高度城市化地区耕地布局的多目标空间优化：以中国东莞为例

《Land Degradation & Development》：Multi-Objective Spatial Optimization of Cropland Layouts in Highly Urbanized Regions: Evidence From Dongguan, China

　　

高度城市化地区的耕地保护需要在稳定的数量-质量目标与极度破碎化空间结构的功能优化之间实现协调。本研究基于非支配排序遗传算法-II（NSGA-II）构建了地块尺度的耕地布局多目标空间重构框架，以在数量平衡、耕地质量不退化、空间可行性及调整优先序等约束下平衡破碎化缓解与土地转换成本。该方法将多情景耕地调整规模与三种地块尺度调整模式（即内部填充、边缘扩展和地块连接）相结合。在中国高度城市化代表性城市东莞的验证表明，该框架通过分布良好的Pareto前沿能够有效生成空间上切实可行的布局。结果表明，虽然较大的调整规模可显著改善景观聚集度，但土地转换成本呈非线性攀升；最高强度情景的成本超过最小情景的六倍。在所有情景中，边缘扩展是成本有效的整理主要途径，而内部填充有助于消除地块穿孔并稳定核心区域。地块连接对于桥接孤立碎片和保障系统景观完整性仍然不可或缺。然而，敏感性分析表明，优化结果对连接距离的响应强于对相对成本系数的响应，且增加连接距离并不必然改善整体景观结构。这些发现强调，将地块尺度机制与多目标优化耦合可为高密度城市环境中的精准空间规划和针对性耕地政策提供稳健、可操作的工具。

**研究背景与问题提出**

耕地是粮食生产的基本载体和国家粮食安全的关键支柱。在中国，耕地保护面临人口众多与耕地有限之间不匹配的挑战。自20世纪90年代以来，加速的城市化占用了大量耕地，导致全国耕地持续下降。除数量损失外，中国耕地保护已日益转向对数量、质量和空间完整性的综合关注。这一转变至关重要，因为剩余耕地的空间格局不再仅由农业发展本身塑造，而日益受到城市建设、基础设施扩张和土地利用重构竞争的深刻影响。

这一压力在高度城市化地区最为突出，此类地区的耕地保护在结构上不同于普通农业区域。在这些区域，耕地嵌入高度破碎化且快速转型的景观之中，城市扩张、工业用地需求、生态约束和农业生产激烈竞争有限的土地资源。因此，主要挑战不再仅仅是保持耕地面积和质量，而是在极端土地稀缺和发展压力下重组其空间格局。城市扩张减小地块规模并增加边缘不规则性，而基础设施建设和农业结构调整进一步细分原有的连片耕地并削弱空间连通性。与此同时，非粮化生产和非农活动的蔓延导致耕地地块内部穿孔和结构不连续，加速景观退化并削弱农业连续性。尽管耕地占补平衡政策有助于维持耕地总量，但有时会将城郊优质耕地置换到耕作距离长、土地质量下降的边缘位置。在土地功能层面，破碎化增加了耕作距离和经营成本，制约机械化耕作和高效投入品使用，降低农业生产力，并增加耕地撂荒风险。在农业景观层面，耕地的细分、穿孔和隔离破坏了空间连续性和连通性，加剧了农田景观系统的退化，并削弱了相关生态系统服务的供给。综合来看，这些功能和结构损失表明，耕地破碎化不仅仅是土地格局的几何变化，而是土地退化的重要表现形式。由于高度城市化地区持续的土地竞争不断强化耕地细分和隔离，缓解破碎化已成为防止剩余农业用地进一步退化的迫切要求。

