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2021 , Vol. 41 >Issue 1: 181 - 190

DOI: https://doi.org/10.15957/j.cnki.jjdl.2021.01.021

三农、土地与生态

生态脆弱贫困区土地利用多功能权衡/协同格局演变与优化分区——以张家口市为例

  • 刘超 , 1, 2 ,
  • 许月卿 , 2, 3, ※ ,
  • 卢新海 1
展开
  • 1.华中师范大学 公共管理学院，中国湖北 武汉 430079
  • 2.中国农业大学 土地科学与技术学院，中国 北京 100193
  • 3.自然资源部 农用地质量与监控重点实验室，中国 北京 100193
※许月卿（1972—），女，河北定州人，副教授，主要研究方向为土地变化与可持续利用、土地利用多功能等。E-mail：

刘超（1990—），男，河北唐山人，博士，讲师，主要研究方向为土地多功能与可持续利用、乡村发展转型与规划等。E-mail：

收稿日期: 2020-01-29

  修回日期: 2020-09-24

  网络出版日期: 2025-04-23

基金资助

国家自然科学基金项目(41971238)

国家自然科学基金项目(71673096)

华中师范大学中央高校基本科研业务费项目(CCNU20XJ020)

收起

Spatio-Temporal Evolution and Optimization Regionalization of Trade-off and Synergy of Land Use Functions in Ecologically Fragile and Poverty Areas： A Case Study of Zhangjiakou City

  • LIU Chao , 1, 2 ,
  • XU Yueqing , 2, 3, ※ ,
  • LU Xinhai 1
Expand
  • 1. College of Public Administration，Central China Normal University，Wuhan 430079，Hubei，China
  • 2. College of Land Science and Technology，China Agricultural University，Beijing 100193，China
  • 3. Key Laboratory for Agricultural Land Quality，Monitoring and Control，Ministry of Natural Resources，Beijing 100193，China

Received date: 2020-01-29

  Revised date: 2020-09-24

  Online published: 2025-04-23

Fold

摘要

土地利用功能之间存在复杂的权衡与协同关系，协调好生态脆弱贫困区土地利用功能冲突问题是服务生态文明建设、国土空间优化开发的重要价值体现。文章以张家口市为研究区域，从经济、社会和生态三个维度构建土地利用功能分类与指标体系，融合多源数据，采用综合评价法、双变量空间自相关法、面积占优法等测度1990—2015年土地利用功能及其权衡/协同关系演变特征。基于此，划分土地利用功能区，提出相应的优化路径。结果表明，土地利用经济与社会功能以协同型关系为主，多发生在中部洋河谷地和东部山区。生态与经济功能的权衡型与协同型关系交替居于主导地位，生态与社会功能由协同型关系转为权衡型关系为主导。生态与经济功能及与社会功能权衡型关系主要分布在中部洋河谷地和东部山区，协同型关系多发生在坝上高原。将张家口市国土空间划分为生态保护区应以保护生态为主；城镇发展核心区应以优化产业布局和城镇体系为主；城乡优化发展区应以发展都市农业、建设特色小城镇为主；农业生产区应以发展生态特色农业为主。

关键词： 土地利用多功能; 权衡/协同; 优化分区; 生态脆弱贫困区; 张家口市

本文引用格式

刘超 , 许月卿 , 卢新海 . 生态脆弱贫困区土地利用多功能权衡/协同格局演变与优化分区——以张家口市为例[J]. 经济地理, 2021 , 41(1) : 181 -190 . DOI: 10.15957/j.cnki.jjdl.2021.01.021

Abstract

It exists the extremely complex trade-off and synergy relationships on land use functions (LUFs). Coordinating the conflict of LUFs in ecologically fragile and poverty areas plays an important role in serving ecological civilization construction and territorial space optimization. Taking Zhangjiakou City in Hebei Province as research area and based on multi-source data,this study establishes LUFs classification and index system from "economy-society-ecology" dimensions,measures LUFs and their trade-offs & synergy relationship characteristics from 1990 to 2015 adopting the comprehensive evaluation method,bivariate spatial autocorrelation method and area predominance method. Based on the above,this paper makes out the land use function zonings and proposes corresponding optimization paths. The results show that,in 1990-2015,the relationship between land use economic and social functions were mainly synergistic,which mainly occurred in the Yanghe valley and eastern mountains. As for economic and ecological functions,the trade-offs relationship was dominant in 1990 and 2015; while the synergistic relationship was dominant in 2000. In terms of social and ecological functions,the synergistic relationship was prevailing in 1990,while the trade-offs relationship played a leading role in 2000 and 2015. The trade-offs relationship between economic and ecological functions,social and ecological functions mainly occurred in the Yanghe valley and eastern mountains,while their synergistic relationship mainly distributed in Bashang area. Accroding to the above analysis and combined with the actual situation,Zhangjiakou City is divided into four zoning types as follows: the ecological protection zone which reflects the dominant function of ecological conservation and should give priority to protecting ecology,urban development core zone which embodies the dominant function of economic development and should focus on optimizing industrial distribution and urban systems,urban and rural optimization development zone which presents the dominant function of social security and should put a high priority on developing urban agriculture and characteristic towns,agricultural production zone which demonstrates the dominant function of food production and should focus on developing ecological and featured agriculture.

