郭東瀟，朱洪芬，劉慧芳，畢如田

（山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西 晉中 030801）

國土空間是人類生產(chǎn)生活和社會經(jīng)濟活動以及生態(tài)文明建設(shè)的重要載體［1］。隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，有限的國土空間面臨著承載規(guī)模更大、強度更高的經(jīng)濟與社會活動，但科學技術(shù)進步在發(fā)展動力中的貢獻率仍然較低，短時間內(nèi)難以突破資源環(huán)境的極限約束［2］。當前國土空間規(guī)劃編制明確提出應(yīng)開展資源環(huán)境承載力評價，評估承載的極限約束，結(jié)合資源稟賦、環(huán)境條件、發(fā)展目標和治理要求進行綜合權(quán)衡，科學客觀地設(shè)定多目標優(yōu)化模型中的約束條件，支撐國土空間優(yōu)化配置。因此，樹立底線思維，在資源環(huán)境承載力評價的基礎(chǔ)上將各類開發(fā)活動限制在資源環(huán)境承載能力之內(nèi)［3］，優(yōu)化功能空間布局、劃定“三線”、強化用途管制［4］，有序引導國土空間優(yōu)化，對新時期國土空間規(guī)劃和實現(xiàn)經(jīng)濟、社會和環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

自1972 年《增長的極限》的發(fā)表第一次明確提出資源環(huán)境承載力到目前為止，其概念、評價指標體系及評價方法不斷深化。近期隨著國土空間規(guī)劃工作的開展，資源環(huán)境承載力評價和國土空間優(yōu)化已受到不少學者的關(guān)注，并取得了豐富的研究成果，同時也存在一些不足。從資源環(huán)境承載力評價來看，國內(nèi)學者圍繞評價指標體系構(gòu)建［5-7］、評價模型選擇［8-10］和實證檢驗［11-14］等開展了大量研究，但從本底和現(xiàn)狀兩方面進行資源環(huán)境承載力測算和分析，進一步探索短板要素下資源環(huán)境承載極限的研究較少。從國土空間優(yōu)化來看，有學者運用多目標粒子群等優(yōu)化算法，從多目標權(quán)衡與協(xié)同視角出發(fā)圍繞土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置進行了一系列研究［15-17］，還有學者從國土空間的數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化和空間布局優(yōu)化等方面基于馬爾科夫模型、灰色預(yù)測模型、元胞自動機模型等模擬預(yù)測模型［18-20］開展了大量研究，但基于資源環(huán)境承載力評價結(jié)果進行國土空間優(yōu)化配置的研究較少，國土空間數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化中約束條件的閾值設(shè)定缺乏基于資源環(huán)境要素承載力的判斷，使得提供的空間優(yōu)化配置供選方案和規(guī)劃實際需求存在一定的差距。

晉中市依地形地貌劃分為東山保育區(qū)和西部平原城鎮(zhèn)密集區(qū)，作為與省會太原市一體發(fā)展的省域核心，社會經(jīng)濟正處于快速發(fā)展階段，而資源短缺、環(huán)境脆弱、城市擴張占用綠地和優(yōu)質(zhì)耕地等問題使得對國土空間優(yōu)化要求不斷提高。基于此，以晉中市為研究區(qū)，構(gòu)建國土空間資源環(huán)境承載力評價指標體系，采用加權(quán)求和模型進行承載力評估，并識別出短板要素，測算其約束下耕地和建設(shè)用地的承載規(guī)模，運用多目標遺傳算法求解不同情景下的空間優(yōu)化方案，比選出最優(yōu)方案，最后運用FLUS 模型模擬出最優(yōu)情景下的空間布局，以期為生態(tài)文明背景下的晉中市國土空間規(guī)劃提供借鑒。

