协同理论下山地工矿城市的国土空间格局优化策略研究——以山西省古交市为例

李宏宇，李津莉，2

（1.天津城建大学 建筑学院，天津 300384；2.天津大学 建筑学院，天津 300072）

国土空间格局作为国土空间规划中重要组成部分，是全域国土空间保护、开发、利用、修复和指导各种规划的核心内容，其中促进生态空间、农业空间、城镇空间等三区协同发展及建构全域空间格局是国土空间格局优化的重要目标.本文以协同优化理论为切入点，以古交市国土为例，梳理古交市国土空间格局的演进机制、演进过程、特征及相关问题，对古交市的国土空间格局的优化策略进行了探究.

1 山地工矿型城市及国土空间格局解读

1.1 山地工矿型城市概念界定

黄光宇教授将山地城市定位为两类：一种是指修建在坡度大于5°以上的起伏不平的坡地上的城市，无论其所处的海拔高度如何；一种是指城市虽然修建在山地平坦用地，但周围复杂地形和自然环境条件会对城市的布局结构、发展方向和生态环境产生重大影响[1].

基于黄光宇教授相关理论，本文研究山地工矿型城市界定分为两个方面：一是城市建立在山地河谷区域，周边为山地丘陵等复杂地形，二是城市发展依托于矿产资源的开采与加工.

1.2 国土空间格局

国土空间是指国家主权与主权权利管辖下的地域空间，是国民生存的场所和环境，包括陆地、陆上水域、内水、领空、领海等”[2].国土空间格局是属于国土空间的一部分，侧重点在于宏观层面的结构和空间布局，因此实现国土空间格局的优化要从其宏观层面进行研究，全面衡量影响国土空间格局的要素及因子，实现在空间上的资源优化配置[3].

从主导功能的角度来看，国土空间格局可分为“城镇空间、农业空间、生态空间”三类空间，三类空间具有城乡建设开发、农业生产、生态保护等功能，其中生态空间是农业空间、城镇空间的重要前提与保障，农业空间对城镇空间、生态保护空间具有着重要的支撑作用，城镇空间影响干预农业空间与生态空间.三类空间相互支撑、影响，功能交叉，如何处理好三类空间格局的发展是优化国土空间格局的一大挑战[4].

2 协同理论下国土空间格局演进机制

协同，简言之，是合作的观点，即研究系统各部分的合作问题.协同学是“关于系统中各个子系统之间相互竞争、合作的科学”[5]，就是协调多个要素通过协作合作的方式达到某一目标的过程，主要研究复杂系统中从无序到有序的过程与规律.协同学作为系统论的重要理论，现已广泛用于各个学科和领域.

2.1 山地工矿城市国土空间格局系统构成

根据复杂系统适应理论和方创琳所提的国土三生空间优化理论[6]，可将山地工矿城市的国土空间格局复杂系统划分为三个子系统与一个主体系统：生态空间子系统、农业空间子系统、城镇空间子系统，这三类子系统构成了国土空间格局的主体系统（见图1）.根据协同理论进行分析，可看出子系统之间存在竞争与合作的关系，主体系统与子系统之间存在正负反馈与适应改造机制.

图1 山地工矿城市国土空间格局系统构成图

2.2 山地工矿城市国土空间格局动力机制

山地工矿城市国土空间格局协同论其本质是建构三类空间协同演进的秩序，是由山水林田湖草矿城等要素按照一系列的序列所创造的结果，动力来源于生态空间、城镇空间、农业空间内多种要素的统一作用力，是一个复杂多向度的合力（见图2），这三类空间的合力对于山地工矿城市的国土空间格局形成有着直接推动作用.

图2 山地工矿城市协同合力模型

2.3 山地工矿城市国土空间格局演进机制

根据系统科学、协同理论和相关文献对复杂系统协同演进机制进行分析[7]，可以归纳出山地工矿城市国土空间格局演进机制（见图3）.

