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SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA >

2013 , Vol. 33 >Issue 8: 972 - 978

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2013.08.972

Orginal Article

The Improvement of the Urban Fringe Rural Settlements Land Towards Urbanization Based on Niche Fitness Evaluation

  • LI Zhi ,
  • ZHOU Sheng-lu ,
  • WU Shao-hua ,
  • LU Li-gang ,
  • WU Ying-ying
Expand
  • School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing, Jiangsu 210093,China

Received date: 2012-12-05

  Request revised date: 2013-04-05

  Online published: 2013-08-20

Copyright

本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
Fold

Abstract

Based on the reformed niche-fitness model theory,an evaluation method was developed to assess the urbanization suitability of over 2000 rural settlements sites around urban fringe zone of Lianyungang City. It is indicated that the sites suited for urbanization amount to 45%. Driven by various factors (such as gravity of road and terrain elevation resistance),the distribution of rural settlements urbanization suitability presents significant aggregation and mutation characteristics. The rural settlements that are suited for urbanization are mostly located in Huaguoshan, Chaoyang town and Haizhou economic development zone. The 10-minutes travel time cost line and the 10-meters contour line are two obvious lines which divided the suitability. The settlements located inside cost line area have 70% possibility of suitability for urbanization process, while the other merely have less than 30% possibility. The area inside the line which are suited for converting the rural settlements into urbanization, the other areas outside are suited for maintaining the status quo or being put into agricultural or forest usage. The composite line formed by two lines can be used as the "Red Line" of urban expansion in the study area, offering the limited scale on the development of the urban and the optimization allocation of urban-rural resource development.

Key words： niche; suitability evaluation; urban fringe; land remediation; Lianyungang City

Cite this article

LI Zhi , ZHOU Sheng-lu , WU Shao-hua , LU Li-gang , WU Ying-ying . The Improvement of the Urban Fringe Rural Settlements Land Towards Urbanization Based on Niche Fitness Evaluation[J]. SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA, 2013 , 33(8) : 972 -978 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2013.08.972

20世纪前叶,Grinnell及Hutchison等人提出了生态位概念,到20世纪90年代,国内学者赵松岭、欧阳志云等在生态位理论基础上提出了生态位适宜度理论[1, 2]。近年来,基于该理论的适宜性评价广泛应用于如城市发展、企业竞争和旅游定位、土壤及农地资源评价等自然和社会经济系统中[3]。生态位适宜性评价核心是客观评估现实生境条件与物种需求条件的匹配性,取决于生物单元的“态”和“势”2个方面。以农居点用地转化为城镇用地为例,农居点斑块规模、大小及经济社会属性条件是城镇化适宜性的基本“态”,各种其他“生物单元”如城市用地、交通用地邻居斑块与农居点发生相互作用是影响适宜性的重要“势”,因此生态位适宜度理论也适合评价位于城市边缘区农村用地保持现状或转变为城镇功能用地的可能程度。
当前,中国广大地区正在开展城乡一体化、新农村建设、农村居民点整理和村镇规划等实践活动,实践过程中积累了许多成功经验,也存在若干问题和偏差,村改居等位置的选择及农居点的拆迁新建等是其中重要的问题[4]。国内学者多以面向区域尺度,在农居点用地影响[5, 6]、农村空间演变规律[7~10]、农村发展格局类型[11]及农村土地整理适宜性[12, 13]等方面开展了研究,而针对如城市边缘地区特种导向模式的土地整治适宜性评价研究较少。为此,论文以连云港市主城边缘区为例,通过改进的生态位适宜度模型对其农居点用地城镇化整治的适宜度进行评价,旨在为当地农村土地整理、实现村庄合理布局和城乡用地优化配置提供科学依据。

