生態(tài)-經(jīng)濟權(quán)衡下國家中心城市土地利用優(yōu)化配置
——以武漢市為例

唐乎媞, 張 斌, 鞠登平, 張安錄

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院, 武漢 430070; 2.武漢市不動產(chǎn)登記中心， 武漢 430070)

土地作為不可再生的自然資源，其利用方式的差異會對生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生深刻影響[1]。人類對土地的利用策略往往體現(xiàn)在土地利用變化過程中。近年來，因城鎮(zhèn)化的迅速推進，部分地區(qū)一味追求經(jīng)濟效益，各類建設(shè)用地?zé)o序擴張，生態(tài)用地急劇衰減，可持續(xù)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)[2]。如何利用有限的土地資源，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和布局調(diào)控，統(tǒng)籌社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護目標(biāo)，達(dá)到綜合效益最大化，成為土地利用優(yōu)化的重難點[3]。

土地利用優(yōu)化是通過設(shè)置優(yōu)先發(fā)展目標(biāo)，調(diào)整地類轉(zhuǎn)換規(guī)則和約束條件，以此兼顧各類效益的需求[4]。就研究思路而言，謝一茹等[5]以經(jīng)濟效益為主導(dǎo)目標(biāo)，研究黑龍江省糧食產(chǎn)量和生態(tài)效益權(quán)衡下的土地利用優(yōu)化問題，Hoque等[6]立足于生態(tài)保護，研究孟加拉國梅克納河下游地區(qū)不同土地利用情景對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響，劉菁華等[7]統(tǒng)籌協(xié)調(diào)城市擴張和生態(tài)保護，提出了兼顧多目標(biāo)的土地利用優(yōu)化方案。從研究方法上看，耦合數(shù)量和空間模擬模型已成為土地利用優(yōu)化研究的重要手段[8]。劉園等[9]基于CA-Markov模擬多情景下土地利用變化對潛江市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響；曹帥等[10]耦合MOP與GeoSOS-FLUS模型，分別以經(jīng)濟效益和生態(tài)效益作為優(yōu)化目標(biāo)，探討金壇區(qū)土地利用優(yōu)化布局；Wang等[11]利用Markov-FLUS模型研究黃淮海流域未來土地利用變化，并探索其生態(tài)-經(jīng)濟效益的平衡點。在研究尺度方面，國內(nèi)外學(xué)者對眾多區(qū)域展開研究，涵蓋國家[12]、省[13]、城市群[14]、流域等[15]宏觀層面，卻忽略了微觀區(qū)域內(nèi)部生態(tài)-經(jīng)濟效益的差異分析。盡管已有學(xué)者對未來的生態(tài)-經(jīng)濟效益進行了測算，但基于不同土地利用優(yōu)化情景探討生態(tài)-經(jīng)濟效益對敏感性系數(shù)響應(yīng)關(guān)系的文獻(xiàn)較為少見。綜上所述，學(xué)者們基于不同尺度，利用混合模擬模型，在合理分配土地數(shù)量的同時，釋放土地的空間效應(yīng)，將土地資源配置到空間，從而實現(xiàn)生態(tài)-經(jīng)濟效益的最大化。值得注意的是，生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)對于特定區(qū)域而言都是不可或缺的一部分，兩者不能孤立看待，而應(yīng)該是相輔相成的整體[16]。盡管已有少量文獻(xiàn)對兩者發(fā)展趨勢的差異進行了測算[17-18]，但仍難以揭示其在時空變化中的協(xié)調(diào)性。因此為度量兩者在發(fā)展過程的平衡關(guān)系，本文將深入探討兩個子系統(tǒng)在不同情景中耦合協(xié)調(diào)度的變化情況，以期在找到最佳土地利用優(yōu)化配置方案的同時，生態(tài)-經(jīng)濟系統(tǒng)也能達(dá)到最佳耦合狀態(tài)。

