基于微地貌約束的山區(qū)型特色小鎮(zhèn)“三生”空間布局優(yōu)化

馬偉波， 趙立君， 鄒鳳麗,2， 李 輝， 王 楠， 李海東， 張龍江*

1.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所， 江蘇 南京 210042

2.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院， 湖北 武漢 430079

國土空間是人類活動的主要承載體，但隨著我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化迅速發(fā)展，建設(shè)用地擴張迅猛,耕地面積持續(xù)減少,局部地區(qū)生態(tài)環(huán)境問題突出，導(dǎo)致人地矛盾不斷增加[1]. 協(xié)調(diào)各個發(fā)展目標(biāo)，優(yōu)化國土空間開發(fā)格局，實現(xiàn)社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境協(xié)同發(fā)展是一個重要科學(xué)問題[2-4]. “生態(tài)-生產(chǎn)-生活”(簡稱“‘三生’”)空間結(jié)構(gòu)及布局優(yōu)化研究，是實現(xiàn)國土空間有效管控和制定國土空間規(guī)劃的重要支撐，也是國土空間格局優(yōu)化的重要實踐[5]. 目前，相關(guān)研究主要集中在“三生”空間概念與內(nèi)涵[6]、用地分類體系[7]、識別與優(yōu)化[8]等. 但由于“三生”空間研究開展時間較短且我國地域分異較大，不同尺度、不同地域特征下“三生”空間土地結(jié)構(gòu)與布局優(yōu)化研究背景和側(cè)重點存在差異[9-10].

目前，“三生”空間的結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化研究多集中在縣域、城市等較大尺度上[11-14]，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上的相關(guān)研究多分布在聚落層面[15]，而鄉(xiāng)鎮(zhèn)在城鄉(xiāng)發(fā)展中同樣存在著優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)與布局、強化地域功能、協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的客觀需求[16]. 2019年自然資源部發(fā)布的《資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性評價指南(試行)》(簡稱“《雙評價》”)可支撐區(qū)域尺度“三生”空間格局優(yōu)化，但不足以滿足鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度“三生”空間布局優(yōu)化的管理需求. 2020年北京市制定了《北京市鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)生態(tài)要素與生態(tài)空間規(guī)劃編制指引(試行)》，對于快速城鎮(zhèn)化地區(qū)生態(tài)空間規(guī)劃編制有較大指導(dǎo)意義，對于村鎮(zhèn)建設(shè)“三生”空間布局有重要參考價值，但目前仍缺乏成熟的應(yīng)用實例. 特色小鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)特色鮮明、要素集聚、宜居宜業(yè)、富有活力，是鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度發(fā)展的典型代表. 立足生態(tài)優(yōu)先、“三生”空間融合，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，是生態(tài)文明背景下特色小鎮(zhèn)發(fā)展的歷史選擇[17-19]. 茅臺鎮(zhèn)處于大婁山區(qū)水源涵養(yǎng)與生物多樣性保護重要區(qū)(簡稱“大婁山區(qū)”)，主導(dǎo)生態(tài)功能為水源涵養(yǎng)與生物多樣性維護[20]，是我國第一批特色小鎮(zhèn)，特色產(chǎn)業(yè)是醬酒和紅色旅游，是我國西南地區(qū)山區(qū)型特色小鎮(zhèn)的典型代表. 近年來，茅臺鎮(zhèn)依托醬酒文化、長征文化、鹽運文化大力發(fā)展旅游業(yè)，同時國內(nèi)醬酒產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展促使茅臺鎮(zhèn)白酒產(chǎn)業(yè)呈劇烈擴張態(tài)勢. 隨著旅游人口的急速增長和白酒企業(yè)的擴產(chǎn)擴能加劇了河谷地帶土地利用的競爭格局，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量造成一定影響. “山水林田”等重要的生態(tài)要素多數(shù)都位于鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)，在山區(qū)條件下，以茅臺鎮(zhèn)為例，隨著城鎮(zhèn)化的推進，建設(shè)用地不斷侵占耕地等生態(tài)用地，鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度“三生”空間矛盾凸顯.