图3 山地工矿城市国土空间格局演进机制示意图

山地工矿城市国土空间格局作为一个复杂适应系统，内部子系统之间存在此消彼长、相互制衡的关系，在格局演化过程中，因自身与外来环境因素如矿产资源开采、居民点建设的刺激使得三类子系统之间产生竞争机制，即三类空间在要素交换中呈竞争态势，当竞争到一个临界点时就会仅剩几个甚至一个要素引导支配格局的有序演化，这仅剩的因子就会成为序参量.对于一般山地工矿城市来说，受限于自身要素禀赋，能够成为序参量的因子都会与矿产资源、山地生态相关.在序参量推动下，山地工矿城市三类子系统的空间形态规模和结构会产生涨落机制：微涨落使子系统内部小范围变化；巨涨落则引起子系统内部用地、功能和结构失衡，进而反馈到山地工矿城市国土空间格局主体系统中.反馈就是把输出要素反作用到输入端，能增强输入的作用称为正反馈，起到削弱的作用称为负反馈[8].反馈能反映出山地生态、矿产开采等序参量对主体系统的支配效果，主体系统通过反馈机制产生相应的适应选择机制，对三类子系统进行相应改造，推动山地工矿城市国土空间格局演化.

3 古交市国土空间格局演进及特征问题分析

3.1 演化过程

根据对上文基于协同理论推出的国土空间格局演进机制，本文以山地工矿城市的国土空间格局为研究对象，以古交市为例具体分析山地工矿城市国土空间格局的演化过程、特征及相关问题（见图4）.

图4 古交市国土空间格局演化示意图

3.1.1 秩序的形成-从混沌到有序演进

根据古交市发现的诸多遗址，如李家社、凤凰岩、石千峰等文化遗址，说明古交市国土空间发展可以追溯到十多万年前，古交市国土空间格局在初期阶段开始出现三类空间的划分，在农耕发展序参量的推动下，打破了单一生态空间的国土空间，促使农业和城镇空间出现，国土空间格局从混沌走向有序.

3.1.2 秩序的跃升-从有序走向集聚

隋开皇十六年（公元596年），古交境域开始设县级建置，于晋阳西境设交城县，从隋到民国时期，古交市国土空间在城镇建设序参量推动下，城镇空间和农业空间在古交镇附近集聚，三类空间围绕城镇区域聚集性演化.

3.1.3 层次的转变-从单核变为多核

在1958—1985年之间，古交市进行了工矿和城市建设，在工矿建设序参量的推动下，古交市国土空间格局在以古交市为核心的基础上，三类空间围绕大型工矿点集聚，形成多核分布的特点，生态空间因城镇工矿及农业用地的发展大幅度缩减.

3.1.4 层次的跃升-从简单变为复杂在1985—1997年之间，古交市国土空间格局多核形态定型后，在城镇和矿区的不断发展下，三类空间子系统内部在经济发展、服务需求等序参量的推动下由简单演变为复杂结构，子系统进一步演化，三类空间内部出现分区划分：城镇空间出现工业区、矿业区、居住区、服务区；农业空间出现牧业区、农耕区；生态空间出现生态保护区、生态发展区，国土空间格局进一步演变.

3.1.5 结构的跌落-从鼎盛转为衰落

古交市国土空间结构的鼎盛转衰落所引起的序参量主要是矿产开采，鼎盛与衰落的转变有三个演替节点.第一个节点是在1998—2002年，由于国家能源政策和投资结构的不合理，煤炭等能源经济开始衰退，由于前十年无序粗放式煤炭开采对生态环境破坏造成的严重后果逐渐暴露出来，城镇空间由鼎盛转为衰落，生态系统被破坏.第二个节点是2002—2012年，吸取了上一阶段的教训，对煤炭等矿产资源的产业结构进行调整，改变产业发展方向，采取治理生态的相关措施，国土空间由衰落转为鼎盛.第三个节点是2012—2018年，上一个时期对煤炭等矿产资源开采加剧，资源掠夺严重，生态环境破坏和生态安全问题不断加剧，且煤炭资源对城镇空间发展推动后继乏力，城镇空间由鼎盛转为衰落，生态系统破坏更为严重.

因此从系统的辩证关系看，这一时期并没有产生演进，只是重复演替的过程，没有跳出资源开采与工业发展对于生态破坏这一循环.

通过对古交市2009—2020年的三类空间进行分析可以看出古交市的三类空间中以生态空间为主，占80%左右，其次是农业空间，城镇空间最少（见图5和表1）.对三类空间变化进行分析可以看出生态空间处于不断增长趋势，这是因古交市在这段时期采取了生态治理的措施；城镇空间成倍数增长，是由于工矿用地的不断增长；农业空间的不断减少是由于生态退耕还林与采矿区域不断增加所造成.因此，这此阶段中工矿用地粗放式增长为主要的序参量，此序参量产生的负反馈对生态连通、城镇高质量发展产生阻碍，古交市国土空间格局演变未跳出资源陷阱，开始走向衰落.

