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论文信息
标题: Simulating land use change for sustainable land management in rapid urbanization regions: a case study of the Yangtze River Delta region
期刊：Landscape Ecology
卷号：Volume38,Pages1807-1830(2023)
作者：Zhang, Z., Wang, X., Zhang, Y. et al.
DOI:https://doi.org/10.1007/s10980-023-01657-3
总结：本文基于一个新提出的斑块生成土地利用模拟模型来确定关键驱动因素，并模拟YRDR中多种开发场景下的未来土地利用变化。此外，本文还分析了2000年至2050年长江三角洲土地利用动态的演变过程。
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文章摘要
摘要：引言：中国快速的城市化进程导致了城市扩张与耕地和生态用地保护之间的土地利用冲突，也威胁到了土地资源的可持续利用和区域可持续发展。然而，目前解决这些冲突的土地管理政策大多侧重于短期经济效益，而忽视了土地管理的可持续。
目标：提出可持续性的土地管理策略，以平衡长江三角洲地区城市扩张、耕地保护和生态保护之间的协调关系。
方法：本文基于一个新提出的斑块生成土地利用模拟模型来确定关键驱动因素，并模拟YRDR中多种开发场景下的未来土地利用变化。此外，本文还分析了2000年至2050年长江三角洲土地利用动态的演变过程。
结果：预计未来城市扩张在不同地形条件下和不同经济发展区域之间的空间分布不均，这表明应更多地考虑地理区域和经济欠发达区域，以满足未来城市建设用地的需求。此外，驱动因素分析表面，政府应采取措施将人口引导到经济欠发达地区，而新发展地区的政府应首先关注扩大当地的公路网。
结论：将未来土地利用模拟与驱动力和土地利用演变过程分析相结合的方法，可以缓解或消除土地利用冲突，以实现快速城市化地区的可持续性土地管理。
Keywords : Land use change; Land use simulation;Urban expansion; Spatiotemporal dynamics; Driving factor; Yangtze River Delta
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文章引言
长江三角洲地区（YRDR）是中国最现代化的地区之一，经历了快速的城市化和工业化。然而，由于过去几十年来城市的快速扩张，长江三角洲地区的土地利用变化变得越来越严重。缓解土地利用冲突，特别是防止优质耕地被占用，防止生态环境继续恶化。耕地保护战略，如《基本农田保护条例》和《高标准农田建设通则》，以及生态修复工程，如退耕还林工程，已陆续制定。
此外，长江三角洲地区全面实施了国土空间规划方案，通过约束城市发展规模和加强对永久基本农田和生态控制线的保护来缓解土地利用冲突。
因此，本研究侧重于通过使用土地利用模拟模型来缓解或消除土地利用冲突，以实现土地的可持续管理，旨在为长江三角洲地区提出合适的土地利用政策，这对权衡城市、生态和耕地之间的关系具有重要意义。显示了PLUS模型作为未来土地利用管理规划工具的潜力。
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研究方法
3.1 研究区域和数据来源
长江三角洲由上海市、江苏省、浙江省和安徽省组成，位于中国东部沿海，濒临东海。
该地区是中国四大城市的所在地：上海（中国四大市之一）、南京（江苏省省会）、杭州（浙江省省会）和合肥（安徽省省会）。长江三角洲地区共有41个地级市由这三个省和一个市管辖。
3.2 土地利用模拟模型
本研究利用一种新提出的斑块生成土地利用模拟（PLUS）模型，即一种改进的细胞自动机模型，来确定关键驱动因素，并模拟和预测土地利用变化。
PLUS模型是基于土地扩张分析策略的规则挖掘框架和基于多类型随机补丁种子的元胞自动机模型。土地扩张分析策略扩展了传统的分析策略，包括了两个时期的土地利用图。提取每种土地利用类型的变化区域，随机生成采样点，用于训练数据挖掘算法，获得每种土地使用类型的转换规则。利用随机森林分类算法计算各个土地利用类型的发展概率，并量化每个土地利用类型与相应驱动因素之间的关系。
3.3 确定关键驱动因素
研究估PLUS模型使用随机森林分类算法来探索驱动因素，并揭示每种土地利用类型与相应驱动因素之间的关系。随机森林算法通过计算随机噪声引起的袋外（OOB）误差的变化来测量每个驱动因素的相对重要性，这被称为基于排列的测量（也称为精度的平均下降）方法。这种基于排列的测量方法可以估计在随机排列预测因子之后随机森林的预测精度（由OOB错误率测量）的降低。关键驱动因素的确定是通过比较相应驱动因素的相对重要性来进行的。
