平原农区全域土地综合整治“三生”空间格局优化效果评价

江 岭, 张大鹏, 黄丹妮, 黄骁力, 陈 西, 李 鹏, 陈万里, 汪永丰, 王 岽

(1. 滁州学院实景地理环境安徽省重点实验室,安徽 滁州 239000; 2. 安徽省国土空间规划研究院,安徽 合肥 230601; 3. 肥东县自然资源和规划局,安徽 合肥 230601; 4. 安徽建筑大学环境与能源工程学院,安徽 合肥 230601)

平原农区是指地形以平原为主且经济活动中农业占主要地位的地区,已成为保障国家粮食安全的核心区[1]。作为平原农区人类、经济和社会发展的基本载体,“三生”空间(生产空间、生活空间和生态空间)格局很大程度上决定了国土空间开发保护的质量与效率[2-4]。然而,随着快速的城镇化进程,“三生”空间布局不协调的问题日渐突出,造成了生产空间低值低效、生活空间无序空废、生态空间无序污损等问题[5-6]。“三生”空间既相互独立又相互关联,是一个共生共融、紧密联系的有机整体,合理优化“三生”空间格局可以实现整体效益大于部分效益之和[7-9]。因此,加快“三生”空间格局优化是平原农区构建高质量国土空间开发保护新格局的迫切需求,对乡村振兴战略的落实具有重要的现实意义[10-12]。

在国土资源有限的情况下,全域土地综合整治在“三生”空间内,从全区域视角统筹安排农用地整治、建设用地整治和生态保护修复等内容,是一项综合性系统工程[13-15]。相较于传统的土地整治,全域土地综合整治更加强调整治范围的整体性、整治对象的综合性,并以优化“三生”空间格局为基本内容,已成为当下国家正在推进的重大工程[16-17]。相关实践表明,全域土地综合整治所产生“三生”空间格局优化效果的优劣直接影响到“生产空间集约高效、生活空间宜居适度、生态空间山清水秀”目标能否全面达成[18-20]。针对全域土地综合整治,开展“三生”空间格局优化效果评价不仅必要,更为亟须[21]。

当前,有关“三生”空间格局的研究集中在“三生”空间优化理论[2, 22-23]、时空演变[24]、综合评价[25]等方面,上述研究虽未基于全域土地综合整治背景,但为该背景下“三生”空间格局优化效果评价提供了有益借鉴。全域土地综合整治已逐步成为研究热点,在土地综合整治基本原理[26]、潜力测算[27]和战略价值[28]等方面取得丰富成果。然而,整治后“三生”空间格局优化效果评价研究尚为新课题,现研究对象多为单一空间的农用地或建设用地[29-30],评价区域也多为县镇以上的较大尺度范围[21],鲜见对平原农区乡村小尺度范围的“三生”空间格局优化效果系统性评价。围绕评价方法,层次分析、模糊评价模型[31]、熵权法[32]等得到广泛应用并取得良好效果,特别是投影寻踪模型具有通过空间降维探测高维空间数据结构特征的优势[33],为全域土地综合整治“三生”空间格局优化效果评价提供了良好支撑。因此,本文以肥东县古城镇范店社区全域土地综合整治省级试点为研究区域,从空间数量、质量和结构3个维度,构建全域土地综合整治“三生”空间格局优化效果评价方法,系统分析平原农区“三生”空间格局优化效果。

1 数据源与研究方法

1.1 研究区概况

肥东县古城镇范店社区(如图1所示)为安徽省首批全域土地综合整治试点区。该区域位于肥东县东北部,地处江淮平原,是典型的以传统耕作方式为主的平原农区。范店社区境内最高海拔64 m,最低海拔29 m,地势较为平坦;总面积为1.05万亩(1亩≈666.667 m2),其中耕地约0.69万亩;拥有8个自然村庄,共864户3459人。社区因人居条件较差、经济发展落后、生态环境质量不佳,外出人口打工比例约为50%,存在严重的耕地撂荒和空心村等问题,迫切需要调整优化区域“三生”空间格局。

图1 研究区位置及国土空间现状

1.2 数据源

采用的全域土地综合整治前土地利用数据来源于第三次全国国土调查成果,整治后土地利用规划数据(含道路、沟渠等)来源于肥东县自然资源和规划局。范店社区全域土地综合整治省级试点项目通过安徽省自然资源厅2022年6月组织的专家会审。

