第1章绪论
　　1.1土地利用研究背景
　　土地利用，即把自然景观转变为供人类使用或改变为以人类为主的土地管理活动，已经显著地改变了地球表面和相关的生物地球化学过程（Vitousek et al.，1997；Foley et al.，2005）。在全球范围内，土地越发成为一种稀缺资源，导致不同利用主体对土地资源的激烈竞争和冲突（Lambin et al.，2001）。在过去的几个世纪里，全球经历了大规模的耕地扩张和集约化，以满足不断增长的人口对粮食的需求（Tilman et al.，2011）。城镇化的快速推进占用大量的耕地，影响了区域气候环境，破坏了生物栖息地，并威胁生物多样性（Seto et al.，2011）。同时，为了改善生态环境质量、缓解气候变化产生的负面效应，政府开始实施植树造林等众多生态恢复项目，以维持土地系统的可持续发展（Trabucco et al.，2008）。例如，中国政府实施了16个可持续发展项目，有效提高了土地系统的可持续性（Bryan et al.，2018）。
　　我国人口规模庞大，土地资源短缺，伴随工业化、城镇化的不断推进，不同土地利用类型（又称地类）相互挤占现象突出（张红旗等，2015；Long and Qu，2018）。城市用地、工业用地空间高速扩张，占用大量优质耕地，导致社会经济发展和耕地资源保护之间矛盾严重（傅泽强等，2001；谈明洪和吕昌河，2005；Ju et al.，2018）；耕地开垦占用林、草等生态用地，以及退耕还林还草政策的实施，又导致生产、生态用地之间同样存在竞争（雷玉桃等，2003；刘诚和刘俊昌，2007；陈瑜琦等，2018）。面对城市发展、粮食安全和生态保护等激烈冲突，如何利用有限的土地资源协调各类用地的冲突、优化空间格局，成为行政管理和学术研究共同关注的热点。统筹优化不同用地空间，是当下推动“美丽中国”、生态文明建设及优化国土空间开发的重要内容。
　　当前，我国新一轮的国土空间开发规划和研究已经从理念到实践强调土地功能差异和“三生”统筹的重要性《中共中央国务院关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》.2019.。所谓“三生”用地，是以土地的利用功能为视角，包括生态用地、生产用地和生活用地的不同用地空间（刘继来等，2017）。2012年，党的十八大报告将优化国土空间作为生态文明建设的重要抓手，并提出“促进生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”；2018年发布的《乡村振兴战略规划（2018—2022年）》也指出要“统筹利用生产空间”“合理布局生活空间”“严格保护生态空间”。从实践上，《全国主体功能区规划》正是强调对国土空间的分类，突出“三生”空间的差异性。正在编制的《全国国土空间规划纲要（2021—2035年）》要求将城市开发边界、永久基本农田红线和生态保护红线“三线”作为合理布局和协调管控国土空间的重要手段《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价指南（试行）》.2020.。在此背景下，进行土地利用变化效应评估和模拟优化，对支撑土地资源可持续利用和国土空间开发具有重要意义。
　　1.2土地利用效应的研究进展
　　全球气候变化和人类活动的加剧使得土地利用变化及其效应成为研究热点和难点（Lafortezza and Chen，2016；Hao et al.，2017；Runting et al.，2017；Song and Deng，2017）。人类通过与土地有关的各种利用活动，改变地球陆地表面的覆盖状况（李秀彬，1996），以满足需求、获得不同的物质产品和服务（Vitousek et al.，1997）。同时，土地利用变化对地球的大气圈、土壤圈、水圈和生物圈均产生了重大影响（Kalnay and Cai，2003），其变化导致了气候、生物和社会政治等众多因素的变化（Lambin et al.，2001；Verburg et al.，2004a）。关于土地利用变化的生态环境效应一直是过去20年学界研究的重点，已有较多学者对此研究的进展进行综述（刘纪远等，2011；韩骥等，2016；匡文慧，2018；龙花楼等，2018；许尔琪，2019）。考虑到土地利用变化造成的生态环境效应涉及方方面面的要素，本节通过重点回顾土地利用与生态系统服务关系来探讨土地利用效应的研究进展。
　　土地利用与生态系统服务密切相关，其变化改变着生态系统产品与服务的提供能力。生态系统服务是人类从生态系统中获得的各种惠益，包括有形的物质产品供给与无形的服务提供两方面，主要分为供给服务、调节服务、文化服务和支持服务共4种类型（Costanza et al.，1997；Daily et al.，2000）。Costanza等（1997，2014）、欧阳志云等（1999）、谢高地等（2015）众多国内外学者从不同角度对生态系统服务的评估等进行了系统研究，有力促进了土地利用生态环境效应评估的研究。土地利用变化导致不同类型的生态系统服务之间呈现复杂的相互关系，生态系统服务之间相互影响，其关系主要表现为权衡（Trade-off）和协同（Synergy）。权衡是指一种生态系统服务的增加造成另一种生态系统服务的减少；协同是指两种生态系统服务同时增加或同时减少（Rodríguez et al.，2006）。
