基于“双评价”的国土空间格局优化

  本文探索基于“资源环境承载能力评价和国土空间开发适宜性评价”的国土空间格局优化路径，为土地利用结构与布局优化、三条控制线划定等国土空间格局优化提供理论与方法参考。研究发现：

  （2）以表征资源环境承载能力的极限约束作为多目标优化的数量约束，融合开发适宜性的空间转换规则及空间约束，构建国土空间优化模型，能够为生态、农业和城镇空间的合理布局提供优选方案；

  （3）基于“双评价”的区域多目标优化，强调生态安全、经济发展与社会保障等多目标间协同，将提供促进区域空间均衡的国土空间格局优化方案。

  当前国土空间规划编制明白准确地提出应开展“双评价”，结合资源禀赋、环境条件、发展目标和治理要求做综合权衡，支撑国土空间格局优化，但如何基于“双评价”进行国土空间格局的多目标优化，并未提供科学可操作的技术路线。

  一方面，“双评价”评估了资源环境承载的极限约束与国土空间开发适宜性，但如何协同多目标，确定“多规合一”的国土空间规划核心控制指标、规模及其优先序，并未给出明确解决方案；

  另一方面，以往多目标优化模型中对于约束条件的设定，往往根据趋势或主观判断设定约束值，存在较强的主观性。

  基于此，本文从“双评价”内涵出发，提出基于“双评价”的国土空间格局优化分析框架，分析“双评价”支撑多目标国土空间格局优化的数量约束与空间约束的基本逻辑，并从区域主体功能分区完善、多目标结构优化约束条件参数设定和空间布局的转换规则等方面，构建基于“双评价”的多目标耦合优化模型，模拟多目标协同下的土地利用结构与布局优化方案，为国土空间格局优化与差异化管制提供决策参考。

  国土空间规划的核心内容是对空间的管理与引导，既包含刚性约束的“管制”与“布局”，也包含弹性动态的“引导”与“沟通”。在规划的“战略引领”与“刚性管控”要求下，“双评价”支撑国土空间格局优化主要分为两条逻辑主线：

  一是根据各类资源、环境要素本底条件自上而下确定承载规模，以此作为国土空间开发强度、农业开发规模等的刚性约束条件，为土地利用结构优化提供科学的数量约束；

  二是结合自下而上的国土空间开发适宜性评价，确定国土空间开发的适宜程度，支撑空间布局优化规则制定和地类转化概率的率定，为国土空间布局优化提供科学的承载规模测度和地域功能空间识别参考。

  在此基础上，基于承载规模确定区域多目标结构优化约束条件的参数设定，以及基于国土空间开发的适宜性程度确定空间布局的转换规则等，构建基于“双评价”的多目标耦合优化模型，支撑国土空间格局优化的土地利用结构与布局方案制定（图1）。

  研究区域国土空间开发的“短板要素”是资源环境承载能力评价的关键，水资源、土地资源、气候、生态、环境、灾害等对城镇开发、耕地利用等的约束，为国土空间格局优化中土地利用结构优化提供上限数量约束与空间边界约束。

  资源环境承载能力指在自然生态环境不受危害且维系良好生态系统前提下，一定地域的资源禀赋和环境容量所能承载的最大人口与经济规模，包括资源承载能力与环境承载能力。

  人口规模通常作为衡量资源环境承载能力大小的重要指标，最先是应用于耕地承载能力与旅游承载能力的测度。传统城乡建设规划基于“人口—规模-定位—布局”的规划模式，往往使得规划部门通过各种预测方法夸大行政区人口规模，进而造成新一轮的城乡建设用地的扩张。因此，单纯以人口指标表征资源环境承载能力并不合理。

  伴随城镇化与工业化的快速推进，大量优质耕地、生态空间受到侵占，国土空间规划应更多聚焦城乡建设用地规模控制，严格保护耕地和生态用地，满足多目标协同的国土空间治理需求。因此，在问题导向的视角下，以“农业生产+城镇建设”为表征的承载能力，通过水资源供给、土地资源供给、环境容量等综合分析，来确定农业生产的承载规模和城镇建设的承载规模，既能在数量上有效实现对城乡建设用地总量的控制，又能通过数量控制保护一定人口需求的农业生产空间，及维持一定生态系统服务功能的生态空间。

