基于生態安全角度的城鎮村建設用地空間預警——以北京市房山區為例

譚 敏，孔祥斌，段建南，范文洋，余強毅，張青璞

（1.湖南農業大學資源與環境學院，湖南 長沙 410128；2.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；3.河北農業大學資源與環境學院，河北 保定 071001；4.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

1 引言

土地資源的生態安全是指一定時空范圍內，土地生態系統能夠保持其結構與功能不受威脅或少受威脅的健康、平衡的狀態，并能夠為保障人類社會經濟與農業可持續發展提供穩定、均衡、充裕的自然資源，從而維持土地自然、社會、經濟復合體長期協調發展［1］。隨著人類活動的加劇和對土地資源不合理利用行為的增多，土地資源的生態安全受到了極大地威脅，如何預防土地資源的生態環境遭到破壞成為今后合理利用土地資源的重要發展道路。國內學者從生態安全角度對土地資源利用進行預警的研究也日益增多。如傅伯杰、陳國階對區域生態環境預警的原理進行了深入的研究［2-3］；劉邵權、陳國階等人對三峽庫區山地生態系統進行了綜合預警［4］；王瑞玲、陳印軍在深入了解土壤污染物來源的基礎上，以鄭州城郊為例，對農田生態環境質量進行了預警［5］；王耕、吳偉將生態安全狀態和隱患相結合，以遼河流域為例，提出了預警指數的測算方法［6］；劉普幸、李筱琳以酒泉綠洲為例，依據環境現狀利用層次分析法構建了區域的預警指標體系［7］。目前，生態安全預警的研究范圍已經擴展到農業、水資源、綠洲等領域，研究手段也越來越豐富，然而，這些研究多是從時間角度對區域的生態安全狀況進行預警，缺乏從空間的角度對區域生態環境狀況進行預警。

本文以北京市房山區城鎮村建設用地（未包括交通用地和水利設施用地）地塊作為基本預警單元，選擇預警因子，構建預警指標評價體系，從空間上對現狀建設用地分布進行預警評價，為建設用地合理布局提供依據。

2 研究區域概況和數據來源

2.1 研究區域概況

房山區地處東經115°25′—116°15′，北緯39°30′—39°55′，東隔永定河與大興區相望，南與河北省涿州市為鄰，西與河北省淶水縣接壤，西北與門頭溝區相連，總面積1995.38km2，其中建設用地總面積為310km2，占總面積的15.54％。全區位于暖溫帶半濕潤地區，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥。境內地貌類型復雜多樣，由西北向東南依次為中山、低山、丘陵、崗臺地、洪沖積平原和沖積平原。山地和丘陵面積占總面積的2/3以上。至2005年末，全區總人口約為75.44萬人。共轄6個鄉、14個鎮、3個辦事處，106個社區委員會，462個村委會。

2.2 數據來源

本文以北京市房山區2006年集體土地調查數據為基礎性數據；房山區地貌圖來自《北京市地貌與流域劃分及三維景觀項目結題報告》中提供的矢量數據；災害數據和保護區數據來自北京市地質研究所提供的相關圖件。

3 研究方法

3.1 預警因子的選擇

本文是基于生態安全的角度對城鎮村建設用地布局的現狀合理性進行預警研究，根據可操作性、代表性、可量化以及敏感性等原則，結合房山區的實際情況，并參照國內有關研究成果［8-11］，從自然資源分布情況、地形地貌、地質災害和土地退化等方面選取預警因子。

3.1.1 自然資源分布因素

（1）保護區因子。保護區主要有自然保護區、風景旅游保護區和森林保護區，它作為生態系統最為復雜、生態結構最具多樣性的區域，對于改善地區生態環境、維護生態平衡、保持水土等方面有重要作用，應該禁止保護區內及其周邊的開發建設活動。（2）水域因子。水域主要是指區域內的河流和湖泊，水域不但是人類用水的重要來源地，有保護環境、調節溫度等作用，原則上規定水域范圍一定區域內不允許進行開發建設。（3）濕地因子。濕地作為最重要的生態涵養區，具有調節大氣、涵養水源、保護生物多樣性等眾多功能，因此也稱作“地球之腎”。由于水域已經作為單項因子進行考慮，本研究中的濕地只包括沼澤、葦地和灘涂。

