柯新利,鄭偉偉,楊柏寒

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院,湖北武漢430070)

權(quán)衡城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)與生態(tài)保育的土地利用布局優(yōu)化
——以武漢市為例

柯新利,鄭偉偉,楊柏寒

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院,湖北武漢430070)

我國(guó)正處于高速城市化階段,如何協(xié)調(diào)城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)與生態(tài)保育對(duì)土地資源需求的矛盾是當(dāng)前我國(guó)土地利用中面臨的主要問(wèn)題。該文采用LANDSCAPE模型,以武漢市為例,以城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)和生態(tài)保育的協(xié)調(diào)為目標(biāo),開(kāi)展土地利用布局優(yōu)化。結(jié)果表明:1)在滿足城市擴(kuò)張規(guī)模與糧食安全的條件下,優(yōu)化后城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值侵占僅為未優(yōu)化布局的64%,該文提出的優(yōu)化模型能顯著提升城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)與生態(tài)保育的協(xié)調(diào)程度。2)當(dāng)前城市擴(kuò)張過(guò)程中土地系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值流失過(guò)快,特別是城市中湖泊和草地大量減少,因而有必要改變當(dāng)前的城市擴(kuò)張模式,采取以城市化為導(dǎo)向的生態(tài)化發(fā)展政策,以實(shí)現(xiàn)城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)與生態(tài)保育的協(xié)調(diào)。研究結(jié)果可為武漢市土地利用優(yōu)化布局和合理利用提供科學(xué)依據(jù),也可為快速城市化進(jìn)程中城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)與生態(tài)保育的協(xié)調(diào)提供方法支撐。

土地優(yōu)化布局;生態(tài)服務(wù)價(jià)值;LANDSCAPE;耕地保護(hù);城市擴(kuò)張

0 引言

城市擴(kuò)張是當(dāng)前全球土地利用變化最為顯著的特征[1-3],也是我國(guó)目前土地利用中正在經(jīng)歷的典型過(guò)程。城市擴(kuò)張侵占大量耕地和生態(tài)用地,直接導(dǎo)致耕地?cái)?shù)量銳減以及生態(tài)環(huán)境問(wèn)題發(fā)生[4],給我國(guó)糧食安全和生態(tài)保護(hù)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。因此城市擴(kuò)張?jiān)斐傻母亓魇5]和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[6]已成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。

城市擴(kuò)張和耕地保護(hù)之間的矛盾由來(lái)已久,城市擴(kuò)張是耕地流失的主要原因。近些年來(lái),國(guó)內(nèi)在城市擴(kuò)張時(shí)空過(guò)程探測(cè)[7,8]、驅(qū)動(dòng)機(jī)理分析[9-11]、過(guò)程刻畫(huà)與模擬[12-16]等方面取得大量研究成果。研究表明,當(dāng)前城市盲目擴(kuò)張,布局混亂,過(guò)度侵占耕地[17]。諸多學(xué)者對(duì)城市擴(kuò)張與耕地流失之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,提出了實(shí)現(xiàn)城市擴(kuò)張與耕地保護(hù)的策略[18],并開(kāi)展了關(guān)于城市擴(kuò)張與耕地保護(hù)優(yōu)化布局的研究[19]。隨著城鎮(zhèn)化水平大幅度提高,城市擴(kuò)張與生態(tài)環(huán)境之間的競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈。城鎮(zhèn)擴(kuò)張嚴(yán)重侵占林地、草地和濕地等高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的土地利用類型,使得這些生態(tài)系統(tǒng)原有的水質(zhì)凈化[20]、土壤保持[21]、廢棄物去毒分解[22]、養(yǎng)分循環(huán)[23]和調(diào)節(jié)氣候[24]等功能受到嚴(yán)重破壞,特別是造成生物棲息地片段化[25]、隔離化[26],嚴(yán)重影響到生態(tài)系統(tǒng)平衡。國(guó)際上學(xué)者較多關(guān)注城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)水土保持、水源凈化和生態(tài)改善的影響[27,28]。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者在土地利用變化或城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響上進(jìn)行了不同尺度的研究[29-33]。由此可見(jiàn),城市擴(kuò)張對(duì)耕地流失和生態(tài)系統(tǒng)功能的影響已經(jīng)得到證實(shí)。