Key words： land use functions; trade-off & synergy; optimization regionalization; ecologically fragile and poverty areas; Zhangjiakou City

中国土地资源稀缺，适宜人类活动的空间有限[1]，特别是伴随着工业化、城镇化和农业现代化进程的不断加快，及国土空间开发强度的日益提升[2-3]，土地资源粗放利用现象依旧严重，社会经济发展与资源环境支撑之间的矛盾愈发凸显[4]。为了有效保护和开发土地资源，加强国土空间格局管控和生态保护，国家制定和实施了一系列的国土空间管控策略[5]，取得良好成效的同时，也存在着自然资源禀赋强约束、过度开发与奢侈消费并存等限制与不足[6]。面对全球性关注的人地矛盾问题和中国可持续发展面临的重大问题，催生了中国社会对土地多功能利用与管理的迫切需求。
土地利用功能（Land Use Functions，LUFs）是指不同土地利用方式所提供的各种私人和公共的产品与服务[7]，涉及经济、社会和环境等可持续性维度。作为可持续性评价的重要概念和工具，土地利用功能研究是地理学、土地科学等关注社会及环境问题的重要出发点和前沿课题。目前，学者们围绕土地利用功能理论框架[8]、分类与指标体系构建[9-10]、时空演变特征[11-12]及驱动因素[13⇓-15]等进行研究，取得较为丰硕的成果。随着地理环境和土地利用方式不同，以及人类社会需求和福利目标的控制，土地利用多功能间呈现出存在着复杂的协同或权衡关系[16-17]。协同是两种或多种功能形成的互补、共生关系，权衡是两种或多种功能之间相互竞争，形成空间冲突。但是，已有研究多从整体上关注土地利用功能之间的权衡与协同关系[18-19]，而基于空间异质性角度，系统探究土地利用多功能此种非线性关系及其空间格局变化特征的较少。土地利用功能分区是因地制宜地开发利用土地资源，实现国土空间分区及多功能协调发展的有效途径。已有研究多构建多功能性评价指标体系测度功能值，采用聚类分析等方法，将区域划分为若干个功能区，以实现国土空间分区与功能管治[2,20]。但是，囿于功能间非线性关系的复杂性，以往研究未充分考虑多功能之间的协同与权衡关系，难以厘清区域人地关系冲突等问题。如何将多功能权衡理念融入国土空间分区规划，协同管理土地利用多功能仍需开展系统综合研究。
生态脆弱贫困区是生态环境破坏最强烈和贫困问题最集中的叠加区域，面临贫困与生态恶化的双重压力。近年来，随着生态文明建设、精准扶贫等战略实施，生态脆弱贫困区的社会—生态系统要素发生剧烈变化，如何协调多元土地系统功能、优化国土空间格局是破解其贫困与生态环境恶化的重要议题。张家口市既是冀北贫困带的重要组成部分，也是京津冀的绿色生态屏障。京津冀协同发展战略，以及生态恢复工程的不断推进，张家口市资源环境容量与社会经济发展的矛盾日益激化，急需通过功能分区来明确各区域功能定位，形成分工合理、优势互补的国土开发格局。因此，以张家口市为研究区域，本文聚焦土地利用—功能变化过程，厘清1990—2015年土地利用多功能权衡与协同关系的时空演变特征，基于此，划分土地利用功能区，提出相应的优化调控对策，以期为张家口市土地可持续利用和国土空间格局优化提供可量化决策途径。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

