基于MCR-FLUS-Markov模型的區(qū)域國(guó)土空間格局優(yōu)化

林伊琳 趙俊三 陳國(guó)平 張 萌

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院， 昆明 650093； 2.智慧礦山地理空間信息集成創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 昆明 650093；3.昆明冶金高等專科學(xué)校測(cè)繪學(xué)院， 昆明 650033)

0 引言

生產(chǎn)、生活、生態(tài)空間構(gòu)成的三生空間是國(guó)土空間研究范式[1]，落實(shí)到土地利用上則反映了土地的利用方式，也反映了物質(zhì)空間環(huán)境之間存在的復(fù)合型功能特征，即生產(chǎn)功能、生活功能和生態(tài)功能[2]，各功能之間存在的交叉重疊阻礙了三生空間的協(xié)調(diào)發(fā)展。目前，國(guó)土空間規(guī)劃工作正在積極推進(jìn)，用地功能的多元化發(fā)展、用地結(jié)構(gòu)的改變致使國(guó)土空間功能不斷擴(kuò)張，主體功能逐漸凸顯。國(guó)土空間格局優(yōu)化的目的是實(shí)現(xiàn)“生活-生產(chǎn)-生態(tài)空間”在空間布局上的協(xié)調(diào)配置，追求國(guó)土空間整體效益的最大化[3]。準(zhǔn)確判別三生空間主體功能、并對(duì)其結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行優(yōu)化，有利于確定區(qū)域定位和發(fā)展重點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域三生空間的有序發(fā)展以及相關(guān)規(guī)劃的制定提供決策依據(jù)。

國(guó)土空間格局優(yōu)化模擬已成為研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)研究大多以土地資源為研究對(duì)象，對(duì)國(guó)土空間資源進(jìn)行優(yōu)化配置[4-6]。在研究方法上，以智能算法應(yīng)用居多，包括采用線性規(guī)劃、目標(biāo)規(guī)劃、模擬退火、遺傳算法、微粒群算法、蟻群算法等對(duì)土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[7-9]，也有學(xué)者將GIS軟件與元胞自動(dòng)機(jī)模型(CA)、小尺度土地利用變化及其空間效應(yīng)模型(CLUE-S)、未來土地利用模擬模型(FLUS)、Markov模型、多智能體模型等相結(jié)合，開辟了國(guó)土空間數(shù)量結(jié)構(gòu)和布局優(yōu)化的新途徑[10-13]。在研究目標(biāo)上，通常根據(jù)不同規(guī)劃目標(biāo)和利益需求設(shè)置主導(dǎo)目標(biāo)和約束條件，又或是以兼顧雙目標(biāo)或效益最大化的優(yōu)化研究為主[14-16]。在國(guó)家推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的遠(yuǎn)景目標(biāo)下，許多學(xué)者開始重視生態(tài)安全格局構(gòu)建方面的研究[17-21]，最小累積阻力模型(MCR)成為建立生態(tài)安全格局和優(yōu)化生態(tài)空間的重要手段[17]，用于探尋在生態(tài)安全格局下的國(guó)土空間優(yōu)化配置方案，相關(guān)研究仍處于初探階段。

將數(shù)量結(jié)構(gòu)和空間布局優(yōu)化相結(jié)合是當(dāng)前國(guó)土空間格局優(yōu)化配置研究領(lǐng)域的重要方向之一，將區(qū)域生態(tài)安全融入國(guó)土空間格局優(yōu)化過程是實(shí)現(xiàn)區(qū)域國(guó)土空間資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵?，F(xiàn)有研究缺乏基于三生空間視角下的區(qū)域國(guó)土空間格局優(yōu)化方法和路徑的研究。本文以滇中城市群為例，從三生空間視角出發(fā)，提出一種基于生態(tài)安全格局的國(guó)土空間格局優(yōu)化配置方法，即運(yùn)用MCR-FLUS-Markov耦合模型，在“生活-生產(chǎn)-生態(tài)空間”協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行滇中城市群國(guó)土空間格局優(yōu)化研究，以期為滇中城市群生態(tài)環(huán)境保護(hù)、資源有效利用和國(guó)土空間規(guī)劃編制提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

滇中城市群地處中國(guó)西南部、云南省中部，為典型的高原山區(qū)城市。區(qū)域位于東經(jīng)100°43′～104°49′，北緯24°58′～25°9′之間，由昆明市、曲靖市、玉溪市、楚雄彝族自治州及紅河哈尼族彝族自治州北部7縣市，共49個(gè)縣(市、區(qū))組成，國(guó)土面積為111 402.00 km2。屬低緯度高海拔地區(qū)，地勢(shì)起伏較大，呈現(xiàn)出多樣的低緯高原季風(fēng)氣候類型和典型的立體氣候特點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)土地資源包含有山、原、谷、盆，生態(tài)資源優(yōu)越，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較強(qiáng)。研究區(qū)位置如圖1所示。

