懷來縣未利用地開發生態敏感性研究

康 薇, 王曉晴, 張立強, 于水瀟, 張俊梅

(1.河北農業大學 資源與環境科學學院, 河北 保定 071000; 2.河北農業大學 國土資源學院, 河北 保定 071000)

未利用地作為重要的耕地后備資源和生態系統的一部分，無論在緩解土地供需矛盾還是穩定生態系統方面都有重要作用，因此對其開發利用要綜合考慮自然安全和生態安全兩個方面，嚴厲禁止開發過程中的生態環境問題的發生。近幾年，國內學者對于未利用地資源的開發利用研究逐漸深入，涉及領域也越來越廣泛。袁磊[1]等選取南方典型山區為研究對象，通過建立三個分項模型對山區未利用地進行宜耕評價；李婷[2]以低丘緩坡作為研究對象，引入靜態數學方法，并借助GIS的空間分析功能，對研究區未利用地的宜建性等級進行了評價；鄧華燦[3]在未利用地開發評價中引進景觀生態學的理念，兼顧宜建開發的經濟和景觀雙重效益，并利用馬爾科夫模型對其未來的擴展方向與模式進行了預測；關小克[4]等從自然適宜與生態安全的角度出發，對耕地后備資源進行宜耕評價，通過計算得出不同條件下的適宜性等級差別及空間分布差異。生態敏感性是指在保障一定的生態質量前提下，生態因子對自然或人類活動變化的適應，表征在此狀態下的生態環境問題發生的概率大小[5]。一般來說，生態敏感性較高的區域，生態系統的穩定性越差，較易發生生態環境問題。國內外對生態敏感性問題的研究成果頗多，研究領域已從單一生態因子擴展到除生態學以外的多生態因子綜合評價[6-9]，研究尺度從大尺度流域、省域等向中小尺度演進，使研究更加精細[10-12]。但也存在其不足之處，指標體系的選擇較隨意，沒能形成統一的標準，從自然和人文兩個角度出發對山區的未利用地進行生態敏感性研究的更是少之又少[13-14]。

文章將未利用地開發與生態敏感性研究相結合，以處于冀西北間山盆地區的懷來縣為研究區域，從地形地質條件、人類活動干擾及生境與水資源環境3個方面構建評價指標體系[15-18]，以ArcGIS 9.3為平臺，對研究區未利用地開發的生態敏感性進行研究，再根據地形分布特征總結生態敏感性的變化規律[19]。該研究對于指導未利用地的開發利用，維護生態環境提供依據，為懷來縣的生態建設提供理論參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

懷來縣位于河北省張家口市東南部，地處冀西北間山盆地區的東部，具體位置為東經115°16′48″—115°58′0″，北緯40°4′10″—40°35′21″，轄區內有17個鄉鎮行政單元。懷來縣地理位置十分優越，距離市中心只有87 km，交通方便；距首都也僅有120 km，受其輻射影響較大，對懷來縣的發展起到了良好的推動作用。特別是近年來，經濟穩步上升以及城鎮化進程的加快，促使基礎設施不斷完善，交通條件日益改善，多條省道、國道、鐵路貫穿境內，為其交通提供了極大的便利，同時拉動了縣內社會經濟的進一步發展。如今懷來縣已經成為重要的交通樞紐，其日益發達的社會經濟與良好的生態環境促使其成為張家口市對外開放的窗口之一。研究區內土地資源豐富，未利用地資源面積為58 356.19 hm2，占全縣土地總面積的30.86%；其中，其他草地的面積為50 031.3 hm2，內陸灘涂面積為7 220.9 hm2，裸地面積為1 071.97 hm2，沙地面積為32.02 hm2。根據野外實地調查，部分未利用地具備開發為耕地、建設用地和生態用地的條件，所以對未利用地開發的生態敏感性的研究日趨重視。

