级国土空间“三生”功能分区研究——以河南省为例.docx

河南省是中国中部最重要的工农业大省之一。自 21 世纪初以来，该省工业化、城市化进程较快，国土空间功能变化迅速，并逐渐显露出开发时序不尽合理、空间布局不够科学等问题，需通过国土空间功能分区来明确各区域功能定位，形成分工合理、优势互补的开发与保护格局。基于此，本文以河南省为研究区，基于多源国土信息数据，构建“初始评价+功能修正”的“生产、生活和生态”功能评价模型来研究国土空间功能特点，并引入基于树形结构的两维图论聚类算法进行功能分区， 为国土空间规划编制提供支撑。1研究区概况与数据来源1.1研究区概况河南省地势西高东低，太行山、伏牛山、桐柏山和大别山沿省界呈半环形分布， 中、东部为黄淮海冲积平原，西南部为南阳盆地，整体自然条件优越。当前，该省城镇化发展不均衡，自然生态保护与恢复治理速度较慢，应明确该省国土空间功能强弱，加强国土空间开发的综合时序与分区管理。1.2数据来源国 土 空 间 基 础 数 据 来 自 于 中 国 科 学 院 资 源 环 境 科 学 数 据 中 心（）“2018 年中国土地利用现状遥感监测数据（30 m）”， 2018 年的 GDP 空间数据、人口密度分布数据、生态系统服务价值数据也分别获取自中国科学院资源环境科学数据中心的“中国 GDP 空间分布公里网格数据集”、“中国人口空间分布公里网格数据集”、“中国陆地生态系统服务价值空间分布数据 集”，行政区划数据来源于国家基础地理信息中心。各图件均经裁剪、投影变换统一转为 Albers 双标准纬线等积投影。2研究方法2.1 国土空间功能分区思路遵循“微观栅格尺度的功能评价-宏观区域尺度的县级管理”研究思路，进行国土空间功能分区：（1）以现状遥感分类数据为基本数据源，运用功能归并分类法进行国土空间功能的初始评价，然后选取区域功能状态因子进行功能修正，以获得更切合实际的国土空间功能特征；（2）将各县域国土空间的生产（X ）、生活（X ）12和生态（X ）功能均值视作基本分区指标，在DPS（Data Processing System）数据3处理系统（）支持下，运用基于树形结构演化而来的两维图论聚类算法进行国土空间功能分区，并验证分区结果的空间邻接性和区域完整性特点；（3）以各分区功能复合特点及基本资源状况为调控依据，提出国土空间调控策略（图 1）。2.2 国土空间功能评价2.2.1 国土空间功能初始评价本文借鉴李广东等和刘继来等关于中国土地利用分类体系的三生空间功能评价方案以及谢高地等对生态系统服务价值当量的估算思路，对河南省国土三生空间进行功能初始评价。评价原则如下：以生产功能为例，城镇用地、农村居民点和其它建设用地是区域经济生产的核心用地，在国土生产中起着主导作用；水田和旱地是最重要的粮食生产用地类型，其生产功能虽较建设用地弱，但强于其它用地类型， 起着重要生产功能作用；草地是畜牧业的重要载体，但开发利用形式粗放，生产功能处于次要地位；河渠湖泊和沼泽沙地等以生态功能为主，生产功能弱，将其视为无生产功能状态。将以上 4 种生产功能状态（主导、重要、次要和无生产功能）所对应的土地利用类型分别赋值为 5 分、3 分、1 分和 0 分。生活功能和生态功能评分规则与此类似（表 1）。依据此功能赋值原则，对河南省国土初始生产（X' ）、生1活（X' ）和生态（X' ）功能进行评价。232.2.2 国土空间功能修正评价国土空间功能易受生态环境的空间异质性、经济发展状况和区位综合条件等影响，导致不同地区的同一类型用地所提供的国土服务功能存在差异。结合上述基础国土服务功能，并综合考虑区域实际资源特点，对国土“三生”功能进行修正评价：（1） 生产功能修正：生产功能与产业结构相关，追求用地的集约和高效产出。（2） 生活功能修正：生活功能的服务对象主要是人，追求生活的便利与宜居程度。（3） 生态功能修正：生态条件越好，国土空间的生态功能服务能力越强。