安 娜

(內蒙古師范大學 地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022)

生態(tài)空間、農業(yè)空間和城鎮(zhèn)空間的研究是國土空間規(guī)劃與管理的基礎工作，土地利用結構和布局調整的重要依據是政策性及綜合性均較強的國土空間規(guī)劃。一方面國土規(guī)劃的側重點是國土資源的綜合開發(fā)、利用以及保護的空間合理安排，意在提高社會經濟發(fā)展和福利水平；另一方面空間規(guī)劃側重的是空間均衡，旨在對公共部門的空間活動帶來影響，形成一個較為合理的地域組織，進而實現可持續(xù)發(fā)展的目標。人類只有遵循自然規(guī)律才能有效防止在開發(fā)利用自然上走彎路，人類對大自然的傷害最終會傷及人類自身，這是無法抗拒的規(guī)律。要加大生態(tài)系統(tǒng)保護力度、實施重要生態(tài)系統(tǒng)保護和修復重大工程，優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系，構建生態(tài)廊道和生態(tài)空間網絡，從而提升生態(tài)系統(tǒng)質量和穩(wěn)定性。追求生態(tài)和諧的城市發(fā)展在很早就引起了眾多研究學者的關注。

根據動物遷徙廊道的保護需求，俞孔堅等學者提出最小累計阻力模型(MCR)，這是一種簡單實用的生態(tài)保護與城市開發(fā)邊界協同耦合的分析技術。盡管MCR是對城市擴張與生態(tài)保護二元空間協調性分析的強調，但是該方法的不足之處是缺乏對復雜城市擴張過程的地理驅動相關描述，只是單純強調城市空間布局下的生態(tài)保護，難以滿足在現實城市發(fā)展中多目標協同整合的需要。筆者通過對杭錦旗生態(tài)空間邊界的劃定、基本農田保護邊界的劃定和城市開發(fā)邊界的預測，通過“三線”空間耦合與情景分析，確定優(yōu)化方案。

1 研究區(qū)概況及數據來源

1.1 研究區(qū)概況

杭錦旗處于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西北部，境內是由黃河沖積平原、沙地沙漠、波狀高平原和砒砂巖丘陵鑲嵌排列的地形地貌，縱跨鄂爾多斯高原和河套平原，具有明顯的帶狀分布規(guī)律：北部是黃河南岸的沖積平原，地勢平坦；中北部是橫跨全旗境內的庫布齊沙漠，風沙地貌十分發(fā)育；庫布齊沙漠的中部為波狀高平原，中南部地區(qū)是波狀高平原和丘陵地帶，丘陵分布在東西兩端；東南部為毛烏素沙地邊緣；杭錦旗東西長197km，南北寬106km，總土地面積18 814.03km2，耕地占土地總面積的3.43%，園地占0.09%，林地占9.12%，草地54.48%，城鎮(zhèn)及工礦用地占0.69%，交通用地占0.34%，水域及水利設施用地占2.85%，沙地占28.83%。草地和沙地是杭錦旗土地利用的主要類型，由于全旗沙地面積較大，在自然條件和人類活動的雙重作用下，出現了水土流失、土地荒漠化等生態(tài)環(huán)境問題，已經成為全區(qū)典型的生態(tài)脆弱區(qū)。

1.2 數據來源

筆者采用杭錦旗2017年度土地變更調查數據庫制作基礎底圖。此外還有杭錦旗國土資源局提供的土地利用總體規(guī)劃、主體功能分區(qū)、地質災害相關圖件等資料；環(huán)保、林業(yè)、水利、氣象提供的生態(tài)環(huán)境數據，生態(tài)公益林建設，水源保護規(guī)劃等相關資料；統(tǒng)計局提供的人口普查、統(tǒng)計年鑒(2002年-2017年)和當地公布的國土資源公報、中國經濟簡報等資料；遙感監(jiān)測數據、高程數據，包括杭錦旗2017年的Landsat 8 TM遙感數據及分辨率為30m的DEM高程影像數據等。

