生態約束的哈大齊區域城市土地開發適宜性評價

李德一,張樹文

（1.濱州學院建筑與城鄉規劃系,山東濱州256603;2.中國科學院東北地理與農業生態研究所,長春 130012）

全球化背景下,世界經濟的快速發展和人口的膨脹,使得土地和水等資源的短缺和生態系統服務功能的下降日益顯現,并直接影響到人類的可持續發展和地區安全[1],如何實現包括生態、經濟和社會等全方面的可持續發展正成為國家和政府機構普遍關注的問題。我國當前開展的主體功能區劃是一項具有明顯的工業化和城市化區位指向的區劃[2],對協調經濟發展和日益退化的生態環境具有重要的作用。目前主體功能區劃研究在全國和省兩個層次進行開展,都以縣為基本劃分單元[3-4],也有學者對縣、市層次上的主體功能區劃進行了探討[5-8]。然而,區域是地理學的基本研究單元,區域尺度上的主體功能區劃研究有利于不同行政區之間的利益協調,是區域規劃能否科學完成的有力保證。

哈大齊地區作為松嫩平原重要的商品糧基地,首先要服務于國家的糧食安全需求,保障耕地的數量和質量;其次,該區也是黑龍江省經濟實力最強、工業化水平最高、科技人才優勢最明顯、后備土地資源最豐富的地區,其中心城市承載著黑龍江省今后大規模工業化、城市化和人口集聚的任務;再次,該區濕地和草地生態系統面積廣大,土地退化問題十分突出,因此,實現資源、生態和社會、經濟各功能之間的協調就成為當前該區主體功能區規劃中重點要解決的問題。國內學者從污染防治[9]、土地承載力[10]、城市群競爭[11]等方面對該區進行了分析,但大都關注單一要素,本文從生態敏感性、生態系統服務功能重要性和社會經濟發展潛力等方面進行綜合評價,探討生態約束下哈大齊地區城市土地開發的合理格局,以協調區域開發與生態保護之間的矛盾,為該區主體功能區規劃和區域規劃提供決策參考。

1 研究區概況

選擇哈大齊中心城市及其周邊地區作為研究區,范圍上包括哈爾濱市區(包括原呼蘭縣)、大慶市區、齊齊哈爾市區以及雙城市、肇東市、肇州縣、安達市、肇源縣、杜爾伯特蒙古族自治縣、蘭西縣、林甸縣、富裕縣等12個行政單元。該區地處松嫩平原的腹地,地理位置東經 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%。該區海拔87～234 m,屬于大陸性季風氣候,1990-2005年多年平均降水量527.43 mm,多年平均氣溫5.17℃;該區地勢低洼,湖泊眾多,地貌類型以沖積、湖積平原為主;土壤類型復雜多樣,以黑土和黑鈣土為主,沼澤土沿嫩江周邊分布,風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。該區擁有國家級扎龍濕地自然保護區和龍鳳濕地自然保護區等重要水禽棲息地以及連環湖、龍虎泡等湖泊,具有重要的生物多樣性資源。

該區位于東北亞經濟圈的網絡區位中,也是中俄兩國貿易聯系最緊密的城市化地區,它以我國重要的機電工業城市哈爾濱為核心,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90年代初期,由于體制和結構等方面原因,經濟社會發展相對落后[13],隨著國家振興東北老工業基地戰略實施,該區經濟社會發展重新煥發活力,呈現良好發展勢頭,新的集聚空間開始形成[14]。

2 數據和方法

土地開發通常可以分為農業開發、城市開發、旅游開發等,本文主要探討城市土地開發問題,它是工業用地、居住用地、商業用地和交通用地等開發建設的綜合。城市土地開發適宜性評價是為了滿足人類工業化和城市化對建設用地的需求而進行的土地開發利用適宜程度分析,它是在綜合分析社會經濟需求因素和資源生態限制因素的基礎上,評價適宜性和限制性大小,并可進行適宜性分區,確定區域內土地的開發程度與利用方向,為區域規劃和城市建設提供科學依據。

2.1 數據

評價數據涉及到自然和人文兩方面,具有多尺度、多來源、多時期的特點,所有數據在ERDAS 8.7和ArcGIS 9.2軟件環境下,經過投影變換,均統一到Albers投影、雙標準緯線 45°N 和 52°N、中央經線129°E、Krasovsky 橢球體。

