基于GIS的城市建设用地生态适宜性评价研究

中国环境学会  2011年 06月22日

  
  张浩 赵智杰* 谢金开  北京大学环境科学与工程学院,北京,100871;  *通讯作者,E-mail: zjzhao@pku.edu.cn
   
  摘要  城市建设用地的生态适宜性评价是协调城市扩展与生态保护的基础。本文以台州市沿江带为例,在评价指标体系中,增加了生态足迹和生态服务价值两个重要指标,进一步完善了评价框架;应用GIS/RS等技术方法,通过层次分析法确定因子权重,评价了研究区的城市建设用地生态适宜性,并从空间上更加科学地表征土地利用生态适宜等级。结果表明,将生态足迹和生态服务功能作为重要指标进行城市建设用地生态适宜性分区研究,更具有针对性,分区结果更加合理,有助于地区的可持续发展。  
  关键词  生态适宜性评价;生态足迹;生态服务功能;台州
   
  Abstract Ecological suitability assessment on land use is a basis for coordinating the relationship between urban expansion and eco-environmental protection. To developmental zone along the river of Taizhou city as an example, this study added two important indicators- ecological footprint and ecological service value-into evaluation system for improving the evaluation framework; GIS/RS technology was carried out, and then weights of all factors were determined by hierarchical analysis; finally, map of ecological suitability assessment of urban land use could be generated, making the ecological suitability classes more scientifically. Our findings show that the approach with ecological footprint and ecological service functions value as important indices is quite necessary for the ecological suitability classification, and the result is more reasonable and suitable for using it in the regional sustainable development.
  Key words Ecological suitability assessment; Ecological footprint; ecological service functions; Taizhou
   
  土地生态适宜性评价是一种从环境保护和土地可持续利用的角度,定量分析不同土地利用方式的适宜程度并划分等级的综合研究过程(刘康,2004;陈燕飞,2006)。此概念最早由美国景观规划师麦克哈格于1969年提出(MCHARG I,1969),之后在技术与理论不断的完善下,特别是GIS的应用使生态适宜性从单一指标评价发展成多指标综合分析的评价体系并得到广泛的应用(Kalogirou S,2002;Xiang and Whitley,1994;Jankonwski and Richard,1994;Diamond and Wright,1988)。城市是一个由社会、经济和自然三个子系统组成的复合生态系统(马世骏、王如松,1984),其建设用地生态适宜性评价是土地生态适宜性评价的分支,主要应用于城市规划、景观规划和环境影响评价等领域(杨少俊等,2009),目的在于通过深入分析城市生态系统的结构和功能,维护与改善城市生态系统的完整性,从生态、经济和社会效益等角度衡量土地作为建设用地的适宜程度,为城市建设用地的扩展和城市规划提供指导。
  本文以台州市沿江发展带为例,在指标选取时引入了能够有效反映区域生态环境的两个重要指标——生态足迹和生态服务功能价值,通过层次分析法进行城市土地生态适宜性分区,为进一步深入开展城市土地生态适宜性研究提供一些思路与初步探索。


  1研究区概况

 

       台州沿江发展带地处浙东沿海的椒江流域,东径120°17′~121°56′,北纬28°01′~29°21′;包括台州市的椒江区、黄岩区、临海市、仙居县和天台县5个行政区,陆域面积6851km2。椒江流域属华南加里东褶皱系,地形大致由西向东倾斜,西为括苍山脉,西北为大雷山脉,北为天台山脉,东南部是浙江省第三大平原的温黄平原,东临东海。本地区属中亚热带季风气候区,背山面海,夏少酷热,冬无严寒,雨水充沛,气候温和湿润;地带性植被为常绿阔叶林。根据2008年台州统计年鉴,规划区内总人口约328.24万人国内生产总值达881.45亿元。


  2研究方法

 

       2.1适宜性评价技术路线本文的生态适宜性评价方法是以城市建设用地为评价对象,由SPOT遥感影像解译土地利用现状,由  1:1 万地形图获得地形数据,结合城市环境—经济—社会特征提出评价因子体系,再运用层次分析法确定评价因子的权重值,通过ArcGIS9.2的空间分析功能进行评价,评价单元为30m*30m,具体步骤如图2。 
  2.2评价指标体系建立为全面综合地评价区域建设用地生态适宜性,需要将研究系统分解为几个子系统进行分析。参照目前国内城市生态适宜性评价研究的有关指标体系,按照可计量性、主导性、超前性和因地适宜性原则(梁涛等,2007),确立台州市沿江发展带建设用地生态适宜性评价指标体系,将城市建设用地生态适宜性影响因素分为自然因素、社会经济因素、特殊限制因素3个一级类别和8个二级类别,如表1所示。
  表1 建设用地生态适宜性评价因子
  Tab.1 Factors of ecological suitability of assessment on urban construction land

