基于空間決策的城鎮(zhèn)空間與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間協(xié)調(diào)布局優(yōu)化

葉英聰，孫 凱，匡麗花，趙小敏※，郭 熙（. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/林學(xué)院，南昌 330045；. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院，南京 0095）

基于空間決策的城鎮(zhèn)空間與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間協(xié)調(diào)布局優(yōu)化

葉英聰1，孫 凱1，匡麗花2，趙小敏1※，郭 熙1
（1. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/林學(xué)院，南昌 330045；2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院，南京 210095）

科學(xué)劃定城鎮(zhèn)空間和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間的空間開發(fā)管制邊界，是兼顧城市發(fā)展與糧食安全的重要舉措。該文以鷹潭市中心城區(qū)為例，借助GIS平臺(tái)進(jìn)行建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)和耕地綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)?；?個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果開展城鎮(zhèn)空間和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間協(xié)調(diào)優(yōu)化布局研究。通過城市發(fā)展方向預(yù)測、新增建設(shè)用地規(guī)模、基本農(nóng)田保護(hù)面積和耕地國家利用等四方面修正，形成城市開發(fā)邊界和基本農(nóng)田保護(hù)紅線初步方案。根據(jù)空間矛盾協(xié)調(diào)原則做出空間決策，優(yōu)化協(xié)調(diào)城鎮(zhèn)空間和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間布局。研究結(jié)果為：中心城區(qū)建設(shè)開發(fā)適宜性分值由高到低呈現(xiàn)出以中心城區(qū)中心為圓心的“圈層”式的空間分布，中心城區(qū)耕地綜合質(zhì)量高的耕地主要分布在西部和東部；綜合建設(shè)用地重心移動(dòng)分析、凸殼原理分析城市擴(kuò)張模式、基礎(chǔ)設(shè)施與產(chǎn)業(yè)布局分析得出中心城區(qū)北部的夏埠鄉(xiāng)、志光鎮(zhèn)和鴻塘鎮(zhèn)是中心城區(qū)未來發(fā)展的重點(diǎn)方向；引入耕地國家利用等指標(biāo)，將基本農(nóng)田保護(hù)紅線方案劃分為可調(diào)區(qū)和不可調(diào)區(qū)，城市開發(fā)邊界方案與耕地保護(hù)紅線方案不可調(diào)區(qū)布局沖突的空間決策為調(diào)整城市開發(fā)邊界，優(yōu)先保障耕地。城市開發(fā)邊界方案與耕地保護(hù)紅線方案可調(diào)區(qū)布局沖突的空間決策為調(diào)整耕地保護(hù)紅線，優(yōu)先保障城市發(fā)展。

土地利用；遙感；耕地質(zhì)量；空間決策；城鎮(zhèn)空間；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間；布局優(yōu)化；鷹潭市中心城區(qū)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化取得了舉世矚目的成就，一系列可持續(xù)發(fā)展的問題凸顯[1]。如新型城鎮(zhèn)化與城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展的背景下，城鄉(xiāng)建設(shè)用地不斷擴(kuò)張，農(nóng)業(yè)和生態(tài)用地空間受到擠壓；國土開發(fā)次序混亂和資源環(huán)境代價(jià)沉重；城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)空間矛盾加劇等[2-3]。2017年1月，國務(wù)院印發(fā)的《全國國土規(guī)劃綱要（2016-2030）》要求，堅(jiān)持國土開發(fā)與資源環(huán)境承載力相匹配、人口資源環(huán)境相均衡，根據(jù)資源稟賦、生態(tài)條件和環(huán)境容量，明晰國土開發(fā)的限制性和適宜性，劃定城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)三類空間開發(fā)管制界限，科學(xué)確定國土開發(fā)利用的規(guī)模、結(jié)構(gòu)、布局和時(shí)序。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注生產(chǎn)、生活、生態(tài)三類空間（以下簡稱“三生”空間）的數(shù)量配比和空間配置兩個(gè)科學(xué)問題，從“三生”功能分類體系、功能空間識(shí)別和功能空間優(yōu)化等進(jìn)行研究[3]。

2013年中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議提出“科學(xué)設(shè)置開發(fā)強(qiáng)度，盡快把每個(gè)城市特別是特大城市開發(fā)邊界劃定”的要求以來，城市開發(fā)邊界已成為中國規(guī)劃研究與實(shí)踐探索的熱點(diǎn)問題之一[4]。城市開發(fā)邊界是城鎮(zhèn)空間的空間管制界限，劃定城市開發(fā)邊界是促進(jìn)新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的有效措施，是落實(shí)最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度和最嚴(yán)格的節(jié)約用地制度的重要手段，也是現(xiàn)代空間規(guī)劃管制的重要內(nèi)容[5]。有學(xué)者指出要用生態(tài)保護(hù)紅線、永久基本農(nóng)田保護(hù)紅線和禁止建設(shè)區(qū)邊界“倒逼”形成城市開發(fā)邊界的可劃定范圍[6]，國內(nèi)外學(xué)者主要采用CLUE-S模型[7]、MCE-CA模型[8-9]、資源環(huán)境承載力法[10-11]等方法從“城市發(fā)展情景模擬”和“生態(tài)環(huán)境約束”2個(gè)角度對城市開發(fā)邊界的劃定進(jìn)行探索。

