基于生态位适宜度模型的土地利用功能评价及调控

1、基于生态位适宜度模型的土地利用功能评价及调控朱伟亚1，王 晓2，许志伟2,*（1.山东省土地勘测规划院，250000，济南；2.山东省肥城市国土资源局，271600，泰安；3. 山东省土地勘测规划院，250000，济南）摘要：根据区域土地利用的差异特性开展土地利用功能评价，是统筹土地利用，实现土地资源的高效、集约化以及可持续利用的重要手段。为了协调土地功能差异与生态环境建设，结合土地生态位概念，运用GIS中栅格数据的空间分析方法，从农业生产适宜性、城镇发展适宜性、生态环境适宜性3个方面，构建适宜性评价指标体系，运用生态位适宜性评价模型，以栅格单元为评价单位，对冀东山地丘陵区卢龙县进行生态位适宜

2、性评价，评价结果显示农业生产适宜性、城镇发展适宜性、生态环境适宜性区域差别明显。在生态位适宜性框架下，共划分优化开发区、重点开发区、限制开发区、禁止开发区4个土地利用功能分区，分区结果显示卢龙县北部注重生态环境建设，中部以农业发展为主，南部依托现有城镇发展体系，注重内部挖潜，合理扩张产业园区。通过土地利用功能评价与调控研究为卢龙县土地资源利用提出合理化建议。关键词：生态位；功能分区；适宜性评价中图分类号：F301.23 文献标识码：A 文章编号：Land use functional evaluation and regulation based on niche-fitness modelZ

3、hu Weiya1,Wang Xiao2, ,XuZhiwei31,* (1.Land surveing and planning institute of Shandong,Jinan 25000,China; 2.Feicheng municiple bureau of state land and resources,Taian 271600,China; Abstract Land use functional regionalization is，according to the differences and coordination of land use, an signifi

4、cant mean to realize efficient and intensive utilization of land resources. To coordinate the differences of land function and ecological environmental construction, this paper, combining land niche concept and applying spatial analysis methods of raster data in GIS, builds up suitability evaluation

5、 index system selecting such three aspects as agricultural production suitability, urban development suitability and ecological environment suitability. Then it, applying niche suitability evaluation model, selecting grid units as evaluation units, evaluates Lulong County. The evaluation results sho

6、w that there exist obvious differences among areas of niche suitability. Under the framework of niche suitability, the area is divided into optimization development zone, important development zone, limited development zone and development-prohibited zone four land use functional zones. Zoning resul

7、ts show that Lulong County focus on the ecological development in the northern area, on the agricultural development in the center and relies on the existing urban development system, which stresses the excavation of internal potential and reasonable expansion of the industrial park. By this researc

8、h on evaluation and regulation of land use function, it can give reasonable suggestions for the land resources use in Lulong County.Key words niche; functional regionalization; suitability evaluation引言土地利用功能分区对严格保护耕地资源，规范土地资源利用开发和保护生态用地，加强土地用途管制都具有十分重要的意义。国家“十一五”规划纲要明确提出，各地要根据资源环境承载能力、现有开发密度和发展潜力，将国

9、土空间划分为优化开发、重点开发、限制开发和禁止开发4类主体功能区，以促进形成经济发展与人口资源环境相协调的空间均衡格局。当前形势下，土地利用功能分区要体现主体功能区划的要求，整合社会经济、土地资源、生态环境等要素，明确土地利用主导方向及功能定位，为实现区域协调发展提供科学的决策依据1。近年来，区域土地资源优化配置研究成为国内外地理学界关注的热点问题之一，国内外学者从不同角度对土地利用功能分区进行研究，并取得一定成果2-6。H.G.Hommeyer提出了地表自然分区和分区主要单元内部逐级分区的概念，开创了现代自然地域划分研究7；Wu和webster借助GIS技术和元胞自动机，构建了在自由市场与增

10、长控制制度下的自然土地利用分区模型8；樊杰认为现有空间规划体系不完善，而研制主体功能区规划为各类规划资源整合提供适用平台9；刘耀林等分别采用目标规划与模拟退火算法、多目标微粒群优化算法对县域尺度土地利用分区进行了方法研究，以求分区结果更加合理10-11；胡振琪主要针对采煤塌陷区从生态修复角度对土地利用分区的研究角度进行了扩展12。总之，目前对于土地利用功能分区的方法研究主要采用专题叠加、聚类分析、因子分析、矩阵分析等定性分析与定量分析相结合的分区方法13-17，研究尺度集中在省域、市域、县域、村域等大、中、小尺度上18-21。纵观以上研究，关于土地利用功能分区的研究主要集中在定性与定量结合的分

