城市土地生态适宜性分区划分研究范文

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城镇化是我国实现现代化的必由之路。随着经济的飞速发展，我国城镇用地得到了前所未有的扩张，但同时也导致了耕地流失、环境污染和土地资源短缺等一系列复杂的社会和生态环境问题，影响城市的可持续发展［1］。当前，我国正大力推进新型城镇化与生态文明建设，在此背景下，城市发展迫切需要区分生产、生活与生态空间，划定城市功能区，优化城市空间布局。城市土地生态适宜性分区通过研究城市发展与生态保护之间的关系［2］，有助于明确指出在城市区域内适宜于城市开发用地的面积和范围以及适宜于生态保护用地的面积和范围，以最大限度的减少城市发展对生态环境造成的影响。近年来，在GIS技术支持下，国内外学者在城市土地生态适宜性等方面展开了卓有成效的研究［3～9］。研究方法基本都继承了传统的生态适宜性评价方法，主要包括McHarg的“千层饼”法及其修正模型和逻辑规则组合法。这些方法实质上是把土地景观单元的生态因子叠加起来，从垂直过程角度进行研究。但是，土地的生态价值不仅仅是由垂直生态要素如土壤、水文、地质、植被等自然要素决定的，还由该土地景观单元在水平生态过程中的流动等相互作用而决定。因此，针对土地景观单元水平过程方面的研究仍有待于进一步探索。此外，从研究区域来看，对于人地矛盾不断加剧、城镇化快速发展的长江三角洲地区，土地生态适宜性研究还略显不足。基于此，本文选取经济发展迅猛、城镇化速度较快、生态保护与城市建设矛盾较为突出的常州市武进区为研究区，尝试结合垂直生态过程和水平生态过程综合划分城市土地生态适宜性分区，以期为丰富城市土地生态适宜性分区研究，科学合理制定武进区未来的城镇总体规划、土地利用总体规划和生态红线区域保护规划，加强城市土地生态管理提供技术支持和决策支撑。

1研究区概况与数据源

1．1研究区概况常州市武进区地处江苏省南部，长江三角洲太湖平原西北部，位于北纬31°20′～31°54′、东经119°40′～120°12′之间；属北亚热带季风气候，四季分明，雨量充沛，日照丰富；境内平原宽广，地势低平，地理条件优越，交通便捷；全区总面积1245．84km2，辖14个镇、2个街道、1个国家级出口加工区、1个国家级高新技术产业开发区和1个省级开发区，2013年常住人口约160万。改革开放以来，武进区经济迅猛发展，综合实力不断增强，主要经济指标增幅在苏南保持前列。未来作为常州市城区“一体两翼”布局的南翼，以及在承接苏南都市圈乃至长三角经济圈产业转移等方面都将面临着巨大的发展机遇。但与此同时，武进区也面临着快速发展对区域生态环境产生严峻挑战等问题。因此，为武进区未来用地布局提供合理空间参考是区域发展的关键。

1．2数据源经过前后数次在常州市武进区进行调研，走访国土资源局、环境保护局、交通局等单位并收集相关资料获得本次研究数据源。本文采用的基础数据主要包括武进区DEM（基本格网单元大小为30m×30m）、2010年土地利用现状矢量数据（比例尺1∶10000）、乡级土地利用总体规划（2006～2020年）数据、基本农田保护区矢量数据（比例尺1∶10000）、现状交通道路矢量数据以及自然保护区、风景名胜区与公园等。

2研究方法

2．1基于层次分析法的垂直生态过程以垂直生态过程构建阻力基面时，本文延续了传统的研究方法，即通过由高程、坡度、坡向、土地利用类型、交通设施等11个基础要素组成的地形地貌、生态环境、交通设施、建设密度四大类复合因子建立景观过程阻力赋值体系。为使生态保护用地扩张和城镇用地扩张两个过程在同一标准下进行，本文建立了相同的阻力评价体系并赋予各自相反的分值。在评价单个基础因子的阻力时，将阻力分为5个等级，分别用5、4、3、2、1表示，阻力分值的赋予通过借鉴前人研究的经验，采用专家打分方式获得。同时，考虑到各阻力要素对两种扩张过程的影响程度不一，本文采用层次分析法（AHP）确定各自的权重。在对地形地貌进行评价时，采用高程、坡度、坡向进行评价；对生态环境进行评价时，采用土地利用类型、距邻近水体的距离进行评价。土地利用类型的分类参照全国《土地利用现状分类》（GBT21010－2007），将研究区景观划分为水域、耕地、风景名胜区、林地、其他农用地、园地、未利用地、农村居民点、交通水利设施、工矿用地以及城镇用地。对交通设施进行评价时，采用国道、省道、高速公路、铁路、城市主干道等不同道路类型按距离大小赋值进行评价。对建设密度进行评价时，采用建设密度值进行评价。建设密度值是指以某个像元为中心的区域网格内建设用地像元数与总像元数的比值。本研究中将城镇用地赋值为1，非城镇用地赋值为0，然后采用9×9移动窗体计算每个网格的建设密度值［13］。阻力体系的赋值结果如表1所示。

