生态安全格局约束下长株潭都市圈建设用地演变模拟与管控

李欣，王志远,2,3*，刘丹丹，吕靖童

1.南华大学松霖建筑与设计艺术学院

2.湖南省健康城市营造工程技术研究中心

3.南华大学国土空间可持续发展研究中心

城市空间无序蔓延导致区域内生态用地大量流失、生态斑块破碎化、生物多样性急剧减少，严重影响到城市生态安全与可持续发展[1-2]。在此背景下，党的十九大报告提出要构建生态廊道和生物多样性保护网络，提升生态系统质量和稳定性。同时，新时期国土空间规划也致力于研究国土空间平衡[3]，探索更为合理的城镇开发边界划定方法。因而，研究生态用地与建设用地平衡发展，对于保护山水资源、修复生态系统和建设生态家园有着关键性的作用。

国土空间平衡主要分为生态安全与土地合理利用两部分，生态安全是指生态资源环境处于满足经济社会发展需求的状态[4]。在生态安全方面，最早由福尔曼[5]提出的“斑块——廊道——基底”的景观生态学研究模式受到广泛认可，并成为生态安全格局研究的基本思路。我国生态安全格局的研究多集中于格局识别、构建和多模型耦合等方面。如李皓等[6]采用AHP-OWA (analytic hierarchy process-ordered weighted averaging)多准则评估与InVEST模型(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs model)模拟雄安新区生态安全格局；如克亚·热合曼等[7]采用MSPA (morphological spatial pattern analysis)和MCR模型结合构建图木舒克市生态安全格局；李涛等[8]采用电路理论探讨构建衡阳市城市景观安全格局。土地利用是城市发展的基础，其数量和布局变化对生态、经济等方面具有重要影响[9]。土地利用模拟预测分为数量预测和空间预测两部分。在数量预测方面，主要分为以Logistic回归模型(logistic regression model)[10-11]、马尔可夫模型(Markov)[12-13]、灰色预测模型[14-15]为代表的数学模型和以系统动力学模型（SD）[16]、神经网络模型（artificial neural network model）[17]为代表的动力学模型。虽然数量预测可以得知土地利用变化的大致趋势，但不能反映具体的位置变化信息。因此，越来越多土地利用模拟研究采用CLUE-S（conversion of land use and its effects at small region extent）[18]、GEOMOD (geometric data model)[19]、SLEUTH(slope, land use, excluded, urban, transportation, hill shade)模 型[20]、 CA (cellular automata)[21]、MAS(multi-agent system)[22-23]等空间预测模型进行探究。FLUS[24]模型作为空间预测模型的一种，在传统元胞自动机的基础上做了较大的改进，不仅可与Markov、灰色预测模型等数学模型进行较好地结合，而且能基于轮盘赌选择的自适应惯性竞争机制，处理多种土地利用类型相互转化时的不确定性与复杂性，从而提高模拟精度。

随着俞孔坚[25]提出城市景观安全格局理论，许多学者尝试将生态保护与土地利用格局预测相结合。如单渌铱等[26]基于土地生态安全评价预测环鄱阳湖城市群未来土地利用格局，王思易等[27]将单一生态过程与CA模型结合预测扬州市未来用地格局，但并未充分考虑土地利用变化与生态安全格局之间的关系，也缺乏完整的框架和总结。本研究将生态安全格局与FLUS模型相结合，提出自然发展（ND）、核心生态斑块保护（CEP）和生态安全格局约束（ESPR）3种空间预测情景，其模拟的建设用地和生态用地分布范围，可为长株潭都市圈城镇开发边界划定提供参考，以期有效解决该区域生态环境保护与社会经济发展之间的土地利用矛盾，并为同类都市圈土地利用政策提供技术支持。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域

长株潭都市圈是长江中游城市群土地覆盖变化最为剧烈的区域之一，是长株潭城市群核心区，包括长沙市岳麓区、芙蓉区、天心区、开福区、雨花区、望城区和长沙县，株洲市芦淞区、石峰区、天元区、荷塘区和渌口区，湘潭市雨湖区、岳塘区和湘潭县（图1）。该区域总面积8 623.34 km2，人口1 652.24万人（2020年），已基本形成1小时通勤圈的城镇空间形态，是湖南省社会经济发展核心增长极。

