国土空间规划的自然要素评价与集成：进展与展望

2022-01-07李平星周健刘申伟

生态环境学报 2021年12期

李平星，周健，刘申伟

1. 中国科学院南京地理与湖泊研究所，江苏南京 210008；2. 中国科学院流域地理学重点实验室，江苏南京 210008；3. 泰安市瑞峰地产置业有限公司，山东泰安 271000

国土是生态文明建设的空间载体，国土空间规划是对一定区域国土空间开发保护在空间和时间上做出的安排，是空间治理体系中极其重要的政策工具，也是全社会开发保护国土空间的遵循（樊杰，2019）。建国以来，国土空间的开发利用推动了中国社会经济的快速增长，也带来了资源耗费、生态破坏、环境恶化、灾害增加等生态环境问题（张晓玲等，2017）。不科学、不合理的国土资源开发利用已经成为制约经济社会可持续发展的关键因素之一，其中对自然要素及其约束作用的认识程度不高、重视程度不强是导致国土资源开发利用科学性、合理性不够的重要原因。推动人与自然和谐相处、实现国土空间开发与资源环境承载能力协调成为当前国土空间规划的迫切要求（图1）。2008年，国家发改委发布《省级主体功能区划技术规程》，从自然资源和生态环境系统认知的角度提出因地制宜进行国土空间开发与保护的理念。2017年，原环境保护部印发《“三线一单”编制技术指南 (试行)》，提出实施“生态保护红线、环境质量底线、资源利用上线和生态环境准入清单”生态环境分区管控。但是，自然要素类型多样、涉及部门众多，在部门协调和统筹考虑上存在较大难度。同时，已有研究也往往偏重于单一要素或者是某个维度的分析，缺乏对自然要素的系统分类和综合分析。

图1 基于“人-地”关系的国土空间利用系统Fig. 1 Utilization system of territorial space from the perspective of “man-land” relationship

2018年，自然资源部正式组建，国土空间规划编制有组织地展开。坚持生态优先和山水林田湖草生命共同体理念是科学编制国土空间规划的两大原则，前者体现了对自然要素的重视、后者则强调了对自然要素的系统考虑。2019年，自然资源部发布《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价技术指南 (试行)》，体现了生态优先的国土空间规划理念，也初步对自然要素的各个方面进行了综合考虑（贾克敬等，2020）。受此影响，已经提出或出台的相关技术方法或各类规程从各个方面对国土空间规划的影响因素，包括各类自然要素进行了考虑，并提出了相应的评价和集成方法。学界也从多个角度开展研究（表1），如基于地域功能概念开展的“双评价”和“三区三线”划定（王亚飞等，2019；魏旭红等，2019；丁乙宸等，2020），基于生态安全格局的生态空间识别与管控（杜悦悦等，2017；徐华连等，2020；陈德超等，2020；陈志端等，2021），以及基于信息化、生态复合指标对自然资源的空间管控（应申等，2019；杜腾飞等，2020），等等。这些研究空间尺度和切入视角多样，为探究国土空间规划和自然要素系统评价对接工作提供了借鉴。然而，指标体系结构不清晰、关键指标考虑不充分、综合集成方法不明确等问题依然存在，制约着国土空间规划科学性的提升。基于此，本研究以生态文明理念为支撑，在对自然要素系统进行梳理和分析的基础上，归纳和总结了要素评价和综合集成的主要技术和方法，提出支撑国土空间规划的自然要素构成体系，为科学开展国土空间规划、推动各级各类规划体系衔接提供基础依据。

表1 近年来国土空间规划自然要素评价研究Table 1 Existing researches on natural elements in territorial spatial planning recently

1 国土空间规划与自然要素系统

为了对国土空间的自然基底条件进行全面分析，需要探讨包含水、土、气、生物等自然系统内各要素的作用机理。根据可持续性的指向，自然要素包含资源、生态、环境、灾害四大属性，分别通过供给作用、支撑作用、容纳作用和抑制作用4个方面来发挥属性的功能（樊杰，2019）。对各自然要素及其属性进行系统评价和综合集成，可以得到自然系统的基础性评价结果，从而支撑国土空间规划的科学开展（图2）。其中，资源属性主要指为人类生产、生活提供资源输出，主要包括水资源、土地资源、矿产资源等；生态属性则是指提供生态安全保障，包括提供初级生产力、维护生物多样性、保障生态安全等；环境属性指提供适宜人类居住的自然条件，包括大气环境、水环境、土壤环境等；而灾害属性则是指可能产生的各类自然灾害对人类活动的负面影响，包括气象灾害、水文灾害、地质灾害、生物灾害等。

