基于DPSIR模型的市域土地空間配置優化——以天津市為例

常 青，何歡樂，季宏偉

（1.中國農業大學觀賞園藝與園林系，北京 100193；2.中國土地勘測規劃院，北京 100035）

中國已進入快速城市化階段［1］，各類開發建設不斷擠占耕地等生態用地，對城市地域生態安全及土地持續利用造成巨大壓力。為實現人地系統協調運行，中國已先后開展了有關土地資源安全保障與調控的一系列研究課題，土地資源優化配置研究是其中熱點之一［2］。目前國內外土地資源優化配置研究主要包括數量結構優化和空間布局優化兩個方面［2-4］，傳統研究多注重土地利用現狀數量和質量的結構分析，著力于建立模型優化宏觀的土地利用結構［4-7］，而對土地利用空間格局優化研究相對薄弱［4，8］，忽視了土地空間配置的可視化研究［9-10］。由于影響土地利用的因素眾多，土地空間配置優化研究中適宜性評價指標的選擇、權重的設置以及采用不同的評價模型，都會影響評價結果與優化方案，但目前多數研究往往基于專家經驗選擇指標、設定權重［4，11-14］，使得優化方案在很大程度上受到專家理論水平和對當地熟悉程度的影響；加之缺乏定量化的評定標準，很難對這些優化方案的優劣進行評判和取舍［12，15］。因此，如何科學地制定城市土地利用空間布局優化方案，并通過量化指標進行方案遴選，是目前土地利用空間配置優化研究需要突破的瓶頸。

DPSIR模型旨在分析環境變化的驅動力、壓力、狀態、影響以及人類對其的響應過程，為揭示環境與人類活動的因果關系提供了有效框架，在資源及其可持續利用研究中已被廣泛應用［16-18］。本研究試圖借助DPSIR模型，整合土地適宜性、生態敏感性與景觀健康評價方法，提出適合市域土地空間配置優化的綜合定量研究方法，并以天津市為例進行實證分析。

1 城市土地空間配置優化的DPSIR概念框架

圖1 城市土地空間配置研究的DPSIR模型Fig.1 DPSIR Model of research on municipal land spatial allocation

DPSIR模型是由歐洲環境署（EEA）在PSR和DSR概念框架基礎上提出的［19］。城市土地利用涉及社會經濟發展、耕地保護、生態資源可持續利用等多個因素，是一個極為復雜的問題。DPSIR模型有助于研究者理順城市土地利用中各種因子的邏輯關系，為定量化研究市域土地空間優化配置提供了概念框架（圖1）。其中，驅動力模塊用于分析城市社會經濟發展背景，揭示對土地利用空間配置具重要影響的因素，如人口、經濟發展條件及重大發展戰略等。壓力模塊用于研究城市主要用地需求與矛盾沖突、城市環境污染及生態需求特征，確定城市土地利用空間配置中的關鍵問題及其代表性指標，為后續土地利用適宜狀態評價提供基本準則與分析數據。狀態評價基于土地利用方式中農用、建設和生態功能主導性的考慮［9］，本研究主要通過土地適宜性和生態敏感性評價方法［20］、利用互斥矩陣方法［21］劃分不同的城市土地空間配置方案。景觀生態學研究為評價規劃方案的結果提供了定量化工具［22］，特別是景觀健康評價結果可作為城市功能分區和規劃的基礎［23］，本研究通過城市景觀健康綜合指數度量城市土地利用的健康狀態，以此進行不同土地空間配置方案的潛在生態環境影響評價。基于上述定量評價結果，比較不同方案的優劣，選擇對城市景觀健康影響最小的土地空間配置方案，并制定相應的功能分區管制策略。

2 天津市土地空間配置優化研究

2.1 研究區概況

天津地處華北平原東北部、海河流域下游、環渤海中心地帶，陸地面積11917.3km2，海岸線長約153km，濕地資源豐富，素有“九河下梢”、“河海要沖”之稱。全市地勢北高南低，平原居多，山區面積僅為4％；天津市現轄15個區/縣，2007年末，天津市國內生產總值已達5018億元，常住人口1115萬人，按常住人口計算，人均生產總值達到45829元。

2.2 城市土地利用驅動因素分析

2006年天津濱海新區開發開放已納入國家總體發展戰略。根據2000—2007年主要社會經濟指標發展趨勢分析，2006年，天津市國內生產總值、固定資產投資和人口三項指標增長速度明顯加快，是社會經濟發展的重要拐點。這說明天津市開發建設已步入新一輪的高速發展階段，城市土地利用與保護將面臨巨大壓力。

