基于土地利用功能最大化的多情景土地利用優(yōu)化研究*

徐 爽，朱永明

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源學(xué)院，保定 071001）

0 引言

2019年通過的《中華人民共和國土地管理法》修正案中新增第十八條規(guī)定：建立國土空間規(guī)劃體系作為各類開發(fā)、保護(hù)和建設(shè)活動(dòng)的依據(jù)。并在國土空間規(guī)劃的制定要求中明確指出，要明確國土空間用途，對(duì)所有國土空間用途及功能進(jìn)行監(jiān)管。國土空間規(guī)劃的制度及城鄉(xiāng)移民和農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的大背景對(duì)土地利用提出了更高的要求，但目前保定市土地利用依然存在利用方式單一、閑置土地多等問題?；谕恋乩霉δ芸茖W(xué)引導(dǎo)土地利用方式轉(zhuǎn)變及布局優(yōu)化，可以為未來保定市空間規(guī)劃提供理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)有序發(fā)展。

土地利用功能價(jià)值量化的研究開始于對(duì)耕地資源或農(nóng)業(yè)功能價(jià)值的評(píng)估[1,2]，逐漸發(fā)展為基于空間屬性對(duì)地域“三生空間”的功能價(jià)值進(jìn)行量化[3]。土地利用功能是人地關(guān)系的重要表征，土地利用優(yōu)化則是使人地關(guān)系合理化的重要方式。Plummer[4]最早提出土地利用優(yōu)化的定義：“土地利用優(yōu)化是對(duì)區(qū)域的土地資源和不同土地利用類型進(jìn)行最合適的數(shù)量安排和空間布局，從而提高土地資源的效率和效益，得以維系土地利用的相對(duì)平衡，最終實(shí)現(xiàn)土地資源的可持續(xù)性發(fā)展。”Yang[5]指出土地利用優(yōu)化的過程包括土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化及空間格局優(yōu)化兩個(gè)方面。國內(nèi)學(xué)者對(duì)土地利用優(yōu)化的研究也大致分為結(jié)構(gòu)優(yōu)化及布局優(yōu)化兩個(gè)方面[6,7]，通常在以數(shù)學(xué)模型為優(yōu)化工具，得到土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)，再利用仿真模擬對(duì)土地利用空間格局進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)用SD模型[8]、CA-Markov模型[9]、CLUE-S模型[10,11]、SLEUTH模型[12,13]、COMOLA模型[14]等模型，模擬分析不同情境下土地利用的格局特征。其中，Xiaoping和Liang等[15-17]等提出FLUS模型，可以將人類活動(dòng)的影響考慮到土地利用的模擬中，并對(duì)多個(gè)土地利用覆被變化的長期空間軌跡做到準(zhǔn)確模擬。

當(dāng)前土地利用優(yōu)化研究多基于各土地利用類型的經(jīng)濟(jì)及生態(tài)功能效益，設(shè)定不同情景對(duì)土地利用的結(jié)構(gòu)與布局進(jìn)行優(yōu)化，但在未來地域空間發(fā)展過程中，土地利用功能屬性更為復(fù)雜多樣，僅僅對(duì)經(jīng)濟(jì)及生態(tài)效益的衡量無法滿足未來空間多功能發(fā)展的需求，且多數(shù)研究在判讀不同情景下土地利用優(yōu)化結(jié)果時(shí)較為主觀，缺乏客觀評(píng)價(jià)。由此文章從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生活保障及生態(tài)保育四個(gè)方面構(gòu)建土地利用功能價(jià)值量化體系，設(shè)定不同的情景對(duì)2026年保定市土地利用進(jìn)行土地利用優(yōu)化，最后利用耦合協(xié)調(diào)模型計(jì)算不同情境下的功能耦合協(xié)調(diào)度，分析不同情景下土地利用功能間的關(guān)系，為未來保定市國土空間規(guī)劃中的用地功能管制提供新思路。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

