基于Markov-DLS模型的江西省多情景下土地利用時空演變分析

田益多, 梅 昀, 陳銀蓉

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

改革開放以來，中國社會經(jīng)濟(jì)和自然生態(tài)環(huán)境長期處于非均衡發(fā)展?fàn)顟B(tài)，快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展伴隨嚴(yán)重的環(huán)境問題[1-2]。為了實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展，確保在經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)發(fā)展的同時維持生態(tài)空間安全，科學(xué)、合理優(yōu)化空間開發(fā)保護(hù)格局以減小土地利用的劇烈變化帶來的消極影響。政府的十八大、十九大將優(yōu)化國土空間開發(fā)格局作為生態(tài)文明建設(shè)的重要抓手，提出了要像“對待生命一樣對待對待生態(tài)環(huán)境”?？梢姡诋?dāng)前生態(tài)文明建設(shè)上升為國家戰(zhàn)略及嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護(hù)背景下，如何科學(xué)合理地優(yōu)化國土空間開發(fā)格局，維護(hù)生態(tài)空間的穩(wěn)定性，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

優(yōu)化國土空間開發(fā)格局，維護(hù)生態(tài)空間的穩(wěn)定性首先要在以城鎮(zhèn)擴(kuò)張為主導(dǎo)的土地利用變化過程中減少林地、草地和水域等主要生態(tài)用地的占用，從根本上維護(hù)生態(tài)空間的穩(wěn)定性[3-4]。中國許多城市在城鎮(zhèn)化的發(fā)展道路上出現(xiàn)了建設(shè)用地侵占耕地和林地等其他土地類型的現(xiàn)象。隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，中國的耕地保護(hù)政策措施也越來越嚴(yán)格，被建設(shè)用地侵占的耕地數(shù)量通常會得到對應(yīng)的補(bǔ)償[5]。在這樣的背景下，生態(tài)用地成為了城鎮(zhèn)擴(kuò)張過程中最大損失者。合理調(diào)控城鎮(zhèn)空間擴(kuò)張，優(yōu)化國土空間開發(fā)利用格局，維護(hù)生態(tài)空間安全一直是土地利用變化研究中的熱點(diǎn)問題。而如何在用地需求基礎(chǔ)上結(jié)合區(qū)域自然地理和社會經(jīng)濟(jì)條件以及各項政策要求，合理安排不同土地利用類型的空間配置，從而優(yōu)化國土空間開發(fā)利用格局則是研究的重點(diǎn)。

數(shù)量結(jié)構(gòu)預(yù)測和空間布局分析一直是土地利用變化研究的兩大主題。在當(dāng)前土地利用變化研究中，主要聚焦于在預(yù)期社會經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)動下，對傳統(tǒng)土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)的再分配和空間格局的重塑。包括不同時空尺度下的動態(tài)模擬和預(yù)測[6-9]，以及基于社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和制度等角度的研究。同時研究模型方法豐富，常用的土地利用需求預(yù)測模型有馬爾科夫(Markov)[10-12]、系統(tǒng)動力學(xué)(system dynamics，SD)[13-15]、灰色預(yù)測模型(grey model，GM)[16]、可計算一般均衡模型(computable general equilibrium of land use change，CGELUC)等[17-18]。常用的土地空間布局模擬模型有元胞自動機(jī)(cellular automata，CA)[10,12,19]、多智能體模型(agent based model，ABM)[20-21]、小尺度土地利用變化及其空間效應(yīng)模型(conversion of land use and its effects at small region extent，CLUE-S)[22-24]和土地系統(tǒng)動態(tài)模擬模型(dynamics of land system，DLS)等[17-18,25]。不同的模型方法通常具有各自的適用性和特點(diǎn)，土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測方面，Markov方法對無后效性地理事件模擬較好，且擅長預(yù)測短期土地利用數(shù)量變化[26-27]。元胞自動機(jī)馬爾可夫模型[28]結(jié)合了元胞自動機(jī)(CA)模型模擬復(fù)雜系統(tǒng)空間變化的能力和馬爾可夫模型的長期預(yù)測；在空間布局模擬方面，DLS模型與CLUE-S方法類似，分析社會經(jīng)濟(jì)條件和自然地理條件的綜合影響，并充分考慮政策因素對空間布局的作用，具有全面性和合理性等優(yōu)點(diǎn)，而DLS模型相對CLUE-S模型更簡潔，操作方便[29]。此外，二者對土地利用進(jìn)行空間配置過程中一個關(guān)鍵因素是土地利用轉(zhuǎn)移規(guī)則，其大小通常是研究人員根據(jù)研究內(nèi)容和一般經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)試設(shè)置[25,30]。

