李代超, 盧嘉奇, 謝曉葦, 虞 虎, 李 元, 吳 升

1 福州大學(xué),空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350002 2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101 3 福州大學(xué),數(shù)字中國(guó)研究院(福建),福州 350002 4 福建省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,福州 350028

國(guó)土空間是自然資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的基本載體[1],國(guó)土空間規(guī)劃是我國(guó)推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)、引導(dǎo)區(qū)域低碳綠色發(fā)展的重要舉措[2]。在國(guó)土空間治理和保護(hù)體系中,主體功能區(qū)最直接全面地貫徹了人與自然和諧的生態(tài)文明思想[3—4],被國(guó)家生態(tài)文明總體方案確定為基礎(chǔ)性制度[5]。隨著國(guó)土空間規(guī)劃工作的有序推進(jìn),用地結(jié)構(gòu)改變致使國(guó)土空間的地域功能不斷擴(kuò)張,主體特性愈發(fā)凸顯[6]。為確保生態(tài)文明建設(shè)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展相協(xié)調(diào),《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確提出“立足資源環(huán)境承載能力,發(fā)揮各地區(qū)比較優(yōu)勢(shì),推動(dòng)形成主體功能明顯、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、高質(zhì)量發(fā)展的國(guó)土空間開發(fā)保護(hù)新格局”。因此,基于不同類型主體功能區(qū)開展符合區(qū)域管控要求和發(fā)展目標(biāo)的國(guó)土空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模擬研究,對(duì)國(guó)土空間規(guī)劃進(jìn)行先驗(yàn)評(píng)估和未來趨勢(shì)預(yù)判,可為形成區(qū)域性、差異化的土地利用管控政策提供決策依據(jù),推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“主體功能約束有效、國(guó)土開發(fā)有序”的空間發(fā)展新格局[7]。

國(guó)土空間優(yōu)化模擬是近年來的研究熱點(diǎn),現(xiàn)有研究多分析土地資源優(yōu)化配置[8—10],核心內(nèi)容是土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化和未來空間布局模擬,即按照一定的發(fā)展目標(biāo)對(duì)不同區(qū)域的用地?cái)?shù)量進(jìn)行預(yù)測(cè)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整,在該預(yù)測(cè)數(shù)量約束下,根據(jù)空間單元現(xiàn)狀適宜度對(duì)未來布局進(jìn)行優(yōu)化模擬[11]。研究目標(biāo)上,現(xiàn)有研究多偏重于以土地利用的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益最大化為目標(biāo)[12—14],而隨著氣候變化和生態(tài)文明建設(shè)的持續(xù)推進(jìn),土地資源低碳利用成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要導(dǎo)向,而目前以低碳發(fā)展為導(dǎo)向的土地利用優(yōu)化研究多偏重于對(duì)用地結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整[15—17],或是測(cè)度分析碳排放和碳補(bǔ)償?shù)萚18—19],對(duì)用地空間布局模擬優(yōu)化的研究較少。在研究尺度和對(duì)象上,現(xiàn)有研究從省域[20—21]、流域[22—23]、市域[24—25]、縣域[26—27]等不同行政層級(jí)和自然單元將研究區(qū)作為整體開展國(guó)土空間全域分情景模擬,未考慮不同功能導(dǎo)向的空間載體對(duì)國(guó)土空間變化的引導(dǎo)和約束作用。主體功能區(qū)作為國(guó)土空間規(guī)劃編制的宏觀戰(zhàn)略背景,承載國(guó)家戰(zhàn)略意志[28],是按照不同的開發(fā)方式對(duì)國(guó)土空間開發(fā)格局進(jìn)行優(yōu)化并實(shí)施分類管理的空間治理工具[29],可有效指導(dǎo)不同區(qū)域未來的國(guó)土空間發(fā)展方向,在“碳達(dá)峰、碳中和”背景下,通過碳排放定量計(jì)算方法、多情景模擬等技術(shù)手段建立應(yīng)對(duì)邏輯路徑,并以此提出空間規(guī)劃視角下不同主體功能區(qū)的差異化控碳思路,可在區(qū)域?qū)用嫱苿?dòng)落實(shí)雙碳目標(biāo)[30—31]。在研究方法上,CA-Markov[32]、CLUE-S[33—34]、SLEUTH[35]、FLUS[36—38]等各類土地利用變化模型廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外不同區(qū)域和尺度的國(guó)土空間變化模擬相關(guān)研究中,其中有學(xué)者最近研究的PLUS(Patch-generating Land Use Simulation)模型是一種集成了土地?cái)U(kuò)張分析策略和基于多類型隨機(jī)斑塊種子生成機(jī)制的CA模型,與其他模型相比,擁有更高的模擬精度以及與真實(shí)景觀更相似的景觀模式[39]。因此,面向不同主體功能區(qū)結(jié)合以低碳發(fā)展為導(dǎo)向的用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化和國(guó)土空間布局模擬來開展土地資源優(yōu)化配置,可為推動(dòng)碳減排的預(yù)期目標(biāo)提供新的理論依據(jù)[40]。

