聚焦︱基于最小累积阻力模型的土地生态安全控制区划定 ——以深圳市为例
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导读
土地生态系统是生态系统的重要组成部分，如何通过划定土地生态安全控制区来严格保护土地资源安全、生态环境安全，已成为国土空间规划编制的核心任务和关键环节之一。本文以深圳市为研究区域，采用最小累积阻力模型，模拟深圳市生态用地和建设用地的空间扩张过程，划定深圳市土地生态安全控制区，并提出各控制区的土地利用和管理策略，以期为深圳市及其他相关城市土地生态安全控制区划定工作提供参考。
生态用地有着防风固沙、保持水土、净化空气、调节气候、维持生物多样性、提供自然景观等生态功能，是地区生态环境的保障。目前，我国处在城镇化加速推进时期，城镇边界的持续扩张导致大量具备特殊生态功能的土地遭到挤占，面临着环境污染、生态破坏等风险。另一方面，随着社会经济的发展，人们越来越注重生活质量的提高，对生态用地的需求也日益增加。为促进新型城镇化发展和生态文明建设，党的十九大报告明确提出，要完成包括永久基本农田保护红线、生态保护红线和城市开发边界在内的“三线”划定。2017年，《自然生态空间用途管制办法（试行）》要求在对资源环境承载能力和国土空间开发适宜性进行评价的基础上，确定城镇、农业、生态空间，科学合理编制空间规划，作为生态空间用途管制的依据。土地生态系统是生态系统的重要组成部分，如何通过划定土地生态安全控制区来严格保护土地资源安全、生态环境安全，已成为国土空间规划编制的核心任务和关键环节之一。
土地生态安全控制区是指为维护国家和地区生态安全而对土地利用进行严格管控的区域。科学划定土地生态安全控制区，有利于协调和优化土地的开发建设，提高生态环境承载力。国外还没有明确提出“土地生态安全控制区”的概念，但在相关规划实践中已经展开了一定的探索。Costanza等探讨了基于土地生态控制和合理利用评价等角度的生态系统管控理论，在实践中得到了广泛的运用；美国在保护与发展相结合的“精明保护”理论的基础上提出“绿色基础设施”概念，规定绿色基础设施内禁止或限制使用土地，并以此作为土地开发利用和生态环境保护的指导方针；加拿大通过绿化隔离带为市区构建了生态屏障，以保护市区周边的耕地、水源保护区等生态资源；英国在绿地规划中通过区分生态网络类型，对土地基底下的生态结构实施保护，以降低生态系统的破碎程度。国外相关理论探讨和实践研究，为我国土地生态安全控制区划定提供了重要参考和借鉴。
当前，国内在土地生态安全控制区划定相关实践起步较晚，但不少学者在其划定的方法方面作了大量的研究。王云才等以安徽省南漪湖地区为例，探究了在生态网络规划成果的基础上划定生态保护红线的可实施性；丁雨賝等以重庆市涪陵区义和镇为研究区域，通过综合评价土地的生态敏感性和生态服务价值，对山地区域土地的刚性生态保护区和弹性生态保护区进行划定；杨小燕等通过测算土地利用的具体生态限制因子耐受度值，划定了连云港土地利用规划生态保护红线；朱凤武等以江苏省金坛县为例，基于斑块-基质-廊道生态网络进行县域土地生态管控区的划定。从现有的研究成果来看，大部分学者在研究土地生态安全控制区划定的过程中主要采用了数学建模、土地适宜性评价或“反规划”的方法，重点关注土地的垂直方向，而忽视了土地景观单元的连贯性，因此测算得到的土地生态安全范围稍显片面。而最小累积阻力模型会将土地景观单元距离及其之间的阻力作用考虑在内，在强调土地垂直过程的同时兼顾土地的水平过程。
本文将深圳市作为研究区域，运用最小累积阻力模型开展实证研究，模拟深圳市生态用地和建设用地的空间扩张过程，划定深圳市土地生态安全控制区，并提出各控制区的土地利用和管理策略，旨在为深圳市及其他相关城市土地生态安全控制区划定工作提供参考，以进一步提升地区生态环境质量，更好地维持生态系统的稳定性。
