西南喀斯特典型区国土空间地域功能优化分区

李思楠，赵筱青，普军伟，王 茜，苗培培，谭 琨

·土地保障与生态安全·

西南喀斯特典型区国土空间地域功能优化分区

李思楠1，赵筱青1※，普军伟2，王 茜1，苗培培1，谭 琨1

（1. 云南大学地球科学学院，昆明 650500； 2. 云南大学国际河流与生态安全研究院，昆明 650500）

国土空间优化是促进喀斯特地区可持续发展的重要抓手，也是解决喀斯特地区生态和贫困问题的有效途径。为实现喀斯特地区国土空间的协调发展，研究以西南喀斯特典型区广南县为例，基于城镇-农业-生态功能协调方法和国土空间“双评价”方法的探索，以及冲突空间修正规则的制定，提出了一种国土空间地域功能综合优化分区方法，并结合地理空间建模和统计分析工具，构建了喀斯特地区国土空间地域功能综合优化分区格局。结果表明：1)最适宜级和适宜级占比之和最多的是生态保护适宜性，为61.21%，主要分布于北部和东部，城镇开发适宜性最少，为27.81%，主要分布于中部和南部，农业开发适宜性为49.80%，主要分布于东北部和东部；资源环境承载力以VI级和V级为主，在东北部和东南部承载力等级最高，在南部、西南部和西北部最低；2）在国土空间地域功能优化分区中，与生态功能相关的国土空间类型占据喀斯特地区发展的主导地位，占79.54%，与城镇功能相关的国土空间类型最少，占2.35%；以城镇功能为主导的区域主要分布于中部和东南部，以农业功能为主导的区域主要分布于北部、西部和东部，以生态功能为主导的区域主要分布于北部和南部。3）双评价方法和城镇-农业-生态功能协调方法的结合能够更精准化和更合理的构建喀斯特地区国土空间格局。不同国土空间地域功能类型的合理布局将为喀斯特地区生态环境质量的提升、石漠化状况的治理以及国土空间的协调发展提供借鉴和参考。

土地利用；功能；优化；国土空间；城镇-农业-生态功能协调；双评价；喀斯特地区

0 引 言

国土空间是由山、水、林、田、湖、草构成的共同生命体，是人类社会和经济活动的基本载体，也是人类精神和文化需求的空间反映。人类社会的健康发展，必须考虑国土空间每部分要素的健康状况和功能发挥，任何一方的丧失，都将导致系统性破坏。然而，在当前的区域发展中，国土空间格局发生了剧烈演变[1]，随着城乡建设用地需求的增加，农业和生态用地大量减少，城镇、农业和生态功能用地的矛盾加剧，国土空间开发格局混乱。同时，存在的资源瓶颈、生态退化和环境容量刚性约束等问题，与国土空间开发利用的系统性和协调性差有极大的内在联系[2]。因此，形成高质量一体化的协同发展模式是国土空间能稳固发展的关键所在，而国土空间规划是其基本内容和保障。在此背景下，如何实现城镇-农业-生态功能的协同优化和统筹发展，推进城镇空间宜居适度、农业空间集约高效和生态空间山清水秀，成为国土空间战略的重要课题。

以滇、贵和黔三省为中心的西南岩溶山区是中国喀斯特分布最集中的地区，石漠化问题是该地区面临的主要环境问题，严重阻碍经济与环境的可持续发展[3]，使其成为国家扶贫和生态修复的重点地区，而国土空间开发格局的混乱和资源要素配置的不合理更引发严重的人-地-生态-资源矛盾和贫困问题。国土空间各功能用地的变化已被确定为全球变化的主要决定因素之一，对生态系统、气候变化和人类脆弱性等具有重大影响[4]，因此，通过喀斯特地区国土空间地域功能的优化分区，可推动石漠化状况的正向演替，促进生态环境质量的提升。

当前，对国土空间已经展开了多方面的探讨，研究内容从单一到多元。有研究通过土地的各功能要素[5-6]对国土空间结构进行了调整，并根据社会经济与资源利用的响应关系对国土空间的格局分布与可持续发展的联系和机理[7]进行了分析。在国土空间的主体功能区建设中，它的分区框架[8]、指标体系[9]和分区方法[10]也得到了广泛的关注，利用资源环境承载力[2]和土地功能适宜性[11]优化国土空间地域功能区的研究不断出现；地理学和生态学的相关理论[12-13]在国土空间功能特征的分析中也发挥了重要的作用，并以此为基础对国土空间的组合模式和优化布局展开了多元化的分析和探索[1,14]。然而，在当前的研究中，忽视了国土空间开发的协调性、承载性和适宜性三者间的耦合关系，加重城镇、农业和生态空间的矛盾与冲突[15]，影响国土空间结构的稳定。单一功能的提高已不适用于区域的发展，国土空间规划逐渐从关注单一功能转变为考虑多功能的国土发展，资源环境承载力评价与国土空间开发适宜性评价（即“双评价”）也成为国土空间规划的重要基础和核心内容[16]，且“双评价”思路已被广泛运用在城镇扩张边界划定[17]和功能区评价[16]等国土空间相关的研究内容中。以上研究为深入探索国土空间的优化积累了经验，也为国土空间可持续发展模式的构建提供了参考，但当前对于国土空间“双评价”的实现方式没有统一的路径和清晰的方法，对它的研究多处于框架式的理论性分析，实践性的探索较少，且多针对国土空间的某一功能进行地域功能的优化分区，对多种功能内部协调的关注较少，缺少城镇、农业和生态功能协调的国土空间地域功能优化分区研究。此外，在空间冲突严重和资源环境匮乏的喀斯特地区，对国土空间的研究关注有限。

