川西地区县域城镇土地利用演变下的生态优化策略研究*—— 以四川省绵竹市为例

付 飞 刘雯雯 方 翰 FU Fei, LIU Wenwen, FANG Han

1 研究背景

构建“多规合一”的国土空间规划体系，是保障自然资源和生态环境对经济社会发展需求的必然过程，是实现可持续发展的重大战略[1]。习近平总书记指出，要形成国土空间开发保护“一张图”，建立起以国土空间规划为基础，以统一用途管制为手段的国土空间保护开发制度①。近年来，在国家政策层面上，中共中央国务院对于国土空间规划体系的构建与完善，开展了层层工作部署（图1）。我国诸多专家学者对于“多规合一”的国土空间规划体系在理论与实践上也进行了大量探索。在理论方面，林坚等从生态文明建设角度探索新时期的空间规划结构[2]；何冬华等从生态空间规划入手对国土空间的管制内容进行探讨[3]；李如海梳理了“规划—衔接—体系”框架下的“多规合一”国土空间规划逻辑关系和概念范畴[4]；党安荣等人提出了人居环境科学理论下具有中国特色的国土空间规划理论框架与技术路线[3]；国土空间规划理论基础研究仍在不断开拓与发展中，尚未达成统一共识。实践上，袁勇[6]、张晓云[7]、何子张[8]、陈涛[9]等分别探索了淮南市、沈阳市、厦门、湖北远安县的“多规合一”到空间规划的思路与策略。

图1 国土空间规划体系构建国家部署Fig.1 national deployment of land and space planning system construction

基于“多规合一”的国土空间规划担负着保障发展和保护资源的双重使命，是调节经济社会发展与资源生态环境保护的有效手段。承载力概念、理论和技术方法的研究，在我国“多规合一”的国土空间规划体系构建中发挥着重大作用，资源环境承载力评价与国土空间开发适宜性评价（简称“双评价”）作为“多规合一”的国土空间规划的承载力评价中重要技术体系，分别面向土地生产力和支撑经济社会发展的潜力与阻力[10]，是优化国土空间开发格局、合理布局建设空间的依据[11]。资源环境承载力评价源于生态学，逐渐演变为人类生产生活活动与资源环境系统间协调程度的量化表达，包含了对土地、能源、水资源、生态等承载力水平的综合评价。国土空间适宜性评价源于土地开发适宜性，是从土地出发对区域土地资源开发建设质量的综合评定[12]。本文以生态为导向，通过对区域资源禀赋、自然生态环境及社会经济发展状况的生态承载力测算，进行可持续发展水平的定性定量评价；以土地结构演变为基础，运用生态适宜性评价及CA-Markov模拟模型，探索土地开发的各适宜性与限制性因子在具体单元空间的落实，从时间和空间上探索土地利用演变和人地关系矛盾，并识别出国土空间开发可能面临的生态—土地问题，以期为规划决策者提供参考。

1 基于生态—土地利用的综合评价方法

1.1 研究对象

绵竹市位于四川省德阳市西北部，地处103°54′E-104°20′E，31°09′N-31°42′N之间，四川盆地西北部与龙门山脉交界，地势由西北向东南倾斜，东南部为平原，西北部为山地（图2）。2014年8月，绵竹市成为国家“多规合一”试点城市之一。2015年，绵竹市“多规合一”规划基础数据平台和规划体系顶层设计研究的工作，通过了国家发展改革委、环境保护部的评审。绵竹市“多规合一”空间底图，以主体功能定位为方向，立足资源环境承载力和发展潜力，包含了空间资源底图的“辨识”和空间发展格局的“划分”两个部分，具有全局静态呈现与局部动态演化的两大特征[13]。

图2 绵竹市地理区位及范围图Fig.2 geographical location and scope map of Mianzhu City

1.2 研究数据来源及处理

研究数据分为遥感影像数据、土地利用矢量数据、统计年鉴数据及其他规划资料。绵竹市2018年的遥感影像数据来源于landsat8卫星，DEM数字高程数据分别来源于GDEMV2，分辨率均为30 m，利用ENVI和ArcGIS软件对卫星影像数据进行投影转换、裁剪、提取等处理，获得出绵竹市归一化植被覆盖（NDVI）、高程、坡度、起伏度数据。土地利用矢量数据来源于绵竹市国土规划部门，减小了传统的目视解译和非监督分类提取土地利用数据带来的误差。投影坐标系均转换为WGS_1984_UTM_Zone_48N，分辨率统一为30 m。通过德阳市统计局官方网站②获取绵竹市统计年鉴数据，应用于生态足迹与生态承载力的相关计算分析中；绵竹市政府相关部门提供了绵竹市行政区划图、市域交通体系图、村镇体系现状图、地质灾害等级区位图等基础资料，应用GIS软件获取其道路、建成区、村镇中心及其他因子数据参与到适宜性评价与模拟预测研究中。

