生态学报  2018, Vol. 38 Issue (14): 5141-5148

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吴未, 陈明, 欧名豪.
WU Wei, CHEN Ming, OU Minghao.
建设用地减量化的苏锡常地区土地利用格局优化——基于白鹭生境网络优化视角
Land-use pattern optimization under the scenario of construction land surface reduction in the Su-Xi-Chang region, from the perspective of Little Egret habitat network optimization
生态学报. 2018, 38(14): 5141-5148
Acta Ecologica Sinica. 2018, 38(14): 5141-5148
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201703250513

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收稿日期: 2017-03-25
网络出版日期: 2018-04-04
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吴未, 陈明, 欧名豪. 建设用地减量化的苏锡常地区土地利用格局优化——基于白鹭生境网络优化视角. 生态学报, 2018, 38(14): 5141-5148.
Wu W, Chen M, Ou M H. Land-use pattern optimization under the scenario of construction land surface reduction in the Su-Xi-Chang region, from the perspective of Little Egret habitat network optimization. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(14): 5141-5148.
建设用地减量化的苏锡常地区土地利用格局优化——基于白鹭生境网络优化视角
吴未1,2 , 陈明1 , 欧名豪1,2     
1. 南京农业大学土地管理学院, 南京 210095;
2. 农村土地资源利用与整治国家地方联合工程研究中心, 南京 210095
收稿日期: 2017-03-25; 网络出版日期: 2018-04-04
基金项目: 国家自然科学基金项目（41571176）；江苏高校哲学社会科学研究项目（2015SJD096）；高等学校学科创新引智计划（111计划，B17024）；中央高校基本科研业务费人文社会科学研究基金配套项目（SKPT2015018）
*通讯作者Corresponding author. 吴未.E-mail:ww@njau.edu.cn
摘要: 建设用地减量化管理国家战略的本质就是土地利用格局优化，具有重要理论价值和实践意义。以建设用地减量化为背景、快速城市化苏锡常地区为研究区，采用目标物种白鹭生境网络优化为减量化依据的方法，旨在回答"建设用地怎么减？减哪里？减多少？依据是什么？"的土地利用格局优化问题。结果表明：1）白鹭核心生境斑块距离人为干扰源较远，需减量化的建设用地数量较少，但多数核心生境斑块面积小于平均值，破碎化现象较严重；白鹭迁移廊道受人为干扰严重，需减量化的建设用地数量为6542.1 hm2，占减量化总面积的99%以上；生态核心区经过耕地占补平衡后，城乡建设用地二次减量213.7 hm2、新增水田208.7 hm2；研究区建设用地减量化总面积6755.8 hm2。2）通过增加核心生境斑块面积、提高迁移廊道通达安全性，白鹭生境网络优化了。同时完成了建设用地总量减量化，实现了区域土地利用格局优化的目的。
关键词: 建设用地减量化     土地利用格局优化     生境网络优化     快速城市化地区    
Land-use pattern optimization under the scenario of construction land surface reduction in the Su-Xi-Chang region, from the perspective of Little Egret habitat network optimization
WU Wei 1,2, CHEN Ming 1, OU Minghao 1,2     
1. College of Land Management, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;
 2. National & Local Joint Engineering Research Center for Rural Land Resources Use and Consolidation, Nanjing 210095, China
Abstract: Since 2015, the Chinese central government has implemented the new normal development strategy to reduce construction land use at a national level. This strategy aims to optimize the process of land-use. In previous studies, land-use pattern optimization focused on scenarios of increasing constructed land surface; however, scenarios of constructed land surface decrease are rare. In studies of the latter, the basic considerations include how and where it is possible to reduce construction land, the amount of construction land that should be reduced, and the theoretical base of this reduction. In order to answer such questions, in this study, an innovative approach, consisting of three main steps, has been designed from the perspective of targeting species habitat network optimization:(a) To improve the quality of core habitats, the buffer zone for each core habitat was simulated. Urban-rural construction land, as well as, dry land located within buffer zones, were converted into arbor forest. (b) To decrease human disturbance to migration corridors of targeted species, each corridor was set as a belt, with a width of 200 m. Either urban-rural construction land, or dry land located within corridor belts were converted into arbor forest. (c) To ensure that the converted dry land was balanced, the following two steps were designed:in step 1, core ecological zones over the study areas were identified using the method of ecological safety zoning. In step 2, urban-rural construction land located within core ecological zones were converted into paddy land for the compensation of dry land loss. This compensation could be implemented through rural residential land consolidation projects. In the Su-Xi-Chang region, the core of the Yangtze River Delta region and the Little Egret (Egretta garzetta) were chosen as study area and targeted species, respectively. The results show that (a) only a small amount of urban-rural construction land was located within core habitats of the little egret. Most core habitat sizes were smaller than the average size that would indicate core habitats have been fragmented seriously. The amount of reduction in urban-rural construction land surface in migration corridors is of 6542.1 ha. It represents over 99% of the total reduction amount, which indicates that migration corridors have been seriously affected by human disturbance. The amounts of urban-rural construction land surface reduction and land surface converted into paddy land in core ecological zones were of 213.7 ha and 208.7 ha, respectively. The total amount of construction land surface reduced in the study area was of 6755.8 ha. (b) By applying the designed approach, sizes of core habitats, as well as the safety of migrating corridors for targeted species, have been increased, which indicates that the goal of habitat network optimization has been reached. Meanwhile, the total amount of construction land has been reduced, which also indicates that the goal of regional land-use pattern optimization has been reached.
Key words: construction land reduction     land-use pattern optimization     habitat network optimization     rapidly urbanizing area    