　　国际上对生态系统服务权衡与协同关系的类型、表现形式、驱动机制及尺度效应等展开了积极的理论探索和实证研究（Rodríguez et al.，2006；Bennett et al.，2009；de Groot et al.，2010；Lester et al.，2013），国内学者也对上述系列研究成果进行了评述和展望（葛菁等，2012；李鹏等，2012；林泉和吴秀芹，2012；李双成等，2013；戴尔阜等，2015b；傅伯杰和于丹丹，2016）。目前，国内外学者主要采用空间制图、统计分析及模型模拟等空间分析和定量分析方法进行不同类型生态系统服务之间的权衡/协同关系研究（Pretty，2008；Nelson et al.，2009；白杨等，2013；Lu et al.，2015；饶胜等，2015；杨晓楠等，2015；李晶等，2016）。空间制图是通过空间叠置，比较其空间重合度，以直观的制图方法表达生态系统服务之间的关系（Crossman and Bryan，2009；Raudsepp-Hearne et al.，2010；李晶等，2016）；统计分析是对不同生态系统服务的关系进行统计检验，包括相关分析、阈值分析、极值分析和均方根偏差等方法（Viglizzo and Frank，2006；Bradford and DAmato，2012；Lu et al.，2014；Law et al.，2015；杨晓楠等，2015）；模型模拟则是通过集成的方式，甄别生态系统服务类型间的相互关系，目前开发了较多模型，如InVEST、ARIES和ESValue等，其中InVEST模型应用最为广泛（Nelson et al.，2009；Bai et al.，2013；Lu et al.，2015；傅伯杰和于丹丹，2016）。上述方法各有优缺点，在不同案例研究中常被联合使用。
　　以耕地变化为例，尽管我国实行着最严格的耕地保护政策，然而，城市用地和工业用地高速扩张，占用大量优质耕地（傅泽强等，2001；谈明洪和吕昌河，2005；Ju et al.，2018），同时，为了生态保护建设，退耕还林还草工程也导致耕地数量的减少（雷玉桃等，2003；刘诚和刘俊昌，2007；陈瑜琦等，2018），另外，作为耕地保护制度的重要组成部分，占补平衡政策使得林地、草地和湿地等生态用地被开垦为耕地（汤怀志等，2020）。上述耕地与其他土地利用类型复杂的转入和转出变化，使耕地相应的数量、质量及空间格局也随之变化，这些均对粮食生产能力产生了重要的影响。近20年来，我国耕地和种粮面积逐渐下降，但粮食总量实现了“十七”连增，可见满足粮食需求不是通过扩大面积来达到的，而是通过技术、管理和布局等更多的土地系统要素实现的。在此复杂变化下，尽管粮食总产量持续增加，但粮食格局发生重大转折，由“南粮北运”转变为“北粮南运”。与此同时，耕地在变化过程中，不仅改变了农业生产的主体功能，也对生态环境等诸多要素产生了复杂的影响。例如，农业生产活动为了追求较高的农业产量和经济效益，在生产中大量使用肥料尤其是化学肥料，从而增加了汛期的肥料流失风险，加剧了流域水体富营养化（许尔琪，2019）。大量农药的使用已经严重破坏了无脊椎动物的多样性，如造成蜉蝣和蜻蜓生物多样性锐减。Beketov等（2013）对欧洲和澳大利亚区域的调查研究表明，其生物多样性遭到严重破坏。尤其在干旱区，耕地数量大幅增加，使得引水量不断增加，致使河道下游及绿洲外围地下水位急剧下降，荒漠天然植被可利用水量迅速减少，造成胡杨、红柳（多枝柽柳）、野生牧草等大面积衰退死亡（唐庄生，2018）。可见，土地利用变化对生态环境产生了显著的影响，亟须对此做出科学的评估，以指导土地资源的优化管理。
　　1.3土地利用模拟优化的研究进展
　　为了合理规划和利用土地，不同土地利用方式的选择需要以土地适宜性评价作为重要的参考依据（Collins et al.，2001）。土地适宜性评价可阐明土地利用状况、合理程度、利用方向以及用地调整和转变的可能性及条件，阐明土地利用发展的潜力及提高土地生产力和改造、保护的必要措施（石玉林，1982）。联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）出版的《土地评价纲要》，从土地适宜性的角度出发，以纲、类、亚类和单元划分，反映用地的适宜性程度、用地的限制性因素和改良管理措施（FAO，1976）。20世纪80年代，由石玉林主持编绘的《中国1∶100万土地资源图》构建了适用于中国的五级分类系统，包括土地潜力区、土地适宜类、土地质量等、土地限制型和土地资源单位。随着土地适宜性理论、GIS技术及多指标评价方法的发展，多要素制图和叠加方法在土地适宜性评价研究中得到广泛应用。通过选取土壤条件、地形地貌、气候条件、地质条件、社会经济、交通区位和环境承载力等指标构建评价体系，诊断农林牧用地、城市用地和生态用地等的适宜性（Pereira and Duckstein，1993；Kalogirou，2002；刘孝富等，2010；El Baroudy，2016）。
　　根据土地适宜性的差异，人类利用土地形成不同的类型和结构，获取所需经济、社会和生态环境等效益与价值。土地多功能性体现着土地满足人类多种需求的程度和能力，某一土地利用类型经常表现出多功能性，体现为土地利用提供的私人和公共的不同产品和服务（Pérez-Soba et al.，2008；Verburg et al.，2009），目前多是基于环境、经济和社会三个可持续发展维度的功能构建研究框架（Verburg et al.，2009），进行分类和评估研究（Aubry et al.，2012；Zhou et al.，2017；Fan et al.，2018）。对于其综合评估，比较有代表性的是Helming等（2008）和Pérez-Soba等（2008）在总结欧盟SANSOR计划研究成果的基础上，根据不同的产业部门，将土地利用的社会功能、经济功能和环境功能细分为九个子功能。国内外学者基于构建的多指标评价体系，应用生物物理过程模型、景观生态学指标和生态系统服务评估模型，进行土地子功能计算，再应用数学方法集成不同土地功能的评估结果（Wiggering et al.，2006；Lovell，2010；甄霖等，2010；刘彦随等，2011；杜国明等，2016b；Stürck and Verburg，2017）。
　　土地利用主体对土地功能偏好的差异也影响土地利用方式的选择，其更是导致土地利用冲