耕地布局优化通过重组破碎地块和改善其空间连续性，为缓解破碎化引起的退化提供了空间显式途径，从而有助于可持续土地管理。在高度城市化地区，这种优化可理解为受人与自然耦合相互作用塑造的多目标空间配置问题。根据土地系统科学，耕地不是静态资源，而是动态社会-生态系统的一部分，其中生产、发展和保护目标持续协商。景观生态学进一步表明，空间格局与耕地数量同等重要，因为地块大小、连通性和形状复杂性同时影响农业效率和景观韧性。这些观点意味着耕地布局优化应平衡多重目标而非单一指标。在实践中，这种多目标性质日益反映在政策驱动的空间干预中。在中国，空间整理已成为土地利用重构和破碎化缓解的重要工具。在此背景下，耕地置换作为一种前瞻性策略被提出，其涉及退出破碎和边缘耕地地块并将其重新分配到更适宜的区域。实证研究表明，这种再分配可以在不损害耕地总体范围的情况下减少破碎化并增强连通性。这些进展凸显了耕地布局优化本质上是受限空间系统内的权衡协商，其中Pareto有效解比单目标优化更为适用，尤其是在以土地稀缺、破碎化和强政策约束为特征的高度城市化地区。

当前空间优化方法已从基于规则的土地分配和适宜性评价演变为模拟驱动和进化辅助的空间决策框架。现有方法日益整合地理信息系统、土地利用变化模型和进化算法以探索多重约束下的优化路径，其中NSGA-II等多目标进化方法在识别Pareto最优解而非单一预定结果方面尤为有效。然而，有效支持高度城市化地区耕地置换和空间重构的空间优化方法仍面临挑战。一方面，耕地空间优化需要在空间和政策约束下平衡空间结构改善与土地转换成本，同时维持耕地数量和质量。另一方面，高度城市化地区的耕地通常以萎缩、破碎化、穿孔和空间分散为特征，这需要精细尺度的地块级优化策略。尽管对城市化地区耕地空间优化的认识日益增长，但多目标协调与地块级优化的整合仍然有限，尤其是在实证证据不足的高度城市化背景下。

为解决这些差距，本研究开发了高度城市化地区耕地破碎化缓解的地块级多目标空间重构框架，并将其应用于中国极端城市化压力的代表性案例东莞。该框架在改进的NSGA-II中整合了多重目标、置换规模和三种地块调整模式（内部填充、边缘扩展和地块连接），以实现耕地的精细尺度空间优化。具体而言，本研究旨在：（1）开发并验证在耕作适宜性和地方耕地保护政策约束下平衡耕地破碎化缓解与土地转换成本的多目标优化模型；（2）评估不同置换规模情景下的优化结果并量化景观改善；（3）表征不同地块调整模式对优化结果的贡献。

**关键技术方法**

研究人员采用地块级多目标空间重构框架，核心为改进的非支配排序遗传算法-II（NSGA-II），将三种地块调整模式（内部填充M1、边缘扩展M2、地块连接M3）嵌入进化算子，并以情景化约束参数化调控置换规模。优化目标为最大化破碎化缓解效益与最小化土地转换成本，约束条件包括耕地数量平衡、质量不退化、空间可行性和调整优先序（采用熵权TOPSIS法确定优先序）。以中国东莞为研究区，数据来源于东莞自然资源部门提供的行政边界、耕地分布和耕地保护与聚集区（CLPAZs）数据，土地利用数据通过ESRI World Imagery Wayback项目高分辨率影像目视解译获得，土壤属性、数字高程模型（ASTER GDEM V3）、道路和水资源数据分别来自相关数据库，所有栅格数据重采样至5 m分辨率。模型在MATLAB R2023b中实现，种群规模和最大迭代次数均设为500，交叉和变异概率分别为0.9和0.01，每个情景独立运行10次以评估稳健性和收敛性，并采用单因素（OAT）敏感性分析检验连接距离阈值和相对成本系数的影响。

**研究结果**

**模型性能**

优化过程在所有情景中均表现出快速收敛和高稳定性。超体积（HV）值和目标收敛曲线在前100代内急剧收敛，并在400代后趋于稳定，表明优化收敛有效。同时，模型保持稳健性，两个目标的变异系数（CV）值始终低于3%，表明对随机初始化的敏感性较低。通过合并10次独立运行的解并应用快速非支配排序构建最终Pareto前沿，每个情景识别出三个代表性方案：破碎化减少方案（RFS）、成本减少方案（RCS）和平衡方案（BLS），以原始耕地布局为基线方案（BS）进行比较。所有代表性方案均满足耕地质量不退化约束，新增加耕地的平均耕作适宜性优于相应的流出耕地。

