基于保護(hù)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的縣域城市擴(kuò)展情景分析
——以浙江省安吉縣為例

李海萍,王語(yǔ)萌,杜佳琪

1 中國(guó)人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 北京 100872 2 中國(guó)人民銀行西安分行, 西安 710075

經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)及城市化導(dǎo)致城市建設(shè)用地不斷擴(kuò)張,超大規(guī)模城市用地緊缺和資源供給不足的矛盾日益凸顯。國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014—2020年)中已明確提出優(yōu)化城鎮(zhèn)規(guī)模結(jié)構(gòu),增強(qiáng)中心城市輻射帶動(dòng)功能,加快發(fā)展中小城市,有重點(diǎn)地發(fā)展小城鎮(zhèn),促進(jìn)大中小城市和小城鎮(zhèn)協(xié)調(diào)發(fā)展。不合理的城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)環(huán)境造成威脅,如何協(xié)調(diào)城市發(fā)展和生態(tài)保護(hù)之間的關(guān)系,在保護(hù)生態(tài)的前提下實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,不僅是學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn),也是城鎮(zhèn)化發(fā)展急需解決的問(wèn)題。

由于城市擴(kuò)展和演化過(guò)程十分復(fù)雜,國(guó)內(nèi)外學(xué)者往往通過(guò)模型進(jìn)行模擬,代表性的有美國(guó)社會(huì)學(xué)家提出的伯吉斯同心圓模型、霍伊特提出的扇形模型,1945年提出的多核模型還考慮了城市的多元結(jié)構(gòu)。德國(guó)城市地理學(xué)家提出了著名的中心地理論,描述了影響中心地的市場(chǎng)、交通和行政3個(gè)原則[1]。根據(jù)是否具有時(shí)間維度將城市擴(kuò)展分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種類(lèi)型。靜態(tài)模型以數(shù)理統(tǒng)計(jì)和相互作用為基礎(chǔ),統(tǒng)計(jì)模型通常無(wú)法反映城市形成和發(fā)展中的變化過(guò)程,以空間相互作用為基礎(chǔ)的引力模型由地理學(xué)家Ira S.Lowry于1964年建立,1966年R.A.Grain對(duì)其進(jìn)行了重寫(xiě),增加了經(jīng)濟(jì)方法,之后發(fā)展為格瑞—?jiǎng)诶Ｐ?被認(rèn)為是一個(gè)通用的城市擴(kuò)展模型[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,城市動(dòng)態(tài)模型分化出兩種代表性方向,一是基于微分方程的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,具有仿真功能及“自上而下”的特點(diǎn)；二是離散動(dòng)力學(xué)模型,以分形、主體及元胞自動(dòng)機(jī)等為基礎(chǔ)[3]。元胞自動(dòng)機(jī)(CA)最初由Ulan和Von Neumann提出[4],Clarke等又據(jù)此提出了SLEUTH模型,并對(duì)華盛頓進(jìn)行了模擬[5]；此后,Waddell還提出了UrbanSim模型[6],以居民、開(kāi)發(fā)商、當(dāng)局等為研究對(duì)象,基于城市規(guī)劃、交通需求和政策等綜合條件進(jìn)行城市擴(kuò)展模擬。國(guó)內(nèi)學(xué)者將引入的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行改進(jìn),不僅從局部、區(qū)域及全局約束上對(duì)CA模型及其影響進(jìn)行分析,還將灰度分級(jí)引進(jìn)CA模型,作為連續(xù)變化的反應(yīng)方式,以糾正傳統(tǒng)CA模型的不足[7],其他研究結(jié)果也證明了CA模型適用于我國(guó)的城市發(fā)展特點(diǎn)[8一11]。

SLEUTH模型基于CA模型對(duì)城市演變進(jìn)行模擬,并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行解釋和預(yù)測(cè)[5],被Silva和Clarke證明適用于里斯本和波爾圖,北美以外的應(yīng)用也證明了其普適性[12]。Dietzel和Clarke還采用OSM優(yōu)化指數(shù)進(jìn)行模型校正[13]。目前已應(yīng)用于多個(gè)不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的城市[14一16]。國(guó)內(nèi)學(xué)者也將其用于不同城市的擴(kuò)展預(yù)測(cè)[17一21]并探討了模型參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響[22]。

