土地生态规划与设计

第27卷第3期河北农业大学学报VoI.27No.3

JOURNALOFAGRICULTURALUNIVERSITYOFHEBEIMay.20042004年5月

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!文章编号：1000-1573（2004）03-0071-07

土地生态规划与设计

尹君1，姚会武2，王亚西3，谢啸斌4，赵鲁燕1，张勇4

（1.河北农业大学城乡建设学院，河北保定071001；2.河北农业大学校医院，河北保定071001；

3.保定市国土资源局，河北保定071001；4.山海关区国土资源局，河北秦皇岛066200）

摘要：探讨了土地生态规划与设计的原理、基本原则和方法。在对原理、基本原则分析基础上，提出土地生态规

划与设计的方法。它是根据景观生态学原理和系统理论，以GIS技术为支撑，对区域土地利用系统土地利用类

型数量结构进行了优化，计算和分析了土地利用空间格局的特征指标（景观多样性指数，优势度指数，均匀度指

数，破碎度指数，分维指数，廊道密度）。在基本原则指导下，以土地生态评价和功能分区为基础，对土地利用空

间格局进行调整配置，并对典型景观单元进行土地利用模式设计，以形成高效土地利用模式，实现土地可持续利

用。最后对山海关区进行了案例实践。

关键词：景观生态学；数量结构；空间格局；规划与设计

文献标识码：A中图分类号：F301.2；X32

Studyonecologicalplanninganddesignofland

YINJun2，YAOHui-wu1，WANGYa-xi3，XIEXiao-bin4，ZHAOLu-yan1，ZHANGYong4

（1.CoIIegeofUrbanandRuraIConstruction，AgricuIturaIUniversityofHebei，Baoding071001，China；

2.TheHospitaIofAgricuIturaIUniversityofHebei，Baoding071001，China；3.LandandResouresBureauofBaoding，

Baoding071001，China；4.LandandResouresBureauofShanghaiguan，Oinhuangdao066200，China）

Abstract：Thispaperdiscussesthetheories，thebasicprincipIesandmethodsoftheecoIogicaIpIan-

ninganddesignofIand.2theoriesand5principIesareconcerned.BasedonthetheoriesofIandscape

ecoIogyandsystem，thispaperoptimumsguantityaIIocationofIanduse，caIcuIatesandanaIyses

IandscapeindexesofthespeciaIpattern，theIandscapediversity，theIandscapedominantindex，the

Iandscapehomogeneityindex，theIandscapebrokenindex，theIandscapepatchfractaIdimension，corridordensitybyGISARC/INFO.ThroughtheanaIysisofIandusefunctionaIregionandIand

suitabIeeco-evaIuation，authorsrearrangethespatiaIpatternofIanduse，anddesigntypicaIIand-

scapeunitIanduseinordertocreatehigh-effectiveIandusemodeIandsustainabIeIanduse.FinaI-

Iy，Shanhaiguanregionischosenasacasestudy.

Keywords：IandscapeecoIogy；guantitystructure；spatiaIpattern；pIanninganddesign

以往土地利用规划往往只注意对土地利用类型的数量进行优化，以达到最大产值、最佳效益（经济、社会、生态环境效益），但对各土地利用类型数量在空间上如何进行配置，常常以土地适宜性评价结果为基［1，2］础，进行土地利用空间配置。这种空间优化配置，未考虑土地利用类型空间关系，土地利用斑块之间空!收稿日期：2003-2-23

基金项目：河北省教育厅博士基金（174）资助项目

作者简介：尹君（1968-），男，陕西泾阳人，博士，教授，主要从事土地利用规划教学与研究工作.

