多情景下的土地利用模拟与特征分析：以武汉市为例_常铭鑫.pdf

第42卷 第4期2023年 7月华中农业大学学报Journal of Huazhong Agricultural UniversityVol.42 No.4July 2023，7485多情景下的土地利用模拟与特征分析：以武汉市为例常铭鑫1，曾晨1，解鹏2，刘述密11.华中农业大学公共管理学院/华中农业大学国土空间治理与绿色发展研究中心，武汉 430070；2.山东理工大学建筑工程学院，淄博 255000摘要 为寻求国土空间最优碳减排路径，实现低碳绿色型国土空间格局优化，以武汉市作为案例区，采用线性规划与Markov模型，形成不同情景下武汉市2035年土地利用结构，将空间自相关效应融入到元胞自动机模型，模拟不同用地结构下的土地利用空间布局，分析未来不同用地结构与空间布局下的碳排放，提出低碳土地利用模式。结果显示：自然发展情景和经济优先情景下，建设用地和耕地面积有明显变动，总碳排放量分别增加8.25%和29.06%；低碳导向情景下，建设用地增速放缓，林地明显增加，总碳排放量增加5.46%。从空间形态上来看，自然发展和经济优先情景下的建设用地围绕中心城区向外扩张态势明显，远城区零散建设用地逐步合并；低碳导向情景下建设用地增加受限，远城区林地增加明显，多生态绿楔和生态廊道的全域生态框架逐步成型。以上结果表明，不同情景下的模拟结果均能表现不同发展策略对武汉市国土空间格局的影响，强调经济效益最大化的经济优先情景碳排放情况不容乐观，融入低碳理念的国土空间开发与保护新格局能够在实现绿色减碳目标的同时兼顾经济增长速度。关键词 碳排放；国土空间优化；土地利用；情景模拟中图分类号 F301.0；X171.1 文献标识码 A 文章编号 1000-2421（2023）04-0074-1220世纪以来，全球经济持续增长，工业化、城市化进程加快，大气含碳温室气体排放量持续增加，气候环境问题日益突出。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第6次评估报告指出，气候变化是100多年以来不可持续的能源和土地利用、生活方式以及消费和生产模式导致的结果，加快采取相关气候行动，对于减缓和适应气候变化影响，实现可持续发展至关重要1。土地既是森林等主要碳汇地类的自然载体，也是人类生产活动的碳源载体，气候变化背景下土地利用视角的碳排放和吸收估算对于探索低碳导向的自然资源管理与国土空间治理模式非常重要2-5。2021年9月，中共中央国务院联合发布 关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见，指出应强化绿色低碳发展规划引领，优化绿色低碳发展区域布局，构建有利于碳达峰、碳中和的国土空间开发保护新格局。近年来，我国快速城镇化和工业化进程导致土地利用剧烈变化，城镇建设用地无序扩张和生态空间的快速退化显著增加了我国碳排放量6，构建低碳型国土空间格局，制定碳减排策略对实现“双碳”目标，增强适应气候变化能力具有重要现实意义。土地利用变化与碳排放的相关议题已经受到国内外学者的广泛关注，相关研究主要有碳源碳汇现状分析7、土地利用变化碳排放影响机制 8-9、土地利用碳排放量预测10等方面，特别是将碳源碳汇核算与土地利用结构预测和空间布局模拟相结合的研究，正逐渐成为当前研究热点问题。在土地利用结构预测方面，情景设置、目标函数与约束条件体系构建是用地结构预测的重要内容。由于线性规划、多目标规划和Markov等数理模型具有建模简单、目标明确、算法稳定、易于实现等优点11，相关学者基于此类数理模型进行了大量不同情景下用地数量结构预测研究。其中，不同情景的设置与线性规划模型收稿日期：2023 03 08基金项目：国家自然科学基金项目（42171262；42211530079）；华中农业大学自主创新基金项目（2662021JC002）；中国人民大学教育基金会林增杰土地科学发展基金优秀学术论文资助项目（2022）常铭鑫，E-mail：通信作者：曾晨，E-mail：常铭鑫，曾晨，解鹏，等.