基于生态位和“反规划”思想的城市土地开发适宜性评价

张荣群，王大海，艾 东，孙玮健，侯振宇

0 引 言

随着中国城镇化进程不断加快，城镇建设规模不断扩大[1]，人地矛盾日益尖锐[2]，城市内部结构与功能的不合理现象日益显现，这对维持城市土地生态安全来说是一个巨大挑战[3]。城市土地利用总体规划的合理制定是实现土地资源合理、可持续利用和缓解城市用地与城市建设发展之间的矛盾以及促进城市健康发展的关键[4]，而科学的城市土地开发适宜性评价则是土地利用总体规划制定的重要依据。

近年来，土地适宜性评价发展迅速，研究者从省域[5-6]、地区[7-9]、县域[10-11]甚至是村域[12]等不同研究尺度对土地适宜性评价进行科学探讨，从山地地区[13-14]、高原地区[15]、丘陵地区[16-17]、平原地区[18-19]等不同地形角度丰富土地适宜性评价的应用领域，通过压力-状态-响应[7,20]、经济-社会-压力[21-22]等不同模型对评价指标体系的构建进行合理尝试。随着 GIS和遥感等技术的不断发展，关于城市土地发开适宜性的评价研究也逐渐增多，如李猷等[3]基于景观生态学理论从经济优先发展、生态保护优先和协调发展 3种方案对城市用地进行适宜性评价，为丹东市城市布局提供了合理方案。刘孝富等[23]以构建景观水平过程的生态适宜性评价方法为基本出发点，借助最小累积阻力模型对城市土地生态适宜性进行合理分区。王艳等[24]采用无教师学习的自组织神经网络模型对济南城市进行适宜性评价，该方法降低了人为因素对评价结果的限制。余光英等[25]从城市圈碳平衡的视角出发，从碳源和碳汇两个角度对武汉城市圈各城市的土地适宜性进行了评价，为实现城市圈的协同发展提供了一定的指导意义。

城市土地适宜性评价是一种融合了地学、生态学及其他相关学科的的综合性研究方法[26]，现今已广泛应用于城市土地合理规划研究，但鲜有从“反规划”的角度（优先选出不宜规划的控制区，避免了由评价结果得出的不宜规划区域造成的城市建设空间与用地布局的不合理性[27]）逆向出发来对城市规划提供建议指导。本研究以北京市房山区为研究区，考虑到房山区由国务院批复确定为城市发展新区和生态涵养区，并且承担着首都经济发展、生态涵养、人口疏解和休闲度假等功能的情况，从保护生态角度出发引入生态学中的生态位适宜度模型，并借鉴反规划思想构建评价因子体系，从深山、浅山、平原三方面对房山区进行城市土地适宜性评价分析，为建设产业友好、生态宜居的新房山提供一定的参考价值和指导意义。

1 研究区概况与数据来源

房山区地处北京西南，介于东经 115°25′～116°15′，北纬 39°30′～39°55′之间，下辖 28 个乡镇、街道、地区办事处，其行政区划如图 1所示。房山区内交通发达，水系丰富，地形复杂多变，处于华北平原与太行山交接地带，山地、丘陵、平原各占三分之一；全区年平均气温11～12℃，多年平均年日照时数2621 h，无霜期185 d左右；全区总面积2019 km2，常住人口109.6万人（2016年末）；2016年全区生产总值（GDP）593亿元，比2011年增长42.6%。房山区作为北京西南的重要门户，京原、京九、京广、京石等铁路穿境而过，107国道、108国道、京港澳高速等连接区内外，轨道交通房山线20分钟直达市中心，为房山经济的持续发展提供了便利条件。

图1 房山区行政区划图Fig.1 Administrative map of Fangshan

城市土地开发适宜性评价数据主要来源于北京市房山区2016年统计年鉴、2016年房山区土地利用变更调查数据库、房山区土地利用总体规划（2010—2020年）、房山区耕地质量等别更新成果。

2 研究方法

2.1 “反规划”思想

“反规划”概念是在中国城市化进程快速发展和城镇无序扩张的背景下提出的，是一种城市发展建设中的逆向思维方法[27]。与传统城市规划理论相比，“反规划”思想更注重维护土地的生态安全，是一种通过优先控制不宜建设区域、优先规划城市生态基础设施，进而确保城市进行合理空间规划的方法论，是对快速城市扩张的一种应对[27]。 “反规划”的思维方式对于城市土地开发建设而言，对保护城市土地与生态格局具有积极作用，对城市土地利用总体规划的合理制定具有重要意义。

