基于柵格尺度的穆棱市自然環境適宜性評價研究

摘 要：以100m×100m柵格為基本單元，建立基于地形、氣候、水文和地被的自然環境單要素評價模型和自然環境綜合評價模型，系統評估了穆棱市自然環境的適宜性與限制性，定量揭示了穆棱市自然環境的地域類型與空間格局。研究表明：穆棱市地形起伏較小、氣候偏寒、水文條件一般、地被條件區域差異較大；穆棱市自然環境以適宜性為主要特征，全區自然環境由3/4的適宜區、1/5的臨界適宜區和近5%的不適宜區組成；穆棱市人口分布呈現“沿線集聚”的基本特征，全區97.5%以上的人口集中在自然環境適宜地區，2.5%人口分布在自然環境臨界適宜地區，基本無居民點處于不適宜地區。

關鍵詞：自然環境 自然適宜性 GIS 穆棱

中圖分類號：X820 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（b）-0148-06

自然環境是人類生存與發展的地理基礎。自然環境的好壞不僅直接關系到人的身心健康，而且間接影響人類社會進步與文明發展程度，從根本上制約著區域人口的集聚水平和分布格局。因此，基于人口分布的區域自然環境適宜性評價在自然地理學領域有著較為廣泛的研究。王素慧等選取植被蓋度為研究對象，對三江源地區植被蓋度與居民點的關系做出具體分析[1]，封志明等以地形為研究對象，通過構建地形起伏度計算模型，分析了中國地形與人口分布的相關程度[2]，毛夏等選取拔海高度、建筑密度、道路密度等地理要素，分析了其與深圳城市的人口分布的關系[3]，李旭東等從貴州典型的喀斯特高原自然環境的特點出發，采用相關分析方法研究貴州高原人口分布與海拔高度以及喀斯特地質條件等主要影響因子的相關關系[4]，高星等分析了瀾滄江流域的海拔、坡度、坡向、地形起伏度等自然因子對居民點分布的影響[5]。此外，基于氣候適宜性、水資源適宜性及多因子綜合評價的自然環境適宜性的研究國內外亦有不少[6～13]。

自然環境自然適宜性評價是國家人口發展功能分區研究的重要組成部分，國家人口計生委于2005年啟動了國家人口發展功能區研究，于2007年10月初，完成了《科學界定人口發展功能分區促進區域人口與資源環境協調發展》研究報告，2008年4月，在國家人口計生委的統一部署下，各省開展并陸續完成了省級人口發展功能區編制工作。然而，作為對國家人口發展功能分區方案的細化和拓展，基于縣市級的人口發展功能區規劃研究尚屬少見。“十一五”期間，穆棱市是牡丹江市經濟發展最快的縣市之一，穆棱市經濟的持續快速增長，帶動了人口與社會經濟的全面發展，也引發了人口與資源、環境的協調發展與可持續發展問題。受穆棱市人口與計劃生育委員會委托，我們在相關研究成果的基礎上，開展了縣級人口發展功能區規劃的研究，穆棱市自然環境自然適宜性評價研究是其重要組成部分。

為了準確把握穆棱市自然環境的內部差異，研究從自然本底條件出發，以100m×100m柵格為基本評價單元，運用GIS技術和數理統計的方法，從地形、氣候、水文和地被四大方面，建立自然環境單要素評價模型，定量評價穆棱市自然環境單要素的分布規律，在此基礎上，構建自然環境自然適宜性綜合評價1模型，定量評價穆棱市自然環境自然適宜性空間格局，為引導人口合理分布、促進人口合理布局，實現人口與資源、環境的協調發展和可持續發展提供決策支持和政策建議。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

穆棱市地處我國北部邊疆地區（圖1），是牡綏地區國家級重點開發區、東北振興產業帶、哈-牡-綏經濟發展軸、牡丹江市邊境貿易區的重要組成部分。穆棱是黑龍江省25個邊境縣（市）之一，轄6鎮2鄉、141個行政村，全市土地總面積6187 km2，占牡丹江市的15.2%；2011年末人口29.6萬，占牡丹江市的11%，人口密度為每平方公里47人，是黑龍江省一個土地遼闊、人口稀少、極富發展潛力的邊境城市。穆棱市地處溫帶大陸性季風氣候區，氣候寒冷。位于長白山脈地區，低山丘陵廣布。穆棱市水資源豐富，穆棱河由南向北縱貫全市。穆棱市自然環境受到多要素限制，自然環境的適宜性和限制性決定了穆棱市人口分布的基本格局。