SLEUTH模型目前主要用于大中城市模擬,對(duì)縣域城市的借鑒意義有限。因此,本研究將以縣域這一中國(guó)基本行政單元為空間尺度,以2000—2030年為時(shí)間尺度,選取兩山理論的發(fā)源地浙江省安吉縣為研究區(qū),以與之毗鄰的安徽省廣德市為對(duì)照,預(yù)置兩縣市現(xiàn)有發(fā)展模式和生態(tài)保護(hù)情景,對(duì)比兩縣市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響,探索平衡城鎮(zhèn)化和生態(tài)保護(hù)、引導(dǎo)生態(tài)優(yōu)先的縣域城鎮(zhèn)化發(fā)展道路,為實(shí)現(xiàn)中國(guó)特色新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略目標(biāo)和生態(tài)文明建設(shè)提供理論參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

安吉縣早在2000年前后就意識(shí)到城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響并率先走上生態(tài)治縣道路,“綠水青山就是金山銀山”就是習(xí)近平考察該縣時(shí)提出的。廣德市位于蘇浙皖交界處,與安吉縣相鄰,具有相似的自然、社會(huì)和基礎(chǔ)條件上的可比性[23],傳統(tǒng)的發(fā)展道路使工業(yè)一直是其支柱產(chǎn)業(yè)。

1.1 數(shù)據(jù)

本研究涉及的數(shù)據(jù)有土地利用、DEM、遙感影像、統(tǒng)計(jì)年鑒和規(guī)劃報(bào)告等。2002年我國(guó)提出了走中國(guó)特色的城鎮(zhèn)化道路,2012年進(jìn)一步明確了走中國(guó)特色新型城鎮(zhèn)化道路,本文據(jù)此確定了五年時(shí)間間隔,選取的2000、2005、2010、2015和2018年5期土地利用數(shù)據(jù)均來(lái)源于地理國(guó)情監(jiān)測(cè)云平臺(tái),2020年數(shù)據(jù)基于2018年更新得到。土地利用分類(lèi)參考中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的中國(guó)土地利用遙感監(jiān)測(cè)分類(lèi)體系中的6個(gè)一級(jí)類(lèi),25個(gè)二級(jí)類(lèi)。30m分辨率DEM及Landsat-5(TM)、Landsat-8(OLI)數(shù)據(jù)來(lái)源于USGS Earth Explorer, 其中,SRTM的DEM為經(jīng)過(guò)處理后的產(chǎn)品,遙感影像的云量均低于10%。矢量道路數(shù)據(jù)主要來(lái)源于開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)站Open Street Map,部分道路基于2000—2015年中國(guó)交通地圖集進(jìn)行了數(shù)字化更新。矢量行政邊界來(lái)源于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖中浙江和安徽省的地理信息中心。統(tǒng)計(jì)指標(biāo)采用反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的人口、GDP、三個(gè)產(chǎn)業(yè)的增加值及社會(huì)消費(fèi)品零售總額等,來(lái)源于統(tǒng)計(jì)年鑒和統(tǒng)計(jì)公報(bào)。

1.2 SLEUTH模型方法

SLEUTH是CA模型中最經(jīng)典的模型之一,由Keith C.Clarke于1997年用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā),由于集成了GIS功能,不僅可進(jìn)行多時(shí)空尺度模擬,精度也高于CLUE-S等方法[24]。通過(guò)調(diào)用城市發(fā)展歷史數(shù)據(jù)并調(diào)整排除圖層和模型參數(shù),可設(shè)置不同政策和發(fā)展條件下建設(shè)用地的未來(lái)發(fā)展情景,其中的增長(zhǎng)模式和土地利用模式既可獨(dú)立運(yùn)行亦可相互結(jié)合,盡管對(duì)經(jīng)濟(jì)和人口等因素的考慮有所欠缺,但本研究重點(diǎn)關(guān)注生態(tài)約束,因此仍可利用模型優(yōu)勢(shì)解釋和預(yù)測(cè)城鎮(zhèn)未來(lái)發(fā)展。