1.3 研究方法

“三生”空间格局是全域土地综合整治的结果表现,是“三生”空间数量关系、空间质量关系和空间结构关系在一定地域范围内的集中体现。因此,本文从“三生”空间数量、质量和结构变化3个方面,对全域土地综合整治“三生”空间格局优化效果进行系统性评价(如图2所示)。

1.3.1 “三生”空间数量

“三生”空间面积是全域土地综合整治的重要指标。本文采用土地利用转移矩阵定量表示全域土地综合整治前后“三生”空间之间的转化情况,并显式揭示区域“三生”空间转化的规模与方向。土地利用转移矩阵的数学模型为

(1)

式中,Ai表示转移前i类土地面积;Aj表示转移后j类土地面积;n表示土地利用类型数。

1.3.2 “三生”空间质量

“三生”空间质量反映了单一空间自身的生产能力或服务水平。生产空间的耕作分布和耕地条件能够反映农业现代化和规模化程度;生活空间的居住集约和宜居品质情况展示宅基地建设有序程度和基础设施共享程度;生态空间的调控能力和景观价值则强调了生态环境的自然能力和生态功能的综合提升。因此,为深入分析全域土地综合整治前后“三生”空间质量变化,本文构建了空间质量评价指标体系,见表1。

表1 空间质量评价指标

1.3.3 “三生”空间结构

“三生”空间结构是“三生”空间内各要素通过其内在相互作用而综合表现出的组织状态,其优劣评价应立足于“三生”空间数量关系和质量关系,即由多元空间数量和质量指标汇聚形成定量表征“三生”空间的高维特征空间,并利用该高维特征空间综合评价“三生”空间结构的优劣。本文采用投影寻踪模型,通过空间降维把这一高维特征空间投影至低维子空间,并探测出能综合反映“三生”空间结构优化成效的投影值。值得注意的是,“三生”空间要素存在明显的异质性[34]。为更好探测全域“三生”空间结构优化效果,本文采用分区形式开展评价。

对于投影寻踪模型,降维过程中寻找最优解是综合评价的关键问题。粒子群优化算法可以通过个体之间的协作和信息交互获得最优解。为此,综合粒子群优化算法优势,本文所采用的粒子群优化投影寻踪模型主要求解过程如下。

(1)样本数据归一化,公式为

(2)

式中,xij为第i个样本第j个空间质量评价指标的原始值(i=1,2, …,n,j=1,2, …,m,n为样本个数,m为指标个数)。

(2)样本线性投影即从不同角度观察数据,寻找能挖掘数据的最优投影方向,公式为

(3)

式中,zi为样本i在一维空间的投影方向为一维投影(a1,a2,…,am)上的投影特征。

(3)构造投影值目标函数,公式为

Q(a)=s(a)d(a)

(4)

(5)

(6)

式中,Q(a)为目标函数;s(a)为类间距离;d(a)为类内密度;f(t)为阶跃信号;R为局部散点密度的窗口宽度;rik为样本间的距离。

(4)粒子群求解投影值:当前粒子位置为式(3)中的投影方向a,将其代入式(3),计算投影特征;据式(5)和式(6)计算类间距离s(a)和类内密度d(a);依式(4)计算投影指标函数Q(a),为该粒子的最优位置。当t+1与t时刻的粒子最优位置不再发生变化或达到最大迭代次数时,Q(a)即为最优投影值。

2 “三生”空间格局变化分析

2.1 “三生”空间数量变化分析

整体上范店社区“三生”空间的分布差异较大,见表2。全域土地综合整治前生产空间面积最大,面积占比为66.79%;其次为生态空间,面积占比为26.42%;生活空间面积占比最小,为6.78%。整治后,生产空间面积占比仍最大,且增加了10.61%,升至77.40%;生活空间面积占比减少了0.87%,降至5.92%;生态空间面积占比减少了9.73%,变为16.68%。

