基于三生廊道的國土空間格局優化方法探討

摘 要：國土空間規劃中形成各空間單元功能明確、互補協調的良性空間格局，對區域可持續發展具有重要意義。研究以Forman的不可替代格局為理論基礎，以景觀生態學為技術方法，劃定研究區的理想國土空間格局，對研究區的三生空間從源地、廊道及關鍵點3個角度進行結構、品質的調整及優化，形成國土空間規劃的空間格局優化建議。研究以成都市龍泉驛區產城融合城市片區為例，從景觀生態學的視角出發，在三生空間中已劃定的廊道及關鍵點基礎上，結合國土空間規劃，對龍泉驛區中東、北部的生態、農業源地與廊道進行調整，以及對人居源地和廊道在中南部進行調整，最終形成“一心一片，東西呼應”“一環多核，縱橫交錯”和“三橫兩縱，網狀交錯”的生態、生產、生活空間格局。

關鍵詞：不可替代格局理論；理想國土空間格局；三生空間；格局優化；廊道；國土空間規劃

中圖分類號：F301.2 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）12-133-10

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.12.034

0 引言

國土空間格局對區域的資源配置效率與協調發展有著深刻的影響。2019年5月，《中共中央 國務院關于建立國土空間規劃體系并監督實施的若干意見》提出，優化城鎮化格局、農業生產格局、生態保護格局，確定空間發展策略，為構建合理有序的國土空間格局繪就戰略性藍圖［1］。生態、生產和生活三種功能空間（簡稱三生空間）是自然系統和社會經濟系統協同耦合的產物［2］。國土空間規劃通過科學規劃三生空間，優化空間格局，可以解決城鄉發展中存在的國土開發秩序混亂和資源環境不協調等問題［3］。

20世紀90年代以來，國土空間格局優化研究在理論和實踐方面都有較大進展。喻鋒等［4］強調了從整合、預測、模擬、政策等角度優化國土空間開發布局，并編制了國土空間規劃；刁琳琳［5］從空間經濟理論角度解釋了空間重構的概念，豐富了空間格局優化的研究視角；肖金成等［6］闡述了國土開發區位、國土開發功能、國土開發強度和國土開發組織的概念內涵，提出了新的研究思路；陳紅霞等［7］由點到面地對提升京津冀區域核心競爭力的空間布局進行了研究，提出了城市群區域要素整合方案；魏小芳等［8］運用比較優勢指數、系統聚類等方法，提出了國土空間優化方案；王傳勝等［9］通過分析長江經濟帶的空間結構演化規律，按點、線、面的層次提出了優化策略，對“三生空間”進行了優化。關于國土空間格局優化的研究，研究視角逐漸拓寬，較多學者從宏觀角度提出了不同的功能識別與評價指數，實施了優化分區與格局優化策略。

景觀生態學的理論與方法在國土空間格局優化中應用較為廣泛。20世紀90年代以來，其研究方法從早期考察景觀功能聯系與景觀格局的一般性規律，演化到對已有景觀分布格局進行優化［10］。FORMAN［11］提出了不可替代格局與最優景觀格局，該方法利用各種數學模型（如多級參數平衡法、線性規劃法、多目標規劃法、灰色系統規劃法等數學方法），對土地利用條件進行調整和計算，以達到最優組合［12-14］。景觀生態學研究結合多種指標構建的獨特理想格局，對國土空間規劃有著深刻的影響，為實現有序的國土空間格局優化提供了思路與方法［15-16］。

此研究在景觀生態學視角下，以“斑塊—廊道—基質”為空間構型，根據區域景觀格局特點和國土空間格局要求，綜合考慮自然與人類活動因素，構建區域不可替代理想型國土空間格局，判定現狀三生廊道的調整方向與調整強度，以實現區域規劃中三生空間的協調發展［17］。

1 研究方法

1.1 理想空間構建

景觀生態學角度下的格局優化從本質上來說是利用景觀生態學原理解決土地合理利用的問題。FORMAN［11］基于整體的景觀格局優化提出了不可替代格局理論（見圖1）。

該理論優先考慮格局中的幾個大型斑塊（圖1中1）作為物質棲息生存的必要條件，其次要有足夠寬度和一定數目的廊道（圖1中2、3）作為物質運動流動的場所，同時還應有小的自然斑塊和廊道（圖1中4）來保持景觀的異質性。此格局在生態功能上具有不可替代性［18］。

