城镇-农业-生态协调的高原湖泊流域土地利用优化

赵筱青，李思楠，谭 琨，苗培培，普军伟，卢飞飞，王 茜



城镇-农业-生态协调的高原湖泊流域土地利用优化

赵筱青，李思楠，谭 琨，苗培培，普军伟，卢飞飞，王 茜

（云南大学资源环境与地球科学学院，昆明 650500）

为了解高原湖泊流域土地利用布局现状，探究在“城镇-农业-生态”协调下的高原湖泊流域土地利用空间优化配置方案，该文以抚仙湖流域为例，基于3S技术，运用MCR-CLUE-S模型，研究流域城镇建设情景、农业开发情景、生态保护情景和综合优化情景4种模式下2030年国土空间的结构和布局，最终提出抚仙湖流域“城镇-农业-生态空间”协调下的土地利用空间优化分区。结果表明：1）2005、2010和2015年抚仙湖流域城镇空间呈上升趋势，农业空间呈下降趋势，生态空间先升后降，10 a间空间分布格局基本一致；2）以重要水源地、湖滨湿地和大面积自然林地为保护源，选取高程和坡度等8个阻力因子，采用最小累积阻力模型和累积耗费距离模型构建抚仙湖流域生态安全格局，以及有利于生态保护的“源”核心区、生态保护区、生态边缘区、农业开发区、农业边缘区和城镇建设区；3）以生态功能分区面积为约束条件，通过Markov模型结合CLUE-S模型模拟抚仙湖流域2030年城镇建设、农业开发和生态保护情景下“城镇-农业-生态空间”的优化布局。城镇建设情景综合考虑生活需要以及政策指导下以开发城镇空间为主导的“城镇-农业-生态空间”数量及空间结构的发展方向；农业开发情景控制城镇空间规模，开发部分生态空间潜力；生态保护情景下农业空间面积有所减少，城镇空间面积少量增加；4）抚仙湖流域2030年综合优化情景模式下，根据土地功能的不同，划为城镇空间、农业空间、生态空间、城镇-农业空间、城镇-生态空间、农业-生态空间和城镇-农业-生态空间，其中农业-生态空间最小，生态空间最大；5）通过分析4种情景下区域发展的特点，结合抚仙湖流域耕地保护、生态保护和经济社会发展等多种因素，认为综合情景方案更合理并更适合当地的发展，其他3种单要素情景方案可为综合情景方案的实施进行相关的补充和调整。研究结果可为抚仙湖流域国土空间规划和生态保护战略决策提供参考依据。

土地利用；模型；湖泊；城镇-农业-生态空间；土地利用优化配置；MCR-CLUE-S模型；抚仙湖流域

0 引 言

随着城镇化和工业化进程的快速推进，中国国土空间开发利用格局发生了剧烈变化,城镇空间快速扩张，生态空间持续萎缩，农业空间明显重构，同时，人地关系紧张，争地现象多发，优化国土空间开发格局成为关系到中国社会经济可持续发展的战略问题[1-2]。“城镇-农业-生态空间”在区域发展中具有居住、生产和生态等多种功能，主要包括城镇空间、农业空间和生态空间3大类，不同类型的空间在可持续发展战略中承担着不同的功能，同时3种空间彼此之间存在功能的交叉重叠[3-4]。当前，国土空间规划已成为中国土地利用规划的重点，用地功能呈现多元化发展的趋势，用地结构的改变使得国土空间功能不断扩张，主体功能凸显。因此，准确判别“城镇-农业-生态空间”的主体功能并对其结构进行优化，有利于区域准确定位其发展重点，为实现区域“城镇-农业-生态空间”的有序发展以及相关规划的制定提供决策依据。针对“城镇-农业-生态空间”的优化布局，国内外学者做了大量的研究，取得了很多重要的研究成果：国外学者关注于土地的多功能性，对土地与各功能之间的关系[5]、多重性分析[6]以及土地多功能性与区域社会经济发展的关系[7]进行研究；在优化布局方面，大量学者在生态系统服务价值[8]和气候变化[9]等多种方向上对空间规划和土地利用进行优化。国内学者对“城镇-农业-生态空间”研究的关注点在以主体功能区划进行空间分区[10]和优化研究，广大学者对于分区的框架、各类分区的相关指标及划分方法都进行了大量研究和探索[11-12]；还有学者分别从资源环境承载力[13]和功能适宜性[11]2个角度对全国主体功能区划分进行评价和优化分区；随着研究的深入，生态位理论[14-16]和适宜性[17]等方法逐渐被利用到不同区域国土空间的优化分析中，基于地类的主导功能[18-19]对国土空间进行划分和优化。针对土地利用优化配置的方法，国内外学者也进行了诸多探索：诸如采用多目标规划、线性规划和灰色预测等方法对土地利用数量结构进行优化[20-24]；也有人将地理信息系统软件与蛙跳算法、CA模型、Markov模型、蚁群算法以及CLUE-S模型等结合，针对土地利用数量和空间的优化开辟了新的路径[25-29]。