2.3 两维图论聚类算法按照单元或变量在性质上亲疏程度进行分类，以实现“物以类聚”。省级国土空间功能分区从结果上看也是一种分类的过程，即不仅要考虑各县域单元国土空间功能的一致性和相似性，还要保持各分区间的邻接性和行政区界的完整性，采用普通数学统计的聚类分析方法很难使分类结果满足要求。树形结构将 GIS 的空间分析与树算法相结合，由此而衍生的两维图论聚类算法， 可较好地解决上述分区要求。即采用图论最小树算法来求得一个最小生成树，并根据国土空间功能特点选择合适的分割变量集，最终将树状图分割成多个子树集，即为对应的多个子功能分区（图 2）。本文分别对栅格形式的“三生”功能修正值进行等间距重分类处理（0128），并分县域统计各功能均值，将其视作分区因子，在 DPS 软件支持下实现河南省国土空间功能分区。3结果与分析3.1国土空间功能评价城市多为区域经济中心，其国土所能提供的生产服务功能应明显高于非城市区。未进行国土空间功能修正前，以郑州市为主导的中原城市群的生产功能值与周边地区差异较小，生产功能的初始值未能充分体现生产功能的空间异质性（图 3（a）。经功能修正后，河南省的生产功能内部差异性特征更为突出，主要城市区的生产功能值显著高于周边地区（图 3（d）；河南省是中国重要的劳动力输出省份，大量农业人口外出务工，在一定程度上表征着自身生活服务功能偏弱的特点，弱化农村生活功能值将更符合该省实际国土利用特点。经过生活功能修正，主要城市区的生活功能值处于较高水平，且农村生活空间的服务特性得到弱化（图3（e）；对于生态功能，修正前与后的差别较小（图3（c）和图 3（f），生态功能服务能力与现有生态环境水平处于相适应水平，生态功能值高的地区，生态环境质量较好。因此，较单纯的功能赋值法而言，采用“初始评价+功能修正”的评价模型进行国土生产、生活和生态功能评价，更能准确地反映出实际国土空间功能服务特点。3.2 国土空间功能因子特征运用自然裂点分级法对各县域国土生产（X ）、生活（X ）和生态（X ）的功能123值进行等级划分，该方法根据自然数值的统计规律来获取特征点，以使各等级之间的不同最大化。最终分为高、中高、中、中低和低 5 个级别，绘制对应的功能分布图（图 4）。3.2.1生产功能因子河南省国土空间生产功能均值处于 0123.79 之间，平均值为94.93，生产功能高值区（X1110.90）零星分布于河南省北部、东部和西南部的部分地区，具体包3.2.2生活功能因子括：郑州市辖区、洛阳市辖区、南阳市辖区、安阳市辖区、新乡县、鹿邑县等16 个县域；低值区（X1<42.50）共包括 7 个县域，且多位于河南省北部和中部，该地区工业化程度一般，且自然资源条件差，国土能够提供的生产服务能力较弱，其中林州市、郏县、叶县和濮阳县生产功能值均低于 22.00。3.2.3生态功能因子河南省国土空间生活功能均值处于 0106.63 之间，平均指为22.17。生活功能高值区（X273.41）零星分布于河南省中北部、西南部和东部，包括安阳市辖区、洛阳市辖区、郑州市辖区、鹿邑县、新乡县、方城县等 9 个县域，与生产功能高值区具有较高的重合性；生活功能的低值区（X2<10.46）主要分布于河南省西部、西南部以及南部地区，共包括27 个县域，分布范围广，且多位于山地丘陵区，生活设施条件较差，以林州市、汝阳县、郏县、叶县、汝州市和新县最为典型，生活功能值不足 2.50。河南省国土空间生态功能均值处于 26.01127.92 之间，平均值为74.32。生态功能高值区（X373.41）主要分布于河南省西部的伏牛山地区、北部和南部的丘陵区，分布范围较广且集中，包括栾川县、卢氏县、西峡县、新县、嵩县、南召县、洛宁县和灵宝市等 17 个县域，森林覆盖率高，生态环境条件良好；生态功能的低值区（X3<45.81）多为城市市区，易受城市建设和人为干扰作用影响，国土生态服务功能处于较低水平，具体包括许昌市辖区、新乡市辖区、周口市辖区、安阳市辖区、洛阳市辖区、驻马店市辖区、华龙区和平顶山市辖区共 8 个县域。