中國(guó)現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,人口迅速增長(zhǎng),對(duì)土地資源的需求尤為顯著,城市擴(kuò)張仍是我國(guó)土地利用變化的主導(dǎo)特征。因此如何對(duì)有限的土地資源進(jìn)行優(yōu)化配置,實(shí)現(xiàn)城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)與生態(tài)保育協(xié)調(diào)發(fā)展,是當(dāng)前我國(guó)土地利用面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。迫切需要在協(xié)調(diào)城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)和生態(tài)保育的基礎(chǔ)上,開(kāi)展土地利用的優(yōu)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(jù)城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)與生態(tài)保育對(duì)土地資源的需求,開(kāi)展土地利用布局優(yōu)化,達(dá)到城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)與生態(tài)保育的協(xié)調(diào)發(fā)展。本文對(duì)武漢市土地資源的合理布局與可持續(xù)利用提供決策依據(jù),同時(shí)亦為其他區(qū)域的城市布局優(yōu)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(hù)是基礎(chǔ):土地利用布局優(yōu)化必須保障糧食安全,嚴(yán)格遵守耕地占補(bǔ)平衡等土地保護(hù)政策;2)城市擴(kuò)張是目標(biāo):土地利用布局優(yōu)化應(yīng)盡可能滿足對(duì)建設(shè)用地的需求,保證城鎮(zhèn)化發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定;3)生態(tài)保育是約束條件:土地利用布局優(yōu)化在保證城市擴(kuò)張和耕地保護(hù)的基礎(chǔ)上,盡可能減少對(duì)土地生態(tài)服務(wù)功能的侵占,使其實(shí)現(xiàn)生態(tài)功能價(jià)值最大化?？傮w包括兩個(gè)步驟:首先,以武漢市2005年土地利用圖為基礎(chǔ),用LANDSCAPE模型模擬2013年土地利用布局,與2013年現(xiàn)狀圖相比,進(jìn)行模型校準(zhǔn)。其次,采用校準(zhǔn)后模型模擬優(yōu)化和未優(yōu)化的2020年土地利用布局,通過(guò)兩者對(duì)比,分析優(yōu)化后土地利用布局,為未來(lái)土地利用規(guī)劃提出建議措施。

圖1 協(xié)調(diào)城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)與生態(tài)保育的土地優(yōu)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(fù)雜的地理時(shí)空演化過(guò)程[34-36],是模擬城市擴(kuò)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(jí)聯(lián)過(guò)程和土地利用變化之間的競(jìng)爭(zhēng)。在本文中,使用基于CA的土地系統(tǒng)模擬與優(yōu)化模型——LANDSCAPE模型,開(kāi)展了武漢市土地利用優(yōu)化配置研究。本文中LANDSCAPE模型通過(guò)分層分配策略,考慮各土地類型之間的轉(zhuǎn)換概率,實(shí)現(xiàn)多分類土地系統(tǒng)變化的動(dòng)態(tài)模擬與優(yōu)化配置。

(1)分層分配策略。在LANDSCAPE模型中,根據(jù)土地利用變化的主要驅(qū)動(dòng)力,將土地利用類型分為主動(dòng)型和被動(dòng)型。主動(dòng)地類是由人類需求直接驅(qū)動(dòng)的,例如城市和農(nóng)用地。被動(dòng)地類是由主動(dòng)地類的變化而驅(qū)動(dòng),例如城市擴(kuò)張和耕地補(bǔ)充會(huì)造成對(duì)草地或林地的侵占等。因此,LANDSCAPE模型在各地類空間分配的過(guò)程中根據(jù)主動(dòng)型地類的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)分別確定各主動(dòng)型地類的空間位置,并據(jù)此實(shí)現(xiàn)人類需求驅(qū)動(dòng)主動(dòng)型地類變化、主動(dòng)型地類變化驅(qū)動(dòng)被動(dòng)型地類變化的連鎖反應(yīng)過(guò)程。

