基于景觀安全格局的城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張多情景模擬研究①——以揚(yáng)州市為例

孟 霖，郭 杰,2,3，歐名豪,2,3，李昆鵬

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基于景觀安全格局的城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張多情景模擬研究①——以揚(yáng)州市為例

孟 霖1，郭 杰1,2,3，歐名豪1,2,3*，李昆鵬4

(1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院，南京 210095；2 統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展與土地管理創(chuàng)新研究基地，南京 210095；3 農(nóng)村土地資源利用與整治國家地方聯(lián)合工程研究中心，南京 210095；4 大明湖街道瞬井社區(qū)委員會，濟(jì)南 250011)

城鎮(zhèn)建設(shè)用地多情景模擬有利于實(shí)現(xiàn)土地資源優(yōu)化配置，保障區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。本文以揚(yáng)州市為例，以2005年、2013年土地利用變更數(shù)據(jù)為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，借助景觀安全格局與ANN-CA模型模擬城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張趨勢，并利用城鎮(zhèn)建設(shè)用地轉(zhuǎn)移矩陣與景觀格局指數(shù)分析2013—2020年城鎮(zhèn)建設(shè)用地模擬結(jié)果。研究結(jié)果表明：①不同情景下的城鎮(zhèn)建設(shè)用地模擬擴(kuò)張占用其他景觀規(guī)模不同，但均占用農(nóng)村居民點(diǎn)規(guī)模最多，其中，慣性發(fā)展情景下，模擬新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地以布局在低景觀安全格局為主，占用耕地、水域、林地規(guī)模較高；基本保障情景下，模擬新增的城鎮(zhèn)建設(shè)用地主要布局在中景觀安全格局區(qū)域，較慣性發(fā)展情景占用耕地規(guī)模增加，占用水域、林地規(guī)模減少；與慣性發(fā)展情景、基本保障情景相比，最優(yōu)保護(hù)情景下占用耕地規(guī)模略高但集中于高景觀安全格局區(qū)，新增占用水域規(guī)模、林地規(guī)模降低。②不同情景下的景觀格局也存在差異，慣性發(fā)展情景下，景觀格局變化一定程度有利于促進(jìn)城鎮(zhèn)化發(fā)展，但不利于耕地機(jī)械化生產(chǎn)，影響林地、水域生態(tài)服務(wù)功能；基本保障情景下，景觀格局變化一定程度上有利于城鄉(xiāng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對非人工景觀的破壞程度較慣性發(fā)展情景降低；最優(yōu)保護(hù)情景下，景觀格局變化更有利于區(qū)域社會、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)發(fā)展。③慣性發(fā)展情景下，應(yīng)適當(dāng)規(guī)劃生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，嚴(yán)格劃定永久性基本農(nóng)田；基本保障情景下，應(yīng)充分發(fā)揮景觀安全格局的生態(tài)底線功能，引導(dǎo)城鎮(zhèn)建設(shè)用地合理開發(fā)與布局；最優(yōu)保護(hù)情景下，可通過存量建設(shè)用地挖潛等措施提高土地集約利用水平。

城鎮(zhèn)建設(shè)用地；景觀安全格局；ANN-CA模型；多情景預(yù)測

改革開放以來，我國工業(yè)化與城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)，作為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要載體，城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張十分迅速，且外延擴(kuò)張?zhí)卣髅黠@[1]，導(dǎo)致耕地、水域、林地等重要的生態(tài)服務(wù)型景觀被侵占，區(qū)域生態(tài)安全面臨嚴(yán)重威脅[2-3]。城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張模擬可通過一定模型或技術(shù)手段，對未來的城鎮(zhèn)建設(shè)用地時空發(fā)展進(jìn)行擬合，能為城鎮(zhèn)建設(shè)用地管理與調(diào)控提供決策支持，是城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張研究的重要內(nèi)容[4]。如何在生態(tài)保護(hù)的限制條件下，合理模擬城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張空間布局，是實(shí)現(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整、保障區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要議題[5]。