图1 研究区示意Fig.1 Schematic diagram of the study area

1.2 数据来源

对长株潭都市圈2000年、2005年、2010年、2015年和2020年5个时期的土地覆盖变化进行监测。采用的数据主要包括：1）长株潭都市圈土地利用数据，利用 Landsat7 ETM SLC-off（2000——2020年）遥感影像数据解译获得，提取出长株潭都市圈建设用地范围。选取湖南省自然资源厅提供的SPOT5高分辨率遥感卫星影像，应用ENVI 5.1软件进行解译精度的验证，验证结果显示精度达到89.9%，该解译精度可用于城市建设用地扩张的研究。2）驱动因子数据主要来源于OSM地图（OpenStreet Map，开源地图），并已进行归一化处理；人口与国内生产总值（GDP）空间分布数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（http://www.resdc.cn）；高程及坡度数据来自地理空间数据云。

2 研究方法

2.1 建设用地变化特征分析

2.1.1 增长强度

城市用地扩张强度指数（U）可以反映同一城市用地不同时间段的增长强度，对比其增长特征，公式如下：

式中：At2、At1分别为t1、t2时间段的城市用地面积，km2；Δt为t1到t2的间隔时间。

2.1.2 标准差椭圆

标准差椭圆能综合展现都市圈空间分布的特征变化，其椭圆面积可以反映都市圈空间的扩张和收缩状态，长短轴变化可以反映都市圈的主要驱动力方向，重心可以用来描述地理空间平均中心的变化趋势。本文基于2000——2020年长株潭都市圈建设用地数据，对比量化其时空演变动态特征。

2.2 生态安全格局构建

2.2.1 综合生态重要性评价

（1）水资源安全重要性评价。水资源安全重要性评价由地表重要水源安全评价和雨洪安全评价叠加而成。地表水源安全评价是基于全国河道划分标准，将研究区内全国二级河道湘江划为极重要级别，全国五级河道划分为中等重要级别，地表坑塘划分为一般重要级别，其余区域为不重要级别。雨洪安全是基于研究区内的高程数据，运用ArcGIS软件中的水文分析模块模拟洪水地表径流过程，得到水流累积量（flow accumulation），再采用自然断点法将其分为4个等级。综合二者划分结果即可得到水资源安全重要性评价。

（2）生物多样性重要性评价。根据研究区的实际情况，选择土地利用类型、坡度为指标，对长株潭都市圈生物多样性功能进行评价。对各因子按照表1进行重新分类赋值后叠加求和计算，再将评价结果划分为不重要、一般重要、中等重要、极重要共4个等级。

表1 生物多样性保护功能评价分级标准Table 1 Classification standards of biodiversity conservation function evaluation

（3）地质灾害敏感性评价。根据地质灾害特征，选择植被覆盖度、高程、坡度及用地类别4个影响因素进行赋值评分，将评价结果划分为不重要、一般重要、中等重要、极重要4个等级（表2）。

表2 地质灾害的影响因子及其敏感性划分标准Table 2 The influencing factors of geological disasters and the classification standard of susceptibility

（4）综合生态用地识别。由于水资源安全、生物多样性、地质灾害敏感性对于研究区同等重要，因此，将基于各单因子评价得到的数值，利用GIS栅格计算功能进行等权重综合叠加，并将综合生态用地划分为不重要、一般重要、中等重要、极重要4个等级，最终得到研究区综合生态用地重要性格局分布图。

2.2.2 生态源地识别

生态源地识别主要包括具有重要生态功能或高度生态敏感性和脆弱性的地区[28]，这是维系长株潭都市圈生态安全的基本保障区域，同时考虑到细碎图斑会对生态安全格局的构建产生影响，综合研究区实际情况，提取极重要生态用地图斑面积大于5 km2的单个图斑作为生态源地。