近年來，通過土地利用模擬模型開展多尺度土地利用模擬成為一種土地利用布局優(yōu)化的方法[21]，其中GeoSOS-FLUS模型是一種在人地關(guān)系相互影響下，能有效處理國土空間內(nèi)部各土地利用類型相互轉(zhuǎn)化的復(fù)雜性和不確定性的模擬預(yù)測模型，目前主要應(yīng)用于土地利用模擬[22]、城市擴張模擬[23]和城市增長邊界的劃定等[24-26]方面. 元胞自動機和多智能體模型是土地利用格局和演化模擬的主流方法，該模型結(jié)合生物智能將2種主流方法融合，使其能以較高的精度在高分辨率和小尺度上模擬預(yù)測未來土地利用的變化分布.

為優(yōu)化山區(qū)型特色小鎮(zhèn)的“三生”空間布局，筆者基于10 m分辨率DEM、土地利用、交通區(qū)位以及統(tǒng)計年鑒等數(shù)據(jù)，通過GeoSOS-FLUS模型開展了生態(tài)優(yōu)先情景下茅臺鎮(zhèn)“三生”空間布局優(yōu)化研究，并與無地貌約束的自然演變和經(jīng)濟優(yōu)先2種情景做了對比分析，以期為村鎮(zhèn)尺度生態(tài)安全格局優(yōu)化和生態(tài)承載力提升提供技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

茅臺鎮(zhèn)是貴州省仁懷市下轄鎮(zhèn)，位于貴州省西北部，地處大婁山區(qū)，是赤水河在流域內(nèi)徑流方向的重要轉(zhuǎn)折處，是川黔水陸交通的咽喉要地(見圖1). 赤水河自南向北穿越轄區(qū)，轄區(qū)內(nèi)赤水河干流是長江上游珍稀魚類國家保護區(qū). 茅臺鎮(zhèn)(106°21′E～106°23′E、27°51′N～27°52′N)為典型的河谷地貌，海拔在365～1 367 m之間，年均降雨量為926 mm. 茅臺鎮(zhèn)是中國醬酒圣地，白酒產(chǎn)業(yè)發(fā)達，有超過900家白酒企業(yè)，2016年被列為第一批中國特色小鎮(zhèn)，2019年入選全國綜合實力千強鎮(zhèn)前100名. 茅臺鎮(zhèn)面積212.84 km2，土地利用以耕地為主林地次之，2018年耕地面積為78.87 km2；轄6個社區(qū)22個行政村，2018年人口10.7×104人.

圖1 茅臺鎮(zhèn)地理位置及高程

但在2000—2018年茅臺鎮(zhèn)建設(shè)用地擴張7.5倍(見表1)，耕地和草地面積減少了10.93 km2；生態(tài)用地下降了1.51 km2，生態(tài)空間被嚴(yán)重擠壓，用地結(jié)構(gòu)矛盾凸顯，“三生”空間布局亟待優(yōu)化.

表1 2000—2018年茅臺鎮(zhèn)土地利用和“三生”空間變化

1.2 數(shù)據(jù)獲取

主要包括研究區(qū)DEM、土地利用、規(guī)劃資料和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)(見表2). 對于柵格數(shù)據(jù)，首先將空間參考投影統(tǒng)一變換至Krasovsky_1940_Albers，然后重采樣至30 m后計算得到各指標(biāo)因子. 對于交通區(qū)位數(shù)據(jù)，分別計算茅臺鎮(zhèn)到仁懷市及相鄰縣市建成區(qū)中心、到高速公路、到國省道、到城市主干道等歐式距離，生成統(tǒng)一參考投影和分辨率的空間柵格. 圖2展示了多情景分析中需用到的驅(qū)動和限制性因子數(shù)據(jù)，其中，驅(qū)動型因子涉及地形驅(qū)動因子、交通驅(qū)動因子和到城市中心距離驅(qū)動因子3個方面，包括地形濕度指數(shù)[27]、高程、坡度、坡向、到國省道距離、到高速公路距離、到市中心距離、到鎮(zhèn)中心距離、到干道距離，限制性因子為生態(tài)保護紅線，包括赤水河干流所在的長江上游珍稀魚類國家保護區(qū)和基本農(nóng)田等生態(tài)用地.