多情景下的土地利用模拟与特征分析：以武汉市为例 J.华中农业大学学报，2023，42（4）：7485.DOI：10.13300/ki.hnlkxb.2023.04.009不同效益目标权重的差异化设置往往有较强的关联性12，随着模型的广泛应用，研究涉及的未来发展情景虽不断丰富，但主要优化目标仍集中于经济效益和生态效益目标13。在约束条件设置方面，初期研究主要聚焦于较基础的土地利用宏观控制约束，随着不同发展导向与政策要求的实行与提出，相关研究逐步向纳入新时期多维约束条件变化以适应最新发展要求，但部分研究仍存在土地利用规划数值宏观约束设置科学性不足、与规划文本关联性较弱等情况14，难以准确、合理地实现未来用地数量结构的预测。在土地利用空间优化模拟方面，诸多学者围绕模型优化、模拟对象与模拟情景完善等方面开展了大量研究。在模型优化方面，传统元胞自动机（CA）模型由于在空间模拟上的独特优势成为后续许多空间模拟模型的基础，众多学者基于不同的转换规则挖掘模型（如Logistic回归15、人工神经网络ANN16等）与 模 拟 思 路，开 发 了 FLUS 16、SLEUTH17、CLUE-S 18等模型对国土空间格局进行模拟，这些模型集中于约束条件设计以及影响因子及其智能获取方法、改进元胞自动机的模拟效果19，但忽略了区域内部可能存在的一些空间关联效应，模型模拟精度有进一步改善的空间。模型优化的另一重要方面是地类转换驱动因子的选择，驱动因子涵盖层面的广度和数量的提升能较明显改善模型模拟精度，目前已形成了较完善的驱动因子体系，主要涵盖自然地形、社会经济、交通区位等方面12，16。在模拟对象与模拟情景完善方面，已有研究逐步从建设用地、耕地等单一地类向全要素国土空间预测模拟演进，模拟优化也由单一的自然发展情景，向涵盖耕地保护情景、生态优先情景、资源保护情景的对比研究发展12，15，17 。总体而言，过去在土地利用与碳排放的关联机制与测算评估、土地利用格局模拟预测与优化研究等领域成果较为丰富，但与减排增汇相关的研究多聚焦于土地利用视角下碳排放现状的评估与影响机制分析，看重经济与生态效益目标和宏观约束条件，仍存在发展目标考虑不全面、数量结构约束单一、模型模拟精度有待提升等问题。在我国各级国土空间规划的制定和实施过程中，如何在市域尺度上将“双碳”战略目标有机结合到国土空间格局构建中，寻求国土空间最优碳减排路径，实现低碳绿色型国土空间格局的优化有待进一步探索。因此，本研究聚焦“双碳背景下市域尺度的低碳国土空间格局构建”问题，以“提出问题-定性分析-定量预测-特征分析”为研究主线，选取武汉市为案例研究区，在充分分析武汉市规划文本与图件的基础上，通过产业与用地空间匹配关系核算 2020 年各类用地碳排放系数，设置碳减排目标、经济发展目标和多种约束，预测2035年土地利用结构，基于纳入空间自相关效应的元胞自动机模型进行土地利用空间布局模拟，并对比不同发展情景下碳排放差异，以期为低碳国土空间格局构建提供对策建议。1研究方法与数据来源1.1研究区域与数据来源武汉市是中国中部特大城市、国家中心城市和副省级城市，也是国家“低碳城市”试点以及“两型社会”改革试点区域（图1）。全市下辖13个区，总面积8 569.15 km2，截至2021年，常住人口1 364.89万人，城镇化率84.56%。2022年，武汉市地区生产总值达18 866.43亿元。经济快速发展背景下，武汉市建设用地迅速扩张，加剧了耕地资源和大量生态用地的流失，导致区域控碳减排压力不断增加。在“双碳”目标下，武汉市承担着中部绿色崛起和长江经济带绿色发展两大国家级战略的重要使命，并在推动自身及周边城市绿色低碳道路发展上的作用日益突出。因此，本研究选择武汉市作为案例研究区，图 1 研究区域Fig.1 Research area第 4 期常铭鑫 等：多情景下的土地利用模拟与特征分析：以武汉市为例不同效益目标权重的差异化设置往往有较强的关联性12，随着模型的广泛应用，研究涉及的未来发展情景虽不断丰富，但主要优化目标仍集中于经济效益和生态效益目标13。