2 研究方法與數(shù)據(jù)

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文涉及的2009、2015年土地利用類型數(shù)據(jù)為矢量數(shù)據(jù)，比例尺1∶10 000，坐標(biāo)系為GCS_Xian_1980，數(shù)據(jù)來源于土地利用現(xiàn)狀年度更新數(shù)據(jù)庫(kù)。借鑒最優(yōu)樣方尺寸計(jì)算方法[22]，結(jié)合群域面積及計(jì)算機(jī)處理能力，將研究區(qū)劃分為500 m×500 m柵格單元，并運(yùn)用ArcGIS軟件將兩期土地利用數(shù)據(jù)統(tǒng)一到該柵格尺寸下。從三生空間視角出發(fā)，在第二次全國(guó)土地利用調(diào)查分類和中國(guó)LUCC(多時(shí)期土地利用土地覆被變化)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分類體系的基礎(chǔ)上，以國(guó)土空間安全下的生態(tài)安全、糧食安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展安全為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合研究區(qū)生態(tài)保護(hù)紅線和永久基本農(nóng)田保護(hù)紅線，建立滇中城市群三生空間類型與土地利用類型的銜接和融合關(guān)系[23]。涉及的地形數(shù)據(jù)有高程、坡度、坡向，高程采用SRTM 30 m分辨率的DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)，坡度、坡向由DEM數(shù)據(jù)派生得到；交通、水系、居民點(diǎn)等距離數(shù)據(jù)通過歐氏距離法計(jì)算得到；人口密度、人均GDP、人均可支配收入、年平均氣溫等經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)由統(tǒng)計(jì)年鑒獲取，以縣為統(tǒng)計(jì)單元，通過Kriging插值法插值為柵格數(shù)據(jù)。2009、2015年滇中城市群三生空間現(xiàn)狀分布情況如圖2所示。

2.2 生態(tài)安全格局識(shí)別

與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的不確定性相比，生態(tài)環(huán)境因素對(duì)國(guó)土空間格局變化的約束是相對(duì)穩(wěn)定的，所以從生態(tài)約束的角度建立國(guó)土空間格局優(yōu)化配置模型的方法可行。將國(guó)土空間格局?jǐn)U張看作是生態(tài)源和擴(kuò)張?jiān)聪蛩闹軘U(kuò)散，借助GIS技術(shù)，構(gòu)建MCR模型以表達(dá)兩種國(guó)土空間資源的空間跨越特點(diǎn)[24-25]，以最小累積阻力差值結(jié)果作為構(gòu)建研究區(qū)生態(tài)安全格局的依據(jù)。

2.2.1目標(biāo)源確定

在生態(tài)安全格局識(shí)別中最重要的步驟就是確定目標(biāo)源地。生態(tài)保護(hù)紅線的劃定對(duì)象為研究區(qū)內(nèi)生態(tài)保護(hù)的核心區(qū)，其中包括國(guó)家級(jí)和省級(jí)重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、國(guó)家森林公園、城市水源地、水源涵養(yǎng)區(qū)、世界自然和文化遺產(chǎn)地等的部分重要區(qū)域，這些核心區(qū)具有重要生態(tài)功能或高度生態(tài)敏感性和脆弱性[26]，以其作為生態(tài)源，是維系滇中城市群生態(tài)安全的基本保障區(qū)域，原則上任何城市擴(kuò)張行為均不得占用。同時(shí)考慮為消除細(xì)碎圖斑對(duì)生態(tài)安全格局構(gòu)建的影響，綜合研究區(qū)實(shí)際情況，提取生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)內(nèi)圖斑面積大于5 km2的單個(gè)圖斑作為生態(tài)源地，生活空間擴(kuò)張?jiān)粗饕侵赋鞘腥簝?nèi)城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地。

2.2.2阻力因子選取

選取高程、坡度、土地利用類型、土壤類型、植被覆蓋度、年均氣溫、年均降水量、與道路距離、與水體距離9個(gè)指標(biāo)作為生態(tài)源、生活空間擴(kuò)張?jiān)醋枇σ蜃覽20,27-29]。同時(shí)對(duì)各阻力因子等級(jí)進(jìn)行劃分并采用層次分析法確定權(quán)重。每個(gè)因子劃分為5個(gè)等級(jí)：1、2、3、4、5，等級(jí)越低，阻力越小，表示生態(tài)源越容易得到保護(hù)和維持，反之則表示生活空間擴(kuò)張能力越強(qiáng)。兩個(gè)過程的阻力分級(jí)相反。各個(gè)目標(biāo)源阻力因子分級(jí)及權(quán)重賦值如表1所示。高程、坡度分級(jí)參照文獻(xiàn)[23]進(jìn)行劃分；土地利用類型依據(jù)土地利用分類及轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)(八大類轉(zhuǎn)換)重分類為5級(jí)；土壤類型采用中國(guó)土壤類型空間分布數(shù)據(jù)并提取研究區(qū)內(nèi)土壤類型數(shù)據(jù)，以土壤屬性為依據(jù)對(duì)其進(jìn)行等級(jí)劃分；植被覆蓋度采用2015年云南省公里格網(wǎng)歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)集并提取研究區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)，運(yùn)用ENVI軟件計(jì)算植被覆蓋度指數(shù)，參照文獻(xiàn)[28-29]并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，對(duì)其進(jìn)行等級(jí)劃分；氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)分級(jí)依據(jù)研究區(qū)實(shí)際劃分；與道路、水體距離的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參照文獻(xiàn)[20]并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際劃分。