图2 自然要素的分类与构成Fig. 2 Classification and composition of natural elements

资源环境承载力和国土空间开发适宜性的“双评价”是国土空间规划的基础性工作，其评价内容涵盖了自然要素的四类属性（岳文泽等，2019；自然资源部国土空间规划局，2019）。具体而言，资源属性方面，农业和城镇生产适宜性与承载规模评价中对土地资源、水资源、气候的评价包含了土壤、地形、水文、气候要素。生态属性方面，生态系统服务重要性评价和生态敏感性评价涵盖了水文、土壤、生物、地形等要素。环境属性方面，农业生产与城镇建设适宜性中的单项评价分别包含了土壤环境容量、大气环境容量和水环境容量。灾害属性方面，农业生产与城镇建设适宜性中的灾害单项评价涵盖了水文、气候、地形、地质四类自然要素。

2 自然要素各属性评价方法进展

2.1 资源属性

资源属性主要包含数量、质量、分布3个方面，多是针对水、土、矿产、能源、气候资源、生物资源等特定要素开展评价。除了专业的技术方法开展资源数量、质量和分布的研究外，资源承载力作为反映地区的资源供给水平的整体指标，被广泛用于自然要素对人口、社会、经济可持续发展的支撑能力。其中，水资源和土地资源承载力是研究的热点，主要方法包括指标评价法、趋势分析法、多目标优化算法、系统动力学方法等（张宁宁等，2019；周侃等，2019）。气候资源承载力通常采用逐步订正法、农业生态区域法、Miami模型、Thornthwaite Memorial模型等从气温、降水、植物蒸散等角度进行评价（白美兰等，2010；李振杰等，2019）。矿产资源承载力研究主要集中于对资源可持续力的评价，主要方法包括集对分析、模糊综合、灰色关联等（魏景明，2006）。可见，针对自然要素资源属性开展的评价多是结合特定指标和模型所开展的定量化评价，指标权重的多方法集成和指标体系的不断综合让评价结果可信度越来越高。然而，研究对生物资源等关注较少，多种资源的综合集成研究也相对缺乏。

2.2 生态属性

基于生态属性的自然要素评价涉及的概念和方法较多，主要包括生态承载力、生态系统服务价值、生态脆弱性等，多是通过构建指标体系开展评价。研究对象上既涉及对土地、水、气候、地形等单一自然要素生态属性的评价（Fang et al.，2021；周广胜等，2021），也包含了对多要素集成的综合生态特征的探究（Peng et al.，2016；Chen et al.，2021；张学渊等，2019）。其中，水文、气象指标涉及降水量、水网密度指数、气温、地下水等，土壤指标涉及质地、土地退化等，生物指标涉及植被覆盖、生境重要性、净初级生产力等，地形指标涉及地形位、坡度等因子。

生态承载力原是指某一区域能够供养的最大生物量，后期逐渐向对经济、社会等人类活动的承载能力方向延伸（沈威等，2019）。评价方法主要包含综合评价法、状态空间法、生态足迹法、净初级生产力法、供需平衡法等（向芸芸等，2012；张学渊等，2019）。其中，综合评价法是通过多指标综合分析和评价来实现，指标体系选择是关键手段和因素，而状态空间法适用于对生态承载力的时序变化分析。生态足迹法偏重于从人类活动影响的角度、通过转化为生物生产性土地（或水域）的面积来进行表征，净初级生产力法则偏重于生态系统本身的结构和功能以及其植被活动状况。供需平衡法兼顾了人类的需求和生态系统本身的能力，评价往往更加全面。

生态系统服务是生态系统通过生态功能为人类提供生态产品的过程，常用于评价各类自然要素提供不同类型生态系统服务的能力（Costanza et al.，1998）。当前生态系统服务的评价方法主要包括功能价值评价法和当量因子评价法。功能价值评价法是对生态系统的水土保持、调节大气、固碳制氧等关键服务功能及其价值进行评价（Ouyang et al.，2016）；而当量因子法通过当量因子表和各生态用地面积计算包括食物生产、气体调节、生物多样性等生态服务价值（谢高地等，2015）。功能价值评价法可以相对准确地评价要素的生态服务功能，然而计算过程较为复杂，通常应用于小范围尺度地域，当量因子法可以更加有效地应用于大范围的评价中（Richardson et al.，2015；汪东川等，2019）。此外，InVEST模型、ARIES模型和SolVES模型等价值评价模型发展较快，满足了自然系统评价动态性、客观性、准确性、综合性的需求（Brown et al.，2012；Bagstad et al.，2013；Cong et al.，2020；黄木易等，2020）。

