內(nèi)蒙古杭錦旗“三線”空間耦合與模擬

安 娜

(內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

生態(tài)空間、農(nóng)業(yè)空間和城鎮(zhèn)空間的研究是國(guó)土空間規(guī)劃與管理的基礎(chǔ)工作，土地利用結(jié)構(gòu)和布局調(diào)整的重要依據(jù)是政策性及綜合性均較強(qiáng)的國(guó)土空間規(guī)劃。一方面國(guó)土規(guī)劃的側(cè)重點(diǎn)是國(guó)土資源的綜合開(kāi)發(fā)、利用以及保護(hù)的空間合理安排，意在提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和福利水平；另一方面空間規(guī)劃側(cè)重的是空間均衡，旨在對(duì)公共部門(mén)的空間活動(dòng)帶來(lái)影響，形成一個(gè)較為合理的地域組織，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。人類(lèi)只有遵循自然規(guī)律才能有效防止在開(kāi)發(fā)利用自然上走彎路，人類(lèi)對(duì)大自然的傷害最終會(huì)傷及人類(lèi)自身，這是無(wú)法抗拒的規(guī)律。要加大生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)力度、實(shí)施重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程，優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系，構(gòu)建生態(tài)廊道和生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)，從而提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性。追求生態(tài)和諧的城市發(fā)展在很早就引起了眾多研究學(xué)者的關(guān)注。

根據(jù)動(dòng)物遷徙廊道的保護(hù)需求，俞孔堅(jiān)等學(xué)者提出最小累計(jì)阻力模型(MCR)，這是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的生態(tài)保護(hù)與城市開(kāi)發(fā)邊界協(xié)同耦合的分析技術(shù)。盡管MCR是對(duì)城市擴(kuò)張與生態(tài)保護(hù)二元空間協(xié)調(diào)性分析的強(qiáng)調(diào)，但是該方法的不足之處是缺乏對(duì)復(fù)雜城市擴(kuò)張過(guò)程的地理驅(qū)動(dòng)相關(guān)描述，只是單純強(qiáng)調(diào)城市空間布局下的生態(tài)保護(hù)，難以滿(mǎn)足在現(xiàn)實(shí)城市發(fā)展中多目標(biāo)協(xié)同整合的需要。筆者通過(guò)對(duì)杭錦旗生態(tài)空間邊界的劃定、基本農(nóng)田保護(hù)邊界的劃定和城市開(kāi)發(fā)邊界的預(yù)測(cè)，通過(guò)“三線”空間耦合與情景分析，確定優(yōu)化方案。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

杭錦旗處于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西北部，境內(nèi)是由黃河沖積平原、沙地沙漠、波狀高平原和砒砂巖丘陵鑲嵌排列的地形地貌，縱跨鄂爾多斯高原和河套平原，具有明顯的帶狀分布規(guī)律：北部是黃河南岸的沖積平原，地勢(shì)平坦；中北部是橫跨全旗境內(nèi)的庫(kù)布齊沙漠，風(fēng)沙地貌十分發(fā)育；庫(kù)布齊沙漠的中部為波狀高平原，中南部地區(qū)是波狀高平原和丘陵地帶，丘陵分布在東西兩端；東南部為毛烏素沙地邊緣；杭錦旗東西長(zhǎng)197km，南北寬106km，總土地面積18 814.03km2，耕地占土地總面積的3.43%，園地占0.09%，林地占9.12%，草地54.48%，城鎮(zhèn)及工礦用地占0.69%，交通用地占0.34%，水域及水利設(shè)施用地占2.85%，沙地占28.83%。草地和沙地是杭錦旗土地利用的主要類(lèi)型，由于全旗沙地面積較大，在自然條件和人類(lèi)活動(dòng)的雙重作用下，出現(xiàn)了水土流失、土地荒漠化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，已經(jīng)成為全區(qū)典型的生態(tài)脆弱區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

