權衡城市擴張、耕地保護與生態保育的土地利用布局優化
——以武漢市為例

柯新利,鄭偉偉,楊柏寒

(華中農業大學公共管理學院,湖北武漢430070)

權衡城市擴張、耕地保護與生態保育的土地利用布局優化
——以武漢市為例

柯新利,鄭偉偉,楊柏寒

(華中農業大學公共管理學院,湖北武漢430070)

我國正處于高速城市化階段,如何協調城市擴張、耕地保護與生態保育對土地資源需求的矛盾是當前我國土地利用中面臨的主要問題。該文采用LANDSCAPE模型,以武漢市為例,以城市擴張、耕地保護和生態保育的協調為目標,開展土地利用布局優化。結果表明:1)在滿足城市擴張規模與糧食安全的條件下,優化后城鎮用地擴張對區域生態系統服務價值侵占僅為未優化布局的64%,該文提出的優化模型能顯著提升城市擴張、耕地保護與生態保育的協調程度。2)當前城市擴張過程中土地系統生態服務價值流失過快,特別是城市中湖泊和草地大量減少,因而有必要改變當前的城市擴張模式,采取以城市化為導向的生態化發展政策,以實現城市擴張、耕地保護與生態保育的協調。研究結果可為武漢市土地利用優化布局和合理利用提供科學依據,也可為快速城市化進程中城市擴張、耕地保護與生態保育的協調提供方法支撐。

土地優化布局;生態服務價值;LANDSCAPE;耕地保護;城市擴張

0 引言

城市擴張是當前全球土地利用變化最為顯著的特征[1-3],也是我國目前土地利用中正在經歷的典型過程。城市擴張侵占大量耕地和生態用地,直接導致耕地數量銳減以及生態環境問題發生[4],給我國糧食安全和生態保護帶來嚴重威脅。因此城市擴張造成的耕地流失[5]和生態環境問題[6]已成為學術界的研究熱點。

城市擴張和耕地保護之間的矛盾由來已久,城市擴張是耕地流失的主要原因。近些年來,國內在城市擴張時空過程探測[7,8]、驅動機理分析[9-11]、過程刻畫與模擬[12-16]等方面取得大量研究成果。研究表明,當前城市盲目擴張,布局混亂,過度侵占耕地[17]。諸多學者對城市擴張與耕地流失之間的關系進行了研究,提出了實現城市擴張與耕地保護的策略[18],并開展了關于城市擴張與耕地保護優化布局的研究[19]。隨著城鎮化水平大幅度提高,城市擴張與生態環境之間的競爭愈演愈烈。城鎮擴張嚴重侵占林地、草地和濕地等高生態系統服務價值的土地利用類型,使得這些生態系統原有的水質凈化[20]、土壤保持[21]、廢棄物去毒分解[22]、養分循環[23]和調節氣候[24]等功能受到嚴重破壞,特別是造成生物棲息地片段化[25]、隔離化[26],嚴重影響到生態系統平衡。國際上學者較多關注城鎮擴張對水土保持、水源凈化和生態改善的影響[27,28]。國內諸多學者在土地利用變化或城市擴張對生態系統服務價值的影響上進行了不同尺度的研究[29-33]。由此可見,城市擴張對耕地流失和生態系統功能的影響已經得到證實。

中國現階段經濟高速發展,人口迅速增長,對土地資源的需求尤為顯著,城市擴張仍是我國土地利用變化的主導特征。因此如何對有限的土地資源進行優化配置,實現城市擴張、耕地保護與生態保育協調發展,是當前我國土地利用面臨的嚴峻挑戰。迫切需要在協調城市擴張、耕地保護和生態保育的基礎上,開展土地利用的優化布局。

本文以武漢市為例,采用LANDSCAPE(LAND System Cellular Automata model for Potential Effects)模型,根據城市擴張、耕地保護與生態保育對土地資源的需求,開展土地利用布局優化,達到城市擴張、耕地保護與生態保育的協調發展。本文對武漢市土地資源的合理布局與可持續利用提供決策依據,同時亦為其他區域的城市布局優化提供方法支撐。

1 模型與方法

1.1 總體研究框架

本文基本思路為:1)耕地保護是基礎:土地利用布局優化必須保障糧食安全,嚴格遵守耕地占補平衡等土地保護政策;2)城市擴張是目標:土地利用布局優化應盡可能滿足對建設用地的需求,保證城鎮化發展和社會經濟穩定;3)生態保育是約束條件:土地利用布局優化在保證城市擴張和耕地保護的基礎上,盡可能減少對土地生態服務功能的侵占,使其實現生態功能價值最大化。總體包括兩個步驟:首先,以武漢市2005年土地利用圖為基礎,用LANDSCAPE模型模擬2013年土地利用布局,與2013年現狀圖相比,進行模型校準。其次,采用校準后模型模擬優化和未優化的2020年土地利用布局,通過兩者對比,分析優化后土地利用布局,為未來土地利用規劃提出建議措施。