综上，在当前国内外土地利用优化的研究领域中，将数量结构优化与空间布局优化相结合是其研究的重要方向之一，然而如何将维护区域生态安全融入到土地利用优化过程和结果中，对流域的土地资源和水资源进行优化布局, 是推进流域水土资源耦合协调和高效利用的关键所在。本文选择具有多功能性的高原湖泊抚仙湖流域为研究区，在梳理相关研究的基础上，运用CLUE-S模型并结合生态安全格局构建，在“城镇-农业-生态空间”协调的基础上进行抚仙湖流域土地利用空间的优化研究，为抚仙湖流域生态环境的保护、绿色发展以及乡村振兴发展战略的实施提供理论参考。

1 研究区概况

抚仙湖流域位于云南省玉溪市境内（102°39¢~103°00¢E，24°13¢~24°46¢N），地处滇中盆地中心、长江流域和珠江流域分水岭地带（图1）。流域总面积672.78 km2，跨澄江、江川、华宁3县，包含8个乡镇、42个行政村或社区和238个自然村，距云南省省会昆明市60 km，属于滇中红土高原湖盆区，地貌类型以高原、丘陵为主，地势周围高、中间低，相对高差较大。湖泊东、南、西三面环山，北面与澄江坝子相连，南北向发育，中间窄两端宽。属于中亚热带半湿润季风气候，干、湿季分明，植物、动物种类较为多样，生态系统类型较为齐全，生态环境质量整体较高。

图1 研究区地理位置

2 评价方法与数据

2.1 数据来源及处理

以2005年9月、2010年11月、2015年11月美国地质勘探局（United States Geological Survey，USGS）15 m空间分辨率的Landsat8 OLI—TRIS遥感数据为数据源，利用ENVI5.1和Arcgis10.2软件进行几何校正、图像增强、裁剪和镶嵌等处理后，根据影像的光谱特征、纹理特征和形状，通过人机交互式遥感解译和野外验证得到2005—2015年抚仙湖流域土地利用数据集，实地的采点验证表明，解译精度为90.32%，符合研究需要。对土地利用现状数据进行重分类，遵循主体功能区划分要求，建立了基于土地利用分类的“城镇-农业-生态空间”分类体系。根据每一种地类的主导功能，结合抚仙湖流域用地的实际情况，在保证城镇扩展边界、生态保护红线和永久基本农田的前提下，得到2005—2015年抚仙湖流域“城镇-农业-生态空间”分布情况见图2。

其他数据及说明见表1。

图2 2005、2010和2015年“城镇-农业-生态空间”格局

2.2 研究方法

CLUE-S模型是目前比较成熟且应用广泛的土地利用优化配置模型，已经得到国内外专家学者的认同[30-33]；而最小累计阻力（minimum cumulative resistance，MCR）是建立生态安全格局和优化生态空间的重要基础[34-35]。将两者相互结合后通过GIS的空间分析工具进行优化调整是当前区域绿色发展、土地节约集约利用和乡村振兴等研究领域的有效途径[36-37]。

2.2.1 生态安全格局识别

生态安全格局（ecological security pattern）是针对特定的生态环境问题，以生态、经济、社会效益最优为目标，依靠一定的技术手段，对区域内的各种自然和人文要素进行安排、设计、组合与布局，得到由点、线、面、网组成的多目标、多层次和多类别的空间配置方案[38]。本研究在“城镇-农业-生态空间”现状分布的基础上，确定生态源，运用GIS空间分析功能划分不同的阻力值，构建基于最小累积阻力模型的景观生态安全格局。

表1 数据及处理

1）生态源的确定

“源-汇”理论[39]指出，生态源一般是由受保护的物种、自然栖息地构成，“源”斑块其生物多样性比较丰富，“源”地的保护对生物多样性与生态环境保护和人类可持续发展的意义重大。本文中土地利用的优化配置以生态优先为原则，特别是生态空间中连片度较高的林地和水域等，因此选取集中连片度大于0.4 km2天然林地、对生产生活具有重要支撑作用的水库（东大河水库、梁王河水库和茶尔山水库）和抚仙湖延最高水位线向外延伸110 m的控制线范围（实地调研并查阅相关文献资料发现[40]，抚仙湖最高蓄水位向外延伸110 m是湖滨实地，是生态恢复工程和生物多样性保护等的重点区域，生物服务功能明显，是作为土地优化配置时考虑的重点）作为“生态源”。