筆者采用杭錦旗2017年度土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)制作基礎(chǔ)底圖。此外還有杭錦旗國(guó)土資源局提供的土地利用總體規(guī)劃、主體功能分區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)圖件等資料；環(huán)保、林業(yè)、水利、氣象提供的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，生態(tài)公益林建設(shè)，水源保護(hù)規(guī)劃等相關(guān)資料；統(tǒng)計(jì)局提供的人口普查、統(tǒng)計(jì)年鑒(2002年-2017年)和當(dāng)?shù)毓嫉膰?guó)土資源公報(bào)、中國(guó)經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)報(bào)等資料；遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)，包括杭錦旗2017年的Landsat 8 TM遙感數(shù)據(jù)及分辨率為30m的DEM高程影像數(shù)據(jù)等。

2 研究方法

2.1 景觀安全格局分析

景觀安全格局法在生態(tài)用地保護(hù)研究中強(qiáng)調(diào)的是對(duì)維持區(qū)域關(guān)鍵生態(tài)過(guò)程生態(tài)用地的保護(hù)。筆者通過(guò)查閱研究區(qū)域自然資源狀況、生態(tài)環(huán)境狀況、社會(huì)發(fā)展情況等因素，為構(gòu)建研究區(qū)單一生態(tài)過(guò)程的景觀安全格局選取了土壤保持、防風(fēng)固沙、水源涵養(yǎng)三個(gè)重要生態(tài)功能指標(biāo)，通過(guò)空間疊加進(jìn)而構(gòu)建研究區(qū)的綜合安全格局，從而劃定生態(tài)空間邊界。景觀安全格局法主要包括三個(gè)步驟，分別是構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、識(shí)別源地、篩選生態(tài)廊道。

2.1.1 源地的識(shí)別。 確定源地要充分考慮不同生態(tài)過(guò)程及其所發(fā)揮的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。基于相關(guān)文獻(xiàn)查閱，與研究區(qū)實(shí)地情況，確定林地、草地、水域、沙地作為生態(tài)源地。

2.1.2 生態(tài)廊道的篩選。 基于景觀生態(tài)學(xué)上“基質(zhì)-斑塊-廊道”的原理，廊道被認(rèn)為是連接不同類(lèi)型斑塊、促進(jìn)斑塊間物質(zhì)能量流動(dòng)的重要通道，有信息、物質(zhì)、能量的傳遞、水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙等重要生態(tài)功能。在最小累計(jì)阻力面上，“源”間廊道即阻力低谷在相鄰生態(tài)源地之間，也是相鄰兩“源”間物種間最易通過(guò)的低阻力通道。在GIS軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上，采用ArcGIS10.3空間分析模塊cost distance工具，生成的積累景觀阻力面是以源地為中心的，以此規(guī)定一級(jí)廊道。根據(jù)一級(jí)廊道的劃定結(jié)果，可將全旗范圍分為諸多小型的區(qū)域，以此為依據(jù)逐個(gè)劃定二級(jí)廊道，逐級(jí)篩選生態(tài)廊道。

2.1.3 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。Kenneth(2012)編制了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流圖(見(jiàn)圖1)，將“源”地、生態(tài)廊道等疊加組合在一起，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流，構(gòu)建區(qū)域內(nèi)不同等級(jí)水平的景觀安全格局，通過(guò)阻力面空間特性的分析求得生態(tài)過(guò)程的趨勢(shì)和動(dòng)態(tài)的某些閾值，通過(guò)疊加分析，從而確定維持該區(qū)域生態(tài)安全的空間布局和生態(tài)用地規(guī)模。