SLEUTH模型以增長(zhǎng)環(huán)為單位進(jìn)行模擬,運(yùn)行原理可看成一系列增長(zhǎng)環(huán)的疊加,將研究區(qū)分為一個(gè)一個(gè)的元胞,分別定義為城市或非城市,模擬時(shí)需對(duì)增長(zhǎng)環(huán)內(nèi)的增長(zhǎng)系數(shù)進(jìn)行初始化,之后在自發(fā)增長(zhǎng)、邊緣增長(zhǎng)、新擴(kuò)展中心增長(zhǎng)和道路影響增長(zhǎng)4種規(guī)則的綜合作用下,元胞種子開(kāi)始發(fā)展,模擬過(guò)程中城市增長(zhǎng)率若超出上下臨界值,則需根據(jù)所設(shè)規(guī)則重新調(diào)整增長(zhǎng)系數(shù),并將最終模擬結(jié)果輸入模型,用于后續(xù)擴(kuò)展模擬。擴(kuò)展系數(shù)、繁殖系數(shù)、蔓延系數(shù)、道路重力系數(shù)和坡度阻抗系數(shù)是影響增長(zhǎng)的五個(gè)參數(shù),可根據(jù)不同的增長(zhǎng)規(guī)則調(diào)整。

1.2.1輸入數(shù)據(jù)集的建立

將地形、坡度及交通作為約束條件,以范圍和分辨率一致的五期圖層作為輸入數(shù)據(jù),因模型要求GIF或8bit-unsigned二值化圖層,故對(duì)各圖層?xùn)鸥窕蠼⑤斎霐?shù)據(jù)集。

(1)坡度圖：坡度作為影響建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的重要因素都會(huì)被納入模型。安吉縣地形復(fù)雜,地貌類(lèi)型多樣,東、西和南部都以山地為主,僅中部為低緩盆地。廣德市南部為低海拔山地,北部為丘陵,中部較平緩,以崗臺(tái)地和平原為主。因此坡度也是影響兩縣市建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的重要因素,從30m DEM中派生出以百分比表示的坡度圖,取整后的值域?yàn)?—100。

(2)道路交通圖：基于矢量化的道路交通圖制作相應(yīng)年份的5期柵格圖層,并將所有道路賦值為1,非道路為0。

(3)排除圖層：將現(xiàn)實(shí)中無(wú)法進(jìn)行建設(shè)的區(qū)域設(shè)置為排除圖層?；叶戎到橛?—100,越接近0,能進(jìn)行建設(shè)的概率越大,反之則不易建設(shè)。以50為模型界限,大于50的區(qū)域不鼓勵(lì)進(jìn)行城市建設(shè),小于50的可進(jìn)行一定程度的建設(shè)。水域通常不適于建設(shè),設(shè)為100。

(4)縣域范圍及城市建設(shè)用地：將5期土地利用中的城鎮(zhèn)用地及其他建設(shè)用地合并為城鎮(zhèn)建設(shè)用地并賦值為1,其余地類(lèi)為0,得到二值化的建設(shè)用地圖層。

(5)地貌暈渲圖：根據(jù)DEM生成地貌暈渲圖以突出山體陰影,此圖層既不參與模型計(jì)算也不影響模擬結(jié)果,僅用作地形參照。

處理后的各輸入數(shù)據(jù)層見(jiàn)圖1。

圖1 安吉縣和廣德市各期的輸入圖層Fig.1 Input layers of Anji and Guangde

統(tǒng)一各圖層坐標(biāo)系和空間參考,經(jīng)掩膜提取使范圍一致。綜合考慮各圖層的分辨率、縣域總面積及城市景觀的平均斑塊面積,最終選取30m×30m柵格大小作為研究的空間尺度。

1.2.2模型校正

SLEUTH 3.0要求Linux運(yùn)行環(huán)境,通過(guò)Cygwin軟件在Windows中虛擬出Linux環(huán)境,以保證模型的高效、穩(wěn)定和安全運(yùn)行。此外,30m分辨率對(duì)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力要求較高,因此采用云服務(wù)器完成運(yùn)算。

模型校準(zhǔn)目的是確定各參數(shù)的最佳數(shù)值[25],模型包括測(cè)試、校正和預(yù)測(cè)三部分,測(cè)試模塊驗(yàn)證模型能否正常運(yùn)行。包含粗校正、精校正和終校正的校正模塊耗時(shí)最長(zhǎng),各級(jí)校正均要求次數(shù)不等的蒙特卡洛迭代,迭代次數(shù)的取值為[0—100],校正時(shí)可逐步縮小,對(duì)校正結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和排序可確定最終參數(shù)。

