基于DPSIR模型的市域土地空間配置優(yōu)化——以天津市為例

常 青，何歡樂，季宏偉

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)觀賞園藝與園林系，北京 100193；2.中國土地勘測規(guī)劃院，北京 100035）

中國已進(jìn)入快速城市化階段［1］，各類開發(fā)建設(shè)不斷擠占耕地等生態(tài)用地，對城市地域生態(tài)安全及土地持續(xù)利用造成巨大壓力。為實(shí)現(xiàn)人地系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，中國已先后開展了有關(guān)土地資源安全保障與調(diào)控的一系列研究課題，土地資源優(yōu)化配置研究是其中熱點(diǎn)之一［2］。目前國內(nèi)外土地資源優(yōu)化配置研究主要包括數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化和空間布局優(yōu)化兩個方面［2-4］，傳統(tǒng)研究多注重土地利用現(xiàn)狀數(shù)量和質(zhì)量的結(jié)構(gòu)分析，著力于建立模型優(yōu)化宏觀的土地利用結(jié)構(gòu)［4-7］，而對土地利用空間格局優(yōu)化研究相對薄弱［4，8］，忽視了土地空間配置的可視化研究［9-10］。由于影響土地利用的因素眾多，土地空間配置優(yōu)化研究中適宜性評價指標(biāo)的選擇、權(quán)重的設(shè)置以及采用不同的評價模型，都會影響評價結(jié)果與優(yōu)化方案，但目前多數(shù)研究往往基于專家經(jīng)驗(yàn)選擇指標(biāo)、設(shè)定權(quán)重［4，11-14］，使得優(yōu)化方案在很大程度上受到專家理論水平和對當(dāng)?shù)厥煜こ潭鹊挠绊懀患又狈Χ炕脑u定標(biāo)準(zhǔn)，很難對這些優(yōu)化方案的優(yōu)劣進(jìn)行評判和取舍［12，15］。因此，如何科學(xué)地制定城市土地利用空間布局優(yōu)化方案，并通過量化指標(biāo)進(jìn)行方案遴選，是目前土地利用空間配置優(yōu)化研究需要突破的瓶頸。

DPSIR模型旨在分析環(huán)境變化的驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響以及人類對其的響應(yīng)過程，為揭示環(huán)境與人類活動的因果關(guān)系提供了有效框架，在資源及其可持續(xù)利用研究中已被廣泛應(yīng)用［16-18］。本研究試圖借助DPSIR模型，整合土地適宜性、生態(tài)敏感性與景觀健康評價方法，提出適合市域土地空間配置優(yōu)化的綜合定量研究方法，并以天津市為例進(jìn)行實(shí)證分析。

1 城市土地空間配置優(yōu)化的DPSIR概念框架

圖1 城市土地空間配置研究的DPSIR模型Fig.1 DPSIR Model of research on municipal land spatial allocation

DPSIR模型是由歐洲環(huán)境署（EEA）在PSR和DSR概念框架基礎(chǔ)上提出的［19］。城市土地利用涉及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、耕地保護(hù)、生態(tài)資源可持續(xù)利用等多個因素，是一個極為復(fù)雜的問題。DPSIR模型有助于研究者理順城市土地利用中各種因子的邏輯關(guān)系，為定量化研究市域土地空間優(yōu)化配置提供了概念框架（圖1）。其中，驅(qū)動力模塊用于分析城市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景，揭示對土地利用空間配置具重要影響的因素，如人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件及重大發(fā)展戰(zhàn)略等。壓力模塊用于研究城市主要用地需求與矛盾沖突、城市環(huán)境污染及生態(tài)需求特征，確定城市土地利用空間配置中的關(guān)鍵問題及其代表性指標(biāo)，為后續(xù)土地利用適宜狀態(tài)評價提供基本準(zhǔn)則與分析數(shù)據(jù)。狀態(tài)評價基于土地利用方式中農(nóng)用、建設(shè)和生態(tài)功能主導(dǎo)性的考慮［9］，本研究主要通過土地適宜性和生態(tài)敏感性評價方法［20］、利用互斥矩陣方法［21］劃分不同的城市土地空間配置方案。景觀生態(tài)學(xué)研究為評價規(guī)劃方案的結(jié)果提供了定量化工具［22］，特別是景觀健康評價結(jié)果可作為城市功能分區(qū)和規(guī)劃的基礎(chǔ)［23］，本研究通過城市景觀健康綜合指數(shù)度量城市土地利用的健康狀態(tài)，以此進(jìn)行不同土地空間配置方案的潛在生態(tài)環(huán)境影響評價?；谏鲜龆吭u價結(jié)果，比較不同方案的優(yōu)劣，選擇對城市景觀健康影響最小的土地空間配置方案，并制定相應(yīng)的功能分區(qū)管制策略。

