城鎮-農業-生態協調的高原湖泊流域土地利用優化

趙筱青，李思楠，譚 琨，苗培培，普軍偉，盧飛飛，王 茜

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城鎮-農業-生態協調的高原湖泊流域土地利用優化

趙筱青，李思楠，譚 琨，苗培培，普軍偉，盧飛飛，王 茜

（云南大學資源環境與地球科學學院，昆明 650500）

為了解高原湖泊流域土地利用布局現狀，探究在“城鎮-農業-生態”協調下的高原湖泊流域土地利用空間優化配置方案，該文以撫仙湖流域為例，基于3S技術，運用MCR-CLUE-S模型，研究流域城鎮建設情景、農業開發情景、生態保護情景和綜合優化情景4種模式下2030年國土空間的結構和布局，最終提出撫仙湖流域“城鎮-農業-生態空間”協調下的土地利用空間優化分區。結果表明：1）2005、2010和2015年撫仙湖流域城鎮空間呈上升趨勢，農業空間呈下降趨勢，生態空間先升后降，10 a間空間分布格局基本一致；2）以重要水源地、湖濱濕地和大面積自然林地為保護源，選取高程和坡度等8個阻力因子，采用最小累積阻力模型和累積耗費距離模型構建撫仙湖流域生態安全格局，以及有利于生態保護的“源”核心區、生態保護區、生態邊緣區、農業開發區、農業邊緣區和城鎮建設區；3）以生態功能分區面積為約束條件，通過Markov模型結合CLUE-S模型模擬撫仙湖流域2030年城鎮建設、農業開發和生態保護情景下“城鎮-農業-生態空間”的優化布局。城鎮建設情景綜合考慮生活需要以及政策指導下以開發城鎮空間為主導的“城鎮-農業-生態空間”數量及空間結構的發展方向；農業開發情景控制城鎮空間規模，開發部分生態空間潛力；生態保護情景下農業空間面積有所減少，城鎮空間面積少量增加；4）撫仙湖流域2030年綜合優化情景模式下，根據土地功能的不同，劃為城鎮空間、農業空間、生態空間、城鎮-農業空間、城鎮-生態空間、農業-生態空間和城鎮-農業-生態空間，其中農業-生態空間最小，生態空間最大；5）通過分析4種情景下區域發展的特點，結合撫仙湖流域耕地保護、生態保護和經濟社會發展等多種因素，認為綜合情景方案更合理并更適合當地的發展，其他3種單要素情景方案可為綜合情景方案的實施進行相關的補充和調整。研究結果可為撫仙湖流域國土空間規劃和生態保護戰略決策提供參考依據。

土地利用；模型；湖泊；城鎮-農業-生態空間；土地利用優化配置；MCR-CLUE-S模型；撫仙湖流域

0 引 言

隨著城鎮化和工業化進程的快速推進，中國國土空間開發利用格局發生了劇烈變化,城鎮空間快速擴張，生態空間持續萎縮，農業空間明顯重構，同時，人地關系緊張，爭地現象多發，優化國土空間開發格局成為關系到中國社會經濟可持續發展的戰略問題[1-2]。“城鎮-農業-生態空間”在區域發展中具有居住、生產和生態等多種功能，主要包括城鎮空間、農業空間和生態空間3大類，不同類型的空間在可持續發展戰略中承擔著不同的功能，同時3種空間彼此之間存在功能的交叉重疊[3-4]。當前，國土空間規劃已成為中國土地利用規劃的重點，用地功能呈現多元化發展的趨勢，用地結構的改變使得國土空間功能不斷擴張，主體功能凸顯。因此，準確判別“城鎮-農業-生態空間”的主體功能并對其結構進行優化，有利于區域準確定位其發展重點，為實現區域“城鎮-農業-生態空間”的有序發展以及相關規劃的制定提供決策依據。針對“城鎮-農業-生態空間”的優化布局，國內外學者做了大量的研究，取得了很多重要的研究成果：國外學者關注于土地的多功能性，對土地與各功能之間的關系[5]、多重性分析[6]以及土地多功能性與區域社會經濟發展的關系[7]進行研究；在優化布局方面，大量學者在生態系統服務價值[8]和氣候變化[9]等多種方向上對空間規劃和土地利用進行優化。國內學者對“城鎮-農業-生態空間”研究的關注點在以主體功能區劃進行空間分區[10]和優化研究，廣大學者對于分區的框架、各類分區的相關指標及劃分方法都進行了大量研究和探索[11-12]；還有學者分別從資源環境承載力[13]和功能適宜性[11]2個角度對全國主體功能區劃分進行評價和優化分區；隨著研究的深入，生態位理論[14-16]和適宜性[17]等方法逐漸被利用到不同區域國土空間的優化分析中，基于地類的主導功能[18-19]對國土空間進行劃分和優化。針對土地利用優化配置的方法，國內外學者也進行了諸多探索：諸如采用多目標規劃、線性規劃和灰色預測等方法對土地利用數量結構進行優化[20-24]；也有人將地理信息系統軟件與蛙跳算法、CA模型、Markov模型、蟻群算法以及CLUE-S模型等結合，針對土地利用數量和空間的優化開辟了新的路徑[25-29]。

