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城镇-农业-生态空间划定的多情景模拟

地球信息科学学报 2020年第3期22卷 580-591页

作者：柯新利肖邦勇郑伟伟马艳春李红艳华中农业大学公共管理学院武汉430070

城镇-农业-生态空间划定(简称"三区"划定)是国土空间规划的核心内容,对于科学合理地规划、利用有限的国土资源具有重要的意义。已有研究主要根据区域内土地利用与社会经济发展现状构建指标体系进行"三区"划定,较少将未来土地利用变化纳... 详细信息

城镇-农业-生态空间划定(简称"三区"划定)是国土空间规划的核心内容,对于科学合理地规划、利用有限的国土资源具有重要的意义。已有研究主要根据区域内土地利用与社会经济发展现状构建指标体系进行"三区"划定,较少将未来土地利用变化纳入"三区"划定过程中,使得划定结果在指导实践过程中缺乏前瞻性。针对这一问题,本文提出一种基于土地利用情景模拟,结合指标体系评价与决策树特征挖掘的"三区"划定方法,并以武汉市2015年土地利用现状为基础,在土地利用变化情景模拟的基础上进行"三区"划定。通过对比,验证了本文提出方法的合理性。研究发现:①不同情景下的"三区"空间在规模、空间分布上具有明显差异,将未来土地利用变化纳入"三区"划定过程中确有必要;②不同土地利用情景下"三区"空间的差异主要出现在三类空间的交界区域,这些区域是国土空间规划应该关注的重点区域。

关键词：国土空间规划三区划定 landscape模型土地利用变化情景模拟 C5.0决策树数据挖掘武汉市

权衡耕地保护与城市扩张的永久基本农田划定--以武汉市为例

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地球信息科学学报 2020年第3期22卷 592-604页

作者：黄慧柯新利华中农业大学公共管理学院武汉430070

永久基本农田划定是实现耕地保护、土地集约利用以及保障粮食安全的有效方式。然而城市的快速扩张给永久基本农田划定带来了挑战,如何协调城市扩张与耕地保护两者的关系、科学合理地划定永久基本农田亟待解决。本文以武汉市为例,结合LES... 详细信息

永久基本农田划定是实现耕地保护、土地集约利用以及保障粮食安全的有效方式。然而城市的快速扩张给永久基本农田划定带来了挑战,如何协调城市扩张与耕地保护两者的关系、科学合理地划定永久基本农田亟待解决。本文以武汉市为例,结合LESA(Land Evaluation and Site Assessment)方法及landscape模型(LAND System Cellular Automata Model for Potential Effects)综合考虑永久基本农田划定与城市扩张的冲突,进行永久基本农田划定,试图协调耕地保护与城市扩张对土地资源需求的矛盾,为"多规合一"背景下科学划定永久基本农田提供方法借鉴,为优质耕地保护及土地利用优化布局提供决策参考。①运用LESA方法对武汉市的耕地进行综合质量评价及等级划分;②基于LESA综合评价结果,运用landscape模型对武汉市永久基本农田划定及城镇建设用地扩张进行模拟;③将landscape模型划定的永久基本农田结果与基于LESA方法划定的结果进行数量、质量和空间形态上的对比分析。结果表明:2种方法划定的永久基本农田面积相当,质量差异不大。但在空间形态上,基于landscape模型的划定结果明显优于基于LESA方法:划定的永久基本农田集中连片分布,形状较为规则。值得注意的是,LESA方法划定的永久基本农田中有15.8%将被新增城镇建设用地侵占,而landscape模型能够有效避免这部分永久基本农田被侵占。

关键词：永久基本农田划定耕地保护城市扩张 LESA方法 landscape模型

耕地保护对生态系统水源涵养功能的影响——以武汉市为例

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水土保持研究 2018年第1期25卷 391-396,402页

作者：柯新利普鹍鹏杨柏寒郑伟伟华中农业大学公共管理学院武汉430070

耕地保护是我国粮食安全的根本保障。然而,在快速城市化背景下,耕地保护导致生态用地加速流失造成对生态系统服务功能的影响往往被忽略。以武汉市为例,采用模型模拟的方法,利用基于元胞自动机的土地利用变化模型——landscape模型设定... 详细信息