圖1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流圖

2.2 Logistic-CA 城市預(yù)測(cè)模型

城市是一個(gè)大系統(tǒng)，其子系統(tǒng)之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，如人口、交通、土地利用等，利用非線性作用和自組織方式等進(jìn)一步疊加功能、結(jié)構(gòu)與行為，從而促使城市不斷演化。城市擴(kuò)張研究的重要內(nèi)容是模擬城市系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)城市的地域?qū)嶓w的抽象和概況，描述和表達(dá)城市擴(kuò)張規(guī)模及其空間分布的動(dòng)態(tài)行為過(guò)程，是采用數(shù)學(xué)方法定量獲得的，為研究城市系統(tǒng)內(nèi)在特征及動(dòng)態(tài)演化過(guò)程提供了有利的分析工具。地理模擬與優(yōu)化系統(tǒng)(Geographical Simulation and Optimization Systems，GeoSOS)是在地理元胞自動(dòng)機(jī)、多智能體和空間優(yōu)化等研究基礎(chǔ)上由黎夏教授、葉嘉安教授、劉小平博士以及他們團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和研發(fā)的。GeoSOS是GIS的重要補(bǔ)充工具，來(lái)彌補(bǔ)GIS在過(guò)程模擬和優(yōu)化中存在功能不足的問(wèn)題。GeoSOS 由三個(gè)重要模塊組成的，包含地理元胞自動(dòng)機(jī)(CA)、多智能體系統(tǒng)(MAS)、生物智能(SI)。其中，地理元胞自動(dòng)機(jī)模塊包含了常用的 CA 模型，它的Logistic-CA為多種土地利用變化模擬提供了快捷、簡(jiǎn)便的工具，可以有效地進(jìn)行地理模擬，該系統(tǒng)還能將模擬和優(yōu)化耦合，進(jìn)一步改善優(yōu)化結(jié)果，成為復(fù)雜的資源環(huán)境模擬和優(yōu)化強(qiáng)有力的過(guò)程分析工具。

元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular Automata，簡(jiǎn)稱(chēng) CA)CA模型可以用以下公式表示：

S(t+1)=f(S(t)，N)

(1)

式中：S—元胞有限、離散的狀態(tài)集合；

N—每個(gè)元胞的鄰域；

t、t+1—某一特定時(shí)刻；

f—局部空間的元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則函數(shù)。

筆者在GeoSOS軟件的支持下，以2009年杭錦旗土地利用圖為基礎(chǔ)，按照2009年-2016年土地利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移概率，構(gòu)建Logistic-CA土地模型對(duì)2020年杭錦旗土地利用類(lèi)型進(jìn)行模擬。具體構(gòu)建過(guò)程如下：

2.2.1 定義。在本次研究中通過(guò)矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)的土地利用現(xiàn)狀圖作為元胞空間，其圖像像元為元胞。元胞大小設(shè)置為500×500。在平常的元胞自動(dòng)機(jī)模型中，元胞狀態(tài)呈現(xiàn)的是有限、離散的集合，取其中的一個(gè)值，將元胞及其狀態(tài)賦予相應(yīng)的地理含義，從而描述模擬地理實(shí)體變化模型。元胞自動(dòng)機(jī)的元胞狀態(tài)定義為每個(gè)像元的土地利用類(lèi)型即耕地、種植園用地、林地、牧草地、建設(shè)用地和未利用等。

2.2.2 空間變量及數(shù)據(jù)獲取。元胞自動(dòng)機(jī)中，元胞和其所處鄰域這一時(shí)刻的狀態(tài)決定了元胞下一時(shí)刻的狀態(tài)，因此鄰域的定義對(duì)于元胞自動(dòng)機(jī)十分重要。Logistic回歸模型是通過(guò)校正來(lái)求算某元胞的發(fā)展概率。元胞中的每一個(gè)土地利用類(lèi)型變化概率與一系列空間變量、鄰近范圍的土地利用類(lèi)型元胞數(shù)、元胞本身的屬性等密切相關(guān)。結(jié)合杭錦旗的實(shí)際情況，選擇了以下變量作為空間變量，如表1所示。

表1 class="table_title">空間變量及獲取方法

CA元胞自動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)就是模擬出復(fù)雜的、全局的空間模式通過(guò)簡(jiǎn)單的局部轉(zhuǎn)換規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)。變量對(duì)應(yīng)著的參數(shù)值反映了不同變量對(duì)模型的貢獻(xiàn)度。本研究是通過(guò)隨空間變化的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則進(jìn)行土地利用類(lèi)型變化的模擬。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)部自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等狀況的差異，分為若干子區(qū)，為了得到研究區(qū)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，通過(guò)逐步邏輯回歸法提取各個(gè)子區(qū)的 CA轉(zhuǎn)換規(guī)則。本文利用該模型模擬杭錦旗在2009年-2016年的土地利用變化趨勢(shì)，從而預(yù)測(cè)杭錦旗中心城區(qū)城市擴(kuò)張邊界。