本文以全國(guó)首個(gè)國(guó)家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)福建省為研究區(qū),系統(tǒng)分析其土地利用變化時(shí)空格局,通過設(shè)定自然和低碳兩種發(fā)展情景,耦合“自頂向下”的多目標(biāo)規(guī)劃模型(Multi Objective Programming,MOP)和“自底向上”的PLUS模型,對(duì)2030年不同情景下國(guó)土空間布局進(jìn)行優(yōu)化模擬,研究結(jié)果將為福建省生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)建設(shè)、區(qū)域低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展以及實(shí)現(xiàn)以主體功能為導(dǎo)向的國(guó)土空間管控政策提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

福建省多年來持之以恒推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè),以實(shí)現(xiàn)綠色循環(huán)低碳發(fā)展為途徑,著力構(gòu)建節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的空間格局,全省森林覆蓋率常年居全國(guó)首位,是我國(guó)東南地區(qū)重要的碳匯空間。但隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn),對(duì)土地資源的大量需求加劇了區(qū)域土地利用變化的過程,部分林草地、濕地和水體被侵占,生態(tài)空間受到一定程度擠壓,在影響生態(tài)環(huán)境的同時(shí),也降低了碳匯效應(yīng)(圖1)。2021年9月14日研究出臺(tái)《福建省加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系實(shí)施方案》,把碳達(dá)峰、碳中和納入經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)省建設(shè)總體布局,提出在國(guó)土空間規(guī)劃中落實(shí)綠色低碳要求,積極推動(dòng)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)。福建省作為我南方地區(qū)重要的生態(tài)屏障,國(guó)土空間碳匯潛力巨大,為探索空間規(guī)劃視角下低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)新模式,保障區(qū)域綠色健康發(fā)展提供支撐。

圖1 福建省2000—2020年國(guó)土空間格局分布圖Fig.1 The map of territorial spatial pattern in Fujian Province from 2000 to 2020

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文涉及的數(shù)據(jù)包括空間分布數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源說明見表1?？臻g分布數(shù)據(jù)主要用來進(jìn)行空間布局模擬,包括土地利用、自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)地理等,經(jīng)過投影變換、裁剪、重采樣、歸一化等處理,統(tǒng)一了空間范圍和量綱,空間分辨率為100m×100m。為對(duì)福建省2030年不同區(qū)域的用地需求進(jìn)行預(yù)測(cè)并開展國(guó)土空間布局模擬,主要數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一為2000—2020年,但受數(shù)據(jù)可獲得性的制約和限制,部分?jǐn)?shù)據(jù)未更新到2020年,因此在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性的前提下,部分指標(biāo)以最近年份的數(shù)據(jù)進(jìn)行替換,經(jīng)過驗(yàn)證后該部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果無較大影響,所用數(shù)據(jù)在本研究區(qū)應(yīng)用具有可行性。

表1 數(shù)據(jù)來源

2 研究方法

2.1 研究思路

首先依據(jù)不同區(qū)域主體功能發(fā)展定位分類將福建省各市、縣(區(qū))劃分為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城鎮(zhèn)建設(shè)、生態(tài)保護(hù)三類國(guó)土空間功能分區(qū),并根據(jù)主體功能區(qū)與新一輪國(guó)土空間規(guī)劃區(qū)中三生空間的銜接關(guān)系,從耕地保護(hù)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生態(tài)安全不同發(fā)展導(dǎo)向分別對(duì)其目標(biāo)函數(shù)及約束條件進(jìn)行設(shè)定及修正；然后,設(shè)定不同發(fā)展情景分別通過Markov模型和MOP模型對(duì)各分區(qū)2030年用地結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè),針對(duì)其碳源碳匯地結(jié)構(gòu)、碳排放總量、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益等目標(biāo)進(jìn)行分析；再將不同發(fā)展情景下各分區(qū)用地結(jié)構(gòu)作為數(shù)量約束,基于PLUS模型得到福建省2030年不同發(fā)展情景下的國(guó)土空間分布模擬結(jié)果；最后,針對(duì)不同情景下碳源碳匯地空間布局和典型區(qū)域變化細(xì)節(jié)等方面對(duì)結(jié)果進(jìn)行定量與定性分析,從而對(duì)未來國(guó)土空間發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)判,據(jù)此優(yōu)化空間管制并提出相關(guān)政策建議。技術(shù)路線見圖2。

圖2 技術(shù)路線Fig.2 Technical routeMOP: 多目標(biāo)規(guī)劃模型Multi objective programming

2.2 研究方法

2.2.1用地需求預(yù)測(cè)

采用Markov模型和MOP模型分別對(duì)不同情景下各類功能區(qū)用地需求進(jìn)行預(yù)測(cè)。其中MOP模型即多目標(biāo)規(guī)劃模型,包含決策變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件三部分[26]。

(1)

(2)

式中,xj為第j類決策變量(j=1,2,…,7),其中：耕地x1、林地x2、草地x3、濕地x4、水體x5、人造地表x6、裸地x7；F1(x)、F2(x)、F3(x)為目標(biāo)函數(shù),分別表示經(jīng)濟(jì)效益、碳排放量和生態(tài)效益；cj、dj和ej分別為單位面積下各地類的經(jīng)濟(jì)效益系數(shù)、碳排放量系數(shù)和生態(tài)效益系數(shù)；約束條件s.t.中,aij為第i個(gè)約束條件中第j個(gè)變量對(duì)應(yīng)的系數(shù)；bj為約束值。