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

式中:TT Plu是位置l轉(zhuǎn)換成土地利用類型u的總潛力;Plu是位置l轉(zhuǎn)變成土地利用類型u的適應(yīng)性,它取決于該位置的生物物理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征以及鄰域效應(yīng)和約束條件;Ru是當(dāng)前土地利用類型u轉(zhuǎn)換成其他地類的阻抗,它取決于當(dāng)前的土地利用類型u。Plu的計(jì)算公式為:

式中:γ為(0,1)范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù);α為控制隨機(jī)變量影響大小的參數(shù),取值范圍是1～10之間的整數(shù); Pgu表示該位置的生物物理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征(如海拔、坡度及距道路的距離),可以通過(guò)專家知識(shí)、統(tǒng)計(jì)分析及計(jì)量經(jīng)濟(jì)分析等方法確定適應(yīng)性與交通區(qū)位、地形特征等驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系,本文中采用支持向量機(jī)(SVM)方法計(jì)算Pgu;Con(Clu)是每個(gè)元胞的約束值,其中0表示該元胞不可發(fā)生轉(zhuǎn)化,1表示該元胞可以發(fā)生轉(zhuǎn)化;Ωlu為鄰域轉(zhuǎn)化概率[34]。

1.3 優(yōu)化布局參數(shù)設(shè)定

本文采用LANDSCAPE模型優(yōu)化2020年武漢市土地利用布局。為保障城市擴(kuò)張對(duì)建設(shè)用地需求,城市建設(shè)用地和農(nóng)村建設(shè)用地面積采用武漢市2006-2020年土地利用總體規(guī)劃[37],分別為91 000 hm2和44 300 hm2。江漢平原是我國(guó)的糧食生產(chǎn)地,為確保糧食安全,耕地面積嚴(yán)格執(zhí)行耕地占補(bǔ)平衡政策,與2013年耕地面積保持一致,為470 616 hm2。為保障生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定,優(yōu)化中增加生態(tài)地類轉(zhuǎn)換成建設(shè)用地或耕地的阻抗,對(duì)生態(tài)用地進(jìn)行最大限度保護(hù)?？紤]到在優(yōu)化過(guò)程中城市建設(shè)用地和農(nóng)村建設(shè)用地生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值相對(duì)較低,其阻抗下降為原來(lái)阻抗的90%。對(duì)于其他土地利用類型,阻抗分別由下式計(jì)算:

式中:R′u是優(yōu)化過(guò)程中土地利用類型u的調(diào)整阻抗;Ru是土地利用類型u原來(lái)的阻抗;ESVu是土地利用類型u的單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量;ESVmin和ESVmax分別代表所有土地利用類型單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量的最小值和最大值。

