基于PLUS模型的黄河流域土地利用变化及多情景预测

Land use change and multi-scenario prediction in the Yellow River Basin based on the PLUS model

摘要

土地是流域生态保护与高质量发展的核心基底,探究黄河流域长时序土地利用演变规律、开展多情景模拟预测,对流域生态治理与国土空间管控政策制定具有重要支撑作用。本研究整合CLCD、DEM、人口、GDP等多源数据,依托土地利用转移矩阵分析2000—2025年黄河流域全域及上、中、下游多尺度土地利用时空演变特征,同时基于PLUS模型开展2030年土地利用多情景模拟,厘清流域土地利用时序演变规律与空间分异格局。研究表明:1)历史演变阶段黄河流域土地利用存在显著空间梯度分异特征,区域主导地类转换规律差异突出,全域以草地、耕地与未利用土地动态转化为主,上游聚焦草地与未利用土地调整,中游以草地、林地变化为核心,下游呈现耕地与不透水面动态演变特征,区域用地结构转换特异性显著。2)多情景模拟结果显示,不同发展模式下流域用地演化趋势差异明显。自然发展情景以城镇扩张、草地退化为主要特征,耕地持续缩减、建设用地无序扩张问题突出。耕地保护情景能够遏制耕地流失,实现中下游耕地资源稳量提质,筑牢区域粮食安全根基。生态保护情景可有效推动生态用地修复,流域草地等生态空间稳步扩容,生态治理成效显著。综合对比3类情景,生态保护情景最契合流域高质量发展目标,可实现全域分区用地优化,兼顾生态修复、耕地保护与城镇有序开发,构建科学合理的流域土地利用格局。

Abstract

Land serves as the core foundation for ecological protection and high-quality development in river basins. Investigating the long-term patterns of land use evolution and conducting multi-scenario simulation projections in the Yellow River Basin are of critical importance for supporting ecological governance and territorial spatial management policy formulation. This study integrates multi-source data including CLCD,DEM,population,and GDP,and systematically analyzes the spatiotemporal evolution characteristics of land use across the entire Yellow River Basin and its upper,middle,and lower reaches from 2000 to 2025 by a land use transfer matrix. Meanwhile,based on the PLUS model,multi-scenario simulations of land use in 2030 are conducted to systematically clarify the temporal evolution patterns and spatial differentiation patterns of land use in the basin. The findings indicate that: 1)During the historical evolution stage,land use in the Yellow River Basin exhibited significant spatial gradient differentiation,with pronounced regional differences in the transition patterns of dominant land types. At the basin-wide scale,dynamic conversions were primarily concentrated among grassland,cropland,and unused land. In the upper reaches,adjustments focused on grassland and unused land; in the middle reaches,changes centered on grassland and forestland; and in the lower reaches,dynamic evolution between cropland and impervious surfaces was evident,highlighting notable spatial specificity in land use structure conversion. 2)The multi-scenario simulation results show that land use evolution trends vary considerably under different development models. The natural development scenario is characterized by urban expansion and grassland degradation,with continued cropland shrinkage and disorderly expansion of built-up areas emerging as prominent issues. The cropland protection scenario can effectively curb cropland loss,stabilize and enhance cropland quality in the middle and lower reaches,and secure the regional food security foundation. The ecological protection scenario can effectively promote the restoration of ecological land,steadily expand ecological spaces such as grassland,and achieve significant ecological governance outcomes. A comprehensive comparison of the three scenarios indicates that the ecological protection scenario best aligns with the goals of high-quality development in the basin,enabling optimized land use across all sub-regions while balancing ecological restoration,cropland protection,and orderly urban development,thereby establishing a scientifically sound land use pattern for the basin.

关键词

土地利用变化 / 黄河流域 / PLUS模型 / 多情景预测

Key words

land use change / the Yellow River Basin / PLUS model / multi-scenario prediction

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基金资助

国家自然科学基金项目(42271192);国家社会科学基金重大项目(23ZDA106)