72河北农业大学学报第27卷间关系是否适宜，能量流、物质流和信息流能否达到较佳状态，能否保持土地利用系统较高生物生产性能、保护生态环境和给人以艺术和美学的享受，因此这种土地利用规划难以实现土地利用系统目标，导致土地不可持续利用。本文提出土地生态规划与设计，是以系统理论优化结果为基础，根据景观生态学格局原理与过程、生态空间理论，从空间角度解析各类土地利用单元，进行空间镶嵌组合格局设计，在景观尺度上进行土地利用规划与设计，提高土地利用经济、社会、生态环境效益，实现土地可持续利用。

l土地利用结构优化和空间优化配置理论

土地利用是一个生态系统，一般通过系统理论方法和生态学原理指导土地合理利用。系统理论方法可以优化土地利用结构，提高土地整体功能，达到土地利用目标。土地利用规划是根据国民经济发展计划，统一安排各行各业的用地（包括农业用地，林业用地，牧业用地，居民及工矿用地，交通用地等）数量和空间布局。土地利用规划是对土地利用系统从整体上追求产值最大、效益最高目标下各种土地利用数量比例和空间布局。所以在土地利用规划中，应用系统理论方法可以优化土地利用数量结构，如单目标规划、多目标规

［3，4］，实现土地利用系统目标。但如何把土地利用数量结构优化的结果在空间上合理划、系统动力学等方法

配置，过去方法是根据土地适宜评价结果来考虑的，如主宜性评价和多宜性评价等方法，但未考虑相邻土地利用类型空间关系，即土地利用空间格局。同样面积大小的土地利用类型，不同空间配置，土地利用效益明显不同。如太行山邢台县浆水试区过去土薄、干旱、土地生产力低下，广种薄收，水土流失严重，自然环境恶化，现在通过生态沟建设，使得这里“山顶洋槐戴帽，山中果树缠腰，山底梯田抱脚”，使得山区农村的经济、社会、生态效益明显改善。因此，合理土地利用空间格局，改善土地生态环境，提高了土地生产力，用较少生产用地满足土地利用系统经济目标，那么就会有更多土地用于保护用地，土地利用系统社会、生态环境目标得到提高，反过来，土地利用系统社会、生态环境目标变化又影响土地利用结构。土地利用数量结构和土地利用空间格局二者共同决定土地利用规划目标实现。

景观生态学的格局———过程原理是进行土地生态规划与设计的空间理论基础，土地利用景观格局及其变化和发展是自然、生物和社会要素相互作用的结果。土地利用景观空间格局对过程具有控制和影响作用。对景观格局组成及其指标分析，有助于了解土地生态系统功能与过程，系统多样性和稳定性，指导土地资源合理利用。土地利用基本生态过程的空间格局主要参数有：斑块大小，斑块形状，斑块密度，廊道连通［5-8］。性

土地利用生态空间理论是对生态系统空间属性研究，生态系统空间分布的景观格局是若干生态过程和非生态过程长期作用的产物，反之景观格局又对这些过程产生影响。空间异质性（包括空间组成，空间构型和空间相关）是景观基本属性，决定着空间格局多样性。景观空间结构的调整使得土地利用类型斑块大集中，小分散，从而实现生物多样性的保持与高度的视觉多样性。具体斑块大集中、小分散的空间面积比例大

占优势土地利用类型应有lO%~l5%其他土地利用小为多少？~aber提出的析分土地利用模式主要认为：

且应均匀类型，如若占优势土地利用是农业或城市———工业用地，则至少必须保留lO%面积作为天然境地，

9］分布。在人口稠密地区田块大小必须永远不超过8~lOhm2［5，。

土地生态规划与设计是应用景观生态学原理方法配置具体土地利用类型在相应地域空间上，表现为空间格局合理的具体土地利用景观。特定区域土地生态规划与设计，既包括具体土地利用景观单元的研究，也包括确定这些单元区位的区域土地利用景观功能区划的研究。土地生态规划与设计是实现区域可持续发展的土地利用方式配置空间途径。它从整体上对景观资源进行配置，并将人类需求与景观的自然特性与过程相联系。它不仅关注土地利用生物生产功能，还强调土地利用的生态环境保护功能及土地利用景观提供给人类社会文化功能价值。土地生态规划与设计是以区域土地利用生态系统整体目标为目的，以系统论和景观生态学理论方法为指导，在土地利用生态适宜性评价、生态功能区划和景观空间格局分析基础上，实现区域土地利用方式（土地利用类型或景观斑块）数量结构优化和空间格局调整。土地生态规划强调在空间上对景观结构的规划，具有地理科学中区划的性质，构建不同的功能区域，而土地生态设计强调对功能区域的具体设计，由生态性质入手，选择其理想的利用方式和方向。