綜上，在當前國內外土地利用優化的研究領域中，將數量結構優化與空間布局優化相結合是其研究的重要方向之一，然而如何將維護區域生態安全融入到土地利用優化過程和結果中，對流域的土地資源和水資源進行優化布局, 是推進流域水土資源耦合協調和高效利用的關鍵所在。本文選擇具有多功能性的高原湖泊撫仙湖流域為研究區，在梳理相關研究的基礎上，運用CLUE-S模型并結合生態安全格局構建，在“城鎮-農業-生態空間”協調的基礎上進行撫仙湖流域土地利用空間的優化研究，為撫仙湖流域生態環境的保護、綠色發展以及鄉村振興發展戰略的實施提供理論參考。

1 研究區概況

撫仙湖流域位于云南省玉溪市境內（102°39￠~103°00￠E，24°13￠~24°46￠N），地處滇中盆地中心、長江流域和珠江流域分水嶺地帶（圖1）。流域總面積672.78 km2，跨澄江、江川、華寧3縣，包含8個鄉鎮、42個行政村或社區和238個自然村，距云南省省會昆明市60 km，屬于滇中紅土高原湖盆區，地貌類型以高原、丘陵為主，地勢周圍高、中間低，相對高差較大。湖泊東、南、西三面環山，北面與澄江壩子相連，南北向發育，中間窄兩端寬。屬于中亞熱帶半濕潤季風氣候，干、濕季分明，植物、動物種類較為多樣，生態系統類型較為齊全，生態環境質量整體較高。

圖1 研究區地理位置

2 評價方法與數據

2.1 數據來源及處理

以2005年9月、2010年11月、2015年11月美國地質勘探局（United States Geological Survey，USGS）15 m空間分辨率的Landsat8 OLI—TRIS遙感數據為數據源，利用ENVI5.1和Arcgis10.2軟件進行幾何校正、圖像增強、裁剪和鑲嵌等處理后，根據影像的光譜特征、紋理特征和形狀，通過人機交互式遙感解譯和野外驗證得到2005—2015年撫仙湖流域土地利用數據集，實地的采點驗證表明，解譯精度為90.32%，符合研究需要。對土地利用現狀數據進行重分類，遵循主體功能區劃分要求，建立了基于土地利用分類的“城鎮-農業-生態空間”分類體系。根據每一種地類的主導功能，結合撫仙湖流域用地的實際情況，在保證城鎮擴展邊界、生態保護紅線和永久基本農田的前提下，得到2005—2015年撫仙湖流域“城鎮-農業-生態空間”分布情況見圖2。

其他數據及說明見表1。

圖2 2005、2010和2015年“城鎮-農業-生態空間”格局

2.2 研究方法

CLUE-S模型是目前比較成熟且應用廣泛的土地利用優化配置模型，已經得到國內外專家學者的認同[30-33]；而最小累計阻力（minimum cumulative resistance，MCR）是建立生態安全格局和優化生態空間的重要基礎[34-35]。將兩者相互結合后通過GIS的空間分析工具進行優化調整是當前區域綠色發展、土地節約集約利用和鄉村振興等研究領域的有效途徑[36-37]。

2.2.1 生態安全格局識別

生態安全格局（ecological security pattern）是針對特定的生態環境問題，以生態、經濟、社會效益最優為目標，依靠一定的技術手段，對區域內的各種自然和人文要素進行安排、設計、組合與布局，得到由點、線、面、網組成的多目標、多層次和多類別的空間配置方案[38]。本研究在“城鎮-農業-生態空間”現狀分布的基礎上，確定生態源，運用GIS空間分析功能劃分不同的阻力值，構建基于最小累積阻力模型的景觀生態安全格局。

