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城市土地生态适宜性评价理论与方法.pdf

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城市土地生态适宜性评价理论与方法.pdf

生态环境学报2009,181380385http//www.jeesci.comEcologyandEnvironmentalSciencesEmaileditorjeesci.com基金项目中国环境科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务专项资助项目(kyyw200802)作者简介杨少俊(1962年生),男,副研究员,主要从事生态环境影响评价工作。Emailysjpgzxyahoo.com.cn通讯作者Emailliuxfcraes.org.cn收稿日期20081106城市土地生态适宜性评价理论与方法杨少俊1,刘孝富2,舒俭民21.江西省环保局环境工程评估中心,江西南昌3300292.中国环境科学研究院,北京100012摘要城市土地生态适宜性评价的目的在于协调城市发展与环境保护之间的矛盾。阐述了城市土地生态适宜性评价的内涵,考究了其研究历程,归纳了城市土地生态适宜性的评价方法及其特性。城市土地生态适宜性评价指用某种方法确定城市区域内适宜于城市开发用地的面积和范围以及适宜于生态用地的面积和范围,并针对适宜程度的大小进行等级的划分,它起源于20世纪70年代的生态城市规划,在我国主要发展于2003年以后,其评价方法主要包括千层饼法及其修正模型和逻辑规则组合法,这些方法在实践应用过程中都存在着主观性较强的问题,成为城市土地生态适宜性评价面临的主要困境。指出生态适宜度的二象性和系统性是产生城市土地生态适宜性评价研究困境的主要原因,并以此为基础提出了解决困境的研究思路和未来研究重点。关键词城市土地生态适宜性发展困境展望中图分类号X144文献标识码A文章编号16745906(2009)01038006土地是城市的根本,是一切建设活动的载体。随着城市化进程的加快,城市人口和规模迅速扩大,城市生态用地逐渐被建设用地取代,在这种情况下,为了谋求人与自然的和谐发展,城市的决策者就迫切需要知道,在城市范围内哪些区域可用于城市发展,哪些区域对维护区域生态安全起着重要作用而必须得到保护,这一问题的解答有助于合理的城市规划,是实现城市可持续发展的基本途径。城市土地生态适宜性评价因研究城市土地生态价值与其合理用途之间的关系,为解答上述问题指明了方向。城市土地生态适宜性评价在城市规划、规划环境影响评价方面得到了极大的应用,但目前学术界针对它还没有确切的定义,定义的不明确导致了研究方法和研究结果存在着很大的差异。生态学标准的缺乏又使这些方法和结果没有可衡量的依据,似乎研究者的思维代表了评价的科学性和客观性,城市土地生态适宜性评价研究由此陷入了困境当中,因此有必要对城市土地生态适宜行评价进行回顾性思索,找出困境的症结所在,打开城市土地生态适宜性评价研究的科学性、客观性道路之门。本文的目的在于阐述城市土地生态适宜性评价的概念,考究其发展历程,归纳总结其特征和研究方法,分析城市土地生态适宜性评价困境的原因,提出解决困境的研究思路和未来研究方向。1城市土地生态适宜性评价的内涵土地生态适宜性的概念最早是由美国景观建筑师McHarg提出来的,在其1969年出版的设计遵从自然一书中他提出土地生态适宜性指由土地内在自然属性所决定的对特定用途的适宜或限制程度12。土地生态适宜性概念一经提出就被广泛应用到诸如农业34、林业5、牧业6、土地规划79、自然保护区划1011、公共基础设施选址1213、城市规划14、环境影响评价1517、景观规划18等领域中。由于研究的土地面积以及土地利用方式有大有小,使得土地生态适宜性评价研究存在从微观到宏观的尺度差异。城市土地生态适宜性评价是土地生态适宜性评价的分支,它属于宏观尺度的研究领域,主要应用领域在于城市规划、景观规划和环境影响评价,其目的在于协调城市发展和环境保护之间的关系。从宏观尺度上讲,城市土地的用途分为两类一是用作城市开发用地,二是用作生态用地18,因此城市土地的生态适宜性评价就是指为最大限度的减少城市发展对生态环境造成的影响,指出在城市区域内适宜于城市开发用地的面积和范围以及适宜于生态用地的面积和范围,并针对适宜程度的大小进行等级的划分。等级的划分和命名没有统一的标准,但研究者和国家相关规定普遍将其划分四个等级,如2003年颁布实施的开发区区域环境影响评价技术导则中将区域的生态适宜性划分为很适宜、适宜、基本适宜、不适宜开发四个级别2006年十一五规划也提出将国土空间划分为优化开发、重点开发、限制开发和禁止开发四个级别。