基于“保护-开发”权衡协同关系的国土空间功能综合分析研究——以武鄂黄黄都市圈为例

陈晓茜, 江志猛, 陈金文, 黄冠宇, 李 岩,樊凯旋, 周 寒, 吴 浩

(1.湖北省空间规划研究院, 武汉 430000; 2.华中师范大学城市与环境科学学院, 武汉 430079;3.地理过程分析与模拟湖北省重点实验室, 武汉 430079)

国土空间功能是某一区域内生态涵养能力、居民生活便利度和工农业生产条件等空间要素服务效用的综合表征[1-2],国土空间功能分析已成为区域空间发展现状认知、人地系统耦合机理识别和可持续发展目标摹画等研究实践的首要基础和必要前提[3-5].2022年10月,党的二十大报告强调要“深入实施区域协调发展战略、主体功能区战略、新型城镇化战略,优化重大生产力布局,构建优势互补、高质量发展的区域经济布局和国土空间体系”[6],提出要将区域国土空间功能科学分析作为区域社会经济高质量发展布局规划的重中之重[7-8].作为生态文明建设、乡村振兴和区域城乡一体化等重大战略部署的空间载体,国土空间要素兼具资源禀赋脆弱性和边际效益价值性的双重特征[9-10].如何通过综合考虑国土空间资源环境要素保护的重要性和国土空间功能开发的合理性二者的协同或权衡关系,从“自然保护-资源开发”均衡匹配的角度科学分析国土空间功能综合状况,探索重构区域国土空间开发保护新格局的合理路径,已然是当前自然资源管理、资源环境科学和地理科学等研究领域亟待突破的关键议题和现实挑战[11].

国土空间功能概念源起于20世纪末期兴起的人地关系地域系统理论,其内涵从最初的区域地理空间单元资源的经济价值供给功能,逐渐演变为区域人地系统全要素在人类社会生活和经济生产过程中所体现出的综合发开发利用价值特征[12-13].当前国内外的国土空间功能研究主要聚焦于国土空间功能的识别、国土空间功能格局的优化以及国土空间功能发展区划的应用等方面.国际上对国土空间功能的研究主要围绕城市和乡村生态系统功能、景观价值功能和农业生产功能等具体功能类型[14],对不同空间组织系统内的国土空间功能水平进行测度,并针对国土空间功能的时空趋势、格局构造以及演化机理等方面展开研究,为区域国土空间功能特征的定量化测度和定性化归纳提供了丰富的理论和方法基础.中国学者对国土空间功能的研究则更加注重实践应用性,重在关注研究成果与国土空间规划编制和实施、生态保护红线-永久基本农田保护红线-城镇开发边界划定、国土空间用途分区管制等实践需求间的结合,在不同级别的行政区域和地理分区内开展了广泛研究.例如,王文静等[15]通过评估生态系统服务、生态系统质量和生态问题,探讨了北京市国土空间生态修复方案,并识别出了重要的生态保护空间;巩垠熙等[16]基于多元信息综合集成和自动分类识别技术,对陕西省榆林市国土空间功能进行了自动化识别;谢晓彤等[17]通过构建生产、生活和生态三个维度指标体系,评价了河南省县级行政单元2000—2018年的国土空间功能时空演变特征;张振龙等[18]通过分析空间隶属和空间质量的双重属性特征,分析了江苏省苏州市乡镇街道的三生空间功能水平及其协调关系.总体来看,已有研究从生态涵养和资源供给等不同方面为国土空间功能的理论构建、格局识别与重塑以及综合优化等研究奠定了坚实的基础[19].然而,伴随城镇化的深入推进,国土空间要素呈现出更为显著的领域交错性和时空动态性特征,传统的侧重于对区域国土空间功能开发潜力或保护利用价值等单一视角的认知[20],难以反映国土空间系统要素在人为活动影响过程中的整体性和综合性特征,研究成果无法为准确探究新时代区域国土空间功能提供指引.

在当前生态文明建设、高质量发展和长江大保护等战略背景下[21],国土空间功能综合发展水平不仅表现为资源要素可支撑人类社会经济活动的能力大小[22],更体现在国土空间开发的强度规模[23],已成为国土空间要素本底条件和资源开发强度二者在权衡/协同状况下的整体表征[24-26].因此,本文以中国中部地区社会经济发展平均水平最高和国土空间资源要素开发活动最为频繁的武鄂黄黄都市圈为例[27-28],从以下三个方面开展研究:首先,构建资源环境承载力评价指标体系,科学评估研究区资源环境承载力水平,识别国土空间资源环境要素保护的重要性程度.其次,结合国土生态、生产和生活(三生)空间的功能属性特征,分别建立三生空间功能评价指标体系,评估国土空间功能水平,并判断国土三生空间功能间的空间匹配强度关系,刻画国土空间功能开发的合理性特征.最后,依据国土空间资源要素“开发-保护”的权衡/协同关系,全面分析国土空间功能的现实状态,探索在国土空间开发与资源环境要素保护共同作用下的国土空间功能综合水平.研究成果可为大型都市圈国土空间治理体系和治理能力现代化建设提供重要参考依据.