在全球范圍內(nèi)，社會經(jīng)濟(jì)和政治成分被認(rèn)為是影響土地利用變化的主要因素[31]。在不同的發(fā)展階段中，基于不同目標(biāo)下的經(jīng)濟(jì)活動和發(fā)展政策對具有不同功能的土地利用需求是有差異的。土地利用按照功能可劃分為生產(chǎn)用地、生活用地和生態(tài)用地三大類，即“三生用地”。生產(chǎn)用地是指進(jìn)行農(nóng)業(yè)、工業(yè)和商業(yè)活動獲取產(chǎn)品和供給功能的用地[32]，即作為直接獲取的勞作對象或載體的土地，具有原材料生產(chǎn)功能、能源礦產(chǎn)生產(chǎn)功能、生存與健康物質(zhì)供給功能及間接生產(chǎn)功能。生活用地是提供承載和物質(zhì)、精神保障人居功能的用地，而生態(tài)用地則是以調(diào)節(jié)、維持和保障生態(tài)安全功能為主的用地[32]。生態(tài)、生產(chǎn)、生活用地三者之間相互影響，相互制約，不可分割。具體體現(xiàn)在：①生態(tài)用地是基礎(chǔ)，為其他兩者提供保障；②生產(chǎn)用地是根本，對其他兩者的存在狀態(tài)起著決定性作用；③而優(yōu)化三者之間的空間、數(shù)量關(guān)系的最終目的是使生活用地得到優(yōu)化從而提高生活質(zhì)量。在當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護(hù)日趨重要的背景下，具有更高生態(tài)功能的土地利用類型成為了國土空間生態(tài)保護(hù)的重點(diǎn)對象，在土地利用變化過程中應(yīng)具有更高的穩(wěn)定性。目前土地利用結(jié)構(gòu)變化和空間格局優(yōu)化相關(guān)模型研究則較少能反映出土地利用變化過程中的政策差異的影響。

基于上述內(nèi)容，本文采用Markov-DLS模型，綜合考慮不同土地利用生產(chǎn)、生活和生態(tài)功能差異，并結(jié)合區(qū)域發(fā)展的可能性趨勢，以城市發(fā)展，耕地保護(hù)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)“三元”關(guān)系為依據(jù)，設(shè)置均衡發(fā)展，糧食安全和生態(tài)優(yōu)先等3種政策情景，討論不同政策情景下區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)和空間格局變化差異，從而為區(qū)域國土空間優(yōu)化利用和生態(tài)文明建設(shè)提供決策支持。

江西省是中國主要糧食生產(chǎn)大省之一，同時具有大量的森林和湖泊資源，生態(tài)功能潛力巨大。近年來，快速城鎮(zhèn)化導(dǎo)致其生態(tài)環(huán)境惡化趨勢加重，面臨生態(tài)空間持續(xù)萎縮，自然災(zāi)害頻發(fā)等現(xiàn)實問題。本文選取江西省作為研究區(qū)域，分析江西省未來一定時期不同情景下國土空間結(jié)構(gòu)和格局變化特征，有效識別其土地利用變化熱點(diǎn)區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)，提出空間格局優(yōu)化建議，從而為江西省國土空間規(guī)劃和生態(tài)文明建設(shè)提供決策支持。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

江西省位于中國長江中下游南岸地區(qū)，省域97.7%的面積屬于長江流域，東接浙江、福建，南連廣東，西靠湖南，北臨湖北、安徽而共襄長江。省內(nèi)東、西、南三面環(huán)山，中間為鄱陽湖平原(圖1)。全省自然生態(tài)資源豐富，其中森林覆蓋率高達(dá)63.1%，水資源比較豐富，境內(nèi)河流、湖泊眾多，具有極高的生態(tài)功能潛力。全省2019年耕地3.00×106hm2，林地1.08×107hm2，建設(shè)用地1.20×106hm2。2019年全省常住人口4.67×107人，其中，城鎮(zhèn)常住人口2.68×107人，占總?cè)丝诘谋壤?常住人口城鎮(zhèn)化率)為57.4%。戶籍人口城鎮(zhèn)化率為40.7 %。此外，江西省也是中國重要的產(chǎn)糧大省，2019年糧食產(chǎn)量達(dá)2.16×1010kg，連續(xù)7 a穩(wěn)定在2.15×1010kg以上，是保障糧食安全的“穩(wěn)定器”。除了極其豐富的生態(tài)資源和優(yōu)越的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，江西省近年來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展也極其迅速。2019年江西省生產(chǎn)總值2.48×1012元，比上年增長8.0%，增長率居全國第4，中部第1。然而隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人口的增加和城鎮(zhèn)的擴(kuò)張導(dǎo)致了建設(shè)用地不斷侵占周邊耕地、林地、草地和水域等，生態(tài)空間用地不斷縮減(表1)，從而造成生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和功能的持續(xù)下降，使得江西省保障糧食生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的壓力持續(xù)增加，這樣的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展是不可持續(xù)的。