表1 數據及處理

1）生態源的確定

“源-匯”理論[39]指出，生態源一般是由受保護的物種、自然棲息地構成，“源”斑塊其生物多樣性比較豐富，“源”地的保護對生物多樣性與生態環境保護和人類可持續發展的意義重大。本文中土地利用的優化配置以生態優先為原則，特別是生態空間中連片度較高的林地和水域等，因此選取集中連片度大于0.4 km2天然林地、對生產生活具有重要支撐作用的水庫（東大河水庫、梁王河水庫和茶爾山水庫）和撫仙湖延最高水位線向外延伸110 m的控制線范圍（實地調研并查閱相關文獻資料發現[40]，撫仙湖最高蓄水位向外延伸110 m是湖濱實地，是生態恢復工程和生物多樣性保護等的重點區域，生物服務功能明顯，是作為土地優化配置時考慮的重點）作為“生態源”。

2）阻力因子選取

通過查閱相關文獻資料[33,35,41-43]并結合撫仙湖流域實際情況，選取海拔、坡度、植被覆蓋度、土地覆蓋類型、滑坡塌陷泥石流易發區、巖溶塌陷易發區、距水體距離和距建設用地距離8個指標作為阻力因子，同時劃分各因子的相對阻力值并以熵權法確定權重，將其分為不同等級，用1、2、3、4表示相對阻力值的大小（表2），分值越低，阻力越小，生態源越容易得到保護和維持。

3）阻力面的建立

物種在環境中生存實際上是對環境逐步控制和覆蓋的過程[41]，而物種的控制與覆蓋需要克服環境本身的阻力，阻力越小，物種發展和傳播越順利。生態安全格局的建立需要構建阻力面，最小累積阻力（minimum cumulative resistance，MCR）模型是建立阻力面最常用的模型，此模型可反應生態源運動的趨勢[42-44]。基本公式如下

表2 流域阻力因子及相對阻力值

4）累積耗費距離模型的構建

累積耗費距離模型可以采用節點/鏈接方式表示[37,52]。計算公式如下

5）生態功能區劃分

為給撫仙湖流域“城鎮-農業-生態空間”的優化配置提供數量約束條件，將“生態源”的累積耗費距離表面和最小累積阻力分區在Arcgis中進行疊置，找出相交區域，據此建立基于生態安全格局下的撫仙湖流域土地利用優化分區，分為生態保護區、生態邊緣區、農業開發區、農業邊緣區和城鎮建設區5個區域。

2.2.2 土地利用優化配置情景模擬

1）CLUE-S模型

CLUE-S模型分為非空間模塊（土地需求）和空間模塊（土地利用變化和分配）2個部分[53-54]。本文中非空間模塊以預測期生態安全格局的各類空間面積為約束條件；空間模塊是尋找“城鎮-農業-生態空間”中各空間分布的影響因子，通過二元Logistic回歸模型分析其布局規律，不斷迭代來實現空間布局模擬[30]。二元Logistic回歸模型的公式如下

2）優化配置模擬

①驅動因子選擇

根據國內外土地利用變化驅動力研究成果[55-56]，結合撫仙湖流域土地利用變化的特點和主要驅動力，在參考《云南省主體功能區規劃》以及相關規劃評價指標選擇的基礎上，選擇了高程、坡度和人均收入等共12個自然或社會經濟驅動因子。

②二元Logistic回歸

首先將12個驅動因子的屬性表鏈接到“城鎮-農業-生態空間”各空間類型的點矢量文件中，然后將3個點屬性表導出為3個start.txt文件，最后將3個start.txt文件導入SPSS 22進行二元Logistic回歸分析。分析結果見表3。

二元Logistic回歸的精度采用ROC（relative operating characteristic）曲線檢驗[37]。當ROC>0.7時，說明所選因子具有較好的解釋能力[37]。不同空間的ROC檢驗值如表3所示，城鎮空間、農業空間和生態空間的ROC值均大于0.7，表明所選的12個地類驅動因子能夠較好的反映流域土地的空間布局狀況。