耕地保护是我国粮食安全的根本保障。然而,在快速城市化背景下,耕地保护导致生态用地加速流失造成对生态系统服务功能的影响往往被忽略。以武汉市为例,采用模型模拟的方法,利用基于元胞自动机的土地利用变化模型——landscape模型设定严格、适度耕地保护情景,进而基于InVEST模型定量评估耕地保护对生态系统水源涵养功能的影响,为科学认识耕地保护政策的实施对生态系统服务功能的影响提供新的视角。结果表明:(1)严格、适度耕地保护情景下武汉市2020年生态系统水源涵养功能存在显著差异。相较于适度耕地保护情景,严格耕地保护情景下,位于武汉市东北地区的低水源涵养区分布范围明显增多,高水源涵养区分布明显较少;(2)在水源涵养总量方面,严格耕地保护情景下的水源涵养总量为4.33×10~8 m^3,适度耕地保护情景下的水源涵养量为4.58×10~8m^3,两者差异显著。(3)严格、适度耕地保护情景中草地、林地、水体等生态用地的水源涵养总量分别为1.06×10~8m^3,1.27×10~8 m^3。其中林地水源涵养量最高,水体、草地次之。

关键词：耕地保护武汉水源涵养 landscape模型 InVEST模型

基于复杂网络与不同土地利用情景的生态安全格局脆弱性分析——以贵州省为例

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基于复杂网络与不同土地利用情景的生态安全格局脆弱性分析——以...

作者：肖邦勇华中农业大学

学位级别：硕士

城市化的快速推进暴露出一系列发展问题,以生态为代价的发展模式弊端显著,积极推进区域生态文明建设,促进三生协调的可持续发展路径成为城市发展的主流。区域生态安全格局是有助于协调区域社会发展与生态安全的重要工具,是维护陆地生态... 详细信息

城市化的快速推进暴露出一系列发展问题,以生态为代价的发展模式弊端显著,积极推进区域生态文明建设,促进三生协调的可持续发展路径成为城市发展的主流。区域生态安全格局是有助于协调区域社会发展与生态安全的重要工具,是维护陆地生态安全、促进社会可持续发展的重要保障,当前学术界已形成了构建区域生态安全格局的研究范式,但缺乏对其构成要素与整体格局间的相互联系等微观层面的思考,较少考虑格局构成要素的系统性与结构性。本文立足于当前学术界对区域生态安全格局拓扑结构要素与整体关系讨论的不足,基于景观生态学与复杂网络相关的理论与分析方法,以我国西南部典型的生态脆弱区——贵州省为研究区域,借助“负荷-容量”级联失效模型探索不同生态源地对于整体格局的重要性,寻找区域生态安全格局中的脆弱节点。本文根据已有研究范式,以2015年贵州省土地利用现状为基础,从生境质量、水质净化功能、碳固定功能和土壤保持功能四方面进行生态重要性分析,并以单块面积≥10km为筛选依据,识别出280块生态源地;借助最小累积阻力模型识别出750条生态廊道;基于主要交通线路对生态廊道的阻断识别出782个关键节点,构建出贵州省生态安全格局。基于复杂网络相关理论将其抽象为无权无向的生态网络,借助级联失效模型分析该生态网络的节点脆弱性,分析近期退耕还林与未来不同发展模式两种土地利用情景对生态网络的影响。结果表明:(1)贵州省生态安全现状较好,重要生态区与核心生态区总面积占全省行政区总面积的38.98%,其中核心生态区面积占到全省行政区总面积的11.66%。各行政区生态资源禀赋具有明显差异,黔东南苗族侗族自治州拥有最多的生态源地,六盘水市境内生态源地数量最少。(2)贵州省整体格局脆弱性值域为0.0251～0.2151,对应级联失效规模范围为7～60个生态源地;格局脆弱性平均水平为0.0719,对应级联失效规模为20个生态源地;格局脆弱性众数水平为0.0538,对应级联失效规模为15个生态源地,整体格局脆弱性表现出右偏的数据分布形式。因此,格局整体稳定性受到结构脆弱点的影响较为显著,对网络中的脆弱节点应当予以重点关注。所有生态源地中,位于黔东南苗族侗族自治州的167号源地级联失效规模最大,其次为位于毕节市的61号源地和位于黔南布依族苗族自治州的200号源地,此三处源地在所有源地中应当处于核心地位,为整体格局中的典型脆弱点。而位于毕节市的60号源地、位于黔南布依族苗族自治州的79源地号和位于安顺市的204号源地级联失效规模一致,源地级联失效规模最低,在整体生态安全格局中重要性最低。(3)不同行政区在生态源地级联失效总规模和生态源地损失平均代价两方面表现出显著的差异。区域级联失效总规模最大的区域为黔东南苗族侗族自治州,最小的为六盘水市;而生态源地损失平均代价最高的为贵阳市,最低的为六盘水市。当出现大范围生态危机事件时(比如山火、大面积山洪爆发、地震等),黔东南苗族侗族自治州应位于优先保护序列,六盘水市可处于保护序列的末尾。而日常生态建设、修复等过程应当注重对贵阳市内的生态源地进行保护,六盘水市可处于靠后的考虑序列。(4)“退耕还林”不会对生态源地造成显著影响,但会使得生态廊道的数量和空间位置发生改变。实施退耕还林后会造成75个生态源地级联失效效应减弱,137个生态源地级联失效效应增强,整体上并未表现出对生态安全格局的负面影响。贵州省2030年四种发展模式下,城市扩张的刚性增长边界与生态源地会产生不同程度的重叠,但不会对生态安全格局造成显著的冲击,也不会引发显著的级联失效效应。本文基于所得出的研究结果对贵州省生态安全维护提出以下建议:(1)构建差异化的生态安全建设、维护、恢复体系,以生态安全格局为基础,对各行政区的生态问题采取针对性的措施,确保有限的资金和物资用于区域生态安全维护的关键之处,精细化管理生态安全格局各构成要素;(2)多方权衡生态退耕、耕地保护、城市发展等不同土地利用活动对区域生态安全格局的影响,以协调生态安全、粮食安全与经济增长,服务于贵州省可持续发展战略;(3)严控城市增长边界,探索精明城市增长途径,提升内部挖潜力度,防止未来发展过程中弹性城市增长边界对区域生态安全格局产生不可控影响。