1 研究区概况和数据处理

1.1 研究区概况

论文以连云港市最新土地利用总体规划确定的中心城区作为此次研究区域,范围涉及连云、新浦、海州3个区,总面积620 km2。研究区的城市边缘区存在大量的农居点,农居点单元图斑2 545个,总面积达2 430 hm2。从城市及土地规划来看,边缘区的农居点皆有转化为城市用地的政策可能性,靠近主城区的单元,其转化的意愿也较高。据统计,2009 年该区农村建设地产值仅为市城区建设用地产值的35%,位于城区边缘的农村居民用地效益是城镇用地的1/5。与此同时,区内人均农村建设用地面积高达260 m2/人,远高于140 m2/人的国家标准[14]。

1.2 数据来源及处理

论文涉及土地利用现状及变更数据、地形高程和社会经济统计数据。土地利用现状及变更数据为遥感现状和土地利用变更统计数据。遥感影像来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据服务平台（http://datamirror.csdb.cn）提供的连云港市不同时相美国陆地卫星（Landsat）影像数据。土地变更统计数据来连云港市第二次全国土地利用调查数据和地方部门统计。DEM辅助地理空间数据来源于美国国家地质调查局（USGS）官方网站（http://www.usgs.gov）。其他辅助经济社会数据来源于连云港市统计年鉴[15]。

2 适宜评价模型构建、应用及检验

2.1 农居点用地城镇化整治生态位适宜度评价模型的构建

生态位基本模型为N=S+A×P ,其中N表示生态位、S的表生态位的“态”,即本生态单元当前所处状态,P表示生态位“势”,即本生物单元对其他生物单元的生态竞争关系,A表示“势”对“态”的转换系数[16]。生态位“态”及“势”的共同测度一直是学术难点问题[17~19],原因在于“势”变为“态”的衡量缺乏技术支撑和量化标准,这也使得生态位理论的应用受到限制。为此,论文借鉴构造农用地分等定级评价模型的思路改造生态位的测算公式,把“N=S+A×P”改变成“N=S×FP×C”,S仍表示 “态”, FP表示具有重要影响的邻居单元对评价单元的影响力,一定程度上可以理解为是“A×P”的综合作用,C表示影响力作用的外部决定条件,例如法律规定、自然保护区限制等因素。通过变换,可将相互作用规则较好地运用到生态位评价理念之中。
农居点转化为城镇用地适宜性基础水平取决于农居点自身的自然、经济社会条件,如地质、高程、坡度、坡向、经济收入、社会文化、土地投资等。它们的综合作用决定了农居点城镇化适宜度的基本“态”,该作用受“木桶”效应,因此适宜性“态”值可用几何平均值规则来计算。其表达式为：
S = ∏ k = 1 m S k 1 m （1）
式（1）中,Sk表示影响因素k“态”的得分,m表示是因素的个数,S表示为农居点城镇化适宜“态”。邻居单元可分为面、线、点状单元,作用力可分别用Fa、Fl和Fd表示。Fa影响力与邻居单元面积和相邻边的长度成正比,与距离、相邻边的的弯曲形状及中心单元的面积成反比,影响力Fl及Fd与线、点邻居的等级成正比、与距离成指数型反比。因此,构造面、线、点状邻居的影响力公式为：
F a = ∑ i = 1 n V i × L i d i × D i 2 × V × δ i （2）
F l = ∑ i = 1 n A i × l i exp ( d i ) × δ i （3）
F d = ∑ i = 1 n A i exp ( d i ) × δ i （4）
式（2）~（4）中,n表示邻居总数,Vi表示第i个邻居的面积,Li表示第i个邻居与中心单元相邻边的长度,di表示第i个邻居与中心单元的质心距离,Di表示第i个邻居与中心单元相邻边的分维指数,V表示中心单元的面积。δi则表示第i个邻居在促进中心农居点单元城镇化的作用大小,称其为导向权重。以面状邻居为例,设邻居面i为城镇建设用地,则δi较大,邻居面i为农用地,则δi较小。Ai则表示非面状邻居的等级。如线状邻居中分为国道、高速公路、城市主干道、城市次干道等级别,点状邻居中分有一、二级商业中心等,li表示第i个邻居的长度。最终,城镇化土地整治生态适宜度评价公式为：
N = ∏ k = 1 m S k 1 m × ( W a F a + W l F l + W d F d ) × C （5）
式（5）中：Wa、Wl、Wd分别表示各形态邻居作用的权重值,C表示外部条件。N为评价单元城镇化生态位适宜度,也即是农居点转变为城镇建设用地的适宜度。

