抚远市多目标土地利用规划

基于湿地农田协调发展的多目标土地利用规划研究：以中国抚远市为例

摘要

抚远市位于中国东北黑土区，其肥沃的土壤和平坦的地形为农田的规模化、集约化和标准化提供了可靠保障。大量可用于国家粮食基地的土地资源被开发，湿地保护与耕地开发之间的矛盾日益突出。基于2000年、2005年和2010年的遥感数据，本文利用马尔可夫链模型模拟了抚远市未来土地利用/土地覆盖变化结构。结合抚远市在结构、经济、社会和自然环境方面的特点，在城市总体规划框架下，探讨了三种情景：照常情景、耕地保护情景和湿地保护情景。研究结果表明：（1）在照常情景下，抚远市的快速发展呈现出城市区域持续扩张、2020年相比2010年农田和湿地面积减少的特征；（2）在耕地保护情景下，耕地得到了有效保护并保持稳定，同时建设用地扩张受到限制；（3）在湿地保护情景下，湿地面积大幅增加，主要来源于农田、草地和未利用地。根据研究结果，提出了优化对策，以平衡农田与湿地的协调发展，深化抚远市多时期土地利用规划，为决策提供数据支持和依据。

关键词 ：土地利用；农田；湿地；情景规划；马尔可夫链模型

1. 引言

土地利用/土地覆盖变化是人类与自然相互作用的结果，涉及复杂的机制和过程。已有建议提出应调整土地利用规划实践，以最大化生态系统服务的供给[1]。湿地是地球上最重要的生态环境之一。作为陆地生态系统与水生生态系统之间的过渡区域，湿地具有独特的水文特征，发挥着重要的生态功能[2,3]。自20世纪80年代以来，以湿地生态系统为主要保护对象的自然保护区相继建立[4]。全球各国 increasingly 关注湿地转化为农田或建设用地所导致的生态功能退化问题，以及自然因素引起的湿地面积减少问题，如生境退化[5],、生物多样性丧失[6],、水质和水量下降[7,8],以及碳封存能力降低[9]。

为应对这些日益突出的环境问题，首要步骤是量化农业侵占自然区域的时空格局。

由于有限的土地资源同时用于粮食生产和生态保护，过去五年中，学者们开展了多情景模拟预测以平衡不同类型土地利用之间的竞争关系。Stewart 和 Cao 等人采用遗传算法对土地资源进行空间优化配置，并使用理想点法解决多目标决策问题[10,11]。土地利用模拟预测模型主要包括定量结构模拟，如马尔可夫链模型、多元统计模型、系统动力学模型，以及空间结构模拟，如土地利用变化及其影响（CLUE）模型和元胞自动机模型[12–14]。在农耕文明导向的土地利用分析中，模拟了耕地保护、建设与开发、生态保护三种土地利用空间布局情景（赵跃清，2013）[15,16]。或者将其划分为三种情景：照常发展趋势、生态环境保护管理、城市规划与区域发展（徐晓娟，2017）[17,18]。这些研究表明，马尔可夫链模型是定量研究中最准确的方法。

在过去50年中，天然湿地农田是导致抚远市湿地丧失与退化的重要因素；经过近50年的大规模农业开发，天然湿地面积大量减少，引发了一系列区域生态环境问题[19]。因此，有效分析和模拟土地利用变化对于改善生态环境管理、保障农业粮食生产安全至关重要。国内外学者针对三江平原沼泽湿地的景观变化、土地覆盖变化的环境效应以及土地利用变化对生态系统服务功能的影响开展了大量研究工作[20–24]。然而，现有研究尚不能深入揭示该区域耕地规律，在收缩型城乡地区不同情景下的土地利用规划与湿地环境保护方面仍存在研究空白。在宏观层面，中国土地管理部门的土地政策主要体现为数量控制，缺乏具体空间规划。本文旨在结合马尔可夫模型与多准则评价方法，预测和模拟不同情景下的土地利用格局，量化土地类型转换过程中的机制，以验证相关部门宏观层面土地利用政策的合理性。