2 研究方法

2.1 景觀安全格局分析

景觀安全格局法在生態(tài)用地保護研究中強調的是對維持區(qū)域關鍵生態(tài)過程生態(tài)用地的保護。筆者通過查閱研究區(qū)域自然資源狀況、生態(tài)環(huán)境狀況、社會發(fā)展情況等因素，為構建研究區(qū)單一生態(tài)過程的景觀安全格局選取了土壤保持、防風固沙、水源涵養(yǎng)三個重要生態(tài)功能指標，通過空間疊加進而構建研究區(qū)的綜合安全格局，從而劃定生態(tài)空間邊界。景觀安全格局法主要包括三個步驟，分別是構建生態(tài)網絡、識別源地、篩選生態(tài)廊道。

2.1.1 源地的識別。 確定源地要充分考慮不同生態(tài)過程及其所發(fā)揮的生態(tài)系統(tǒng)服務功能。基于相關文獻查閱，與研究區(qū)實地情況，確定林地、草地、水域、沙地作為生態(tài)源地。

2.1.2 生態(tài)廊道的篩選。 基于景觀生態(tài)學上“基質-斑塊-廊道”的原理，廊道被認為是連接不同類型斑塊、促進斑塊間物質能量流動的重要通道，有信息、物質、能量的傳遞、水源涵養(yǎng)、防風固沙等重要生態(tài)功能。在最小累計阻力面上，“源”間廊道即阻力低谷在相鄰生態(tài)源地之間，也是相鄰兩“源”間物種間最易通過的低阻力通道。在GIS軟件平臺基礎上，采用ArcGIS10.3空間分析模塊cost distance工具，生成的積累景觀阻力面是以源地為中心的，以此規(guī)定一級廊道。根據一級廊道的劃定結果，可將全旗范圍分為諸多小型的區(qū)域，以此為依據逐個劃定二級廊道，逐級篩選生態(tài)廊道。

2.1.3 生態(tài)網絡的構建。Kenneth(2012)編制了生態(tài)系統(tǒng)服務流圖(見圖1)，將“源”地、生態(tài)廊道等疊加組合在一起，結合生態(tài)系統(tǒng)服務流，構建區(qū)域內不同等級水平的景觀安全格局，通過阻力面空間特性的分析求得生態(tài)過程的趨勢和動態(tài)的某些閾值，通過疊加分析，從而確定維持該區(qū)域生態(tài)安全的空間布局和生態(tài)用地規(guī)模。

圖1 生態(tài)系統(tǒng)服務流圖

2.2 Logistic-CA 城市預測模型

城市是一個大系統(tǒng)，其子系統(tǒng)之間的關系錯綜復雜，如人口、交通、土地利用等，利用非線性作用和自組織方式等進一步疊加功能、結構與行為，從而促使城市不斷演化。城市擴張研究的重要內容是模擬城市系統(tǒng)，通過對城市的地域實體的抽象和概況，描述和表達城市擴張規(guī)模及其空間分布的動態(tài)行為過程，是采用數學方法定量獲得的，為研究城市系統(tǒng)內在特征及動態(tài)演化過程提供了有利的分析工具。地理模擬與優(yōu)化系統(tǒng)(Geographical Simulation and Optimization Systems，GeoSOS)是在地理元胞自動機、多智能體和空間優(yōu)化等研究基礎上由黎夏教授、葉嘉安教授、劉小平博士以及他們團隊設計和研發(fā)的。GeoSOS是GIS的重要補充工具，來彌補GIS在過程模擬和優(yōu)化中存在功能不足的問題。GeoSOS 由三個重要模塊組成的，包含地理元胞自動機(CA)、多智能體系統(tǒng)(MAS)、生物智能(SI)。其中，地理元胞自動機模塊包含了常用的 CA 模型，它的Logistic-CA為多種土地利用變化模擬提供了快捷、簡便的工具，可以有效地進行地理模擬，該系統(tǒng)還能將模擬和優(yōu)化耦合，進一步改善優(yōu)化結果，成為復雜的資源環(huán)境模擬和優(yōu)化強有力的過程分析工具。

元胞自動機(Cellular Automata，簡稱 CA)CA模型可以用以下公式表示：

S(t+1)=f(S(t)，N)

(1)

