長三角縣域國土空間開發適宜性評價方法研究
——以長興縣為例

石龍宇, 馮運雙,2,3, 高莉潔,*

1 中國科學院城市環境研究所 城市環境與健康重點實驗室, 廈門 361021 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 福建農林大學 生命科學學院, 福州 350002

國土空間規劃是國土空間發展的指南、可持續發展的空間藍圖,是各類開發保護建設活動的基本依據。2019年5月中共中央國務院發布了《關于建立國土空間規劃體系并監督實施的若干意見》,提出市縣和鄉鎮國土空間規劃側重實施性,以自然資源環境承載能力和國土空間開發適宜性評價為基礎,科學有序統籌布局生態、農業、城鎮等功能空間,有利于提高國土空間規劃編制的科學性。長江三角洲城市群是中國最大、綜合實力最強、聯系最為緊密的城市群,有著得天獨厚的地理條件與人文優勢,在全國的社會經濟發展中占有舉足輕重的地位。當前,長三角一體化發展已上升為國家戰略,一體化進程正式步入“快車道”,長三角地區自然社會經濟要素相互關聯極為密切,地區間相互影響顯著。在此背景下,縣域作為長三角行政區劃的基本單元,著眼長三角一體化大局,結合地方實際,開展國土空間適宜性評價,指導縣級國土空間規劃,是縣域可持續發展的基礎性工作。目前,國土空間適宜性評價還沒有形成統一的技術體系,對國土空間規劃的指導性不強。

土地適宜性是指一定條件下一定范圍內的土地對某種用途的適宜程度[1-2]。國土空間適宜性源于土地適宜性,國土空間開發適宜性是指由一定地域空間的資源環境承載力、經濟發展基礎與潛力所決定的、其承載城鎮化和工業化發展的適宜程度[3]。傳統的土地適宜性評價指標采用統計數據進行分析,由于統計口徑的限制,數據多以行政區為單位,評價結果只能在行政區之間比較[4-5]。隨著空間信息技術的發展,基于地理信息系統(Geography System Information,GIS)的空間數據分析應用廣泛,其評價過程和結果可體現為空間上的異質性[6]。在評價方法方面,相關研究多與GIS相結合,多要素疊置綜合分析方法可涵蓋多方面評價指標[7-11],最小累計阻力模型(Minimum Cumulative Resistance,MCR)考慮了空間相互作用過程,是基于景觀擴散過程模擬的評價方法[12-13]。

本文在整合前人研究的基礎上,綜合多因素垂直疊加和景觀水平過程兩種角度,應用上述空間疊置分析方法和累計阻力模型,構建潛力-約束模型,從發展潛力和生態約束兩方面對長興縣國土空間開發適宜性進行評價,以期為縣域尺度的國土空間開發適宜性評價提供新的思路,服務于國土空間規劃,優化長江三角洲地區生產、生活、生態空間布局,踐行“山水林田湖草”生命共同體理念,促進全國生態文明建設。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

長興縣位于太湖西南岸,介于北緯30°43′—31°11′,東經119°33′—120°06′之間,下轄9鎮2鄉4街道,其2017年土地利用圖如圖1所示。長興縣位于長三角經濟圈,寧杭生態經濟帶上,承接杭州都市功能圈,連接江蘇、浙江、安徽三省,水陸交通便利,區位優勢明顯,區位優勢帶動了長興縣經濟的快速發展,伴隨著人口增加和城市擴張,建設用地需求不斷增加；同時,長興縣域河網密布,依山傍湖,是國家生態縣,緊鄰環太湖戰略生態空間,作為“糧油大縣”和“商品糧生產基地縣”,是大城市的菜籃子和休閑旅游的后花園,生態系統服務功能十分重要,可開發建設用地受到限制,用地矛盾明顯。因此,著眼長三角一體化大局,優化國土空間開發格局,合理配置生態用地與建設用地,是長興縣區域規劃中一項重要的基礎性工作。