第3期尹君等：土地生态规划与设计732

2.1土地生态规划与设计原则协调共生原则

人类与自然生态系统形成一个复合统一体，是互惠互利的。如果过分强调人类对自然改造作用，则导致土地利用生态系统难以恢复，破坏土地生态系统平衡，生态系统生产能力低或生态环境不适合人类生存。因此人类从思想上应该认识到这一点，但人类有主观能动性，可以充分利用自然生态规律，创造更适宜生存和发展生态环境，实现人与自然协调统一与共生。

2.2多样性原则

多样性是指一个特定系统中环境资源的变异性和复杂性。景观多样性是指景观斑块在结构、功能方面的多样性，它反映了景观的复杂程度，包括斑块多样性、类型多样性和格局多样性。多样性既是土地生态规划的准则又是规划管理的结果。复杂的生态系统是最稳定的，该系统具有很强的组织能力。

2.3适宜面积原则

为了保持生态系统稳定性，则要求土地生态系统（景观斑块）尽量多样，这就意味在景观尺度下，生态类型多样。人工生态系统要求尽可能使系统生物生产的产品多、土地规模和集约经营，往往形成比较单一的土地利用模式，土地生态系统较单一，其稳定性很差，因此根据生态空间理论，在规划过程中，调整土地斑块大小，使各斑块显见出大集中、小分散，保证适宜面积，实现各土地斑块适宜面积下生物多样性和视觉多样性，达到土地利用系统生物生产力高、保护生态环境和给人类较高层次艺术享受目标。

2.4空间结构协调原则

土地生态规划是优化土地利用类型数量和调整土地利用类型空间格局。土地利用空间配置即土地利用空间格局调整必须以土地利用类型空间相互协调为原则进行，尽量合理安排土地利用类型最佳生态位，增强土地生态系统内部及其之间物质循环、能量流动，提高区域土地生态效益和经济效益。

2.5生态经济原则

保护自然景观资源和维持自然景观生态过程及功能，是保护生物多样性及合理开发利用资源的前提。自然景观资源如历史文化遗产、森林、湖泊及大的植被斑块等，它对保持区域基本的生态过程和生命系统维持及保存生物多样性具有重要意义。生态保护是基础，在此基础上，土地利用系统才能获得满意的经济效益，农户利用土地才能有动力，但如若追求经济效益超过土地生态阈值，则土地利用经济效益也达不到。因此，生态学与经济学思想结合起来，才能使土地规划中的土地利用方式落到实处，才能使用户利益与国家利益、

短期利益与长期利益结合起来。

3海关区土地生态规划与设计

山海关区地处河北省的东北部，全

区土地总面积l77.3lkm2，总人口

全区管辖4个街道办事处、l2.23万人，

三个镇和山海关林场。山海关区北高南

低、呈阶梯形，北部为低山丘陵区，南部

沿海一带为滨海平原区，中部为台地（见

图l）。

3.1土地利用生态分类

收集山海关区经济、社会、人口、土

地、气候、水文和自然生态因素等资料，

经化验分析，综合输入计算机，形成相关

信息图形库和数据库及文字资料。根据

数据库数据，山海关土地特点，及影响土

地利用的主要因素，如地貌、坡度、土壤、Fig.1图1孟姜镇土地利用现状图ThelandusepresentmapofMengjiangtown

74

河北农业大学学报第27卷

土地利用等主导分类指标，共划分6个土地利用生态类型区，分别为低山丘陵坡度>15 ，中坡地5~15 ，缓坡地1~5 ，沟谷低地，平原区和海岸带区域。各土地利用生态类型区面积通过GISARC/INFO量算。3.2