3.1.2 地形地貌因素

（1）坡度因子。地面坡度是決定地表物質與能量再分配的關鍵因子，地面坡度的高低對土地利用類型的結構有很大影響，過大的坡度將對開發建設活動造成不利影響，同時也危害了建設用地的安全。（2）地貌因子。地貌是地球表面各種高低起伏的形體的總稱，是內外營力綜合作用的結果［12］。地貌對地理環境的其他要素及人類的生產和生活具有深刻的影響，房山區作為一個地貌類型復雜多樣的地區，該因素對建設用地布局的有很大的影響。

3.1.3 災害因素

（1）泥石流因子。房山區地貌類型復雜，多有泥石流發生。泥石流突發性和破壞力大等特點對周邊的建設用地構成了很大的危害。在泥石流多發地帶應禁止進行建設活動，以保護人民的生命安全。（2）塌陷因子。塌陷多是由于地下過度挖掘導致的，房山的塌陷區多是由礦山的開墾產生的。塌陷易破壞房屋的結構，導致房屋的坍塌，對人民的生命財產構成了極大的威脅。（3）水土流失因子。水土流失不但破壞周圍的生態環境，也制約著當地的經濟發展。該因子以水土流失嚴重程度作為判斷標準，對現狀建設用地的適宜性進行預警。

3.2 預警指標體系的構建

3.2.1 預警參照標準的設立

預警參照標準是判斷建設用地與預警因子之間交互脅迫效應從而產生警報的依據［13］。根據房山區的生態安全狀況以及預警標準的分級原則，分為5個警報級別，分別為無警、輕警、中警、重警、巨警，并在0-10的取值范圍對各級別進行賦值，規定各級別的值域（表1）。

3.2.2 預警因子的無量綱化

在建設用地的生態預警因子確立之后，對各預警因子進行標準化處理，使其處于一個可以比較的范圍內。本文根據預警標準，對預警因子進行無量綱化處理，計算得到各因子的標準預警指數。

表1 預警因子參照標準Tab.1 Reference standard of early warning factors

上述式中，Xn為各因子量綱化后的數值；Un為各因子量綱化前的數值；同時，S1＞S2＞S3＞S4＞S5＞S6，分別表示不同警度區間的臨界值。

3.2.3 預警因子警度區間及權重的確定

如何確定預警因子的臨界值是定義預警因子警度區間的關鍵所在，本文根據房山區的發展狀況和生態環境特征，借鑒了國內外相關研究成果［14-16］，參考有關技術規程和保護條例（《北京市限建區規劃》；《關于劃定郊區主要河道保護范圍的規定》；風景名勝區規劃規范（國家標準）），確立了各因子的警度區間范圍。預警因子權重通過采用層次分析法，判斷各因子的相對重要程度，構建判斷矩陣，最后得到權重值。因子警度區間及各權重值見表2。

表2 各預警因子警度及權重劃分表Tab.2 Early-warning ranks and weight division for each early-warning factor

3.3 數據的處理

本文以2006年房山區集體土地調查數據作為底圖，并結合北京市房山區地質環境現狀圖、北京市房山區旅游資源圖和房山區地貌圖等相關資料（對相關柵格圖件，利用ArcGIS進行矢量化處理，從中提取所需數據），應用ArcGIS的空間分析功能，從集調數據中提取城鎮村建設用地（去除了交通用地和水利設施用地部分）地塊作為基本評價單元，進行距離測算、緩沖區分析和疊置分析。對房山區的城鎮村建設用地進行預警分析，分析的方法為單因子分析法和多因子綜合分析法，多因子綜合分析法具體方式如下：