杨少俊等城市土地生态适宜性评价理论与方法3812城市土地生态适宜性的起源与发展国外城市土地生态适宜性的评价始于20世纪70年代,1971年联合国教科文组织在第16届会议上了提出生态城市概念,强调要以生态学的角度来研究城市,这使土地适宜性评价从农业领域扩大到城市规划领域,由此拉开了城市土地生态适宜性评价的序幕,这一时期对城市土地的评价只停留概念上,并没有实质性的运用到具体的实践当中。到了80年代联合国提出的MBA计划,才使研究者大规模地运用生态学理论来指导城市规划,开展了诸如城市基础设施选址19、居住区生态适宜性分析的土地评价。如SidlePearce、OLonglin等于1985年选用滑坡风险、景观、土壤侵蚀及地价4个因素进行了加利福利亚地区山坡地用于发展住宅的适宜性评价20。Westman于1985年考虑了坡度、土壤排水性、土壤质地3个因素来评价住宅建设的适宜性2122。这一时期,城市土地生态适宜性评价虽取得了较大进展,但还并未从城市发展的角度来考虑土地的生态适宜性。20世纪90年代初至今为城市土地生态适宜性评价的深化阶段。1992年联合国环发大会后,以美国为首的发达国家开展了一系列以都市区生态功能区划为目的的土地适宜性评价。如美国1996年开展的南加利福尼亚城市区域土地利用及河流规划、英国1994年的开展伦教城市发展战略规划,日本1994年的开展东京湾都市地区的生态建设规划等23都对城市生态资源进行了综合评价,整合了城市发展与生态资源的时空格局。这一时期开展的城市土地适宜性评价的主题思想是将生态价值较低、建设后对自然影响较小的土地作为建设的合理用地,而将生态价值较高、建设后对自然影响较大的土地作为生态保护用地,通过选择适宜的土地开发方式,使人类的建设活动对自然环境产生尽可能小的消极影响24。此时的城市土地生态适宜性评价从基础设施选址、居住区适宜性分析走向了以协调和优化城市发展与生态保护之间关系的土地评价新时代。在我国权威收录的中国学术文献网络出版总库中以生态适宜性和生态适宜度为关键词查询1979年至今文献,总计109条记录,其中有关城市土地生态适宜性的文献32篇。最早有关城市土地生态适宜性评价文献是1992年马大明、孟令尧发表在河北省科学院学报中的有关承德市城市用地生态适宜性研究25,此后一直到2003年有关城市土地生态适宜性的评价的文章鲜少发表,仅有4篇文献。2003年国家颁布了开发区区域环境影响评价技术导则,同年又发布了关于印发生态县、生态市、生态省建设指标(试行)的通知,才使我国土地评价研究的重心从以农业服务为主向其它领域转移,从而推动了我国城市土地生态适宜性评价的研究进程,在全国范围内开展了以区域环评和城市生态规划为目的的生态适宜性分析。然而由于城市土地生态适宜性还处于探讨之中,没有统一的指标体系,因此不同的研究者采用了不用的因素,有研究者选择单一的基础生态因子,如陈昌勇、尹海伟等从坡度、pH值、地基承载力、土壤有机质、地表水、水土流失、植被多样性、景观价值几个生态因子评价了沈阳的土地生态适宜度20赵珂、吴克宁等用水土流失、土地沙化、森林覆盖率、地质灾害易发性、地形地貌、水环境质量、大气环境质量、土地质量等因素研究了安阳市的土地生态适宜性26也有研究者采用基础因子组合成复合的因子,梁涛、蔡春霞等通过由生态敏感性、大气环境敏感度、交通、文教医疗、绿地、土壤、高程等要素组成的自然、经济、社会三大类因子采用层次分析确定权重的方法对江西萍乡市开展了生态适宜性评价27。从2004年到2007年4年间,总共发表有27篇有关城市土地生态适宜性评价的文章,占城市土地生态适宜性评价发表总数的84.3。随着我国城市化进程的加快、城市决策者对城市生态环境的日益重视,为实施城市的可持续的发展战略城市土地生态适宜性评价会进一步成为研究的热点和前沿。3城市土地生态适宜性的评价方法及其特点城市土地生态适宜性评价继承了传统的生态适宜性的评价方法,主要包括千层饼法极其修正模型和逻辑规则组合法。3.1千层饼法及其修整模型千层饼法又称地图叠加法,因其由美国景观设计师和规划师McHarg建立起来的,因此也被称之为被学者称为McHarg法。从20世纪60年代开始这种方法被广泛应用于高速公路选线、土地利用、森林开发、流域开发、城市与区域发展规划中。随着计算机技术水平的逐步提高和生态学理论的完善,该方法先后经历地图重叠法、加权叠加法、生态因子组合法三个阶段23,2832,它们分别可用公式kii1Se∑、kiii1Sew∑、nkijijjj1i1Sewξ∑∑表示,其中S表示生态适宜度值,ie为生态单因子适宜度值,k表示单因素的数量,ije为评价区内第j个指标的第i个因子适宜度评价值,ijw为第i个因子在评价第j个指标时的权值,jξ为指标j在适宜度综合评价的权重。382生态环境学报第18卷第1期(2009年1月)千层饼法是一种形象直观,运算公式简单,可以将社会、自然环境等不同量纲的因素进行综合分析的土地适宜性评价方法。