近几十年来, 中国经历了世界历史上规模最大、速度最快的城镇化进程, 取得举世瞩目成就。城市建设用地为支撑社会经济快速发展迅猛扩张的同时, 出现土地布局分散、结构不合理、用地低效等问题[1-4], 亟需土地利用格局优化。2014年国土资源部正式提出实施建设用地总量控制和减量化战略、2015年中共中央国务院将实施建设用地总量控制和减量化管理上升至国家战略、2016年中央城市工作会议明确提出转变城市发展方式, 优化土地利用格局。建设用地减量化已成为土地利用格局优化研究新背景[4-5]。

建设用地减量化就是当经济发展到一定水平后, 通过政策和工程技术手段, 把利用不佳的建设用地恢复成生态或农业使用状态[4], 本质就是土地利用格局优化[4]。目前国内外土地利用格局优化成果多从建设用地增量情景出发[6-12], 尚未引入减量化概念, 迫切需要研究。

本文以建设用地减量化为背景、快速城市化苏锡常地区为研究区, 采用目标物种白鹭生境网络优化为减量化依据的方法, 旨在探讨“建设用地怎么减？减哪里？减多少？依据是什么？”的土地利用格局优化问题, 拓展土地利用格局优化方法和土地资源持续利用管理研究。

1 研究区域 1.1 研究区概况

苏锡常地区(119°08′—121°15′E, 30°46′—32°04′N)位于江苏省南部太湖之滨, 是长江三角洲腹心地带, 属于长江冲积平原, 区内地势平坦, 河湖众多, 属北亚热带季风气候, 年均降水1092.4 mm, 年均气温15.3 ℃, 总面积1.75万km2。境内物种丰富, 鸟类、兽类、两栖爬行类200多种, 其中鸟类170余种。截止2015年区内共有国家森林公园7个、国家湿地公园2个、省级自然保护区3个、县级自然保护区1个。

苏锡常地区以全省约17%的国土面积和人口实现了约40%的地方国民生产总值和地方财政收入。2000—2010年地区建设用地比重从14.71%增至27.82%, 土地利用结构和空间布局发生显著变化, 土地供给与建设用地需求矛盾尖锐、土地低效利用现象并存[4]。

1.2 数据来源与处理

采用中国科学院国际科学数据服务平台2010年苏锡常地区TM遥感数据、1:5万数字高程DEM数据(30 m×30 m)、中国观鸟记录中心(China Bird Report)2003—2010年观测数据、2010年苏锡常地区行政区划图和苏锡常3市《统计年鉴(2011年)》。

