Spatial optimization of land use based on the objective of coordinated ecological protection and economic development in Zhengzhou City
CHENHong1,2,, SHIYunyang1,2, KEXinli3, HAOJinmin1,2,, CHENAiqi1,2 1. College of Land Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China2. Key Laboratory for Agricultural Land Quality Monitoring and Control, Ministry of Land and Resources, Beijing100193, China3. College of Public Administration, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China 通讯作者:通讯作者:郝晋珉,E-mail:jmhao@cau.edu.cn 收稿日期:2018-10-15 修回日期:2019-03-6 网络出版日期:2019-04-25 版权声明:2019《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部 基金资助:国家科技支撑计划项目(2015BAD06B01) 作者简介: -->作者简介:陈红,女,河南新蔡人,硕士研究生,从事土地利用规划、土地利用优化配置研究。E-mail:chenhong0812@cau.edu.cn
关键词:生态与经济协调;土地利用;空间优化配置;LANDSCAPE模型;郑州市 Abstract Ecological land being converted into construction land is ubiquitous under the background of rapid urbanization in China, and coordinating economic development and ecological protection is a great challenge for the country. This study took Zhengzhou City as an example and carried out the spatial optimization of land use with the balance between ecological benefits and economic benefits as the objective, and by using the LANDSCAPE model. The results suggest that: (1) Using 2008 as the benchmark year and simulating the land-use layout in 2020 and with the requirements of cultivated land protection and meeting construction land demand both satisfied, the optimized scenario’s ecological and economic benefits are 31.5 million yuan and 4,900 million yuan higher than the planning scenario. The former can achieve the coordination of economic development and ecological protection; (2) The simulation results under the two scenarios show that the construction land allocation is concentrated in areas with faster economic development and lower ecological benefits. Under the optimized scenario, more construction land is allocated to Xingyang City, Xinmi City, and Dengfeng City. Under the planning scenario, more construction land is allocated to Jinshui District, Huiji District and Zhongmu County because of the already fixed quota. The optimized allocation is more in line with the current economic development trend of Zhengzhou City, better for regional ecological protection, and can alleviate the fragmentation of land use to a certain extent; (3) The problem that the traditional method of urban and rural construction land allocation does not take into account the spatial heterogeneity of ecological and economic benefits can be solved by the LANDSCAPE model, in which the goal of economic and ecological benefits coordination can be achieved. Ecological protection and economic development play an important role in regional sustainable development, and it is beneficial to coordinate the relationship between them by allocating the different types of land use in various regions reasonably.