“源”“汇”景观理论是景观生态学理论的重要组成部分，是陈利顶等基于大气污染中“源”“汇”理论体系提出的理论体系。近些年，该理论逐渐被应用于地质勘测、水体污染、生物多样性保护等研究领域。“源”“汇”理论旨在探究不同景观类型在空间上的动态平衡对生态过程的影响，从而找到适合一个地区的景观空间格局。最小累积阻力模型（Minimum Cumulative Resistance，MCR）是一种基于图论的度量方法，最早在1992年由Knaapen提出，用于研究物种从源到目的地运动过程中所需耗费的代价。物种在穿越异质景观时，累积阻力最小的通道即为最适宜的通道，实质上反映了异质景观对某种空间运动过程的综合阻力。综合考虑景观单元之间的水平联系而非内部的垂直过程是该模型的优势，主要是因为任一单元与源单元的连通性和相似性可以通过最小累积阻力的大小进行判断。在具体的研究中，物种扩散最先使用该模型，之后引用到生态安全格局及其相关领域。近年来，在土地规划管理中受到广泛关注，并被应用于自然保护区规划、生物栖息地的确定、土地生态适宜性评价、生态用地和城镇用地扩张等方面。假设从某一代价表面到最近“源”，其累积耗费距离计算公式如下：
式中，ai为累积耗费距离，costi表示第i 个像元的耗费值，costi+1表示第i +1个像元的耗费值。当沿像元的水平或垂直方向运动时，计算公式为（1）；当沿像元的对角线方向运动时，计算公式为（2）。
在土地生态安全评价中，模拟土地单元水平运动，根据“源”到任一单元所需克服的阻力值来反映该单元与“源”的连通性，进而判断土地的生态安全性，其理论思维体现在建设用地空间需求与生态用地空间保护的博弈关系。公式如下：
式中，MCR为最小累积阻力值；f为空间中任一点的最小阻力与其到所有源的距离和景观基面特征的正相关关系的未知正函数；Dij、Ri分别表示空间距离和阻力系数。
土地生态安全变化过程可以用生态用地扩张与建设用地扩张过程的差值来表示，公式如下：
式中，MCRec为最小累积阻力差值；MCRel为生态用地扩张的最小累积阻力；MCRcl为建设用地扩张的最小累积阻力。对于同一栅格单元而言，当MCR ec＜0时，生态“源”扩张的阻力小于建设“源”扩张的阻力，则该栅格单元土地更适宜被划分为生态用地；当MCRec＞0时，生态“源”扩张的阻力大于建设“源”扩张的阻力，则该栅格单元土地更适宜被划分为建设用地；当MCRec =0时，生态“源”扩张的阻力与建设“源”扩张的阻力相等。
深圳市位于广东省南部，东濒大亚湾，西临珠江口，南通香港，北接东莞、惠州。深圳市东南高、西北低，以低山、平缓台地和阶地丘陵为主，拥有丰富的景观资源，如西部海上田园景区的海滨资源、观澜版画基地的客家古村落等。作为我国改革开放的试验窗口，深圳市的城市化发展创造了闻名遐迩的“深圳速度”。2016年，深圳市年末常住人口达1 190万人，是全国人口密度最高的超大城市；建设用地面积达985
本文采用的数据主要来源于《中国统计年鉴》（2006～2016）、《广东省统计年鉴》（2006～2016）、《深圳市统计年鉴》（2010～2016）、深圳市2016年土地利用变更调查、深圳市国民经济和社会发展统计公报（2006～2016）及深圳市统计局网站相关统计资料等。
“源”是物种扩散和维持的原点，“汇”是物种扩散路径的终点，在格局与过程研究中，“源”指内部同质，能够向四周扩张或向自身汇集的景观类型，“汇”是指对“源”景观类型演变过程起阻滞作用的景观类型。生态“源”是指能够促进生态过程发展，并防止生态系统衰退的地区，对区域生态安全具有重要的意义。在土地扩张的模拟中，可认为土地景观单元在空间上做水平方向的运动，即生态保护用地作为生态“源”，建设用地作为建设“源”，均以中心点向周围扩散；市域范围内与生态保护用地和建设用地连接的重要自然、人文节点作为生态“汇”和建设“汇”。由于土地景观单元的空间异质性，经过不同的土地单元所受阻力也存在差异，对生态“源”的阻力大的用地适宜建设，对建设“源”的阻力较大的土地适宜生态保护，两者在扩张中相互制约。因此，可以通过比较两个同一标准的过程最小累积阻力值大小判断土地景观单元的适宜性地类。深圳市在以往的城市化中，由于城市建设用地的扩张，部分其他地类被切割得较为零散。为了更好地模拟城市土地扩张过程，本文选取土地利用方式稳定的土地单元作为源，面积大于1000