2）阻力因子选取

通过查阅相关文献资料[33,35,41-43]并结合抚仙湖流域实际情况，选取海拔、坡度、植被覆盖度、土地覆盖类型、滑坡塌陷泥石流易发区、岩溶塌陷易发区、距水体距离和距建设用地距离8个指标作为阻力因子，同时划分各因子的相对阻力值并以熵权法确定权重，将其分为不同等级，用1、2、3、4表示相对阻力值的大小（表2），分值越低，阻力越小，生态源越容易得到保护和维持。

3）阻力面的建立

物种在环境中生存实际上是对环境逐步控制和覆盖的过程[41]，而物种的控制与覆盖需要克服环境本身的阻力，阻力越小，物种发展和传播越顺利。生态安全格局的建立需要构建阻力面，最小累积阻力（minimum cumulative resistance，MCR）模型是建立阻力面最常用的模型，此模型可反应生态源运动的趋势[42-44]。基本公式如下

表2 流域阻力因子及相对阻力值

4）累积耗费距离模型的构建

累积耗费距离模型可以采用节点/链接方式表示[37,52]。计算公式如下

5）生态功能区划分

为给抚仙湖流域“城镇-农业-生态空间”的优化配置提供数量约束条件，将“生态源”的累积耗费距离表面和最小累积阻力分区在Arcgis中进行叠置，找出相交区域，据此建立基于生态安全格局下的抚仙湖流域土地利用优化分区，分为生态保护区、生态边缘区、农业开发区、农业边缘区和城镇建设区5个区域。

2.2.2 土地利用优化配置情景模拟

1）CLUE-S模型

CLUE-S模型分为非空间模块（土地需求）和空间模块（土地利用变化和分配）2个部分[53-54]。本文中非空间模块以预测期生态安全格局的各类空间面积为约束条件；空间模块是寻找“城镇-农业-生态空间”中各空间分布的影响因子，通过二元Logistic回归模型分析其布局规律，不断迭代来实现空间布局模拟[30]。二元Logistic回归模型的公式如下

2）优化配置模拟

①驱动因子选择

根据国内外土地利用变化驱动力研究成果[55-56]，结合抚仙湖流域土地利用变化的特点和主要驱动力，在参考《云南省主体功能区规划》以及相关规划评价指标选择的基础上，选择了高程、坡度和人均收入等共12个自然或社会经济驱动因子。

②二元Logistic回归

首先将12个驱动因子的属性表链接到“城镇-农业-生态空间”各空间类型的点矢量文件中，然后将3个点属性表导出为3个start.txt文件，最后将3个start.txt文件导入SPSS 22进行二元Logistic回归分析。分析结果见表3。

二元Logistic回归的精度采用ROC（relative operating characteristic）曲线检验[37]。当ROC>0.7时，说明所选因子具有较好的解释能力[37]。不同空间的ROC检验值如表3所示，城镇空间、农业空间和生态空间的ROC值均大于0.7，表明所选的12个地类驱动因子能够较好的反映流域土地的空间布局状况。

3）CLUE-S模型输入设置

①政策限制区域

指不可改变用地功能的区域。本文将湖泊水面及重要水库等不参与空间配置的用地范围设置为限制区域。

②土地利用转移规则

土地利用转移规则由土地利用转移弹性系数和土地利用转移次序2个部分组成[54]。土地利用转移弹性系数表示土地利用类型的稳定程度，其值在0~1之间，值越大越不容易发生转移。目前，土地利用转移弹性系数没有精确的计算方法，本文在参阅相关文献[54,57-58]研究成果的基础上结合抚仙湖流域2005—2015年“城镇-农业-生态空间”的转移情况及地类本身的稳定性，首先初步设定各类空间的土地利用转移弹性系数，通过模拟的2015年结果与实际分布情况进行对比并经过多次调整最终确定各空间地类的转移弹性系数，城镇空间、农业空间和生态空间的弹性系数分别为0.91、0.85和0.78。

表3 抚仙湖流域“城镇-农业-生态空间”二元Logisitic回归分析结果

注：常数指当各种影响因素为0时，事件发生概率与不发生概率之比的自然对数值。

Note：The constant refers to the natural logarithm of the ratio of the occurrence of an event to the probability of non-occurrence when the various influencing factors are 0.