Keywords:ecological protection and economic development coordination;spatial optimization;land use;LANDSCAPE model;Zhengzhou City -->0 PDF (7614KB)元数据多维度评价相关文章收藏文章 本文引用格式导出EndNoteRisBibtex收藏本文--> 陈红, 史云扬, 柯新利, 郝晋珉, 陈爱琪. 生态与经济协调目标下的郑州市土地利用空间优化配置[J]. 资源科学, 2019, 41(4): 717-728 https://doi.org/10.18402/resci.2019.04.09 CHENHong, SHIYunyang, KEXinli, HAOJinmin, CHENAiqi. Spatial optimization of land use based on the objective of coordinated ecological protection and economic development in Zhengzhou City[J]. RESOURCES SCIENCE, 2019, 41(4): 717-728 https://doi.org/10.18402/resci.2019.04.09
郑州市是河南省省会,地处华北平原南部(112°42′E—114°14′E,34°16′N—34°58′N),包括金水、中原、二七、管城、惠济、上街等6区,荥阳、巩义、登封、新密、新郑等5个县级市,以及中牟县。本文将经济技术开发区、高新技术开发区、郑东新区、航空港经济区并入相应的区市(图1)。郑州市土地总面积756718 hm2,2017年末总人口988.1万人,城镇化率达72.2%,地区生产总值为9130.2亿元,其中第二、三产业增加值占比为98.3%。近年来,由于资源条件及主导产业的发展,新郑市、巩义市、新密市等区县经济发展较快,郑州市经济增长空间结构发生较大变化,各区县经济发展差距逐渐拉大[39]。经济快速发展造成建设用地大规模扩张,导致大量的耕地、林地、草地、水体等生态用地被占用。郑州市人口众多、人流密集,如何确保在人口急剧增长和经济快速发展的双重压力下,加强对生态系统的保护,打造生态宜居城市,是郑州市社会经济发展和土地资源利用领域面临的重要挑战之一。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图1研究区域 -->Figure 1The study area -->
郑州市生态与经济协调目标下土地利用空间优化配置研究基本思路为:以《郑州市土地利用总体规划(2006—2020年)》中各地类指标为规划情景模拟的基础,在各区县内进行配置;同时,为确保粮食安全,优化情景下耕地面积与原规划保持一致,其他地类则以参数的相关设置在整个市域内进行优化配置。在经济发展与生态保护的双重目标下,运用LANDSCAPE模型,开展郑州市土地利用空间优化配置。主要研究内容和流程为:①以郑州市2000年土地利用现状数据为基础,运用模型模拟郑州市2008年土地利用布局,并将模拟结果与2008年的土地利用现状进行比较,对模型进行校准。②采用校准后模型模拟优化情景和规划情景下郑州市2020年土地利用空间布局,并对两者的生态效益和经济效益进行比较,分析两者差异。其中,优化情景是指郑州市各地类指标根据模型参数设置要求在全市范围内进行优化配置;规划情景是指各区县分配指标不变,在区县内部进行优化配置。③将两种情景下的模拟结果与2016年现状进行对比,同时对2008年以来郑州市经济发展规律进行统计分析,校验模型模拟结果的合理性与准确性,筛选出符合要求的模拟结果,并提出相应的土地利用空间规划措施建议(图2)。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图2研究框架 -->Figure 2Flowchart of the study -->
3.2 LANDSCAPE模型
针对元胞自动机不能解释和模拟交互级联过程和土地利用变化之间的竞争,柯新利等[43]提出LANDSCAPE模型(LAND System Cellular Automata model for Potential Effects),LANDSCAPE模型具有解译和模拟交互级联过程及各地类之间转换的竞争的功能,本文运用该模型考虑各地类之间的转换概率,进而通过分层分配策略实现多分类土地系统变化的动态模拟与优化配置(图3)。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图3模型运算基本框架 -->Figure 3Modeling framework -->
建设用地演化速率能反映区域经济发展状况,并影响区域建设用地指标的分配[46]。从表1可知,各区县建设用地演化速率不同,表明其经济发展具有较大差异。其中新郑市其他地类转换为建设用地的异步演化速率最高,其元胞演化间隔为1,即每次发生迭代过程中,这些区域都会发生演化;其次是荥阳市、巩义市、登封市和上街区,演化速率分别为0.945、0.797、0.657和0.522;管城区的建设用地优先度最低,建设用地演化间隔较大,将其设为模型所能接受的最大值20。此外,通过对郑州市各市(县)2008年以来的二、三产业增加值进行统计分析(图4),发现自2008年以来,郑州市经济发展迅速,但各区县经济发展增速不同。东部老城区(金水区、中原区、惠济区、管城区、二七区)主要以商贸、金融等现代服务业和房地产业为主,资源条件有限,经济发展遇到瓶颈,经济增长较缓;而以煤炭、铝土矿和耐火材料等为主的西部资源优势区(荥阳市、上街区、巩义市、登封市),经济增速较快;南部新郑市依托航空港经济区建设,近年经济发展迅速。因此,其建设用地演化速率与郑州市实际经济发展格局基本吻合。 Table 1 表1 表1建设用地演化速率及演化间隔 Table 1Rate and interval of evolution of urban construction land
行政辖区
异步演化速率
演化间隔
中原区
0.089
11
二七区
0.389
3
管城区
0.000
20
金水区
0.192
5
惠济区
0.096
10
上街区
0.522
2
荥阳市
0.945
1
中牟县
0.499
2
新郑市
1.000
1
巩义市
0.797
1
登封市
0.657
2
新密市
0.452
2
新窗口打开 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图42008—2016年郑州市第二、三产业增加值 -->Figure 4Added value of secondary and tertiary industries of Zhengzhou City, 2008-2016 -->