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

武鄂黄黄(Wuhan-Ezhou-Huanggang-Huangshi,WEHH)都市圈地理位置介于113°～ 117°E、29°～ 32°N之间.依据《武鄂黄黄规划建设纲要大纲》,武鄂黄黄都市圈包括武汉市、鄂州市、黄石市和黄冈市等4个城市,下辖32个县级行政区.域内湿地、耕地等自然资源禀赋充裕,是长江中下游地区重要的生态功能涵养带,地理空间格局呈现出“一江两屏、南湖北河、沿江布局、湖城相依”的特征.2021年,常住人口约2 300万,地区生产总值达2.3万亿元,人均GDP愈10万元,人口城镇化率达72.73%,社会经济发展状况显著优于湖北省乃至中部地区的平均水平.近年来,武鄂黄黄都市圈在中部崛起和长江经济带建设等战略实施进程中取得了瞩目的发展成效,城乡一体化程度持续攀升.但与此同时,由于缺乏合理的国土空间结构和功能布局方案,仍面临着区域生态安全格局失稳、人居环境不平衡以及人地矛盾凸显等一系列现实问题[29].由此可见,以武鄂黄黄都市圈为研究区,开展国土空间功能综合分析研究,具有极佳的典型性和代表性.

图1 研究区概况

1.2 数据来源

都市圈国土空间功能分析需综合考虑社会经济、自然生态、资源环境等多维度因素特征,因此,本文采用如下5类开展综合研究:1) 基础地理信息数据,包括地级市和县区等各级行政边界、居民点等矢量数据; 2) 土地利用产品数据,包括土地利用类型(分为耕地、林地、草地、水体、湿地、人造地表、裸地等7类)和数字高程DEM; 3) 生态环境监测数据,包括植被指数、大气污染物浓度、太阳辐射、生态系统服务、生物多样性、土壤含水量等; 4) 新型地理时空数据,包括地理兴趣点POI和交通路网; 5) 社会经济数据,包括夜间灯光、人口、国民经济产值等.

为确保数据来源及预处理方式的一致性、可靠性和科学性,本文使用的所有数据均从公开平台获取,通过文本数据空间化、投影变换、地理配准、坐标系变换、重采样等步骤的预处理,分别将各类数据的空间分辨率统一至1 000 m×1 000 m,空间坐标系纳定为WGS 1984.各数据的名称、类型及来源如表1所示.

表1 数据来源

2 研究方法

2.1 技术路线

本文在构建涵括自然资源、生态环境和社会经济等多种类型的基础数据集的前提下,首先从自然生态、资源环境和社会经济三个子维度构建指标体系,运用综合评价法评价研究区资源环境承载力水平,判断出资源环境要素保护的重要性;以土地利用分类为参照,在划分出国土生态、生产和生活三类国土空间基础上,构建三类国土空间功能水平评价指标体系,并运用均方根误差模型,分别度量“生态-生产”“生产-生活”“生态-生活”等不同功能之间的匹配关系,识别国土空间功能开发强度,挖掘出国土空间功能的合理性.进而,采用耦合协调度模型,衡量研究区国土空间“开发-保护”之间的权衡/协同关系,并基于此关系,依据模型的原理,率定出相应的参数阈值,分析研究区国土空间功能的综合发展状况.研究的技术路线如图2所示.

图2 技术路线

2.2 资源环境承载力评价方法

资源环境承载力指生态环境要素条件所能承担的人类生产生活和各类社会经济活动的限度,其可为科学布局区域生态保护、农业生产、城镇开发等功能空间和统筹划定生态保护红线、永久基本农田、城镇开发边界等工作提供重要支撑,已成为区域国土空间规划编制的前提和基础.本文以《资源环境承载能力与国土空间开发适宜性评价技术规程》(DB36/T 1357-2020)为标准,分别从自然资源承载力、生态环境承载力和社会经济承载力三个不同维度构建资源环境承载力评价指标体系[30],并对各资源环境要素的水平进行空间量化分析,进而结合AHP-熵权法赋定指标权重,运用综合评价法得出研究区资源环境承载力水平.资源环境承载力水平体现出武鄂黄黄都市圈国土空间保护的重要性程度,是国土空间“开发-保护”格局中生态环境本底条件的潜在基础.本文构建的资源环境承载力评价指标体系如表2所示.