表1 2005-2015年江西省土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)和變化趨勢

圖1 江西省地形圖

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

所涉及的數(shù)據(jù)主要包含自然地理信息數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)兩大部分。根據(jù)已有土地利用變化的相關(guān)研究和數(shù)據(jù)的可獲取性，本文選取的自然地理信息數(shù)據(jù)包含土地利用、高程DEM、坡度、土壤侵蝕、土壤質(zhì)地、氣溫、降水、河流等；社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要包括單位面積國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)、人口和道路分布等[30,33-34]。其中，所有數(shù)據(jù)均處理為1 km×1 km的柵格數(shù)據(jù)，部分不符合標(biāo)準(zhǔn)的柵格數(shù)據(jù)通過ArcGIS進(jìn)行重采樣處理。坡度數(shù)據(jù)通過ArcGIS空間分析獲得，距離河流距離、距離主要道路距離數(shù)據(jù)均通過多環(huán)緩沖區(qū)分析獲得。初始土地利用數(shù)據(jù)包括二級分類，為了便于后續(xù)研究，通過重分類將其整理為以耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地為主分類形式。建設(shè)用地整體精度85%以上，其他精度75%以上。土地利用空間格局模擬過程中需將土地利用數(shù)據(jù)和各驅(qū)動因子數(shù)據(jù)(高程DEM、坡度、土壤侵蝕、土壤質(zhì)地、降水、距離河流距離、國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)、人口、距離主要道路距離)采樣為ASCII格式。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要有國土空間數(shù)量結(jié)構(gòu)的土地利用數(shù)據(jù)和模擬土地空間布局的驅(qū)動因子數(shù)據(jù)，詳細(xì)信息見表2。

表2 數(shù)據(jù)來源與格式

1.3 研究方法

本文主要采用Markov-DLS綜合模型對江西省2030年國土空間土地數(shù)量結(jié)構(gòu)預(yù)測和空間布局模擬。

1.3.1 土地利用數(shù)量變化預(yù)測方法 馬爾科夫(Markov)模型是當(dāng)前土地利用變化研究中常用的模型之一，因其簡單、有效常被用來模擬土地利用規(guī)模的變化。Markov模型主要通過分析初始土地利用狀態(tài)下的轉(zhuǎn)移矩陣和轉(zhuǎn)移概率，由此來推測后續(xù)土地利用的變化趨勢[10]。該模型的公式可寫成：

S(t+1)=Wn×S(t)

(1)

式中：S(t+1)，S(t)為t+1和t時期土地利用狀態(tài);W為土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣;n為時間間隔。另外,用W0代表初期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,該矩陣一般可通過兩期歷史土地利用數(shù)據(jù)獲得。

由于Markov模型在短期模擬預(yù)測精度較優(yōu)，本文將時間間隔設(shè)置為5 a，即將2005年與2010年設(shè)為初始土地利用狀態(tài)，預(yù)測2015年土地利用狀態(tài)，并將2015年實際土地利用與之對比檢驗。通過檢驗后的轉(zhuǎn)移概率矩陣逐步預(yù)測2030年多情景下土地利用狀態(tài)。

(2)

(3)

通過柵格尺度用地類型分布驅(qū)動非線性模型可以得出區(qū)域不同土地利用類型的空間分布概率[29]，在區(qū)域土地利用轉(zhuǎn)換規(guī)則和土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)約束下可進(jìn)行土地利用空間供需平衡分析，最終得出區(qū)域土地利用的空間格局。

