莫惠萍 林美玲 胡欣雨 黃宇斌 陸東芳

(福建農(nóng)林大學(xué) 藝術(shù)園林學(xué)院，福建 福州 350002)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人口數(shù)量的不斷增加，人類對于自然資源的開發(fā)和利用強度加大，給全球生態(tài)帶來了嚴(yán)重的破壞，氣候、生態(tài)環(huán)境、土地利用變化等問題日益突出。資源短缺、環(huán)境污染、生態(tài)惡化等問題已經(jīng)成為制約社會可持續(xù)發(fā)展的主要因素。

黨的十八大明確提出要“大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，優(yōu)化國土空間開發(fā)格局”，國內(nèi)各省、市、區(qū)(縣)高度重視生態(tài)建設(shè)工作，將生態(tài)建設(shè)作為重要的戰(zhàn)略目標(biāo)，環(huán)境保護(hù)和生態(tài)文明建設(shè)在中國社會經(jīng)濟發(fā)展中的地位也日益凸顯。黨的十九大報告又提出了構(gòu)建節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的空間格局的新要求，更是強調(diào)了空間規(guī)劃的重要性?？梢哉f空間規(guī)劃已經(jīng)成為支撐國家發(fā)展的重要力量。但在沒有認(rèn)清土地生態(tài)適宜性情況下的開發(fā)，勢必會造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，因此如何認(rèn)清土地生態(tài)適宜性、協(xié)調(diào)城市發(fā)展與環(huán)境保護(hù)、優(yōu)化配置土地成為近年來專家學(xué)者們的研究熱點。

城市土地的生態(tài)適宜性評價是城市規(guī)劃、管理的重要組成部分,在日益強調(diào)景觀生態(tài)過程與景觀格局關(guān)系的時代，以景觀過程模型為基礎(chǔ)的生態(tài)適宜性評價方法越來越受到研究者的重視[1]。近年來，隨著GIS技術(shù)在土地科學(xué)界的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者紛紛開始利用GIS空間分析技術(shù)，對土地生態(tài)適宜性展開研究。如張麗君、曹紅[2]運用特爾菲法對預(yù)選評價指標(biāo)集進(jìn)行篩選，建立評價指標(biāo)體系并確定各評價因子的權(quán)重值，通過加權(quán)指數(shù)和法計算各評價單元的綜合評價值，確立土地生態(tài)適宜性分級標(biāo)準(zhǔn)，劃分沈陽市土地生態(tài)適宜性分區(qū)；徐保根、薛繼斌[3]重點探討了為農(nóng)業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)選擇與布局服務(wù)的土地生態(tài)適宜性評價及其可拓評價模型方法和步驟，并將其應(yīng)用于山西省隰縣農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展研究試驗區(qū)；劉孝富等[1]以廈門為例將城市土地景觀動態(tài)模擬為生態(tài)保護(hù)用地和城鎮(zhèn)用地擴張兩個過程,建立了以兩個過程最小累積阻力差值為基礎(chǔ)的城市土地生態(tài)適宜性評價方法；岳晨等[4]以長春市為例,采用層次分析法(AHP)和GIS手段相結(jié)合的方法,將各因子進(jìn)行加權(quán)疊加計算,得出長春市土地生態(tài)適宜性評價；田倩倩等[5]運用最小累積阻力模型和GIS空間分析方法對湖南省萬佛山自然保護(hù)區(qū)展開土地生態(tài)適宜性評價研究。

隨著空間規(guī)劃時代的到來，土地生態(tài)適宜性評價在空間規(guī)劃制定過程中的作用顯得愈加重要[6]。如今韶關(guān)市作為廣東省的生態(tài)特別保護(hù)區(qū)，其生態(tài)地位十分重要，隨著南嶺國家公園的設(shè)立，周邊縣市區(qū)的發(fā)展和規(guī)劃成為當(dāng)下需要考慮的問題。本研究以韶關(guān)市始興縣為例，從城市建設(shè)和生態(tài)保護(hù)兩個角度構(gòu)建適宜性評價體系，基于GIS技術(shù)運用最小累積阻力模型對始興縣進(jìn)行土地生態(tài)適宜性分區(qū)，嘗試解決土地開發(fā)利用和生態(tài)保護(hù)的矛盾，以期為始興縣空間規(guī)劃布局提供借鑒和參考。

