基于GMOP-PLUS耦合模型的京津冀土地利用變化多情景模擬及功能關系分析

張 波,潘 佩 佩*,王 新 云,溫 佳 昱,任 佳 璇,劉 苗 苗

(1.河北師范大學地理科學學院,河北 石家莊 050024;2.河北省環境變化遙感識別技術創新中心,河北 石家莊 050024;3.河北省環境演變與生態建設實驗室,河北 石家莊 050024;4.寧夏大學生態環境學院,寧夏 銀川 750021)

0 引言

土地利用空間格局優化是推進二十大報告提出的人與自然和諧共生的重要舉措,也是國土空間開發與生態安全格局構建的總綱。社會經濟發展導致土地資源不斷再分配,基于不同目標對未來土地利用進行有效刻畫有利于資源空間合理配置,對提升國土空間規劃和管理水平尤為重要[1]。目前,在多時相遙感數據的支持下,多數研究采用土地利用模型開展土地模擬預測[2-5]。其中,新開發的PLUS(Patch generating Land Use Simulation)模型相較于常用的Markov模型[6]、CLUE-S(Conversion of Land Use and its Effects at Small regional extent)模型[7]、SD(System Dynamics)模型[8]和FLUS(Future Land Use Simulation)模型[9]等,改進了土地利用變化與影響因子之間關系的分析策略,提升了土地利用斑塊變化的模擬性能[10],較好地實現了空間優化;但PLUS模型主要依賴自身轉換規則,缺乏土地利用結構的定量優化,而灰色多目標優化(Gray Multi-Objective Optimization,GMOP)模型可以充分考慮自上而下的政策因素和約束條件,以尋求土地最優解,實現未來土地利用結構的整體優化[11]。因此,本文基于GMOP-PLUS耦合模型預測2030年京津冀地區慣性發展情景、經濟發展情景、耕地保護情景和生態涵養情景下的土地利用格局,通過構建“三生”空間指標體系,量化土地利用功能,深入探究不同影響因子在各土地利用類型轉換過程中的貢獻度,并比較分析4種情景下的土地利用功能和關系,探究土地利用優化的可行情景,以期為緩解未來京津冀土地利用沖突并實現用地結構協調、可持續發展提供科學借鑒,也可為區域糧食安全、生態安全等多重目標規劃提供理論支撐和實踐參考。

1 研究區概況與數據來源

京津冀是中國三大城市群之一,共轄11個地市和兩個直轄市,總面積達21.8萬km2,約占全國國土面積的2.27%,截至2020年底,常住人口為1.104億人,約占全國總人口的7.8%。研究區地形多樣,北部和西部多為高原、山地、盆地,東部和南部以平原為主。除自然景觀格局差異顯著外,區域內經濟發展水平也存在較大差異,土地利用格局演變的空間異質性在全國具有典型性。 隨著京津冀主體功能區的劃定,如何對不同功能區內部的土地要素進行合理分配,建立符合實際需求的目標規劃,對推進京津冀協同發展的國家戰略具有重要現實意義。

研究所需2000年、2010年和2020年土地利用數據來源于中國科學院空天信息創新研究院提供的GlobeLand30全球地表覆被數據(分辨率30 m),分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地 6 種類型;人口數據(2020年)、年均降水量(2015年)和DEM(分辨率90 m)來源于中國科學院資源環境科學與數據中心,坡度數據由DEM計算得出;年均氣溫數據(2020年)來源于國家科技資源共享服務平臺—國家地球系統科學數據中心;土壤類型數據采用世界土壤數據庫中國數據集;道路數據來源于OpenStreetMap平臺,并經計算得出距各級道路歐氏距離柵格數據;社會經濟統計數據來自北京市、天津市以及河北省的統計年鑒。