圖1 長興縣2017年土地利用圖

1.2 數據來源

本研究所采用的數據主要包括基于Sentinel-2數據獲得的2017年全球土地覆被圖(Global land cover map, FROM-GLC10,based on 10-m resolution data acquired in 2017,空間分辨率10 m),數字高程模型(ASTER GDEM,空間分辨率30 m)和NDVI(植被歸一化指數,Normalized Difference Vegetation Index)數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(https：//www.gscloud.cn/),人口數據來源于政府統計數據,基于土地覆被圖提取研究區的各種土地利用類型,配準和數字化后生成各類用地專題圖。

2 研究方法

2.1 基于空間可達性的用地發展潛力評價方法

用地發展潛力評價是基于地理學第一定律的空間相互作用原理[14],通過衡量距影響因子的空間距離遠近,以土地開發潛力為基礎,確定縣域土地的開發潛力水平。用ArcGIS空間分析中的歐式距離方法(Euclidean distance),計算每個像元到最近源的歐氏距離,也就是根據距增長引擎的平面距離劃分不同的等級,反映土地的空間可達性,衡量空間上的通達性,以評價區域空間發展潛力。

用地發展潛力評價從自然環境因子、生態因子和社會經濟因子3個方面出發,選取地形、生態服務、建設、交通4個指標,在參照同類研究的基礎上[5,12,15],綜合考慮植被覆蓋指數、鐵路場站、高速出入口、國道、省道、縣道和已有建設用地等因子,構建用地發展潛力評價指標體系,如表1所示,進而對不同等級增長引擎的空間可達性進行計算。其中,由于研究區為縣域尺度,選擇了在縣域范圍變化幅度較大,且對開發建設活動、居民的生活生產影響較大的地形指標作為自然環境因素主要指標；植被覆蓋信息主要用NDVI指數表示,NDVI作為反映植被覆蓋狀況的良好指標,是植物生長狀態及植被空間分布密度的最佳指示因子[16],植被作為生態系統的“生產者”,直接或間接地決定生態系統的能量來源,與其提供的生態服務能力相關,是表征生態系統質量的綜合指標[17],被廣泛用于初級生產力估算、生態系統質量變化、反映區域生態系統質量等研究中[18],該指數數值范圍是-1≤NDVI≤1,值越大,表明植被覆蓋率越高,從保護生態用地的角度出發,生態系統服務功能越高的區域,越不適宜作為開發建設用地,開發潛力越小。結合長興縣的實際條件,確定每個指標的參數如表2所示,將獲取的可達性專題圖進行空間柵格疊加,得到研究區綜合的發展潛力。

表1 潛力評價指標表

表2 發展潛力評估參數

2.2 基于最小累積阻力模型的用地生態約束評價方法

生態約束評價是對國土開發空間的生態敏感性進行衡量。為了反映用地的約束性與生態過程的空間相互作用關系,本文利用最小累積阻力模型[19-20]構建生態要素(河流、湖泊、濕地、林地和草地等生態用地)累計阻力,最小累積阻力是指從“源”(即以上生態用地)經過不同阻力的景觀所耗費的費用或者克服阻力所做的功,反映從目標斑塊到最近源斑塊的累積費用距離,代表一種加權距離的形式。計算方法如下式：

(1)

式中,MCR(Minimum Cumulative Resistance)為最小累積阻力值；f為一個未知的正函數,它表示生態要素敏感性與最小累積阻力的負相關關系；min為某景觀單元對不同的源取累積阻力最小值；Dij為源到景觀單元i的空間距離；Ri為景觀單元i對運動過程的阻力系數。

圖2 生態約束分析流程

(1)“源”的選取

“源”是指在格局與過程研究中能夠促進生態過程發展的景觀類型,其內部同質,具有向四周擴張或向“源”本身匯集的能力。此處在生態約束評價中將河流、湖泊、濕地、林地、草地等景觀類型作為“源”,此類用地具有提供生態系統服務、維持良好的生態環境的作用,且具有較高的空間敏感性,易受到其他環境因子的影響和干擾。