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

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)域

武漢市是我國(guó)中部崛起戰(zhàn)略的龍頭城市,城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速,同時(shí)對(duì)糧食安全和生態(tài)保護(hù)有較高要求。2007年武漢市區(qū)面積為255.4 km2,到2012年飛速增長(zhǎng)至807.7 km2,市區(qū)面積平均年增長(zhǎng)25.9%[39]。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)和中部崛起戰(zhàn)略的實(shí)施,武漢市社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張活躍。同時(shí),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(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)的雙重壓力下,武漢市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(nèi)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(tài)保護(hù)形勢(shì)十分嚴(yán)峻,如何實(shí)現(xiàn)城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)與生態(tài)保育三者之間的協(xié)調(diào)發(fā)展,是目前武漢市面臨的重大考驗(yàn)。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1)土地利用數(shù)據(jù)集。包括武漢市2005年和2013年的土地利用數(shù)據(jù),分為耕地、林地、草地、河流、水體、城市建設(shè)用地和農(nóng)村建設(shè)用地七大類。2005年土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心,2013年土地利用數(shù)據(jù)采用Landsat OLI遙感影像數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)集。用于計(jì)算位置可達(dá)性,采用ArcGIS的“Euclidean Distance”工具對(duì)交通數(shù)據(jù)集進(jìn)行運(yùn)算,分別得到距鐵路、高速公路、國(guó)道、省道、主干道和次干道的柵格距離數(shù)據(jù)。3)地形數(shù)據(jù),主要包括高程和坡度,用于計(jì)算適應(yīng)性。采用的DEM數(shù)據(jù)空間分辨率為90 m,以SRTMDEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用ArcGIS10的SLOPE工具生成武漢市坡度數(shù)據(jù)集。高程和坡度數(shù)據(jù)集均重采樣到100 m的空間分辨率,與土地利用數(shù)據(jù)的空間分辨率一致。

3 結(jié)果分析

3.1 模型校準(zhǔn)

本文采用Kappa Simulation指數(shù)評(píng)估LANDSCAPE模型解釋土地利用變化的能力。針對(duì)混淆矩陣將大量未發(fā)生變化的元胞混入精度測(cè)算結(jié)果,從而無(wú)法準(zhǔn)確反映真正模擬精度這一問(wèn)題,荷蘭學(xué)者Jasper van Vliet提出了Kappa Simulation指數(shù)[42],該指數(shù)僅評(píng)估發(fā)生變化的元胞轉(zhuǎn)換精度,可得對(duì)土地利用變化模型模擬精度的客觀評(píng)估。在精度評(píng)估過(guò)程中,Kappa Simulation指數(shù)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(shù)都大于0,這表示LANDSCAPE模型在土地利用變化模擬過(guò)程中精度較高。在模擬結(jié)果中,農(nóng)村建設(shè)用地模擬的Kappa Simulation指數(shù)接近于0,其原因是農(nóng)村建設(shè)用地分布散亂,很難被CA算法捕捉到。

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

3.2 土地利用布局優(yōu)化結(jié)果

以武漢市2013年土地利用數(shù)據(jù)(圖2,彩圖見(jiàn)封2)為基點(diǎn),采用LANDSCAPE模型開(kāi)展權(quán)衡城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)與生態(tài)保育的土地布局優(yōu)化,得到2020年土地布局優(yōu)化結(jié)果(圖3,彩圖見(jiàn)封2)。通過(guò)與未優(yōu)化的2020年土地利用數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),在未優(yōu)化布局中,城市內(nèi)部擴(kuò)張侵占了大量生態(tài)用地,如湖泊、草地等;而在優(yōu)化布局中,城市內(nèi)部的水體和草地得到保護(hù)。由此得出,在優(yōu)化布局中,武漢市中心生態(tài)用地特別是湖泊免受侵占,使武漢市的城市發(fā)展更加生態(tài)化。由于水體的生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量高于耕地、林地、草地等土地利用類型,因此在土地優(yōu)化布局中,水體轉(zhuǎn)換成建設(shè)用地的阻抗高于其他地類,即在城市擴(kuò)張與耕地保護(hù)的基礎(chǔ)上,生態(tài)價(jià)值較高的水體得到優(yōu)先保護(hù)。

3.3 各地類侵占結(jié)果和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

表2中顯示,建設(shè)用地對(duì)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(yōu)化布局中,耕地被占用量最多,其次是水體,林地;而在優(yōu)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(duì)水體的侵占量。為評(píng)估土地布局優(yōu)化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響,本文分別測(cè)算了建設(shè)用地侵占各地類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。由表2可知,未優(yōu)化土地布局中,建設(shè)用地侵占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量達(dá)2 381.37×104美元,而優(yōu)化布局中,建設(shè)用地侵占生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值總量為1 532.30×104美元,僅為未優(yōu)化布局中的64%。