2 研究框架

京津冀土地利用優化研究框架如圖1所示。

圖1 京津冀土地利用優化研究框架

2.1 PLUS模型

PLUS模型[10]可以動態模擬土地利用時空變化,能深入挖掘土地利用變化誘因,更好地模擬土地利用斑塊級的變化。①影響因子選取:考慮數據的可獲取性并參考文獻[6,7],主要從自然和社會經濟兩方面選取了包括DEM、坡度、年均氣溫、年均降水量、土壤類型和距水域的距離6個自然因子,以及人口、距高速公路的距離、距國道的距離、距鐵路的距離、距主干道的距離、距政府的距離和距各級道路的距離9個社會經濟因子,并在PLUS模型精度驗證時不斷添加因子,最終得到模擬精度較高的影響因子組合。②鄰域權重設定:PLUS模型中鄰域權重取值范圍為0～1,值越大表示鄰域影響越大,即擴張能力越強。結合研究區各用地類型擴張面積占比和文獻[3,12],將耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地的鄰域權重分別設置為0.10、0.35、0.08、0.15、0.90和0.20。③精度檢驗:本文以2010年土地利用數據為初始年份數據,基于PLUS模型得到2020年模擬結果,通過計算得到Kappa系數為86%,FoM系數為0.23,表明模擬結果精度較高,與實際情況基本一致,可對2030年的土地利用格局進行模擬。

2.2 GMOP模型

GMOP模型由GM(1,1)模型和灰色預測理論結合多目標規劃(MOP)發展而來,能充分考慮未來土地利用格局的不確定性。灰色預測理論通過尋找土地利用變化規律,能解決靜態規劃不能反映約束條件隨時間變化的問題。參考文獻[11],并充分考慮京津冀現有政策規劃和未來發展目標,構建約束條件下的土地利用類型數量模塊,并設定4種土地利用變化情景,以期為決策者提供最佳的土地利用優化參考方案。

1)情景定義。①慣性發展情景:沿用研究區歷史趨勢下的發展方向,對地類轉換沒有嚴格限制,不考慮政策和規劃的影響,基于2010—2020年土地利用轉換規律進行模擬。②經濟發展情景:根據京津冀人口眾多、工農業發展需水量大的現狀,將湖泊、河流等組成的水域設定為限制轉換區域,除水域外,允許各類用地向建設用地轉變。該情景以經濟效益最大化為目標,設置GMOP經濟效益目標函數maxe(x)(式(1))[13,14],計算得到經濟發展情景下的經濟效益目標函數maxe(x)′(式(2),單位:萬元/hm2)。③耕地保護情景:耕地是研究區占比最高的土地利用類型,耕地安全是保障區域糧食安全和可持續發展的關鍵。該情景將集中連片耕地和水域設置為限制轉換區域,減少耕地向建設用地和林地轉變,限制耕地向草地和水域轉變。④生態涵養情景:結合京津冀生態紅線的劃定,將河流、湖泊等水域以及自然保護區、森林公園、風景名勝區等設置為限制轉換區域,同時根據京津冀主體功能區劃[15],將壩上防風固沙帶以及燕山—太行山涵養林歸納為限制轉換區域;降低其他土地利用類型向建設用地轉換的速率,控制林地與草地向建設用地轉換的概率減少50%。該情景追求生態價值最大化,設置GMOP生態效益目標函數maxh(x)(式(3))[13,14],計算得到生態涵養情景下的生態效益目標函數maxh(x)′(式(4),單位:萬元/hm2)。

(1)

maxe(x)′=5.84x1+0.35x2+0.25x3+1.96x4+217.96x5+0.018x6

(2)

(3)

maxh(x)′=0.35x1+2.72x2+1.73x3+2.54x4+0.13x6

(4)

式中:i=1,2,…,6分別為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地,ci為i類型土地單位面積經濟效益值(單位:萬元),xi為i類型土地利用面積,di為i類型土地的單位面積生態效益值。

2)約束條件設置。根據河北省、北京市和天津市三地國土空間規劃(2021—2035年)和主體功能分區,對2030年京津冀土地利用類型進行面積約束,約束條件如表1所示。

表1 京津冀土地利用變化約束條件

3)GMOP模型求解。利用Lingo 12.0軟件對設定的目標函數和約束條件進行求解,最終得到2030年多情景下不同土地利用類型的格局。

2.3 土地利用空間多功能識別

土地利用多功能定量化識別是評價土地功能之間權衡協同關系的基礎,對于土地利用格局的優化具有重要實踐意義。參考文獻[16],將京津冀土地利用功能識別為生產功能(提供各種產品和服務)、生活功能(提供各種空間承載、物質和精神保障)和生態功能(維持人類生存的自然條件及其效用)。結合京津冀土地利用現狀并參考“三生”空間功能分類體系[16],基于3項空間功能,選擇6項一級功能和12項二級功能,構建“三生”空間功能評價指標體系(表2)。①生產功能中食物生產、水資源供應和原料生產參考謝高地等的生態系統服務價值當量因子表[17]進行計算,商品與服務產品的生產價值為2020年京津冀地區二、三產業產值[16]。②生活功能中美學景觀參考文獻[17]計算得到,基本生活保障功能價值V和就業保障功能價值Vw計算參見式(5)[18]和式(6)[16]。③生態功能各項指標參考文獻[17]計算得出。為確定各指標對本研究的影響程度,對原始數據進行極差標準化,取值范圍為[0,1],并運用熵值法對各指標賦權,進一步通過模糊層次分析法[19]修正,得到綜合權重(表2)。

