基于MSPA和MCR的土地生态适宜性评价——以韶关市始兴县为例

莫惠萍 林美玲 胡欣雨 黄宇斌 陆东芳

(福建农林大学 艺术园林学院，福建 福州 350002)

随着经济的快速发展，人口数量的不断增加，人类对于自然资源的开发和利用强度加大，给全球生态带来了严重的破坏，气候、生态环境、土地利用变化等问题日益突出。资源短缺、环境污染、生态恶化等问题已经成为制约社会可持续发展的主要因素。

党的十八大明确提出要“大力推进生态文明建设，优化国土空间开发格局”，国内各省、市、区(县)高度重视生态建设工作，将生态建设作为重要的战略目标，环境保护和生态文明建设在中国社会经济发展中的地位也日益凸显。党的十九大报告又提出了构建节约资源和保护环境的空间格局的新要求，更是强调了空间规划的重要性。可以说空间规划已经成为支撑国家发展的重要力量。但在没有认清土地生态适宜性情况下的开发，势必会造成严重的生态环境问题，因此如何认清土地生态适宜性、协调城市发展与环境保护、优化配置土地成为近年来专家学者们的研究热点。

城市土地的生态适宜性评价是城市规划、管理的重要组成部分,在日益强调景观生态过程与景观格局关系的时代，以景观过程模型为基础的生态适宜性评价方法越来越受到研究者的重视[1]。近年来，随着GIS技术在土地科学界的广泛应用，国内外学者纷纷开始利用GIS空间分析技术，对土地生态适宜性展开研究。如张丽君、曹红[2]运用特尔菲法对预选评价指标集进行筛选，建立评价指标体系并确定各评价因子的权重值，通过加权指数和法计算各评价单元的综合评价值，确立土地生态适宜性分级标准，划分沈阳市土地生态适宜性分区；徐保根、薛继斌[3]重点探讨了为农业主导产业选择与布局服务的土地生态适宜性评价及其可拓评价模型方法和步骤，并将其应用于山西省隰县农业综合发展研究试验区；刘孝富等[1]以厦门为例将城市土地景观动态模拟为生态保护用地和城镇用地扩张两个过程,建立了以两个过程最小累积阻力差值为基础的城市土地生态适宜性评价方法；岳晨等[4]以长春市为例,采用层次分析法(AHP)和GIS手段相结合的方法,将各因子进行加权叠加计算,得出长春市土地生态适宜性评价；田倩倩等[5]运用最小累积阻力模型和GIS空间分析方法对湖南省万佛山自然保护区展开土地生态适宜性评价研究。

随着空间规划时代的到来，土地生态适宜性评价在空间规划制定过程中的作用显得愈加重要[6]。如今韶关市作为广东省的生态特别保护区，其生态地位十分重要，随着南岭国家公园的设立，周边县市区的发展和规划成为当下需要考虑的问题。本研究以韶关市始兴县为例，从城市建设和生态保护两个角度构建适宜性评价体系，基于GIS技术运用最小累积阻力模型对始兴县进行土地生态适宜性分区，尝试解决土地开发利用和生态保护的矛盾，以期为始兴县空间规划布局提供借鉴和参考。

1 研究区概况

如图1所示，始兴县隶属广东省韶关市，位于广东省北部，韶关市东部，东邻江西省全南县，南靠翁源县，西与仁化县、曲江区相邻，北接南雄市，地跨东经113°05′—114°22′，北纬24°31′—25°64′，全县总面积为213 191km2。始兴地处南岭山脉南麓，地势四周高中间低，境内山地丘陵交错，地形复杂，河网密布，主要河流有浈江、墨江、澄江，且位于亚热带季风气候区，全年热量充足，冷暖交替明显，年平均气温20.6℃，年降水量1 695mm。境内土壤由花岗岩发育形成，土质深厚，养分供给性较好，因此森林的植被茂密，森林覆盖率高达74.7%，在广东省各县市中位居第一。始兴县生物资源也十分丰富，区域内的车八岭国家级自然保护区内保存大面积原始森林，动植物资源丰富，素有“物种宝库，南岭明珠”之称。