2.2.3 生态阻力面构建

物种的水平空间运动状态和生态过程，主要受到人为和土地覆被的干扰。参考相关研究[29]，将长株潭都市圈各类土地利用类型对物种和生态系统的阻力系数拟定为1～500（表3）。

表3 长株潭都市圈基本生态阻力系数Table 3 Basic ecological resistance coefficient of Changzhutan metropolitan area

2.2.4 生态廊道识别

由于最小累积阻力模型(minimum cumulative resistance model，MCR模型)考虑了源、距离和景观界面特征，计算物种从源地到目的地运动过程中所需要耗费的代价。因此，采用MCR模型来提取生态源地之间的廊道。公式如下：

式中：MCR为最小累积阻力；f为MCR与生态过程的正相关关系；Ri为景观单元i对某物种运动的阻力系数；Dij为物种从源地j到景观单元i的空间距离。

2.3 FLUS模型

2.3.1 模型参数设置

选择人口、GDP、距高速路距离、距省道距离、距铁路距离、高程、坡度、坡向、距县道距离、距城市中心距离、距河流距离、距国道距离共12个因子，作为建设用地扩张驱动因子，以2015年长株潭都市圈建设用地现状为基础，模拟2020年建设用地分布情况。为验证FLUS模拟模型的精度，利用OA（总体精度）、kappa系数对其精度进行验证。OA、kappa系数均为0～1，当二者大于0.75时，模拟精度较高，当处于0.50～0.75时，模拟精度一般，当小于0.5时，模型不适于未来土地空间利用模拟（表4）。

表4 FLUS模型模拟试验相关参数及具体设置情况Table 4 Relevant parameters and specific settings of FLUS model simulation experiment

2.3.2 情景设置

基于FLUS模型，为2020——2030年建设用地变化设计了3种发展情景，即自然发展（ND）、核心生态斑块保护（CEP）和生态安全格局约束（ESPR）。ND情景遵循2015——2020年的土地扩张速度，仅把现状河流作为禁止转换区；CEP情景将生态源地作为禁止转换区；ESPR情景将综合高生态安全格局作为禁止转换区。

3 结果与讨论

3.1 长株潭都市圈建设用地增量变化

根据2000——2020年5期长株潭都市圈建设用地数据，以增长速率、增长强度等作为城市空间扩展分析指标，对长株潭都市圈扩展变化进行统计分析（表5）。增长速率和增长强度先上升后减少，在2005——2010年最为剧烈，随后逐步放缓。说明在此期间长株潭都市圈建设用地逐渐由急速扩张转为缓速扩张。

表5 2000——2020年长株潭都市圈建设用地增长速率与强度Table 5 The growth rate and intensity of construction land in the Changzhutan metropolitan area from 2000 to 2020

根据标准差椭圆分析结果可知（图2），2000——2020年长株潭都市圈建设用地总体呈现由南向北，由西向东的增长趋势。2000——2005年，椭圆重心坐标由（112°97′E，27°86′N）移至（112°97′E，27°96′N），移动距离为13.285 km，重心移动方向为西北方向，从湘潭市岳塘区偏移至湘潭市雨湖区。椭圆面积由3 512.81 km2减至2 766.06 km2，都市圈规模整体呈收缩态势。椭圆短轴由22.092 km减至18.823 km，长轴由50.619 km减至46.781 km，表明该都市圈新增建设用地在向中心地带集聚。

图2 2000——2020年长株潭都市圈建设用地标准差椭圆Fig.2 Standard deviation ellipse used for the construction land of Changzhutan metropolitan area from 2000 to 2020

2005——2010年，椭圆重心坐标由（112°97′E，27°96′N）移至（112°99′E，27°92′N），移动距离为 7.846 km，重心移动方向为东南方向，从湘潭市雨湖区偏移至湘潭市岳塘区。椭圆面积由2 766.06 km2增至3 200.48 km2，都市圈规模整体呈扩张态势。椭圆短轴由18.823 km增至21.251 km，长轴由46.781 km增至47.943 km，椭圆受东南-西北方向的拉力较大，说明在此期间该方向上的株洲都市区和长沙都市区的建设用地扩张起到了主要拉力作用。