表2 “三生”空間功能評價指標體系及土地利用功能單位面積價值

V=P0×L/K

(5)

Vw=(P0-P1)×B/K

(6)

式中:P0為人口承載力,我國土地資源在中等投入水平下人口承載力為3.68～5.51人/hm2[20],京津冀地區人口密集,選取5人/ hm2;L為研究區2020年最低生活保障水平,為河北省農村低保標準4 380元/人/年;K為研究區2020年城市居民人均可支配收入與農民人均純收入之比,P1為土地資源的最小承載力,即3.68人/hm2[16],B為研究區2020年城鎮失業保險金標準。

2.4 權衡協同評價

本文采用雙變量局部空間自相關表征各功能間相互增益的協同和此消彼長的權衡,反映土地利用不同功能之間的沖突關系,為土地利用結構優化提供依據[21]。計算公式為[22]:

(7)

2.5 耦合協調度評價

土地利用格局演變是土地資源在“三生”空間功能之間的動態分配,在各功能定量化的基礎上,利用耦合度C(式(8))表示不同情景下“三生”空間功能的耦合程度[23],取值范圍為[0,1],C值越大,表示“三生”空間功能之間相互作用越強烈。耦合協調模型(式(9)、式(10))[24]可表征“三生”空間功能之間的耦合協調度D,D值越大,說明其耦合協調程度越高,參考文獻[25],將耦合協調度劃分為6個等級:D∈[0,0.3]為嚴重不協調,D∈(0.3,0.6]為基本不協調,D∈(0.6,0.8]為基本協調,D∈(0.8,0.9]為良好協調,D∈(0.9,1]為高度協調。

C=3×{M×R×E/(M+R+E)3}1/3

(8)

(9)

T=αM+βR+χE

(10)

式中:M、R、E分別為生產功能、生活功能、生態功能的價值,α、β、χ為待定系數,結合京津冀未來發展規劃和文獻[23,24],設定α=0.34,β=χ=0.33。

3 結果分析

3.1 各影響因子對土地利用變化的貢獻度

基于PLUS模型得到各影響因子對土地利用變化的貢獻度(各因子貢獻度之和為1)。由圖2可見,DEM、坡度、人口、溫度和降水對土地利用變化影響較大,距三級公路的距離對土地利用變化影響較小。各影響因子對不同土地利用變化的作用也不同,DEM、溫度、人口和坡度對耕地影響較大,貢獻度占45.6%,距三級公路的距離對其影響最小,僅占2%;坡度、人口和降水對林地的影響較大,貢獻度達39%,距三級公路的距離對其影響最小,貢獻度為2.5%;DEM、坡度對草地和水域的影響較大,貢獻度分別為24.4%和34.0%,距二、三級公路的距離對草地和水域的影響較小,貢獻度分別為 5.8%和3.9%;人口對建設用地的影響最大,貢獻度為14.8%,距三級公路的距離貢獻度最小,為2.1%;降水和溫度對未利用地的影響較大,貢獻度為43.5%,距水域的距離對其影響最小,貢獻度僅為1.2%。

圖2 影響因子對土地利用變化的貢獻度

3.2 土地利用模擬優化結果

基于GMOP-PLUS耦合模型模擬京津冀2030年多情景下土地利用格局,結果(圖3、表3)表明:京津冀2030年4種情景下的土地利用變化趨勢相對一致,耕地和草地減少,林地和建設用地增加,但不同用地變化幅度和空間格局不同。研究區北部以林地和草地為主,中南部以耕地和建設用地為主,整體仍以耕地、林地和建設用地為主,地類變化集中在耕地和建設用地。建設用地具有沿著主要交通線擴張的趨勢,如北京市大興區沿著機場周邊擴張,高碑店市沿著京廣鐵路和京港澳高速擴張,永年區沿著鐵路、國道和高速公路呈南北向發展等。大城市具有輻射帶動作用,如北京市向昌平、順義、通州等周邊城區發展;地形平坦區域吸引建設用地擴張,如石家莊市主要向東部平原擴張,昌黎縣、灤南縣、濱海新區等沿海城市向海邊擴張;林地主要向西北部的山區擴張,耕地較多被城鎮用地侵占。