张家口市地处蒙古高原与华北平原的过渡地带和农牧交错带，地势西北高、东南低，分为坝上高原（海拔约1 400m，波状高原景观）、坝下低中山盆地区（海拔约1 000~2 000 m，山峦起伏、沟谷纵横）两大部分。土地总面积3.68×104 km2，属于温带大陆性气候，风多雨少，气候干燥，年降水量为330~400 mm，干旱、霜冻、雹灾等自然灾害时常发生。
因实行改革开放较晚、生态系统高度脆弱等，内生发展能力长期薄弱，社会经济发展水平整体落后，河北省环首都扶贫开发攻坚示范县（9个）和深度贫困县（10个），张家口市分别占 1/3和1/2，贫困村和贫困人口的数量分别约占全省的23.4%和17.34%。2015年辖4区、13个县，总人口469.01×104人，GDP为1 317.02×108元。随着京津冀协同发展、乡村振兴等战略，以及生态恢复等工程的不断推进，该地区面临社会发展、经济增长与生态保护等压力，土地利用结构与功能发生显著变化，急需明晰土地利用多功能间的相互作用关系，协调多功能间的冲突与竞争。因此，以张家口市作为生态脆弱贫困区土地利用多功能权衡/协同格局演变与优化分区研究的样本区域，具有较强的典型性。
图1 张家口市地理区位图

Fig.1 Location of Zhangjiakou City

1.2 数据来源

本文中的基础数据包括：①1990和2000 年Landsat TM及2015 年Landsat-8/OLI 影像，分辨率30m，源自地理空间数据云，运用ENVI 5.1 软件对其进行监督分类，分为耕地、园地、林地、草地、水域、城乡建设用地、交通用地和未利用地等；②归一化植被指数（NDVI），分辨率250 m，源自美国太空总署MODIS NDVI 16 d 合成产品（MOD13Q1）；③NPP/VIIRS夜间灯光数据，分辨率500 m，源自美国国家地球物理数据中心；④土壤数据，分辨率500 m，源自河北省土壤普查数据库；⑤气象数据，源自中国气象科学数据共享服务网和张家口市气象局。在ArcGIS 10.4 软件中采用样条函数法进行插值处理，分辨率为30 m；⑥DEM数字高程数据，分辨率30 m，源自地理空间数据云；⑦社会经济统计数据，源自河北省第四次人口普查手工汇总资料（1991年）、河北省2000年人口普查资料（2000年）、河北省农村统计年鉴（2016年）、张家口经济年鉴（1990、2001和2016年）、中国水利年鉴（1991、2001和2016年）。

2 研究方法

2.1 土地利用功能分类与指标选取

考虑到土地利用可持续性的经济—社会—生态维度，参考已有研究成果[12,19,21]，以及张家口市发展经济、改善民生和保护生态的三重定位，将张家口市土地利用功能分为经济、社会和生态功能。其中，经济功能是土地利用及其附属物所产生的经济价值，以满足人们交换商品和发展经济的需求。张家口市1995年实行改革开放后，虽然经济发展较快，但经济总量仍较小，经济发展水平落后，需提高土地利用的经济效益，以促进区域经济实力提升，因此选取农业生产和非农生产两项指标分别表征土地利用农业和二三产业活动带来的经济价值。社会功能是土地利用提供给人类充足食物和活动场所的服务，以满足人类生存和发展等基本需求。作为京津地区的主要农产品供应基地，粮食生产关乎当地及京津冀地区的粮食安全，良好的居住条件也是关乎民生大计的重要保障，因此选取了粮食供给和居住承载两项指标分别表征土地利用保障粮食安全和空间承载的服务。生态功能是指土地利用提供的环境条件和生态资源等服务。防止水土流失和改善空气质量不仅关乎张家口市，乃至京津冀地区的生态安全，也是居民追求美好生活环境的需求，因此选取土壤保持和气体调节两项指标分别表征土地利用提供的水土保持和净化空气等服务。

2.2 土地利用功能测度方法

本文采用1km×1km的格网进行等间距采样，生成了约3.6×104个格网，作为数据载体和基本分析单元。根据相关数学模型，在同一格网内对土地利用、遥感、气象、土壤和统计等多源数据进行空间统计和计算。各项土地利用功能指标的计算方法见表1。
表1 土地利用功能表征指标的测度模型