在此理論支持下，調整實際區域空間中已存在斑塊—廊道及其相互關系，實現理想空間的生產、生活、生態目標，從而優化空間格局。

YU［19］以Forman不可替代格局理論為理論基礎，運用地理信息系統（GIS）中表面擴散等相關技術，提出了最小累積阻力模型（MCR），將其空間格局分為：①源地，物種遷徙擴散的自然棲息地；②緩沖區，廊道及源地周圍屬性價值高的斑塊；③廊道，源地之間供物種流通的狹長通道；④戰略點，在廊道通行過程中起關鍵作用的地段；⑤可能擴散路徑，指目標物種向周圍擴散的可能方向，這些路徑共同構成目標物種利用景觀的潛在生態網絡。常學禮等［20］采用分維數、修改分維數和景觀間隙度指數等景觀格局指數分析了壩上地區沙漠化土地空間格局。

此研究以Forman不可替代格局理論進行理想空間的構建，借鑒YU［19］的技術方法對國土空間格局進行優化。

1.2 國土空間格局優化

參考YU［19］的技術方法，研究中定義了源地、廊道和關鍵點。源地是為生態、農業、居住提供重要價值的大型連片斑塊；廊道是在源地之間提供物質交流的通道；關鍵點是在廊道通行過程中起關鍵作用的廊道交叉點。

1.2.1 源地優化方法

1.2.1.1 源地形狀優化

源地面積與物質流通速度呈正相關，斑塊內部穿孔或面積過小，容易加大物質流通阻力和引起斑塊破碎。適當增加源地面積，修復和補全斑塊內部的空隙，可以促進網絡信息流的擴散流通，維持和提高區域內物質的穩定運轉，以推動城市的可持續協調發展［20-21］。源地形狀指數[Ii]計算公式見式（1）。

[Ii=PiAi]" " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：[Pi]為某個斑塊的面積，[Ai]為此類斑塊的總面積。重點對指數最小的一類進行形狀優化。

1.2.1.2 源地結構優化

測算對應屬性圖斑的連片度，選取連片度高的區域為優化源地。若缺少某類源地，則需要增加連片度較高的斑塊作為源地，以增強功能區的重要性，突出其規劃地位。

連片度利用Fragstats模型，計算最大斑塊面積指數（LPI）、形狀指數（SHAPE）、鄰近度指數（PROX） 3個指標。

最大斑塊面積指數（LPI）是指最大斑塊面積占整個景觀面積的比例，取值范圍是0lt;LPI≤PI。LPI越接近0，說明這種斑塊類型中最大斑塊的面積越小；當LPI等于100%時，說明整個景觀由1個斑塊組成。最大斑塊面積指數（LPI）計算公式見式（2）。

[LPI=max（aij）A×100]" " " " " " " " "（2）

式中：aij為斑塊ij的面積，A為包括內部背景在內的景觀總面積。

形狀指數（SHAPE）通過計算區域內某斑塊形狀與相同面積的圓形或正方形之間的偏離程度，來測量其形狀復雜程度。形狀指數（SHAPE）計算公式見式（3）。

[SHAPE=0.25pijaij]" " " " " " " " " " " " " " " （3）

式中：aij為斑塊ij的面積，pij為斑塊ij的周長。

鄰近度指數（PROX）是指從斑緣柵格中心到中心斑塊邊緣柵格中心的距離。鄰近度指數（PROX）計算公式見式（4）。

[PROX=i=1naijsh2ijs]" " " " " " " " " " " " " " " "（4）

式中：aijs為在距離斑塊ij搜索半徑內的斑塊ijs的面積，hijs為斑塊ij到斑塊ijs之間的距離。

1.2.2 廊道優化方法

優化廊道結構和廊道交點對景觀格局的保護及流通效率的提高至關重要。對于新增源地和調整后的源地，應增加廊道，以加強各系統信息物質的交換與流動。

廊道因流通的物種不同寬度有較大差異。根據多位學者的研究成果，城市生態廊道寬度標準為12 m，而若有大型動物遷徙，廊道寬度設置為100 m，這樣可以較好地保護生物多樣性［22］。農業廊道多為河流、灌溉水渠，根據區域實際，其寬度分別為20 m、4 m。人居廊道多為道路，寬度按城市主次干路標準，寬度設為25～40 m。