新窗口打开 运用校正后的LANDSCAPE模型模拟郑州市2020年土地利用空间布局,模型精度符合要求,空间布局结果如图5所示。从表3可得出,优化情景中林地和水体分别比规划情景增加1847 hm2和1709 hm2,其中林地主要分布在巩义市、新密市和登封市,水体主要分布在金水区、中牟县和惠济区;草地减少3556 hm2,分布在巩义市、荥阳市、登封市和新密市;城乡建设用地中,荥阳市、登封市、新密市优化情景比规划情景多,金水区、二七区、惠济区等优化情景则比规划情景少;农村居民点面积未发生变化。通过对郑州市2016年土地利用变更调查数据进行分析,发现林地主要分布在巩义市、登封市、新密市,水体主要分布在金水区、中牟县和惠济区,与优化模拟结果相符,可见优化情景更符合区域生态保护要求;根据建设用地演化速率结果可知,荥阳市、登封市、新密市经济发展较快,而金水区、二七区、惠济区等经济发展速率较慢,因此优化情景下建设用地布局更符合区域经济发展趋势。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图52020年郑州市优化情景和规划情景下土地利用空间优化布局结果 -->Figure 5Land-use spatial configurations of Zhengzhou City under the optimized scenario and the planning scenario, 2020 -->
Table 3 表3 表3优化情景与规划情景下区县各地类面积差值情况表 Table 3Differences in the area of various land-use types of the districts and counties of Zhengzhou City under the optimized scenario and the planning scenario (hm2)
对两种情景下的生态服务价值和经济效益分别进行统计分析,其主要特点为:①在生态服务价值方面,优化情景土地利用空间布局中,林地和水体的面积均大于规划情景下的面积,草地面积则小于规划情景下的面积。通过计算,郑州市2020年优化情景下土地生态系统服务总价值为23.6亿元,规划情景下土地生态系统服务总价值为23.3亿元,两者相差0.3亿元(表4)。为检验模型保护生态用地的合理性,对优化情景下多配置的林地、水体及少配置的草地进行空间分析发现,多配置的林地和水体主要分布在现有林地和水体资源区,即优化情景中建设用地配置时会对原有生态用地加以保护;少配置的草地主要作为建设用地的来源,主要原因有2个:一是草地分布在原有建设用地周围,建设用地往外扩张时易被优先占用;二是郑州市草地面积小且分布散乱,没有形成一定规模,被建设用地占用时对区域生态环境造成的影响较小,因此该模型对保护生态用地具有一定的合理性。②在经济效益方面,优化情景下经济效益比规划情景下提高49亿元,主要分布在荥阳市、新密市和登封市(表5)。原因在于,优化情景下建设用地多配置在西部经济发展较快的荥阳、登封、新密3市;而规划情景下建设用地多配置在经济发展放缓的东部(管城区、惠济区、中原区等)。同时,优化情景下2020年土地利用布局下第二、三产业增加值(11900亿元)高于2016年实际增加值(7960亿元)。通过对郑州市2008—2016年第二、三产业增加值进行分析,得出郑州市近9年第二、三产业年增长率在8%~20%之间浮动;经计算,预测期末(2020年)郑州市第二、三产业增加值的年均增长率为12.3%,符合波动范围,在一定程度上证实该预测结果合理。 Table 4 表4 表4优化情景与规划情景下生态服务价值对比表 Table 4Difference of ecological service values under the optimized scenario and the planning scenario
土地利用类型
耕地
林地
草地
水体
总计
规划情景下指标/hm2
479 041
53 660
44 832
14 818
592 351
优化情景下指标/hm2
479 041
55 507
41 276
16 527
592 351
规划情景下价值/亿元
13.6
5.4
1.9
2.4
23.3
优化情景下价值/亿元
13.6
5.6
1.7
2.7
23.6
新窗口打开 Table 5 表5 表5优化情景与规划情景下经济效益对比表 Table 5Difference of the economic benefits under the optimized scenario and the planning scenario
运用LANDSCAPE模型,着眼于区县各地类用地指标的分配,构建一套基于协调生态保护与经济发展的土地资源空间优化配置方法,既可为土地利用空间优化配置提供科学依据,同时也可为下一轮土地利用总体规划各区县地类指标划定提供方法和思路。 (1)合理分配各地类指标,提升区域经济实力。由于区域产业布局发生变化,经济重心会发生转移,区域各地类指标分配应根据用地现状进行调整,做到建设用地指标“精准落地”,同时确保经济发展可持续,以提升整个区域经济实力为目标导向。 (2)优化各地类空间布局,保护区域生态环境。对指标进行规划落地时,应注重对生态用地的保护,对面积较大的林地、湖泊等生态用地应采取措施加以保护,合理安排各地类空间布局。同时,各地类之间应无缝衔接,尽量减少“空”、“白”地,避免出现土地细碎化现象,提高土地可利用率。 (3)协调区域生态保护和经济发展关系,促进区域可持续发展。土地资源空间优化配置要从生态保护和经济发展方面统筹考虑,既要保证区域经济发展要求,又要满足生态保护需要。这就要求相关部门应充分了解区域经济发展动向及生态保护状况,在编制土地利用总体规划时充分考虑各方面因素,以协调生态保护和经济发展为宗旨。 当然,本文还存在以下方面不足: 一是采用生态价值服务当量评估土地利用生态效益,能在一定程度上将生态用地的服务价值定量化,但关于生态服务价值的量化方法较多,在未来的研究将运用多种计算方法对其量化,并将结果进行对比分析,使生态服务价值计算结果更加精准。 二是建设用地的需求及其所产生的效益受多种因素影响,本文仅采用地均第二、三产业增加值作为衡量区域建设用地演化速率,指标较为简单,在后续的研究中还应增加社会效益方面的指标进行综合判断。同时,在今后的研究中需对经济发展的阈值参数设定更加精确,最大限度兼顾各市(县)均衡发展的需求。 The authors have declared that no competing interests exist.
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