2016年，《促進中部崛起的“十三五”規(guī)劃》出臺，武漢市被確定為國家中心城市[19]。國家中心城市是參與全球競爭的平臺，同時也是土地利用變化最為劇烈的區(qū)域[20]。因國家政策與資源的傾斜，近年來武漢市致力于打造以全國經(jīng)濟中心、商貿(mào)物流中心、高水平科技創(chuàng)新中心和國際交往中心四大功能支撐的國家中心城市，社會經(jīng)濟迅猛發(fā)展，但生態(tài)環(huán)境遭到了嚴(yán)重?fù)p害，兩者矛盾愈加突出，表現(xiàn)出與其他國家中心城市相似的發(fā)展途徑[21]。因此，本文基于生態(tài)-經(jīng)濟效益最大化目標(biāo)，探討多情景下武漢市土地利用優(yōu)化配置，同時為其他國家中心城市的發(fā)展提供借鑒。鑒于此，本文在分析武漢市2000—2018年5期土地利用數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用MOGA-FLUS模型以協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護為目標(biāo)，預(yù)測不同情景下土地利用變化情況，對2035年武漢市土地利用進行優(yōu)化配置，為武漢市和其他國家中心城市經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展和構(gòu)建生態(tài)安全格局提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

武漢市地處北緯29°58′—31°22′，東經(jīng)113°41′—115°05′，位于長江中游，江漢平原東部，長江與漢水的交匯處(圖1)，屬于北亞熱帶季風(fēng)性氣候，常年雨量豐沛、光熱同季，四季分明。市內(nèi)江河縱橫，水網(wǎng)密布，淡水資源豐富，是國家濕地公園最多的城市，生態(tài)底色良好。截至2020年末，全市下轄13個區(qū)，總面積達(dá)8 569.15 km2，常住人口1 232.65萬人，GDP為1 560億元。21世紀(jì)以來，武漢市國土開發(fā)日趨活躍，尤其是近年來在建設(shè)國家中心城市的戰(zhàn)略目標(biāo)指引下，積極提升自身定位，社會經(jīng)濟迅速發(fā)展，由此引起土地利用結(jié)構(gòu)顯著變化(表1)。在城鎮(zhèn)化不斷推進過程中，武漢市GDP迅速增長，基礎(chǔ)設(shè)施逐漸完善，農(nóng)村人口大量涌入城市，建設(shè)用地持續(xù)擴張，經(jīng)濟效益愈發(fā)顯著。但耕地和林地不斷被侵占，生態(tài)用地空間緊縮，生態(tài)效益持續(xù)降低。因此，如何對武漢市土地利用進行優(yōu)化配置，權(quán)衡生態(tài)-經(jīng)濟效益，已成為武漢市轉(zhuǎn)變土地利用策略，加快建成國家中心城市的重要任務(wù)。

表1 2000年與2018年武漢市社會經(jīng)濟與土地利用變化情況

圖1 武漢市2018年土地利用狀況

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)主要有：(1) 土地利用數(shù)據(jù)來自landsat-8遙感數(shù)據(jù)，一共5期，年份為2000—2018年，劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地共6類。(2) 降雨與氣溫數(shù)據(jù)均來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)。(3) DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。(4) 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來源于(http:∥www.ngcc.cn/)。(5) 人口、GDP數(shù)據(jù)來源于武漢市歷年統(tǒng)計年鑒，再結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)，將區(qū)域人口密度和GDP密度進行配準(zhǔn)并轉(zhuǎn)化為30 m分辨率的空間柵格數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 FLUS模型

