西南喀斯特典型區國土空間地域功能優化分區

李思楠，趙筱青，普軍偉，王 茜，苗培培，譚 琨

·土地保障與生態安全·

西南喀斯特典型區國土空間地域功能優化分區

李思楠1，趙筱青1※，普軍偉2，王 茜1，苗培培1，譚 琨1

（1. 云南大學地球科學學院，昆明 650500； 2. 云南大學國際河流與生態安全研究院，昆明 650500）

國土空間優化是促進喀斯特地區可持續發展的重要抓手，也是解決喀斯特地區生態和貧困問題的有效途徑。為實現喀斯特地區國土空間的協調發展，研究以西南喀斯特典型區廣南縣為例，基于城鎮-農業-生態功能協調方法和國土空間“雙評價”方法的探索，以及沖突空間修正規則的制定，提出了一種國土空間地域功能綜合優化分區方法，并結合地理空間建模和統計分析工具，構建了喀斯特地區國土空間地域功能綜合優化分區格局。結果表明：1)最適宜級和適宜級占比之和最多的是生態保護適宜性，為61.21%，主要分布于北部和東部，城鎮開發適宜性最少，為27.81%，主要分布于中部和南部，農業開發適宜性為49.80%，主要分布于東北部和東部；資源環境承載力以VI級和V級為主，在東北部和東南部承載力等級最高，在南部、西南部和西北部最低；2）在國土空間地域功能優化分區中，與生態功能相關的國土空間類型占據喀斯特地區發展的主導地位，占79.54%，與城鎮功能相關的國土空間類型最少，占2.35%；以城鎮功能為主導的區域主要分布于中部和東南部，以農業功能為主導的區域主要分布于北部、西部和東部，以生態功能為主導的區域主要分布于北部和南部。3）雙評價方法和城鎮-農業-生態功能協調方法的結合能夠更精準化和更合理的構建喀斯特地區國土空間格局。不同國土空間地域功能類型的合理布局將為喀斯特地區生態環境質量的提升、石漠化狀況的治理以及國土空間的協調發展提供借鑒和參考。

土地利用；功能；優化；國土空間；城鎮-農業-生態功能協調；雙評價；喀斯特地區

0 引 言

國土空間是由山、水、林、田、湖、草構成的共同生命體，是人類社會和經濟活動的基本載體，也是人類精神和文化需求的空間反映。人類社會的健康發展，必須考慮國土空間每部分要素的健康狀況和功能發揮，任何一方的喪失，都將導致系統性破壞。然而，在當前的區域發展中，國土空間格局發生了劇烈演變[1]，隨著城鄉建設用地需求的增加，農業和生態用地大量減少，城鎮、農業和生態功能用地的矛盾加劇，國土空間開發格局混亂。同時，存在的資源瓶頸、生態退化和環境容量剛性約束等問題，與國土空間開發利用的系統性和協調性差有極大的內在聯系[2]。因此，形成高質量一體化的協同發展模式是國土空間能穩固發展的關鍵所在，而國土空間規劃是其基本內容和保障。在此背景下，如何實現城鎮-農業-生態功能的協同優化和統籌發展，推進城鎮空間宜居適度、農業空間集約高效和生態空間山清水秀，成為國土空間戰略的重要課題。

以滇、貴和黔三省為中心的西南巖溶山區是中國喀斯特分布最集中的地區，石漠化問題是該地區面臨的主要環境問題，嚴重阻礙經濟與環境的可持續發展[3]，使其成為國家扶貧和生態修復的重點地區，而國土空間開發格局的混亂和資源要素配置的不合理更引發嚴重的人-地-生態-資源矛盾和貧困問題。國土空間各功能用地的變化已被確定為全球變化的主要決定因素之一，對生態系統、氣候變化和人類脆弱性等具有重大影響[4]，因此，通過喀斯特地區國土空間地域功能的優化分區，可推動石漠化狀況的正向演替，促進生態環境質量的提升。

當前，對國土空間已經展開了多方面的探討，研究內容從單一到多元。有研究通過土地的各功能要素[5-6]對國土空間結構進行了調整，并根據社會經濟與資源利用的響應關系對國土空間的格局分布與可持續發展的聯系和機理[7]進行了分析。在國土空間的主體功能區建設中，它的分區框架[8]、指標體系[9]和分區方法[10]也得到了廣泛的關注，利用資源環境承載力[2]和土地功能適宜性[11]優化國土空間地域功能區的研究不斷出現；地理學和生態學的相關理論[12-13]在國土空間功能特征的分析中也發揮了重要的作用，并以此為基礎對國土空間的組合模式和優化布局展開了多元化的分析和探索[1,14]。然而，在當前的研究中，忽視了國土空間開發的協調性、承載性和適宜性三者間的耦合關系，加重城鎮、農業和生態空間的矛盾與沖突[15]，影響國土空間結構的穩定。單一功能的提高已不適用于區域的發展，國土空間規劃逐漸從關注單一功能轉變為考慮多功能的國土發展，資源環境承載力評價與國土空間開發適宜性評價（即“雙評價”）也成為國土空間規劃的重要基礎和核心內容[16]，且“雙評價”思路已被廣泛運用在城鎮擴張邊界劃定[17]和功能區評價[16]等國土空間相關的研究內容中。以上研究為深入探索國土空間的優化積累了經驗，也為國土空間可持續發展模式的構建提供了參考，但當前對于國土空間“雙評價”的實現方式沒有統一的路徑和清晰的方法，對它的研究多處于框架式的理論性分析，實踐性的探索較少，且多針對國土空間的某一功能進行地域功能的優化分區，對多種功能內部協調的關注較少，缺少城鎮、農業和生態功能協調的國土空間地域功能優化分區研究。此外，在空間沖突嚴重和資源環境匱乏的喀斯特地區，對國土空間的研究關注有限。

