权衡城市扩张、耕地保护与生态保育的土地利用布局优化——以武汉市为例

柯新利,郑伟伟,杨柏寒

(华中农业大学公共管理学院,湖北武汉430070)

权衡城市扩张、耕地保护与生态保育的土地利用布局优化
——以武汉市为例

柯新利,郑伟伟,杨柏寒

(华中农业大学公共管理学院,湖北武汉430070)

我国正处于高速城市化阶段,如何协调城市扩张、耕地保护与生态保育对土地资源需求的矛盾是当前我国土地利用中面临的主要问题。该文采用LANDSCAPE模型,以武汉市为例,以城市扩张、耕地保护和生态保育的协调为目标,开展土地利用布局优化。结果表明:1)在满足城市扩张规模与粮食安全的条件下,优化后城镇用地扩张对区域生态系统服务价值侵占仅为未优化布局的64%,该文提出的优化模型能显著提升城市扩张、耕地保护与生态保育的协调程度。2)当前城市扩张过程中土地系统生态服务价值流失过快,特别是城市中湖泊和草地大量减少,因而有必要改变当前的城市扩张模式,采取以城市化为导向的生态化发展政策,以实现城市扩张、耕地保护与生态保育的协调。研究结果可为武汉市土地利用优化布局和合理利用提供科学依据,也可为快速城市化进程中城市扩张、耕地保护与生态保育的协调提供方法支撑。

土地优化布局;生态服务价值;LANDSCAPE;耕地保护;城市扩张

0 引言

城市扩张是当前全球土地利用变化最为显著的特征[1-3],也是我国目前土地利用中正在经历的典型过程。城市扩张侵占大量耕地和生态用地,直接导致耕地数量锐减以及生态环境问题发生[4],给我国粮食安全和生态保护带来严重威胁。因此城市扩张造成的耕地流失[5]和生态环境问题[6]已成为学术界的研究热点。

城市扩张和耕地保护之间的矛盾由来已久,城市扩张是耕地流失的主要原因。近些年来,国内在城市扩张时空过程探测[7,8]、驱动机理分析[9-11]、过程刻画与模拟[12-16]等方面取得大量研究成果。研究表明,当前城市盲目扩张,布局混乱,过度侵占耕地[17]。诸多学者对城市扩张与耕地流失之间的关系进行了研究,提出了实现城市扩张与耕地保护的策略[18],并开展了关于城市扩张与耕地保护优化布局的研究[19]。随着城镇化水平大幅度提高,城市扩张与生态环境之间的竞争愈演愈烈。城镇扩张严重侵占林地、草地和湿地等高生态系统服务价值的土地利用类型,使得这些生态系统原有的水质净化[20]、土壤保持[21]、废弃物去毒分解[22]、养分循环[23]和调节气候[24]等功能受到严重破坏,特别是造成生物栖息地片段化[25]、隔离化[26],严重影响到生态系统平衡。国际上学者较多关注城镇扩张对水土保持、水源净化和生态改善的影响[27,28]。国内诸多学者在土地利用变化或城市扩张对生态系统服务价值的影响上进行了不同尺度的研究[29-33]。由此可见,城市扩张对耕地流失和生态系统功能的影响已经得到证实。

中国现阶段经济高速发展,人口迅速增长,对土地资源的需求尤为显著,城市扩张仍是我国土地利用变化的主导特征。因此如何对有限的土地资源进行优化配置,实现城市扩张、耕地保护与生态保育协调发展,是当前我国土地利用面临的严峻挑战。迫切需要在协调城市扩张、耕地保护和生态保育的基础上,开展土地利用的优化布局。

本文以武汉市为例,采用LANDSCAPE(LAND System Cellular Automata model for Potential Effects)模型,根据城市扩张、耕地保护与生态保育对土地资源的需求,开展土地利用布局优化,达到城市扩张、耕地保护与生态保育的协调发展。本文对武汉市土地资源的合理布局与可持续利用提供决策依据,同时亦为其他区域的城市布局优化提供方法支撑。