如何针对区域自然环境状况选择阻力因子是进行土地生态安全评价的基础和关键，傅伯杰等认为生态系统综合评价具有地域性、多维性的特征，因此要综合考虑评价区域具体特点，如评价目的、评价精度等。在确定深圳市生态“源”和建设“源”的基础上，结合国内外学者已有的研究成果，根据层次性、代表性、科学性等原则，构建了基于生态安全的阻力因子体系，见表1。
本次土地生态安全评价的阻力值是无量纲的，因此选取层次分析法对指标进行赋权。该法严谨性强且便于操作，能够避免赋权时主观或客观因素对评价结果的准确性产生影响，有利于实现决策过程中复杂系统的简化和定性思维的量化。同时，本文采用专家打分法，邀请深圳市规划国土委、北京大学、武汉大学等单位的相关研究人员对生态安全的各阻力因子权重进行多轮打分，确定各阻力因子的权重，通过一致性检验后得到各阻力因子排序权重，见表2。
表1 基于生态安全的阻力因子体系
表2 各阻力因子排序权重表
关于阻力值的确定，国内外学者作了很多相关研究，如Knaapen等认为阻力值反映的是生态空间在扩张过程中受到不同景观单元的阻力程度；刘孝富等认为阻力值的大小反映了物种运动的方向和可能性或潜在的趋势。从土地生态过程的角度来看，要确定不同土地单元的绝对阻力值是十分困难的，因此一般是确定生态“源”、建设“源”在扩散过程中受到不同土地单元阻力大小的相对值，通过比较该值的大小来反映重要程度。为使两个过程更具有可比性，需要构建相同的标准体系并选取相同的阻力因子。在确定单因子的阻力时，将阻力分为5个等级，分别为极大、较大、中等、较小、极小，相应的用5，4，3，2，1来表示，最后通过借鉴相关文献成果和专家咨询的方法综合判定各阻力分值，见表3。
表3 各阻力因子分级赋值表
根据各阻力因子排序权重与分级赋值表，采用ArcGIS中的叠加分析功能，可分别得到城镇用地扩张的阻力面和生态用地扩张阻力面，反映的是土地景观单元对于城市扩张和生态扩张在垂直过程的综合影响程度，从影响趋势上看，土地景观单元对两者的影响呈相反方向。
采用最小累积阻力模型计算生成建设用地扩张最小累积阻力表面和生态用地扩张最小累积阻力表面。采用ArcGIS中的空间分析功能可以得到建设用地扩张与生态用地扩张最小累积阻力差值表面，如图1所示。
图1 最小累积阻力差值表面
在建设“源”与生态“源”扩张所遇到的阻力面中存在着一些关键的阈限，若要克服这些阈值并跨越拐点，需要达到更苛刻的条件才能继续扩散，可借助土地景观单元个数与最小累积阻力差值的曲线图来确定突变点，如图2所示。当最小累积阻力差值在O点（数值为0）时，土地景观单元栅格数最多，景观过程发生急剧变化，可作为划定的转折点。为了更精确地划分土地生态安全分区，需要分别在最小累积阻力差值的正负曲线中划分阈值。当最小累积阻力差值为负时，在A 点（数值为-1 886）时发生突变，可作为负的分区阈值；当最小累积阻力差值为正时，在B 点（数值为2 671）时发生突变，可作为正的分区阈值。
图2 最小累积阻力差值与栅格数目的关系
将A 、O 、B 3个突变点作为分区阈值，划分4个区间，具体为[-12 045，-1 886]，[-1 886，0]、[0，2 671]、[2 671，18 383]，其像元个数呈先增后降趋势，当值为0时，像元个数最多，因此土地生态安全评价结果可相应地划分为禁止开发区、限制开发区、优化开发区和重点开发区4个等级，见表4。对于建设“源”而言，在禁止开发区与限制开发区，其扩张难易程度分别为非常困难、困难，而在优化开发区和重点开发区，其扩张难易程度分别为容易、非常容易；对于生态“源”而言，其扩张难易程度与建设“源”的情况相反，在禁止开发区与限制开发区，分别为非常容易、容易，而在优化开发区和重点开发区，其扩张难易程度分别为困难、非常困难。
根据如图3所示的土地生态安全分区结果，适宜生态“源”扩张的用地占全市总面积的42%，分布在全市的山林地、重要的生态功能区和东西部沿海地区；适宜建设“源”扩张的用地占全市总面积的58%，多分散在地势平坦地带。
表4 深圳市土地生态安全分区阈值区间
图3 土地生态安全分区结果
就土地生态安全分区比重而言，各行政区分布情况如下：