11、区方法上，而在进行适宜性评价后再进行分区的研究较少。近年来，生态位理论与土地利用的联系越来越紧密，本文尝试根据土地利用对资源的需求，以及其与现状条件的耦合关系，运用生态位理论，建立生态位适宜度模型，以冀东山地丘陵区典型县域卢龙县为研究对象，进行生态位适宜性评价，并最终做出土地利用功能分区。1研究区概况与数据来源卢龙县位于东经 118°4554"119°0806"， 北纬39°4300"40°0842"之间， 地处河北省东部秦皇岛市。其属于冀东山地丘陵区典型县域，县北部为低山区, 中部为丘陵区, 南部为山麓平原区,

12、丘陵区面积最大, 占全县总面积的71.63%, 低山区、山麓平原区分别占10.43%和17.94%。林业资源丰富, 有较多自然保护区, 还拥有着远近驰名的桃林口水库, 在秦皇岛市乃至整个河北省, 有着重要的生态地位。随着河北省经济重心向沿海、京津地区的产业转移，以唐秦承为中心的“冀东经济区”将成为环渤海地区新的经济增长极，势必会使该区的空间格局发生巨大变化，以卢龙县为研究对象，具有典型代表意义，通过研究以求为山区县域土地资源合理配置与优化利用提供建设性方案。本研究基础数据为卢龙县2009年第二次土地调查的土地利用现状图和数字高程模型（DEM）、土地利用总体规划图、卢龙生态县建设规划报告、200

13、9年卢龙县国民经济统计年鉴，数据来源可靠。2 研究思路与方法生态位综合反映了某一生态单元在生态系统中所处的地位、所具有的功能及所发挥的作用。可将土地和土地系统比拟作生态元。区域土地生态位综合反映了土地资源在区域中所占有的空间、所处的地位和所具有的功能以及与其它资源单元的对应关系。在生态位基础上发展起来了生态位适宜度理论，生态位适宜度是指生物所处的现实环境条件与最适生存环境条件之间的贴近程度，它表征了生物对其生存环境条件的适宜程度。每一种土地利用方式都有对应的需求生态位，土地利用单元与其所处环境构成现实生态位。现实生态位与需求生态位之间的匹配程度，反映了土地利用方式对周围环境的适宜程度22-24

14、。本研究主要步骤为：（1）建立土地利用适宜性评价指标体系，获取因子值，构成资源现实生态位。（2）量化土地利用需求生态位与限制性条件，计算各指标生态位适宜度值。（3）根据适宜性评价结果，结合卢龙县实际情况做出土地利用功能分区，并对各分区成因与未来合理利用方式进行说明。土地生态元对资源环境的要求通常可以分为3类，第1类必须满足最低要求，而且越丰富越好；第2类是在资源可供给的范围内存在一个适宜区间，即不能低于一定值，也不能高于某个值，资源供给过少及过多均将成为限制因素。第3类即现状越低越好25。对第1种情形，有： （1）式（1）中，为种资源的生态位适宜度指数，为资源现状的测度，为对资源要求测度，为资

15、源要求的低限，为资源理想要求值。对于第2种资源要求情形，有： （2）式（2）中，为资源要求的上限，其它符号与（1）式意义相同。对于第3种资源要求情形，有： （3）（3）式中的符号意义与（1）、（2）式相同。采用指数和法与Shefold限制性定律相结合的方法构建土地利用适宜性评价模型，具体公式如下： （4）式中，为土地利用适宜性综合分值，为环境空间维数，为第个因子的土地利用生态位适宜度值。为第个因子的权重。3生态位适宜性评价3.1 评价因子的选取与指标体系的构建建立生态适宜度评价指标体系是进行土地利用功能分区的关键。而对于建设用地、农用地两大土地系统而言，其土地利用适宜性显著不同，依据参考文献2

16、3-24,26，从农业发展适宜度、城镇建设适宜度、生态环境适宜度3个方面筛选12个评价因子，在人口、经济、资源、环境各方面协调发展思想的主导下，构建指标体系。表1土地利用功能分区生态位适宜度评价指标体系Table 1 Suitability evaluation index system of land use functional regionalization 指标层评价因子因子权重农业发展适宜度（A）坡度 x10.20农用地质量等级 x20.30耕地连片程度x30.20耕地综合生产力优势指数x40.30城镇建设适宜度（B）交通便捷度 x50.30人口密度 x60.20人均居民点面积 x7