土地利用转移次序表示各空间类型之间相互转化的可能性，用0和1分别表示不可以和可以发生转移，一般高利用率的用地类型很难向低利用率的用地类型转化。本文在分析抚仙湖流域“城镇-农业-生态空间”2005—2015年的转移情况的基础上，结合流域用地现状和区域主体功能定位设置了“城镇-农业-生态空间”转移次序，城镇空间、农业空间和生态空间三者之间均可相互转化。

③土地利用需求：将生态安全格局下生态功能分区中各功能空间分区的面积作为目标函数的约束条件，重点考虑抚仙湖流域各乡镇国土保护与开发主导方向和生态保护下各空间类型的需求，通过Markov模型分别模拟城镇建设情景、农业开发情景和生态保护情景中抚仙湖流域“城镇-农业-生态空间”的需求。

4）模拟结果精度检验

把2005年抚仙湖流域“城镇-农业-生态空间”分布现状作为起始数据，2015年流域“三类空间”分布现状作为预测期需求数据。将模拟结果与2015年抚仙湖流域“城镇-农业-生态空间”现状分布图进行对比。

用2015年模拟图与2015年现状图做Kappa指数检验，Kappa=0.826，说明对2015年“城镇-农业-生态空间”的空间分布模拟效果较好。

3 结果与分析

3.1 抚仙湖流域“城镇-农业-生态空间”变化特征

3.1.1 面积变化

抚仙湖流域城镇空间、农业空间和生态空间面积在2005年分别为12.33、173.58和486.87 km2，在2010年分别为14.46、167.35和490.97 km2，在2015年分别为21.13、162.45和489.19 km2。生态空间面积最大，2005年、2010年和2015年分别占区域总面积的72.37%、72.97%和72.71%，而城镇空间面积最小，2005年、2010年和2015年分别占区域总面积的1.83%、2.14%和3.14%。

3.1.2 空间变化

1）城镇空间变化

2005—2015年间，抚仙湖流域城镇空间格局变化最显著的是流域北部的澄江县区域，表现为区域性、大规模的扩张，集中在原有城镇空间的四周，并且主要是城镇空间周围的农业空间转为城镇空间；其次为抚仙湖西北部、西南部和东北部等沿岸地区，表现为区域性、中等规模的扩张，主要是生态空间转为城镇空间；流域东北部内陆地区则为小规模、点状式扩张，其他地区变化不大，10 a间基本保持不变（图2，图3）。

2）农业空间变化

2005—2015年间，抚仙湖流域农业空间面积处于不断缩小的趋势，主要集中在抚仙湖流域北部与城镇空间相邻区域，其次为抚仙湖流域的西部山区和南部沿湖一带，大量的生态空间占用了原本的属于农业空间的土地（图2，图3）。

图3 2005—2015年“三类空间”转移情况分布图

3）生态空间变化

2005—2015年间，生态空间的扩张集中于抚仙湖流域北部与农业空间相邻区域、南部湖岸地区和西南部山区，主要是农业空间转为生态空间；生态空间的缩小集中于抚仙湖西北岸、西南岸和东北岸地区，主要是生态空间转为城镇空间（图2，图3）。

3.2 抚仙湖流域生态安全格局构建

3.2.1 生态源

抚仙湖流域生态源总面积为402.30 km2，占流域总面积的59.80%，共42个生态源斑块，总体呈北部和西部连片集中，南部和东部分散破碎的分布格局（图4）。从分布类型的数量上看，主要有林地和水域2种生态源，前者总面积为187.35 km2，占流域生态源总面积的46.57%，后者总面积为214.95 km2，占流域生态源总面积的53.43%，其中湖泊水面占很大比重，水库水面所占比例较小；从区域分布的特点上看，流域四周主要为天然林地，是抚仙湖流域植被覆盖度较高和生态环境脆弱性最低的区域，对维护区域生态安全和生物多样性意义重大；中部生态源主要由水域构成，处于人类活动强烈和生态系统破坏严重的地区，斑块破碎化程度较高（主要是水库水面），生态系统结构完整性差，生态环境比较脆弱，而抚仙湖是研究区面积最大的生态源，在生态保护的过程中尤为重要，因此要加强对其周围湖滨湿地保护，提高水质，维持湖泊生物多样性，缓解湖泊退化，从而维护湖泊生态系统安全。

图4 抚仙湖流域生态源耗费阻力分区

3.2.2 最小累积阻力面分区

将抚仙湖流域林地和水域2个生态源与综合阻力值在Arcgis中通过空间分析模块中的cost distance工具进行计算，并用Natural Break法对阻力强度进行分级，分为低阻力、较低阻力、中等阻力、较高阻力、高阻力5级（图4）。在流域阻力面分区中，高阻力面和较高阻力面主要集中分布于流域的北部和南部，这主要是由于该区域主要为建设用地的所在地，受人类活动的影响极为强烈，生态系统破坏严重，因而源间连接度低，生态流所受阻力也较大，而流域东部则有少量分布；中等阻力面在流域四周皆有分布。