从2005年起，西南喀斯特典型区广南县大规模实施退耕还林和植树造林等石漠化治理工程，因此，本文通过对比工程实施前后石漠化程度、植被状况和用地结构等自然和社会经济的变化情况，基于2000、2010和2018年研究区数据（例如土地利用空间数据，遥感数据）量化区域资源与环境状况，探讨综合考虑城镇-农业-生态功能协调与“双评价”的国土空间地域功能优化分区方法，并用于优化西南喀斯特地区国土空间地域功能区，识别不同国土空间功能区的类型和功能，揭示各功能区的内在机理与相互联系，为喀斯特地区国土空间发展和石漠化治理以及未来国土空间的规划提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

广南县是典型的喀斯特山区县，位于云南省东南部、文山州东北部，地理位置为104°31′-105°39′E，23°29′-24°28′N，与广西省和贵州省接壤，占地7 730.09 km2，设有18个乡镇级行政区（图1a）。该县山区和平原分别占总面积的94.7%和5.3%，属于西南喀斯特石漠化集中连片区，喀斯特地貌分布广泛，占全县总面积的3/5，且重度石漠化占比较大（图1b）。广南县2018年总人口83.51万人，但由于严峻的石漠化程度、严重的土地退化以及低效率的土地和水资源利用模式，社会经济发展形势严峻，是中国的民族贫困县之一，国土空间的混乱格局更加剧了贫困。近年来，地方政府针对这些问题提出了相关的生态解决方案和策略，生态环境质量得到了提高，但城镇空间仍不断扩大，农业和生态空间被不断挤压，空间矛盾依然严重。

图1 研究区区位及2018年石漠化分布图

1.2 数据处理及研究过程

研究选择30 m空间分辨率的2000和2010年Landsat 5 TM影像以及15 m空间分辨率的2018年Landsat 8 OLI影像作为遥感数据基础，以上影像均来自地理空间数据云（http://www.gscloud.cn./）。为消除遥感影像数据中存在的误差和图幅差异，利用ENVI 5.1 对影像进行了几何校正、波段组合、图像增强、图像镶嵌、重投影和图像裁剪等处理后，结合森林资源调查图、第二次全国土地利用调查图和 Google 影像地图等辅助资料，根据遥感影像的光谱特征和纹理形状，采用人机交互式解译方法通过ArcGIS 10.2构建了2000、2010和2018年研究区土地利用数据集，土地利用类型包括水田、旱地、园地、林地、草地、城镇建设用地、农村居民点、水域和未利用地。根据岩性特征划分研究区喀斯特区和非喀斯特区，在喀斯特区根据上述解译方法构建2000、2010和2018年石漠化程度数据集，石漠化类型包括无石漠化、潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化和重度石漠化。同时，通过野外考察，选取了246个样本点（样本点覆盖全区范围，主要涉及难以区分且变化很大的土地利用类型和石漠化类型），将验证结果与2018年分类结果进行对比，土地利用类型和石漠化类型的准确度分别为90.45%和85.11%。2000和2010年的分类结果则通过Kappa系数进行验证，结果显示2000和2010年土地利用分类结果的Kappa系数分别为0.85和0.86，石漠化分类结果的Kappa系数分别为0.82和0.84，满足研究需要。

从相关政府部门获取了研究区气象、水资源、农业、旅游、矿产、生态环境和社会经济等方面的数据。例如，从自然资源局获得了研究区地质环境与地貌环境数据（如活动断层影响区类型、岩溶塌陷易发区类型、矿山占用区类型和地质灾害敏感性等），从农业局获得了2018年研究区耕地地力评价结果数据，从林业局获得了自然保护区分布和公益林分布的空间数据，从气象局获得了研究区2000—2018年气象数据和气象监测点的空间数据。同时，对上述数据资料中的统计数据和文本数据等非空间数据通过ArcGIS 10.2和相关统计分析软件进行前期处理、统计和空间制图，所有空间数据都统一转换为WGS84-UTM48N投影坐标系。根据喀斯特地区地形破碎度高和用地分异显著的实际状况以及遥感影像的分辨率，经过多次试验，研究尺度确定为30 m×30 m。

