基于生態位和“反規劃”思想的城市土地開發適宜性評價

張榮群，王大海，艾 東，孫瑋健，侯振宇

0 引 言

隨著中國城鎮化進程不斷加快，城鎮建設規模不斷擴大[1]，人地矛盾日益尖銳[2]，城市內部結構與功能的不合理現象日益顯現，這對維持城市土地生態安全來說是一個巨大挑戰[3]。城市土地利用總體規劃的合理制定是實現土地資源合理、可持續利用和緩解城市用地與城市建設發展之間的矛盾以及促進城市健康發展的關鍵[4]，而科學的城市土地開發適宜性評價則是土地利用總體規劃制定的重要依據。

近年來，土地適宜性評價發展迅速，研究者從省域[5-6]、地區[7-9]、縣域[10-11]甚至是村域[12]等不同研究尺度對土地適宜性評價進行科學探討，從山地地區[13-14]、高原地區[15]、丘陵地區[16-17]、平原地區[18-19]等不同地形角度豐富土地適宜性評價的應用領域，通過壓力-狀態-響應[7,20]、經濟-社會-壓力[21-22]等不同模型對評價指標體系的構建進行合理嘗試。隨著 GIS和遙感等技術的不斷發展，關于城市土地發開適宜性的評價研究也逐漸增多，如李猷等[3]基于景觀生態學理論從經濟優先發展、生態保護優先和協調發展 3種方案對城市用地進行適宜性評價，為丹東市城市布局提供了合理方案。劉孝富等[23]以構建景觀水平過程的生態適宜性評價方法為基本出發點，借助最小累積阻力模型對城市土地生態適宜性進行合理分區。王艷等[24]采用無教師學習的自組織神經網絡模型對濟南城市進行適宜性評價，該方法降低了人為因素對評價結果的限制。余光英等[25]從城市圈碳平衡的視角出發，從碳源和碳匯兩個角度對武漢城市圈各城市的土地適宜性進行了評價，為實現城市圈的協同發展提供了一定的指導意義。

城市土地適宜性評價是一種融合了地學、生態學及其他相關學科的的綜合性研究方法[26]，現今已廣泛應用于城市土地合理規劃研究，但鮮有從“反規劃”的角度（優先選出不宜規劃的控制區，避免了由評價結果得出的不宜規劃區域造成的城市建設空間與用地布局的不合理性[27]）逆向出發來對城市規劃提供建議指導。本研究以北京市房山區為研究區，考慮到房山區由國務院批復確定為城市發展新區和生態涵養區，并且承擔著首都經濟發展、生態涵養、人口疏解和休閑度假等功能的情況，從保護生態角度出發引入生態學中的生態位適宜度模型，并借鑒反規劃思想構建評價因子體系，從深山、淺山、平原三方面對房山區進行城市土地適宜性評價分析，為建設產業友好、生態宜居的新房山提供一定的參考價值和指導意義。

1 研究區概況與數據來源

房山區地處北京西南，介于東經 115°25′～116°15′，北緯 39°30′～39°55′之間，下轄 28 個鄉鎮、街道、地區辦事處，其行政區劃如圖 1所示。房山區內交通發達，水系豐富，地形復雜多變，處于華北平原與太行山交接地帶，山地、丘陵、平原各占三分之一；全區年平均氣溫11～12℃，多年平均年日照時數2621 h，無霜期185 d左右；全區總面積2019 km2，常住人口109.6萬人（2016年末）；2016年全區生產總值（GDP）593億元，比2011年增長42.6%。房山區作為北京西南的重要門戶，京原、京九、京廣、京石等鐵路穿境而過，107國道、108國道、京港澳高速等連接區內外，軌道交通房山線20分鐘直達市中心，為房山經濟的持續發展提供了便利條件。

圖1 房山區行政區劃圖Fig.1 Administrative map of Fangshan

城市土地開發適宜性評價數據主要來源于北京市房山區2016年統計年鑒、2016年房山區土地利用變更調查數據庫、房山區土地利用總體規劃（2010—2020年）、房山區耕地質量等別更新成果。

2 研究方法

2.1 “反規劃”思想

“反規劃”概念是在中國城市化進程快速發展和城鎮無序擴張的背景下提出的，是一種城市發展建設中的逆向思維方法[27]。與傳統城市規劃理論相比，“反規劃”思想更注重維護土地的生態安全，是一種通過優先控制不宜建設區域、優先規劃城市生態基礎設施，進而確保城市進行合理空間規劃的方法論，是對快速城市擴張的一種應對[27]。 “反規劃”的思維方式對于城市土地開發建設而言，對保護城市土地與生態格局具有積極作用，對城市土地利用總體規劃的合理制定具有重要意義。