FLUS模型是用于模擬在自然和人類雙重影響下土地利用的未來情景[22]，且模擬精度高于常用的CLUE-S模型和ANN-CA模型[23]。其包含3個部分：(1) 基于MOGA算法估算不同情景的土地利用數(shù)量需求。(2) 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法測算各地類的適宜性概率。(3) 基于輪盤賭機制模擬各地類在空間上的分布格局。借鑒Feng等[24]的做法，設(shè)置3種土地利用情景：(1) 經(jīng)濟優(yōu)先情景。武漢市作為國家中心城市，發(fā)展自身經(jīng)濟并帶動中部地區(qū)經(jīng)濟崛起，是其重要使命。因此，在此情景中，應(yīng)充分發(fā)掘經(jīng)濟增長點，以提高土地利用經(jīng)濟效益為第一目標(biāo)，加快基礎(chǔ)設(shè)施和商業(yè)配套設(shè)施建設(shè)，促進其他地類向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換。本情景設(shè)置未利用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的概率增加80%，耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的概率增加30%，林地和水域向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的概率增加20%。(2) 生態(tài)優(yōu)先情景。武漢市素有“百湖之市”的美譽，境內(nèi)水資源豐富，生態(tài)底色良好。故在此情景中，要堅守城市生態(tài)紅線，加強自然資源監(jiān)管力度，保護生態(tài)空間，禁止水域、林地等重要生態(tài)用地被侵占，以保障土地利用生態(tài)效益為首要原則。本情景設(shè)置林地和水域向建設(shè)用地和未利用地的轉(zhuǎn)移概率分別降低60%，80%，耕地向林地轉(zhuǎn)移的概率增加10%，向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的概率減少40%。(3) 綜合發(fā)展情景。武漢市位于長江中游，既要以全面建成國家中心城市為奮斗目標(biāo)，又要恪守長江經(jīng)濟帶綠色發(fā)展的基本原則。故在此情景中，需權(quán)衡生態(tài)-經(jīng)濟效益，找到發(fā)展經(jīng)濟且避免對生態(tài)環(huán)境造成不可逆破壞的平衡點，以生態(tài)-經(jīng)濟綜合效益最大化為原則，增加生態(tài)用地轉(zhuǎn)出成本的同時適度開發(fā)城市允許建設(shè)區(qū)。本情景設(shè)置耕地、林地和水域向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移概率分別降低30%，40%，60%，未利用地向耕地和水域轉(zhuǎn)移概率增加20%?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的適應(yīng)性概率計算和基于輪盤賭的自適應(yīng)慣性競爭機制計算原理不再詳細(xì)闡述，具體公式參照Feng等[24]的文獻(xiàn)表述。

轉(zhuǎn)換成本可以表征當(dāng)前地類轉(zhuǎn)換為需求地類的難易程度，值為0～1，值越大表示穩(wěn)定性越好。在經(jīng)濟優(yōu)先情景中，各地類經(jīng)多次調(diào)試結(jié)果為耕地0.55，林地0.76，草地0.79，水域0.74，建設(shè)用地0.95，未利用地0.65。在生態(tài)優(yōu)先情景中，各地類經(jīng)多次調(diào)試結(jié)果為耕地0.59，林地0.81，草地0.79，水域0.76，建設(shè)用地0.93，未利用地0.66。在綜合發(fā)展情景中，各地類經(jīng)多次調(diào)試結(jié)果為耕地0.57，林地0.78，草地0.79，水域0.75，建設(shè)用地0.94，未利用地0.67。

2.2 MOGA模型的構(gòu)建

多目標(biāo)遺傳算法(MOGA)因內(nèi)在的并行算法機制和全局優(yōu)化特點，在土地利用多目標(biāo)優(yōu)化問題上得到廣泛應(yīng)用[25]。本文選擇此方法來研究武漢市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，需構(gòu)建多目標(biāo)函數(shù)，探討土地利用變化過程中生態(tài)-經(jīng)濟綜合效益的最大化，計算原理為根據(jù)土地利用現(xiàn)狀圖生成初始染色體組，再進行適度性計算，經(jīng)選擇、交叉和變異后生成新染色體組別，檢驗優(yōu)化結(jié)果是否滿意，最后根據(jù)最優(yōu)染色體實現(xiàn)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化。需要注意的是，多目標(biāo)問題的解并不追求單個最優(yōu)，而是整體最優(yōu)。因此本文需求解出一組解決方案的集合，稱為Pareto集。具體的計算本文采用MATLAB軟件中的多目標(biāo)遺傳算法工具箱進行求解。

(1) 生態(tài)效益目標(biāo)。參照王雯雯等[26]測算的湖北省生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值結(jié)果，并利用生物量參數(shù)法[27]進行修正，以此提高區(qū)域生態(tài)效益的準(zhǔn)確性，得到武漢市各地類單位面積的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值。在德爾菲法的基礎(chǔ)上結(jié)合專家建議，確定3種土地利用情景的對應(yīng)權(quán)重分別為0.3，0.7，0.5，具體公式為：