圖1 協調城市擴張、耕地保護與生態保育的土地優化總體框架Fig.1 Framework for land allocation with coordination of urban expansion,cultivated land protection and ecosystem conservation

1.2 LANDSCAPE模型

CA(Cellular Automata)模型可以模擬復雜的地理時空演化過程[34-36],是模擬城市擴張的重要工具。但很少有基于CA的模型能夠解釋和模擬交互級聯過程和土地利用變化之間的競爭。在本文中,使用基于CA的土地系統模擬與優化模型——LANDSCAPE模型,開展了武漢市土地利用優化配置研究。本文中LANDSCAPE模型通過分層分配策略,考慮各土地類型之間的轉換概率,實現多分類土地系統變化的動態模擬與優化配置。

(1)分層分配策略。在LANDSCAPE模型中,根據土地利用變化的主要驅動力,將土地利用類型分為主動型和被動型。主動地類是由人類需求直接驅動的,例如城市和農用地。被動地類是由主動地類的變化而驅動,例如城市擴張和耕地補充會造成對草地或林地的侵占等。因此,LANDSCAPE模型在各地類空間分配的過程中根據主動型地類的競爭優勢分別確定各主動型地類的空間位置,并據此實現人類需求驅動主動型地類變化、主動型地類變化驅動被動型地類變化的連鎖反應過程。

(2)轉換概率。主動地類分配由適應性和阻抗兩個因素決定,適應性表示某一位置對目標地類的適應程度,阻抗則表示從當前地類轉換成其他地類的困難程度。被動地類轉換成主動地類是由其適應性和其他潛在轉換位置的阻抗兩方面決定。在LANDSCAPE模型中,土地利用轉換概率由位置適應性和轉換阻抗兩部分決定:

式中:TT Plu是位置l轉換成土地利用類型u的總潛力;Plu是位置l轉變成土地利用類型u的適應性,它取決于該位置的生物物理和社會經濟特征以及鄰域效應和約束條件;Ru是當前土地利用類型u轉換成其他地類的阻抗,它取決于當前的土地利用類型u。Plu的計算公式為:

式中:γ為(0,1)范圍內的隨機數;α為控制隨機變量影響大小的參數,取值范圍是1～10之間的整數; Pgu表示該位置的生物物理和社會經濟特征(如海拔、坡度及距道路的距離),可以通過專家知識、統計分析及計量經濟分析等方法確定適應性與交通區位、地形特征等驅動力之間的關系,本文中采用支持向量機(SVM)方法計算Pgu;Con(Clu)是每個元胞的約束值,其中0表示該元胞不可發生轉化,1表示該元胞可以發生轉化;Ωlu為鄰域轉化概率[34]。

1.3 優化布局參數設定

本文采用LANDSCAPE模型優化2020年武漢市土地利用布局。為保障城市擴張對建設用地需求,城市建設用地和農村建設用地面積采用武漢市2006-2020年土地利用總體規劃[37],分別為91 000 hm2和44 300 hm2。江漢平原是我國的糧食生產地,為確保糧食安全,耕地面積嚴格執行耕地占補平衡政策,與2013年耕地面積保持一致,為470 616 hm2。為保障生態系統功能穩定,優化中增加生態地類轉換成建設用地或耕地的阻抗,對生態用地進行最大限度保護。考慮到在優化過程中城市建設用地和農村建設用地生態服務功能價值相對較低,其阻抗下降為原來阻抗的90%。對于其他土地利用類型,阻抗分別由下式計算:

式中:R′u是優化過程中土地利用類型u的調整阻抗;Ru是土地利用類型u原來的阻抗;ESVu是土地利用類型u的單位生態系統服務價值當量;ESVmin和ESVmax分別代表所有土地利用類型單位生態系統服務價值當量的最小值和最大值。

本文中所有土地利用類型的生態系統服務價值當量參考謝高地等[38]提出的中國土地利用生態系統服務價值當量值,其中林地的生態系統服務價值當量為1 518.48美元/(hm2·a),草地的生態系統服務價值當量為630.18美元/(hm2·a),耕地的生態系統服務價值當量為426.6美元/(hm2·a),水體的生態系統服務價值當量為2 448.9美元/(hm2·a)。

