基于空间决策的城镇空间与农业生产空间协调布局优化

科学划定城镇空间和农业生产空间的空间开发管制边界,是兼顾城市发展与粮食安全的重要举措.该文以鹰潭市中心城区为例,借助GIS平台进行建设开发适宜性评价和耕地综合质量评价.基于2个评价结果开展城镇空间和农业生产空间协调优化布局研究.通过城市发展方向预测、新增建设用地规模、基本农田保护面积和耕地国家利用等四方面修正,形成城市开发边界和基本农田保护红线初步方案.根据空间矛盾协调原则做出空间决策,优化协调城镇空间和农业生产空间布局.研究结果为:中心城区建设开发适宜性分值由高到低呈现出以中心城区中心为圆心的“圈层”式的空间分布,中心城区耕地综合质量高的耕地主要分布在西部和东部;综合建设用地重心移动分析、凸壳原理分析城市扩张模式、基础设施与产业布局分析得出中心城区北部的夏埠乡、志光镇和鸿塘镇是中心城区未来发展的重点方向;引入耕地国家利用等指标,将基本农田保护红线方案划分为可调区和不可调区,城市开发边界方案与耕地保护红线方案不可调区布局冲突的空间决策为调整城市开发边界,优先保障耕地.城市开发边界方案与耕地保护红线方案可调区布局冲突的空间决策为调整耕地保护红线,优先保障城市发展.     

基于空间决策模型的耕-果错位空间分析与协调布局优化

当前农业生产“空间错位、功能错乱”问题严重,优化耕地果园布局,实现耕地下山果树上山,对改善耕地质量、优化耕地空间布局具有重要意义。该研究以林果业为主导农业的江西省赣州市寻乌县为例,在耕-果空间错位矛盾下,以耕地质量评价为基础,耦合地形空间与地理学定义划定“山上山下”以识别耕-果错位空间,在矛盾优化原则下应用GIS技术构建空间决策模型协调优化果园与耕地的空间布局。研究表明：1）寻乌县耕地细碎,质量评价结果为Ⅰ级的耕地面积为2227.02 hm²,占总耕地面积的24.17%;Ⅴ级面积为671.70 hm²,占7.29%;地形空间划分的“山下”空间占24.06%,“山上”空间占48.19%。 2）以“山上山下”为分区标准,在耕地适宜性评价结果下初划耕地空间为保护区与拟调区,初划林果空间为宜耕区、宜果区与保留区,拟调区与宜耕区为耕-果发生错位的空间,耕地错位面积1221.77 hm²,果园错位面积5169.39 hm²。3）按矛盾协调原则在空间决策模型下优化耕-果错位空间,最终结果为1247.25 hm²的“山下”果园调为耕地,1221.77 hm²的“山上”耕地调整为果园。研究结果优化了耕-果空间布局,提高了耕地质量,可为当前“山上”换“山下”优化耕地布局工作提供参考与理论依据。     