從2005年起，西南喀斯特典型區廣南縣大規模實施退耕還林和植樹造林等石漠化治理工程，因此，本文通過對比工程實施前后石漠化程度、植被狀況和用地結構等自然和社會經濟的變化情況，基于2000、2010和2018年研究區數據（例如土地利用空間數據，遙感數據）量化區域資源與環境狀況，探討綜合考慮城鎮-農業-生態功能協調與“雙評價”的國土空間地域功能優化分區方法，并用于優化西南喀斯特地區國土空間地域功能區，識別不同國土空間功能區的類型和功能，揭示各功能區的內在機理與相互聯系，為喀斯特地區國土空間發展和石漠化治理以及未來國土空間的規劃提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

廣南縣是典型的喀斯特山區縣，位于云南省東南部、文山州東北部，地理位置為104°31′-105°39′E，23°29′-24°28′N，與廣西省和貴州省接壤，占地7 730.09 km2，設有18個鄉鎮級行政區（圖1a）。該縣山區和平原分別占總面積的94.7%和5.3%，屬于西南喀斯特石漠化集中連片區，喀斯特地貌分布廣泛，占全縣總面積的3/5，且重度石漠化占比較大（圖1b）。廣南縣2018年總人口83.51萬人，但由于嚴峻的石漠化程度、嚴重的土地退化以及低效率的土地和水資源利用模式，社會經濟發展形勢嚴峻，是中國的民族貧困縣之一，國土空間的混亂格局更加劇了貧困。近年來，地方政府針對這些問題提出了相關的生態解決方案和策略，生態環境質量得到了提高，但城鎮空間仍不斷擴大，農業和生態空間被不斷擠壓，空間矛盾依然嚴重。

圖1 研究區區位及2018年石漠化分布圖

1.2 數據處理及研究過程

研究選擇30 m空間分辨率的2000和2010年Landsat 5 TM影像以及15 m空間分辨率的2018年Landsat 8 OLI影像作為遙感數據基礎，以上影像均來自地理空間數據云（http://www.gscloud.cn./）。為消除遙感影像數據中存在的誤差和圖幅差異，利用ENVI 5.1 對影像進行了幾何校正、波段組合、圖像增強、圖像鑲嵌、重投影和圖像裁剪等處理后，結合森林資源調查圖、第二次全國土地利用調查圖和 Google 影像地圖等輔助資料，根據遙感影像的光譜特征和紋理形狀，采用人機交互式解譯方法通過ArcGIS 10.2構建了2000、2010和2018年研究區土地利用數據集，土地利用類型包括水田、旱地、園地、林地、草地、城鎮建設用地、農村居民點、水域和未利用地。根據巖性特征劃分研究區喀斯特區和非喀斯特區，在喀斯特區根據上述解譯方法構建2000、2010和2018年石漠化程度數據集，石漠化類型包括無石漠化、潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化和重度石漠化。同時，通過野外考察，選取了246個樣本點（樣本點覆蓋全區范圍，主要涉及難以區分且變化很大的土地利用類型和石漠化類型），將驗證結果與2018年分類結果進行對比，土地利用類型和石漠化類型的準確度分別為90.45%和85.11%。2000和2010年的分類結果則通過Kappa系數進行驗證，結果顯示2000和2010年土地利用分類結果的Kappa系數分別為0.85和0.86，石漠化分類結果的Kappa系數分別為0.82和0.84，滿足研究需要。

從相關政府部門獲取了研究區氣象、水資源、農業、旅游、礦產、生態環境和社會經濟等方面的數據。例如，從自然資源局獲得了研究區地質環境與地貌環境數據（如活動斷層影響區類型、巖溶塌陷易發區類型、礦山占用區類型和地質災害敏感性等），從農業局獲得了2018年研究區耕地地力評價結果數據，從林業局獲得了自然保護區分布和公益林分布的空間數據，從氣象局獲得了研究區2000—2018年氣象數據和氣象監測點的空間數據。同時，對上述數據資料中的統計數據和文本數據等非空間數據通過ArcGIS 10.2和相關統計分析軟件進行前期處理、統計和空間制圖，所有空間數據都統一轉換為WGS84-UTM48N投影坐標系。根據喀斯特地區地形破碎度高和用地分異顯著的實際狀況以及遙感影像的分辨率，經過多次試驗，研究尺度確定為30 m×30 m。

基于上述數據和資料，研究的技術路線如圖2所示。

1.3 國土空間“雙評價”

1.3.1 國土空間開發適宜性評價

1）評價指標體系構建

通過研究區的野外考察和相關研究成果查閱[18-20]，從條件限制和區位支撐2個角度構建城鎮開發適宜性評價指標體系，根據土壤管理情況、立地條件、氣候條件、土壤養分狀況、土壤理化性質和政策條件構建農業開發適宜性評價指標體系，根據生態敏感性、生態重要性和政策條件構建生態保護適宜性評價指標體系（表1）。

圖2 研究技術路線

為消除各評價指標之間量綱、數量級和正負趨向等差異，對原始指標進行極值標準化處理，采用熵權法對各指標的權重進行計算，采用短板原理對適度指標的適宜等級進行劃分并對各等級賦分。

表1 城鎮開發和生態保護適宜性評價指標體系

注：趨向為“/”表示該指標為適度指標，下同。

Note: The trend of "/" indicates the index is a moderate index. The same as below.