1 研究材料

1.1 研究區(qū)概況

晉中市位于山西省中東部，地處太行山脈中段，東部鄰接河北省，是華北平原的重要生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，西處太原盆地，地跨黃河、海河兩大流域，降雨較少且不穩(wěn)定，雨季主要集中在7—9 月，年平均氣溫9.1 ℃，多年平均降雨量574.2 mm，為典型的大陸性半干旱季風氣候。研究區(qū)國土總面積約1.639 萬km2，林草水域面積約占全市總面積的65%，生態(tài)環(huán)境較好，耕地面積占30%，城鎮(zhèn)建設(shè)面積不足5%，隨著城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，耕地面積正逐年下降。2019年，全市總?cè)丝诩s338.9 萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值1 447.6億元，人均生產(chǎn)總值4.3 萬元，占全國平均水平的60.6%。多年平均水資源總量為13.2 億m3，人均水資源585 m3，未及全國人均水資源占有量的1/3。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 空間數(shù)據(jù) 土地利用數(shù)據(jù)來源于晉中市自然資源局提供的第二次全國土地調(diào)查變更數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)，重采樣至30 m 分辨率；土壤質(zhì)地和土壤類型等數(shù)據(jù)來源于中國土壤圖（1∶100 萬）；1 km×1 km 的多年NDVI 和NPP 數(shù)據(jù)，以及30 m 分辨率DEM 來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺，并基于DEM數(shù)據(jù)進行水文分析提取獲得河網(wǎng)水系；多年降水、積溫和濕度等氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；2017年1 km×1 km 人口密度柵格數(shù)據(jù)來源于Landscan 全球人口動態(tài)統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)庫；POI 興趣點包括醫(yī)院和學校等通過高德地圖爬??；交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于open-street map 網(wǎng)站。為便于疊加運算，將空間數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化至大地2000 坐標系，并柵格化為30 m×30 m。

1.2.2 文本數(shù)據(jù) 包括資源環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，其中水環(huán)境容量和大氣環(huán)境容量數(shù)據(jù)由晉中市環(huán)保局提供；水資源數(shù)據(jù)來源于晉中市第二次水資源調(diào)查評價及多年水資源公報；地區(qū)生產(chǎn)總值、三產(chǎn)增加值、糧食產(chǎn)量和人口數(shù)據(jù)等來源于晉中市和各區(qū)（市）縣統(tǒng)計年鑒。

2 研究方法

2.1 資源環(huán)境承載力評價

2.1.1 評價指標體系的構(gòu)建 資源環(huán)境承載力評價是劃定“三區(qū)三線”實現(xiàn)國土空間格局優(yōu)化的基本依據(jù)。為對應(yīng)“三區(qū)三線”劃分及主體功能區(qū)戰(zhàn)略需求，實現(xiàn)區(qū)域空間格局優(yōu)化，國土空間分區(qū)管治，本研究將國土空間按功能指向劃分為生態(tài)空間、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間、農(nóng)村生活空間和城鎮(zhèn)建設(shè)空間［20］。資源環(huán)境承載力是一個區(qū)域的資源環(huán)境對人類活動及其社會經(jīng)濟發(fā)展的最大“容量”［21］。即資源環(huán)境本底支撐越大限制越小，資源利用潛力越大，加之人類活動對承載體的施壓越小，以及通過技術(shù)手段彌補限制因素制約發(fā)展的能力越強，這一“容量”閾值越大?；诖耍狙芯繀⒖枷嚓P(guān)研究成果［20-24］，結(jié)合研究區(qū)特征構(gòu)建集成本底和現(xiàn)狀的國土空間資源環(huán)境承載力評價指標體系，如表1 和表2 所示。

表1 本底資源環(huán)境承載力評價指標體系

表2 現(xiàn)狀資源環(huán)境承載力評價指標體系

2.1.2 綜合評價指數(shù)的計算 評價指標所選要素主要包括土地資源、水資源和氣候環(huán)境等，均參考“雙評價”標準等級，并結(jié)合研究區(qū)實際，利用自然斷點法進行分級賦值，根據(jù)指標等級從高到低對應(yīng)其承載力分別賦值為5、4、3、2、1。

選用層次分析法確定指標權(quán)重，數(shù)據(jù)歸一化采用極值法，最終利用加權(quán)求和模型計算區(qū)域各空間類型資源環(huán)境承載力的綜合指數(shù)，公式如下。

式中，REC為資源環(huán)境承載力的綜合評價指數(shù)；RECi為標準化后的指標值；λi為層次分析法所得權(quán)重。

2.2 多目標遺傳算法

遺傳算法是通過模仿自然界中生物進化過程和機制來求解極值問題的一類啟發(fā)式算法，可從一個種群出發(fā)，同時處理多個個體，降低了陷入局部最優(yōu)的風險有利于解決多目標優(yōu)化問題，將其引入到多目標優(yōu)化中，可以在一次優(yōu)化中產(chǎn)生一組解，進而選擇最優(yōu)解［24，29，30］。