2 不同情景設(shè)置及土地利用轉(zhuǎn)換規(guī)則

2.1 不同情景設(shè)定

基于江西省的實際情況和國家政策導(dǎo)向，城市發(fā)展、生態(tài)保護(hù)和糧食安全是江西省未來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中需考慮的主要因素。本文從社會經(jīng)濟(jì)等角度出發(fā)，綜合考慮設(shè)置江西省2030年土地利用變化的糧食安全情景、生態(tài)保護(hù)情景和均衡發(fā)展情景這3種情景假設(shè)。糧食安全情景主要基于耕地保護(hù)政策和“宜耕則耕”原則，結(jié)合江西省是中國重要的糧食生產(chǎn)基地這一實際情況，從耕地數(shù)量和質(zhì)量的“雙保障”出發(fā)對土地利用變化模擬預(yù)測進(jìn)行約束。在此情景下，未來土地利用變化首先滿足耕地需求，耕地保護(hù)政策對于影響土地利用變化的權(quán)重將高于城鎮(zhèn)化和生態(tài)保護(hù)政策；生態(tài)優(yōu)先情景主要按照持續(xù)發(fā)展的要求，立足于當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)需要，以土地作為自然資源的本質(zhì)屬性及其功能為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)林地、草地和水域等土地利用類型對于生態(tài)保護(hù)的重要性。在此情景下，生態(tài)用地將得到最大程度的保護(hù)；均衡發(fā)展情景一方面是基于平等競爭原則，另一方面是作為前兩種情景的對照組，將經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中城市、農(nóng)業(yè)和生態(tài)等相關(guān)政策條件置于統(tǒng)一權(quán)重下，各項政策對土地利用變化的影響整體通過現(xiàn)狀土地利用變化進(jìn)行反饋，即均衡發(fā)展情景是以當(dāng)前的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢來推測未來土地利用變化，從一般性出發(fā)設(shè)置模型參數(shù)進(jìn)行土地利用變化模擬預(yù)測。

2.2 多情景下土地利用轉(zhuǎn)移條件

土地利用發(fā)生轉(zhuǎn)移的條件基于不同發(fā)展情景而具有較大差異。某一情景下土地利用轉(zhuǎn)移首先基于各類土地利用的需求，當(dāng)某類用地類型需求未滿足時，其他所有可能發(fā)生轉(zhuǎn)移的用地類型均能向該類土地發(fā)生轉(zhuǎn)移，其次在土地利用轉(zhuǎn)移過程中模型通過相關(guān)驅(qū)動因子的影響確定發(fā)生土地轉(zhuǎn)移的具體空間位置。具體而言，糧食安全情景假設(shè)政府嚴(yán)格執(zhí)行耕地保護(hù)政策，包括占用耕地補(bǔ)償制度、永久基本農(nóng)田保護(hù)制度以及土地整理制度，堅守“嚴(yán)保嚴(yán)管、節(jié)約優(yōu)先、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、改革創(chuàng)新”原則的情形下，在初始轉(zhuǎn)移概率基礎(chǔ)上，耕地向其他土地利用類型的轉(zhuǎn)移概率整體下降，其他用地向耕地轉(zhuǎn)移情況不變；生態(tài)優(yōu)先情景條件為依照劃定的生態(tài)保紅線，通過生態(tài)退耕，生態(tài)空間管控、治理和修復(fù)等政策的進(jìn)一步實施，并嚴(yán)格限制城鎮(zhèn)空間占用生態(tài)用地，在初始轉(zhuǎn)移概率基礎(chǔ)上，林地、草地、水域和未利用地等生態(tài)空間用地向耕地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移概率整體降低，耕地向林地、草地、水域和未利用地的轉(zhuǎn)移狀況保持不變；均衡發(fā)展情景是在當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城鎮(zhèn)建設(shè)和生態(tài)保護(hù)發(fā)展條件不變下，基于初始土地利用轉(zhuǎn)移概率矩陣，通過模型迭代分析直接得出耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地的規(guī)模。在確定各情景下土地利用的需求后，在驅(qū)動因子影響下通過模型對每一類土地利用類型進(jìn)行空間配置。

2.3 不同情景下土地利用轉(zhuǎn)換規(guī)則

當(dāng)前土地利用轉(zhuǎn)換規(guī)則并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，大都是基于研究者的經(jīng)驗和研究內(nèi)容進(jìn)行的主觀設(shè)置。轉(zhuǎn)移規(guī)則默認(rèn)設(shè)置在[0，1]之間，0代表著該類型土地基本不能發(fā)生轉(zhuǎn)移，1代表著該類型全部柵格可以發(fā)生轉(zhuǎn)移，0到1之間由小到大表示轉(zhuǎn)移難度由大變小。本文主要參考劉繼來等[36]建立的三生用地分類與評價體系，該體系基于土地利用二級分類國家標(biāo)準(zhǔn)和“自下而上，功能分級”原則，可為空間分類規(guī)劃和優(yōu)化決策提供參考，并結(jié)合江西省實際情況對其進(jìn)行歸納總結(jié)，得出不同土地一級分類的生產(chǎn)(農(nóng)業(yè))、生活和生態(tài)功能評分(表3)，從而對不同情景下土地轉(zhuǎn)移規(guī)則設(shè)置提供參考。土地利用某類功能越強(qiáng)，其在對應(yīng)的情景政策下發(fā)生轉(zhuǎn)移的難度越大，例如在糧食安全情景下，生產(chǎn)功能評分高的耕地其轉(zhuǎn)移難度最大，轉(zhuǎn)移規(guī)則設(shè)置應(yīng)接近0。此外，對于建設(shè)用地等特殊的土地利用類型，借鑒已有研究和一般經(jīng)驗對其轉(zhuǎn)移規(guī)則進(jìn)行特殊化處理。