圖1 研究區(qū)位置及范圍

1.1 研究區(qū)域

該文以保定市市轄范圍作為研究區(qū)，保定市地處京、津、石三角腹地，緊靠雄安新區(qū)，是河北省重要經(jīng)濟(jì)、文化中心，也是京津冀一體化的關(guān)鍵區(qū)域。地貌類型上包括平原、丘陵和小部分中低山區(qū)，鄉(xiāng)村地域具有典型華北地區(qū)鄉(xiāng)村特征。從2018年土地利用布局看，保定市耕地與建設(shè)用地主要分布在平原地區(qū)，林地及草地主要分布在山地丘陵地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究所需2010年、2018年土地利用數(shù)據(jù)來源于Landsat-8遙感數(shù)據(jù)，所選影響云層小于2%，通過ENVI軟件進(jìn)行影像融合、幾何校正等處理后，通過人機(jī)交目視解譯將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地6類，得到精度為30m×30m的土地利用類型圖。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn/)；道路河流矢量數(shù)據(jù)及行政區(qū)邊界數(shù)據(jù)來源于國家地理信息中心1∶100萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)主要來自于2010—2019年《保定經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》《河北經(jīng)濟(jì)年鑒》及《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2 研究方法

2.1 土地利用多功能定量測(cè)定

地域功能價(jià)值定量識(shí)別的核心是基于多學(xué)科的知識(shí)，耦合人文和自然兩個(gè)角度對(duì)土地功能進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的價(jià)值評(píng)估[18]。該文參考前人的研究成果，將土地利用功能定義為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能、經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能、生活保障功能及生態(tài)保育功能4個(gè)功能，并進(jìn)行二級(jí)分類（表1）。參考李廣東等的“三生空間”服務(wù)功能[19]，及謝高地的中國生態(tài)服務(wù)價(jià)值因子當(dāng)量表對(duì)保定市土地利用功能價(jià)值進(jìn)行評(píng)估[20,21]。在沒有人力投入的前提下，一個(gè)自然生態(tài)系統(tǒng)貢獻(xiàn)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值量等于研究區(qū)平均糧食單價(jià)市場(chǎng)價(jià)值的1/7。2018年保定市糧食單產(chǎn)5 875kg/hm2，2018年平均糧食最低收購價(jià)格2.35元/kg，以此為依據(jù)計(jì)算研究區(qū)的功能價(jià)值?；?010—2018年保定市經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用GM（1,1）灰色預(yù)測(cè)模型求得2026年研究區(qū)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并將其作為量化依據(jù)。

表1 保定市土地利用多功能分類

對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能價(jià)值，該文利用不同產(chǎn)值代表各地類的食物生產(chǎn)能力，以農(nóng)業(yè)產(chǎn)值代表耕地、林業(yè)產(chǎn)值代表林地、牧業(yè)產(chǎn)值代表草地、漁業(yè)產(chǎn)值代表水域[17]。糧食安全保障能力用稻谷和小麥的產(chǎn)量及2018年國家糧食最低收購價(jià)計(jì)算得到[18]，公式為：

式（1）中，Pi為各糧食產(chǎn)量；Qi為2018年各糧食國家最低收購價(jià)格；i=1，2分別代表稻谷和小麥。

對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能價(jià)值，原料生產(chǎn)功能中耕地、林地、草地、水域及未利用地的價(jià)值參考謝高地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表進(jìn)行計(jì)算，建設(shè)用地原料生產(chǎn)價(jià)值為2017年保定市規(guī)模以上采礦企業(yè)工業(yè)銷售額與建設(shè)用地像元數(shù)之比，商品與服務(wù)產(chǎn)品生產(chǎn)價(jià)值則為保定市二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值與建設(shè)用地像元數(shù)之比。

對(duì)于生活保障功能價(jià)值，其中就業(yè)保障功能是指人口在超過土地承載力時(shí)面臨的就業(yè)風(fēng)險(xiǎn)[23]，公式為：

式（2）中，Vw為就業(yè)保障價(jià)值，P0為人口承載力，我國在中等投入水平條件下土地承載人口能力為3.68～5.51人/hm2[1,18]，取4人/hm2為保定市人口承載力；P1為土地最小承載力，取值為3.68人/hm2；B為2018年失業(yè)保險(xiǎn)基金支出與年末領(lǐng)取保險(xiǎn)金人數(shù)之比；K為保定市城鎮(zhèn)居民人均可支配收入與農(nóng)民人均純收入之比。