1.3 评价方法与模型构建

1.3.1生态承载力评价

在国土空间规划体系构建中，生态承载力评价是承载力评价技术体系的重要依据之一，是在一定资源环境条件下，区域内自然资源及生态环境所能为人类生产生活提供的最大支持程度。通过生态承载力的定量化动态分析，研究社会经济发展对生态环境的“压力”，进行发展方式上定量优化，实现城市与资源环境的协调发展。其公式为：

式中：EC为生态承载力；ec为人均生态承载力；aj为人均实际占有的j类生态生产性土地面积；ri为均衡因子；yj为产量因子。

生态足迹是将各类资源和能源消费项目折算为耕地、林地、草地、化石燃料用地、建设用地、水域6类生态生产性的土地面积进行统一汇总的评价分析[14]，其公式为：

式中：EF为生态足迹（hm2cap），N为区域内总人口数量，aai为人均生态足迹（hm2/cap），为第i种消费的人均生态足迹；ci为第i种消费项目的年人均消费量；pi为第i种消费项目的世界平均产量；ri表示均衡因子。

生态盈亏是用来衡量社会可持续发展状况。生态盈亏的动态对比，是对区域内资源的开发利用情况进行研究，同时分析出一定时间段内不同类型土地的开发利用情况对区域内经济、社会和生态协调发展的影响。公式为：

式中：ED为生态盈亏。当ED>0时，为生态盈余；当ED<0时，为生态赤字。

1.3.2城镇用地开发适宜性评价

面向支撑经济社会发展阻力与潜力的承载力评价之一的城镇用地开发适宜性评价，以生态学原理与方法为指导，研究区域内土地和生态的稳定性与敏感性，从而为城镇规划建设布局提供方向与建议，是对“多规合一”的国土空间规划体系的前期探索与指导[15]。现今有大量学者针对不同研究区域，结合生态环境、社会经济等多方面因素探讨了生态保护、土地整治或建设发展等方向适宜性层级（徐文辉[16]；谭少军[17]；苟刚[18]）。阻力—潜力模型是进行适宜性评价的重要模型，该模型从多方面考虑资源、环境、社会等影响，使评价变得更为合理[]。其公式为：

式中：PRI为适宜性指数；PI为潜力指数；RI为开发阻力指数；Wip和Wir分别为潜力因子和阻力因子的权重；xip和xir分别为潜力因子变量值和阻力因子变量值。

基于此模型，构建阻力—潜力城镇土地开发适宜性评价指标体系。阻力因子选取高程、坡度、起伏度、水域、归一化植被指数（NDVI）、地质灾害6类；潜力因子选择城镇建成区、各级交通道路、中心城区、村镇中心。针对各评价因子，本文采用特尔非法与层次分析法，确定其权重（表1）。

表1 阻力—潜力城镇开发适宜性评价指标体系Tab.1 evaluation index system of resistance potential town development suitability

1.3.3城镇用地演变预测的CA-Markov模型构建

在“多规合一”的平台下，对城镇用地空间未来动态演变规律的模拟探索，可帮助城市规划管理者分析土地利用的时空变化特征及其影响，为构建新型“多规合一”的国土空间规划体系提供科学依据[1]。CAMarkov模型对于城镇土地利用空间演变过程有良好的模拟效果[2]，其构建核心思路是基于土地利用空间演化的时间规律，从数量和空间上预测今后土地利用格局的改变。目前，国内外众多学者应用CA-Markov模型在区域土地利用未来格局演变上进行了模拟研究，阿拉亚（Araya）、炊雯、伦达纳·穆罕默德（Rendana Muhammad）、埃特马迪·哈纳（Etemadi Hana）等人应用CA-Markov模型分别对葡萄牙塞图巴尔和塞辛布拉、西安长安区、马来西亚金马仑高原、伊朗沿海红树林的土地利用演变进行了模拟预测。以绵竹市2008年和2018年的土地利用矢量数据为基础，耦合绵竹市国土空间规划体系承载力评价中的城镇建设用地开发适宜性评价，构建CA-Markov模拟预测模型，以此进行绵竹市未来城镇建设用地分布格局的模拟预测（图3）。