耕地是保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對農(nóng)產(chǎn)品的需求，維護(hù)糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。20世紀(jì)90年代以來，中國歷屆政府非常重視耕地保護(hù)。2017年《中共中央國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)耕地保護(hù)和改進(jìn)占補(bǔ)平衡的意見》明確了“耕地是中國最為寶貴的資源”的戰(zhàn)略地位，重申“已經(jīng)確定的耕地紅線絕不能突破，已經(jīng)劃定的城市周邊永久基本農(nóng)田不能隨便占用”，從耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”實(shí)現(xiàn)耕地保護(hù)[12]?？茖W(xué)劃定基本農(nóng)田保護(hù)紅線，以保存耕地產(chǎn)能為核心，守住耕地中的精華部分是實(shí)現(xiàn)耕地保護(hù)和控制城市無序擴(kuò)張的重要措施[13]。但在實(shí)踐中，地方政府對城市發(fā)展、經(jīng)濟(jì)建設(shè)與GDP增長的利益驅(qū)動(dòng)，使得耕地保護(hù)在市、縣、鄉(xiāng)等實(shí)際操作層面，陷入了偏重耕地?cái)?shù)量保護(hù)[14]，耕地質(zhì)量總體水平趨于下降[15]。國內(nèi)外學(xué)者的研究成果也表明，耕地?cái)?shù)量受到城市擴(kuò)張[16-17]，經(jīng)濟(jì)發(fā)展[18]、戰(zhàn)爭[19]、政策[20]等因素的影響，城市無序擴(kuò)張是主要影響因素[21-22]。

當(dāng)前學(xué)者的研究存在將耕地保護(hù)優(yōu)先于城市發(fā)展的不足[6]，這不利于城鎮(zhèn)空間與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間布局矛盾的解決。將耕地保護(hù)與城市發(fā)展置于同等地位，同步開展城市開發(fā)邊界和基本農(nóng)田保護(hù)紅線劃定研究，通過GIS軟件的空間分析功能做出空間決策[23]，是協(xié)調(diào)城鎮(zhèn)空間與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間布局矛盾的重要途徑。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間包括稻米、小麥、玉米等糧食作物的生產(chǎn)空間和棉花、蔬菜、肉牛等農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)空間等[24]，耕地、光熱水等自然資源的分布決定了基本的農(nóng)業(yè)區(qū)劃[25]，對耕地綜合質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)是進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間布局的基礎(chǔ)。結(jié)合研究區(qū)域特點(diǎn)，本研究中城鎮(zhèn)空間布局主要以城市開發(fā)邊界空間布局為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間布局以基本農(nóng)田保護(hù)紅線為主。與前人的研究中扣除基本農(nóng)田保護(hù)紅線作為城市開發(fā)邊界可劃定范圍不同[26]，本研究同步進(jìn)行城市開發(fā)邊界和基本農(nóng)田保護(hù)紅線劃定。首先，借助GIS平臺(tái)進(jìn)行建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)和耕地綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)；其次，通過城市發(fā)展方向預(yù)測、新增建設(shè)用地規(guī)模、基本農(nóng)田保護(hù)面積和耕地國家利用等四方面修正，形成城市開發(fā)邊界和基本農(nóng)田保護(hù)紅線初步方案；最后，根據(jù)空間矛盾協(xié)調(diào)原則做出空間決策，優(yōu)化協(xié)調(diào)城鎮(zhèn)空間和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間布局。這不僅有利于提升空間開發(fā)管制邊界劃定的科學(xué)性，也為城鎮(zhèn)和農(nóng)業(yè)功能空間優(yōu)化進(jìn)行有益探索。

1 研究方法

1.1 基于空間決策的城鎮(zhèn)空間與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間協(xié)調(diào)優(yōu)化布局

1.1.1 基于空間決策的城鎮(zhèn)空間與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間協(xié)調(diào)優(yōu)化布局思路

從圖1可以看出，基于空間決策的城鎮(zhèn)空間與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間協(xié)調(diào)優(yōu)化布局思路分為以下幾部分：

1）基礎(chǔ)資料：城鎮(zhèn)空間布局以城市開發(fā)邊界布局為主，選取建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)分值作為劃定城市開發(fā)邊界的基礎(chǔ)資料；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間以基本農(nóng)田保護(hù)紅線布局為主，選取耕地綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)分值作為劃定基本農(nóng)田保護(hù)紅線基礎(chǔ)資料。

2）面積限制和空間修正：①通過建設(shè)用地重心移動(dòng)分析、凸殼原理識(shí)別城市擴(kuò)張類型、基礎(chǔ)設(shè)施與產(chǎn)業(yè)布局分析得到城市發(fā)展方向預(yù)測結(jié)果。上級(jí)土地資源管理部門下達(dá)的新增建用地面積確定城市開發(fā)邊界的最大范圍；②參照孔祥斌等[27]的研究成果，將國家利用等別高于平均耕地國家利用等的耕地劃入不調(diào)區(qū)，其他耕地劃入可調(diào)區(qū)。上級(jí)土地資源管理部門下達(dá)基本農(nóng)田保護(hù)面積為基本農(nóng)田保護(hù)紅線的最小范圍。