遥感数据分辨率为30 m, ENVI遥感软件支持下完成几何校正、图像配准等处理并经地区2010年土地利用现状图校对, ArcGIS 10.0软件预处理。

结合白鹭生境特点、数据精度及土地资源管理工作实际, 将区内土地划分为水田、旱地、园地、乔木林地、灌木林地、草地、城乡建设用地、交通用地、滩涂沼泽、湖泊水库、河流、沟渠/运河和其他未利用地13类[13]。

2 研究方法 2.1 研究思路

以减量化概念[4]和前期白鹭生境网络识别成果[13-14]为基础, 采用目标物种生境网络优化(增加生境斑块面积和保护设置的迁移廊道[14])为减量化依据的方法, 对建设用地进行减量化(怎么减？减哪里？减多少？), 优化区域土地利用格局。

依据白鹭生活习性, 将上述13类地类合并为适宜生境地类(乔木林地、滩涂沼泽、湖泊水库)、类生境地类(河流、沟渠/运河、水田)、主要人为干扰地类(城乡建设用地、交通用地、旱地)和其他地类(园地、草地、其他未利用地)[14]。考虑到减量化过程操作难易程度及实现可能性, 重点对城乡建设用地、旱地进行减量化并转化为乔木林地。主要步骤包括：1)为提升白鹭生境质量, 对现有核心生境斑块设置缓冲区[15], 对缓冲区内主要人为干扰地类进行减量化。2)为保证白鹭迁移过程通达安全, 对迁移廊道两侧设置保护鸟类适宜宽度[16-17]的缓冲区, 对缓冲区范围内主要人为干扰地类进行减量化。3)上述两步减量化过程中会出现旱地(耕地)面积减少的情况, 从严格执行耕地保护政策, 按照总量动态平衡、占一补一原则, 对减少的旱地进行等面积水田补偿。具体是进行区域土地生态安全分区, 将生态核心区内主要人为干扰地类(城乡建设用地)通过农村居民点整理项目转化为水田, 即建设用地二次减量化。

2.2 基于核心生境斑块优化的建设用地减量化

采用生境斑块约束条件模型[13]识别出白鹭生境斑块；根据中国观鸟记录中心数据, 区内有白鹭观测点77处, 观测到的白鹭数量在1—200只之间, 设定50只以上观测点为核心生境斑块[18], 在TM影像图上空间匹配后, 测算出对应面积；以核心生境斑块面积均值为标准设置缓冲区, 对于面积小于均值的核心生境斑块进行缓冲区分析, 将缓冲区内的城乡建设用地和旱地进行减量化处理。

2.3 基于迁移廊道保护的建设用地减量化

采用ArcGIS中Feature to point工具将2.2节识别出的生境斑块转换为生境节点；采用最小成本路径法构建出白鹭现状生境网络[14]；采用网络效能分析法[18]实现白鹭现状生境网络优化。为保证迁移廊道畅通安全不受或少受人为干扰, 以保护鸟类适宜宽度为标准设置宽度为200 m的迁移廊道[16-17], 对缓冲带内城乡建设用地和旱地进行减量化处理。

2.4 建设用地二次减量化

分别以城乡建设用地和生态用地(2.1节中适宜生境用地和类生境用地)为源, 采用空间扩张互侵方法进行区域土地生态安全分区[19], 得到生态核心区。与2010年土地利用现状图比照, 将生态核心区内城乡建设用地减量化处理, 转化为水田, 达到耕地总量动态平衡, 切实贯彻执行严格保护耕地基本国策。上述过程在地级市行政区内进行；如果不能满足平衡, 则在研究区内调配。

以上计算均由ArcGIS 10.0软件实现。

3 结果 3.1 基于核心生境斑块优化的建设用地减量化结果

图 1是白鹭核心生境斑块识别结果。表 1为核心生境斑块区位、面积及缓冲区面积情况。区内核心生境斑块14处(苏锡常分别6处、4处和4处)多分布在太湖周边, 面积在11.2—681.9 hm2之间普遍偏小(平均面积154.4 hm2), 需优化的核心生境斑块有11处。