2.3 空間耦合與情景分析

耦合是指“兩個(gè)或兩個(gè)以上的系統(tǒng)通過(guò)相互作用而產(chǎn)生影響的現(xiàn)象”，強(qiáng)調(diào)各要素之間動(dòng)態(tài)的相互作用關(guān)系，即一個(gè)要素發(fā)生變化則會(huì)引起另一個(gè)要素的變化。在土地研究領(lǐng)域，耦合常用來(lái)探討土地利用與生態(tài)環(huán)境之間的相互關(guān)系，通過(guò)建立耦合模型來(lái)測(cè)定耦合度，從而對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的耦合關(guān)系進(jìn)行量化計(jì)算。

圖2 “三區(qū)三線” 概念的空間關(guān)系

本研究擬對(duì)杭錦旗土地生態(tài)保護(hù)線、基本農(nóng)田保護(hù)和城市擴(kuò)展邊界線三條界限進(jìn)行空間耦合，通過(guò)耦合及對(duì)優(yōu)化土地生態(tài)保護(hù)線的規(guī)劃，得出土地生態(tài)紅線范圍。因此，本研究提出對(duì)于空間耦合的狹義定義，即在特定地域范圍內(nèi)，對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的要素進(jìn)行空間上的組合分配，達(dá)到所設(shè)定目標(biāo)的最優(yōu)解。與傳統(tǒng)意義上的“耦合”的區(qū)別在于，不是以反映耦合度來(lái)分析要素之間的相互作用關(guān)系，而是通過(guò)空間上的分配達(dá)到要素組合的最終結(jié)果。

圖3 三線耦合方案

為了對(duì)“三線”空間耦合方案進(jìn)行更為清晰的界定，將其轉(zhuǎn)換為示意圖的形式。如圖3所示，圖中三個(gè)圓圈分別代表土地生態(tài)保護(hù)線、基本農(nóng)田保護(hù)線和城市擴(kuò)展邊界線，“三線”重合區(qū)域?yàn)镚，兩線重合區(qū)域分別為DG、FG、EG，“三線”各自獨(dú)立的區(qū)域分別為A、B、C。G作為三線重合區(qū)域，具有耕地保護(hù)和生態(tài)保護(hù)的雙重保護(hù)屬性，同時(shí)也具有城市擴(kuò)張屬性，是性質(zhì)最為復(fù)雜的地區(qū)，G應(yīng)當(dāng)劃入土地生態(tài)保護(hù)線范圍，并需重點(diǎn)關(guān)注和監(jiān)控該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)保護(hù)紅線的劃定

研究區(qū)的綜合景觀安全格局在將確定的生態(tài)源地與生態(tài)廊道組合在一起構(gòu)建具有不同安全水平的單一生態(tài)功能的景觀格局的基礎(chǔ)上通過(guò)綜合空間疊加構(gòu)建。因?yàn)榉里L(fēng)固沙、土壤保持、水源涵養(yǎng)三個(gè)重要生態(tài)功能同等重要，所以利用ArcGIS對(duì)已經(jīng)構(gòu)建的3個(gè)單一生態(tài)功能格局進(jìn)行等權(quán)疊加，得到綜合安全格局，進(jìn)而劃定生態(tài)空間邊界。全旗生態(tài)空間主要分布在北部黃河南岸的沖積平原和東西兩端的丘陵地區(qū)，生態(tài)保護(hù)紅線土地面積為8 987.25km2，占全旗土地總面積的47.7%。

圖4 生態(tài)空間邊界分布

全旗生態(tài)系統(tǒng)以防風(fēng)固沙服務(wù)功能為主導(dǎo)功能，所構(gòu)建的生態(tài)空間沿中北部的庫(kù)布齊沙漠呈環(huán)狀分布；水源涵養(yǎng)為全旗最重要的生態(tài)服務(wù)功能，構(gòu)建的生態(tài)空間沿北部黃河沖積平原呈帶狀分布；土壤保持生態(tài)服務(wù)功能所構(gòu)建的生態(tài)空間主要分布在研究區(qū)境內(nèi)的北部丘陵地區(qū)。

