基于SD和CA模型的土地資源配置策略研究
——以鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)為例

孫旭丹， 張立亭， 羅亦泳， 陳竹安

(東華理工大學(xué) 測(cè)繪工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

強(qiáng)化土地生態(tài)環(huán)境保護(hù)與構(gòu)建生態(tài)環(huán)境友好型土地資源配置策略，是我國(guó)推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、建設(shè)“環(huán)境友好型社會(huì)”的重要切入點(diǎn)之一，是破解土地瓶頸制約、增強(qiáng)土地資源保障能力、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。黨的十八屆三中全會(huì)報(bào)告指出，要緊緊圍繞建設(shè)美麗中國(guó)深化生態(tài)文明體制改革，加快建立生態(tài)文明制度，健全國(guó)土空間開(kāi)發(fā)、資源節(jié)約利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的體制機(jī)制，推動(dòng)形成人與自然和諧發(fā)展現(xiàn)代化建設(shè)新格局。2014年11月20日，江西省步入我國(guó)首批全境列入生態(tài)文明先行示范區(qū)建設(shè)的隊(duì)伍，這對(duì)地區(qū)“既要金山銀山，更要綠水青山”的理念提出了更高要求[1，2]。2017年2月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《全國(guó)國(guó)土規(guī)劃綱要(2016—2030年)》，《綱要》指出：“要貫徹區(qū)域發(fā)展總體戰(zhàn)略和主體功能區(qū)域戰(zhàn)略，對(duì)國(guó)土空間開(kāi)發(fā)、資源環(huán)境保護(hù)、國(guó)土綜合整治和保障體系建設(shè)等作出總體部署與統(tǒng)籌安排。要進(jìn)一步優(yōu)化國(guó)土開(kāi)發(fā)格局、提升國(guó)土開(kāi)發(fā)質(zhì)量、規(guī)范國(guó)土開(kāi)發(fā)秩序；優(yōu)化生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，完善國(guó)土空間規(guī)劃體系和提升國(guó)土空間治理能力?！比欢?，隨著江西經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)土地的需求量不斷增加，加之對(duì)土地的不合理開(kāi)發(fā)及利用，鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土地生態(tài)問(wèn)題日益凸顯，嚴(yán)重制約了鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的建設(shè)與發(fā)展。因此，研究鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)友好型土地資源配置策略，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)位于江西省北部，地跨28°30′—30°06′N、114°29′—117°25′E，是以鄱陽(yáng)湖為核心，包括南昌、九江、景德鎮(zhèn)3市，以及鷹潭、新余、撫州、宜春、上饒、吉安市的部分縣(市、區(qū))，共38個(gè)縣(市、區(qū))，鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)示意圖，見(jiàn)圖1。該區(qū)具有發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的優(yōu)良條件，其東鄰長(zhǎng)江三角洲和閩東南沿海發(fā)達(dá)地區(qū)；西接武漢城市群、長(zhǎng)株潭城市群；北連中原城市群、皖南城市群；南望珠江三角洲，是長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲、海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)等重要經(jīng)濟(jì)板塊的直接腹地。此外，鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)位于沿長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶和沿京九經(jīng)濟(jì)帶的交匯點(diǎn)，是溝通東西部、連接南北方的重要樞紐。

圖1 鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)示意圖

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

采用的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于Landsat TM遙感數(shù)據(jù)，獲取的時(shí)間分別為2004年12月、2009年12月，影像的分辨率為30 m×30 m。通過(guò)2005—2010年江西統(tǒng)計(jì)年鑒，獲得鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是運(yùn)用定性與定量相結(jié)合及系統(tǒng)綜合推理方法處理復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題，其建模過(guò)程就是一個(gè)學(xué)習(xí)、調(diào)查、研究的過(guò)程[3]。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型(System Dynamic Model，簡(jiǎn)稱SD模型)是用來(lái)研究系統(tǒng)復(fù)雜行為的一種方法, 其突出特點(diǎn)是能夠反映復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與動(dòng)態(tài)行為之間的相互作用關(guān)系, 對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn), 從而考察復(fù)雜系統(tǒng)在不同情景(不同參數(shù)或不同策略因素)下的變化行為和趨勢(shì)[4]。SD模型常用來(lái)預(yù)測(cè)不同社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件下的土地利用需求，或是用于預(yù)測(cè)不同土地利用規(guī)劃或管理情景下的土地利用變化，被眾多學(xué)者認(rèn)為是降低未來(lái)土地利用過(guò)程潛在風(fēng)險(xiǎn)水平的有效途徑[5]。該模型在反映宏觀用地總量需求方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但在反映微觀土地利用空間格局方面存在明顯不足。

鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土地需求主要分為農(nóng)用地需求、建設(shè)用地需求和水域需求，其中農(nóng)用地包括耕地、園地、林地、牧草地及其他農(nóng)用地。根據(jù)影響土地需求各種因素的特點(diǎn)，利用Vensim軟件，構(gòu)建鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土地需求系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型(圖2)。該模型分為五大子系統(tǒng)：(1)人口增長(zhǎng)子系統(tǒng)；(2)經(jīng)濟(jì)發(fā)展子系統(tǒng)；(3)生態(tài)建設(shè)子系統(tǒng)；(4)市場(chǎng)調(diào)節(jié)子系統(tǒng)；(5)土地政策子系統(tǒng)。

圖2 鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土地需求系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

2.2.2 元胞自動(dòng)機(jī)模型

元胞自動(dòng)機(jī)模型(Cellular Automata Model，簡(jiǎn)稱CA模型)是一種時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散，空間相互作用和時(shí)間因果關(guān)系都為局部的網(wǎng)格動(dòng)力學(xué)模型[6]。CA模型具有高度的靈活性、開(kāi)放性以及強(qiáng)大的空間運(yùn)算能力，能可視化模擬土地利用變化時(shí)空分布的動(dòng)態(tài)過(guò)程[7]。

運(yùn)用ENVI軟件，將鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2004年、2009年遙感影像解譯為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及其他用地，并通過(guò)Arcgis技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到2004年、2009年鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土地利用現(xiàn)狀分類圖(圖3、圖4)，各類土地類型面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖3 鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2004年土地利用現(xiàn)狀分類圖

圖4 鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2009年土地利用現(xiàn)狀分類圖

從表1可知，鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)以耕地、林地、水域?yàn)橹?，且土地利用類型相?duì)較為豐富。自2004年至2009年，鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)耕地面積大量減少，林地、草地面積有所下降，水域面積明顯增加，建設(shè)用地不斷增長(zhǎng)。

CA模型通過(guò)對(duì)遙感影像的解譯，獲得不同歷史時(shí)期土地利用等空間信息。此外，CA模型有四個(gè)基本要素：元胞、狀態(tài)、領(lǐng)域和轉(zhuǎn)換規(guī)則[8]。本模型把鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃分為大小適宜的元胞，每個(gè)元胞都有特定的狀態(tài)，未來(lái)的狀態(tài)由轉(zhuǎn)換規(guī)則決定(關(guān)鍵是如何定義轉(zhuǎn)換規(guī)則)。以土地利用數(shù)量、結(jié)構(gòu)、政策為約束條件，定義元胞自動(dòng)機(jī)模型轉(zhuǎn)換規(guī)則。同時(shí)，轉(zhuǎn)換規(guī)則中加入社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)因素，更為全面系統(tǒng)地預(yù)測(cè)了鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)未來(lái)10年的土地利用變化情況。

表2 鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2014年土地利用類型的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

具體操作過(guò)程為：中心元胞輸入土地利用類型為耕地，元胞鄰域以林地、草地、水域、建設(shè)用地、其他用地元胞數(shù)量為鄰域情景。元胞鄰域類型采用Moore鄰域。根據(jù)鄰域關(guān)系確定下一刻轉(zhuǎn)化的土地利用類型所用的方法是蒙特卡洛方法。利用鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2004年、2009年土地利用類型數(shù)據(jù)計(jì)算出耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、其他用地所占的比例，將它們映射到[0,1]區(qū)間內(nèi)，使其在該區(qū)間內(nèi)都有其對(duì)應(yīng)的取值區(qū)間，由CA模型產(chǎn)生一個(gè)介于0到1之間的隨機(jī)數(shù)，隨機(jī)數(shù)落到哪一個(gè)土地利用類型區(qū)間內(nèi)，就是元胞下一時(shí)刻轉(zhuǎn)化的土地利用類型。另外，為了增加模型精度，設(shè)置了模型參數(shù)。

表1 鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2004年、2009年土地利用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)表

(1)將鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2009年土地利用類型數(shù)據(jù)添加到模型中，保存數(shù)據(jù)；

(2)將鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2004年土地利用類型數(shù)據(jù)添加到模型中，設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行分析，直至其用地?cái)?shù)量大致與2009年土地利用類數(shù)據(jù)接近時(shí)停止分析，記錄此迭代分析的次數(shù)T，T為模型的一個(gè)轉(zhuǎn)化周期；

(3)再次將鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2009年土地利用類型數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中，參數(shù)保持不變，并在此基礎(chǔ)上分析T次，得到鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2014年土地利用類型的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)。運(yùn)用相同的方法，得到鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2019年土地利用類型的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3)。

表3 鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2019年土地利用類型的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

表4 鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2009年-2019年土地利用變化情況

從表4可知，鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2009—2019年耕地、建設(shè)用地、其他用地面積將略有增加，林地、草地、水域面積會(huì)有所下降。

3 土地資源配置策略

我國(guó)的基本國(guó)情是人多地少、土地資源緊缺。針對(duì)鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)存在的用地問(wèn)題，亟待建立土地資源優(yōu)化配置體系，提出生態(tài)友好型的土地資源配置策略。生態(tài)友好型的土地資源配置策略應(yīng)該是既有剛性又有彈性的配置策略，并且土地資源配置的模式不應(yīng)是單一的，而需要多尺度協(xié)調(diào)運(yùn)作。