基于上述数据和资料，研究的技术路线如图2所示。

1.3 国土空间“双评价”

1.3.1 国土空间开发适宜性评价

1）评价指标体系构建

通过研究区的野外考察和相关研究成果查阅[18-20]，从条件限制和区位支撑2个角度构建城镇开发适宜性评价指标体系，根据土壤管理情况、立地条件、气候条件、土壤养分状况、土壤理化性质和政策条件构建农业开发适宜性评价指标体系，根据生态敏感性、生态重要性和政策条件构建生态保护适宜性评价指标体系（表1）。

图2 研究技术路线

为消除各评价指标之间量纲、数量级和正负趋向等差异，对原始指标进行极值标准化处理，采用熵权法对各指标的权重进行计算，采用短板原理对适度指标的适宜等级进行划分并对各等级赋分。

表1 城镇开发和生态保护适宜性评价指标体系

注：趋向为“/”表示该指标为适度指标，下同。

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

表2 农业开发适宜性评价指标体系

2）适宜指数计算

目前通常采用层次分析法、主成分分析法、目标加权平均法和综合评价法等对适宜性进行评价，其中综合评价法可综合观察某个指标或多个指标变动对适宜性的影响程度[21]，因此研究采用综合评价法对适宜指数进行计算。计算公式如下：

其中S为第类国土空间类型的适宜指数，取值范围0~1，数值越大越适宜；W为第个评价指标的权重；Y为经过处理后的第类国土空间类型的第个指标值。

针对城镇开发、农业开发和生态保护适宜性指数的评价结果，基于ArcGIS 10.2采用自然断裂法将它们分别划分为以下4个等级：最适宜、适宜、不适宜和最不适宜。

3）国土空间适宜区划分

根据研究区石漠化状况，首先将以下2类区域优先划分为生态适宜区，一类是现状重度石漠化区，另一类是由无石漠化、潜在石漠化和轻度石漠化转为中度石漠化的区域。同时，由于研究区在《云南省主体功能区规划》中被划为重点生态功能区，因此以生态优先为原则对剩余区域进行国土空间适宜区类型的划分：①针对3个适宜性结果都是不同适宜等级的区域，哪种适宜类型的适宜等级最高，就将其划为这种适宜类型的适宜区；②针对3种适宜类型都是最适宜级的区域，根据生态优先原则将其划为生态适宜区；③针对2种适宜类型都是最适宜级的区域，其中若生态适宜性为最适宜级，根据生态优先原则将其划为生态适宜区；否则，将其划为城镇-农业适宜区；④针对2种或3种适宜类型都是适宜级的区域，将其划为多种功能聚类的多功能适宜区；⑤针对3种适宜类型都是不适宜级或最不适宜级的区域，将其划为国土空间不适宜区。最终得到7个国土空间功能适宜区（即城镇适宜区、农业适宜区、生态适宜区、城镇-农业适宜区、城镇-生态适宜区、农业-生态适宜区和城镇-农业-生态适宜区）和1个国土空间不适宜区（即该区域在国土空间开发适宜性评价下不适宜任何国土空间类型的开发和利用）。

1.3.2 资源环境承载力评价

1）评价指标体系构建

考虑研究区资源环境和社会经济状况的特殊性[1]，结合相关文献资料[22-24]，以资源承载力、环境承载力和社会经济承载力作为资源环境承载力评价的3个子系统，选取了人均水资源量、生态系统服务价值、地表水环境质量、大气环境和人口密度等32个指标构建资源环境承载力评价指标体系（表3）。

2）资源环境承载力评价

模糊综合评价法有助于避免与客观真实之间的偏离问题，且能够考虑众多影响因素，从多个层次对资源环境承载力进行综合评价[25]。因此，本研究利用模糊综合评价法计算级别特征值（），通过降半梯形分布函数[25]计算空间地块在各个等级的隶属度，整合隶属结果得到资源环境承载力综合评价结果。

表3 资源环境承载力评价指标体系

3）资源环境承载力分级

为了将资源环境承载力结果与国土空间开发适宜性评价中的适宜功能分区结果相对应，基于级别特征值（T）计算结果，对承载力进行分等定级，级别特征值在1~7之间，数值越大，表示承载水平越高。基于ArcGIS 10.2采用自然断裂法将承载力结果划分为7个区间，最终得到7个资源环境承载力等级（I - VII，按照从小到大的顺序，承载力依次减小）。