**优化耕地布局的空间格局**

随着流出约束从S1到S3放宽，可置换耕地池显著扩大，分别为271.73、557.28和1129.71 ha。乡镇级耕地流入在优化方案间表现出显著差异，尤其在低置换强度下。在S1中，RFS（4.90 ha）和BLS（5.31 ha）的中位数高于RCS（2.49 ha），数据点分布相对集中，表明各乡镇分配更为均衡；相反，RCS倾向于将流入集中在少数乡镇，其最大流入量（50.63 ha）远超RFS（25.57 ha），中位数显著低于均值。随着置换强度从S1增至S3，中位流入值和分布模式逐渐趋同，方案分化减小。耕地流出和流入的空间格局呈现显著区域分异：较大流出面积主要集中在东莞中部和南部，而流入主要导向西北和东北部地区。这一格局与耕地置换的空间约束密切相关——耕地流出识别自CLPAZs外满足情景特定置换标准的破碎地块，因此中部和南部较大的流出反映了这些区域符合条件的破碎耕地更为集中；相反，耕地流入仅限于CLPAZs，其向西北和东北部的集中在很大程度上决定了耕地恢复的区域方向。在CLPAZs内，优先机制进一步引导恢复向高优先级地块进行。方案差异进一步反映在耕地净增加乡镇数量上：RFS促进相对广泛的分布，在S1–S3下净增加分别涵盖16、14和14个乡镇；RCS将流入集中在较少乡镇（S1：11；S2：11；S3：14），与其成本最小化导向一致；BLS呈现中间模式（S1：14；S2：15；S3：14）。在景观尺度上，基线耕地分布高度破碎化。优化后，耕地有效再分配至CLPAZs，尤其在西北和东北部，与流入格局一致。尽管各情景总体空间结构大致相似，但CLPAZs内部出现显著差异：RFS促进地块合并和扩展，减少地块数量并增加平均地块面积，尤其在B区和C区；RCS主要扩展与现有大地块相邻的耕地，尤其在A区和B区；BLS产生中间空间构型。优化结果在S1下分化显著，有限置换放大了不同目标的效应；在S3下，随着大规模置换主导空间构型，布局逐渐趋同。

**空间优化下耕地景观结构变化**

各CLPAZ的景观指标计算并平均以量化总体结构变化。所有优化布局在地块大小、形状规整性和连通性方面均优于基线。S3显示出最显著的改善：AREA_MN和LPI分别增加109.49%和36.54%，LSI和NP分别下降12.75%和47.37%。S2下改善适中，S1下有限，证实景观增益随置换强度增强。在各方案中，RFS实现最低NP和最高AREA_MN增益，在降低形状复杂性和增强空间聚集方面持续表现优异。MSPA分析揭示各情景下核心区一致扩张和孤岛区显著收缩。相对于BS，S3下核心区增加最显著（8.34%），孤岛区在S1–S3下从7.28%分别降至4.15%、2.08%和0.91%。RFS最有效地消除孤立地块，而RCS产生最大的核心区扩张。空间格局表明核心区扩张主要源于现有地块的向外生长和互连，以及先前孤立碎片融入连续耕地结构。景观指标和MSPA类别的协调变化与三种地块调整模式嵌入的空间操作一致：M1消除内部非耕地穿孔并改善地块完整性，尽管其面积贡献有限制约了其在景观尺度的影响；M2沿边界扩大现有耕地地块，直接促进AREA_MN、LPI和核心区增加以及边界复杂性降低；M3连接空间孤立地块，从而减少NP和孤岛面积，同时增加COHESION和AI。因此，它们的组合应用增加了平均地块大小和聚集度，同时减少了地块数量和结构不连续性。随着置换强度增加，更大数量和面积的可调整措施得以实施，使这些地块级操作在S3下累积为更强的景观尺度改善。