基本生活保障功能計(jì)算公式為[23]：

式（3）中，Vi為基本生活保障功能價(jià)值；L為2018年保定市農(nóng)村低保標(biāo)準(zhǔn)3 700元/年/人。

生態(tài)保育功能價(jià)值參考謝高地的中國生態(tài)服務(wù)價(jià)值因子當(dāng)量表計(jì)算得到（表2）。

表2 2026年保定市土地利用功能單位面積價(jià)值

2.2 多目標(biāo)規(guī)劃模型

多目標(biāo)規(guī)劃模型（MOP）是基于多個(gè)目標(biāo)函數(shù)的預(yù)測(cè)模型。利用MATLAB軟件，通過線性加權(quán)法將多目標(biāo)問題簡(jiǎn)化為單目標(biāo)數(shù)學(xué)規(guī)劃問題，包括決策變量、目標(biāo)函數(shù)及約束條件3個(gè)部分[24]。

2.2.1 多目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建

式（4）至（7）中，F(xiàn)1(x)、F2(x)、F3(x)及F4(x)分別表示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能價(jià)值、經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能價(jià)值、生活保障功能價(jià)值及生態(tài)保育功能價(jià)值；x i為不同土地利用類型的像元數(shù)，i=1，2，3，4，5，6分別代表耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地；ai、ei、li及ci分別為單位面積的各土地利用功能價(jià)值。

2.2.2 功能最大化情景設(shè)定及約束條件

根據(jù)保定市的現(xiàn)實(shí)狀況及未來發(fā)展目標(biāo)設(shè)定4種發(fā)展情景，分別為自然發(fā)展情景、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能優(yōu)先情景、經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先情景及生態(tài)保育功能優(yōu)先情景。其中自然發(fā)展情景是指根據(jù)過去土地利用變化情況，預(yù)測(cè)2026年研究區(qū)的土地利用情況。主要體現(xiàn)在不對(duì)其土地利用功能發(fā)展做出設(shè)定，僅根據(jù)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣及Markov模型計(jì)算土地利用結(jié)構(gòu)。其他情景則以自然發(fā)展情景下2026年保定市土地利用結(jié)構(gòu)為參照，根據(jù)不同發(fā)展目標(biāo)下各功能發(fā)展的重要性設(shè)定功能權(quán)重（表3）?！吨泄脖６ㄊ形P(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中強(qiáng)調(diào)：在十四五規(guī)劃期內(nèi)保定市的主要任務(wù)是通過農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化及農(nóng)村改革打造京津翼地區(qū)優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)基地，通過完善農(nóng)村基層設(shè)施建設(shè)改善農(nóng)村人居環(huán)境和通過發(fā)揮對(duì)口幫扶和社會(huì)力量幫扶實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村“五個(gè)振興”，突顯農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能及生活保障功能的重要地位。因此在情景設(shè)置時(shí)，令農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能及生活保障功能的比重始終大于0.2，經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能及生態(tài)保育功能的權(quán)重則依據(jù)情景側(cè)重不同進(jìn)行設(shè)定。

表3 保定市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)展情景設(shè)定

結(jié)合自然發(fā)展情景下各土地類型的結(jié)構(gòu)與《保定市土地利用總體規(guī)劃（2006—2020）調(diào)整完善方案》中的約束條件，參考相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同土地利用類型的數(shù)量進(jìn)行限制（表4）。

表4 保定市土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化約束條件

2.3 FULS模型

FLUS模型的基礎(chǔ)原理來自元胞自動(dòng)機(jī)（CA），并做了大幅度改進(jìn)，能夠很好地模擬出在社會(huì)經(jīng)濟(jì)與自然條件影響下的土地利用變化以及未來土地利用情況[26]。

模型實(shí)現(xiàn)：①基于研究目的的土地需求計(jì)算。根據(jù)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)，利用不同的模型得到未來土地利用數(shù)量，作為模型的輸入。②基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適宜性概率計(jì)算。根據(jù)不同研究目的下的土地利用變化驅(qū)動(dòng)因子，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（ANN）整合計(jì)算每種土地利用類型在每個(gè)像元上出現(xiàn)概率。③自適應(yīng)慣性競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。采用CA模型迭代的方式，確定各像元最適宜的用地類型。④模型精度檢驗(yàn)。計(jì)算Kappa系數(shù)對(duì)土地利用模擬精度進(jìn)行檢驗(yàn)。

該文以2010年的土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，模擬2018年的土地利用空間布局，并利用2018年的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行Kappa檢驗(yàn)，Kappa系數(shù)為0.846，模擬精度為88.93%，符合精度要求，表明利用FLUS軟件進(jìn)行土地利用功能值最大化的土地利用空間布局優(yōu)化可行。