表2 農業開發適宜性評價指標體系

2）適宜指數計算

目前通常采用層次分析法、主成分分析法、目標加權平均法和綜合評價法等對適宜性進行評價，其中綜合評價法可綜合觀察某個指標或多個指標變動對適宜性的影響程度[21]，因此研究采用綜合評價法對適宜指數進行計算。計算公式如下：

其中S為第類國土空間類型的適宜指數，取值范圍0~1，數值越大越適宜；W為第個評價指標的權重；Y為經過處理后的第類國土空間類型的第個指標值。

針對城鎮開發、農業開發和生態保護適宜性指數的評價結果，基于ArcGIS 10.2采用自然斷裂法將它們分別劃分為以下4個等級：最適宜、適宜、不適宜和最不適宜。

3）國土空間適宜區劃分

根據研究區石漠化狀況，首先將以下2類區域優先劃分為生態適宜區，一類是現狀重度石漠化區，另一類是由無石漠化、潛在石漠化和輕度石漠化轉為中度石漠化的區域。同時，由于研究區在《云南省主體功能區規劃》中被劃為重點生態功能區，因此以生態優先為原則對剩余區域進行國土空間適宜區類型的劃分：①針對3個適宜性結果都是不同適宜等級的區域，哪種適宜類型的適宜等級最高，就將其劃為這種適宜類型的適宜區；②針對3種適宜類型都是最適宜級的區域，根據生態優先原則將其劃為生態適宜區；③針對2種適宜類型都是最適宜級的區域，其中若生態適宜性為最適宜級，根據生態優先原則將其劃為生態適宜區；否則，將其劃為城鎮-農業適宜區；④針對2種或3種適宜類型都是適宜級的區域，將其劃為多種功能聚類的多功能適宜區；⑤針對3種適宜類型都是不適宜級或最不適宜級的區域，將其劃為國土空間不適宜區。最終得到7個國土空間功能適宜區（即城鎮適宜區、農業適宜區、生態適宜區、城鎮-農業適宜區、城鎮-生態適宜區、農業-生態適宜區和城鎮-農業-生態適宜區）和1個國土空間不適宜區（即該區域在國土空間開發適宜性評價下不適宜任何國土空間類型的開發和利用）。

1.3.2 資源環境承載力評價

1）評價指標體系構建

考慮研究區資源環境和社會經濟狀況的特殊性[1]，結合相關文獻資料[22-24]，以資源承載力、環境承載力和社會經濟承載力作為資源環境承載力評價的3個子系統，選取了人均水資源量、生態系統服務價值、地表水環境質量、大氣環境和人口密度等32個指標構建資源環境承載力評價指標體系（表3）。

2）資源環境承載力評價

模糊綜合評價法有助于避免與客觀真實之間的偏離問題，且能夠考慮眾多影響因素，從多個層次對資源環境承載力進行綜合評價[25]。因此，本研究利用模糊綜合評價法計算級別特征值（），通過降半梯形分布函數[25]計算空間地塊在各個等級的隸屬度，整合隸屬結果得到資源環境承載力綜合評價結果。

表3 資源環境承載力評價指標體系

3）資源環境承載力分級

為了將資源環境承載力結果與國土空間開發適宜性評價中的適宜功能分區結果相對應，基于級別特征值（T）計算結果，對承載力進行分等定級，級別特征值在1~7之間，數值越大，表示承載水平越高。基于ArcGIS 10.2采用自然斷裂法將承載力結果劃分為7個區間，最終得到7個資源環境承載力等級（I - VII，按照從小到大的順序，承載力依次減小）。

1.3.3 基于“雙評價”的國土空間地域功能優化分區

在國土空間發展中，不同國土空間類型對區域資源環境本底狀況的要求不同，其中，與城鎮功能相關的國土空間類型對承載力要求最高，與農業功能相關的國土空間類型次之，與生態功能相關的國土空間類型最小[26]，因此，根據承載力等級從大到小的順序，可承載的最高國土空間類型分別為城鎮空間、城鎮-農業-生態空間、城鎮-農業空間、城鎮-生態空間、農業空間、農業-生態空間和生態空間。基于此，本研究將國土空間不適宜區與資源環境承載力評價結果進行疊加，根據所處的承載力區間對不適宜區的國土空間功能區類型進行識別，最終得到基于“雙評價”的喀斯特地區國土空間地域功能優化分區結果。

1.4 城鎮-農業-生態功能協調

1.4.1 GMDP-CLUE-S耦合模型

灰色多目標動態規劃模型（Gray Multi-objective Dynamic Programming, GMDP）能夠將不確定性的目標函數與約束條件定義在某一確定范圍的滿意區間內，它常用于土地利用數量結構優化中[27]；CLUE-S模型能夠模擬土地利用空間格局分布，包括非空間模塊和空間模塊2個部分[14]。二者的結合可以較好地模擬區域土地利用的發展結構。