為使多目標(biāo)方案具有實(shí)踐性[16],將3個(gè)目標(biāo)函數(shù)整理成一個(gè)組合函數(shù)F4(x),對(duì)2030年各目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解后,分別用目標(biāo)函數(shù)除以求解后的值,再進(jìn)行組合求解。

(3)

式中,G1、G2、G3分別為經(jīng)濟(jì)效益、碳排放量、生態(tài)效益函數(shù)的目標(biāo)值；W1、W2、W3分別為對(duì)應(yīng)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)。當(dāng)W1、W2和W3的取值分別為0.7、0.2、0.1時(shí),該方案以經(jīng)濟(jì)發(fā)展為側(cè)重,對(duì)碳排放量的增加約束較小,并通過增加具有較高經(jīng)濟(jì)效益的地類來獲取相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)總量的增長(zhǎng)；當(dāng)W1、W2和W3的取值分別為0.5、0.3、0.2時(shí),該方案對(duì)碳排放量的約束較為中等,不同地類面積的優(yōu)化調(diào)整主要通過經(jīng)濟(jì)效益、碳排放量和生態(tài)效益目標(biāo)的共同作用；當(dāng)W1、W2和W3的取值分別為0.2、0.7、0.1時(shí),該方案對(duì)碳排放量的約束最大,優(yōu)化結(jié)果具有更大的碳減排效果,并增加碳匯地類面積。

(1) 碳排放量目標(biāo)函數(shù)系數(shù)

根據(jù)現(xiàn)有研究,耕地、林地、草地、濕地、水體和裸地的碳排放量在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)變化不大[43—44],碳排放量系數(shù)依次為0.464、-5.052、-0.947、-0.41、-0.25、-0.005t hm-2a-1[19]。人造地表的碳排放量以福建省2000—2020年能源消耗量和土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)其歷年單位面積碳排放量進(jìn)行計(jì)算,并運(yùn)用灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)目標(biāo)年人造地表單位面積碳排放量進(jìn)行預(yù)測(cè)。人造地表的碳排放量主要通過計(jì)算在利用過程中能源消耗產(chǎn)生的碳排放總量間接得到[45],計(jì)算公式如下：

(4)

式中,Eb代表各類化石能源消耗產(chǎn)生的碳排放總量；n代表能源種類；mi為能源i的消費(fèi)量；ni為能源i的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)；φi為碳排放系數(shù),等于各種能源的平均低位發(fā)熱值、碳含量和氧化率3種指標(biāo)的乘積；44/12表示CO2與碳的分子量之比。各能源類型碳排放系數(shù)和折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)的計(jì)算參照《IPCC 國(guó)家溫室氣體列表指南》、《綜合能耗計(jì)算通則》(GB/T2589—2020)和《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》中的計(jì)算方法及系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,經(jīng)計(jì)算后的各能源碳排放系數(shù)及折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)值見表2。

表2 能源碳排放系數(shù)及折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)

(2)經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)函數(shù)系數(shù)

基于2000—2020年各地類單位面積的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出數(shù)據(jù),利用灰色預(yù)測(cè)模型計(jì)算出目標(biāo)年份的各用地經(jīng)濟(jì)效益系數(shù),其中耕地、林地、草地、水域、人造地表分別以農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、林業(yè)產(chǎn)值、牧業(yè)產(chǎn)值、漁業(yè)產(chǎn)值、二三產(chǎn)業(yè)值表示,濕地、未利用地不進(jìn)行計(jì)算。

(3)生態(tài)效益目標(biāo)函數(shù)系數(shù)

與國(guó)土空間開發(fā)過程中所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益不同,生態(tài)效益?zhèn)戎赜趯?duì)不同生態(tài)系統(tǒng)直接或間接提供的能滿足人類需求的產(chǎn)品和服務(wù)進(jìn)行評(píng)估,其價(jià)值通常以它們?cè)谑袌?chǎng)上的價(jià)格或以替代商品和服務(wù)的價(jià)格為基礎(chǔ)通過經(jīng)濟(jì)術(shù)語的形式進(jìn)行量化[46—47],本研究基于謝高地等[48]的研究以糧食作物單產(chǎn)和平均價(jià)格為參照對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行經(jīng)濟(jì)形式的量化,并結(jié)合戴文遠(yuǎn)等[49]、王培俊等[50]對(duì)福建省相關(guān)區(qū)域的研究建立福建省單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表(表3),以1hm2全國(guó)平均產(chǎn)量的農(nóng)田每年自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量對(duì)各地類單位面積生態(tài)效益進(jìn)行計(jì)算,并運(yùn)用灰色預(yù)測(cè)模型以歷年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)得到目標(biāo)年各用地生態(tài)效益系數(shù)。

表3 福建省單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量

1個(gè)當(dāng)量因子可定義為1hm2全國(guó)平均產(chǎn)量的農(nóng)田每年自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,利用主要糧食作物播種面積、產(chǎn)量和平均價(jià)格來計(jì)算：

(5)

式中,E為單位農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供食物生產(chǎn)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值(萬元)；mi表示i種糧食作物的播種面積(hm2)；pi表示i種糧食作物當(dāng)年的全國(guó)平均價(jià)格(萬元/t)；qi表示i種糧食作物單產(chǎn)(t/hm2)；M表示糧食作物播種的總面積(hm2)；n表示糧食種類。