2.2 生态位适宜度模型

生态位概念最早由Crinell于1917年提出，其定义为生物在栖息地所占据的单元[28]。经过多年发展，Hutchinson于1957年在多维超体积生态位概念基础上发展出生态位适宜度[29]，即生物的现实资源生态位和最适生态位之间的贴近程度，用来反映生物对其某种生境状态的适宜程度。若将城市土地开发建设比作环境中的生物行为，则城市土地开发适宜性分区的关键就是找到生物最适生存的空间位置。考虑到城市土地开发建设受自然禀赋、区位条件等 n维现实资源因素的影响，且每一维的因素对于城市土地的开发建设均有一个最适阈值，在阈值限定区间内，任何符合城市土地开发建设标准的点共同构成了城市土地开发建设的n维超体积生态位[30]，其中城市土地生态位可用如下函数表示：

式中N表示城市土地生态位；xi表示第i个影响城市土地生态位适宜度的限制因素。

根据城市土地现实生态位与最适宜生态位的贴近程度，当评价单元的现实资源条件完全满足城市土地开发建设要求时，该评价单元生态位适宜度为1，反之为0，故城市土地生态位适宜度值区间为[0,1]。其中，影响城市土地开发建设的限制因素通常可分为 3类[31]，第一类为正向因素，即在满足其最低要求的同时，值越大越好，如道路通达性。该类型因素评价模型为：

式中 NFk为城市土地开发建设中第 k个评价因素的生态位适宜度；Xk为第 k个评价因素的现实生态位值；Dkopt为第k个评价因素的最适生态位值；Dkmin为第k个评价因素的生态位最小值。

第二类为适度因素，即在一个适宜的区间内，值过大或过小均会对城市土地开发建设产生影响，如人口密度。该类型因素评价模型为：式中Dkmax为第k个评价因素的生态位最大值。

第三类为负向因素，即值越小越好，如灾害易发程度。该类型因素评价模型为：

城市土地生态位是一个由n种资源构成的n维资源空间，结合综合指数法，确定其生态位适宜度模型为：

式中NF为城市土地的n维资源生态位适宜度；wk为第k个评价因素的权重。

2.3 评价因子体系的构建

城市土地生态位适宜度评价因子的选取主要遵循主导性、综合性、可操作性等原则，同时借鉴反规划理论，将评价因子划分成强限制因子和较强限制因子。其中，根据《基本农田保护条例》，基本农田原则上禁止占用，且在党的十七届三中全会提出了要划定永久基本农田，实行基本农田永久保护，因此永久基本农田被列为强限制因子；采空塌陷是指由于地下挖掘形成空间，造成上部岩土层在自然重力作用下失去稳定性而引起的地面塌陷现象，容易发生塌陷地震，无法进行城市建设开发，故属于强限制因子；水源地主要包括河流水面和水库水面，并且河流和水库是重要的泄洪通道、蓄洪设施、水源地和生态湿地，是生态环境涵养的基础，因此被划分为强限制因子；生态管控区内，除已经市政府批复和审定的规划建设用地之外，禁止一切与保护无关的建设活动，因此生态管控区可作为一票否决强限制因子；特殊用地（军事设施、涉外、宗教、监教、墓地等其它有特殊用途的用地）和自然文化遗产保护区，都是不适宜作为承载生产生活的建设空间的，均被列为强限制因子。在优先“剔除”强限制因子后，较强限制因子的确定则主要从自然禀赋和区位条件 2方面进行遴选，在自然禀赋中从建设开发安全性角度遴选出地震活跃区和地质突发灾害区 2个评价因子，从建设开发难易程度上遴选出一般农用地和坡度等评价因子；在区位条件方面主要从人民生活交通便利程度、生活舒适度等角度遴选出道路通达性、人口密度等评价因子。城市土地生态位适宜度评价因子体系如图2所示。