1 研究區(qū)概況

如圖1所示，始興縣隸屬廣東省韶關(guān)市，位于廣東省北部，韶關(guān)市東部，東鄰江西省全南縣，南靠翁源縣，西與仁化縣、曲江區(qū)相鄰，北接南雄市，地跨東經(jīng)113°05′—114°22′，北緯24°31′—25°64′，全縣總面積為213 191km2。始興地處南嶺山脈南麓，地勢四周高中間低，境內(nèi)山地丘陵交錯，地形復(fù)雜，河網(wǎng)密布，主要河流有湞江、墨江、澄江，且位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，全年熱量充足，冷暖交替明顯，年平均氣溫20.6℃，年降水量1 695mm。境內(nèi)土壤由花崗巖發(fā)育形成，土質(zhì)深厚，養(yǎng)分供給性較好，因此森林的植被茂密，森林覆蓋率高達(dá)74.7%，在廣東省各縣市中位居第一。始興縣生物資源也十分豐富，區(qū)域內(nèi)的車八嶺國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)保存大面積原始森林，動植物資源豐富，素有“物種寶庫，南嶺明珠”之稱。

圖1 研究區(qū)地理位置

2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究的數(shù)據(jù)主要包括：始興縣規(guī)劃數(shù)據(jù)庫、始興縣土壤侵蝕數(shù)據(jù)、始興縣土地利用數(shù)據(jù)、始興縣2018年Landsat8 OLI遙感影像數(shù)據(jù)、ASTER 30 m數(shù)字高程數(shù)據(jù)、2017年NDVI數(shù)據(jù)、2015年降水量數(shù)據(jù)、2019年全國路網(wǎng)數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)主要來源于資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心、地理空間數(shù)據(jù)云、USGS平臺。

本文對研究區(qū)遙感影像進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、輻射定標(biāo)、圖像裁剪、大氣校正等處理后，通過監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法把全縣的土地利用劃分為：耕地、林地、草地、濕地、水體、建設(shè)用地、未利用地7種用地類型，精度驗證Kappa系數(shù)都達(dá)到0.8以上。利用ArcGIS軟件對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、掩膜提取，通過表面分析、重分類等工具得到研究區(qū)坡度圖、水系分布圖等。各數(shù)據(jù)地理坐標(biāo)系統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為GCS_WGS_1984，投影坐標(biāo)系定為WGS_1984_UTM_Zone_49N。

3 評價方法

3.1 阻力模型

利用多因子加權(quán)疊加模型建立阻力模型以研究始興縣城市建設(shè)用地和生態(tài)保護(hù)用地兩種類型擴張所受的阻力情況，公式如下：

(1)

式中：Z為綜合阻力值；Wi為因子i的權(quán)重值；Pi為第i個因子分值；n為因子數(shù)。

3.2 最小累積阻力模型

最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance，MCR)最早起源于Knaapen等[1]對物種擴散的研究，是模擬物種從源地穿越不同景觀基質(zhì)的過程中所耗費代價的最小成本路徑，體現(xiàn)了研究對象在空間上的潛在可達(dá)和擴張趨勢。后來經(jīng)國內(nèi)學(xué)者的不斷研究得到了完善，俞孔堅將GIS中的費用距離與之結(jié)合進(jìn)行了改進(jìn)，目前已在適宜性評價[6-8]、生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建[9,10]、景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建[9,10]等相關(guān)方面得到了廣泛的應(yīng)用。其基本公式如下:

(2)

式中：MCR為最小累積阻力值；Dij為源j到目的地i的距離；Ri為阻力系數(shù)。該模型可以通過ArcGIS中的成本距離工具得以實現(xiàn)。

3.3 分區(qū)依據(jù)

從用途來說，城市土地可以分為兩大類，即生態(tài)需求用地和城市建設(shè)用地。生態(tài)需求用地是最適合生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的用地，城市建設(shè)用地是最適宜城市開發(fā)的建設(shè)用地。為比較同一土地單元推進(jìn)和阻礙作用的大小，可以在相同標(biāo)準(zhǔn)下，通過最小累積阻力值來比較兩者[13]。本研究以生態(tài)用地擴張和建設(shè)用地擴張這兩個擴張過程的最小累積阻力差值作為始興縣土地生態(tài)適宜性分區(qū)的依據(jù)，公式如下:

MCR差值=MCR生態(tài)-MCR建設(shè)

(3)

將式(2)計算出的生態(tài)需求擴張的最小累積阻力值與城市建設(shè)擴張的最小累積阻力值相減，得到兩個用地擴張類型的最小累積阻力差值。當(dāng)差值為負(fù)值時，代表研究區(qū)內(nèi)生態(tài)保護(hù)用地比建設(shè)用地更容易擴張，則該部分適宜作為生態(tài)保護(hù)用地。相反，當(dāng)差值為正值時，適宜作為建設(shè)開發(fā)用地；當(dāng)差值為零時，則為兩者的分界線。

4 評價過程

4.1 源的選擇

本研究通過形態(tài)學(xué)空間格局分析方法選擇生態(tài)源地作為生態(tài)需求用地的“源”，城市建設(shè)用地的“源”則主要基于遙感解譯后的始興縣土地利用分類，將建設(shè)用地作為建設(shè)開發(fā)的擴張“源”。

在景觀生態(tài)安全格局的研究中，生態(tài)源地一般指生境質(zhì)量較好、空間規(guī)模較大的重要生態(tài)用地，過去相關(guān)研究中多選取物種的自然棲息地、穩(wěn)定且面積較大的林地以及水源保護(hù)區(qū)和水體等作為生態(tài)源地[2]。但該方式存在一定的主觀性，源地涵蓋的范圍也不夠全面。故本文運用形態(tài)學(xué)空間格局分析方法選擇生態(tài)源地結(jié)果具有一定的科學(xué)性和客觀性。

基于始興縣土地利用分類現(xiàn)狀，將林地、濕地、水體三種用地提取出來作為前景，其他用地類型作為背景，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為30m×30m的Tiff格式二值柵格文件。然后利用Guidos軟件的八鄰域法對數(shù)據(jù)進(jìn)行形態(tài)學(xué)空間格局分析，得到核心區(qū)、孤島、橋接、邊緣、孔隙、環(huán)道、支線7類景觀類型(如圖2所示)，從中篩選出面積大于1hm2的核心區(qū)。最后利用Conefor軟件對核心區(qū)的整體連通性(IIC)、可能連通性(PC)和斑塊重要性指數(shù)(dPC)等連通性指數(shù)進(jìn)行計算，最后選取dPC最大的10個斑塊作為始興縣的生態(tài)源地(如圖3所示)。

圖2 始興縣MSPA景觀類型

圖3 始興縣生態(tài)源地空間分布

4.2 評價因子選擇

本研究根據(jù)研究區(qū)的特點，遵循可操作性和數(shù)據(jù)可獲取性，分別從自然環(huán)境和社會經(jīng)濟兩個方面對因子進(jìn)行選擇。自然環(huán)境層面主要包括地形(高程、坡度)、水域、植被覆蓋、土地利用類型，社會經(jīng)濟層面主要考慮交通因素。

(1)地形因子。始興縣地貌以山地、丘陵為主，地形復(fù)雜多樣。從坡度、高程兩個方面出發(fā)來進(jìn)行評價尤為重要。海拔高、坡度大的區(qū)域生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性會相對較差，不適宜進(jìn)行建設(shè)開發(fā)，應(yīng)盡量保留原用地類型。

(2)水域因子。始興縣境內(nèi)河網(wǎng)密布，水體的生態(tài)功能較高，對建設(shè)用地的擴張具有一定的限制作用。為了避免在建設(shè)過程中污染水體，城市建設(shè)用地應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離水域。

(3)植被覆蓋因子。植被覆蓋指數(shù)是反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要因子。植被覆蓋較高的區(qū)域?qū)Τ鞘薪ㄔO(shè)用地的擴張會起限制作用。始興縣內(nèi)植被茂密，森林覆蓋率高達(dá)74.7%，故考慮植被覆蓋度因子。