1）非空間模塊設置

非空間模塊是在綜合考慮喀斯特地區資源和生態環境的本底狀況下，設置不同目標函數與約束條件，采用GMDP模型獲得城鎮建設、農業開發和生態保護情景下各地類的需求數量。

①目標函數

選擇城鎮建設、農業開發和生態保護3個方面作為土地利用數量結構優化的效益目標，構建適用于喀斯特地區土地利用數量優化的多目標函數。城鎮建設目標綜合考慮社會效益值和資源環境承載力，農業開發目標綜合考慮經濟效益值和農業耕作指數，生態效益目標綜合考慮水土資源耦合協調度和生態系統服務價值（研究區社會效益值、經濟效益值、農業耕作指數、水土資源耦合協調度和生態系統服務價值已在課題組之前的研究中進行了計算，相關概念和計算過程參見文獻[1]）。

②約束條件

為貫徹區域土地利用總體規劃和水資源保護規劃中保護耕地、促進城鄉科學發展、改善生態環境和保障水資源的要求，從總面積約束、耕地約束、園地約束、林地約束、草地約束、城鎮建設用地約束、農村居民點約束、水域約束、未利用地約束、水資源供給約束和數學模型約束等11個方面構建了21個約束方程。

2）空間模塊設置

空間模塊是尋找各地類分布的影響因子，利用二元Logistic回歸模型分析其布局規律，通過不斷迭代實現空間布局模擬[14]。

①驅動因子選取

根據研究區土地利用變化特點和主要驅動因素，從生態驅動選取了土地利用結構、生態系統服務價值、土壤侵蝕量、植被覆蓋度和巖石裸露度5個指標，從自然驅動選取了高程、坡度、年降水量和年平均溫度4個指標，從社會經濟驅動選取了人口密度、人均純收入、GDP增長率和城鎮化率4個指標，從資源驅動選取了人均糧食占有量、人均耕地面積、水資源供需比例和人均水資源量4個指標，從區位驅動選取了距河流距離、距水庫/坑塘距離、距農村居民點距離、距城鎮建設用地距離、距高速公路及鐵路距離、距一般道路距離和距石漠化重度區的距離7個指標。

②空間政策與區域限制

將永久基本農田區、生態保護紅線區、重要水源地區（河流及大型水庫）和石漠化重度區設置為不可轉變用地類型的區域。

③土地利用轉移規則

土地利用轉移矩陣：根據2000、2010和2018年9種土地利用類型的轉移情況，本研究各土地利用類型均可相互轉化。

土地利用轉移彈性系數：由于土地利用存在較大的區域差異性，土地利用轉移彈性系數在目前的研究中沒有精確的計算方法[14]。本研究結合2000、2010和2018年土地利用轉移規律及地類本身的穩定性，先初步設定各土地利用類型的轉移彈性系數，采用2000年土地利用現狀分布對2018年土地利用分布進行模擬，將模擬結果與實際情況進行對比并經過多次模型參數的調整，最終確定各類用地的轉移彈性系數，水田、旱地、園地、林地、草地、城鎮建設用地、農村居民點、水域和未利用地的彈性系數分別為0.8、0.78、0.82、0.8、0.8、0.9、0.9、0.95和0.68。

3）精度檢驗

采用Kappa系數對結果進行檢驗，Kappa=0.856，模擬效果較好。

1.4.2 城鎮-農業-生態功能協調的國土空間地域功能優化分區

根據研究區土地功能的主次和高低[28]，得到各土地利用類型的主導功能識別表（表4），對城鎮建設、農業開發和生態保護情景下GMDP-CLUE-S耦合模型的模擬結果進行重分類，得到3種情景下研究區國土空間功能分區結果。對3個分區結果通過ArcGIS 10.2進行疊加，以保護生態環境為目標進行修正，優先保障生態空間的面積，其次保障農業空間結構的穩定和城鎮空間開發的集約利用，并將2種或3種功能都適宜的區域劃為多種功能聚類的多功能區，最終得到城鎮-農業-生態功能協調的喀斯特地區國土空間地域功能優化分區結果。

表4 土地主導功能識別

1.5 國土空間地域功能綜合優化分區

1.5.1 國土空間沖突區識別

將“雙評價”結果與城鎮-農業-生態功能協調結果在ArcGIS10.2中進行疊加分析。在疊加結果中，如果是1個多功能類型與此功能下的復合功能或單一功能發生沖突，則根據短板原理將此區域劃入這個多功能中限制最多的功能類型；如果是2種不同的多功能沖突，2個單一功能沖突，或多功能與不在這個復合功能中的其他功能沖突，則將這個區域劃為國土空間沖突區。

1.5.2 國土空間沖突區修正

資源環境承載力能綜合反映區域可承載相關國土空間功能活動的最大潛力，特別是在喀斯特地區，由于其特殊的地理環境狀況，不同區域承載人類活動的最大支撐能力存在巨大的差異，為維持喀斯特地區生態系統良性循環，資源環境承載力在國土空間功能區的調整和優化中有不可或缺的地位[11]。因此，本研究仍以資源環境承載力分級結果為基礎，結合研究區主體功能區規劃和相關國土空間規劃文件，根據當地各區位在國土空間開發與保護的主導方向，構建國土空間沖突區修正規則（表5），對沖突區進行修正，最終得到喀斯特地區國土空間地域功能綜合優化分區結果。