3.3 国土空间功能的两维图论聚类分区在 DPS 支持下，运用两维图论聚类算法进行国土空间“三生”功能聚类。根据各县域在图论树中的分布情况（图 5），将位于同一主干上的各分支归为同一分区， 结合河南省实际国土利用特点，将河南省划分为 8 个区。依据各分区的地形特征以及国土空间主导功能特征，分别命名为：黄河滩腹地生产生活重点发展区（区）、伏牛山地生态功能引导区（区）、南阳盘地国土功能综合发展区（区）、桐柏大别山生态重点保护区（区）、平原农业生产核心区（区）、平原工矿生产生活区（区）、南太行山生产生态潜力挖掘区（区）和伏牛山外缘生态功能管控区（区）（图 6）。3.4 国土空间功能分区调控策略（1）区(中高中中低)，平均指数为（100.42，25.30，68.86），表现为中高生产、中生活和中低生态功能值的特点，共 36 个县域，总面积 33 170.04 km2，占河南省国土总面积的 20.03%。该区主要位于黄河滩腹地，为河南省重要的经济生产中心，同时也是都市农业的代表性区域，工矿生产条件突出，以郑州市为核心的中原城市群也位于该区域，区域内拥有多个国家级重点和省级重点开发区， 在河南省国土空间开发中占据着主导的地位。未来针对区的国土空间开发，应依托郑州市全国区域性中心城市地位和洛阳市副中心城市地位，发挥其建设辐射带动作用，建设成为体系结构合理的国土重点工矿生产空间和城镇生活功能并存的功能区。（2）区(中高中中高)，平均指数为（101.49，22.87，91.86），表现为中高生产、中生活和中高生态功能值的特点，共 20 个县域，区域面积为 34722.49 km2，占河南省国土总面积的 20.97%。区位于河南省西部的伏牛山地区， 以林果产业开发和中药材种植与加工为主，是重要的生态绿色农业区，生态条件优越，植被、旅游资源丰富，但地形以山地丘陵为主，不宜进行传统农业生产，该区在河南省国土绿地生态功能中拥有着重要地位。未来区应重点保持其生态功能， 发挥绿色农业生产功能的优势，并以生态功能为导向，促进国土空间的合理高效利用。（3）区(中中中高)，平均指数为（92.88，24.55，82.02），表现为中生产、中生活和中高生态功能值的特点，共 12 个县域，区域面积为 24152.87 km2，占河南省国土总面积的 14.58%。主要位于河南省西南部，地形以丘陵盆地为主，畜牧养殖业（以奶业为主）较发达，同时功能区内拥有多个国家级重点开发 区、省级重点开发区、国家级农业重点开发区和生态保护区，为国土功能综合开发利用区。区生态功能值较高，具备绿色生态涵养功能，同时国土生产功能和生活功能也较好，未来应在保持其生态功能基础上，合理发展该区生产和生活功能。（4）区(中低高)，平均指数为（83.54，7.82，99.31），表现为中生产、低生活和高生态功能值特点，共 4 个县域，区域面积 7589.43km2，仅占河南省国土总面积的 4.58%。该区毗邻区，位于河南省南部，属桐柏大别山区，地形以山地丘陵为主。该区不仅是河南省重要的生态绿色农业区，生猪产业发达，还是河南省重要的高标准林产业基地，国土空间开发以绿地生态为主。区绿色生态功能极高，但生活功能值偏低，区域经济水平差，未来在重点关注绿色生态功能基础 上，适度发展生产功能，并促进绿色农业发展。（5）区(中高中中低)，平均指数为（99.09，23.10，64.56），表现为中高生产、中生活和中低生态功能值的特点，共 35 个县域，区域面积达到 42217.29 km2，占河南省国土总面积的 25.49%，为面积最大的功能区。区是河南省传统的平原农业区，地形平坦，气候光照资源优越，多个国家级农业重点开发示范区分布于其中，在河南省粮食生产乃至全国粮食生产中拥有着重要地位，同时该区也是河南省重要的肉牛输出基地，国土农业生产服务能力较强，应进一步强化其农业生产功能，并促进生态功能的发展。