2. 研究区域与工作流程

2.1. 研究区域

位于中国最东部地区，抚远市地处黑龙江与乌苏里江交汇处的三角地带（图1）。总面积为 6262.48 km²（图2）。该市是国家级生态示范区，生态资源保存良好。作为中华大马哈鱼之乡，据说其绿化覆盖率超过70%。在保障国家粮食与区域生态安全方面发挥着决定性作用。耕地约占68%，湿地约占16%。抚远市的经济产出以农业经济为主。种植业和畜牧业占主导地位，其次是林业和渔业。

过去20年，抚远市的农业用地经历了前所未有的扩张，预计这一趋势将持续下去。农业用地面积从 2005年的24.9万公顷（占县域土地总面积的41.2%）增长到2009年的50.6万公顷（占83.7%）。这种农业用地增长的急剧变化对土地覆盖产生了负面影响，如土地利用下降、生物多样性减少以及水资源污染。

2.2. 数据来源

基础数据包括中国科学院资源与环境数据中心提供的2000年、2005年和2010年的土地利用矢量数据。根据抚远市土地利用特征，参考最新的土地利用分类与编码表（GB T 21010‐2017），将土地利用类型划分为九类：林地、稻田、旱地、裸地、水域、建设用地、森林沼泽、灌丛沼泽和草本沼泽（图3）。本文采用航天雷达地形任务（SRTM）数据，从地理空间数据云获取2010年数字高程模型（DEM）数据，以生成坡度信息。由研究区域获取的土地利用数据中，软件以各种土地类型的面积作为基准面积，并通过与100米的比较和确定获得最优分析格网尺度。

2.3. 工作流程

本文以抚远市为例，采用ArcGIS 10技术对2000年和2005年的土地利用图进行叠加分析，得到土地利用转移矩阵，并利用马尔可夫链模型预测2010年的土地利用情况。随后将预测结果与2010年的实际土地利用情况进行比较并进行修正，进而预测2020年的土地利用状况。接着，利用转移矩阵分析2000年至2010年抚远市土地利用/土地覆盖变化，结合马尔可夫链模型和多准则评价（MCE）方法，将转移规则划分为三种情景：照常情景、保护耕地情景和保护湿地情景。预测了2020年抚远市在三种情景下的土地利用/土地覆盖变化，并进行了比较分析，提出了相应的结论（图3）。

3. 研究方法

3.1. 马尔可夫链模型

马尔可夫链模型用于预测某一区域土地利用的转化情况。该模型主要包括两个部分：转移矩阵和转移概率矩阵，它们表示某一时期内从一种土地利用类型向其他类型转移的数量和概率[25]。马尔可夫链被广泛应用于土地利用类型转移概率的分析中。根据随机过程理论，T时刻+1的状态仅与T时刻之前的状态有关，而与其他时刻的状态无关，这种性质决定了系统变化的趋势。其表达式如下：

$$ S_{t+1} = S_t \times P_{ij} $$ (1)

其中 $ S_{t+1} $ 和 $ S_t $ 分别为时间点 $ t+1 $ 和 $ t $ 的土地利用状态，$ P_{ij} $ 为满足以下条件的转移概率矩阵：

$$ 0 \leq P_{ij} \leq 1 $$ (2)

$$ \sum_{j=1}^{n} P_{ij} = 1 $$ (3)

3.2. 使用马尔可夫链计算转移概率矩阵

在IDRISI软件的马尔可夫模块中，输入了2000年、2005年和2010年的土地利用图，时间间隔为 5年。通过交叉列表分析，获得了2000年至2010年的土地利用类型转移概率矩阵（表1）。