3.2.3 生态功能分区

以林地和水域2个“生态源”的累积耗费距离表面和最小累积阻力面分区进行叠加分析，在结合实地调研的基础上建立抚仙湖流域综合生态安全格局下的土地利用优化配置分区，即生态功能分区，分为生态保护区、生态边缘区、农业开发区、农业边缘区和城镇建设区5个区域（图5），不同功能分区的面积见表4。

图5 抚仙湖流域生态安全格局功能分区

表4 生态功能分区统计

3.3 不同情景方案预测结果

基于以上2部分分析结果，以2015年为基期年，利用CLUE-S模型分别模拟2030年城镇建设情景、农业开发情景和生态保护情景下抚仙湖流域“城镇-农业-生态空间”分布情况。城镇建设情景为建设用地开发区域，在维护区域生态环境的基础上为满足人口增加对生活空间的需求而进行生活空间的开发；农业开发情景是为了有效的保护耕地资源，严守耕地红线，目的是维护一定数量的耕地数量；生态保护情景为重点保护天然林地和水域，维护区域生态安全和保护区域生态环境。结果表明：城镇建设情境中，城镇空间、农业空间和生态空间的面积分别为27.25、144.87和500.64 km2；农业开发情景中，城镇空间、农业空间和生态空间的面积分别为22.68、159.49和490.59 km2；生态安全情境中，城镇空间、农业空间和生态空间的面积分别为25.51、144.69和502.56 km2。各类情景中“城镇-农业-生态空间”的分布情况如图6所示。

图6 2030年抚仙湖流域不同情景方案“城镇-农业-生态空间”优化配置结果

3.4 综合情景方案预测结果

3.4.1 综合情景方案用地数量结构预测

通过Arcgis10.2空间叠加与空间分析工具，将抚仙湖流域城镇建设情景、农业开发情景和生态保护情景在空间上进行叠加分析，优先保障流域生态空间的面积，将优化结果中处于生态空间内部且与生态空间相冲突的区域以及生态保护红线区全部划为生态空间；其次，保障农业空间结构的稳定，根据叠加结果将处于坝区破碎化程度较重的城镇空间以及永久基本农田划为农业空间，并根据相关规划中城市增长边界的划定以及叠加结果适度调整城镇空间规模，达到“三类空间”内部的相互协调，最终得到2030年抚仙湖流域土地利用综合优化结果。根据土地的主导功能将抚仙湖流域分为城镇空间、农业空间、生态空间、城镇-农业空间、城镇-生态空间、农业-生态空间和城镇-农业-生态空间7大类，其面积分别为21.13、149.96、494.99、2.79、1.62、0.59和1.68 km2。

3.4.2 综合情景方案用地空间优化布局

I区：城镇空间。如图7所示，抚仙湖流域北部的澄江县周围城镇空间有增加的趋势，而农业空间则减少较为明显。从城镇建设优化的结果看，城镇空间有节约集约用地的趋势，并且其增加主要位于农业空间的周围，而随着公民生态环境保护意识的提高，“退房还林”、“退房还湖”将偏远地区的城镇空间转变为生态空间。同时在该区域内，应在合理的限度内进行开发利用，在优先保护生态环境的前提下，可开展城市生产建设活动，但必须环保的处理垃圾和废弃物，减少对生态环境的 污染。

图7 基于“城镇-农业-生态空间”协调下2030年抚仙湖流域土地利用优化结果

II区：农业空间。基本农田是生机黯然的“生命线”，要严格守住区域内基本农田不发生占用。如图7所示，在抚仙湖流域北部和南部大部分地区以及东部和西部城镇空间建设较为粗放的地区，应对其进行集中的综合整治，降低环境恶劣地区和交通不便地区城镇空间的规模，对于不宜居住的居民点应整体搬迁，压缩规模，将腾出的空间转为农业空间进行开发利用。同时，开展村庄用地和建制镇用地的集约开发、分区保护和综合治理，通过整治城镇空间，增加农业空间，提升流域内居民的生活环境。