校正時(shí)的可選指標(biāo)有compare面積系數(shù)、Lee-Sallee形狀系數(shù)和優(yōu)化指數(shù)OSM(Optimal SLEUTH Metric)等,系數(shù)越大擬合結(jié)果越符合實(shí)際情況。不同研究區(qū)適用的校正指標(biāo)不同,為選取最合適的指標(biāo),經(jīng)反復(fù)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)Lee-Sallee形狀系數(shù)的效果優(yōu)于OSM指數(shù),故將其作為參數(shù)選取的指標(biāo)。選取Lee-Sallee系數(shù)排序前五的結(jié)果,繼續(xù)縮小下一步的參數(shù)范圍,將終校正的最大值作為最優(yōu)系數(shù)帶入?yún)?shù)獲取步驟,從而得到最佳增長(zhǎng)參數(shù)值及最優(yōu)參數(shù)集。

1.2.3模型參數(shù)設(shè)置

以地形、坡度和交通為約束,將研究區(qū)分為若干元胞并定義為城市或非城市,分別選擇自發(fā)增長(zhǎng)、邊緣增長(zhǎng)、新擴(kuò)展中心增長(zhǎng)和道路影響增長(zhǎng)4種規(guī)則并計(jì)算元胞變化結(jié)果。影響增長(zhǎng)的參數(shù)為擴(kuò)展系數(shù)、繁殖系數(shù)、蔓延系數(shù)、道路重力系數(shù)和坡度阻抗系數(shù),通過(guò)設(shè)置不同規(guī)則進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

Lee-Sallee形狀指數(shù)S[26]計(jì)算如下：

S=(A∩B)/(A∪B)

式中,A為模擬的城市面積,B為真實(shí)城市面積。S取值為0—1,值越大匹配度越高。相關(guān)模型研究顯示[14],S值很少大于0.6,0.35以上即說(shuō)明模擬結(jié)果可接受,安吉縣和廣德市的S平均值分別為0.393和0.388。

由于兩縣市以山地為主,因此將坡度閾值調(diào)整為25,即坡度大于25%的元胞不能轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘?其余參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1：

表1 模型參數(shù)設(shè)置

經(jīng)粗校正、精校正、終校正及參數(shù)獲取后,得到5個(gè)增長(zhǎng)系數(shù)的最佳組合,見(jiàn)表2。

表2 安吉縣和廣德市模型增長(zhǎng)系數(shù)的最佳組合

城市擴(kuò)展受多因素共同作用,不同城市的固有發(fā)展特征也存在差異,因此擴(kuò)散系數(shù)的排列也有所不同。表2的擴(kuò)散系數(shù)一定程度上反映了兩縣市擴(kuò)展的基本特征,因擴(kuò)散系數(shù)和繁殖系數(shù)都不大,說(shuō)明既不屬于飛地型增長(zhǎng),也不易發(fā)展為新的增長(zhǎng)極。蔓延系數(shù)接近表明均為外延性增長(zhǎng),安吉縣道路引力系數(shù)大于廣德市,說(shuō)明其道路沿線的城鎮(zhèn)建設(shè)用地增長(zhǎng)概率更大。

1.2.4模擬結(jié)果檢驗(yàn)

將相應(yīng)年份的模擬結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比,以檢驗(yàn)兩者的一致性。因最終模擬年份為2030年,故將2010年模擬結(jié)果用于精度評(píng)價(jià),預(yù)測(cè)精度用Kappa系數(shù)分類(lèi)評(píng)價(jià)法,安吉和廣德的Kappa系數(shù)分別為0.6968和0.6192,一致性顯著,說(shuō)明模擬精度可接受。同時(shí)采用用戶精度(UA)和總體精度(OA)進(jìn)行驗(yàn)證,安吉和廣德的總體精度分別為85.49%和77.72%,見(jiàn)表3。

表3 安吉縣和廣德市土地利用分類(lèi)精度

1.3 情景預(yù)設(shè)

情景分析旨在描述和分析事物發(fā)展的各種可能性,對(duì)比不同發(fā)展路徑下的狀態(tài),從而為決策提供依據(jù)[27]。模型預(yù)測(cè)時(shí)通過(guò)修改增長(zhǎng)系數(shù)、調(diào)整排除圖層來(lái)設(shè)置不同情景,模擬未來(lái)土地利用變化[28]。SLEUTH的多情景模擬主要有三種方式,一是通過(guò)調(diào)整排除圖層引導(dǎo)模擬方向；二是改變自修改規(guī)則中的參數(shù)以增減擴(kuò)展速度；三是修改增長(zhǎng)系數(shù)改變擴(kuò)展方式。本研究通過(guò)調(diào)整排除圖層預(yù)設(shè)了現(xiàn)有發(fā)展和生態(tài)保護(hù)兩個(gè)情景,分別融入城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展導(dǎo)向并持續(xù)至未來(lái)時(shí)間?；谧顑?yōu)系數(shù)及預(yù)設(shè)條件,運(yùn)行預(yù)測(cè)模塊并得到2020-2030年兩縣市的城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展概率分布。

