劉秀霞 董林玥 馬士萌 王素芬
(中國農業大學 水利與土木工程學院,北京 100083)
我國目前處于工業化、城鎮化快速發展的階段,日益頻繁的人類活動干預影響了生態環境安全與影響資源可持續發展,造成土地資源粗放利用和浪費現象,國土空間結構失衡,水土資源空間匹配性差,最終引發城鄉發展不協調、生態系統退化等一系列經濟社會與生態問題。為此,中共中央辦公廳、國務院辦公廳做出重大部署,深度貫徹生態文明思想,嚴格落實生態環境保護制度、耕地保護制度和節約用地制度:將三條控制線作為調整經濟結構、規劃產業發展、推進城鎮化不可逾越的紅線;建立國土規劃體系,將主體功能區規劃、土地利用規劃、城鄉規劃等空間規劃融合為統一的國土空間規劃,實現“多規合一”。國土空間規劃體系下“三生空間”要素的科學規劃可以加快我國形成綠色生產方式和生活方式的步伐,推進生態文明建設。隨著我國國土空間管理方式由“經濟建設優先”向“生產、生活、生態統籌發展”轉變,有序引導國土空間資源要素重新配置,構建穩定、協調的國土空間秩序顯得尤為重要。
“三生”空間是對生產、生活、生態3種功能空間的總稱,構成了不同空間尺度的主體要素。生產空間是指用于生產經營活動的場所,主要以農業和非農業生產為主導功能的區域;生活空間是指以提供人類居住、消費、休閑和娛樂等為主導功能的場所,涉及城市居住用地、公共管理與公共服務用地以及商業用地;生態空間是指宏觀狀態穩定的物種生存繁衍所需的環境空間。這三類空間基本涵蓋了人們物質生產和精神生活中的空間活動范圍,承載了人類社會、經濟活動以及環境資源。目前,關于三生空間的研究主要集中在概念內涵和框架、分類體系、三生空間的承載力分析以及三生空間適宜性評價指標體系構建方面。對于三生空間劃分采用的研究方法主要有2 種:一種是構建指標體系對研究區土地“三生”功能和適宜性進行評價,從而劃分“三生”空間。由于研究視角與評價目的存在差異,現階段缺乏相對統一的三生空間分類標準和評價指標體系;另一種則是以土地利用類型為基礎進行“三生”空間劃定。何以翔對土地利用類型進行整合和重分類劃定三生空間。夏敏等綜合土地多功能與適宜性進行“三生”空間劃定。現有的“三生”空間劃定甚少考慮“水”這一發展限制因素,雖然“三生”空間的實質是以土地利用功能為載體,但是水作為生產、生活、生態空間發展的重要資源,需要“以水為基,以水定綠”,在三生空間劃分過程中應當考慮當地的水土資源承載能力。自然資源部印發的相關文件中提出“雙評價”是國土空間規劃編制的前提和基礎,對于統籌優化生態、城鎮、農業等空間布局提供支撐。“雙評價”是指資源環境承載力評價和國土空間開發適宜性評價,在生態文明建設理念的指導下,優先對生態保護重要性進行評價,保證生態安全。然后基于環境資源承載力評價,進行不同功能空間的適宜區劃定,識別“生態保護—城鎮建設—農業生產”空間,并且兼顧發展與保護的協調理念,從而滿足人類對國土空間利用的需要,為國土空間布局提供方向性指導。科學劃分“三生空間”有助于形成生態、生活、生產空間的合理結構,對于緩解空間結構性矛盾、優化國土空間開發、制定產業發展策略、保護區域生態環境具有重要意義。
科爾沁地處松嫩草原與內蒙古高原的過渡地帶,橫跨內蒙古、遼寧、吉林三省區, 由于濫墾、濫牧、濫樵導致植被大量破壞, 土地風蝕沙化嚴重, 生態環境脆弱, 成為我國北方農牧交錯地區典型的生態脆弱帶。作為我國沙漠化發生發展的典型區,區域生態環境受到嚴重破壞,制約社會、農業以及經濟的發展。合理劃定“三生”空間有利于統籌規劃建設用地、農業生產和生態用地需求,促進經濟發展和生態環境保護。目前,關于科爾沁地區“三生”空間劃定的研究較少。因此,為在水土資源承載力的約束下設立生態保護區,有序推進“科爾沁沙地綜合治理”進程,合理開發國土空間,本研究擬以科爾沁全域生態、生活以及農業生產空間為研究對象,運用“雙評價”方法,從水土資源承載力和開發適宜性2 個維度,綜合考慮科爾沁地區的自然地理、社會、經濟等因素,協同多目標構建生態保護重要性、生活空間適宜性和農業生產適宜性評價指標體系,評估科爾沁全域的水土資源利用狀況;并劃分生態保護重要區、生活空間適宜區和農業生產空間適宜區,明確科爾沁地區“三生空間”的劃定范圍,以期實現“以承載力和適宜性定空間”的目標,為該地區生態治理以及國土空間的合理規劃提供科學依據。