表3 不同情景下各種土地利用類型面積

圖3 京津冀2030年多情景土地利用模擬結果

與2020年相比,2030年耕地在4種情景下均呈減少趨勢,在慣性發展情景下減幅最大,耕地保護情景下減幅最小;林地在4種情景下均呈增長趨勢,生態涵養情景下增幅最大,經濟發展情景下增幅最小;草地在4種情景下均呈減少趨勢,在生態涵養情景下減幅最小,耕地保護情景下減幅最大;水域僅在慣性發展情景下減少,在生態涵養情景下增幅最大;建設用地在4種情景下均呈增加趨勢,在慣性發展情景下增幅最大,在生態涵養情景下增幅最小;未利用地僅在慣性發展情景下增長,在經濟發展情景下減幅最大。

3.3 土地利用功能關系分析

3.3.1 權衡協同分析

1)基于SPSS 21.0軟件計算不同情景下“三生”空間各功能之間的相關系數(表4),在0.01水平下,模擬的4種情景下2030年生產功能與生活功能、生產功能與生態功能均呈顯著的負相關,存在權衡關系;生活功能與生態功能均呈顯著的正相關,具有協同關系。“三生”空間功能權衡/協同關系較弱的均為慣性發展情景,最強的為生態涵養情景。

表4 多情景下“三生”空間功能相關系數

2)為深入探究“三生”空間功能之間權衡協同關系的空間格局,以縣域為基本單元,基于GeoDa軟件進行局部空間自相關分析,得到LISA圖(圖4),結果表明,2030年京津冀生產、生活與生態功能之間空間異質性明顯。4種情景下生產與生活功能主要為權衡關系,低—高集聚主要分布在研究區北部,以生態環境較脆弱的張承地區為主,高—低集聚主要分布在研究區中部,協同關系較分散;生產與生態功能以權衡關系為主,低—高集聚主要分布在承德、張家口東部、保定西部等地區,高—低集聚主要分布在滄州的任丘市、河間市等中部地區,協同關系主要分布在衡水、邢臺西南部和邯鄲西南部等地區;生活與生態功能以協同關系為主,隨著社會經濟發展水平的提高,生活空間質量的提高促進了美學景觀的發展,于是生活功能的提高也帶動生態功能的增長,高—高集聚主要分布在張家口東部和承德北部,低—低集聚分布在廊坊的三河市、霸州市、滄州的南皮縣和邯鄲西南部等地區,權衡關系主要位于滄州的河間市、衡水冀州區、張家口赤城縣等地區。 “三生”空間功能的不顯著區域大部分位于限制開發或禁止開發區,如燕山—太行山生態涵養區、沿海生態防護區等,這些區域生態保護措施嚴格,提供較高的生態功能。總體上,生產與生活功能的權衡關系在慣性發展情景下數量最多,生態涵養情景數量最少,協同關系在生態涵養情景下數量最少,其他情景較多;生產與生態功能的權衡關系在耕地保護情景下數量最多,經濟發展情景數量最少,協同關系在經濟發展情景下數量最多,慣性發展情景數量最少;生活與生態功能的協同關系在經濟發展情景下數量最多,耕地保護情景數量最少,權衡關系在耕地保護情景下數量最多,經濟發展情景最少。

圖4 多情景下生產、生活、生態功能雙變量局部LISA圖

3.3.2 耦合協調度 基于2030年多情景下的土地利用模擬結果,根據耦合協調度模型計算出多情景下京津冀土地利用3個功能間耦合協調度(表5)。結果表明,慣性發展情景下耦合協調度最低,為基本協調類型,說明設置限制區域并對各土地利用類型面積進行規劃和約束、限制向建設用地轉化的速率可以優化土地利用結構,提高土地利用功能的協調度,使土地利用系統趨于有序發展。對土地利用加以限制和約束的耕地保護情景與經濟發展情景下耦合協調度相對較小,屬于良好協調類型,土地利用各功能之間聯系相對較低;生態涵養情景下耦合協調度最高,屬于高度協調類型,表明該情景下“三生”空間趨于有序發展,各土地利用功能高度協調,有利于實現區域可持續發展。