式中:Z1為武漢市土地利用生態(tài)效益；Pi為第i類用地單位面積的生態(tài)價值；Xi為第i地類的面積。

(2) 經(jīng)濟效益目標(biāo)。依據(jù)Gao等[28]對廣州市土地利用經(jīng)濟效益的處理方法，計算2000—2018年武漢市每年的農(nóng)林牧漁業(yè)產(chǎn)值，再除以對應(yīng)年份耕地、林地、草地、水域的面積，得到各地類的經(jīng)濟效益系數(shù)，并利用GM(1,1)模型測算2035年的經(jīng)濟效益系數(shù)。其中，建設(shè)用地的經(jīng)濟效益系數(shù)為二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值/建設(shè)用地面積。在德爾菲法的基礎(chǔ)上結(jié)合專家建議，確定3種土地利用情景的對應(yīng)權(quán)重分別為0.7，0.3，0.5，具體公式為：

式中:Z2為武漢市土地利用經(jīng)濟效益；Q2為第i類地類單位面積的經(jīng)濟價值。

經(jīng)計算，武漢市2035年各地類單位面積的生態(tài)價值和經(jīng)濟價值系數(shù)見表2。

表2 各地類單位面積的生態(tài)價值和經(jīng)濟價值系數(shù) 萬元/km2

2.3 敏感性指數(shù)測算

為判斷生態(tài)-經(jīng)濟效益對當(dāng)量系數(shù)的敏感程度，本文引入敏感性指數(shù)CS。若CS>1，則代表效益是具有彈性的，若CS<1，則說明效益彈性相對不足。具體公式為：

式中:V為生態(tài)/經(jīng)濟效益；Cv為效益系數(shù)；f和g為效益系數(shù)調(diào)整前后的情況。

2.4 景觀格局指數(shù)

為辨析不同土地利用情景的景觀格局空間差異，本文基于FRAGSTATS軟件選取斑塊密度(值越大景觀破碎度越高)、平均分維數(shù)(值越低景觀布局越規(guī)整)、斑塊連通性指數(shù)(值越大景觀在空間上的連通性越好)、景觀分離度(值越高景觀越分散)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(值越高景觀多樣性程度越高)和聚集度指數(shù)(值越高景觀在空間上的聚集程度越高)進行分析。

2.5 耦合協(xié)調(diào)度測算

在國家中心城市的建設(shè)過程中，經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的同時離不開生態(tài)環(huán)境的支撐，兩者應(yīng)為相互促進、相輔相成的整體。因此，本文根據(jù)苑韶峰等[29]的研究，測算2000—2018年以及3種模擬情景中武漢市整體和各城區(qū)的耦合協(xié)調(diào)度，以此衡量在土地利用變化過程中區(qū)域整體及內(nèi)部生態(tài)—經(jīng)濟發(fā)展的時空差異。具體計算公式如下：

式中:H為區(qū)域生態(tài)效益和經(jīng)濟效益的耦合協(xié)調(diào)度；f(x)和g(x)分別為標(biāo)準(zhǔn)化的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益；a和b取值均為0.5。根據(jù)計算結(jié)果,本文將H分為4個階段。

表3 耦合協(xié)調(diào)度類別劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

(1) 土地利用現(xiàn)狀分析。由表4可知，耕地和水域始終為武漢市的主要用地類型，2000年兩者占比達(dá)81.17%。耕地面積在研究期內(nèi)持續(xù)減少，尤其是2010—2015年減少量最多，為200.61 km2，而水域面積在2000—2005年增加了14.28 km2，但其后為連續(xù)縮減態(tài)勢。建設(shè)用地在研究期內(nèi)迅猛擴張，2000年其占比僅為7.77%，而2018年其占比已達(dá)12.97%，尤其是2010—2015年增加量為215.69 km2，這可能與彼時武漢大基建計劃的實施有關(guān)。林地作為重要的生態(tài)用地在研究期內(nèi)不斷被侵蝕，速率為先慢后快再慢，2005—2010年和2015—2018年其減少面積不到1 km2，這表明武漢市在經(jīng)濟發(fā)展過程中也注重林地等生態(tài)用地的保護。同時，本文借助轉(zhuǎn)移矩陣準(zhǔn)確把握各地類轉(zhuǎn)換細(xì)節(jié)，由表5可知，2000—2018年共轉(zhuǎn)移地類面積552.47 km2，耕地是轉(zhuǎn)出面積最多的地類，轉(zhuǎn)出貢獻(xiàn)率達(dá)78.27%，其中有366.81 km2轉(zhuǎn)向建設(shè)用地。建設(shè)用地是轉(zhuǎn)入面積最多的地類，轉(zhuǎn)入貢獻(xiàn)率達(dá)82.03%，主要來源于耕地，是轉(zhuǎn)出面積(6.99 km2)的65倍。這說明武漢市在建設(shè)初期發(fā)展經(jīng)濟的同時侵占了大量農(nóng)田，可持續(xù)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。