**地块调整模式下优化结果比较**

通过耕地流入区域与CLPAZs内土地利用数据的空间叠加分析表征各情景和方案下地块调整模式的构成。M2在所有情况下占主导，覆盖流入面积的一半以上，而M1仅占很小比例（<5%）。大部分耕地流入由低成本（LC）土地转换而来，其次是中成本（MC）和高成本（HC）土地。优化方案间观察到显著结构差异：RFS将更大比例用于M3以增强景观连通性，这需要更多转换MC和HC土地；相比之下，RCS主要依赖通过M2的外部地块扩展，并偏好使用LC土地；BLS呈现中间模式，平衡连通性改善和成本控制。这些方案间差异受置换情景的强烈影响。在S1下，结构对比最为显著：RFS中M3占39.41%，MC和HC土地转换增加；RCS中M2占主导达87.96%，而M3仅占7.33%，LC土地占RCS流入来源的91.48%，支持其成本最小化策略。这些差异在S2下缩小，并在S3下最终趋同，表明更高的置换强度约束了策略分化，促进了相似的调整路径。

**参数敏感性分析结果**

在测试范围内，敏感性分析表明优化结果对M3连接距离的响应强于对相对土地转换成本系数的响应。增加连接距离显著地将调整路径从M2转向M3，M3份额从30 m时的10.25%–11.40%增至100 m时的39.81%–43.54%。与50 m基线相比，100 m设置使破碎化缓解效益降低19.11%–23.17%，伴随AREA_MN下降5.94%–10.54%和NP增加5.75%–8.46%。这些结果表明，较长的连接距离显著改变空间调整路径，但并不必然改善整体景观结构。相比之下，替代成本系数下结果相对稳定。使用共同的1:3:5系数重新评估后，可比转换成本变化为?5.64%至0.75%，破碎化缓解效益变化为?4.28%至1.66%。M2和LC分别仍为主要调整模式和转换土地利用来源，大多数景观指标仅显示有限变化，所有代表性方案均满足耕地质量不退化约束。总体而言，M3连接距离对优化结果的影响强于所测试的成本系数。

**讨论与结论**

讨论部分首先分析了置换规模对优化结果的影响。情景设计是空间优化的核心，因为它决定了解决方案如何响应变化的外部条件和政策约束。在高度城市化地区，增加置换规模通过强化的地块级改造显著改善耕地空间结构，S3产生最强的景观完整性改善。然而，这种改善伴随着非线性成本增加。S3的平均成本是S1的6.10倍，超过置换规模的比例增长。这种差异反映了低成本土地资源的逐步枯竭和集约化置换需求下对高成本转换区域的日益依赖。尽管如此，改善的景观结构有助于长期生产力稳定和经济回报，表明在高度城市化地区更集约的整理仍然是必要的。置换规模也重塑了空间优化灵活性。在S1下，充足的候选土地允许多样化的空间构型，导致差异化的布局模式和调整模式。随着置换强度增加，可行土地池逐渐受限，空间解在S3下趋同于结构相似的构型，此时优化空间在很大程度上被高需求分配所耗尽。这种动态意味着置换强度应被调控而非最大化，尤其是在土地稀缺限制适应性分配的地方。分阶段实施策略可以在保持空间分配灵活性的同时减少短期财政压力。补充政策工具，包括基于稳定性和基于生产力的流出控制，以及利益相关者参与的财政激励，可进一步提高分配效率。

其次讨论分析了地块调整模式下的空间布局差异。优化方案间的空间布局差异源于地块调整模式的差异化角色，这些模式将耕地管理目标转化为土地稀缺和破碎化条件下可操作的微观尺度干预。在高度城市化地区，大规模整理受到制约，空间优化日益依赖逐步重塑景观结构的地块级改造。内部填充（M1）通过消除因撂荒或非粮化转换产生的封闭非农空间来解决耕地地块内部的结构不连续性。尽管其数量贡献有限，但其作用在于维持内部结构连续性，防止小穿孔在城市和工业压力下逐渐扩大，这已被确定为耕地不稳定的关键驱动因素。因此，通过M1进行及时内部修复至关重要，并与中国当前耕地保护政策一致。边缘扩展（M2）在所有情景中占主导，构成空间重构的主要途径。在其他快速城市化地区也观察到类似的边缘增长普遍性。它通过相邻低成本土地的增量转换运作，允许地块扩大同时保持成本效率。其普遍性反映了与高度城市化景观的兼容性，此时优化受土地可用性和经济效率要求的双重约束。地块连接（M3）在较高置换强度下日益重要，此时空间隔离无法仅通过局部扩展解决。其实施依赖于转换 intervening 土地以建立破碎地块间的连续性，但由于研究区混合土地利用结构，这一过程伴随较高的转换成本。这种交错格局在中国广泛存在，破碎耕地经常嵌入草地和森林基质中。这一现象由城市化驱动的土地利用向更高价值生态或生产导向用途（包括经济林、饲料系统和水产养殖）转变所塑造。为此，许多地区已将草地、森林和池塘恢复为耕地以防止耕地流失。在这些条件下，M3作为结构桥接机制，补偿无法仅通过成本有效的扩展解决的空间不连续性。