1 模型与方法

1.1 总体研究框架

本文基本思路为:1)耕地保护是基础:土地利用布局优化必须保障粮食安全,严格遵守耕地占补平衡等土地保护政策;2)城市扩张是目标:土地利用布局优化应尽可能满足对建设用地的需求,保证城镇化发展和社会经济稳定;3)生态保育是约束条件:土地利用布局优化在保证城市扩张和耕地保护的基础上,尽可能减少对土地生态服务功能的侵占,使其实现生态功能价值最大化。总体包括两个步骤:首先,以武汉市2005年土地利用图为基础,用LANDSCAPE模型模拟2013年土地利用布局,与2013年现状图相比,进行模型校准。其次,采用校准后模型模拟优化和未优化的2020年土地利用布局,通过两者对比,分析优化后土地利用布局,为未来土地利用规划提出建议措施。

图1 协调城市扩张、耕地保护与生态保育的土地优化总体框架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)模型可以模拟复杂的地理时空演化过程[34-36],是模拟城市扩张的重要工具。但很少有基于CA的模型能够解释和模拟交互级联过程和土地利用变化之间的竞争。在本文中,使用基于CA的土地系统模拟与优化模型——LANDSCAPE模型,开展了武汉市土地利用优化配置研究。本文中LANDSCAPE模型通过分层分配策略,考虑各土地类型之间的转换概率,实现多分类土地系统变化的动态模拟与优化配置。

(1)分层分配策略。在LANDSCAPE模型中,根据土地利用变化的主要驱动力,将土地利用类型分为主动型和被动型。主动地类是由人类需求直接驱动的,例如城市和农用地。被动地类是由主动地类的变化而驱动,例如城市扩张和耕地补充会造成对草地或林地的侵占等。因此,LANDSCAPE模型在各地类空间分配的过程中根据主动型地类的竞争优势分别确定各主动型地类的空间位置,并据此实现人类需求驱动主动型地类变化、主动型地类变化驱动被动型地类变化的连锁反应过程。

(2)转换概率。主动地类分配由适应性和阻抗两个因素决定,适应性表示某一位置对目标地类的适应程度,阻抗则表示从当前地类转换成其他地类的困难程度。被动地类转换成主动地类是由其适应性和其他潜在转换位置的阻抗两方面决定。在LANDSCAPE模型中,土地利用转换概率由位置适应性和转换阻抗两部分决定:

式中:TT Plu是位置l转换成土地利用类型u的总潜力;Plu是位置l转变成土地利用类型u的适应性,它取决于该位置的生物物理和社会经济特征以及邻域效应和约束条件;Ru是当前土地利用类型u转换成其他地类的阻抗,它取决于当前的土地利用类型u。Plu的计算公式为:

式中:γ为(0,1)范围内的随机数;α为控制随机变量影响大小的参数,取值范围是1～10之间的整数; Pgu表示该位置的生物物理和社会经济特征(如海拔、坡度及距道路的距离),可以通过专家知识、统计分析及计量经济分析等方法确定适应性与交通区位、地形特征等驱动力之间的关系,本文中采用支持向量机(SVM)方法计算Pgu;Con(Clu)是每个元胞的约束值,其中0表示该元胞不可发生转化,1表示该元胞可以发生转化;Ωlu为邻域转化概率[34]。

1.3 优化布局参数设定

本文采用LANDSCAPE模型优化2020年武汉市土地利用布局。为保障城市扩张对建设用地需求,城市建设用地和农村建设用地面积采用武汉市2006-2020年土地利用总体规划[37],分别为91 000 hm2和44 300 hm2。江汉平原是我国的粮食生产地,为确保粮食安全,耕地面积严格执行耕地占补平衡政策,与2013年耕地面积保持一致,为470 616 hm2。为保障生态系统功能稳定,优化中增加生态地类转换成建设用地或耕地的阻抗,对生态用地进行最大限度保护。考虑到在优化过程中城市建设用地和农村建设用地生态服务功能价值相对较低,其阻抗下降为原来阻抗的90%。对于其他土地利用类型,阻抗分别由下式计算:

式中:R′u是优化过程中土地利用类型u的调整阻抗;Ru是土地利用类型u原来的阻抗;ESVu是土地利用类型u的单位生态系统服务价值当量;ESVmin和ESVmax分别代表所有土地利用类型单位生态系统服务价值当量的最小值和最大值。

本文中所有土地利用类型的生态系统服务价值当量参考谢高地等[38]提出的中国土地利用生态系统服务价值当量值,其中林地的生态系统服务价值当量为1 518.48美元/(hm2·a),草地的生态系统服务价值当量为630.18美元/(hm2·a),耕地的生态系统服务价值当量为426.6美元/(hm2·a),水体的生态系统服务价值当量为2 448.9美元/(hm2·a)。

2 研究区域与数据

2.1 研究区域

武汉市是我国中部崛起战略的龙头城市,城镇化发展迅速,同时对粮食安全和生态保护有较高要求。2007年武汉市区面积为255.4 km2,到2012年飞速增长至807.7 km2,市区面积平均年增长25.9%[39]。随着我国城镇化的快速推进和中部崛起战略的实施,武汉市社会经济高速发展,城镇用地扩张活跃。同时,武汉市地处江汉平原,耕地资源丰富,耕地利用方式多样。在经济发展和人口增长的双重压力下,武汉市生态系统服务功能退化的压力突显[40]。作为百湖之市的武汉,在1990-2013年期间,市内主要湖泊面积减少27.95 km2,其中沙湖、晒湖和南湖的面积分别萎缩了77.27%、70.12%和52.56%[41],生态保护形势十分严峻,如何实现城市扩张、耕地保护与生态保育三者之间的协调发展,是目前武汉市面临的重大考验。

2.2 数据来源

1)土地利用数据集。包括武汉市2005年和2013年的土地利用数据,分为耕地、林地、草地、河流、水体、城市建设用地和农村建设用地七大类。2005年土地利用数据来源于中国科学院资源环境数据中心,2013年土地利用数据采用Landsat OLI遥感影像数据解译,将两年土地利用图重采样为100 m的空间分辨率。2)武汉市交通数据集。用于计算位置可达性,采用ArcGIS的“Euclidean Distance”工具对交通数据集进行运算,分别得到距铁路、高速公路、国道、省道、主干道和次干道的栅格距离数据。3)地形数据,主要包括高程和坡度,用于计算适应性。采用的DEM数据空间分辨率为90 m,以SRTMDEM数据为基础,采用ArcGIS10的SLOPE工具生成武汉市坡度数据集。高程和坡度数据集均重采样到100 m的空间分辨率,与土地利用数据的空间分辨率一致。

3 结果分析

3.1 模型校准

本文采用Kappa Simulation指数评估LANDSCAPE模型解释土地利用变化的能力。针对混淆矩阵将大量未发生变化的元胞混入精度测算结果,从而无法准确反映真正模拟精度这一问题,荷兰学者Jasper van Vliet提出了Kappa Simulation指数[42],该指数仅评估发生变化的元胞转换精度,可得对土地利用变化模型模拟精度的客观评估。在精度评估过程中,Kappa Simulation指数大于0表示模型的模拟精度较高,小于0则表示模型的模拟精度较差。在表1中,所有地类的Kappa指数都大于0,这表示LANDSCAPE模型在土地利用变化模拟过程中精度较高。在模拟结果中,农村建设用地模拟的Kappa Simulation指数接近于0,其原因是农村建设用地分布散乱,很难被CA算法捕捉到。

表1 模型校准精度Table 1 Model calibration accuracy(2005-2013)