1.3.3 基于“双评价”的国土空间地域功能优化分区

在国土空间发展中，不同国土空间类型对区域资源环境本底状况的要求不同，其中，与城镇功能相关的国土空间类型对承载力要求最高，与农业功能相关的国土空间类型次之，与生态功能相关的国土空间类型最小[26]，因此，根据承载力等级从大到小的顺序，可承载的最高国土空间类型分别为城镇空间、城镇-农业-生态空间、城镇-农业空间、城镇-生态空间、农业空间、农业-生态空间和生态空间。基于此，本研究将国土空间不适宜区与资源环境承载力评价结果进行叠加，根据所处的承载力区间对不适宜区的国土空间功能区类型进行识别，最终得到基于“双评价”的喀斯特地区国土空间地域功能优化分区结果。

1.4 城镇-农业-生态功能协调

1.4.1 GMDP-CLUE-S耦合模型

灰色多目标动态规划模型（Gray Multi-objective Dynamic Programming, GMDP）能够将不确定性的目标函数与约束条件定义在某一确定范围的满意区间内，它常用于土地利用数量结构优化中[27]；CLUE-S模型能够模拟土地利用空间格局分布，包括非空间模块和空间模块2个部分[14]。二者的结合可以较好地模拟区域土地利用的发展结构。

1）非空间模块设置

非空间模块是在综合考虑喀斯特地区资源和生态环境的本底状况下，设置不同目标函数与约束条件，采用GMDP模型获得城镇建设、农业开发和生态保护情景下各地类的需求数量。

①目标函数

选择城镇建设、农业开发和生态保护3个方面作为土地利用数量结构优化的效益目标，构建适用于喀斯特地区土地利用数量优化的多目标函数。城镇建设目标综合考虑社会效益值和资源环境承载力，农业开发目标综合考虑经济效益值和农业耕作指数，生态效益目标综合考虑水土资源耦合协调度和生态系统服务价值（研究区社会效益值、经济效益值、农业耕作指数、水土资源耦合协调度和生态系统服务价值已在课题组之前的研究中进行了计算，相关概念和计算过程参见文献[1]）。

②约束条件

为贯彻区域土地利用总体规划和水资源保护规划中保护耕地、促进城乡科学发展、改善生态环境和保障水资源的要求，从总面积约束、耕地约束、园地约束、林地约束、草地约束、城镇建设用地约束、农村居民点约束、水域约束、未利用地约束、水资源供给约束和数学模型约束等11个方面构建了21个约束方程。

2）空间模块设置

空间模块是寻找各地类分布的影响因子，利用二元Logistic回归模型分析其布局规律，通过不断迭代实现空间布局模拟[14]。

①驱动因子选取

根据研究区土地利用变化特点和主要驱动因素，从生态驱动选取了土地利用结构、生态系统服务价值、土壤侵蚀量、植被覆盖度和岩石裸露度5个指标，从自然驱动选取了高程、坡度、年降水量和年平均温度4个指标，从社会经济驱动选取了人口密度、人均纯收入、GDP增长率和城镇化率4个指标，从资源驱动选取了人均粮食占有量、人均耕地面积、水资源供需比例和人均水资源量4个指标，从区位驱动选取了距河流距离、距水库/坑塘距离、距农村居民点距离、距城镇建设用地距离、距高速公路及铁路距离、距一般道路距离和距石漠化重度区的距离7个指标。

②空间政策与区域限制

将永久基本农田区、生态保护红线区、重要水源地区（河流及大型水库）和石漠化重度区设置为不可转变用地类型的区域。

③土地利用转移规则

土地利用转移矩阵：根据2000、2010和2018年9种土地利用类型的转移情况，本研究各土地利用类型均可相互转化。

土地利用转移弹性系数：由于土地利用存在较大的区域差异性，土地利用转移弹性系数在目前的研究中没有精确的计算方法[14]。本研究结合2000、2010和2018年土地利用转移规律及地类本身的稳定性，先初步设定各土地利用类型的转移弹性系数，采用2000年土地利用现状分布对2018年土地利用分布进行模拟，将模拟结果与实际情况进行对比并经过多次模型参数的调整，最终确定各类用地的转移弹性系数，水田、旱地、园地、林地、草地、城镇建设用地、农村居民点、水域和未利用地的弹性系数分别为0.8、0.78、0.82、0.8、0.8、0.9、0.9、0.95和0.68。

3）精度检验

采用Kappa系数对结果进行检验，Kappa=0.856，模拟效果较好。

1.4.2 城镇-农业-生态功能协调的国土空间地域功能优化分区

根据研究区土地功能的主次和高低[28]，得到各土地利用类型的主导功能识别表（表4），对城镇建设、农业开发和生态保护情景下GMDP-CLUE-S耦合模型的模拟结果进行重分类，得到3种情景下研究区国土空间功能分区结果。对3个分区结果通过ArcGIS 10.2进行叠加，以保护生态环境为目标进行修正，优先保障生态空间的面积，其次保障农业空间结构的稳定和城镇空间开发的集约利用，并将2种或3种功能都适宜的区域划为多种功能聚类的多功能区，最终得到城镇-农业-生态功能协调的喀斯特地区国土空间地域功能优化分区结果。