Tab.1 Quantitative measure model for index of land use functions

功能 指标 计算方法 指标解释
经济 农业生产 G A O V i = ∑ A V O j k A R G L j p × A R G L i p GAOVi 为格网i的农林牧渔业产值；AVOjk分别为乡镇j的农业、林业、牧业及渔业产值；ARGLjp分别为乡镇j的耕地和园地、林地、草地和水域的面积；ARGLip分别为格网i的耕地和园地、林地、草地和水域的面积
非农生产 G 23 i = ∑ G 23 j S j × S i × 1 + I i G23i为格网i二三产值；G23j为区县j的二三产业产值；Sj和Si分别为区县j和格网i的灯光区和城乡建设用地面积之和；Ii为格网i的平均灯光强度[18]
社会 粮食供给 V G i = G Y i × P G G Y i = a N D V i + b A R A i VGi为格网i的粮食供给价值量；PG为当年小麦市场价格；GYi为格网i的标准粮产量；NDVi和ARAi分别为格网i的NDVI值及耕地面积；a和b分别为NDVj和ARAj的回归系数，由乡镇标准粮产量与NDVI值、耕地面积进行线性回归分析得到。标准粮是由小麦、玉米、谷子、莜麦和马铃薯产量按照产量比系数统一换算得到[22]，其中冬小麦是基准作物，是理论标准粮的折算标准。由张家口市农用地分等成果中获得，玉米、谷子、莜麦和马铃薯的产量比系数分别为0.54、1.41、1.75和0.80
居住承载 V P i = P O P D i × R A R E × C H S P O P D i = P O P j U R L j × U R L i × 1 + U R N L i N L j VPi为格网i的居住承载价值量；RARE为当年居民人均居住面积；CHS为单位面积商品房销售额；POPDi 为格网i的人口密度；POPj为乡镇j的总人口数；URLj 和URLi 分别为乡镇j和格网i的城乡建设用地面积；NLj 和URNLi 分别为乡镇j和格网i的城乡建设用地的夜间灯光强度之和
生态 气体调节 V G R i = V C O i + V O i N P P i = A P A R i × ε i VGRi为格网i的气体调节价值量；VCOi为格网i的CO2造林成本；VOi为格网i的O2造林成本和工业制氧成本的平均值；APARi和εi分别表示格网i植被份吸收的光合有效辐射和实际光能利用率[23]。根据光合作用方程，植被每生产1.00 kg 有机物能够固定1.63 kg CO2，释放1.2 kg O2
土壤保持 V S R i = V a i + V b i + V c i V a i = A c i × ∑ C i × T i × P V b i = A c i × B / p × h × 10000 V c i = A c i / p × 24 % × C c A c i = R i × K i × L i × S i × 1 - C i × P i VSRi 为格网i的土壤保持价值量；Vai 为格网i的土壤肥力保持价值；Vbi 为格网i的减少土地废弃的经济价值；Vci为格网i的减轻泥沙淤积价值；Aci为格网i的年平均土壤保持量；Ci为格网i土壤中氮、磷、钾纯含量[24]；Ti为格网i某种养分纯量转为化肥量的换算系数[25]；P 为化肥的市场价格；B为林业年收益；p为土壤容重；h为土壤表层厚度[24]；Cc 为单位库容造价；Ri为格网i的降水侵蚀因子；Ki为格网i的土壤侵蚀因子；LSi为格网i的地形因子；Ci为格网i的地表植被覆盖因子；Pi为格网i的水土保持管理因子[26]
各项指标均表达了人类对土地利用系统某一方面功能的需求，本文所选取的指标均对土地利用单项功能（经济、社会和生态功能）发挥正向作用，只是在属性和形式上有所不同，不存在优劣差异。因此，赋予各项指标相同权重，采用综合评价法和空间叠置法[19]，计算单项功能值。其计算方法为：
E N M = ∑ i = 1 2 A E i W i S O C = ∑ i = 1 2 G H i W i E L G = ∑ i = 1 2 G S i W i
式中：ENM、SOC和ELG分别为土地利用经济、社会和生态功能值；AEi为农业生产和非农生产等指标值；GHi为粮食供给和居住承载等指标值；GSi为气体调节和土壤保持等指标值；Wi为等权重，为1/2。

2.3 土地利用功能权衡/协同关系测度

双变量局部Moran's I 是局部Moran's I 的延伸和拓展，是该空间单元某种变量的观测值与相邻空间单元另一种变量的观测值的比较，可揭示两种变量在空间上的相关性[27]。本文采用双变量局部Moran's I，用以量化土地利用多功能之间的权衡与协同关系的空间异质性。其计算方法为：
I i = Z i / ∑ i Z i 2 n ∑ j w i j y i - y ¯
式中： Z i = x i - x ¯，xi、yj分别为栅格单元i、j的不同功能价值量； x ¯、 y ¯分别为所有i、j位置点不同功能价值量的均值；n为所有栅格单元的数目；wij为研究范围内每一个栅格单元i与j之间的空间相邻权重矩阵。
本文采用queen邻接方法构建空间权重矩阵，基于95%的置信区间，即显著性水平p<0.05，对土地利用的经济、社会和生态功能的空间相关性进行成对分析，土地利用多功能之间的权衡与协同关系见表2。价值量高的两项功能显著聚类，则它们之间的相关性被定义为高—高协同型，而价值量低的两项功能之间的显著聚类，则其相关性被定义为低—低协同型。此外，两项显著聚类的土地利用功能，若其中一项功能价值量高，而另一个功能价值量低，则被认为存在权衡关系。具体而言，以价值量高的功能为主导的权衡关系，如以经济功能为主导的权衡关系，表达为经济—社会权衡型和经济—生态权衡型；以社会功能为主导的权衡关系，表达为社会—经济权衡型和社会—生态权衡型；以生态功能为主导的权衡关系，表达为生态—经济权衡型和生态—社会权衡型。
表2 土地利用多功能权衡和协同关系的类型