图2 城市土地生态位适宜度评价因子体系Fig.2 Evaluation index system of urban land niche suitability

2.4 评价因子生态位最适值的确定

城市土地评价因子的最适值受多重因素的影响，充分考虑研究区内城市土地的现实资源生态位，并结合相关历史文献[28,31-32]为各评价因子赋予相应分值，对强限制因子用0、1进行赋值；较强限制因子则根据专家打分法进行赋值。其中，各较强限制因子在进行分值化后，便可将最大分值 100作为其对应因子的最适值，城市土地生态位评价因子适宜分值如表 1所示，同时根据反规划理论对公式（5）进行纠正，公式如下：

式中j为强限制性因子编号；r为较强限制性因子编号；Fj为第j个强限制性因子适宜性分值；m为强限制性因子个数；l为较强限制性因子个数。

2.5 较强限制因子权重的确定

层次分析法[33](analytic hierachy process, AHP)是由美国著名运筹学家Satty等在20世纪70年代提出的一种定性与定量相结合的多目标决策分析方法。常被用于处理多层次、多要素、多目标的非结构化复杂问题，其基本思想是：按问题要求建立能够描述系统功能特征的层次结构（以本文的较强限制因子为例，其层次结构如表 2所示）；各层次元素之间两两比较构造判断矩阵获得各元素的重要程度序列；采用方根法计算出判断矩阵的特征向量和最大特征值（λmax）后，通过计算一致性比例（CR）判断其是否通过一致性检验。

表1 城市土地生态位评价因子适宜分值Table 1 Appropriate score of evaluation index of urban land niche

表2 较强限制因子层次结构Table 2 Hierarchy of stronger restrictive factor

对于第一层中的 3个因子（C1、C2、C3）采用层次分析法确定权重分别为CW1、CW2、CW3。在第二层中对于同属于C1的2个因子（P1、P2）也采用层次分析法确定权重分别为PW11、PW21；同理，同属于C2的2个因子（P3、P4）的权重分别为PW32、PW42，同属于C3的3个因子（P5、P6、P7）的权重分别为 PW53、PW63、PW73。其中，各层次间所涉及的判断矩阵的一致性比例经验证均可接受，各较强限制因子权重wr的具体分配如表3所示。

式中s为第一层因子个数。

表3 城市土地生态位较强限制因子权重分配Table 3 Urban land niche stronger restriction factor weight distribution

2.6 评价单元的划定

评价单元作为评价的最小单位，是影响土地开发适宜性诸因素的空间实体。考虑到土地利用现状图斑作为基本评价单元的局限性，以及数据源的多样性，本次研究将各评价因素的图层转换为 5×5的栅格，通过强限制因子和较强限制因子图进行多图层叠加，以得出的最终栅格为评价单元，该方法克服了单一的土地类型作为评价单元的弊端，使评价单元更加科学合理[29]。

2.7 评价因子数据的获取与处理

城市土地开发适宜性评价因子体系由强限制因子和较强限制因子组成，其中采空塌陷区、水源地、等强限制因子数据从房山区土地利用变更调查数据库中获取，永久基本农田、生态管控区等从土地利用总体规划获取，得到各强限制因子矢量数据后，通过ArcGIS中的“字段计算器”对其进行赋值处理，最终根据“面转栅格”工具得到各强限制因子的 5×5栅格数据图层。较强限制因子数据获取：地震活跃区为房山区地震局提供的1:50000“地震烈度区划图”；突发地质灾害为房山区地矿科提供的1:50000突发地质灾害图；一般农用地是从2016年房山区土地利用变更调查数据库中获取；坡度是根据房山区DEM数据，通过ArcGIS中的“坡度”工具提取得到；道路通达性、地铁通达性是利用ArcGIS中的“欧式距离”工具做统计分析得到距道路、铁路的距离图层；人口密度是通过统计房山区2016统计年鉴各乡镇人口数量，根据房山行政区划图利用ArcGIS统计各乡镇面积，二者相除后得到。

2.8 划分城市土地开发适宜性分区

本次城市土地开发适宜性评价，综合考虑城市土地生态位适宜度分布曲线斜率突变点[34-35]，结合自然断点法，在参考相关历史文献的基础上，将研究区域的城市土地开发适宜性划分为4个等级，即I级（最适宜）、II级（基本适宜）、III级（不适宜）、IV级（特别不适宜）共4个等级。具体分区标准如表4所示。

