顾及生态安全的土地利用与覆被变化多情景模拟：以长株潭都市圈为例（文章解读）_土地利用情景模拟

文章导读

自21世纪以来，迅速的城市扩张与蔓延成为我国社会经济发展的显著特征之一，导致土地利用/覆被发生剧烈变化，对区域水文循环、土地质量、气候变化、生物多样性等具有重要影响，严重制约了未来国土空间可持续开发与保护。党的二十大指出，“优化国土空间发展格局，推进新型城镇化”，而土地利用格局作为国土空间发展格局的时空载体，是优化国土资源空间目标的核心内容。因此，有效刻画与优化未来土地利用格局演变趋势有利于国土空间配置优化，对实现和谐的人地关系与生态文明建设具有重要参考意义。

早期模拟优化未来土地利用格局的模型可大致分为数理和空间视角，前者多侧重模拟变化的数量与速度，较少关注空间过程，如多目标规划、灰色系统模型、系统动力学（SD）和马尔可夫（Markov）。元胞自动机（CA）由于在空间建模和并行计算方面的强大功能，已成为众多学者广泛开发与应用的空间模型之一。单个模型尽管有其优点，但当面向繁杂因素影响下的土地转化机制时仍有力不从心之处。CA–Markov作为一种典型耦合模型，被普遍用于分析未来土地利用/覆盖演变过程，原因在于其高效汲取CA和Markov方法的空间模拟与时间序列预测的优势。为更好确立土地变化建模中的转换规则，许多学者开发了一系列基于CA的模型与算法，例如多标准评价、逻辑回归、多层感知神经网络、GEOMOD、SLEUTH模型、CLUE系列模型、FLUS模型等。然而，多数模型在探测土地变化驱动因素和判别多类型斑块演化规律上存在欠缺。梁讯等开发一种斑块生成土地利用模拟（PLUS）模型，改良FLUS模型中的自适应惯性和轮盘竞争机制，并耦合随机森林分类算法模型识别土地转换规律。有研究表明PLUS模型较于以往模型，可处理驱动力因素之间的多重共线性问题且准确地模拟土地利用时空格局。

图1 研究框架

伴随着我国生态文明建设的推动与重要生态系统保护和修复重大工程的实施，有学者从生态保护视角，在建模过程中考虑自然保护区、生物栖息地、生态红线和生态系统服务良好区域等作为生态环境约束条件，以期为缓解和规避未来土地变化对生态环境的潜在影响提供科学依据。但是，这些举措仍值得进一步探讨。一方面，以往生态限制因子中生态斑块处于失联孤立状况，并未构成生态网络体系。另一方面，现有研究所应用的生态约束条件多较为单一，无法与多情景下的土地需求相匹配。当前，构建区域生态安全格局既是强化有利的生态过程、控制城镇肆意蔓延，更是维护地区生态安全与保障公众福祉的基本措施。生态走廊作为生态安全格局中的带状区域，是连通物质、能量与信息流等生态过程的核心通道，尤其对物种迁移与扩散至关重要。因此，在生态情境下亟需改观现有土地变化建模中生态约束模式，借助生态安全格局视角从生态斑块相互联通的角度，采用生态源地与廊道等生态区共同作为生态限制因素探寻与优化未来土地利用格局。关于国土利用格局优化的研究多集中在城市群、市、县等行政区域范围，结合未来土地利用演化与生态安全格局，探讨以都市圈为对象的协调平衡生态安全与城镇发展的研究还尚不多见，如何在耦合生态网络相互连通性影响因素，诊断未来城镇增长对生态区的环境影响，构建适用于生态安全视阈下都市圈国土空间格局优化技术路径，是亟需探究的重要方向。

图2 多层次生态安全格局与情景匹配

在国家经济社会发展转型背景下，都市圈在国家战略实施的政策地位不断提升，逐渐成为区域高质量发展的重要载体。2022年4月，国家发改委发布《长株潭都市圈发展规划》（以下简称“规划”）正式批复，标志着我国中部地区第一个国家级都市圈诞生。近几十年，长株潭都市圈乡村人口涌入城市，建设用地需求持续上升，致使优质农用地与生态资源被侵占，引发土地退化、耕地流失、水资源污染等一系列问题，给该都市圈未来国土空间可持续发展带来挑战。受国内外多重因素影响，疫情对地区生产与产业链造成冲击，经济新的下行压力加大。另外，都市圈内部发展不平衡不充分，在产业结构、公众设施、环境保护、市场体系等方面的一体化同城化水平亟需提升。在符合生态文明建设与新型城镇化推进的要求下，社会经济高质量发展仍旧是长株潭都市圈的内在需要。《规划》中生态绿心作为当前国内大型城市绿心，地处圈内中心，对维持都市圈生态功能和提升居民生活质量发挥着重要作用，却面临圈内城乡设施建设蚕食的风险。因此，迫切需要从生态安全视阈下探索该圈未来土地利用变化趋势及其优化路径。

研究结果表明，识别都市圈内61处生态源地、46条生态廊道，研究区多以林地、耕地类型分布，生态资源基底丰富，但未来建设用地将持续扩张，造成生态用地面临萎缩风险。

图4 MSPA景观类型结构与阻力面及其生态安全格局

图5 不同情境下2050年长株潭都市圈土地利用空间分布格局

通过对比情景，优先保护生态情景可有效维护生态安全，缓解景观破碎化加剧，减少林地与耕地流失。此外，平衡发展与保护情景能够在生态网络限制保护条件下，一定程度上实现地区城镇拓展，对协调都市圈城市扩张与生态文明建设具有重要意义。未来该区须持续推进生态环境共保共治一体化建设，加强规划引导、政策约束，保障都市圈及其生态绿心生态安全。

图6 2000~2050年间长株潭都市圈不同情境景观指数变化动态（HT：历史趋势情景；UG：城镇增长情景；EC：生态保护情景；CCE：协调城镇增长与生态保护情景）

以上内容来自：Scenario Simulation of Land Use and Cover under Safeguarding Ecological Security: A Case Study of Chang-Zhu-Tan Metropolitan Area, China. Forests 2023, 14(11): 2131-2152.

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