1.2 數據來源

本文立足于“河北省典型地區未利用地的研究和開發利用”項目。數據來源可以分為三種類型：文件數據、遙感數據和調查數據。基礎數據資料來源主要包括懷來縣土地利用總體規劃(2010—2020年)、懷來縣土地調查更新數據、懷來縣地質災害防治“十二五”規劃與懷來縣土壤圖，前三項由懷來縣國土資源局收集獲取，懷來縣土壤圖根據《河北省土壤志》掃描獲取。文章以懷來縣2015年土地調查更新數據為研究基礎數據，獲取其現狀土地利用信息資料；懷來縣地形與植被覆蓋等指標是由TM遙感影像(地面分辨率為30 m×30 m)和國際科學數據服務平臺提供懷來縣DEM數據(空間分辨率為30 m)獲得，數據采集單元均為30 m×30 m的柵格單元；其他數據資料如土層厚度、表土質地等數據，主要是通過布設典型調查樣點，對懷來縣具體情況進行實地調查，然后將典型樣點的實際情況進行空間插值，從而獲取全域未利用地資源的指標狀況。研究基于ArcGIS 9.3地理信息平臺及ENVI 5.1遙感圖像處理平臺進行數據資料的處理與分析。

2 研究方法

2.1 劃分格網

評價單元作為反映土地屬性特征的基本單元，它的劃分直接對評價結果的正確與否造成影響，是評價工作的首要任務。為了反映區域未利用地開發生態敏感性的空間分異特征，同時兼顧斑塊大小與斑塊內格網數量，最終確定以500 m×500 m的格網劃分研究區域。利用ArcGIS 9.3的Fishnet工具在研究區范圍內生成格網，作為評價單元。在此基礎上，以懷來縣2015年變更調查圖作為底圖，將500 m×500 m的格網與其疊加，制作全縣范圍的格網數據。然后，以懷來縣未利用地資源的圖斑范圍對全縣范圍的格網進行篩選，剔除非未利用地類的格網，只剩下包含未利用地資源的格網以作為評價對象。同時疊加高程、坡度、植被覆蓋等屬性數據，并以未利用地圖斑提取相應的數據資料，以此建立懷來縣未利用地資源開發數據庫，作為實證分析的基礎數據資料。懷來縣未利用地資源格網劃分結果如圖1所示。

圖1懷來縣未利用地格網劃分

2.2 生態敏感性評價指標體系構建

根據懷來縣生態狀況，從地形地質條件、人類活動干擾和生境與水資源環境3個方面選取指標，構建懷來縣未利用地生態敏感性評價指標體系，分別進行單因子和綜合狀況的未利用地開發生態敏感性評價；最后劃分地形梯度，進行基于地形梯度的空間分布特征分析。生態敏感性評價指標體系見表1。

表1 懷來縣未利用地開發生態敏感性評價指標體系

2.2.1 基于地形地質條件的指標體系 懷來縣的地貌類型較復雜，平均海拔較高，坡度變化范圍較大，地質災害和水土流失等自然災害時有發生，生態問題逐漸敏感。通過閱讀總結相關文獻[17-18]，針對懷來縣的具體地形特點，從地質災害發生的難易程度、水土流失強度、地形位指數、地形起伏度4個角度出發，進行此方面的生態敏感性評價。其中地質災害發生的難易程度以《懷來縣地質災害規劃》為基礎，結合實地調查與地質環境狀況得出；水土流失受人類干擾逐漸嚴重，過程較復雜，多種因素對其產生影響，本文選取坡度、溝谷密度、植被覆蓋度、年平均降雨量以及未利用地覆蓋類型5個指標，各指標分級標準以《水土保持技術規范》、《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190～007)以及相關研究[20-21]為主要的參考依據，通過對各指標進行等權重求和，來確定懷來縣水土流失強度大小，依據分值大小采用自然斷點法進行分級，將水土流失強度劃分為輕度、中度、重度與極重度4個級別；地形位指數與地形起伏度以DEM數據為基礎，借助ArcGIS的空間分析功能與柵格計算器得到，其中地形起伏度反映了地表高低起伏的狀況，地形位指數可以綜合描述高程與坡度變化對土地利用空間格局的影響，其計算公式如式(1)所示：

(1)