表1 生態(tài)源、擴(kuò)張?jiān)醋枇σ蜃臃旨?jí)及權(quán)重Tab.1 Classification and weight of resistance factors of ecological source and expansion source

2.2.3阻力面建立

為了反映生態(tài)源和擴(kuò)張?jiān)催\(yùn)行的空間態(tài)勢(shì)，采用MCR模型建立生態(tài)源地與生活空間擴(kuò)張?jiān)吹剡@兩個(gè)生態(tài)變化過程的最小累積阻力面。MCR模型計(jì)算公式為

CM=f∑DijRi

(1)

式中CM——空間中任一像元中心的最小阻力與其到所有源地的距離關(guān)系函數(shù)

f——未知負(fù)函數(shù)，表示最小累積阻力與其到所有源地的負(fù)相關(guān)關(guān)系

Dij——物種從源地j穿過景觀i到空間某像元的距離

Ri——物種穿越景觀表面i的阻力值

2.2.4累積耗費(fèi)距離模型

累積耗費(fèi)距離模型的計(jì)算原理是以圖論為基礎(chǔ)，通過方程計(jì)算每個(gè)空間單元到源地運(yùn)動(dòng)過程中的最小累積耗費(fèi)距離。采用網(wǎng)格圖解法分析國(guó)土空間類型格局的性質(zhì)，用節(jié)點(diǎn)-鏈接的像元表示法來表示某一代價(jià)表面，像元的中心稱為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)被多條鏈連接，每條鏈表示一定大小的阻力，該阻力與該代價(jià)表面上的各個(gè)像元所代表的耗費(fèi)值和運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)[30]。累積耗費(fèi)距離表達(dá)式為

(2)

(3)

式中Ci——第i個(gè)像元的耗費(fèi)距離

n——像元總數(shù)

Dk1——通過某一代價(jià)表面沿像元水平或垂直方向運(yùn)動(dòng)到源地的累積耗費(fèi)距離

Dk2——通過某一代價(jià)表面沿像元的對(duì)角線方向運(yùn)動(dòng)到源地的累積耗費(fèi)距離

2.3 FLUS模型

FLUS主要用于模擬大尺度乃至全球尺度的未來各種土地利用類型在不同的土地需求情景下的空間分布情況[31]，也是目前較為成熟且被廣泛應(yīng)用的土地利用優(yōu)化配置模型。該模型由基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適宜性概率計(jì)算和基于自適應(yīng)慣性競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的元胞自動(dòng)機(jī)模塊構(gòu)成。前者主要通過對(duì)影響土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因子在空間上的分布進(jìn)行樣本采樣和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，從而得到各用地類型在各柵格上的適宜性概率；后者則基于適宜性概率分布計(jì)算出各柵格在規(guī)定時(shí)間上轉(zhuǎn)化成某種用地類型的總概率，并且在CA迭代時(shí)間內(nèi)將適宜性概率高的用地類型分配到柵格中，最終實(shí)現(xiàn)土地利用布局模擬。FLUS模型模擬實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)及具體設(shè)置情況如表2所示。

表2 FLUS模型模擬實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)及具體設(shè)置情況Tab.2 Relevant parameters and specific settings of simulation experiment of FLUS model

2.4 Markov模型

Markov模型主要用于預(yù)測(cè)國(guó)土空間類型在數(shù)量上的變化情況，具有無后效性和平穩(wěn)性特征[32]。在國(guó)土空間格局變化研究中，將國(guó)土空間類型變化過程視為Markov過程，將某一時(shí)刻的國(guó)土空間類型對(duì)應(yīng)于Markov過程中的可能狀態(tài)，它只與前一時(shí)刻的國(guó)土空間類型相關(guān)，國(guó)土空間類型之間相互轉(zhuǎn)換的面積數(shù)量或比例即為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。本文將滇中城市群生態(tài)安全格局下各生態(tài)功能分區(qū)面積作為目標(biāo)函數(shù)的約束條件；重點(diǎn)考慮群域內(nèi)國(guó)土資源開發(fā)與保護(hù)以及生態(tài)保護(hù)下三生空間的需求，利用Markov模型，分別模擬2030年生活空間擴(kuò)張情景、生產(chǎn)空間開發(fā)情景和生態(tài)空間保護(hù)情景下各國(guó)土空間類型用地需求量。