表5 國土空間修正規則

2 結果與分析

2.1 國土空間開發適宜性

2.1.1 城鎮開發適宜性

在城鎮開發適宜性中，不適宜類型（包括最不適宜級和不適宜級）的面積占總面積的72.19%，適宜類型（包括最適宜級和適宜級）僅占27.81%（表6）。從空間分布上看（圖3a），最適宜級主要集中于主要道路周圍，并在中部和南部密集程度最高。適宜級主要集中于最適宜級的周圍，并在南部和北部分布較多，但其地理環境和區位條件低于最適宜級。不適宜級和最不適宜級在全境皆有分布，并在東部、南部和西北部集中連片度較高。嚴重的石漠化狀況對城鎮開發的影響最大，在南部、東南部和西部等重度石漠化區，最不適宜級占比較大。

2.1.2 農業開發適宜性

在農業開發適宜性中，適宜類型的面積占總面積的49.80%，不適宜類型占50.20%（表6）。從空間分布上看（圖3b），適宜等級呈顯著的地域分布差異。東北部和東部適宜等級較高，區位、土地、水源和作物生長環境等條件比其他地區好，能夠滿足當前以及未來農業種植的需要，保障糧食安全和人口需求。西北部、西部和南部適宜等級較低，其中，西北部的土壤環境較差，主要為黏土和黏壤，限制了農業的發展；西部和南部的不適宜區和最不適宜區主要分布于重度石漠化區和中度石漠化區，惡劣的生態環境制約了農作物的生長。

2.1.3 生態保護適宜性

在生態保護適宜性中，適宜類型的面積占總面積的61.21%，不適宜類型占38.79%（表6）。從空間分布上看（圖3c），最適宜級和適宜級主要分布于北部和東部，最不適宜級和不適宜級主要分布于西部、南部和中部，這種空間分布與石漠化敏感性、水源涵養量、生境質量指數和凈初級生產力的分布相似，由此表明這幾個指標是研究區生態保護適宜性的重要影響因子，應在今后的生態治理中重點關注這些問題。

表6 國土空間開發適宜性等級

2.2 資源環境承載力

從數量結構上看，資源環境承載力等級以VI級和V級為主，分別占總面積的26.77%和23.60%，I級和II級占比最少，分別占3.10%和4.46%，區域承載力整體狀況較低。在其他等級中，III級、IV級和VII級的占比分別為13.16%、14.64%和14.27%。

從空間分布上看（圖4），資源環境承載力等級較高的區域主要分布于東北部和東南部，這些地區資源稟賦較高，生態環境狀況較好，能夠為喀斯特地區社會經濟的持續發展以及人們的各項活動提供良好的本底條件，是城鎮化發展的重要區域；資源環境承載力等級較低的區域主要分布于南部、西南部和西北部，這些地區喀斯特地貌分布較多，石漠化程度較重且多為重度石漠化，壩區分布范圍較小且分布破碎，極易受到喀斯特地區各類風險災害的影響，難以承載大規模的人類活動；在剩余地區，承載力等級適中且III級、IV級和V級承載力占據區域發展的主導，這些地區由于受到資源、環境或社會經濟條件中某個因素的約束，使承載力等級比東北部和東南部的高承載力地區低，但也應根據區域實際狀況進行合理開發，進而利用當前的本底條件達到喀斯特地區人類高效活動和合理承載的目標。

圖3 國土空間開發適宜性空間分布

圖4 資源環境承載力空間分布

2.3 國土空間地域功能綜合優化分區

2.3.1 數量結構

在優化結果中，生態空間面積最大，城鎮-農業-生態空間面積最小，分別占總面積的56.62%和0.22%。在其他國土空間地域功能區類型中，面積占比從大到小依次是農業-生態空間、農業空間、城鎮-生態空間、城鎮空間和城鎮-農業空間，分別為21.73%、19.30%、0.97%、0.73%和0.43%。與生態功能相關的功能區類型（即生態空間、農業-生態空間、城鎮-農業-生態空間和城鎮-生態空間）占區域發展的主導地位，占總面積的79.54%；其次為與農業功能相關的功能區類型（即農業空間、農業-生態空間、城鎮-農業空間和城鎮-農業-生態空間），占總面積的41.68%；與城鎮功能相關的功能區類型（即城鎮空間、城鎮-農業空間、城鎮-生態空間和城鎮-農業-生態空間）所占面積最小，僅占總面積的2.35%。

2.3.2 空間布局

不同的國土空間地域功能優化分區具有不同的空間布局模式和發展方向（圖5）。

圖5 國土空間地域功能綜合優化分區

城鎮空間：主要集中于中部，在東南部有少量的集中連片分布。這些區域屬于壩區，且主要是非喀斯特區和無石漠化區，生態環境和區位條件最好，發展優勢顯著。這種城鎮空間分布模式能夠有效降低石漠化嚴重地區的地質災害對人們生命安全和生活質量產生的嚴重影響。從另一個角度看，它也能減少人類活動對石漠化脆弱區的強烈干擾。同時，從圖5中可以看出，在優化分區結果中，城鎮空間集聚程度升高，而生活環境較差的現狀城鎮空間則通過集中的整治和轉移，轉為與農業功能或生態功能相關的功能區類型進行開發和保護。