1.2 數據來源與研究方法

研究所需的數據主要包括兩類：一是表達區域自然環境的地形、氣候、地被和水文數據；二是表達區域人文環境的人口密度柵格數據、居民點分布和行政區劃的數據。涉及到的數據分別是表達地形的數字高程模型數據（DEM）、氣象臺站數據、土地利用數據、歸一化地被指數（NDVI）數據、人口密度柵格數據以及穆棱市的基礎地理數據。

其中表達地形的數字高程模型數據來源于美國航天飛機用雷達測圖技術得到的數字地表高程模型（DSM），通過InSAR干涉技術得到的DEM，即STRMDEM，將該數據進行ALBERS等積圓錐投影（Krasovsky_ 1940_Albers）（標準緯線：25°，47°，中央經線：105°，投影原點緯度：0°，單位：米，變換，并進行重采樣后為100m×100m。

穆棱及周邊市縣14個氣象臺站多年逐月溫度、相對濕度、降水等數據來自于牡丹江市氣象局，分別采用梯度距離平方反比法和克里格法對溫度和濕度、降水進行插值，獲取了100m×100m柵格數據。

土地利用數據基于2010年穆棱市LandsatTM遙感影像解譯獲得，空間分辨率為30m×30m，NDVI數據源于MODIS植被指數（MODIS13Q1）數據集，時間分辨率為16天，空間分辨率為250m×250m，通過重采樣為100m×100m的空間分辨率。人口密度柵格數據由國家科學數據共享工程—— 地球系統科學數據共享網提供，柵格尺度為1km×1km。居民點分布和行政區劃的數據來源于穆棱市地形的紙質地圖，經過掃描、數字化、投影獲得。

以此為基礎，選取地形起伏度、溫濕指數、地被指數和水文指數四個指標進行定量計算和適宜性評價，然后，依據各指標與人口分布的相關程度賦權疊加構建自然環境指數，綜合表達穆棱市人口發展的自然本底與環境基礎。工作流程如圖2。

2 穆棱市自然環境單要素評價

2.1 地形條件及其空間格局

穆棱市地形起伏度計算結果表明（圖3），穆棱市地形起伏度介于0.25～2.29之間，地形整體起伏不大，且內部差異不明顯。從空間分布上看，穆棱市的地形起伏度高值區集中分布在南部和東北部山區，共和鄉是穆棱市平均地形起伏度最高的鄉鎮，穆棱市政府所在的八面通鎮是平均地形起伏度最低的鄉鎮。

為了厘清穆棱市地形起伏度與其分布面積的關系，本文繪制了地形起伏度與面積的累計頻率曲線（圖4）。由圖4可知，穆棱市的地形起伏度取值范圍較窄，當地形起伏度為0.5，即0.5個基準山體高度時（相對高差不超過100m），累積頻率不足4%；當地形起伏度達到1.0時，即1個基準山體高度時（相對高差不超過200m），累積頻率達到55%；而當地形起伏度達到1.5，即1.5個基準山體高度時（相對高差不超過300m），累積頻率達到95%，說明穆棱市大部分地區的地形起伏度僅集中在0.5～1.5之間，起伏劇烈區域極少，地形整體較平坦。

2.2 氣候條件及其時空格局

氣候條件是區域人居自然環境的重要組成因子，氣候對人類活動的影響通常用氣候適宜度來表示，氣候適宜度是以人類機體與近地大氣之間的熱交換原理為基礎，從氣象角度評價人類在不同氣候條件下舒適感的一項生物氣象指標。文文采用溫濕指數作為穆棱市自然環境氣候適宜性評價的標準[9]。其計算公式為：