通過計(jì)算,2030年福建省各地類單位面積碳排放、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益系數(shù)見表4。

表4 各地類2030年單位面積碳排放、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益系數(shù)

(4)基于主體功能區(qū)發(fā)展導(dǎo)向約束的目標(biāo)函數(shù)系數(shù)校正

考慮各類主體功能區(qū)的發(fā)展導(dǎo)向差異,為貫徹主體功能分類約束的思想,使模擬結(jié)果更符合各功能區(qū)發(fā)展重點(diǎn),分別計(jì)算各類功能區(qū)不同地類的碳排放量、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益與全省均值的比值,作為各類功能區(qū)各目標(biāo)函數(shù)的修正系數(shù)。其中,經(jīng)濟(jì)效益系修正系數(shù)以各類功能區(qū)不同地類的地均經(jīng)濟(jì)效益與全省均值比進(jìn)行計(jì)算；碳排放修正系數(shù)根據(jù)現(xiàn)有研究[42]得出歷年各類功能區(qū)碳排放總量,計(jì)算各類功能區(qū)人造地表單位面積排放量與全省均值之比即得到修正系數(shù)；生態(tài)效益目標(biāo)函數(shù)修正系數(shù)為各功能區(qū)的糧食作物單產(chǎn)與全省均值之比。各類功能區(qū)修正系數(shù)及計(jì)算方法見表5。

表5 各主體功能區(qū)修正系數(shù)及計(jì)算方法

其中,修正系數(shù)可定量化體現(xiàn)各功能區(qū)發(fā)展定位的差異,城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)經(jīng)濟(jì)效益系數(shù)較高,說明該區(qū)域經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較好。碳排放系數(shù)反映了該地區(qū)的低碳轉(zhuǎn)型壓力較大；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)的碳排放系數(shù)較低,在土地在利用開發(fā)過程中進(jìn)行碳減排的潛力較大；生態(tài)保護(hù)區(qū)作為重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),由于限制進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化和城鎮(zhèn)化開發(fā),經(jīng)濟(jì)效益系數(shù)較低,發(fā)展壓力較大。

(5)目標(biāo)函數(shù)及約束條件

不同情景下各分區(qū)用地需求的預(yù)測(cè)需要兼顧綜合效益,本研究以碳排放量最小化、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益最大化為目標(biāo),而約束條件則根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的反饋所實(shí)現(xiàn)的限制因素,因此在不同發(fā)展目標(biāo)下,各功能區(qū)目標(biāo)函數(shù)和約束條件的參數(shù)設(shè)置會(huì)有一定差異性。本研究中的目標(biāo)函數(shù)包括經(jīng)濟(jì)效益、碳排放量、生態(tài)效益和總目標(biāo),約束條件包括的總面積約束、經(jīng)濟(jì)約束、碳排放約束以及地類面積約束,目標(biāo)函數(shù)是以不同用地的各目標(biāo)函數(shù)系數(shù)乘以用地面積來進(jìn)行累加計(jì)算,約束條件的設(shè)置均基于對(duì)各功能區(qū)用地現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢(shì)的分析,其中總面積約束是以各分區(qū)國(guó)土空間現(xiàn)狀面積進(jìn)行約束；經(jīng)濟(jì)約束是以現(xiàn)狀趨勢(shì)下能達(dá)到的未來總量作為最低值；碳排放量是以現(xiàn)狀趨勢(shì)下能達(dá)到的未來總量作為最高值；各地類面積約束則以現(xiàn)狀值和未來預(yù)測(cè)值作為上下限,根據(jù)發(fā)展需求分別對(duì)不同地類做相應(yīng)調(diào)整,如城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)中的人造地表、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)中的耕地、生態(tài)保護(hù)區(qū)中的林草濕地等。根據(jù)以上條件,對(duì)低碳情景下各分區(qū)用地需求進(jìn)行預(yù)測(cè)的多目標(biāo)函數(shù)及約束條件進(jìn)行設(shè)定(表6)。

表6 各分區(qū)低碳情景下多目標(biāo)函數(shù)及約束條件

2.2.2國(guó)土空間格局優(yōu)化模擬

完成用地需求預(yù)測(cè)之后,將求得的數(shù)值作為用地需求約束,通過PLUS模型對(duì)各功能區(qū)國(guó)土空間格局進(jìn)行模擬。PLUS模型主要包括以下3個(gè)部分：(1)基于土地?cái)U(kuò)張分析策略的轉(zhuǎn)化規(guī)則挖掘框架(LEAS),通過將各地類的擴(kuò)張規(guī)則挖掘轉(zhuǎn)化為二分類問題,然后基于隨機(jī)森林算法從原始訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中提取隨機(jī)樣本,獲得不同用地類型擴(kuò)張規(guī)律的潛在機(jī)制,輸出不同地類的適宜性概率分布情況；(2)基于多類型隨機(jī)斑塊種子機(jī)制的CA模型(CARS),采用了基于土地利用的多類型隨機(jī)斑塊種子生成機(jī)制和閾值遞減規(guī)則下的CA模型,在模擬過程中,土地利用需求通過自適應(yīng)系數(shù)影響局部的土地利用競(jìng)爭(zhēng),驅(qū)動(dòng)土地利用總量達(dá)到未來需求；(3)基于多目標(biāo)規(guī)劃模型下的分情景空間布局模擬,通過與多目標(biāo)規(guī)劃相結(jié)合,對(duì)不同發(fā)展情景下的用地布局進(jìn)行預(yù)測(cè)。具體方法流程參見文獻(xiàn)[39]。