農業空間：主要集中于西部和東部，南部、東南部和西北部有少量的連片分布。以東部為中心的農業空間主要集中于非喀斯特區和無石漠化區，靠近城鎮空間，生態環境和耕作狀況較好，可充分利用自身優質的耕地資源和有利的社會經濟條件，根據區域狀況和經濟導向調整農業空間的種植模式和空間布局，在保障國家糧食安全的前提下促進社會經濟的穩固發展；以西部為中心的農業空間主要集中于無石漠化區和重度石漠化區，生態環境狀況比東部更脆弱，但該區域仍然需要開發農業空間去保障區域的糧食安全，但在開發過程中要注重生態的保護。

生態空間：在全區范圍內都有分布，在西北部、西南部和東北部集中連片度較高。北部的生態空間主要處于非喀斯特區，空間整體生態狀況較好，保護價值較高，它的存在能夠穩定區域生態環境的平衡，提高氣候、土壤、水文和生物質量，對生態環境的改善以及居民生活質量的提升具有重要的意義；南部的生態空間整體處于喀斯特區，且主要是重度石漠化區，生態環境壓力最大，生態脆弱性最高，在今后的發展過程中，對于這些區域應依靠其自身的修復功能，以自然修復為主，人為治理為輔的方式對其進行集中的保護和整治，從而提高石漠化嚴重地區的生態環境質量，維持區域發展的平衡和穩定。

城鎮-生態空間：主要分布于東北部和西南部的非喀斯特區和無石漠化區等生態狀況良好的地區，是城鎮空間和生態空間的“后備軍”，集居民日常生活和生態保護于一身。在未來的發展中，它應優先以生態保護為主，作為生態空間去維持區域生態環境的平衡，當生態質量滿足區域發展所需后，可作為城鎮空間進行開發，但在開發的過程中，應重視生態系統的平衡與穩定。

城鎮-農業空間：主要分布于中部和東南部，其次分布于北部。從圖5可以看出，城鎮-農業空間主要位于城鎮空間和農業空間的內部和周圍，根據區域的發展狀況和生態環境基礎，該功能區類型具有雙重的發展方向，即以中部和東南部為核心的城鎮-農業空間主要位于城鎮空間周邊范圍內，應優先作為城鎮空間進行建設，在滿足城鎮空間需求的前提下，它可用作農業空間進行農作物的種植，以供應城鎮區域日常的生活所需；以北部為核心的城鎮-農業空間主要位于農業空間內部，應優先作為農業空間進行開發，在滿足糧食需求下，可作為城鎮空間以供人們生活。

農業-生態空間：在全區范圍內都有分布，它是除生態空間外分布范圍最廣的空間類型，在北部、中部和東南部連片度較高，其次分布于西部和南部。北部的農業-生態空間廣泛分布于生態空間的四周，在區域發展過程中可為生態空間質量的提高提供助力；中部和東南部的農業-生態空間主要分布于以城鎮功能為主導的功能區周圍，這種空間分布方式可以有效緩解人類活動對生態環境的影響和干擾；南部和西部的農業-生態空間主要分布于喀斯特區，且主要分布在農業空間周圍，它的存在為農業空間與生態空間建立了天然的屏障，隔離各類農業活動及所產生的后續效應對生態空間造成的影響，同時緩解生態脆弱區中的重度石漠化蔓延對農業生產的威脅。

城鎮-農業-生態空間：主要分布于中部和東南部城鎮空間的內部和周圍，它集城鎮空間建設、農業空間開發和生態空間保護于一身，在國土空間地域功能發展過程中的用地功能具有多樣化特點，同時對資源環境的本底狀況要求較高。因此，該區域首先應考慮作為生態空間，提升喀斯特地區石漠化狀況的治理效率和生態環境的保護力度，緩解人類活動區對石漠化地區的干擾。在石漠化狀況有所改善后，基于當地具體情況，或成為城鎮空間去滿足日益增長的居民生活范圍的需求，或作為農業空間去增加耕地的數量。

3 討 論

3.1 國土空間地域功能優化分區方法

當前區域發展的沖突主要源于以經濟產出和城鎮化建設為導向的國土空間利用模式，過度忽視農業的發展和生態的保護，這個問題在中國長期以來都很突出。如何達到國土空間的統籌協調和可持續發展是困擾中國發展的一大難題。在2020年1月，自然資源部制定了《省級國土空間規劃編制指南（試行）》和《資源環境承載力和國土空間開發適宜性評價指南（試行）》，對國土空間規劃的戰略定位和評價流程等提出了新的定義與方針，要求“雙評價”回答國土空間哪里能用以及怎么用的問題，并對國土空間的資源要素保護與利用、生態恢復與全域綜合整治以及區域協調與規劃等工作提供了新的指引。然而，2個指南的思路與方法僅是理論性的框架探討，缺少實踐性的案例分析，并且由于中國各區域資源環境本底要素和社會經濟發展狀況的顯著差異，這些方法與思路在實踐中需根據地區實際狀況進行相應的調整與補充，從而彌除國土空間短板，發揮國土空間優勢，構建科學合理的國土空間地域功能優化分區格局。

本研究在2個指南的基礎上，整合了集成評價與模擬技術，將“雙評價”方法和城鎮-農業-生態功能協調方法有機地結合在一起，提出了國土空間修正規則，從而構建了一套更精準化的國土空間地域功能綜合優化分區的框架與體系，在實現國土功能協調的基礎上配置各功能區的空間布局，促進國土資源的可持續發展。