表2 “三生”空间转移矩阵 hm2

全域土地综合整治前后“三生”空间之间的转化关系主要表现在:生态空间和生活空间转化为生产空间(见表2)。生产空间中约77.10 hm2来自于生态空间,约32.41 hm2来自于生活空间。生态空间和生活空间转化为生产空间的部分主要分布在研究区的中部和东部(如图3所示)。导致这一转化的主要原因是范店社区中部和东部是原生产空间主要分布区域,零散的生态空间和生活空间影响了生产空间的连片规模效益,制约了生产空间的高效高值产出。全域土地综合整治通过这一空间转化,提高了生产空间的规整度、生活空间的聚集度、生态空间的连通度,促进了生产空间增量提效、生活空间稳量提质、生态空间保量提能,使得重组后的“三生”空间规模与范店社区经济社会发展所需相适应。

图3 “三生”空间规模分布

2.2 “三生”空间质量变化分析

2.2.1 生产空间质量

全域土地综合整治前,由于范店社区居民点、林地和水域空间分布零散,导致耕地地块形状不规则、空间破碎度较高,严重制约了生产空间的高值高效产出。通过整治,将凌乱分散且分布在耕地中间的居民地、林地和水域转化为耕地,并以修建的田间道路网为骨架,使破碎且分布不规则的耕地地块变得更加聚集和规整,呈现出集中连片的耕地格局(如图4所示)。这主要体现在:①整治后耕地面积由458.24 hm2增长至517.46 hm2,地块个数由193个降至170个,平均地块面积也由2.37 hm2提升至3.04 hm2;②对比整治前后耕地地块破碎化程度,整治后地块形状指数由1.90降少至1.43,地块形状趋于规则。

图4 整治前后耕地和基础设施变化

由图4(b)可知,整治后的田间道路规整地贯穿于耕地区域。整治前后,田间道路长度分别为26.33、58.61 km,增长了近 122%,其中38.15%所增加的田间道路来源于原有非耕地;田间道路密度由3.76 km/km2增长至8.37 km/km2,且田间道路平均宽度也由原来的3.59 m提高至4.18 m。整治后的田间道路不仅补充了农用设施覆盖度,还将耕地分割为规整地块,凸显了耕地集中保护的理念。

全域土地综合整治还规划了大量的水利工程,包括沟渠、涵管、节制闸和提灌站等,这些水利工程密布于耕地地块之间,形成了耕地的灌溉排水系统。据统计,土地综合整治前沟渠的长度为38.53 km,整治后增长至70.81 km,提升近180%。全域土地综合整治还设计了约128个涵管,使得沟渠连通度指数由2.71增长至6.30,大大提升了沟渠的连通度,凸显了耕地灌溉排水系统网状分布的优势。

全域土地综合整治针对平原农区生产空间的低值低效问题,解决了耕地集中连片程度不高和基础设施覆盖度低等问题,优化提升了以高标准农田为核心生产空间的质量。生产空间质量的优化为机械化、规模化、专业化的现代农业种植提供了坚实的基础。

2.2.2 生活空间质量

全域土地综合整治前,范店社区生活空间分布较为零散,8个自然村庄自身和整体的聚合度均相对较低,并且村庄整体人口空心化严重,外出务工人口约占总人口的50%,如图5(a)所示。高破碎度和低聚集度的生活空间分布导致社区公共基础设施共享率较低、设施服务质量较差,迫使生活空间走向无序空废的窘境。

面对生活空间的无序空虚问题,全域土地综合整治将多个自然村庄聚合为3个规整的居民区,并布设丰富的公共设施用地(如图5(b)所示)。据统计,整治前分布于多个自然村的建设用地地块平均面积为4.38 hm2,分离度指数达0.21;整治后的居民区平均地块面积为9.15 hm2,分离指数仅为0.04。这两项指标充分说明,整治后的居民居住地集约程度得到了较大优化提升,为居民区沿省道布设和村道交通网布局提供了基础。在由省道和村道构成的交通网络下,居民由住地步行到达公路的平均时间由8 min缩短至3 min,较大提升了居民区宜居品质。同时,居民区高聚集度也可以减少电网、自来水、污水排泄系统等基础设施的建设成本,避免因居民点分散造成的铺张浪费。

2.2.3 生态空间质量

范店社区生产空间和生态空间约占总面积的90%,耕地、林地和水域自然资源较为丰富,生态环境可持续发展潜力较大,如图6(a)所示。然而,社区缺乏有序的生态廊道体系,生态空间连通性较差,林地稀疏和水域淤积等生态环境衰退现象凸显,生态空间无序污损问题较为突出。针对此,全域土地综合整治通过开展“旱改水”、修建生态塘和生态滤沟等措施,结合生产空间的沟渠网络等生态要素,构建高连通性的生态斑块-廊道-基质模式,优化提升生态空间的调控能力和景观价值(如图6(b)所示)。