2.2.3發(fā)展情景設(shè)定

綜合考慮土地利用現(xiàn)狀及區(qū)域發(fā)展需求,針對(duì)不同分區(qū)設(shè)定自然發(fā)展和低碳發(fā)展兩種情景。

(1)自然發(fā)展情景：遵循土地利用變化的歷史過程,不考慮未來限制或促進(jìn)土地利用變化的措施,以2010—2020年土地利用變化情況做為未來土地利用變化依據(jù)。

(2)低碳發(fā)展情景：考慮低碳發(fā)展視角下經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益相協(xié)調(diào)的原則,通過調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和減少碳排放的雙重效果。其中城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)通過提供足夠的人造地表以滿足新時(shí)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基本用地需求并減緩碳排放增速,同時(shí)保護(hù)現(xiàn)有耕地、保障當(dāng)?shù)厥澄镄枨?；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)以耕地保護(hù)為核心,通過控制耕地轉(zhuǎn)出數(shù)量和方向提升耕地總體面積,并降低建設(shè)用地的擴(kuò)張速度從而降低碳源效應(yīng)；生態(tài)保護(hù)區(qū)通過嚴(yán)格保護(hù)林草濕水等主要生態(tài)用地提升區(qū)域碳匯效益,并限制人造地表的擴(kuò)張。

轉(zhuǎn)換成本可用來表征從當(dāng)前用地類型轉(zhuǎn)換為需求類型的困難度,本研究針對(duì)不同功能分區(qū)設(shè)置了不同情景用于土地利用空間模擬,因此需要設(shè)計(jì)不同的轉(zhuǎn)換成本矩陣(表7),其中0表示不能轉(zhuǎn)化、1代表允許轉(zhuǎn)化。

表7 情景模擬轉(zhuǎn)換成本矩陣

3 結(jié)果與分析

3.1 宏觀用地結(jié)構(gòu)分析

不同發(fā)展情景下,基于設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)和約束條件,將各功能區(qū)進(jìn)行多目標(biāo)求解后的結(jié)果與自然發(fā)展情景下各用地面積進(jìn)行對(duì)比,并結(jié)合碳排放量和經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益進(jìn)行分析。

從用地總體結(jié)構(gòu)看(表8),與2020年相比,2030年自然發(fā)展和低碳發(fā)展情景下,土地利用結(jié)構(gòu)總體變化趨勢(shì)相同,生態(tài)用地(林地、草地、濕地、水體)和耕地雖然有所減少,但其作為主要組成地類的地位沒有改變,人造地表的面積變化幅度相對(duì)較為明顯,呈增加趨勢(shì)。低碳發(fā)展情景下各功能區(qū)中生態(tài)用地和耕地的減少速度較之自然發(fā)展情景都有一定程度的減緩,其中生態(tài)用地保證了土地利用的碳匯效益,可有效促進(jìn)區(qū)域碳吸收,而耕地面積的穩(wěn)定可在一定程度上保障區(qū)域糧食生產(chǎn)的用地需求。人造地表作為主要的碳源地,低碳發(fā)展情景下的面積相較自然發(fā)展情景,增加幅度較小,表明可在保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展用地需求的同時(shí)減少碳排放,從而降低對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。

3.2 碳排放量、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益分析

不同情景下各功能區(qū)用地碳排放量、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益及對(duì)比見表9?？梢钥闯?較之自然發(fā)展情景,低碳發(fā)展情景下各功能區(qū)用地結(jié)構(gòu)更加符合低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求,不僅可以減少因土地利用所帶來的碳排放量,還保障了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的用地需要,與福建省低碳綠色發(fā)展的要求相一致。

碳排放量方面,在低碳情景下,城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)、生態(tài)保護(hù)區(qū)的碳排放量分別比自然發(fā)展情景下低9.91%、11.14%、9.54%,說明通過總體用地結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整,可以有效的減少碳排放,減少經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中所帶來的資源損耗,降低土地利用開發(fā)過程中對(duì)環(huán)境的負(fù)面效應(yīng),推動(dòng)土地利用方式從高碳粗放式向低碳集約式轉(zhuǎn)變。在經(jīng)濟(jì)效益方面,低碳發(fā)展情景中的經(jīng)濟(jì)效益要略低于自然發(fā)展情景,這是由于該情景為了實(shí)現(xiàn)碳減排,限制了作為主要碳源的人造地表面積,對(duì)土地利用的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生了影響。但從差異幅度來看,低碳發(fā)展情景下城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)和生態(tài)保護(hù)區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益比自然發(fā)展情景分別低8.58%、7.65%、7.37%,但均低于碳排放量的差值比,且經(jīng)調(diào)整后的經(jīng)濟(jì)效益全省年均增長(zhǎng)率仍達(dá)到7.3%,高于福建省提出的到2030年地區(qū)生產(chǎn)總值年均增長(zhǎng)6.3%的目標(biāo)值。生態(tài)效益方面,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)和生態(tài)保護(hù)區(qū)在低碳發(fā)展情景下較之自然發(fā)展情景分別低了0.87%和0.28%,但差值總量較小,且城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)的生態(tài)效益較在低碳發(fā)展情景下較自然發(fā)展情景高了2.48%,整體來看低碳發(fā)展情景下的生態(tài)效益要高于自然發(fā)展情景。

