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2021 , Vol. 36 >Issue 9: 2308 - 2319

DOI: https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20210910

Construction of the Territorial Space Security Planning System

Application of coupling method of eco-socioeconomic system in national territory spatial ecological restorationplanning system of counties:A case study of Weiyuan county

  • YANG Pei-feng 1 ,
  • JIAO Ze-fei , 2
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  • 1. School of Architecture and Urban Planning, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China
  • 2. Key Laboratory of Mountain Town Construction and New Technology, Ministry of Education, College of Architectural Planning, Chongqing University, Chongqing 400045, China

Received date: 2020-07-09

  Request revised date: 2020-11-01

  Online published: 2021-11-28

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Copyright reserved © 2021.
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Abstract

With the transformation brought by the renewal and reform of territorial space planning, the improvement of the value of territorial ecological space, the construction of security pattern and the integrated development of multiple elements are becoming more and more important. The establishment of the national territory development planning system is the great ecological significance, and ecological priority is the core value of the formation of the national territory development planning system. Among them, the ecological restoration planning at the county level is an important part of the current national territory development planning. This study takes the land space of Weiyuan county, Sichuan as the research object, analyzes its serious problems of ecological resources destruction, ecosystem disruption, and low ecological efficiency in the background of industrialization and urbanization. It is pointed out that the construction of ecological security pattern is the goal orientation of national territory ecological restoration planning, and the evaluation index system of coupling degree is constructed by using the coupling method of eco-socioeconomic system. From the three aspects of the restoration of ecological elements, the optimization of ecological structure and the promotion of ecosystem value, combined with the typical ecological engineering technology, the ecological restoration security pattern composed of point, line and area is constructed, and the countermeasures of ecological management and restoration are proposed. The results show that: (1) The ecological restoration planning of counties has the characteristics of multi-level objectives, system complexity and diversity of approaches, and the response planning countermeasures can be put forward from the macro, meso and micro levels. (2) The coupling degree of eco-socioeconomic system in Weiyuan fluctuates between 0.457 and 0.497, and the ecosystem and socioeconomic system are now in an antagonistic period and have a development trend in the running-in period. (3) According to the calculation results of coupling degree, comprehensive efficacy and index influence degree, the overall pattern of ecological restoration of "multi-corridor and multi-point, two veins and two rings, one screen and two areas" can be constructed. The study puts forward the special planning methods and practical application of ecological restoration at the county scale, which can provide new ideas and methods for the current national territory spatial ecological restoration planning system of counties.

Key words： eco-sociosystem; county; ecological restoration of territorial space; Weiyuan county

Cite this article

YANG Pei-feng , JIAO Ze-fei . Application of coupling method of eco-socioeconomic system in national territory spatial ecological restorationplanning system of counties:A case study of Weiyuan county[J]. JOURNAL OF NATURAL RESOURCES, 2021 , 36(9) : 2308 -2319 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20210910