圖2 武漢市2013年模擬與實(shí)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(shè)用地侵占量和侵占生態(tài)價(jià)值對(duì)比Table 2 Results of land use loss and ESV loss caused by urban expansion in 2020

建設(shè)用地對(duì)各地類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的侵占量中,優(yōu)化布局對(duì)耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值侵占量為1 310.30×104美元,是未優(yōu)化布局侵占量(1 011.26× 104美元)的129%;優(yōu)化布局對(duì)林地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值侵占量為98.25×104美元,是未優(yōu)化布局侵占量(427.30×104美元)的23%;優(yōu)化布局對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值侵占量為28.74×104美元,是未優(yōu)化布局侵占量(83.25×104美元)的35%;優(yōu)化布局對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值侵占量為95.02×104美元,是未優(yōu)化布局侵占量(859.56×104美元)的11%。

4 結(jié)論與討論

本文采用LANDSCAPE模型優(yōu)化武漢市2020年土地利用布局,通過(guò)與未優(yōu)化布局相對(duì)比,分析優(yōu)化布局效果。本文主要研究結(jié)論為:

(1)土地資源的空間優(yōu)化布局可以實(shí)現(xiàn)城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)與生態(tài)保育的協(xié)調(diào)。在未優(yōu)化布局中,當(dāng)前的城市內(nèi)部擴(kuò)張致使大量生態(tài)用地被侵占,例如水體、草地等;而優(yōu)化布局中,城市內(nèi)部的水體和草地得到保護(hù),城市發(fā)展模型偏向生態(tài)化。由此得出,在優(yōu)化布局中,土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值得到保障。

(2)在保障城市擴(kuò)張和耕地保護(hù)需求下,經(jīng)優(yōu)化布局后,建設(shè)用地對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值侵占大幅下降,僅為未優(yōu)化布局生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值流失的64%。說(shuō)明本文提出的優(yōu)化布局結(jié)果能顯著提升城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)與生態(tài)保育的協(xié)調(diào)程度。

(3)本文通過(guò)將城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張和耕地總量平衡作為L(zhǎng)ANDSCAPE模型的約束條件,將各地類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量參數(shù)化為L(zhǎng)ANDSCAPE中各類用地的轉(zhuǎn)換阻抗,從而開(kāi)展區(qū)域土地利用優(yōu)化布局研究,實(shí)現(xiàn)城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)和生態(tài)保育的協(xié)調(diào)。

本研究可以為區(qū)域土地資源的優(yōu)化配置提供借鑒。然而,在實(shí)際土地利用優(yōu)化配置過(guò)程中,應(yīng)將影響土地利用變化的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素、城市發(fā)展目標(biāo)與模式等因素內(nèi)化為模型的參數(shù),使得優(yōu)化方案更加合理可行。

圖3 2020年武漢市優(yōu)化結(jié)果Fig.3 Optimized layout of land use of Wuhan in 2020

[1] KASANKO M,BARREDO J I,LAVALLE C,et al.Are European cities becoming dispersed?A comparative analysis of 15 European urban areas[J].Landsc.U rban Plan,2006,77(1-2): 111-130.

[2] WU J,JENERET TE G D,BU YANTU YEY A,et al.Quantifying spatiotemporal patterns of urbanization:T he case of two fastest growing metropolitan regions in the U nited States[J]. Ecol.Complex,2011,8(1):1-8.

[3] BARREDO J I,DEMICHELL I L,LAVALLE C,et al.Modelling future urban scenarios in developing countries:An application case study in Lagos,Nigeria[J].Environment and Planning B:Planning and Design,2004,31(1):65-84.

[4] 汪銳良.基于ABM的城市擴(kuò)張、耕地保護(hù)與濕地流失的模擬研究[D].杭州:浙江大學(xué),2013.

[5] HIROSHI M.Land conversation at the urban fringe:A comparative study of Japan,Britain and the Netherlands[J].U rban Studies,2008,35:1541-1558.