表8 不同情景下各分區(qū)2030年用地類型對(duì)比

表9 不同發(fā)展情景下各分區(qū)目標(biāo)值對(duì)比

3.3 城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)典型區(qū)變化模式分析

3.3.1模型精度驗(yàn)證

根據(jù)往期土地利用數(shù)據(jù)和選取的自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、交通區(qū)位等多種驅(qū)動(dòng)因素,按照1%的比例進(jìn)行隨機(jī)均勻采樣獲取樣本集,使用隨機(jī)森林算法進(jìn)行訓(xùn)練,獲得不同地類的擴(kuò)張規(guī)律。根據(jù)得到的各地類總體擴(kuò)張概率,結(jié)合鄰域影響因子、轉(zhuǎn)移矩陣等,設(shè)定未來土地利用需求數(shù)量,將主要水系、保護(hù)區(qū)、公園等區(qū)域作為限制區(qū)域,通過PLUS模型得到各分區(qū)2020年的土地利用空間分布。根據(jù)2020年的土地利用現(xiàn)狀和模擬圖計(jì)算得到Kappa系數(shù)和總體分類精度(Overall Accuracy,OA)(表10),結(jié)果表明PLUS模型的模擬精度較高,符合區(qū)域土地利用發(fā)展情況,可用于預(yù)測(cè)未來土地利用的發(fā)展趨勢(shì)。

表10 PLUS模型精度評(píng)價(jià)

3.3.2國(guó)土空間布局模擬結(jié)果

圖3 福建省2030年低碳發(fā)展情景下國(guó)土空間布局模擬圖 Fig.3 Simulation map of territorial spatial layout of Fujian Province under low carbon development scenario in 2030

對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證后,通過PLUS模型開展福建省2030年用地空間布局模擬,低碳發(fā)展情景下國(guó)土空間格局模擬結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?雖然不同時(shí)期的用地結(jié)構(gòu)存在一定差異,但從空間分布特征來看,各地類的分布規(guī)律與歷史趨勢(shì)基本相同,其中作為主要碳源的人造地表和耕地主要分布在臨近海岸線處海拔較低、地勢(shì)平緩易開發(fā)的一側(cè),碳匯空間如林地、草地、濕地和水體地主要集中在內(nèi)陸區(qū)域海拔相對(duì)較高且地況較復(fù)雜的區(qū)域。

3.3.3典型區(qū)變化模式

(1)城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)

城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)是海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展的主體區(qū)域,也是主要的碳源空間,在土地利用過程中貢獻(xiàn)了全省80%左右的碳排放量[42]。選取城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)典型區(qū)域用地現(xiàn)狀(圖4)可以看出,人造地表呈集聚式分布,碳源匯聚效應(yīng)明顯,城市周邊被林、草地包圍,具有一定的碳匯效益,其余地區(qū)主要為耕地。

根據(jù)現(xiàn)有土地資源狀況,城市中心區(qū)域的空間已無法繼續(xù)滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展下的用地需求,因此從變化趨勢(shì)來看,到2030年,作為主要碳源地的人造地表出現(xiàn)了向外擴(kuò)張的態(tài)勢(shì),如圖4中區(qū)域A、B。不同發(fā)展情景下,人造地表的擴(kuò)張呈現(xiàn)出了不同的特征,在自然發(fā)展情景下,區(qū)域A中新增人造地表通過轉(zhuǎn)化周邊的耕地完成了從分散到連片的過程,而區(qū)域B中的新增人造地表在原有范圍邊緣處通過轉(zhuǎn)化林草地等生態(tài)用地完成了向外擴(kuò)張,這勢(shì)必會(huì)影響該區(qū)域的碳匯效益和生態(tài)功能；低碳發(fā)展情景下,區(qū)域A中的人造地表由成片蔓延式轉(zhuǎn)為邊緣小范圍擴(kuò)張,這說明該情景可在一定程度上減緩碳源地人造地表的擴(kuò)張速度,從而降低土地利用過程中所帶來的碳排放,但可以看出該新增用地的集中連片程度較低,因此需要加強(qiáng)土地資源的節(jié)約集約利用,與此同時(shí)城市用地方式也要逐步從增量發(fā)展為主轉(zhuǎn)向存量挖潛為主,盤活存量土地,有效調(diào)控城市空間有序擴(kuò)張,建設(shè)綠色低碳城市。

圖4 不同情景下城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)典型區(qū)域2020—2030國(guó)土空間布局圖Fig.4 Territorial spatial layout of typical urban construction areas under different scenarios, 2020—2030