表3 江西省土地利用“三生”功能評分

在借鑒已有研究經(jīng)驗基礎(chǔ)上[25,36-37]，均衡發(fā)展情景綜合考慮土地利用的生產(chǎn)、生活和生態(tài)功能，并結(jié)合當(dāng)前土地利用變化實際情況，即建設(shè)用地主要占用周邊耕地、林地、草地和未利用地進(jìn)行擴(kuò)張，因而耕地、林地、草地和未利用地發(fā)生轉(zhuǎn)移的可能性較高，而建設(shè)用地和開發(fā)難度較大的水域狀態(tài)相對穩(wěn)定，其發(fā)生轉(zhuǎn)移的可能性則較低。糧食安全情景在均衡發(fā)展情景基礎(chǔ)上優(yōu)先考慮耕地保護(hù)，因此具有最高糧食生產(chǎn)功能的耕地其轉(zhuǎn)移難度將變得最大。在此情景下，土地利用變化過程中除建設(shè)用地擴(kuò)張外，耕地擴(kuò)張也具有較大可能性，但綜合考慮耕地的適宜條件，林地和草地在糧食安全情景的轉(zhuǎn)移難度相較于均衡發(fā)展情景將有所上升，而水域的轉(zhuǎn)移難度則有所下降，其他土地利用類型則保持不變。生態(tài)優(yōu)先情景在均衡發(fā)展情景基礎(chǔ)上進(jìn)一步突出了土地利用生態(tài)功能的作用。由表3可知林地、草地、水域和未利用地具有最高生態(tài)功能，耕地次之，建設(shè)用地最小，因此在生態(tài)優(yōu)先情景下，林地、草地、水域和未利用地等發(fā)生轉(zhuǎn)移的難度將高于其他兩類情景，耕地的轉(zhuǎn)移難度將大于均衡發(fā)展情景而小于糧食安全情景。結(jié)合土地利用“三生”功能大小和已有研究經(jīng)驗，分別設(shè)置3類發(fā)展情景下土地利用的轉(zhuǎn)換規(guī)則(詳見表4)。最終通過DLS模型分別模擬出不同發(fā)展情景下國土空間土地利用格局。

表4 不同情景下土地利用轉(zhuǎn)移規(guī)則

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 Markov-DLS模型模擬精度分析

在進(jìn)行Markov-DLS模擬預(yù)測2030年土地利用變化前，首先利用2005年和2010年數(shù)據(jù)對2015年土地利用進(jìn)行模擬檢驗(表5)。

表5 江西省2015年Markov-DLS模型土地利用結(jié)構(gòu)預(yù)測精度

由表5可知，2015年Markov模型預(yù)測值與實際值之間的誤差較小，預(yù)測結(jié)果基本符合實際情況(圖2)。

圖2 江西省2015年土地利用現(xiàn)狀實際與模擬

其中耕地、林地、草地和水域面積的預(yù)測精度均在90%以上，建設(shè)用地預(yù)測精度近似90%。未利用地由于基數(shù)較小，預(yù)測精度相對較低，接近80%。此外在空間布局模擬上，對模擬結(jié)果采取kappa指數(shù)進(jìn)行精度驗證。kappa指數(shù)公式為：

(4)

式中：P0為正確模擬的比例;Pc為隨機(jī)情況下期望的正確模擬比例;Pp為理想分類情況下正確模擬的比例。kappa系數(shù)的判定標(biāo)準(zhǔn)為:如果兩土地利用/覆蓋(land use/land cover, LULC)圖像完全一樣,則kappa=1;當(dāng)kappa≥0.75時,表明一致性較高,誤差較小;當(dāng)kappa≤0.4時,一致性較差,LULC模擬誤差較大[26]。DLS模型模擬的2015年各類土地利用布局與實際空間格局的整體精度達(dá)到了96.21%,kappa系數(shù)為92.95%。由此可知,Markov-DLS模型模擬預(yù)測整體精度較高,能滿足下一步研究的需要。