图3 CA-Markov模型构建技术路线图Fig.3 CA-Markov model technology road map

2 基于生态—土地利用的综合评价分析

2.1 绵竹市生态承载力评价

运用公式（1）（2）（3），将绵竹市2008—2019年的6类生态生产性土地面积汇总，进行量化评价分析，得出2008—2019年绵竹市人均生态足迹、人均生态承载力以及人均生态赤字的动态变化情况，如图4—6。由此可知，绵竹市的人均生态足迹在2008—2019年呈明显的波动增长；在2008—2010年逐步上升，2010年达到2.2147hm2/人，2011—2016年变化相对平缓，但在2016年达到研究期内的最高峰2.3032hm2/人，2017—2019年持续下降。2008—2019年的人均生态承载力变化表现出波动上升趋势，且在2008—2009年和2013—2014年的增长变化异常显著（生态效应增强），2010—2012年和2014—2019年呈现波动平缓的增长。研究期内的生态赤字分析可以看出，2008—2010年的赤字情况加剧，2011—2015年处于波动变化中，2016年达到研究期间的低谷，2017—2019年，赤字情况有所改善。综合2008—2019年，绵竹市人均生态承载力增长幅度小于人均生态足迹的增长幅度，人均生态足迹仍然大于人均生态承载力，其生态赤字状况有所趋缓，分析评价将有利于面向碳中和的市域生态路径的探索。

图4 绵竹市2008—2019年人均生态足迹Fig.4 per capita ecological footprint of Mianzhu City from 2008 to 2019

分析三者波动变化的原因是：“5·12”汶川特大地震对绵竹市的生态环境造成一定程度的破坏，导致2008—2010年的人均生态足迹与人均生态承载力的变化出现较大波动；而2010年后在国家、政府和各地的帮助下，绵竹市的社会经济和生态环境有了恢复和改善，且推动传统产业转型升级、加强生态文明建设工作也取得一定成效，使得绵竹市人均生态足迹和人均生态承载力的变化趋于缓和。

图5 绵竹市2008—2019年人均生态承载力Fig.5 per capita ecological carrying capacity of Mianzhu City from 2008 to 2019

图6 绵竹市2008—2019年生态赤字情况Fig.6 ecological deficit of Mianzhu City from 2008 to 2019

2.2 绵竹市城镇土地适宜性评价

2.2.1城镇土地利用阻力评价

利用GIS对各阻力因子进行欧式距离分析获得各分级图层，并通过叠加计算得到绵竹市城镇土地开发5级阻力综合评价图（图7）和各阻力级别的面积（表2）。结合表2和图7可知，5级和4级高阻力区占比27.1%和22.3%，主要在绵竹市北部山地，为国家级自然保护区和森林公园，是重要的自然生态资源聚集地，地势起伏较大、坡度较陡，生态环境十分敏感，对于城镇建设的阻力极大。3级中阻力区占比7.5%，主要在山地丘陵与平原的过渡地带，以及绵远河河谷地带，这部分地区对于建设开发活动较为敏感，必须将保护与适度开发相结合。2级和1级低阻力区分别占比16%和27.1%，主要在绵竹市南部的平原地区，集中于建成区及各类基础设施用地，生态敏感性较低，能够承受一定程度的建设开发活动。

图7 各阻力因子分级和综合阻力等级图Fig. 7 resistance factor classification and comprehensive ecological sensitivity level

表2 城镇土地利用阻力评价分级结果Tab. 3 grading results of urban land use resistance evaluation

2.2.2城镇土地利用潜力评价

利用GIS对城镇土地开发各潜力因子进行欧式距离分析，获得各分级图层，再运用叠加计算形成绵竹市土地利用5级潜力综合评价图（图8），及分级潜力面积统计结果（表3）。由此可知，5级和4级高潜力区主要集中在绵竹市中心城区以及省道两侧，占比较小，5级高潜力区占比2.2%，4级高区为3.4%；3级与2级区主要在城乡郊野地带和县道两侧，两个所占比重之和为18.7%；在绵竹市的北部山区部分，建设1级低潜力区占比极大，为75.6%。从绵竹市的城镇空间增长综合潜力可看出，其城镇发展主要集中在东南部的平原地区，西北部山区的发展潜力则较小或微弱。

表3 城镇土地利用潜力评价分级结果Tab.2 grading results of urban land use potential evaluation

图8 各潜力因子分级和综合增长潜力等级图Fig.8 potential factor classification and comprehensive growth potential