2.5 MCR-FLUS-Markov模型的優(yōu)化配置原理

運(yùn)用MCR-FLUS-Markov模型進(jìn)行滇中城市群國(guó)土空間格局優(yōu)化配置，其優(yōu)勢(shì)在于集合了MCR模型可以通過生態(tài)過程對(duì)國(guó)土空間景觀單元進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，F(xiàn)LUS模型處理國(guó)土空間復(fù)雜系統(tǒng)在空間上變化的能力和Markov在預(yù)測(cè)未來國(guó)土空間類型數(shù)量上的特點(diǎn)。通過3個(gè)模型的耦合，一方面在空間和數(shù)量上實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)土空間動(dòng)態(tài)演變信息的充分挖掘，另一方面在國(guó)土空間格局優(yōu)化中，使其具有最高生態(tài)安全格局特征。MCR-FLUS-Markov模型的空間分配結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 FLUS模型模擬結(jié)果精度檢驗(yàn)

以2009年滇中城市群國(guó)土空間分布現(xiàn)狀為基期數(shù)據(jù)，模擬2015年國(guó)土空間分布情況，結(jié)果如圖4所示。FLUS模型模擬的2015年研究區(qū)國(guó)土空間格局總體精度為98.07%，Kappa系數(shù)為0.968 4，空間分布模擬效果良好，模型及模擬數(shù)據(jù)可作為優(yōu)化配置研究的基礎(chǔ)。

3.2 滇中城市群生態(tài)安全格局構(gòu)建

3.2.1目標(biāo)源綜合阻力面

(1)生態(tài)源阻力面建立

根據(jù)表1生態(tài)源阻力因子分級(jí)情況，重分類后得到各阻力因子空間分布圖(圖5)，再將各阻力因子空間分布圖進(jìn)行加權(quán)求和后根據(jù)值域分為5個(gè)等級(jí)，得到生態(tài)源綜合阻力因子等級(jí)圖(圖6)。

(2)擴(kuò)張?jiān)醋枇γ娼?/p>

采用上述同樣的方法得到生活空間擴(kuò)張?jiān)醋枇σ蜃拥燃?jí)系列圖(圖7)和綜合阻力因子等級(jí)圖(圖8)。

3.2.2最小累積阻力面計(jì)算

運(yùn)用ArcGIS軟件中的Cost Distance分析功能分別計(jì)算兩個(gè)目標(biāo)源地的最小累積阻力面，記為MCR生態(tài)源和MCR擴(kuò)張?jiān)矗偾蟮蒙鷳B(tài)源與擴(kuò)張?jiān)醋枇γ娴牟钪得?。基于MCR差值與面積曲線進(jìn)行突變檢測(cè)[25]。從圖9中可以看出，柵格數(shù)目隨最小累積阻力差值的增大呈先增后降趨勢(shì)，當(dāng)MCR差值為-23 960.674 1、-6 590.245 8、7 306.096 8和21 202.439 5時(shí)，柵格數(shù)目存在一個(gè)突變過程。將突變點(diǎn)上的阻力值作為細(xì)化分區(qū)的閾值，結(jié)合實(shí)際，建立滇中城市群綜合生態(tài)安全格局下的國(guó)土空間利用優(yōu)化配置分區(qū)，即生態(tài)空間保護(hù)核心區(qū)、生態(tài)空間保護(hù)邊緣區(qū)、生產(chǎn)空間開發(fā)重點(diǎn)區(qū)、生產(chǎn)空間開發(fā)邊緣區(qū)和生活空間擴(kuò)張集中區(qū)。

3.2.3生態(tài)功能優(yōu)化分區(qū)