式6中，Pi，j為第j個斑塊參評因子的綜合分值；Wi，j為第j個斑塊第i個因子的權重；Xi，j為第j個斑塊第i個因子的分值。

3.3.1 預警因子到建設用地距離的測算

城鎮村建設用地地塊到各預警因子的遠近將直接決定此地塊的預警結果的大小，本文利用ArcGIS的距離測算功能，得到每個城鎮村建設用地地塊到參評預警因子的最小距離，將所得地塊的距離數據表同集調圖進行鏈接，形成了參評預警因子的距離圖。

3.3.2 預警因子的緩沖區分析

緩沖區分析是按照目標要素設定一定的距離條件，圍繞要素構建緩沖多邊形實體的過程。對目標要素Oi構建緩沖區的基本方程為［17］：

式7中，Bi為Oi的距離為d且小于R的全部點的集合；x表示全部點的集合；d表示點距Oi的距離；R為目標要素的緩沖半徑。

4 預警結果的分析

4.1 單項因子預警結果分析

根據集調數據的統計結果房山區城鎮村建設用地面積為295378.29hm2，斑塊數量為16238塊。通過對城鎮村建設用地各斑塊預警因子進行賦值后分析可得，從單項預警因子各預警級別所占面積比重上看，處于無警狀態的面積比重最大，絕大部分預警因子在該狀態的面積比重都超過了50％（因房山區整個區域內都存在水土流失，在該警別中面積比重為0），其中泥石流因子的面積比重更是達到了94.51％；處于輕警狀態的預警因子以水土流失因子所占比重最大，達到了83.97％，其他因子該狀態所占比重較小；處于中警狀態的預警因子面積普遍低于10％；重警狀態中，地貌因子面積比重較高，接近于20％；從處于巨警狀態的預警因子中分析，自然資源分布因素面積比重較高，都超過了10％，災害因素面積比重較低，其中水土流失因子在該狀態上的面積比重為0（表3）。從面積比例上分析，房山區警情狀況多處在無警或輕警狀況，基本態勢良好，個別因子出現了較為嚴重的警情。

4.2 綜合預警結果的分析

表3 單項因子各預警級別面積比例表Tab.3 Area proportions of each early warning rank for individual factors

表4 綜合因子各預警級別面積比例表Tab.4 Area proportion of each early-warning rank for comprehensive factors

本文通過采用多因子綜合分析法，利用ArcGIS的統計分析功能，對房山區城鎮村建設用地地塊綜合預警分析結果為：房山區城鎮村建設用地地塊大部分處于無警狀態，占建設用地比重的65.88％，預警級別處于重警和巨警狀態的城鎮村建設用地所占比重較小，只占到城鎮村建設用地比重的3.46％（表4），房山區城鎮村建設用地用地布局總體上處于安全狀態。城鎮村建設用地各用地類型中處于重警和巨警狀態面積最大的為農村居民點，占到總面積的77.31％，這主要是由農村居民點在總用地類型中所占面積較大，分布零散造成的。

從城鎮村建設用地各預警級別的空間布局上看，處于重警和巨警狀態的城鎮村建設用地地塊主要分布在房山區北部和西南部的河北鎮、佛子莊鄉和十渡鎮，中部的周口店鎮和大石窩鎮也有少量的分布。處于正常狀態的建設用地地塊主要分布在房山區的東部和東南部且呈集中式分布（圖1）。因此，房山區城鎮村建設用地的警度級別由東往西逐漸增高，西部自然資源豐富，地貌類型復雜多樣，造成了此區域建設用地警度級別較高。

圖1 綜合因子預警分析圖Fig.1 Early warning analysis for comprehensive factors

5 結論與討論

（1）本文以城鎮村建設用地斑塊作為預警分析的基本評價單元，從自然資源分布因素、地形地貌因素和災害因素三個方面選取預警因子，構建預警指標體系，應用ArcGIS軟件，對現狀城鎮村建設用地的空間分布情況進行預警，直觀地展現了各地塊的警度級別，在保護區域生態安全上取得了一定的成果。