城镇-农业-生态协调的高原湖泊流域土地利用优化

为了解高原湖泊流域土地利用布局现状,探究在"城镇-农业-生态"协调下的高原湖泊流域土地利用空间优化配置方案,该文以抚仙湖流域为例,基于3S技术,运用MCR-CLUE-S模型,研究流域城镇建设情景、农业开发情景、生态保护情景和综合优化情景4种模式下2030年国土空间的结构和布局,最终提出抚仙湖流域"城镇-农业-生态空间"协调下的土地利用空间优化分区。结果表明:1)2005、2010和2015年抚仙湖流域城镇空间呈上升趋势,农业空间呈下降趋势,生态空间先升后降,10 a间空间分布格局基本一致;2)以重要水源地、湖滨湿地和大面积自然林地为保护源,选取高程和坡度等8个阻力因子,采用最小累积阻力模型和累积耗费距离模型构建抚仙湖流域生态安全格局,以及有利于生态保护的"源"核心区、生态保护区、生态边缘区、农业开发区、农业边缘区和城镇建设区;3)以生态功能分区面积为约束条件,通过Markov模型结合CLUE-S模型模拟抚仙湖流域2030年城镇建设、农业开发和生态保护情景下"城镇-农业-生态空间"的优化布局。城镇建设情景综合考虑生活需要以及政策指导下以开发城镇空间为主导的"城镇-农业-生态空间"数量及空间结构的发展方向;农业开发情景控制城镇空间规模,开发部分生态空间潜力;生态保护情景下农业空间面积有所减少,城镇空间面积少量增加;4)抚仙湖流域2030年综合优化情景模式下,根据土地功能的不同,划为城镇空间、农业空间、生态空间、城镇-农业空间、城镇-生态空间、农业-生态空间和城镇-农业-生态空间,其中农业-生态空间最小,生态空间最大;5)通过分析4种情景下区域发展的特点,结合抚仙湖流域耕地保护、生态保护和经济社会发展等多种因素,认为综合情景方案更合理并更适合当地的发展,其他3种单要素情景方案可为综合情景方案的实施进行相关的补充和调整。研究结果可为抚仙湖流域国土空间规划和生态保护战略决策提供参考依据。     

基于“双评价”约束和PLUS模型的三重城镇开发边界划定

为解决城镇快速发展带来的用地矛盾和建设用地无序蔓延等问题,该研究以咸阳市为例,基于 “双评价”技术方法划定城镇建设适宜区与不适宜区作为约束条件,在此基础上,引入PLUS模型模拟咸阳市2040年土地利用变化情况,最终划定并修正相对应的三重城镇开发边界。结果表明：1）咸阳市南部以城镇发展和农业生产为主,北部以生态保护为主,城镇建设适宜区面积为1 368.98 km²,不适宜区面积为3853.04 km²。2）PLUS模型模拟得到2040年城镇建设用地面积为133.86 km²,与未加约束的自然发展情景相比,未利用地面积明显减少,耕地、林地、建设用地等面积均有增加,有利于实现土地的高效利用。3）划定除城镇建设不适宜区外的底线城镇开发边界、由城镇建设适宜区构成的备用城镇开发边界、以及将2040年城镇建设用地作为范围的优先城镇开发边界面积分别为3863.39、852.28和134.84 km²。该方法划定的城镇开发边界能够满足城镇动态发展的需要,有利于解决城镇发展、耕地保护、生态保护之间的矛盾,并为规划实践提供方法参考和决策依据。     

基于“三生空间”协调的农村居民点布局优化研究

开展农村居民点布局优化研究,对集约利用土地资源、重塑村落景观格局具有重要的现实意义。选取典型丘陵区重庆市荣昌区河包镇为研究区,以农村居民点“共生斑块”为研究单元,基于“三生空间”协调理念,研究了农村居民点布局优化的策略和方向。结果表明:（1）基于共生关系建立农村居民点“共生斑块”更加符合丘陵区的实际情况。将研究区相距50 m以内的农村居民点斑块进行合并处理后,其数量由2 584个减少到1 047个,实现了具有共生关系的农村居民点斑块一体化。（2）依据“三生空间”协调理念,对农村居民点“共生斑块”等级进行评价,其在空间上呈现出由内向外的差序格局,根据斑块等级、斑块规模、三生空间协调度、城镇规划,采取“城镇化、重点建设、规模管控、迁移合并”的差异化布局优化策略。（3）将重点建设型居民点中的优势斑块作为发生元,生成加权Voronoi图,可指导全镇农村居民点空间格局趋于合理化。研究认为,“三生空间”协调理念与空间分析工具的有机结合,既完成了农村居民点布局优化,又维持了其空间结构的稳定,有助于实现乡村转型与乡土文化传承。     