3）初步方案生成：經(jīng)過面積限制和空間修正過程，得到城市開發(fā)邊界和基本農(nóng)田保護(hù)紅線初步方案。

4）矛盾協(xié)調(diào)原則與過程：①城市開發(fā)邊界方案與基本農(nóng)田保護(hù)紅線方案不可調(diào)區(qū)布局沖突時(shí)，協(xié)調(diào)原則為優(yōu)先保護(hù)耕地。此類耕地圖斑保留在基本農(nóng)田保護(hù)紅線范圍內(nèi)，從城市開發(fā)邊界初步方案內(nèi)調(diào)出；②城市開發(fā)邊界與基本農(nóng)田保護(hù)紅線方案可調(diào)區(qū)布局沖突時(shí)，協(xié)調(diào)原則為保障城市發(fā)展。此類耕地圖斑保留在城市開發(fā)邊界范圍內(nèi)，從基本農(nóng)田保護(hù)紅線初步方案內(nèi)調(diào)出。

5）最終方案確定：結(jié)果矛盾協(xié)調(diào)過程，生成最終的城市開發(fā)邊界方案與基本農(nóng)田保護(hù)紅線方案。1.1.2 建設(shè)用地重心移動(dòng)模型

圖1 基于空間決策的城鎮(zhèn)空間和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間協(xié)調(diào)優(yōu)化布局思路Fig.1 Flowchart for layout optimization of urban space and agricultural production space based on spatial decision-making

重心概念源于物理學(xué)，是指空間上存在某一點(diǎn)，在該點(diǎn)前后左右各方向上的力量保持相對平衡[28]。城市的發(fā)展表現(xiàn)為各種土地利用類型的集聚與擴(kuò)散的過程，其中建設(shè)用地重心的移動(dòng)可以反映城市空間格局的變動(dòng)軌跡，重心移動(dòng)模型可作為研究城市空間格局的重要分析工具[29]。重心的位置一般以地圖的經(jīng)緯度來表示，計(jì)算公式為：

式中tX、tY分別表示t年建設(shè)用地中心的經(jīng)緯度坐標(biāo)，（°）；Ati表示第i個(gè)建設(shè)用地圖斑的面積，hm2；Xti、Yti表示第i個(gè)建設(shè)用地圖斑的經(jīng)緯度坐標(biāo)，（°）。

1.1.3 凸殼原理識(shí)別城市擴(kuò)張模式

劉紀(jì)遠(yuǎn)等[30]指出，點(diǎn)集的凸殼是指包含所有點(diǎn)的最小凸多邊形?？梢越柚耙渣c(diǎn)代面”和“以點(diǎn)帶線”的方法，將復(fù)雜的建設(shè)用地面狀和線性空間布局轉(zhuǎn)化為點(diǎn)集，應(yīng)用凸殼原理分析建設(shè)用地的擴(kuò)張類型：主要為填充類型和外延類型，以及兩者之間的過渡類型。凸殼原理在城市擴(kuò)張形態(tài)識(shí)別上簡單而明確，通過確定已有城市建設(shè)用地的凸殼，將可開發(fā)用地明確區(qū)分為凸殼內(nèi)用地和凸殼外用地2類，可為差別化的空間管理政策提供依據(jù)[31]。

1.2 建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)

1.2.1 指標(biāo)選取依據(jù)

建設(shè)開發(fā)適宜性主要受到自然因素（地形地貌、海拔、土地利用類型等）、區(qū)位條件（交通區(qū)位、商業(yè)服務(wù)業(yè)繁華程度、生活便利度等）、生態(tài)安全因素（地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、土壤侵蝕狀況、踩空塌陷情況等）的影響[32-35]。本研究從自然地理、生態(tài)限制和區(qū)位條件等3方面，選取了評(píng)價(jià)指標(biāo)地形坡度、海拔、土地利用現(xiàn)狀、耕地污染、土壤侵蝕程度、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、重要生態(tài)保護(hù)區(qū)、到火車站距離、到國道距離、到路網(wǎng)距離、到商場距離、到學(xué)校距離、到醫(yī)院距離、到公園距離、到建成區(qū)距離、到供水管網(wǎng)距離16個(gè)指標(biāo)。其中，耕地污染主要受到工業(yè)“三廢”、農(nóng)藥、化肥、地膜的影響[36]，鷹潭市中心城區(qū)內(nèi)無工業(yè)化工區(qū)，而農(nóng)藥、化肥、地膜在耕作中普遍存在，因此本研究不考慮耕地污染情況。

建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)中運(yùn)用較多的是多因素綜合評(píng)價(jià)法，該方法易于掌握，但是可能忽略某些重要的因子對于評(píng)價(jià)結(jié)果的影響[37]。例如：處于生態(tài)紅線一級(jí)保護(hù)區(qū)，但是該評(píng)價(jià)單元的綜合評(píng)價(jià)分值高成為最適宜建設(shè)用地開發(fā)的情況的悖論。本研究將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為剛性指標(biāo)和彈性指標(biāo)，如土地利用現(xiàn)狀指標(biāo)為雙重指標(biāo)。當(dāng)土地利用現(xiàn)狀為水域時(shí)，為剛性指標(biāo)，建設(shè)開發(fā)適宜性分值為0；當(dāng)土地利用現(xiàn)狀為其他利用方式時(shí)，為彈性指標(biāo)，按照指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化。

