生态网络约束下城镇建设用地扩张多情景模拟研究

作     者：刘文锋 

作者单位：南京农业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴未

授予年度：2021年

学科分类：12[管理学] 1204[管理学-公共管理] 07[理学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 120405[管理学-土地资源管理] 0713[理学-生态学] 

主      题：生态网络优化 城镇建设用地扩张模拟 多情景模拟 Markov-ANN-CA模型 苏锡常地区 

摘      要：快速城市化地区,土地集约化利用、土地利用方式转变以及狭隘观念等人为因素导致土地利用覆被急剧变化,建设用地无序扩张,适宜性生境大量减少、破碎化现象加剧。我国“十四五规划提出要坚持新发展理念,实现高质量发展,其中就要坚持“绿色的发展理念,文件要求我们要转变发展模式,摈弃以前破坏坏境和消耗资源的发展模式,划定城市建设用地扩张边界,追求人与自然和谐共处,具体表现为维护景观、物种多样性和生态系统的完整性和稳定性。生态网络具有约束建设用地扩张,加强景观连接度,维护景观和物种多样性的作用,因此本文将生态网络引入到城镇建设用地扩张中,分析生态网络约束情景下城镇建设用地扩张特征,得出结论。国内外已有关于生态网络和城镇建设用地扩张方面的研究,但是这两方面研究都存在局限。例如在生态网络方面,国内外现有研究主要集中在单一尺度或多尺度生态网络关键要素的识别、构建、优化和评价上,缺少基于时空尺度的生态网络优化;在研究城镇建设用地模拟方面,国内现有的研究方法大多数侧重于城镇建设用地的数量结构优化,没有真正落实到空间上,缺乏科学合理的空间优化配置方法,且大多数学者都是从生态层面进行城镇建设用地的空间配置,几乎没有通过针对典型物种构建生态网络的方式进行城镇建设用地的布局优化,造成了生态网络约束前后的城镇用地空间扩张模拟比较方面的研究案例还比较少。针对以上不足,本文创新性地将基于时空尺度下生态网络优化和城镇建设用地扩张模拟相结合,提出基于生态网络约束下的城镇建设用地扩展模拟研究的选题。本文首先基于时空尺度优化视角下对2015年苏锡常现状生态网络进行多情景优化,以优化效益最高的生态网络为优化后生态网络,利用Markov-ANN-CA模型进行无生态网络约束、现状生态网络约束和优化后生态网络约束下的城镇建设用地扩张多情景模拟,分析有无生态网络约束和优化前后生态网络约束对城镇建设用地扩张的影响,比较分析得出结论。具体可分为两个部分,第一个部分是通过设定分区域/跨区域和一次性投资/分阶段投资不同的时空尺度情景,选取处于快速发展阶段的苏锡常区域为研究区域,具有迁徙习性的保护物种白鹭为焦点物种,利用最小累积阻力模型(MCR)建立生态网络,在定量等额保护资金投入约束下,确定生境斑块的优化顺序,对比不同情景下生态网络结构指数的变化情况,判断同时考虑时空尺度优化情景能否提高生态网络优化效率。第二部分是基于设定的五种情景,分析确定城镇建设用地扩张驱动因子,构建Markov-ANN-CA复合模型,利用Arc GIS软件中的ANN-CA模拟插件进行城镇建设用地扩张模拟,得出不同情景下模拟结果,通过分析不同情景下土地利用转移变化差异、景观安全格局指数差异和新增建设用地在不同生境质量分区分布差异,得出结论并给出相关政策建议。得出的结论有:(1)时空优化情景下的生态网络优化效益最高,且同时考虑时间优化情景(即跨区域保护情景)和空间优化情景(即一次性投资保护情景)的生态网络优化能产生协同效应。在等额保护成本限定下,苏锡常区域一次性投资情景下的网络结构指数比跨区域二次、五次先后投资情景下和分区域一次、二次、五次先后投资情景下的网络结构指数α累计平均提升39.46%、网络结构指数β累计平均提升30.55%、网络结构指数γ累计平均提升39.42%。(2)从总体上看,由土地利用转移矩阵可知,建设用地规模增长最多,耕地规模减小规模最多;林地、草地和水域用地减少面积与城市发展速度表现为正向相关关系;与现状生态网络约束情景相比,优化后生态网络能增加草地、水域和未利用地面积且抑制耕地、林地和建设用地增长。与现状生态网络约束情景相比,优化后生态网络约束情景下草地增加了23.49hm,水域增加了1622.43hm,未利用地增加了34.02hm,耕地减少了1551.15hm,林地减少了119.07hm,建设用地减少了9.72hm。(3)城镇建设用地随着城市发展速度加快,破碎度降低,景观斑块规则趋向规则,斑块连通性增强;优化后生态网络景观类型斑块更规则,连通性更高,景观类型更均衡,从而有利于发挥土地利用的规模效应,保护动物迁徙廊道,减弱生态隔离的影响,提高生物多样性和生态系统稳定性。与现状生态网络约束情景相比,优化后生态网络约束情景下斑块数量(NP)、斑块密度(PD)分别为11991个、0.4157个/平方公里,均小于现状生态网络约束情景,而香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)和聚集度指数(AI)分别为1.4322、0.7360、94.6504,均大于现状生态网络情景。(4)高速发展不利于生态保护,容易造成景观退化现象的发生,优化后生态网络约束情景下生态网络优化更加保护生境质量,提高景观安全格局。随着城市发展速度的加快,新增建设用地占用中、高等级生境质量分区面积越大;优化后生态网络约束情景下新增城