（6）区(中高中中低)，平均指数为（109.68，25.44，62.60），表现为中高生产、中生活和中低生态功能值的特点，共 6 个县域，区域面积 8 564.58 km2，占河南省国土总面积的 5.17%，功能分区面积较小。该区位于河南省东部，地势较为平坦，自然资源条件优越，工矿业发达，当前该区拥有较高的国土生产功 能，国土空间开发以工矿生产为主，境内国家级重点开发区与省级开发区并存。未来应在工矿生产功能引导下，进行适度的功能发展转型，并提高该区域的国土生态功能。（7）区(中中低中)，平均指数为（77.71，19.87，74.48），表现为中生产、中低生活和中生态功能值的特点，共 6 个县域，区域面积 5 436.10 km2， 占河南省国土总面积的 3.28%。区位于河南省的正北部，属南太行山脉生态区， 以山地丘陵为主，农业生产条件较差。该区毗邻中原城市群，受其城市群服务的辐射影响，生产功能较为发达，并拥有多个省级开发区和 1 个国家级重点开发区，为河南省重要的花卉与蔬菜产区，生态功能与生产功能并存。未来区可考虑发展成为区的部分生产功能替代区，促进生产功能的进一步发展，并注意提高其生活功能。（8）区(低低中高)，平均指数为（39.29，2.64，83.50），表现为中生产、中低生活和中生态功能值的特点，共 7 个县域，区域面积 9 754.26 km2，占河南省国土总面积的 5.89%。位于河南省中部西部的条带区，属伏牛山边缘地带，为区与区的重要缓冲带，以丘陵平原为主，拥有一定的生态涵养功能，该区属生态生产功能综合开发区。在以往诸多国土综合利用分区实践中，多将区与区归并为同一分区，尽管毗邻区，同属伏牛山地生态区，但生产功能和生活功能值均较低，与区差别较大，这也进一步佐证了两维图论聚类算法在国土空间功能分区中的实用性。未来针对区国土空间管理，可重点关注其生产与生活功 能，促进经济协调发展。4结论与讨论（1） 构建“初始评价+功能修正”的“三生功能”评价模型进行河南省国土空 间功能评价。结果表明：“初始评价+功能修正”的国土空间功能评价模型较单纯的功能赋值法更能准确反映河南省国土空间功能特点；豫中、豫中北和豫东地区的国土生产和生活功能值偏高，但生态功能明显偏弱，豫西和豫南地区的生态条件较好， 生态功能偏高，但生产和生活条件较差；（2） 运用两维图论聚类算法将河南省国土空间划分为 8 个功能区：区是传统的经济生产中心，区生态条件优越，绿地生态功能突出；区具有多种国土空间开发利用属性；区毗邻区，适宜绿色发展；区位于中部农业生产带，传统农业发达；区地理位置及自然资源条件与区类似，工矿生产业发达；区生态与生产功能并存；区处于区与区的缓冲带，生态涵养功能与生产功能并存；（3） 两维图论聚类算法可在生产、生活和生态特征一致和分区之间存在特征差异前提下，保持了各分区空间的连续性和行政区划的相对完整性特点，在省级国 土空间功能分区中具有较好的应用前景。当前新形势下的国土空间治理，遵循着由上至下（国家、省、市、县、乡）和由全域到地块（全域、分区、社区、地块）的传导机制。基于国土空间功能分区的空间治理，优先考虑了上层管理战略特点，并逐步向下层进行拓展和细化，以有序地进行国土空间管理，避免了管理过程中的“一刀切”，而这正是国土空间功能分区的初衷。现有国土空间功能分区的实践普遍存在分区数据类型复杂、分区指标不统一、分区方法较复杂等问题，影响了功能分区方法的推广。本文在国土空间功能修正评价基础上，引入了两维图论聚类算法进行国土空间功能分区，能够解决传统分区难以保证空间邻接性和行政完整性问题，为省级国土空间规划提供战略支持， 同时提出的分区因子明确、分区方法简洁清晰，易被推广。但由于两维图论聚类算法中图论树的分支划定多结合区域实际资源利用特点进行，存在一定的主观性，后续可尝试结合突变理论进行分支的突变划定，以进一步提高分区的高效性和科学性。