生態(tài)約束的哈大齊區(qū)域城市土地開發(fā)適宜性評價

李德一,張樹文

（1.濱州學院建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃系,山東濱州256603;2.中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長春 130012）

全球化背景下,世界經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的膨脹,使得土地和水等資源的短缺和生態(tài)系統(tǒng)服務功能的下降日益顯現(xiàn),并直接影響到人類的可持續(xù)發(fā)展和地區(qū)安全[1],如何實現(xiàn)包括生態(tài)、經(jīng)濟和社會等全方面的可持續(xù)發(fā)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(qū)劃是一項具有明顯的工業(yè)化和城市化區(qū)位指向的區(qū)劃[2],對協(xié)調經(jīng)濟發(fā)展和日益退化的生態(tài)環(huán)境具有重要的作用。目前主體功能區(qū)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(qū)劃進行了探討[5-8]。然而,區(qū)域是地理學的基本研究單元,區(qū)域尺度上的主體功能區(qū)劃研究有利于不同行政區(qū)之間的利益協(xié)調,是區(qū)域規(guī)劃能否科學完成的有力保證。

哈大齊地區(qū)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(shù)量和質量;其次,該區(qū)也是黑龍江省經(jīng)濟實力最強、工業(yè)化水平最高、科技人才優(yōu)勢最明顯、后備土地資源最豐富的地區(qū),其中心城市承載著黑龍江省今后大規(guī)模工業(yè)化、城市化和人口集聚的任務;再次,該區(qū)濕地和草地生態(tài)系統(tǒng)面積廣大,土地退化問題十分突出,因此,實現(xiàn)資源、生態(tài)和社會、經(jīng)濟各功能之間的協(xié)調就成為當前該區(qū)主體功能區(qū)規(guī)劃中重點要解決的問題。國內(nèi)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(qū)進行了分析,但大都關注單一要素,本文從生態(tài)敏感性、生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性和社會經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿Φ确矫孢M行綜合評價,探討生態(tài)約束下哈大齊地區(qū)城市土地開發(fā)的合理格局,以協(xié)調區(qū)域開發(fā)與生態(tài)保護之間的矛盾,為該區(qū)主體功能區(qū)規(guī)劃和區(qū)域規(guī)劃提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

選擇哈大齊中心城市及其周邊地區(qū)作為研究區(qū),范圍上包括哈爾濱市區(qū)(包括原呼蘭縣)、大慶市區(qū)、齊齊哈爾市區(qū)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?？h等12個行政單元。該區(qū)地處松嫩平原的腹地,地理位置東經(jīng) 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(qū)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(qū)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(nèi)。該區(qū)擁有國家級扎龍濕地自然保護區(qū)和龍鳳濕地自然保護區(qū)等重要水禽棲息地以及連環(huán)湖、龍虎泡等湖泊,具有重要的生物多樣性資源。

該區(qū)位于東北亞經(jīng)濟圈的網(wǎng)絡區(qū)位中,也是中俄兩國貿(mào)易聯(lián)系最緊密的城市化地區(qū),它以我國重要的機電工業(yè)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(jīng)濟社會發(fā)展相對落后[13],隨著國家振興東北老工業(yè)基地戰(zhàn)略實施,該區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展重新煥發(fā)活力,呈現(xiàn)良好發(fā)展勢頭,新的集聚空間開始形成[14]。

2 數(shù)據(jù)和方法

土地開發(fā)通?？梢苑譃檗r(nóng)業(yè)開發(fā)、城市開發(fā)、旅游開發(fā)等,本文主要探討城市土地開發(fā)問題,它是工業(yè)用地、居住用地、商業(yè)用地和交通用地等開發(fā)建設的綜合。城市土地開發(fā)適宜性評價是為了滿足人類工業(yè)化和城市化對建設用地的需求而進行的土地開發(fā)利用適宜程度分析,它是在綜合分析社會經(jīng)濟需求因素和資源生態(tài)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(qū),確定區(qū)域內(nèi)土地的開發(fā)程度與利用方向,為區(qū)域規(guī)劃和城市建設提供科學依據(jù)。

