基于生态位适宜度的山东省国土空间功能分区研究

任付月，王 萍

（曲阜师范大学地理与旅游学院，山东 日照276800）

现阶段，我国人口—资源—环境压力不断加剧，迫切需要通过国土规划指导国土空间实现可持续开发。中央提出应坚持实施主体功能区战略，推动区域协调发展，构建高质量发展的国土空间布局和支撑体系，优化国土空间分区成为亟须解决的重要问题。国土空间分区是制定和实施社会经济发展战略的基础，然而，单纯的对自然或某一部门进行的区域划分，已经无法适应新形势下社会经济可持续发展的要求，这就迫切需要在自然生态要素与经济社会要素统一协调的基础上进行综合分区[1-2]。国外关于国土分区的研究开始较早，如Fulong Wu等将社区和开发者行为的微观经济模型嵌入一个元胞自动机框架中，运用GIS技术构建自然土地利用分区模型[3-4]；可持续视角下美国芝加哥地区利用土地利用功能分区解决土地混合利用问题[5]。国内以黄秉维为代表在20世纪初开始对国土空间分区进行开创性研究[6]，随后国内愈来愈多的学者开始从自然、社会及经济等不同角度对土地利用功能分区进行研究。区划研究经历了由单一化向综合化、由关注自然属性为主到自然和人文属性相结合、由专家集成的定性为主向定性和定量相结合并注重“3S”应用的方向发展[7]。但以往的土地利用功能分区研究主要集中在定性与定量相结合的方法上[3，5]，区划指标选取多偏重于农业土地利用及自然条件对土地利用的影响, 而非农用地指标体现不足[7]，没有充分考虑土地利用的社会功能、经济功能和生态功能，进行适宜性评价后再分区[3]，将分区目标向可持续发展方向转移的研究较少[8]。生态位理论作为生态学最重要的基础理论之一，引入国土空间功能分区研究中，对实现国土空间生态优化设计、自然资源的持续利用具有重要意义。

生态位主要表示某一生态单元所具有的功能及作用，最早由Grinell J提出[9]，早期仅被应用于生物种群的研究[10-11]；之后学者对其深化与扩展，把生态位理论扩展到自然—经济—社会复合生态系统中。刘建国提出生态元和生态位概念，为生态位理论在资源利用、评价和生态保护等方面的应用提供了理论基础[12-13]。于开宁等在对地下水开采潜力进行评价时，认为其空间分布、动态变化除受经济社会影响外，与自身调节同样有关，与生态位理论相吻合[14]。近年来生态位理论广泛应用于土地利用分区与评价领域，将某一土地利用类型看作生态元，计算其生态位，能够反映出某种土地利用方式在土地利用中的地位[15]，也可反映此种土地利用方式在经济社会发展中的地位[16-17]。念沛豪等赋予生态位理论在功能方面的新内涵，构建基于生态位理论的功能评价模型，与省内现行主体功能区划、生态功能区划等相关区划进行衔接，从而对土地利用功能进行评价与调控[2]。蒙莉娜等从生态角度出发，对土地利用功能分区进行定量研究，提出了土地利用生态位的概念，并以土地利用生态位适宜度评价结果为表征量，借助GIS对土地利用功能进行分区[18]。该理论在进行土地利用分区研究中，除了考虑经济社会因素，还注重对生态环境的影响，研究尺度适宜于省域、市域、县域、村域等大、中、小尺度[3，18]。

本文以生态位理论为基础，依据生态位适宜度模型构建指标体系，对山东省各区县国土空间利用现状进行适宜性评价和功能分区，优化国土空间布局。这对于严格保护耕地，规范国土资源开发利用，加强土地用途管制均具有十分重要的意义，也为正在开展的国土空间规划工作提供参考支撑。

1 研究区概况

山东省位于我国华东地区，辖16个地级市，55个市辖区、26个县级市、53个县，合计134个县级行政区。省内土地资源总量丰富，土地总面积为15.79万km2，其中农用地面积为11.45万km2，建设用地面积2.91万km2。东部沿海，中部山地突出，地形以山地丘陵为主，人均土地资源少，耕地存量不足，土地利用与保护形势严峻。东、中、西部发展差异大，东部经济发达、发展快，西部经济落后、发展慢。经济快速增长与不协调发展、人口膨胀给社会带来了较大负荷，对未来可持续绿色发展造成影响。