1.3.1現(xiàn)有發(fā)展模式

此模式遵照歷史發(fā)展規(guī)律,認(rèn)為過(guò)去的發(fā)展是連續(xù)的,城市擴(kuò)展不受生態(tài)環(huán)境、規(guī)劃政策等約束,基于當(dāng)前模式繼續(xù)擴(kuò)展。僅將河流和湖泊等作為排除圖層并將其值設(shè)為完全不能被城市化的100,見(jiàn)圖2,其他地類(lèi)將不受限制且都有可能被城市化。

圖2 現(xiàn)有發(fā)展模式下的排除圖層Fig.2 Exclusion layer in the existing development mode

1.3.2生態(tài)保護(hù)情景

城市擴(kuò)展無(wú)疑對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響,兩者不僅關(guān)系復(fù)雜,也相互影響。對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估可量化人類(lèi)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,當(dāng)量修正法是最常用的方法。本研究主要考慮供給、調(diào)節(jié)、支持和娛樂(lè)四項(xiàng)服務(wù)價(jià)值,并分別模擬城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)其影響,以便差別化地保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能。

當(dāng)量法以糧食平均產(chǎn)量為依據(jù),在區(qū)分不同生態(tài)服務(wù)功能的基礎(chǔ)上,量化單位面積的生態(tài)服務(wù)價(jià)值,從而計(jì)算不同用地類(lèi)型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值。本研究以謝高地改進(jìn)后的中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)產(chǎn)品和服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表為基礎(chǔ)[29],并參照胡賽和蔣茜等的方法[30一31],通過(guò)分析研究區(qū)的實(shí)際情況,調(diào)整并確定了生態(tài)服務(wù)的價(jià)值當(dāng)量。將平均糧食單產(chǎn)價(jià)格的1/7作為當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,計(jì)算出安吉縣和廣德市的單因子經(jīng)濟(jì)價(jià)值分別為2319.64元/hm2和1984.68元/hm2,再計(jì)算生態(tài)服務(wù)價(jià)值和不同生態(tài)功能的服務(wù)價(jià)值,公式如下：

VES,f=∑Ai×Vc,f,i

式中,VES為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(元)；Ai為i地類(lèi)的面積(hm2)；Vc,i為i地類(lèi)單位面積的生態(tài)服務(wù)總價(jià)值(元 hm-2a-1)；VES,f為第f項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值(元)；Vc,f,i為i地類(lèi)單位面積f項(xiàng)生態(tài)服務(wù)總價(jià)值(元 hm-2a-1)。結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 安吉縣與廣德市不同土地類(lèi)型不同生態(tài)功能的服務(wù)價(jià)值/(萬(wàn)元/hm2)

對(duì)結(jié)果進(jìn)行z-score標(biāo)準(zhǔn)化并作為排除圖層的賦值依據(jù),5個(gè)等級(jí)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：1級(jí)(0—10)、2級(jí)(10—40)、3級(jí)(40—60)、4級(jí)(60—90)、5級(jí)(90—100),等級(jí)越大,生態(tài)保護(hù)價(jià)值越高,越需要限制城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)張。不同保護(hù)情景下的排除圖層見(jiàn)圖3。

圖3 保護(hù)不同生態(tài)服務(wù)功能時(shí)的城市擴(kuò)展阻力等級(jí)Fig.3 Urban extension resistance level when protecting different ecological service functions

結(jié)合表4和圖3,兩縣市的調(diào)節(jié)服務(wù)價(jià)值差距較小,且占比最高,在調(diào)節(jié)服務(wù)方面的發(fā)展均較好,阻力等級(jí)較低；兩縣市的供給服務(wù)阻力等級(jí)都較高,說(shuō)明保護(hù)糧食和原料生產(chǎn)的生態(tài)功能要優(yōu)先于城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)展需求；安吉縣的支持和娛樂(lè)服務(wù)價(jià)值占比明顯高于廣德市,說(shuō)明安吉縣最早走生態(tài)優(yōu)先道路的成效顯著,后續(xù)發(fā)展中生態(tài)服務(wù)功能對(duì)其城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)展約束較小,而廣德的生態(tài)發(fā)展相對(duì)滯后,未來(lái)發(fā)展的約束力也較大。

