基于三生廊道的国土空间格局优化方法探讨

作者: 任秋萌 任茜 辜寄蓉 黄中杰

基于三生廊道的国土空间格局优化方法探讨0

摘 要:国土空间规划中形成各空间单元功能明确、互补协调的良性空间格局,对区域可持续发展具有重要意义。研究以Forman的不可替代格局为理论基础,以景观生态学为技术方法,划定研究区的理想国土空间格局,对研究区的三生空间从源地、廊道及关键点3个角度进行结构、品质的调整及优化,形成国土空间规划的空间格局优化建议。研究以成都市龙泉驿区产城融合城市片区为例,从景观生态学的视角出发,在三生空间中已划定的廊道及关键点基础上,结合国土空间规划,对龙泉驿区中东、北部的生态、农业源地与廊道进行调整,以及对人居源地和廊道在中南部进行调整,最终形成“一心一片,东西呼应”“一环多核,纵横交错”和“三横两纵,网状交错”的生态、生产、生活空间格局。

关键词:不可替代格局理论;理想国土空间格局;三生空间;格局优化;廊道;国土空间规划

中图分类号:F301.2 文献标志码:A 文章编号:1674-7909(2024)12-133-10

DOI:10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.12.034

0 引言

国土空间格局对区域的资源配置效率与协调发展有着深刻的影响。2019年5月,《中共中央 国务院关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》提出,优化城镇化格局、农业生产格局、生态保护格局,确定空间发展策略,为构建合理有序的国土空间格局绘就战略性蓝图[1]。生态、生产和生活三种功能空间(简称三生空间)是自然系统和社会经济系统协同耦合的产物[2]。国土空间规划通过科学规划三生空间,优化空间格局,可以解决城乡发展中存在的国土开发秩序混乱和资源环境不协调等问题[3]。

20世纪90年代以来,国土空间格局优化研究在理论和实践方面都有较大进展。喻锋等[4]强调了从整合、预测、模拟、政策等角度优化国土空间开发布局,并编制了国土空间规划;刁琳琳[5]从空间经济理论角度解释了空间重构的概念,丰富了空间格局优化的研究视角;肖金成等[6]阐述了国土开发区位、国土开发功能、国土开发强度和国土开发组织的概念内涵,提出了新的研究思路;陈红霞等[7]由点到面地对提升京津冀区域核心竞争力的空间布局进行了研究,提出了城市群区域要素整合方案;魏小芳等[8]运用比较优势指数、系统聚类等方法,提出了国土空间优化方案;王传胜等[9]通过分析长江经济带的空间结构演化规律,按点、线、面的层次提出了优化策略,对“三生空间”进行了优化。关于国土空间格局优化的研究,研究视角逐渐拓宽,较多学者从宏观角度提出了不同的功能识别与评价指数,实施了优化分区与格局优化策略。

景观生态学的理论与方法在国土空间格局优化中应用较为广泛。20世纪90年代以来,其研究方法从早期考察景观功能联系与景观格局的一般性规律,演化到对已有景观分布格局进行优化[10]。FORMAN[11]提出了不可替代格局与最优景观格局,该方法利用各种数学模型(如多级参数平衡法、线性规划法、多目标规划法、灰色系统规划法等数学方法),对土地利用条件进行调整和计算,以达到最优组合[12-14]。景观生态学研究结合多种指标构建的独特理想格局,对国土空间规划有着深刻的影响,为实现有序的国土空间格局优化提供了思路与方法[15-16]。

此研究在景观生态学视角下,以“斑块—廊道—基质”为空间构型,根据区域景观格局特点和国土空间格局要求,综合考虑自然与人类活动因素,构建区域不可替代理想型国土空间格局,判定现状三生廊道的调整方向与调整强度,以实现区域规划中三生空间的协调发展[17]。

1 研究方法

1.1 理想空间构建

景观生态学角度下的格局优化从本质上来说是利用景观生态学原理解决土地合理利用的问题。FORMAN[11]基于整体的景观格局优化提出了不可替代格局理论(见图1)。

该理论优先考虑格局中的几个大型斑块(图1中1)作为物质栖息生存的必要条件,其次要有足够宽度和一定数目的廊道(图1中2、3)作为物质运动流动的场所,同时还应有小的自然斑块和廊道(图1中4)来保持景观的异质性。此格局在生态功能上具有不可替代性[18]。

在此理论支持下,调整实际区域空间中已存在斑块—廊道及其相互关系,实现理想空间的生产、生活、生态目标,从而优化空间格局。

YU[19]以Forman不可替代格局理论为理论基础,运用地理信息系统(GIS)中表面扩散等相关技术,提出了最小累积阻力模型(MCR),将其空间格局分为:①源地,物种迁徙扩散的自然栖息地;②缓冲区,廊道及源地周围属性价值高的斑块;③廊道,源地之间供物种流通的狭长通道;④战略点,在廊道通行过程中起关键作用的地段;⑤可能扩散路径,指目标物种向周围扩散的可能方向,这些路径共同构成目标物种利用景观的潜在生态网络。常学礼等[20]采用分维数、修改分维数和景观间隙度指数等景观格局指数分析了坝上地区沙漠化土地空间格局。