图6 整治前后生态空间变化

围绕优化提升生态调控能力,整治后社区布局12个生态塘、1条生态滤沟和128条生态沟渠,形成生态净化系统。特别是以生态塘为载体,结合人工手段,能够对生活污水中的污染物进行高效降解和吸附,大幅改善乡村水体环境;以生态滤沟和生态沟渠为绿色海绵体,能够实现雨水自然化管理。在生态景观价值方面,范店社区的生物丰度指数由62.55增长至65.35,生境质量指数由34.22增长至37.16,整治后生态资源和景观生境状况得到明显优化提升。值得说明的是,在社区整治后林地和水域面积有所降低的情况下,生态景观价值得到优化提升的主要原因在于,社区布局13 hm2“旱改水”地块,增强了斑块-廊道-基质模式赋能的生态综合效应。

2.3 “三生”空间结构变化分析

以范店社区功能区规划为依据,将社区分为6个单元探测“三生”空间结构特征(如图7所示)。整治后,除单元2外,各子单元生产空间面积均得到提升,有3个子单元的生产空间面积占比超过80%;单元5的生产空间面积增长量最大,生态空间面积减少量也最高。为更好地探测“三生”空间结构特征,参与各子单元投影寻踪模型计算的生产、生活和生态空间指标数量相等。计算指标共计21个,包括“三生”空间的面积和质量指标及其变化量。粒子群优化投影寻踪模型的各项参数设定为:种群规模(粒子群个数)300,惯性因子0.9,加速常数2,最大迭代次数200。探测结果见表3。

表3 空间结构优化成效

图7 范店社区分区评价单元

生产空间结构优化效果最优的是单元5,最差的是单元3。主要原因是整治后单元5的生产空间面积占比由51.31%增长至86.78%,且耕地也呈现集中分布;而单元3的耕地分布相对较为分散。生活空间结构优化效果第一的是单元3和单元4,效果较差的是单元5和单元6。主要原因在于单元3和单元4的居民区沿省道建设,居民出行的便捷度提升,且单元3和单元4的居民分离指数分别由0.42、0.35下降至0.05、0.04;而单元5和单元6的生活空间面积下降较大。生态空间结构优化效果第一的是单元6,效果最差的是单元5。主要原因在于单元6内存在大面积“旱改水”项目,生境质量和生物丰度指数均大幅提高;而单元5的废弃坑塘和稀疏林地转化为生产空间,生态空间规模下降较大。综上可知,空间结构优化成效既受到空间规模变化的影响,也受到空间质量变化的影响。

整体而言,“三生”空间结构优化效果排序和生产空间优化效果排序几乎保持一致,这揭示出“三生”空间结构优化效果受生产空间结构变化影响较大。因此,在土地资源有限的情况下,当通过全域土地综合整治优化“三生”空间结构时,不仅需要优化单一空间的规模和质量,还需要协调3个空间之间的结构关系,即某一空间结构变化会对其余空间结构产生影响,需要充分结合实际,合理统筹布局“三生”空间。

3 结论与讨论

本文从空间数量、质量和结构3个方面系统开展了平原农区全域土地综合整治“三生”空间格局优化效果评价,主要结论有:①平原农区“三生”空间既相互独立又相互关联。在有限的国土空间上,全域土地综合整治通过空间组织重构、要素重组和结构重塑,在空间数量关系、空间质量关系和空间结构关系上实现了“三生”空间格局优化。②平原农区中生产空间占比最大,其空间格局优化效果相比生活空间和生态空间格局优化效果更为突出,且“三生”空间格局优化效果受生产空间格局优化效果影响较大,全域土地综合整治可以考虑优化生产空间为重点。③范店社区通过全域土地综合整治优化了“三生”空间格局,较好地处理了社区现存生产、生活和生态空间的土地利用冲突,基本解决了生产空间低值低效、生活空间无序空废、生态空间无序污损等问题。

值得说明的是,本文是从空间格局视角开展评价,后续可通过融入粮食单产、村民收入等全域土地综合整治效益信息,进一步健全“三生”空间格局优化效果评价体系。