2 研究區域與數據

2.1 研究區域

武漢市是我國中部崛起戰略的龍頭城市,城鎮化發展迅速,同時對糧食安全和生態保護有較高要求。2007年武漢市區面積為255.4 km2,到2012年飛速增長至807.7 km2,市區面積平均年增長25.9%[39]。隨著我國城鎮化的快速推進和中部崛起戰略的實施,武漢市社會經濟高速發展,城鎮用地擴張活躍。同時,武漢市地處江漢平原,耕地資源豐富,耕地利用方式多樣。在經濟發展和人口增長的雙重壓力下,武漢市生態系統服務功能退化的壓力突顯[40]。作為百湖之市的武漢,在1990-2013年期間,市內主要湖泊面積減少27.95 km2,其中沙湖、曬湖和南湖的面積分別萎縮了77.27%、70.12%和52.56%[41],生態保護形勢十分嚴峻,如何實現城市擴張、耕地保護與生態保育三者之間的協調發展,是目前武漢市面臨的重大考驗。

2.2 數據來源

1)土地利用數據集。包括武漢市2005年和2013年的土地利用數據,分為耕地、林地、草地、河流、水體、城市建設用地和農村建設用地七大類。2005年土地利用數據來源于中國科學院資源環境數據中心,2013年土地利用數據采用Landsat OLI遙感影像數據解譯,將兩年土地利用圖重采樣為100 m的空間分辨率。2)武漢市交通數據集。用于計算位置可達性,采用ArcGIS的“Euclidean Distance”工具對交通數據集進行運算,分別得到距鐵路、高速公路、國道、省道、主干道和次干道的柵格距離數據。3)地形數據,主要包括高程和坡度,用于計算適應性。采用的DEM數據空間分辨率為90 m,以SRTMDEM數據為基礎,采用ArcGIS10的SLOPE工具生成武漢市坡度數據集。高程和坡度數據集均重采樣到100 m的空間分辨率,與土地利用數據的空間分辨率一致。

3 結果分析

3.1 模型校準

本文采用Kappa Simulation指數評估LANDSCAPE模型解釋土地利用變化的能力。針對混淆矩陣將大量未發生變化的元胞混入精度測算結果,從而無法準確反映真正模擬精度這一問題,荷蘭學者Jasper van Vliet提出了Kappa Simulation指數[42],該指數僅評估發生變化的元胞轉換精度,可得對土地利用變化模型模擬精度的客觀評估。在精度評估過程中,Kappa Simulation指數大于0表示模型的模擬精度較高,小于0則表示模型的模擬精度較差。在表1中,所有地類的Kappa指數都大于0,這表示LANDSCAPE模型在土地利用變化模擬過程中精度較高。在模擬結果中,農村建設用地模擬的Kappa Simulation指數接近于0,其原因是農村建設用地分布散亂,很難被CA算法捕捉到。

表1 模型校準精度Table 1 Model calibration accuracy(2005-2013)

3.2 土地利用布局優化結果

以武漢市2013年土地利用數據(圖2,彩圖見封2)為基點,采用LANDSCAPE模型開展權衡城市擴張、耕地保護與生態保育的土地布局優化,得到2020年土地布局優化結果(圖3,彩圖見封2)。通過與未優化的2020年土地利用數據對比發現,在未優化布局中,城市內部擴張侵占了大量生態用地,如湖泊、草地等;而在優化布局中,城市內部的水體和草地得到保護。由此得出,在優化布局中,武漢市中心生態用地特別是湖泊免受侵占,使武漢市的城市發展更加生態化。由于水體的生態服務價值當量高于耕地、林地、草地等土地利用類型,因此在土地優化布局中,水體轉換成建設用地的阻抗高于其他地類,即在城市擴張與耕地保護的基礎上,生態價值較高的水體得到優先保護。

3.3 各地類侵占結果和生態系統服務價值

表2中顯示,建設用地對各地類侵占總量相差不大,但侵占各地類的比例不同。在未優化布局中,耕地被占用量最多,其次是水體,林地;而在優化布局中,耕地被占用量依然最多,但是林地、草地和水體被占用比例大量減少,尤其是對水體的侵占量。為評估土地布局優化對生態系統服務功能的影響,本文分別測算了建設用地侵占各地類的生態系統服務價值。由表2可知,未優化土地布局中,建設用地侵占生態系統服務價值總量達2 381.37×104美元,而優化布局中,建設用地侵占生態系統服務價值總量為1 532.30×104美元,僅為未優化布局中的64%。