2 天津市土地空間配置優(yōu)化研究

2.1 研究區(qū)概況

天津地處華北平原東北部、海河流域下游、環(huán)渤海中心地帶，陸地面積11917.3km2，海岸線長約153km，濕地資源豐富，素有“九河下梢”、“河海要沖”之稱。全市地勢北高南低，平原居多，山區(qū)面積僅為4％；天津市現(xiàn)轄15個區(qū)/縣，2007年末，天津市國內(nèi)生產(chǎn)總值已達(dá)5018億元，常住人口1115萬人，按常住人口計算，人均生產(chǎn)總值達(dá)到45829元。

2.2 城市土地利用驅(qū)動因素分析

2006年天津?yàn)I海新區(qū)開發(fā)開放已納入國家總體發(fā)展戰(zhàn)略。根據(jù)2000—2007年主要社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)發(fā)展趨勢分析，2006年，天津市國內(nèi)生產(chǎn)總值、固定資產(chǎn)投資和人口三項指標(biāo)增長速度明顯加快，是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要拐點(diǎn)。這說明天津市開發(fā)建設(shè)已步入新一輪的高速發(fā)展階段，城市土地利用與保護(hù)將面臨巨大壓力。

2.3 城市土地利用壓力分析與關(guān)鍵指標(biāo)提取

快速的城市化過程已引起了天津市土地利用的顯著變化。根據(jù)1985—2007年天津市土地利用結(jié)構(gòu)和用地格局變化分析（表1），20多年來天津市生態(tài)用地處于明顯萎縮與破碎化態(tài)勢，同時伴隨著城市建設(shè)用地增加、斑塊數(shù)目下降和平均斑塊大小減少。這說明城市建設(shè)用地呈連片蔓延發(fā)展趨勢，生態(tài)用地被直接擠壓侵占，同時其生態(tài)整體性和連通性被強(qiáng)烈分割。另一方面，天津市環(huán)境污染問題不容樂觀，特別是污水灌溉已對武清、西青等區(qū)域大面積土壤造成不同程度的污染，直接威脅到農(nóng)作物甚至糧食生產(chǎn)安全。

表1 1985—2007年天津市用地結(jié)構(gòu)與格局特征①數(shù)據(jù)來源于天津市土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查。Tab.1 Structures and pattern characteristics of land use in Tianjin City from 1985 to 2007

可見，在天津市強(qiáng)勁的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展推動與生態(tài)用地數(shù)量下降、功能衰退的影響下，土地資源質(zhì)與量的雙重需求壓力巨大，生態(tài)用地和建設(shè)用地之間矛盾突出，急需合理配置城市建設(shè)用地和生態(tài)用地。

2.4 城市土地利用適宜狀態(tài)評價與空間配置方案制定

2.4.1 城市土地保護(hù)適宜性評價（Land protection suitability，LPS） 耕地是天津市土地利用的主要方式，濕地、林地等是維續(xù)天津市良好生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)，它們在不同程度上對各類社會經(jīng)濟(jì)開發(fā)活動具有敏感性。本研究主要通過耕地適宜性和其他用地生態(tài)敏感性評價方法識別天津市土地保護(hù)適宜性等級。其中，耕地適宜性評價主要根據(jù)研究區(qū)耕地自然、經(jīng)濟(jì)條件及其承受環(huán)境污染壓力特征及資料可獲取性，選取坡度、土壤特征、灌溉條件以及糧食單產(chǎn)為評價因子，采取模糊評價方法［20］進(jìn)行綜合評價，評價結(jié)果分為很適宜、適宜、勉強(qiáng)適宜和不適宜4個等級（表2）。其他用地生態(tài)敏感性評價，主要以除耕地外的其他用地為評價單元，采用生態(tài)因子評分方法［20］確定其生態(tài)敏感程度，評價結(jié)果分為強(qiáng)敏感、敏感、弱敏感和不敏感4個等級（表3）。最終，在耕地適宜性和其他用地生態(tài)敏感性評價結(jié)果基礎(chǔ)上，依據(jù)生態(tài)保護(hù)潛在價值劃分土地生態(tài)保護(hù)適宜性等級，并通過ArcGIS 9.0空間疊加分析技術(shù)確定天津市土地生態(tài)保護(hù)適宜性空間分布狀態(tài)（圖2）。

2.4.2 城市土地開發(fā)潛力評價（Land development suitability，LDS） 天津城市土地開發(fā)潛力評價主要基于城市建設(shè)成本和發(fā)展?jié)摿紤]，選擇區(qū)位條件、地質(zhì)條件以及人口密度和地均GDP等因子（表4），采用模糊評價方法［20］進(jìn)行評價，最終分為高潛力、中潛力、低潛力和不適宜開發(fā)4個等級（圖3）。

