基于最小阻力模型的村域土地资源优化利用布局研究*构优化能够推动上述省份的农业产出增长。

毕庆生，裴贝贝，计忠飙，刘 鹏，蔡恩香

（河南农业大学资源与环境学院，郑州 450000）

0 引言

我国的乡村分布广、范围大、人口多，因此，乡村产业稳固发展、农民生活和谐幸福、农村生态环境优美，是我国长久稳定和可持续发展的基础[1]。然而，由于长期缺乏规划引导和约束，我国广大农村地区面临着空间开发秩序混乱，村庄布局规模普遍偏小且零散，国土资源利用效益低下，人居环境恶化，乡村发展内生动力不足等问题。因此，基于乡村自然资源本底条件，因地制宜地统筹生产、生活、生态功能区布局，优化乡村空间布局结构，实现土地资源多种功能区协调发展的国土空间格局，已成为构建人与自然和谐共生、实施乡村振兴战略、推动乡村可持续发展需要解决的重要问题。

关于土地资源空间布局优化问题，学者们开展了大量研究，并取得丰富的成果[2-15]。焦庚英等[2]采用景观格局指数法分析县域土地资源生产、生态和生活功能区的分布格局及其演变特征，同时采用冗余分析方法（RDA）对可能影响土地资源利用变化的社会经济因素进行分析，解析土地资源格局与功能演变的原因；张永蕾[3]等从空间异质性角度出发，利用多源空间数据，从栅格尺度上对同地类不同地块的功能进行评价，再通过空间自相关及三角坐标图分析乡镇尺度上土地资源利用功能的聚集性与协调度特征，为国土空间布局优化提供相关分区方案；徐雯雯等[6]将“双评价”作为基础工作，充分利用遥感监测成果、基础性地理国情监测成果和GIS空间分析技术，开展生态保护重要性、农业生产、城镇建设适宜性的集成评价，并采用“三维魔方”模型将其划分为生态、农业、城镇三类空间，最终通过与土地利用现状矢量数据叠加，揭示区域发展潜力及风险空间。然而，从现有的研究成果及其应用来看，在宏观尺度方面的研究成果较多，在乡村小尺度、精细化、可操作性方面的研究相对偏少；以居民点开发适宜性为内容的研究较多，通过空间重构实现土地资源功能区协调发展的研究较少；同时，研究成果中以中低分辨率的遥感解译数据源为主，对国家土地调查数据使用较少，研究成果和土地管理部门难以对接。因此，基于最新国家土地调查成果数据，通过构建土地资源利用功能分类指标体系，在土地适宜性评价基础上，优化国土资源空间布局，实现乡村土地资源利用协调发展，还需要进一步研究和探索。

文章以国家重点生态功能区——栾川县三川镇辖区内集中连片的4个行政村为研究对象，运用最小累积阻力模型（MCR）对域内土地资源利用功能进行适宜性分区，并结合用地现状制定土地利用优化策略，为当地土地资源布局和优化提供理论依据和指导，也为村域小尺度、精细化、可操作性土地利用规划编制提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 区域概况

研究区位于河南省洛阳市栾川县三川镇，地处豫西伏牛山区，距栾川县城约40km，属内陆深山区，也是南水北调中线工程丹江口水库水源地（图1）。研究区总体呈“四山夹三川”的地貌特征，涉及镇域辖区内柳子、小红、大红和火神庙共4个行政村，户籍人口为1.035 7万人，总面积4 213.71hm2，其中大红村1 377.85hm2，火神庙村1 393.14hm2，柳子村585.42hm2，小红村857.20hm2。区域森林覆盖率达87%，内有著名的红色旅游景点“抱犊寨”，景色秀丽，是旅游、休闲的好地方。当地的主导产业为旅游服务业、农业和农产品加工业，村民的收入也主要来源于这3个产业和外出务工收入。

