李露露， 曹玉紅， 劉崇剛， 陳 晨

(安徽師范大學 環(huán)境科學與工程學院，安徽 蕪湖 241003)

引 言

近年來，中國城市正處在從經濟增長型到環(huán)境可持續(xù)發(fā)展型的重要轉型期，分析城市化進程對生態(tài)環(huán)境的影響，尋求具有中國可持續(xù)發(fā)展特色的社會、人口、經濟與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調的發(fā)展模式，建設“生態(tài)文明”、“精神文明”城市等方面受到了廣泛的關注。城市是人類活動最為頻繁的一種特殊的生態(tài)系統(tǒng)，人類社會的發(fā)展對城市的建設和擴展提出了必然的要求[1-2]。為了滿足建設用地快速擴增的要求，大量的農田、林地、草地等轉變成不能滲透的城市景觀，導致下墊面類型轉變，引發(fā)城市熱島效應等環(huán)境問題，生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，自然的新陳代謝失衡，生態(tài)服務功能下降，威脅了地區(qū)的生態(tài)安全性。因此，城鎮(zhèn)建設用地擴展過程中的適宜性評價尤為重要。土地生態(tài)適宜性最早由美國景觀建筑師McHarg在1969年提出。近年來,相關學者在城市生態(tài)適宜性方向進行了大量的研究，其研究方法主要包括地圖疊加法和邏輯規(guī)則組合法[3]。其中Turner和Miles基于適宜性地圖疊加的方法，提出選擇交通通道的計算機系統(tǒng)方法[4]；Lyle和Stutz應用土地適宜性分析方法在制定城鎮(zhèn)土地利用規(guī)劃方面作出了大量的研究[5]。但是大量研究工作都是采用加權疊加分析方法(WLC)，這種方法最直接、最常用[6]，它可以通過ArcGIS或ENVI軟件平臺，在柵格或矢量數(shù)據(jù)組織結構中應用，其通過選取評價因子，構建評價體系，進行因子疊加，但忽略了景觀的水平過程。為了彌補這方面的不足，1992年，由國外的學者KnaapenJP等[7]提出了利用最小累計阻力(minimum cumulative resistance,MCR)來作為景觀改變的依據(jù)，該提議使得人們認識到生物空間運動的潛在趨勢與景觀格局變化之間的關系。在國內，最小累積模型(MCR)模型最早由俞孔堅[8]在1999年引入并應用到景觀格局之中，后來結合ArcGIS中的距離分析中的距離成本工具，用于景觀生態(tài)安全格局研究[9]，豐富實用的ArcGIS空間分析工具包為復雜的景觀格局分析提供了研究的技術手段[10-12]。隨著理論研究的更加深入，MCR模型被諸多學者應用在城市和生態(tài)用地的適宜性擴展當中，如劉孝富等人[13]2010年所做的最小累積阻力模型在城市土地生態(tài)適宜性評價中的應用。

本文利用俞孔堅等的研究作為理論依據(jù)，試圖將建設用地作為擴展的源地，同時兼顧景觀的垂直和水平發(fā)展過程。利用ArcGIS的spatial analyst工具中的距離分析工具，生成源地與周圍斑塊的最小耗費成本路徑網，以反映建設用地擴展的可能性和方向，基于最小累積阻力來衡量單元間的空間相似和連通程度；再通過最小路徑網絡，劃分出適宜建設用地的潛在發(fā)展區(qū)，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境和社會經濟的和諧發(fā)展；再者，選取城區(qū)建設用地作為研究擴展的“源”，將適宜性評價具體到斑塊這一微觀尺度。