3.3 不同情景下的土地利用模拟
本研究采用PLUS模型分三个步骤对土地利用变化进行了模拟。
第一，对土地利用图、社会经济、气候和环境数据中提取的驱动因素和限制因素进行了相同程度的处理、坐标投影和空间分辨率，并将其用作输入数据。
第二，使用PLUS模型中包含土地扩张分析策略的模块来计算各个土地利用类型的发展概率以及每个潜在驱动因素的贡献。
第三，基于多类型随机补丁种子的元胞自动机模块正确设置参数，然后运行PLUS模型来模拟和预测土地利用变化。
为了更好地分析不同情景下未来土地利用变化的时空差异，建立了两个发展情景：可持续发展情景，以缓解长江三角洲地区城市扩张、耕地保护和生态保护之间的土地利用冲突，实现土地的可持续管理。土地保护的角度选择了基本农田区域，以满足中国加强高质量农田保护的发展目标。利用自然发展情景进行比较，在这种情景中，没有考虑生态和耕地保护的限制。
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研究结果
4.1 模型精度检验
根据2000年和2010年的土地利用图，在自然发展（基于惯性的发展，或照常经营）和可持续发展情景下，模拟了YRDR中2020年的土地使用，然后根据模拟结果和2020年的实际土地利用图计算了混淆矩阵。
在可持续发展情景下，所有土地利用类型的总体准确度、kappa系数和FoM分别为88.3%、0.819和0.425，在自然发展情景下这三个指数分别为83.5%、0.747和0.284。
结果表明，在可持续发展情景下，模拟精度较高。此外，与自然发展情景相比，可持续发展情景下的模拟精度显著提高，表明可持续发展情景的模拟结果比自然发展情景下更真实。
两种发展情景下2020年实际和模拟土地利用图的空间格局如图所示2。模拟的增长与实际土地利用图中的增长高度匹配，表明PLUS模型成功地产生了符合实际的发展模式。
Fig. 2 Comparison of the actual land use and simulated land use under the two development scenarios for 2020.
4.2 城市扩张的驱动因素
对可持续发展情景下的土地利用变化进行了模拟，建立城市扩张与相应的12个潜在驱动因素之间的关系。确定了从社会经济地位、气候和环境等方面选择的每个潜在驱动因素的相对重要性。如图3所示，城市扩张以社会经济因素为主，相对重要性为61.3%，其次是环境因素（24.3%）和气候因素（14.4%）。
Fig. 3 The contribution of each potential driving factor to urban expansion was ranked in descending order and was normalized to 100%.
在12个潜在驱动因素中，人口在城市扩张中的作用最为重要，相对重要性为13.5%。城市人口的急剧增长导致城市地区对教育、医疗保健、娱乐、交通和其他基础设施建设活动的需求显著增加。
然而，本文发现，与靠近一级公路（9.1%）、靠近铁路（5.8%）和靠近公路（5.3%）相比，靠近二级公路（11.6%）和接近三级公路（9.5%）对城市扩张的影响更大，这表明大多数新的城市增长首先取决于扩展本地网络，然后扩展连接道路网络。政府应该把重点放在扩大地方道路网络上，而不是建设新的干线交通网络。此外，驱动因素分析表明，城市扩张受到地形因素（如海拔和坡度）的影响，由于某些地区的开发难度和成本，地形因素限制了建筑活动。令人惊讶的是，GDP（6.4%）对城市扩张的影响很小。
4.2 土地利用的动态变化
图4显示了2000年至2020年期间实际土地利用的空间分布（图4a–c）和2030年至2050年期间可持续发展情景（图4d–f）和自然开发情景（图4g–i）下的预计土地利用空间分布。
Fig. 4 Spatial patterns of the actual land use for the years a 2000, b 2010, and c 2020 and the simulated land use generated by the PLUS model under the sustainable development scenario for the years d 2030, e 2040, and f 2050 and under the natural development scenario for the years g 2030, h 2040,and i 2050