表4 武漢市現(xiàn)狀土地利用變化情況 km2

表5 2000-2018年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

(2) 土地利用情景模擬分析。由于發(fā)展目標(biāo)不一致，3種情景下土地利用布局具有較大差異。由圖2和表6可知，耕地在3種情景下面積均有所減少，但程度不盡相同。其中，耕地在經(jīng)濟優(yōu)先情景中急劇衰減，變化比例達(dá)到-9.12%；而在生態(tài)優(yōu)先情景中減少趨勢得到緩解，僅為218.82 km2，變化比例為經(jīng)濟優(yōu)先情景的一半；在綜合發(fā)展情景下，耕地減少量居于兩者之間，略高于生態(tài)優(yōu)先情景。同時，3種情景下耕地減少區(qū)域均集中在遠(yuǎn)城區(qū)，尤其是新洲區(qū)、黃陂區(qū)和江夏區(qū)，這可能與武漢市積極建設(shè)城市副中心有關(guān)。建設(shè)用地與耕地的情況相反，其在經(jīng)濟優(yōu)先情景中擴張最為迅速，比例達(dá)到48.11%，而在生態(tài)優(yōu)先情景和綜合發(fā)展情景下僅為20.06%，33.42%，說明這兩種情景能較好地約束建設(shè)用地的無序擴張。作為重要的生態(tài)用地，水域和林地面積在生態(tài)優(yōu)先情景下均實現(xiàn)增長，為經(jīng)濟發(fā)展提供了良好的生態(tài)保障，但在經(jīng)濟優(yōu)先情景下快速流失，說明在該模式下武漢市是以犧牲生態(tài)環(huán)境來實現(xiàn)經(jīng)濟迅速增長的，是不可持續(xù)的。未利用地的變化在3種情景下也有差異，經(jīng)濟優(yōu)先情景中被過度開發(fā)，變化比例達(dá)到-23.43%，而在綜合發(fā)展情景下僅為-12.26%。需要指出的是，草地在3種情景中無明顯差異，可能的原因是草地在具有較大的城市綠地價值的同時，其生態(tài)涵養(yǎng)功能也不容忽視。

表6 2018-2035年不同土地利用情景各地類變化情況 km2

圖2 2035年武漢市不同土地利用情景模擬

3.2 生態(tài)-經(jīng)濟權(quán)衡下土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

因生態(tài)效益和經(jīng)濟效益的權(quán)重在土地利用情景中有所不同，土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化也存在差異(圖3和表7)。從武漢市全域來看，2000—2018年經(jīng)濟效益持續(xù)增加，而生態(tài)效益不斷衰減。耕地雖占比最多，但其生態(tài)效益敏感度小于水域，反映了水域在維持生態(tài)價值方面的極端重要性。就經(jīng)濟效益敏感度而言，建設(shè)用地的敏感系數(shù)逐年上升，對經(jīng)濟的貢獻(xiàn)無可比擬，但這同時也反映了武漢市經(jīng)濟發(fā)展過程中暴露的生態(tài)短板問題。在經(jīng)濟優(yōu)先情景中，經(jīng)濟效益為16 351.821億元，而生態(tài)效益僅為398.684億元。與2018年相比，經(jīng)濟效益提高了46.14%，生態(tài)效益下降4.28%。因建設(shè)用地的快速增加，建設(shè)用地經(jīng)濟效益敏感度居3種情景之首，但由于水域面積的萎縮，其生態(tài)效益敏感度較于2018年無明顯變化，造成生態(tài)效益恒弱而經(jīng)濟效益恒強的惡性循環(huán)局面。在生態(tài)優(yōu)先情景中，經(jīng)濟效益為13 340.607億元，生態(tài)效益為412.899億元，相比于2018年，經(jīng)濟效益提高了19.23%，生態(tài)效益下降了0.87%。水域和林地面積的增加促使兩者的敏感性系數(shù)猛增。而建設(shè)用地因擴張受到約束，其敏感性系數(shù)居3種情景之末。在綜合發(fā)展情景中，經(jīng)濟效益為14 773.903億元，生態(tài)效益為405.932億元，與2018年相比，經(jīng)濟效益提高了32.04%，生態(tài)效益減少了2.54%。建設(shè)用地的適度開發(fā)加之生態(tài)用地的合理保護，使得建設(shè)用地在保持較高經(jīng)濟效益敏感度的同時，水域的生態(tài)效益敏感度也得到一定提升，較好地平衡了生態(tài)-經(jīng)濟效益之間的矛盾。從武漢市各區(qū)來看，新城區(qū)的生態(tài)效益明顯高于主城區(qū)，這與新城區(qū)水域和林地面積較多密切相關(guān)。其中江夏區(qū)和黃陂區(qū)的生態(tài)效益均超過百億，其境內(nèi)耕地、水域和林地面積總占比均超過95%，生態(tài)環(huán)境良好。而在主城區(qū)中，洪山區(qū)的生態(tài)效益最高，其境內(nèi)湖泊眾多，森林覆蓋率達(dá)16%，經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護能夠兼顧。就經(jīng)濟效益而言，雖然主城區(qū)建設(shè)用地占比高，商業(yè)經(jīng)濟相較于新城區(qū)發(fā)達(dá)，但轄區(qū)面積較小，開發(fā)趨近于飽和，因此經(jīng)濟效益并不高。新洲區(qū)是經(jīng)濟效益最高的遠(yuǎn)城區(qū)，在生態(tài)優(yōu)先情景下超過2 000億元，在經(jīng)濟優(yōu)先情景下接近3 000億元，這與新洲區(qū)陽邏港的蓬勃發(fā)展、建設(shè)用地的迅速增加不無關(guān)系。