3）CLUE-S模型輸入設置

①政策限制區域

指不可改變用地功能的區域。本文將湖泊水面及重要水庫等不參與空間配置的用地范圍設置為限制區域。

②土地利用轉移規則

土地利用轉移規則由土地利用轉移彈性系數和土地利用轉移次序2個部分組成[54]。土地利用轉移彈性系數表示土地利用類型的穩定程度，其值在0~1之間，值越大越不容易發生轉移。目前，土地利用轉移彈性系數沒有精確的計算方法，本文在參閱相關文獻[54,57-58]研究成果的基礎上結合撫仙湖流域2005—2015年“城鎮-農業-生態空間”的轉移情況及地類本身的穩定性，首先初步設定各類空間的土地利用轉移彈性系數，通過模擬的2015年結果與實際分布情況進行對比并經過多次調整最終確定各空間地類的轉移彈性系數，城鎮空間、農業空間和生態空間的彈性系數分別為0.91、0.85和0.78。

表3 撫仙湖流域“城鎮-農業-生態空間”二元Logisitic回歸分析結果

注：常數指當各種影響因素為0時，事件發生概率與不發生概率之比的自然對數值。

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.

土地利用轉移次序表示各空間類型之間相互轉化的可能性，用0和1分別表示不可以和可以發生轉移，一般高利用率的用地類型很難向低利用率的用地類型轉化。本文在分析撫仙湖流域“城鎮-農業-生態空間”2005—2015年的轉移情況的基礎上，結合流域用地現狀和區域主體功能定位設置了“城鎮-農業-生態空間”轉移次序，城鎮空間、農業空間和生態空間三者之間均可相互轉化。

③土地利用需求：將生態安全格局下生態功能分區中各功能空間分區的面積作為目標函數的約束條件，重點考慮撫仙湖流域各鄉鎮國土保護與開發主導方向和生態保護下各空間類型的需求，通過Markov模型分別模擬城鎮建設情景、農業開發情景和生態保護情景中撫仙湖流域“城鎮-農業-生態空間”的需求。

4）模擬結果精度檢驗

把2005年撫仙湖流域“城鎮-農業-生態空間”分布現狀作為起始數據，2015年流域“三類空間”分布現狀作為預測期需求數據。將模擬結果與2015年撫仙湖流域“城鎮-農業-生態空間”現狀分布圖進行對比。

用2015年模擬圖與2015年現狀圖做Kappa指數檢驗，Kappa=0.826，說明對2015年“城鎮-農業-生態空間”的空間分布模擬效果較好。

3 結果與分析

3.1 撫仙湖流域“城鎮-農業-生態空間”變化特征

3.1.1 面積變化

撫仙湖流域城鎮空間、農業空間和生態空間面積在2005年分別為12.33、173.58和486.87 km2，在2010年分別為14.46、167.35和490.97 km2，在2015年分別為21.13、162.45和489.19 km2。生態空間面積最大，2005年、2010年和2015年分別占區域總面積的72.37%、72.97%和72.71%，而城鎮空間面積最小，2005年、2010年和2015年分別占區域總面積的1.83%、2.14%和3.14%。

3.1.2 空間變化

1）城鎮空間變化

2005—2015年間，撫仙湖流域城鎮空間格局變化最顯著的是流域北部的澄江縣區域，表現為區域性、大規模的擴張，集中在原有城鎮空間的四周，并且主要是城鎮空間周圍的農業空間轉為城鎮空間；其次為撫仙湖西北部、西南部和東北部等沿岸地區，表現為區域性、中等規模的擴張，主要是生態空間轉為城鎮空間；流域東北部內陸地區則為小規模、點狀式擴張，其他地區變化不大，10 a間基本保持不變（圖2，圖3）。

2）農業空間變化

2005—2015年間，撫仙湖流域農業空間面積處于不斷縮小的趨勢，主要集中在撫仙湖流域北部與城鎮空間相鄰區域，其次為撫仙湖流域的西部山區和南部沿湖一帶，大量的生態空間占用了原本的屬于農業空間的土地（圖2，圖3）。

圖3 2005—2015年“三類空間”轉移情況分布圖

3）生態空間變化

2005—2015年間，生態空間的擴張集中于撫仙湖流域北部與農業空間相鄰區域、南部湖岸地區和西南部山區，主要是農業空間轉為生態空間；生態空間的縮小集中于撫仙湖西北岸、西南岸和東北岸地區，主要是生態空間轉為城鎮空間（圖2，圖3）。