運用多目標遺傳算法進行空間優(yōu)化包括目標函數(shù)建立、情景設(shè)定和決策變量約束條件設(shè)置，為與國土空間分類及《晉中市土地利用總體規(guī)劃》相銜接，結(jié)合研究區(qū)土地利用特點，以土地利用地類為基礎(chǔ)，將x1林地、x2草地、x3水域、x4未利用地、x5耕地、x6農(nóng)村建設(shè)用地和x7城鎮(zhèn)建設(shè)用地作為決策變量。

2.2.1 目標函數(shù) 生態(tài)效益目標計算公式如下。

式中，F(xiàn)1為生態(tài)效益（萬元）；xi為各類土地利用類型的面積（km2）；Bi為各類土地利用類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值系數(shù)（萬元/km2）。

經(jīng)濟效益目標計算公式如下。

式中，F(xiàn)2為經(jīng)濟效益（萬元）；xi為各類土地利用類型的面積（km2）；Ci為各類土地利用類型的經(jīng)濟效益系數(shù)（萬元/km2），即土地利用類型i所產(chǎn)出的單位面積GDP。

生態(tài)效益系數(shù)Bi采用謝高地的中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值當量因子表，結(jié)合研究區(qū)多年平均糧食單產(chǎn)和1.4 元/kg 的糧食單價，最終得到研究區(qū)的生態(tài)效益系數(shù)Bi（表3），由于建設(shè)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值較低，故文中不予考慮［30］。經(jīng)濟效益系數(shù)Ci通過2014—2018 年研究區(qū)的經(jīng)濟數(shù)據(jù)計算各土地利用類型對應(yīng)的產(chǎn)值與其面積之比，得到逐年的經(jīng)濟效益系數(shù)，再利用GM（1，1）灰色預(yù)測模型求得（表3）。

表3 土地利用類型對應(yīng)的生態(tài)效益系數(shù)、經(jīng)濟效益系數(shù)

2.2.2 情景設(shè)定及約束條件 根據(jù)生態(tài)安全和糧食安全重要性以及區(qū)域發(fā)展目標，本研究設(shè)定了生態(tài)保護、糧食安全、經(jīng)濟增長和均衡發(fā)展4 種情景，其中，生態(tài)保護情景下的生態(tài)效益目標和經(jīng)濟效益目標所占權(quán)重分別是0.8 和0.2；糧食安全情景下的生態(tài)效益目標和經(jīng)濟效益目標所占權(quán)重分別是0.5 和0.5；經(jīng)濟增長情景下的生態(tài)效益目標和經(jīng)濟效益目標所占權(quán)重分別是0.2 和0.8；均衡發(fā)展情景下的生態(tài)效益目標和經(jīng)濟效益目標所占權(quán)重分別是0.5 和0.5，所占權(quán)重均采用德爾菲法并綜合專家意見確定［30］。此外，考慮到糧食安全情景下對耕地的重點保護單獨設(shè)定耕地保護約束條件，僅約束這一情景下的耕地面積。

考慮到晉中市自然稟賦對本底資源環(huán)境承載力的主要限制因素為水資源，人類活動導致水資源問題更加突出，目前及未來較長一段時間水資源短缺將長期影響和決定著區(qū)域資源環(huán)境承載力，從而約束區(qū)域國土空間數(shù)量結(jié)構(gòu)及分布，又因水資源對國土空間的約束作用主要體現(xiàn)在耕地和建設(shè)用地上，因此，本研究在求得水資源約束下的可承載耕地面積和可承載建設(shè)用地規(guī)模的基礎(chǔ)上，結(jié)合土地利用規(guī)劃面積和土地利用面積現(xiàn)狀構(gòu)建土地利用類型面積約束（表4）。

表4 土地利用類型的面積約束

2.3 FLUS 模型

FLUS 模型是在傳統(tǒng)CA 模型基礎(chǔ)上改進的集成模型［31］，具有同時考慮“自上而下”宏觀驅(qū)動和“自下而上”微觀演變的雙重特征，能高效模擬在自然與人類活動影響下未來的土地利用格局［24］。結(jié)合多目標遺傳算法和FLUS 模型進行空間優(yōu)化模擬，能夠綜合考慮多方效益、實際需求和規(guī)劃目標，有效預(yù)測了多目標協(xié)同下的國土空間格局，且模擬精度較高。