2.1 數(shù)據(jù)

評價數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)在ERDAS 8.7和ArcGIS 9.2軟件環(huán)境下,經(jīng)過投影變換,均統(tǒng)一到Albers投影、雙標準緯線 45°N 和 52°N、中央經(jīng)線129°E、Krasovsky 橢球體。

基礎地理數(shù)據(jù)包括行政界線和公路分布數(shù)據(jù)?？h級行政界線取自1∶25萬地形圖,鄉(xiāng)鎮(zhèn)界線取自各縣比例尺在1∶5萬到1∶10萬不等的行政區(qū)劃圖,經(jīng)過掃描、幾何校正后,在縣界不動的基礎上對鄉(xiāng)鎮(zhèn)界限進行數(shù)字化得到研究區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)界線圖,數(shù)據(jù)年份為2000年前后,該數(shù)據(jù)只用于空間分析之用,不作為規(guī)劃的依據(jù)。同時對行政區(qū)劃圖中的公路進行數(shù)字化,得到公路分布圖。

土壤侵蝕數(shù)據(jù)是全國第三次(2000年)土壤侵蝕動態(tài)遙感調查的成果,是在1995年土壤侵蝕數(shù)據(jù)的基礎上進行的動態(tài)變化監(jiān)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(shù)據(jù)包括研究區(qū)2000年和2005年兩期土地利用矢量數(shù)據(jù),是中國科學院創(chuàng)新項目“東北地區(qū)100年LUCC數(shù)字重建”和“全國土地利用數(shù)據(jù)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(tài)圖斑更新,總精度可達90%以上[16]。

研究區(qū)2005年總凈第一性生產(chǎn)力(MODIS NPP)數(shù)據(jù)由NASA地球觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道免費下載,該數(shù)據(jù)通過GLP-PEM 模型反演獲得,空間分辨率250 m。

社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于2003年和2004年兩個年份各縣統(tǒng)計年鑒,包括各鄉(xiāng)鎮(zhèn)年末總人口、農(nóng)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(tài)約束,二是社會經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿?。首先對哈大齊地區(qū)的生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性進行分析,確定生態(tài)約束的空間分布。生態(tài)敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)受到外界干擾作用超過自身的調節(jié)范圍,而表現(xiàn)出對干擾的敏感程度以及生態(tài)系統(tǒng)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(shù)(X2)、景觀破碎度指數(shù)(X3)三方面來表征。生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性是指生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)過程所形成的對人類生存與發(fā)展的生態(tài)環(huán)境條件與效用的重要程度,一般包括有機物質生產(chǎn)、涵養(yǎng)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(chǎn)力指數(shù)(X5)和香農(nóng)多樣性指數(shù)(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(shù)采用第三次遙感土壤侵蝕調查數(shù)據(jù),綜合考慮水蝕和風蝕兩個方面,按評價單元內(nèi)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(tǒng)計單元面積的比例進行計算[20];凈第一性生產(chǎn)力指數(shù)按2005年MODIS年總NPP值進行統(tǒng)計平均值;景觀破碎度指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)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(tài)敏感性(圖1a)和生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性(圖1b)。

社會經(jīng)濟發(fā)展?jié)摿χ饕獜馁Y源、人口、經(jīng)濟、交通區(qū)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(nóng)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(jù)2005年土地利用數(shù)據(jù)和年末總人口進行計算;公路密度根據(jù)公路分布數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計;其他指標的數(shù)據(jù)均來自統(tǒng)計年鑒?？紤]到研究的實用性,本文基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(qū)城市土地開發(fā)適宜性評價因子圖