2.2 适宜性评价影响因素及参数确定

挑选影响因素是决定评价结果是否科学的基础,为此论文通过逐步回归对具有显著影响的因素进行筛选,同时为比较回归优劣性,对数据进行普通线性及Logistic回归。逐步回归中,总体显著性取值0.05,各影响因素筛选淘汰显著性的取值0.15。理论上,位于中心城区周边的农村居民点,其城镇化整治受到宏观和微观两大因素共同影响。如城市规划及其政策、良好的农村集体经济以及更高的农村意愿等宏观因素会促进周边农村居民城镇化整治,而如农居点与中心城区商业中心、与主要的交通干线、与城市交通枢纽网点（港口码头、铁路站点等）的距离等,以及自身条件如农居点自身的高程、农居点建设情况等微观因素,也将对农居点整治化的适宜性产生重要影响。一般地,越是靠近商业中心、交通网点等通达性较好的,以及自身环境条件较好的农居点,其城镇化整治的适宜性越好。
结合相关研究[20]、专家推荐和当地实际,可供回归筛选的指标共18项,涵盖经济社会、生态环境及自然条件等方面的因素。分别为,农居点与城市一级商业中心的距离x1、与二级商业中心点的距离x2、与三级商业中心点的距离x3、与港口码头的距离x4、与铁路交通站的距离x5、与高速道路的距离x6、与最近城市主干道的距离x7、与最近城市次干道的距离x8、与最近河流水系的距离x9、农居点高程x10、农居点坡度x11、农居点坡向x12、农居点人均生产总值x13、粮食单产x14、农村人均纯收入x15、农村企业收入x16、固定资产总量x17、农村人口密度等x18。其中选用x1到x9,为的是提取主要的“势”影响因素及参数,其指标值基于ArcGIS9.3距离测算工具而得,x10到x18主要是提取“态”的主要影响因素,其指标根据统计数据以斑块单元面积权重分割而得。将数据导入PASW软件,线性回归模型及Logistic的回归模型如下：
y1=0.695-0.327x14+0.308x15-0.089x16+0.01x1 -0.01x10-0.000033x2+0.00009x8 （6）
y 2 = exp ( - 1.532 + 0.523 x 18 - 0.735 x 16 + 1.29 x 15 - 0.532 x 17 1 + exp ( - 1.532 + 0.523 x 18 - 0.735 x 16 + 1.29 x 15 - 0.532 x 17 - 0.02 x 10 - 0.0001 x 1 - 0.00002 x 2 - 0.00005 x 7 - 0.00003 x 8 ) - 0.02 x 10 - 0.0001 x 1 - 0.00002 x 2 - 0.00005 x 7 - 0.00003 x 8 )
（7）
模型y1及y2的的F统计量分别为10.37和7.54,拟合R2分别为0.413和0.559,模拟总量均超过了显著性水平（sig:95%）,说明模型总体均较好。由于模型y2的总体拟合更好,论文主要以模型y2的结果作为主要分析依据（表1）。
Table 1 Logistic nonlinear regression equation and coefficient test