3.2 不同情景下土地利用變化模擬結(jié)果

由模擬預(yù)測結(jié)果(表6)可知，與2015年相比，江西省2030年以耕地為主的生產(chǎn)用地面積僅在糧食安全情景下有所增長，增幅為0.48%，在均衡發(fā)展情景和生態(tài)優(yōu)先情景下分別下降0.66%和0.75%；以建設(shè)用地為主的生活空間面積在2030年3類發(fā)展情景下均處于增長趨勢，其中均衡發(fā)展情景下增幅最大，為1.15%，在糧食安全情景下增幅最小，為1.10%；與生活空間相反，生態(tài)空間占比在3類情景下均處于下降趨勢，但生態(tài)優(yōu)先情景下降幅最小，為-0.36%。其中，林地在3類情景中均處于下降趨勢，且是導(dǎo)致生態(tài)用地整體面積下降的主要因素。江西省2030年3類情景下生活空間不斷擴(kuò)張而生態(tài)空間不斷下降，這表明在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中生態(tài)用地(特別是林地)具有最大的脆弱性，生態(tài)用地最易成為土地利用變化中的被侵占對象。這種國土空間變化趨勢整體與我國當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展階段以及江西省獨(dú)特的自然地理條件相吻合。城鎮(zhèn)化快速發(fā)展在我國中西部地區(qū)仍十分明顯，特別是在長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略驅(qū)動下，中西部地區(qū)迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，同時也導(dǎo)致建設(shè)用地在未來時期仍處于強(qiáng)勢擴(kuò)張階段。

表6 江西省2015年和2030年多情景下土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)

3.3 DLS模型國土空間格局模擬結(jié)果

3.3.1 不同情景下各類用地、三生用地數(shù)量變化特征 國土空間格局是國土空間土地利用結(jié)構(gòu)變化后的空間形態(tài)，本文綜合考慮土地變化驅(qū)動因素，結(jié)合“三生”功能評價設(shè)置不同情景的轉(zhuǎn)換規(guī)則，運(yùn)用DLS模型分別模擬江西省均衡發(fā)展情景、糧食安全和生態(tài)優(yōu)先情景下國土空間格局特征，3類政策情景下，2030年相較于2015年國土空間土地利用數(shù)量變化特征見圖3。

圖3 江西省土地利用數(shù)量變化

由表6和圖3可知，均衡發(fā)展情景、糧食安全情景和生態(tài)優(yōu)先情景在空間格局演變上表現(xiàn)出一致性和差異性特征。一致性表現(xiàn)為城市周邊建設(shè)用地向外圍擴(kuò)張，并呈現(xiàn)出沿長江、贛江、撫河(主要在撫州境內(nèi))、鄱陽湖岸線發(fā)展的空間特征，其重要原因在于江西省多山地丘陵，平原面積小且主要分布在河谷和鄱陽湖平原的自然地理特征，而社會經(jīng)濟(jì)和人口的快速發(fā)展最終導(dǎo)致平原地區(qū)耕地和水域逐漸向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變。同時表明在未來一段時期里，城鎮(zhèn)化發(fā)展仍是江西省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要特征，建設(shè)用地擴(kuò)張是土地利用變化的主要趨勢，而建設(shè)用地向河谷、沖擊和堆積平原地區(qū)耕地和水域擴(kuò)張是其主要發(fā)展方向。局部差異性是不同情景下國土空間土地利用結(jié)構(gòu)和空間格局主要特點(diǎn)所在，反映了3類政策情景對國土空間土地利用的影響。

3.3.2 不同情景下各類用地、三生用地空間變化特征

(1) 均衡發(fā)展情景下，耕地增加主要發(fā)生在九江市、南昌市、宜春市和吉安市，主要沿著鄱陽湖和贛江沿岸地區(qū)集聚和擴(kuò)張。上饒市、撫州市、贛州市等耕地、林地、草地、水域和未利用地變化幅度相對較小，空間格局變化特征并不顯著。城市化和經(jīng)濟(jì)水平發(fā)達(dá)的南昌市和條件優(yōu)越的九江市城鎮(zhèn)空間進(jìn)一步擴(kuò)張的趨勢將更加明顯，這也說明了社會發(fā)展中城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)保護(hù)對國土空間格局變化具有更強(qiáng)的吸引力。此外，該情景下建設(shè)用地占用其他用地的條件相對寬松，其他用地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換的操作難度較小，這也導(dǎo)致了建設(shè)用地對耕地和林地等土地利用類型的侵占(圖4)。

(2) 糧食安全情景下，耕地的強(qiáng)勢增長導(dǎo)致空間上鄱陽湖水域面積大幅縮減，東南部水域基本轉(zhuǎn)化成了耕地，而其他區(qū)域水域面積僅出現(xiàn)“零星”式增長。鄱陽湖地區(qū)由于“圍湖造田”運(yùn)動曾出現(xiàn)過部分水域轉(zhuǎn)化為耕地的現(xiàn)象，當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中糧食安全情景下鄱陽湖的極端變化雖難以實現(xiàn)，但這種變化具有一定的可能性和合理性。