2.2 生態位適宜度模型

生態位概念最早由Crinell于1917年提出，其定義為生物在棲息地所占據的單元[28]。經過多年發展，Hutchinson于1957年在多維超體積生態位概念基礎上發展出生態位適宜度[29]，即生物的現實資源生態位和最適生態位之間的貼近程度，用來反映生物對其某種生境狀態的適宜程度。若將城市土地開發建設比作環境中的生物行為，則城市土地開發適宜性分區的關鍵就是找到生物最適生存的空間位置。考慮到城市土地開發建設受自然稟賦、區位條件等 n維現實資源因素的影響，且每一維的因素對于城市土地的開發建設均有一個最適閾值，在閾值限定區間內，任何符合城市土地開發建設標準的點共同構成了城市土地開發建設的n維超體積生態位[30]，其中城市土地生態位可用如下函數表示：

式中N表示城市土地生態位；xi表示第i個影響城市土地生態位適宜度的限制因素。

根據城市土地現實生態位與最適宜生態位的貼近程度，當評價單元的現實資源條件完全滿足城市土地開發建設要求時，該評價單元生態位適宜度為1，反之為0，故城市土地生態位適宜度值區間為[0,1]。其中，影響城市土地開發建設的限制因素通常可分為 3類[31]，第一類為正向因素，即在滿足其最低要求的同時，值越大越好，如道路通達性。該類型因素評價模型為：

式中 NFk為城市土地開發建設中第 k個評價因素的生態位適宜度；Xk為第 k個評價因素的現實生態位值；Dkopt為第k個評價因素的最適生態位值；Dkmin為第k個評價因素的生態位最小值。

第二類為適度因素，即在一個適宜的區間內，值過大或過小均會對城市土地開發建設產生影響，如人口密度。該類型因素評價模型為：式中Dkmax為第k個評價因素的生態位最大值。

第三類為負向因素，即值越小越好，如災害易發程度。該類型因素評價模型為：

城市土地生態位是一個由n種資源構成的n維資源空間，結合綜合指數法，確定其生態位適宜度模型為：

式中NF為城市土地的n維資源生態位適宜度；wk為第k個評價因素的權重。

2.3 評價因子體系的構建

城市土地生態位適宜度評價因子的選取主要遵循主導性、綜合性、可操作性等原則，同時借鑒反規劃理論，將評價因子劃分成強限制因子和較強限制因子。其中，根據《基本農田保護條例》，基本農田原則上禁止占用，且在黨的十七屆三中全會提出了要劃定永久基本農田，實行基本農田永久保護，因此永久基本農田被列為強限制因子；采空塌陷是指由于地下挖掘形成空間，造成上部巖土層在自然重力作用下失去穩定性而引起的地面塌陷現象，容易發生塌陷地震，無法進行城市建設開發，故屬于強限制因子；水源地主要包括河流水面和水庫水面，并且河流和水庫是重要的泄洪通道、蓄洪設施、水源地和生態濕地，是生態環境涵養的基礎，因此被劃分為強限制因子；生態管控區內，除已經市政府批復和審定的規劃建設用地之外，禁止一切與保護無關的建設活動，因此生態管控區可作為一票否決強限制因子；特殊用地（軍事設施、涉外、宗教、監教、墓地等其它有特殊用途的用地）和自然文化遺產保護區，都是不適宜作為承載生產生活的建設空間的，均被列為強限制因子。在優先“剔除”強限制因子后，較強限制因子的確定則主要從自然稟賦和區位條件 2方面進行遴選，在自然稟賦中從建設開發安全性角度遴選出地震活躍區和地質突發災害區 2個評價因子，從建設開發難易程度上遴選出一般農用地和坡度等評價因子；在區位條件方面主要從人民生活交通便利程度、生活舒適度等角度遴選出道路通達性、人口密度等評價因子。城市土地生態位適宜度評價因子體系如圖2所示。