(2)約束因子體系構建

在這些動詞與“過”的組合中，“過”是“經過”的意思，表示“空間上的位移”，而這些動詞“趨”“往”等與“過”的結構是連動關系，這些都對“過”的語法化有重要的影響。所以先秦時期，當“過”為動詞時候“動詞+過”的情況為“過”的語法化奠定了基礎。

根據已有的研究成果[3,15,21-22]、區域實際情況和資料的可獲取性,采用層次分析法選取約束因子指標,從自然環境因子和社會經濟因子角度,選取地形水體、土地利用和人口壓力指標,各因子權重(即約束系數)采用專家打分法進行判斷,如表3所示。

表3 生態約束指標表

將各約束因子阻力分為不同的等級,并用9、7、5、3、1表示,阻力值越高代表約束越大。約束因子阻力值的等級劃分對約束面的生成結果具有顯著影響,由于受研究區域差異等條件制約,約束因子的等級劃分并無統一的標準。因此,在參照同類區域相關研究所采用的分級標準的基礎上,結合長興縣的實際條件,確定約束因子阻力值等級如表4所示：

表4 約束因子阻力值等級表

(3)約束面生成

確定“源”、約束因子體系和阻力值后,利用ArcGIS的成本距離模塊進行處理,將河流、湖泊、濕地、林地、草地等景觀類型作為“源”圖層,約束因子作為成本圖層,生成約束面。根據各約束面柵格頻率分布,柵格的累積頻率隨著阻力值的增大而增加,但增加的速度并不均勻,而是存在某些拐點。若要跨越這些拐點,需要更苛刻的條件方可達到,因此可將這些拐點的阻力值作為約束分級的劃分依據。隨著從“源”向外的擴展,生態用地阻力值越大,生態敏感性越低,按阻力值從高到低劃分為低敏感區到高敏感區。

2.3 基于潛力-約束模型綜合分析

以土地開發潛力為基礎,確定縣域土地的開發潛力水平,以生態約束為條件劃定長興縣域內生態敏感區域,潛力-約束模型綜合最具開發潛力區域和生態敏感區域,基于生態優先理念,將兩者進行互斥性疊加,開發潛力高值區扣除生態敏感高值區,確定縣域適宜開發用地的空間分布。

3 結果與分析

3.1 長興國土空間開發潛力分析

依據《城市規劃原理》和《城市用地豎向規劃規范(CJJ-83-99)》等相關規定,坡度在5°以下為適宜建設坡度；5°—15°為有條件建設坡度；15°—25°為需要進行一定工程處理后才能開發建設的坡度；25°以上為不適宜建設坡度,坡度越小開發潛力越大,長興縣總體上西北部山體坡度較大,不適宜開發為建設用地,南部丘陵坡度較緩,中部平原坡度最小,最適宜建設開發。

長興縣NDVI指數較高區域位于西部和北部以及四周的山體,植被覆蓋率越高,生態系統服務功能越高,不適宜作為開發建設用地,開發潛力小,中部平原植被覆蓋率最低,開發潛力較大。

距離現狀建設用地越近,空間可達性越高,越容易產生空間相互作用,開發潛力越高。長興縣現有鄉鎮12個,發展潛力最大的是中心城區、李家巷鎮和洪橋鎮,發展潛力較大的是呂山鄉、虹星橋鎮和林城鎮,和平鎮、泗安鎮和夾浦鎮的發展條件次之,煤山鎮區、小浦鎮和水口鄉的發展條件較差。

衡量空間可達性的重要指標之一是交通系統的完善程度,在此選取空間上與鐵路場站、高速出入口和不同等級的主要道路的距離作為衡量因子,對現有鐵路場站、高速出入口、國道、省道和縣道分別在ArcGIS進行歐氏距離(Euclidean distance)分析,由于距離衰減,根據距離遠近劃分不同的等級,距離越近,通達性越高,表明發展潛力越大。