基于粒子群算法的城镇土地利用空间优化模型

土地利用结构优化是土地资源优化配置的核心,包括数量结构优化和空间结构优化。针对传统的优化模型如线性规划、多目标、灰色系统和景观生态等不能实现土地数量结构和空间结构的有效统一,在研究现有智能优化模型如元胞自动机、遗传算法的基础上,采用近年来新兴的粒子群优化算法,利用其空间飞行搜索特性和较强的全局优化能力,构建了基于粒子群算法的土地利用空间优化模型。研究表明,该模型能利用粒子的群体空间分布模拟土地利用空间格局,并能在多目标控制下进行全局优化处理,实现土地利用数量结构和空间结构的有效统一。     

基于PLUS和InVEST模型的安徽省碳储量演化分析与预测

为探讨安徽省土地利用变化对碳储量的影响,揭示碳储量时空演化特征和未来变化趋势,通过耦合InVEST模型碳储存模块和PLUS模型,分析1990—2018年安徽省土地利用类型和碳储量时空演化特征,并从自然发展和生态保护情景预测2034年、2050年安徽省碳储量变化趋势。结果表明：安徽省1990年、2000年、2010年、2018年的碳储量分别为1 218.37×10⁶,1 215.65×10⁶,1 211.39×10⁶,1 206.18×10⁶ t,呈现逐年减少趋势,主要由于耕地、林地被侵占。此外,省内土地利用类型空间差异显著,碳储量整体表现为“皖南较高、皖北皖中较低”的空间分布特征。不同情景预测表明,自然发展情景下,安徽省2034年和2050年的碳储量分别为1 197.93×10⁶,1 196.08×10⁶ t;生态保护情景下,其碳储量分别为1 202.89×10⁶,1 200.37×10⁶ t。与自然发展情景相比...     

基于PLUS与InVEST模型的内蒙古自治区土地利用变化及碳储量评估

为实现内蒙古自治区的“双碳”目标。根据内蒙古自治区2000年、2010年和2020年土地利用数据(LULC),按照内蒙古自治区“十四五”政策规划,建立自然发展、耕地保护与生态保护3种情景,利用PLUS模型对内蒙古自治区2030年土地利用空间分布进行预测分析,并用InVEST模型对内蒙古自治区不同开发情景下碳储量的变化进行分析。结果表明：(1)2000—2020年间内蒙古地区林地与建设用地面积均有增加,耕地、水域、草地与未利用地面积均呈减少态势,且转移方向上主要表现为耕地转为建设用地。(2)自然发展状态下,草地、耕地、水域及未利用地呈下降趋势,林地及建设用地呈上升趋势;在生态保护状态下,林地、草地和水域面积均比自然开发情景有所增加;耕地保护情景下,耕地面积相较于自然发展情景呈扩张趋势,扩张面积达4.69×10⁴ hm²。(3)2000年、2010年、2020年内蒙古地区碳储量分别达到1.371 7×10¹⁰,1.370 9×10¹⁰,1.370 6×10¹⁰ t,呈逐年减少趋势。...     

基于生态承载力的国土空间开发布局方法研究

为揭示城市生态承载力空间特征,探讨国土空间开发格局优化方法,该文以湖北省鄂州市为例,构建"资源环境承载力-生态弹性力-社会经济协调力"生态承载力综合评价模型,采用状态空间法在市域范围进行生态承载力综合评价,利用三维魔方法设计生态承载力综合评价与国土空间开发格局的关联模型,结合生态承载力的空间分异特征与评价单元主体功能分区结果进行国土空间开发布局分析。结果表明:1)生态承载力综合评价指数最大值为0.233 8,位于梁子镇,最小值为0.050 9,位于临江乡。受到资源环境本底和社会经济投入条件影响,研究区生态承载力较高地区主要分布在西南沿湖一带,北部相对较低,总体呈现南高北低的空间分异格局。2)国土空间格局划为城市经济核心区、城市经济拓展区、农业生产区、生态功能涵养区四大功能区域和一类禁止开发区域,能够较好地反映生态承载力综合指数的空间分异特征。结果能够为国土空间开发格局优化理论与实践提供科学依据和实证基础。     