圖2 城市土地生態位適宜度評價因子體系Fig.2 Evaluation index system of urban land niche suitability

2.4 評價因子生態位最適值的確定

城市土地評價因子的最適值受多重因素的影響，充分考慮研究區內城市土地的現實資源生態位，并結合相關歷史文獻[28,31-32]為各評價因子賦予相應分值，對強限制因子用0、1進行賦值；較強限制因子則根據專家打分法進行賦值。其中，各較強限制因子在進行分值化后，便可將最大分值 100作為其對應因子的最適值，城市土地生態位評價因子適宜分值如表 1所示，同時根據反規劃理論對公式（5）進行糾正，公式如下：

式中j為強限制性因子編號；r為較強限制性因子編號；Fj為第j個強限制性因子適宜性分值；m為強限制性因子個數；l為較強限制性因子個數。

2.5 較強限制因子權重的確定

層次分析法[33](analytic hierachy process, AHP)是由美國著名運籌學家Satty等在20世紀70年代提出的一種定性與定量相結合的多目標決策分析方法。常被用于處理多層次、多要素、多目標的非結構化復雜問題，其基本思想是：按問題要求建立能夠描述系統功能特征的層次結構（以本文的較強限制因子為例，其層次結構如表 2所示）；各層次元素之間兩兩比較構造判斷矩陣獲得各元素的重要程度序列；采用方根法計算出判斷矩陣的特征向量和最大特征值（λmax）后，通過計算一致性比例（CR）判斷其是否通過一致性檢驗。

表1 城市土地生態位評價因子適宜分值Table 1 Appropriate score of evaluation index of urban land niche

表2 較強限制因子層次結構Table 2 Hierarchy of stronger restrictive factor

對于第一層中的 3個因子（C1、C2、C3）采用層次分析法確定權重分別為CW1、CW2、CW3。在第二層中對于同屬于C1的2個因子（P1、P2）也采用層次分析法確定權重分別為PW11、PW21；同理，同屬于C2的2個因子（P3、P4）的權重分別為PW32、PW42，同屬于C3的3個因子（P5、P6、P7）的權重分別為 PW53、PW63、PW73。其中，各層次間所涉及的判斷矩陣的一致性比例經驗證均可接受，各較強限制因子權重wr的具體分配如表3所示。

式中s為第一層因子個數。

表3 城市土地生態位較強限制因子權重分配Table 3 Urban land niche stronger restriction factor weight distribution

2.6 評價單元的劃定

評價單元作為評價的最小單位，是影響土地開發適宜性諸因素的空間實體。考慮到土地利用現狀圖斑作為基本評價單元的局限性，以及數據源的多樣性，本次研究將各評價因素的圖層轉換為 5×5的柵格，通過強限制因子和較強限制因子圖進行多圖層疊加，以得出的最終柵格為評價單元，該方法克服了單一的土地類型作為評價單元的弊端，使評價單元更加科學合理[29]。

2.7 評價因子數據的獲取與處理

城市土地開發適宜性評價因子體系由強限制因子和較強限制因子組成，其中采空塌陷區、水源地、等強限制因子數據從房山區土地利用變更調查數據庫中獲取，永久基本農田、生態管控區等從土地利用總體規劃獲取，得到各強限制因子矢量數據后，通過ArcGIS中的“字段計算器”對其進行賦值處理，最終根據“面轉柵格”工具得到各強限制因子的 5×5柵格數據圖層。較強限制因子數據獲取：地震活躍區為房山區地震局提供的1:50000“地震烈度區劃圖”；突發地質災害為房山區地礦科提供的1:50000突發地質災害圖；一般農用地是從2016年房山區土地利用變更調查數據庫中獲取；坡度是根據房山區DEM數據，通過ArcGIS中的“坡度”工具提取得到；道路通達性、地鐵通達性是利用ArcGIS中的“歐式距離”工具做統計分析得到距道路、鐵路的距離圖層；人口密度是通過統計房山區2016統計年鑒各鄉鎮人口數量，根據房山行政區劃圖利用ArcGIS統計各鄉鎮面積，二者相除后得到。

2.8 劃分城市土地開發適宜性分區

本次城市土地開發適宜性評價，綜合考慮城市土地生態位適宜度分布曲線斜率突變點[34-35]，結合自然斷點法，在參考相關歷史文獻的基礎上，將研究區域的城市土地開發適宜性劃分為4個等級，即I級（最適宜）、II級（基本適宜）、III級（不適宜）、IV級（特別不適宜）共4個等級。具體分區標準如表4所示。