土地利用生态功能区划分

根据地形地貌、土层厚度、坡度、水分等因素，对土地利用适宜性进行评价。根据土地利用适宜性评价结果，土地利用生态系统目标要求，把山海关区共划分5个功能区，林草生态环境保护性功能区，经济林果生产性功能区，农田生产性功能区，山海关旅游观光功能区和海岸带调和性功能区。3.3

土地利用类型的数量结构优化

土地利用线性规划模型：决策变量的设置，根据各土地生态类型适宜性评价结果，设置不同土地利用方式见表1。目标函数（以经济纯收益最大为优化目标）

（X3+X7+X12+X16）（X8+X13+X17）（X1+X4+X9+X14+X18）（X5+X10+Max=A+B+C+D

（X2+X6+X11+X19）X15）+E

经济作物、林业、果园、草地的收益系数。式中：A、B、C、D、E分别为单位面积粮食作物、

表1Table1

土地利用方式决策变化量TheVariablesoflandusetypes

缓坡地

SmaIISIOpeIand

X7X8X9X10X11

沟谷低地GuIIyX12X13X14X15

hm2

平原区土地PIainIand

X16X17X18X19

土地生态类型低山丘陵陡坡地中坡地

EcO-typeOfIanduSeHiIIyandSteepSIOpeIandMiddIeSIOpeIand

粮食作物经济作物林业果园草地

X3

X1X2

X4X5X6

约束来方程：土地利用约束，每种土地利用方式面积总和不得超过该类土地适宜的面积数。土地总面积约束，各类用地面积和等于土地总面积。经济作物面积与粮食作物面积和等于耕地面积。耕地减小面积转为山海关城区扩展和三镇区旅游景点的发展、水利、道路和工矿企业占用，居民点用地面积保持不变（20年）。根据实际情况，编程运算得到优化结果见表2。

表2Table2

土地利用类型Type粮食作物经济作物园地林地草地

居民点及工矿用地交通用地水利用地未利用地

X3X8X5X1X2

=116.91=300=1000=3835.13=560

变量VariabIeS

X7=400X13=500X10=600X4=134.52X6=100

X12X17X15X14X11

=900=800=400=200.35=20

X16=600

3616.9120004670.467003333.131214.961595.58600.5

20.4011.2826.343.9418.806.859.03.38

4342.911230.354189.93

02758.131154.961535.582519.67

24.496.9423.63015.556.518.6614.21

土地利用优化结果Resultofoptimumlanduse

优化结果OptimumreSuIt

比例/%RatiO

现状结构PreSentStructure

hm2比例/%RatiO

X18=100X19=20

3.4土地利用类型空间格局分析及调整

虽然土地利用方式数量结构经过模型优化确定，但这一优化结果在区域空间安排上，就会出现成百上千

种配置方式，且不同空间配置方式，会生产不同效益。因此必须根据系统目标，计算土地利用景观类型空间定量指数如分维指数、景观多性指数、优势度指数、均匀度指数、破碎度指数等的基础上，对区域土地利用空

［5，10，11］

间格局进行定量分析。构建优化数量结构下景观空间配置，达到景观生态功能的目的，获得满意土地

利用效益，实现土地利用规划目标。根据山海关区大的地貌，在GISARC/INFO软件支持下，统计分析土地利用景观类型的空间数据。首先在图形方式下选择所划分三种地貌区域土地利用类型图斑，查辨其内部标识码ID，其次，依据图斑内部标识码ID，在属性数据管理下，用tabIe命令，增加字符形字段（地貌类型和土地

第3期尹君等：土地生态规划与设计

75

利用方式）输入相应内容。最后，统计计算土地利用空间格局景观指数。结果见表3、4。

表3

Table3

地貌

Landforms低山区丘陵区平原区

指标Index斑块数/个实际面积/hm2实际周长/km斑块分维指数/D斑块数/个

不同地貌类型区土地利用斑块面积、周长和形状分析

建设用地居民点

BuildindgResidential

arealand

11110.063.871.17216186.5718.291.167

40230.0144.991.274

未利用地Unusedland13701.1847.861.191425.355.181.15230288.4150.981.271

Theareaperimeterandshapeanalysisoflandusepatchesindifferentlandforms

水浇地菜地园地林地荒草地IrrigableVegatableFruitForestGrasslandlandlandlandland

291824.163624.99953.173.90226.8166.631.1111.2581.2104167240

13.3828401.17917.19427.463.4132.88119.5073.761.1431.2141.2861.28715334.7638.611.221