表1 古交市2009年与2020年三类空间对比

图5 古交市三类空间图

3.2 问题归纳

3.2.1 秩序性缺失

秩序性就是国土空间格局系统在一定时期演化的结构性和形态，通过上文对古交市国土空间格局演进过程和空间转移特征的分析可以得出目前国土空间格局演化中存在秩序性缺失问题，根本原因是推动国土空间格局发展演变的动力存在着缺陷.具体来说就是古交市现阶段序参量仍以传统的工矿业为主，采矿和工业所累积的生态破坏、地质灾害频发等后果导致现有国土空间格局有序演进被打乱，国土空间格局演进陷入缓慢、停滞状态.

3.2.2 反馈性缺失

古交市国土空间格局属于复杂系统，属于非平衡状态的耗散结构，在动态演进中的不同时段和环境受到的影响因子是多样的，最后形成的序参量也是多样的.通过对目前的序参量工矿建设的反馈性进行分析可看出其对城镇空间发展推动不足，对生态空间和农业空间造成极大破坏，目前以负反馈为主，是削弱整体的系统功能，因此亟需进行修正构建正反馈机制.

3.2.3 适应性缺失

古交市山地工矿城市国土空间格局因序参量对国土空间格局的正反馈缺失，主体系统适应性选择支配无法对三类空间进行正确的适应改造，三类子系统中城镇空间仍以不断粗放式增长的模式发展，农业空间中耕地不断被废弃抛荒，生态系统因矿产资源的加剧开采规模不断缩减、系统被破坏，系统整体开始丧失活力，出现无序、失衡的状态.

4 山地工矿城市国土空间格局协同优化策略——古交市为例

以协同学理念为基础，梳理规划设计与自生组织下的复合联动机制，通过植入序参量注入动力因子、刺激正反馈引导优化方向、遵守支配律建构网络格局的方法，建立国土空间格局协同优化策略.

4.1 协同优化的原则与目标

以协同理论为指导，确定古交市国土空间格局优化原则为生态保护、功能互补、协调互促、人本与有序发展等原则，在古交市整体国土空间格局优化中应强调底线约束，以协同理论优化三类空间，解决山地工矿城市秩序性、反馈性、适应性缺失等问题，合理构建古交市国土空间总格局.

4.2 演化过程重点

4.2.1 序参量产生阈值

国土空间格局的演化受到各种作用力的影响，会对系统的竞争、涨落产生不同程度的影响，一旦作用力影响超过一定的阈值就会成为序参量，推动国土空间格局系统的整体走向.

4.2.2 涨落机制与反馈

涨落及反馈机制对系统的演进有着重要的作用，是由序参量所引起的巨涨落和正反馈等过程推动国土空间格局整体系统往前演进.

4.2.3 适应性选择与支配律

适应性选择是国土空间格局系统“优胜劣汰”的过程，国土空间格局序参量选择及演进方向要符合客观需求，通过适应改造使国土空间格局在整体上保持动态上升.

4.3 协同优化的策略

系统优化的特点是从系统的全局观点出发，协调系统内部各个组成单元之间的连接关系，以及各个单元本身的操作参数，使整个系统按照预定的目标在整体上达到最优化[10].国土空间格局优化本质上来说是一个系统工程，因此要从古交市国土空间格局演进机制出发，结合规划设计手段，构建古交市国土空间格局优化路径.

4.3.1 重构秩序性

古交市国土空间格局演化的秩序可分为以环境适应性为主导的自生演进秩序与规划手段为主的理性建构秩序.在古交市国土空间格局优化的过程中需要结合这两种方式重构古交市国土空间格局演进的秩序性，即以演进机制中的序参量、反馈及适应性为切入点，以植入序参量、刺激正反馈、遵守支配律为路径，建构以自生演进机制为基础，以规划应对为主的国土空间格局演进优化策略（见图6）.

图6 自生与规划下国土空间格局优化机制

4.3.2 植入序参量

序参量作为建构国土空间格局中秩序建构动力的物质载体，实质上是推进国土空间格局演进的重要动力引擎（见表2）.与一般状态参量相较而言，序参量具有两个特征：一是序参量具有支配功能，是主体适应国土空间格局的客观条件的重要支撑，因此在国土空间格局中具有对他者的影响力与作用力，识别与自身相适应的个体，组织要素进而向一个功能或目标发展；二是序参量自身能够随着时间环境等变化进行修正和优化，能在国土空间格局中处于优势地位，影响作用于格局演化.