近年來，伴隨“反規(guī)劃”理論的提出，從生態(tài)保護(hù)視角探索新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地模擬配置方案成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)[6]。其中，構(gòu)建生態(tài)安全格局作為區(qū)域生態(tài)環(huán)境的基本保障和重要途徑，成為指導(dǎo)城鎮(zhèn)建設(shè)用地有序擴(kuò)張的重要依據(jù)[7]。學(xué)者們針對生態(tài)安全格局的概念、理論基礎(chǔ)、構(gòu)建原則與方法等展開了大量研究[8-9]。俞孔堅(jiān)等學(xué)者[10-12]以景觀格局與過程的相互作用機(jī)制為核心，建立了以生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ)的景觀安全格局，進(jìn)一步優(yōu)化了生態(tài)安全格局構(gòu)建的理論基礎(chǔ)與方法，并應(yīng)用于城市生態(tài)底線劃定、城市增長預(yù)警、城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展等方面，為城鎮(zhèn)建設(shè)用地的科學(xué)管控與精明增長提供了重要的科學(xué)依據(jù)[7,13]。同時，現(xiàn)有研究中常用的城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張模擬模型主要包括元胞自動機(jī)(CA)模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)模型、馬爾科夫(Markov)模型、系統(tǒng)動力學(xué)(SD)模型、CLUE-S模型、灰色系統(tǒng)分析模型等[14]。其中，CA模型是近年來新興的土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測方法，具有較強(qiáng)的空間分析與表達(dá)能力，成為城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張模擬的主流方法[15]，但由于CA模型無法反映元胞狀態(tài)、轉(zhuǎn)換規(guī)則及鄰域元胞特征，而降低了模擬精度[16]，黎夏和葉嘉安[17]結(jié)合ANN模型，進(jìn)一步構(gòu)建了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-元胞自動機(jī)(ANN-CA)模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練獲取土地利用變化規(guī)則，替代CA模擬過程中的人工參數(shù)設(shè)置，提高了傳統(tǒng)CA模型的模擬精度，被逐漸運(yùn)用于城鎮(zhèn)建設(shè)用地模擬與預(yù)測研究中?，F(xiàn)有研究基于景觀安全格局指導(dǎo)城鎮(zhèn)建設(shè)用地配置時，僅應(yīng)用于建設(shè)用地管制區(qū)的劃定，對城鎮(zhèn)建設(shè)用地配置的指導(dǎo)精度不足[7]；在應(yīng)用ANN-CA模擬城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張時，城鎮(zhèn)建設(shè)用地可拓元胞空間的設(shè)定缺乏劃定依據(jù)，且城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張的影響因子多通過主觀判斷選擇常見的空間影響因子，較少通過系統(tǒng)的理論分析選擇適當(dāng)?shù)挠绊懸蜃覽4]，一定程度上降低了城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張模擬的合理性。

揚(yáng)州市地處江蘇省中部，長江下游北岸，江淮平原南端，是南京都市圈和長三角城市群城市。境內(nèi)水系發(fā)達(dá)，林地眾多，自然環(huán)境優(yōu)越，是我國東部典型的生態(tài)型城市。作為中國最具活力的長江三角洲經(jīng)濟(jì)圈重要節(jié)點(diǎn)城市，揚(yáng)州市交通便利，連結(jié)蘇南、皖北，輻射蘇北腹地，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張十分迅速，并侵占了大量耕地和生態(tài)用地，極易引發(fā)區(qū)域糧食產(chǎn)量降低、河湖調(diào)蓄能力減弱、水土流失加劇、游憩空間壓縮等問題。在當(dāng)前“多規(guī)合一”的規(guī)劃要求下，揚(yáng)州市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)保護(hù)等規(guī)劃的多目標(biāo)沖突明顯。

因此，本文以揚(yáng)州市為例，以2005年、2013年土地利用變更數(shù)據(jù)為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，借助ANN-CA模型，基于景觀安全格局劃定不同情景的元胞空間，結(jié)合供求理論挑選城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張影響因子，進(jìn)行多情景的城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張模擬，并利用城鎮(zhèn)建設(shè)用地轉(zhuǎn)移矩陣與景觀格局指數(shù)分析2013—2020年的模擬結(jié)果，以期為新一輪土地利用總體規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)，協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[7,18]。