3.2 撫仙湖流域生態安全格局構建

3.2.1 生態源

撫仙湖流域生態源總面積為402.30 km2，占流域總面積的59.80%，共42個生態源斑塊，總體呈北部和西部連片集中，南部和東部分散破碎的分布格局（圖4）。從分布類型的數量上看，主要有林地和水域2種生態源，前者總面積為187.35 km2，占流域生態源總面積的46.57%，后者總面積為214.95 km2，占流域生態源總面積的53.43%，其中湖泊水面占很大比重，水庫水面所占比例較小；從區域分布的特點上看，流域四周主要為天然林地，是撫仙湖流域植被覆蓋度較高和生態環境脆弱性最低的區域，對維護區域生態安全和生物多樣性意義重大；中部生態源主要由水域構成，處于人類活動強烈和生態系統破壞嚴重的地區，斑塊破碎化程度較高（主要是水庫水面），生態系統結構完整性差，生態環境比較脆弱，而撫仙湖是研究區面積最大的生態源，在生態保護的過程中尤為重要，因此要加強對其周圍湖濱濕地保護，提高水質，維持湖泊生物多樣性，緩解湖泊退化，從而維護湖泊生態系統安全。

圖4 撫仙湖流域生態源耗費阻力分區

3.2.2 最小累積阻力面分區

將撫仙湖流域林地和水域2個生態源與綜合阻力值在Arcgis中通過空間分析模塊中的cost distance工具進行計算，并用Natural Break法對阻力強度進行分級，分為低阻力、較低阻力、中等阻力、較高阻力、高阻力5級（圖4）。在流域阻力面分區中，高阻力面和較高阻力面主要集中分布于流域的北部和南部，這主要是由于該區域主要為建設用地的所在地，受人類活動的影響極為強烈，生態系統破壞嚴重，因而源間連接度低，生態流所受阻力也較大，而流域東部則有少量分布；中等阻力面在流域四周皆有分布。

3.2.3 生態功能分區

以林地和水域2個“生態源”的累積耗費距離表面和最小累積阻力面分區進行疊加分析，在結合實地調研的基礎上建立撫仙湖流域綜合生態安全格局下的土地利用優化配置分區，即生態功能分區，分為生態保護區、生態邊緣區、農業開發區、農業邊緣區和城鎮建設區5個區域（圖5），不同功能分區的面積見表4。

圖5 撫仙湖流域生態安全格局功能分區

表4 生態功能分區統計

3.3 不同情景方案預測結果

基于以上2部分分析結果，以2015年為基期年，利用CLUE-S模型分別模擬2030年城鎮建設情景、農業開發情景和生態保護情景下撫仙湖流域“城鎮-農業-生態空間”分布情況。城鎮建設情景為建設用地開發區域，在維護區域生態環境的基礎上為滿足人口增加對生活空間的需求而進行生活空間的開發；農業開發情景是為了有效的保護耕地資源，嚴守耕地紅線，目的是維護一定數量的耕地數量；生態保護情景為重點保護天然林地和水域，維護區域生態安全和保護區域生態環境。結果表明：城鎮建設情境中，城鎮空間、農業空間和生態空間的面積分別為27.25、144.87和500.64 km2；農業開發情景中，城鎮空間、農業空間和生態空間的面積分別為22.68、159.49和490.59 km2；生態安全情境中，城鎮空間、農業空間和生態空間的面積分別為25.51、144.69和502.56 km2。各類情景中“城鎮-農業-生態空間”的分布情況如圖6所示。

圖6 2030年撫仙湖流域不同情景方案“城鎮-農業-生態空間”優化配置結果

3.4 綜合情景方案預測結果

3.4.1 綜合情景方案用地數量結構預測

通過Arcgis10.2空間疊加與空間分析工具，將撫仙湖流域城鎮建設情景、農業開發情景和生態保護情景在空間上進行疊加分析，優先保障流域生態空間的面積，將優化結果中處于生態空間內部且與生態空間相沖突的區域以及生態保護紅線區全部劃為生態空間；其次，保障農業空間結構的穩定，根據疊加結果將處于壩區破碎化程度較重的城鎮空間以及永久基本農田劃為農業空間，并根據相關規劃中城市增長邊界的劃定以及疊加結果適度調整城鎮空間規模，達到“三類空間”內部的相互協調，最終得到2030年撫仙湖流域土地利用綜合優化結果。根據土地的主導功能將撫仙湖流域分為城鎮空間、農業空間、生態空間、城鎮-農業空間、城鎮-生態空間、農業-生態空間和城鎮-農業-生態空間7大類，其面積分別為21.13、149.96、494.99、2.79、1.62、0.59和1.68 km2。