1.2.2 指標(biāo)權(quán)重及量化標(biāo)準(zhǔn)

建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)的研究主要采用專家打分法[37]、層次分析法（analytic hierarchy process）[34]和模糊層次分析法（fuzzy analytical hierarchy process）[32,38]確定指標(biāo)權(quán)重。為克服人為主觀判斷的影響，本研究采用模糊層次分析法（具體計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[30]）確定各指標(biāo)權(quán)重值。指標(biāo)體系、權(quán)重和類型如表1所示。指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)參照相關(guān)文獻(xiàn)[37-38]，如表2所示。

表1 建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Comprehensive evaluation indicator system of construction suitability

表2 建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Comprehensive evaluation indicator quantification standards of construction suitability

1.2.3 建設(shè)開發(fā)適宜性綜合分值計(jì)算

采用加權(quán)求和法對每一個(gè)評(píng)價(jià)單元進(jìn)行建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)綜合分值計(jì)算。計(jì)算公式如下：式中Cs為評(píng)價(jià)單元s的建設(shè)開發(fā)適宜性綜合分值；Kns為評(píng)價(jià)單元s第n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Tn為第n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

1.3 耕地質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

1.3.1 耕地質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

耕地綜合質(zhì)量受到耕地自然質(zhì)量、生態(tài)條件和區(qū)位條件的綜合影響[13,39-41]。耕地自然質(zhì)量是土地生產(chǎn)力評(píng)估的基礎(chǔ)，是進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的決定性因素。耕地生態(tài)條件是耕作穩(wěn)定生產(chǎn)的前提。耕地區(qū)位條件主要反映耕地資源利用的可行性及便利度。綜合以上考慮及參考《江西省耕地質(zhì)量監(jiān)測成果技術(shù)報(bào)告》和相關(guān)專家意見，本文從耕地自然質(zhì)量、生態(tài)條件和區(qū)位條件3方面選取12個(gè)指標(biāo)構(gòu)建耕地質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1.3.2 指標(biāo)權(quán)重及量化標(biāo)準(zhǔn)

本研究采用德爾菲（Delphi）法和層次分析法結(jié)合確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重，結(jié)果如表3所示。指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)參照相關(guān)文獻(xiàn)[13,39-41]，剖面構(gòu)型、排水條件、灌溉保證率分級(jí)與量化參照《江西省耕地質(zhì)量監(jiān)測成果》，如表4所示。

1.3.3 耕地綜合質(zhì)量分值

采用加權(quán)求和法對每一個(gè)耕地地塊進(jìn)行耕地質(zhì)量綜合分值計(jì)算。計(jì)算公式如下：

式中Fo為評(píng)價(jià)單元O的質(zhì)量綜合分值；roV為評(píng)價(jià)單元O第n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Wn為第n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

表3 耕地質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 3 Comprehensive evaluation indicator system of farmland quality

表4 耕地綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Comprehensive evaluation indicator quantification standards of farmland quality

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)域

鷹潭市中心城區(qū)位于鷹潭市中部、信江中下游，位于28.11°N～28.18°N、116.57°E～117.70°E，如圖2所示。境內(nèi)屬低丘崗地，地勢由東南向西北傾斜，全境平均海拔34 m。境內(nèi)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，日照充足、四季分明、氣候溫和、雨量充足，年平均氣溫18 ℃，相對濕度76%，無霜期達(dá)262 d，年降雨量1 750 mm，集中在4月中旬至7月上旬，占全年降雨量的52%。信江由東北入境，蜿蜒流向西北，有童家河、白露河匯入。

中心城區(qū)含月湖區(qū)全境（主城區(qū)、夏埠鄉(xiāng)、白露街道辦事處、四青街道辦事處和童家鎮(zhèn)），貴溪市的志光鎮(zhèn)、鴻塘鎮(zhèn)和余江縣的中童鎮(zhèn)，區(qū)域面積為15 145.82 hm2。2014年耕地面積為4 340.81 hm2，占中心城區(qū)面積的28.67%；城鎮(zhèn)用地面積為3 715.02 hm2，占中心城區(qū)土地面積的24.53%。中心城區(qū)內(nèi)部緊鄰高鐵北站、火車站和國道，設(shè)立了服務(wù)外包集聚區(qū)、職業(yè)教育集聚區(qū)、金融服務(wù)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)、高新技術(shù)科技園和現(xiàn)代物流集聚區(qū)；主城區(qū)四周分布著較多的耕地。