图1 研究区地理区位图

研究区为深山区，人均耕地仅为0.033hm2（0.5亩），适宜耕作和适宜建设的土地资源有限。村庄沿川而建，在早期旅游业快速发展的推动下，村民居住用地快速扩张，住宅散乱分布在狭长的山沟之中，新村与老村并存，“一户多宅”现象突出。人均建设用地201.84㎡，超过150㎡国家指导标准，土地集约利用程度低，整治潜力较大。村庄建设用地面积不断扩张，侵占了大量耕地和生态用地，耕地和生态环境用地受到挤压，耕地资源减少、生态环境压力增大。

1.2 数据来源

该研究采用的原始数据来源于2019年底栾川县土地利用调查成果数据和栾川县社会经济统计资料，以及从农业、林业、水利等部门收集的生态红线及基本农田保护区范围、相关规划文本及行业技术规范、实地调查数据等。

1.3 研究思路

村域土地资源利用功能区是指根据土地功能划分的生产、生活和生态3类功能区。生产功能区是指以提供农产品为主要功能的农业生产用地以及农业土特产加工与矿产开采的工矿业生产用地区域，包括各类农业生产用地和工矿业生产用地；生活功能区是指居民点以及为农民提供生活服务的土地利用区域，包括村庄建设用地、村集体经营用地和其他生活设施用地等；生态功能区则是具有调节生态平衡、维持和保障生态安全功能的各类土地利用区域，包括林地、水域和其他生态用地等。

土地的适宜性是影响和决定乡村土地资源布局及其优化的基础因素。由于土地资源本身具有多宜性特征，使得各种用地空间彼此间存在扩张与压缩的“竞争”关系，最为典型的表现就是生活用地和生产用地不断挤压侵占生态用地，使得生态环境受到破坏，进而使得土地资源利用的布局和结构发生变化。这种扩张与压缩的竞争关系，会受到空间单元适宜性的影响。由于各空间单元对土地资源利用的适宜性程度不同，不同用地空间在扩张过程中受到的“阻力”也就不同，适宜性越好，则“阻力”越小，反之“阻力”就越大。借助MCR模型，通过构建阻力评价体系可模拟各类空间扩张过程中的“阻力”情况，通过比较不同类型空间扩张“阻力”大小，将研究区域划分为不同的土地资源利用功能适宜性分区。

1.4 最小累积阻力模型（MCR）及适宜性分区方法

最小累积阻力模型（MCR）是1992年由荷兰生态学家knaapen提出，表达的是生物物种由“源”点抵达“目标”所在地所需克服的阻力的最小值[16]。后经一些学者修正并用于农村居民点布局适宜性[17,18]及生态安全格局构建等[19-21]研究中。计算公式为：

式（1）中，MCR为最小累积阻力值；Dij表示物种从源地j到土地景观单元i的空间距离；Ri表示土地景观单元i对某种运动的阻力系数；f表示的是最小累积阻力与生态过程的正相关关系；表示源地j与单元i之间穿越所有单元的距离和阻力的累积；min表示单元i对于不同源均取累积阻力的最小值。

可将村庄建设用地视为村庄生活功能的“源”，林地和水域视为生态功能的“源”，以生态空间和生活空间两个扩张过程的最小累积阻力值的差值作为评价地块生态与建设适宜性的程度，公式为：

式（2）中，MCR生态为生态扩张最小累积阻力值；MCR生活为建设扩张最小累积阻力值；MCR差值为生态扩张最小累积阻力与建设扩张最小累积阻力的差值。

基于土地空间具有多用途适宜性特点，根据MCR差值的值，利用自然断点法，可将空间适宜性划分为不同分区。MCR差值越大越适合划为生活空间用地，MCR差值越小越适合划为生态空间用地。