THI=1.8t+32-0.55（1-f）（1.8t-26）（2）

式中，t為月均溫（℃）；f是月均空氣相對濕度（%）。

穆棱市溫濕指數計算結果表明（圖5）：依據全年平均值，穆棱市全市范圍的溫濕指數介于45～50之間，穆棱市氣候整體條件偏冷，內部區域差異不大，總體上呈現由穆棱河向東西兩側逐漸減小的趨勢。依據各月溫度和相對濕度的多年平均值，穆棱市各月溫濕指數如圖6所示，根據月平均溫濕指數生理氣候評價指標分級標準（表2）[9]，每年11月至來年3月，溫濕指數小于40，氣候極冷，人體感覺極不舒適；4月和10月，溫濕指數介于45～55之間，氣候偏冷，人體感覺較舒適；5月和9月，溫濕指數介于55～60之間，氣候清爽，人體感覺舒適；6月、7月和8月，溫濕指數介于65～70之間，氣候較暖，人體感覺舒適。由此可見，盡管依據全年平均值，穆棱市整體氣候較舒適，但各月氣候條件差異明顯，每年11月～3月，穆棱市氣候極不舒適，4月～10月穆棱市氣候舒適，適宜人類生活和居住。

2.3 水文條件及其空間格局

2.4 地被條件及其地域特征

穆棱市100m×100m地被指數計算結果表明（圖8），穆棱市地被指數的最高值達到全國最高水平（全國最高值為100），全市近62%的區域地被指數大于50。穆棱市地被指數區域差異較大，以穆棱鎮中部為界，北部地被指數較高，南部地被指數較低，共和鄉團結水庫周邊也是地被指數高值集中區域。就空間分布情況而言，穆棱市自然環境地被適宜區總體上呈現明顯的沿穆棱河河谷地段分布的格局。

3 穆棱市自然環境綜合評價

參考國家人口發展功能分區技術導則及穆棱的自然環境特征，文章將穆棱市自然環境適宜性劃分為不適宜地區、臨界適宜地區、一般適宜地區、比較適宜地區和高度適宜地區5類，結果如表3、圖10和圖11所示。具體而言有以下幾方面。

（1）自然環境不適宜地區，是指不適合人類長期生活和居住的地區。穆棱市僅有少量自然環境不適宜區，其面積為278.42 km2，僅占穆棱市總面積的4.5%。這些自然環境不適宜區主要分布于福祿鄉和共和鄉境內，面積分別為135.44 km2和89.73 km2，分別占不適宜地區的48.7%和32.2%。

（2）自然環境臨界適宜地區，是自然環境適宜與否的過渡區域。穆棱市自然環境臨界適宜區面積為1150.78 km2，占穆棱市總面積的18.6%。穆棱市自然環境臨界適宜區主要分布于共和鄉和福祿鄉境內，其面積分別為412.37 km2和322.88 km2，分別占臨界適宜地區的35.8%和28.1%。

（3）自然環境一般適宜地區，土地面積2934.49 km2，約占全市總面積的47.43%。自然環境一般適宜區在各鄉鎮分布差別較大，其中共和鄉和穆棱鎮分布較多，面積分別為644.24 km2和642.43 km2，分別占一般適宜地區總面積的22.0%和21.9%；下城子鎮和馬橋河鎮分布較少，面積分別為208.04 km2和199.85 km2，分別占一般適宜地區總面積的7.1%和6.8%。

（4）自然環境比較適宜地區，土地面積1578.301 km2，約占全市總面積的25.51%。自然環境比較適宜區在各鄉鎮分布差別也較大，其中穆棱鎮和河西鎮分布較多，面積分別為353.76 km2和317.55 km2，分別占比較適宜地區總面積的22.4%和20.1%；下城子鎮和八面通鎮分布較少，面積分別為94.83 km2和84.44 km2，分別占比較適宜地區總面積的6.0%和5.4%。

（5）自然環境高度適宜地區，土地面積245.01 km2，約占全市總面積的3.96%。主要分布在穆棱市北部的福祿鄉、河西鎮和八面通鎮，面積分別為58.90 km2、51.27 km2和42.50 km2，分別占高度適宜地區總面積的24.1%、20.9%和17.3%；興源鎮和下城子鎮也分布有較多的高度適宜區，面積分別為28.88 km2和27.35 km2，分別占高度適宜地區總面積的11.8%和11.2%。