表4 土地主导功能识别

1.5 国土空间地域功能综合优化分区

1.5.1 国土空间冲突区识别

将“双评价”结果与城镇-农业-生态功能协调结果在ArcGIS10.2中进行叠加分析。在叠加结果中，如果是1个多功能类型与此功能下的复合功能或单一功能发生冲突，则根据短板原理将此区域划入这个多功能中限制最多的功能类型；如果是2种不同的多功能冲突，2个单一功能冲突，或多功能与不在这个复合功能中的其他功能冲突，则将这个区域划为国土空间冲突区。

1.5.2 国土空间冲突区修正

资源环境承载力能综合反映区域可承载相关国土空间功能活动的最大潜力，特别是在喀斯特地区，由于其特殊的地理环境状况，不同区域承载人类活动的最大支撑能力存在巨大的差异，为维持喀斯特地区生态系统良性循环，资源环境承载力在国土空间功能区的调整和优化中有不可或缺的地位[11]。因此，本研究仍以资源环境承载力分级结果为基础，结合研究区主体功能区规划和相关国土空间规划文件，根据当地各区位在国土空间开发与保护的主导方向，构建国土空间冲突区修正规则（表5），对冲突区进行修正，最终得到喀斯特地区国土空间地域功能综合优化分区结果。

表5 国土空间修正规则

2 结果与分析

2.1 国土空间开发适宜性

2.1.1 城镇开发适宜性

在城镇开发适宜性中，不适宜类型（包括最不适宜级和不适宜级）的面积占总面积的72.19%，适宜类型（包括最适宜级和适宜级）仅占27.81%（表6）。从空间分布上看（图3a），最适宜级主要集中于主要道路周围，并在中部和南部密集程度最高。适宜级主要集中于最适宜级的周围，并在南部和北部分布较多，但其地理环境和区位条件低于最适宜级。不适宜级和最不适宜级在全境皆有分布，并在东部、南部和西北部集中连片度较高。严重的石漠化状况对城镇开发的影响最大，在南部、东南部和西部等重度石漠化区，最不适宜级占比较大。

2.1.2 农业开发适宜性

在农业开发适宜性中，适宜类型的面积占总面积的49.80%，不适宜类型占50.20%（表6）。从空间分布上看（图3b），适宜等级呈显著的地域分布差异。东北部和东部适宜等级较高，区位、土地、水源和作物生长环境等条件比其他地区好，能够满足当前以及未来农业种植的需要，保障粮食安全和人口需求。西北部、西部和南部适宜等级较低，其中，西北部的土壤环境较差，主要为黏土和黏壤，限制了农业的发展；西部和南部的不适宜区和最不适宜区主要分布于重度石漠化区和中度石漠化区，恶劣的生态环境制约了农作物的生长。

2.1.3 生态保护适宜性

在生态保护适宜性中，适宜类型的面积占总面积的61.21%，不适宜类型占38.79%（表6）。从空间分布上看（图3c），最适宜级和适宜级主要分布于北部和东部，最不适宜级和不适宜级主要分布于西部、南部和中部，这种空间分布与石漠化敏感性、水源涵养量、生境质量指数和净初级生产力的分布相似，由此表明这几个指标是研究区生态保护适宜性的重要影响因子，应在今后的生态治理中重点关注这些问题。

表6 国土空间开发适宜性等级

2.2 资源环境承载力

从数量结构上看，资源环境承载力等级以VI级和V级为主，分别占总面积的26.77%和23.60%，I级和II级占比最少，分别占3.10%和4.46%，区域承载力整体状况较低。在其他等级中，III级、IV级和VII级的占比分别为13.16%、14.64%和14.27%。

从空间分布上看（图4），资源环境承载力等级较高的区域主要分布于东北部和东南部，这些地区资源禀赋较高，生态环境状况较好，能够为喀斯特地区社会经济的持续发展以及人们的各项活动提供良好的本底条件，是城镇化发展的重要区域；资源环境承载力等级较低的区域主要分布于南部、西南部和西北部，这些地区喀斯特地貌分布较多，石漠化程度较重且多为重度石漠化，坝区分布范围较小且分布破碎，极易受到喀斯特地区各类风险灾害的影响，难以承载大规模的人类活动；在剩余地区，承载力等级适中且III级、IV级和V级承载力占据区域发展的主导，这些地区由于受到资源、环境或社会经济条件中某个因素的约束，使承载力等级比东北部和东南部的高承载力地区低，但也应根据区域实际状况进行合理开发，进而利用当前的本底条件达到喀斯特地区人类高效活动和合理承载的目标。