2 研究方法与数据处理

2.1 生态位适宜度模型

本文借鉴欧维新等对生态位“态”与“势”进行计算的方法[3]，通过各功能因子的现实生态位与其最适宜生态位之间的贴近度计算生态位的“态”：

式中，Si代表某种评价单元中第i个评价因子生态位的“态”，xi1为评价因子的现实值，x0为评价因子的理想值，本文选择各类指标值标准化后的最大值为理想值。

将现实生态位对最适宜生态位的趋适作用强度定义为生态位的“势”[18]：

式中Pi代表某种评价单元中第i个评价因子生态位的“势”，n为评价单元个数。

在计算各个评价因子的生态位时，综合考虑“态”与“势”的变化，采用的方法为生态位适宜度模型法：

式中，Ni表示某种土地利用生态位的值，当所求生态位的值为数量生态位时，Si代表某种评价单元中第i个评价因子生态位的“态”，即第i类土地利用类型的数量，Pi代表某种评价单元中第i个评价因子生态位的“势”，即第i类土地利用类型中样本因子生态位值与理想因子生态位值的差；而当所求生态位值为经济生态位时，Si代表第i类土地利用类型产生的经济效益，Pi表示第i类土地利用类型中样本因子对理想因子的趋适作用强度；A为转换系数。

根据生态位理论，生态位值与1越接近，其生态位就越处于理想地位，属于广生态位，这类生态位竞争性强，具有较高的发展能力；相反，如果生态位值越偏离于1，即与1的差值越大，所表示的生态位就越小，竞争性弱，发展动力不高，需要采取合理措施优化或者开拓新的生态位。利用上述公式计算出不同土地利用类型生态位值的大小，可以为区域结构优化提供更加合理的依据。

2.2 数据来源

本次实验所涉及的耕地面积、林地面积、建设用地面积、农业机械总动力、农业产值、牧业产值、工业产值、GDP、粮食产量等数据来源于《中国县域统计年鉴》、各地级市2018年统计年鉴；城镇人口、进出口额等数据来源于各县区2018年国民经济和社会发展统计公报。德州市农业产值和牧草业产值缺失由相邻年份求均值计算得出。由于2018年份耕地面积与建设用地面积数据缺失较多且无其他获取方式，因此本文将获取到的2009—2015年数据利用线性回归函数取近似值。

2.3 数据处理

2.3.1 构建指标体系

本文在总结以往功能分类、评价，以及分区研究成果的基础上[5，17]，结合山东省自然资源与经济社会发展实际，构建体现山东省不同区域发展目标的指标体系（表1）。首先，山东省农业资源丰富，为保障粮食生产安全，优先考虑农业发展适宜度，从耕地数量、农业产值、农业消耗方面选取了5个评价指标；《山东省土地利用总体规划（2006—2020年）》（以下称《规划》）中将“推进城市化发展战略，提升区域竞争力”作为加强区域经济的战略选择。因此本研究将城镇发展作为研究国土空间适宜度的指标层，并选取建设用地数量、城镇人口密度方面的4个评价指标；“加强生态环境保护，建设绿色山东”作为山东省未来15～20年的发展战略，贯彻以自然生态系统的建设与保护为重点，注重生态效益和经济效益有机结合的生态理念。本文设置生态环境保护指标层，主要选取林地数量、绿化用地数量方面的3个评价指标；转变经济增长方式、促进产业经济协调发展，山东省新旧动能转换重大工程全面开展，分别构建产业发展指标层与外贸发展指标层，选取工业产值、进出口数额方面共4个评价指标。

表1 国土空间功能分区的生态位适宜度评价因子体系

2.3.2 计算权重

本研究采用熵值法计算各个指标的权重。由于所选的各个指标单位不一致，首先按照正向指标公式（4）、负向指标公式（5）进行标准化处理，构建标准化矩阵。

式中，x 'ij为第j项指标下第i个因子的标准化值，maxxj、minxj为指标原始值的最大值与最小值。

然后，计算各个指标的权重。

式中，k为常数，ej为第j项指标的信息熵，pij为第j项指标下第i个因子占该指标的比重，uij表示第j项指标下第i个因子的权重值。

计算得出各个指标因子的权重如表2所示。

表2 各个指标因子权重

2.3.3 划分国土空间功能分区

根据生态位适宜度模型，计算各县域不同发展方向下的生态位适宜度数值（SA）；利用ArcGIS软件对各县域的生态位适宜度进行赋值，采用等间距法划分4个适宜度等级，依次为最适宜[0.75～1]、较适宜 [0.50～0.75)、较不适宜 [0.25～0.50)、不适宜[0～0.25)（表3）。

表3 基于生态位理论的国土空间功能分区规则

3 结果与分析

3.1 生态位适宜度空间差异分析

全省以县域为评价单元的生态位适宜度空间分布情况如下。

（1）多数区县农业发展适宜度较高，等级最适宜与较适宜的区县相对集中。平度（0.9381）、滕州（0.9140）、乐陵（0.9212）、寿光（0.8874），说明县域农业发展动力强，具有较高的农业发展竞争性，这与县域内农用地比重较高，粮食产量与农牧业产值较高密切相关。

（2）城镇发展适宜度高值区大多分布于东部沿海及内陆经济较发达区县，较适宜地区大多围绕最适宜地区分布。如奎文、芝罘、城阳等地，区县内建设用地所占比重较高，城镇化水平超前于等级低的区县，在生态竞争中具有较强的竞争力；不适宜城镇发展的如蒙阴、利津等地，在生态发展竞争中处于弱势地位，竞争性小，不适宜作为城镇发展功能区。