表7 不同情景下生態(tài)效益和經(jīng)濟效益敏感度

圖3 不同情景下生態(tài)效益和經(jīng)濟效益

進一步分析武漢市及各區(qū)的耦合協(xié)調(diào)度見圖4。武漢市2000—2018年耦合協(xié)調(diào)度均處于中度協(xié)調(diào)耦合，但其值持續(xù)降低，這說明經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護的矛盾開始凸顯。在土地利用優(yōu)化情景中，僅有綜合發(fā)展情景的耦合協(xié)調(diào)度高于2018年，說明此情景下的土地利用結(jié)構(gòu)能較好維持生態(tài)-經(jīng)濟的平衡，僅顧及生態(tài)或者經(jīng)濟的發(fā)展均未能達(dá)到較好的協(xié)調(diào)狀態(tài)。分析武漢市各區(qū)情況可知，江夏區(qū)、黃陂區(qū)和東西湖區(qū)達(dá)到高度協(xié)調(diào)耦合狀態(tài)，這與其境內(nèi)湖泊眾多、林業(yè)資源豐富，建設(shè)用地相對較少且集中分布有關(guān)。而武漢市中心城區(qū)耦合協(xié)調(diào)度普遍較低，江岸區(qū)、硚口區(qū)和江漢區(qū)均處于低度協(xié)調(diào)耦合，這與漢口作為武漢的金融、商貿(mào)和對外交往中心有關(guān)，其建設(shè)用地密度大，開發(fā)強度超過了生態(tài)承載力，生態(tài)-經(jīng)濟處于失調(diào)狀態(tài)。但作為中心城區(qū)的洪山區(qū)，2000—2018年均處于中度協(xié)調(diào)耦合狀態(tài)，雖在經(jīng)濟優(yōu)先情景中耦合協(xié)調(diào)度有所下降，但在綜合發(fā)展情景下又增加到2018年的水平，這與洪山區(qū)在7個主城區(qū)中面積最大，建設(shè)用地被水域分散因而密度相對較低密切相關(guān)。