圖2 研究區(qū)域在江西省區(qū)位圖Fig.2 Location of research area in Jiangxi province

2014年8月28日，江西省政府辦公廳印發(fā)《江西省城鄉(xiāng)總體規(guī)劃暨“多規(guī)合一”試點(diǎn)工作方案》（贛府廳字[2014]109號(hào)），鷹潭市正式獲得先行先試的創(chuàng)新試點(diǎn)資格?！岸嘁?guī)合一”是指推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展規(guī)劃、城鄉(xiāng)總體規(guī)劃、土地利用總體規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃高度銜接統(tǒng)一，落實(shí)到一個(gè)共同的空間規(guī)劃平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)一個(gè)市縣一本規(guī)劃、一張藍(lán)圖、解決現(xiàn)階段各種規(guī)劃自成體系、規(guī)劃內(nèi)容交叉重復(fù)、缺乏銜接、規(guī)劃實(shí)施效率低下和規(guī)劃管理不完善等問題[43-46]。本研究基于鷹潭市“多規(guī)合一”平臺(tái)，優(yōu)化鷹潭市中心城區(qū)城鎮(zhèn)空間與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間布局，劃定城市開發(fā)邊界和基本農(nóng)田保護(hù)紅線。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

地形坡度和海拔從Digital Elevation Model數(shù)據(jù)中得到，來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/），采用ASTER GDEM（V1）30m空間分辨率的產(chǎn)品，利用Arcgis軟件提取。土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)來源于第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)庫，選取了2005、2009和2015年研究區(qū)域的土地利用變更數(shù)據(jù)，在Arcgis軟件中進(jìn)行裁剪、疊加分析、融合等處理。土壤侵蝕程度來源于《江西省水土流失現(xiàn)狀圖》（1∶50 0000），地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)來源于《江西省地質(zhì)災(zāi)害防治圖》（1∶50 0000），在Arcgis軟件中通過空間配準(zhǔn)、矢量化并提取屬性。交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于土地利用變更數(shù)據(jù)，并結(jié)合百度地圖（http://map.baidu.com/）進(jìn)行校正，在Arcgis中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析提取到交通網(wǎng)絡(luò)的距離。點(diǎn)狀基礎(chǔ)設(shè)施（學(xué)校、醫(yī)院和公園等）數(shù)據(jù)來源于百度地圖，在Arcgis軟件中進(jìn)行點(diǎn)距離分析提取到基礎(chǔ)設(shè)施的距離。生態(tài)保護(hù)紅線成果、生態(tài)公益林分布數(shù)據(jù)和城市規(guī)劃數(shù)據(jù)來源于鷹潭市環(huán)境保護(hù)局、鷹潭市林業(yè)局和鷹潭市規(guī)劃局。

3 結(jié)果與分析

3.1 建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

圖3為建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果，建設(shè)開發(fā)適宜性分值由高到低呈現(xiàn)出以中心城區(qū)中心為圓心的“圈層”式的空間分布。自然地理因素評(píng)價(jià)分值在高的地塊主要分布在中心城區(qū)中部、東南部和西南部，地塊坡度較平緩；生態(tài)限制因素評(píng)價(jià)分值高的地塊主要分布在中心城區(qū)中部、西北部和東南部，地塊的土壤侵蝕程度較低，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)??；區(qū)位條件因素評(píng)價(jià)高的地塊分布在中心城區(qū)的中部，中心城區(qū)中部道路網(wǎng)絡(luò)、供水網(wǎng)絡(luò)布局完善、商業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院、公園等基礎(chǔ)設(shè)施分局較密集，區(qū)位條件好。

圖3 建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 Evaluation results of construction suitability

建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)分值處于>82.5～100的圖斑面積為8 802.82 hm2；建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)分值處于>75～82.5的圖斑面積為3 730.99 hm2；建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)分值處于>56～75的圖斑面積為1 021.55 hm2；建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)分值處于0～56的圖斑面積為1 590.46 hm2。

3.2 耕地綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

圖4為耕地綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，耕地綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)分值高的地塊主要分布在中心城區(qū)西部和東部。自然質(zhì)量因素評(píng)價(jià)分值高的耕地主要分布在中心城區(qū)北部、西北部、東北部和東南部，耕地土壤養(yǎng)分含量較高，灌溉和排水條件好；生態(tài)質(zhì)量因素評(píng)價(jià)分值高的耕地主要分布在中心城區(qū)西北部、東北部和東南部，耕地的集中連片性較高，土壤侵蝕程度較低；區(qū)位條件因素評(píng)價(jià)分值高的耕地分布在中心城區(qū)西北部、北部和東北部，耕地距離農(nóng)村道路較近，耕作交通便利，靠近農(nóng)村居民點(diǎn)，耕作距離短。

圖4 耕地綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果圖Fig.4 Evaluation results of comprehensive farmland quality

耕地綜合質(zhì)量分值處于>95～100的圖斑面積為640.84 hm2；耕地綜合質(zhì)量分值處于>89～95的圖斑面積為2 305.71 hm2；耕地綜合質(zhì)量分值處于>79～89的圖斑面積為1 238.84 hm2；耕地綜合質(zhì)量分值處于0～79圖斑面積為130.28 hm2。

3.3 基本農(nóng)田保護(hù)紅線與城市開發(fā)邊界布局優(yōu)化

3.3.1 基本農(nóng)田保護(hù)面積和新增建設(shè)用地規(guī)模確定

依據(jù)《鷹潭市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃》（2015-2030）年，綜合考慮2030年的人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，預(yù)測2030年鷹潭市中心城城區(qū)新增建設(shè)用地規(guī)模約為2 350 hm2。依據(jù)鷹潭市“多規(guī)合一”成果以及鷹潭市城市周邊永久基本農(nóng)田劃定成果（2016年），鷹潭市中心城區(qū)基本農(nóng)田保護(hù)面積不少于為1 850 hm2。