III区：生态空间。抚仙湖湖泊水面、东大河水库、梁王河水库和茶尔山水库是当地居民生产生活的重要水源地，如图7所示，根据优化的结果，生态空间增加明显，主要集中在流域北部和南部及湖泊四周生态保护区范围，其结果与《云南省主体功能区规划》划定结果相同。该地区处于生态退化及恢复的敏感地区，因此应需对该区域内的生态用地树立生态底线思维，严禁任何形式的开发建设活动，减少城市建设活动和耕地开发行为，通过对已经被人类活动破坏的关键地带进行生态修复，调整土地利用方式和植被覆盖类型，严格禁止城市建设和农业围垦的侵占，以保证生态过程的健康发展。

IV区：城镇-农业空间。主要分布于抚仙湖流域的北部，在抚仙湖流域西部和东部有少量零星分布。该区域不仅可以进行一些农产品的种植，促进经济的发展，也可进行建设用地的开发，以满足人口日益增长对生活用地的需求。

V区：城镇-生态空间。主要分布于抚仙湖流域的东北部和西南部地区，该区域生态敏感型处于中间等级，可用作生态空间进行生态环境的保护和重建，根据主体功能区定位的要求在优先保障生态空间的基础上也可进行风景名胜区等城镇空间的开发和建设。同时，在该区域要进一步加强基础设施和公共服务设施建设，科学合理规划各类活动区，逐渐达到最优的空间分布格局，通过公益广告、电视电影和互联网等各种媒介手段提高居民环保意识，增强全社会公民参与生态环境保护的积极性，共建生态文明。

VI区：农业-生态空间。在抚仙湖流域西部、西北部和东北部有少量零星分布，该区域优先作为生态空间的进行保护，也可进行生态农业产业的种植。该区应制定科学的开发利用计划，不仅可发展部分生态林或生态经济林种植，也可进行园地种植及开展部分农业生产活动，从而对抚仙湖流域生态环境的保护起促进作用。

VII区：城镇-农业-生态空间。主要分布于抚仙湖流域北部沿岸一带，该区域土里利用功能最为多样，该区域应重点作为生态空间的进行保护，为保护生态源建立天然屏障，在满足生态空间需求后可用作城镇空间的建设，增加居民生活范围，也可用作农业空间的开发，增加耕地的数量。因此在优先保障生态空间供给的前提下，扩大城镇空间范围，提高农业空间效率，发挥各组团的优势功能，推动流域国土空间协调利用，促进流域新农村的建设和绿色发展，保护生态环境。

4 讨 论

1）关于区域生态安全融入到土地利用优化的过程和结果中的讨论。

以往土地利用优化主要集中在数量结构和空间结构的优化，而在土地生态安全方面考虑的不足。而土地生态安全格局是能反映整体区域中的关键点、线或是局部区域，对于维护和控制区域土地水平生态过程起着关键作用[59-60]。本文在土地利用优化的过程中，将抚仙湖流域生态安全格局划分的5个生态功能分区作为土地利用数量优化的约束条件，在满足生态空间需求的基础上通过CLUE-S设置3种情景方案对流域土地利用结构进行优化；对于3种情景空间的综合叠加结果，基于生态优先原则对冲突区域进行修正，最终得到基于生态安全下2030年抚仙湖流域土地利用优化结果。与已有的研究相对比，加入了区域生态安全的土地利用综合优化，一方面，能发现影响土地生态安全的不合理用地及其分布，可以及时完善；另一方面，能够提升区域整体的生态安全水平。从政府的角度分析，基于生态安全格局下的土地利用优化不仅可以为国土部门提供规划的依据，还兼顾了生态保护，具有实际应用价值。

2）关于土地利用综合优化结果的讨论。

抚仙湖流域综合优化后2030年的经济效益和社会效益和现状相比有所下降，而生态效益呈增加趋势。在生态优化过程中不合理的用地空间均转为了生态空间，生态效益明显提升，虽然城镇空间和农业空间的变动造成经济效益和社会效益减少，但与《总规》相比，优化后社会、经济和生态效益均大于《总规》。并且抚仙湖流域优化后空间结构与现状和《总规》相比，不仅考虑了自然驱动因子和社会驱动因子对地类布局的影响，还考虑了不同主体的用地意愿，地类的空间布局更具实用性，该结果对于抚仙湖流域土地整体的生态安全水平提升具有重大意义。

3）关于应用研究结果对流域土地资源、水资源进行优化布局的讨论。

城市增长边界是城市地区周围抑制市区范围扩展的一条边界线[61]，永久基本农田是国家粮食安全得以保障的一条基准线[62]，生态保护红线是在生态空间范围内具有特殊重要生态功能，是保障和维护国家生态安全的底线和生命线[63]，划定“三条线”对于区域国土空间的开发和保护以及各类空间的统筹协调具有重要的作用。本文研究结果可为今后抚仙湖流域《国土空间规划》以及相关规划中更精准的划定“三条线”奠定基础，进而以“城镇-农业-生态空间”资源本底优化匹配状况对土地资源和水资源两者间的偶和协调程度进行评价，从根本上提高流域水土资源耦合协调度，最终对流域土地资源和水资源进行优化布局，促进流域社会经济和生态环境的可持续发展。