根據(jù)研究區(qū)綜合生態(tài)安全格局下的國(guó)土空間利用優(yōu)化配置分區(qū)結(jié)果(圖10、表3)，生態(tài)空間保護(hù)核心區(qū)以生態(tài)環(huán)境保護(hù)為主導(dǎo)，禁止開展任何開發(fā)建設(shè)活動(dòng)，這些區(qū)域地勢(shì)較高，森林密布，作為研究區(qū)各類自然保護(hù)區(qū)的核心地帶，中部及東部分布相對(duì)較少；生態(tài)空間保護(hù)邊緣區(qū)應(yīng)該在保護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理開發(fā)利用，該類區(qū)域主要以天然牧草地、灌木林地等組成，屬水源涵養(yǎng)林的生態(tài)過渡區(qū)，也是保障研究區(qū)生態(tài)安全的屏障；生態(tài)空間保護(hù)核心區(qū)和生態(tài)空間開發(fā)邊緣區(qū)均為生態(tài)空間，總體以生態(tài)保護(hù)及恢復(fù)為主，原則上不得用作其他用途。生產(chǎn)空間開發(fā)重點(diǎn)區(qū)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開發(fā)為主，主要以耕地、基本農(nóng)田、園地和高原農(nóng)業(yè)組成；生產(chǎn)空間開發(fā)邊緣區(qū)作為生活空間擴(kuò)張集中區(qū)與生產(chǎn)空間開發(fā)重點(diǎn)區(qū)的過渡帶，主要分布有少量質(zhì)量較差的耕地和一些未利用地，是今后國(guó)土整治、國(guó)土開發(fā)利用的重點(diǎn)區(qū)域，也是工礦生產(chǎn)空間開發(fā)的后備用地，還可適當(dāng)作為生活空間擴(kuò)張用地；生活空間擴(kuò)張集中區(qū)主要包括現(xiàn)已開發(fā)建成的生活空間和重點(diǎn)建設(shè)的縣域及周邊具有擴(kuò)張潛力的區(qū)域，作為今后生活空間集中擴(kuò)張區(qū)域。

3.3 不同情景方案國(guó)土空間格局優(yōu)化配置預(yù)測(cè)

將研究區(qū)生態(tài)安全格局功能分區(qū)作為目標(biāo)函數(shù)約束條件，并根據(jù)3種情景下各空間類型用地需求，利用FLUS模型模擬2030年生活空間擴(kuò)張情景、生產(chǎn)空間開發(fā)情景和生態(tài)空間保護(hù)情景下研究區(qū)“生活-生產(chǎn)-生態(tài)空間”分布情況。生活空間擴(kuò)張情景主要為城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地?cái)U(kuò)張區(qū)域，為滿足人口增加對(duì)生活空間的需求而進(jìn)行生活空間的擴(kuò)張。生產(chǎn)空間開發(fā)情景是以糧食安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展安全為出發(fā)點(diǎn)，為維護(hù)一定數(shù)量的耕地?cái)?shù)量以滿足人類社會(huì)發(fā)展對(duì)糧食的需求，同時(shí)保證其他產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)空間穩(wěn)定，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的完美融合。生態(tài)空間保護(hù)情景是從顧及生態(tài)安全優(yōu)先的國(guó)家戰(zhàn)略角度出發(fā)，重點(diǎn)保護(hù)研究區(qū)天然林地和水域。結(jié)果表明：生活空間擴(kuò)張情景中，生活空間、生產(chǎn)空間、生態(tài)空間的面積分別為4 817.02、30 192.90、76 392.08 km2；生產(chǎn)空間開發(fā)情景中，生活空間、生產(chǎn)空間、生態(tài)空間的面積分別為4 391.49、30 986.63、76 023.89 km2；生態(tài)空間保護(hù)情景中，生活空間、生產(chǎn)空間、生態(tài)空間的面積分別為4 142.69、30 101.86、77 157.45 km2。3種情景下“生活-生產(chǎn)-生態(tài)空間”的分布情況如圖11所示。

3.4 綜合情景方案國(guó)土空間格局預(yù)測(cè)結(jié)果

基于上述3種情景方案下研究區(qū)2030年國(guó)土空間類型優(yōu)化配置結(jié)果，采用ArcGIS軟件中空間疊置功能，對(duì)生活空間擴(kuò)張情景、生產(chǎn)空間開發(fā)情景和生態(tài)空間保護(hù)情景模擬結(jié)果圖在空間上進(jìn)行疊加分析。遵循以下原則進(jìn)行滇中城市群各國(guó)土空間類型在空間布局上的優(yōu)化配置。首先，堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先為前提，保障群域生態(tài)空間面積，將疊加結(jié)果中處于生態(tài)空間內(nèi)部且與生態(tài)空間沖突的區(qū)域以及生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)全部劃為生態(tài)空間；其次，保證區(qū)域生產(chǎn)空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，嚴(yán)守基本農(nóng)田保護(hù)紅線，將壩區(qū)破碎化程度較高的生活空間與基本農(nóng)田保護(hù)紅線區(qū)劃為生產(chǎn)空間；最后，根據(jù)收集的部分市、縣相關(guān)規(guī)劃中的城市開發(fā)邊界以及疊加結(jié)果適度調(diào)整生活空間擴(kuò)張規(guī)模，實(shí)現(xiàn)群域“生活-生產(chǎn)-生態(tài)空間”用地之間的相互協(xié)調(diào)。根據(jù)國(guó)土空間的主導(dǎo)功能及多功能性，分為7大類：生活空間、生產(chǎn)空間、生態(tài)空間、生活-生產(chǎn)空間、生活-生態(tài)空間、生產(chǎn)-生態(tài)空間和生活-生產(chǎn)-生態(tài)空間(圖12)。其中，生活空間面積為3 423.73 km2，生產(chǎn)空間面積為30 393.16 km2，生態(tài)空間面積為77 242.83 km2，生活-生態(tài)空間面積為94.97 km2，生活-生產(chǎn)空間面積為106.25 km2，生產(chǎn)-生態(tài)空間面積為53.64 km2，生活-生產(chǎn)-生態(tài)空間面積為87.42 km2。此外，還看出，基于“生活-生產(chǎn)-生態(tài)空間”協(xié)調(diào)下的2030年研究區(qū)各國(guó)土空間類型的空間分布聚集效應(yīng)顯現(xiàn)。