2 结果与分析

2.1 村域土地资源利用功能类型识别

基于村域土地资源利用功能的定义和研究区域土地利用现状，该文以“三调”土地利用现状分类下的12个一级地类和28个二级地类为依据，根据各地类主体功能，将乡村土地资源划分为生产用地、生活用地和生态用地3种一级土地类型，以及农业生产用地、工矿业生产用地、村庄建设用地、集体经营用地、其他生活用地、林地生态用地、水域生态用地和其他生态用地等8种二级土地类型，构建研究区土地资源利用类型功能分类与识别体系（表1）。

表1 研究区村域空间要素识别与分类表

通过对研究区土地利用类型功能分类识别分析（图2），研究区内山地多平川少，土地可开发资源有限，主要以生态用地为主，占到总面积的80.11%，生产用地占比16.27%，生活用地占比3.62%。其中生活用地分布于坡度较平缓、立地条件优良的沟谷地带，呈点状集聚并散乱分布在川沟之中；生产用地分布在生活用地外围，呈条带状布局，且与生活用地无明显的界线，具有相互交融的特征；生态用地则分布于地势较高、坡度较陡的区域，生态覆被较好，布局较为集中，呈“环状”包围全域。

图2 2019年柳子村、火神庙村、小红村和大红村现状用地分类识别图

2.2 基于MCR模型的土地资源利用功能适宜性分区

2.1.1 扩张源的提取

根据MCR模型中“源”的概念，结合研究区土地利用类型实际特点，以研究区二级空间类型中村庄建设空间作为生活用地扩张“源”（简称生活源），面积为135.44hm2；选取林地、水域作为生态用地扩张“源”（简称生态源），面积为3 311.85hm2，如图3所示。通过生活用地和生态用地之间的扩张与压缩关系来研究村域土地资源利用功能的分区。

图3 2019年柳子村、火神庙村、小红村和大红村生活源地与生态源地分布

2.2.2 阻力面的构建

从自然环境、区位条件以及土地资源类型等方面选取7个阻力因子，构建同一阻力评价体系，对生态用地和生活用地两个扩张与压缩过程赋予相反的分值。参照相关文献资料[22-26]确定各阻力因子的分级及分值，并采用层次分析法确定权重，得到生活扩张阻力因子和生态扩张阻力因子及权重（表2）

表2 生活和生态扩张阻力因子及权重

将研究区域划分为10m×10m栅格单元，运用ArcGIS 10.7中叠加分析工具得到生活用地综合扩张阻力面和生态用地综合扩张阻力面，并通过成本距离构建生活、生态扩张过程的最小累积阻力面（图4）。

图4 2019年柳子村、火神庙村、小红村和大红村生活与生态用地扩张最小累积阻力面空间分布

2.2.3 基于MCR差值的土地资源利用功能适宜性分区

由于土地资源利用的多适宜性和多功能性，生产、生活和生态3类用地的划分往往没有绝对的界限，因此土地资源很难明确的划分为不同的土地利用类型分区。该文对评价单元的MCR差值取值利用自然断点法进行划分，结合与用地现状的吻合情况，参考相关研究成果[16]，将研究区域划分为生态保护区、限制开发区、后备开发区、优先开发区等4个区域。其中，生态保护区建设阻力值较高，生态服务价值潜力大，是生态环境优化的重要土地资源，应避免开展生产建设活动；限制开发区中建设阻力值显著降低，但仍不宜进行建设开发活动，可适当开展农业生产活动；后备开发区可建设阻力值较低，通过用地结构优化，可开展农业生产活动和布置村庄建设活动，但需要控制村庄建设用地规模无序扩张；优先开发区中建设阻力最小，为居民点用地的核心区，同时也是农业生产用地核心区，应协调好农业生产与生活活动用地间的关系。各分区MCR差值及分区特征见表3。