  资源环境承载能力评价需要基于现有经济技术水平和生活方式，以水资源、空间约束、环境容量等关键“短板要素”，评价规划区域可承载农业生产、城镇建设最大合理规模。

  （1）农业生产承载规模：以构建基于短板要素（水资源、水环境、土壤环境容量）的现状利用水平，通过测算雨养承载面积、灌溉承载面积、可持续饲草生产能力、可供捕捞渔业种群的数量等指标，同时考虑环境容量限制，综合确定可承载的农业生产用地规模总量；将生态保护极重要区和种植业生产不适宜以外区域作为空间约束的耕地最大承载规模；上述约束值的最小值可作为耕地承载的合理规模。

  （2）城镇建设承载规模：根据供水量及人均需求定额，结合区域的人口发展战略，确定可承载的城镇人口规模；考虑不同区域主体功能定位和经济发展阶段的差异，研究区域差异化的人均城镇用地标准，据此确定可承载的建设用地规模。

  在确定基于资源环境承载能力的农业和城镇用地合理规模之后，还可考虑制约土地利用结构调整的其他目标，如经济发展水平（GDP）、生态系统服务、就业水平、森林覆盖率、基本农田保护率、社会福利水平等的国土空间格局优化的多目标，作为土地利用结构优化的约束条件，通过目标函数与上述约束条件的设置构建多目标土地利用结构优化模型，从而研制区域宏观资源环境承载能力约束下的土地利用结构优化方案。

  国土空间开发适宜性指在维系生态系统健康和国土安全的前提下，综合考虑资源环境等要素条件，特定区域国土空间进行农业生产、城镇建设、生态保护等人类活动的适宜程度。

  国土空间开发适宜性不仅要考虑单要素的适宜性，更需要揭示多要素、多因子的综合适宜性，割裂要素联系的评价结果易造成生态系统完整性与景观连续性受损。因此，从整体性与系统性出发，国土空间开发适宜性评价由单要素评估向多要素集成转变，是国土空间布局优化的重要依据。国土空间开发适宜性包括宏观与微观两个层面，宏观应重点关注国土空间“生态—农业—城镇”综合格局与区域主体功能的形成过程，基于地域功能理论识别国土空间现状格局；而微观是基于适宜性程度研究“三生”空间的布局优化与边界划定。

  （1）重要生态空间识别：宏观与中观尺度，应基于生态系统服务评估，主要评估区域生态功能重要性和评估区域生态环境脆弱性，综合两者识别生态保护重要性区域，刻画国家、区域尺度的生态安全格局与生态网络体系；微观尺度，应基于更高精度的数据，采用景观生态学“斑块—廊道—基质”模式判别生态子系统的结构与功能关系，对各类生态源地进行评价与识别，在此基础上识别重要的生态廊道节点与具备联通价值的生态空间，创建微观尺度以生态核心区为中心，生态绿心为节点，生态廊道为串联的生态网络，对宏观生态格局进行修正与完善；在综合识别不同尺度下生态安全格局的基础上，确定区域的重要生态空间。

  （2）农业空间识别：宏观与中观尺度，应紧扣粮食安全目标，从多方面评估种植业、畜牧业、渔业等农业生产的适宜区域，结合现状耕地和永久基本农田布局，明确耕地保护、生态退耕、土地整治补充、治理提升的耕地差异化治理的空间范围，优化区域农业空间格局。微观尺度，需要结合特色村落布局、农业基础设施、特色农产品种植区、重要经济作物与粮食作物分布等，进一步识别优势农业生产空间，并进行验证与完善；在特殊地貌（喀斯特地貌、雅丹地貌等）及生态脆弱区域，应甄选差异化的评价指标体系，识别基于特色农业（山地特色农业、基塘农业等）发展模式的农业生产空间格局。