1 研究方法

1.1 基于生態(tài)服務(wù)價值維護(hù)的景觀安全格局構(gòu)建

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程中形成的維護(hù)人類生存與發(fā)展的自然效用。千年生態(tài)系統(tǒng)評估(millennium ecosystem assessment，EMA)將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能主要劃分為供給功能、調(diào)節(jié)功能、支持服務(wù)、文化服務(wù)4大方面，結(jié)合研究區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展特征及景觀特征，需要重點(diǎn)維護(hù)的生態(tài)服務(wù)可歸納為糧食安全、防洪安全、生物保護(hù)、游憩景觀保護(hù)[8, 19]，因此構(gòu)建糧食安全格局、防洪安全格局、生物保護(hù)安全格局、游憩安全格局，均劃分為低、中、高3個等級。其中，構(gòu)建糧食安全格局時，將距離基本農(nóng)田0 ~ 500、500 ~ 800、＞800 m作為糧食安全格局的低、中、高水平區(qū)域[20-21]；防洪安全格局利用“無源淹沒”方法[22]，建立五十年一遇(8.85 m)、二十年一遇(6.36 m)、十年一遇(5.69 m)的洪水風(fēng)險級別下的淹沒格局，同時構(gòu)建以水庫水面、河流湖泊、內(nèi)陸灘涂等具有調(diào)蓄功能的水域?yàn)樵吹氐男詈楦窬?，疊加淹沒格局與蓄洪格局，建立區(qū)域防洪安全格局，并劃分為低、中、高3個等級；生物保護(hù)安全格局構(gòu)建時，選擇白鷺(候鳥)和灰喜鵲(留鳥)作為研究區(qū)指示性物種[23]，分別采用生境適宜性評價法和阻力面分析法確定其生境安全格局[7]，利用疊加分析與自然斷點(diǎn)法，構(gòu)建低、中、高3級生物保護(hù)安全格局；將域內(nèi)水體、灘涂、風(fēng)景名勝、鄉(xiāng)土文化遺產(chǎn)作為構(gòu)建區(qū)域游憩安全格局的源地[7]，采用最小阻力模型與自然段點(diǎn)法，構(gòu)建低、中、高3個等級的區(qū)域游憩安全格局[24]。利用“木桶原理”疊加各評價單元的各類型景觀安全格局水平，綜合取低后得到研究區(qū)綜合景觀安全格局。

1.2 基于供求理論的城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張影響因子選擇

土地資源作為一種“特殊商品”，在市場運(yùn)行過程中必然受供求關(guān)系制約，其時空配置符合供求理論的內(nèi)在規(guī)律[25-26]。因此，城鎮(zhèn)建設(shè)用地開發(fā)不僅受區(qū)域供給能力的制約，也受社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的影響，其規(guī)模是土地供給與需求相互作用下的動態(tài)均衡。土地供給分為自然供給與經(jīng)濟(jì)供給兩種形式，城鎮(zhèn)建設(shè)用地以無彈性的自然供給為基礎(chǔ)，以經(jīng)濟(jì)供給為主，受本底條件、技術(shù)水平、區(qū)位條件、土地利用集約化程度等條件制約，而政府擁有城鎮(zhèn)土地所有權(quán)和實(shí)際上的集體土地開發(fā)權(quán)，因此城鎮(zhèn)建設(shè)用地供給還受政府宏觀調(diào)控行為約束。同時，伴隨社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人口增長與經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要更多生活與生產(chǎn)空間，促使城鎮(zhèn)建設(shè)用地需求量不斷增長。有限的城鎮(zhèn)建設(shè)用地供給與不斷增長的需求之間依托供求關(guān)系，通過市場運(yùn)行機(jī)制的調(diào)節(jié)作用，最終決定區(qū)域的城鎮(zhèn)建設(shè)用地時空配置特征[26]。因此，應(yīng)從城鎮(zhèn)建設(shè)用地供給與需求角度，挑選城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張影響因子(表1)。供給要素中，選取坡度測度區(qū)域本底條件，城鎮(zhèn)建設(shè)用地宜布局在地勢平坦地區(qū)，坡度越高，越不利于城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張[27]；選擇代表技術(shù)投入水平的R&D經(jīng)費(fèi)內(nèi)部支出作為衡量區(qū)域技術(shù)水平的指標(biāo)[28]；選擇到市中心距離與交通通達(dá)度作為衡量區(qū)位條件的指標(biāo)[26]；選擇地均固定資產(chǎn)投資作為衡量土地集約程度的指標(biāo)[29-30]；選擇土地出讓收入作為衡量地方政府管控城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張的政策制度的重要指標(biāo)。需求要素中，選擇城鎮(zhèn)人口規(guī)模作為衡量人口增長的指標(biāo)[31]，選擇二、三產(chǎn)業(yè)增加值作為衡量經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要指標(biāo)[26, 31-32]。

表1 城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張影響因子表

1.3 基于ANN-CA模型的多情景城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張模擬

ANN-CA由模型糾正(訓(xùn)練)與模擬兩大獨(dú)立模塊組成， ANN-CA模型運(yùn)行主要包括確定元胞與元胞空間、設(shè)定訓(xùn)練與模擬參數(shù)等步驟[17, 33]。