表3 研究区空间适宜性分区特征表

2.2.4 土地资源利用功能适宜性分区结果与分析

通过统计各适宜性分区面积（表4），生态保护区1 757.98hm2，占比为41.71%，此类区域属于生态空间的源区，远离生活区，不易受外界干扰，生态稳定性较高；限制开发区面积1 209.14hm2，占比28.70%，此类区域内生态覆被较好，生态质量提升空间大，一般不适宜开展建设或生产活动；后备开发区面积为988.74hm2，占比为23.46%，此类区域阻力差值接近0值，该区域内在建设开发与生态保护间存在多宜性，按照生态优先原则，应开展对生态环境有涵养作用的农业生产活动；优先开发区面积为257.86 hm2，占比为6.13%，规模偏小且阻力差值区间均为正值，区域内地势平坦、开阔，距离道路较近，建设适宜性较好，目前是村民生活的主要聚集地，同样也是农业生产活动的主要区域。

表4 2019年柳子村、火神庙村、小红村和大红村适宜性分区面积分布

研究区内适宜性4种类型分区呈圈层分布（图5），从中心向外部扩展，逐步由建设开发空间向生态保障空间过渡，这与研究区的自然本底条件相吻合，也符合区域现状发展的基础。其中生态保护区多处于深山区，区域内森林覆盖率高、海拔高且坡陡，分布于研究区外围；限制开发区处于与生活生产等空间直接关联的区域，区域内林草资源丰富，面积占比大，分布较为集中；后备开发区、优先开发区分布于山地沟谷区域，沿河沿路分布，地势平坦，呈条带状集中连片，空间布局规整有序。

图5 2019年柳子村、火神庙村、小红村和大红村“三生空间”适宜性评价结果

2.3 土地资源优化策略

土地资源空间布局优化策略，是以土地资源利用功能适宜性特征为基础的，按照“生态优先、绿色发展”“水源地保护”以及“集约节约”和“尊重现实”的原则，协调生态、生产和生活用地布局，以提高土地利用效率，保障土地功能适宜性的主导作用，构建和谐的土地资源利用格局。

根据MCR模型划定的阻力类型分区，结合土地资源利用功能区现状分类结果，按照土地资源利用功能区优化原则，制定土地资源空间布局优化策略（表5）。生态保护区用地主要分布在距离村庄及道路较远的区域，地势较陡，现状用地主要为林地、耕地和草地，不适宜于农业生产与居民生活活动，因此此类区域内的各类现状用地全部调整为生态用地；限制开发区用地现状中存在一定程度的农业生产用地和生活建设用地，考虑到景观生态易受到人为活动的影响，以及农业生产具有生态和生产双重功能的特点，通过改变农业生产模式，在不影响生态环境的情况下，将此类区域内的村庄建设用地、集体经营用地、其他生活用地及其他生态用地调整为农业生产用地，其他类型的生态用地和生产用地维持不变；后备开发区、优先开发区建设适宜性较好，是村民生活的主要聚集地，同样也是农业生产活动的优质区域，主要以生产与生活双重功能为主，兼具部分生态用地的功能，结合实际情况，可将其他生态用地调整为农业生产用地；后备开发区的工矿生产用地调整为农业生产用地，其他用地现状维持不变。

表5 2019年柳子村、火神庙村、小红村和大红村土地资源优化策略

2.4 优化结果

将MCR模型模拟分区结果与土地资源利用现状进行叠加，对比二者情况可以看出，生态保护区内存在零星的农业生产用地及生活用地；限制开发区内存在一定程度的农业生产用地和一定量生活用地；后备开发区则主要以生产与生态用地为主，兼具部分生活活动用地功能；优先开发区是村民生活的主要聚集地，同样也是农业生产活动的主要区域。结果见表6和图6。从结果可以看出，模拟划定的土地资源利用功能区域空间分布呈现明显的圈层结构，并与当地的自然条件、区位条件高度吻合。