表4 城市土地開發適宜性分區標準Table 4 Urban land development suitability partition criteria

3 結果與分析

3.1 城市土地開發適宜性分區結果

由于各評價因子在進行專家打分后均處于 0到 100分值區間內，故均采用式（2）（值越大越好）來計算各自的生態位適宜度，進而便可根據式（6），利用ArcGIS中的“柵格計算器”工具計算出房山區的整體生態位適宜度，最終再結合城市土地開發適宜性分區標準得到房山區城市土地開發適宜性分區圖（圖 3），其中最適宜區域面積2 645.93 hm2，占全區面積的13.27%；基本適宜區域面積1 697.79 hm2，占全區面積的8.52%；不適宜區域面積11 533.68 hm2，占全區面積的57.86%；特別不適宜區域面積4 057.77 hm2，占全區面積20.35%。

圖3 房山區城市土地開發適宜性分區Fig.3 Urban land development suitability zoning of Fangshan

3.2 城市土地開發適宜性評價分析

考慮到房山區的西北高、東南低的特殊地形，結合房山區城市土地開發適宜性分區圖（圖3）下面將從平原區、淺山區和深山區三方面對其進行評價分析。

1）房山平原區城市土地開發適宜性評價分析

房山平原區地勢平坦、水系豐富、交通便利，是房山區進行土地開發建設的重點地區。其中，房山全區最適宜進行土地開發的區域大多分布于此，即平原區的中部及東北部地區，是房山區的中心城區。這些區域臨近北京市東西城區，是房山區發展的核心地區，是經濟建設發展中城鄉空間資源配置進一步優化和城鄉整體性協調發展的重點地區。房山平原區中特別不適宜進行土地開發的區域大多分布在房山區東南部的沖擊平原，多為國家劃定永久基本農田，而平原區中的基本適宜區和不適宜區的數量相對較少，在進行城市土地開發建設時可根據實際情況進行合理安排。

2）房山淺山區城市土地開發適宜性評價分析

房山淺山區是山區生態系統與平原生態系統的交錯區，是首都最重要的水源涵養地和生態屏障，是周口店猿人、西周燕都遺址等文物古跡的重要承載區和市民休閑旅游目的地。其中，該地區多為特別不適宜區和不適宜區，主要受地質災害和生態管控等因素的影響，而最適宜區和適宜區則相對較少且主要分布在鄰近平原區的交界地帶。隨著房山區經濟發展和人口規模的快速增長，淺山區面臨強烈的開發建設需求。然而淺山區作為天然生態屏障和生態敏感地區，進行大規模城鄉建設必然會對生態環境產生巨大影響。因此該地區在進行開發建設時，應在在切實保護生態環境的前提下，充分利用適宜區和最適宜區，合理開發旅游資源，實現淺山優化、科學發展。

3）房山深山區城市土地開發適宜性評價分析

房山深山區地勢較高、起伏較大、森林植被覆蓋大、采礦用地和生態管控等用地較多、地災易發區分布較多，是房山西北部的綠色屏障。近年來，西北部大安山鄉地區由礦區塌陷所帶來的地震已發生數起。因此，該區適宜進行土地開發建設的土地較少，大部分為不適宜區和特別不適宜區，在進行城市建設開發時要著重考慮生態管控、采空塌陷等限制因子的影響，在合理進行建設開發的同時，最大限度的保護好深山區這一綠色屏障。

綜合以上評價分析可見，生態管控、采空塌陷等強限制因子是導致城市土地開發“非適宜”區域增多的主導因素。究其原因，城市建設的前提就是保護，也正如習近平同志在十九大報告中所說：“建設美麗中國，加快生態文明體制改革，必須堅持保護優先、自然恢復為主的方針，形成節約資源與保護環境的空間格局，還自然以寧靜、和諧、美麗”。生態城市建設離不開生態環境的保護，房山區城市土地開發建設對生態管控區的保護是維持其可持續發展的重要前提，也是建設美麗中國、和諧首都的有力保障。

4 結 論

1）本研究將生態位理論引入城市土地開發適宜性分區研究中，借鑒反規劃思想構建出由強限制因子和較強限制因子組成的評價因子體系，在明確生態意義的同時優先控制不宜建設區域，確保城市空間規劃的合理進行。

2）整體來看，北京市房山區土地開發適宜性呈階梯狀，由西向東逐漸升高。其中，平原區土地開發適宜性最高；深山區和淺山區適宜性較低主要受生態管控、采空塌陷等限制因素的影響。

生態位適宜度模型尚處于完善階段，還不夠成熟，尤其是評價因子生態位最適值的確定方法，應在接下來的研究工作中逐步探索并完善。

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