（3）生态环境保护适宜区分布同样相对集中，丘陵地区生态位适宜度较高。高值区如栖霞、历下、牟平等，县区内林地比重大，绿化覆盖率高，在功能分区中处于优势地位，竞争性强；生态环境适宜度高的区县较其他功能类型多，说明省内国土空间生态环境逐步改善。

（4）产业布局等级为最适宜与较适宜地区相对于较不适宜与不适宜的地区来说处于劣势，且高值地区相对分散，如邹平、河东、荣城等地；与生态发展适宜度对比，发现两者呈一定的负相关，说明工业发展适宜度在生态竞争中发展动力不足，尚有较大的优化空间。

（5）外贸发展适宜度分布区大多分布于东部沿海地区，高值地区如黄岛、崂山等地，其对外经济发展快速，相较于内陆地区在生态竞争中占优势，发展动力强劲，且沿海县区外贸发展适宜度与城镇发展适宜度正相关。

3.2 国土空间功能分区设计

国土利用是受人为因素、政策因素干扰强烈的人类活动，国土空间规划与利用需要根据各地区土地利用资源现状、经济社会发展规划目标及土地利用政策进行调整[4]。本文依据各功能区的生态位适宜度空间分布状况，并结合《规划》，按照不同区域的资源环境承载能力、现有开发强度和未来发展潜力，将全省综合划定为五大国土空间功能区：农业发展功能区、城镇发展功能区、生态环境保护区、产业发展功能区和外贸发展功能区。在划定综合分区时，通过比较各个区县的适宜度范围与生态位的值，优先安置农业发展、生态环境保护空间，划出适宜度等级高的农业县域与最适宜作为生态环境保护地的县域，充分发挥各类用地的生态功能。为了协调产业布局，实现区域协调发展，对其余三个功能区按照适宜度范围合理调整与开发，探索与建立生态保护、产业发展和人口集聚相适应的环境友好型国土空间利用模式。

3.3 分区利用的建议

（1）农业发展功能区。坚持耕地保护制度，坚持从确保粮食安全、维护社会稳定、促进生态文明出发，把基础性、战略性资源保护放在首位，严格保护农用地尤其是耕地。结合当前发展的主要前提——生态，建立基本农田保护区、农业发展保护区，对农用地实行优化管控；提高传统农业向现代农业的转变效率，控制建设用地的规模。

（2）城镇发展功能区。城乡统筹发展，加快城市化发展进程，合理调整人口与资源分布，避免区域超负荷运转。通过规划手段控制建设用地规模，或采取城乡建设用地增减挂钩，提高建设用地利用强度，减少对农用地及其他用地的占用，优化国土空间资源配置。

（3）生态环境保护区。生态保护问题是近年尤为重要的热点问题，山东省必须加快推进新旧动能转换重大工程，全面提升发展质量和效益，严格落实生态保护政策，创新发展模式，发展低碳技术，维护和扩大绿色生态空间，增强生态系统固碳能力和防灾减灾能力，实现资源环境可持续发展。

（4）产业发展功能区。坚持创新引领发展，推进科技强省建设，重点发展工业园区及其配套产业，与生态环境保护密切结合，引领相关产业转型升级，着重发展高新技术产业和无污染产业。

（5）外贸发展功能区。增加区域经济活力，促进区域经济繁荣发展，加快转变外贸发展模式，增强国际竞争力。

4 结论与讨论

对山东省国土空间利用现状进行分析，生态环境保护区与农业发展功能区生态位值较高，适宜度等级中最适宜和较适宜两个等级的区县在生态竞争中占据优势地位且呈集中连片布局；产业发展功能区生态位值偏低，适宜度等级中最适宜和较适宜两个等级的区县少，仍存在进一步优化的空间；产业发展功能区虽然创造了较大经济效益，但与可持续发展还有一定距离，在生态竞争中处于劣势。山东省各县区在国土空间利用方面存在较大差异，地区之间不平衡，东部沿海地区发展迅速，功能齐全；西部地区相对落后，功能单一。因此，在进行国土空间功能分区时，需要推动城乡区域协调发展，解决发展不平衡不充分问题；将生态位适宜度应用于国土空间功能分区研究，为生态位测度模型丰富了理论依据，采用熵值法赋予各指标权重，避免了主观因素影响。

本文以生态位适宜度理论为侧重点进行研究，所得分区方案与山东省总体分区方案存在差异。生态环境保护区与主体功能布局中的生态重要性评价区存在较高程度的重合，城镇发展功能区与总规中城镇化率分布存在异同，说明现阶段生态建设在城镇发展中存在不协调现象。但限于数据获取困难，本文仅就城镇与生态与总规划进行对比，其他区划的异同仍需进一步研究。