表2 国土空间格局历史演化各阶段主要序参量

目前古交市国土空间格局的演化处于缓慢甚至停滞状态，内部动力机制不足，因此根据相关成功案例寻找能推动格局演化发展的序参量：

德国鲁尔区属于资源型城市，1958年煤炭开采业爆发危机后，城市走向衰退，之后城市寻求新的发展动力——以产业入手，采取防御性政策，在保留重点传统区域产业结构外，发展经济多样化，重点引向与煤炭等传统产业有一定关联的新兴产业.六盘水是贵州省乃至全国的重点产煤区，山地面积占总面积的82.4%，与古交市情况类似，经过煤炭危机后，在产业方面以“立足煤、做足煤、不唯煤”为原则，探索完整循环经济产业链条，在生态方面致力于生态网络构建，以农旅融合作为新动力推进农业发展，从而跳出资源陷阱.

通过分析案例并结合笔者参与的国土空间规划实践，确定以生态保护红线、永久基本农田保护红线、城镇开发边界的底线约束为原则，以高质量发展为优化目标，在生态、农业、城镇三类空间子系统中分别植入生态网络、农旅融合、产业转型相关序参量.

4.3.3 刺激正反馈

系统中的反馈机制是判别序参量作用力效果的主要途径，可以反映系统内部子系统和要素对于序参量的应对方式，因此对反馈机制进行引导和观察能够直观地看出序参量支配能力下的动力是否能够推动系统的演化及优化.

国土空间格局的协同优化实质上就是从无序状态优化为有序状态、推动格局演化，因此在作用过程中要对反馈机制进行引导，刺激正反馈，从而推动系统的结构优化.

（1）生态空间反馈引导

古交市过去因煤炭开采严重，生态环境遭到破坏，生态系统紊乱，因此优化生态空间就要以构建生态网络组织为序参量，通过生态安全格局构建生态网络，优化生态空间格局.

（2）农业空间反馈引导

古交市农业空间零散且农田利用效率低，因此要转变农业发展方式，植入农旅融合发展序参量，优化农业空间格局，依托得天独厚的自然资源，打造一批农旅融合的农业园区，提升农业空间的效益.

（3）城镇空间反馈引导

古交市城镇空间发展动力不足，无法刺激城镇发展最根本的问题就是现阶段中支撑城市发展的煤炭等资源型产业发展的经济性不强且资源型产业是不可再生资源，因此优化城镇发展格局就要从产业转型入手，推动城镇空间高质量发展.

4.3.4 遵守支配律

国土空间格局优化的实质出发点就是三类空间的合作与协调发展[8].适应性选择是在序参量支配能力的基础上系统内部进行的自我调节支配平衡，遵守支配律实质就是通过植入、引导序参量，以序参量的支配能力进行适应性选择，从而对国土空间格局系统内部空间进行优化.本文以城镇开发边界、生态保护红线、永久基本农田底线为约束条件，打造生态、城镇网络集合[9]，优化网络组织关系，对农业园区及城镇建设空间引导与管控，推进国土空间格局整体优化.

（1）山地型生态空间格局优化

运用最小累积阻力模型（MCR）用于生态安全格局的划定，MCR模型主要考虑生态“源”分布、阻力面构建、生态廊道识别等方面的内容.具体计算公式如下[10]

式中：f为未知函数关系，反映了生态保护红线与最小阻力值的正相关关系；Dij为物种迁移过程中从斑块源j到达空间任一单元i的距离；Ri为空间任一单元i在物种迁移过程中产生的阻力系数.

基于MCR模型下的生态安全格局及生态廊道分析首先要确定生态源地、阻力面，在加权阻力面的基础上研究得出生态廊道，进而构建生态网络格局.（见图7）

图7 生态安全格局下生态网络组织构建

生态源地：本文中以生态保护红线作为生态源地.

阻力面构建：本文研究主要考虑的阻力因子有现状土地利用类型、地形坡度及采空区，利用栅格分析将其划分为不同等级，考虑对于源地扩张阻力的不同赋予不同的系数（见表3），在参考大量文献研究结果的基础上，通过专家打分法的层次分析法进而确定各因子所占的权重值，最后计算出阻力面.

表3 阻力因子、阻力值及权重

生态廊道构建：采用ArcGIS的成本距离，计算基于生态阻力面的生态廊道基本走向，利用电路模型（Linkage Mapper2.0）识别出生态廊道.