134230129.28168.93144.5322.1254.3134.231.2251.3271.277

60306.4771.021.31019184.2730.301.238

河流River

水库坑塘Pond2345.2832.121.194

4135.4018.251.194

615.824.231.163326.736.351.179

旱地Dryland1090.9915.241.202

53

实际面积/hm21303.80实际周长/km219.34斑块分维指数/D1.33234

实际面积/hm3711.94实际周长/km265.24斑块分维指数/D1.274

2

斑块数/个

21563730.611827.38492.2338.9596.6692.451.1621.2071.304

表4

Table4

不同地貌类型区土地利用景观多样性指数（H）、景观优势度指数（D0）、均匀度指数（E）、景观破碎度指数（C）和廊道密度（P）的比较

Thediversity，dominant，homogeneity，brokenindexandcorridordensityoflanduseoflandforms

实际面积/hm2

Realarea5849.853842.628039.07

实际周长/kmRealperimeter406.43610.85730.19

PCorridordensity0.00270.00960.0083

HDiversityindex1.69612.67582.3943

D0

Dominantindex1.11120.64610.9276

E/%Homogeneity

index43.4966.4152.87

CBrokenindex0.01110.08190.0331

地貌类型斑块数/个LandformsPatchnumber低山区丘陵区平原区

65315266

斑块分维指数（D）用来测定土地利用景观形状复杂程度。从表3、在低山区旱地、林地、荒4分析可见，草地、水库坑塘、未利用地D大于1.191；丘陵区旱地、园地、林地、荒草地D大于1.286；平原区旱地、园地、林地、河流、未利用地D大于1.271。不同地貌土地利用方式之间比较，居民点建设用地D均较小；相同土地利用类型比较，在丘陵区土地利用类型D较高，如旱地、林地、荒草地。这是因为对于人工影响较为强烈土地利用类型如建设用地，土地利用类型规则；而在丘陵区，由于地貌变化大，土地利用类型随地形分布，斑块的形状较为复杂。

土地利用景观多样性指数（H）反映土地利用类型的多少及各类型所占比例的变化，景观优势度指数用于测度土地利用类型中一种或几种类型支配整个土地利用的程度。低山区H最小为1.6961，丘陵（D0）

区H最大为2.6758；而在低山区D0最大为1.1112，丘陵区D0最小为0.6461。通过分析土地利用空间格局可以发现，北部低山区，人类对自然景观的影响度很小，故土地利用景观的复杂性小，主要为林地、荒草地和未利用土地，这几种景观类型的优势较明显；中部丘陵区，由于地形变化较大，人类活动加强，景观类型多而复杂。该区域土地利用景观主要旱地、林地、居民点、建设用地、荒草地组成；南部平原区，土地平坦，人类活动强，耕地和建设用地已经占绝对优势。

土地利用景观均匀度指数（E）描述土地利用不同类型分配的均匀程度，景观破碎度指数（C）反映土地利用被分割破碎程度。低山区E最低为43.49，丘陵区最大为66.41；低山区C最小为0.0111，丘陵区最大为0.0819。这是由于低山区人类活动干扰少，自然景观相对单一；平原区人类活动最强，人类活动使自然景观变成相对单一的人文景观，均匀度低，其破碎度也低；丘陵区由于人类活动及自然地貌地形，水分，利用条件差异，土地利用景观类型多样，土地利用景观破碎度大。廊道密度（P）反映了土地利用景观连通性和景观之间物质运移能力。在山海关区丘陵、平原区P大于0.0083，北部低山区P小于0.0027，因此丘陵、平原区斑块之间及其与外界物质交换与运输较快；而北部低山区今后应加强道路建设，改善山区与外界物质交换