表6 2019年柳子村、火神庙村、小红村和大红村土地资源利用现状与阻力类型分区对照表 hm2

按照优化策略进行优化调整后，各类土地资源用途调整结果见表7。优化后的生态用地面积有所增加，而生产和生活用地面积有所减少。生态用地现状为3 375.47hm2，优化后为3 412.35hm2，增加了36.89hm2；生活用地现状为152.73hm2，优化后为144.87hm2，减少了7.86hm2；生产用地综合减少29.03hm2，其中农业生产用地面积由现状的629.19hm2增加到649.30hm2，增加了20.11hm2，而工矿用地由现状的56.33hm2减少到7.19hm2，减少了49.14hm2；生活用地减少面积主要为零星分散的村庄建设用地，距离中心村较远，人口少，已不适宜居民生活活动，工矿用地减少主要是部分采矿活动已停采多年的工矿用地的复垦和生态修复。

表7 2019年柳子村、火神庙村、小红村和大红村土地资源利用功能布局优化结果 hm2

相比现状土地资源利用格局，优化后的土地资源利用分布呈现明显的集聚特征，土地资源布局的整体性和联通性明显提高，优化了生态用地空间格局，提高了农业生产用地集中连片度，规整了村庄建设用地，有利于村庄土地资源的高效集约利用（图6）。

图6 2019年柳子村、火神庙村、小红村和大红村优化后土地资源分布图

3 结论与讨论

科学地进行乡村土地资源空间布局优化是实现国土空间资源精细化管理，推动乡村振兴，加快乡村产业发展的重要保证。该研究以村域为解析尺度，运用MCR最小阻力模型法对域内土地资源利用功能适宜性进行分区，并按照“生态优先、绿色发展”、“水源地保护”，以及“集约节约”和“尊重现实”的原则，制定国土资源布局优化策略，对研究区土地资源空间布局进行科学优化。结果表明如下。

（1）基于MCR模型方法可将研究区国土资源空间适宜性划分为4种类型分区，即生态保护区、限制开发区、后备开发区、优先开发区。对比模拟分区结果与土地利用现状可以看出，二者的契合度很高，并且模拟分区具有明显的圈层结构。划定的土地资源利用功能区域空间分布与当地的自然条件、区位条件吻合程度高，可为村域土地资源合理规划、协调发展，为土地利用实现“宜农则农”“宜林则林”提供理论指导。

（2）研究区实证分析显示：在土地利用空间布局方面的主要问题是土地利用现状与其适宜性之间的矛盾。按照“生态优先”原则，将生产空间内碎片化的农用地、生产空间内采矿用地及生活空间零星建设用地等优化为生态发展用地和对生态环境具有涵养作用的农业发展用地。在尊重客观现实的情况下，相比研究区现状，优化后的生活用地和工矿用地面积分别减少了7.86hm2和49.14hm2，农业生产用地和生态用地面积分别增加了20.11hm2和36.89hm2。实现了农业生产用地集中连片，生活用地有效整合，生态用地得到保障的要求，解决了区域用地零星化、破碎化的空间布局问题，促进土地资源利用功能区协调发展，实现村域土地资源空间布局的科学优化。研究结果可为研究区村庄国土空间规划编制提供参考。

（3）乡村土地资源利用功能分区的基本目的是进行土地资源的合理布局和配置，基础依据是土地的适宜性。由于土地的多适宜性特征，基于土地适宜性的MCR模型模拟空间分区会受到土地利用类型识别的影响。尤其是生态空间的划分标准还存在一定的模糊性，尚不能构建严格统一的控制标准。如该研究分类体系中把经济林地、荒草地及果木园地识别为生态空间，这部分用地原为农业生产用地，由于近年来撂荒导致耕地向林、草用地转变，在进行划定时确定为生态功能用地空间，这对土地资源利用功能的最后划定会造成一定影响。

（4）该研究选取能够在空间上进行差异化显示的因素作为适宜性分区的评价指标，但缺乏区域经济社会发展等实际需求的考虑。不同的经济社会发展阶段就会有不同的土地土资源布局需求，因此也就有不同的优化策略。如何进一步将区域经济发展需求落到土地资源上，实现全要素、多方位的空间优化，还需要进一步探索和研究。