表1. 抚远市2000–2010年转移概率矩阵。

2000 \ 2010	林地	水田	旱地	裸地	水域	建设用地	森林沼泽	灌木丛沼泽	Herb沼泽
林地	0.6807	0.1143	0.1767	1.49×10⁻⁶	0.0008	0.0085	9.49×10⁻⁷	0.0078	0.0111
稻田	0.0356	0.5279	0.4015	4.17×10⁻⁶	0.0018	0.0097	2.31×10⁻⁷	0.0058	0.0177
旱地	0.0542	0.3448	0.5210	9.92×10⁻⁶	0.0077	0.0133	3.62×10⁻⁷	0.0213	0.0376
裸地	0.0020	0.0891	0.0448	0.0025	0.7029	0.0014	0	0.0215	0.1358
水域	0.0016	0.0176	0.0333	1.66×10⁻⁶	0.6323	0.0152	6.88×10⁻⁷	0.0398	0.2603
建设用地	0	0	0	0	0	1	0	0	0
森林沼泽	0.3474	0.0538	0.1061	0.0025	0.0079	0.0336	0.0025	0.0957	0.3530
灌木沼泽	0.0513	0.0354	0.0882	0.0002	0.0128	0.0233	0.0002	0.4718	0.3170
草本沼泽	0.0054	0.0675	0.1251	7.73×10⁻⁶	0.0287	0.1431	7.73×10⁻⁷	0.0166	0.6136

3.3. 多重上下文转换规则设置

本文将三江平原土地利用/覆被变化的驱动力与国内专家进行比较，发现人为因素在抚远市土地格局变化中起着越来越重要的作用。在耕地保护与开发方面，黑龙江省土地利用总体规划（2006–2020年）明确提出要搞好耕地支撑，增加水田面积。在生态保护因素方面，国务院于2005年12月发布的《关于落实科学发展观加强环境保护的决定》，首次在国务院文件中提出“环境优先”，体现了中国环境政策的历史性转变。因此，在国家政策强制管控下，林地和湿地面积的减少趋势得到减缓。

情景设置与该地区政策制定者当前关注的主要问题密切相关。我们的多准则评估（MCE）计算依赖于物理、社会经济和区域特征，包括约束条件和因素条件[18]。前者条件是将分析限制在特定区域内。本研究中，使用布尔准则进行约束处理。不考虑转换的区域取值为0，考虑转换的区域取值为1。

鉴于抚远市未来土地需求，并综合考虑抚远市土地利用现状及未来经济社会发展战略，我们设置了照常情景（I）、耕地保护（II）和生态保护（III）三种情景，并在这些不同情景下进行了土地利用模拟。

（1）情景一——照常发展。该情景基于其自身的发展过程，土地利用的数量需求主要依据2000年至2010年的转移矩阵，采用马尔可夫模型预测2020年的土地利用变化。由此，我们制定了该情景下的转移规则矩阵（图4）。

（2）情景二——农田保护。在政策引导下，根据《抚顺市土地利用总体规划》和《松江三江平原农业综合开发实验区建设规划》中对土地利用的数量要求主要是保障粮食安全和控制。水田和旱地转出数量将优先保护优质连片耕地，减少其他土地类型对耕地的占用，降低耕地转为其他土地的可能性，并在转移矩阵的基础上保护农业用地。

（3）情景III—湿地保护。在生态保护红线的基础上，应考虑土地利用的数量要求，以改善区域生态环境。水域、林地和湿地（草本沼泽、灌丛沼泽和森林沼泽）应划为不可转换区域，并进行其他合理布局，以确保生态管控和生态敏感区的保护。

4. 结果与分析

根据转移矩阵的结果，利用马尔可夫模型模拟了2010年土地利用格局的分布。基于对马尔可夫模型时间预测精度的Kappa分析，2000年至2010年10年时间尺度上的Kappa系数为0.802，表明模拟图与实际土地利用图之间的一致性较好。此外，这说明该模型在抚远市具有可靠性，可用于预测不同情景下未来的土地利用格局。抚远市2020年三种情景下的土地利用状况如表2所示。