Tab.2 Types of trade-offs and synergies between multiple land use functions

功能类型/价值量 经济功能 社会功能 生态功能
高 低 高 低 高 低
经济功能 高 / / 高—高协同型 经济—社会权衡型 高—高协同型 经济—生态权衡型
低 / / 社会—经济权衡型 低—低协同型 生态—经济权衡型 低—低协同型
社会功能 高 高—高协同型 社会—经济权衡型 / / 高—高协同型 社会—生态权衡型
低 经济—社会权衡型 低—低协同型 / / 生态—社会权衡型 低—低协同型
生态功能 高 高—高协同型 生态—经济权衡型 高—高协同型 生态—社会权衡型 / /
低 经济—生态权衡型 低—低协同型 社会—生态权衡型 低—低协同型 / /

2.4 土地利用功能分区方法

①划定分区单元。多种功能权衡关系存在于同一个格网单元，无法度量孰优孰劣，且以格网为分区单元不便于土地利用的管理与调控等实际操作。乡镇是土地利用总体规划与村镇体系规划的基本行政单元[28]，因此，为保证土地利用功能分区结果具有较好的空间连续性和区划完整性，将格网单元通过升尺度推演到乡镇单元，将建制镇作为分区单元。
②确定功能主导性。对于协同型关系而言，考虑到张家口市作为京津冀地区的绿色生态屏障，在全国生态功能区规划、河北省主体功能区规划等对其功能定位而言，生态保护极其重要，是维持自然系统基本的生态和生产功能，以及人类社会生存和发展的自然基础。同时张家口市处于冀北贫困带，经济落后，发展经济也是其重要需求，经济基础往往决定社会保障水平，因此，经济发展的诉求优先于社会保障。如生态与经济、社会功能处于低—低或高—高协同型关系时，确定为以生态功能为主导；经济与社会功能处于低—低或高—高协同型关系时，确定为以经济功能为主导。对于权衡型关系而言，土地利用生态—经济权衡型和生态—社会权衡型关系是以生态功能主导的；经济—生态权衡型和经济—社会权衡型关系以经济功能为主导；社会—经济权衡型和社会—生态权衡型关系以社会功能为主导。
③计算乡镇单元内各功能间权衡型和协同型关系的面积。将土地利用多功能权衡与协同关系分析结果与张家口市乡镇行政区划图进行空间叠置分析，以建制镇为统计单元，计算和统计不同功能之间权衡型和协同型关系的面积。按照功能主导性原则，制定分区规则（表3），分别计算各种权衡与协同关系的组合面积。最后，采用面积占优方法，以面积最大的主导型功能来确定该乡镇土地利用主导功能，进而划分土地利用功能区。
表3 张家口市土地利用功能分区规则及功能主导性

Tab.3 Rules and functional dominance of land use function zoning in Zhangjiakou City

功能分区 分区规则 功能主导性
生态保护区 生态—经济权衡型+生态—社会权衡型+社会与生态功能的低—低协同型+经济与生态功能的低—低协同型+经济与生态功能的高—高协同型+社会与生态功能的高—高协同型 生态保育
城镇发展核心区 经济—生态权衡型+经济—社会权衡型+经济与社会功能的高—高协同型+经济与社会功能的低—低协同型 经济发展
城乡优化发展区 社会—经济权衡型+社会—生态权衡型 社会保障
农业生产区 （社会与生态功能的低—低协同型+经济与生态功能的低—低协同型+社会—经济权衡型+社会—生态权衡型）∩粮食供给高值区（≥7000t/镇） 粮食生产

注：“+”表示“相加”，“∩”表示“同时满足”，“粮食供给高值区（≥7 000 t/镇）”是通过自然断点法对张家口市209个乡镇的粮食产量水平进行等级分类解析，得出7 000 t是粮食产量水平差异性最大化的关键拐点，能够更好地反映粮食供给能力的区域差异性。