1 研究區(qū)概況

由合肥市、蕪湖市、馬鞍山市、銅陵市、安慶市、池州市、滁州市、宣城市、六安市的等一共48個行政單位(縣、區(qū))組成了皖江城市帶承接產業(yè)轉移示范區(qū)，示范區(qū)面積大約為7.6萬km2，占安徽省土地面積的54%[14]，全國第六次普查常住人口3272.5萬，占安徽省人口總量的55%[15]。皖江城市帶地理位置優(yōu)越，與長三角區(qū)域相連，總體地勢呈現(xiàn)南北較高，中間較低的格局，地形單元復雜,包括江淮丘陵、皖江平原、大別山區(qū)和皖南山區(qū)全部或部分地區(qū)，主體部分為皖江平原[16]。區(qū)域內水資源豐富，含有眾多河流和湖泊，湖泊總體面積達到3300km2，其中巢湖為全國五大淡水湖之一。氣候類型為亞熱帶季風氣候，降水主要集中在夏季。土地利用類型多樣，耕地為主，約占52%，是中國著名的“魚米之鄉(xiāng)”，其次是林地，占33.33%，建筑用地約占6.25%。皖江城市帶是政府為了實現(xiàn)促進中部地區(qū)經濟崛起而制定的重要產業(yè)示范區(qū)，也是實施中部崛起戰(zhàn)略的重要經濟領航者，在中西部承接產業(yè)轉移中處在十分重要的戰(zhàn)略位置。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究采用的是來自于landsat-8平臺的2013年TM影像、皖江城市帶行政矢量圖、國際科學數(shù)據(jù)服務平臺30m精度DEM地形圖，以及基于安徽統(tǒng)計年鑒和社會統(tǒng)計公報中發(fā)布的相關經濟地理數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 研究思路

見圖1。

圖1 技術流程圖Fig.1 The flow chart of technical route

2.2.2 生態(tài)敏感性評價 生態(tài)敏感性指生態(tài)系統(tǒng)對人類活動反應的敏感程度，其中反映生態(tài)失衡與生態(tài)環(huán)境問題的可能性大小一般用生態(tài)敏感性表示。敏感性評價的任務是明確區(qū)域可能發(fā)生的主要生態(tài)環(huán)境問題類型和可能性大小[17]。由于生態(tài)系統(tǒng)的綜合性和復雜性的特點，生態(tài)敏感性評價指標的選取不宜過細，否則難免交叉重疊，增加數(shù)據(jù)的冗余度。為了減小因子之間的相關性，并考慮數(shù)據(jù)的可獲得性[18]，根據(jù)已有資料，參考相關專家打分規(guī)范和已有的研究成果，將生態(tài)敏感性分為5個評價等級：極敏感性、高敏感性、中敏感性、低敏感性和不敏感性，并賦值[19](表1)。

2.2.3 “源”的確定 “源”是物質能量流通和物種擴散的原點，特點是內部的同質性或集聚性和外部的擴張性。將現(xiàn)有的建設用地作為城鎮(zhèn)建設擴展的“源”，由于研究區(qū)建設用地斑塊破碎化程度較高，會導致數(shù)據(jù)之間的相關度較大，為去除實驗的數(shù)據(jù)冗余度以及減少過程的數(shù)據(jù)處理量，本文對建設用地斑塊進行篩選，根據(jù)研究區(qū)建設用地斑塊分布的特點以及斑塊選擇的代表性，選取斑塊面積大于100 000m2的城區(qū)建設斑塊作為建設用地擴展的“源”，實現(xiàn)將評價對象具體到斑塊這一微觀尺度的突破。

2.2.4 阻力面的建立 作為識別景觀安全格局組分和劃分景觀功能區(qū)的重要依據(jù)，阻力面主要反映了物種空間運動的趨勢。具體的如公式(1)所示：

(1)

(1)式中：MCR為最小累積阻力值；Dij表示源j到景觀單元i之間的距離值；Ri表示景觀單元i擴展的阻力系數(shù)；f表示最小累積阻力與生態(tài)過程具有的正相關關系，其數(shù)學形式為一個單調遞增函數(shù)。MCR模型建立的關鍵是源的選取以及阻力面因子體系的構建，其中源在阻力面體系下對周圍空間單元的競爭性擴散(以最小累積阻力值為依據(jù))是MCR模型理論核心[20]。該模型的具體實現(xiàn)通過ArcGIS中的cost-distance模塊來完成。