基于空间组合特征的农村居民点布局优化研究

为了科学划分农村居民点类型,有针对性地指导新农村建设中的农村居民点布局优化问题,该文以宜春市袁州区彬江镇为例,采用最小阻力模型、场强模型等方法,基于多种空间分析结果和组合特征,对农村居民点类型进行划分,并根据不同农村居民点类型的特点,有针对性地制定相应的空间布局优化策略。研究结果表明:彬江镇中部与北部综合阻力较低,南部阻力较高;结节性指数较高的区域主要分布于中部和北部;场强较高的区域主要分布于北部城镇周边;通过对以上研究结果整合,将彬江镇农村居民点划分为城镇扩张型、快速发展型、控制发展型和迁移合并型,根据不同农村居民点类型的特点,提出了不同的布局优化策略和发展建议。该研究结果可为新农村建设背景下的农村居民点规划发展提供依据。     

基于"三线"统筹的省域永久基本农田布局优化规则与实证研究

统筹永久基本农田保护红线、生态保护红线、城镇开发边界来优化永久基本农田空间布局能够更好地保住优质耕地资源、保障国家粮食安全。该研究应用文献研究法和归纳总结法,系统梳理了永久基本农田保护红线、生态保护红线 、城镇开发边界（以下简称"三线"）划定的政策法规,建立了"三线"统筹下的省域永久基本农田布局优化规则,并以广西壮族自治区为例进行了验证。结果表明：1）选择耕地国家利用等和集中连片程度进行了永久基本农田"三线"统筹划定,退出了生态保护红线核心区内所有永久基本农田7 413.46 hm2,并将5 073.05 hm2优质连片的永久基本农田以"开天窗"的形式保留在了生态保护红线一般区和城镇开发边界内;2）广西全区退出永久基本农田1 426 540.77 hm2,主要是标注为工程恢复和未标注的非耕地,补划了永久基本农田525 614.37 hm2,主要是生态保护红线和城镇开发边界外优质连片的耕地,布局优化后的永久基本农田保护率高达85.62%;3）布局优化后的永久基本农田全为耕地且与生态保护红线、城镇开发边界之间无交叉重叠,集中连片的永久基本农田达到95.08%,无重度和极重度污染损毁、石漠化和25°以上坡耕地,永久基本农田国家利用等提高了0.06等。建立的永久基本农田布局优化规则实现了"保护优先、布局优化、优近劣出、质量提升、三线统筹"的目标,能够为各省份指导市县统筹三条控制线划定永久基本农田保护红线提供思路借鉴。     

多尺度行政区平衡视角下耕地空间布局优化

优化耕地空间布局对提升耕地生产能力、促进农业可持续发展具有重要意义。该研究以广东封开县为例,基于“现状耕地调出-可恢复地类调入”的微观调整逻辑,综合运用空间叠加、综合评价及蚁群优化算法,构建了耕地空间布局调整模型,以调入调出数量平衡为约束条件实现了不同行政区尺度下的耕地布局优化。结果表明：1）研究区共调出耕地1 689.89 hm²,占耕地总面积的7.62%,整体上呈现出“全局零散、局部聚集”的分布特征。2）研究区可恢复地类农业生产适宜性均值为67.04,具有开展作物种植的良好禀赋条件。3）不同行政区尺度平衡情景下,调入结果在研究区北部空间差异显著,与镇内平衡情景相比,县内平衡情景下,调入耕地的农业生产适宜性均值提高了2.08,综合生态系统服务均值下降了0.67。4）两种情景下,耕地的连片性、质量及稳定性均得到提升,因不受调入规模和行政单元空间范围限制,县内平衡情景下的提升效果更加明显,适当扩大可恢复地类筛选范围有利于提升整体耕地质量并降低重要生态用地筛选概率。该研究构建的耕地空间布局调整模型具有良好的适用性,可为制定农用地布局优化与整治提升方案提供参考依据。     

