土地规划的自然过程基础与大数据时代的方法探索

       中图分类号：K901 文献标识码：A 文章编号：1000-0690(2016)12-1912-08

       土地规划的编制与实施是人类意志作用于地表为主体的自然系统的过程，在此过程中各种错综复杂的自然因素对人类的土地利用决策和行为产生制约。因此，土地规划方案的制定需要基于区域自然要素及其规律这一基础背景。反思中国已开展过的两轮土地利用总体规划和正在实施的第三轮土地利用总体规划，以及相关部门编制的为数较多的土地整治规划、基本农田保护规划等与土地利用有关的相关规划，结合当前人地矛盾日趋尖锐、土地退化、陆地生态系统生产力变化、温室气体排放、生物多样性减少等问题日益凸显的资源环境背景，有必要更加深刻地认知和审视土地规划的自然过程，推动土地规划适应区域自然环境规律、全球环境变化的要求和我国经济社会转型发展的新形势。与此同时，在现代信息技术发展支撑下，“大数据”时代已经降临[1]，庞大的数据资源使得各个领域开始了新的量化进程，对土地利用的决策也将要基于大数据的分析与挖掘，在此背景下传统土地规划方法面临新的挑战。

       1 土地规划的自然过程基础

       土地规划的编制与实施涉及以土地为载体的水文、地貌、地质、气候、生物、环境等多方面的自然要素及其系统关系，生物地球化学循环、生态景观格局等自然过程基础，作为影响土地规划编制与实施的重要要素，还没有得到充分的认知和关注[2,3]。为了进一步推进土地规划编制与实施中的人地关系协调，深入落实尊重自然、顺应自然的开发理念，土地规划需要创新规划思路，将自然、生态景观与社会经济发展和谐统一作为规划的核心，落实“山水路林田生命共同体”的人地和谐发展理念[4]。

       1.1 生物地球化学过程对土地规划的影响

       地球系统的各个圈层之间是通过物理、化学和生物过程相互联系在一起，而陆地表面是大气、土壤和生物圈之间相互作用最为活跃的界面[5]。随着人类活动参与自然地球化学过程的程度越来越高，加速了地球化学循环过程。土地规划过程是直接参与地球化学循环的主要人类活动之一，对生物地球化学循环产生重要影响。生物地球化学过程对土地规划的作用主要表现为(图1)：①气候变化与土地覆被变化的影响。地球化学过程是推动地球物质运动的主要形式之一，促进化学元素的迁移、转化、富集和再生。当前温室气体剧增影响气候变化，碳循环过程成为生物地球化学循环的关键点。土地不仅是陆地生态系统碳汇的自然载体，更是人类经济社会产生碳排放的空间载体[6]，土地利用规划带来的土地用地类型的改变，土地覆被的变化均对地球化学过程的碳、氮等微量元素的循环过程产生影响。因此，在土地规划过程中除了考虑影响土地资源利用的社会经济因素以外，更要重视土地的地球化学循环过程[7]。②土壤圈土壤生物属性及其物质循环的影响。从土壤圈角度看，土地的地球化学过程主要体现在土地质量上，包括土壤肥沃程度、土壤健康状况、土壤微生物含量等，土地质量的高低主要影响土地规划的功能划分。不同的土地规划对后备土地资源质量要求不同，土地规划过程应以土地质量自然属性为基准，因地制宜制定土地规划方案。如中国基本农田对土地质量要求较高，在土地规划过程就应重视土壤的肥沃程度。有学者认为对土地进行地球化学评估，根据土地地质背景、耕层厚度、坡度、坡向等土地质量的物理属性，对土地规划中初步划定的分级进行检验，可以提高土地规划的科学性，实现合理的土地利用分区[8]。这对当前出现的因经济发展，土地过度开发造成的土地质量下降，水土流失、荒漠化、盐碱化严重等问题提出有效预防措施。③陆地生态系统物质、能量循环对土地规划的影响。生物地球化学循环过程在景观形成和发展中起着主导作用，森林、草地、湿地、农地等陆地生态系统的特殊景观蕴含着复杂的生物地球化学过程，要求土地利用协调用地类型与物质循环之间的关系。同时，土地规划对陆地生态系统从自然干预、规划约束、经营管理等方面参与生物地球化学过程。大量研究结果认为土地利用结构变化降低了土地生物多样性[9,10]，发展中国家主要是由于农业用地的扩张[11]，发达国家由于城镇化水平较高，建设用地扩张使得生物多样性减少[12]，这势必将影响土地的可持续利用。正确识别土地规划的自然影响因子是土地规划方案成功的关键。

      

       图1 生物地球化学过程与土地规划相互作用机制

       Fig.1 The mechanism of interaction between biogeochemical process and land planning

       1.2 生态景观格局对土地规划的影响

       土地利用/覆被变化(LUCC)是全球环境变化的主要因素和驱动力，对全球环境、生物地球化学循环产生重要影响。生态景观格局是土地利用变化在空间的主要表现形式，也是与土地规划过程密切联系的载体，其对土地规划的影响主要表现在以下几个方面(图2)：①从生物群落角度看，自然群落的发展演替过程需要安全的生态环境，而土地利用与覆被变化所造成的景观破碎化、物种灭绝与引进、土壤养分的改变等使得大面积生物群落的组成发生变化，土地规划在考虑数量供给的同时，需要加强生态规划。②从生态系统角度看，土地是由各种类型的生态系统组成，包括农田生态系统、草地生态系统、林地生态系统、湿地生态系统等，土地利用结构的变化直接体现在生态系统的变化[13]。因此，生态系统的脆弱性是土地规划所要考虑的重要内容。安红岩等[14]从土地规划中的生态服务价值角度分析了生态服务价值导向的土地资源合理利用方式，建立可持续的土地利用模式。吴克宁[15]等从生态功能角度利用生态系统服务价值变化对土地规划方案做出评估、土地规划实施进行评价。这都反映出生态系统服务的脆弱性与土地利用变化密切相关。王佳丽[16]等从土地碳储量角度引入土地利用变化对生态系统服务脆弱性评估方法，研究发现调整土地利用结构、加强土地规划管理可以降低生态系统碳储量对土地利用变化的脆弱性。③从景观格局角度看，各类型的下垫面(包括人工建筑、水面、绿地等)的空间形态和结构布局构成了区域的景观格局，景观格局由景观组分和景观格局两部分组成[17]。景观组分从下垫面性质要求土地规划对现有后备资源进行合理布局，景观格局从空间角度影响土地规划对土地资源的空间分布与协调发展。因此，土地规划不仅需要适应区域景观格局，更需要通过自身的合理空间配置来缓解因土地利用引起的土地结构的改变而出现的景观破碎化问题。