在约束条件设置方面，初期研究主要聚焦于较基础的土地利用宏观控制约束，随着不同发展导向与政策要求的实行与提出，相关研究逐步向纳入新时期多维约束条件变化以适应最新发展要求，但部分研究仍存在土地利用规划数值宏观约束设置科学性不足、与规划文本关联性较弱等情况14，难以准确、合理地实现未来用地数量结构的预测。在土地利用空间优化模拟方面，诸多学者围绕模型优化、模拟对象与模拟情景完善等方面开展了大量研究。在模型优化方面，传统元胞自动机（CA）模型由于在空间模拟上的独特优势成为后续许多空间模拟模型的基础，众多学者基于不同的转换规则挖掘模型（如Logistic回归15、人工神经网络ANN16等）与 模 拟 思 路，开 发 了 FLUS 16、SLEUTH17、CLUE-S 18等模型对国土空间格局进行模拟，这些模型集中于约束条件设计以及影响因子及其智能获取方法、改进元胞自动机的模拟效果19，但忽略了区域内部可能存在的一些空间关联效应，模型模拟精度有进一步改善的空间。模型优化的另一重要方面是地类转换驱动因子的选择，驱动因子涵盖层面的广度和数量的提升能较明显改善模型模拟精度，目前已形成了较完善的驱动因子体系，主要涵盖自然地形、社会经济、交通区位等方面12，16。在模拟对象与模拟情景完善方面，已有研究逐步从建设用地、耕地等单一地类向全要素国土空间预测模拟演进，模拟优化也由单一的自然发展情景，向涵盖耕地保护情景、生态优先情景、资源保护情景的对比研究发展12，15，17 。总体而言，过去在土地利用与碳排放的关联机制与测算评估、土地利用格局模拟预测与优化研究等领域成果较为丰富，但与减排增汇相关的研究多聚焦于土地利用视角下碳排放现状的评估与影响机制分析，看重经济与生态效益目标和宏观约束条件，仍存在发展目标考虑不全面、数量结构约束单一、模型模拟精度有待提升等问题。在我国各级国土空间规划的制定和实施过程中，如何在市域尺度上将“双碳”战略目标有机结合到国土空间格局构建中，寻求国土空间最优碳减排路径，实现低碳绿色型国土空间格局的优化有待进一步探索。因此，本研究聚焦“双碳背景下市域尺度的低碳国土空间格局构建”问题，以“提出问题-定性分析-定量预测-特征分析”为研究主线，选取武汉市为案例研究区，在充分分析武汉市规划文本与图件的基础上，通过产业与用地空间匹配关系核算 2020 年各类用地碳排放系数，设置碳减排目标、经济发展目标和多种约束，预测2035年土地利用结构，基于纳入空间自相关效应的元胞自动机模型进行土地利用空间布局模拟，并对比不同发展情景下碳排放差异，以期为低碳国土空间格局构建提供对策建议。1研究方法与数据来源1.1研究区域与数据来源武汉市是中国中部特大城市、国家中心城市和副省级城市，也是国家“低碳城市”试点以及“两型社会”改革试点区域（图1）。全市下辖13个区，总面积8 569.15 km2，截至2021年，常住人口1 364.89万人，城镇化率84.56%。2022年，武汉市地区生产总值达18 866.43亿元。经济快速发展背景下，武汉市建设用地迅速扩张，加剧了耕地资源和大量生态用地的流失，导致区域控碳减排压力不断增加。在“双碳”目标下，武汉市承担着中部绿色崛起和长江经济带绿色发展两大国家级战略的重要使命，并在推动自身及周边城市绿色低碳道路发展上的作用日益突出。因此，本研究选择武汉市作为案例研究区，图 1 研究区域Fig.1 Research area75第 42 卷 华 中 农 业 大 学 学 报探讨武汉市碳减排目标下的国土空间格局优化方案。研究采用的主要数据包括中国城市温室气体工作平台（CCG）所提供的中国城市二氧化碳排放数据集以及武汉市土地利用数据，同时还包括多时段的自然地理和社会经济数据，具体数据说明如表 1所示。既有数据已更新至可获取和实验需求的最佳年份，数据处理基于ArcGIS