李德一,張樹文

（1.濱州學(xué)院建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃系,山東濱州256603;2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長春 130012）

全球化背景下,世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的膨脹,使得土地和水等資源的短缺和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的下降日益顯現(xiàn),并直接影響到人類的可持續(xù)發(fā)展和地區(qū)安全[1],如何實(shí)現(xiàn)包括生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等全方面的可持續(xù)發(fā)展正成為國家和政府機(jī)構(gòu)普遍關(guān)注的問題。我國當(dāng)前開展的主體功能區(qū)劃是一項(xiàng)具有明顯的工業(yè)化和城市化區(qū)位指向的區(qū)劃[2],對(duì)協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和日益退化的生態(tài)環(huán)境具有重要的作用。目前主體功能區(qū)劃研究在全國和省兩個(gè)層次進(jìn)行開展,都以縣為基本劃分單元[3-4],也有學(xué)者對(duì)縣、市層次上的主體功能區(qū)劃進(jìn)行了探討[5-8]。然而,區(qū)域是地理學(xué)的基本研究單元,區(qū)域尺度上的主體功能區(qū)劃研究有利于不同行政區(qū)之間的利益協(xié)調(diào),是區(qū)域規(guī)劃能否科學(xué)完成的有力保證。

哈大齊地區(qū)作為松嫩平原重要的商品糧基地,首先要服務(wù)于國家的糧食安全需求,保障耕地的數(shù)量和質(zhì)量;其次,該區(qū)也是黑龍江省經(jīng)濟(jì)實(shí)力最強(qiáng)、工業(yè)化水平最高、科技人才優(yōu)勢(shì)最明顯、后備土地資源最豐富的地區(qū),其中心城市承載著黑龍江省今后大規(guī)模工業(yè)化、城市化和人口集聚的任務(wù);再次,該區(qū)濕地和草地生態(tài)系統(tǒng)面積廣大,土地退化問題十分突出,因此,實(shí)現(xiàn)資源、生態(tài)和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)各功能之間的協(xié)調(diào)就成為當(dāng)前該區(qū)主體功能區(qū)規(guī)劃中重點(diǎn)要解決的問題。國內(nèi)學(xué)者從污染防治[9]、土地承載力[10]、城市群競(jìng)爭(zhēng)[11]等方面對(duì)該區(qū)進(jìn)行了分析,但大都關(guān)注單一要素,本文從生態(tài)敏感性、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿Φ确矫孢M(jìn)行綜合評(píng)價(jià),探討生態(tài)約束下哈大齊地區(qū)城市土地開發(fā)的合理格局,以協(xié)調(diào)區(qū)域開發(fā)與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾,為該區(qū)主體功能區(qū)規(guī)劃和區(qū)域規(guī)劃提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

選擇哈大齊中心城市及其周邊地區(qū)作為研究區(qū),范圍上包括哈爾濱市區(qū)(包括原呼蘭縣)、大慶市區(qū)、齊齊哈爾市區(qū)以及雙城市、肇東市、肇州縣、安達(dá)市、肇源縣、杜爾伯特蒙古族自治縣、蘭西縣、林甸縣、富?？h等12個(gè)行政單元。該區(qū)地處松嫩平原的腹地,地理位置東經(jīng) 123°26′-127°18′,北緯 45°08′-48°01′,總面積 4.71萬 km2,占全省總面積的的10.36%。該區(qū)海拔87～234 m,屬于大陸性季風(fēng)氣候,1990-2005年多年平均降水量527.43 mm,多年平均氣溫5.17℃;該區(qū)地勢(shì)低洼,湖泊眾多,地貌類型以沖積、湖積平原為主;土壤類型復(fù)雜多樣,以黑土和黑鈣土為主,沼澤土沿嫩江周邊分布,風(fēng)沙土和鹽堿土主要分布在杜爾伯特蒙古族自治縣和肇源縣境內(nèi)。該區(qū)擁有國家級(jí)扎龍濕地自然保護(hù)區(qū)和龍鳳濕地自然保護(hù)區(qū)等重要水禽棲息地以及連環(huán)湖、龍虎泡等湖泊,具有重要的生物多樣性資源。