(4)土地利用因子。任何建設(shè)和開發(fā)都是在土地利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，現(xiàn)有的土地利用類型決定著其轉(zhuǎn)化為其他用地類型的可能性，是土地生態(tài)適宜性評價的重要因子。

(5)交通因子。交通便利的地方，可達(dá)性高，具有較高的地理區(qū)位優(yōu)勢，相對更適合城市的開發(fā)建設(shè)，該地區(qū)對于生態(tài)保護(hù)會起到一定的制約作用。交通因子應(yīng)該作為土地生態(tài)適宜性評價中需要重點考慮的因素。

4.3 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

本研究參考前人研究經(jīng)驗[13]，分別用1、2、3、4、5表示5個不同的等級來評價單因子阻力，分值越低，表示阻力越小。各單因子等級劃分采用ArcGIS中的重分類工具，按照自然斷點法進(jìn)行分級。根據(jù)不同轉(zhuǎn)化過程的難易程度，賦予不同的阻力等級，其中阻力系數(shù)的賦值主要根據(jù)各阻力面的生態(tài)地位來確定(具體見表1)。權(quán)重采用AHP法確定，將各阻力因子作為指標(biāo)層，兩種用地擴張阻力值作為目標(biāo)層，邀請專家根據(jù)指標(biāo)層相對目標(biāo)層的重要性程度，采用1—9標(biāo)度法進(jìn)行打分，構(gòu)建判斷矩陣，最后得出各指標(biāo)權(quán)重，CR=0.033 4<0.1，通過一致性檢驗(具體見表2)。

表1 阻力評價體系

表2 判斷矩陣及權(quán)重

5 結(jié)果與分析

5.1 綜合阻力值計算

兩類擴張用地的綜合阻力值主要運用GIS的柵格計算器工具，基于阻力評價體系中的賦值結(jié)合式(1)計算得到(計算結(jié)果如圖4)。從圖中可以看出，兩種擴張用地的阻力值在空間格局上相反，如東北部的建成區(qū)對城市建設(shè)用地擴張的阻力小，對生態(tài)保護(hù)用地擴張的阻力卻大，結(jié)果與阻力評價體系賦值相符。

圖4 兩類用地綜合阻力值

5.2 最小累積阻力值計算

基于兩種擴張用地的“源”和綜合阻力值，依據(jù)式(2)計算兩類擴張用地的最小累積阻力值(如圖5所示)。然后依據(jù)式(3)計算兩類擴張用地的最小累積阻力差值，結(jié)果如圖6所示。

圖5 兩類用地最小累積阻力值

圖6 最小累積阻力差值

5.3 分區(qū)閾值確定

根據(jù)最小累積阻力差值的正負(fù)關(guān)系將研究區(qū)劃分為兩大類，當(dāng)差值>0時，將該區(qū)域劃為適宜城市建設(shè)用地；當(dāng)差值<0時，將該區(qū)域劃為適宜生態(tài)保護(hù)用地。通過最小累積阻力差值與面積曲線的突變點確定分區(qū)閾值(見表3)。

表3 始興縣生態(tài)適宜性分區(qū)閾值區(qū)間

5.4 評價結(jié)果

運用ArcGIS重分類工具根據(jù)始興縣適宜性分區(qū)區(qū)間在最小累積阻力差值的基礎(chǔ)上進(jìn)行重分類，將評價結(jié)果劃分為禁止建設(shè)區(qū)、限制建設(shè)區(qū)、優(yōu)化建設(shè)區(qū)和重點建設(shè)區(qū)4個等級，最終得到土地生態(tài)適宜性圖(如圖7所示)。

圖7 土地生態(tài)適宜性分區(qū)

結(jié)果表明：始興縣禁止建設(shè)區(qū)面積為128.971km2，占全縣總面積的5.5%，主要分布在始興縣的沈所鎮(zhèn)、深渡水鄉(xiāng)、羅壩鎮(zhèn)等區(qū)域，地處始興縣邊緣地帶，與仁化縣和曲江區(qū)相交；用地類型主要為林地，地形起伏較大，地勢較高，生態(tài)價值高，容易受到外來干擾的影響，應(yīng)禁止一切有關(guān)城鎮(zhèn)化建設(shè)的活動。