3.4.2 綜合情景方案用地空間優化布局

I區：城鎮空間。如圖7所示，撫仙湖流域北部的澄江縣周圍城鎮空間有增加的趨勢，而農業空間則減少較為明顯。從城鎮建設優化的結果看，城鎮空間有節約集約用地的趨勢，并且其增加主要位于農業空間的周圍，而隨著公民生態環境保護意識的提高，“退房還林”、“退房還湖”將偏遠地區的城鎮空間轉變為生態空間。同時在該區域內，應在合理的限度內進行開發利用，在優先保護生態環境的前提下，可開展城市生產建設活動，但必須環保的處理垃圾和廢棄物，減少對生態環境的 污染。

圖7 基于“城鎮-農業-生態空間”協調下2030年撫仙湖流域土地利用優化結果

II區：農業空間。基本農田是生機黯然的“生命線”，要嚴格守住區域內基本農田不發生占用。如圖7所示，在撫仙湖流域北部和南部大部分地區以及東部和西部城鎮空間建設較為粗放的地區，應對其進行集中的綜合整治，降低環境惡劣地區和交通不便地區城鎮空間的規模，對于不宜居住的居民點應整體搬遷，壓縮規模，將騰出的空間轉為農業空間進行開發利用。同時，開展村莊用地和建制鎮用地的集約開發、分區保護和綜合治理，通過整治城鎮空間，增加農業空間，提升流域內居民的生活環境。

III區：生態空間。撫仙湖湖泊水面、東大河水庫、梁王河水庫和茶爾山水庫是當地居民生產生活的重要水源地，如圖7所示，根據優化的結果，生態空間增加明顯，主要集中在流域北部和南部及湖泊四周生態保護區范圍，其結果與《云南省主體功能區規劃》劃定結果相同。該地區處于生態退化及恢復的敏感地區，因此應需對該區域內的生態用地樹立生態底線思維，嚴禁任何形式的開發建設活動，減少城市建設活動和耕地開發行為，通過對已經被人類活動破壞的關鍵地帶進行生態修復，調整土地利用方式和植被覆蓋類型，嚴格禁止城市建設和農業圍墾的侵占，以保證生態過程的健康發展。

IV區：城鎮-農業空間。主要分布于撫仙湖流域的北部，在撫仙湖流域西部和東部有少量零星分布。該區域不僅可以進行一些農產品的種植，促進經濟的發展，也可進行建設用地的開發，以滿足人口日益增長對生活用地的需求。

V區：城鎮-生態空間。主要分布于撫仙湖流域的東北部和西南部地區，該區域生態敏感型處于中間等級，可用作生態空間進行生態環境的保護和重建，根據主體功能區定位的要求在優先保障生態空間的基礎上也可進行風景名勝區等城鎮空間的開發和建設。同時，在該區域要進一步加強基礎設施和公共服務設施建設，科學合理規劃各類活動區，逐漸達到最優的空間分布格局，通過公益廣告、電視電影和互聯網等各種媒介手段提高居民環保意識，增強全社會公民參與生態環境保護的積極性，共建生態文明。

VI區：農業-生態空間。在撫仙湖流域西部、西北部和東北部有少量零星分布，該區域優先作為生態空間的進行保護，也可進行生態農業產業的種植。該區應制定科學的開發利用計劃，不僅可發展部分生態林或生態經濟林種植，也可進行園地種植及開展部分農業生產活動，從而對撫仙湖流域生態環境的保護起促進作用。

VII區：城鎮-農業-生態空間。主要分布于撫仙湖流域北部沿岸一帶，該區域土里利用功能最為多樣，該區域應重點作為生態空間的進行保護，為保護生態源建立天然屏障，在滿足生態空間需求后可用作城鎮空間的建設，增加居民生活范圍，也可用作農業空間的開發，增加耕地的數量。因此在優先保障生態空間供給的前提下，擴大城鎮空間范圍，提高農業空間效率，發揮各組團的優勢功能，推動流域國土空間協調利用，促進流域新農村的建設和綠色發展，保護生態環境。