該區(qū)位于東北亞經(jīng)濟(jì)圈的網(wǎng)絡(luò)區(qū)位中,也是中俄兩國貿(mào)易聯(lián)系最緊密的城市化地區(qū),它以我國重要的機(jī)電工業(yè)城市哈爾濱為核心,濱洲鐵路作為紐帶貫穿其中[12]。2005年底人口1 180.20萬人,其中城市人口621.60萬人,城市化率56.09%,人均GDP 11 643元,2001-2005年GDP年均增長率10.92%。自從20世紀(jì)90年代初期,由于體制和結(jié)構(gòu)等方面原因,經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相對(duì)落后[13],隨著國家振興東北老工業(yè)基地戰(zhàn)略實(shí)施,該區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展重新煥發(fā)活力,呈現(xiàn)良好發(fā)展勢(shì)頭,新的集聚空間開始形成[14]。

2 數(shù)據(jù)和方法

土地開發(fā)通?？梢苑譃檗r(nóng)業(yè)開發(fā)、城市開發(fā)、旅游開發(fā)等,本文主要探討城市土地開發(fā)問題,它是工業(yè)用地、居住用地、商業(yè)用地和交通用地等開發(fā)建設(shè)的綜合。城市土地開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)是為了滿足人類工業(yè)化和城市化對(duì)建設(shè)用地的需求而進(jìn)行的土地開發(fā)利用適宜程度分析,它是在綜合分析社會(huì)經(jīng)濟(jì)需求因素和資源生態(tài)限制因素的基礎(chǔ)上,評(píng)價(jià)適宜性和限制性大小,并可進(jìn)行適宜性分區(qū),確定區(qū)域內(nèi)土地的開發(fā)程度與利用方向,為區(qū)域規(guī)劃和城市建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

2.1 數(shù)據(jù)

評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)涉及到自然和人文兩方面,具有多尺度、多來源、多時(shí)期的特點(diǎn),所有數(shù)據(jù)在ERDAS 8.7和ArcGIS 9.2軟件環(huán)境下,經(jīng)過投影變換,均統(tǒng)一到Albers投影、雙標(biāo)準(zhǔn)緯線 45°N 和 52°N、中央經(jīng)線129°E、Krasovsky 橢球體。

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括行政界線和公路分布數(shù)據(jù)?？h級(jí)行政界線取自1∶25萬地形圖,鄉(xiāng)鎮(zhèn)界線取自各縣比例尺在1∶5萬到1∶10萬不等的行政區(qū)劃圖,經(jīng)過掃描、幾何校正后,在縣界不動(dòng)的基礎(chǔ)上對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)界限進(jìn)行數(shù)字化得到研究區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)界線圖,數(shù)據(jù)年份為2000年前后,該數(shù)據(jù)只用于空間分析之用,不作為規(guī)劃的依據(jù)。同時(shí)對(duì)行政區(qū)劃圖中的公路進(jìn)行數(shù)字化,得到公路分布圖。

土壤侵蝕數(shù)據(jù)是全國第三次(2000年)土壤侵蝕動(dòng)態(tài)遙感調(diào)查的成果,是在1995年土壤侵蝕數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè),主要利用 TM遙感影像和DEM等相關(guān)參考資料,通過人機(jī)判讀的方式完成,能夠滿足1∶10萬的制圖需要[15]。

土地利用數(shù)據(jù)包括研究區(qū)2000年和2005年兩期土地利用矢量數(shù)據(jù),是中國科學(xué)院創(chuàng)新項(xiàng)目“東北地區(qū)100年LUCC數(shù)字重建”和“全國土地利用數(shù)據(jù)庫2005年更新”的系列成果,該成果以20世紀(jì)80年代我國第二版1∶10萬地形圖作為控制圖層,遵循一定的目視判讀標(biāo)志,基于TM遙感影像進(jìn)行的土地利用/覆被類型提取和動(dòng)態(tài)圖斑更新,總精度可達(dá)90%以上[16]。

研究區(qū)2005年總凈第一性生產(chǎn)力(MODIS NPP)數(shù)據(jù)由NASA地球觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道免費(fèi)下載,該數(shù)據(jù)通過GLP-PEM 模型反演獲得,空間分辨率250 m。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于2003年和2004年兩個(gè)年份各縣統(tǒng)計(jì)年鑒,包括各鄉(xiāng)鎮(zhèn)年末總?cè)丝?、農(nóng)村居民人均純收入。