3.3.2 城市發(fā)展方向預(yù)測

1）建設(shè)用地重心移動(dòng)分析。借助Arcgis10.2軟件對比分析鷹潭市中心城區(qū)2005—2015年建設(shè)用地空間變化，2005—2009年，中心城區(qū)新增建設(shè)用地106.63 hm2，主要分布在中心城區(qū)北區(qū)的志光鎮(zhèn)和鴻塘鎮(zhèn)；2009-2015年，鷹潭市中心城區(qū)新增建設(shè)用地1 514.55 hm2，主要分在中心城區(qū)北部、東部和南部：其中下埠鄉(xiāng)新增建設(shè)用地416.20 hm2，志光鎮(zhèn)新增建設(shè)用地194.93 hm2，童家鎮(zhèn)新增建設(shè)用地278.22 hm2，四青街道辦事處新增建設(shè)用地100.33 hm2。

從圖5a和圖5b中可以看出，尤其是2009—2015年建設(shè)用地面積增長較多的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，建設(shè)用地中的重心呈現(xiàn)出方向性變化：2005—2015年，志光鎮(zhèn)建設(shè)用地重心呈現(xiàn)出向北移動(dòng)的趨勢；童家鎮(zhèn)建設(shè)用重心呈現(xiàn)出向東北方向移動(dòng)的趨勢；四青街道辦事處建設(shè)用地重心呈現(xiàn)出向西北方向移動(dòng)的趨勢。

圖5 城市發(fā)展方向分析Fig.5 Analysis on city development direcition

2）凸殼原理識(shí)別城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張類型。圖5c中構(gòu)建了2005年建設(shè)用地的殼體，對比分析2015年和2005年的新增建設(shè)用地與殼體的空間位置關(guān)系。2005—2015年間，凸殼內(nèi)新增建設(shè)用地366.84 hm2，主要分布在白露街道辦事處和四青街道辦事處，屬于內(nèi)填式發(fā)展；凸殼外新增建設(shè)用地452.44 hm2，主要分布在夏埠鄉(xiāng)、志光鎮(zhèn)和童家鎮(zhèn)，屬于外延式發(fā)展；凸殼外新增建設(shè)用地面積大于凸殼內(nèi)新增建設(shè)用地面積，2005—2015年中心城區(qū)主要的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張類型為外延型，且擴(kuò)張方向?yàn)橥箽さ谋辈亢蜄|部。

3）中心城區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施與產(chǎn)業(yè)布局對建設(shè)用地布局的影響。從圖5d中可以看出，中心城區(qū)對外交通路網(wǎng)發(fā)達(dá)：浙贛、鷹廈、皖贛三條鐵路干線在中心城區(qū)中部呈“T”字形交匯，北部為滬昆高鐵；320國道自西向東、206國道自南向北貫穿中心城區(qū)。

2015年滬昆高鐵通車，對中心城區(qū)的產(chǎn)業(yè)布局產(chǎn)生了較大影響。高鐵對城市空間發(fā)展有著強(qiáng)烈的推動(dòng)作用，高鐵站能引導(dǎo)城市特定功能集聚，強(qiáng)化或催生綜合功能中心，成為城市空間增長極[47]。高鐵以客運(yùn)、滿足通勤需求為主，同時(shí)能提高第三產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)要素的流動(dòng)，因此高鐵站周邊布局產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，如商貿(mào)、休閑娛樂、旅游等，有利于發(fā)揮高鐵站對產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)作用[48]。依附高鐵北站，鷹潭市打造了服務(wù)外包集聚區(qū)和職業(yè)教育集聚區(qū)2個(gè)產(chǎn)業(yè)區(qū)，并在信江北岸設(shè)立了金融服務(wù)集聚區(qū)；為推進(jìn)月湖區(qū)與貴溪市協(xié)同發(fā)展，在童家鎮(zhèn)設(shè)立了休閑居住區(qū)；發(fā)揮國道和鐵路的對外運(yùn)輸能力，在白露街道辦事處和四青街道辦事處成立了高新技術(shù)科技園和現(xiàn)代物流集聚區(qū)。

綜合建設(shè)用地重心移動(dòng)分析、城市擴(kuò)張類型分析和中心城區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施與產(chǎn)業(yè)布局現(xiàn)狀，鷹潭市中心城區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張類型為外延式發(fā)展，且信江以北的夏埠鄉(xiāng)、志光鎮(zhèn)和鴻塘鎮(zhèn)是中心城區(qū)未來發(fā)展的重點(diǎn)方向。

3.3.3 城鎮(zhèn)空間與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間協(xié)調(diào)優(yōu)化布局結(jié)果