关键词：区域生态安全格局复杂网络负荷-容量模型级联失效效应 landscape模型

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生态导向下全类型土地利用管制策略研究

生态导向下全类型土地利用管制策略研究

作者：李红艳华中农业大学

学位级别：硕士

自土地用途管制制度实行近二十年来,在保护耕地、节约集约用地和严控建设用地方面发挥了积极作用,有效地保障了国家粮食安全,促进了土地资源的合理利用和科学配置。然而随着城镇化进程的加快,建设用地的迅猛扩张,在严格耕地保护政策下,... 详细信息

自土地用途管制制度实行近二十年来,在保护耕地、节约集约用地和严控建设用地方面发挥了积极作用,有效地保障了国家粮食安全,促进了土地资源的合理利用和科学配置。然而随着城镇化进程的加快,建设用地的迅猛扩张,在严格耕地保护政策下,对自然生态空间造成了极大的影响,林地、草地、水域等生态用地被建设用地占用或被用来补充耕地,生态系统完整性遭到破坏。协调生态保护,尤其是对生态用地的法律保障和具体落实方面,仍然是当前研究的薄弱环节。土地用途管制单目标的保护耕地已不能满足当前社会经济发展的新形势新需求,迫切需要厘清当前土地用途管制机制存在的问题及面临的新形势,深入研究土地用途管制制度对土地利用变化的影响,构建协调社会、经济和生态效益的土地用途管制机制。本文在厘清当前土地用途管制机制存在的问题及面临新形势的基础上,以问题为导向,探索构建契合当前生态建设新需求、实现国土空间和用途全覆盖的土地用途分区管制理论框架;依据法律法规及系列政策文件制定土地利用分区的管控规则和用途转换规则,为后文的模型模拟提供参数支持。本文选择武汉市作为研究区域,进行土地利用分区的实证研究。采用ArcGIS水文分析模块对DEM数据提取流域单元,以武汉市588个小流域为研究单元,采用C5.0决策树划定“三生空间”的六大土地利用分区,包括生活空间的城市建设控制区和农村建设发展区,生产空间的工矿建设集中区、基本农田保护区和一般农地区,生态空间的生态保育区,区域面积分别占研究区域的8.80%、4.67%、10.93%、43.37%、9.90%、22.33%。土地政策是土地利用变化的重要驱动因素,本文采用基于元胞自动机的土地系统模拟与优化模型(LAND System Cellular Automata model for Potential Effects,landscape模型),设定传统粮食安全导向和新形势生态安全导向下的两种土地用途管制情景,以2015年土地利用数据为基期,测算模拟所需的转化规则、演化速率、阻抗等参数,用landscape模型分别模拟2030年两种情景下土地利用变化,并进行实施效果评价,通过对比分析两种情景下土地利用变化对社会经济、生态效益的影响,探索多目标优化的土地用途管制机制。研究结果表明:(1)不同的土地用途管制模式对武汉市土地利用变化影响具有明显差异,具体表现在建设用地的占用方面。在相同指标控制下,粮食安全导向土地用途管制情景下建设用地是随着扩张占用周边地类,比较无序;生态安全导向情景下,建设用地占用的耕地主要分布在城市建设控制区、工矿建设集中区,建设用地占用的湿地、林地、草地主要分布在城市建设控制区,使得基本农田保护区的耕地、生态保育区的生态用地都得到了很好的保护,建设用地扩张的范围得到了有效控制,占用的地类也得到了较好的协调。对比两种土地用途管制情景,表明生态安全导向的土地用途管制可以更好地达到耕地、生态用地并重保护,严控建设用地的目标任务。(2)不同的土地用途管制模式对武汉市土地利用经济、生态效益影响具有差异。粮食安全导向的土地用途管制是单一目标保护的管制方式,其经济效益为12019.75亿元,生态效益为331.14亿元;生态安全导向的土地用途管制情景更加科学有效,经济效益有微量下降,但生态效益更高,其经济效益为12015.05亿元,生态效益为341.19亿元。生态安全导向土地用途管制情景经济效益较粮食安全导向土地用途管制情景下降了47009.14万元,下降了0.04%,但生态效益较粮食安全导向土地用途管制情景提高了100566.31万元,提高了3.04%,即经济效益下降1%,生态效益可以提高76%。生态安全导向的土地用途管制是耕地与生态并重保护、严控建设用地的多目标保护的管制方式,生态安全导向的土地用途管制更加注重耕地、生态用地和建设用地在空间配置上的协调统一。将土地用途管制政策作为土地利用变化的重要影响因素,结合土地系统模拟与优化模型进行不同情景模拟,对深入分析土地用途管制政策的实施效果提供了依据,为在生态文明背景下,建立制定国土空间保护政策、管制规划提供了参考,对实现土地资源的合理利用和配置,促进经济、社会和生态环境的协调可持续发展具有现实意义。