由上述分析可以看出，穆棱市自然環境以適宜為主，包括高度適宜區、比較適宜區和一般適宜區三類，總面積4757.80 km2，約占全市總面積的76.9%。

4 穆棱市自然環境與居民點分布關系分析

在分析穆棱市自然環境自然適宜性空間分布規律的基礎上，本文將評價結果與穆棱市居民點空間分布數據進行了疊加分析，以期揭示自然環境條件對人口分布的影響。結果表明自然環境條件是影響人口分布的重要因素，穆棱市人口明顯集中分布于自然環境適宜程度較高的地區。具體而言。

穆棱市322個居民點中，僅有8個居民點分布于自然環境臨界適宜區，占居民點總數的2.5%，這8個居民點分別為南屯子村、五號橋村、自興林場、十文字道班、南金廠、徐家、新八家子和五合；119個居民點分布于自然環境一般適宜區，占居民點總數的37.0%；135個居民點分布于自然環境比較適宜區，占居民點總數的41.9%；60個居民點分布于自然環境高度適宜區，占居民點總數的18.6%。

5 結論與討論

文中以100m×100m柵格為基本單元，建立基于地形、氣候、水文和地被的自然環境單要素評價模型，定量計算了穆棱市柵格尺度的地形起伏度、溫濕、水文指數和地被指數，評價了基于地形、氣候、水文和地被的單要素自然環境自然適宜性；在此基礎上，構建自然環境指數綜合計算模型，全面評價了穆棱市人居自然環境的適宜性與限制性，定量揭示了穆棱市自然環境的地域類型與空間格局。主要結論如下。

（1）穆棱市自然環境單項因素評價結果表明：穆棱處于低山丘陵地帶，地形整體起伏不大；氣候條件整體偏寒，全區11月～3月氣候極冷，人體感覺極不舒適；水文條件一般，整體分布由東向西呈遞增的趨勢；穆棱市地被指數區域差異較大，高值集中在沿穆棱河河谷地段。

（2）穆棱市自然環境以適宜性為主要特征。研究表明，穆棱市自然環境由3/4的適宜區、1/5的臨界適宜區和近5%的不適宜區組成，適宜性較強。穆棱河兩岸、河谷盆地及平原地帶多屬于自然環境適宜地區；臨界適宜地區和不適宜區多位于山地丘陵地帶。福祿鄉和共和鄉人居自然環境居后，馬橋河、河西和八面通鎮為穆棱市自然環境排名靠前。

（3）穆棱市人口分布呈現“沿線集聚”的基本特征。全區97.5%以上的人口集中在自然環境適宜地區，2.5%人口分布在自然環境臨界適宜地區，基本無居民點處于不適宜地區。

穆棱市自然環境自然適宜性評價結果表明，穆棱市自然環境的適宜性與限制性決定的其人口分布“沿線集聚”基本格局短期內難以改變。由此我們認為，從人與自然和諧發展的角度出發，穆棱市未來的人口發展應該根據不同地區自然環境的適宜性特征，實施差別的人口發展戰略，促進人口合理分布，引導人口合理布局。具體而言，在自然環境不適宜地區，應該根據自然環境的不宜性和限制性，科學規劃“無人區”，實施圍封轉移戰略，點狀開發，集中安置，促進自然環境不適宜地區的自然保護與生態恢復。逐漸撤銷和遷移自然環境不適宜和臨界適宜區的村莊，使其向中心村集中，并加快中心村的現代化建設。倡導并實施土地利用由分散式逐步向“集中式”轉移，即“產業向園區集中，農民住房向城鎮、中心村集中”，首先要鼓勵農村人口向建制鎮和中心村遷移，逐步集聚各自然村人口，撤銷偏、小、遠及布局不合理的自然村，合理調整村莊的總體布局，使單個村莊具備一定的規模，產生較大的規模效益，從而更有利于未來的村鎮公用設施建設和經濟的進一步發展。

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