17、0.20城镇工矿用地比例 x80.30生态环境适宜度（C）林地连片程度 x90.20水资源涵养 x100.30地质灾害 x110.30植被覆盖 x120.203.2 评价因子量化分析由于各项指标之间是相互独立且不具有可比性，因此需要对其采取标准化处理，使其成为具有统一量纲的可比数据，本文指标的量化是在对区域自然条件、社会条件调查研究以及查阅相关文献资料并与专家交流和反复论证的基础上的出的，具体过程如下.1）坡度。地面坡度不仅影响农林牧用地分布、水土流失状况，还影响到工业、交通和城乡建设用地的布局。通常情况下，地表起伏越大，坡度越陡，则土地的侵蚀作用愈强，水土流失也将在一定程度上加大，农田基本建

18、设、农业水利化、机械化的难度加大。采用分段函数对其进行量化处理。 （5）式中，为坡度的生态位适宜度值，为现实坡度值，为现实坡度最低值，25为坡度限制临界值。图1 坡度生态位适宜性评价指标量化分析Fig.1 Quantitative analysis of indexes of slope niche suitability evaluation2）农用地质量等级。农用地等级是对构成土地质量的自然条件和经济条件进行的农用地质量综合评定，反映了农用地潜在的、现实的区域自然质量、平均利用水平和平均效益水平。不同等级的农业用地应采取不同的土地利用方式，也将产生不同的生产、生活效果。农用地质量等级是通过

19、农用地质量分评价得到，选取有效土层厚度、表层土质地、土体剖面构型、坡度、灌溉保证率、有机质含量等参评因子，依据农用地分等规程，进行量化处理。 （6） （7） （8）式中：CLi为分等单元自然质量分； Wk为第k个分等因素的权重； fik为第i个分等单元内第k个分等因素的指标分值。Ri为第i个分等单元的自然质量等指数；为指定作物的光温或气候生产潜力指数；为指定作物的产量比系数；CLi为第i个分等单元指定作物的自然质量分。Yi为第i个分等单元指定作物利用等指数；Ri为第i个分等单元指定作物的自然质量等指数；KL为分等单元所在等值区的指定作物；土地利用系数。表2 农用地质量等别评价因子及权重Tabl

20、e 2 Factors and their weights of quality evaluation of cultivated land评价因子权重表层土壤质地10灌溉保证率26坡度25有效土层厚度25有机质含量6剖面构型8图2 耕地质量等级生态位适宜性评价指标量化分析Fig2. Quantity analysis of indexes of farmland quality level niche suitability evaluation 3）交通便捷度。交通便捷程度与土地利用之间具有一种相互联系、相互影响的复杂关系。交通发展与土地利用可以相互促进，反之交通与土地利用的不协调，将导致

21、两者的相互制约。采用Arcgis空间分析功能进行道路的全县域缓冲，之后参考城镇土地定规程对道路通达度进行量化分析。 （10） （11）式中，为道路作用指数；为道路相对影响半径，计算公式为，其中为缓冲距离，为影响距离，为全县总面积，为全县骨干道路总长度。图3 交通便捷度生态位适宜性评价指标量化分析Fig3.Quanitity analysis of the transportation convenient level niche suitability evaluation 4）人口密度。人口数量的增长、分布、结构、素质以及人口的迁徙等均与土地利用和变化有着密切的关系。人口密度提现了在某一特定

22、时间内一定地理空间内人口数量的集散程度。区域不平衡性是人口分布的主要特征。土地利用程度的变化主要是由于人口增加使得人口密度增加造成的，当人口密度达到某一阀值时，土地利用类型将表现为城镇和聚落用地，土地利用程度将达到最大值。 （12）式中，为人口密度的生态位适宜度值；为人口密度现实生态位；与为人口密度现实生态位的最大值与最小值，5与50分别为人口密度的临界值。图4 人口密度生态位适宜性评价指标量化分析Fig4. Quantity analysis of the population density of niche suitability evaluation5）水源涵养。水是土地利用的基本自然

23、条件与基础，是人们利用改造土地的重要条件，水于热量、光照等条件相互组合，决定了一个区域内土地的气候生产潜力。水资源状况好，土地利用率和生产率就高。 （13）式中，为水资源影响的生态位适宜度值；为水资源现实生态位；与为水源现实生态位的最大值与最小值，200m与50m分别为主干河流和支流的临界值。图5 水源涵养生态位适宜性评价指标量化分析Fig5.Quantitative analysis of water conservation niche suitability evaluation6）植被覆盖。在土地生态系统中，各种植被在生长发育过程中同自然环境条件或土地的其他构成因素相互作用，不断地发生