表3 生態(tài)安全格局功能分區(qū)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Functional zoning statistics of ecological security pattern

(1)生活空間：如圖12所示，主要是研究區(qū)中部、東部、南部及西北部地區(qū)生活空間出現(xiàn)增加。擴(kuò)張布局總體較為緊湊，有集約節(jié)約用地的趨勢(shì)。擴(kuò)張位置主要分布在生產(chǎn)空間周圍。在滿足人類生活居住的情況下，應(yīng)實(shí)施“退房還林”、“退房還湖”，將偏遠(yuǎn)山區(qū)的生活空間轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)空間，同時(shí)在該區(qū)域內(nèi)，應(yīng)在合理的限度內(nèi)進(jìn)行開發(fā)利用，在優(yōu)先保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下，可開展生產(chǎn)開發(fā)活動(dòng)。

(2)生產(chǎn)空間：研究區(qū)東部、中部和南部地區(qū)的生產(chǎn)空間面積減少明顯。嚴(yán)禁研究區(qū)內(nèi)其他用地類型的開發(fā)建設(shè)占用基本農(nóng)田，基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)與城鎮(zhèn)建設(shè)用地之間要有一定的隔離帶。如圖12所示，針對(duì)研究區(qū)西北部、東北部、西南部以及東西部大部分地區(qū)生活空間擴(kuò)張建設(shè)較為粗放的地區(qū)，應(yīng)進(jìn)行集中的綜合整治，降低居住環(huán)境惡劣和交通不便地區(qū)的生活空間規(guī)模，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施等生活條件較差的生活空間進(jìn)行整體搬遷，轉(zhuǎn)為生產(chǎn)空間進(jìn)行開發(fā)利用。同時(shí)開展農(nóng)村居民點(diǎn)用地和建制鎮(zhèn)用地的集約節(jié)約開發(fā)，分區(qū)保護(hù)和綜合治理，通過對(duì)生活空間的整治，實(shí)現(xiàn)耕地總量動(dòng)態(tài)平衡。另外，研究區(qū)特有的地勢(shì)條件造成壩區(qū)耕地資源有限，應(yīng)實(shí)施差別化土地政策，引導(dǎo)生活空間和生產(chǎn)空間向壩區(qū)邊緣適建山地發(fā)展。

(3)生態(tài)空間：研究區(qū)生態(tài)空間略有增加，主要集中在生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)范圍。區(qū)域內(nèi)包括國(guó)家級(jí)和省級(jí)重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、國(guó)家森林公園等部分重要區(qū)域，生態(tài)敏感性較高，是維持研究區(qū)整體生態(tài)安全的重要區(qū)域。故此，應(yīng)嚴(yán)厲禁止對(duì)這些區(qū)域內(nèi)的生態(tài)用地進(jìn)行任何形式的開發(fā)建設(shè)活動(dòng)，且針對(duì)不同保護(hù)區(qū)采取不同的保護(hù)措施進(jìn)行保護(hù)。

(4)生活-生態(tài)空間：主要分布于研究區(qū)東部、中部、西北部、西南部和南部，其余地區(qū)零星分布。該區(qū)域的生態(tài)敏感性處于中間等級(jí)，可用于生態(tài)空間進(jìn)行生態(tài)環(huán)境保護(hù)和重建，根據(jù)《云南省主體功能區(qū)規(guī)劃》的主體功能區(qū)定位要求在優(yōu)先保障生態(tài)空間的基礎(chǔ)上也可以進(jìn)行生活空間擴(kuò)張建設(shè)，同時(shí)在該區(qū)域應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施建設(shè)，科學(xué)合理規(guī)劃各類生活及生態(tài)區(qū)。