表 1 Logistic回归方程及其系数的显著性检验

模型 非标准化系数 T Sig． B 的 95.0% 置信区间 共线性统计量
Ba 标准误差 下限 上限 容差 VIF
Ln(1/y) (常量) 1.532 0.201 3.872 0.000 1.146 1.918
x18 -0.5231 0.235 -1.3428 0.039 -0.974 -0.072 0.343 2.732
x16 0.73465 0.151 3.038 0.000 0.445 1.025 0.164 4.453
x15 -1.29031 0.231 -5.987 0.000 -1.734 -0.847 0.293 4.12
x17 0.53246 0.145 3.93 0.000 0.254 0.811 0.389 3.904
x10 0.00207 0.001 -1.321 0.105 0.000 0.004 0.773 1.232
x1 0.0001 0.000 5.632 0.000 0.000 0.000 0.771 1.353
x2 0.00002 0.000 1.895 0.096 0.000 0.000 0.202 3.867
x7 0.00005 0.000 -4.239 0.003 0.000 0.000 0.112 3.531
x8 0.00003 0.000 2.349 0.005 0.000 0.000 0.323 3.453
结果显示,农村居民点用地减少与农居点的高程x10、农村人均纯收入x15、农村企业收入x16、固定资产总量x17、农村人口密度等x18、农居点与一级商业中心的距离x1、与二级商业中心点的距离x2、与最近城市主干道的距离x7、与最近城市次干道的距离x8等因素具有显著相关性,统计结果证实道路引力及较好的交通可达性、较好的农村集体经济基础及累积较大的农村建设用地投资对农居点城镇化整治起促进作用,而过高的农村人口密度及人均收入对农居点城镇化反而形成阻力,这可能与该城镇化过程所需承担人口及经济补偿的高成本有关。通过验证,整治适宜性Sk的主要因素分别为x10、x15、x16、x17、x18共5项,通过专家打分法,使因素属性值标准化为评价分值,结果见表2。
Table 2 The main factors and its level of rural settlements urbanization suitability Niche State

表 2 农居点用地城镇化生态适宜性“态”的主要影响因素及分值

因素 分值
100 80 60 40 20
农居点高程（m） <15 15~30 30~100 100~300 >300
固定资产累积量（万元/hm2） >130 130~100 100~70 70~40 <40
农村企业收入（元/人） >22000 22000~18000 18000~14000 14000~10000 <10000
农村人均纯收入（元/人） >8000 8000~6000 6000~4000 4000~2000 <2000
农村人口密度（人/m2） >0.0045 0.0045~0.0042 0.0042~0.0039 0.0039~0.0033 <0.0033
点状邻居对农居点城镇化“势”的主要影响来自一、二级商业中心点,而港口码头、铁路交通站点以及三级商业网点的作用不明显。线状邻居对农居点城镇化“势”的主要影响来自城市主干道、城市次干道、而高速公路、河流等线型邻居对农居点城镇化的作用不明显。这种可能的原因在于,位于城市边缘区的农居点,其城镇化过程更注重与城市中心城区内部的交通及商服功能联系,而如铁路、码头、高速公路等涉外的交通可达性却并不形成较为明显促进作用。经专家设定,一级商业中心的初始分值Ai为100分、二级为50分,城市主干道为100分,城市次干道为50分,由Logistic的非线性回归方程中的系数综合确定di的大小。另外,面状邻居的作用力通过式（4）可直接得出,其中di参数的设定为：城镇类面状邻居的di取值为1,即假设邻居单元为城镇用地,其对中心农居点单元城镇化的影响量为1,工矿用地类面状邻居的di取值为为0.3,农业用地类面状邻居di取值为0.1,其他用地类面状邻居di为0,具体“势”的影响因素及参数取值见表3。
Table 3 The main factors and parameter level of rural settlements urbanization suitability Niche Potential

表3 农居点用地城镇化生态适宜性“势”的主要影响因素及参数

邻居单元 初始分值Ai 导向权重δi
几何类型 属性类型
点状邻居 一级商业中心 100 1
二级商业中心 50 0.2
线状邻居 城市主干道 100 1
城市次干道 50 0.6
面状邻居 城镇用地型邻居 / 1
工矿用地型邻居 / 0.3
农业用地型邻居 / 0.1
其他用地型邻居 / 0
Wa、Wl、Wd分别表示各形态邻居作用的权重值。平原地区,农村居民点变化受到面状邻居的影响较大,而在丘陵山地地区,道路交通对用的城镇化发展影响更强。研究区是一个平原与山地地形兼具的城区,结合连云港实际情况,通过特尔菲法设定点状邻居对评价单元的影响力的权重赋值为0.2,线状邻居权重赋值为0.3、面状邻居权重赋值为0.5。