主要原因在于糧食安全情景下耕地空間得到最大程度的保護(hù)，林地、草地、水域和未利用地向耕地轉(zhuǎn)化的難度變低；其次江西省自然地理條件也是導(dǎo)致耕地向鄱陽湖水域擴(kuò)張的主要驅(qū)動因素之一，主要在于鄱陽湖地區(qū)地勢平坦，水源充足，農(nóng)業(yè)耕作條件十分優(yōu)越，是理想的糧食生產(chǎn)區(qū)。另外，但建設(shè)用地空間集聚性特征進(jìn)一步加強(qiáng)，集聚區(qū)主要分布在九江市鄱陽湖沿岸和長江沿岸，這也導(dǎo)致了江西省其他城市，特別是西南部宜春市、新余市、萍鄉(xiāng)市和吉安市的建設(shè)用地密度有所下降。表明過度強(qiáng)化耕地保護(hù)一方面會迫使耕地占用其他生態(tài)用地，另一方面也會刺激建設(shè)用地對生態(tài)用地的侵占，最終影響生態(tài)空間格局的穩(wěn)定(圖4)。

圖4 江西省2030年3種情景下國土空間格局

(3) 生態(tài)優(yōu)先情景土地空間格局與均衡發(fā)展情景類似，但建設(shè)用地空間集聚性更弱，鄱陽湖北岸水域空間得到了更好的保護(hù)。而與2015年土地利用空間格局相比，生態(tài)優(yōu)先情景下建設(shè)用地以城市為中心，呈環(huán)狀擴(kuò)張的趨勢仍有所加強(qiáng)，如南昌市、吉安市、萍鄉(xiāng)市和九江市，并以“線狀”沿贛江由北向南延伸，而東部和南部山區(qū)的建設(shè)用地密度有所下降。這主要因為城市化持續(xù)發(fā)展，而生態(tài)優(yōu)先情景下生態(tài)用地得到了較好的保護(hù)，建設(shè)用地擴(kuò)張的壓力向耕地和水域轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致耕地和水域集中的河谷和平原地區(qū)建設(shè)用地擴(kuò)張現(xiàn)象明顯，林地和草地豐富的東部、南部以及西部山區(qū)建設(shè)用地比例有所下降。2030年水域空間相較于2015年在鄱陽湖和贛江等大型水域的集聚性有所下降而西部山區(qū)水域的分散性加強(qiáng)，主要是一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的鄱陽湖和贛江等廣闊水域空間由于建設(shè)用地和耕地擴(kuò)張而向中心收縮，水面收縮導(dǎo)致邊緣水域逐漸向沼澤和灘涂等未利用地轉(zhuǎn)變；另一方面山區(qū)林地和草地等生態(tài)空間得到了有效保護(hù)，使其水源的涵養(yǎng)能力得到提升。相較于糧食安全情景，生態(tài)優(yōu)先情景下土地空間格局特征突顯的變化是耕地沒有表現(xiàn)出明顯的“侵略性”，鄱陽湖水域以及周邊山區(qū)林地和草地并未大面積地向耕地轉(zhuǎn)變。同時，建設(shè)用地的擴(kuò)張性也得到了限制，鄱陽湖北部銜接長江的水域以及長江沿岸耕地得到了有效保護(hù)，避免了被建設(shè)用地侵占。整體而言，在3類發(fā)展情景中，生態(tài)優(yōu)先情景下以林地、草地、水域和未利用地為核心的生態(tài)空間得到了有效的保護(hù)，整體面積占比相對最大，下降速度最小，建設(shè)用地的擴(kuò)張得到了有效限制。這表明生態(tài)退耕和限制城鎮(zhèn)無序擴(kuò)張等生態(tài)優(yōu)先政策措施對于江西省保護(hù)生態(tài)用地的數(shù)量，維護(hù)生態(tài)安全格局穩(wěn)定具有積極作用。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

(1) Markov-DLS模型對省級尺度未來土地利用變化預(yù)測模擬方面具有較好的適用性。本文通過歷史土地利用變化數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟(jì)與自然驅(qū)動因子模擬預(yù)測了江西省2015年土地利用結(jié)構(gòu)和格局，其中數(shù)量結(jié)構(gòu)預(yù)測準(zhǔn)確度基本在90%以上，空間布局模擬精度達(dá)到了96%，kappa系數(shù)高達(dá)92%以上，表明該模型適用于短期土地利用變化研究。

