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(jì)的快速發(fā)展,人口數(shù)量的不斷增加,人類對(duì)于自然資源的開(kāi)發(fā)和利用強(qiáng)度加大,給全球生態(tài)帶來(lái)了嚴(yán)重的破壞,氣候、生態(tài)環(huán)境、土地利用變化等問(wèn)題日益突出。資源短缺、環(huán)境污染、生態(tài)惡化等問(wèn)題已經(jīng)成為制約社會(huì)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(guó)土空間開(kāi)發(fā)格局”,國(guó)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(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位也日益凸顯。黨的十九大報(bào)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(qiáng)調(diào)了空間規(guī)劃的重要性。可以說(shuō)空間規(guī)劃已經(jīng)成為支撐國(guó)家發(fā)展的重要力量。但在沒(méi)有認(rèn)清土地生態(tài)適宜性情況下的開(kāi)發(fā),勢(shì)必會(huì)造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)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(lái)專家學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。
城市土地的生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)是城市規(guī)劃、管理的重要組成部分,在日益強(qiáng)調(diào)景觀生態(tài)過(guò)程與景觀格局關(guān)系的時(shí)代,以景觀過(guò)程模型為基礎(chǔ)的生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)方法越來(lái)越受到研究者的重視[1]。近年來(lái),隨著GIS技術(shù)在土地科學(xué)界的廣泛應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛開(kāi)始利用GIS空間分析技術(shù),對(duì)土地生態(tài)適宜性展開(kāi)研究。如張麗君、曹紅[2]運(yùn)用特爾菲法對(duì)預(yù)選評(píng)價(jià)指標(biāo)集進(jìn)行篩選,建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并確定各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值,通過(guò)加權(quán)指數(shù)和法計(jì)算各評(píng)價(jià)單元的綜合評(píng)價(jià)值,確立土地生態(tài)適宜性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),劃分沈陽(yáng)市土地生態(tài)適宜性分區(qū);徐保根、薛繼斌[3]重點(diǎn)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(píng)價(jià)及其可拓評(píng)價(jià)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(yàn)區(qū);劉孝富等[1]以廈門為例將城市土地景觀動(dòng)態(tài)模擬為生態(tài)保護(hù)用地和城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張兩個(gè)過(guò)程,建立了以兩個(gè)過(guò)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(píng)價(jià)方法;岳晨等[4]以長(zhǎng)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(jì)算,得出長(zhǎng)春市土地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià);田倩倩等[5]運(yùn)用最小累積阻力模型和GIS空間分析方法對(duì)湖南省萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)展開(kāi)土地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)研究。
隨著空間規(guī)劃時(shí)代的到來(lái),土地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)在空間規(guī)劃制定過(guò)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(guó)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(wèn)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(gè)角度構(gòu)建適宜性評(píng)價(jià)體系,基于GIS技術(shù)運(yùn)用最小累積阻力模型對(duì)始興縣進(jìn)行土地生態(tài)適宜性分區(qū),嘗試解決土地開(kāi)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。
如圖1所示,始興縣隸屬?gòu)V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(shì)四周高中間低,境內(nèi)山地丘陵交錯(cuò),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(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)保存大面積原始森林,動(dòng)植物資源豐富,素有“物種寶庫(kù),南嶺明珠”之稱。
圖1 研究區(qū)地理位置
本研究的數(shù)據(jù)主要包括:始興縣規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)、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(guó)路網(wǎng)數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)主要來(lái)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(tái)。
本文對(duì)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(guò)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(yàn)證Kappa系數(shù)都達(dá)到0.8以上。利用ArcGIS軟件對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換、掩膜提取,通過(guò)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。
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(kuò)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(gè)因子分值;n為因子數(shù)。
最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance,MCR)最早起源于Knaapen等[1]對(duì)物種擴(kuò)散的研究,是模擬物種從源地穿越不同景觀基質(zhì)的過(guò)程中所耗費(fèi)代價(jià)的最小成本路徑,體現(xiàn)了研究對(duì)象在空間上的潛在可達(dá)和擴(kuò)張趨勢(shì)。后來(lái)經(jīng)國(guó)內(nèi)學(xué)者的不斷研究得到了完善,俞孔堅(jiān)將GIS中的費(fèi)用距離與之結(jié)合進(jìn)行了改進(jìn),目前已在適宜性評(píng)價(jià)[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(guò)ArcGIS中的成本距離工具得以實(shí)現(xiàn)。
從用途來(lái)說(shuō),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(kāi)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(guò)最小累積阻力值來(lái)比較兩者[13]。本研究以生態(tài)用地?cái)U(kuò)張和建設(shè)用地?cái)U(kuò)張這兩個(gè)擴(kuò)張過(guò)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(jì)算出的生態(tài)需求擴(kuò)張的最小累積阻力值與城市建設(shè)擴(kuò)張的最小累積阻力值相減,得到兩個(gè)用地?cái)U(kuò)張類型的最小累積阻力差值。當(dāng)差值為負(fù)值時(shí),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(kuò)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(shí),適宜作為建設(shè)開(kāi)發(fā)用地;當(dāng)差值為零時(shí),則為兩者的分界線。