利用FLUS 模型進行土地利用空間布局模擬時，首先借鑒“資源環(huán)境承載力評價”體系對影響土地利用變化的驅(qū)動因子進行完善，并將土地利用數(shù)據(jù)導入基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)概率計算模塊，取得土地利用類型適宜性概率；然后將利用多目標遺傳算法得到的未來土地利用的數(shù)量作為FLUS 模型的輸入，綜合考慮鄰域影響因子、慣性系數(shù)和轉(zhuǎn)換成本的影響，在CA 迭代時間內(nèi)將適宜性概率高的用地類型分配到柵格中，最終實現(xiàn)土地利用布局模擬［32］。

3 結(jié)果與分析

3.1 國土空間資源環(huán)境承載力評價

通過加權(quán)求和模型測算出晉中市各類空間的本底資源環(huán)境承載力和現(xiàn)狀資源環(huán)境承載力，之后進行疊加分析和等級劃分，進一步分析承載力的變化情況和空間差異（圖1），最終判斷資源環(huán)境承載力的短板要素。

圖1 國土空間資源環(huán)境承載力情況

由圖1 可知，生態(tài)空間承載力在生態(tài)紅線控制下得到改善，現(xiàn)狀承載力高值區(qū)在本底的基礎(chǔ)上提升了13.31%，承載力總體水平偏高；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間承載力雖受耕作便利度影響，隨生產(chǎn)可達性提高而提高，但因水資源短缺，水土匹配較低，西北、西南部和中部等地區(qū)有明顯下降趨勢；農(nóng)村生活空間承載力受生活服務(wù)設(shè)施影響，引導其高值區(qū)逐步向城鎮(zhèn)中心周邊聚集；從城鎮(zhèn)建設(shè)空間來看，一方面西部城鎮(zhèn)發(fā)展密集區(qū)因人口密度較大給資源環(huán)境帶來巨大壓力，使得該區(qū)承載力大幅下降，另一方面東部山區(qū)因水資源開發(fā)利用程度較低，承載力呈現(xiàn)下降趨勢。整體上各類空間的資源環(huán)境承載力均受地形條件的限制，呈現(xiàn)出“馬太效應(yīng)”。農(nóng)村生活空間除受地形的影響外還明顯受河流水系的影響?？紤]到水資源的重要性以及對資源環(huán)境承載力的約束作用更為顯著，最終將其確定為晉中市國土空間資源環(huán)境承載力的短板要素。

3.2 基于遺傳算法的國土空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于多目標遺傳算法得到經(jīng)濟目標和生態(tài)目標下4 種情景的國土空間優(yōu)化配置方案。4 種方案中，土地利用類型的數(shù)量差異明顯，其中，林地、水域、耕地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地由于對生態(tài)效益和經(jīng)濟效益具有直接且顯著的影響，因此，相比現(xiàn)狀面積變化較為明顯。在生態(tài)保護情景下，林地和水域增幅達到最高，生態(tài)空間面積也達到最大，為11 381.62 km2，但城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積最小，僅為319.01 km2；經(jīng)濟增長情景則與之相反，生態(tài)空間面積最少，為11 299.66 km2，但城鎮(zhèn)建設(shè)面積最大，為398.12 km2。為保證區(qū)域內(nèi)糧食充分滿足需求，糧食安全情景下耕地面積達到最大，為4 061.07 km2。均衡發(fā)展情景下的各土地利用類型中林地、草地、水域、未利用地、耕地、農(nóng)村建設(shè)用地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地，即x1至x7面積依次為5 739、4 632、248、736、3 984、685、369 km2。將4 種情景下的土地利用類型面積分別代入生態(tài)效益目標函數(shù)和經(jīng)濟效益目標函數(shù)，得到不同情景下晉中市的經(jīng)濟效益值與生態(tài)效益值（圖2），比較分析不同情景的效益。