黄河中上游区土地使用结构与布局复合优化

黄河中上游地区生态环境脆弱,空间发展问题突出,探索该区域土地使用结构和布局优化配置是实现黄河流域生态保护和高质量发展的有效途径。该研究以黄河中上游地区为研究对象,基于该区域土地使用、社会经济等数据,运用多目标规划（multi-objective programming, MOP）和PLUS模型模拟了惯性发展、生态保护、经济优先和生态-经济均衡4种情景下研究区未来土地格局和变化趋势,并在平衡生态与经济的目标下提出最优土地使用结构和布局方案。结果表明：1）4种情景下,土地使用比例结构存在较大差异;2）均衡情景下的区域土地使用结构和空间布局方案为最优,其综合效益值最高且达到19481.01亿元,与生态保护情景相比其经济效益（12223.88亿元）增长了4.03%,与经济优先情景相比其生态价值（77257.12亿元）增长了2.32%;3）经济优先情景下综合效益值为20273.96亿元,是4种情景下最高的。研究可为黄河中上游区域未来土地使用规划编制和土地可持续利用规划提供依据。     

基于最小累计阻力模型的生态用地空间布局优化

综合分析生态用地保护重要性与建设用地扩张的经济潜力、耕地保护的政策约束,协调社会经济发展与生态保护的矛盾。运用景观安全格局分析方法,结合最小累计阻力模型,从水资源安全、生物多样性保护、灾害防护和景观游憩4个层面,采用累计修正求和的方式构成高明区重要生态用地空间。其次,以核心型生态用地为生态保护的源,以生态系统服务功能和生态价值当量作为生态保护的阻力,以基本农田保护区作为来自农业生产的阻力,以建设用地开发经济适宜性作为来自建设用地扩张的阻力,综合考虑三者间的平衡。结果表明,综合3种过程的生态重要性分区结果从数量上和空间分布上均与实际情况和规划目标吻合度较高,生态核心区和控制区为实施生态空间保护提供重要依据。     

Integrating socio‐economic and biophysical assessments using a land use allocation model

This work is devoted to bridging the gap between large‐area, economically driven macromodels such as the Canadian Regional Agriculture Model (CRAM) and small‐area biophysically based process models used in environmental assessments through the development of a Land Use Allocation Model (LUAM). LUAM is designed to enable environmental assessments of economic scenarios to be conducted by allocating crop area changes predicted for large areas by CRAM to much smaller Soil Landscapes of Canada (SLC) polygons through an optimization method based on land capability, relative crop productivity and current land use. To develop the procedures, we used linear programming to optimize crop production for large areas under current commodity prices and land productivity ratings and then allocated the results to much smaller soil‐landscape polygons based on land capability. To assess the validity of our prototype LUAM, we compared the predicted crop areas with actual crop data from the Census of Agriculture using the method of cumulative residuals (MCR). We concluded that this version of the LUAM model can predict the location of land use to some extent, but requires further refinement. The potential for further development of LUAM using the Land Suitability Rating System (LSRS) is discussed.     

基于PLUS和InVEST模型的合肥市生态系统碳储量时空演变特征

[目的]为寻求“双碳”目标导向下的合肥市城市发展新方案。[方法]依据合肥市2000—2020年5期土地利用数据,在合肥市国土空间规划指引下,运用PLUS模型模拟得到2035年合肥市土地利用时空演变规律,耦合InVEST模型探究多情景下合肥市碳储量时空变化特征,并进一步挖掘土地综合利用程度对碳储量的影响。[结果](1)2000—2020年合肥市土地利用变化特征主要表现为耕地、林地减少,其中耕地为建设用地扩增主要来源。自然发展和农田资源保护情景的土地变化规律大致相同,主要表现为耕地、林地、水体减少;绿色汇增城市发展情景下,林地相比其余2个情景面积由减少转为增加。(2)2000—2020年合肥市碳储量逐年递减,其中2005—2010年碳损失最为剧烈。到2035年,自然发展情景、农田资源保护情景、绿色汇增城市发展情景碳储量分别为138.96×10⁶,140.13×10⁶,139.81×10⁶ t。农田资源保护情景下,碳储量明显增加区域最低,建设用地扩张减缓;绿色汇增城市发展情景下,林地由碳损失转为碳固持,是最具固碳潜力的发展趋势...