選擇高程、坡度、到自然河流距離、到公路距離及城市化率作為該研究土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因子，通過FLUS軟件中的ANN-based Proability-of-occurrence Estimation模塊得到各土地利用類型的出現(xiàn)概率，且均方根誤差RMSE為0.302，符合訓(xùn)練精度要求。以多目標(biāo)規(guī)劃模型計(jì)算得到的不同情境下的土地利用需求為目標(biāo)，并設(shè)定基礎(chǔ)系數(shù)、地類轉(zhuǎn)換矩陣及鄰域擴(kuò)張參數(shù)，利用Self Adaptive Inertia and Competiton Mechanism CA模塊，模擬不同情景下的土地利用優(yōu)化布局。

2.4 耦合協(xié)調(diào)模型

在對(duì)各情景下功能價(jià)值進(jìn)行歸一化的基礎(chǔ)上，利用耦合協(xié)調(diào)模型測(cè)算各個(gè)情景下土地利用功能的耦合度及耦合協(xié)調(diào)度[27]，其公式為：

式（8）至（10）中，P1、P2、P3、P4分別代表農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能、經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能、生活保障功能及生態(tài)保育功能的價(jià)值；α、β、γ、δ分別代表各個(gè)功能的權(quán)重，考慮保定市未來發(fā)展需求，并參考相關(guān)文獻(xiàn)[28,29]，分別設(shè)定為0.23、0.3、0.25、0.22。C代表耦合度，D代表耦合協(xié)調(diào)度。C值越低，表明土地各功能之間的關(guān)聯(lián)度越低，系統(tǒng)向無序發(fā)展；D值越低，表明土地利用功能協(xié)調(diào)性越低，相互間的沖突越大[30]。將D值分為4類，0.0～0.3為重度失調(diào)，0.3～0.5為輕度失調(diào)，0.5～0.7為基本協(xié)調(diào)，0.7～1.0為高度協(xié)調(diào)。

在變壓器檢修過程中，按照變壓器檢修相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，在進(jìn)行變壓器排油檢修，工作結(jié)束后，再次注入變壓器油之前，都需要對(duì)變壓器進(jìn)行抽真空，在進(jìn)行主變油箱抽真空期間，多次發(fā)生套管底部瓷套破裂導(dǎo)致中性點(diǎn)法蘭密封面滲油的現(xiàn)象。

3 結(jié)果與分析

3.1 多情景下的土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

利用Markov模型及MOP模型，根據(jù)研究設(shè)定各情境下的各土地利用功能的權(quán)重，分別得到4種情景下的土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案（表5）及其土地利用功能價(jià)值（圖2）。

圖2 2026年不同情景下土地利用功能價(jià)值對(duì)比

表5 2026年不同情景保定市土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

在自然發(fā)展情景下，耕地、林地、草地及未利用地呈減少趨勢(shì)，其中耕地減少面積最大，減少了44 419.32hm2，占2018年耕地面積的5.72%；草地、林地及未利用地面積則分別減少了559.76hm2、20 158.56hm2和149.31hm2，占原有面積1.58%、4.19%及16.05%。水域及建設(shè)用地呈增長趨勢(shì)，其中建設(shè)用地增加58 804.11hm2，增加面積占原有面積22.81%，增長幅度最大；水域面積則增加了6 252.844hm2，占原有面積的16.68%。自然發(fā)展情景下的土地利用結(jié)構(gòu)變化使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能價(jià)值、生活保障功能價(jià)值及生態(tài)保育功能價(jià)值都呈減少趨勢(shì)，其中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能價(jià)值減少最多，減少了21.64億元。經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能價(jià)值呈增加趨勢(shì)，增長了934.45億元。自然發(fā)展情景下的土地利用結(jié)構(gòu)變化體現(xiàn)了在無制約情況下，土地利用變化的自然慣性使耕地及生態(tài)用地面積大幅減少，經(jīng)濟(jì)發(fā)展驅(qū)使建設(shè)用地大幅增長，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成傷害。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能優(yōu)先的情景下，耕地及水域面積保持不變，草地及未利用地面積呈減少趨勢(shì)，分別減少了15 544.98hm2及510.12hm2，占原有面積的3.23%及54.85%。林地及建設(shè)用地面積呈增長趨勢(shì)，分別增長了1 219.49hm2及3 593.61hm2，占原有面積的3.21%及1.39%。土地利用功能價(jià)值變化中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能價(jià)值減少了4.86億元；經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能、生活保障功能及生態(tài)保育功能的價(jià)值都呈增長趨勢(shì)，其中經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能價(jià)值增長最多，增長了57.40億元。與其他情景相比，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能優(yōu)先情景下的耕地保有量最大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能價(jià)值減少幅度最小，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能價(jià)值最低，說明保定市耕地保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展間仍然存在矛盾。

