论文标题：Dynamics of Land Use/Land Cover Considering Ecosystem Services for a Dense-Population Watershed Based on a Hybrid Dual-Subject Agent and Cellular Automaton Modeling Approach

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.10.015

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土地利用/土地覆盖（LULC）的变化是人类活动与自然环境相互作用的直接体现，它不仅影响着自然生态系统的平衡，还与人类社会的可持续发展密切相关。在高密度人口流域，这种相互作用尤为复杂，涉及自然属性、社会经济因素以及人类决策等多方面的动态变化。广东工业大学蔡宴朋教授团队与东北农业大学和山东大学的研究人员合作在中国工程院院刊《Engineering》发表题为“Dynamics of Land Use/Land Cover Considering Ecosystem Services for a Dense-Population Watershed Based on a Hybrid Dual-Subject Agent and Cellular Automaton Modeling Approach”的研究性文章，提出了一种创新的土地利用/土地覆盖动态模拟方法，该方法基于混合双主体代理和元胞自动机建模，同时考虑了生态系统服务价值，为理解和预测高密度人口流域的土地利用变化提供了新的视角。第一作者为李雨桐。

研究团队提出了一种基于元胞自动机（CA）和多智能体模型（ABM）耦合的仿真模型——基于多智能体的元胞自动机-空间逻辑回归-多准则评价-马尔可夫的土地利用转换模型（ABCSMM）。这一模型通过引入生态系统服务价值（ES）和农民经济状况属性，有效处理了社会经济与土地利用协同的问题，能够更精准地复刻观察到的土地利用模式。

图1 研究概念图。

研究的核心在于将元胞自动机的空间自组织能力和多智能体模型的涌现性相结合，探索人类与环境之间的双向交互作用。该模型包括初始化模块、迁移模块、资产模块、土地适宜性模块和土地利用变化决策模块。通过空间逻辑回归模型，研究人员获得了影响城市用地的社会经济因素转换概率；同时，利用多准则评价和马尔可夫模型，获得了影响生态用地的自然属性因素转换概率。

图2 动态土地系统综合模型框架示意图。

图3 土地利用决策过程与农民经济状况转换图。

该研究将东江流域选为案例区域。东江是中国南方珠江的一条支流，流域内人口密度高、经济发展迅速且植被覆盖度相对较高。研究团队基于1990—2019年的历史土地利用数据，分析了该流域土地利用的时空变化特征，并对未来土地利用情景进行了模拟。结果显示，从1990年到2019年，东江流域的草地从0.21%减少至0.07%，城镇用地从0.38%增加至2.51%，灌木面积从0.04%减少至0.02%，耕地面积从17.86%下降至15.71%，但2019年增加至16.24%，且东江流域林地面积最大。

研究团队进一步通过ABCSMM模型模拟了六种不同政策情景下的土地利用变化，包括平衡发展情景（S1）、草地保护情景（S2）、生态保护情景（S3）、林地保护情景（S4）、经济发展情景（S5）和耕地保护情景（S6）。模拟结果显示，在不同政策导向下，土地利用类型的变化存在显著差异。例如，在经济发展情景下，城镇用地的扩张更为明显；而在生态保护情景下，林地、草地等生态友好型土地类型得到了更好的保护。

图4 六种情景下土地利用变化量。

该研究的创新之处在于将生态系统服务价值纳入土地利用变化模型中，为环境与人类福利之间的权衡提供了系统的全面评价。此外，通过引入农民的经济状况和土地利用决策过程，模型能够更真实地反映人类活动对土地利用变化的影响。研究结果表明，该模型在模拟东江流域土地利用时空变化方面表现出较高的效率和准确性，Kappa指数达到98.93%，表明模拟结果与实际土地利用情况高度一致。

尽管该研究在模拟精度和方法创新方面取得了显著成果，但研究人员也指出了一些局限性。例如，模型中仅考虑了有限的社会经济和自然环境驱动因素，如气候变异性、自然灾害、土壤情况等因素未被纳入。此外，元胞自动机模型在模拟过程中存在部分土地利用类型保持不变的情况，可能导致Kappa值膨胀。未来的研究将致力于引入更全面的驱动因素，并采用更准确的指标来评估模型的模拟精度。

这项研究为高密度人口流域的土地利用动态模拟提供了一种新的技术框架，其结合生态系统服务价值和多模型耦合的方法为土地利用管理和政策制定提供了有力的科学依据。通过深入分析人类活动与自然环境的相互作用，该研究不仅增进了我们对土地利用变化过程的理解，也为实现人地关系的协调发展提供了新的思路。

论文信息：

Yutong Li, Yanpeng Cai, Qiang Fu, Xiaodong Zhang, Hang Wan, Zhifeng Yang. Dynamics of Land Use/Land Cover Considering Ecosystem Services for a Dense-Population Watershed Based on a Hybrid Dual-Subject Agent and Cellular Automaton Modeling Approach. Engineering, 2024, 37(6): 198–211

开放获取：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.10.015

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