1) 元胞與元胞空間：本研究基于ANN-CA模型，耦合地理信息系統(tǒng)(GIS)平臺，以揚(yáng)州市全域土地利用現(xiàn)狀圖為底圖，確定30 m × 30 m的柵格單元為元胞，每個元胞代表的土地面積為0.9 km2；根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T201010—2007)，結(jié)合揚(yáng)州市土地利用特征[34-36]，將研究區(qū)劃分為耕地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、交通用地、未利用地8類景觀，因此有8種類型的元胞。元胞空間即城鎮(zhèn)建設(shè)用地可擴(kuò)張空間，根據(jù)景觀安全格局構(gòu)建結(jié)果，設(shè)定基于慣性發(fā)展情景、基本保障情景、最優(yōu)保護(hù)情景下的元胞空間(表2)。

表2 不同模擬情景下的元胞空間

2) 訓(xùn)練與模擬參數(shù)設(shè)定：ANN-CA模型設(shè)置2005年、2013年土地利用變更數(shù)據(jù)為訓(xùn)練初始年數(shù)據(jù)與終止年數(shù)據(jù)，輸入城鎮(zhèn)建設(shè)用地影響因子，并設(shè)置輸入層為17個神經(jīng)元，對應(yīng)8項(xiàng)影響城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張的影響因子、8項(xiàng)鄰域空間內(nèi)的其他景觀類型數(shù)量信息和1個當(dāng)前元胞景觀信息；3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱藏層的神經(jīng)元數(shù)目至少為輸入層神經(jīng)元數(shù)目的2/3，設(shè)定為12；輸出層包括8個輸出項(xiàng)，分別對應(yīng)不同景觀類型的訓(xùn)練概率[36]。由于遍歷所有數(shù)據(jù)耗時較長且難以收斂，需對數(shù)據(jù)做抽樣處理，設(shè)定抽樣比例為5%，其中訓(xùn)練集比例為80%，驗(yàn)證集比例為20%，學(xué)習(xí)速率設(shè)為0.05，迭代次數(shù)達(dá)500次時訓(xùn)練終止[37-38]。根據(jù)《揚(yáng)州市土地利用總體規(guī)劃(2006—2020)》中新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地指標(biāo)，確定2013—2020年新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地4 097.76 hm2，模擬2020年不同情景下的不同元胞空間內(nèi)新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地空間布局。

1.4 基于景觀格局指數(shù)的模擬結(jié)果分析

景觀格局指數(shù)通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型測度區(qū)域景觀格局信息，可高度體現(xiàn)區(qū)域景觀格局信息，充分表達(dá)研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)組成或重建配置情況，景觀水平與景觀類型水平的景觀格局指數(shù)具有重要的生態(tài)意義[39-40]。破碎化、連通性、景觀形態(tài)是區(qū)域主要景觀類型的代表性景觀特征，而景觀多樣性是景觀水平具有重要生態(tài)意義的景觀指數(shù)[41-42]。城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張侵占其他景觀類型空間，改變地表形態(tài)，必然導(dǎo)致景觀類型的破碎度、連通性、形態(tài)發(fā)生變化，造成景觀多樣性發(fā)生變化，進(jìn)而影響生態(tài)過程與功能。其中，景觀破碎化是導(dǎo)致城市生物多樣性喪失的重要原因，耕地、農(nóng)村居民點(diǎn)、城鎮(zhèn)建設(shè)用地等人類生活、生產(chǎn)型的人工景觀破碎化，會導(dǎo)致區(qū)域規(guī)模經(jīng)營受阻，影響社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展。景觀破碎化可通過NP(斑塊數(shù)量)測度，NP越大破碎度越高[39, 43]。景觀連通性是景觀實(shí)現(xiàn)其生態(tài)與生產(chǎn)功能的重要前提，可通過AI(聚集度指數(shù))測度，AI越高連通性越強(qiáng)[39, 44]。景觀形態(tài)越規(guī)則，證明人類改造景觀的力度越強(qiáng)，景觀形態(tài)對不同景觀類型的作用不同；對于林地、水域、草地等生態(tài)型的非人工景觀，其景觀形態(tài)越復(fù)雜，越有利于保護(hù)生境內(nèi)的生物多樣性；但如耕地、農(nóng)村居民點(diǎn)、城鎮(zhèn)建設(shè)用地等人工景觀，景觀形態(tài)越規(guī)則，越有利于大規(guī)模的生產(chǎn)活動。景觀形態(tài)通過LSI(斑塊形狀指數(shù))測度，LSI越小景觀越規(guī)則[39, 45]。景觀多樣性是影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素；研究區(qū)內(nèi)景觀類型越豐富，越有利于基因多樣性的保護(hù)與維持；景觀多樣性可通過SIEI(辛普森多樣性指數(shù))測度，SIEI越大景觀多樣性越強(qiáng)[39, 46]。由于研究區(qū)草地、未利用地面積較小，交通用地為線狀景觀，因此本文僅分析城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、耕地、林地、水域的景觀格局特征。