关键词：生态导向土地用途管制土地利用分区 landscape模型

不同城市扩张模式下耕地保护对生态系统水源涵养功能的影响——以武汉市为例

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不同城市扩张模式下耕地保护对生态系统水源涵养功能的影响——以...

作者：普鹍鹏华中农业大学

学位级别：硕士

近五十年来,人类活动对生态系统的影响比历史上任何一个时期更广泛,生态危机在全球和区域范围内愈演愈烈,直接威胁着生态系统服务功能的供给,人类—经济—自然的协调循环发展面临严峻挑战。尤其是快速城市化扩张对生态系统服务功能造成... 详细信息

近五十年来,人类活动对生态系统的影响比历史上任何一个时期更广泛,生态危机在全球和区域范围内愈演愈烈,直接威胁着生态系统服务功能的供给,人类—经济—自然的协调循环发展面临严峻挑战。尤其是快速城市化扩张对生态系统服务功能造成了极大的影响,如耕地,草地、水域等生态用地被建设用地大量侵占,城市生态系统服务功能急剧降低。而我国是处于快速城镇化阶段的人口大国,在城镇化和耕地保护的双重压力下,土地利用变化对水源涵养功能的影响十分剧烈。因此,迫切需要厘清快速城镇化阶段,耕地保护政策对生态系统水源涵养功能的影响,为土地资源的合理保护和利用提供支撑。本文选择武汉市作为典型研究区域,采用基于CA的土地利用变化模型landscape(LAND System Cellular Automata model for Potential Effects)模型分别设定武汉市2030年城乡平衡发展、农村优先发展以及城市优先发展等三种情景,并以此为切入点引入耕地保护政策实施效果这一驱动因素,综合比较不同情景下耕地保护对武汉市土地利用变化的影响,通过对比不同情景下城市扩张模式对土地利用变化的影响,挖掘城市土地利用变化的规律。此外,采用生态系统服务功能评估模型InVEST(The Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs tool)模型水源涵养模块,综合测算评估六种不同情景下武汉市2030年生态系统水源涵养功能,进而分析不同情景下耕地保护对水源涵养功能的影响。研究结果表明:(1)不同城市扩张模式对武汉市土地利用变化的影响具有一定的差异:城乡平衡发展情景和城市优先发展情景下,武汉市2030年的土地利用空间格局不存在较大的差异;从各个地类的土地利用数量来看,城乡平衡发展情景下严格耕地保护情景和适度耕地保护情景的生态用地保有量差异性不大。然而,农村优先情景下严格耕地保护情景和适度耕地保护情景的生态用地保有量存在显著的差异。(2)严格耕地保护情景和适度耕地保护情景对武汉市土地利用变化影响差异显著:城乡平衡发展情景、城市优先发展情景、农村优先发展情景等三种不同城市扩张模式下,严格耕地保护情景和适度耕地保护情景对武汉市土地利用变化在空间上具有明显的差异,具体表现为严格耕地保护情景下水体、林地、草地等生态用地的数量有较大的萎缩。可见,在严格耕地保护政策实施效果的驱动作用下,武汉市2030年的生态用地保有量会有所减少。(3)严格耕地保护情景和适度耕地保护情景对武汉市生态系统水源涵养功能的影响差异显著:在耕地保护政策的影响下,武汉市2030年的生态系统水源涵养功能会受到一定程度的干扰,三种不同城市扩张情景下严格耕地保护情景武汉市2030年水源涵养量均低于适度耕地保护情景。尤其是农村优先发展情景下,严格耕地保护和适度耕地保护对生态系统水源涵养功能的影响差异最为显著。(4)不同城市扩张模式对武汉市生态系统水源涵养功能的影响具有一定的差异:三种不同城市扩张模式下严格耕地保护情景武汉市2030年水源涵养量均低于适度耕地保护情景。农村优先发展情景下严格耕地保护和适度耕地保护,其水源涵养量均多于其他两种城市扩张情景。