圖2 武漢市2013年模擬與實際的土地利用分布Fig.2 Simulated and actual land use distribution of Wuhan in 2013

表2 2020年建設用地侵占量和侵占生態價值對比Table 2 Results of land use loss and ESV loss caused by urban expansion in 2020

建設用地對各地類生態系統服務價值的侵占量中,優化布局對耕地生態系統服務價值侵占量為1 310.30×104美元,是未優化布局侵占量(1 011.26× 104美元)的129%;優化布局對林地生態系統服務價值侵占量為98.25×104美元,是未優化布局侵占量(427.30×104美元)的23%;優化布局對草地生態系統服務價值侵占量為28.74×104美元,是未優化布局侵占量(83.25×104美元)的35%;優化布局對水體生態系統服務價值侵占量為95.02×104美元,是未優化布局侵占量(859.56×104美元)的11%。

4 結論與討論

本文采用LANDSCAPE模型優化武漢市2020年土地利用布局,通過與未優化布局相對比,分析優化布局效果。本文主要研究結論為:

(1)土地資源的空間優化布局可以實現城市擴張、耕地保護與生態保育的協調。在未優化布局中,當前的城市內部擴張致使大量生態用地被侵占,例如水體、草地等;而優化布局中,城市內部的水體和草地得到保護,城市發展模型偏向生態化。由此得出,在優化布局中,土地生態系統服務價值得到保障。

(2)在保障城市擴張和耕地保護需求下,經優化布局后,建設用地對生態系統服務價值侵占大幅下降,僅為未優化布局生態系統服務價值流失的64%。說明本文提出的優化布局結果能顯著提升城市擴張、耕地保護與生態保育的協調程度。

(3)本文通過將城市建設用地擴張和耕地總量平衡作為LANDSCAPE模型的約束條件,將各地類的生態系統服務價值當量參數化為LANDSCAPE中各類用地的轉換阻抗,從而開展區域土地利用優化布局研究,實現城市擴張、耕地保護和生態保育的協調。

本研究可以為區域土地資源的優化配置提供借鑒。然而,在實際土地利用優化配置過程中,應將影響土地利用變化的社會經濟因素、城市發展目標與模式等因素內化為模型的參數,使得優化方案更加合理可行。

圖3 2020年武漢市優化結果Fig.3 Optimized layout of land use of Wuhan in 2020

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Optimizing of Land Allocation for Synergy of Urban Expansion,Cultivated Land Protection and Ecosystem Conservation:A Case Study of Wuhan

KE Xin-li,ZHENG Wei-wei,YANG Bo-han
(College of Public A dministration,H uaz hong A gricultural University,Wuhan 430070,China)

China is in the stage of rapid urbanization,in which competitions among urban expansion,cultivated land protection and ecosystem conservation are unavoidable.In view of this conflict,taking Wuhan as an example,this paper carries out the layout optimization of land use pattern by using LANDSCAPE model based on CA model,attempting to achieve balanced development of urban expansion,cultivated land protection and ecosystem conservation.T he results suggest that:under the dual constraints of the scale of urban expansion and food security,loss of ecosystem services value caused by urban expansion in optimized allocation accounts for only 64%of that in land allocation without optimization.The optimization model which is proposed in this research can significantly improve the synergic degree of urban expansion,cultivated land protection and ecological conservation.In the current process of urban expansion,the ecosystem service value is lost too fast,especially in the lake and grassland inside the city.T herefore,it is necessary to change the pattern of urban expansion to make synergy among urban expansion,cultivated land protection and ecosystem conservation.Thus,ecology-oriented land use policies must be established to provide an optimal compromise between urbanization,food security and ecosystem conservation.This research is helpful to provide scientific evidence to optimize land resources allocation in Wuhan as well as methodology for getting synergy among urban expansion,cultivated land protection and ecosystem conservation in rapid urbanization area.

optimization of land allocation;ecosystem service;LANDSCAPE;cultivated land protection;urban expansion

F301.2

A

1672-0504(2016)05-0009-05

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.05.002

2016-07-15;

2016-08-09

國家社會科學基金項目“基于生產力總量平衡的耕地區域布局優化及補償機制研究”(13CGL092);國家自然科學基金項目“城鎮用地擴張與耕地功能演變的時空耦合機理研究——以武漢市為例”(41371113);“城市群城鎮用地擴張多尺度耦合機理研究”(41101098);教育部人文社會科學研究青年基金項目“基于布局優化的耕地保護區域補償機制研究”(13YJC630136)

柯新利(1977-),男,博士,副教授,研究方向為土地資源優化配置。E-mail:kexl@mail.hzau.edu.cn