2 數(shù)據(jù)來源及處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張影響因子中，坡度數(shù)據(jù)取自揚(yáng)州市DEM 圖，距市中心距離、交通通達(dá)度等空間數(shù)據(jù)取自揚(yáng)州市2013年土地利用現(xiàn)狀圖；R&D經(jīng)費(fèi)內(nèi)部支出、土地出讓收入、城鎮(zhèn)人口數(shù)量、固定資產(chǎn)投資額、二三產(chǎn)業(yè)增加值等社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于2006—2014年《揚(yáng)州市統(tǒng)計(jì)年鑒》及各區(qū)(縣、市)統(tǒng)計(jì)年鑒。

2.2 數(shù)據(jù)處理

本文以30 m × 30 m的柵格為基本評價單元，借助ArcGIS10.2構(gòu)造區(qū)域景觀安全格局。城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張影響因子中的空間數(shù)據(jù)通過ArcGIS10.2的空間分析功能得到各柵格的評價指標(biāo)值，社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)以行政村作為數(shù)據(jù)載體，利用克里金線性插值對柵格單元進(jìn)行指標(biāo)賦值。通過GEOSOS插件實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)建設(shè)用地ANN-CA模型的建立、訓(xùn)練與模擬。景觀格局指數(shù)利用FRAGSTATS4.2 測算得到。

3 結(jié)果分析

3.1 研究區(qū)景觀安全格局

景觀安全格局構(gòu)建結(jié)果表明(圖1)，研究區(qū)低景觀安全格局區(qū)面積456 509.07 hm2，占景觀安全格局構(gòu)建區(qū)域總面積的75.76%，是景觀安全格局的“核心區(qū)”，是區(qū)域發(fā)展中不可逾越的生態(tài)底線，應(yīng)嚴(yán)禁城鎮(zhèn)建設(shè)用地開發(fā)等對景觀生態(tài)破壞的人類活動。中景觀安全格局區(qū)面積113 765.72 hm2，占景觀安全格局構(gòu)建區(qū)域總面積的18.88%，是包圍在低安全水平區(qū)外的“緩沖區(qū)”，具有較為豐富的景觀生態(tài)服務(wù)功能，生態(tài)系統(tǒng)干擾后恢復(fù)期較短、抗干擾能力較強(qiáng)，需限制城鎮(zhèn)建設(shè)用地開發(fā)活動。高景觀安全格局區(qū)面積32 297.90 hm2，占景觀安全格局構(gòu)建區(qū)域總面積的5.36%，保障了最豐富的景觀生態(tài)服務(wù)功能；域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力最強(qiáng)，能長期保持穩(wěn)定、健康，可宜時宜地的進(jìn)行城鎮(zhèn)建設(shè)用地開發(fā)。

圖1 揚(yáng)州市景觀安全格局

3.2 研究區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張多情景模擬

根據(jù)輸入數(shù)據(jù)與參數(shù)開展訓(xùn)練，迭代30次時，模擬精度達(dá)74.38%，滿足訓(xùn)練精度要求[37]。迭代次數(shù)達(dá)500時，訓(xùn)練終止，輸出各景觀類型轉(zhuǎn)換概率(圖2)?；谟?xùn)練結(jié)果，輸入不同情景條件下的元胞空間，得到研究區(qū)2013—2020年3種城鎮(zhèn)建設(shè)用地模擬配置結(jié)果。

圖2 ANN-CA模型訓(xùn)練收斂圖

3.2.1 不同情景下新增占用其他景觀規(guī)模分析 慣性發(fā)展情景下(表3)，2020年模擬新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地以布局在低景觀安全格局區(qū)為主，占擴(kuò)張總量的59.51%，僅31.55%、8.94% 位于中、高景觀安全格局區(qū)域。城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張占用其他景觀類型面積由多到少依次為農(nóng)村居民點(diǎn)、水域、交通用地、耕地、林地、草地、未利用地，一定程度上推動了農(nóng)村居民點(diǎn)整理，但對研究區(qū)糧食安全造成極大威脅，具有重要生態(tài)服務(wù)價值的景觀被城鎮(zhèn)建設(shè)用地大量占用，對防洪安全、生物保護(hù)安全、游憩安全造成極大影響，不利于境內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的維護(hù)與發(fā)展。