2．2基于最小累积阻力模型的水平生态过程

2．2．1模型概述最小累积阻力模型指物种在从源到目的地运动过程中所需耗费代价的模型，它最早由Knaapen［14］于1992年提出。该模型多应用于对物种扩散过程、物种保护［15］和景观格局分析［16］等生态领域研究，后被广泛应用于模拟城市土地演变过程［17，18］，经国内俞孔坚等人的修改［19］可以用下式表示。

2．2．2过程源的确定生态学中的“源”是指在格局与过程研究中，那些能促进生态过程发展的景观类型，具有内部同质性和向四周扩散的能力［20］，是事物向外扩散的起点。由于“源”是针对生态过程而言的，所以在确定“源”时必须与待研究的生态过程相结合［13］。本文研究生态保护用地扩张和城镇用地扩张两种生态过程，分别选取相应的“源”：城镇用地的扩张源为现状城镇用地；生态保护用地扩张源为生物多样性较丰富、生态功能较强的地区，对于武进区来说指基本农田保护区、自然保护区、风景名胜区、森林公园、饮用水源涵养区。

2．2．3分区划分基于由垂直生态过程创建的阻力基面，以及由水平生态过程确定的最小累积阻力模型和过程源，在ArcGIS中分别计算生态用地扩张与城镇用地扩张最小累积阻力表面，再求取二者的差值阻力表面。用下式表达。式中：MCR生态为生态保护用地扩张阻力表面；MCR城镇为城镇用地扩张阻力表面；MCR差值为二者的差值阻力表面。当差值阻力表面中的像元值＜0时，即对于同一栅格单元而言，生态保护用地扩张的阻力小于城镇用地扩张的阻力，则该栅格单元更适宜被划分为生态用地单元；当像元值＞0时，则代表生态保护用地扩张的阻力大于城镇用地扩张的阻力，该栅格单元更适宜被划分为城镇用地单元；当像元值等于0时，其为二者的分界线。在此基础上，本文使用阻力阈值方法［21］对适宜性分区进一步划分。阻力阈值是指在生态保护用地扩张和城镇用地扩张所遇到的阻力面中，存在着一些关键的值，生态过程需要额外付出异常高的代价才能克服阻力继续扩张，因而可将阻力阈值前后的用地归为不同的区间［22］。综上所述，本文的研究方法及流程如图1所示。

3研究过程与结果

3．1研究过程

3．1．1阻力基面生成土地景观单元通过各阻力因子综合叠加，得到该土地景观单元对生态保护用地扩张和城镇用地扩张的阻力值，所有的土地景观单元的阻力值即构成了研究区全域的阻力基面。通过垂直生态过程构建的阻力基面实质反映的是景观单元自身的生态属性。在对研究数据做栅格转化的基础上，采用垂直生态过程创建的阻力赋值体系（表1），通过GIS空间分析方法分别、逐步获得生态保护用地扩张和城镇用地扩张的阻力因子的阻力值，再按照影响程度权重值进行叠加分析，得到两种扩张过程的阻力基面，结果如图2和图3所示。从图中可以看出，两种过程的阻力基面空间格局基本相反，滆湖、西太湖生态保护区、规模较大的耕地以及河流水系、林地等栅格单元对生态保护用地扩张的阻力较小，而现有城镇用地以及主要道路两侧单元对城镇用地扩张的阻力却较小，这与阻力赋值体系分值的赋予设置规则相同。此外，景观破碎度也较大，布局分散，这与垂直生态过程的适宜性更加关注栅格单元本身的生态属性有关。

3．1．2最小累积阻力表面生成基于上述过程产生的阻力基面，进一步考虑距离因素的影响，采用ArcGIS中的CostDistance模块，以对应的过程“源”为输入数据，阻力基面为成本数据，分别计算得到两种扩张过程的最小累积阻力表面，如图4和图5所示。浅黄色代表扩张过程的累积阻力值小，深蓝色代表阻力值大，从“源”向外颜色逐渐变深，表明扩张过程受到的累积阻力逐渐增加。进一步将生态保护用地扩张最小累积阻力表面减去城镇用地扩张最小累积阻力表面，得到最小累积阻力差值表面，结果如图6所示。按照分区划分方法，将阻力差值进行重分类，得到武进区城市土地生态适宜性分区初步结果，如图7所示。适宜生态用地区分布在除现状城镇建设用地的大部分区域，占武进区总面积的71．75％；适宜建设用地区成片分布在现状城镇用地及邻近地域，尤其在武进区中心城区及各建制镇分布较明显，占总面积的28．25％。

3．1．3阈值确定基于上述过程获取的阻力差值表面，统计与分析阻力差值与栅格数量的关系（图8），发现适宜生态用地区（像素值小于0）的部分，在A点（阻力差值为－8000）时有一突变过程；适宜建设用地区（像素值大于0）的部分，在B点（阻力差值为4500）时存在一突变过程。因此本研究最终确定上述两个值作为生态保护用地扩张和城镇用地扩张的阻力阈值。进而将适宜生态用地区进一步细分为优先建设区和适宜建设区，将适宜建设用地区进一步细分为生态控制区和生态缓冲区。具体分区像素值区间见表2。