3 土地利用多功能权衡与协同关系分析

3.1 经济与社会功能权衡与协同关系分析

1990—2015年低—低协同型关系面积占全市总面积的比例最高，由22.66%上升至27.94%，多出现在社会经济发展缓慢，经济和社会功能均较低的东部山区，如赤城县、崇礼县、蔚县和涿鹿县（图2）。高—高协同型关系面积占全市面积的比重居第2位，集中分布在桥西区、桥东区、宣化区等市中心城区，以及怀来县西部和涿鹿县北部。这是因为这些地域人口集聚，经济容量较大，使得经济功能和社会功能协调度较高。社会—经济权衡型关系和经济—社会权衡型关系，二者所占比例在1990—2000年由4.15%下降到3.31%，2015年增加到5.80%。
图2 1990—2015年土地利用经济功能与社会功能权衡与协同关系的空间分布特征

Fig.2 Spatial distribution of trade-offs and synergies between economic and social functions of land use in 1990-2015

整体来看，1990—2015年以协同型关系为主，即高—高与低—低协同型关系面积之和占张家口市总面积的比例由1990年的28.38%增加到2015年的33.70%，权衡型关系面积（社会—经济和经济—社会权衡型关系面积之和）所占比例先降低后升高，表明经济发展和社会保障之间的不平衡关系仍应引起重视。

3.2 经济与生态功能权衡与协同关系分析

1990—2000年低—低协同型关系居主导地位，其面积占全市面积的比例由25.13%增加至33.01%，主要分布在坝上高原（图3）。生态—经济权衡型关系面积位居第2位，由24.02%增加到24.81%，主要分布在赤城县、崇礼县和蔚县，这与该地区以山地为主，森林资源丰富，生态功能较好但经济功能较弱有关。值得注意的是，1990—2000年坝上地区经济水平较低，加上1997、1999和2000年旱灾造成植被覆盖度降低，使得低—低协同型关系面积在这些地区不断扩大。2015年生态—经济权衡型关系面积虽减少了1 102 km2，但面积占比（21.82%）跃居至首位，低—低协同型关系面积退居第2位，从侧面反映了生态建设取得良好成果。1990—2015年经济—生态权衡型关系面积占比不断下降，集中分布在全市中部和西南部，这是因为该区域经济较发达，但自然植被很少，因此经济功能较高，生态功能较低；高—高协同型关系面积占比由1.53%下降到0.68%。
图3 1990—2015年土地利用经济功能与生态功能权衡与协同关系的空间分布特征

Fig.3 Spatial distribution of trade-offs and synergies between economic and ecological functions of land use in 1990-2015

综合来看，2000年以协同型关系为主，即高—高与低—低协同型关系面积之和占比为34.17%，是权衡型关系面积（生态—经济与经济—生态权衡型关系面积之和）的1.06倍以外，1990和2015年均以权衡型关系为主，其面积占比分别为32.51%和26.53%，是协同型关系的1.22倍和1.28倍，表明经济活动与生态环境之间的制约关系更为凸显。

3.3 社会与生态功能权衡与协同关系分析

如图4所示，1990—2015年低—低协同型关系占据主导地位，主要分布在全市西北部，特别是坝上地区，但其所占全市面积比例由38.69%下降至35.22%。生态—社会权衡型关系面积一直处于第2位，面积占比由28.15%上升至29.40%，主要分布在赤城县、崇礼县、涿鹿县南部和蔚县南部。这些区域人口和耕地较少，粮食产量低，但是林地和草地较多，生态质量较好，因此生态功能起主导作用。社会—生态权衡型关系面积占比由3.35%上升到3.86%，在全市中部集中分布，特别是市中心城区，这里人口密集，城镇用地侵占生态空间的现象严重。高—高协同型关系面积所占比例由3.35%上升至3.86%，在赤城县、崇礼县和涿鹿县成条状分布，这与建设用地和耕地分布特征有关。
图4 1990—2015年土地利用社会功能与生态功能权衡与协同关系的空间分布特征

Fig.4 Spatial distribution of trade-offs and synergies between social and ecological functions of land use in 1990-2015

总体来看，1990年以协同型关系为主，即高—高与低—低协同型关系面积之和占比约为42.04%，比权衡型关系面积（生态—社会与社会—生态权衡型关系面积之和）占比多1.07%，2000—2015年以权衡型关系为主，其面积占比由42.36%增加到43.49%，表明社会功能与生态功能的空间冲突加剧。