2010——2015年，椭圆重心坐标由（112°99′E，27°92′N）移至（112°99′E，27°93′N），移动距离为 1.030 km，重心移动方向为西北方向，仍居于岳塘区。椭圆面积由3 200.48 km²缩小至3 196.75 km²，都市圈规模整体呈收缩态势。椭圆短轴由21.251 km减至21.179 km，长轴由47.943 km增至48.050 km，椭圆的长轴变长，短轴变短，这是受到长沙都市区建设用地向西北方向进一步扩张的影响。

2015——2020年，椭圆重心坐标由（112°99′E，27°93′N）移至（113°00′E，28°00′N），移动距离为 0.706 km，重心移动方向为东北方向，仍居于岳塘区。椭圆面积由3 196.75 km2增至3 345.18 km2，都市圈规模整体呈扩张态势。椭圆短轴由21.179 km增至22.073 km，长轴由48.050 km增至48.244 km，这是由于长沙都市区长沙县新增建设用地较多的影响。

综合来看，在2000——2020年，椭圆重心由湘潭市岳塘区西南部转移至湘潭市岳塘区中部，且逐步趋于稳定，而标准差椭圆面积、长轴、短轴均略有缩小，都市圈规模整体呈现收缩态势，说明新增建设用地多集中于三市交汇处，有相向融城的发展态势。

3.2 长株潭都市圈生态用地识别

根据长株潭都市圈生态用地识别结果（图3），极重要生态用地的面积为2 649.54 km2，占研究区总面积的30.73%；中等重要生态用地面积为1 820.22 km2，占比为21.11%；一般重要生态用地的面积为2 851.73 km2，占比为33.07%。极重要生态用地是长株潭都市圈生态基础设施的核心区域，是保障自然生态系统服务功能所需的最小生态用地，也是研究区未来开发建设不可逾越的底线。中等重要生态用地为极重要生态用地周围的滩涂湿地、林地和草地等，与极重要生态用地构成研究区内的关键性生态用地。一般重要生态用地分布在极重要生态用地与一般重要生态用地的外围缓冲区内，是维护区域生态安全的理想的生态用地布局，在满足建设用地需求的前提下，可最大限度地提供生态服务和保护生态基础设施。

图3 长株潭都市圈生态因子重要性评价与综合生态用地识别Fig.3 Evaluation of the importance of ecological factors and identification of comprehensive ecological land in Changzhutan metropolitan area

3.3 长株潭都市圈生态安全格局构建

根据综合生态用地识别结果，在极重要生态用地中提取大于5 km2的斑块，采用MCR模型提取出生态廊道和缓冲区，以此构建长株潭都市圈的生态安全格局。生态源地多集中在湘潭市湘潭县、株洲市天元区等地区，面积约为1 204.38 km2，占研究区总面积的13.97%。生态廊道共识别出7条，其中湘江流段为关键廊道，潜在廊道分布在生态环境较好的林地，为源地之间的物种迁徙和能量流通起到了很好的桥梁作用（图4）。

图4 长株潭都市圈生态安全格局Fig.4 Ecological security pattern of Changzhutan metropolitan area

3.4 长株潭都市圈建设用地变化模拟精度检验

以2015年长株潭都市圈建设用地现状为基础，模拟2020年建设用地分布情况，结果如图5所示。为验证模型的可靠性，将FLUS模型模拟的2020年建设用地分布图与实际的2020年建设用地分布图进行对比，得到OA为0.88，kappa系数为0.80，表明该模型模拟效果较好，能适用于未来建设用地分布预测。

图5 长株潭都市圈建设用地现状与模拟检验Fig.5 Status quo and simulation test of construction land in Changzhutan metropolitan area