目前（2020年）的土地利用以耕地、森林和建成区为主，占长江三角洲总面积的91.1%。在过去的二十年里，最突出的变化是耕地面积减少，减少了21708.6平方公里（减少11.2%），城市建设用地面积增加，增长值为20380.5平方公里（增加80.9%）（表3和图5）。
两种情景下的空间发展模式都有共同的趋势和特征：耕地的空间分布是分散的，建设用地的扩张在平原上更为集中，并显著增加，尤其是在沿海地区，但在山区和丘陵地区仅略有增加。其他值得注意的发现包括草原的持续消失以及平原上水体和森林的轻微增加。
在2020-2050年期间，耕地面积预计将继续减少（图5）。尽管预计耕地损失将呈下降趋势，但未来仍有必要保护耕地。政府不仅要进一步完善耕地保护政策以适应新的发展形势，还要加强对耕地政策执行情况的监督。
Fig. 5 Changes in the areas of land use types in the Yangtze River Delta region from 2000 to 2050 under the sustainable developmentscenario
草原的损失也有类似的下降趋势。在城市周边的平原地区以及山区和丘陵地区，可用于城市发展的土地资源有限。因此，建设活动将不可避免地占用生态用地，特别是草地和森林，增加了对生态保护的需求。
相比之下，城市地区预计将继续增长，尽管预计增长率将呈下降趋势。这一发现表明，政府需要专注于限制城市蔓延的解决方案，同时确保城市发展。
图6显示了2000年至2050年期间不同土地利用类型的轨迹变化。从2000年到2050年，长江三角洲的土地利用类型变化频繁，变化轨迹呈现多样化特征。
Fig. 6 Trajectories of land use changes in the YRDR from 2000 to 2050 under the sustainable development scenario. The trajectory lines of different colours represent the transformation direction of land use types in a specific period. The width of a trajectory line denotes the variation, and the larger the variation is, the wider the trajectory line
其中，耕地的流入和流出行为最为频繁。耕地的流出行为主要是由耕地向建设用地的转变，这反映了过去20年中国快速城市化的实际进程和对未来几十年的预期。耕地流入行为在很大程度上源于建设用地的转化，主要得益于“耕地减少与建设用地增加挂钩”政策和农村居民点土地复垦项目的实施。耕地流入趋势的另一个重要部分来自森林、水体和草地的转变，这种转变与土地管理以增加耕地来源的政策是一致的。
森林、草原、湿地和水体之间的相互转化很少发生。与其流出行为相反，森林的流入行为主要来源于耕地的改造，而耕地的改造主要得益于在低质量耕地地区实施退耕还林项目。
变化轨迹表明，城市土地的流入和流出都发生了巨大变化（图6和表4）。城市土地的流入行为主要来源于耕地的转化，其次是森林。此外，所有其他土地利用类型都被最低限度地转变为城市土地。城市用地的流出行为主要表现为城市用地向耕地的转化。一般来说，从2000年到2050年，每十年城市土地的流入行为都比流出行为更剧烈，导致建设用地时空分布格局发生显著变化。
建设用地变化有两个显著特征（图7和图8）。第一个特征是建设用地面积持续增加，年均增加697.3平方公里，年均增长率为2.8%。另一个特征是，从空间格局来看，建设用地的扩张在平原上呈现集中扩张特征。
Fig. 7 Spatial patterns of the inflow behaviour of built-up land in the Yangtze River Delta region during the period from 2000 to 2050 under the sustainable development scenario
Fig. 8 Map of built-up land expansions during the period 2000–2050 under the sustainable development scenario
4.3 土地利用模拟结果的时空格局
1、不同地形条件下城市扩张的时空格局
地形通过影响开发建设活动的难度、持续时间和成本，以及城市土地利用效率，直接影响城市扩张的时空格局。在长江三角洲的4种地形中，平原是城市空间的理想区域。正如预期的那样，2000-20050年期间，城市扩展主要发生在平原上（图9）。