表5 2030年多情景下京津冀土地利用功能耦合協調度

4 結論與討論

4.1 結論

本文基于GMOP-PLUS耦合模型,對京津冀 2030年4種情景下的土地利用格局進行優化模擬,綜合分析了各土地利用類型變化的影響因素,并對模擬結果進行土地利用功能關系測度,分析不同情景下的土地利用結構,主要結論如下:①自然因素在土地利用變化中起基礎性作用,其中坡度、DEM、溫度和降水貢獻值較高,占比均超過6%;人口因素的影響最活躍,除未利用地外,對其他土地利用類型貢獻度占比均超過11%,為主導因素;主要交通線對建設用地、耕地和草地的擴張具有重要影響作用,如距鐵路、政府和一級公路的距離貢獻度占比均超過4.5%。②4種情景下,耕地、草地呈減少趨勢,林地和建設用地呈增加趨勢,其中建設用地擴張能力最強,耕地較多被占用。不同情景下區域土地利用變化具有明顯差異性:慣性發展情景下生產功能價值最大,但水域面積僅在該情景下減少;經濟發展情景下林地增量最少;耕地保護情景下,耕地面積減幅最小且生活功能價值最大;生態涵養情景下,林地、水域面積增幅最大,草地面積減幅最小,且該情景下生態功能價值最大。③京津冀生產功能與生活功能、生態功能存在權衡關系,生活功能與生態功能具有協同關系,不同情景下協同/權衡關系有明顯的空間差異。發展過程中應避免生產功能的提升而導致生活功能和生態功能的降低,關注生活質量和生態質量。土地利用約束下的3種情景耦合協調度均較高,可以滿足不同發展需求,其中生態涵養情景下耦合協調度最高,是最優情景,因此,京津冀未來土地利用發展應充分考慮生態涵養情景,對區域未來土地結構優化布局及促進區域協調發展具有重要意義。

4.2 討論

基于GMOP-PLUS耦合模型通過設置優化目標開展土地利用模擬,通過評估土地利用功能間關系,可以更全面地篩選未來土地利用結構優化方案。本文基于模擬結果進一步剖析不同情景下土地利用功能間的關系,可更全面地測度模擬結果的可行性。

京津冀土地利用結構優化過程中,應關注貢獻度較高的影響因子,例如:耕地和建設用地對自然條件要求較高,受DEM、坡度、土壤類型等多種因素影響;人口是最活躍的影響因素,成為除未利用地外其他土地利用類型的主導因素;交通條件優良會吸引建設用地布局,而主要道路會影響耕地擴張,但會提高草地面積比例,這對京津冀未來交通線路規劃具有重要參考意義。

4種模擬情景考慮了不同的發展方向,體現了土地格局的差異[26]。從土地利用關系看,生產功能與生活功能的權衡關系主要集中在張家口、承德、北京、保定和石家莊地區,在生態脆弱區生產空間的擴大易擠壓生活空間,而大城市生產擴張能力強會擠壓生活空間;生產功能與生態功能權衡關系主要分布在張家口、承德等生態環境脆弱區,生產空間的擴大會縮小生態空間;生活功能與生態功能的協同關系主要分布在京津冀的北部、中部及東南部地區。權衡/協同關系不顯著區域大部分為生態環境較好的主體生態功能區,未來在保護生態的同時可適度發展經濟,還可通過區域生態補償機制促進人地關系和諧。

以往研究多注重對土地利用數量和不同功能的相對大小和趨勢進行分析,但本研究表明,如果不能全面識別土地利用功能之間的關系,難以確定未來國土空間優化的具體方向和限制因素,或者僅考慮整體耦合協調關系,而忽略區域內部的權衡。如生態涵養情景下的耦合協調度最高,緩解了其他土地利用類型被建設用地大量占用的趨勢,但也要處理好京津冀地區的權衡關系,如張承地區生產與生活、生態關系和河北省東南地區的生活與生態關系。因此,不同功能之間的多視角分析有助于明確未來土地利用的方向,最大限度減少土地利用的沖突,為未來京津冀可持續發展提供研究基礎和決策參考。

本研究較精確地計算了研究區不同發展目標下的土地利用格局及其相互關系,未來可進一步細化土地利用分類體系和“三生”空間指標體系。隨著經濟發展和人民福祉水平的提升,對生態系統服務的需求將愈加強烈,可結合實際持續完善生態功能的指標,以更貼合未來人與自然和諧共生的發展理念;此外,還需要完善的國土資源管理策略指導當地土地利用類型和自然資源之間的空間配置關系,促進區域再開發[27]。