图1 研究区地理位置

2 数据来源与处理

本研究的数据主要包括：始兴县规划数据库、始兴县土壤侵蚀数据、始兴县土地利用数据、始兴县2018年Landsat8 OLI遥感影像数据、ASTER 30 m数字高程数据、2017年NDVI数据、2015年降水量数据、2019年全国路网数据。以上数据主要来源于资源环境科学数据中心、地理空间数据云、USGS平台。

本文对研究区遥感影像进行投影转换、辐射定标、图像裁剪、大气校正等处理后，通过监督分类和目视解译相结合的方法把全县的土地利用划分为：耕地、林地、草地、湿地、水体、建设用地、未利用地7种用地类型，精度验证Kappa系数都达到0.8以上。利用ArcGIS软件对DEM数据进行投影转换、掩膜提取，通过表面分析、重分类等工具得到研究区坡度图、水系分布图等。各数据地理坐标系统一转换为GCS_WGS_1984，投影坐标系定为WGS_1984_UTM_Zone_49N。

3 评价方法

3.1 阻力模型

利用多因子加权叠加模型建立阻力模型以研究始兴县城市建设用地和生态保护用地两种类型扩张所受的阻力情况，公式如下：

(1)

式中：Z为综合阻力值；Wi为因子i的权重值；Pi为第i个因子分值；n为因子数。

3.2 最小累积阻力模型

最小累积阻力模型(Minimum Cumulative Resistance，MCR)最早起源于Knaapen等[1]对物种扩散的研究，是模拟物种从源地穿越不同景观基质的过程中所耗费代价的最小成本路径，体现了研究对象在空间上的潜在可达和扩张趋势。后来经国内学者的不断研究得到了完善，俞孔坚将GIS中的费用距离与之结合进行了改进，目前已在适宜性评价[6-8]、生态空间网络构建[9,10]、景观生态安全格局构建[9,10]等相关方面得到了广泛的应用。其基本公式如下:

(2)

式中：MCR为最小累积阻力值；Dij为源j到目的地i的距离；Ri为阻力系数。该模型可以通过ArcGIS中的成本距离工具得以实现。

3.3 分区依据

从用途来说，城市土地可以分为两大类，即生态需求用地和城市建设用地。生态需求用地是最适合生态系统发展的用地，城市建设用地是最适宜城市开发的建设用地。为比较同一土地单元推进和阻碍作用的大小，可以在相同标准下，通过最小累积阻力值来比较两者[13]。本研究以生态用地扩张和建设用地扩张这两个扩张过程的最小累积阻力差值作为始兴县土地生态适宜性分区的依据，公式如下:

MCR差值=MCR生态-MCR建设

(3)

将式(2)计算出的生态需求扩张的最小累积阻力值与城市建设扩张的最小累积阻力值相减，得到两个用地扩张类型的最小累积阻力差值。当差值为负值时，代表研究区内生态保护用地比建设用地更容易扩张，则该部分适宜作为生态保护用地。相反，当差值为正值时，适宜作为建设开发用地；当差值为零时，则为两者的分界线。

4 评价过程

4.1 源的选择

本研究通过形态学空间格局分析方法选择生态源地作为生态需求用地的“源”，城市建设用地的“源”则主要基于遥感解译后的始兴县土地利用分类，将建设用地作为建设开发的扩张“源”。

在景观生态安全格局的研究中，生态源地一般指生境质量较好、空间规模较大的重要生态用地，过去相关研究中多选取物种的自然栖息地、稳定且面积较大的林地以及水源保护区和水体等作为生态源地[2]。但该方式存在一定的主观性，源地涵盖的范围也不够全面。故本文运用形态学空间格局分析方法选择生态源地结果具有一定的科学性和客观性。