遵循科學性的基礎上考慮數(shù)據(jù)的可獲取性，并最終利用地形、生態(tài)敏感性、景觀類型、可達性四個阻力因子構建建設用地擴展阻力面(表2)。其中，根據(jù)數(shù)據(jù)的特點，綜合特爾菲法和參考專家打分法確定阻力因子的權重[21]。

表1 土地生態(tài)敏感性因子

表2 阻力因子分級賦值和權重值

2.2.5 基于MCR面最小耗費路徑網的提取 MCR面中每個柵格值表示的是與斑塊距離最近、成本最低的源地的最小累加成本值，其中，擴展源地的MCR值為0。其中，MCR為成本柵格數(shù)據(jù)。

3 結果與分析

3.1 土地生態(tài)敏感性分析

由敏感性分析的結果可見(表3,圖2):

1)研究區(qū)敏感性以中敏感性為主，所占比例為48.18%，主要分布在皖北地區(qū)，典型代表區(qū)域為合肥、滁州、六安市的金安區(qū)、舒城等。

2)研究區(qū)的敏感性總體上呈西高東低的大格局分布，極高敏感區(qū)所占比例為8.23%，呈分散分布，主要是一些水庫、風景名勝區(qū)。高敏感區(qū)域大約為26.02%，主要分布在皖南山區(qū)，典型代表地區(qū)為安慶市、宣城市、池州市地區(qū)，以及一些重要的水源地帶，如長江，巢湖等；而低敏感區(qū)(7.52%)和非敏感區(qū)域(10.05%)空間分布相對的分散，主要分布在現(xiàn)有的建設用地及其周邊。

表3 皖江城市帶生態(tài)敏感性分區(qū)統(tǒng)計表

圖2 皖江城市帶生態(tài)敏感性分析圖

Fig.2 Ecological sensitivity analysis of Wanjiang urban belt

3.2 最小累積阻力面

基于ArcToolbox中的“成本距離”得到皖江城市帶的最小累積阻力面(圖3)。

得到皖江城市帶的最小累積阻力面后，利用自然斷點法重新劃分為五個等級，得到適宜擴展區(qū)、較適宜擴展區(qū)、限制擴展區(qū)、禁止擴展區(qū)、生態(tài)恢復區(qū)[22]五個區(qū)域(圖4)。

圖3 皖江城市帶MCR圖Fig.3 MCR of Wanjiang urban belt

圖4 建設用地適宜性分區(qū)

Fig.4 Construction land suitability subdivision

根據(jù)區(qū)域統(tǒng)計分析，得到建設用地適宜性分區(qū)面積及所占比例(表4)。

由最小阻力累積面和建設用地適宜性分析結果可見，皖江城市帶建設用地適宜性分區(qū)如下。

1)第一類為適宜擴展區(qū)。在該區(qū)域內環(huán)境因子基本上不受建設用地擴展的影響，或是生態(tài)環(huán)境因子將承受短時間暫時性的影響，其再生與恢復可由人為因素較容易的實現(xiàn)。其中它的MCR值為(0～10,335]，所占面積比例為38.10%，擴展的環(huán)境成本等因素較小，這類為城市擴展中重點開發(fā)建設的區(qū)域。適宜擴展區(qū)主要分布在已有城區(qū)鄰近的外圍，主要是由于不同的擴展源向周圍擴展的壓力不同，已有的建設用地的交通、GDP、人口等發(fā)展的較為完善，先前的發(fā)展已經克服了相關環(huán)境因子的阻礙，利于建設用地的轉移。