图3 国土空间开发适宜性空间分布

图4 资源环境承载力空间分布

2.3 国土空间地域功能综合优化分区

2.3.1 数量结构

在优化结果中，生态空间面积最大，城镇-农业-生态空间面积最小，分别占总面积的56.62%和0.22%。在其他国土空间地域功能区类型中，面积占比从大到小依次是农业-生态空间、农业空间、城镇-生态空间、城镇空间和城镇-农业空间，分别为21.73%、19.30%、0.97%、0.73%和0.43%。与生态功能相关的功能区类型（即生态空间、农业-生态空间、城镇-农业-生态空间和城镇-生态空间）占区域发展的主导地位，占总面积的79.54%；其次为与农业功能相关的功能区类型（即农业空间、农业-生态空间、城镇-农业空间和城镇-农业-生态空间），占总面积的41.68%；与城镇功能相关的功能区类型（即城镇空间、城镇-农业空间、城镇-生态空间和城镇-农业-生态空间）所占面积最小，仅占总面积的2.35%。

2.3.2 空间布局

不同的国土空间地域功能优化分区具有不同的空间布局模式和发展方向（图5）。

图5 国土空间地域功能综合优化分区

城镇空间：主要集中于中部，在东南部有少量的集中连片分布。这些区域属于坝区，且主要是非喀斯特区和无石漠化区，生态环境和区位条件最好，发展优势显著。这种城镇空间分布模式能够有效降低石漠化严重地区的地质灾害对人们生命安全和生活质量产生的严重影响。从另一个角度看，它也能减少人类活动对石漠化脆弱区的强烈干扰。同时，从图5中可以看出，在优化分区结果中，城镇空间集聚程度升高，而生活环境较差的现状城镇空间则通过集中的整治和转移，转为与农业功能或生态功能相关的功能区类型进行开发和保护。

农业空间：主要集中于西部和东部，南部、东南部和西北部有少量的连片分布。以东部为中心的农业空间主要集中于非喀斯特区和无石漠化区，靠近城镇空间，生态环境和耕作状况较好，可充分利用自身优质的耕地资源和有利的社会经济条件，根据区域状况和经济导向调整农业空间的种植模式和空间布局，在保障国家粮食安全的前提下促进社会经济的稳固发展；以西部为中心的农业空间主要集中于无石漠化区和重度石漠化区，生态环境状况比东部更脆弱，但该区域仍然需要开发农业空间去保障区域的粮食安全，但在开发过程中要注重生态的保护。

生态空间：在全区范围内都有分布，在西北部、西南部和东北部集中连片度较高。北部的生态空间主要处于非喀斯特区，空间整体生态状况较好，保护价值较高，它的存在能够稳定区域生态环境的平衡，提高气候、土壤、水文和生物质量，对生态环境的改善以及居民生活质量的提升具有重要的意义；南部的生态空间整体处于喀斯特区，且主要是重度石漠化区，生态环境压力最大，生态脆弱性最高，在今后的发展过程中，对于这些区域应依靠其自身的修复功能，以自然修复为主，人为治理为辅的方式对其进行集中的保护和整治，从而提高石漠化严重地区的生态环境质量，维持区域发展的平衡和稳定。

城镇-生态空间：主要分布于东北部和西南部的非喀斯特区和无石漠化区等生态状况良好的地区，是城镇空间和生态空间的“后备军”，集居民日常生活和生态保护于一身。在未来的发展中，它应优先以生态保护为主，作为生态空间去维持区域生态环境的平衡，当生态质量满足区域发展所需后，可作为城镇空间进行开发，但在开发的过程中，应重视生态系统的平衡与稳定。

城镇-农业空间：主要分布于中部和东南部，其次分布于北部。从图5可以看出，城镇-农业空间主要位于城镇空间和农业空间的内部和周围，根据区域的发展状况和生态环境基础，该功能区类型具有双重的发展方向，即以中部和东南部为核心的城镇-农业空间主要位于城镇空间周边范围内，应优先作为城镇空间进行建设，在满足城镇空间需求的前提下，它可用作农业空间进行农作物的种植，以供应城镇区域日常的生活所需；以北部为核心的城镇-农业空间主要位于农业空间内部，应优先作为农业空间进行开发，在满足粮食需求下，可作为城镇空间以供人们生活。

农业-生态空间：在全区范围内都有分布，它是除生态空间外分布范围最广的空间类型，在北部、中部和东南部连片度较高，其次分布于西部和南部。北部的农业-生态空间广泛分布于生态空间的四周，在区域发展过程中可为生态空间质量的提高提供助力；中部和东南部的农业-生态空间主要分布于以城镇功能为主导的功能区周围，这种空间分布方式可以有效缓解人类活动对生态环境的影响和干扰；南部和西部的农业-生态空间主要分布于喀斯特区，且主要分布在农业空间周围，它的存在为农业空间与生态空间建立了天然的屏障，隔离各类农业活动及所产生的后续效应对生态空间造成的影响，同时缓解生态脆弱区中的重度石漠化蔓延对农业生产的威胁。