式中：S—元胞有限、離散的狀態(tài)集合；

N—每個元胞的鄰域；

t、t+1—某一特定時刻；

f—局部空間的元胞轉換規(guī)則函數。

筆者在GeoSOS軟件的支持下，以2009年杭錦旗土地利用圖為基礎，按照2009年-2016年土地利用類型轉移概率，構建Logistic-CA土地模型對2020年杭錦旗土地利用類型進行模擬。具體構建過程如下：

2.2.1 定義。在本次研究中通過矢量數據轉換為柵格數據的土地利用現狀圖作為元胞空間，其圖像像元為元胞。元胞大小設置為500×500。在平常的元胞自動機模型中，元胞狀態(tài)呈現的是有限、離散的集合，取其中的一個值，將元胞及其狀態(tài)賦予相應的地理含義，從而描述模擬地理實體變化模型。元胞自動機的元胞狀態(tài)定義為每個像元的土地利用類型即耕地、種植園用地、林地、牧草地、建設用地和未利用等。

2.2.2 空間變量及數據獲取。元胞自動機中，元胞和其所處鄰域這一時刻的狀態(tài)決定了元胞下一時刻的狀態(tài)，因此鄰域的定義對于元胞自動機十分重要。Logistic回歸模型是通過校正來求算某元胞的發(fā)展概率。元胞中的每一個土地利用類型變化概率與一系列空間變量、鄰近范圍的土地利用類型元胞數、元胞本身的屬性等密切相關。結合杭錦旗的實際情況，選擇了以下變量作為空間變量，如表1所示。

表1 class="table_title">空間變量及獲取方法

CA元胞自動機的特點就是模擬出復雜的、全局的空間模式通過簡單的局部轉換規(guī)則來實現。變量對應著的參數值反映了不同變量對模型的貢獻度。本研究是通過隨空間變化的動態(tài)轉換規(guī)則進行土地利用類型變化的模擬。根據研究區(qū)內部自然、社會經濟等狀況的差異，分為若干子區(qū)，為了得到研究區(qū)的動態(tài)轉換規(guī)則，通過逐步邏輯回歸法提取各個子區(qū)的 CA轉換規(guī)則。本文利用該模型模擬杭錦旗在2009年-2016年的土地利用變化趨勢，從而預測杭錦旗中心城區(qū)城市擴張邊界。

2.3 空間耦合與情景分析

耦合是指“兩個或兩個以上的系統(tǒng)通過相互作用而產生影響的現象”，強調各要素之間動態(tài)的相互作用關系，即一個要素發(fā)生變化則會引起另一個要素的變化。在土地研究領域，耦合常用來探討土地利用與生態(tài)環(huán)境之間的相互關系，通過建立耦合模型來測定耦合度，從而對兩個系統(tǒng)的耦合關系進行量化計算。

圖2 “三區(qū)三線” 概念的空間關系

本研究擬對杭錦旗土地生態(tài)保護線、基本農田保護和城市擴展邊界線三條界限進行空間耦合，通過耦合及對優(yōu)化土地生態(tài)保護線的規(guī)劃，得出土地生態(tài)紅線范圍。因此，本研究提出對于空間耦合的狹義定義，即在特定地域范圍內，對兩個或兩個以上的要素進行空間上的組合分配，達到所設定目標的最優(yōu)解。與傳統(tǒng)意義上的“耦合”的區(qū)別在于，不是以反映耦合度來分析要素之間的相互作用關系，而是通過空間上的分配達到要素組合的最終結果。

圖3 三線耦合方案

為了對“三線”空間耦合方案進行更為清晰的界定，將其轉換為示意圖的形式。如圖3所示，圖中三個圓圈分別代表土地生態(tài)保護線、基本農田保護線和城市擴展邊界線，“三線”重合區(qū)域為G，兩線重合區(qū)域分別為DG、FG、EG，“三線”各自獨立的區(qū)域分別為A、B、C。G作為三線重合區(qū)域，具有耕地保護和生態(tài)保護的雙重保護屬性，同時也具有城市擴張屬性，是性質最為復雜的地區(qū)，G應當劃入土地生態(tài)保護線范圍，并需重點關注和監(jiān)控該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況。