2.3 城市土地利用壓力分析與關鍵指標提取

快速的城市化過程已引起了天津市土地利用的顯著變化。根據1985—2007年天津市土地利用結構和用地格局變化分析（表1），20多年來天津市生態用地處于明顯萎縮與破碎化態勢，同時伴隨著城市建設用地增加、斑塊數目下降和平均斑塊大小減少。這說明城市建設用地呈連片蔓延發展趨勢，生態用地被直接擠壓侵占，同時其生態整體性和連通性被強烈分割。另一方面，天津市環境污染問題不容樂觀，特別是污水灌溉已對武清、西青等區域大面積土壤造成不同程度的污染，直接威脅到農作物甚至糧食生產安全。

表1 1985—2007年天津市用地結構與格局特征①數據來源于天津市土地利用現狀變更調查。Tab.1 Structures and pattern characteristics of land use in Tianjin City from 1985 to 2007

可見，在天津市強勁的社會經濟發展推動與生態用地數量下降、功能衰退的影響下，土地資源質與量的雙重需求壓力巨大，生態用地和建設用地之間矛盾突出，急需合理配置城市建設用地和生態用地。

2.4 城市土地利用適宜狀態評價與空間配置方案制定

2.4.1 城市土地保護適宜性評價（Land protection suitability，LPS） 耕地是天津市土地利用的主要方式，濕地、林地等是維續天津市良好生態環境的基礎，它們在不同程度上對各類社會經濟開發活動具有敏感性。本研究主要通過耕地適宜性和其他用地生態敏感性評價方法識別天津市土地保護適宜性等級。其中，耕地適宜性評價主要根據研究區耕地自然、經濟條件及其承受環境污染壓力特征及資料可獲取性，選取坡度、土壤特征、灌溉條件以及糧食單產為評價因子，采取模糊評價方法［20］進行綜合評價，評價結果分為很適宜、適宜、勉強適宜和不適宜4個等級（表2）。其他用地生態敏感性評價，主要以除耕地外的其他用地為評價單元，采用生態因子評分方法［20］確定其生態敏感程度，評價結果分為強敏感、敏感、弱敏感和不敏感4個等級（表3）。最終，在耕地適宜性和其他用地生態敏感性評價結果基礎上，依據生態保護潛在價值劃分土地生態保護適宜性等級，并通過ArcGIS 9.0空間疊加分析技術確定天津市土地生態保護適宜性空間分布狀態（圖2）。

2.4.2 城市土地開發潛力評價（Land development suitability，LDS） 天津城市土地開發潛力評價主要基于城市建設成本和發展潛力考慮，選擇區位條件、地質條件以及人口密度和地均GDP等因子（表4），采用模糊評價方法［20］進行評價，最終分為高潛力、中潛力、低潛力和不適宜開發4個等級（圖3）。

2.4.3 城市土地利用空間配置方案的制定 以城市土地保護適宜性與開發潛力評價結果為基礎，對二者不同適宜性等級建立互斥性矩陣分類表，劃定綜合適宜性圖斑，并依據不同適宜性圖斑的優先發展順序，確定3個不同目標下的城市土地空間配置方案（圖4—6）。其中，方案1為經濟發展優先（Economic development first，EDF），除生態保護價值極高的林地、濕地外，首先考慮滿足城市開發建設需求；方案2為生態保護優先（Ecological protection first，EDF），除具高開發建設潛力的用地外，在考慮城市土地的生態保護價值的基礎上滿足城市開發建設需要；方案3為協調方案（Harmonious development，HD），即對城市經濟發展與生態保護進行統籌。

2.5 不同土地利用空間配置的景觀健康影響評價

2.5.1 評價指標體系與方法 研究中采用城市景觀健康指數定量評價不同土地空間配置方案的潛在生態環境影響。在此評價體系中，包括活力、組織結構和恢復力三個層次，其中活力指土地空間配置方案在社會經濟方面的建設效率和保障程度，主要采用適宜建設土地斑塊面積比和斑塊結合度兩項具體指標；組織結構主要指土地類型在景觀水平上的功能空間關系，這里選擇景觀形狀指數表示；恢復力是指土地空間配置方案在受到嚴重干擾和脅迫的作用后恢復到被破壞之前的功能和狀態的能力，在城市區域主要體現為生態功能斑塊生態功能的發揮程度，這里選擇適宜生態保護土地的斑塊結合度和最大斑塊指數表示。通過對上述指標進行加權運算，獲得不同土地空間配置方案的景觀健康綜合指數LHI。計算公式如下：

表2 耕地適宜性評價因素及指標Tab.2 Factors and indices of farm land suitability assessment

表3 其他用地生態敏感性評價因素及指標Tab.3 Factors and indices of eco-sensitivity assessment on other types of land use