3．2研究结果根据表2，对差值表面进行重分类，得到武进区城市土地生态适宜性分区结果（图9）。结果表明，武进区优先建设区面积为118．39km2，占总面积的9．50％，集中分布在武进区中心城区湖塘镇、牛塘镇以及国家高新开发区西湖街道和南夏墅街道部分区域。这部分地区为武进区人口和经济活动的聚集中心，在该区域内的城市开发对生态环境的负面影响相对较小，可优先作为武进区近中期城镇化发展区域；适宜建设区面积为233．60km2，占武进区总面积的18．75％，主要分布在中心城区周边范围的西湖街道和南夏墅街道部分区域、外围12个乡镇的建制镇区域，靠近中心城区和建制镇的优越区位使其可作为优先建设区的良好补充，避免土地过度开发利用；生态缓冲区面积为777．91km2，占武进区总面积的62．44％，所占土地面积比例最大，主要包括武进区外围12个乡镇农用地区域，是武进区生态保护的核心区域，对于维护全区生态格局的整体性具有重要意义，此区域不建议进行城镇化建设；生态控制区面积为115．90km2，占武进区总面积的9．30％。主要分布在滆湖、太湖及周边区域，此区域将提供包括洪涝调蓄、水土保持、饮用水源涵养、生物多样性保护和生态游憩等生态系统服务，维护和控制武进区的生态安全底线，是武进区可持续发展的生态基础。城市土地生态适宜性分区综合自然、生态环境、经济社会、交通等各方面因素，具有相对的科学性［23］。从分区结果来看，武进区土地空间中适宜生态用地区面积893．82km2，适宜建设用地区面积1564长江流域资源与环境第24卷351．99km2，由此可设定建设用地规模上限、生态用地下限。结合武进区土地利用总体规划（2006～2020年）建设用地管制分区数据，研究结果的分区划分较为合理。适宜建设用地区与武进区扩展边界范围内土地总面积316．68km2在数量与布局上基本吻合，适宜生态用地区与管制分区中的限制建设区、禁止建设区空间分布格局也呈现总体基本一致。

4结论与讨论

4．1结论（1）本研究构建了基于层次分析法的垂直生态过程得到的阻力基面为基础，采用描述水平生态过程的最小累积阻力模型划分武进区城市土地生态适宜性分区的方法。研究同时考虑了垂直生态过程和水平生态过程，一定程度上弥补了传统方法只从土地景观单元垂直过程研究的不足之处。（2）基于生态保护用地扩张和城镇用地扩张的最小累积阻力差值，从空间上将武进区划分为4个等级的城市土地生态适宜性分区，分别为优先建设区118．39km2、适宜建设区233．60km2、生态缓冲区777．91km2、生态控制区115．90km2。不同适宜性分区的土地利用策略可概括为：优先建设区可优先作为城镇化发展区域，以实现土地的最高使用效率为最终目标；适宜建设区则应围绕优先建设区功能定位与产业发展，在扮演后备资源的同时通过土地整理重点开发潜力大的区域；生态缓冲区应保持河流、优质农田以及生态树林等景观类型，在发展农业经济的同时，发挥净化空气、保持水土、改善区域小气候等重要生态功能；生态控制区则应控制一切城镇化建设的开发活动，维护和控制武进区的生态安全底线。（3）近期来看，研究结果可为武进区土地利用总体规划调整完善提供依据，建议武进区新增建设用地优先布局在优先建设区与适宜建设区范围内，最大限度减轻对生态环境影响。远期来看，适宜建设用地区占武进区土地总面积的28．25％，低于国际上公认的30％的生态宜居警戒线，既能为新型城镇化与经济社会发展提供土地资源，也能为进一步划定武进区城市开发边界［24］，控制城市的开发强度，在建设用地总规模上做一个合理的限制，以免造成生态环境的进一步恶化；同时，适宜建设用地区作为城镇化发展区域能够避开高质量耕地区，可最大限度的保护耕地红线。

4．2讨论城市土地生态系统是一个长期而复杂的过程，是自然、社会经济和政策等多因素共同作用的结果。由于受各方面客观条件的限制和生态适宜性系统综合复杂性的影响，本文所采用的阻力赋值体系指标具有一定的区域性，不利于推广应用。各阻力因子的等级赋值主要是参考相关成果得到，存在一定的主观性，今后的研究中还需探索更为科学赋值方法，保证研究结果的合理性和科学性。此外，研究结果的分区只是从适宜建设用地用途和适宜生态用地用途这两个方面明确了空间分布和面积，但没有更进一步区分具体的土地用途，这将作为下一步研究的方向。

作者：吕剑成 周磊 洪武扬 李满春  黄秋昊 单位：南京大学地理与海洋科学学院 深圳市规划国土发展研究中心