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先情景下，耕地、草地及未利用地呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，其中耕地面積減少最多，減少了88 874.46hm2，占原有面積11.44%。林地、水域及建設(shè)用地面積呈增長趨勢(shì)，分別增長了37 301.49hm2、8 553.96hm2及58 804.11hm2，占原有面積的9.83%、22.81%及22.80%。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能價(jià)值減少了28.16億元，經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能、生活保障功能及生態(tài)保育功能價(jià)值都呈增長趨勢(shì)，其中經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能價(jià)值增長幅度最大，增長了935.86億元，占原有價(jià)值的18.45%。經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先情景下對(duì)耕地減少的控制使得在保障耕地保有量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)增長，同時(shí)林地面積增長表明經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能能夠較合理的協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的關(guān)系。

在生態(tài)保育功能優(yōu)先情景下，耕地、草地及未利用地呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，其中耕地面積減少了102 491.01hm2，占原有面積13.19%，草地和未利用地面積分別減少20 158.56hm2及510.12hm2。林地、水域及建設(shè)用地面積呈增長趨勢(shì)，分別增長了110 742.12hm2、8 553.96hm2及3 593.61hm2。經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能價(jià)值增長了60.85億元，生活保障功能增長了6.82億元，增長最多的是生態(tài)保育功能價(jià)值，增加了125.16億元。在生態(tài)保育功能優(yōu)先情景下，生態(tài)保育功能價(jià)值取得最大值，主要是由于林地面積及水域面積的增加，表明在提升區(qū)域生態(tài)功能的過程中，對(duì)林地及水域的保護(hù)與恢復(fù)顯得至關(guān)重要。

由上述分析可以得到，在4種情景下草地面積都存在減少的趨勢(shì)，建設(shè)用地及水域面積存在增長的趨勢(shì)，耕地在除農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能優(yōu)先情景以外的情景下都呈下降趨勢(shì)。呈現(xiàn)出建設(shè)用地面積占比越大經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能價(jià)值越高，林地面積占比越大生態(tài)保育功能價(jià)值越高的規(guī)律。土地利用功能總價(jià)值在經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先情景下最高，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能優(yōu)先情景下最低，表明合理制定耕地保護(hù)政策是保定市未來土地利用功能價(jià)值提升的關(guān)鍵。而生活保障功能價(jià)值在生態(tài)保育功能優(yōu)先情景下取得最高值，說明生態(tài)用地的有效保護(hù)能夠提高宜居性。

3.2 多情景下的土地利用空間分布格局

基于MOP模型得到不同情景下土地利用需求數(shù)據(jù)，利用FLUS模型得到各情景下土地利用分布格局（圖3），及與2018年土地利用布局相比，多情景下各地類新增區(qū)域分布圖（圖4）?？梢钥闯觯?種情景下的土地利用變化存在著顯著差異。水域及草地整體布局變化不明顯，水域呈現(xiàn)外延式增長，草地在原有范圍上有所縮小，主要轉(zhuǎn)化成林地及耕地。未利用地在4種情景下都得到進(jìn)一步開發(fā)利用，主要是位于平原地區(qū)的未利用地向耕地及建設(shè)用地轉(zhuǎn)變。

圖3 2026年不同優(yōu)化情景下保定市土地利用優(yōu)化布局

圖4 2018—2026年不同優(yōu)化情景下保定市增加土地利用類型空間分布

林地主要位于研究區(qū)西部山地丘陵地區(qū)，平原地區(qū)有零星分布。在自然發(fā)展情景下，林地面積有所減少，主要轉(zhuǎn)向耕地及草地。在對(duì)用地規(guī)模進(jìn)行約束規(guī)劃后，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能優(yōu)先、經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先及生態(tài)保育功能優(yōu)先情景下的林地面積都呈現(xiàn)增長趨勢(shì)。經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先情景下林地增長多為原有林地內(nèi)部的填充式增長和部分外延式增長。生態(tài)保育功能優(yōu)先情景下的林地大幅增長主要來自原有林地周圍的耕地及部分草地轉(zhuǎn)變而來的填充式增長，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能優(yōu)先情景下的增長是林地在原有基礎(chǔ)上的外延式增長。