3.5 长株潭都市圈建设用地多情景模拟

不同控制条件下的情景模拟预测结果显示，研究区建设用地空间变化存在较大的差异（图6）。在ND情景下建设用地规模急剧上升，增加了270.77 km2。从分布格局来看，非建设用地转换为建设用地主要发生在现状建设用地周边，呈现以各自中心为基点向外扩张的趋势，表明该情景下建设用地增长不顾及生态安全平衡。对比图6可知，CEP与ND情景的分布格局与面积总量基本一致，说明建设用地扩张与生态源地保护可以实现平衡与共存。在ESPR情景下，建设用地扩张受到明显约束，增加幅度仅为209.83 km2。从分布格局来看，非建设用地转为建设用地呈现连片式集中增长的特征，主要发生在长沙市望城区西南部、长沙市长沙县西南部、长沙市天心区与雨花区交界处、株洲市石峰区东部、株洲市天元区北部、湘潭市雨湖区东部和湘潭市岳塘区南部和北部。说明在ESPR情景下，既可满足建设用地需求，又可最大限度地提供生态服务和保护生态基础设施。

图6 长株潭都市圈2030年建设用地多情景模拟Fig.6 Multi-scenario simulation of construction land in Changzhutan metropolitan area in 2030

3.6 长株潭都市圈城镇开发边界划定

城镇开发边界作为新时期国土空间规划中划定的指导和约束城镇发展的空间管制控制线，是一条需要持续管理更新的控制线[30]。考虑到未来建设用地发展空间和生态保护的基本要求，选择ESPR情景作为长株潭都市圈城镇开发边界划定的基本依据，将模拟出的城镇空间均划入管控（图7）。然而，国土空间规划应该是动态的、可调整的，所以在城镇开发边界内将2020年现状建设用地作为城镇发展弹性引导区，共有1 075.11 km2用地纳入引导范围；将2030年新增模拟用地作为城镇发展刚性管制区，进行统筹规划管控合理布局，共有1 284.94 km2的用地纳入控制范围。未来城镇开发边界可依据每一轮次管控评估结果和最新规划成果，进行调整校正。

图7 长株潭都市圈2030年城镇开发边界划定Fig.7 Delineation of urban development boundary in Changzhutan metropolitan area in 2030

以城市生态安全为目标一直是城市空间规划研究中的热点，过去绿地系统规划编制是基于城市建设发展的视角，相对忽略了区域绿地的系统性、整体性和生态性[31]，导致生态格局、生态过程与生态功能之间缺乏有机联系，对于城市整体生态保护收效甚微。如刘延国等[32]以西南山区为例探讨优化生态保护红线的划定方法，吕红亮等[33]基于生态过程构建城市生态基础设施，但对于城市发展需要关注不够。随着新时期国土空间规划工作的展开，高质量城市用地扩张受到重视，在构建生态安全格局时还应该注重社会经济发展驱动对于空间增长的影响。任保平等[34]曾探究了经济增长-产业发展-生态环境三者之间的耦合关系，陈炳等[35]更是致力于搭建生态文明建设与城市化的协调发展模型，但都忽略了土地利用变化对于城市生态系统、结构的影响。在FLUS模型中纳入生态安全格局限制区，可模拟多情景下都市圈建设用地变化情况，分析城市扩张对于生态安全格局的动态干扰，实现用地协调发展。未来研究可继续增加多情景模拟，以满足城市发展策略变化的需要。

4 结论

（1）2000——2020年长株潭都市圈建设用地扩张迅速，但扩张速度由急速扩张转为缓速扩张，扩张特征由外延式扩张转为内填式扩张。

（2）通过综合生态用地重要性评价，长株潭都市圈共计2 649.54 km2极重要生态用地与1 204.38 km2生态源地，采用MCR模型构建出长株潭都市圈综合生态安全格局。其中低水平安全格局可以保护核心源地不受侵害，而高水平安全格局有助于实现景观的连贯性，最大限度地保护和维持区域生态系统结构完整。

（3）运用FLUS模型，得出自然发展 (ND)、核心生态块保护 (CEP)、生态安全格局约束 (ESPR)3种情景下建设用地规模分别为1 345.88、1 345.79和1 284.94 km2。其中，基于ESPR情景划定2030年长株潭都市圈城镇开发边界，可更好地平衡“生态-社会-经济”效益，通过科学划分城镇发展刚性管制区和城镇发展弹性引导区，加强对城镇土地利用开发的优化管制，可以有效提高区域土地利用安全。