除生态承载力、生态系统服务外，其他指标如生态脆弱性、生态敏感性、生态重要性、生态安全格局等也得到应用（李德旺等，2013；杜悦悦等，2017；吴春生等，2018）。这些指标从生态系统的某种属性出发进行定性或定量评价，但是指标间关系以及不同生态要素之间的关联性特征研究相对较少。此外，生物入侵被认为是改变生物多样性从而破坏生态系统结构的重要因素，相关研究有待深化（潘红丽等，2021；叶有华等，2021）。

2.3 环境属性

环境承载力概念源于马尔萨斯的资源有限论，用于判断环境状况对人类活动的容纳能力，以维持复合生态系统相对平衡所能容纳的人类活动阈值作为表征。环境承载力的评价方法主要包含指标体系法、供需平衡法、系统模型法和环境容量法4种类型（李名升等，2012）。在具体评价中，环境承载力主要关注水环境、大气环境、土壤环境等方面，同时指标的选择也兼顾了人类活动的环境破坏或改善效应，如污染物排放和处理、环境负荷与削减等方面的表征指标（潘丹，2016；张静等，2016）。除了环境承载力之外，环境质量评价、环境风险评价也常用于环境系统评价，其中前者主要通过建立指标体系对环境系统的质量及其变化进行评价（李名升等，2012），而后者则针对选定的污染物所产生的危害可能性进行测算和评估（任世鑫等，2019）。由于环境状况与人类生产、生活的状态息息相关，相互影响，如何兼顾环境自身状况和人类活动影响开展研究，成为从环境属性角度进行自然要素评价所关注的重点方向。

2.4 灾害属性

自然要素的灾害属性表现为自然活动造成人类系统受到扰动从而产生人员伤亡或者经济损失的现象，灾害风险分析与风险管理是灾害因素分析的两个方面（刘斌涛等，2014）。灾害属性的评价涉及灾害脆弱性、灾害危险性、灾害风险评价等概念，其评价大致可以分为两步，即单一灾种风险评价和评价结果的综合叠加分析（王耕等，2010）。以历史灾情数据为基础的评价法是灾害风险评价的常用方法，主要是基于历史的信息来分析灾害发生的条件和规律，推算未来灾害的可能，并提出相应的应对方案和策略（夏兴生等，2016）。在历史灾情信息不充足的情况下，信息扩散理论被广泛用于灾害风险评价中（张丽娟等，2009）。指标综合法也被广泛使用，主要从危险性、暴露性、脆弱性和防灾能力等方面选择对应的致灾指标，建立模型开展评价（巫丽芸等，2014）。在技术方面，包括3S在内的空间分析技术在现代灾害评价中也发挥了较强的支撑作用（姜蓝齐等，2013）。然而当前灾害属性的指标体系构建过多地关注灾害所可能造成的社会经济损失，对自然要素的本底灾害属性的评价相对欠缺，对各要素灾害属性之间的关联性分析较为缺乏。同时，除了广为关注的旱涝灾害、气象灾害、地质灾害等外，对生物灾害等新灾害的关注度有待加强。

3 自然要素各属性的集成评价

单一自然要素及其特定属性的评价是识别自然要素本底特征的基础性工作，而对这些要素及其属性的综合集成分析则是确定其承载力和适宜性的终极目标。当前，与国土空间规划相关的工作在综合集成分析方面开展了探索，主要体现在以下方面。

3.1 主体功能区规划中的自然要素评价与集成

主体功能区划是基于对自然条件适宜性以及资源环境承载力的认识基础，根据人类社会发展需求所开展的综合区划工作（樊杰，2015）。主体功能区划从自然维度、自然环境对不同人类活动的适宜程度以及地域功能的空间组织效应3个方面筛选出 10个指标开展评价，其中涉及自然要素的指标项包含可利用土地资源、可利用水资源、环境容量、生态系统脆弱性、生态重要性、自然灾害危险性六大项（图3）。可利用土地资源、水资源采用分布式计算，分别通过人均可利用土地资源、可利用土地资源总量以及人均可利用水资源潜力、可利用水资源潜力进行表征。其他项采用集成式计算获得，其中环境容量综合了大气环境、水环境的计算结果，生态系统脆弱性综合了沙漠化、土壤盐渍化等分析结果，生态重要性包含了对水源涵养、土壤保持、防风固沙、生物多样性维护等重要性评价，而自然灾害危险性则综合考虑了洪水、地震、热带风暴等灾害类型。在分项评价的基础上，开展指标的集成分析，六项自然要素指标分为两类。其中，生态系统脆弱性和生态重要性为一类，取两者较高值作为区域生态系统保护程度的评价结果；人均可利用土地资源、可利用水资源、自然灾害危险性和环境容量被划为一类，取前两者较小值作为支撑项，取后两者较大值作为限制项。可见，主体功能区划的评价涵盖了自然要素的四大属性，评价结果具有较高综合性。但是，各项指标评价所采纳的具体指标还有待进一步提高精准性。同时，指标综合集成的科学性仍需加强，指标间的联系性与可比性有待明确。