由于该方法能方便的通过计算机GIS中的地图代数、空间分析、栅格重分类等功能实现,因此成为了目前应用范围最广的城市土地适宜性评价方法。但千层饼法难点在于各评价指标权重的确定,在具体操作时大都依靠研究者本身的主观臆断,为了减少这种情况的发生,演化出了许多的方法来确定因子的权重,如专家判断法24、层次分析法27、主成分分析法33、排列比较法34、模糊评价法35等,这些方法虽在一定程度上增强了城市土地生态适宜性评价的客观性,但没能从根本上解决权重赋值主观性问题36,而且这些方法本质上没有改变地图叠加的属性,因此他们都属于千层饼模式的变形。3.2逻辑规则组合法为了解决千层饼法各评价指标权重确定的困难,演化出了逻辑规则组合法,该方法针对分析因子存在的复杂关系,运用生态因子逻辑规则建立适宜性分析准则,并以此为基础判别土地的生态适宜性,不需通过确定生态因子的权重就可以直接进行适宜性分区。早在1985年,Westman在评价住宅建设的适宜性就通过坡度、土壤排水性、土壤质地三个因素的逻辑组合进行了滑坡风险等级评价21。JU于1998年根据逻辑组合原理构建了城市土地可持续利用规划最终分类矩阵,通过对土地的生态价值和社会经济价值需求的组合来判断土地合理的利用程度(见表1)37,从而打开了以逻辑规则组合法评价城市土地生态适宜性的先河。国内的陈雯38、史培军39等继承了JU的土地适宜性分类矩阵思想,基于土地的生态保护价值和经济开发价值的评估,对城市土地的发展方向进行了引导,并分别以南通市长江沿岸的资源开发利用功能区划和北京的土地可持续发展规划为例,实现对土地利用的空间控制,表239显示的是史培军基于逻辑关系组合建立起的土地可持续利用最终分类矩阵。刘毅、李天威等在史培军的土地可持续利用最终分类基础上发展了基于生态功能分区和建设适宜性评价的城市发展生态空间评价方法40,见图1。逻辑规则组合法是一种无需经过大量计算,仅靠定性判断就可实现生态适宜性评价的方法,但其难点在于逻辑规则的制订。当评价的因子过多时,要获取土地的生态适宜性与评价因子之间的逻辑关系就显得十分困难,这使得逻辑规则组合法受到很大程度的限制。4城市土地生态适宜性评价面临的困境与原因绝大多数生态学家都认为城市土地的生态适宜度是客观存在的,城市中的每块土地都处于特定的生态位,对整个城市生态系统发挥着特定的作用,因此每块土地都有其合理的用途,人类只能按照这个合理用途来发展社会经济,才不会使生态环境产生不可逆转的损害。城市土地生态适宜性评价似乎跟天气预报一样是一种预测,但它远远没有天气预报那样精准,因为天气预报可以验证,可以通过实践认识再实践这一过程反复的对评价方法进行修正,而生态学理论最缺乏的是标准,无法验证生态适宜性评价结果是否准确。在某种程度上讲图1城市发展生态适宜空间划分法Fig.1Ecoappropriatespacedivisionmethodofurbandevelopment表2史培军土地可持续利用最终分类矩阵Table2ShiPeijunsfinalclassificationmatrixofsustainablelanduse土地的生态服务价值分类低中等高很高高优化开发区重点开发区限制开发区限制开发区中等优化开发区重点开发区限制开发区禁止开发区社会经济对土地的需求低禁止开发区禁止开发区禁止开发区禁止开发区表1JU土地可持续利用最终分类矩阵Table1JUSfinalclassificationmatrixofsustainablelanduse土地的生态价值分类低中等高很高很高无使用限制视简化的环境分析结果定仅取决于场对环境分析结果完全取决于专项研究结果高视简化的环境分析结果定视简化的环境分析结果定仅取决于场对环境分析结果特批中等视简化的环境分析结果定仅取决于场对环境分析结果仅取决于场对环境分析结果绝对保护土地的社会经济需求低视简化的环境分析结果定仅取决于场对环境分析结果特批绝对保护杨少俊等城市土地生态适宜性评价理论与方法383在没有标准的衡量下,只有保证了评价过程的客观性,就能保证评价结果的科学性。然而几乎所有学者在开展城市土地生态适宜性研究时,都会遇到或发现这样一个困惑,那就是城市土地生态适宜性评价主观性太强,对于同一个城市,不同研究者的研究结果可能大相径庭,甚至皆然相反。总结城市土地生态适宜性的发展历程和评价方法,之所以产生上述的困境在于两个方面的原因第一个方面在于忽略了生态适宜性的二象性第二个方面在于忽略生态适宜性评价的系统性。4.1生态适宜性评价的二象性生态适宜性评价的二象性表现在两个方面,一是垂直性和水平性,也就是土地的生态价值不仅仅是由垂直生态要素土壤、水文、地质、植被等决定的,还由该土地在景观水平生态过程中的作用而决定。