2)第二類為較適宜擴展區(qū)。需經過4年左右的時間，該區(qū)域內生態(tài)環(huán)境因子才可以恢復建設用地的擴展施加的影響，其再生、恢復和重建利用天然或是人工方法均可完成。其中它的MCR值為(10,335～22,261]，所占面積比例為37.48%。通過圖4可以看出，較適宜擴展區(qū)主要是一些耕地、疏林地等地形較為平坦，土地利用類型較為簡單的景觀。由于生態(tài)恢復難度較為簡單，恢復方式多樣且成本較低，這類為較為優(yōu)化的開發(fā)建設區(qū)域，主要呈環(huán)狀分布在源地外圍。

3)第三類為限制擴展區(qū)。該區(qū)域內生態(tài)環(huán)境因子的恢復期大約為4～10年，其恢復和重建比較困難并且所花費的時間較長。其中它的MCR值為(22,261～40,547]，所占面積比例為18.67%。限制擴展區(qū)主要分布在距離建設擴展源地較遠的地方。由于它的生態(tài)環(huán)境較為脆弱，所以這類為建設開發(fā)的時候需要注意的區(qū)域，控制開發(fā)的規(guī)模和力度，注重生態(tài)、旅游等相關產業(yè)的發(fā)展，有選擇的進行建設用地的擴展。

表4 建設用地適宜性分區(qū)

4)第四類為禁止開發(fā)區(qū)。該區(qū)域內的生態(tài)環(huán)境因子將經歷10年以上時間方可恢復其影響，其恢復和重建將非常的困難并且代價很高。其中它的MCR值為(40,547～93,020]，所占面積比例為5.19%。根據(jù)圖4知這類主要為一些水域、高覆蓋度草地，森林等一些植被覆蓋度較大的區(qū)域。該區(qū)禁止建設用地的擴展，同時注重已有的建設用地的利用效率，大力推進區(qū)域的生態(tài)環(huán)境的保護活動。

圖5 皖江城市帶最小耗費路徑網Fig.5 The minimum cost route network of Wanjiang urban belt

5)第五類為生態(tài)恢復區(qū)。該區(qū)域內的生態(tài)環(huán)境因子將承受永久性，不可恢復性的影響。其中它的MCR值為(93,020～202,736]，所占面積比例為0.57%。根據(jù)圖4知主要分布在大別山境內。由于大別山山脈植被覆蓋率較高，生態(tài)敏感性極高，區(qū)域內有眾多的生態(tài)保護基地，容易受到建設用地擴展的影響，且受破壞后，恢復期長或無法恢復，所需花費的精力多，生態(tài)服務價值受損。所以該區(qū)域不宜作建設用地，且需要把有條件的建設用地恢復成生態(tài)用地。

3.3 擴展方向分析

基于最小累積阻力模型，通過已經獲得的MCR面，利用最小路徑算法，提取最小耗費路徑網[23]。最小耗費路徑網呈樹枝狀分布(圖5)。

由皖江城市帶最小耗費路徑網分析結果可見：

1)研究區(qū)北部路徑相對較多，主要分布在合肥，滁州等地區(qū)。路徑較多的原因也是由于在合肥、滁州等地已有的建筑用地較多，源地之間分布較為密集，源與源之間的擴展路程較短，或源與源之間的道路系統(tǒng)發(fā)達，其克服的生態(tài)阻力較低，所以克服的障礙所需的成本較低。

2)最小耗費路徑網受坡度影響較大，在皖南山區(qū)，特別是地形坡度起伏較大的區(qū)域，如岳西縣、潛山縣、太湖縣等，這些地區(qū)本身建成區(qū)較少，又因為地形、景觀類型等原因，建筑用地在該地區(qū)擴展成本較大，導致該地區(qū)已有的擴展源地較少，所以該地區(qū)擴展路徑較少，且值相對較高。

3)每一個源地在不同的方向有不同的擴展路徑，表明一個源對于其他的源地來說都是一個潛在的擴展方向，且每個源有多個擴展路徑。但是由于源之間的擴展障礙不同，導致擴展費用的差異，在城市發(fā)展規(guī)劃中，綜合考慮克服源周圍的阻礙所需的發(fā)展成本，選取最佳的擴展方向，才能使規(guī)劃更加科學合理。