城镇-农业-生态空间：主要分布于中部和东南部城镇空间的内部和周围，它集城镇空间建设、农业空间开发和生态空间保护于一身，在国土空间地域功能发展过程中的用地功能具有多样化特点，同时对资源环境的本底状况要求较高。因此，该区域首先应考虑作为生态空间，提升喀斯特地区石漠化状况的治理效率和生态环境的保护力度，缓解人类活动区对石漠化地区的干扰。在石漠化状况有所改善后，基于当地具体情况，或成为城镇空间去满足日益增长的居民生活范围的需求，或作为农业空间去增加耕地的数量。

3 讨 论

3.1 国土空间地域功能优化分区方法

当前区域发展的冲突主要源于以经济产出和城镇化建设为导向的国土空间利用模式，过度忽视农业的发展和生态的保护，这个问题在中国长期以来都很突出。如何达到国土空间的统筹协调和可持续发展是困扰中国发展的一大难题。在2020年1月，自然资源部制定了《省级国土空间规划编制指南（试行）》和《资源环境承载力和国土空间开发适宜性评价指南（试行）》，对国土空间规划的战略定位和评价流程等提出了新的定义与方针，要求“双评价”回答国土空间哪里能用以及怎么用的问题，并对国土空间的资源要素保护与利用、生态恢复与全域综合整治以及区域协调与规划等工作提供了新的指引。然而，2个指南的思路与方法仅是理论性的框架探讨，缺少实践性的案例分析，并且由于中国各区域资源环境本底要素和社会经济发展状况的显著差异，这些方法与思路在实践中需根据地区实际状况进行相应的调整与补充，从而弥除国土空间短板，发挥国土空间优势，构建科学合理的国土空间地域功能优化分区格局。

本研究在2个指南的基础上，整合了集成评价与模拟技术，将“双评价”方法和城镇-农业-生态功能协调方法有机地结合在一起，提出了国土空间修正规则，从而构建了一套更精准化的国土空间地域功能综合优化分区的框架与体系，在实现国土功能协调的基础上配置各功能区的空间布局，促进国土资源的可持续发展。

此外，由于喀斯特地区的特殊性，喀斯特地貌严重影响国土空间的发展。因此，在优化过程中，本研究对区域石漠化特点进行了综合考虑，将现状重度石漠化区以及由无石漠化、潜在石漠化和轻度石漠化转为中度石漠化的区域优先进行了国土空间适宜区的划分，旨在从根本上解决喀斯特地区的生态环境问题。若将资源环境承载力评价作为适宜性评价的基础，或将二者设置为平行关系，在优化过程中可能会出现将上述2类石漠化区的部分地块划入农业生产或城镇建设区的情况发生，加重石漠化程度，制约喀斯特地区生态环境的恢复。因此，与2个指南的思路和方法相比，本研究的方法更具实际运用价值，对喀斯特地区的国土空间规划和生态修复等工作更具参考意义。

3.2 喀斯特地区国土空间地域功能优化分区的结果优选

本研究分别探索了综合优化方法和2种单一方法下喀斯特地区国土空间地域功能的优化分区格局，3种方法的优化结果存在差异（图5，图6）。基于城镇-农业-生态功能协调的优化结果充分考虑了国土空间的各功能区在发展中的内部协调关系，而基于“双评价”的优化结果则落脚于功能区发展的承载性和适宜性。然而，由于喀斯特地区复杂脆弱的生态环境现状、国土空间功能区的严重冲突以及社会经济发展的区域差异，基于城镇-农业-生态功能协调的优化结果解决了喀斯特地区各功能区的严重冲突问题，但缺乏对不同国土空间功能区在空间布局的适宜程度以及不同要素属性（如资源，环境，社会经济）对不同国土空间功能活动的支撑能力的考虑；基于“双评价”的优化结果则相反。因此，为了使国土空间地域功能优化分区结果最好的适用于喀斯特地区特殊地理环境特征和社会经济发展状况，本研究将2种优化结果结合在一起并得到国土空间综合优化分区结果，从而实现喀斯特地区国土空间的协调、持续和绿色发展。同时，考虑到城镇和农业空间在发展中对生态空间产生的各种衍生效应[29-30]，综合优化结果相比其他两种结果拥有最多的国土空间多功能区（主要是农业-生态空间），并且这些多功能区在城镇空间和农业空间的周围广泛分布，能够有效缓解这些衍生效应对生态空间特别是石漠化严重地区的影响。因此，综合优化结果比2种单一方法的结果得到的效应更高，也更符合区域实际发展的需要。