基本保障情景下，2020年模擬新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地以布局在中景觀安全格局為主，占擴(kuò)張總量的68.64%，與慣性發(fā)展情景相比，高景觀安全格局內(nèi)的新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地占比增至31.36%，有利于減少人類活動對生態(tài)源地的影響。城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張占用其他景觀類型規(guī)模由多到少依次為農(nóng)村居民點(diǎn)、耕地、交通用地、水域、林地、草地、未利用地。城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張占用水域比例為12.34%，比慣性發(fā)展情景減少了25.68%，林地被占用比例降低了0.74%，有利于減少人類活動對生態(tài)敏感區(qū)的影響。

最優(yōu)保護(hù)情景下，2020年城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張占用其他景觀類型的規(guī)模由高到低依次為農(nóng)村居民點(diǎn)、耕地、交通用地、水域、林地、未利用地、草地。與慣性發(fā)展情景、基本保障情景相比，農(nóng)村居民點(diǎn)依舊是城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張的主要供給來源，有利推進(jìn)城鎮(zhèn)化進(jìn)程、統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展。擴(kuò)張占用耕地規(guī)模為總量的18.15%，但集中于高安全格局區(qū)，對糧食安全影響較小。與慣性發(fā)展情景、基本保障情景相比，擴(kuò)張占用水域比例降低了30.91%、5.23%，占用林地比例降低了1.41%、0.67%，可極大保障區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)展。由于未利用地、草地面積相對較少，交通運(yùn)輸用地分布較為均勻，因此城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張占用這3種景觀的規(guī)模在不同情景模擬中差距不大。

表3 不同情景模擬下研究區(qū)2020年城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張占用其他景觀規(guī)模(hm2)

3.2.2 不同情景下的景觀格局分析 慣性發(fā)展情景下，2020年各景觀指數(shù)與2013年相比(表4)，景觀多樣性下降，不利于生物多樣性保護(hù)。城鎮(zhèn)建設(shè)用地與農(nóng)村居民點(diǎn)均表現(xiàn)為NP減少，LSI降低，AI增加，有利于城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)村居民點(diǎn)整理。耕地NP增加，LSI變高，AI下降，不利于耕地機(jī)械化生產(chǎn)，影響糧食產(chǎn)量。林地NP略有升高，LSI略有增加，AI降低，極易導(dǎo)致生物多樣性喪失。水域景觀的NP增加，LSI減小，AI變化不大，不利于區(qū)域水土保持與生物多樣性保護(hù)。該情境下，雖一定程度上有利于城鄉(xiāng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但影響耕地生產(chǎn)功能，破壞水域、林地等景觀生態(tài)功能。

基本保障情景下，2020年各景觀指數(shù)與2013年相比(表4)，SIEI不變，景觀多樣性未降低，一定程度上避免生物多樣性的繼續(xù)減少，有利于境內(nèi)物種繁衍生存與區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)景觀格局變化趨勢與慣性發(fā)展情景一致，但破碎度更低，規(guī)則化更明顯，連通性更強(qiáng)，更有利于城鄉(xiāng)發(fā)展。耕地景觀格局指數(shù)較2013年變化程度較小，能保障耕地糧食供給功能不繼續(xù)降低。林地各景觀格局指數(shù)變化趨勢與慣性發(fā)展情景一致，但不規(guī)則程度與連通性較后者增強(qiáng)，生態(tài)服務(wù)功能破壞減小。水域不規(guī)則程度與連通性較慣性發(fā)展情景增強(qiáng)，更有利于水域資源的保護(hù)?；颈Ｕ锨榫诚?，一定程度上有利于城鄉(xiāng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對非人工景觀的破壞程度較慣性發(fā)展情景降低。

最優(yōu)保護(hù)情景下，2020年各景觀指數(shù)與2013年相比(表4)，SIEI未有明顯變化，區(qū)域景觀多樣性得到保護(hù)。城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)景觀格局變化趨勢較另外兩種情景更明顯，表現(xiàn)為破碎度最低，規(guī)則化最強(qiáng)，連通性最高，更有利于社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展。耕地NP降低，LSI變小，AI未減少，耕地景觀的供給服務(wù)功能得到優(yōu)化。林地NP降低，LSI增加幅度較大，AI降低幅度較小，保證林地景觀生態(tài)服務(wù)功能不持續(xù)減弱，有利于生境內(nèi)部生態(tài)環(huán)境的改善與生物多樣性的增加。水域NP減少，LSI略有降低，AI增加，各景觀特征與慣性發(fā)展和基本保障情景相比，均有利于水域景觀生態(tài)服務(wù)功能的維護(hù)。因此，較慣性發(fā)展情景和基本保障情景，最優(yōu)保護(hù)情景下更有利于區(qū)域社會、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)發(fā)展。