科爾沁地區位于我國東北部,地處116°21′~123°43′ E,41°17′~46°41′ N。本研究以赤峰市、通遼市、興安盟、白城市、阜新市作為科爾沁地區典型研究區域(圖1),區域總面積14.21萬km,其中沙地現有面積大約為3.5萬km。研究區內地貌復雜多樣,呈現出西高東低的地形特點,且西部地區坡度變化較大。在水土資源方面,科爾沁地區受氣候、地形等因素影響,使得水資源分布不均衡,多年平均降水量在305~485 mm。在用水分配中,大部分用于農業,其中赤峰市、通遼市、興安盟和白城市的農業用水比例均超過80%,尤其是通遼市和興安盟,分別為87.07%和88.28%。在社會經濟方面,2018年末總人口為1 314.61 萬人,人口密度平均為78.01人/km,平均城鎮化率為51.38%。五市全年生產總值為4 245.17億元,第一產業貢獻率平均為20.89%,人均GDP為3.74萬元/人,且萬元GDP耗水量平均為250.02 m/萬元。

圖1 科爾沁地區高程圖(a)、降水圖(b)以及土地利用現狀圖(c)Fig.1 Geographical location map of the Horqin elevation (a), precipitation (b) and land use(c)
本研究使用的數據涉及了社會、經濟以及農業方面,其中人均水資源量等來源于2018年水資源公報;農田有效灌溉比率、人口密度、糧食產量、人均耕地面積、人均GDP均來源于2018年中國縣域統計年鑒。使用的土地利用現狀數據、DEM數據、坡度數據、土壤質地空間分布數據、積溫、降水量數據空間分辨率為1 km,均來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)。生態系統服務價值評估數據源于中國陸地生態系統服務價值空間分布數據集。
具體研究思路見圖2。可知:首先從水土資源利用系統、社會系統和經濟系統中選取指標,構建水土資源承載力的評價指標體系,評價研究區水土資源承載力的現狀。然后,從生態保護重要性、生活適宜性、農業生產適宜性3 個方面選取指標構建國土開發適宜性評價指標體系,基于生態敏感性評價及生態系統服務功能重要性評價得到生態保護重要區,基于生活適宜性和農業生產適宜性評價指標體系得到生活適宜區和農業生產適宜區。基于水土資源承載力和適宜性評價結果,結合功能適宜性評價分別對生態保護重要區、生活適宜區和農業生產適宜區進行分類評價,在此基礎上綜合集成,將得到的三類適宜空間進行疊加,遵循因地制宜、可實施性以及科學性原則劃定最終的三生空間。

圖2 研究框架圖Fig.2 Study framework
2
.1
.1
模糊綜合評價法模糊綜合評價法的特點在于評判過程中系統性強且結果清晰,不受被評價對象所處集合的干擾,而且該方法可以評判多因素綜合影響的結果,適合信息不完全確定的小樣本系統。故本研究采用該方法對多個影響水土資源的因素進行綜合評價,通過計算模糊隸屬度,最終給出水資源承載力的等級。模糊綜合評價法具體步驟如下:
1)評價指標集。={u
,u
,…,u
}2)評價等級。={v
,v
,…,v
}式中:v
為各種評價等級,通常劃分為3~5個等級。3)確定指標權重。結合主觀賦權法和客觀賦權法,利用熵權法和層次分析法組合得到一個綜合權重,來保證水土資源承載力評價結果的準確性。組合權重方法如下:
(1)
式中:w
為層次分析法的權重;v
為熵權法的權重。4)建立模糊評價矩陣。
式中:r
表示因素u
的評價對等級v
的隸屬度。5)計算模糊綜合評判為上的模糊子集,而評判結果則是上的模糊子集,并且可以表示為={a
,a
,…,a
}和={b
,b
,…,b
}且=·。式中:a
為u
對的隸屬度且0≤a
≤1;b
為等級v
對綜合評定所得模糊子集的隸屬度且0≤b
≤1。6)量化評判集。分別設w
=0.95,w
=0.75,w
=0.50,w
=0.25,w
=0.05為5個等級的評分值,對5個等級進行0~1的評分。綜合評分計算公式為:(2)
7)計算隸屬度。首先在指標分級中,每個指標都被K