此外，在《云南省主体功能区规划》中，将研究区划为国家重点生态功能区，旨在推动石漠化状况和生态环境的治理。在综合优化结果中，与生态功能相关的功能区类型占据了区域发展的主导地位，其比例占全域总面积的近80%，这与《云南省主体功能区规划》中对研究区的战略定位相衔接，因此，本研究的优化结果吻合区域发展战略需求。同时，通过将综合优化结果与土地利用现状叠加发现，现状城镇建设用地均落在与城镇功能相关的功能区中，现状耕地均落在与农业功能相关的功能区中，林地、草地和河流等生态功能显著的现状地类均落在与生态功能相关的功能区中，因此，本研究的优化结果是合理的。

然而，上述讨论只是针对国土空间内部矛盾严重且生态环境恶劣的喀斯特地区，对于其他区域，还应根据当地的特点去选择不同方法的优化结果。例如，在中国的东南部和东北部地区，生态环境质量高于中国其他地区[31]，国土空间功能区的冲突是最小的，因此，以适宜性和承载性为主导去推进国土空间的有序发展是优化的重点，“双评价”方法的优化结果在这些地区更有意义。又如，在中国的青藏高寒区和西北干旱区，生态环境质量长期处于中国最低的级别[31]，而土地利用变化是生态系统结构和功能变化的直接原因[14]，因此，优先考虑国土空间功能区发展的内部协调对于区域发展至关重要，城镇-农业-生态功能协调方法的优化结果在这些地区更有价值。

图6 基于单一方法的国土空间地域功能优化分区

3.3 研究的局限性

国土空间是一个复杂的综合体，受到社会、经济、生态和资源等要素的共同影响[28]。尽管通过研究证明，选取广泛的自然、社会和经济指标优化国土空间地域功能分区的方法合理，并且对于国土空间地域功能优化分区的结果满意，因为所有的指标都已被用于去评估单一的城镇功能、农业功能和生态功能[32-34]，但本研究仍然受到数据收集和量化方法的限制。例如，在社会数据中，人类的发展意愿对于区域国土空间规划至关重要[35]，然而它需要从社会行为的角度进行分析，本研究由于缺乏用于大规模评估的数据，因此很难将其完全整合到专业量化的过程中。

目前，大数据已经被广泛运用于城镇空间扩张的研究中[36]，这种起源于社会科学实证领域的“数据驱动”，更加强调对数据源的观察实证研究，为深入发掘研究对象的时空特征和规律提供了新途径。然而，大数据在当前国土空间的农业空间和生态空间的研究中仍然处于初期的探索阶段[37]，特别是在生态环境复杂、地形状况多样的喀斯特地区，大数据在其中的运用途径仍然是一个值得商榷和研究的问题。但是，随着研究的深入，在今后国土空间地域功能优化分区研究中，大数据将扮演至关重要的角色。

4 结 论

为探究喀斯特地区国土空间地域功能优化途径与方法，本研究在综合城镇-农业-生态功能协调方法和国土空间“双评价”方法进行国土空间优化基础上，通过国土空间修正规则进行调整，构建了喀斯特地区国土空间地域功能综合优化分区格局。结论如下：

1）城镇开发适宜性的最适宜级和适宜级的占比之和为27.81%，在中部和南部密集程度较高；农业开发适宜性为49.80%，主要分布于东北部和东部；生态保护适宜性为61.21%，在北部和东部密集程度较好。

2）资源环境承载力等级以VI级和V级为主，分别占全域总面积的26.77%和23.60%，等级较高的区域主要分布于东北部和东南部，等级较低的区域则主要分布于南部、西南部和西北部。

3）在国土空间地域功能综合优化结果中，喀斯特地区国土空间分为城镇空间、农业空间、生态空间、城镇-生态空间、城镇-农业空间、农业-生态空间和城镇-农业-生态空间等7个功能区，其中，生态空间最多，占56.62%，城镇-农业-生态空间最少，占0.22%。研究区中部和东南部城镇功能显著，并呈集中连片分布；农业功能为主导的区域主要分布于北部、西部和东部，形成了2个大农业区，东部以经济作物种植为重点，西部侧重生态农业模式发展；生态功能为主导的区域主要分布于北部和南部，这与用地现状中生态用地的分布较吻合，北部生态环境和植被状况最好，南部石漠化重度区广泛分布。

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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，赵筱青，普军伟，等. 西南喀斯特典型区国土空间地域功能优化分区[J]. 农业工程学报，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

云南省科技厅-云南大学联合基金项目（2018FY001（-017））；国家自然科学基金项目（41361020）；云南省教育厅科学研究基金项目（2020Y0030）；云南大学研究生创新人才培养项目（C176230200）

李思楠，博士生，研究方向为农业资源与国土空间优化。Email：lsn0705@163.com

赵筱青，博士，教授，博士生导师，研究方向为土地利用变化及国土空间优化。Email：xqzhao@ynu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.029

X524

A

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