该区域以生态环境保护为主导，禁止各项开发建设，面积占全市总面积的15%。从空间分布上来看，主要分布在大鹏新区，占50.15%，其次分布在坪山区、龙岗区，分别占12.79%、12.09%。该区域地形复杂，以山地丘陵为主，包含了全市大部分耕地和水域，植被覆盖度、土壤侵蚀敏感性和地质灾害敏感性较高，系统稳定性较差，容易受到人类活动和城市建设的干扰。该区生态价值较高，是深圳市维持土地生态安全、促进土地可持续利用的基础。
该区域以生态环境改善和探索现代农业为主，禁止城市和大型工矿建设，限制交通水利等基础设施建设，面积占全市总面积的27%。从空间分布上来看，主要分布在宝安区和大鹏新区，分别占17.71%和11.14%，其次分布在龙岗区和光明新区，分别占12.76%和11.04%。该区域地形较为复杂，包含了全市大部分园地、林地、其他农用地和未利用地，植被覆盖度、土壤侵蚀敏感性和地质灾害敏感性相对较高，系统稳定性低。该区是城市扩张与生态保护核心区之间的隔离带，应以生态建设和生态恢复为主，严格控制发展规模，合理引导建设。
该区域以城市建设、交通水利等基础设施用地为主，另有水库水面、城市绿地、社区公园等生态用地，面积占全市总面积的33%。从空间分布上来看，主要分布在龙岗区和宝安区，分别占20.60%和19.22%；其次分布在龙华区、南山区，分别占12.08%和11.13%。该区域地形较为平坦，开发利用程度较高，土壤侵蚀敏感性和地质灾害敏感性一般，系统稳定性强，距主要河流水体相对较远，受城市建设与人类活动的干扰较小。该区作为城市核心区的缓冲地带，需进一步优化用地布局，将具有生态功能的用地作为城市的“绿心”“绿带”以改善生态环境。
该区域以建设用地为主，是城市的主城区，面积占全市总面积的25%。从空间分布上来看，主要分布在龙岗区和宝安区，分别占全市重点开发区的31.59%和28.48%，其次为龙华区，占比为12%。该区域多为平原或台地，开发较为成熟，土壤侵蚀敏感性和地质灾害敏感性较低，距离重要的水体较远，受城市建设和人类活动的干扰小。该区的生态系统服务功能不占主导，适宜作为建设用地。
本文基于最小累积阻力模型，运用GIS技术，通过生态“源”和建设“源”识别、各阻力因子权重排序和分级赋值、生态“源”和建设“源”的扩张阻力面和最小累积阻力表面确定等过程来模拟深圳市生态用地和建设用地的空间扩张过程，最终实现土地生态安全分区，并得出以下结论：
1）在确定阻力因子时主要考虑了固有生态属性因子、外延生态属性因子两大类指标，研究结果较好地反映了深圳市的实际情况。适宜生态“源”扩张的用地占全市总面积的42%，主要分布在全市的山林地、重要的生态功能区和东西部沿海地区；适宜建设“源”扩张的用地占全市总面积的58%，多分散在地势平坦地带。由于研究数据获取、区域布局特征等的限制，以及全市“源”地识别参照统一标准，在研究过程中可能会出现理论生态价值较小而实际生态功能较大的斑块未被确定为生态“源”的情况。因此，在后续的研究中应逐步完善阻力因子指标体系，并进一步明确各局部地区之间的标准差异，以更加真实反映实际情况。
2）根据“源”的扩张阻力面的阈值划分了4个分区。其中，禁止开发区占全市总面积的15%，是深圳市维持土地生态安全的基础，生态价值较高；限制开发区占全市总面积的27%，是城市扩张与生态保护核心区之间的隔离带，应以生态建设和生态恢复为主；优化开发区占全市总面积的33%，是城市核心区的缓冲地带，需进一步优化用地布局改善生态环境；重点开发区占全市总面积的25%，适宜作为建设用地。由于各个分区的土地利用情况不同，生态安全价值也存在高低之分，应采取差别化的策略对各区域进行管理和利用。
3）本文充分考虑了生态环境在土地开发利用过程中所产生的制约作用，在关注土地景观单元本身生态价值大小的基础上，更加关注土地景观单元之间的生态联系，通过优化格局达到土地整体生态功能的高效发挥，有利于实现土地利用与生态环境关系的协调，对深圳市和其他地区的土地生态安全控制区划定工作具有参考和借鉴意义。另外，针对当前国土空间规划中要求开展的“三线”划定工作，下一步可尝试将永久基本农田保护区划定研究与土地生态安全控制区划定研究相结合，从而为“三线”划定工作提供技术支撑。
责任编辑：林冬娜、邓小云
文章来源：地理信息世界GeomaticsWorld