4 基于权衡与协同视角的土地利用功能分区与优化

4.1 功能分区特征

基于2015年土地利用多功能权衡与协同分析结果，结合张家口市的未来发展规划、当地相关部门（如国土局、农牧局、林业局、住房和城乡建设局）负责人员的座谈，对分区结果进行微调、修正，形成张家口市土地利用功能分区图，包括生态保护区、城镇发展核心区、城乡优化发展区和农业生产区（图5）。
图5 张家口市土地利用功能分区图

Fig.5 Land use function zonings in Zhangjiakou City

①生态保护区，体现了生态保育功能主导性。主要分布在全市东部山区，包括53个乡镇，约占全市国土面积的33.14%。较好的生态基础和相对较少的人类干扰，使得气体调节和土壤保持等生态功能最高，对区域生态安全具有重大的意义。同时，生态保护区也是贫困人口的集中分布地区，居住承载和非农生产指标最低。因此发展生态经济、改善人居环境是生态保护区的主要需求。②城镇发展核心区，体现经济发展功能主导性。包括53个乡镇，约占全市面积的14.95%。由于城镇人口相对集中，城市化水平高，工业和服务业比较发达，建设用地所占比重大，生态空间遭受侵占的现象频频发生。因此，该功能区经济发展和居住承载功能最强，生态功能也最弱。作为引领区域发展的极核地区，是将来人口转移和基础公共服务的重要目标区域，未来发展需求集中在产业结构优化升级、提高城市环境质量等方面。③城乡优化发展区，体现社会保障功能主导性。包括40个乡镇，占全市面积的21.17%。多为城乡结合部，毗邻城市功能核心区，二三产业规模较小。除居住承载和农业生产等功能指标居第三位以外，其余功能指标均居第二位，其发展需求主要是发展多元经济、提高居民生活质量。④农业生产区，体现粮食生产功能主导性。包括63个乡镇，有30.73%的国土面积和15.28%的人口，主要分布在张家口市北部和西南部。粮食供给和农业生产功能最强，但是非农生产功能仅高于生态保护区，气体调节功能和土壤保持功能仅高于城镇发展核心区，因此加强农业生产、建设美丽乡村是该功能区的主要发展需求。

4.2 土地利用多功能优化路径

土地利用多功能优化路径应在上述土地利用功能分区体现功能主导性的同时，结合张家口市的现实和未来需求、不同地区的区位和资源优势，通过发挥土地利用现有和潜在功能，提出“凸显生态功能价值，促进经济和社会功能提升，塑造优美宜居空间”的优化路径，实现土地利用多功能间的协调与共赢。其中：
①生态保护区，以保护生态为主，兼顾改善民生和生态退耕。该功能区的人口、GDP和农林牧渔业产值占全市的比例最低，而林地和草地占全市的比例最高，因此，未来应建设与完善土地生态系统功能，注重发挥林地、草地和耕地的生态、经济、景观等功能。需要注意的是，在生态保护空间里，存在相当数量的耕地，农业生产与生态保护的问题也值得重点关注[29-30]。粮食、经济作物仍是当地居民的主要经济来源，应实行有偿生态退耕，保障失地农民的经济权益。对于自然灾害多发区及生态不宜居区可进行异地搬迁，为贫困户创造新的生活环境与就业机会。
②城镇发展核心区，以优化产业布局和城镇体系为主，注重提高城市环境质量。该功能区面积占比最小，但集聚着约65.49%的人口和42.47%的建设用地，贡献了85.12%的GDP。未来应通过产业集聚、创造就业、改善公共服务等途径，进一步优化城市体系，提升城市商服用地的非农生产功能，公共服务用地的社会服务功能等。同时，耕地、林地和草地的占比最少，而粮食产量占比仅次于农业生产区，因此应划定城市增长边界，保护优质耕地的粮食生产功能；增加城市绿地面积，发挥城市公共绿地保持水土、净化空气等生态功能。
表4 土地利用功能分区的主要土地利用类型和社会经济状况

Tab.4 Major land use types and socio-economic situation of land use function zonings