2 結(jié)果與討論

在預(yù)測(cè)模塊中輸入所需數(shù)據(jù)和校正所得參數(shù),以2020年為起始年,預(yù)測(cè)2030年城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)展結(jié)果。

2.1 現(xiàn)有發(fā)展模式下的模擬結(jié)果

現(xiàn)有發(fā)展模式是與其他情景對(duì)比的基礎(chǔ),延續(xù)現(xiàn)有發(fā)展模式并按城鎮(zhèn)建設(shè)用地增加的最大量模擬,安吉縣和廣德市2030年城鎮(zhèn)建設(shè)用地分別增加39.23km2和21.54km2。因水域?yàn)椴豢烧加玫奈ㄒ幌拗埔蛩?故城市擴(kuò)張較明顯。廣德市城鎮(zhèn)建設(shè)用地增長(zhǎng)面積少于安吉縣,與其原有城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積少且較為集中有關(guān)。現(xiàn)有模式下城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)展概率分布見(jiàn)圖4。

圖4 現(xiàn)有發(fā)展模式下城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展概率分布Fig.4 Probability distribution of construction land expansion under existing development model

圖4顯示,兩縣市城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展依舊圍繞現(xiàn)有城鎮(zhèn)建設(shè)用地向周?chē)?集中擴(kuò)張區(qū)均為縣城及各鎮(zhèn)政府所在地,體現(xiàn)了縣城作為縣域內(nèi)部增長(zhǎng)極帶動(dòng)整體增長(zhǎng)的傳統(tǒng)模式。

安吉縣山地丘陵占比較大,原有城鎮(zhèn)建設(shè)用地基本為相對(duì)平坦區(qū)域,坡度擴(kuò)展系數(shù)為88,說(shuō)明地形是主要限制因素。廣德市坡度擴(kuò)展系數(shù)僅為22,城鎮(zhèn)建設(shè)用地集中區(qū)大多較為平坦,地形影響略小。

空間上,安吉縣中部和西北部遞鋪街道、天子湖鎮(zhèn)和梅溪鎮(zhèn)擴(kuò)展較明顯,遞鋪街道是政府所在地,天子湖鎮(zhèn)主要承接轉(zhuǎn)移工業(yè),到2030年人口都有較大增長(zhǎng),新增公共設(shè)施是城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的主導(dǎo)因素。廣德市桃州、邱村和新杭三鎮(zhèn)擴(kuò)張較顯著,東北部因與江蘇省毗鄰而擴(kuò)張更明顯,體現(xiàn)了地理位置的影響。

為探究城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,基于模擬結(jié)果計(jì)算城鎮(zhèn)建設(shè)用地來(lái)源,見(jiàn)表5。

表5 現(xiàn)有模式下城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的用地來(lái)源及面積/km2

表5顯示,城鎮(zhèn)建設(shè)用地主要來(lái)源于耕地,其次是林地,草地、水域和農(nóng)村居民地的轉(zhuǎn)移面積相差不大。水域因受排除圖層的阻力影響而轉(zhuǎn)變較少。

2.2 生態(tài)保護(hù)情景下的模擬結(jié)果

為探究不同生態(tài)用地向城鎮(zhèn)建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化情況,統(tǒng)計(jì)4種生態(tài)保護(hù)情景下的城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展規(guī)模,結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 保護(hù)不同生態(tài)服務(wù)功能時(shí)的城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展規(guī)模/km2

總體上,4種保護(hù)情景對(duì)城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)展都有不同程度的抑制,安吉縣和廣德市的擴(kuò)展面積均小于情景一的39.23km2和21.54km2,安吉縣減少的程度和比例均小于廣德市的同種情況,主要原因是安吉縣作為兩山理論的發(fā)源地,2000年就開(kāi)始走生態(tài)發(fā)展道路,所以城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的影響已不明顯。廣德市因生態(tài)發(fā)展滯后,實(shí)施生態(tài)保護(hù)對(duì)城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展的抑制更顯著,保護(hù)供給服務(wù)時(shí)城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展最小,保護(hù)調(diào)節(jié)服務(wù)時(shí)為19.91km2,接近于現(xiàn)有發(fā)展模式。4種生態(tài)保護(hù)情景下城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展概率的空間分布見(jiàn)圖5、圖6。