1.2.3 關鍵點優化方法

關鍵點位于不同廊道交點處，在累積阻力面上，位于2類最小成本路徑的匯集處，其對網絡中物質快速有效的流通起至關重要的作用［23］。關鍵點是廊道上較為薄弱的區域，一般為某一特定景觀背景上兩廊道的交點或轉折點。對關鍵點進行優化，有助于提高區域生態景觀的連通性，將關鍵點疏通加固后，會大幅緩解區域結構系統的流通壓力［24］。在三生廊道中，生態與農業廊道、農業與人居廊道交點為相互促進的協同點，生態與人居廊道交點為具有阻礙作用的干擾點。

增強協同點的協調性與穩定性，可以使格局更加融合互促。干擾點應采取一定的工程措施，降低其對格局的擾亂和破壞程度［25］。

1.2.3.1 最小累積阻力模型

新增廊道利用最小累積阻力模型（MCR）［26］進行計算。相關計算公式見式（5）。

[MCR=fminj=ni=m（Dij×Ri）]" " " " " " " " " " （5）

式中：f為反映MCR與變量Dij和Ri之間成正比關系的函數，Dij為生態源從j穿過i的空間距離，Ri為物種穿越某景觀表面i的阻力值。

1.2.3.2 重力模型

重力模型可以測算廊道之間相互作用的強度，以表達各廊道的重要程度及有效性。因此，可提取出對研究區域內各空間連通性有重要作用的廊道。相關計算公式見式（6）。

[Gab=NaNbD2ab=1Pa×lnSa1Pb×lnSbLabLmax2=L2maxln（SaSb）L2abPaPb" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（6）]

式中：[Gab]為斑塊a與斑塊b之間的相互作用大小，[Na]和[Nb]分別為斑塊a與b的權重值，[Dab]為斑塊a和斑塊b之間潛在廊道阻力的標準化值，Pa、Pb分別為斑塊a、b的阻力值，Sa、Sb分別為斑塊a、b的面積，Lab為斑塊a到斑塊b之間廊道的累積阻力值，Lmax為研究區內所有廊道阻力的最大值。

1.3 技術路線

此研究技術路線（見圖2）由以下3部分組成：①根據國土空間規劃愿景和區域景觀格局特點，落實理想國土空間格局；②從源地、廊道和關鍵點3個方面進行優化；③構建優化后的3類空間格局。

2 研究區域及數據

龍泉驛區位于成都市中心城區東部，全區面積555.76 km2，建成區面積97.8 km2，轄10個街鎮，123個村（社區），具有“一半山水一半城”的顯著格局，其中東側擁有全球最大的城市森林公園——龍泉山城市森林公園，西部地處成渝地區雙城經濟圈的重要節點，城市產業發展強勁。

研究收集2020年變更調查數據、三區三線數據、上位規劃數據、林業一張圖等（見表1）。

3 國土空間格局優化

3.1 確定理想格局

在國土空間規劃中，區域空間格局的劃分是對區域未來三生空間的具體安排，形成不重疊不覆蓋的生產空間、生活空間和生態空間。

根據《成都市第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標綱要》《成都市國土空間總體規劃（2021—2035年）（送審稿）》和《成都市龍泉驛區國土空間總體規劃（2021—2035年）（公示稿）》，落實市縣國土空間規劃總體格局（大型斑塊），落實三區三線（小型自然斑塊與線性走廊），構建區域三生廊道，形成三生空間理想格局（見圖3）。

根據龍泉驛區理想國土空間格局，生態、農業、城鎮功能區面積大致比例為3∶4∶3。同時，按Forman理想型理論，為形成具有數個大型核心斑塊的穩定格局，各類型源地總面積應占各功能區面積的15%左右，即生態、農業、人居源地優化面積目標分別為19.68 km2、23.95 km2、17.26 km2，且單個源地面積不小于1 km2。城市中生態廊道寬度設置標準為12 m，龍泉山中寬度則為100 m；農業廊道多為河流或溝渠，根據區域實際，河流、溝渠寬度分別為20 m、4 m；人居廊道根據道路寬度標準，寬度設為25～40 m。

3.2 源地—廊道識別

通過最小累積阻力模型、重力模型等方法，研究識別出生態、農業、人居源地分別有14個、8個、11個，面積分別為8.11 km2、7.52 km2、3.01 km2；生態、農業、人居廊道分別有30條、21條、16條，長度分別為13.22 km、15.78 km、8.51 km（見圖4）。生態與農業廊道、農業與人居廊道相交的關鍵點分別有33個和16個，生態與人居廊道相交的干擾點有12個（見圖5）。