表2. 不同情景下的土地利用结构/hm²。

土地类型	2000	2010	2020情景1	2020情景2	2020情景3
林地	54,490.19	56,590.41	37,111.86	37,094.06	52,993.62
稻田	139,362.6	168,175.1	183,061.3	187,936	170,194.4
旱地	265,806.9	231,887.4	231,029.8	252,291	208,841.1
裸地	14.69	4.44	3.45	0.23	3.45
水域	6889.95	9538.26	12,272.49	20,629.08	25,506.61
建设用地	11,395.62	12,198.32	25,509.37	9986.86	10,117.73
森林沼泽	303.65	18.05	109.803	108.81	158.22
灌木沼泽	10,341.69	12,807.02	14,291.25	7807.42	15,706.2
草本沼泽	89,777.17	87,163.33	74,993.14	62,528.95	94,861.12
## 4.1. 三种情景下土地利用数量结构分析

4.1.1. 照常情景

照常情景下的模拟结果基本符合抚远市2020年土地利用规划。与2010年土地利用情况相比，到2020年水田面积将显著扩大，增加13,583.38 hm²，且分布相对集中；建设用地将增加18,151.6 hm²，林地数量也将有一定增加。旱地和草本沼泽将受到一定程度的退化，分别比2010年减少21,105.06 hm²和14,117.64 hm²。

4.1.2. 耕地保护情景

在耕地保护方案下，耕地具有较高的稳定性，分布集中且连片（图6）。从结果可以看出，到2020年，湿地、林地和水域面积相比2010年将显著缩小，而旱地、水田和建设用地将显著增加。从2000年到2020年，水田面积将增加48,573.44 hm²。旱地面积相比2010年将增加20,403.58 hm²，相比照常情景的旱地增加了41,580 hm²，占总面积的7.19%，增幅接近200%。森林沼泽相比自然增长情景也有显著增加。同时，耕地的增加主要来源于湿地和林地等土地利用类型的转化，而建设用地的增长将保持稳定。这表明在耕地保护背景下，城市发展不会停止。

4.1.3. 湿地环境保护区

在此情景下，林地和湿地得到了较好的保护（图7）。湿地是抚远市的主要土地类型，发生次数较少。草本沼泽和灌木和沼泽呈现明显上升趋势，预测值高于2010年，分别为7697.78 hm²和2899.17 hm²；森林沼泽、灌丛沼泽和草本沼泽分别增加48.41 hm², 1414.95 hm²,和1987.97 hm²，高于照常情景，增长率为相对缓慢的21.3%。水田和建设用地在该区域保持稳定，而旱地由农田开垦后减少至2020年的23,046.32 hm²。这表明湿地保护是一个相对较长期的过程。

4.2. 三种情景下土地利用动态程度分析

利用马尔可夫模型并引入转移矩阵，我们预测了2020年抚远市的土地利用变化趋势，并分析了2000到2020年抚远市土地利用变化动态（表3）。

表3. 抚远市2000–2020年土地利用动态程度。

	2000–2010		2010–2020情景1		2010–2020情景2		2010–2020情景3
	Area 变化	动态程度	Area 变化	动态程度	Area 变化	动态程度	Area 变化	动态程度
林地	2100.22	0.35%	−19,478.54	−3.44%	−19,496.34	−3.45%	−3596.78	−0.64%
稻田	28,812.58	1.88%	14,886.20	0.89%	19,760.89	1.18%	2019.259	0.12%
旱地	−33,919.47	−1.16%	−857.60	−0.04%	20,403.61	0.88%	−23,046.3	−0.99%
裸地	−10.25	−6.34%	−0.95	−2.17%	−4.17	−9.48%	−0.95473	−2.17%
水域	802.70	0.64%	74.19	0.06%	−2211.44	−1.81%	−2080.57	−1.71%
建设用地	2648.4	3.49%	15,971.17	16.74%	11,090.87	11.63%	15,968.41	16.74%
森林沼泽	−285.59	−8.55%	91.70	50.66%	90.71	50.12%	140.1158	77.41%
灌木沼泽	2465.34	2.17%	1484.25	1.16%	−4999.58	−3.90%	2899.196	2.26%
草本沼泽	−2613.84	−0.26%	−12,170.16	−1.40%	−24,634.35	−2.83%	7697.815	0.88%