5 结 论

1）2005年、2010年和2015年抚仙湖流域城镇空间呈上升趋势，农业空间呈下降趋势，生态空间先升后降，10a间“城镇-农业-生态空间”格局基本一致，以生态空间为主，但城镇空间格局、农业空间格局和生态空间格局的分布存在明显差别，城镇空间和农业空间主要分布于抚仙湖流域的北部，而生态空间除抚仙湖湖泊水面外在流域四周均有分布。

2）以林地、重要水源地和抚仙湖缓冲区110 m以内的区域为生态源，总面积为402.30 km2，占流域总面积的59.80%。流域内不同类型的生态源在数量和空间分布上都存在较大差异：林地生态源总面积为187.35 km2，水域生态源总面积为214.95 km2，占流域生态源总面积的53.43%，其中湖泊水面占到了很大的比重，水库水面所占比例较小；流域四周主要为天然林地，中部生态源则主要由水域构成。同时选取高程、坡度、植被覆盖度等8个阻力因子，基于MCR模型和累积耗费距离模型生成了抚仙湖流域生态安全格局，确定了有利于生态安全的5个功能区：生态保护区、生态边缘区、农业开发区、农业边缘区和城镇建设区，其中生态保护区面积最大，城镇建设区面积最小。

3）通过CLUE-S模型结合Markov模型和“城镇-农业-生态空间”变化驱动因子通过二元Logistic回归分析方法得到了3个不同情境下“城镇-农业-生态空间”优化分布结果。3种情景下“城镇-农业-生态空间”的面积和空间分布均存在较大差异。①城镇建设情景中，城镇空间、农业空间和生态空间的面积分别为27.25、144.87和500.64 km2，大量的农业空间转为城镇空间，转变主要位于抚仙湖流域的北部，边远地区的城镇空间转为了生态空间，今后随着现代化建设和城乡一体化的加快，城镇空间面积明显增加并更加趋向节约集约利用，但此情景势必占用部分农业空间，因此如何在扩张城镇空间的同时兼顾农业空间的保护，是当前流域发展过程中需要考虑的一个问题；②农业开发情景中，城镇空间、农业空间和生态空间的面积分别为22.68、159.49和490.59 km2，流域北部和南部少量的农业空间转为城镇空间，而远离水源地的边远山区、交通落后区和居民点分散区的城镇空间转为了农业空间和生态空间，要大力提高闲置地的开发潜力，并减少环境恶劣地区、交通不便地区和居民点破碎化程度较高地区城镇空间面积，对不宜居住的地区要整体搬迁，并压缩村庄规模，将这些的城镇空间转为农业空间进行开发利用；③生态安全情境中，城镇空间、农业空间和生态空间的面积分别为25.51、144.69和502.56 km2，环湖一带区域和流域北部偏远山区大量城镇空间和农业空间转为林地和水域等生态空间，而居民点集中较高的地区城镇空间在原有城镇空间的基础上向周边扩展，今后要继续大力植树造林，对重要水源区特别是抚仙湖水域进行保护，对现有城镇空间和农业空间进行重点优化，提高土地资源利用率。

4）将抚仙湖流域城镇建设情景、农业开发情景和生态保护情景在空间上进行叠加分析，得到基于“城镇-农业-生态空间”协调下2030年抚仙湖流域土地利用优化布局结果。根据土地功能的不同，划分为城镇空间、农业空间、生态空间、城镇-农业空间、城镇-生态空间、农业-生态空间和城镇-农业-生态空间7个空间类型，各类空间面积存在较大的差异，其中农业-生态空间最小，生态空间最大。通过对“城镇-农业-生态空间”协调下2030年抚仙湖流域土地利用优化布局的研究，为今后开展流域生态治理、绿色发展以及土地规划提供了参考。

5）城镇建设情景重点在于满足人口增加对生活空间的需求而进行生活空间的开发；农业开发情景是为了有效的保护耕地资源，严守永久基本农田，维护满足区域发展需要的耕地数量；生态保护情景重点是维护生态平衡和保护生态环境；综合情景方案不仅综合了城镇空间的建设、农业空间和开发和生态空间的保护，而且划定了综合功能区。通过分析4种情况下区域发展的优点，并结合抚仙湖流域耕地保护、生态保护和经济社会发展等多种因素，研究认为综合情景方案更为合理并更适合于当地的发展，而其他3种单要素情景可为综合情景方案的实施进行相关的补充和调整。

