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耕地空间布局优化是协调快速城市化进程中建设用地扩张与耕地保护矛盾的重要途径。开展耕地区域间布局优化时，既要考虑社会经济发展导致的耕地非农化压力的区域差异，也要考虑自然资源禀赋导致的耕地质量的区域差异。本文以武汉城市圈为案例区，综合考虑自然资源禀赋和社会经济条件的区域差异，依托分区异步元胞自动机模型开展耕地空间优化布局：根据全区域粮食安全率定模型的全局终止条件，根据各子区域建设用地需求率定模型分区终止条件，综合耕地适宜性和耕地非农化压力率定模型异步演化速率，根据区域土地利用变化规律率定模型分区演化规则，据此开展武汉城市圈耕地空间优化布局。结果表明：(1)通过将耕地适宜性和耕地非农化压力内化为分区异步元胞自动机模型的异步演化速率，可以依托分区异步元胞自动机模型开展自然和经济耦合约束下耕地空间优化布局；(2)由于综合考虑了自然资源禀赋和社会经济条件的区域差异，自然和经济耦合约束下耕地空间优化布局可以在保障粮食安全的基础上使耕地非农化压力得到最大的释放，并且能实现耕地数量保护和质量保护的协调。