图3 主体功能区划中的自然要素系统Fig. 3 Natural elements system of Major Function Oriented Zoning

3.2 资源环境承载能力评价中的自然要素集成

资源环境承载能力概念是承载力概念的延伸，是环境科学、生态科学、地理科学等学科相互交叉的产物，也是集资源承载力、生态承载力、环境承载力等概念于一体的综合性表达（樊杰等，2015；封志明等，2018）。但是，早期对资源环境承载能力的研究仍主要关注于理论探讨和针对水、土地、大气、矿产等特定要素的评价，近年来其评价内容得到拓展，伴随着对人口资源需求和消耗影响的关注，逐渐从资源、环境、社会、经济等多方面建立综合性指标体系，对评价区域的资源环境承载能力进行定量刻画（图4）。2008年汶川地震后，资源环境承载能力评价也较多地应用于城市总体规划、专项规划等规划中（牛方曲等，2018）。评价方法也日渐丰富，包括综合指标法、突变级数法、系统动力模型法等模型和方法得到广泛应用（吕一河等，2018；马定国等，2020）。同时，研究视角也不断由静态分析向动态模拟转变，多方法综合性的分析逐渐增多，提高了承载能力评价的综合性和科学性（牛方曲等，2019；王秦等，2020）。但是，鉴于资源环境领域涉及的指标众多，每个指标自身的评价方法就存在多样性，指标之间的关系确定和集成分析难度更大，给科学确定资源环境承载能力的综合值带来了较大挑战。

图4 资源环境承载能力评价中的自然要素系统Fig. 4 Natural elements system of resources and environment carrying capacity

3.3 国土空间规划“双评价”中的自然要素集成

资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价是国土空间规划的重要前提，是从生态保护、农业生产和城镇建设三类功能空间上所开展的集成评价，是探究区域自然适宜空间的直接支撑（自然资源部国土空间规划局，2019）。按照自然资源部国土空间规划局2019年6月公布的《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价技术指南 (试行)》，资源环境承载能力侧重于资源要素能够支撑的农业生产、城镇建设等人类活动规模，国土空间开发适宜性反映特定国土空间进行农业生产、城镇建设等人类活动的适宜程度，两个方面的评价均涉及到土地资源、水资源、气候等自然要素的分析和评价，涵盖了自然要素的资源、生态、环境、灾害4个属性（图5）。从功能角度，生态保护主要通过生态系统服务功能重要性、生态敏感性两个指标集成获得，以生态属性的指标为主；其中，生态系统服务功能重要性涵盖了生物多样性维护、水土保持、防风固沙等功能，以每项功能重要性等级的最高值作为该项评价值；生态敏感性以水土流失、土地沙化、石漠化、海岸侵蚀敏感性的最高等级作为评价结果；在两项指标评价的基础上，根据生态廊道和生态系统自然边界对结果进行修正。农业生产功能的评价集成了生态、土地资源、水资源、气候、环境、灾害等所有指标的结果，但是以土地资源、水资源和气候评价作为基础，进而结合土壤环境容量、盐渍化敏感性等生态环境状况和旱涝等灾害风险性状况进行修正。城镇建设功能考虑了除生态外的所有指标，以土地资源和水资源的集成评价结果作为基础依据，并结合地质灾害危险性、大气和水环境容量等进行修正。

图5 国土空间规划“双评价”中的自然要素体系Fig. 5 Natural elements system of “double evaluation” in territorial spatial planning

综上，生态保护功能以生态属性作为衡量的主要依据，而农业生产、城镇建设则以资源属性作为评价的基础条件，并结合生态、环境、灾害等属性进行修正与限制。“双评价”所包含的自然要素的指标较为全面和系统，各项指标的评价方法也兼具科学性和可操作性，是已有研究成果的凝练和提升。但是，集成分析中，指标的刚性和弹性作用无法得到明确识别，某些类指标应该起到的刚性约束作用难以体现。同时，中国幅员辽阔，各个地方的自然条件存在明显差异，需要在指标评价中对区域性要素，尤其是具有较强约束的关键要素加强分析。