此外，由于喀斯特地區的特殊性，喀斯特地貌嚴重影響國土空間的發展。因此，在優化過程中，本研究對區域石漠化特點進行了綜合考慮，將現狀重度石漠化區以及由無石漠化、潛在石漠化和輕度石漠化轉為中度石漠化的區域優先進行了國土空間適宜區的劃分，旨在從根本上解決喀斯特地區的生態環境問題。若將資源環境承載力評價作為適宜性評價的基礎，或將二者設置為平行關系，在優化過程中可能會出現將上述2類石漠化區的部分地塊劃入農業生產或城鎮建設區的情況發生，加重石漠化程度，制約喀斯特地區生態環境的恢復。因此，與2個指南的思路和方法相比，本研究的方法更具實際運用價值，對喀斯特地區的國土空間規劃和生態修復等工作更具參考意義。

3.2 喀斯特地區國土空間地域功能優化分區的結果優選

本研究分別探索了綜合優化方法和2種單一方法下喀斯特地區國土空間地域功能的優化分區格局，3種方法的優化結果存在差異（圖5，圖6）。基于城鎮-農業-生態功能協調的優化結果充分考慮了國土空間的各功能區在發展中的內部協調關系，而基于“雙評價”的優化結果則落腳于功能區發展的承載性和適宜性。然而，由于喀斯特地區復雜脆弱的生態環境現狀、國土空間功能區的嚴重沖突以及社會經濟發展的區域差異，基于城鎮-農業-生態功能協調的優化結果解決了喀斯特地區各功能區的嚴重沖突問題，但缺乏對不同國土空間功能區在空間布局的適宜程度以及不同要素屬性（如資源，環境，社會經濟）對不同國土空間功能活動的支撐能力的考慮；基于“雙評價”的優化結果則相反。因此，為了使國土空間地域功能優化分區結果最好的適用于喀斯特地區特殊地理環境特征和社會經濟發展狀況，本研究將2種優化結果結合在一起并得到國土空間綜合優化分區結果，從而實現喀斯特地區國土空間的協調、持續和綠色發展。同時，考慮到城鎮和農業空間在發展中對生態空間產生的各種衍生效應[29-30]，綜合優化結果相比其他兩種結果擁有最多的國土空間多功能區（主要是農業-生態空間），并且這些多功能區在城鎮空間和農業空間的周圍廣泛分布，能夠有效緩解這些衍生效應對生態空間特別是石漠化嚴重地區的影響。因此，綜合優化結果比2種單一方法的結果得到的效應更高，也更符合區域實際發展的需要。

此外，在《云南省主體功能區規劃》中，將研究區劃為國家重點生態功能區，旨在推動石漠化狀況和生態環境的治理。在綜合優化結果中，與生態功能相關的功能區類型占據了區域發展的主導地位，其比例占全域總面積的近80%，這與《云南省主體功能區規劃》中對研究區的戰略定位相銜接，因此，本研究的優化結果吻合區域發展戰略需求。同時，通過將綜合優化結果與土地利用現狀疊加發現，現狀城鎮建設用地均落在與城鎮功能相關的功能區中，現狀耕地均落在與農業功能相關的功能區中，林地、草地和河流等生態功能顯著的現狀地類均落在與生態功能相關的功能區中，因此，本研究的優化結果是合理的。

然而，上述討論只是針對國土空間內部矛盾嚴重且生態環境惡劣的喀斯特地區，對于其他區域，還應根據當地的特點去選擇不同方法的優化結果。例如，在中國的東南部和東北部地區，生態環境質量高于中國其他地區[31]，國土空間功能區的沖突是最小的，因此，以適宜性和承載性為主導去推進國土空間的有序發展是優化的重點，“雙評價”方法的優化結果在這些地區更有意義。又如，在中國的青藏高寒區和西北干旱區，生態環境質量長期處于中國最低的級別[31]，而土地利用變化是生態系統結構和功能變化的直接原因[14]，因此，優先考慮國土空間功能區發展的內部協調對于區域發展至關重要，城鎮-農業-生態功能協調方法的優化結果在這些地區更有價值。

圖6 基于單一方法的國土空間地域功能優化分區

3.3 研究的局限性

國土空間是一個復雜的綜合體，受到社會、經濟、生態和資源等要素的共同影響[28]。盡管通過研究證明，選取廣泛的自然、社會和經濟指標優化國土空間地域功能分區的方法合理，并且對于國土空間地域功能優化分區的結果滿意，因為所有的指標都已被用于去評估單一的城鎮功能、農業功能和生態功能[32-34]，但本研究仍然受到數據收集和量化方法的限制。例如，在社會數據中，人類的發展意愿對于區域國土空間規劃至關重要[35]，然而它需要從社會行為的角度進行分析，本研究由于缺乏用于大規模評估的數據，因此很難將其完全整合到專業量化的過程中。

目前，大數據已經被廣泛運用于城鎮空間擴張的研究中[36]，這種起源于社會科學實證領域的“數據驅動”，更加強調對數據源的觀察實證研究，為深入發掘研究對象的時空特征和規律提供了新途徑。然而，大數據在當前國土空間的農業空間和生態空間的研究中仍然處于初期的探索階段[37]，特別是在生態環境復雜、地形狀況多樣的喀斯特地區，大數據在其中的運用途徑仍然是一個值得商榷和研究的問題。但是，隨著研究的深入，在今后國土空間地域功能優化分區研究中，大數據將扮演至關重要的角色。