表4 不同情景模擬下研究區(qū)2020年的景觀格局指數(shù)

慣性發(fā)展情景下，城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張不受景觀安全格局約束，可拓展空間充足，但對生態(tài)安全造成嚴(yán)重的不利影響；應(yīng)適當(dāng)規(guī)劃生態(tài)與自然保護(hù)區(qū)，合理布局防洪、防澇等基礎(chǔ)設(shè)施，嚴(yán)格劃定永久性基本農(nóng)田，嚴(yán)禁建設(shè)占用；優(yōu)先滿足第三產(chǎn)業(yè)、對生態(tài)環(huán)境擾動較小的第二產(chǎn)業(yè)用地需求，增強(qiáng)土地集約化水平，避免城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張對生態(tài)環(huán)境造成不可逆影響?；颈Ｕ锨榫跋?，城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張受生態(tài)底線約束，可拓展空間有限，保障了生態(tài)系統(tǒng)的基本安全；應(yīng)充分發(fā)揮景觀安全格局的生態(tài)底線功能，融合糧食安全、防洪、生物保護(hù)、游憩景觀安全格局的生態(tài)隔離作用，引導(dǎo)城鎮(zhèn)建設(shè)用地合理開發(fā)與布局；加快經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，降低對城鎮(zhèn)建設(shè)用地規(guī)模經(jīng)濟(jì)的依賴，減少對生態(tài)系統(tǒng)的破壞。最優(yōu)保護(hù)情景下，城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張以生態(tài)安全為優(yōu)先，生態(tài)環(huán)境得到較好保護(hù)，但城鎮(zhèn)建設(shè)用地可拓展空間較小，占用耕地規(guī)模較高；可通過盤活存量建設(shè)用地、增加單位土地投入、升級科學(xué)技術(shù)水平等方式提高土地集約利用水平，同時依托“占補(bǔ)平衡”“增減掛鉤”等政策，加強(qiáng)耕地保護(hù)力度，避免糧食安全受損。對比分析表明，最優(yōu)保護(hù)情景城鎮(zhèn)建設(shè)用地分布、占用其他景觀規(guī)模、區(qū)域景觀格局變化等均優(yōu)于基本保障情景，而慣性發(fā)展情景最差。因此，政府應(yīng)充分考慮本區(qū)域內(nèi)的社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)條件，避免采用慣性發(fā)展情景，選擇性實(shí)施基本保障情景，盡可能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)保護(hù)情景。

4 結(jié)論

本文以揚(yáng)州市為例，以2005年、2013年土地利用變更數(shù)據(jù)為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，基于景觀安全格局劃定不同情景的元胞空間，結(jié)合供求理論挑選城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張影響因子，借助ANN-CA模型進(jìn)行多情景的城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張模擬，并利用城鎮(zhèn)建設(shè)用地轉(zhuǎn)移矩陣與景觀格局指數(shù)分析2013—2020年的模擬結(jié)果，研究結(jié)果表明：

1) 不同情景下的城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張占用其他景觀規(guī)模分析結(jié)果表明：①慣性發(fā)展情景下，模擬新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地以布局在低景觀安全格局區(qū)為主，占用農(nóng)村居民點(diǎn)占新增總量的最多，占用耕地、水域、林地較高，對研究區(qū)景觀生態(tài)安全造成極大危害；②基本保障情景下，模擬新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地以布局在中景觀安全格局為主，占用水域、林地規(guī)模比慣性發(fā)展情景減少了25.68% 與0.74%，有利于減少人類活動對生態(tài)敏感區(qū)的影響；③最優(yōu)保護(hù)情景與慣性發(fā)展情景、基本保障情景相比，占用水域比例較慣性發(fā)展情景、基本保障情景降低了30.91%、5.23%，占用林地比例降低了1.41%、0.67%，極大保障了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)展。

2) 不同情景下2020年的區(qū)域景觀格局與2013年相比存在差異：①慣性發(fā)展情景下，景觀多樣性下降，城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)景觀格局有利于促進(jìn)城鎮(zhèn)化發(fā)展，耕地景觀格局變化不利于耕地機(jī)械化生產(chǎn)，林地、水域的景觀格局變化影響其生態(tài)服務(wù)功能；②基本保障情景下，景觀多樣性未降低，一定程度上有利于城鄉(xiāng)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對非人工景觀的破壞程度較慣性發(fā)展情景降低；③最優(yōu)保護(hù)情景下，景觀多樣性未降低，較另外兩種情景，更有利于區(qū)域社會、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)發(fā)展。