建設(shè)用地多數(shù)位于東部平原地區(qū)，在西部丘陵區(qū)有少量分布于海拔相對(duì)較低的地區(qū)，在部分經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)良好的區(qū)域呈現(xiàn)集中分布。由于城市或農(nóng)村用地需求不斷增加，4種情景下建設(shè)用地在原有建設(shè)用地基礎(chǔ)上外延式擴(kuò)張，東部平原地區(qū)擴(kuò)張主要依靠占用耕地，西部丘陵地區(qū)則主要依靠占用草地，同時(shí)在高海拔地區(qū)有部分林地轉(zhuǎn)變成建設(shè)用地。

3.3 多情景下的土地利用功能耦合協(xié)調(diào)度

基于各情景下的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，利用SPSS軟件計(jì)算其耦合協(xié)調(diào)度，得到不同情景類型下研究區(qū)土地利用功能的耦合協(xié)調(diào)度（表6）。結(jié)果顯示，自然發(fā)展情景下的土地利用功能關(guān)聯(lián)性較低，土地利用功能呈無序發(fā)展，且各功能間嚴(yán)重失調(diào)，沖突較大。與自然發(fā)展情景下的土地利用結(jié)構(gòu)相比，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能優(yōu)先、經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先及生態(tài)保育功能優(yōu)先情景下的功能耦合度與耦合協(xié)調(diào)度都有所提升，反映出基于土地利用功能最大化的土地利用優(yōu)化能夠使研究區(qū)土地系統(tǒng)向協(xié)調(diào)有序的方向發(fā)展。

表6 2026年不同情景類型下保定市土地利用功能耦合協(xié)調(diào)度

在對(duì)土地利用加以約束控制的3個(gè)情景中，耦合度及耦合協(xié)調(diào)度由小到大的順序?yàn)椋恨r(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能優(yōu)先情景＜生態(tài)保育功能優(yōu)先情景＜經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先情景，表明在經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先情景下各土地利用功能之間關(guān)聯(lián)度最高，且各功能間的發(fā)展也最協(xié)調(diào)，功能間沖突最小，能夠達(dá)到基本協(xié)調(diào)；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能優(yōu)先情景下的各土地利用功能間的關(guān)聯(lián)度相對(duì)較低，功能間關(guān)系仍處于輕度失調(diào)；生態(tài)保育功能優(yōu)先情景略差于經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先情景。

對(duì)不同情景下土地利用結(jié)構(gòu)及其布局進(jìn)行分析，計(jì)算各情景下的土地利用功能耦合協(xié)調(diào)度，得到在經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先情景下土地利用功能價(jià)值最高且功能間的協(xié)調(diào)關(guān)系最佳。因此基于經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)化情景下的優(yōu)化結(jié)果，對(duì)保定市未來土地利用結(jié)構(gòu)與布局進(jìn)行優(yōu)化，能夠有效增強(qiáng)未來土地利用的功能協(xié)調(diào)性。但經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先發(fā)展并不意味著盲目追求經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先情景下土地利用結(jié)構(gòu)和布局的合理性必須以對(duì)耕地及生態(tài)用地嚴(yán)格控制與保護(hù)為重要前提，因此要實(shí)現(xiàn)保定市協(xié)調(diào)發(fā)展的同時(shí)滿足農(nóng)村生產(chǎn)生活需求，應(yīng)該綜合考慮生產(chǎn)、生活、生態(tài)效益，基于經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先情景的土地利用優(yōu)化結(jié)果，對(duì)未來保定市國土空間做出合理規(guī)劃。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

該文結(jié)合土地利用功能、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等相關(guān)知識(shí)與前人的研究成果，通過將土地利用功能以貨幣化價(jià)值體現(xiàn)，構(gòu)建了土地利用功能量化指標(biāo)體系，并基于土地利用功能最大化的目標(biāo)設(shè)定自然發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能優(yōu)先、經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先及生態(tài)保育功能優(yōu)先4種發(fā)展情景，利用MOP模型及FLUS模型，在引入宏觀控制約束的前提下及對(duì)2026年保定市的土地利用結(jié)構(gòu)及空間布局進(jìn)行了模擬優(yōu)化，最后利用耦合協(xié)調(diào)模型對(duì)各情景下的土地利用功能的耦合協(xié)調(diào)度進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下。