由圖2 可知，在生態(tài)保護情景下，晉中市的生態(tài)效益達到最高，為252.81 億元，但經(jīng)濟效益在4 種情景中最低，僅為11 862.82 億元。該情景下的優(yōu)化方案僅有利于該區(qū)域的生態(tài)建設(shè)，但經(jīng)濟增長最低。經(jīng)濟增長情景下，經(jīng)濟效益達到最高，為14 681.08億元，但生態(tài)效益最小，僅為250.87 億元。該情景下的優(yōu)化方案大力推進了該區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，卻忽略了生態(tài)文明建設(shè)的重要性，以上2 種情景都將致使該區(qū)發(fā)展失衡。而糧食安全情景下，生態(tài)效益為252.37 億元，經(jīng)濟效益為12 227.62 億元，該情景下的優(yōu)化方案雖然保證了生態(tài)效益和經(jīng)濟效益相對平衡，但仍未能實現(xiàn)效益最大化。均衡發(fā)展情景下，生態(tài)效益達252.43 億元，經(jīng)濟效益達13 650.17 億元，與生態(tài)保護情景下的經(jīng)濟效益相比，該情景下的經(jīng)濟效益增加了15.06%，而糧食安全情景下增加了3.08%。綜上所述，均衡發(fā)展情景下的配置方案在保障該區(qū)域生態(tài)建設(shè)穩(wěn)速發(fā)展下合理控制建設(shè)用地面積，優(yōu)化配置各功能用地，不僅使生態(tài)保護、糧食安全和經(jīng)濟發(fā)展統(tǒng)籌兼顧，而且盡可能將效益最大化，相較其他3 種方案為最優(yōu)。

圖2 不同種情景下的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益

3.3 基于FLUS 模型的國土空間布局優(yōu)化

以2014 年土地利用空間分布現(xiàn)狀為基期數(shù)據(jù)，利用FLUS 模型模擬得到2018 年土地利用空間分布情況，經(jīng)驗證模擬的總體精度為89.03%，Kappa 系數(shù)為0.765 5，模型精度滿足要求。故根據(jù)均衡發(fā)展情景下的土地利用需求預(yù)測結(jié)果及相應(yīng)準則控制，模擬得到晉中市2035 年土地利用空間分布情況（圖3b），與現(xiàn)狀（圖3a）相比林地和水域有顯著增加，其增加主要來源于農(nóng)村建設(shè)用地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換；耕地有所增長且斑塊布局趨于集中連片；零散的農(nóng)村建設(shè)用地經(jīng)“拆村并點”明顯減少，向林地、水域等生態(tài)用地和耕地大幅轉(zhuǎn)變；城鎮(zhèn)建設(shè)用地出現(xiàn)邊緣式零星消退現(xiàn)象，建設(shè)用地整體呈現(xiàn)空間聚集狀態(tài)，未來應(yīng)繼續(xù)向內(nèi)挖潛，以低效用地再開發(fā)換新增建設(shè)用地。將土地利用分布格局進一步整合優(yōu)化得到最終的空間優(yōu)化分布格局（圖4）。晉中市國土空間總體格局呈現(xiàn)東部以生態(tài)涵養(yǎng)為主，西部以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鄉(xiāng)建設(shè)為主。生態(tài)空間集中在生態(tài)承載力較高的東部山區(qū)并在其周圍呈邊緣式擴張；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間和城鎮(zhèn)建設(shè)空間集中在西部平原區(qū)，零散分布在東部山區(qū)，整體趨于聚集，布局更為緊湊合理。

圖3 現(xiàn)狀及模擬土地利用分布格局

圖4 生態(tài)-農(nóng)業(yè)生產(chǎn)-農(nóng)村生活-城鎮(zhèn)建設(shè)空間分布格局

4 小結(jié)

1）國土資源環(huán)境承載力評價結(jié)果顯示，晉中市資源環(huán)境承載力受水資源的強約束作用有明顯下降，水資源短缺是未來影響晉中市經(jīng)濟生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。

2）水資源約束條件下晉中市可承載的城鎮(zhèn)建設(shè)用地規(guī)模為343.35 km2，農(nóng)村建設(shè)用地規(guī)模為746.17 km2，耕地規(guī)模為3 683.50 km2。城鎮(zhèn)和農(nóng)村建設(shè)面積均處于超載狀態(tài)，表明水資源對建設(shè)用地的約束作用較強，未來應(yīng)重點加強水資源承載建設(shè)用地能力。

3）基于承載力約束多目標協(xié)同，均衡發(fā)展情景下的國土空間結(jié)構(gòu)更為合理，其生態(tài)效益達252.43億元，經(jīng)濟效益達13 650.17 億元，綜合效益明顯優(yōu)于另外3 種情景。該情景下的空間布局既能充分發(fā)揮林地、草地和水域的綠心、綠帶效應(yīng)，又能為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供用地保障。