图 1 苏锡常地区白鹭核心生境斑块识别结果 Fig. 1 Identification results of the core habitat patches of the Little Egret in the Su-Xi-Chang region
图选项

表 1 苏锡常地区白鹭核心生境斑块区位、面积及增补缓冲区情况 Table 1 Location, size and buffer of the core habitat patches of the Little Egret in the Su-Xi-Chang region
地市
Municipal city		 核心生境斑块编号
Serial number of core habitat nodes		 对应观测点
Corresponding locations		 核心生境斑块面积/hm2
Size of core habitats		 缓冲区面积/hm2
Size of buffers
常州 1 太湖湾度假区 39.8 114.6
2 太湖湾度假区 66.1 88.3
3 太湖湾度假区 33.0 121.4
4 滆湖村 33.5 120.9
无锡 5 鼋头渚 118.8 35.6
6 西蠡湖 57.3 97.1
7 油车水库 134.8 19.6
8 横山水库 14.9 139.5
苏州 9 尚湖风景区 354.3 0
10 虎丘湿地公园 471.6 0
11 同里湿地公园 121.8 32.6
12 戗港 681.9 0
13 镇湖镇 22.5 131.9
14 贡山岛 11.2 143.2
平均值Average 154.4 74.6
表选项

图 2为核心生境斑块缓冲区结果。基本有3种情况：只有城乡建设用地(斑块14)、只有旱地(斑块5和斑块8)以及既没有旱地也没有城乡建设用地(其余8处)。通过计算, 斑块14需减少城乡建设用地数量为5.0 hm2、斑块5和斑块8需减少旱地数量共4.1 hm2。

图 2 核心生境斑块缓冲区分析结果 Fig. 2 Anlysis results of core habitat patches buffer
图选项
3.2 基于迁移廊道保护的建设用地减量化结果

图 3为白鹭迁移廊道优化结果。现状迁移廊道109条、潜在迁移廊道32条, 总长度约1460 km。图 4为迁移廊道缓冲区分析示意。缓冲区内分布有城乡建设用地和旱地, 需减量化处理。

图 3 苏锡常地区白鹭迁移廊道构建与优化结果 Fig. 3 Construction and optimization results of migration corridor of the Little Egret of the Su-Xi-Chang region
图选项

图 4 苏锡常地区白鹭迁移廊道缓冲区分析结果示意 Fig. 4 The buffer analysis results of the Little Egret′s migration corridor of the Su-Xi-Chang region
图选项

表 2为地级市行政区内城乡建设用地和旱地减量化情况。需减量化处理城乡建设用地6547.1 hm2、旱地208.7 hm2。空间分布上, 需减量化的城乡建设用地以苏州最多、无锡次之、常州最少；需减量化的旱地以常州最多、无锡次之、苏州最少。

表 2 苏锡常地区城乡建设用地和旱地减量化情况 Table 2 Reduction situations of urban and rural construction land and dry land of the Su-Xi-Chang region
地市
Municipal city		 减量来源
Construction land reduction source		 城乡建设用地/hm2
Urban and rural construction land		 旱地/hm2
Dry land
常州Changzhou 核心生境斑块优化 0 0
迁移廊道保护 1144.4 128.1
小计Summary 1144.4 128.1
无锡Wuxi 核心生境斑块优化 0 4.1
迁移廊道保护 2127.3 70.7
小计Summary 2127.3 74.8
苏州Suzhou 核心生境斑块优化 5.0 0
迁移廊道保护 3270.4 5.8
小计Summary 3275.4 5.8
合计Total 6547.1 208.7
表选项
3.3 建设用地二次减量化结果

图 5和图 6分别为生态核心区划分结果及内部城乡建设用地分布示意情况。经测算, 生态核心区内共有城乡建设用地1468.4 hm2(苏州662.6 hm2、无锡467.8 hm2、常州338.0 hm2), 可实现2.4节地级市行政区内耕地占补平衡, 不需调配(表 3)。经与区域土地利用现状图比照, 需减量化处理的城乡建设用地以零星农村居民点为主, 具备通过农村居民点整理项目转化为水田实现耕地总量动态平衡的可行性。