2.3 评价结果检验与空间特征分析方法

由前Logistic回归和相关研究证明,理论上研究区农居点用地城镇化适宜性应受城市道路引力和地形高程阻力等综合作用而产生类似地带性分异特征。为验证研究区土地整治适宜性评价空间分布是否存在旅行成本和高程成本地带性分异特征,并揭示适宜度是否存在其他更多的空间特性,采用空间分区对评价结果进行叠加和数据挖潜分析。

3 适宜度评价结果及整治空间特征

3.1 农居点用地城镇化整治生态适宜度评价结果

评价结果显示,适宜度分值跨幅[10,98],平均值为46.1,标准差为24.2。评价单元频率分布呈双峰非正态分布,在25分和80分的单元个数较多,说明研究区农居点用地城镇化整治适宜性存在两级分化的特点。处于50分值以下的农居点1 604个,50分值以上的数目为941个,分别占总个数的63%和37%。对所有单元的分值进行排序,分值在30、49、73、85处存在拐点,据此将适宜性评价结果分为5个等级：极不适宜、不适宜、低度适宜、中度适宜、高度适宜,各级别农居点面积分别为582 hm2、511 hm2、245 hm2、871 hm2、220 hm2,占总农居点面积的24%、21%、10%、36%、9%。从面积来看,45%的农居点不适宜进行城镇化土地整治改造,45%的农村居民点,在目前的状态下适宜进行城镇化改造,而10%面积的农居点则需进一步政策支持下才能进行城镇化改造。

3.2 农居点用地城镇化整治适宜空间集聚特征

以评价结果与研究区乡镇（街道）级行政区进行叠加,如图1a所示,涉及农居点用地城镇化整治的乡镇（街道）共13个,分别为浦南镇（1）、洪门街道（2）、朐阳街道（3）、锦屏镇（4）、宁海乡（5）、海州经济开发区（6）、花果山乡（7）、朝阳镇（8）、云山街道（9）、中云街道（10）、宿城乡（11）、高公岛乡（12）、徐圩新区（13）。各乡镇（街道）农居点面积依次为312 hm2、96 hm2、182 hm2、198 hm2、148 hm2、104 hm2、273 hm2、396 hm2、266 hm2、279 hm2、95 hm2、54 hm2、27 hm2,适宜比例分别为43%、99%、41%、0%、79%、99%、28%、78%、31%、29%、0%、0%、66%。同理,以评价结果与村级行政区叠加,涉及农居点用地城镇化土地整治的行政村为71个,按照村单元的适宜性面积占比进行空间制图,结果见图1b。土地适宜城镇化整治的农居点集中分布在浦南镇沿铁路两侧的城乡过渡区、南部海州开发区沿环城公路的城乡结合部、中部花果山乡的主干路两侧城乡交错区、朝阳镇港城大道两侧农村地区及沿河路西侧农村地区,这些地区存在2个显著特点,一是紧邻在连云港市交通主干道附近,二是它们都是连云港市重点改造的城乡结合部地区,研究区农居点用地城镇化整治适宜性在空间上呈现显著的集聚特征。
Fig. 1 Spatial aggregation distribution of rural settlements urbanization remediation suitability in study area

图 1 研究区农居点用地城镇化整治适宜度空间聚集分布

3.3 农居点用地城镇化整治适宜空间突变特征

为验证评价结果以及揭示研究区土地整治空间分布的地带性分异特征,以花果山乡为例,如图2a所示,设定旅行成本时区共划分为,到商业中心旅行成本小于5 min、5~10 min、10~15 min、15~30 min、30 min以上5个类别,将旅行成本时区与评价结果进行空间数据挖掘分析。时区的划分是通过ArcGIS在城市一、二级道路和一级商业中心构建的城市道路网络数据集上进行商业中心设施服务范围分析而得的。同理,为验证土地整治空间分布是否存在高程阻力地带分异性,如图2b所示,以DEM模型将高程划分为,0~10 m、10~30 m、30~100 m、100~300 m和300 m以上5种不同高程区。由此将评价单元与高程区进行空间叠加分析,结果见表4。
Fig. 2 Spatial distribution characteristics of rural settlements urbanization suitability in the typical township