2.2 指標(biāo)選取

本文主要從兩方面來進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取,一是生態(tài)約束,二是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿?。首先?duì)哈大齊地區(qū)的生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性進(jìn)行分析,確定生態(tài)約束的空間分布。生態(tài)敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)受到外界干擾作用超過自身的調(diào)節(jié)范圍,而表現(xiàn)出對(duì)干擾的敏感程度以及生態(tài)系統(tǒng)惡化的程度[17],本研究選擇草地退化面積比例(X1)、土壤侵蝕程度指數(shù)(X2)、景觀破碎度指數(shù)(X3)三方面來表征。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性是指生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)過程所形成的對(duì)人類生存與發(fā)展的生態(tài)環(huán)境條件與效用的重要程度,一般包括有機(jī)物質(zhì)生產(chǎn)、涵養(yǎng)水源、生物多樣性維護(hù)、休閑娛樂等[18],本研究主要從高功能斑塊面積比例(X4)、凈第一性生產(chǎn)力指數(shù)(X5)和香農(nóng)多樣性指數(shù)(X6)三方面來表征。其中,草地退化面積比例按2000-2005年間草地變化的比例進(jìn)行計(jì)算;土壤侵蝕程度指數(shù)采用第三次遙感土壤侵蝕調(diào)查數(shù)據(jù),綜合考慮水蝕和風(fēng)蝕兩個(gè)方面,按評(píng)價(jià)單元內(nèi)所有強(qiáng)度等級(jí)(共4級(jí))與其對(duì)應(yīng)面積比例乘積后累加求和計(jì)算[19];高功能斑塊面積比例按 2005年林地、水域和濕地面積之和占各統(tǒng)計(jì)單元面積的比例進(jìn)行計(jì)算[20];凈第一性生產(chǎn)力指數(shù)按2005年MODIS年總NPP值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均值;景觀破碎度指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)采用ArcView軟件包進(jìn)行計(jì)算[20-21]。對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理后分別計(jì)算前、后三個(gè)指標(biāo)的算術(shù)平均值作為生態(tài)敏感性(圖1a)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性(圖1b)。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿χ饕獜馁Y源、人口、經(jīng)濟(jì)、交通區(qū)位等方面選擇指標(biāo),具體包括人均耕地面積(X7)、人口密度(X8)、農(nóng)村居民人均純收入(X9)和公路密度(X10)4個(gè)指標(biāo)。人均耕地面積根據(jù)2005年土地利用數(shù)據(jù)和年末總?cè)丝谶M(jìn)行計(jì)算;公路密度根據(jù)公路分布數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì);其他指標(biāo)的數(shù)據(jù)均來自統(tǒng)計(jì)年鑒?？紤]到研究的實(shí)用性,本文基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià),在ArcMap 9.2軟件支持下生成各指標(biāo)因子分布圖(圖1c-f分別對(duì)應(yīng)X7-X10)。

圖1 哈大齊地區(qū)城市土地開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)因子圖

2.3 評(píng)價(jià)方法

城市土地開發(fā)適宜性受到多種因素的影響,各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重不易確定。主成分分析(PCA)是一種把多個(gè)變量劃為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)方法,本文中使用該方法的目的并不是去縮減多余的指標(biāo),而是通過全面分析各項(xiàng)指標(biāo)的信息并從中提取一些潛在的綜合性指標(biāo)(即主成分),用主成分信息來計(jì)算綜合得分,并據(jù)此進(jìn)行適宜性的定量化評(píng)價(jià)。由于生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性是作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的約束因子,屬于負(fù)向作用,因此用1減去其值對(duì)其進(jìn)行變換。對(duì)變換后的6個(gè)指標(biāo)的195個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)樣本進(jìn)行主成分分析,具體步驟包括數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、相關(guān)系數(shù)矩陣計(jì)算、特征值(λ)與特征向量(μ)計(jì)算、主成分貢獻(xiàn)率(e)與累計(jì)貢獻(xiàn)率(E)計(jì)算等[22],一般取E達(dá)到85%時(shí)的特征值所對(duì)應(yīng)的m個(gè)主成分代表所需信息,各主成分得分計(jì)算公式如下:

式中:Zk——第k個(gè)主成分的得分;n——評(píng)價(jià)樣本數(shù);p——評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù);xij——標(biāo)準(zhǔn)化后的評(píng)價(jià)指標(biāo)。最后以主成分貢獻(xiàn)率作為權(quán)重對(duì)各主成分因子進(jìn)行線性加權(quán)得到綜合評(píng)價(jià)得分,即:

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)得分的大小,就可以對(duì)適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。數(shù)值的大小代表偏離平均值的程度,綜合評(píng)價(jià)得分越大,說明越適宜開發(fā);反之,則不適宜開發(fā)。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