,K
,K
,K
分成了5 個等級,K
屬于i
和i
+1的等級臨界值。為避免實際指標值分級指標數值的細微差別而相差一個評價等級,使得隸屬度得以平滑過渡,設定當實際指標值等于(k
+k
+1)/
2時,實際指標值對該等級的隸屬度為1。其他情況隸屬度計算方法和計算式如下:(3)
(4)
該情況下,r
2=1-r
1,r
4=1-r
5,其余值為零。若指標處于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ評價等級,即u
的實際值介于k
和k
+1之間(1≤i
≤3)時,分2種情況計算:(5)
(6)
式中:r
=1-r
+1,r
+2=1-r
+1,其余為零。負向指標的隸屬度計算則需要將上述公式中的“<”改為“>”即可。2
.1
.2
水土資源承載力評價指標體系建立水土資源利用現狀評價體系的基礎指標應能夠簡明、清晰地表示復雜的水土資源量及其開采利用程度、社會發展和經濟效益之間紛亂龐雜的關系,準確地度量出水土資源與人口、生產、生態之間的配置關系。根據以上指標選取原則,本研究從水土資源利用系統、社會和經濟等發展問題的角度,綜合影響水土資源利用的資源因素、生態因素、制度因素、科技因素及人口因素,選取了14項代表性指標,構建水土資源評價指標體系。綜合以往等級界定標準的研究文獻,本研究界定了Ⅰ~Ⅴ級5個標準(表1)。
表1 科爾沁水土資源評價指標體系及等級界定標準
Table 1 Evaluation index system and grade definition standard of water and soil resources in Horqin
系統層Systemlayer評價指標Evaluationindex指標類型Indextype單位Unit分級 ClassificationⅠⅡⅢⅣⅤ承載富裕Carryingcapacitysupera-bundant承載有余Carryingcapacityhavespare承載臨界Carryingcapacitycriticality超載Overloaded嚴重超載Seriouslyoverloaded農業水土資源匹配系數正m3/hm2>2 5002 500~2 1002 100~1 7001 700~1 300<1 300農業用水定額負m3/萬元<360360~440440~520520~600>600水土資源系統Water andsoil resourceutilizationsystem墾殖率負%<1616~2424~3232~40>40農業用水比例負%<1515~3030~4545~60>60農田有效灌溉比率正%>7575~6565~5555~45<45林草覆蓋率正%>8080~5858~3636~14<14人口密度負人/km2<9090~390390~690690~990>990城鎮化水平負%<5050~6060~7070~80>80社會系統Socialsystem耕地糧食產出正t/hm2>6.66.6~5.45.4~4.24.2~3.0<3.0人均水資源量正m3/人>2 0002 000~1 5001 500~1 0001 000~500<500人均耕地面積正hm2/人>6060~5050~4040~30<30人均GDP正萬元/人>8.08.0~6.56.5~5.05.0~3.5<3.5經濟系統Economicsystem一產貢獻率正%>1818~1414~1010~6<6萬元GDP耗水量負m3/萬元<4040~8080~120120~160>160