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[63] 马琪，刘康，刘文宗，等. 干旱半干旱区生态保护红线划分研究：以“多规合一”试点榆林市为例[J]. 地理研究，2018，37(1)：158－170. Ma Qi, Liu Kang, Liu Wenzong, et al. Zoning the ecological redline in arid and semiarid regions: Taking Yulin city as an example in the context of an integrated multi-planning[J]. Geographical Research, 2018, 37(1): 158－170. (in Chinese with English abstract)

Land use optimization of plateau lake basin based on town-agriculture-ecological spatial coordination

Zhao Xiaoqing, Li Sinan, Tan Kun, Miao Peipei, Pu Junwei, Lu Feifei, Wang Qian

(650500,)

In order to understand the current situation of land use layout in the plateau lake basin and explore the optimal allocation of land use space in the plateau lake basin based on urban-agriculture-ecologycoordination, the paper takes the Fuxian Lake Basin as an example, based on the 3S technology, and uses the MCR-CLUE-S model to study the structure and layout of town-agriculture-ecological space in 2030 under the four modes of urban construction scenario, cultivated land development scenario, ecological protection scenario and integrated optimization scenario in the Fuxian Lake Basin. Finally, the optimal allocation of land use space under the coordination of town-agriculture-ecological space in Fuxian Lake Basin is proposed. The results show: 1) From 2005 to 2015, in the Fuxian Lake Basin, the urban space is on the rise, the agricultural space is in a downward trend, and the ecological space is rising first and then decreasing. The spatial distribution pattern is basically the same in 10 years. 2) The paper selects important water source, lakeside wetland and large-scale natural forest land as protection sources, 8 resistance factors such as elevation and slope are selected. The minimum cumulative resistance model and the cumulative cost distance model are used to construct the ecological security pattern of the Fuxian Lake Basin, as well as the “source” core area, ecological protection area, ecological margin area, agricultural development area, agricultural fringe area and urban construction area which are conducive to ecological protection. 3) Taking the ecological functional partition area in the ecological security pattern as a constraint, based on the Markov model's calculation of the number of land types, and simulating the town-agriculture-ecological space optimization layout in the urban construction scenario, agricultural development scenario and ecological protection scenario of the Fuxian Lake Basin in 2030 through the CLUE-S model. The urban construction scenario takes into account the current needs of life, and the development of the number and spatial structure of town-agriculture-ecological space led by the development of urban space under the guidance of policies; the agricultural development scenario controls the size of urban space and develops part of the ecological space potential; the area of agricultural space has decreased under the ecological protection scenario, and the urban space area has increased slightly. 4) In the 2030 comprehensive optimization scenario of the Fuxian Lake Basin, seven spatial types are classified according to different land functions: Urban space, agricultural space, ecological space, urban-agricultural space, urban-ecological space, agriculture-ecological space and town-agriculture-ecological space.There are large differences in various types of space: Agriculture - ecological space is minimal, ecological space is maximum. 5) By analyzing the advantages of regional development in four cases and combining with various factors such as cultivated land protection, ecological protection and socioeconomic development in the Fuxian Lake Basin, the study considers that the integrated scenario is more reasonable and more suitable for local development, while the other three single-element scenarios can complement and adjust the implementation of the integrated scenario. The research results provide reference for the decision-making of land space planning and ecological protection strategy in Fuxian Lake Basin.

land use; models; lakes; town-agriculture-ecological space; land use optimization; MCR-CLUE-S model; Fuxian Lake Basin

2018-11-16

2019-01-28

云南省科技厅—云南大学联合基金（2018FY001(-017) ）；云南大学一流学科——地理学学科建设项目（C176210103；C176210215）；云南省教育厅科学研究基金项目（K1059197）；云南大学第九届研究生科研创新项目（YNY17117、YNY17119）

赵筱青，教授，博导，研究方向:土地利用与土地覆被变化及国土空间优化，Email：xqzhao@ynu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.035

X524

A

1002-6819(2019)-08-0296-12

赵筱青，李思楠，谭 琨，苗培培，普军伟，卢飞飞，王 茜. 城镇-农业-生态协调的高原湖泊流域土地利用优化[J]. 农业工程学报，2019，35(8)：296－307. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.035 http://www.tcsae.org

Zhao Xiaoqing, Li Sinan, Tan Kun, Miao Peipei, Pu Junwei, Lu Feifei, Wang Qian. Land use optimization of plateau lake basin based on town-agriculture-ecological spatial coordination[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 296－307. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.035 http://www.tcsae.org