24、着物质和能量的交流，因而是该系统中最为活跃的因素之一，对生态平衡有着重大的影响，制约着土地演替方向、变化格局。植被覆盖情况由植被第一性生产力（Net Primary Productivity,简称NPP，指绿色植物在单位时间、单位面积上由光合作用所产生的有机质总量中扣除自养呼吸后的剩余部分）来表示27。 （14）式中，为植被覆盖的生态位适宜度值；为植被覆盖现实生态位；与为植被覆盖现实生态位的最大值与最小值，100与500分别为NPP的临界值。图6 植被覆盖生态位适宜性评价指标量化分析Fig6. Quantitative analysis of the vegetation covers nic

25、he suitability evaluation3.3 生态位适宜性评价结果根据上述指标体系，使用栅格数据模型，栅格数据模型使用规则网格表达地理空间，每个象元值都可以用来表达空间现象的属性，其符合功能分区要求，打破行政界线，划分的栅格单元。分别计算每个栅格单元对于三个指标层的生态位适宜度值。在ARCGIS中，对每个因素的得分进行叠加，计算评价单元的综合分值，在分值频率直方图中找出频率突变点的临界区域作为节点，划分等级体系。表3 不同适宜度标准下土地利用空间布局Table 3 Land use spatial layout under different fitness standards评

26、价适宜性图斑面积占总面积的比例/%评 价适宜性图斑面积占总面积的比例/%因 子分级标准/hm2因 子分级标准/hm2坡 度<640608.8642.49农用地质量等级6-711667.7512.216-15、43047.2445.048-932218.7733.7115-257628.857.989-10-24911.1726.06>254297.604.5011-1226784.8528.02耕地连片程度指数0-0.2142362.6444.32耕地综合生产力优势指数0-0.2346277.8548.420.22-0.5042367.4844.330.24-0.4235045.6

27、636.670.51-0.775511.395.770.43-0.658223.408.600.78-1.005341.045.590.66-1.006035.646.31交通便捷度30011469.9112.00中心城镇影响度100060467.3363.26300-50035365.5437.001000-200014887.3715.58500-80039188.8541.002000-30004987.445.228009558.2610.00300015240.4115.94人均居民点面积24016950.3517.73城镇工矿用地比例0.54013.454.20240-250228

28、04.4223.860.5-1.09972.0810.43250-27031074.0832.511.0-1.743028.7545.0227024753.7025.901.738568.2740.35林地连片程度指数0-0.0848930.8951.19水资源涵养50-8018160.6819.000.09-0.2121048.83220811.000.21-0.5017540.5818.35200-40043012.1545.000.51-1.008062.258.43400-100023895.6425.00地质灾害极低防治区19116.5120.00植被覆

29、盖10016008.6516.75低防治区31542.2433.00100-30030236.0231.63一般防治区14337.3815.00300-50027486.6928.76重点防治区30586.4232.0050021851.1922.86由上述分析结果可以得出，卢龙县农业生产适宜性较高的区域主要集中在县域中部区域，地势坡度较为平坦，现有环境条件市域农业耕作，耕地集中连片，农用地质量等级明显高于其他区域。生态环境适宜性较低的区域主要分布于东北部区域，该区域地势起伏较大，属于地质灾害重点防治区域，不适于农业生产与城镇建设。城镇发展适宜性较高的区域集中在县域西南部，该区域交通便捷，具备

30、现有城镇发展体系，但区域内部因现有发展程度不同在土地利用功能分区是应进行区别对待。4土地利用功能分区4.1 分区结果根据上述生态位适宜度评价结果，划分土地利用功能分区。根据每一栅格单元对于农业发展、城镇建设、生态环境适宜性的不同，确定对不同土地利用方式的适宜度空间分布。考虑到现实生态位与需求生态位的耦合关系，并将主体功能区理念贯彻到土地利用功能分区中，划分出优化开发区、重点开发区、限制开发区、禁止开发区。图7 主体功能区空间布局图Fig7 Map of the major functional zones表4 卢龙县各乡镇主体功能区空间分布结构表Table 4 The structural t

31、able of the major functional areas of towns in Lulong County行政区优化建设区重点建设区限制建设区禁止建设区卢龙镇3141.622036.235817.81276.35石门镇3391.711364.633948.17145.74木井乡511.00975.54418.094970.62蛤泊乡21.7887.11457.334616.90刘田各庄镇395.704626.693941.822130.71下寨乡344.89985.41197.083104.05双望镇0.00396.04475.257049.49印庄乡48.81268.45180

