考
5.优化方案的结果分析
① 提取多目标优化模型的输出结果,对每个情景下的优化方案进行评估
② 分析优化方案对碳储存、水源涵养、生物多样性保护和土壤保持的贡献程度
6.空间分布分析与高效分布区域识别
根据优化结果,对各生态系统服务的空间分布进行分析,识别服务功能高效分布区域,为区域生态服务管理和政策制定提供空间依据。

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插图赏析

图1 研究区概况图

图2 研究框架图

图3 2000年至2020年土地利用/土地覆盖 (LULC) 数量结构的变化

图4 历史土地利用/土地覆盖 (LULC) 空间演变

图5 不同驱动因素对土地利用/土地覆盖 (LULC) 的贡献

图6 2000年至2020年生态系统服务 (ESs) 和生态恢复 (ER) 的空间变化

图7 2040年不同情景下土地利用/土地覆盖 (LULC) 的空间分布变化

图8 不同情景下生态系统服务 (ES) 和生态恢复 (ER) 的空间变化


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