表2 资源环境承载力评价指标体系

分别依据各指标权重,结合公式

(1)

(2)

2.3 国土空间功能开发强度识别方法

基于国土空间功能的内涵和逻辑原理,通过梳理现有文献[31],构建研究区国土生产空间功能、生活空间功能、生态空间功能的评价指标体系(表3).其中,生产功能采用非农业生产(工业生产)和农业生产(农作物生产)两个不同生产部门的指标来表征;生活功能采用基础设施公共服务能力和居民物质与精神生活保障能力相关指标来表征;生态功能采用与生态系统调节、支撑功能相关的指标来表征.依据公式(1)所示的方法将各指标数据进行标准化处理,并结合AHP-熵值法分别确定目标层中生产功能、生活功能和生态功能各指标的权重大小[32],采用公式(3)所示的方法将各目标层下的指标进行加权综合,计算出研究区国土空间生产功能、生活功能和生态功能的大小.公式为:

表3 国土空间功能开发强度评价指标体系

(3)

式中,F为生产、生活和生态空间功能的大小,i为不同空间功能下的指标,Ai为各指标经标准化后的指标值,ai为各指标的权重大小.

国土空间功能开发强度是代表区域国土空间不同功能类型在相互作用和影响下体现出的整体一致性特征[33].本文将生产功能(非农业和农业)、生活功能和生态功能计算结果视为四个独立的子系统[34],采用均方根误差(root mean square error, RMSE)模型分别计算生产(农业)与生态空间功能、生产(农业)与生活空间功能、生产(非农业)与生态空间功能、生产(非农业)与生活空间功能、生产(农业)与生产(非农业)空间功能、生活与生态空间功能的匹配程度(其值介于0～1),计算方法为:

(4)

式中,RMSE为均方根误差,yi分别为生产(农业和非农业)、生活和生态功能的水平,f(xi)则分别为各功能的期望值(即1∶1线上的值),m为国土空间功能的个数.进而,采用加权平均法将以上六组空间功能的匹配程度计算结果整合为国土空间功能开发强度指数,以表征区域不同国土空间功能呈现出的整体强度特征.国土空间功能开发强度指数代表武鄂黄黄都市圈国土空间“开发-保护”现状的合理性大小,是国土空间要素受人类开发行为影响强度的实际表征.

2.4 国土空间功能综合指数综合分析方法

依据“保护-开发”权衡协同分析理论框架,本文利用耦合协调度模型分析研究区国土空间开发合理性(即资源环境承载力)与资源环境要素保护重要性(即国土空间开发强度)二者的协调程度,协调程度越高,说明国土空间功能综合水平越高[35].耦合协调度模型是分析两个系统之间的相互作用与影响关联程度,可反映出系统间相互依存和相互制约的程度,是当前研究多系统权衡/协同程度的主流模型之一[35-36].本文采用耦合协调度模型分析国土空间功能综合指数的方法如公式(5)和图3所示.公式为:

图3 国土空间“保护-开发”协同/权衡分析方法

(5)

式中,U1和U2分别为研究区资源环境承载力指数和国土空间开发强度指数,C和D分别为资源环境承载力指数和国土空间开发强度指数的耦合度和耦合协调度,取值范围为(0,1),α和β分别为资源环境承载力指数和国土空间开发强度指数所占的权重(α=β=0.5).本文以D值作为国土空间功能综合指数,用以表征国土空间功能的综合水平;D越高,说明区域国土空间“保护-开发”存在较强的协同关系,国土空间功能综合水平越高;当D≥0.7时,为国土空间“保护-开发”协同关系,国土空间功能水平与资源环境承载力具有良好的协调水平;当D<0.7时,为国土空间“保护-开发”权衡关系,其中,国土功能指数水平大于资源环境承载力时,认为该单元更适合开发,资源环境承载力大于国土功能指数水平时,认为该单元更适合保护.

3 结果分析

3.1 资源环境承载力评价结果

武鄂黄黄都市圈资源环境承载力整体呈东部高、中西部低的空间分布格局.如图4a所示,武鄂黄黄都市圈资源环境承载力高值区主要位于东部的大别山南麓、东南部幕阜山北峦等丘陵地带,这些区域具有相对完善的自然生态本底条件,自然资源禀赋较优,国土空间资源环境要素承载各类开发利用活动的能力较强.资源环境承载力中值区分布于武鄂黄黄都市圈中部和武汉市远城区一带,此区域具有良好的生态本底条件和自然资源禀赋,但由于受到人类开发活动的影响,资源环境系统仍面临一定的压力.资源环境承载力低值区位于武鄂黄黄都市圈中西部和南部的武汉市中心城区、鄂州市和黄石市中心城区一带,这些区域社会经济发展程度较高,人口密度和城市化水平较高,但由于国土空间功能类型单一(多为非农业生产空间),缺乏充裕的生态本底条件和资源要素供给能力,国土空间资源环境承载力水平较低,资源环境要素保护的重要性程度较高.