[6] HU ANG S,YEH C,CHANG L.T he transition to urbanizing world and the demand for natural resources[J].Current Opinion in Environmental Sustainability,2010,2(3):136-143.

[7] 史培軍,陳晉,潘耀忠.深圳市土地利用變化機(jī)制分析[J].地理學(xué)報(bào),2000,55(2):151-160.

[8] LIU J,ZHAN J,DENG X.Spatio-temporal patterns and driving forces of urban land expansion in China during the economic reform era[J].Ambio,2005,34(6):450-455.

[9] 龍花樓,李秀彬.長(zhǎng)江沿線樣帶土地利用格局及其影響因子分析[J].地理學(xué)報(bào),2007,56(4):417-425.

[10] 談明洪,李秀彬,呂昌河.20世紀(jì)90年代中國(guó)大中城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張及其對(duì)耕地的占用[J].中國(guó)科學(xué)(D輯),2004,34(12): 1157-1165.

[11] 張偉,馮徽徽,毛小崗,等.基于反饋機(jī)制的城市擴(kuò)張模擬研究進(jìn)展[J].地理與地理信息科學(xué),2012,28(2):70-75.

[12] 何春陽(yáng),史培軍,李景剛,等.基于DM SP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的中國(guó)大陸20世紀(jì)90年代城市化空間過(guò)程重建研究[J].科學(xué)通報(bào),2006,51(7):856-861.

[13] 劉小平,黎夏,陳逸敏,等.景觀擴(kuò)張指數(shù)及其在城市擴(kuò)展分析中的應(yīng)用[J].地理學(xué)報(bào),2009,64(12):1430-1438.

[14] 劉耀林,劉艷芳,明冬萍.基于灰色局勢(shì)決策規(guī)則的元胞自動(dòng)機(jī)城市擴(kuò)展模型[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2004,29 (1):7-13.

[15] 黎夏,葉嘉安,劉小平.地理模擬系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用[J].城市規(guī)劃,2006,30(6):69-74.

[16] 柯新利,邊馥苓.基于空間數(shù)據(jù)挖掘的分區(qū)異步元胞自動(dòng)機(jī)模型[J].中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào),2010,15(6):921-930.

[17] 楊巧玲.快速城市化進(jìn)程中耕地保護(hù)問(wèn)題研究[D].南京:南京師范大學(xué),2007.

[18] 柯新利,孟芬,馬才學(xué).基于糧食安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)域差異的土地資源優(yōu)化配置——以武漢城市圈為例[J].資源科學(xué), 2014(8):1572-1578.

[19] 肖琳,田光進(jìn),喬治.基于Agent的城市擴(kuò)張占用耕地動(dòng)態(tài)模型及模擬[J].自然資源學(xué)報(bào),2014,29(3):516-527.

[20] 張凱,冉圣宏,田玉軍,等.干旱區(qū)綠洲城市擴(kuò)張對(duì)水資源的影響——以石河子市為例[J].資源科學(xué),2011,33(9):1720-1726.

[21] 吳紹華,周生路,潘賢章,等.城市擴(kuò)張過(guò)程對(duì)土壤重金屬積累影響的定量分離[J].土壤學(xué)報(bào),2011,48(3):496-505.

[22] 劉桂林,張落成,張倩.長(zhǎng)三角地區(qū)土地利用時(shí)空變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(12):3311-3319.

[23] 李春光.基于GIS的武漢典型城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶土壤養(yǎng)分空間變異研究[D].武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.

[24] 邵寧平,劉小鵬,渠曉毅.銀川湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評(píng)估[J].生態(tài)學(xué)雜志,2008,27(9):1625-1630.

[25] CUPERU S R,CANTERS K J,DE HAES H A U,et al.Guidelines for ecological compensation associated with hig h ways [J].Biological Conservation,1999,90(l):41-51.