本研究結合科爾沁地區區域特點,構建研究區“三生”空間適宜性評價指標體系。科爾沁地區的經濟發展類型是以農為主,農牧并舉,因此本研究中生產空間主要以農業生產為主導,從土壤因素、地形、氣候和土地利用類型四方面選取農業適宜性指標并結合相關研究設定參考閾值(表2)。通過土壤數據的預處理,從物理、化學、生物等方面綜合評定農業生產適宜性等級。其中,物理因素主要指影響土壤性質的客觀因素,有氣候條件和土壤類型;生物因素目標層主要選取土壤有機質含量。生活空間的適宜狀況通過安全性、便捷舒適性以及環境友好性來體現,因此選取坡度、交通、海拔以及土地利用4 項指標(表3)。在構建生態保護重要性評價指標體系過程中,考慮到研究區沙地面積大,土地沙化嚴重,所以生態空間則考慮生態敏感性和生態系統服務功能重要性兩方面選取指標(表4)。其中,生態系統服務功能重要性包含氣候調節價值、土壤保持價值以及生物多樣性價值,這些指標依據全國凈初級生產力NPP、降水量等數據并對生態系統各服務價值當量因子價值進行調整計算得出。各項指標的權重利用AHP確定,結合以往研究文獻和“雙評價”指南確定指標分級,采用1、3、5、7等4個評分來表示單元的適宜程度,其中1為適宜性最低,7為適宜性最高。
表2 農業生產適宜性評價指標體系
Table 2 Evaluation index system for suitability of agricultural production
系統層System layer權重Weight指標層Index layer指標分級Index classification分值Score[35,45)7土壤因素Soil factor0.054土壤質地/%[25,35)5[12,25)3<121<20070.079高程/m[200,600)5[600,1 300)3地形Terrain≥1 3001570.113坡度/(°)(5, 15]5(15, 25]3>251≥26 00070.250積溫/10-1 C°[21 000, 26 000)5[16 000, 21 000)3氣象Meteorology<16 0001≥5 10070.145降雨/10-1 mm[4 500, 5 100)5[3 900, 4 500)3<3 9002土地利用Land utilization0.359土地利用耕地5草地、林地3
表3 生活適宜性評價指標體系
Table 3 Evaluation index system for suitability of living
系統層System layer權重Weight指標層Index layer指標分級Index classification分值Score570.168 9坡度/(°)(5,15]5(15,25]3地形Terrain>251<20070.119 0海拔/m[200, 600)5[600, 1 300)3≥1 3001<5007交通Transportation0.310 9交通/m[500, 1 500)5[1 500, 3 000)3≥3 0001城鄉居民5土地利用Land utilization0.401 2土地利用耕地3林地、草地、水域1
研究區生態-生活-農業生產空間適宜性的劃定遵循因地制宜原則、可實施性原則以及科學性原則。根據市區主體功能定位,綜合考慮水土資源承載力,依據國土開發適宜性評價結果,劃定生態保護重要區、生活適宜區以及農業生產適宜區。
功能適宜性評價:基于適宜性指標評價結果,結合水土資源承載力的空間評價結果,將水土承載力超載的地區首先確定為生活空間適宜程度“不適宜區”,這些區域將不作為生活空間的評價區域;協調生態空間適宜性評價結果和水土資源承載能力,將水土資源承載力超載區應作為生態空間適宜區;依據農業生產空間適宜性評價標準,將水土資源承載能力超載區確定為農業生產空間適宜程度低級區。
生態空間劃定:重點考慮生態安全控制區、水源保護區以及自然保護區等區域,將生態保護重要性評價結果為“極重要”的區域劃入生態空間,以保證劃定結果的科學性。
生活空間劃定:考慮人們居住場所建設以及生活活動,將城鎮建設適宜性評價結果為“適宜”和 “一般適宜”的區域劃定為生活空間,協調劃定生活空間和農業生產空間。
農業生產空間劃定:考慮永久基本農田,充分考慮自然資源承載能力,守住糧食安全底線,將農業生產“適宜區”和“一般適宜區”劃定為農業生產空間,剩余區域劃定為生態空間,以保證劃定的方法和結果具有可實施性。
R
和權重矩陣A