Fig. 9 The area of urban expansion (a) and the change rate of urban growth (b) during the period 2000–2050 under different topographic conditions
自2020年以来，山区城市蔓延的比例呈下降趋势，这可能是可用于建筑活动的土地资源有限和开发成本高昂。2040年至2050年期间，预计几乎所有平原都将出现城市扩张。
值得注意的是，经过几十年的快速城市扩张，城市周边通常以优质农田为主，这些农田受到国家耕地保护政策的严格保护，除国家或省级建设项目外，禁止使用。
在2020-2050年期间城市扩张的刚性需求的驱动下，平原上的劣质土地（一种从平原向丘陵和低山过渡的地貌形式）逐渐成为未来建设活动的重点，这些土地不受严格的国家保护政策的约束，其特点是开发成本合理。
总体而言，从2020年到2050年，长江三角洲地区的城市扩张增长率呈显著下降趋势，这可能与未来人口增长的急剧下降和政府加强城市土地利用效率的政策有关。预计这四个地形地区的城市增长率都将继续下降。其中，平原的模拟城市增长率下降最为显著，主要是因为平原上的城市建设活动受到耕地保护政策和城市发展边界的限制；因此，未来可用于新建筑活动的空间通常很小。山区城市增长率也呈现出明显的下降趋势，这不仅与自然条件的限制有关，也与严格的生态保护政策有关。
2、不同区域城市扩张的时空格局
根据2020年的经济状况将长江三角洲地区的地级市划分为三个区域（发达、中等发达和欠发达区域），以分析不同城市区域的城市扩张时空格局。
如图10a所示，2000年至2050年期间，大约一半（48.9%）的城市扩张发生在发达地区，其次是中等发达地区（29.6%）和欠发达地区（21.5%），表明城市扩张与经济发展程度直接相关，经济快速发展是城市扩张的直接动力。值得注意的是，建设活动投资的改善可能会直接增加对新建设用地的需求。
Fig. 10 The area of urban expansion (a) and the change rate of urban growth (b) during the period 2000–2050 in regions with different levels of urbanization
与发达地区城市扩张比例在2000年至2050年期间持续下降的趋势相反，欠发达地区的城市扩张比例预计在未来三十年将显著增加，城市化率将从2020年的6.3%增加到2050年的13.0%。这一发现表明，经济发达地区应在土地供应有限的情况下注重提高土地利用效率，而欠发达地区应通过增加新的建设用地来促进城市发展。
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文章讨论
长江三角洲地区的城市扩张受到多方面驱动因素的影响。在这些因素中，人口被确定为最重要的因素，新建地区主要由人口增长或城乡移民驱动。然而，城市化过程中人口的过度集中可能导致区域经济发展的严重不平衡。
政府应采取措施，引导人口向经济欠发达地区迁移。此外，交通基础设施在推动城市扩张方面发挥着重要作用。二级和三级公路网比干线交通网发挥着更重要的作用，作为中国经济最发达的地区之一，尽管长江三角洲地区已经在建成区拥有复杂的道路网络，但大多数新的拟建发展地区缺乏已建立的基本交通基础设施，大多数新的城市扩张依赖于先扩展当地网络，然后再建设连接道路网络。可以指导拟进行新开发的地区的地方政府首先扩建当地公路网，而不是修建新的主干道。
此外，地形因素，特别是海拔和坡度，直接影响城市扩张。虽然目前的建设活动集中在平原地区，但未来的建设活动应更多地考虑其地区。
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文章结论
本文建立了一个方法框架，将未来的土地利用模拟与驱动力和土地利用演变过程分析相结合，为缓解土地利用冲突，实现长江三角洲地区的可持续土地管理。
结果表明，PLUS模型与选定的潜在驱动因素相结合，在土地利用模拟中表现良好。模拟结果表明，城市面积的预计增长主要来自耕地和生态用地，这表明应该制定更严格的耕地保护和生态优先政策，以加强对城市扩张的约束。
满足未来城市发展刚性土地需求的可行解决方案应侧重于优化区域土地利用的内部结构，通过限制土地资源的广泛利用来提高土地利用效率。
此外，预计未来城市扩张在不同地形条件下和不同经济发展区域之间的空间分布不均。建议在未来的建设活动中更多地考虑平台地区和经济欠发达地区。政府应采取措施引导人口向经济欠发达地区迁移，新发展地区政府应首先重点扩大当地的公路网。
本研究结果支持制定有针对性和可持续的土地管理政策，并为区域城市规划提供有价值的参考。此外，考虑到中国正在进行的国土规划，结果将变得越来越重要。
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