根據(jù)鷹潭市中心城區(qū)基本農(nóng)田保護(hù)任務(wù)，將耕地綜合質(zhì)量分值大于89分的耕地圖斑初步劃入基本農(nóng)田，總面積為2 946.54 hm2，平均國家利用等為9.45。耕地國家利用等高于平均國家利用等的耕地劃入不可調(diào)區(qū)，面積為1 534.21 hm2；耕地國家利用等低于平均國家利用等的耕地劃入可調(diào)區(qū)，面積為1 412.33 hm2，如圖6a所示。

根據(jù)城市發(fā)展方向預(yù)測結(jié)果以及2030年新增建設(shè)用地規(guī)模預(yù)測，將建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)分值大于82.5分的圖斑與2015年建設(shè)用地圖斑在Arcgis10.2中融合，形成2030年的城市建設(shè)用地規(guī)模方案，總面積為8 802.82 hm2，較2015年新增建用地面積為3 087.48 hm2，并生成城市開發(fā)邊界初步方案，如圖6b所示。

如圖6c所示，城市開發(fā)邊界初步方案與基本農(nóng)田保護(hù)紅線可調(diào)區(qū)的沖突區(qū)域，主要分布在夏埠鄉(xiāng)、志光鎮(zhèn)、鴻塘鎮(zhèn)和主城區(qū)。根據(jù)矛盾協(xié)調(diào)原則，此沖突區(qū)域以保障城市發(fā)展為主，調(diào)出基本農(nóng)田面積1 050.77 hm2，并形成優(yōu)化后的基本農(nóng)田保護(hù)紅線，總面積為1 895.77 hm2。

如圖6d所示，城市開發(fā)邊界初步方案與基本農(nóng)田保護(hù)紅線不可調(diào)區(qū)的沖突區(qū)域主要分布在中心城區(qū)西部的四青街道辦事處、白露街道辦事處和童家鎮(zhèn)，根據(jù)矛盾協(xié)調(diào)原則，此區(qū)域以基本農(nóng)田保護(hù)為主。在城市開發(fā)邊界初步方案中扣除此沖突圖斑面積7 69.16 hm2，形成優(yōu)化后的城市開發(fā)邊界方案。優(yōu)化后，2030年城市建設(shè)用地空間布局，較2015年新增建設(shè)用地2 318.32 hm2。

圖6 基本農(nóng)田保護(hù)紅線和城市開發(fā)邊界優(yōu)化Fig.6 Layout optimization of prime farmland protection boundary and urban growth boundary

4 結(jié)論和討論

4.1 結(jié)論

本文以鷹潭市中心城區(qū)為例，以建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)和耕地綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，引入了城市發(fā)展方向預(yù)測、新增建設(shè)用地規(guī)模、基本農(nóng)田保護(hù)面積和耕地國家利用等四方面修正，開展了基于空間決策的城鎮(zhèn)空間和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間協(xié)調(diào)優(yōu)化布局研究，主要結(jié)論為：

1）建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果表明，建設(shè)開發(fā)適宜性分值由高到低呈現(xiàn)出以中心城區(qū)中心為圓心的“圈層”式的空間分布。耕地綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果表明，中心城區(qū)耕地綜合質(zhì)量高的耕地主要分布在西部和東部。建設(shè)開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)和耕地綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)，是科學(xué)劃定城鎮(zhèn)空間和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間的開發(fā)管制邊界的基礎(chǔ)。

2）建設(shè)用地重心移動(dòng)分析表明中心城區(qū)北部的志光鎮(zhèn)、東部的童家鎮(zhèn)和西部的四青街道辦事處建設(shè)用地重心移動(dòng)趨勢明顯。凸殼原理分析城市擴(kuò)張類型表明2005—2015年間中心城區(qū)主要的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張類型為外延型，且擴(kuò)張方向?yàn)橥箽さ谋辈亢蜄|部?；A(chǔ)設(shè)施與產(chǎn)業(yè)布局分析結(jié)果表明位于中心城區(qū)北部的高鐵北站對于中心城區(qū)未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展能發(fā)揮推動(dòng)作用。綜合城市發(fā)展方向預(yù)測表明中心城區(qū)北部的夏埠鄉(xiāng)、志光鎮(zhèn)和鴻塘鎮(zhèn)是中心城區(qū)未來發(fā)展的重點(diǎn)方向。

3）引入耕地國家利用等指標(biāo)，將基本農(nóng)田保護(hù)紅線方案劃分為可調(diào)區(qū)和不可調(diào)區(qū)。城市開發(fā)邊界方案與耕地保護(hù)紅線方案不可調(diào)區(qū)布局沖突的空間決策為：調(diào)整城市開發(fā)邊界，優(yōu)先保障耕地；城市開發(fā)邊界方案與耕地保護(hù)紅線方案可調(diào)區(qū)布局沖突的空間決策為：調(diào)整耕地保護(hù)紅線，優(yōu)先保障城市發(fā)展。

4.2 討論

1）城市發(fā)展方向預(yù)測中，本文采用了建設(shè)用地重心移動(dòng)分析，城市擴(kuò)張模式分析和基礎(chǔ)設(shè)施和產(chǎn)業(yè)布局分析。而城市發(fā)展方向存在其內(nèi)在的客觀規(guī)律，也受到自然地理、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人為決策等復(fù)雜因素的影響。不少學(xué)者采用元胞自動(dòng)機(jī)（Cellular Automata）和多智能體（Multi-Agent）模型進(jìn)行城市發(fā)展情景模擬[8,9]，下一步可從城市發(fā)展情景模型的角度進(jìn)一步揭示城市發(fā)展規(guī)律，提升城市發(fā)展方向預(yù)測的科學(xué)性。