随着国土空间规划改革带来的转变,生态空间价值已变为国土空间规划体系构建的核心价值观[1,2],生态安全已是构建国土空间安全的重要一环。在此背景下国土空间生态专题研究,已从传统单一元素修复转变为国土生态空间安全格局构建及融合发展[3,4]。
与传统生态修复对比,国土空间生态修复在原有基础上具有修复规模大、范围广、时间长、内容多、涉及技术庞杂等特点,县域作为国土空间规划体系基石,其空间属性更具战略性与实践性。在20世纪90年代,大量资源丰富的县城投身城镇化建设热潮,牺牲了生态空间导致生境割裂呈破碎化、生态系统服务功能衰退等问题出现[5]。21世纪以来,国家虽然开展了系列生态建设工程,但县域因生态优先信念不足、规划部门条块分割、无相应生态修复规划参照等现实困境,生态环境处于无对策、无管理、无治理的停滞状态。同时在国土空间规划分支下,生态修复专项规划逐渐起步,但县域层面的研究依然关注度不高。
修复路径作为国土空间生态安全格局构建的关键[6],当下有大量学者开展相关研究。有国外学者从规划体系构建、过程动力机制等角度研究生态修复成效[7,8],中国学者则多数从经济、社会等角度切入[9],从指标体系构建角度来看,有耦合协调度评价指标体系、县域生态及经济系统耦合研究等[10,11];从路径研究角度可分为机器学习、空间模拟、预案研究等空间技术方式[12,13],综上可看出系统综合研究是总体趋势。当下,系统耦合研究方法与国土空间生态修复核心观点契合,可适用于通过研究生态与社会经济系统耦合的关联性[14],进行城镇区域生态安全格局变化分析与趋势预测,具有极大发展潜力。但目前来看,现有研究较少将系统耦合方法与国土空间生态修复结合分析,忽视了区域生态空间结构在生态系统与社会经济系统耦合下发生的“斑块—廊道—基质”的空间结构耦合过程及异质性空间动态变化。
威远县隶属于四川省内江市（图1）,在人文及自然资源共存的县城中具有代表性。城市由于过度开发,导致生态空间被严重破坏,生态修复工作开展迫在眉睫。基于此,本文在了解国内外国土空间生态修复研究基础上,选择威远县为分析对象,采用生态—社会经济系统耦合方法构筑耦合度评价指标体系,结合系统耦合度及系统耦合空间的时空格局分析,从要素修复、结构优化、系统价值提升的角度提出生态修复对策,为县域尺度生态修复专项规划方法和实践运用提供参考,同时也为县域国土空间生态修复规划编制提供新的思路和方法。
图1 威远县概况图

Fig. 1 Synoptic chart of Weiyuan county

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

威远县幅员面积1289.56 km²,境内生态、人文资源丰富。自然生态资源特征突出,其穹窿山体地貌面积为世界最大。同时县域历史人文资源丰饶,拥有规模罕见的90余座依山而建的古寨及近40处人文古迹。在大量工业区停摆之后,县内还有威远煤矿、川威集团等多处工业遗产。县域依赖资源产业特征明显,古代至工业发展时期持续有炼铁、铸钢等矿产开采活动,截至2019年工矿开采地已有1309处。随着城市发展,生态系统严重受损,导致系统自修复能力降低,生态风险如滑坡、泥石流等自然灾害频发。目前,林地割裂、土壤污染、矿山过度开采是县域面临的三大生态难题。

1.2 研究方法

1.2.1 生态—社会经济系统耦合关系分析
县域生态修复过程关系到生态系统与社会经济系统,本文通过构筑生态—社会经济系统耦合评价指标体系,从生态要素修复、生态结构优化、生态系统价值提升等角度研究在社会经济系统作用下的耦合生态系统（简称为“生态—社会系统”）,论证耦合系统存在相互影响与制约的耦合机制（图2）。
图2 生态与社会经济系统耦合关系

Fig. 2 Coupling relationship of eco-sociosystem coupling relationship

1.2.2 生态—社会系统评价指标体系构建
基于县域国土空间生态修复需要研究的山水林田湖等生态、社会经济要素的实际内容,结合对方恺等[15]、刘耀彬等[16]的研究成果参考,对子系统进行指标选取,尽可能构建准确的耦合系统指标体系。生态系统指标反映县域生态环境和生态服务发展状况,选择了土地覆盖指数、植被覆盖率、水面率等九类;社会经济系统评价则选择了城市化率、人口增长率等五类。最终采用层次分析法及熵权法结合的方法进行取值得到生态—社会系统的指标权重（表1）。
Table 1 Evaluation index system of coupling degree of eco-sociosystem
子系统 指标 权重
生态 土地覆盖指数A1 0.121
工业用地面积比A2 0.121
林草业用地面积比A3 0.022
水面率A4 0.028
湿地面积比A5 0.028
地形起伏指数A6 0.021
植被覆盖率A7 0.136
人均公园绿地面积A8 0.026
土地退化指数A9 0.148
社会经济 人口增长率B1 0.056
GDP增长率B2 0.074
第三产业产值增长率B3 0.069
第二产业产值增长率B4 0.065
城市化率B5 0.086