基礎地理數據包括行政界線和公路分布數據。縣級行政界線取自1∶25萬地形圖,鄉鎮界線取自各縣比例尺在1∶5萬到1∶10萬不等的行政區劃圖,經過掃描、幾何校正后,在縣界不動的基礎上對鄉鎮界限進行數字化得到研究區鄉鎮界線圖,數據年份為2000年前后,該數據只用于空間分析之用,不作為規劃的依據。同時對行政區劃圖中的公路進行數字化,得到公路分布圖。

土壤侵蝕數據是全國第三次(2000年)土壤侵蝕動態遙感調查的成果,是在1995年土壤侵蝕數據的基礎上進行的動態變化監測,主要利用 TM遙感影像和DEM等相關參考資料,通過人機判讀的方式完成,能夠滿足1∶10萬的制圖需要[15]。

土地利用數據包括研究區2000年和2005年兩期土地利用矢量數據,是中國科學院創新項目“東北地區100年LUCC數字重建”和“全國土地利用數據庫2005年更新”的系列成果,該成果以20世紀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志,基于TM遙感影像進行的土地利用/覆被類型提取和動態圖斑更新,總精度可達90%以上[16]。

研究區2005年總凈第一性生產力(MODIS NPP)數據由NASA地球觀測系統數據通道免費下載,該數據通過GLP-PEM 模型反演獲得,空間分辨率250 m。

社會經濟數據來源于2003年和2004年兩個年份各縣統計年鑒,包括各鄉鎮年末總人口、農村居民人均純收入。

2.2 指標選取

本文主要從兩方面來進行評價指標的選取,一是生態約束,二是社會經濟發展潛力。首先對哈大齊地區的生態敏感性和生態系統服務功能重要性進行分析,確定生態約束的空間分布。生態敏感性是指生態系統受到外界干擾作用超過自身的調節范圍,而表現出對干擾的敏感程度以及生態系統惡化的程度[17],本研究選擇草地退化面積比例(X1)、土壤侵蝕程度指數(X2)、景觀破碎度指數(X3)三方面來表征。生態系統服務功能重要性是指生態系統及其生態過程所形成的對人類生存與發展的生態環境條件與效用的重要程度,一般包括有機物質生產、涵養水源、生物多樣性維護、休閑娛樂等[18],本研究主要從高功能斑塊面積比例(X4)、凈第一性生產力指數(X5)和香農多樣性指數(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行計算;土壤侵蝕程度指數采用第三次遙感土壤侵蝕調查數據,綜合考慮水蝕和風蝕兩個方面,按評價單元內所有強度等級(共4級)與其對應面積比例乘積后累加求和計算[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計單元面積的比例進行計算[20];凈第一性生產力指數按2005年MODIS年總NPP值進行統計平均值;景觀破碎度指數和香農多樣性指數采用ArcView軟件包進行計算[20-21]。對上述指標進行歸一化處理后分別計算前、后三個指標的算術平均值作為生態敏感性(圖1a)和生態系統服務功能重要性(圖1b)。

社會經濟發展潛力主要從資源、人口、經濟、交通區位等方面選擇指標,具體包括人均耕地面積(X7)、人口密度(X8)、農村居民人均純收入(X9)和公路密度(X10)4個指標。人均耕地面積根據2005年土地利用數據和年末總人口進行計算;公路密度根據公路分布數據進行統計;其他指標的數據均來自統計年鑒。考慮到研究的實用性,本文基于鄉鎮單元進行適宜性評價,在ArcMap 9.2軟件支持下生成各指標因子分布圖(圖1c-f分別對應X7-X10)。

圖1 哈大齊地區城市土地開發適宜性評價因子圖

2.3 評價方法

城市土地開發適宜性受到多種因素的影響,各個指標的權重不易確定。主成分分析(PCA)是一種把多個變量劃為少數幾個綜合指標的多元統計方法,本文中使用該方法的目的并不是去縮減多余的指標,而是通過全面分析各項指標的信息并從中提取一些潛在的綜合性指標(即主成分),用主成分信息來計算綜合得分,并據此進行適宜性的定量化評價。由于生態敏感性和生態系統服務功能重要性是作為社會經濟發展的約束因子,屬于負向作用,因此用1減去其值對其進行變換。對變換后的6個指標的195個鄉鎮樣本進行主成分分析,具體步驟包括數據的標準化、相關系數矩陣計算、特征值(λ)與特征向量(μ)計算、主成分貢獻率(e)與累計貢獻率(E)計算等[22],一般取E達到85%時的特征值所對應的m個主成分代表所需信息,各主成分得分計算公式如下:

式中:Zk——第k個主成分的得分;n——評價樣本數;p——評價指標個數;xij——標準化后的評價指標。最后以主成分貢獻率作為權重對各主成分因子進行線性加權得到綜合評價得分,即:

根據綜合評價得分的大小,就可以對適宜性進行評價。數值的大小代表偏離平均值的程度,綜合評價得分越大,說明越適宜開發;反之,則不適宜開發。

3 評價結果與分析

本文利用SPSS軟件包進行數據的主成分分析,結果顯示,6大指標之間相關系數均較低,說明信息冗余較少。前4個主成分因子累計貢獻率達到85.05%,因此只需用前4個主成分得分與對應的貢獻率乘積的和即可計算綜合評價得分,并把綜合得分與空間數據進行鏈接,綜合對比多種分類方法,最后采用自然斷裂分類法(natural break)進行分類,包括非常適宜、適宜、次適宜、邊際適宜和不適宜5個級別,劃分結果如圖2所示。

從圖2的評價結果我們可以看出,使用生態因子對城市土地開發適宜性進行約束的效果得到了較好的體現。其中非常適宜類包含25個鄉鎮,占研究區總面積的7.08%,主要分布在省會城市哈爾濱及其周邊地區,雙城、肇東、肇州作為哈爾濱的衛星城市,具有較好的社會經濟發展背景和區位優勢,城市組團發展、互補發展能力強,同時,該區生態屬于不敏感區,生態系統服務功能的重要性比較低,對社會經濟發展的約束也比較低,因此最適宜承載今后的大規模開發活動。

圖2 哈大齊地區土地開發適宜性評價結果

適宜類包含50個鄉鎮,面積占17.37%,主要分布在非常適宜類的周邊,可以作為今后發展的后備用地適時開發。值得注意的是,齊齊哈爾市和大慶市只有其中心區屬于適宜類,非中心區由于具有較高的生態敏感性和生態系統服務功能重要性而受到約束,今后該區的城市建設一定要注重生態的保護和規劃。同時,林甸縣的中心鎮具有較高的開發適宜性,可以為上述兩市的產業轉移提供發展空間。

次適宜和邊際適宜類包括 91個鄉鎮,面積占47.47%,該類多為農業地區,沒有形成明顯的人口集聚,因此開發適宜性較低,其主要任務是在保護生態系統健康發展的前提下,為整個哈大齊地區的社會經濟發展提供資源和農產品上的支撐。

不適宜類包括29個鄉鎮,面積占28.09%,主要分布在西部農牧交錯區,其特點是生態敏感的同時具有高的生態系統服務功能,人類的過度放牧和農業開墾,很容易造成其風蝕加重和濕地萎縮的惡性發展,影響到整個哈大齊地區的生態安全,因此,應該嚴格控制開發強度,加強該類地區的人口遷移和生態系統維護。

4 討論與結論

(1)污染物排放量、水資源量、自然災害危險性、人均GDP、石油資源等因子由于其數據的空間尺度一般比較大,在鄉鎮尺度上的數據不易獲取等原因而未予以考慮,一定程度上影響了評價的客觀性,今后應加強對相關因子特別是社會人文要素的空間化方法研究。

(2)城市土地開發適宜性評價涉及到人地關系復雜巨系統,其綜合評價的數量化指標較多,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,并客觀確定權重,避免主觀隨意性,實踐中取得了良好的效果,但是,自然和社會因子的復合仍然需要進一步深入研究,以服務于綜合性的區劃和評價。

(3)研究表明,哈爾濱市區及其周邊衛星城市雙城、肇州和肇東中心鄉鎮非常適宜進行開發;大慶市區和齊齊哈爾市區由于具有敏感的生態環境和重要的生態系統服務功能,開發適宜性受到限制,位于兩市之間的林甸縣中心鎮則顯示出了較高的開發潛力;廣大農業地區和西部農牧交錯區屬于開發潛力不足的地區。總之,生態約束是哈大齊區域開發過程中必須要充分考慮的一個重要因素,今后應針對不同的地區實施有區別的人口、財政、環境和投資等政策,以促進主體功能區的形成。

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