4 結 論

為探究喀斯特地區國土空間地域功能優化途徑與方法，本研究在綜合城鎮-農業-生態功能協調方法和國土空間“雙評價”方法進行國土空間優化基礎上，通過國土空間修正規則進行調整，構建了喀斯特地區國土空間地域功能綜合優化分區格局。結論如下：

1）城鎮開發適宜性的最適宜級和適宜級的占比之和為27.81%，在中部和南部密集程度較高；農業開發適宜性為49.80%，主要分布于東北部和東部；生態保護適宜性為61.21%，在北部和東部密集程度較好。

2）資源環境承載力等級以VI級和V級為主，分別占全域總面積的26.77%和23.60%，等級較高的區域主要分布于東北部和東南部，等級較低的區域則主要分布于南部、西南部和西北部。

3）在國土空間地域功能綜合優化結果中，喀斯特地區國土空間分為城鎮空間、農業空間、生態空間、城鎮-生態空間、城鎮-農業空間、農業-生態空間和城鎮-農業-生態空間等7個功能區，其中，生態空間最多，占56.62%，城鎮-農業-生態空間最少，占0.22%。研究區中部和東南部城鎮功能顯著，并呈集中連片分布；農業功能為主導的區域主要分布于北部、西部和東部，形成了2個大農業區，東部以經濟作物種植為重點，西部側重生態農業模式發展；生態功能為主導的區域主要分布于北部和南部，這與用地現狀中生態用地的分布較吻合，北部生態環境和植被狀況最好，南部石漠化重度區廣泛分布。

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Optimization of regionalization of territorial space function regions in typical karst areas of southwest China

Li Sinan1,Zhao Xiaoqing1※, Pu Junwei2, Wang Qian1, Miao Peipei1, Tan Kun1

(1.650500,;2.650500,)

Territorial space is the important carrier of urban construction, agricultural activities, and ecological protection. It is necessary to reasonably promote the coordination, moderation, and sustainable utilization of territorial space. The territorial development of different function types has posed serious conflicts on the regional economy and ecological system, especially in karst areas with fragile ecological environment and high poverty rate. Taking Guangnan County, a typical southwest karst area, as an example, this study aims to realize the coordinated development of territorial space in research regions. A series of geospatial modeling and statistical analysis tools were combined to propose the urban-agricultural-ecological functions coordination method, and the “dual evaluations” method of territorial space in karst areas. According to the environment situation of natural resource and regional planning, amendment rules was also formulated for conflict spaces, while a comprehensive optimization method was proposed for function areas of territorial space. This comprehensive method systematically combined the urban-agricultural-ecological functions coordination and the “dual evaluations”, constructed comprehensive optimization patterns of territorial space function areas, and divided different types of territorial space function area in karst areas. The results showed that: 1) In the most suitable level and less, the ecological suitability was the maximum, accounting for 61.21%, which was mainly distributed in the north and east. The suitability of urban development was the minimum, accounting for 27.81%, which was mainly distributed in the middle and south. The suitability proportion of agricultural development was 49.80%, which was mainly distributed in the northeast and east. The carrying capacity of resource and environment was dominated the level VI and V, where the highest level of carry capacity distributed in the northeast and southeast, whereas, the lowest levels of carry capacity in the south, southwest, and northwest. 2) In the optimized function areas of territorial space, seven types of function areas were divided in karst areas. Specifically, the types of function areas related to ecological function dominated in the development of karst areas, accounting for 79.54%. The types of function areas related to urban function were the smallest, accounting only for 2.35%. The areas dominated by urban function were mainly distributed in the middle and southeast, whereas, the areas dominated by agricultural function were mainly distributed in the north, west, and east, as well as the areas dominated by ecological function were mainly distributed in the north and south. 3) Compared with the urban-agricultural-ecological functions coordination method and the "dual evaluations" method, the comprehensive method could more accurately and rationally construct the spatial patterns of territorial space for karst areas. This proposed method can provide an important decision-making support to delimit different areas in karst areas for territorial space planning and ecological restoration. The reasonable layout for different function types of territorial space can provide a sound reference to improve ecological environment, the management of rocky desertification, and the coordinated development of territorial space in karst areas.

land use; function; optimization; territorial space; coordination of urban-agricultural-ecological functions; double evaluations; karst areas

李思楠，趙筱青，普軍偉，等. 西南喀斯特典型區國土空間地域功能優化分區[J]. 農業工程學報，2020，36(17)：242-253.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.029 http://www.tcsae.org

Li Sinan, Zhao Xiaoqing, Pu Junwei, et al. Optimization of regionalization of territorial space function regions in typical karst areas of southwest China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(17): 242-253. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.029 http://www.tcsae.org

2020-05-16

2020-08-24

云南省科技廳-云南大學聯合基金項目（2018FY001（-017））；國家自然科學基金項目（41361020）；云南省教育廳科學研究基金項目（2020Y0030）；云南大學研究生創新人才培養項目（C176230200）

李思楠，博士生，研究方向為農業資源與國土空間優化。Email：lsn0705@163.com

趙筱青，博士，教授，博士生導師，研究方向為土地利用變化及國土空間優化。Email：xqzhao@ynu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.029

X524

A

1002-6819(2020)-17-0242-12