3.2 基本農(nóng)田保護(hù)紅線的劃定

基本農(nóng)田具有用途改變的可逆困難性，將優(yōu)質(zhì)的耕地資源劃為基本農(nóng)田不僅保障國(guó)家糧食安全，還能滿(mǎn)足當(dāng)代及后代對(duì)糧食的需求，實(shí)現(xiàn)資源的合理配置。因此，以可持續(xù)發(fā)展理論作為基本農(nóng)田調(diào)整劃定的理論基礎(chǔ)，在調(diào)整基本農(nóng)田時(shí)，不僅要保證基本農(nóng)田的數(shù)量，更注重提高基本農(nóng)田的質(zhì)量，同時(shí)還要注重基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境，保證調(diào)整前后基本農(nóng)田數(shù)量不減少，質(zhì)量不降低，生態(tài)環(huán)境有所改善，實(shí)現(xiàn)人口、資源、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。本文所用基本農(nóng)田保護(hù)邊界為2017年原國(guó)土資源部對(duì)外公布的杭錦旗永久基本農(nóng)田保護(hù)邊界范圍，全旗共有永久基本農(nóng)田5 358hm2，占耕地總面積的82%，占全旗土地總面積的2.8%。

3.3 城市開(kāi)發(fā)邊界的預(yù)測(cè)

通過(guò)對(duì)2009年和2017年杭錦旗土地利用現(xiàn)狀空間疊加分析，得到全旗土地利用各地類(lèi)之間的轉(zhuǎn)移矩陣。其中，建制鎮(zhèn)土地面積由2009年的1 929hm2增加到2017年的2 327hm2，增加面積為398hm2，增加幅度為0.2；建制鎮(zhèn)主要是由林地和草地轉(zhuǎn)入而來(lái)。在GeoSOS 中Logistic-CA土地模型的支持下，利用杭錦旗2009年、2013年和2017年三期的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行建制鎮(zhèn)的預(yù)測(cè)模擬，預(yù)測(cè)到2020年杭錦旗中心城區(qū)城市開(kāi)發(fā)范圍與面積，預(yù)測(cè)面積為2 493hm2。

3.4 “三線”耦合與模擬

基于不同情景，設(shè)計(jì)不同情景下的“三線”空間耦合方案，筆者設(shè)計(jì)了三種情景方案：基本農(nóng)田保護(hù)優(yōu)先型方案、城市發(fā)展優(yōu)先型方案和生態(tài)保護(hù)優(yōu)先型方案。在每一個(gè)情景方案內(nèi)，討論“三線”的空間范圍，并進(jìn)行數(shù)量分析。基本農(nóng)田保護(hù)優(yōu)先型情景，強(qiáng)調(diào)對(duì)基本農(nóng)田的保護(hù)。從保護(hù)性質(zhì)來(lái)看，基本農(nóng)田保護(hù)也是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的一部分，不光對(duì)于糧食安全有重要意義，對(duì)于維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有著深遠(yuǎn)的影響。這一情景優(yōu)先保護(hù)基本農(nóng)田范圍，因此把耕地納入基本農(nóng)田保護(hù)線范圍，共同作為基本農(nóng)田保護(hù)線范圍，這種情景下基本農(nóng)田面積為65 003hm2。城市發(fā)展優(yōu)先情景在最大程度上保障城市擴(kuò)張的用地需求，除三線重合的G區(qū)域納入土地生態(tài)保護(hù)線范圍之外，城市擴(kuò)展邊界線和土地生態(tài)保護(hù)線的重合區(qū)域E從生態(tài)保護(hù)線范圍內(nèi)擦除，共去除166hm2，這種情景下土地生態(tài)保護(hù)線面積約為898 559hm2。生態(tài)保護(hù)優(yōu)先型情景將土地生態(tài)保護(hù)線作為基礎(chǔ)，將城市擴(kuò)展邊界與其重合區(qū)域也納入土地生態(tài)保護(hù)線范圍，這種情景下土地生態(tài)保護(hù)線面積約為898 891hm2。而基本農(nóng)田作為生態(tài)環(huán)境保護(hù)不可分割的重要部分，在這一情景中納入生態(tài)保護(hù)線的次級(jí)保護(hù)區(qū)域，形成分級(jí)管控保護(hù)線。