圖4 武漢市及各區(qū)生態(tài)-經(jīng)濟效益耦合協(xié)調(diào)度

3.3 生態(tài)-經(jīng)濟權(quán)衡下土地利用布局優(yōu)化結(jié)果

不同效益目標(biāo)條件下的土地利用布局存在較大差異。在經(jīng)濟優(yōu)先情景下，基于建設(shè)國家中心城市的目標(biāo)，武漢市建設(shè)用地迅速擴張，逐漸從中心城區(qū)蔓延到新城區(qū)，且并未出現(xiàn)向區(qū)域中心地段聚集的趨勢，而是較為分散的“滿天星”布局。此時，由于耕地后備資源的緊缺，未利用地被大量開發(fā)為建設(shè)用地。此情景下的景觀格局指數(shù)計算結(jié)果如下：斑塊密度為1.689 4，平均分維數(shù)為1.072 1，斑塊連通性指數(shù)為99.769 8，景觀分離度為0.951 7，香農(nóng)多樣性指數(shù)為1.240 9，聚集度指數(shù)為94.239 5。這說明該情景下景觀破碎程度較高且布局較為混亂，土地利用類型在空間上的連通性較差，多樣性程度一般而空間聚集程度較低。具體分析可知，由于城鎮(zhèn)空間的擴張態(tài)勢愈發(fā)明顯，生態(tài)空間逐漸被侵占，綠色斑塊萎縮，土地利用布局整體呈現(xiàn)城鎮(zhèn)空間>生態(tài)空間狀態(tài)，兩極分化情況愈發(fā)嚴(yán)重。在生態(tài)優(yōu)先情景下，基于共抓長江大保護政策，經(jīng)濟發(fā)展讓位于生態(tài)保護。此時，建設(shè)用地擴張受到制約，大多集中于原有建設(shè)用地周圍。林地和水域用地有所增加，生態(tài)環(huán)境改善效果明顯，促進了區(qū)域生態(tài)效益的增長。耕地略有減少，布局未有顯著變化，部分坑塘水體和未利用地被整治為優(yōu)質(zhì)耕地。此情景下的景觀格局指數(shù)計算結(jié)果如下：斑塊密度為1.631 2，平均分維數(shù)為1.062 9，斑塊連通性指數(shù)為99.825 8，景觀分離度為0.906，香農(nóng)多樣性指數(shù)為1.234 5，聚集度指數(shù)為95.382 6。這說明景觀破碎程度一般但布局規(guī)整，土地利用類型的空間連通性較好，多樣性程度較低而空間聚集度較高。具體分析可知，從空間布局角度出發(fā)，城鎮(zhèn)功能受到抑制但生態(tài)功能得到較大提高，區(qū)域內(nèi)部綠色圖斑顯著增多，土地利用優(yōu)化布局為生態(tài)空間>城鎮(zhèn)空間狀態(tài)。在綜合發(fā)展情景下，基于兼顧生態(tài)保護和社會經(jīng)濟發(fā)展的目標(biāo)，需做好生態(tài)-經(jīng)濟效益高敏感地類之間的平衡。此時，建設(shè)用地開始向遠(yuǎn)城區(qū)擴張，但呈現(xiàn)的是圈層式蔓延，分布密度較經(jīng)濟優(yōu)先發(fā)展情景低。水域和林地面積有所減少，但得到了部分耕地和未利用地的補充，生態(tài)效益無明顯變化。此情景下的景觀格局指數(shù)計算結(jié)果如下：斑塊密度為1.401 4，平均分維數(shù)為1.065 2，斑塊連通性指數(shù)為99.810 1，景觀分離度為0.917 1，香農(nóng)多樣性指數(shù)為1.246 4，聚集度指數(shù)為96.529 7。這說明景觀破碎化程度較低且布局較為規(guī)則，土地利用類型的空間連通性較好，多樣性程度和空間聚集度均較高。在該情景下，建設(shè)用地適度擴張帶來經(jīng)濟效益的提升，同時生態(tài)空間也相對穩(wěn)定，土地利用布局優(yōu)化從集中發(fā)展轉(zhuǎn)為均衡發(fā)展，生態(tài)空間和城鎮(zhèn)空間為協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