3.3 源地—廊道優化

3.3.1 生態源地—廊道優化

首先，擴充東側龍泉山森林公園連片度高的森林作為生態源地，增強東側生態保育涵養作用，提高其生態系統服務價值。其次，西側增加青龍湖源地面積，將青龍湖濕地公園擴充到原有源地內，加強西側生態環境的調節與保護，這對西部城市功能區的環境美化、空氣凈化和生物多樣性增加有重要意義。經過調整優化后，生態源地由14個變為13個，面積由8.11 km2增加到21.55 km2。生態廊道長度由13.22 km增加到15.54 km，與理想型國土空間格局對標后，東部森林公園源地較為密集，物質流通需求高且頻繁，增加廊道后源地間流通性有所提升。西側廊道多在城市中，通過有限綠地空間的合理安排，按照城市生態廊道標準設為12 m，東側龍泉山內則規劃為100 m。生態源地與廊道優化前后對比情況見圖6。

3.3.2 農業源地—廊道優化

與理想格局對標后，有數個農業源地位置與規劃功能區位置沖突，應調整其位置。在理想空間格局（見圖3）中，中北部農業生產適宜性較高，農田連片度高，應增加北部現代農業片與中部生態農業片源地，并擴充源地面積，為提升中北部現代農業片的地位與重要性、發展北部高效現代農業奠定基礎。農業源地數量不變，面積由7.52 km2增加到30.41 km2，農業廊道長度由15.78 km減少到12.85 km。隨著中北部農業源地位置的調整及農業廊道的優化，原來東西廣闊的廊道互動在中北部更為密集，增強了中北部與東南部的聯動，形成網狀交織的結構，有利于農業生產的高效與便捷。在建設過程中，農業廊道寬度則隨著連通的溝渠河流寬度而變化，寬度限制在4～20 m。農業源地與廊道優化前后對比情況見圖7。

3.3.3 人居源地—廊道優化

依據理想空間格局（見圖3），根據龍泉驛區城市開發邊界的限制及城市功能區的規劃，刪減與生態功能區沖突的源地，擴充人居功能區中密度較高的人居生活用地作為人居源地，避開生態功能區，增加居民生活圈的便捷度與舒適度，加強生活服務集聚性，擴大周邊輻射影響范圍。人居源地位置調整較多，數量由11個變為8個，面積由3.01 km2增加到29.34 km2。人居廊道長度由8.51 km增加到9.60 km，根據城市功能區的規劃調整源地位置后，為提高人居源地間的流通性，主要增加了中南部廊道，補充了原來環狀的廊道結構中部的空缺，使東西、南北人居源地間連續性均有所加強，提升了中部城鎮經濟、交通的地位與重要性。人居廊道寬度則參考城市主次干道寬度標準，設為25～40 m。人居源地與廊道優化前后對比情況見圖8。

調整后，三類源地的形狀指數均有不同程度的增加，生態源地的形狀指數由0.012 9提高到0.026 1，農業源地的形狀指數由0.012 0提高到0.033 2，人居源地的形狀指數由0.007 2提高到0.016 2。形狀指數的增加加強了源地與周圍環境的連通性，有利于源地物質的擴散與流通。

3.4 關鍵點優化

關鍵點是不同類型廊道的相交區域，為某一特定景觀背景下2條或多條廊道的交點。對關鍵點的優化有助于提高區域生態景觀的連通性，對關鍵點疏通加固后，會大幅緩解區域結構系統的流通壓力［26］。三類廊道中，生態與農業廊道、農業與人居廊道交點為功能相互促進的協同點，生態與人居廊道交點為功能相互阻礙的干擾點。

3.4.1 生態與農業廊道關鍵點優化

生態廊道與農業廊道優化后共生成39個協同點（見圖9）。對比理想國土空間格局可知，39個協同點多位于中部生態農業片，中部農業片是聯通東西部生態源地的重要地區，同時也是農業源地廊道聯通的密集地帶。協同點在支持農業生產的同時也需要提高生態韌性，因此，依托農田建設緩沖休閑綠地、濱水綠地等綜合生態區，充分發揮生態網絡自身具備的調節能力，將生態韌性從生態空間擴展到生產空間和生活空間，同時為中部生態農業片實現現代生態農業的轉型提供支持［27］。