图 5 苏锡常地区生态核心区分布图 Fig. 5 Distribution of ecological core area of the Su-Xi-Chang region
图选项

图 6 苏锡常地区部分生态核心区内城乡建设用地分布图 Fig. 6 Distribution of urban and rural construction land in some ecological core areas of the Su-Xi-Chang region
图选项

表 3 苏锡常地区各地市旱地及生态核心区内城乡建设用地面积 Table 3 Size of dry land and urban and rural construction land in ecological core area of the Su-Xi-Chang region
地市
Municipal city		 旱地
Dry land/hm2		 城乡建设用地
Urban and rural construction land/hm2
常州 128.1 338.0
无锡 74.8 467.8
苏州 5.8 662.6
总计Total 208.7 1468.4
表选项
4 结论与讨论

从建设用地总量减量化背景出发, 采用以目标物种生境网络优化为减量化依据的方法, 探讨了快速城市化苏锡常地区土地利用格局优化的思路, 并给出建设用地减量化具体方案。结果表明：1)白鹭核心生境斑块距离人为干扰源较远、需减量化的建设用地数量较少, 但多数核心生境斑块面积小于平均值, 破碎化现象较为严重；白鹭迁移廊道内需减量化的建设用地数量为6542.1 hm2, 受人为干扰显著；为保证区内耕地总量动态平衡, 执行耕地保护基本国策, 对生态核心区内城乡建设用地进行了213.7 hm2的二次减量化、新增水田208.7 hm2；研究区建设用地减量化总面积为6755.8 hm2。2)通过减量(城乡)建设用地和旱地等主要人为干扰地类, 多数生境核心斑块面积得到增加、质量得到提升, 迁移廊道受人为干扰影响程度明显下降, 通达安全性得到保障, 从而实现了目标物种生境网络优化的目标。在此基础上, 研究区建设用地总量也得到了减量化。与研究区现状相比, 尽管其他地类数量和空间分布没有发生任何变化, 但目标物种生境网络得到了优化、区内“格局-生态过程”特征得到增强, 区域土地利用格局优化的目标实现了。

建设用地总量控制和减量化管理国家战略研究具有重要理论价值和现实意义[4-5], 但国内外已有成果极少[5]。本文以目标物种生境网络优化为建设用地的减量化数量和空间分布测算依据, 回答了建设用地怎么减、减哪里、减多少的问题。这种思路既有益于目标物种保护的实现, 也把对生态过程的思考积极引入到土地利用格局优化研究之中, 为土地利用格局优化研究提供了新思路、建设用地减量化政策制定与实施提供了科学依据。

目前上海率先提出采用把郊野分散低效建设用地转移到集中建设区和类集建区的方法进行建设用地减量化探索, 具有借鉴意义[5]。但这种方法也尚处于理论探索阶段, 同时该方法引出很多问题值得进一步研究和广泛探讨：郊野分散建设用地是否必须减量化？其依据是什么？减量化的极限是多少？减量哪里？减量的先后顺序是什么？以及如何将减量化与地方经济发展阶段及其特征量化关联起来？减量化过程中除考量社会经济因素以外, 如何将生态环境等问题有机结合起来？等等。

随着知识的不断创新和进步, 本研究思路和方法还可以得到很大改进。如从生态网络(而不是生境网络)优化或构建生态安全格局的视角出发, 作为建设用地减量化的基本依据, 考查区域土地利用格局优化问题更为适宜。但是物种多样性保护中的“集合覆盖问题”和“最大覆盖问题”尚在探讨之中。此外, 生态网络和生态安全格局构建本身还有诸如地域性[21]和时效性[22]差异等较多问题也亟待解决。上述问题的解决, 将积极推进本研究成果的改进、提高其普适性。

建设用地总量控制和减量化国家战略背景下, 土地利用格局优化研究将出现一个崭新的研究方向, 需要不断深入探索和实践检验。

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