讨论部分还阐述了优化耕地置换格局的政策启示。优化布局揭示了耕地明显的空间重构，东莞中部和南部耕地逐渐向西北和东北部转移。这一格局与东莞国土空间规划（2021–2035）确定的城市发展导向一致。中心城区、松山湖地区和毗邻深圳的南部地区被指定为城市服务、科技创新、先进制造和区域一体化的主要空间。这些功能加剧了土地竞争并导致剩余耕地日益破碎化。城市扩张与农业用地重构或破碎化之间的类似关系已被广泛观察到。因此，中部和南部乡镇的耕地流出反映了城市和工业功能主导区域日益破碎化耕地的空间调整。相比之下，东莞西北和东北部在城市规划空间结构中承担更突出的农业生产和耕地保护功能。CLPAZs在这些区域的空間集中反映了其相对有利的农业基础及其在耕地恢复、永久基本农田调整和高标准农田建设中的指定角色。将耕地流入导向这些区域可提高恢复耕地与规划农业空间结构的一致性。这与更广泛的原则一致，即耕地管理应根据资源禀赋、土地适宜性和农业功能的区域差异采取差异化策略，而非应用空间均一的措施。总体而言，优化置换格局代表了一种区域功能协调而非仅仅是耕地的空间转移。中心城区和南部乡镇主要承载城市和工业功能，而东莞西北和东北部为农业集约化和长期耕地保护提供更稳定的空间。这种差异化空间分配有助于减少城市发展与耕地保护之间的冲突，同时促进高度城市化地区更连片和稳定的农业景观。

局限性部分指出，该框架解决了高度城市化条件下的耕地空间优化，但由于数据约束未明确表征土地权属结构或农民行为响应。虽然景观级重构可能减少物理破碎化，但实际置换嵌入产权谈判和多级治理中，这些塑造了操作可行性。生态后果也值得关注。土地转换可能在土壤侵蚀和栖息地稳定性方面产生权衡，尤其是在耕地扩张与生态土地系统相互作用的地方，表明优化结果应在景观生态韧性背景下解释。可转移性进一步取决于情境异质性；尽管基于CLPAZ的结构提供了可推广的约束框架，但跨区域需要适应性校准。近期耕地连片性分区方法为比较应用提供了潜在接口。

结论部分总结：本研究开发了高度城市化条件下耕地破碎化控制的地块级多目标空间重构框架。通过将可操作的地块调整模式、置换规模情景以及多重空间和政策约束整合到基于NSGA-II的搜索过程中，该框架将微观尺度地块改造与景观尺度构型目标相连接。在东莞的应用表明，该框架能够在复杂的土地稀缺和政策约束下生成稳定且收敛的解。情景分析揭示了空间结构改善与实施成本之间一致的权衡。增加置换强度增强耕地连通性和结构完整性，同时压缩可行解空间并增加边际转换成本。这种相互作用凸显了土地稀缺下空间优化的非线性特征，即景观性能的改善伴随着分配决策灵活性的下降。地块调整模式间的差异反映了空间功能的层级分工。内部填充在结构稳定化层面运作，边缘扩展驱动成本有效的整理，地块连接在高破碎化压力下解决空间不连续性。这些模式而非独立运作，而是相互作用形成耦合机制，通过该机制耕地空间重构逐步实现。