表4 城市土地开发适宜性分区标准Table 4 Urban land development suitability partition criteria

3 结果与分析

3.1 城市土地开发适宜性分区结果

由于各评价因子在进行专家打分后均处于 0到 100分值区间内，故均采用式（2）（值越大越好）来计算各自的生态位适宜度，进而便可根据式（6），利用ArcGIS中的“栅格计算器”工具计算出房山区的整体生态位适宜度，最终再结合城市土地开发适宜性分区标准得到房山区城市土地开发适宜性分区图（图 3），其中最适宜区域面积2 645.93 hm2，占全区面积的13.27%；基本适宜区域面积1 697.79 hm2，占全区面积的8.52%；不适宜区域面积11 533.68 hm2，占全区面积的57.86%；特别不适宜区域面积4 057.77 hm2，占全区面积20.35%。

图3 房山区城市土地开发适宜性分区Fig.3 Urban land development suitability zoning of Fangshan

3.2 城市土地开发适宜性评价分析

考虑到房山区的西北高、东南低的特殊地形，结合房山区城市土地开发适宜性分区图（图3）下面将从平原区、浅山区和深山区三方面对其进行评价分析。

1）房山平原区城市土地开发适宜性评价分析

房山平原区地势平坦、水系丰富、交通便利，是房山区进行土地开发建设的重点地区。其中，房山全区最适宜进行土地开发的区域大多分布于此，即平原区的中部及东北部地区，是房山区的中心城区。这些区域临近北京市东西城区，是房山区发展的核心地区，是经济建设发展中城乡空间资源配置进一步优化和城乡整体性协调发展的重点地区。房山平原区中特别不适宜进行土地开发的区域大多分布在房山区东南部的冲击平原，多为国家划定永久基本农田，而平原区中的基本适宜区和不适宜区的数量相对较少，在进行城市土地开发建设时可根据实际情况进行合理安排。

2）房山浅山区城市土地开发适宜性评价分析

房山浅山区是山区生态系统与平原生态系统的交错区，是首都最重要的水源涵养地和生态屏障，是周口店猿人、西周燕都遗址等文物古迹的重要承载区和市民休闲旅游目的地。其中，该地区多为特别不适宜区和不适宜区，主要受地质灾害和生态管控等因素的影响，而最适宜区和适宜区则相对较少且主要分布在邻近平原区的交界地带。随着房山区经济发展和人口规模的快速增长，浅山区面临强烈的开发建设需求。然而浅山区作为天然生态屏障和生态敏感地区，进行大规模城乡建设必然会对生态环境产生巨大影响。因此该地区在进行开发建设时，应在在切实保护生态环境的前提下，充分利用适宜区和最适宜区，合理开发旅游资源，实现浅山优化、科学发展。

3）房山深山区城市土地开发适宜性评价分析

房山深山区地势较高、起伏较大、森林植被覆盖大、采矿用地和生态管控等用地较多、地灾易发区分布较多，是房山西北部的绿色屏障。近年来，西北部大安山乡地区由矿区塌陷所带来的地震已发生数起。因此，该区适宜进行土地开发建设的土地较少，大部分为不适宜区和特别不适宜区，在进行城市建设开发时要着重考虑生态管控、采空塌陷等限制因子的影响，在合理进行建设开发的同时，最大限度的保护好深山区这一绿色屏障。

综合以上评价分析可见，生态管控、采空塌陷等强限制因子是导致城市土地开发“非适宜”区域增多的主导因素。究其原因，城市建设的前提就是保护，也正如习近平同志在十九大报告中所说：“建设美丽中国，加快生态文明体制改革，必须坚持保护优先、自然恢复为主的方针，形成节约资源与保护环境的空间格局，还自然以宁静、和谐、美丽”。生态城市建设离不开生态环境的保护，房山区城市土地开发建设对生态管控区的保护是维持其可持续发展的重要前提，也是建设美丽中国、和谐首都的有力保障。

4 结 论

1）本研究将生态位理论引入城市土地开发适宜性分区研究中，借鉴反规划思想构建出由强限制因子和较强限制因子组成的评价因子体系，在明确生态意义的同时优先控制不宜建设区域，确保城市空间规划的合理进行。

2）整体来看，北京市房山区土地开发适宜性呈阶梯状，由西向东逐渐升高。其中，平原区土地开发适宜性最高；深山区和浅山区适宜性较低主要受生态管控、采空塌陷等限制因素的影响。

生态位适宜度模型尚处于完善阶段，还不够成熟，尤其是评价因子生态位最适值的确定方法，应在接下来的研究工作中逐步探索并完善。

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