圖2 土地利用驅(qū)動和限制因子

表2 數(shù)據(jù)信息說明

1.3 研究思路

基于上位規(guī)劃和生態(tài)約束的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化. 根據(jù)《仁懷市土地利用總體規(guī)劃(2015—2020年)》確定茅臺鎮(zhèn)基本農(nóng)田和建成區(qū)面積約束，同時根據(jù)《全國生態(tài)功能區(qū)劃(修編版)》《貴州省生態(tài)保護紅線》等確定茅臺鎮(zhèn)主導(dǎo)生態(tài)功能定位和生態(tài)空間嚴(yán)格保護區(qū)范圍，結(jié)合山區(qū)微地貌對“三生”空間的發(fā)展約束條件，確定生態(tài)優(yōu)先情景模式下茅臺鎮(zhèn)土地利用轉(zhuǎn)移限制權(quán)重.

基于驅(qū)動條件的土地利用布局. 以地形、交通和到城市中心距離為土地利用驅(qū)動條件，以產(chǎn)城融合、城鄉(xiāng)協(xié)同發(fā)展等為生態(tài)優(yōu)先情景下土地利用驅(qū)動策略，將基本農(nóng)田、水域、生態(tài)紅線區(qū)作為生態(tài)約束條件限制土地轉(zhuǎn)化；以產(chǎn)業(yè)擴張、建設(shè)用地適度擴張作為經(jīng)濟優(yōu)先情景下的土地利用驅(qū)動策略；以2000—2018年土地利用變化特征和轉(zhuǎn)移規(guī)律作為自然演變情景下的驅(qū)動參數(shù)選擇；在求取各類土地適宜性概率后，將驅(qū)動、限制等因子輸入土地模擬模型，求取3種情景下土地利用布局.

山區(qū)型村鎮(zhèn)建設(shè)布局優(yōu)化案例分析. 以貴州省茅臺鎮(zhèn)為案例，通過GeoSOS-FLUS模型求取3種情景下山區(qū)型鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地利用結(jié)構(gòu)和布局優(yōu)化結(jié)果，開展定性和定量分析.

1.4 研究方法

1.4.1微地貌劃分

(1)

(2)

式中：n為R半徑內(nèi)DEM柵格的數(shù)量；zi表示第i個柵格處高程，m. 鑒于研究區(qū)山地地形復(fù)雜的特點，通過3～100個像元半徑單位的測試，最終選擇R為30個像元尺度，即半徑為 2 700 m的圓形卷積窗口，該尺度較好地兼顧了細分地貌與景觀. 地貌的變化源于坡面的變化，根據(jù)研究區(qū)實際情況，改進了Dickson等[29]對地貌的劃分方法，將大婁山區(qū)劃分為山脊、陡坡、緩坡和峽谷底. 地貌劃分綜合了高程、slope (研究區(qū)絕對數(shù)值坡度)以及TPI所蘊含的地形特征(見表3).

表3 基于TPI的地貌劃分

1.4.2情景設(shè)定

該研究該研究共設(shè)置3個情景，不同情景下土地轉(zhuǎn)化成本與土地侵略強度不同.

自然演變：依據(jù)2000—2018年茅臺鎮(zhèn)土地利用和轉(zhuǎn)移特點，不進行人為引導(dǎo)和管控，遵循前期土地利用變化特征和轉(zhuǎn)移演變規(guī)律.

經(jīng)濟優(yōu)先：經(jīng)濟建設(shè)主要依據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展推動，因此該情景下建設(shè)用地規(guī)模需適度擴張，降低建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為耕地林地和草地的轉(zhuǎn)化約束.