图4 武鄂黄黄都市圈资源环境承载力

从图4b资源环境承载力的子维度来看,自然资源子维度的承载力呈现出东低西高的空间分布格局,低值区位于黄冈市东部和黄石市南部,此区域地形起伏度较大,资源环境要素承载国土空间开发利用活动时的脆弱性较强.图4c生态环境子维度承载力的空间分布格局与自然资源子维度承载力大致呈相反的趋势,其低值区分布于都市圈西部的武汉市主城区一带,此区域生态系统服务能力贫瘠,生态本底要素在国土空间开发利用过程中的敏感性较高.图4d社会经济子维度承载力具有西部高-东部低的空间特征,高值区位于社会经济发展程度较高的武汉市中部和黄石市北部一带,武汉市中部核心城区的社会经济承载力较低的原因在于其人口密度较大,人均社会资源供给能力不足.

3.2 国土空间开发强度识别结果

武鄂黄黄都市圈国土生产、生活和生态空间功能间的匹配强度呈现出显著的差异性(图5),表明国土三生空间功能发展水平呈现出较强的非均衡特征.从区域分布上来看,武鄂黄黄都市圈西部的武汉市主城区即南部的江夏区一带具有较低的农业生产-生态空间功能匹配强度和农业生产-生活空间功能匹配强度,同时具有较高的非农业生产-生态空间功能匹配强度和农业生产-非农业生产空间功能匹配强度,表明此区域农业生产活动与生态保护、农业生产活动与居民生活之间存在相对一致的特征;而非农业生产活动与生态保护、农业生产与非农业生产活动之间具有较强的不平衡性,国土空间开发过程将面临不同功能类型间的冲突与矛盾.

图5 武鄂黄黄都市圈生产-生活-生态功能匹配强度

武鄂黄黄都市圈国土空间开发强度具有显著的空间异质性特征,结果如图6所示.采用自然断点法,将武鄂黄黄都市圈国土空间开发强度指数划分为以下四类:高强度(强度指数≥0.58)、中等强度(强度指数介于0.44～0.58之间)、较低强度(强度指数介于0.3～0.44之间)和低强度(强度指数≤0.3).武鄂黄黄都市圈国土空间开发强度指数平均值为0.433 3,表明都市圈人为对国土空间资源要素的开发利用水平整体呈中等偏低水平.其中,以较低强度占比为最高,其次是较高强度.然而,部分区域的三生空间功能却面临着较高的外界压力,例如,都市圈西部的武汉市中心城区、北部的新洲区以及南部的黄石市黄石港区一带是国土空间开发强度相对最高的区域,而位于都市圈中西部的部分武汉市远城区(包括黄陂区、汉南区和江夏区等)以及黄冈市黄州区和黄梅县是国土空间开发强度相对较低的区域.

图6 武鄂黄黄都市圈国土空间开发强度

3.3 国土空间功能综合指数分析结果

从图7a可以看出,武鄂黄黄都市圈国土空间功能综合指数呈现出“东部高、西部低,南部高、北部低”的空间分布格局.从市域尺度来看,国土空间功能综合指数水平最低的为武汉市,而最高的则是黄石市.究其原因,武汉市作为都市圈社会经济和国土空间开发强度最高的区域,受各级空间规划和发展政策的引导性较为显著,导致自然资源要素保护与国土三生空间功能发展往往各自为营,因此,资源环境承载力与国土空间开发强度便呈现出相对更为显著的非协调性特征.而黄石市南部和黄冈市东部一带的国土空间功能综合指数较高的区域,因其湿地涵养和植被覆盖等自然资源禀赋充裕,兼具较优的资源环境承载能力和较低的国土空间开发强度,使得其国土空间功能综合水平较高,具备高质量的国土空间开发潜力.