2.2.2 基于人類活動干擾的指標體系 人類活動干擾指標以人類活動為主，主要體現人類活動對生態環境的破壞方面，人類干擾越嚴重的地區，生態敏感程度越高。本研究針對人類干擾選取了人口聚集度、村鎮建設用地影響強度指數和主要交通干線影響強度指數3項指標進行生態敏感性評價[15]。其中，人口聚集度從人口數量出發，根據數量的多少來判定對生態環境的影響程度，二者之間呈現正相關，人口集聚度越大對生態環境的影響就越大，生態敏感性程度越高。本研究中的人口集聚度用各鄉鎮的人口密度進行表征，即各鄉鎮的總人口與總面積的比值，依據分值大小采用自然斷點法將全縣各鄉鎮的人口聚集度劃分為4個等級，即稀疏、較稀疏、密集以及高度密集；主要交通干線影響強度指數和村鎮建設用地影響強度指數主要體現在影響范圍方面，通過ArcGIS 9.3中創建距離緩沖區來實現，距離道路和村鎮較近的未利用地受人類干擾較嚴重，生態狀況容易受到威脅。具體人類干擾條件劃分見表2。

2.2.3 基于生境與水資源環境的指標體系 懷來縣景觀類型豐富，景觀生態安全處于相對安全的水平，但是隨著建設用地的擴張和人類活動的干擾，使得以上局面被破壞，生境與水資源環境受到來自自然和人為的雙重威脅，對二者的保護逐漸引起關注。本研究針對生境與水資源環境，選取未利用地覆蓋類型、植被覆蓋度、距河流水系距離及坡向4個指標進行生態敏感性評價。其中未利用地覆蓋類型通過參考2015年的土地利用現狀圖和實地調查結果得出，再依據二調后的分類體系，得到各類型的分級；距河流水系距離通過ArcGIS 9.3中的緩沖區技術實現；坡向對日照時間長短以及土壤水分的再分布有著重要作用，該指標的獲取以DEM數據為基礎，通過ArcGIS 的坡向分析獲得，并將其劃分為8類坡向，4個級別；植被覆蓋度是對區域內物種豐富程度的一種表征形式，植被覆蓋度越高的區域，物種較適應當地的生存環境，該區域的生態敏感程度越低，借助ENVI 4.7軟件和公式(2)，進行波段計算，從而求得NDVI 值，之后利用公式(3)，求得評價區域的植被覆蓋度[22-23]:

(2)

(3)

式中：F為植被覆蓋度；NDVImax，NDVImin分別代表最大、最小的歸一化植被指數值。具體的生境與水資源環境條件劃分見表2。

表2 懷來縣未利用地生態敏感性評價指標分級標準

2.3 綜合評價模型構建

由于各指標層內各指標的重要程度相當，單因子生態敏感性指數計算方法如下：

(4)

式中：pj表示第j個生態問題的敏感性指數；cij表該生態問題的第i個指標的敏感性指數；n代表該生態問題的指標個數。其中，敏感性指數為各敏感級別所代表的分值。

基于各單因子生態敏感性的評價結果，采用變異系數法確定不同生態問題的權重，再根據綜合指數模型得到基于地形地質條件、人類干擾和生境與水資源環境3方面綜合的生態敏感性指數。計算方法如下：

(5)

(6)

式中：wj為評價因子的權重；vj為評價因子的變異系數；Sj為評價因子的標準差；為評價因子的均值；i為評價因子數，i=1，2，3。F為綜合生態敏感性指數。

根據上式，通過ArcGIS 9.3軟件得到基于各單因子和綜合的生態敏感性指數，并利用自然斷點法對評價結果進行聚類，將懷來縣未利用地劃分為低度敏感、中度敏感、重度敏感及極度敏感4個等別，從而得到懷來縣未利用地生態敏感性評價結果等別圖。

3 結果與分析

3.1 懷來縣未利用地生態敏感性評價結果與分析

根據上述評價方法和指標體系，借助ArcGIS9.3軟件，對懷來縣未利用地進行了生態敏感性單因子評價和綜合評價，評價結果見表3，其空間分布情況見圖2。

由表3可知，在地形地質條件方面，生態敏感性等級為重度敏感和極度敏感的未利用地資源面積分別為4 216.82 hm2，162.17 hm2，分別占研究區未利用地資源總面積的7.23%和0.28%，總體看來，該區域高生態敏感性未利用地資源受地形地質條件的影響不深。從圖2A可以看出，該部分未利用地在縣域南部分布較多，在縣域北部有些許分布。關鍵是該部分未利用地坡度和高程的變化較大，處于地質災害高易發區和水土流失程度較嚴重的地區，在今后的未利用地資源開發項目中應重點防護。