2.2.3城镇土地综合适宜性评价

在综合潜力与阻力评价的基础上，应用公式（4），划定绵竹市城镇用地开发的5级适宜性区，即最不适宜区、高度不适宜区、中度不适宜区、低度不适宜区和适宜区（图9，表4），由此可得：绵竹市城镇发展的土地利用适宜区域面积仅为53.23km2，占比仅为3.98%，集中于中心城区及周边的乡镇；轻度和中度不适宜区的面积分别124.13 km2和274.27 km2，占比为9.27%、20.49%，分布于中心城区周边、南部、主要交通道路沿线；高度不适宜区面积为279.06 km2，主要在山地与平原的交界过渡地带，及平原边缘地区和清平镇镇区；最不适宜区面积最大，为607.73 km2，占比45.41%，主要在绵竹市西北部山地地区。

表4 生态适宜性评价统计结果Tab.4 statistical results of ecological suitability evaluation

图9 城镇开发用地适宜性评价结果Fig.9 ecological suitability evaluation results

绵竹市的土地利用开发适宜性呈现由东南向西北、平原向山地、中心城区向周边的适宜到不适宜的过渡。受东南低西北高的地形影响，海拔低、地势平坦的平原地区利于城镇的开发建设与向外拓展，且交通便利，有一定的建设基础；西北部山区地形起伏高差变化较大，土壤肥力低，交通不便，且位于地质断裂带上，自然灾害频发，生态脆弱性强，城镇建设阻力大。

2.3 基于CA-Markov模型的城镇用地演变模拟

耦合绵竹市的城镇开发用地适宜性评价，基于CA-Markov模型的绵竹市城镇建设用地2008—2018年现状图和2028年、2038年演变预测（如表5，图10），城镇建设用地比重分别为11.17%、11.88%、12.25%、12.60%。建设用地增长主要在平原地区，西北部山区变化较小，集中在中心城区和周边，以及城区南部和西北部增长明显；其次为国道与县道两侧、各村镇中心；在高速公路两侧的未见有明显的增长，由此推测绵竹市今后城镇建设用地发展方向为中心城区及南部区域。根据绵竹市“十三五规划”中的城镇发展布局规划和工业发展布局的规划要求，经济开发区规划主要在市中心城区南部，这必然导致建设用地面积的增加，建设用地规模也因此扩大并向南边发展，这与CA-Markov模型下的预测结果较一致，说明了预测结果是具有一定的准确性。县域城市的无限发展，城镇规模的不断扩大，促使土地资源的集约开发、高效利用，成为当今时代迫切紧急的任务。

表5 绵竹市城镇建设用地演变及模拟预测Tab.5 evolution and simulation prediction of urban construction land in Mianzhu City

图10 绵竹市2008—2018年建设用地现状图和2028—2038年建设用地模拟图Fig.10 present situation map of construction land in 2008—2018 and simulation map of construction land in 2028—2038 in Mianzhu City

3 生态导向下的县域城镇土地利用优化策略

3.1 针对绵竹市生态赤字情况的生态优化策略

生态足迹法反映人类生产生活活动对于资源的占有状况，生态承载力反映了自然资源环境对于城镇建设发展的支持力度及供给水平，生态赤字水平反映了自然资源环境与城镇建设发展的协调可持续关系，三者作为国土空间规划的承载力评价技术体系中的重要方法，为构建科学合理的国土空间规划体系提供了重要支持。基于前文中对于绵竹市生态承载力的评价分析，针对绵竹市生态赤字严峻的情况，应在绵竹市“多规合一”规划信息平台下，以生态为导向，以土地利用规划为基础，合理增加生态足迹，保障经济稳定增长，同时增强环境质量的建设以提高生态承载力，加快推进城镇环保基础设施建设，加大综合整治力度，缓解生态赤字状态，为绵竹市经济社会长远发展提供足够环境支持力。

绵竹市是中国四大磷矿基地之一，轻重工业发达，针对绵竹市2008—2019年的人均生态足迹与人均生态承载均处于波动上升状态，应继续加强节能减排实施力度，实行低碳策略，发展循环经济，严格控制传统高污高耗产业，减少化石燃料的消耗；绵竹市平原地区耕地面积广阔，山地地区林地广阔茂密，河流水系发达，提高生态承载力，绵竹市必须实行最严格的耕地、林地、草地保护制度，维持生态用地的生态功能，避免因人为活动而造成大面积的耕地资源、森林资源、其他生物资源以及生物栖息地等的丧失，将水域整治和生态绿地、湿地建设与基础建设管理联系为一体，自然修复与人工治理相结合，减少各土地组分之间的隔断，使其自然顺利地过渡，推进城镇全方位、全领域生态建设。