(2) 江西省2030年國土空間土地利用結(jié)構(gòu)變化在均衡發(fā)展情景、糧食安全情景和生態(tài)優(yōu)先情景下呈現(xiàn)出明顯的差異性。以耕地為主的生產(chǎn)空間僅在糧食安全情景下有所增長，增幅為0.48%。以建設(shè)用地為主的生活空間在3類情景下均處于增長趨勢，均衡發(fā)展情景下增長最快，增幅高達(dá)1.15%。以林地、草地、水域和未利用地為核心的生態(tài)空間在3類情景中均呈現(xiàn)下降趨勢，在生態(tài)優(yōu)先情景下的占比高達(dá)70.37%，相較于均衡發(fā)展情景和糧食安全情景空間面積損失最小。

(3) 江西省2030年3類發(fā)展情景下國土空間格局呈現(xiàn)出明顯的整體一致性和局部差異性特征。3類發(fā)展情景下江西省東、南、西部山區(qū)林地、草地空間格局相對穩(wěn)定，而建設(shè)用地均呈現(xiàn)出沿江岸線，沿湖岸線通過占用水域及其周邊耕地發(fā)展的趨勢，主要集中在南昌市和宜春市贛江沿岸和九江市鄱陽湖北岸以及長江沿岸區(qū)域，但這種趨勢在生態(tài)優(yōu)先情景下得到了抑制。這在一定程度上揭示了江西省在新一輪快速城鎮(zhèn)化過程中面臨的城鎮(zhèn)發(fā)展，糧食安全和生態(tài)保護(hù)的國土空間“三元博弈”的壓力中心，也表明了生態(tài)優(yōu)先情景政策對于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的積極作用。均衡發(fā)展情景和生態(tài)優(yōu)先情景下耕地和水域空間格局相對穩(wěn)定，而在糧食安全情景下發(fā)生了激烈變化，這種變化主要發(fā)生在江西省耕地和水域集中分布的鄱陽湖平原地區(qū)，其中耕地空間大面積侵占了鄱陽湖東南部水域空間，這中激進(jìn)的變化在一定程度上也反映了江西省山多平原少耕地更少的地理特征和發(fā)展局限性。

4.2 建 議

當(dāng)前，生態(tài)文明建設(shè)和糧食安全是中國的重大國家發(fā)展戰(zhàn)略，科學(xué)預(yù)測和厘清土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)變化和空間格局特征對于實現(xiàn)這一發(fā)展戰(zhàn)略具有重要決策參考價值。根據(jù)本研究結(jié)果，從優(yōu)化江西省國土空間利用和促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)出發(fā)，提出以下兩點(diǎn)討論意見：

(1) 在協(xié)調(diào)發(fā)展城市化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)保護(hù)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化生態(tài)空間保護(hù)和耕地保護(hù)措施，制定合理的土地利用規(guī)劃，科學(xué)劃定“三區(qū)三線”，加強(qiáng)生態(tài)空間管控，從結(jié)構(gòu)和空間上對生產(chǎn)用地、生活用地和生態(tài)用地進(jìn)行嚴(yán)格的雙向約束和管理。

(2) 著重關(guān)注土地利用變化熱點(diǎn)區(qū)域和生態(tài)脆弱區(qū)域，尤其關(guān)注鄱陽湖平原和贛江流域生態(tài)空間安全。江西省基本自然地理特征決定了狹小平原地區(qū)成為土地利用變化頻發(fā)區(qū)，大量城市建設(shè)用地、耕地和水域集中分布在狹小的平原地區(qū)導(dǎo)致城鎮(zhèn)化、耕地保護(hù)和生態(tài)保護(hù)三者之間矛盾集中且劇烈。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注土地利用變化的熱點(diǎn)區(qū)域和生態(tài)脆弱區(qū)，抓住主要矛盾的主要方面，嚴(yán)格控制建設(shè)用增長，提高土地集約節(jié)約利用程度，才能最終實現(xiàn)綠色經(jīng)濟(jì)，實現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)和保障糧食安全。

本文雖然對不同情景下未來土地利用結(jié)構(gòu)和空間格局特征進(jìn)行了研究。但依然存在以下不足之處：本文在多情景土地利用預(yù)測和模擬過程中主要考慮基于歷史時期的土地利用變化結(jié)果并綜合考慮自然—社會經(jīng)濟(jì)等11個驅(qū)動因子的影響，雖然預(yù)測和模擬精度滿足研究需要，但較少考慮現(xiàn)實土地利用規(guī)劃中各類土地利用類型的需求，對地質(zhì)條件等要素的作用也考慮不足。因此，在今后的研究中應(yīng)綜合考慮研究區(qū)的發(fā)展規(guī)劃，以及自然、地質(zhì)、社會經(jīng)濟(jì)等要素的影響，完善數(shù)據(jù)和模型精度，、提升研究結(jié)果的科學(xué)性和適用性。