,結合各等級綜合評分系數,得到評價對象的綜合評分值和科爾沁承載力分布,結果見圖3。可知區域水土資源承載力評價結果表明,科爾沁地區不同城市的農業水土資源承載力現狀均處于臨界或超載狀態。其中:阜新市的綜合評分最高,為0.461;通遼市評分次之,為0.416;其次為白城市,評分為0.401。這3 個城市的農業水土資源開發利用等級均為III級,處于臨界超載狀態。這3 個城市的農業用水定額較低,但是農田有效灌溉比率、墾殖率、人均水資源量相對較高,使得水土承載力相對較好。表4 生態保護重要性評價指標體系
Table 4 Evaluation index system for importance of ecological protection
系統層System layer權重Weight指標層Index layer指標分級Index classification分值Score強烈70.079 2土壤侵蝕中度5輕度3微度1林地、草地、水域5生態敏感性Ecological sensitivity0.359 4土壤覆被耕地3城鄉、居民用地、未利用1>2570.250 0地形坡度/(°)(15, 25]5(5, 15]3≤51>30 00070.053 9氣候調節價值/億元(5 000,30 000]5(500,5 000]3(0,500]1>10 0007生態系統服務功能重要性Importance of ecosystem service0.144 7土壤保持價值/億元(5 000,10 000]5(500,5 000]3(0,500]1>30 0007(5 000, 30 000]50.112 8生物多樣性價值/億元(500, 5 000]3(0, 500]1其他1

圖3 科爾沁地區水土資源承載力評價結果Fig.3 Evaluation results of water and soil resources carrying capacity in Horqin area
赤峰市和興安盟的水土資源承載力評分分別為0.386和0.358,開發利用等級為IV級,處于超載狀態。赤峰市經濟較為發達,人口較為稀疏,農業水資源開發利用率高,單位耕地面積用水量較高,且該市農田有效灌溉比率較低,這些因素是造成赤峰市承載能力超載的主要原因。興安盟人口最為稀疏,單位耕地面積用水量較低,但是農業用水比例是研究區中最高的城市;并且興安盟的一產貢獻率和萬元GDP耗水量都比較高,這成為興安盟水土資源承載力超載的重要原因。
基于構建的生態保護、生活適宜以及農業生產適宜性評價指標體系,得到了科爾沁地區5 個城市國土“三生”空間適宜性評價結果,利用自然斷點法,在ArcGIS平臺上將評價結果按重要性劃分為極重要、重要以及一般重要3 類,按適應性劃分為適宜、一般適宜以及不適宜3 類,如圖4所示。從空間分布來看,生態保護極重要區主要集中在赤峰市、興安盟和通遼的西北方向,且大部分地區為林地和草地。生態保護重要性一般的地區主要為白城市和阜新市,因為該兩市的植被覆蓋率較低,地物類型主要以農業生產為主,耕地面積所占比例較大,限制了該地區的生態空間屬性。生活適宜區零星分散在科爾沁地區,主要集中在白城市和通遼市,其中白城市生活適宜區所占比例最大,由于該市的交通均較為便利,且在生活適宜性評價過程中道路交通因素的影響較大。農業生產適宜區主要集中在科爾沁地區的西部地區,其中白城市和阜新市的農業生產適宜區所占比例較大,主要由于該地區的耕地面積較大,地形和土壤條件具備農業生產的條件。

圖4 “三生空間”適宜性評價結果Fig.4 Evaluation results of production-living-ecological space suitability
基于生態保護、城鎮建設、農業生產適宜性評價結果,本研究對科爾沁進行了“三生”空間最終劃定,結果如圖5所示。研究區域總面積為142 130.74 km,生態空間、生活空間和農業生產空間所占比例分別為62.60%、2.65%和34.74%,統計面積分別為88 980.45 km、3 770.28 km和49 380.01 km。相比目前的土地利用情況,基于三生空間劃定的區域結構,生活空間面積增加了641.99 km,農業生產空間面積增加了46 325.38 km。根據劃定結果,阜新市農業生產面積所占比例最大,占阜新市總面積的84.26%,而且水土資源承載力的評分與其余四市相比最高,說明阜新市具備農業生產的條件,適合發展農業。