表3 懷來縣未利用地開發生態敏感性評價結果

圖2 懷來縣未利用地生態敏感性評價結果

在人類干擾方面，生態敏感性等級為重度敏感和極度敏感的未利用地資源面積分別為12 159.51 hm2，18 738.30 hm2，分別占懷來縣未利用地總面積的20.84%和32.11%(圖2B)，總體看來該地區未利用地資源受人類干擾影響較嚴重。這主要是因為懷來縣多數未利用地距離城鎮建設用地和主要交通干線用地較近，該區域的人口聚集度較高，總體受人類干擾程度較大，在今后的開發建設中注重其生態功能的體現，該區域可作為重點的生態建設區。

在生境與水資源環境方面，生態敏感性等級為重度敏感和極度敏感的未利用地資源面積分別為12 170.72 hm2，17 016.57 hm2，分別占研究區未利用地總面積的20.86%和29.16%，針對生境與水資源環境來說，極度敏感的未利用地資源較多，且懷來縣的未利用地以其他草地為主，生態狀況較差，部分未利用地生態敏感程度較高，主要是因為其植被覆蓋度較低、坡向趨向于陰面或距離河流較遠。由圖2C可以看出，該部分未利用地主要分布在縣域西北部和南部，在今后的未利用地開發中著重該地區的水資源和生態環境的防護工作。

在綜合評價方面，評價結果等級為重度敏感和極度敏感的未利用地面積分別為19 163.18 hm2，10 876.84 hm2，分別占未利用地總面積的32.84%和18.64%，超過了研究區未利用地總面積的50.00%。結合圖2D與ArcGIS空間分析可知，綜合評價結果為極度敏感的未利用地主要分布在官廳鎮、新保安鎮、小南辛堡鎮以及孫莊子鄉4個鄉鎮，共占該級別未利用地面積的67.20%，該區域的未利用地海拔高，坡度大，地質災害較易發生，人口集中程度較低，受到的人為干擾較少，可作為生態用地進行開發利用；而生態敏感性等級為低度敏感的未利用地主要分布在存瑞鎮和官廳水庫，該區域的未利用地植被覆蓋度較低，海拔較低，坡度較小，地形相對平緩，水土流失強度較弱，不易發生地質災害，可以適當進行建設用地與農用地開發利用。各級別未利用地在各鄉鎮分布情況見表4。

表4 懷來縣未利用地生態敏感性空間分布狀況

3.2 基于高程梯度的未利用地分布特征分析

經對比分析及參考相關文獻發現[24-25]，對于高程級別的劃分，由于研究區的高程在400 m以下和1 200 m以上土地利用類型呈現單一化，以100 m為一級的劃分方式使得土地利用類型高程梯度性差異不明顯，而以過大的高程差劃分又使得某一高程級別的土地分布面積過大，不能很好的體現未利用地生態敏感性的高程梯度性，為能較好體現敏感性狀況隨高程變化的特征，應用ArcGIS中Equal Interval劃分方法，選取以200 m高程差為一級，將研究區高程劃分為5個級別：400～600 m，600～800 m，800～1 000 m，1 000～1 200 m和1 200 m以上。借助ArcGIS 9.3的空間分析功能，將綜合評價結果圖與懷來縣高程圖相互疊加，得到各高程梯度帶各級別未利用地分布情況，具體結果見表5。

表5 懷來縣基于高程梯度的不同生態敏感性等別未利用地分布情況

由表5可以看出，未利用地的數量在不同的高程梯度帶下差異較大，不同梯度帶下的生態敏感性等級也各不相同，存在明顯的高程梯度特征。其中，以400～600 m高程梯度帶未利用地數量最多，面積為24 283.73 hm2，占懷來縣未利用地總面積的41.61%，1 200 m以上高程梯度帶的未利用地最少，僅為2 118.98 hm2，占懷來縣未利用地總面積的3.63%。生態敏感性等級為低度敏感和極度敏感的未利用地均在400～600 m的高程梯度帶上分布較多，面積分別為5 946.18 hm2，3 538.20 hm2，占相應生態敏感性等級未利用地面積的54.21%和32.53%。相比之下，1 200 m以上海拔較高，地質災害發生頻繁，所以生態敏感性等別較高的未利用地所占比重較大，一般不存在或少有低級敏感的未利用地分布。