基于始兴县土地利用分类现状，将林地、湿地、水体三种用地提取出来作为前景，其他用地类型作为背景，将数据转换为30m×30m的Tiff格式二值栅格文件。然后利用Guidos软件的八邻域法对数据进行形态学空间格局分析，得到核心区、孤岛、桥接、边缘、孔隙、环道、支线7类景观类型(如图2所示)，从中筛选出面积大于1hm2的核心区。最后利用Conefor软件对核心区的整体连通性(IIC)、可能连通性(PC)和斑块重要性指数(dPC)等连通性指数进行计算，最后选取dPC最大的10个斑块作为始兴县的生态源地(如图3所示)。

图2 始兴县MSPA景观类型

图3 始兴县生态源地空间分布

4.2 评价因子选择

本研究根据研究区的特点，遵循可操作性和数据可获取性，分别从自然环境和社会经济两个方面对因子进行选择。自然环境层面主要包括地形(高程、坡度)、水域、植被覆盖、土地利用类型，社会经济层面主要考虑交通因素。

(1)地形因子。始兴县地貌以山地、丘陵为主，地形复杂多样。从坡度、高程两个方面出发来进行评价尤为重要。海拔高、坡度大的区域生态环境稳定性会相对较差，不适宜进行建设开发，应尽量保留原用地类型。

(2)水域因子。始兴县境内河网密布，水体的生态功能较高，对建设用地的扩张具有一定的限制作用。为了避免在建设过程中污染水体，城市建设用地应尽可能远离水域。

(3)植被覆盖因子。植被覆盖指数是反映区域生态环境质量的重要因子。植被覆盖较高的区域对城市建设用地的扩张会起限制作用。始兴县内植被茂密，森林覆盖率高达74.7%，故考虑植被覆盖度因子。

(4)土地利用因子。任何建设和开发都是在土地利用现状的基础之上进行的，现有的土地利用类型决定着其转化为其他用地类型的可能性，是土地生态适宜性评价的重要因子。

(5)交通因子。交通便利的地方，可达性高，具有较高的地理区位优势，相对更适合城市的开发建设，该地区对于生态保护会起到一定的制约作用。交通因子应该作为土地生态适宜性评价中需要重点考虑的因素。

4.3 评价指标体系构建

本研究参考前人研究经验[13]，分别用1、2、3、4、5表示5个不同的等级来评价单因子阻力，分值越低，表示阻力越小。各单因子等级划分采用ArcGIS中的重分类工具，按照自然断点法进行分级。根据不同转化过程的难易程度，赋予不同的阻力等级，其中阻力系数的赋值主要根据各阻力面的生态地位来确定(具体见表1)。权重采用AHP法确定，将各阻力因子作为指标层，两种用地扩张阻力值作为目标层，邀请专家根据指标层相对目标层的重要性程度，采用1—9标度法进行打分，构建判断矩阵，最后得出各指标权重，CR=0.033 4<0.1，通过一致性检验(具体见表2)。

表1 阻力评价体系

表2 判断矩阵及权重

5 结果与分析

5.1 综合阻力值计算

两类扩张用地的综合阻力值主要运用GIS的栅格计算器工具，基于阻力评价体系中的赋值结合式(1)计算得到(计算结果如图4)。从图中可以看出，两种扩张用地的阻力值在空间格局上相反，如东北部的建成区对城市建设用地扩张的阻力小，对生态保护用地扩张的阻力却大，结果与阻力评价体系赋值相符。

图4 两类用地综合阻力值

5.2 最小累积阻力值计算

基于两种扩张用地的“源”和综合阻力值，依据式(2)计算两类扩张用地的最小累积阻力值(如图5所示)。然后依据式(3)计算两类扩张用地的最小累积阻力差值，结果如图6所示。