其次為白城市,但是白城市的農業生產空間所占比例僅為46.64%,遠低于阜新市。赤峰市和興安盟的生態面積占據了約71.00%,這與赤峰市和興安盟的地理位置和自然條件密切相關,適宜林草的生長。生態保護重要性一般的地區主要為白城市和阜新市,且阜新市的生態面積所占比例最小,僅為11.27%,主要原因是該市植被覆蓋率較低,地物類型主要以農業生產為主,耕地面積所占比例較大,且該地區的水土資源能力評分最高,適宜農業生產。白城市的生活空間占地面積是該五市中所占比例最高的,為9.95%;赤峰市生活空間占地面積僅為1.37%,是該五市中城鎮占地面積最小的城市,由于該市的水土資源承載力屬于超載區,建議該市應通過土地復墾、建設高標準農田等措施提高水土資源承載力。

圖中數值表示生態、生活和生產空間所占各個城市面積比例。 The values in the Figureshow the proportions of ecological, living and production space in each city area.圖5 科爾沁地區“三生”空間劃定結果Fig.5 Delineation results of “production-living-ecological” in Horqin Region
合理地劃定“三生空間”可以協調空間開發、經濟發展與環境資源的關系,緩解農業生產、生活和生態空間的矛盾,統籌農業生產、生態的用地需求,合理規劃城鎮發展和生態環境保護。“雙評價”方法在國土空間規劃體系中具有重要的作用,能夠對國土空間資源要素現狀進行全面的排查,對形成可持續發展的國土空間格局具有重要意義。本研究探究基于水土資源承載力和空間適宜性評價劃定“三生”空間,牢牢抓緊“水”這一重要限制性因素對于農業生產、生活以及生態空間的影響,可為科爾沁地區農業生產、生活以及生態空間的合理配置提供依據,轉變該地區以農牧為主體的經濟發展模式,從高強度利用土地轉為依托自然資源創造更高效益的區域可持續發展。
本研究基于水土資源承載力劃定“三生空間”,以水為基,以水定綠,重點考慮水土資源承載力與生態、生活與農業生產的匹配性。科爾沁地區是我國東部最大的沙漠,在生態治理方面面臨著巨大的挑戰。然而,生態治理需要明確農業生產、生活和生態空間,確保生態環境保護措施的實施和自然資源的有序開發和利用。本研究綜合考慮科爾沁地區“三生”空間適宜性和水土資源承載力統籌規劃該區域國土空間格局,為設立科爾沁地區生態功能區和生態特區,有效治理生態環境,實現區域可持續發展提供依據。但本研究在水土資源承載力評價采用的研究數據以統計數據為主,適宜性評價采用的是地理空間數據,數據精度需進一步提高。同時本研究確定的指標評價體系有待完善,如生活空間適宜性評價主要考慮空間的承載功能,缺少生活保障的評價指標。未來的研究中進一步綜合全面的考慮生活空間的適宜性,為科爾沁地區的“三生”空間劃定提供更準確的指導。
本研究以科爾沁地區為例,利用模糊綜合評價法對水土資源承載能力進行了評價,以農業生產保障、城鎮建設潛力、生態屏障約束為導向,從生態保護、生活、農業生產3 個方面選取指標構建了國土開發適宜性評價指標體系。遵循因地制宜原則、可實施性原則以及科學性原則,從“雙評價”視角確定了該地區劃定生態-生活-農業生產“三生”功能空間。主要結論如下:
1)生態保護極重要區主要集中在科爾沁的西北地區的林地和草地,主要分布在赤峰市和興安盟,所占比例約為71.00%。但是赤峰和興安盟地區的水土資源承載力屬于嚴重超載區,建議合理分配水資源,提高農業用水效率,推進高標準農田建設等一系列措施,通過山水林田湖草綜合治理提升水土資源承載能力。
2)生活適宜區主要集中在白城市,面積占該城市比例為9.95%,與現有土地利用類型相比,生活空間面積增加了641.99 km。該地區的水資源承載力屬于臨界狀態,當地可以通過提高森林覆蓋率、減少耕地面積和農業用水量實現當 地水土資源的可持續發展。
3)農業生產適宜區主要集中在阜新市,面積占阜新市比例為84.26%,農業生產空間面積增加了46 325.38 km。該地區水土資源承載力評分最高,該地區具備農業生產條件,應著力發展農業,建設高質量農業生產。