  （3）城镇建设空间识别：宏观与中观尺度，应根据资源环境承载能力评价确定城镇开发边界及规模约束，考虑地形坡度、地质条件、地下水开采、交通区位条件，结合宏观区域空间战略、主体功能区划、地方发展诉求以及前述识别的重要生态空间和农业空间，分析区域城镇建设的限制性，确定国土空间开发的底线约束，为城镇合理布局提供空间依据。微观尺度，应基于城镇发展安全角度，进一步开展雨洪灾害、地面沉降、重大防灾减灾基础设施分布等评估，识别城镇发展避让区及潜在灾害风险高发区域，同时横向衔接防灾减灾专项规划，重点识别城镇建设不适宜区。

  （4）“生态—农业—城镇”多宜空间选择：国土空间开发多宜性指在某一地域空间同时存在生态极重要、农业生产适宜和城镇建设适宜的两到三种地域功能复合叠加的区域。解决国土空间多宜性的冲突是有序组织三类空间、合理确定多目标空间约束条件，科学划定“三条控制线”的前提。

  ①坚持生态优先原则，当生态极重要区与农业生产/城镇建设适宜区冲突时，优先保障区域生态系统服务提升及生态用地需求；

  ②识别优势农业生产空间，考虑特色村落布局、农业基础设施条件、特色农产品种植等微观影响因素综合划定；

  ③确定城镇建设避让区域，综合考虑地面沉降、地下矿产资源分布、基础设施覆盖度等影响城镇建设及安全生产的因素确定；

  ④明确国土多宜空间优化的次序，识别生态极重要区与农业生产适宜区、城镇建设适宜区的空间冲突，按照上述原则及次序进行优选；对于重要/一般适宜区，可结合多目标国土空间格局优化结果做综合优选（图2）。

  （5）基于适宜性评价的“三条控制线”划定：在识别区域重要生态空间、农业空间和城镇建设空间的基础上，以生态保护极重要区，综合考虑自然保护区、森林公园、地质公园等自然保护地核心区，初步划定生态保护红线；优先考虑区域ECO服务需求，对生态保护红线以外区域，按照“农业生产-城镇建设”的次序，依适宜性等级依次划定永久基本农田和城镇开发边界，划定空间相对集聚、互不重叠的“三条控制线”，作为国土空间格局优化和用途管制的依据。图3石家庄市鹿泉区的“三条控制线”的初步划定方案正是基于这样的思路综合划定。

  主体功能区指根据资源环境承载能力、现有开发密度和发展潜力，统筹考虑区域人口分布、经济布局、国土利用和城镇化格局，对国土空间划定的主体功能类型区。“多规合一”的国土空间规划将主体功能区规划纳入其中，因此，国土空间格局的优化需要确定区域主体功能定位。

  资源环境承载能力评价确定区域的农业用地和城镇建设用地承载规模，国土空间开发适宜性评价识别了区域进行农业生产、城镇建设、生态保护等的适宜程度。结合“双评价”成果，可在原有基于“资源环境承载能力、现有开发密度与发展潜力”的主体功能区分区指标体系中，加入城镇建设最大承载规模、生态极重要区面积比例、农业生产适宜区面积比例、城镇建设适宜区面积比例等空间、数量及结构约束的指标，更新与完善规划区域行政单元的主体功能定位。可见，基于地理格网单元的“双评价”评估结果，能够在县级尺度主体功能定位的基础上，进一步划分国土空间的主体功能，刻画地域功能形成机理与微观特征，为细化和完善主体功能区提供重要支撑。

  国土空间结构优化模型构建包括目标函数与约束条件设置。不同功能区发展现状及定位差异明显，应根据基于“双评价”的主体功能分区方案，结合其承载规模测度和国土空间地域功能识别结果，设定区域差异化多目标结构优化的目标函数和约束条件。

  （2）约束条件构建：在国土空间结构优化模型目标函数设定的基础上，还需要参照资源环境承载能力评价测算出的不一样的区域的城镇建设承载规模、农业生产承载规模，结合区域国土空间格局优化的其他多目标，设定区域差异化的约束条件。

  在区域差异化的目标函数与约束条件及其参数设定的基础上，构建区域土地利用结构优化模型，借助多目标优化方法得到区域资源环境约束下，实现多目标协同的土地利用结构优选方案。