3 結果與分析

3.1 生態(tài)保護紅線的劃定

研究區(qū)的綜合景觀安全格局在將確定的生態(tài)源地與生態(tài)廊道組合在一起構建具有不同安全水平的單一生態(tài)功能的景觀格局的基礎上通過綜合空間疊加構建。因為防風固沙、土壤保持、水源涵養(yǎng)三個重要生態(tài)功能同等重要，所以利用ArcGIS對已經構建的3個單一生態(tài)功能格局進行等權疊加，得到綜合安全格局，進而劃定生態(tài)空間邊界。全旗生態(tài)空間主要分布在北部黃河南岸的沖積平原和東西兩端的丘陵地區(qū)，生態(tài)保護紅線土地面積為8 987.25km2，占全旗土地總面積的47.7%。

圖4 生態(tài)空間邊界分布

全旗生態(tài)系統(tǒng)以防風固沙服務功能為主導功能，所構建的生態(tài)空間沿中北部的庫布齊沙漠呈環(huán)狀分布；水源涵養(yǎng)為全旗最重要的生態(tài)服務功能，構建的生態(tài)空間沿北部黃河沖積平原呈帶狀分布；土壤保持生態(tài)服務功能所構建的生態(tài)空間主要分布在研究區(qū)境內的北部丘陵地區(qū)。

3.2 基本農田保護紅線的劃定

基本農田具有用途改變的可逆困難性，將優(yōu)質的耕地資源劃為基本農田不僅保障國家糧食安全，還能滿足當代及后代對糧食的需求，實現資源的合理配置。因此，以可持續(xù)發(fā)展理論作為基本農田調整劃定的理論基礎，在調整基本農田時，不僅要保證基本農田的數量，更注重提高基本農田的質量，同時還要注重基本農田保護區(qū)的生態(tài)環(huán)境，保證調整前后基本農田數量不減少，質量不降低，生態(tài)環(huán)境有所改善，實現人口、資源、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。本文所用基本農田保護邊界為2017年原國土資源部對外公布的杭錦旗永久基本農田保護邊界范圍，全旗共有永久基本農田5 358hm2，占耕地總面積的82%，占全旗土地總面積的2.8%。

3.3 城市開發(fā)邊界的預測

通過對2009年和2017年杭錦旗土地利用現狀空間疊加分析，得到全旗土地利用各地類之間的轉移矩陣。其中，建制鎮(zhèn)土地面積由2009年的1 929hm2增加到2017年的2 327hm2，增加面積為398hm2，增加幅度為0.2；建制鎮(zhèn)主要是由林地和草地轉入而來。在GeoSOS 中Logistic-CA土地模型的支持下，利用杭錦旗2009年、2013年和2017年三期的土地利用現狀數據進行建制鎮(zhèn)的預測模擬，預測到2020年杭錦旗中心城區(qū)城市開發(fā)范圍與面積，預測面積為2 493hm2。

3.4 “三線”耦合與模擬

基于不同情景，設計不同情景下的“三線”空間耦合方案，筆者設計了三種情景方案：基本農田保護優(yōu)先型方案、城市發(fā)展優(yōu)先型方案和生態(tài)保護優(yōu)先型方案。在每一個情景方案內，討論“三線”的空間范圍，并進行數量分析。基本農田保護優(yōu)先型情景，強調對基本農田的保護。從保護性質來看，基本農田保護也是生態(tài)環(huán)境保護的一部分，不光對于糧食安全有重要意義，對于維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有著深遠的影響。這一情景優(yōu)先保護基本農田范圍，因此把耕地納入基本農田保護線范圍，共同作為基本農田保護線范圍，這種情景下基本農田面積為65 003hm2。城市發(fā)展優(yōu)先情景在最大程度上保障城市擴張的用地需求，除三線重合的G區(qū)域納入土地生態(tài)保護線范圍之外，城市擴展邊界線和土地生態(tài)保護線的重合區(qū)域E從生態(tài)保護線范圍內擦除，共去除166hm2，這種情景下土地生態(tài)保護線面積約為898 559hm2。生態(tài)保護優(yōu)先型情景將土地生態(tài)保護線作為基礎，將城市擴展邊界與其重合區(qū)域也納入土地生態(tài)保護線范圍，這種情景下土地生態(tài)保護線面積約為898 891hm2。而基本農田作為生態(tài)環(huán)境保護不可分割的重要部分，在這一情景中納入生態(tài)保護線的次級保護區(qū)域，形成分級管控保護線。