32、5.914978.46陈官屯乡0.000.005609.101799.80燕河营镇0.000.003375.407380.86潘庄镇0.000.001587.356706.55刘家营乡0.000.004455.401738.69合计7855.5110740.1032088.7144898.224.2 分区调控研究优化开发区。该区域主要包括主要包括西南部的卢龙镇、石门镇。该区域面积20122.26hm2，占全县总面积的21.5%。人口密度大，产业聚集度高，单位工业产值处于较高的水平，土地开发强度高，现有开发密度高，因其自身的区位优势、科技潜力和以往较高经济水平的积累，使得其区域发展水平较高。该地

33、区应限制占地多、耗能高的工业用地，支持高新技术、循环经济和现代服务业的发展。并严格保护耕地，保留开敞的绿色空间，保护好各项生态用地，促进区域生态环境改善。重点开发区。该区域主要包括刘田各庄镇。面积为11094.93 hm2，占全县总面积的11.61%。该地区资源环境承载力较高，现有开发密度较低，未来发展前景良好。未来发展应优先保障承接优化开发区产业转移的用地需求，积极引导产业集群发展和集中布局。鼓励存量建设用地深度开发，统筹安排基础设施建设用地，推动和加快基础设施建设。严格保护生态用地，切实发挥耕地特别是基本农田在优化城镇、产业用地结构中的生态支撑作用。限制开发区。该区域主要包括中部的下寨乡、

34、双望镇、木井乡、蛤泊乡、潘庄镇、印庄乡。面积为40006.11 hm2，占全县总面积的41.86%。资源环境约束中等，现有开发强度较低，未来发展潜力中等。在未来开发过程中，应坚持保护优先、适度开发、点状发展的原则，严格控制开发强度，逐步减少城镇用地和农村居民点用地空间，严格限制增加建设用地，引导与主体功能定位相悖的产业向区外有序转移。禁止建设区。该区域主要包括北部的刘家营乡、燕河营镇、陈官屯乡。面积为24359.25 hm2，占全县总面积的25.49%。主要为坡度大于25°的山地区。具有较为强大的生态功能，在维护区域环境中发挥重要的作用。未来应实行实行强制性保护，严禁任何不符合主体功

35、能定位的各类土地利用活动，确保生态功能的稳定发挥。5 结论1）将生态位适宜度评价模型纳入到土地利用功能分区方法中，从农业发展适宜度、城镇建设适宜度、生态环境适宜度三个方面建立生态位适宜度评价指标体系。并考虑到不同因子的量化标准，借助ARCGIS空间分析，评价了划分的栅格单元对于三类土地利用方式的适宜程度。2）根据生态位适宜度评价结果，结合卢龙县实际情况，贯彻主体功能区思想，共划分优化开发区、重点开发区、限制开发区、禁止开发区，四类主体功能区。分区结果显示优化开发区集中在西南部中心城区所在区域，此处城镇发展适宜度较为适中，但单项因子中人口密度、城镇工矿用地比例过高，不适于继续高强度的产业投入。重

36、点开发区的城镇发展适宜性评价结果高于优化开发区，虽然也有较高的农业生产适宜性，但综合其交通便捷度、中心城镇影响程度等单项因子优势明显。禁止开发区划分结果与生态环境适宜性评价结果匹配程度较高，生态环境适宜性较低的区域不易于进行其他生产建设，应划为禁止开发区。农业发展适宜性较高的区域对应划分为限制建设区，主要集中在卢龙县中部区域。3）分区结果结果符合卢龙县实际情况、且分区方法科学、合理。土地利用功能分区作为落实主体功能分区的一项措施，由单纯的土地利用分区到重视主体功能指向性的转变，更加注重从总体空间上协调经济发展与生态环境矛盾。6参考文献1 孟祥旭,梅昀.基于耦合关系原理的土地功能分区J.中国土地

37、科学,2010,24(6):26-31.2 陈百明.中国土地利用与生态特征区划M.北京：气象出版社，2003.3 郑度,葛全胜，张雪芹.中国区划工作的回顾与展望J.地理研究,2005,24(1):111-1134 韩书成，僕励杰.土地利用分区内容及与其他区划的关系J.国土资源科技管理,2008,25(3):11-16.5 Mingqin liu,Ashok Samal.A fuzzy clutering approach to delineate agroecozonesJ.Ecological Modelling,2002,149:215-228.6 丛明珠,欧向军,赵倩,等.基于主成分分析法的江苏省土地利用综合分区研究J.地理研究,2008,27(3):574-5824.7 Martin R.C(1973)Spatial Distribution of Population:Cities and SuburbsJ.Journal of Regional Science.13:269-278.8 Wu Fu long,Christopher.J.W.Simulation of natural land use zoning under free-market a