(1)進(jìn)一步完善現(xiàn)有規(guī)劃。現(xiàn)階段，我國(guó)土地資源配置主要的依據(jù)是土地利用總體規(guī)劃。2009年12月，國(guó)務(wù)院正式批復(fù)同意《鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》，標(biāo)志著鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃已上升為國(guó)家戰(zhàn)略層面的區(qū)域發(fā)展規(guī)劃。

(2)創(chuàng)新土地使用制度，提升土地節(jié)約集約利用水平。土地資源配置的本質(zhì)是土地使用制度的制定，實(shí)現(xiàn)鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)土地資源優(yōu)化配置最根本最有效的手段就是建立土地使用制度的創(chuàng)新機(jī)制。

①保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，切實(shí)推進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)。現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)應(yīng)該以高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)為切入點(diǎn)，加強(qiáng)機(jī)耕道路建設(shè)，強(qiáng)化技術(shù)裝備，大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化。

②控制建設(shè)用地總量，推動(dòng)建設(shè)用地內(nèi)涵挖潛和集約利用。耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地是不可逆的資源利用過(guò)程。因此，建設(shè)用地的選址應(yīng)盡量不占耕地，確實(shí)需要占用的，應(yīng)盡量占用等級(jí)較低的耕地。挖掘存量建設(shè)用地的潛力，避免重復(fù)建設(shè)和亂占耕地的現(xiàn)象。進(jìn)一步落實(shí)建設(shè)用地“增減掛”政策，該政策以“增加耕地有效面積，提高耕地質(zhì)量，節(jié)約集約利用建設(shè)用地，用地布局更合理”的目標(biāo)。

③改善生態(tài)環(huán)境，保障生態(tài)用地需求。隨著區(qū)域人口的不斷增加和區(qū)域空間的非理性擴(kuò)張，鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)環(huán)境不斷遭到破壞，生態(tài)安全狀況令人堪憂。因此，應(yīng)加強(qiáng)土地污染治理，進(jìn)一步改善生態(tài)環(huán)境，推動(dòng)鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)生態(tài)文明建設(shè)。

(3)調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，提升土地資源的利用效率。土地資源的空間位置是固定不變的，因此在進(jìn)行土地資源合理配置過(guò)程中無(wú)法將鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)中不同城市和區(qū)域間的土地資源調(diào)和，只能在各城市和區(qū)域內(nèi)部進(jìn)行土地資源數(shù)量和結(jié)構(gòu)的調(diào)整。土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整是一個(gè)緩慢的過(guò)程，最有效的調(diào)整方法就是調(diào)控鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展中的各類經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)要素。通過(guò)對(duì)鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)各類經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)要素的調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)的有效調(diào)整。

(4)加大土地綜合整治力度。土地綜合整治應(yīng)著眼于鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)整個(gè)土地資源的優(yōu)化配置，對(duì)區(qū)域“田、水、路、林”的統(tǒng)籌布局。

(5)建立“政府—市場(chǎng)”互動(dòng)的土地資源配置機(jī)制。習(xí)近平總書記指出：“更好發(fā)揮政府作用，不是要更多發(fā)揮政府作用，而是要在保證市場(chǎng)發(fā)揮決定性作用的前提下，管好那些市場(chǎng)管不了或管不好的事情。”進(jìn)一步完善市場(chǎng)調(diào)節(jié)機(jī)制，包括土地市場(chǎng)交易管理、地價(jià)管理。

(6)建立土地資源運(yùn)行的監(jiān)督機(jī)制，提高土地資源可持續(xù)利用能力。土地資源的運(yùn)行應(yīng)該遵循公開(kāi)、公平、公正原則，從信息發(fā)布、競(jìng)價(jià)、決策的各個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)建立較為完善的監(jiān)督機(jī)制，確保鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)有限的土地資源得到合理配置，進(jìn)而提高土地資源的可持續(xù)利用能力。

4 結(jié)論

鄱陽(yáng)湖是我國(guó)的第一大淡水湖，鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)是我國(guó)戰(zhàn)略層面至關(guān)重要的發(fā)展規(guī)劃區(qū)域。本文以鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)為研究對(duì)象，利用Vensim軟件、ENVI軟件，做出以下研究：

(1)運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和元胞自動(dòng)機(jī)模型的優(yōu)勢(shì)，從宏觀和微觀兩個(gè)層面分析了鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的影響因子以及空間分布狀況。

(2)運(yùn)用蒙特卡洛方法，得到鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)2014年、2019年土地利用類型的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。為了增強(qiáng)CA模型精度，設(shè)置了模型參數(shù)。

(3)針對(duì)近10年鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)存在的土地利用問(wèn)題，從六個(gè)方面提出了生態(tài)友好型土地資源配置策略。

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