3) 慣性發(fā)展情景下，應(yīng)適當(dāng)規(guī)劃生態(tài)與自然保護(hù)區(qū)，合理布局防洪、防澇等基礎(chǔ)設(shè)施，嚴(yán)格劃定永久性基本農(nóng)田，嚴(yán)禁建設(shè)占用；優(yōu)先滿足第三產(chǎn)業(yè)及對生態(tài)環(huán)境擾動較小的第二產(chǎn)業(yè)用地需求，增強(qiáng)土地集約化水平，避免城鎮(zhèn)建設(shè)用地擴(kuò)張對生態(tài)環(huán)境造成不可逆影響?；颈Ｕ锨榫跋?，應(yīng)充分發(fā)揮景觀安全格局的生態(tài)底線功能，融合防洪、水土保持、生物保護(hù)、游憩景觀安全格局的生態(tài)隔離作用，引導(dǎo)城鎮(zhèn)建設(shè)用地合理開發(fā)與布局；加快經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，降低對城鎮(zhèn)建設(shè)用地規(guī)模經(jīng)濟(jì)的依賴，減少對生態(tài)系統(tǒng)的破壞。最優(yōu)保護(hù)情景下，可通過盤活存量建設(shè)用地挖潛、增加單位土地投入、升級科學(xué)技術(shù)水平等方式提高土地集約利用水平，同時加強(qiáng)耕地保護(hù)力度，避免糧食安全受損。政府應(yīng)充分考慮本區(qū)域內(nèi)的社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)條件，避免采用慣性發(fā)展情景，選擇性實(shí)施基本保障情景，盡可能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)保護(hù)情景。

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Multi-scenario Simulation of Urban Construction Land Expansion Based on Landscape Security Pattern—— A Case of Yangzhou City

MENG Lin1, GUO Jie1,2,3, OU Minghao1,2,3*, Li Kunpeng4

(1 College of Land Management, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2 Center of Urban- rural Joint Development and Land Management Innovation, Nanjing 210095, China; 3 State and Local Joint Engi-neering Research Center of Rural Land Resources Utilization and Consolidation, Nanjing 210095, China; 4 Shunjing Community Committee of Daming Lake Street, Jinan 250011, China)

Multi-scenario simulating the expansion of urban construction land is beneficial to the realization of the optimal allocation of land resources and the sustainable development of the region. Taking Yangzhou City as an example, taking the land use change datum of 2005 and 2013 year as training datum, this paper simulates the expansion trend of urban construction land based on ANN-CA model, analyzes the advantages and disadvantages of each simulated scenario by using land transfer matrix for urban construction and landscape pattern index of 2013—2020 year. The results indicate: 1) The scales of other landscape occupied by the expansion of urban construction are different in different scenarios, but rural settlement is occupied most in each scenario. In the inertial development scenario, the new urban construction land is mainly clustered in the region with low landscape security pattern, and occupies more arable land, waters and woodland. In the basic security scenario, the new urban construction land is mainly distributed in the region with middle landscape security pattern. Compared to the inertial development scenario, it occupies more arable land but less waters and woodland. The optimal protection scenario occupies more arable land but less waters and woodland compared with the inertial development scenario and the basic security scenario, but mainly concentrates in the region with high landscape security pattern. 2) Landscape patterns are different in the three scenarios. In the inertial development scenario, landscape pattern change is conducive to the development of urbanization, but adverse to the mechanized production of arable land and the ecological service functions of woodland and waters. In the basic security scenario, landscape pattern change is beneficial to the social and economic development of urban and rural areas to a certain extent, and damages less to waters and woodland than the inertial development scenario. In the optimal protection scenario, landscape pattern change is more conducive to the regional social, economic and ecological development. 3) In the inertial development scenario, the ecological infrastructure should be planned properly and the permanent basic farmland should be delimited strictly. In the basic security scenario, the government should give full play to the ecological bottom line function of the landscape security pattern and guide the rational development and layout of the urban construction land. In optimal protection scenario, the government should improve the level of intensive land use by exploitering the stock construction land and so on.

Urban construction land; Landscape security pattern; ANN-CA model; Multi-scenario simulation

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71774086；71774085)，江蘇高校哲學(xué)社會科學(xué)優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2015ZSTD004)和江蘇省普通高校學(xué)術(shù)學(xué)位研究生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYLX15_0540)資助。

(mhou@njau.edu.cn)

孟霖(1988—)，女，山東濟(jì)南人，博士研究生，主要研究方向?yàn)橥恋乩靡?guī)劃與管理。E-mail: 465545167@qq.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.05.024

F301.2

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