1.3 子系统综合功效及系统耦合度分析

1.3.1 功效函数计算
由于生态—社会系统中指标数值正负方向不定,使用前需对指标正向化处理。本文采用倒数变换法对逆向指标进行正向化处理,其功效系数dij计算公式为：
正指标 d ij = ( x ij - x ij MIN ) x ij MAX - x ij MIN
负指标 d ij = ( x ij MAX - x ij ) x ij MAX - x ij MIN
式中：dij为系统i指标j的功效系数,反映目标达成的满意程度,0≤dij≤1;xij为系统i指标j的值;xijMAX、xijMIN分别为系统i指标j的最大值、最小值。
1.3.2 子系统综合功效分析
子系统指标对子系统的贡献度用子系统综合功效来表示。计算方法为结合生态—社会系统耦合度评价指标体系权重乘以功效函数,再结合集成方法实现子系统综合功效评价,其计算公式为：
U i = ∑ j = 1 n W ij × d ij
式中：Ui为子系统i的子系统综合功效指数;Wij为子系统i指标j的评价权重,0≤Wij≤1, ∑Wij=1, j=1, 2, …, n（n ≤10）;n是指标个数（个）。
1.3.3 系统耦合度分析
根据物理学中的容量耦合（Capacitive Coupling）概念及容量耦合系数模型,可推广得到多系统相互耦合度模型。由此,可以推算出生态—社会系统的耦合度模型为：
C = U A × U B U A + U B U A + U B
式中：C为耦合度;UA、UB为社会经济系统和生态系统的子系统综合功效。耦合度的大小代表生态系统与社会经济系统耦合的强弱程度,一般将耦合程度划分为6个等级（表2）。
表2 生态—社会系统耦合度分类及耦合等级

Table 2 Classification and characteristics of the coupling of eco-sociosystem

耦合度取值 耦合等级 耦合特征
C=0 最小耦合 系统之间或内部要素之间为无关状态,系统将无序发展
0<C≤0.3 低水平耦合 经济发展水平低,生态系统承载力强
0.3<C≤0.5 拮抗 经济进入快速发展时期,生态承载力下降
0.5<C≤0.8 磨合 经济与生态开始出现良性共振
0.8<C<1 高水平耦合 社会经济与生态相互促进
C=1 最大耦合 耦合度最大,系统之间或系统内部要素之间达到共振耦合,系统趋向新有序结构

1.4 空间结构变化分析

经系统耦合度定量分析,以景观生态学与芝加哥学派理论为基础,桥接自然与人文系统的空间演变过程,以反映出威远县耦合后空间结构各阶段呈现出的“斑块—廊道—基质”空间格局,最终识别得到重要待修复的生态斑块、廊道和基质（表3）。基于目前不存在耦合度为0或1的理想个体,所以本文分析低水平耦合、拮抗、磨合及高水平磨合等级。由表3可知,低水平耦合时,生态空间尚且完整,社会经济消极影响使系统耦合空间出现被如高速公路等基础设施割裂趋势;拮抗阶段时,生态空间基质割裂,社会经济负面空间影响激增,系统耦合空间出现如矿山开发等破损点分散分布趋势;磨合阶段时,生态空间已高度破碎化,社会经济开始正面影响,通过人工干预对生态要素开展生态重建使系统耦合空间呈点状修复状态;到高水平耦合时期时,生态空间连通性增强,社会经济正面影响趋于平缓,系统耦合空间最终呈现出新型区域“斑块—廊道—基质”空间结构。
表3 基于耦合等级的生态—社会系统及子系统空间结构变化分析

Table 3 Analysis of the spatial structure change of eco-sociosystem and subsystems based on coupling level