图5 两类用地最小累积阻力值

图6 最小累积阻力差值

5.3 分区阈值确定

根据最小累积阻力差值的正负关系将研究区划分为两大类，当差值>0时，将该区域划为适宜城市建设用地；当差值<0时，将该区域划为适宜生态保护用地。通过最小累积阻力差值与面积曲线的突变点确定分区阈值(见表3)。

表3 始兴县生态适宜性分区阈值区间

5.4 评价结果

运用ArcGIS重分类工具根据始兴县适宜性分区区间在最小累积阻力差值的基础上进行重分类，将评价结果划分为禁止建设区、限制建设区、优化建设区和重点建设区4个等级，最终得到土地生态适宜性图(如图7所示)。

图7 土地生态适宜性分区

结果表明：始兴县禁止建设区面积为128.971km2，占全县总面积的5.5%，主要分布在始兴县的沈所镇、深渡水乡、罗坝镇等区域，地处始兴县边缘地带，与仁化县和曲江区相交；用地类型主要为林地，地形起伏较大，地势较高，生态价值高，容易受到外来干扰的影响，应禁止一切有关城镇化建设的活动。

限制建设区面积为1 681.921km2，占总面积的71.8%，主要分布于始兴县的西北部、东部、南部等大部分区域，具体用地类型为林地、耕地、湿地、水体等。车八岭国家级自然保护区也位于该区域内，该区域生态系统的稳定性差，对抗外来干扰的能力较弱，生态敏感性较高，是城镇建设与生态基础设施的隔离带，对于维护生态多样性具有很大的价值。应以生态恢复、生态保护为主，不宜进行过度的开发建设，应继续发挥本区域自身的农业经济、游憩等作用，在合适区域适当地开展生态旅游活动。

优化建设区面积为236.768km2，占总面积10.1%，该区域用地类型主要为耕地，地势相对平坦。主要分布在建成区的周围，靠近中心城区，交通便利，属于城镇建设的缓冲区域，可作为重点建设区的补充，需要合理引导该区域的开发利用，在开发的同时注意生态文明建设，优化布局以减少对耕地过度开采。

重点建设区总面积为293.619km2，占全县总面积的12.5%。主要分布在始兴县的马市、太平、顿岗、城南、沈所这五个镇，属于始兴县经济、政治中心。目前已具有大量的建成区，区域内地势较低，地形起伏较小，较为平坦。生态系统服务功能低，对生态环境的负面影响较小，在此进行城市开发对于环境的破坏较小，作为重点建设区最为合适。

6 结论与展望

基于最小累积阻力模型的生态适宜性评价，可以避免因决策失误而产生对生态环境的破坏，从而保证城市拓展的安全性，维持区域生态环境的稳定性。

本文运用形态学空间格局分析与最小累积阻力模型构建了始兴县土地生态适宜性评价体系，通过对始兴县城市建设用地扩张和生态需求用地扩张两个过程进行阻力赋值，明确了城市区域范围内适宜建设用地和适宜生态用地的面积和范围，最终将适宜性划分为重点建设区、优化建设区、限制建设区、禁止建设区4个区域。

从空间格局来看，始兴县整体的适宜性分布格局成“凹”字型，限制建设区将马市、太平、顿岗、城南、沈所这几个重点建设区和优化建设区包围。后续发展过程中这几个地区需要严格控制开发规模，以保证周边良好的生态环境。

从分区来看，始兴县南北差异明显，北部主要为建设区，南部则主要为生态保护区，南北部连通性不强。今后进行总体规划时，应权衡利弊，适当加强南部与北部的连通性，改善南北部发展极不平衡的现状。

虽然阻力因子的确定无碍于运用最小累积阻力模型开展城市土地生态适宜性评价研究，但由于阻力因子的选择与赋值是影响最终结果的重要因素，因此阻力评价指标体系还需要更严谨。本文中阻力因子的选择存在很大的主观性，且因子考虑得尚不全面，划分不够精细，其选择的科学性和客观性还有待进一步研究，在今后的研究过程中需要克服等级划分的主观性思路，采取更为精确和客观的赋值方式。