限制建設(shè)區(qū)面積為1 681.921km2，占總面積的71.8%，主要分布于始興縣的西北部、東部、南部等大部分區(qū)域，具體用地類型為林地、耕地、濕地、水體等。車八嶺國家級自然保護(hù)區(qū)也位于該區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，對抗外來干擾的能力較弱，生態(tài)敏感性較高，是城鎮(zhèn)建設(shè)與生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的隔離帶，對于維護(hù)生態(tài)多樣性具有很大的價值。應(yīng)以生態(tài)恢復(fù)、生態(tài)保護(hù)為主，不宜進(jìn)行過度的開發(fā)建設(shè)，應(yīng)繼續(xù)發(fā)揮本區(qū)域自身的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟、游憩等作用，在合適區(qū)域適當(dāng)?shù)亻_展生態(tài)旅游活動。

優(yōu)化建設(shè)區(qū)面積為236.768km2，占總面積10.1%，該區(qū)域用地類型主要為耕地，地勢相對平坦。主要分布在建成區(qū)的周圍，靠近中心城區(qū)，交通便利，屬于城鎮(zhèn)建設(shè)的緩沖區(qū)域，可作為重點建設(shè)區(qū)的補充，需要合理引導(dǎo)該區(qū)域的開發(fā)利用，在開發(fā)的同時注意生態(tài)文明建設(shè)，優(yōu)化布局以減少對耕地過度開采。

重點建設(shè)區(qū)總面積為293.619km2，占全縣總面積的12.5%。主要分布在始興縣的馬市、太平、頓崗、城南、沈所這五個鎮(zhèn)，屬于始興縣經(jīng)濟、政治中心。目前已具有大量的建成區(qū)，區(qū)域內(nèi)地勢較低，地形起伏較小，較為平坦。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能低，對生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響較小，在此進(jìn)行城市開發(fā)對于環(huán)境的破壞較小，作為重點建設(shè)區(qū)最為合適。

6 結(jié)論與展望

基于最小累積阻力模型的生態(tài)適宜性評價，可以避免因決策失誤而產(chǎn)生對生態(tài)環(huán)境的破壞，從而保證城市拓展的安全性，維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性。

本文運用形態(tài)學(xué)空間格局分析與最小累積阻力模型構(gòu)建了始興縣土地生態(tài)適宜性評價體系，通過對始興縣城市建設(shè)用地擴張和生態(tài)需求用地擴張兩個過程進(jìn)行阻力賦值，明確了城市區(qū)域范圍內(nèi)適宜建設(shè)用地和適宜生態(tài)用地的面積和范圍，最終將適宜性劃分為重點建設(shè)區(qū)、優(yōu)化建設(shè)區(qū)、限制建設(shè)區(qū)、禁止建設(shè)區(qū)4個區(qū)域。

從空間格局來看，始興縣整體的適宜性分布格局成“凹”字型，限制建設(shè)區(qū)將馬市、太平、頓崗、城南、沈所這幾個重點建設(shè)區(qū)和優(yōu)化建設(shè)區(qū)包圍。后續(xù)發(fā)展過程中這幾個地區(qū)需要嚴(yán)格控制開發(fā)規(guī)模，以保證周邊良好的生態(tài)環(huán)境。

從分區(qū)來看，始興縣南北差異明顯，北部主要為建設(shè)區(qū)，南部則主要為生態(tài)保護(hù)區(qū)，南北部連通性不強。今后進(jìn)行總體規(guī)劃時，應(yīng)權(quán)衡利弊，適當(dāng)加強南部與北部的連通性，改善南北部發(fā)展極不平衡的現(xiàn)狀。

雖然阻力因子的確定無礙于運用最小累積阻力模型開展城市土地生態(tài)適宜性評價研究，但由于阻力因子的選擇與賦值是影響最終結(jié)果的重要因素，因此阻力評價指標(biāo)體系還需要更嚴(yán)謹(jǐn)。本文中阻力因子的選擇存在很大的主觀性，且因子考慮得尚不全面，劃分不夠精細(xì)，其選擇的科學(xué)性和客觀性還有待進(jìn)一步研究，在今后的研究過程中需要克服等級劃分的主觀性思路，采取更為精確和客觀的賦值方式。