(2)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)以提供農(nóng)產(chǎn)品為主體功能,主要集中在福建省西南部和北部,為保證區(qū)域糧食生產(chǎn)安全提供了重要保障。選取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)典型區(qū)進(jìn)行分析(圖5),從各地類空間布局來看,由于區(qū)域發(fā)展和城市化的持續(xù)推進(jìn),到2030年該分區(qū)人造地表呈現(xiàn)出一定的擴(kuò)張態(tài)勢(shì),致使碳源效應(yīng)增強(qiáng),如圖5區(qū)域A；耕地在原有分布范圍附近呈點(diǎn)狀擴(kuò)張,如圖5區(qū)域B；此外,水域面積也有一定的增加,這增強(qiáng)了碳匯效益并保障了耕地的灌溉條件。

不同發(fā)展情景下,各地類的擴(kuò)張細(xì)節(jié)不盡相同,在自然發(fā)展情景下,區(qū)域A中游離在縣城周邊的人造地表出現(xiàn)了向行政中心方向延伸的情況,并出現(xiàn)了較大面積的擴(kuò)張,使得部分林草地消失,而在區(qū)域B中通過轉(zhuǎn)換部分林地又增加了一定面積的耕地；在低碳發(fā)展情景下,區(qū)域A中的人造地表不再出現(xiàn)大范圍的無序擴(kuò)張,從而避免部分生態(tài)用地被占用并降低由于城鎮(zhèn)擴(kuò)張帶來的碳排放,同時(shí)區(qū)域B中的耕地也增加了更多的面積,進(jìn)一步增強(qiáng)了區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主體功能,屆時(shí)可以在保護(hù)現(xiàn)有耕地的同時(shí),通過控制非農(nóng)建設(shè)的項(xiàng)目開展,嚴(yán)格執(zhí)行耕地占補(bǔ)平衡制度,并可將有條件的較小塊耕地并入相鄰大塊的耕地中,促進(jìn)耕地的集中連片開發(fā)。

圖5 不同情景下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)典型區(qū)域2020—2030國(guó)土空間布局圖Fig.5 Territorial spatial layout of typical agricultural production area under different scenarios, 2020—2030

(3)生態(tài)保護(hù)區(qū)

生態(tài)保護(hù)區(qū)由森林覆蓋率較高、生物多樣性較豐富的區(qū)域組成,主要分布在福建省中部和北部,區(qū)域內(nèi)山高坡陡、地形起伏度較大,2020年生態(tài)用地占該分區(qū)總面積的78%左右,具有重要的碳匯效益和生態(tài)產(chǎn)品供給能力。選取生態(tài)保護(hù)區(qū)典型區(qū)進(jìn)行分析(圖6),從用地現(xiàn)狀可以看出,該功能區(qū)破碎化程度較高,主要由碳匯地林草地組成；碳源空間人造地表沿現(xiàn)有水系和地勢(shì)平坦處成片分布,空間布局較為分散；耕地的空間聚合度較低,多數(shù)圍繞在人造地表周邊呈分散式分布,不適合進(jìn)行規(guī)?；_發(fā)。

通過比較不同發(fā)展情景發(fā)現(xiàn),若不實(shí)施相應(yīng)的管控政策,自然發(fā)展情景下的人造地表將在2030年呈現(xiàn)出逐漸向外膨脹的趨勢(shì),如圖6區(qū)域A縣鎮(zhèn)周邊的林草地和部分耕地被轉(zhuǎn)換為人造地表,區(qū)域B中通過轉(zhuǎn)化周邊的林草地使得原有的人造地表完成了從分散到連片的過程,而這也讓生態(tài)空間受到一定擠壓,并降低了區(qū)域碳匯效應(yīng)；而在低碳情景下,區(qū)域A中人造地表的成片蔓延式無序擴(kuò)張得到了遏制,這對(duì)降低碳源效應(yīng)、減少碳排放有一定效果。因此下一步需要通過協(xié)調(diào)土地利用和低碳生態(tài)的關(guān)系,實(shí)施更加嚴(yán)格的生態(tài)管控政策,同時(shí)保護(hù)周邊的現(xiàn)有林草地和水資源,增強(qiáng)區(qū)域碳匯效應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)土地資源低碳利用與生態(tài)保護(hù)均衡發(fā)展。

圖6 不同情景下生態(tài)保護(hù)區(qū)典型區(qū)域2020—2030國(guó)土空間布局圖Fig.6 Territorial spatial layout of typical ecological reserve area under different scenarios, 2020—2030

(4)綜合分析

為研究不同情景下區(qū)域尺度的各用地變化空間細(xì)節(jié),在對(duì)各分區(qū)的總體空間分布特征進(jìn)行分析后,選取了其中的典型區(qū)域并圍繞其功能用地包括耕地、生態(tài)用地和人造地表的分布特征和變化趨勢(shì)進(jìn)行分析,總體來看,各分區(qū)并未因人造地表的擴(kuò)張而破壞原有整體格局。各分區(qū)典型區(qū)域地類空間布局和不同情景下變化趨勢(shì)可歸納如下(表11):