本文利用SPSS軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)的主成分分析,結(jié)果顯示,6大指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)均較低,說明信息冗余較少。前4個(gè)主成分因子累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85.05%,因此只需用前4個(gè)主成分得分與對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率乘積的和即可計(jì)算綜合評(píng)價(jià)得分,并把綜合得分與空間數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈接,綜合對(duì)比多種分類方法,最后采用自然斷裂分類法(natural break)進(jìn)行分類,包括非常適宜、適宜、次適宜、邊際適宜和不適宜5個(gè)級(jí)別,劃分結(jié)果如圖2所示。

從圖2的評(píng)價(jià)結(jié)果我們可以看出,使用生態(tài)因子對(duì)城市土地開發(fā)適宜性進(jìn)行約束的效果得到了較好的體現(xiàn)。其中非常適宜類包含25個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),占研究區(qū)總面積的7.08%,主要分布在省會(huì)城市哈爾濱及其周邊地區(qū),雙城、肇東、肇州作為哈爾濱的衛(wèi)星城市,具有較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景和區(qū)位優(yōu)勢(shì),城市組團(tuán)發(fā)展、互補(bǔ)發(fā)展能力強(qiáng),同時(shí),該區(qū)生態(tài)屬于不敏感區(qū),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要性比較低,對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的約束也比較低,因此最適宜承載今后的大規(guī)模開發(fā)活動(dòng)。

圖2 哈大齊地區(qū)土地開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

適宜類包含50個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),面積占17.37%,主要分布在非常適宜類的周邊,可以作為今后發(fā)展的后備用地適時(shí)開發(fā)。值得注意的是,齊齊哈爾市和大慶市只有其中心區(qū)屬于適宜類,非中心區(qū)由于具有較高的生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性而受到約束,今后該區(qū)的城市建設(shè)一定要注重生態(tài)的保護(hù)和規(guī)劃。同時(shí),林甸縣的中心鎮(zhèn)具有較高的開發(fā)適宜性,可以為上述兩市的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移提供發(fā)展空間。

次適宜和邊際適宜類包括 91個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),面積占47.47%,該類多為農(nóng)業(yè)地區(qū),沒有形成明顯的人口集聚,因此開發(fā)適宜性較低,其主要任務(wù)是在保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的前提下,為整個(gè)哈大齊地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供資源和農(nóng)產(chǎn)品上的支撐。

不適宜類包括29個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),面積占28.09%,主要分布在西部農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū),其特點(diǎn)是生態(tài)敏感的同時(shí)具有高的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,人類的過度放牧和農(nóng)業(yè)開墾,很容易造成其風(fēng)蝕加重和濕地萎縮的惡性發(fā)展,影響到整個(gè)哈大齊地區(qū)的生態(tài)安全,因此,應(yīng)該嚴(yán)格控制開發(fā)強(qiáng)度,加強(qiáng)該類地區(qū)的人口遷移和生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)。

4 討論與結(jié)論

(1)污染物排放量、水資源量、自然災(zāi)害危險(xiǎn)性、人均GDP、石油資源等因子由于其數(shù)據(jù)的空間尺度一般比較大,在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上的數(shù)據(jù)不易獲取等原因而未予以考慮,一定程度上影響了評(píng)價(jià)的客觀性,今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)相關(guān)因子特別是社會(huì)人文要素的空間化方法研究。

(2)城市土地開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)涉及到人地關(guān)系復(fù)雜巨系統(tǒng),其綜合評(píng)價(jià)的數(shù)量化指標(biāo)較多,本文采用的主成分分析法可以在最大比例保存信息的前提下,抓住主要信息,并客觀確定權(quán)重,避免主觀隨意性,實(shí)踐中取得了良好的效果,但是,自然和社會(huì)因子的復(fù)合仍然需要進(jìn)一步深入研究,以服務(wù)于綜合性的區(qū)劃和評(píng)價(jià)。

(3)研究表明,哈爾濱市區(qū)及其周邊衛(wèi)星城市雙城、肇州和肇東中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)非常適宜進(jìn)行開發(fā);大慶市區(qū)和齊齊哈爾市區(qū)由于具有敏感的生態(tài)環(huán)境和重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,開發(fā)適宜性受到限制,位于兩市之間的林甸縣中心鎮(zhèn)則顯示出了較高的開發(fā)潛力;廣大農(nóng)業(yè)地區(qū)和西部農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)屬于開發(fā)潛力不足的地區(qū)?？傊?生態(tài)約束是哈大齊區(qū)域開發(fā)過程中必須要充分考慮的一個(gè)重要因素,今后應(yīng)針對(duì)不同的地區(qū)實(shí)施有區(qū)別的人口、財(cái)政、環(huán)境和投資等政策,以促進(jìn)主體功能區(qū)的形成。

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