2.4.3 城市土地利用空間配置方案的制定 以城市土地保護(hù)適宜性與開發(fā)潛力評價結(jié)果為基礎(chǔ)，對二者不同適宜性等級建立互斥性矩陣分類表，劃定綜合適宜性圖斑，并依據(jù)不同適宜性圖斑的優(yōu)先發(fā)展順序，確定3個不同目標(biāo)下的城市土地空間配置方案（圖4—6）。其中，方案1為經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)先（Economic development first，EDF），除生態(tài)保護(hù)價值極高的林地、濕地外，首先考慮滿足城市開發(fā)建設(shè)需求；方案2為生態(tài)保護(hù)優(yōu)先（Ecological protection first，EDF），除具高開發(fā)建設(shè)潛力的用地外，在考慮城市土地的生態(tài)保護(hù)價值的基礎(chǔ)上滿足城市開發(fā)建設(shè)需要；方案3為協(xié)調(diào)方案（Harmonious development，HD），即對城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)進(jìn)行統(tǒng)籌。

2.5 不同土地利用空間配置的景觀健康影響評價

2.5.1 評價指標(biāo)體系與方法 研究中采用城市景觀健康指數(shù)定量評價不同土地空間配置方案的潛在生態(tài)環(huán)境影響。在此評價體系中，包括活力、組織結(jié)構(gòu)和恢復(fù)力三個層次，其中活力指土地空間配置方案在社會經(jīng)濟(jì)方面的建設(shè)效率和保障程度，主要采用適宜建設(shè)土地斑塊面積比和斑塊結(jié)合度兩項具體指標(biāo)；組織結(jié)構(gòu)主要指土地類型在景觀水平上的功能空間關(guān)系，這里選擇景觀形狀指數(shù)表示；恢復(fù)力是指土地空間配置方案在受到嚴(yán)重干擾和脅迫的作用后恢復(fù)到被破壞之前的功能和狀態(tài)的能力，在城市區(qū)域主要體現(xiàn)為生態(tài)功能斑塊生態(tài)功能的發(fā)揮程度，這里選擇適宜生態(tài)保護(hù)土地的斑塊結(jié)合度和最大斑塊指數(shù)表示。通過對上述指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算，獲得不同土地空間配置方案的景觀健康綜合指數(shù)LHI。計算公式如下：

表2 耕地適宜性評價因素及指標(biāo)Tab.2 Factors and indices of farm land suitability assessment

表3 其他用地生態(tài)敏感性評價因素及指標(biāo)Tab.3 Factors and indices of eco-sensitivity assessment on other types of land use

表4 土地開發(fā)潛力評價因素及指標(biāo)Tab.4 Factors and indices of land development potential assessment

2.5.2 不同方案下城市景觀健康狀況比較 根據(jù)不同方案的城市景觀健康綜合評價（表5），對于景觀組織結(jié)構(gòu)而言，方案1景觀形狀指數(shù)最低，說明在方案1下城市土地利用類型間相互聯(lián)系最小，最不利于城市生態(tài)用地功能、效益向城鎮(zhèn)用地的滲透。對于景觀活力而言，方案2建設(shè)用地斑塊面積比重和斑塊結(jié)合度最小，說明在方案2下城市建設(shè)保障度和和建設(shè)效率最低，城市社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)的成本會明顯增加。對于景觀恢復(fù)力而言，方案3生態(tài)保護(hù)用地斑塊結(jié)合度和最大斑塊指數(shù)最大，說明方案3下城市土地空間配置更利于其生態(tài)功能的發(fā)揮。綜合評價不同土地空間配置方案的景觀健康指數(shù)，以方案3最高，方案2次之，而方案1最低，這說明若按照方案3進(jìn)行城市土地開發(fā)建設(shè)，對城市未來景觀健康的影響最小。

表5 天津市土地空間配置方案的景觀健康評價Tab.5 Landscape healthy assessment on land spatial allocation scheme in Tianjin City

2.6 城市土地空間配置方案的選擇與優(yōu)化策略

2.6.1 城市土地空間配置方案的選擇 根據(jù)Forman“集中與分散結(jié)合”的景觀生態(tài)規(guī)劃模式，優(yōu)質(zhì)的生態(tài)組分、合理的空間格局以及“最大化”生態(tài)功能是景觀生態(tài)規(guī)劃的基本原則［24］。從不同土地空間配置方案的景觀健康評價可知，協(xié)調(diào)發(fā)展方案雖然在景觀活力和組織結(jié)構(gòu)方面稍劣于經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)先方案和生態(tài)保護(hù)優(yōu)先方案，但此方案的生態(tài)用地斑塊具有最大的斑塊指數(shù)和結(jié)合度，生態(tài)功能發(fā)揮程度與景觀恢復(fù)力極高，同時對未來城市景觀健康狀況的影響最小，因此協(xié)調(diào)發(fā)展方案可作為天津市域土地空間配置的首選方案，是未來城市土地利用功能分區(qū)的依據(jù)。