生態(tài)優(yōu)先：嚴(yán)格實施生態(tài)保護紅線和基本農(nóng)田保護，在維護優(yōu)化生態(tài)空間用地的同時，考慮可持續(xù)發(fā)展，提升現(xiàn)有建設(shè)用地利用效率，促進鄉(xiāng)村振興和產(chǎn)城融合.

1.4.3GeoSOS-FLUS模型

相比其他土地利用模擬模型[24]，GeoSOS-FLUS能較好地應(yīng)用于土地利用變化模擬與未來土地利用情景分析，可解決不同用地類型的競爭關(guān)系，能夠耦合人類活動與自然環(huán)境且提供高分辨率的模擬結(jié)果. 其通過“自上而下”系統(tǒng)動力學(xué)模型與“自下而上”元胞自動機模型，利用自適應(yīng)競爭機制最終解決高分辨率條件下復(fù)雜土地利用模擬問題.

適宜性概率通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法求取得到，計算公式：

(3)

式中：sp(p,k,t)為第k類型用地在時間t、柵格p下的適宜性概率，k=1，2，…，5；ωj,k為輸出層與隱藏層之間的權(quán)重；sigmoid是激勵函數(shù)；netj(p,t)表示第j個隱藏層?xùn)鸥駊在時間t上所接到的土地利用信息；h為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度，該研究中h=12；t分別為2000年、2018年和2030年. 每個柵格像元所代表的各用地類型適應(yīng)性概率和為1.

土地利用轉(zhuǎn)化概率受分布概率、鄰域密度、慣性系數(shù)、轉(zhuǎn)換成本及地類競爭等因素共同作用影響. 第k類型用地在t時刻的自適應(yīng)慣性系數(shù)為Intertiakt，

式中，Dkt-1、Dkt-2分別為第k類型用地未來模擬柵格數(shù)量與模擬起始階段柵格數(shù)量，Intertiakt-1表示在第k類型用地在t-1時刻的自適應(yīng)慣性系數(shù). 通過CA模型迭代的方式進一步確定各用地類型. 在t時刻，柵格p轉(zhuǎn)化為k用地類型的概率TProbp,kt可表示為

TProbp,kt=sp(p,k,t)×Ωp,tt×Intertiakt×(1-scc→k)

(5)

式中：scc→k為c用地類型改變?yōu)閗用地類型的成本；Ωp,tt為鄰域作用，計算方法見式(6).

(6)

式中：∑N×Ncon(cpt-1=k)表示在N×N的Moore鄰域，上一次迭代結(jié)束后第k類型用地的柵格總數(shù)，該研究中N表示土地利用柵格Moore鄰域的長度和寬度，設(shè)置N=5；ωk為各類用地的鄰域作用權(quán)重.

模型的精度驗證參考指標(biāo)為OA和Kappa系數(shù). 該研究采用2000—2018年土地利用為模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)，以2018年模擬結(jié)果測試模型精度，最后利用訓(xùn)練得到的模型模擬預(yù)測2030年研究區(qū)土地利用.

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用優(yōu)化

2.1.1生態(tài)優(yōu)先情景土地利用優(yōu)化策略

茅臺鎮(zhèn)是我國產(chǎn)城融合的典型代表，是產(chǎn)業(yè)和城鎮(zhèn)化相融合發(fā)展的經(jīng)驗?zāi)Ｊ?，白酒產(chǎn)業(yè)和旅游文化產(chǎn)業(yè)是其經(jīng)濟發(fā)展的根本動力. 近年來茅臺鎮(zhèn)旅游人數(shù)不斷攀升，白酒產(chǎn)業(yè)持續(xù)繁榮，致使茅臺鎮(zhèn)人口增長、城市建設(shè)急劇擴張，生態(tài)環(huán)境承壓較大. 根據(jù)《仁懷市土地利用總體規(guī)劃(2015—2020年)》，茅臺鎮(zhèn)仍有超過22 km2可開發(fā)土地，大部分集中在赤水河谷海拔680 m以下坡地河谷地區(qū). 但由于茅臺鎮(zhèn)地處大婁山區(qū)，水源涵養(yǎng)和生物多樣性維護功能較為重要；茅臺鎮(zhèn)城鎮(zhèn)建設(shè)集中在赤水河河谷地帶，若其生態(tài)環(huán)境功能失調(diào)對赤水河下游水質(zhì)水生態(tài)將造成負面影響. 因此，該研究在生態(tài)優(yōu)先情景下對于茅臺鎮(zhèn)土地利用的優(yōu)化策略為優(yōu)先保護生態(tài)用地，嚴(yán)格恪守生態(tài)保護紅線，適當(dāng)約束建設(shè)用地擴張，對農(nóng)業(yè)生態(tài)用地依據(jù)生態(tài)涵養(yǎng)需求適當(dāng)退耕還林. 生態(tài)優(yōu)先情景下土地利用優(yōu)化策略是后期基于微地貌約束的前提，是不同土地利用類型之間轉(zhuǎn)化限制性條件的重要參考.