关键词：耕地保护武汉水源涵养 landscape模型 InVEST模型

耕地占补空间优化配置及其对生态用地流失的影响研究

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耕地占补空间优化配置及其对生态用地流失的影响研究

作者：王立业华中农业大学

学位级别：硕士

城市化是历史发展的趋势,它给全球的经济、社会、文化等带来了发展的活力和动力,然而城市化无法避免地伴随着环境恶化、耕地减少、粮食安全等问题。世界各国提出了不同的耕地保护政策,来缓解耕地减少的速度。中国作为世界上最大的发展... 详细信息

城市化是历史发展的趋势,它给全球的经济、社会、文化等带来了发展的活力和动力,然而城市化无法避免地伴随着环境恶化、耕地减少、粮食安全等问题。世界各国提出了不同的耕地保护政策,来缓解耕地减少的速度。中国作为世界上最大的发展中国家,拥有快速的城市化速率和世界最大的人口,为了保障我国的粮食安全,中国有着世界上最严格的耕地保护方式、保护制度,如耕地总量动态平衡政策、基本农田保护政策等,以此严守“18亿亩”耕地保护红线。然而在政策实施过程中,“占优补劣”现象严重,且由于补充耕地造成了大量的生态用地流失,影响了补充耕地当地的生态稳定性。2018年3月,国务院办公厅印发了《跨省域补充耕地国家统筹管理办法》,指出了跨省域耕地占补平衡政策的实施条件,给跨省域补充耕地创造了政策基础。科学、合理的配置补充耕地的发生地区对于保证我国的粮食安全、耕地保护政策以及生态安全具有重要的现实意义。本研究以我国大陆地区(不含香港、澳门特别行政区和台湾省)为研究区域,从“补充”和“占用”的角度探索空间位置对于耕地补充、生态用地损失的影响。本研究首先分析了我国2000-2015年的耕地占用与补充情况以及由于耕地补充造成的生态用地流失,进而基于landscape(LAND System Cellular Automata model for Potential Effects)模型,设置了一个自然发展情景(BAU)和三个优化情景:补充端优化(BC)、占用端优化(ZY)和占补两端优化(BCZY),对2015-2030年城市建设用地和补充耕地的空间位置进行优化配置,以达到减少生态用地流失的目的。研究结果表明:(1)我国占用与补充耕地的生产潜力存在显著的不匹配,西北偏远地区的补充耕地总量要明显高于东部地区,但该现象呈现好转的趋势。2000-2015年,补充耕地总量高于占用耕地总量的省级行政区为:内蒙古自治区、新疆维吾尔自治区和黑龙江省,均位于我国偏远地区,满足耕地占补平衡政策关于补充耕地质量要求的省级行政区由2000-2005年的3个上升到了2010-2015年的7个。(2)耕地补充造成了我国大量的生态用地流失,且草地为流失总量最多的地类。2000-2005年、2005-2010年和2010-2015年由于耕地补充所造成的生态用地的损失总量分别为:16873 km、5782 km、16157 km,而草地的损失数量分别达到了9212 km、2523 km、7799 km。(3)通过对补充耕地的空间区位进行配置,能够显著减少由于耕地补充造成的生态用地流失。仅从占用端优化,优化效果仅为0.0193,仅从补充端优化,优化效果达到了0.5621,而从占用和补充端同时优化,优化效果为0.5625,考虑到政策实施的成本,本研究建议重点进行耕地补充空间格局优化,选择山东省、河北省、河南省等土地质量高的地区补充耕地。

关键词：空间优化配置土地生产潜力 landscape模型耕地保护生态用地