（2）本文是從城鎮村建設用地的現狀空間分布對區域生態環境的危害程度進行預警，結果表明房山區建設用地布局總體態勢還是比較理想的，局部地區分布不是特別合理，處于重警和巨警狀態的用地類型以農村居民點為主，且多分布在北部和西南部地區。

（3）由于房山部分城鎮村建設用地存在著重警和巨警，應對存在著此類警情的自然村進行整體搬遷，以減少警情對人民生命財產的危害。本文根據各村鎮的警情的嚴重程度，建議部分村鎮近期（5年）和遠期（10年）的搬遷計劃，具體如下：①近期搬遷自然村：十渡鎮的七渡村、八渡村、九渡村、北石村、臥龍村、平峪村、西河村、西關上村和佛子莊鄉的北窖村；②遠期搬遷自然村：十渡鎮的六渡村、十渡村、馬安村、西莊村，河北鎮的北辛莊相村、磁家務村、河東村，佛子莊鄉的陳家臺村和下英水村，張坊鎮的穆家口村。

（4）如何預測未來城鎮村建設用地的數量及其分布情況，進而對未來城鎮村建設用地的空間分布情況進行預警并未在本文中涉及，這也是以后尚待加強的部分。

（References）：

［1］張虹波，劉黎明.土地資源生態安全研究進展與展望［J］.地理科學進展，2006，25（5）：77-85.

［2］傅伯杰.區域生態環境預警的理論及其應用［J］.應用生態學報，1993，4（4）：436-439.

［3］陳國階，何錦峰.生態環境預警的理論和方法探討［J］.重慶環境科學，1999，21（4）：8-11.

［4］劉邵權，陳國階，陳治諫.三峽庫區山地生態系統預警［J］.山地學報，2002，20（3）：302-306.

［5］王瑞玲，陳印軍.城郊農田生態環境質量預警體系研究及應用——以鄭州市為例［J］.土壤學報，2007，44（6）：994-1002.

［6］王耕，吳偉.區域生態安全預警指數——以遼河流域為例［J］.生態學報，2008，28（8）：3535-3542.

［7］劉普幸，李筱琳.層次分析法在生態預警中的應用——以酒泉綠洲為例［J］.干旱區資源與環境，2004，18（5）：15-18.

［8］張雷，宗躍光，楊偉.基于GIS的城市建設用地生態適宜性評價——以福建省連城縣為例［J］.山東師范大學學報（自然科學版），2008，23（3）：94-98.

［9］王海鷹，張新長，康停軍.基于GIS的城市建設用地適宜性評價理論與應用［J］.地理與地理信息科學，2009，25（1）：14-17.

［10］宗躍光，王蓉，汪成剛，等.城市建設用地生態適宜性評價的潛力——限制性分析——以大連城市化區為例［J］.地理研究，2007，26（6）：1117-1126.

［11］陳燕飛，杜鵬飛，鄭筱津，等.基于GIS的南寧市建設用地生態適宜性評價［J］.清華大學學報（自然科學版），2006，46（6）：801-804.

［12］李忠武，陽小聰，李裕元，等.地貌在城市建設用地生態適宜性分區中影響研究——以瀏陽河流域為例［J］.湖南大學學報（自然科學版），2008，3（10）：65-69.

［13］符娟林，喬標.基于模糊物元的城市化生態預警模型及應用［J］.地球科學進展，2008，23（9）：990-995

［14］饒良懿，崔建國.河岸植被緩沖帶生態水文功能研究進展［J］.中國水土保持科學，2008，8：121-128.

［15］于廣志，蔣志剛.自然保護區的緩沖區：模式、功能及規劃原則［J］.生物多樣性，2003，11（3）：256-261.

［16］Gotmark F，Soderlundh H，ThorellM.Bufferzones for forestreserves：opinions of land owners and conservation value of their forestaround nature reserves in southern Sweden［J］.Bio-diversity and Conservation，2000，9：1377-1390.

［17］彭慧，徐利淼.緩沖區分析與生態環境影響評價［J］.天津師范大學學報（自然科學版），2004，24（2）：34-37.