序号

指标(一级)

序号

指标(二级)

指标内容

 

 

 

 

 

 

1

 

1

地形因子

高程大小与坡度陡缓直接影响土壤侵蚀和土地利用,进而影响生态系统稳定性和生态适宜性

 

2

水域因子

河流是区域的血脉,在提高城市景观质量,改善城市空间环境,调节城市温、湿度,维持正常的水循环等方面起着重要作用

自然因素

3

植被因子

指在一定地区内不同物种植被类型的分布,起着调节小气候、保护生物多样性、维持良好生态环境的作用

 

4

容量因子

分为大气环境容量和水环境容量,反映了区域环境质量现状及潜在的开发空间

 

5

生态因子

包括生态足迹分析和生态服务功能价值的确定,具有指示生态系统现状和可持续发展程度的作用

 

 

6

经济因子

选择人均GDP为指标,存在环境库兹涅茨曲线,说明两者有着密切的相互关系

2

经济社会因素

7

社会因子

选择人口密度为指标,人口规模直接影响土地生态环境质量,密度大小与环境恶化趋势成正相关

3

特殊限制因素

8

限制因子

包括一系列的环境保护区和生态敏感区,对于支持区域生态安全有着重要意义

   
  结合实际情况,将台州沿江带建设用地生态适宜性评价指标体系分为三个层次,选取了18个指标用来描述其适宜性程度,如图3。
  2.3新加指标分析为进一步完善生态适宜性评价体系,加入生态足迹方法和生态系统服务价值两个指标,以期可以综合反映生态系统产品和服务的生产与消费情况,形成生态系统评估的有效手段(谢高地、曹淑艳,2006),使得生态适宜性评价更具科学性,合理性。
  生态足迹是指支撑城市经济和社会发展所需要的生态上具有生产力的土地面积,最早由加拿大生态经济学家William Rees于1992年提出,是可持续发展的一种定量测度指标(Wackernagel M et al,1999;张新,2007;杨昕亮等,2009)。本文通过对每一类用地进行生态足迹计算并采用William和Wackernagel提出的等量因子处理,得到各区县的生态足迹。根据资源产值法得到各区县的生态容量(杨开忠等,2000),结果如表2。
  表2  2007年各区县生态容量与生态赤字计算结果汇总
  Tab.2 Ecological capacity and ecological deficit summary of all districts in 2007

分区

总人口

(万人)

人均生态容量(hm2

人均生态足迹(hm2

生态赤字

hm2

临海市

114.24

1.5358

2.2137

0.6779

天台县

56.38

0.9248

1.9395

1.0147

椒江区

49.74

3.2322

5.9311

2.6989

黄岩区

58.95

0.9882

2.3120

1.3238

仙居县

48.62

1.6761

1.7929

0.1168

   
  结果表明:在生态需求方面,除椒江区外,其他各县区略高于全国平均水平,椒江区约为全国水平的4倍,其中,耕地和化石能源地是台州市沿江发展带生态足迹中最主要的两部分;生态供给方面,临海市和椒江区远高于全国水平,其他县区略高,椒江区和临海市由于濒临海洋,水产品供给能力强,提高了生态容量。
  生态系统服务功能是指生态系统及其生态过程所形成与维持的、人类赖以生存的环境条件和效用,是指通过生态系统的功能直接或间接得到的产品和服务(DailyGC,1997;欧阳志云等,1999)。它不仅为人类提供了生产生活原料,还创造与维持了地球生命支持系统(欧阳志云、王如松,2000)。城市建设用地基本丧失了生态服务功能,而且对整个生态系统还有负面影响(Costanza R. et al,1997)。因此,在建设用地的选择上应当选取生态服务价值较高的区域,使得人工生态系统和自然生态系统和谐发展,减少建设用地对整体生态系统的干扰。Costanza等将生态系统服务分为17个类型,概括为生态系统产品和支持人类生存环境两大类(董家华等,2007;欧阳志云等,1999)。在城市生态系统服务中,以下7项生态服务功能发挥重要作用(宋治清、王仰麟,2004):空气净化,调节小气候,噪声削减,水土保持,涵养水源,固碳释氧和游憩与文化。结合台州市的实际情况,运用生态经济学方法,对上述7项功能进行了计算,得到生态系统生态服务功能的综合价值,结果如下表3。
  表3  2008年台州沿江带生态服务功能总价值
  Tab.2 The total value of ecological services in developmental axis along the river of Taizhou