  结合国土空间开发适宜性，利用历史数据模拟研究区国土空间格局变化，挖掘土地利用空间转换规则，在此基础上构建国土空间布局优化模型，将土地数量布局到国土空间。其开展的总体逻辑如下：

  （1）土地利用数量结构约束：将多目标协同的土地利用结构优选方案，作为国土空间布局优化模型的数量约束。

  （2）国土空间布局驱动因子识别：基于农业生产适宜性评价的主要影响因子和城镇建设适宜性评价的主要影响因子，结合社会经济发展水平，通过计量经济学模型，综合筛选区域国土空间布局优化的潜在空间驱动因子。

  （3）国土空间重点保护区域设定：结合重要生态空间识别和生态红线划定结果，确定重点生态保护区域；结合重要农业空间和永久基本农田划定结果，确定重点农业生产保护区域；规划期间重点生态保护区和重点农业生产保护区的用地类型将限制用途的改变，将其确定为国土空间布局优化模型的限制变更区域。

  （4）土地利用空间转换规则：结合土地用途单元继承性、国土空间开发的适宜性和周围土地单元约束影响等方面，制定土地利用空间转换规则，在此基础上，测算地理格网单元成为某种土地利用类型的概率，即该单元对这种土地利用类型的适宜性、周围土地单元对该单元转化为这种土地利用类型的影响、单元保持为这种土地利用类型的惯性(继承性)和随机干扰因素等综合影响的结果。

  （5）国土空间布局模拟优化：以“双评价”为基础的国土空间布局优化考虑国土空间的重点保护区域，梳理识别了空间格局演变的驱动因子，定义了空间布局优化的土地利用空间转换规则（以土地利用现状为网格单元初始状态，以国土空间开发适宜性为各类用地的适宜性图集设定元胞转换规则），结合土地利用结构优化方案的数量控制，运用元胞自动机（CA）、MOP-GeoSOS、CA-Markov、CLUE-S、多智能体等空间优化模型，实现基于资源环境承载能力约束下、兼顾国土空间开发适宜性的国土空间格局优化。

  本文构建了基于资源环境承载能力与国土空间开发适宜性的国土空间格局优化的理论分析框架。

  （1）资源环境承载能力评价以土地资源、水资源、环境容量等关键“短板要素”为约束，研究确定规划区域可承载农业生产、城镇建设最大合理规模及其空间约束。

  （2）基于国土空间开发适宜性评价，可识别区域重要生态、农业和城镇建设等国土空间地域功能，支撑三条控制线）基于“自上而下”的承载规模数量约束和“自下而上”国土潜在空间识别的空间约束，构建国土空间格局优化模型，能够实现资源环境承载规模约束下的国土空间结构和布局优化。

  （1）基于“双评价”的国土空间格局优化有助于空间精细化管控。通过“双评价”能够有效诊断区域国土空间开发与保护存在的问题及生态隐患和环境风险，确定区域开发的承载规模极限约束，通过多目标结构与布局优化，完善生态保护和农业生产空间格局，突出底线约束，明确城镇开发建设的合理规模与布局；土地承载规模测度、国土空间地域功能识别、土地利用结构与布局优化方案，均为国土空间规划重要指标规模确定与指标传导分解提供参考，能提高指标管制的科学性，保障规划的有效实施。

  （2）国土空间格局优化需要考虑研究尺度差异。国土空间格局优化具有显著的尺度特征，不同层级（国家-省-市-县-乡）的资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价的重点与评价指标的选择应该体现差异性。宏观与中观尺度重点强化数量约束，主要用于国家、省级行政单元确定“市-县”指标分解；而微观尺度（县—乡镇），应更注重空间约束，不一样的区域、不同层级的承载能力与适宜性评价的指标选择也应因地制宜，反映区域特征及短板要素。

  （3）国土空间格局优化多目标协同是未来研究深化的重点。在可持续发展、国土空间治理体系与治理能力提升的理念下，国土空间格局优化需要协调生态安全、经济增长与粮食安全等多目标，不一样的区域应重点研究目标间的权衡与协同及目标优先序。承载能力阈值确定、多目标格局优化模型、耦合“格局-过程”的系统优化模拟等研究仍亟待加强，其深化研究将为合理规划目标确定、空间结构与布局优化提供科学支撑。