3.4.2 農業與人居廊道關鍵點優化

農業廊道與人居廊道優化后形成22個協同點（見圖10）。對比理想國土空間格局可知，22個協同點主要集中在中部生態農業片和南部城市功能區。在進行優化時，對農業功能和人居功能進行了協同調整。位于中部的協同點，側重農業屬性的加強。由于農業生產的灌溉排水需求量大且河流水渠密集，該處協同點的優化方式主要是拓寬水渠河流寬度，加強安全檢查與加固，以保證及時足量供水。同時，通過建設綠帶的方式，減少水系廊道所受的干擾，提高網絡連通性，使其充分發揮自身的生態和經濟價值［28］。位于南部的協同點，側重人居屬性的加強。由于該處的水渠優化采用暗渠方式，以便于城市道路的建設和居民的出行。同時，為加強農業建設與人口居住屬性，可適當多規劃生活居住用地，提高生活生產的便捷性。

3.4.3 生態與人居廊道關鍵點優化

生態廊道與人居廊道優化后則生成了16個干擾點（見圖11）。對比理想國土空間格局可知，這些干擾點較為零散地分布在中南部城市功能區內，未涉及東部森林公園。在城市功能區內，由于內部生態廊道易受到人類活動干擾，交通線特別是高等級路網易對生物遷徙造成巨大阻礙。因此，應對干擾點周圍生態廊道進行擴寬，增設生態緩沖區，形成生態“踏腳石”，作為生物暫時的休憩地。同時，在這類干擾點處，可建設隧道、天橋等通行設施，分離生物通道和人行通道，以確保生物在分離生境之間的流通［29］。人居廊道則應根據實際調整道路等級或改變道路走向，合理布局干擾點附近道路的綠化設施，減少揚塵、噪聲、尾氣等污染物對生態系統的影響。

4 結論與討論

4.1 結論

龍泉驛區產城融合城市片區作為成都市中心城區與東部龍泉山的過渡地帶，生態保護要求高，同時城市擴張需求強烈，國土空間格局的協調與融合尤為重要。研究利用現狀的三類源地和廊道、三區三線和相關規劃等數據，建立理想國土空間格局，對現狀的三類源地、廊道及關鍵點進行品質和結構等方面的優化，從而形成穩定協調的國土空間格局（見圖12）［30］。

對生態“源地—廊道—關鍵點”進行分析與優化，生態空間形成了“一心一片，東西呼應”的格局［見圖12（a）］，多條廊道將東西部優質穩定源地相互貫通。“一心”指青龍湖及濕地公園，近年來公園景觀豐富度和面積大小均有所提高，成為西部城市生態調節的重要綠心，可為城市居民提供健康生活、游憩娛樂等特色空間；“一片”指龍泉山城市森林公園，此處森林覆蓋率高且物種豐富，是較好的生態涵養區；“東西呼應”指數條廊道將“一心”和“一片”連接起來，構成生態效能較高的網絡體系，以實現城鄉融合發展，確保景觀生態流通暢。

生產空間經過優化形成了“一環多核，縱橫交錯”的格局［見圖12（b）］。“一環”是指南北方向多個源地克服最小阻力生成廊道形成的環狀閉合帶，成為城市生產運輸的便捷路線；“多核”是指多個大型生產源地，其中中北部較多，廊道也較為密集，為北部打造現代高效農業提供支撐；“縱橫交錯”指廊道在區域內南北東西交錯縱橫，實現加工業、工業生產的內外部聯動。

生活空間經過調整與優化形成了“三橫兩縱，網狀交錯”的格局［見圖12（c）］。“三橫兩縱”是指多個人居源地克服最小阻力生成廊道形成開放式相交格局；“網狀交錯”是指廊道源地組成的交叉網狀結構，此結構可擴充性好且傳輸效率高，構建了一個生活產業空間流通互動、生產生活舒適的生活格局。

4.2 建議

在城市建設過程中，對生態、農業、城鎮三類空間統籌兼顧、協調發展，是規劃空間格局優化的重點。現狀的三生廊道是在區域長期發展過程中形成的，與國土空間規劃的未來理想國土空間格局有沖突是必然的。為解決理想與現實之間的沖突與矛盾，研究從景觀生態學的角度提供了一種解決方案。研究嘗試在國土空間規劃中綜合考慮三類空間中的廊道及其交叉點，對標未來規劃的理想空間格局，明確調整優化的對象與策略，對源地、廊道和關鍵點優化目標進行科學量化、精細優化，以實現三類空間的統籌兼顧、協調發展。

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