前述的两种城市土地生态适宜性评价方法,只强调土地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41,只不过千层饼法及其修整模型是数学叠加,而逻辑规则组合法是逻辑叠加,它们都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,包括物种和人的空间运动、物质水土营养和能量的流动、干扰过程如风灾、虫害等的空间扩散等4246。二是自然性和社会性,从McHarg对生态适宜性的描述我们可以看出,其概念可以从价值和价值限制两方面加以理解,即从土地的生态价值来判断土地在生态保护方面的适宜程度或者从土地的生态价值来判断土地对某种特定用途的限制程度,前者针对土地适宜性的自然属性而言,后者针对其社会属性而言,因此城市土地生态适宜性评价是自然、社会的复合体47,而研究者往往是从单个方面的角度来考虑的,忽视了两者之间的相辅相承关系。4.2生态适宜性的系统性前述的两种城市土地生态适宜性评价方法的前提条件是各个生态因子是独立的,因为只有这样才能确定各个因子的权重,才能制定逻辑规则,而实际上生态因子之间是相互联系相互制约的,他们之间的耦合联系形成的有机系统决定着城市土地的生态适宜度。由于目前人类的科学知识难以对城市生态系统的复杂性进行预测模拟,因此研究者尚不能科学的了解城市每块土地在生态系统中的作用,因而就不能作出客观的生态适宜性评价。5研究展望城市化的发展使城市宏观尺度下的土地生态适宜性评价成为研究的热点,土地的生态适宜度也是世界各级政府迫切需要了解和掌握的科学数据。由于城市生态系统的复杂性在目前知识水平下还难以模拟或预测,精确客观地评价土地生态适宜性还存在着目前科学知识水平无法解决的大量理论难题。但城市土地生态适宜性目前存在的困境不应成为放弃适宜性研究的借口,目前应从以下方面加强城市土地生态适宜性评价的研究,从而突破生态适宜性研究面临的困境。5.1深入开展城市土地适宜性调控机理研究影响城市土地生态适宜性的影响因素众多,如前所述城市土地生态适宜性具有垂直性和水平性、自然性和社会性二象性的特征,因此需充分研究这些因素对于调控土地生态适宜度的垂直机理、水平机理、自然机理、社会机理明确哪些要素、哪些水平过程影响以及如何影响土地的生态适宜性,通过这些机理一步步地发掘为研究生态因子间的系统调控机理奠定坚实的基础,从而为科学客观的实现城市土地生态适宜性评价铺平道路。5.2城市土地生态适宜性评价指标体系与方法研究在以上对城市土地生态适宜性特征调控机理进行研究的基础上,构建城市土地生态适宜性的数学理论模型,提出城市土地生态适宜性的估算思路,根据可持续发展的要求构建不同自然条件,不同经济发展规模下的城市土地生态适宜性评价的指标体系。综合运用传统生态学、景观生态学、园林学、城市生态学、地理学等学科,并结合遥感GIS的手段,突破以图层垂直叠加为主的城市土地生态适宜性评价范式,构建有效的、可操作的、可为决策服务的生态适宜性评价方法。参考文献1MCHARGI.DesignwithNatureM.NewYorkNaturalHistoryPress,1969.2李卫锋,王仰麟,蒋依依,等.城市地域生态调控的空间途径以深圳市为例J.生态学报,2003,23918231831.LiWeifeng,WangYangling,JiangYiyi,etal.SpatialapproachestoecologicalregulationinurbanareasAcaseinShenzhenJ.ActaEcologicaSinica,2003,23918231831.3CAMBELLJC,RADKEJ,GLESSJT,etal.AnapplicationoflinearprogrammingandgeographicinformationsystemscroplandallocationinantigueJ.EnvironmentandPlanning,1992,24535549.4KALOGIROUS.ExpertsystemsandGISanapplicationoflandsuitabilityevaluationJ.ComputersEnvironmentandUrbanSystems,2002,262/389112.5杜亚娟.黄土高原重点水土流失区生态经济型乔木树种的区位环境适宜性M.中国图书年鉴.武汉湖北人民出版社,2001.DuYajuan.EnvironmantalSuitablityofEcologicalEconomicTreeSpeciesfortheLocationoftheEnvironmentinKeySoilErosionAreasoftheLoessPlateauM.BookAlmanacofChina.WuHanHuBeiPeoplesPress,2001.6李文龙,张彦宇,李自珍,等.高寒草地植物生态位适宜度与生产力和多样性的关系及其对放牧的响应J.自然科学版.