[26] CUPERUS R,KALSBEEK R,DE HAES H A U,et al.Preparation and implementation of seven ecological compensation plans for Duteh highways[J].Environmental Management,2002,29(6): 736-749.

[27] ST OATE C,BáLDI A,BEJA P,et al.Ecological impacts of early 21st century agricultural change in Europe-A review[J].Journal of Environmental Management,2009,91(1):22-46.

[28] GARCíA-RUIZ J M,LANA-RENAULT N.Hydrological and erosive consequences of farmland abandonment in Europe,with special reference to the mediterranean region-A review[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2011,140(3):317-338.

[29] YUE S P,ZHANG S W,YAN Y C.Impacts of landuse change on ecosystem services value in the Northeast China Transect(NECT) [J].Acta Geographica Sinica,2007,62(8):879-886.

[30] DU Z Q,SHEN Y D,WANG J,et al.Land-use change and its ecological responses:A pilot study of typical agro-pastoral region in the Heihe River,Northwest China[J].Environmental Geology,2009,58(7):1549-1556.

[31] LI T H,LI W K,QIAN Z H.Variations in ecosystem service value in response to land use changes in Shenzhen[J].Ecological Economics,2010,69(7):1427-1435.

[32] LI J C,WANG W L,HU G Y,et al.Impacts of land use and cover changes on ecosystem service value in Zoige Plateau[J]. Acta Ecologica Sinica,2011,31(12):3451-3459.

[33] 馬世發(fā),艾彬.基于地理模型與優(yōu)化的城市擴(kuò)張與生態(tài)保護(hù)二元空間協(xié)調(diào)優(yōu)化[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(17):5874-5883.

[34] KE X L,QI L Y ZENG C.A partitioned and asynchronous cellular automata model for urban growth simulation[J].International Journal of Geographical Information Science,2016,30 (4):637-659.

[35] 喬紀(jì)綱,何晉強(qiáng).基于分區(qū)域的元胞自動(dòng)機(jī)及城市擴(kuò)張模擬[J].地理與地理信息科學(xué),2009,25(3):67-70.

[36] 馬世發(fā),艾彬,念沛豪.基于約束性CA的土地利用規(guī)劃預(yù)評(píng)估及警情探測(cè)[J].地理與地理信息科學(xué),2014,30(4):51-55.

[37] 武漢市政府.武漢土地利用總規(guī)劃(2006-2020)[Z].2005.

[38] 謝高地,甄霖,魯春霞,等.一個(gè)基于專家知識(shí)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值化方法[J].自然資源學(xué)報(bào),2008,23(5):911-919.

[39] 龍瀛,吳康,王江浩,等.大模型:城市和區(qū)域研究的新范式[J].城市規(guī)劃學(xué)刊,2014(6):52-60.

[40] 許力飛.我國(guó)城市生態(tài)文明建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[D].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2014.

[41] YANG B H,KE X L.Analysis on urban lake chang e during rapid urbanization using a synergistic approach:A case study of Wuhan,China[J].Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C,2015(89):127-135.

[42] VAN VLIET J,BREGT A K,HAGEN-ZANKER A.Revisiting Kappa to account for change in the accuracy assessment of land-use change models[J].Ecological Modelling,2011,222 (18):1367-1375.

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(guó)家社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目“基于生產(chǎn)力總量平衡的耕地區(qū)域布局優(yōu)化及補(bǔ)償機(jī)制研究”(13CGL092);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張與耕地功能演變的時(shí)空耦合機(jī)理研究——以武漢市為例”(41371113);“城市群城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張多尺度耦合機(jī)理研究”(41101098);教育部人文社會(huì)科學(xué)研究青年基金項(xiàng)目“基于布局優(yōu)化的耕地保護(hù)區(qū)域補(bǔ)償機(jī)制研究”(13YJC630136)

柯新利(1977-),男,博士,副教授,研究方向?yàn)橥恋刭Y源優(yōu)化配置。E-mail:kexl@mail.hzau.edu.cn