4 結論與討論

4.1 結 論

本文通過ArcGIS軟件平臺的支持，選取諸如地表景觀類型、地形等因子，基于最小累積阻力模型，對研究區(qū)的生態(tài)安全格局進行綜合的描述，在對建設源地擴展適宜性進行評價、分析建設用地擴展的最小耗費成本網，這對維護研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和保護當?shù)厣锒鄻有?，處理好保護與發(fā)展的關系，具有重要的意義。研究結果顯示，皖江城市帶以中敏感性地區(qū)為主，適宜擴展區(qū)和較適宜擴展區(qū)所占比例較大，總體上，皖江城市帶的建設用地的擴展成本較低，在擴展過程中，生態(tài)環(huán)境對城鎮(zhèn)擴展的敏感性較低。如果在適宜擴展區(qū)和較適宜擴展區(qū)進行合理的規(guī)劃，可以實現(xiàn)構建具有中國特色的社會、人口、資源與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調的發(fā)展模式、建設“生態(tài)文明”“精神文明增長”的城市的要求。

4.2 問題討論

本文的不足之處在，在利用MCR模型進行功能分區(qū)時，功能區(qū)分布形式固定，圍繞源呈“向心”式分布，無法靈活表現(xiàn)出源的阻力值差異。在城鎮(zhèn)建設用地的適宜性研究中，往往出現(xiàn)“攤大餅”式的擴展模式，這與節(jié)約城鎮(zhèn)用地的現(xiàn)代化發(fā)展理念相沖突。為了彌補這方面的不足，本文嘗試利用城區(qū)建設用地作為研究擴展的“源”，實現(xiàn)了適宜性評價具體到斑塊尺度的突破，再利用距離分析中的最佳路徑中的each-cell算法，為源中的每一個柵格尋找一條成本最小路徑。用來對擴展路徑的模擬，結合MCR的出現(xiàn)的環(huán)狀分布，分析源與源之間擴展的成本的大小，適宜性情況，使得源與源之間保持良好的連通性，對于協(xié)調區(qū)域城市擴展和生態(tài)保護具有一定的現(xiàn)實意義。

在城市建成區(qū)擴展過程中，MCR模型是構建生態(tài)安全格局的有效手段，可以很好地呈現(xiàn)城市空間格局的演變進程，本文嘗試性地探索了區(qū)域生態(tài)適宜性評價指標的標準量化問題，可為土地資源、城市用地規(guī)劃和區(qū)域生態(tài)安全維護理論指導。本研究采用了創(chuàng)新的研究方法，但是目前的數(shù)據(jù)和技術問題在一定程度上影響了研究的深入，具體問題比如，定性化的社會經濟方面的數(shù)據(jù)難以精確地在空間上進行量化，不同類型的數(shù)據(jù)難以融合等。因此，本次構建區(qū)域生態(tài)安全評價模型的過程中忽略了社會經濟要素，基于研究區(qū)的特性，篩選出了其中的4個評價指標；另一方面，該研究領域中對于區(qū)域生態(tài)安全評價因子等級劃分缺少可借鑒的先例，對本次分級的合理性需進行進一步的探討；此外，雖然基于MCR模型構建的區(qū)域生態(tài)格局具有較好的參考價值，也符合當?shù)貙嶋H，但人為活動對城市建成區(qū)擴展的生態(tài)評價過程有著較大的影響，在構建生態(tài)安全格局時，特別是權重的設計、評價因子的選擇，存在一定的主觀因素的影響。因此，在接下來的研究工作中，應著重在科學確定城市生態(tài)安全閾值的基礎上，嘗試探討多模型的融合和運用，規(guī)范格局構建的過程，使城市生態(tài)安全格局構建更加趨于科學。