通過對坡度、植被覆蓋、已有建設用地、交通等要素的綜合分析,根據要素對用地發展潛力的影響程度,得出長興縣域用地發展潛力指標專題圖(圖3),對以上專題圖層進行空間疊加,得到長興用地發展潛力分析結果圖(圖4)。根據用地發展潛力分析結果劃定潛在國土開發空間分布圖(圖5),面積約570 km2,占全域面積的39.2%,發展潛力較大的區域主要以中心城區為中心,向東拓展到洪橋鎮、李家巷鎮,向南拓展至虹星橋鎮、呂口鄉,向北拓展至夾浦鎮南部和水口鄉南部,西北方向煤山鎮中心區域,西南方向泗安鎮和林城鎮,南部和平鎮北部地區。

圖3 長興縣域用地發展潛力指標專題圖

圖5 長興縣域潛在國土開發空間分布圖

3.2 長興縣國土空間開發約束分析

根據長興縣用地發展約束分析,計算得到坡度、水體距離、土地利用和人口密度的生態約束專題圖(圖6),根據生態約束因子阻力值等級表給各專題圖劃分不同的阻力值,并進行柵格疊加計算,得到約束面分布圖(圖7)。

圖6 長興縣域生態約束專題圖

采用以上分析得到的約束面分布圖,以及確定的“源”(河流、湖泊、濕地、林地和草地等生態用地),利用ArcGIS的成本距離(Cost distance)模塊進行處理。得到長興縣用地發展累積約束空間分布圖,即國土空間開發生態約束分布圖(圖8)。根據用地發展生態約束分析結果劃定長興縣國土開發空間生態敏感地帶(圖9),總面積約832 km2,占全域面積的57.2%,生態敏感地帶主要涵蓋了中東部水網密集區、合溪水庫、泗安水庫、西北部山體、南部和東南部低山丘陵等生態敏感區。

圖8 長興縣域用地生態約束分布結果

圖9 長興縣域國土開發空間生態敏感地帶

3.3 潛力-約束模型綜合分析

將潛力空間和約束空間進行疊加分析,由于生態敏感區比較脆弱,不適宜進行開發建設,根據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“反規劃”思想[23-24],在潛在國土開發空間分布圖中除去生態約束較大的高敏感區域,得到長興縣國土空間開發的適宜空間(圖10),其中較適宜等級以上的空間約358 km2,占全域總面積的24.6%,由于長興縣域山體和丘陵的存在,且水網分布密集,適宜開發建設空間分散,主要集中在縣域東部和中部,西北部除煤山等鎮有部分地區適宜開發建設外,其他地區都需要進行保護。縣域中部的中心城區、虹星橋鎮、東部的李家巷鎮、呂山鄉和東北部的夾浦鎮最適宜開發建設。縣域中西部的林城鎮以及泗安鎮南部區域開發條件也較好,和平鎮北部區域也可以進行適當開發建設。縣域西部的煤山鎮四周、泗安鎮北部、水口鄉、小鋪鎮和縣域東部的洪橋鎮等鄉鎮因生態保護需要,應適度開發。

圖10 長興縣域國土開發適宜空間分布圖

4 結論與討論

本文構建了一套通用、快速的縣域尺度國土空間開發適宜性評價方法體系,從土地開發潛力和生態約束角度出發,選取自然環境、生態保護、社會經濟等方面因子構建國土空間開發適宜性評價指標體系,綜合應用空間疊置分析方法和累計阻力模型,構建潛力-約束模型,將用地發展潛力和生態環境約束在空間上進行有機融合,對長興縣國土開發適宜性進行評價,根據用地發展潛力分析結果劃定潛在國土開發空間面積約570 km2,占全域面積的39.2%,根據用地發展生態約束分析結果劃定長興縣國土開發空間生態敏感地帶面積約832 km2,占全域面積的57.2%,生態敏感地帶主要涵蓋了中東部水網密集區、合溪水庫、泗安水庫、西北部山體、南部和東南部低山丘陵。縣域國土空間開發較適宜等級以上的面積約358 km2,占全域總面積的24.6%,呈中部聚集、四周分散的格局,長興縣城、虹星橋鎮、李家巷鎮、呂山鄉適宜開發建設面積最大,夾浦鎮、林城鎮和泗安鎮也有較大面積適宜開發建設區域,煤山鎮、水口鄉、小鋪鎮和洪橋鎮因地形水網等限制,適宜開發面積最小。