2.1.2基于微地貌約束的優(yōu)化路徑

由表4可見，茅臺鎮(zhèn)4種地貌類型中以峽谷底、陡坡和山脊區(qū)域3種為主，其中，峽谷底面積為75.57 km2，緩坡面積較少，僅有5.98 km2. 以茅臺鎮(zhèn)2018年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)劃分“三生”空間分布，并統(tǒng)計其微地貌特征. 茅臺鎮(zhèn)生態(tài)空間和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間在峽谷底、陡坡和山脊區(qū)域均有大量分布且面積數(shù)量差異較小，而生活空間和工業(yè)生產(chǎn)空間多分布在峽谷底部. 生態(tài)空間分布在峽谷底、陡坡和山脊處的面積分別為41.29、39.72和39.89 km2，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間分布在峽谷底、陡坡和山脊處的面積分別為24.29、26.54和24.92 km2，生活空間和工業(yè)生產(chǎn)空間在峽谷底的面積分別為3.13和6.86 km2.

表4 基于地形約束的茅臺鎮(zhèn)“三生”空間劃分及優(yōu)化策略

茅臺鎮(zhèn)地處喀斯特山區(qū)，耕地類型多為坡耕旱地，農(nóng)作物產(chǎn)量較低；且受西南季風(fēng)影響，每年7—8月降雨強烈，極易造成水土流失和滑坡. 因此，在地形約束下的茅臺鎮(zhèn)“三生”空間布局優(yōu)化，首要考慮的是維護山脊、緩坡和陡坡處的林地草地類型不被改變；其次在提升耕地質(zhì)量的同時，適當(dāng)退耕還林，在山脊陡坡處形成連片貫通的生態(tài)空間；再次要保證峽谷底區(qū)域的赤水河干流、灘地等生態(tài)空間不被建設(shè)用地擴張侵蝕；最后，在嚴(yán)格保護緩坡和峽谷底生態(tài)用地的條件下，可適度開發(fā)作為建設(shè)用地.

該研究結(jié)合以下兩方面內(nèi)容確定土地利用轉(zhuǎn)化權(quán)重：一方面參考GeoSOS-FLUS官方操作手冊中對于不同用地類型之間的轉(zhuǎn)移條件和激勵大?。涣硪环矫嫱ㄟ^分析大婁山區(qū)和赤水河流域類似地形條件下土地利用演變模擬的試驗結(jié)果，進而統(tǒng)計土地利用轉(zhuǎn)化的權(quán)重經(jīng)驗值. 該研究以貴州省大同古鎮(zhèn)、元厚鎮(zhèn)等地區(qū)為測試對象，最終得到茅臺鎮(zhèn)不同微地貌處土地利用轉(zhuǎn)化權(quán)重值：

a) 在峽谷底區(qū)域，其他用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的權(quán)重為0.1，水域轉(zhuǎn)化為其他用地的權(quán)重為0.

b) 在緩坡區(qū)域，其他用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的權(quán)重為0.6，林地草地轉(zhuǎn)化為耕地的權(quán)重為0.3.

c) 在陡坡區(qū)域，其他用地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的權(quán)重為0.2，耕地轉(zhuǎn)化為林地草地的權(quán)重為0.7.

d) 在山脊區(qū)域，其他用地轉(zhuǎn)化為林地草地的權(quán)重為0.8.