2.3 評價方法

城市土地開發(fā)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(shù)幾個綜合指標的多元統(tǒng)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(jù)此進行適宜性的定量化評價。由于生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性是作為社會經(jīng)濟發(fā)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(xiāng)鎮(zhèn)樣本進行主成分分析,具體步驟包括數(shù)據(jù)的標準化、相關系數(shù)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(shù);p——評價指標個數(shù);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(jù)綜合評價得分的大小,就可以對適宜性進行評價。數(shù)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(fā);反之,則不適宜開發(fā)。

3 評價結果與分析

本文利用SPSS軟件包進行數(shù)據(jù)的主成分分析,結果顯示,6大指標之間相關系數(shù)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(shù)據(jù)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(tài)因子對城市土地開發(fā)適宜性進行約束的效果得到了較好的體現(xiàn)。其中非常適宜類包含25個鄉(xiāng)鎮(zhèn),占研究區(qū)總面積的7.08%,主要分布在省會城市哈爾濱及其周邊地區(qū),雙城、肇東、肇州作為哈爾濱的衛(wèi)星城市,具有較好的社會經(jīng)濟發(fā)展背景和區(qū)位優(yōu)勢,城市組團發(fā)展、互補發(fā)展能力強,同時,該區(qū)生態(tài)屬于不敏感區(qū),生態(tài)系統(tǒng)服務功能的重要性比較低,對社會經(jīng)濟發(fā)展的約束也比較低,因此最適宜承載今后的大規(guī)模開發(fā)活動。

圖2 哈大齊地區(qū)土地開發(fā)適宜性評價結果

適宜類包含50個鄉(xiāng)鎮(zhèn),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(fā)展的后備用地適時開發(fā)。值得注意的是,齊齊哈爾市和大慶市只有其中心區(qū)屬于適宜類,非中心區(qū)由于具有較高的生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務功能重要性而受到約束,今后該區(qū)的城市建設一定要注重生態(tài)的保護和規(guī)劃。同時,林甸縣的中心鎮(zhèn)具有較高的開發(fā)適宜性,可以為上述兩市的產(chǎn)業(yè)轉移提供發(fā)展空間。

次適宜和邊際適宜類包括 91個鄉(xiāng)鎮(zhèn),面積占47.47%,該類多為農(nóng)業(yè)地區(qū),沒有形成明顯的人口集聚,因此開發(fā)適宜性較低,其主要任務是在保護生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的前提下,為整個哈大齊地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展提供資源和農(nóng)產(chǎn)品上的支撐。

不適宜類包括29個鄉(xiāng)鎮(zhèn),面積占28.09%,主要分布在西部農(nóng)牧交錯區(qū),其特點是生態(tài)敏感的同時具有高的生態(tài)系統(tǒng)服務功能,人類的過度放牧和農(nóng)業(yè)開墾,很容易造成其風蝕加重和濕地萎縮的惡性發(fā)展,影響到整個哈大齊地區(qū)的生態(tài)安全,因此,應該嚴格控制開發(fā)強度,加強該類地區(qū)的人口遷移和生態(tài)系統(tǒng)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(shù)據(jù)的空間尺度一般比較大,在鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上的數(shù)據(jù)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(fā)適宜性評價涉及到人地關系復雜巨系統(tǒng),其綜合評價的數(shù)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(qū)劃和評價。

(3)研究表明,哈爾濱市區(qū)及其周邊衛(wèi)星城市雙城、肇州和肇東中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)非常適宜進行開發(fā);大慶市區(qū)和齊齊哈爾市區(qū)由于具有敏感的生態(tài)環(huán)境和重要的生態(tài)系統(tǒng)服務功能,開發(fā)適宜性受到限制,位于兩市之間的林甸縣中心鎮(zhèn)則顯示出了較高的開發(fā)潛力;廣大農(nóng)業(yè)地區(qū)和西部農(nóng)牧交錯區(qū)屬于開發(fā)潛力不足的地區(qū)?？傊?生態(tài)約束是哈大齊區(qū)域開發(fā)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(qū)實施有區(qū)別的人口、財政、環(huán)境和投資等政策,以促進主體功能區(qū)的形成。

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