兰州大学学报,2007,25357.384生态环境学报第18卷第1期(2009年1月)LiWenlong,ZhangYanyu,LiZizhen,etal.TherelationshipsbetweentheNicheFitnessandtheproductivity,diversityinAlpineMeadowanditsresponsestoGrazingJ.NaturalSciences.JournalofLanZhouUniversity,2007,25357.7王印传,张凤荣,孙丹峰.小流域土地利用规划的理论与方法探讨J.水土保持学报,2002,2118121.WangYinchuan,ZhangFengrong,SunDanfeng.DiscussionabouttheoryandmethodofsmallwatershedlandutilizationplanJ.JournalofSoilandWaterConservation,2002,2118121.8毕凌岚,黄光宇.对现行城市土地利用规划的生态反思J.城市规划汇刊,2003,55258.BiLinglan,HuangGuangyu.EcologicalintrospectionofpresentlanduseplanningJ.UrbanPlanningFormun,2003,55258.9殷清慧,周宝同,景丽娜,等.重庆市沙坪坝区土地生态规划探析J.安徽农业科学,2007,410921093.YinQinghui,ZhouBaotong,JingLina,etal.Landecologicalplanninginshapingdamarea,ChongqingCityJ.JournalofAnhuiAgriculturalSciences,2007,410921093.10STORER,KANGASJ.IntegratingspatialmulticriteriaevaluationandexpertknowledgeforGISbasedhabitatsuitabilitymodellingJ.LandscapeandUrbanPlanning,2001,5527993.11PEREIRAJMC,DUCKSTEINL.AmultiplecriteriadecisionmakingapproachtoGISbasedlandsuitabilityevaluationJ.InternationalJournalofGeographicalInformationSystems,1993,75407424.12EASTMANJR,KYEMPAK,TOLEDANOJ,etal.GISandDecisionMakingM.GenevaUNITAR,1993.13CHURCHRL.GeographicalinformationsystemsandlocationscienceJ.ComputersandOperationsResearch,2002,296541562.14JANSSENR,RIETVELDP.MulticriteriaAnalysisandGeographicalInformationSystemsAnApplicationtoAgriculturalLandUseintheNetherlandsM.ScholtenHj,StillwellJCH.GeographicalInformationSystemsforUrbanandRegionalPlanning.DordrechtKluwerAcademicPublishers,1990326339.15MORENOD,SEIGELM.AGISapproachforcorridorsitingandenvironmentalimpactanalysisC.TexasSanAntonio,1988.16沈虹,肖青,周正明,等.区域环评中生态适宜度分析指标体系的探讨J.安全与环境学报,2005,523033.ShenHong,XiaoQing,ZhouZhengming,etal.AnapproachtoecologicalsuitabilityindicatorsystemforregionalenvironmentalassessmentJ.JournalofSafetyandEnvironmental,2005,523033.17程吉宏,王晶日.区域环境影响评价中的土地使用生态适宜性分析J.环境保护科学,2002,28125254.ChengJihong,WangJingri.AnalysisecologicalapplicabilityoflandusageinregionalenvironmentalimpactassessmentREIAJ.EnvironmentalProt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