3.4 生態(tài)-經(jīng)濟權(quán)衡下土地利用優(yōu)化結(jié)果綜合評價

武漢市土地利用的生態(tài)-經(jīng)濟綜合效益在優(yōu)化后均有所提高。對比3種情景下的土地利用結(jié)構(gòu)和布局結(jié)果可知：在經(jīng)濟優(yōu)先情景下，經(jīng)濟效益最高但生態(tài)效益最低，建設(shè)用地面積顯著增加但生態(tài)空間破壞嚴(yán)重，景觀破碎程度較高且布局較為混亂。在生態(tài)優(yōu)先情景下，水域和林地轉(zhuǎn)出面積大大減少且得到其他地類的補充，景觀破碎程度一般但多樣性程度較低，生態(tài)效益提升明顯，但經(jīng)濟效益卻大幅跑輸其他情景，不利于武漢市國家中心城市建設(shè)目標(biāo)的達(dá)成。在綜合發(fā)展情景下，生態(tài)效益和經(jīng)濟效益得到兼顧，犧牲了2.54%的生態(tài)效益換來了32.04%的經(jīng)濟效益，發(fā)展相對均衡。區(qū)域建設(shè)用地的適度擴張保障了城市經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展，同時注重對林地和水域等生態(tài)用地的保護，景觀破碎化程度較低且布局較為規(guī)則。因此，綜合發(fā)展情景較為適合武漢市目前發(fā)展需要，在此情景下進行土地利用結(jié)構(gòu)和布局的優(yōu)化能兼顧生態(tài)-經(jīng)濟目標(biāo)，促進區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展，同時也能為其他國家中心城市的發(fā)展提供借鑒。

4 結(jié) 論

(1) 耕地和水域在研究期內(nèi)為武漢市的主要用地類型，但耕地面積持續(xù)減少，水域則呈現(xiàn)先增加后減少的波動態(tài)勢。建設(shè)用地面積在研究期內(nèi)不斷擴張。耕地面積在3種情景下均有所減少，在經(jīng)濟優(yōu)先情景中急劇衰減，而在生態(tài)優(yōu)先情景中減少趨勢得到有效緩解。在綜合發(fā)展情景下，耕地減少量居于兩者之間，略高于生態(tài)優(yōu)先情景。水域和林地面積在生態(tài)優(yōu)先情景下均實現(xiàn)增長，但在經(jīng)濟優(yōu)先情景下大幅縮減。

(2) 生態(tài)-經(jīng)濟權(quán)衡下土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果為：在經(jīng)濟優(yōu)先情景中，經(jīng)濟效益為16 351.821億元，而生態(tài)效益僅為398.684億元。因建設(shè)用地的快速擴張，建設(shè)用地經(jīng)濟效益敏感度居3種情景之首。在生態(tài)優(yōu)先情景中，經(jīng)濟效益為13 340.607億元，生態(tài)效益為412.899億元。水域和林地面積的增加促使兩者的敏感性系數(shù)猛增。在綜合發(fā)展情景中，經(jīng)濟效益為14 773.903億元，生態(tài)效益為405.932億元，較好維持了生態(tài)-經(jīng)濟效益的平衡。從武漢市各區(qū)來看，新城區(qū)的生態(tài)效益明顯高于主城區(qū)。雖然主城區(qū)建設(shè)用地占比高，但由于轄區(qū)面積較小其經(jīng)濟效益也并不高。武漢市2000—2018年耦合協(xié)調(diào)度均處于中度協(xié)調(diào)耦合，但值持續(xù)降低，說明伴隨著城市高速發(fā)展，經(jīng)濟建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的矛盾開始凸顯。在土地利用優(yōu)化情景中，僅有綜合發(fā)展情景的耦合協(xié)調(diào)度高于2018年。江夏區(qū)、黃陂區(qū)和東西湖區(qū)達(dá)到高度協(xié)調(diào)耦合狀態(tài)，而武漢市的中心城區(qū)耦合協(xié)調(diào)度普遍偏低。

(3) 生態(tài)-經(jīng)濟權(quán)衡下土地利用布局優(yōu)化結(jié)果為：在經(jīng)濟優(yōu)先情景下，景觀破碎程度較高且布局較為混亂，土地利用類型在空間上的連通性較差，多樣性程度一般而空間聚集程度較低，土地利用布局整體呈現(xiàn)城鎮(zhèn)空間>生態(tài)空間狀態(tài)。在生態(tài)優(yōu)先情景下，景觀破碎程度一般但布局規(guī)整，土地利用類型的空間連通性較好，多樣性程度較低而空間聚集度較高，土地利用優(yōu)化布局為生態(tài)空間>城鎮(zhèn)空間狀態(tài)。在綜合發(fā)展情景下，景觀破碎化程度較低且布局較為規(guī)則，土地利用類型的空間連通性較好，多樣性程度和空間聚集度均較高，生態(tài)空間和城鎮(zhèn)空間為協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。因此，綜合發(fā)展情景較為適合武漢市建設(shè)國家中心城市的需要。