 

仙居

黄岩

临海

天台

椒江

总计

调节气候的价值(亿元)

291.94

153.88

301.59

197.88

67.17

1012.45

固碳释氧的价值(亿元)

3.04

1.61

3.15

2.06

0.7

10.58

保持土壤的价值(亿元)

43.76

22.37

45.74

30.16

9.73

152.78

涵养水源的价值(亿元)

4.42

2.57

4.64

2.89

1.27

15.80

净化环境的价值(亿元)

14.46

7.61

14.93

9.80

3.33

50.11

减弱噪声的价值(亿元)

0.834

0.439

0.861

0.565

0.192

2.891

生态服务功能总价值(亿元)

358.45

188.48

370.91

243.36

82.39

1244.61

单位面积功能价值(亿元/km2

0.180

0.191

0.174

0.171

0.110

0.171

   
  台州市沿江带各区县总的生态系统服务功能经济价值为1 244.61亿元/a,是2008年该区域国内生产总值881.45亿元的1.5倍,说明台州市生态系统的生态服务功能具有巨大的生态经济效益。城市生态系统各生态服务功能的重要性,由大到小依次为,调节气候功能、保持土壤功能、净化空气功能、涵养水源功能、固碳释氧功能与减弱噪声功能。生态服务功能价值区域分布来看,单位面积的价值量大小依次为:黄岩、仙居、临海、天台和椒江。
  2.4指标评分及权重确定根据所选评价指标,将各因子的统计数据用评价标准进行定量化处理,确定评价因子适宜度评分值。单因子适宜性评分值一般分3级,用5、3、1代表城镇建设用地适宜性的高低,对于划分等级较多的因子,采用4、2作为中值,分值越高,表示适宜性越好。综合评价中,适宜度根据不同因子加权求和确定,因子权重决定于某一特定因子对适宜性的贡献程度(唐宏,1999)。为提高评价过程的可操作性,力求最大限度地降低评价工作中的主观性和片面性,指标权重采用层次分析法与专家打分法相结合的方法确定。具体的评分和权重结果如表2。
  表4 生态适宜性评价因子评分及权重
  Tab.4    Weights and grades of ecological assessment factors

二级指标

三级指标

评分标准

属性值

权重

地形因子

 

高程(m

 

0100

5

 

 

0.11

100300

4

300500

3

500700

2

>700

1

坡度

 

25°

1

 

15°~25°

2

 

10°~15°

3

0.12

5°~10°

4

 

0°~5°

5

 

水域因子

 

河流

 

60m内缓冲区

1

 

60100m缓冲区

3

 

100200m缓冲区

4

0.09

200m缓冲区

5

 

水库

 

水源地及其100m缓冲区

1

 

100200m缓冲区

3

0.05

200m缓冲区

5

 

植被因子

 

土地覆盖类型

 

居民点与工矿用地

1

 

园林地

2

 

耕地

3

0.15

滩涂

4

 

未利用地

5

 

容量因子

 

大气环境容量(t/a

 

>10000

5

 

010000

3

0.03

<0

1

 

水环境容量(t/a

 

>10000

5

 

500010000

3

0.06

05000

1

 

生态因子

 

生态赤字(hm2/人)

 

<0.8

5

 

0.81.6

3

0.05

>1.6

1

 

生态服务价值(亿元/km2

 

>0.19

5

 

0.180.19

4

 

0.170.18

3

0.06

0.160.17

2

 

<0.16

1

 

社会经济因子

 

人口密度(人/ km2

 

>800

5

 

600800

4

 

400600

3

0.04

200400

2

 

0200

1

 

人均GDP(万元/人)

 

12

1

 

23

3

 

34

5

0.02

45

3

 

>5

1

 

限制因子

 