圖5顯示,安吉縣4種生態(tài)保護(hù)情景存在空間差異,西北部為明顯擴(kuò)張區(qū),保護(hù)調(diào)節(jié)和娛樂(lè)服務(wù)功能時(shí)的擴(kuò)張明顯大于其他兩種情景,對(duì)比該縣未來(lái)規(guī)劃,此區(qū)域主要為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移承接地,轉(zhuǎn)成的城鎮(zhèn)建設(shè)用地將以工業(yè)用地為主。在保護(hù)調(diào)節(jié)和供給服務(wù)功能時(shí),不僅可抑制工業(yè)規(guī)模增長(zhǎng),對(duì)糧食供給和土壤養(yǎng)分的保護(hù)意義也更大。此外,城鎮(zhèn)內(nèi)部的填充式增長(zhǎng)也有利于集約用地和高效發(fā)展。

結(jié)合圖6,廣德市在保護(hù)供給服務(wù)功能時(shí)對(duì)城鎮(zhèn)建設(shè)用地的抑制更明顯,幾乎沒(méi)有擴(kuò)展概率高于50%的區(qū)域,有效保護(hù)了生態(tài)服務(wù)功能。

進(jìn)一步比較不同情景下城鎮(zhèn)建設(shè)用地對(duì)其他地類(lèi)的影響,將模擬的城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展范圍與2020年土地利用圖疊加,統(tǒng)計(jì)其他地類(lèi)被占用的比例,結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。

圖7顯示,不同情景下安吉縣的城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展不盡相同,土地來(lái)源的結(jié)構(gòu)百分比差異也不明顯,因林地供給服務(wù)價(jià)值高于耕地,且耕地位置較林地平坦,在保護(hù)供給服務(wù)時(shí)對(duì)林地的占用少于耕地占用,相差10%左右。水體占比增加是因整體城市化區(qū)域減少所致的相對(duì)增加,各種情景下基本都未被占用。保護(hù)娛樂(lè)服務(wù)時(shí)對(duì)林地的占用比例降低較少,僅比現(xiàn)有模式下降1.79km2,這與林地所提供的豐富旅游資源有關(guān)。

圖5 安吉縣不同生態(tài)保護(hù)情景下城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展概率的空間分布Fig.5 Spatial distribution of construction land expansion probability under different ecological protection scenarios in Anji

圖6 廣德市不同生態(tài)保護(hù)情景下城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展概率空間分布Fig.6 Spatial distribution of construction land expansion probability under different ecological protection scenarios in Guangde

圖7 安吉縣不同情景下新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地來(lái)源及占比 Fig.7 The source and proportion of new construction land under different scenarios in Anji

圖8 廣德市不同情景下新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地來(lái)源及占比 Fig.8 source and proportion of new construction land under different scenarios in Guangde

廣德市不同情景下新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地的土地來(lái)源差異較大,保護(hù)調(diào)節(jié)服務(wù)與現(xiàn)有模式的用地來(lái)源幾乎一致,但生態(tài)保護(hù)使總量得到有效控制。保護(hù)供給服務(wù)時(shí)對(duì)耕地保護(hù)更有效,保護(hù)娛樂(lè)服務(wù)時(shí),林地的占用比例有所上升,但數(shù)量?jī)H比現(xiàn)有模式低2.44km2。

對(duì)比不同情景下城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的傾向性,可看出現(xiàn)有發(fā)展情景傾向于充分滿足城市發(fā)展的土地需求,而不同生態(tài)保護(hù)情景則傾向于滿足土壤保持、原料生產(chǎn)和水文調(diào)節(jié)等需要。進(jìn)一步探究城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)生態(tài)價(jià)值的影響,計(jì)算土地轉(zhuǎn)移所產(chǎn)生的生態(tài)服務(wù)價(jià)值損益,結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同保護(hù)情景下城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的生態(tài)服務(wù)價(jià)值損益/萬(wàn)元

可見(jiàn),生態(tài)保護(hù)情景下的生態(tài)服務(wù)價(jià)值損失均小于現(xiàn)有模式,保護(hù)供給功能時(shí)生態(tài)價(jià)值損失最小。

2.3 討論

2.3.1情景對(duì)比

盡管4種生態(tài)保護(hù)的模擬結(jié)果略有差異,但相比現(xiàn)有發(fā)展模式均能減少城鎮(zhèn)建設(shè)用地對(duì)其他地類(lèi)的侵占,一定程度上保護(hù)了生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能,降低了生態(tài)服務(wù)價(jià)值的損失,說(shuō)明生態(tài)保護(hù)措施并未對(duì)城市經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)造成顯著影響。走生態(tài)立縣道路既有利于生態(tài)保護(hù),也可實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。