2.2 布局優(yōu)化

2.2.1模型訓(xùn)練及精度評價

各驅(qū)動指標(biāo)項輸入模型可得到每個像元處各類土地利用類型的適應(yīng)性概率值. 由圖3可見，建設(shè)用地適宜性概率較高的地區(qū)主要集中在茅臺鎮(zhèn)南部，水域適宜性概率較高的地區(qū)分布在河谷平緩地帶及小流域匯流區(qū)，耕地適宜性概率較高的地區(qū)主要分布在河谷兩側(cè)較高坡地，林地主要分布在海拔600 m以上地區(qū). 適宜性概率是依據(jù)土地驅(qū)動因子生成，在現(xiàn)實土地利用轉(zhuǎn)換過程中影響因素較多，各用地類型由不同驅(qū)動因素與其他地類相互競爭生成，因此適宜性概率與不同情景下土地利用限制和規(guī)劃策略相組合，即可形成具有科學(xué)合理性的土地利用布局.

由圖3可見，茅臺鎮(zhèn)沿赤水河峽谷底地區(qū)的土地利用競爭非常激烈，該地區(qū)水域、建設(shè)用地和耕地等均有不同程度的適宜性概率. 結(jié)合表4可知，峽谷底是主要的生活空間和工業(yè)生產(chǎn)空間，水域、林地和草地等生態(tài)空間被嚴(yán)重擠壓.

圖3 茅臺鎮(zhèn)土地適宜性概率

以2000年為基期，Kappa系數(shù)顯示基于上述驅(qū)動因子的2018年土地利用模擬精度可達到0.78，總體精度達到0.82，結(jié)果準(zhǔn)確度和可信度可支撐該研究對土地利用的模擬.

2.2.2土地利用布局優(yōu)化結(jié)果

由圖4可見，自然演變、經(jīng)濟優(yōu)先和生態(tài)優(yōu)先情景模擬均顯示，在2030年茅臺鎮(zhèn)的草地面積將急劇減少，且很難保持增長趨勢. 茅臺鎮(zhèn)2018年土地利用模擬與實際土地利用之間主要差異體現(xiàn)在圖4中A和B區(qū)域，即A和B區(qū)域在2018年實際土地利用類型為耕地，但卻被模型模擬成建設(shè)用地;同時，結(jié)合茅臺鎮(zhèn)土地適宜性概率和地形條件可知，A和B區(qū)域位于濕地和耕地交錯的緩坡地形，且離河谷較近，可見在自然演變情景下模型對建設(shè)用地模擬更為敏感. 2030年自然演變情景下，土地利用空間分布主要特征是建設(shè)用地急劇擴張，河谷地帶的緩坡和部分陡坡位置均被轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，如圖4中C、D、E位置所示. 在經(jīng)濟優(yōu)先情景下，絕大部分用地分布模擬與自然演變情景相似，主要差異體現(xiàn)在F區(qū)域和河谷地區(qū)分布較多的建設(shè)用地，可見模型對緩坡位置的耕地模擬轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地較為敏感. 在生態(tài)優(yōu)先情景下，與其他模擬結(jié)果相比較，林地與建設(shè)用地體現(xiàn)出較大差異，林地在赤水河河谷兩岸的G和H區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了空間上連通和聚集，建設(shè)用地主要在茅臺鎮(zhèn)中南部河谷地帶以及緩坡地區(qū)適度擴張. 在微地貌約束的生態(tài)優(yōu)先情景下，峽谷底的生態(tài)空間面積略有增加，從41.29 km2增至43.80 km2，而陡坡和山脊地區(qū)的生態(tài)空間面積由原來的79.61 km2增至83.22 km2，生活空間面積由3.13 km2增至3.88 km2，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間面積由24.29 km2降至20.00 km2.