耦合等级 生态系统空间结构 生态—社会系统空间结构 社会经济系统结构 空间变化特征
低水平耦合时期
（0<C≤0.3）		 系统耦合空间被必要基础设施建设,呈割裂趋势
拮抗时期
（0.3<C≤0.5）		 系统耦合空间被大量建设性破坏,呈破碎化趋势
磨合时期
（0.5<C≤0.8）		 系统耦合空间被强人工干预修复,呈点状修复趋势
高水平磨合时期
（0.8<C<1）		 系统耦合空间结合宏观调控,出现新型生态系统“斑块—廊道—基质”
趋势

1.5 数据来源

本文使用威远县的生态系统数据来源主要为2010—2018年的水系、山体、林地、废弃地、遥感影像、数值高程模型数据等矢量地图,社会经济指标来源于统计年鉴、环保、农业、气象、林业等相关部门提供的数据及现状调研数据。

2 结果分析

2.1 评价结果

2.1.1 生态—社会系统耦合度变化
根据研究方法,将威远县水系、林地等数据代入对应生态、社会系统的指标体系运算后,得出系统耦合度和子系统综合功效。从图3可知,系统耦合度C在0.457~0.497之间浮动,说明县域目前处于拮抗时期,城市经济发展负面影响大,系统耦合空间结构趋向破碎化发展。从走势角度可知,2010—2015年阶段变化平稳,工业停摆后的生态修复措施未有效对接;从2015年的最低谷趋势上扬开始向磨合时期发展。综合来看,生态—社会系统的耦合空间结构近十年变化较平稳,有从破碎化向点状修复带动斑块连接度上升的转变趋势,论证了开展县域生态修复的必要性,后期规划实施构建以自然修复为主,生态效益、社会效益、经济效益共生发展的县域生态修复格局。
图3 2010—2018年威远县生态—社会系统耦合度时序变化

Fig. 3 Variation of coupling degree of eco-sociosystem in Weiyuan county in 2010-2018

2.1.2 子系统综合功效变化
根据子系统综合功效数值与系统稳定度之间的关系,从图4可将生态系统指标分为积极、限制与稳定三类影响程度（图4）。积极影响对生态系统综合指数变化呈同向性,包括土地覆盖指数、植被覆盖率、人均公园绿地面积和林业用地面积比,后期加强对其生态廊道、土地安全格局与植被生境格局等优化可提升生态系统稳定能力。相反,工业用地面积比、土地退化指数对生态系统综合指数变化有限制影响,后期需重视土壤侵蚀安全格局及水土流失安全格局。最后水面率、湿地面积比、地形起伏指数为稳定影响,对生态自修复能力下降有明显缓冲。总体后期规划应以水要素为基础,串联山体、水系、林地、废弃地、公园绿地的生态修复格局,以长远自然修复为主,着力提高森林覆盖率、增强公园面积的斑块及廊道修复,以重点人工干预快速推进废弃地修复为突破口。其次从图5可知人口增长率、GDP增长率与第三产业产值增长率与子系统综合功效呈现同步性,可得出威远县未来应加强第三产业规划人文及生态景观品质优化格局,促进系统耦合程度向有序化发展。
图4 2010—2018年威远县生态系统指标及综合指数时序变化

Fig. 4 Variation of index and composite index of the ecosystem in Weiyuan county in 2010-2018

图5 2010—2018年威远县社会经济系统指标及综合指数时序变化

Fig. 5 Variation of index and composite index of the socioeconomic system in Weiyuan county in 2010-2018

2.1.3 生态—社会系统及子系统的空间结构变化
以三年为时间单元对数据进行MSPA、ARCGIS等技术处理,提取出生态要素图斑。从图6看出,耦合空间分析结果与耦合度数据结果相互佐证威远县耦合系统空间结构破碎化由严重到稍缓的变化历程。在2010—2012年可看出聚落用地加速拓展,农田、林地、湿地等空间结构被破坏,工业发展侵占农田现象依存,破碎化加剧。2013—2015年间土地污染面积、废弃地面积扩大,区域生态服务功能已负荷运转;工业发展明显减速,第三产业引发生态关注,总体系统耦合生态空间被侵占现象增速放缓但未得到明显缓解。2016—2018年间,局部修复靠近水源地及城镇的废弃地斑块连接度提升,系统耦合空间依旧存在生态廊道、生态节点、生态屏障的建设滞后问题。综上可看出,后期生态格局构建应重视对生态因子的修复、生态空间“斑—廊—基”结构优化及人文与生态系统的有机融合发展。
图6 基于耦合等级的社会—生态系统及子系统空间结构分析