2）研究中構(gòu)建的基于空間決策的城鎮(zhèn)空間與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間布局協(xié)調(diào)優(yōu)化思路，與之前的研究的不同之處在于，城市開發(fā)邊界與基本農(nóng)田保護(hù)紅線處于平等的地位，出現(xiàn)布局矛盾沖突時(shí)，二者皆可調(diào)整。研究中引入耕地國家利用等這一指標(biāo)將耕地保護(hù)紅線劃分為不可調(diào)區(qū)和可調(diào)區(qū)，分區(qū)域做出“是優(yōu)先保障耕地還是優(yōu)先保障城市發(fā)展”的空間決策。下一步研究中可進(jìn)一步探究可調(diào)區(qū)和不可調(diào)區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，提升耕地保護(hù)紅線劃定的科學(xué)性。

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Spatial layout optimization of urban space and agricultural space based on spatial decision-making

Ye Yingcong1, Sun Kai1, Kuang Lihua2, Zhao Xiaomin1※, Guo Xi1
(1. Key laboratory of Poyang Lake Watershed Agricultural Resources and Ecology of Jiangxi Province, Jiangxi Agricultural University/ College of Foresty, Nanchang 330045, China; 2. College of Public Administration, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

The scientific delineation of urban space and agricultural production space restriction boundaries is an important measure for the development of city and food security. The urban growth boundary needs to be set to control the urban space sprawl. The farmland accounted for a large proportion of agricultural production space, the prime farmland protection boundary is established to protect the agricultural space. In the year of 2014, the Yingtan City was chosen by the Chinese government as the pilot city to lunch the multi-plan integration project, this project makes the Yingtan City become a perfect place to analyze the reasons that cause the spatial layout contradictions between the urban space and agricultural space, and to seek measures to solve the spatial layout contradictions. In this paper, we took the central district in Yingtan City as an example, and built the layout optimization of urban space and agricultural production space on the basis of construction suitability evaluation and comprehensive farmland quality evaluation on the GIS platform. Through the correction form the city development direction prediction, new construction land scale, the prime farmland protection scale, and farmland utility grade, the preliminary scheme of urban growth boundary and prime farmland protection boundary were generated. The overlay analysis process was applied on the GIS platform to diagnose the contradiction area between the preliminary schemes of urban growth boundary and the prime farmland protection boundary. The urban growth boundary and the prime farmland protection boundary were optimized based on the contradiction coordination principle through spatial decision-making process. The base of spatial contradiction coordination was to make the urban growth boundary and the prime farmland protection boundary of the equal importance. The results showed: (1) the construction suitability evaluation score from high to low presented the circle type of spatial distribution, the plots which had comprehensive farmland evaluation scores were distributed in the east and west part of the central district; (2) based on the analysis of construction land weight transfer, convex hull analysis of urban expansion type, and the infrastructure and industrial zone layout analysis, the north part of the central district was the future city development main direction; and (3) the preliminary scheme of prime farmland protection boundary was divided into adjustable area and regulation area based on the farmland natural utility grade. The farmland plot with lower natural utility grade than the average farmland utility grade in the research area was divided into the adjustable area. The farmland plot with higher natural utility grade than the average farmland utility grade in the research area was divided into the regulation area. The spatial decision to deal with the contradiction between the urban growth boundary preliminary scheme and the regulation area was to adjust the urban growth boundary preliminary scheme to ensure the farmland protection. The spatial decision to deal with the contradiction between the urban growth boundary preliminary scheme and the adjustable area was to adjust the prime farmland protection boundary preliminary scheme to ensure the urban development. From the research, we concluded that the spatial decision-making process could make the delineation of the urban growth boundary and the prime farmland protection boundary more objective and scientific.

land use; remote sensing; land quality; spatial decision-making; urban space; agricultural production space; layout optimization; central district in Yingtan city

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.034

F301.2

A

1002-6819(2017)-16-0256-11

葉英聰，孫 凱，匡麗花，趙小敏，郭 熙. 基于空間決策的城鎮(zhèn)空間與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間協(xié)調(diào)布局優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(16)：256-266.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.034 http://www.tcsae.org

Ye Yingcong, Sun Kai, Kuang Lihua, Zhao Xiaomin, Guo Xi. Spatial layout optimization of urban space and agricultural space based on spatial decision-making[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 256-266. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.16.034 http://www.tcsae.org

2017-05-31

2017-07-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41361049）；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（20122BAB20412）；江西省贛鄱英才“555”領(lǐng)軍人才項(xiàng)目（201295）

葉英聰，男，漢，江西贛州人，博士生，主要從事“3S”技術(shù)與土地規(guī)劃方面研究。南昌 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，330045。

Email：yycdayu@126.com

※通信作者：趙小敏，男，漢，江西上高人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土地可持續(xù)利用、土地規(guī)劃與信息技術(shù)方面研究。南昌 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，330045。Email：zhaoxm889@126.com。