3.2 针对城镇土地综合适宜性评价的生态优化策略

第一，基于2.2节的城镇土地适宜性评价结果，在潜力与阻力因子共同作用下的绵竹市县域城镇建设用地扩展的适宜程度得到体现，结合区域内的生态承载力评价分析，应对城镇空间进行科学规划布局，协调好城镇发展与生态保护之间的矛盾，促进可再生和不可再生资源得到合理开发与利用，避免盲目开发而导致的环境破坏，增强区域社会经济与自然资源环境的可持续发展水平。

第二，根据2.2.3节中的综合适宜性评价结果，在巩固生态本底的基础上构建具有良好适宜性的城镇发展格局。将适宜性高和较高的平原区域划定为适宜建设区，主要为经济建设和社会生产服务，在“多规合一”空间规划信息平台下，坚持科学规划、合理建设、节约用地、集约发展，通过产业集聚实现中心城区、各镇中心、各工业园区的建设用地组团式发展，在有限的土地上实现高效经济利用；中度和平原部分的高度不适宜区划定为农业生产空间，该区域农田面积广阔，水域及林地散布，该区同时作为适宜区和最不适宜区的缓冲带，应兼顾经济社会效益与生态效益，保障和维护好该区域生态系统服务功能的正常发挥，以及其生态过程和自然演替，实行适度点状建设开发，控制和减少人类生产生活活动对核心生态用地的干扰与破坏；在最不适宜和山地区域的高度不适宜区划定为生态保护区和国家大熊猫公园德阳片区范围，该分区主要在地形复杂的九顶山自然保护区内，是重要的生物栖息地及生态涵养地，以生态林地为基底，构成绵竹市生态保护与生态建设要求最高的生态安全格局，采取严格控制与重点保护相结合的手段，禁止一切大型建设开发活动，以构建人类开发建设活动不可逾越的底线。

3.3 针对城镇用地演变模拟预测的优化策略

第一，基于2.3节中城镇用地未来布局演变结果，绵竹市东南部平原地区是建设用地未来扩展的主要区域，且由中心城区向外辐射、向南扩张趋势明显。对于城镇用地发展规律的探寻与认识，可以有效地对绵竹市生态环境保护规划、生态建设规划、土地利用规划、城乡建设规划、旅游发展规划等“多规合一”的国土空间规划体系构建实践提供支撑，为科学安排、合理规划城镇用地和生态用地空间格局，避免城镇建设的无序扩张，为生态用地留有余地，以建立科学合理的城镇空间发展格局，创建新型县域城镇空间格局。

第二，“多规合一”平台构建的重要意义也在于土地利用的空间规划与空间事权协同，各项目、规划、管理在同一底图平台上。CA-Markov模型应用下的城镇用地模拟和“多规合一”平台的建立，都是为高效地提高国土空间规划和管理的科学性和协同性，实现土地利用空间优化布局与经济社会发展有机融合，将为未来城镇空间建设规划指明方向；同时运用先进的遥感监测技术，加强对土地用途的动态管控力度，加强对林地、草地、耕地等生态用地的保护，打造以全域生态为本底的国土空间规划体系。

4 结语

在“多规合一”国土空间规划体系的大背景下，坚持生态优先原则，以土地利用演变为基础，通过对绵竹市面向土地生产力的生态承载力评价，面向县域城镇社会经济发展支撑阻力与潜力的城镇土地适宜性评价，以及城镇用地演变模拟预测的探索分析，对于县域城镇“多规合一”的国土空间规划体系构建，建设和优化空间布局具有重要研究价值，有利于绵竹市今后以生态为基础导向的城镇发展规模确定、城镇发展方向和策略、国土空间发展时序确定以及城市土地利用空间管制的确定等。在今后的研究中，应对国土空间规划体系中的承载力评价及多模型耦合的模拟预测等研究进行更深入探讨，为县域城镇“多规合一”的国土空间规划体系构建、面向碳中和的市域生态路径构建等提供更科学、更系统和更完善的研究方法，为规划决策者提供样本与参考。

（特别感谢绵竹市石磊副市长、自然资源和规划局程俊杰副局长、绵竹市目标办刘开业主任、清平镇张伟书记等政府领导和工作人员对本论文数据收集、分析和研究的支持。）

注释：

① 四川省国土空间规划2020—2035年（草案）公示版

② 德阳市统计局官方网站：http://fj.tjj.deyang.gov.cn:81/list/145/d/1/subsite/1.html