針對本研究構建的評價方法,因生態系統類型差異,用NDVI指數代表生態服務價值高低可能有偏差,相關研究結果表明,對于林地生態系統,植被覆蓋度的增高可提高地區內林地生態系統的服務功能和價值[25],而針對高原地帶等特殊流域生態系統,NDVI 的上升導致流域生態系統的土壤保持和固碳服務顯著增加,但水源涵養服務顯著降低[26]。因此,該評價方法的使用需針對高原流域等特殊地區生態系統進行適當調整。

5 建議

為了進一步促進縣域可持續發展和長三角一體化,統籌協調生態保護與經濟發展,結合國土空間開發適宜性評價結果,本文提出長興縣的未來發展建議：

(1)建立健全耕地保護制度,筑牢耕地保護基礎

長興縣作為“糧油大縣”、“商品糧生產基地縣”,需要承擔著當地和周邊大城市糧食生產的重任,其耕地和水田集中分布在東部水網平原、中部平原,西南部低丘崗地,這些區域內的耕地大多集中連片,是基本農田保護的重點地區。這與開發潛力較大的區域有重合部分,開發潛力較大區域如泗安鎮、林城鎮、和平鎮、中心城區東部及洪橋鎮同樣也是農田集中的區域,約占全縣耕地總面積的70%。長興縣在開發建設中應避免經濟建設占用耕地的問題,通過建立基本農田劃區定界,標準農田與高標準基本農田建設,耕地占補平衡、有償保護等相關機制加強耕地保護。

(2)強化國土空間管制,確保生態環境空間

長興縣域河網密布,依山傍湖,是國家生態縣,緊鄰環太湖戰略生態空間,也是周邊大城市休閑旅游的后花園,生態系統服務功能十分重要,隨著長興縣的經濟增長和開發建設,必然導致對生態空間的占用,因此在開發建設之前,必須通過劃定生態紅線、城鎮空間邊界等辦法強化國土空間管制。明確區域生態環境和自然資源邊界,禁止城市開發對自然空間的無節制占用。

(3)開展生態修復,保障區域生態系統健康

長興縣具有良好的生態環境,但由于區內人口眾多、產業層次較低,生態環境形勢不容樂觀。空氣污染、水環境污染和生態用地占用是該區較為突出的生態環境問題。為改善區域生態環境質量,保障生態系統健康,必須開展生態修復,主要措施建議如下：(1)通過土地整合和生態廊道建設,增強生態空間的完整性和連通性；(2)依據生態空間管制措施,實施生態占用空間的恢復和生態受損空間修復；(3)執行低影響開發策略,加大生態基礎設施建設投入,注重從源頭控制進入水體的污染物。

(4)多種方法并舉,預防自然災害發生

長興縣所在區域內地勢有較大起伏,存在地質災害隱患點,西北部和南部的山體有崩塌、滑坡和地面塌陷風險。地處滑坡、塌陷等地質災害點的村莊應禁止新房建設,并積極搬遷至安全地帶,避開地質災害易發區域,嚴格控制可能誘發地質災害的人為活動,防止人為誘發的地質災害。長興縣城靠近長興東部平原,東瀕太湖,且境內水網密布,河道縱橫,防洪形勢嚴峻,在極端氣候等情況下,部分適宜開發空間如中心城區存在洪澇的風險。因此,為防止可能出現的地質和洪澇災害,建議開展專項研究,制定防治措施。