Fig. 6 The spatial structure of socio-ecosystem and its subsystem based on coupling level

从空间分析中提取生态阻点、受损廊道及基质,叠加人文及生态价值点构成县域生态—社会系统整体现受损生态格局（图7）,可看出穹窿地貌边界完整性遭破坏严重,整体空间被灰色基础设施将空间斜十字状割裂;北部山体受损被破坏,地质灾害点多,存在较多地质隐患;南部空间植物覆盖的大型生态斑块几乎不存在,建设空间和城市基础设施周边的林地覆盖相对不足;城镇建设周边空间以及道路、水系两侧,城市废弃地往往形成城市水土流失点。
图7 威远县生态—系统整体现受损生态格局

Fig. 7 Damaged ecological pattern of eco-sociosystem in Weiyuan county

2.2 生态修复格局与对策建议

国土空间生态修复是一项生命共同体系统工程,需要生态环境、社会发展、公众参与等共同协作。本文根据生态系统和社会经济系统的耦合度及子系统综合功效分析,对现状生态安全格局进行判断;再以子系统指标及子系统综合功效结果为依据,确定各影响程度因子修复方式;最后以水为脉,建设生态廊道串联山体、水系、林地、农田、城镇五大空间,从核心空间到系统格局,构建县域“点（节点）—线（脉络）—面（区域）”的“N+5+3”生态修复总体格局,实现从生态修复到整体系统价值提升。
2.2.1 生态—社会系统的人文及生态景观价值可持续性提升
当生态—社会系统价值可持续性提升,表示子系统之间已到良性共振耦合状态,系统从无序转型为有序结构,形成人地和谐共生的县域生态安全格局。因此,需对人类活动与生态修复融合,从而提升人文生态景观系统价值。首先在县域层面串联湿地、绿道和交通构建滨水绿道基础上,结合山体、林地空间节点形成县域游览体系,形成穹隆地貌游憩绿环。其次城区层面依托山体景观、水系、林道等空间增加城市观景点,结合郊野游憩绿道串联构建中心城区山体公园带,打通城市内外生态廊道连通性,构建城镇绿楔步道综合网络。
2.2.2 “生态节点—生态脉络—功能区”的人地耦合网络格局优化
提出“点—线—面”的生态节点—生态脉络—功能提升区的“N+5+3”人地耦合格局（图8）。首先,对N个生态节点如灌溉水源地、湿地空间等形成多点联动,开展开源、节水、郊野公园建设等生态修复工程;其次对生态廊道如水流汇流路径、蓄洪区泄洪径流、蓝绿融合廊道等进行融合构建5条生态脉络,如山水生态保育脉、人工生态提质脉等;最后构建三片功能区——依托南部丘陵的生态功能提升区、穹隆山体生态功能提升区及穹窿地貌生态保育屏障,承担县域穹窿与丘陵地貌的生态修复功能与南北部的生态保育功能。
图8 威远县“N+5+3”生态修复总体格局