2.3.2數(shù)據(jù)及精度

為考慮城市擴(kuò)張的所有可能,本研究將城鎮(zhèn)化的所有像元都納入計(jì)算,一定程度上放大了城鎮(zhèn)建設(shè)用地的新增面積,但能更準(zhǔn)確地對(duì)兩縣市的同種情景及同一地區(qū)不同情景的發(fā)展進(jìn)行對(duì)比。

縣域城鎮(zhèn)的時(shí)空發(fā)展受多種因素共同作用,縣域尺度的城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展模擬對(duì)數(shù)據(jù)精度及其完整性要求較高,而基于柵格結(jié)構(gòu)的SLEUTH模型對(duì)分辨率十分敏感,一些學(xué)者為減少校正時(shí)間而采用分辨率較粗的數(shù)據(jù),本研究為保證模擬精度,雖然采用了計(jì)算能力較高的云服務(wù)器,但受限于原始數(shù)據(jù)的精度和可得性,30m分辨率仍有局限,盡管Kappa系數(shù)的顯著一致性能滿足準(zhǔn)確度要求,但尚未達(dá)到最佳一致性。

2.3.3模擬結(jié)果的解釋

本研究主要分析城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展,預(yù)設(shè)的生態(tài)保護(hù)情景僅針對(duì)生態(tài)服務(wù)功能,并對(duì)生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行分析,而政策對(duì)城市擴(kuò)展具有重要影響,目前尚無(wú)量化政府決策和城市突發(fā)狀況的有效途徑,也無(wú)將這些因素與城市擴(kuò)展模型進(jìn)行耦合的可行方法,因此本研究未涉及政策分析。未來(lái)城市發(fā)展應(yīng)秉持生態(tài)服務(wù)價(jià)值與城市規(guī)劃相結(jié)合的科學(xué)發(fā)展觀,才能實(shí)現(xiàn)“既要金山銀山,也要綠水青山”的發(fā)展目標(biāo)。

本研究?jī)H對(duì)兩山理論發(fā)源地安吉縣及其毗鄰的廣德市進(jìn)行研究,結(jié)果對(duì)中西部及其他具有不同自然地理?xiàng)l件的縣域的參考和借鑒意義有限,要全面推動(dòng)小城鎮(zhèn)健康發(fā)展,應(yīng)充分考慮不同區(qū)域的小城鎮(zhèn)演變規(guī)律,以更大視角看待中小城市發(fā)展。

2.3.4模型選擇

不同模型具有不同優(yōu)勢(shì)和局限性,本研究?jī)H根據(jù)已有文獻(xiàn)及成果評(píng)述,選取適于縣域研究的SLEUTH模型,并未在運(yùn)行其他模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行比較研究,無(wú)法合理評(píng)價(jià)其他模型的準(zhǔn)確性和適用性。

3 結(jié)論

生態(tài)保護(hù)情景下的城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展模擬,為未來(lái)的縣域城市發(fā)展提供了生態(tài)保護(hù)的科學(xué)依據(jù)和路徑參考,能夠有效避免和預(yù)防對(duì)生態(tài)服務(wù)功能的破壞。

延續(xù)現(xiàn)有的發(fā)展模式不僅沒(méi)有擺脫縣域內(nèi)部增長(zhǎng)極帶動(dòng)區(qū)域整體增長(zhǎng)的傳統(tǒng)模式,城鎮(zhèn)建設(shè)用地的增加數(shù)量和城市擴(kuò)張也更加明顯,既沒(méi)有實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)規(guī)模和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,也無(wú)法增強(qiáng)縣城的輻射帶動(dòng)功能,因此應(yīng)及時(shí)調(diào)整未來(lái)的發(fā)展模式以適應(yīng)新型城鎮(zhèn)化的要求。

在保護(hù)生態(tài)服務(wù)價(jià)值的前提下進(jìn)行城鎮(zhèn)化,并未造成生態(tài)服務(wù)價(jià)值的損失,反而體現(xiàn)出生態(tài)保護(hù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此外,以外延式為主、伴有城鎮(zhèn)建設(shè)用地的填充式增長(zhǎng)的擴(kuò)展模式,有效抑制了未來(lái)城鎮(zhèn)建設(shè)用地的集中連片擴(kuò)展,是一種合理的發(fā)展模式。