风暴潮影响区(海岸线向内陆延伸,m

 

>600

5

 

400600

4

 

200400

3

0.15

0200

1

 

地质灾害区

 

一般防护区

5

 

次重点防护区

3

0.07

重点防护区

1

 

生态敏感区

农田保护区

不参与加权叠加

湿地保护区

水源保护区

自然保护区

风景名胜区

 

  2.5生态适宜性评价结果采用多因素综合评价模型评价综合适宜性并定量表征其空间分异(黄波,1997;邱炳文等,2004)。首先按照各个因子的评分值,建立单因子图层集(如图4);再利用ARCGIS 9.2的空间分析模块,通过对各因子图层的加权叠加运算进行生态适宜性综合评价。叠加计算公式如下:
  S= f(x1,x2,x3,…xn)   (1)
  式(1)中, S是生态适宜性等级,xi是用于评价的一组变量,目前常用的基本模型是权重修正法,即:
  S= ∑wi*xi       (2)
  式(2)中,S是生态适宜性等级, xi为第i种评价因素的得分(无量纲),wi 为第i种评价因素的权重。在GIS平台下,得到市域的多因子加权叠加的综合适宜性评价值,S为1.78~4.78。采用k-means聚类法分为4类:最适宜用地、适宜用地、基本适宜用地、极不适宜用地。由于保护区不参加评价,所以单独分为一类,及禁止用地。生态适宜性综合评价结果如下(表5、图5):
  表5 台州市沿江发展带生态适宜性评价结果
  Tab.5 Eco-suitability evaluation results of developmental zone along the river of Taizhou city

区域分类

生态适宜性指标范围

面积(Km2

占市域总面积比例(%

最适宜用地

4.204.78

603.40

8.83%

适宜用地

3.704.20

777.80

11.39%

不适宜用地

3.203.70

2062.56

30.20%

极不适宜用地

1.783.20

2191.48

32.08%

禁止用地

1195.13

17.50%

   
  从台州市沿江发展带整体来看,适合发展的土地较少,最适宜用地和适宜用地占全区的20%左右,这与台州市的整体地形复杂,山地丘陵多等特点有的显著的关系。从图中可以看出:不适宜用地主要分布在海拔超过500m,坡度大于25°的地区。这部分地区主要以园林地为主覆被类型,在生态环境保护中起着涵养水源、防止水土流失、调节气候等重要作用,不适宜大面积开发。适宜性高的地区主要分布在平原地区,主要以耕地和建成区为主,在开发中需要平衡发展与环保的关系。


  3结论与讨论

        本文将生态适宜性评价用于城市建设用地扩张与生态保护亟待协调的台州市沿江带,旨在为城市合理发展提供科学支持。评价过程中,以RS/GIS 的工作平台为基础,从城市复合生态系统的角度增加了评估生态系统的两个重要指标—生态足迹和生态服务价值,有效的反映生态系统产品和服务的生产与消费情况。因此,进一步完善了评价指标体系,使评价结果更为客观、合理,提高了生态适宜性评价的科学性、综合性。
  结果表明:由于沿江带的整体地形以山地丘陵为主,适宜开发用地为1381.2km2,仅占全区面积的20.22%;流域上下游的空间关系使得各个区县的限制因素不同,应结合自身特点,从全流域的角度进行规划。进一步在不加入生态足迹和生态服务功能两个指标的情况下,使用同样的方法进行评价。将两者的结果进行对比可以看出:从整个区域来看,适宜性评价的结果基本一致;然而,从各个分区来看,评价结果存在着一定的差异。对于生态服务功能价值大、生态赤字小的地区,再加入这两个指标的情况下,其适宜用地比例有小幅提高;反之亦然。所以,上游地区应当以生态保护为主,有选择的适当开发,下游地区应当进行发展空间的优化整合,合理的使用有限土地。
  然而,受各方面客观条件的限制和生态适宜性评价系统综合复杂性的影响,以下问题有待探讨:尽管进一步完善了生态适宜性评价指标体系,但指标仍可能不够全面,而且权重确定过程在一定程度上存在主观性;本文的评价方法,只强调景观单元的垂直过程,也就是将各种生态要素垂直叠加起来,而忽略了土地景观单元间的水平生态过程,即景观单元之间的流动或相互作用,将垂直过程、水平过程和动态过程相结合成为生态适宜性评价的又一热点问题。


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