3.2 土地利用布局优化结果

以武汉市2013年土地利用数据(图2,彩图见封2)为基点,采用LANDSCAPE模型开展权衡城市扩张、耕地保护与生态保育的土地布局优化,得到2020年土地布局优化结果(图3,彩图见封2)。通过与未优化的2020年土地利用数据对比发现,在未优化布局中,城市内部扩张侵占了大量生态用地,如湖泊、草地等;而在优化布局中,城市内部的水体和草地得到保护。由此得出,在优化布局中,武汉市中心生态用地特别是湖泊免受侵占,使武汉市的城市发展更加生态化。由于水体的生态服务价值当量高于耕地、林地、草地等土地利用类型,因此在土地优化布局中,水体转换成建设用地的阻抗高于其他地类,即在城市扩张与耕地保护的基础上,生态价值较高的水体得到优先保护。

3.3 各地类侵占结果和生态系统服务价值

表2中显示,建设用地对各地类侵占总量相差不大,但侵占各地类的比例不同。在未优化布局中,耕地被占用量最多,其次是水体,林地;而在优化布局中,耕地被占用量依然最多,但是林地、草地和水体被占用比例大量减少,尤其是对水体的侵占量。为评估土地布局优化对生态系统服务功能的影响,本文分别测算了建设用地侵占各地类的生态系统服务价值。由表2可知,未优化土地布局中,建设用地侵占生态系统服务价值总量达2 381.37×104美元,而优化布局中,建设用地侵占生态系统服务价值总量为1 532.30×104美元,仅为未优化布局中的64%。

图2 武汉市2013年模拟与实际的土地利用分布Fig.2 Simulated and actual land use distribution of Wuhan in 2013

表2 2020年建设用地侵占量和侵占生态价值对比Table 2 Results of land use loss and ESV loss caused by urban expansion in 2020

建设用地对各地类生态系统服务价值的侵占量中,优化布局对耕地生态系统服务价值侵占量为1 310.30×104美元,是未优化布局侵占量(1 011.26× 104美元)的129%;优化布局对林地生态系统服务价值侵占量为98.25×104美元,是未优化布局侵占量(427.30×104美元)的23%;优化布局对草地生态系统服务价值侵占量为28.74×104美元,是未优化布局侵占量(83.25×104美元)的35%;优化布局对水体生态系统服务价值侵占量为95.02×104美元,是未优化布局侵占量(859.56×104美元)的11%。

4 结论与讨论

本文采用LANDSCAPE模型优化武汉市2020年土地利用布局,通过与未优化布局相对比,分析优化布局效果。本文主要研究结论为:

(1)土地资源的空间优化布局可以实现城市扩张、耕地保护与生态保育的协调。在未优化布局中,当前的城市内部扩张致使大量生态用地被侵占,例如水体、草地等;而优化布局中,城市内部的水体和草地得到保护,城市发展模型偏向生态化。由此得出,在优化布局中,土地生态系统服务价值得到保障。

(2)在保障城市扩张和耕地保护需求下,经优化布局后,建设用地对生态系统服务价值侵占大幅下降,仅为未优化布局生态系统服务价值流失的64%。说明本文提出的优化布局结果能显著提升城市扩张、耕地保护与生态保育的协调程度。

(3)本文通过将城市建设用地扩张和耕地总量平衡作为LANDSCAPE模型的约束条件,将各地类的生态系统服务价值当量参数化为LANDSCAPE中各类用地的转换阻抗,从而开展区域土地利用优化布局研究,实现城市扩张、耕地保护和生态保育的协调。

本研究可以为区域土地资源的优化配置提供借鉴。然而,在实际土地利用优化配置过程中,应将影响土地利用变化的社会经济因素、城市发展目标与模式等因素内化为模型的参数,使得优化方案更加合理可行。

图3 2020年武汉市优化结果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

国家社会科学基金项目“基于生产力总量平衡的耕地区域布局优化及补偿机制研究”(13CGL092);国家自然科学基金项目“城镇用地扩张与耕地功能演变的时空耦合机理研究——以武汉市为例”(41371113);“城市群城镇用地扩张多尺度耦合机理研究”(41101098);教育部人文社会科学研究青年基金项目“基于布局优化的耕地保护区域补偿机制研究”(13YJC630136)

柯新利(1977-),男,博士,副教授,研究方向为土地资源优化配置。E-mail:kexl@mail.hzau.edu.cn