结果如下：

（1）建设用地和森林沼泽面积急剧上升。2000–2010年间，旱地、森林沼泽和草本沼泽面积显著减少；林地、水田、水域、建设用地和灌丛沼泽面积增加。相比之下，2010年至2020年期间，林地面积减少，森林沼泽面积增加。在三种情景下相对稳定的土地类型为林地、水田、旱地、水域、灌丛沼泽和草本沼泽，而建设用地和森林沼泽则发生了剧烈变化。可以看出，2000–2010年期间建设用地的动态程度为3.49%，而在10–20年的三种情景下，其动态程度分别为16.74%、11.63%和16.74%，约为2000–2010年期间的五倍。结合土地利用转移矩阵分析，此期间的建设用地未发生变化。森林沼泽由10年的下降趋势转为20年的持续增长趋势，动态程度剧烈。这表明抚远市的城市化进程迅速，但并未与生态保护水平相冲突。

（2）在土地利用规划方案中，土地利用需求与抚远市土地利用总体规划（2000–2020年）相关，严格控制建设用地扩张，突出耕地和生态环境保护。从三种情景的对比可以看出，照常情景下的农田和建设用地显著增加，而湿地则大幅减少。情景2相比情景1更注重耕地保护，水田和旱地面积相较于情景1稳步增加，但林地和湿地面积呈下降趋势。情景3相比情景1更注重湿地保护，此时水田、旱地和建设用地转为湿地是土地利用转化的主要方向。同时，结合三种发展趋势，情景3的发展趋势与情景1更为接近。

4.3. 土地利用类型转移规律分析

完全消耗系数的含义是三江平原生态经济系统中每增加一个单位土地利用面积，最终会消耗其他土地利用类型的面积大小。如果完全消耗系数为正，则两种土地利用类型呈正相关，反之则相反（表4）。

表4. 抚远市2010–2020年土地利用完全消耗系数矩阵

2010–2020	林地	农田	裸地	水域	建设用地	沼泽
林地	0.906462628	−1.271873081	−0.38985497	−0.531454976	−0.417626729	−1.03020651
农田	−1.271873081	−3.13639098	−0.924581601	−1.020683182	0.864567169	−2.163943398
裸地	−0.38985497	−0.924581601	1.950458268	−0.432773249	−0.368157356	−0.915919922
水域	−0.531454976	−1.020683182	−0.432773249	1.170768134	−0.36028447	0.508187767
建设用地	−0.417626729	−0.864567169	−0.368157356	−0.36028447	0.749505453	−0.70738098
沼泽	−1.03020651	−2.163943398	−0.915919922	0.508187767	−0.70738098	2.19541234

结果表明：

（1）退耕还林的面积仍有待解决。根据2020年的预测结果，每增加一个单位的耕地面积，将减少1.271873081个单位的林地面积，并导致2.163743398个单位的湿地面积退化。因此，对于富源县而言，每增加一个单位的耕地面积，将带来超过两倍的湿地面积退化，而林地面积的退化规模也大于耕地面积的增加规模。

（2）该区域生态环境相对较差且脆弱。同时，未利用地面积的增加主要体现在沙地和裸土上，这也是以牺牲其他土地利用类型的面积为代价的，但其总消耗因子相对较小。只要草地减少0.370266275个单位，就会导致裸土面积增加一个单位的沙地；同样，仅需减少0.38985497个单位的林地面积，裸土面积即可增加一个单位。该区域生态环境相对脆弱。同时，耕地面积的增加在很大程度上消耗和占用了林地面积。将这两个系数相乘可得，当耕地面积增加一个单位时，最终将带来3.2580个单位的裸地面积增加。