(5)生活-生產(chǎn)空間：主要分布在研究區(qū)中部、東部、西南部，西北部有少量分布。該優(yōu)化結(jié)果與滇中城市群規(guī)劃結(jié)果較為一致，昆明市主城區(qū)內(nèi)不適宜發(fā)展勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，應(yīng)布局在外圍的宜良縣、晉寧區(qū)等區(qū)域，重化工向嵩明縣-尋甸-東川的特定區(qū)域轉(zhuǎn)移。曲靖市作為重要新型工業(yè)基地，優(yōu)勢(shì)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源和生產(chǎn)能力也使其在未來農(nóng)業(yè)發(fā)展中將成為滇中農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)；此外，曲靖半小時(shí)經(jīng)濟(jì)圈具備廣闊的城鎮(zhèn)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間。楚雄州作為滇中城市群中相對(duì)弱的一個(gè)州，重點(diǎn)發(fā)展農(nóng)副產(chǎn)品加工和民族文化產(chǎn)業(yè)；蒙自市、建水縣、開遠(yuǎn)市、彌勒市和個(gè)舊市，重點(diǎn)發(fā)展旅游、煙草、新材料、機(jī)械制造與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等。因此，該優(yōu)化區(qū)域內(nèi)可按照各州市規(guī)劃引導(dǎo)，進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品種植和其他產(chǎn)業(yè)開發(fā)，以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展；也可進(jìn)行建設(shè)用地的擴(kuò)張，以滿足人口日益增長(zhǎng)對(duì)生活用地的需求。

(6)生產(chǎn)-生態(tài)空間：主要分布在西北部、東部、南部和西南部，其他地區(qū)零星分布。該區(qū)域應(yīng)優(yōu)先作為生態(tài)空間進(jìn)行保護(hù)，或進(jìn)行生態(tài)-農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)種植，也可進(jìn)行風(fēng)景名勝區(qū)等工礦生產(chǎn)空間的開發(fā)和建設(shè)。譬如，楚雄州應(yīng)大力整合民族文化資源，以文化資源引導(dǎo)旅游業(yè)發(fā)展。玉溪市作為亞洲最大的煙草產(chǎn)業(yè)基地，具有良好的生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中應(yīng)盡可能避免對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，應(yīng)優(yōu)先發(fā)展旅游、教育、高新產(chǎn)業(yè)等綠色環(huán)保型產(chǎn)業(yè)。

(7)生活-生產(chǎn)-生態(tài)空間：主要分布于研究區(qū)西北部、中部、東部，其他地區(qū)零星分布。該區(qū)域國(guó)土空間利用功能最為多樣，應(yīng)重點(diǎn)作為生態(tài)空間進(jìn)行保護(hù)，滿足生態(tài)空間需求后可考慮用于生活空間、基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)設(shè)施等工礦生產(chǎn)空間的開發(fā)建設(shè)，增加居民生活居住及活動(dòng)區(qū)范圍，也可用于生產(chǎn)空間開發(fā)，增加耕地?cái)?shù)量。因此，在優(yōu)先保障生態(tài)空間供給的前提下，適當(dāng)擴(kuò)張大生活空間和完善公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高生產(chǎn)空間效率，推動(dòng)研究區(qū)國(guó)土空間協(xié)調(diào)利用，促進(jìn)生活-生產(chǎn)-生態(tài)空間高效配置與綠色發(fā)展。

4 討論

(1)融入?yún)^(qū)域生態(tài)安全的國(guó)土空間格局優(yōu)化

以往的國(guó)土空間優(yōu)化配置多側(cè)重于數(shù)量結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，較少顧及國(guó)土空間布局優(yōu)化，生態(tài)安全方面考慮更顯不足。國(guó)土資源生態(tài)安全格局對(duì)維護(hù)和控制區(qū)域國(guó)土資源水平生態(tài)過程中有著關(guān)鍵作用[33-34]。本文從“三生空間”視角出發(fā)，運(yùn)用MCR-FLUS-Markov模型，提出一種基于生態(tài)安全格局的國(guó)土空間格局優(yōu)化配置新方法。將維護(hù)生態(tài)區(qū)域安全融入到國(guó)土空間格局優(yōu)化過程中，探究在“生活-生產(chǎn)-生態(tài)空間”協(xié)調(diào)下的滇中城市群國(guó)土空間格局優(yōu)化配置方案。

(2)區(qū)域國(guó)土空間布局綜合優(yōu)化

與現(xiàn)狀相比，滇中城市群國(guó)土空間布局綜合優(yōu)化后2030年生活空間和生產(chǎn)空間的變動(dòng)導(dǎo)致了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益有所下降，但在生態(tài)優(yōu)化過程中，不合理的用地空間類型轉(zhuǎn)為了生態(tài)空間，使得生態(tài)效益提升顯著。此外，優(yōu)化后的空間結(jié)構(gòu)與《滇中城市群規(guī)劃》相比，考慮了生物物理因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)用地空間布局的影響，顧及了用地配置的復(fù)雜性和靈活性，滿足了生活空間擴(kuò)張、生產(chǎn)空間開發(fā)和生態(tài)空間保護(hù)需求，還劃定了綜合功能區(qū)，用地空間布局更具實(shí)用性。