4 討 論

1）關于區域生態安全融入到土地利用優化的過程和結果中的討論。

以往土地利用優化主要集中在數量結構和空間結構的優化，而在土地生態安全方面考慮的不足。而土地生態安全格局是能反映整體區域中的關鍵點、線或是局部區域，對于維護和控制區域土地水平生態過程起著關鍵作用[59-60]。本文在土地利用優化的過程中，將撫仙湖流域生態安全格局劃分的5個生態功能分區作為土地利用數量優化的約束條件，在滿足生態空間需求的基礎上通過CLUE-S設置3種情景方案對流域土地利用結構進行優化；對于3種情景空間的綜合疊加結果，基于生態優先原則對沖突區域進行修正，最終得到基于生態安全下2030年撫仙湖流域土地利用優化結果。與已有的研究相對比，加入了區域生態安全的土地利用綜合優化，一方面，能發現影響土地生態安全的不合理用地及其分布，可以及時完善；另一方面，能夠提升區域整體的生態安全水平。從政府的角度分析，基于生態安全格局下的土地利用優化不僅可以為國土部門提供規劃的依據，還兼顧了生態保護，具有實際應用價值。

2）關于土地利用綜合優化結果的討論。

撫仙湖流域綜合優化后2030年的經濟效益和社會效益和現狀相比有所下降，而生態效益呈增加趨勢。在生態優化過程中不合理的用地空間均轉為了生態空間，生態效益明顯提升，雖然城鎮空間和農業空間的變動造成經濟效益和社會效益減少，但與《總規》相比，優化后社會、經濟和生態效益均大于《總規》。并且撫仙湖流域優化后空間結構與現狀和《總規》相比，不僅考慮了自然驅動因子和社會驅動因子對地類布局的影響，還考慮了不同主體的用地意愿，地類的空間布局更具實用性，該結果對于撫仙湖流域土地整體的生態安全水平提升具有重大意義。

3）關于應用研究結果對流域土地資源、水資源進行優化布局的討論。

城市增長邊界是城市地區周圍抑制市區范圍擴展的一條邊界線[61]，永久基本農田是國家糧食安全得以保障的一條基準線[62]，生態保護紅線是在生態空間范圍內具有特殊重要生態功能，是保障和維護國家生態安全的底線和生命線[63]，劃定“三條線”對于區域國土空間的開發和保護以及各類空間的統籌協調具有重要的作用。本文研究結果可為今后撫仙湖流域《國土空間規劃》以及相關規劃中更精準的劃定“三條線”奠定基礎，進而以“城鎮-農業-生態空間”資源本底優化匹配狀況對土地資源和水資源兩者間的偶和協調程度進行評價，從根本上提高流域水土資源耦合協調度，最終對流域土地資源和水資源進行優化布局，促進流域社會經濟和生態環境的可持續發展。

5 結 論

1）2005年、2010年和2015年撫仙湖流域城鎮空間呈上升趨勢，農業空間呈下降趨勢，生態空間先升后降，10a間“城鎮-農業-生態空間”格局基本一致，以生態空間為主，但城鎮空間格局、農業空間格局和生態空間格局的分布存在明顯差別，城鎮空間和農業空間主要分布于撫仙湖流域的北部，而生態空間除撫仙湖湖泊水面外在流域四周均有分布。

2）以林地、重要水源地和撫仙湖緩沖區110 m以內的區域為生態源，總面積為402.30 km2，占流域總面積的59.80%。流域內不同類型的生態源在數量和空間分布上都存在較大差異：林地生態源總面積為187.35 km2，水域生態源總面積為214.95 km2，占流域生態源總面積的53.43%，其中湖泊水面占到了很大的比重，水庫水面所占比例較小；流域四周主要為天然林地，中部生態源則主要由水域構成。同時選取高程、坡度、植被覆蓋度等8個阻力因子，基于MCR模型和累積耗費距離模型生成了撫仙湖流域生態安全格局，確定了有利于生態安全的5個功能區：生態保護區、生態邊緣區、農業開發區、農業邊緣區和城鎮建設區，其中生態保護區面積最大，城鎮建設區面積最小。