Fig. 8 "N+5+3" overall structure of ecological restoration in Weiyuan county

2.2.3 生态要素因子按照影响等级分类修复
将生态要素修复分为稳定保护、宏观调控及人工干预方式。稳定保护方式侧重于保护,针对于河流水系、湿地及山体。河流水系进行分区分级分类精细化管控,根据水系地质情况分为水源涵养区、水体净化区,再细分为河道景观、防灾、排涝等多层级,通过增植植被、建设水源涵养区;湿地结合污水处理厂、关键性水库规划建设分级湿地空间;分时序对山体采取严保护、轻利用的手段修复措施。
宏观调控方式采取人工低程度参与增加生态植被、公园绿地,同时加强林地统筹。根据裸露山体坡度采取乔木种植、挂网喷播等复绿措施;结合现有生态资源如两母山构建国家级地质公园、地质公园、森林公园等县域公园建设;划定林地生态保育类型为水土保持林、水源涵养林、环境保护林、风景林、用材林及原始森林六类,开展工程造林、封山育林、森林综合培育等育林工程。
人工干预方式采取人工强干预的方式减缓土壤侵蚀、修复废弃地及防御次生灾害。通过基质改良、植被恢复的方式进行生态重构;构建规划时序按照5 km、10 km和 15 km开展废弃地修复,提升废弃地生态质量;结合边坡加固、清除危石、降坡削坡等方式,将未形成台阶的悬崖尽量构成水平台阶,以消除崩塌、泥石流和滑坡隐患。

3 结论与讨论

3.1 结论

县域国土生态空间是多元、复杂的生态系统,规划对策应多等级性、途径多样化性与复合性。本文以威远县为例,采用文献综述法梳理了生态价值及对策,结合生态系统耦合理论,将生态系统与社会经济系统进行系统耦合度解析,构建生态—社会经济系统耦合度评价体系,计算系统耦合度、子系统综合功效及指标影响度分析,得出县域生态修复方向,再从生态因子修复、生态修复格局构建、系统价值提升三个层级提出管控修复对策。研究发现：
（1）国土生态空间可用系统耦合方法量化其空间动态变化历程。通过对县域山体、水系、森林覆盖率等生态系统指标及GDP增长率、城镇化率等经济社会系统指标选取,构建生态—社会系统指标评价体系,判断其生态—社会系统目前处于拮抗耦合时期,生态环境空间破碎化,社会经济发展对生态系统产生负空间效应。
（2）景观生态学可结合系统耦合度分析复合系统综合作用下的国土生态空间格局时空变化过程。将县域国土生态空间格局看作小尺度斑块、大尺度景观镶嵌体与社会经济环境影响因素共同作用构成,分析出2010—2018年间县域国土生态空间格局从建设性破坏造成的生境破碎再转向点状修复,科学预测出未来空间方向为点状修复连通原破碎空间,结合人文建设空间构建新型生态—社会经济系统的“斑块—廊道—基质”生态空间结构。
（3）结合耦合度、子系统综合功效、指标影响度计算及空间分析结果,提出从宏观层面上由社会经济发展引导生态空间管控统筹,构建系统良性耦合的空间结构,进行生态及人文价值可持续化发展建设;中观层面上侧重通过斑块修复及廊道建设提升生态集聚性与连通性,结合人文资源点构建“多廊多点,两脉两环,一屏两区”的总体空间网络结构;微观层面上注重生态因子修复规划对策的落点与方法选择,根据其影响度进行精准修复。

3.2 讨论

区域生态修复不仅是解决原有生态环境历史性遗留问题,更是实现人地系统和谐共生的途径。其修复过程中主要矛盾是社会经济发展与生态保护的冲突,只有通过源头解决、空间优化、技术协同的复合型途径,才能实现稳定、可持续、系统性的生态安全格局。县级城市解决矛盾的关键为找到矛盾根源,以目标为导向探索可持续的生态与经济和谐共生发展模式,确保生态保护与经济发展的均衡。
本文基于县域生态现实困境出发,以威远县为研究区,建立系统耦合度评价体系并进行耦合空间分析,构建“点—线—面”的生态修复格局,提出相应对策。本文可为识别县域层面生态与城市发展的矛盾、开展生态修复规划编制提供参考,同时可为探索生态修复规划范式提供思路借鉴。本文也存在一定不足：实例案例过少导致缺少普遍性,应多用于研究对象以得到多数县域能够参考的生态修复模式;受数据获取限制,本文评价指标体系指标选取难以覆盖所有。但由于今后智能时代因手机信令、POI等实时动态大数据能够真实、直观反映出人类社会经济活动,应将其作为社会经济系统重要指标纳入生态—社会经济系统耦合度评价体系中。

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