图7 武鄂黄黄都市圈国土空间功能综合指数

基于国土空间功能综合指数计算的耦合协调度模型原理,结合图7b资源环境承载力与国土空间开发强度耦合协调度计算结果,可知武鄂黄黄都市圈国土空间开发合理性与资源环境要素保护重要性间的耦合协调程度呈现出显著的空间差异性,西部武汉市大部地区的国土空间开发与资源环境保护呈现出相对不协调的特征;国土空间开发合理性与资源环境要素保护重要性水平相对协调一致的区域位于黄冈市东部和东南部区域.为揭示研究区国土空间开发合理性与资源环境要素保护重要性的权衡/协同关系,采用阈值划分方法,将武鄂黄黄都市圈国土空间功能综合指数由低到高分别划分为“高度权衡(D≤0.3)”“低度权衡(0.3

武鄂黄黄都市圈国土空间功能综合指数均值为0.741 9,表明国土空间功能整体呈中等水平(表4).各县级行政区中,高于平均值包括武汉市江岸区、江汉区、东西湖区、汉南区、黄陂区、新洲区,黄石市阳新县、大冶市和黄冈市黄州区、团风县、红安县、罗田县、英山县、浠水县、蕲春县、黄梅县、麻城市、武穴市,占比为56.25%.低于平均值的则有武汉市硚口区、汉阳区、武昌区、青山区、洪山区,黄石市黄石港区、西塞山区、下陆区、铁山区,和鄂州市梁子湖区、华容区、鄂城区,占比为43.75%.结合资源环境承载力和国土空间开发强度来看,国土空间功能综合指数水平较高区域的资源环境承载力普遍相对较高,而国土空间开发强度却相对较低,例如黄冈市的英山县、蕲春县和黄梅县,这些区域不仅拥有较为优越的自然资源禀赋和生态系统服务能力,同时国土生产、生活和生态空间功能之间具有良好的匹配性,在未来的国土空间开发利用中具备良好的资源环境要素支撑能力.

表4 武鄂黄黄都市圈各县级行政区国土空间功能水平指数

4 结论与讨论

4.1 结论

本文以中国中部地区社会经济发展平均水平较高和国土空间资源要素开发强度较为频繁的武鄂黄黄都市圈为例,在综合考虑国土空间资源环境要素保护的重要性和国土空间功能开发的合理性二者的协同或权衡关系基础上,从“自然保护-资源开发”均衡匹配的角度科学分析国土空间功能的综合状况,探索重构区域国土空间开发保护新格局的合理路径.得出的主要结果如下:1) 武鄂黄黄都市圈资源环境承载力整体呈东部高、中西部低的空间分布格局,资源环境承载力较高的区域具有相对完善的自然生态本底条件,自然资源禀赋较优,国土空间资源环境要素承载各类开发利用活动的能力较强,未来可在保障资源环境要素可持续性的前提下,适当增加国土空间开发利用.2) 武鄂黄黄都市圈国土空间开发强度具有显著的空间异质性特征,人为因素对国土空间资源要素的开发利用水平整体呈中等偏低水平,都市圈西部的武汉市中心城区、北部的新洲区以及南部的黄石市黄石港区一带的三生空间功能却面临着较高的外界压力,未来需特别关注对国土空间资源要素开发利用强度的控制.3) 武鄂黄黄都市圈国土空间功能综合指数呈现出“东部高、西部低,南部高、北部低”的空间分布格局,国土空间功能综合指数水平最低的为武汉市,而最高的则是黄石市.对于综合指数低值区,亟需采取国土空间生态修复、规划指标总量控制等措施,优化国土空间配置方式.4) 武鄂黄黄都市圈国土空间功能整体上呈协同关系,局部上呈权衡关系,空间功能综合指数具有显著的地区分布差异.综合来看,未来武鄂黄黄都市圈高质量发展过程中,应充分利用东部高资源环境承载力区域的供给潜力,谨慎开发中北部和南部人为压力较高的区域.通过综合考虑自然资源要素保护的重要性与国土空间功能开发合理性,科学开展都市圈、市级、区域级等多层级国土空间规划与决策,以促进国土空间资源要素保护与开发的和谐统一,提升国土空间治理体系和治理能力的现代化水平.

4.2 讨论与展望

依据国土空间资源要素“开发-保护”的权衡/协同关系,本文通过全面分析国土空间功能的现实状态,深入探索了在国土空间开发与资源环境要素保护共同作用下的国土空间功能综合水平.研究成果可为当前的大型都市圈国土空间治理体系和治理能力现代化生态文明建设等战略提供重要的理论参考依据与实践支撑.此外,由于受限于基础数据的可获取性,针对国土三生空间功能评估环节的部分指标量化高度依赖于地理兴趣点等点状地理空间信息,一定程度上缺乏对国土空间功能开发利用活动区域连片性的考虑,未来可考虑将人口活动、社会经济活动流的强度等动态空间信息纳入基础数据体系,进一步丰富国土空间功能挖掘的时势性.