本研究通過(guò)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(kāi)發(fā)的擴(kuò)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(guò)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(yùn)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(lái)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(duì)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(duì)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(jì)算,最后選取dPC最大的10個(gè)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
本研究根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn),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(huì)經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面對(duì)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(gè)方面出發(fā)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)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(huì)相對(duì)較差,不適宜進(jìn)行建設(shè)開(kāi)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(duì)建設(shè)用地的擴(kuò)張具有一定的限制作用。為了避免在建設(shè)過(guò)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(kuò)張會(huì)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(kāi)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(píng)價(jià)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(shì),相對(duì)更適合城市的開(kāi)發(fā)建設(shè),該地區(qū)對(duì)于生態(tài)保護(hù)會(huì)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(píng)價(jià)中需要重點(diǎn)考慮的因素。
本研究參考前人研究經(jīng)驗(yàn)[13],分別用1、2、3、4、5表示5個(gè)不同的等級(jí)來(lái)評(píng)價(jià)單因子阻力,分值越低,表示阻力越小。各單因子等級(jí)劃分采用ArcGIS中的重分類工具,按照自然斷點(diǎn)法進(jìn)行分級(jí)。根據(jù)不同轉(zhuǎn)化過(guò)程的難易程度,賦予不同的阻力等級(jí),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(lái)確定(具體見(jiàn)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?cái)U(kuò)張阻力值作為目標(biāo)層,邀請(qǐng)專家根據(jù)指標(biāo)層相對(duì)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(guò)一致性檢驗(yàn)(具體見(jiàn)表2)。
表1 阻力評(píng)價(jià)體系
表2 判斷矩陣及權(quán)重
兩類擴(kuò)張用地的綜合阻力值主要運(yùn)用GIS的柵格計(jì)算器工具,基于阻力評(píng)價(jià)體系中的賦值結(jié)合式(1)計(jì)算得到(計(jì)算結(jié)果如圖4)。從圖中可以看出,兩種擴(kuò)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(duì)城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的阻力小,對(duì)生態(tài)保護(hù)用地?cái)U(kuò)張的阻力卻大,結(jié)果與阻力評(píng)價(jià)體系賦值相符。
圖4 兩類用地綜合阻力值
基于兩種擴(kuò)張用地的“源”和綜合阻力值,依據(jù)式(2)計(jì)算兩類擴(kuò)張用地的最小累積阻力值(如圖5所示)。然后依據(jù)式(3)計(jì)算兩類擴(kuò)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
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(shí),將該區(qū)域劃為適宜城市建設(shè)用地;當(dāng)差值<0時(shí),將該區(qū)域劃為適宜生態(tài)保護(hù)用地。通過(guò)最小累積阻力差值與面積曲線的突變點(diǎn)確定分區(qū)閾值(見(jiàn)表3)。
表3 始興縣生態(tài)適宜性分區(qū)閾值區(qū)間
運(yùn)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(píng)價(jià)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(diǎn)建設(shè)區(qū)4個(gè)等級(jí),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(shì)較高,生態(tài)價(jià)值高,容易受到外來(lái)干擾的影響,應(yīng)禁止一切有關(guān)城鎮(zhèn)化建設(shè)的活動(dòng)。
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(guó)家級(jí)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(duì)抗外來(lái)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(duì)于維護(hù)生態(tài)多樣性具有很大的價(jià)值。應(yīng)以生態(tài)恢復(fù)、生態(tài)保護(hù)為主,不宜進(jìn)行過(guò)度的開(kāi)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(jì)、游憩等作用,在合適區(qū)域適當(dāng)?shù)亻_(kāi)展生態(tài)旅游活動(dòng)。
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(shì)相對(duì)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(diǎn)建設(shè)區(qū)的補(bǔ)充,需要合理引導(dǎo)該區(qū)域的開(kāi)發(fā)利用,在開(kāi)發(fā)的同時(shí)注意生態(tài)文明建設(shè),優(yōu)化布局以減少對(duì)耕地過(guò)度開(kāi)采。
重點(diǎn)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(gè)鎮(zhèn),屬于始興縣經(jīng)濟(jì)、政治中心。目前已具有大量的建成區(qū),區(qū)域內(nèi)地勢(shì)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(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響較小,在此進(jìn)行城市開(kāi)發(fā)對(duì)于環(huán)境的破壞較小,作為重點(diǎn)建設(shè)區(qū)最為合適。
基于最小累積阻力模型的生態(tài)適宜性評(píng)價(jià),可以避免因決策失誤而產(chǎn)生對(duì)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(yùn)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(píng)價(jià)體系,通過(guò)對(duì)始興縣城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張和生態(tài)需求用地?cái)U(kuò)張兩個(gè)過(guò)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(diǎn)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(gè)區(qū)域。
從空間格局來(lái)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(gè)重點(diǎn)建設(shè)區(qū)和優(yōu)化建設(shè)區(qū)包圍。后續(xù)發(fā)展過(guò)程中這幾個(gè)地區(qū)需要嚴(yán)格控制開(kāi)發(fā)規(guī)模,以保證周邊良好的生態(tài)環(huán)境。
從分區(qū)來(lái)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(qiáng)。今后進(jìn)行總體規(guī)劃時(shí),應(yīng)權(quán)衡利弊,適當(dāng)加強(qiáng)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(wú)礙于運(yùn)用最小累積阻力模型開(kāi)展城市土地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(guò)程中需要克服等級(jí)劃分的主觀性思路,采取更為精確和客觀的賦值方式。