表4 土地開發潛力評價因素及指標Tab.4 Factors and indices of land development potential assessment

2.5.2 不同方案下城市景觀健康狀況比較 根據不同方案的城市景觀健康綜合評價（表5），對于景觀組織結構而言，方案1景觀形狀指數最低，說明在方案1下城市土地利用類型間相互聯系最小，最不利于城市生態用地功能、效益向城鎮用地的滲透。對于景觀活力而言，方案2建設用地斑塊面積比重和斑塊結合度最小，說明在方案2下城市建設保障度和和建設效率最低，城市社會經濟建設的成本會明顯增加。對于景觀恢復力而言，方案3生態保護用地斑塊結合度和最大斑塊指數最大，說明方案3下城市土地空間配置更利于其生態功能的發揮。綜合評價不同土地空間配置方案的景觀健康指數，以方案3最高，方案2次之，而方案1最低，這說明若按照方案3進行城市土地開發建設，對城市未來景觀健康的影響最小。

表5 天津市土地空間配置方案的景觀健康評價Tab.5 Landscape healthy assessment on land spatial allocation scheme in Tianjin City

2.6 城市土地空間配置方案的選擇與優化策略

2.6.1 城市土地空間配置方案的選擇 根據Forman“集中與分散結合”的景觀生態規劃模式，優質的生態組分、合理的空間格局以及“最大化”生態功能是景觀生態規劃的基本原則［24］。從不同土地空間配置方案的景觀健康評價可知，協調發展方案雖然在景觀活力和組織結構方面稍劣于經濟發展優先方案和生態保護優先方案，但此方案的生態用地斑塊具有最大的斑塊指數和結合度，生態功能發揮程度與景觀恢復力極高，同時對未來城市景觀健康狀況的影響最小，因此協調發展方案可作為天津市域土地空間配置的首選方案，是未來城市土地利用功能分區的依據。

2.6.2 城市土地空間配置優化方案與策略 依據協調發展方案，結合土地利用現狀，進一步劃定天津市土地利用功能分區（圖7）：（1）生態保護區面積3176.40km2，占市域的26.65％，包括林地區、濕地保護區和基本農田保護區三個土地功能分區。此區嚴禁任何形式的開發建設活動，可用于科學研究等。（2）生態恢復區面積3690.14km2，占市域的30.97％，包括生態保護區周邊的環境敏感區與中度宜耕的一般農田區。此區允許進行旅游開發等低強度的設施建設，主要作為城市生態恢復區域，依據現狀條件進行植被恢復與重建。前兩區面積比合計57.62％，二者空間邊界可參考作為天津城市發展的生態控制底線。（3）控制建設區面積3082.35km2，占市域的25.86％，包括城市已建成區周邊的一般農田區和植被條件較好的產業建設區，此區原則上近期（2020年前）不進行大規模開發建設，遠期可作為城市發展備用地；為保留良好的生態基礎，若在此區開展建設活動需進行嚴格的可行性論證和生態環境影響評價，要控制建設規模與性質。（4）優先建設和優化建設區面積分別為1720.64km2和247.79km2，各占市域面積的14.44％和2.08％，此區包括生態基礎較差且開發建設潛力好的城鎮建設區和產業建設區，主要位于中心城區、近郊四區和濱海新區，可根據需要安排重大建設項目，盡量減少對現有生態系統的損害，同時加強城市綠地建設，改善城市生態環境。

3 結論與討論

本研究以天津市為例，探討了基于DPSIR模型的市域土地空間配置優化研究框架與定量分析方法。通過天津城市土地利用與社會經濟發展驅動機制分析、土地綜合適宜性和城市景觀健康評價，發現在經濟發展優先、生態保護優先和協調發展方案中，按照協調發展方案進行土地利用布局，對未來景觀健康影響最小，因此建議協調發展方案作為土地利用空間配置優化的首選方案，并據此劃分天津市域土地利用功能分區。

目前適宜性評價及分區是土地空間配置優化的基礎和有效手段，其評價指標、權重選擇與分區方法是亟需加強和深入的內容［9，14］。依據天津市案例分析可知，基于驅動力、壓力和狀態的分析方法，有助于研究者針對不同城市的土地利用特點選擇適宜性評價內容與指標，為合理構建評價體系提供了有效途徑；基于景觀健康的影響評價與響應分析方法，可在一定程度上量化土地空間配置方案的潛在生態影響，減少土地空間配置優化方案選擇中的人為主觀因素，為進一步劃定土地功能分區和制定分區管制原則提供科學依據。今后，如何進一步完善城市景觀健康評價指標體系，更加全面、客觀地反映土地空間配置對城市生態質量的影響，將是應用市域土地空間配置DPSIR優化模型時需要探索和思考的問題。

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