功能分区 人口/% 粮食产量/% GDP/% 农林牧渔产值/% 耕地/% 林地/% 草地/% 建设用地/% 未利用地/%
生态保护区 8.62 13.04 4.20 18.14 19.47 46.64 35.67 14.82 26.15
城镇发展核心区 65.49 33.20 85.12 32.05 18.58 9.28 11.13 42.47 20.87
城乡优化发展区 10.61 14.00 5.24 18.46 21.36 21.67 22.61 18.36 17.32
农业生产区 15.28 39.76 5.44 31.35 40.59 22.41 30.59 24.48 35.66
③城乡优化发展区，应以发展都市农业，建设特色小城镇为主，注重改善生活服务设施条件。该区域GDP、农林牧渔业产值和粮食产量的占比仅高于生态保护区，但耕地的占比仅次于农业生产区，未来可借助城镇发展核心区的辐射效应，发展都市农业，充分发挥土地利用经济和文化休闲功能。人口、建设用地占比仅高于生态保护区，但人口密度仅次于城镇发展核心区，未来应集中科学规划与合理布局城乡建设用地，完善社会保障和公共服务功能，并结合当地自然资源和文化历史资源，建设地方特色小镇，如蔚县“暖泉古镇”等。
④农业生产区，应以发展生态特色农业为主，兼顾改善人居环境和生态环境。农业生产区的耕地最多，粮食产量最高，未来应促进生态农业的发展[27]，如坝上地区发展高效节水生态农业，发挥耕地粮食生产、生态保护及空间隔离等多种功能，并建立农产品加工基地，吸收本地劳动力就业，拓宽农民增收渠道。农业生产区也是农村居民点集中分布区，建设用地占全市建设用地总面积的24.48%，在四个功能区中排第2位，未来应集中科学规划和合理布局农村建设用地，建设美丽乡村。

5 结论与讨论

本文以地处生态脆弱贫困区的张家口市为例，对1990—2015年土地利用经济、社会和生态功能的权衡与协同关系特征进行空间量化分析，基于此，划分土地利用功能区，并提出相应的优化路径。结论如下：
张家口市土地利用多功能权衡与协同关系具有明显的时空异质性。其中，土地利用经济与社会功能以协同型关系为主（1990—2015年），生态与经济功能权衡型（1990和2015年）与协同型（2000年）关系交替居于主导地位，生态与社会功能由协同型关系（1990年）转为权衡型关系（2000和2015年）为主导。生态与经济功能及其与社会功能间权衡型关系多发生在中部洋河谷地和东部山区，协同型关系多发生在坝上高原。以土地利用多功能权衡与协同关系为视角切入点，将全市国土空间划分为生态保护区、城镇发展核心区、城乡优化发展区和农业生产区，并提出“凸显生态功能价值，促进经济和社会功能提升，塑造优美宜居空间”的优化路径，可为生态文明建设及国土空间优化开发等提供科学决策。
张家口市正处于京津冀协同发展、京张携手筹办冬奥会、北京非首都功能疏解等机遇叠加期，城镇化和工业化快速发展，土地利用多功能冲突更为剧烈。作为京津冀重要的环境支撑区，张家口市未来应坚持生态涵养功能区定位，通过京津风沙源治理、首都“两区”及绿色奥运建设等工程，如加强荒山荒坡林地、草地等自然生态系统的人工修复和自然恢复；构建政府引导、社会参与、市场运作的多元化融资格局，保障生态建设的资金来源。坚持绿色发展理念，发展生态经济，如承接京津高端产业转移，优化产业结构，促进产业绿色转型；发展生态农业，重点发展以葡萄、杏扁等为主的干鲜果品经济林，以药材、食用菌、蔬菜、养殖为特色的林下经济，将造林绿化与农民增收相结合。坚持城乡统筹发展，建设宜居城镇和美丽乡村，如有序推进新型城镇化建设，坚持城镇布局与环境承载力相协调，统筹规划城镇、农业和生态等空间，提高人居环境质量；推进乡村振兴和精准扶贫战略实施，完善农村基础服务设施，重点改善山区居民的通行条件，拓展贫困地区农民的收入来源，防止返贫现象发生。
土地利用多功能权衡/协同关系分析是辨析土地利用多功能作用机制、遴选与优化土地利用功能类型，进而决策与调控的重要依据。本文尝试测度格网尺度的土地利用功能，以精准刻画区域内部土地利用功能的空间异质性；运用双变量空间自相关方法，从空间角度来明晰土地利用多功能的权衡/协同关系及其演进态势，有助于深化对土地利用多功能时空相互作用及其影响机理的系统认知。同时，将土地利用多功能权衡/协同关系的评价结果引入土地利用功能分区划定方法体系，侧重权衡多功能之间的内在联系，可为国土空间规划提供新的视角。本文也存在不足之处，如受限于数据获取性和功能量化方法，选取了具有代表性的6项关键核心指标进行空间量化处理，其他一些指标，如交通出行、娱乐休闲、水源涵养等功能指标未能纳入土地利用功能评价指标体系。如何选取合理指标更全面地表征土地利用功能，以及选取有效的方法对指标进行空间量化仍是未来研究需要进一步探索的重要方向。今后对土地利用功能进行分类时应尽可能地兼顾特定研究的需求，根据社会的发展适当调整功能分类体系及其评价指标。

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