（1）利用Markov模型及MOP模型對(duì)各情景下的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并利用其結(jié)構(gòu)及功能價(jià)值變化進(jìn)行分析得到4種情景下草地面積都存在減少的趨勢(shì)，建設(shè)用地及水域面積存在增長的趨勢(shì)，耕地在除農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能優(yōu)先情景以外的情景下都呈下降趨勢(shì)，且林地面積與生態(tài)保育功能價(jià)值呈正比關(guān)系，建設(shè)用地面積與經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能價(jià)值呈正比關(guān)系。土地利用功能總價(jià)值在經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先情景下最高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能優(yōu)先情景下最低，合理制定耕地保護(hù)政策是保定市未來土地利用功能價(jià)值提升的關(guān)鍵，而生活保障功能價(jià)值在生態(tài)保育功能優(yōu)先情景下取得最大值則表明生態(tài)環(huán)境的改善能夠提升宜居性。

（2）對(duì)比不同情景下的土地利用優(yōu)化空間布局，并以2018年土地利用現(xiàn)狀圖為參照，分析各地類新增區(qū)域空間變化情況，發(fā)現(xiàn)4種情景下土地利用布局變化較明顯的為建設(shè)用地及林地，建設(shè)用地多在原有基礎(chǔ)上外延式增長，主要集中于東部平原地區(qū)；林地以外延式或填充式在西北部山地丘陵區(qū)有所擴(kuò)張。耕地、草地及水域則都是在原有布局范圍基礎(chǔ)上有所增減，未利用地則多數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦丶敖ㄔO(shè)用地。

（3）自然發(fā)展情景的耦合協(xié)調(diào)度明顯低于其余情景，說明基于功能最大化目標(biāo)的土地利用優(yōu)化能夠有效促進(jìn)土地利用功能的協(xié)調(diào)發(fā)展。且經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先情景下的土地利用功能值價(jià)值最大，功能間關(guān)系最協(xié)調(diào)。表明以對(duì)耕地及生態(tài)用地嚴(yán)格控制與保護(hù)為重要前提，合理追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展是實(shí)現(xiàn)土地利用功能價(jià)值最大化的有效方式。

4.2 討論

該文以保定市為例，基于土地利用功能最大化的目標(biāo)進(jìn)行土地利用結(jié)構(gòu)及布局的優(yōu)化，將土地利用功能價(jià)值作為土地利用優(yōu)化依據(jù)，將保定市土地利用與其功能實(shí)現(xiàn)對(duì)接。研究表明現(xiàn)行土地利用變化趨勢(shì)下的保定市未來土地利用功能將嚴(yán)重失調(diào)，需嚴(yán)格落實(shí)耕地及生態(tài)用地保護(hù)政策、推動(dòng)建設(shè)用地高效利用以實(shí)現(xiàn)土地利用功能協(xié)調(diào)及價(jià)值最大化。研究得到的2026年保定市經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先情景下的土地利用結(jié)構(gòu)與布局，是在已有規(guī)劃約束下，實(shí)現(xiàn)各土地利用功能最大化的最優(yōu)利用方案，響應(yīng)了國家在進(jìn)行國土空間規(guī)劃中對(duì)地域功能的重視，并為保定市未來國土空間用途管制提供了參考。根據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展功能優(yōu)先情景下建設(shè)用地的分布劃定城市開發(fā)邊界，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)空間的建設(shè)用地功能價(jià)值最大化；根據(jù)保有耕地的分布劃定農(nóng)田保護(hù)紅線，促使農(nóng)業(yè)空間集中分布，農(nóng)用地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能增強(qiáng)；根據(jù)林地、草地等生態(tài)用地的布局變化制定生態(tài)保護(hù)紅線，保障生態(tài)功能不降低。未來將通過進(jìn)一步研究土地利用空間布局對(duì)土地利用功能的影響，分析如何通過空間用途管制實(shí)現(xiàn)土地利用功能協(xié)調(diào)及價(jià)值最大化。