基于古交市MCR模型下的生态安全格局及生态廊道的分析结果，规划古交市“七核一轴四带两廊多节点”的生态网络结构.七核是金牛、天龙山、关帝山等生态核心区，是古交市市域内生态价值最高的生态空间和维持关键生物物种和生态系统的核心区域；一轴是汾河生态轴，东西向贯穿古交市中部区域；四带是屯兰河生态带、原平河生态带、大川河生态带、狮子河生态带，贯穿南北区域；两廊是指东西两侧的潜在生态廊道.生态轴、生态带及廊道能实现生态斑块之间连通性构建生态核心区之间生态联系，有效促进生态系统中信息、能量、物质流的传递.多节点就是相较于生态核心的生态价值较低区域，可加强生态网络结构的关联性.

（2）山坳型农业空间格局优化

古交市农业空间中耕地占全域面积的16%，但是散乱且低效，因此优化农业空间要植入农旅融合序参量，以农业园区引导农业空间格局优化.本文在农业空间中的耕地、源地和农村居民点等要素整合基础上进行农业园区的适宜性集成评价.评价因子主要为耕地、园地、农村居民点，在参考大量文献研究的基础上，通过专家打分法和层次分析法确定各因子所占的权重值[11]（见表4）.

表4 农业园区适宜性评价因子及权重

基于农业园区适宜性评价分析结果，确定核心和次要农业园区位置，在此基础上规划"三区多基地”的农业园区空间布局（见图8）.“三区”是市域北部的特色种植主导区、市域中部休闲观光农业主导区、市域南部生态农业主导区.“多基地”指以核心农业园区为主导的生态化、规模化、专业化的现代产业基地.以核心农业园区为基点结合次要农业园区，融入田园风光、农耕文化、生态旅游等要素，发展农业精品路线，促进农业空间高效益发展.

图8 农业园区适宜性评价及空间布局

（3）工矿河谷型城镇空间格局优化

优化古交市城镇发展格局关键点是建立产业转型导向下的工矿河谷型城镇空间发展模式，主要规划策略可以分为两个方面：

第一，边缘外部三类空间复合，多元融合，协调联动.

古交市城镇边缘外部空间是与生态空间、农业空间相邻的区域，针对这部分区域要以“山、水、田、矿、城”相生的思路构建协同发展的特色城镇边缘空间，即以生态渗透和产业联合为抓手，促进三类空间的相互协调与联动：首先以山体、水体、林地、田地的保护与治理保证城镇发展的质量与可持续，以城镇和工矿的发展为山水林田的治理提供保障，形成以田助城、以水润城、以山绿城、山水田矿城联动，形成三生融合城镇特色空间（见图9a）；其次在边缘区域要将各大类产业有机联动，形成功能互补、空间互融的产业形态（见图9b）.

第二，城镇内部空间分层次开发，注重实施，完善配套.

古交市城镇格局优化的过程中以产业资源在空间的分布为支撑，可以分为三个层次进行开发：第一个层次是依托优势，做优做强综合能源基地，完善产业链，形成城市带动区；第二个层次是转变优势，布局高载能产业与新材料，形成城市发展区；第三个层次是强化优势，培育新兴接替产业，发展高新技术产业，形成城市创新区.在空间上形成以核心服务区为中心，构建“城市带动区——城市发展区——城市创新区”三级开发层次的城镇空间发展格局（见图9c）.

图9 产业转型下古交市城镇空间发展模式图

4.4 古交市国土空间格局优化

基于协同理论，通过三类空间中的序参量反馈刺激国土空间格局的主体系统，引导正反馈，引入规划方法，发挥序参量的支配作用，在主体系统的适应机制下适应改造优化三类子系统空间结构，构建网络化的生态空间、高效益的农业空间及高质量的城镇空间，进而推动古交市国土空间格局的整体优化.

5 结语

在新一轮国土空间规划的背景下，国土空间格局，优化为市域国土空间保护与开发提供战略性的指导成为重要的研究内容.在此背景下，本文以协同优化理论为切入点聚焦于县域一级山地工矿城市的国土空间格局优化，以古交市为例，通过研究古交市协同演进机制，以竞争所产生的序参量、巨涨落、适应性机制及正反馈为重要切入点，结合规划手段，建构古交市国土空间格局协同优化路径，通过植入序参量注入动力因子、刺激正反馈引导优化方向、遵守支配律建构网络格局的过程，对国土空间的生态、农业、城镇空间依次进行优化，从而构建开放式、网络化、集约型、生态化的国土空间总体格局，为山地工矿型城市国土空间格局的优化研究提供新的思路，起到抛砖引玉的作用.