2.6.2 城市土地空間配置優(yōu)化方案與策略 依據(jù)協(xié)調(diào)發(fā)展方案，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀，進(jìn)一步劃定天津市土地利用功能分區(qū)（圖7）：（1）生態(tài)保護(hù)區(qū)面積3176.40km2，占市域的26.65％，包括林地區(qū)、濕地保護(hù)區(qū)和基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)三個土地功能分區(qū)。此區(qū)嚴(yán)禁任何形式的開發(fā)建設(shè)活動，可用于科學(xué)研究等。（2）生態(tài)恢復(fù)區(qū)面積3690.14km2，占市域的30.97％，包括生態(tài)保護(hù)區(qū)周邊的環(huán)境敏感區(qū)與中度宜耕的一般農(nóng)田區(qū)。此區(qū)允許進(jìn)行旅游開發(fā)等低強(qiáng)度的設(shè)施建設(shè)，主要作為城市生態(tài)恢復(fù)區(qū)域，依據(jù)現(xiàn)狀條件進(jìn)行植被恢復(fù)與重建。前兩區(qū)面積比合計57.62％，二者空間邊界可參考作為天津城市發(fā)展的生態(tài)控制底線。（3）控制建設(shè)區(qū)面積3082.35km2，占市域的25.86％，包括城市已建成區(qū)周邊的一般農(nóng)田區(qū)和植被條件較好的產(chǎn)業(yè)建設(shè)區(qū)，此區(qū)原則上近期（2020年前）不進(jìn)行大規(guī)模開發(fā)建設(shè)，遠(yuǎn)期可作為城市發(fā)展備用地；為保留良好的生態(tài)基礎(chǔ)，若在此區(qū)開展建設(shè)活動需進(jìn)行嚴(yán)格的可行性論證和生態(tài)環(huán)境影響評價，要控制建設(shè)規(guī)模與性質(zhì)。（4）優(yōu)先建設(shè)和優(yōu)化建設(shè)區(qū)面積分別為1720.64km2和247.79km2，各占市域面積的14.44％和2.08％，此區(qū)包括生態(tài)基礎(chǔ)較差且開發(fā)建設(shè)潛力好的城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)和產(chǎn)業(yè)建設(shè)區(qū)，主要位于中心城區(qū)、近郊四區(qū)和濱海新區(qū)，可根據(jù)需要安排重大建設(shè)項目，盡量減少對現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)的損害，同時加強(qiáng)城市綠地建設(shè)，改善城市生態(tài)環(huán)境。

3 結(jié)論與討論

本研究以天津市為例，探討了基于DPSIR模型的市域土地空間配置優(yōu)化研究框架與定量分析方法。通過天津城市土地利用與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)動機(jī)制分析、土地綜合適宜性和城市景觀健康評價，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)先、生態(tài)保護(hù)優(yōu)先和協(xié)調(diào)發(fā)展方案中，按照協(xié)調(diào)發(fā)展方案進(jìn)行土地利用布局，對未來景觀健康影響最小，因此建議協(xié)調(diào)發(fā)展方案作為土地利用空間配置優(yōu)化的首選方案，并據(jù)此劃分天津市域土地利用功能分區(qū)。

目前適宜性評價及分區(qū)是土地空間配置優(yōu)化的基礎(chǔ)和有效手段，其評價指標(biāo)、權(quán)重選擇與分區(qū)方法是亟需加強(qiáng)和深入的內(nèi)容［9，14］。依據(jù)天津市案例分析可知，基于驅(qū)動力、壓力和狀態(tài)的分析方法，有助于研究者針對不同城市的土地利用特點(diǎn)選擇適宜性評價內(nèi)容與指標(biāo)，為合理構(gòu)建評價體系提供了有效途徑；基于景觀健康的影響評價與響應(yīng)分析方法，可在一定程度上量化土地空間配置方案的潛在生態(tài)影響，減少土地空間配置優(yōu)化方案選擇中的人為主觀因素，為進(jìn)一步劃定土地功能分區(qū)和制定分區(qū)管制原則提供科學(xué)依據(jù)。今后，如何進(jìn)一步完善城市景觀健康評價指標(biāo)體系，更加全面、客觀地反映土地空間配置對城市生態(tài)質(zhì)量的影響，將是應(yīng)用市域土地空間配置DPSIR優(yōu)化模型時需要探索和思考的問題。

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