注： 與2018年土地利用現(xiàn)狀相比，模擬數(shù)據(jù)在A和B區(qū)域較為集中地將耕地錯誤模擬為建設(shè)用地. 在自然演變情景下，C區(qū)域被預(yù)測為建設(shè)用地，D和E區(qū)域也從農(nóng)田和林地被預(yù)測為建設(shè)用地(工業(yè)建設(shè)用地). 在經(jīng)濟優(yōu)先情景下，F(xiàn)區(qū)域坡耕地被預(yù)測為建設(shè)用地. 在生態(tài)優(yōu)先情景下，G和H區(qū)域耕地較多被預(yù)測為林地，而I區(qū)域生態(tài)保護紅線和基本農(nóng)田區(qū)域相較2018年變化較小.

由表5可見：自然演變和經(jīng)濟優(yōu)先情景下，土地利用格局和趨勢是相似，均呈建設(shè)用地進一步擴張而耕地進一步減少的特征；同時，從“三生”空間面積演變趨勢來看，工業(yè)生產(chǎn)空間和生活空間面積均增加，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和生態(tài)空間面積均減少. 經(jīng)濟優(yōu)先情景下，工業(yè)生產(chǎn)空間面積最多，達17.57 km2; 生態(tài)優(yōu)先情景下工業(yè)生產(chǎn)空間面積占地最小，為9.87 km2,同時生態(tài)空間面積最多，為129.63 km2. 相較于2018年，生態(tài)優(yōu)先情景下耕地和草地分別下降了11.42和18.82 km2，而林地和建設(shè)用地面積分別增加了25.13和5.00 km2；在“三生”空間層面，工業(yè)生產(chǎn)空間和生活空間集中分布在峽谷底區(qū)域，而生態(tài)空間則較多分布在緩坡和陡坡區(qū)域；生態(tài)空間面積增加了6.42 km2，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間面積減少了11.42 km2，而工業(yè)生產(chǎn)空間和生活空間面積僅分別增加了2.74和2.26 km2. 相比自然演變和經(jīng)濟優(yōu)先情景，生態(tài)優(yōu)先情景下林地面積增幅較大而建設(shè)用地面積增幅較小.

表5 不同情景下土地利用布局

3 討論

在生態(tài)優(yōu)先的發(fā)展情景下，基于微地貌約束的茅臺鎮(zhèn)“三生”空間布局模擬優(yōu)化顯示，生態(tài)空間大幅增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間大幅減少，而工業(yè)生產(chǎn)空間和生活空間少量增加；茅臺鎮(zhèn)水源涵養(yǎng)與生物多樣性保護的主導(dǎo)生態(tài)功能得到一定程度的維護，生產(chǎn)生活空間有限度的發(fā)展沒有受到完全遏制，最大限度實現(xiàn)了“三生”空間協(xié)調(diào)布局. 該優(yōu)化結(jié)果可服務(wù)于茅臺鎮(zhèn)在村域尺度下“三生”空間布局優(yōu)化調(diào)整政策的制定，對于山區(qū)河谷類似地區(qū)在村鎮(zhèn)尺度生態(tài)安全格局優(yōu)化和生態(tài)承載力提升方面可提供技術(shù)支撐.

相比大尺度城市土地利用布局優(yōu)化[22,30-31]，該研究區(qū)為喀斯特山區(qū)，有獨特的地形特征和土地利用特征. 坡耕地質(zhì)量較低，且極易造成水土流失以致發(fā)生滑坡等自然災(zāi)害. 因此，在生態(tài)優(yōu)先策略下首先保證生態(tài)安全，消除潛在地質(zhì)災(zāi)害隱患，即在陡坡和山脊處積極實施退耕還林，同時提升水源涵養(yǎng)能力. 在此過程中應(yīng)注重林地生物多樣性和景觀建設(shè)[32]，以增加林地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性. 河谷地區(qū)是生產(chǎn)生活用地最易擴張的地區(qū)，也是重要的生態(tài)空間，面臨著河床侵蝕、水土流失等生態(tài)問題；若河谷地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境問題，則地區(qū)的生產(chǎn)生活質(zhì)量將嚴(yán)重下降. 因此，應(yīng)對河谷地區(qū)的生產(chǎn)生活空間進行合理的約束和引導(dǎo)，對生態(tài)空間開展主動修復(fù).