3）通過CLUE-S模型結合Markov模型和“城鎮-農業-生態空間”變化驅動因子通過二元Logistic回歸分析方法得到了3個不同情境下“城鎮-農業-生態空間”優化分布結果。3種情景下“城鎮-農業-生態空間”的面積和空間分布均存在較大差異。①城鎮建設情景中，城鎮空間、農業空間和生態空間的面積分別為27.25、144.87和500.64 km2，大量的農業空間轉為城鎮空間，轉變主要位于撫仙湖流域的北部，邊遠地區的城鎮空間轉為了生態空間，今后隨著現代化建設和城鄉一體化的加快，城鎮空間面積明顯增加并更加趨向節約集約利用，但此情景勢必占用部分農業空間，因此如何在擴張城鎮空間的同時兼顧農業空間的保護，是當前流域發展過程中需要考慮的一個問題；②農業開發情景中，城鎮空間、農業空間和生態空間的面積分別為22.68、159.49和490.59 km2，流域北部和南部少量的農業空間轉為城鎮空間，而遠離水源地的邊遠山區、交通落后區和居民點分散區的城鎮空間轉為了農業空間和生態空間，要大力提高閑置地的開發潛力，并減少環境惡劣地區、交通不便地區和居民點破碎化程度較高地區城鎮空間面積，對不宜居住的地區要整體搬遷，并壓縮村莊規模，將這些的城鎮空間轉為農業空間進行開發利用；③生態安全情境中，城鎮空間、農業空間和生態空間的面積分別為25.51、144.69和502.56 km2，環湖一帶區域和流域北部偏遠山區大量城鎮空間和農業空間轉為林地和水域等生態空間，而居民點集中較高的地區城鎮空間在原有城鎮空間的基礎上向周邊擴展，今后要繼續大力植樹造林，對重要水源區特別是撫仙湖水域進行保護，對現有城鎮空間和農業空間進行重點優化，提高土地資源利用率。

4）將撫仙湖流域城鎮建設情景、農業開發情景和生態保護情景在空間上進行疊加分析，得到基于“城鎮-農業-生態空間”協調下2030年撫仙湖流域土地利用優化布局結果。根據土地功能的不同，劃分為城鎮空間、農業空間、生態空間、城鎮-農業空間、城鎮-生態空間、農業-生態空間和城鎮-農業-生態空間7個空間類型，各類空間面積存在較大的差異，其中農業-生態空間最小，生態空間最大。通過對“城鎮-農業-生態空間”協調下2030年撫仙湖流域土地利用優化布局的研究，為今后開展流域生態治理、綠色發展以及土地規劃提供了參考。

5）城鎮建設情景重點在于滿足人口增加對生活空間的需求而進行生活空間的開發；農業開發情景是為了有效的保護耕地資源，嚴守永久基本農田，維護滿足區域發展需要的耕地數量；生態保護情景重點是維護生態平衡和保護生態環境；綜合情景方案不僅綜合了城鎮空間的建設、農業空間和開發和生態空間的保護，而且劃定了綜合功能區。通過分析4種情況下區域發展的優點，并結合撫仙湖流域耕地保護、生態保護和經濟社會發展等多種因素，研究認為綜合情景方案更為合理并更適合于當地的發展，而其他3種單要素情景可為綜合情景方案的實施進行相關的補充和調整。

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[60] 彭樹宏，錢靜，陳勁松，等. 基于CLUE-S模型的干旱區典型綠洲城市土地利用變化時空動態模擬研究：以新疆奎屯河流域為例[J]. 地理與地理信息科學，2018，34(3)：61－67. Peng Shuhong, Qian Jing, Chen Jinsong, et al. Spatio-temporal dynamic simulation of land use change of typical oasis cities in arid areas based on CLUE-S model: A case study of Kuitun River Basin in Xinjiang[J]. Geography and Geo-Information Science, 2018, 34(3): 61－67. (in Chinese with English abstract)

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[63] 馬琪，劉康，劉文宗，等. 干旱半干旱區生態保護紅線劃分研究：以“多規合一”試點榆林市為例[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

云南省科技廳—云南大學聯合基金（2018FY001(-017) ）；云南大學一流學科——地理學學科建設項目（C176210103；C176210215）；云南省教育廳科學研究基金項目（K1059197）；云南大學第九屆研究生科研創新項目（YNY17117、YNY17119）

趙筱青，教授，博導，研究方向:土地利用與土地覆被變化及國土空間優化，Email：xqzhao@ynu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.035

X524

A

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

趙筱青，李思楠，譚 琨，苗培培，普軍偉，盧飛飛，王 茜. 城鎮-農業-生態協調的高原湖泊流域土地利用優化[J]. 農業工程學報，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