5 結(jié)論

(1)以生態(tài)保護(hù)紅線作為生態(tài)源地，以城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點(diǎn)用地作為生活空間擴(kuò)張?jiān)矗x取9個(gè)阻力因子、采用MCR模型和累積耗費(fèi)距離模型構(gòu)建滇中城市群生態(tài)安全格局，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行了綜合生態(tài)安全格局下的生態(tài)功能優(yōu)化分區(qū)：生態(tài)空間保護(hù)核心區(qū)、生態(tài)空間保護(hù)邊緣區(qū)、生產(chǎn)空間開發(fā)重點(diǎn)區(qū)、生產(chǎn)空間開發(fā)邊緣區(qū)和生活空間擴(kuò)張集中區(qū)，其中生態(tài)空間保護(hù)核心區(qū)面積最大，生活空間擴(kuò)張集中區(qū)面積最小。

(2)通過MCR-FLUS-Markov模型得到滇中城市群2030年3種情景下國(guó)土空間格局優(yōu)化預(yù)測(cè)結(jié)果。在3種情景下“生活-生產(chǎn)-生態(tài)空間”的面積和空間分布均存在較大差異。在生活空間擴(kuò)張情景下，生活空間擴(kuò)張主要分布在城市群中部、東部和南部地區(qū)，邊遠(yuǎn)地區(qū)的生活空間轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)空間，隨著城鄉(xiāng)一體化建設(shè)的加速，生活空間明顯增加，并愈加趨向集約、節(jié)約利用，分布也愈加集中化；在生產(chǎn)空間開發(fā)情景下，生活空間擴(kuò)張規(guī)模得到控制，在一定程度上也控制了生產(chǎn)空間規(guī)模的減少，邊遠(yuǎn)山區(qū)、交通設(shè)施落后區(qū)和居民點(diǎn)分散區(qū)的生活空間轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)空間和生態(tài)空間，但仍需大力提高閑置地的開發(fā)潛力，適當(dāng)減小環(huán)境惡劣地區(qū)、交通不便地區(qū)和居民點(diǎn)破碎化程度較高的區(qū)域生活空間面積，對(duì)不適宜居住的區(qū)域應(yīng)整體搬遷，并壓縮村莊規(guī)模，將這些生活空間用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，進(jìn)行開發(fā)利用；在生態(tài)空間保護(hù)情景下，生產(chǎn)空間面積少量減小、生活空間面積少量增加，城市群西北部、東北部、東部的生產(chǎn)空間轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)空間，西北部的生態(tài)空間轉(zhuǎn)變?yōu)樯羁臻g和生產(chǎn)空間，而在居民集中度較高的地區(qū)，在原生活空間的基礎(chǔ)上生活空間向周圍擴(kuò)張。今后應(yīng)繼續(xù)大力植樹造林，對(duì)重要水源進(jìn)行保護(hù)，對(duì)現(xiàn)有生活空間、生產(chǎn)空間進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化，以提高國(guó)土資源利用率。

(3)對(duì)滇中城市群3種情景空間進(jìn)行綜合疊加分析，堅(jiān)持以生態(tài)優(yōu)先為前提，保證城市群生產(chǎn)空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，嚴(yán)守基本農(nóng)田保護(hù)紅線，并結(jié)合各州市的城市開發(fā)邊界對(duì)沖突區(qū)域進(jìn)行修正，得到“生活-生產(chǎn)-生態(tài)空間”協(xié)調(diào)下的2030年滇中城市群國(guó)土空間格局優(yōu)化布局方案。根據(jù)國(guó)土空間的主導(dǎo)功能及多功能性，將城市群分為7種空間類型：生活空間、生產(chǎn)空間、生態(tài)空間、生活-生產(chǎn)空間、生活-生態(tài)空間、生產(chǎn)-生態(tài)空間和生活-生產(chǎn)-生態(tài)空間，各類空間面積存在較大差異，其中以生產(chǎn)-生態(tài)空間面積最小，生態(tài)空間面積最大。根據(jù)優(yōu)化配置結(jié)果，結(jié)合城市群內(nèi)各縣域發(fā)展特點(diǎn)，指出各空間類型的生產(chǎn)、生活開發(fā)和生態(tài)保護(hù)建設(shè)的重點(diǎn)及方向，并提出了相關(guān)建議措施。

(4)本文設(shè)定的情景模擬側(cè)重點(diǎn)不同，基于“生活-生產(chǎn)-生態(tài)空間”協(xié)調(diào)的綜合情景不僅考慮了生活空間擴(kuò)張、生產(chǎn)空間開發(fā)和生態(tài)空間保護(hù)的需求，而且還劃定了綜合功能區(qū)，因此綜合情景方案更為合理，其他3種情景方案可為綜合情景方案的實(shí)施進(jìn)行補(bǔ)充和調(diào)整。