表11 各分區(qū)典型區(qū)域用地分布特征

從不同發(fā)展情景的用地變化情況來看,各地類中人造地表的變化最為顯著,而由于城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)受人類活動(dòng)影響更大,因此該功能區(qū)的變化也最為明顯。受城市化擴(kuò)張影響,在自然發(fā)展情景下,城鎮(zhèn)周邊的生態(tài)空間受到不同程度的擠壓,將會(huì)降低區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和碳匯效益,對(duì)區(qū)域低碳綠色發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。在低碳發(fā)展情景下,通過挖掘存量用地潛力,提高土地資源的節(jié)約集約利用,可在一定程度上減緩城鎮(zhèn)擴(kuò)張的趨勢(shì),降低在土地利用過程中所造成的碳排放和環(huán)境破壞；變化過程較為平緩的為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)典型區(qū)。在自然發(fā)展情景下,人造地表出現(xiàn)了小幅擴(kuò)張并呈現(xiàn)出由外圍向縣鎮(zhèn)中心延伸的趨勢(shì),侵占了部分生態(tài)用地；低碳發(fā)展情景下,該功能區(qū)遏制了城鎮(zhèn)擴(kuò)張的速度,保證耕地面積的小幅增加并使其更為集中,降低碳源效應(yīng)并進(jìn)一步保障區(qū)域的主體功能和糧食生產(chǎn)能力。

4 討論與結(jié)論

(1)通過耦合“自頂向下”的MOP模型和“自底向上”的PLUS模型,從用地需求和空間布局兩方面對(duì)福建省國(guó)土空間進(jìn)行分情景分區(qū)域優(yōu)化模擬,其中低碳發(fā)展情景考慮碳減排與經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益相協(xié)調(diào)的原則,基本滿足各分區(qū)不同發(fā)展導(dǎo)向的需求,可為形成區(qū)域性、差異化的低碳用地管控政策提供參考,推動(dòng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域土地資源綠色高效利用。

(2)在用地需求預(yù)測(cè)方面,以主體功能區(qū)分區(qū)定位為指導(dǎo),銜接國(guó)土空間規(guī)劃實(shí)施背景,構(gòu)建以碳排放、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益為導(dǎo)向的多目標(biāo)函數(shù)及約束條件,同時(shí)考慮各分區(qū)發(fā)展水平及側(cè)重對(duì)其目標(biāo)系數(shù)進(jìn)行修正,推動(dòng)實(shí)現(xiàn)主體功能約束有效的區(qū)域性用地總體結(jié)構(gòu)。求解后的用地方案中各分區(qū)生態(tài)用地的收縮速度都有一定程度的減緩,保證了土地利用的碳匯效益,可有效促進(jìn)區(qū)域碳吸；人造地表的面積較之自然發(fā)展情景下有所減少,可在保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展用地需求的同時(shí)降低碳排放。各分區(qū)用地結(jié)構(gòu)比較符合低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求,在減少了碳排放量的同時(shí),保障了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,并滿足福建省低碳綠色發(fā)展的要求,從而為區(qū)域國(guó)土空間有序開發(fā)、生態(tài)文明建設(shè)提供戰(zhàn)略支撐。

(3)在空間布局優(yōu)化模擬方面,PLUS模型模擬出來的2020年福建省各功能分區(qū)的總體精度和Kappa系數(shù)值符合要求,說明該模型適用于對(duì)未來國(guó)土空間的模擬。從空間分布來看,福建省2030年國(guó)土空間格局基本保持不變,其中作為主要碳源的人造地表和耕地主要分布在臨近海岸線處海拔較低、地勢(shì)平緩易開發(fā)的一側(cè),林地、草地、濕地和水體等主要碳匯區(qū)集中在內(nèi)陸區(qū)域海拔相對(duì)較高且地況較復(fù)雜的區(qū)域。此外,還選取了各功能分區(qū)的典型區(qū)域進(jìn)行分析,研究了在不同情景下區(qū)域尺度的各地類變化空間細(xì)節(jié),可為福建省下一步區(qū)域發(fā)展規(guī)劃提供一定依據(jù)。

本研究能夠科學(xué)的進(jìn)行多情景下的分區(qū)域國(guó)土空間模擬,可為今后開展相關(guān)低碳研究提供參考。本研究在對(duì)碳排放量的計(jì)算中,是采用折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)進(jìn)行估算并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行各用地類型的碳排放系數(shù),由于受數(shù)據(jù)所限,得到的碳排放總量與實(shí)際碳排放值之間可能具有一定誤差,后續(xù)研究中將進(jìn)一部豐富數(shù)據(jù)來源,消除計(jì)算過程中的誤差。在空間模擬方面,目前僅考慮了各地類的適宜性概率,未考慮區(qū)域資源環(huán)境承載能力和國(guó)土空間開發(fā)適宜性,后期研究中,將繼續(xù)構(gòu)建基于“雙評(píng)價(jià)”的優(yōu)化方法和國(guó)土空間功能分區(qū)優(yōu)化模式,以“雙評(píng)價(jià)”結(jié)果作為國(guó)土空間優(yōu)化模擬的空間約束,進(jìn)一步保障模擬結(jié)果的科學(xué)性和有效性,同時(shí)通過系統(tǒng)分析其國(guó)土空間格局演變效應(yīng)來研究不同情景下各區(qū)域間的國(guó)土空間功能特點(diǎn),發(fā)掘出具有相同發(fā)展模式的區(qū)域,為區(qū)域國(guó)土空間有序開發(fā)和碳減排協(xié)同治理提供參考。