4 结论和展望

从农业文明到工业文明到生态文明，国土空间开发经历了从以追求粮食生产到追求经济增长，再到追求经济-社会-生态和谐发展的阶段，服务于经济社会的可持续发展成为当前国土空间规划编制的主要目标。从可持续性出发，自然要素具有资源、生态、环境、灾害4个方面的属性。已有研究在属性判别、指标评价和综合集成方面开展了多方面的探索，取得了积极进展，但是仍然存在具体指标较混杂，且在代表性、适用性、系统性、可操作性等方面相对欠缺等问题，需要结合国土空间开发和保护的需求进行调整和优化。

4.1 主要问题

（1）指标与方法的适用性不足。代表性指标的选取是科学评价自然要素的关键，但是鉴于自然要素涉及的方面较多，关键指标的选择需要根据评价的需要进行确定。每个指标的评价方法也千差万别，在适用性、可操作性方面存在较大差异，需结合实际需求和数据支撑等进行评价方法的优选。综合集成分析中，指标权重的确定也存在较大差异和不确定性。同时，对生物灾害等部分新要素作用的分析也存在不足。

（2）自然要素概念和属性认知尚待厘清。当前自然要素的属性评价已经取得了较多成果，已有的属性评价中仍存在概念混淆、指标交织的问题，如资源承载力、环境承载力与资源环境承载力的评价内容较为相似，需要根据属性进行梳理和界定。此外，国土空间规划“双评价”规程中将要素评价和属性评价置于同一层次，也使得评价标准不一和结果难以集成。

（3）自然要素的统筹分析有待加强。单一自然要素的评价虽然针对性较强，但是难以整体反映自然要素的综合特征。因此，自然要素及其属性的综合集成评价起到化繁为简的作用。但是，已有集成评价的体系性往往存在不足，不同类型评价的指标差异性以及衔接性还需研究加强。同时，不同属性的作用往往在强度、方向上存在较大差异，如在“双评价”的城镇功能评价中资源属性处于基础性地位，而生态、环境、灾害属性则起限制性作用。同样在其他功能的评价中，不同属性作用的差异也需要进一步明确。

（4）评价的动态性和作用的弹性还需加强。当前，自然要素的评价仍然偏重于静态分析和空间差异研究，对变化过程及其区域差异的研究较少，导致往往发生“知其然、不知其所以然”的问题。此外，有些因素具有较强的限制和约束功能，甚至起到“一票否决”的作用，这在指标综合的过程中往往被弱化，无法得到明确体现。因此，需要结合目标需求和区域差异加强刚性约束因素的分析和评价，以更好地凸显其制约作用。

4.2 未来研究展望

（1）强化自然要素的基础性地位和底线约束作用。优化国土空间开发和保护格局是生态文明建设的首要任务，针对当前国土空间开发存在的问题，应当通过调控使得自然要素在国土空间规划中的基础性不断增强，重要性不断提高，优先性得到前置。要突出自然要素的底线约束作用，综合考虑区域水、土等主要资源供给能力，设定资源利用上限；充分考虑水环境、大气环境、土壤环境等相关环境指标，严格按照环境准入负面清单进行监督与管控；加强生态空间管控，切实以“一票否决”要求推动生态保护红线落地；强化对灾害属性的认知，加强对灾害风险性及其潜在危害的分析。

（2）加强通用数据和适用方法的筛选。针对当前资源环境承载力评价体系较杂乱的问题，针对性地借助自然承载力概念对自然系统本底开展评价，从而消除社会经济系统对评价结果的影响。此外，将理论成果应用于现实规划时需要关注其可操作性，探索构建具有较强适用性的的评价技术方法。随着对自然预警工作的不断重视，对自然要素时间序列上的对比分析也越来越受到重视，未来需要加强对自然要素系统演变趋势的模拟研究，构建集过去、现在、未来于一体的自然要素综合评价体系，从机理上认识自然系统。

（3）深化自然要素的系统性研究。国土空间规划是“多规合一”，而非“多规叠加”，是系统、完整、有层次的规划体系（图6）。为凸显自然要素的基础性作用，需要加强自然各属性及其关系的分析，形成集本底分析、预警分析、潜力分析于一体的综合评价系统，为科学划定国土空间开发与保护格局奠定基础。同时，深入分析人类活动对自然要素的资源、生态、环境、灾害属性已经产生的影响，总结这种影响发生的规律，并对未来可能发生的影响进行预测，以对相关规划进行调整，增强规划的科学性与指导性。通过基础评价、规划管控、效应反馈相结合的评价系统对自然进行保护、利用、整治和修复，从而形成更加科学合理的国土空间开发与保护格局。