图 2 典型乡镇农居点用地城镇化整治适宜性空间分布特征

Table 4 Spatial distribution and differentiation of rural settlements urbanization suitability in the typical township

表4 典型乡镇区农居点用地城镇化整治适宜性空间分布及分异

分区 极不适宜(hm2) 不适宜(hm2) 低度适宜(hm2) 中度适宜(hm2) 高度适宜(hm2) 总计(hm2)
旅行成本时区 <5 min 48 170 64 563 40 884
5~10 min 53 99 50 305 177 683
10~15 min 234 109 50 4 4 400
15~30 min 128 13 49 0 0 190
>30 min 119 121 32 0 0 273
总计 582 512 245 871 220 2430
高程区 <10 m 302 272 127 676 220 1598
10~30 m 171 184 97 130 0 582
30~100 m 84 43 21 65 0 213
100~300 m 24 11 0 0 0 35
>300 m 1 0 0 0 0 2
总计 582 512 245 871 220 2430
结果显示,研究区农居点用地城镇化整治适宜度分布受道路引力和高程阻力共同作用而呈现明显地带分异和突变特性。受道路引力作用,与城市中心旅程越小的时区,其适宜城镇化整治的农居点面积越大。在5种时区上,适宜面积占比分别为75%、78%、14%、26%、12%,表明研究区内,农居点城镇化整治适宜度在10 min旅行成本等时线上发生突变,超过10 min旅程的农居点用地向城镇化整治的概率将迅速减少,下降到不足3成。基于高程阻力的整治适宜度地带性也具有类似情况。高程越高的地区,农居点用地城镇化整治的适宜度越差,适宜整治面积也越少。小于10 m到大于300 m的5种高程区中,适宜面积占同高程内农居点面积的比值分别为64%、39%、40%、0%、0%,表明研究区内农居点用地城镇化整治适宜度在10 m等高线和100 m等高线上发生突变,当农居点位置于10 m高程以下,其整治适宜概率超过6成,高于10 m,则适宜度将迅速下降至4成,而超过100 m地区,将无任何适宜城镇化整治的农居点。

4 结果与讨论

1） 连云港市中心城区是该市将重点发展的地区,区内土地城镇功能的强化以及城市建设用地需求将大大增加。但基于生态位适宜度评价的研究结果表明,该市不能全盘或大力地将主城区边缘区农村居民点用地进行拆迁和改造成城市建设用地,其推进农村居民点土地城镇化整治的合理规模约为边缘区农居点总面积的45%。
2） 受到地理高程阻力、商业中心及道路交通引力等多重因素的综合影响,研究区农居点土地城镇化整治适宜度的格局呈现空间集聚和突变特征。区内适宜城镇化整治的农居点集聚位于朝阳镇、海州经济开发区及花果山乡等乡镇（街道）内。旅行成本大于10 min及高程大于10 m地区内的农居点用地城镇化改造的适宜度将迅速降低。由此可将两线复合作为界线,界内将农居点就地改造成城市建设用地,界外则保留现状或其他改造。同时该界亦可视为研究区农村建设用地转化城市用地的边界,可用于控制城市用地向外扩张,也可为城乡用地增减挂钩项目选址等优化城乡用地的资源配置提供参考。
3） 论文将适宜性评价结果与当地近些年城镇化土地整治项目进行了比较,比较结果显示,过去具体实施项目地点、条件与此次评价适宜性较高的村单元位置吻合性较好。应当注意的是,虽然上述花果山等乡镇适宜城镇化土地整治的农居点面积较大,适宜度较好,但并不意味着这些乡镇、街道或单元具有整治的优先性,例如适宜性得分高,但空间分布较分散的农居点,其土地城镇化整治的可行性和规模效益将受较大限制,同时整治的优先时序还受公众认识、社会可接受性、政策及经济等多种因素的共同影响。因此,针对城市边缘区农居点用地城镇化整治的实施优先性还需进一步深入探讨。

The authors have declared that no competing interests exist.

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