5. 讨论

5.1. 湿地农田协调发展的讨论

（1）农田内部转换剧烈，亟需规范。结合马尔可夫链模型并引入转移矩阵对2020年土地利用格局进行预测可知，土地利用类型总体变化不明显；但各类土地之间的相互转化较为剧烈，尤其是农田内部旱地与水田之间的相互转换尤为显著。水田已转为旱地面积达41,726.4 hm²，旱地转为水田面积达68,216.3 hm²。总体来看，水田数量呈上升趋势，而旱地数量呈下降趋势。尽管农田总量趋于稳定，但耕地红线变化剧烈，将导致农业生产不稳定以及土地利用集约化水平偏低。迫切需要加强规范化管理，优化耕地空间布局。

（2）湿地生态脆弱性增加。从2000年到2017年，抚远市气温和降水变化显著，气温逐渐升高，降水先增加后减少，河流径流无明显变化。湿地面积逐渐减少，湿地类型发生剧烈变化。根据最新的土地利用现状分类与编码表（GB T 21010‐2017），水田被划归为湿地，因此原始湿地面积严重下降的问题得到缓解，维持了区域的生态平衡与可持续发展。然而，其生态效益仍有待商榷。结合转移矩阵分析表明，在数量上，生态保护已取得初步成效；但湿地生态系统脆弱，可持续发展水平仍需提升。

5.2. 农业地区发展的讨论

（1）退耕还林政策的调整。农业用地的盲目扩张必然导致林地和湿地更加严重的退化，该地区的盲目开发将对自然环境造成巨大破坏。同样，为了增加森林面积或湿地面积，需要大量土地用于退耕还林，因此该地区退耕还林的压力相对较高。目前，黑龙江省新一轮土地利用规划将导致林地、湿地和草地分别消耗6.8102 hm², 674,214 hm²,和6,157,762 hm²，大量生态资源将被消耗，生态环境将在现有基础上遭受更严重的破坏。原有的土地利用规划应予以修订。为实现农业发展与生态环境保护之间的协调目标，应加大生态林的培育，以遏制湿地面积减少和功能退化的趋势，在此基础上统筹安排其他农业用地。

（2）农业地区的经济发展。土地利用规划是一项公共事务，旨在协调土地利用并解决不同利益相关者和群体之间的利益冲突[26]。全球大多数农业地区（如抚远）正面临前所未有的城市扩张问题。三种预测情景表明，尽管城市规模在扩大且未造成环境破坏，但并未促进经济发展。经济衰退带来的城市集聚放缓效应已成为区域议程中的关键问题。其中一项重要的区域优先事项在于实现抚远土地利用的多样化，试图通过创建多元化的供给来吸引年轻劳动力，或整合利益相关者的选择与多准则分析以支持土地利用规划。

6. 结论

本文利用马尔可夫链模型，引入转移矩阵，预测2020年土地利用格局变化趋势。该区域耕地面积比例超过70%，占据优势地位。土地利用结构以农田为主，符合抚远市政府致力于打造“一地三区”、发展“五大产业”的区域经济社会发展特征。

为进一步落实生态保护政策，协调农田与湿地的和谐发展，抚远市土地利用生态保护规划可分为三个步骤：

（1）集约化开发利用耕地，合理规划土地利用空间布局，确定耕地保护红线。

（2）草本沼泽是最容易转换的土地类型，湿地恢复可以从草本沼泽开始。

（3）增加并加快森林沼泽面积，以保护生物多样性。

土地利用/土地覆盖变化由自然因素和人类活动引起。如何协调土地利用与生态建设之间的关系，是我们亟需解决的问题。本文提出了一种将多情景预测与抚远市总体土地利用规划相结合的方法，用于未来城市土地利用情景的定量分析。基于不同情景的建模将产生新的结果。通过对抚远市总体土地规划与预测结果的比较分析发现，黑龙江省现行的土地利用规划由于农业用地的新规划，将导致大量生态资源被消耗，原有的土地利用规划应在一定程度上进行调整。这种情景模拟方法可更广泛地应用于土地利用分析，建议在未来的研究领域中继续使用。然而，本文所采用的研究方法仅用于土地管理部门验证土地政策制定的合理性，抚远市的土地利用空间规划与布局将在后续研究中进一步开展。