此研究以Forman不可替代格局理论进行理想空间的构建,借鉴YU[19]的技术方法对国土空间格局进行优化。

1.2 国土空间格局优化

参考YU[19]的技术方法,研究中定义了源地、廊道和关键点。源地是为生态、农业、居住提供重要价值的大型连片斑块;廊道是在源地之间提供物质交流的通道;关键点是在廊道通行过程中起关键作用的廊道交叉点。

1.2.1 源地优化方法

1.2.1.1 源地形状优化

源地面积与物质流通速度呈正相关,斑块内部穿孔或面积过小,容易加大物质流通阻力和引起斑块破碎。适当增加源地面积,修复和补全斑块内部的空隙,可以促进网络信息流的扩散流通,维持和提高区域内物质的稳定运转,以推动城市的可持续协调发展[20-21]。源地形状指数[Ii]计算公式见式(1)。

[Ii=PiAi]                                   (1)

式中:[Pi]为某个斑块的面积,[Ai]为此类斑块的总面积。重点对指数最小的一类进行形状优化。

1.2.1.2 源地结构优化

测算对应属性图斑的连片度,选取连片度高的区域为优化源地。若缺少某类源地,则需要增加连片度较高的斑块作为源地,以增强功能区的重要性,突出其规划地位。

连片度利用Fragstats模型,计算最大斑块面积指数(LPI)、形状指数(SHAPE)、邻近度指数(PROX) 3个指标。

最大斑块面积指数(LPI)是指最大斑块面积占整个景观面积的比例,取值范围是0<LPI≤PI。LPI越接近0,说明这种斑块类型中最大斑块的面积越小;当LPI等于100%时,说明整个景观由1个斑块组成。最大斑块面积指数(LPI)计算公式见式(2)。

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

式中:aij为斑块ij的面积,A为包括内部背景在内的景观总面积。

形状指数(SHAPE)通过计算区域内某斑块形状与相同面积的圆形或正方形之间的偏离程度,来测量其形状复杂程度。形状指数(SHAPE)计算公式见式(3)。

[SHAPE=0.25pijaij]                              (3)

式中:aij为斑块ij的面积,pij为斑块ij的周长。

邻近度指数(PROX)是指从斑缘栅格中心到中心斑块边缘栅格中心的距离。邻近度指数(PROX)计算公式见式(4)。

[PROX=i=1naijsh2ijs]                               (4)

式中:aijs为在距离斑块ij搜索半径内的斑块ijs的面积,hijs为斑块ij到斑块ijs之间的距离。

1.2.2 廊道优化方法

优化廊道结构和廊道交点对景观格局的保护及流通效率的提高至关重要。对于新增源地和调整后的源地,应增加廊道,以加强各系统信息物质的交换与流动。

廊道因流通的物种不同宽度有较大差异。根据多位学者的研究成果,城市生态廊道宽度标准为12 m,而若有大型动物迁徙,廊道宽度设置为100 m,这样可以较好地保护生物多样性[22]。农业廊道多为河流、灌溉水渠,根据区域实际,其宽度分别为20 m、4 m。人居廊道多为道路,宽度按城市主次干路标准,宽度设为25~40 m。

1.2.3 关键点优化方法

关键点位于不同廊道交点处,在累积阻力面上,位于2类最小成本路径的汇集处,其对网络中物质快速有效的流通起至关重要的作用[23]。关键点是廊道上较为薄弱的区域,一般为某一特定景观背景上两廊道的交点或转折点。对关键点进行优化,有助于提高区域生态景观的连通性,将关键点疏通加固后,会大幅缓解区域结构系统的流通压力[24]。在三生廊道中,生态与农业廊道、农业与人居廊道交点为相互促进的协同点,生态与人居廊道交点为具有阻碍作用的干扰点。

增强协同点的协调性与稳定性,可以使格局更加融合互促。干扰点应采取一定的工程措施,降低其对格局的扰乱和破坏程度[25]。

1.2.3.1 最小累积阻力模型

新增廊道利用最小累积阻力模型(MCR)[26]进行计算。相关计算公式见式(5)。

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

式中:f为反映MCR与变量Dij和Ri之间成正比关系的函数,Dij为生态源从j穿过i的空间距离,Ri为物种穿越某景观表面i的阻力值。

1.2.3.2 重力模型

重力模型可以测算廊道之间相互作用的强度,以表达各廊道的重要程度及有效性。因此,可提取出对研究区域内各空间连通性有重要作用的廊道。相关计算公式见式(6)。

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

式中:[Gab]为斑块a与斑块b之间的相互作用大小,[Na]和[Nb]分别为斑块a与b的权重值,[Dab]为斑块a和斑块b之间潜在廊道阻力的标准化值,Pa、Pb分别为斑块a、b的阻力值,Sa、Sb分别为斑块a、b的面积,Lab为斑块a到斑块b之间廊道的累积阻力值,Lmax为研究区内所有廊道阻力的最大值。

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