該研究通過地形、交通和到城市中心距離為土地利用驅(qū)動條件分析研究區(qū)土地適宜性概率，同時在發(fā)展策略原則下設(shè)置土地利用轉(zhuǎn)化和限制條件，通過雙向調(diào)節(jié)和作用最終實現(xiàn)在像元尺度的土地利用模擬. 這種策略在一定程度上與基于土地利用適應(yīng)性雙向約束的《雙評價》國土空間格局優(yōu)化策略是相似的[8,10]，即要尊重土地使用的客觀條件和規(guī)律. 但《雙評價》在大尺度上強調(diào)資源環(huán)境承載力約束，不完全適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度，在此方面該研究面對山區(qū)型鄉(xiāng)鎮(zhèn)“三生”空間布局的需求，通過引入微地貌約束條件，實現(xiàn)了典型區(qū)域的實例應(yīng)用.

鄉(xiāng)鎮(zhèn)空間是一個較小尺度的開放空間，其生產(chǎn)生活受周邊地區(qū)影響，若考慮區(qū)域間協(xié)同發(fā)展條件，則不能完全僅就鄉(xiāng)鎮(zhèn)空間內(nèi)部討論其空間布局優(yōu)化. 因此在后續(xù)研究中，應(yīng)主動與區(qū)域生態(tài)分區(qū)、生態(tài)修復(fù)上位規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等規(guī)劃相銜接，立足生態(tài)優(yōu)先原則，將一部分生產(chǎn)和生活功能分散疏解，實現(xiàn)區(qū)域協(xié)同發(fā)展. 以自然地形約束、交通區(qū)位與城市建成區(qū)距離作為土地利用驅(qū)動因子部分合理，但土地利用受到生態(tài)環(huán)境和人類活動的雙向作用，后期研究中應(yīng)針對研究地區(qū)的土地驅(qū)動條件做深入分析. 另外，該研究在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上的“三生”空間布局優(yōu)化，只是從土地資源結(jié)構(gòu)和布局上進行了模擬，對于“三生”空間在功能與生態(tài)經(jīng)濟社會綜合效益定量化評估方面未涉及，后期考慮引入經(jīng)濟社會等統(tǒng)計指標(biāo)，通過定量化指標(biāo)設(shè)置來優(yōu)化情景模式，定量判定“三生”空間在結(jié)構(gòu)、布局優(yōu)化后所產(chǎn)生的綜合效益.

4 結(jié)論

a) 茅臺鎮(zhèn)4種地貌類型中以峽谷底、陡坡和山脊3種為主，其中峽谷底面積為75.57 km2；茅臺鎮(zhèn)生態(tài)空間和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間在峽谷底、陡坡和山脊區(qū)域均有大量分布且面積數(shù)量差異較小，而生活空間和工業(yè)生產(chǎn)空間多分布在峽谷底.

b) 3種情景模擬均顯示，2030年茅臺鎮(zhèn)的草地面積將急劇減少，且很難保持增長趨勢. 自然演變情景下，河谷地帶的緩坡和部分陡坡位置均被轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地；經(jīng)濟優(yōu)先情景下，緩坡位置的耕地較易轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地；生態(tài)優(yōu)先情景下，林地實現(xiàn)了空間上的連通和聚集，建設(shè)用地主要在茅臺鎮(zhèn)中南部河谷地帶以及緩坡地區(qū)適度擴張.

c) 生態(tài)優(yōu)先情景下，峽谷底區(qū)域“三生”空間布局得到優(yōu)化，生態(tài)空間面積從41.29 km2增至43.80 km2，工業(yè)生產(chǎn)空間面積由6.86 km2增至7.89 km2，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間面積由24.29 km2降至20.00 km2.