見表所示，隨著海拔的升高，生態敏感性等級為極度敏感的未利用地在各高程梯度帶上所占比例呈上升趨勢，相對而言，低度敏感和中度敏感的未利用地所占比例呈下降趨勢，1 200 m 以上以重度敏感和極度敏感等級未利用地分布為主。

3.3 基于坡度梯度的未利用地分布特征分析

通過對懷來縣DEM進行坡度提取，同時運用ArcGIS 9.3空間分析功能，得到懷來縣坡度圖?！锻恋乩矛F狀調查技術規程》中針對不同坡度級別對土地利用的不同影響進行了如下解釋：0°～2°一般無水土流失現象；2°～6°可發生輕度土壤侵蝕，需注意水土保持；6°～15°可發生中度水土流失，應采取工程措施，加強水土保持；15°～25°水土流失嚴重，必須采取工程、生物等綜合措施防治水土流失；>25°為《水土保持法》規定的開荒限制坡度，即不準開荒種植農作物，已經開墾為耕地的，要逐步退耕還林還草[24-25]。本文根據以上規程結合懷來縣特點將研究區未利用地劃分為0°～2°，2°～6°，6°～15°，15°～25°以及25°以上5個坡度梯度帶。

疊加未利用地的生態敏感性評價結果圖和以上提取的坡度圖，經過重分類得到二者的關系圖，疊加結果見表6。

表6 懷來縣基于坡度梯度的不同生態敏感性等別未利用地分布情況

由表6可知，從坡度角度分析，未利用地的分布及其各生態敏感性等級的分布也隨著坡度的不同發生著變化，地形梯度特征較為明顯。其中，未利用地在6°～15°和25°以上兩個坡度帶上分布較多，面積分別為18 605.31 hm2和26 024.56 hm2，分別占研究區未利用地總面積的31.88%和44.60%。同時，隨著坡度不斷提高，極度敏感未利用地面積呈現增長態勢，通過分析可知生態敏感性為極度敏感的未利用地主要分布在25°以上坡度梯度帶，面積為7 234.87 hm2，占全區極度敏感未利用地面積的66.51%，主要是由于該梯度帶的未利用地主要分布在縣域南部，且處于地質災害較易發生區和水土流失相對嚴重區，可適當的進行生態建設；生態敏感性等級較低的低度敏感未利用地主要分布在2°～6°坡度帶上，未利用地面積為3 719.88 hm2，占相應級別未利用地總面積的33.91%，這主要是由于該坡度帶上的未利用地主要分布在縣域中部和縣城周邊，人口集中，受人類干擾影響較明顯，海拔相對較低，地質災害發生頻率較低，可適度進行經濟開發。

綜上所述，隨著坡度的增大，生態敏感性等級為極度敏感的未利用地在相應坡度梯度帶上的比重越來越大，而低度敏感的未利用地在相應坡度梯度帶上的比重越來越小。

4 結論與討論

4.1 結 論

隨著經濟社會的快速發展，對于土地的需求量持續增加，而未利用地資源作為重要的后備資源，在緩解土地供需矛盾方面發揮著巨大的作用，當前學者對未利用地的研究主要集中在宜耕與宜建評價方面，而作為生態系統的一部分，未利用地為生態系統的穩定提供著重要的支撐，未利用地開發與生態保護并重，未利用地的生態敏感性研究對于區域生態保護具有重要意義。本文根據懷來縣的區域分布特點，選取地形地質條件、人類活動干擾和生境與水資源環境對未利用資源開發的生態敏感性進行評價。評價結果表明：

懷來縣的未利用地資源開發存在安全隱患。懷來縣未利用地生態敏感性等級為重度敏感和極度敏感的未利用地面積分別為19 163.18 hm2，10 876.84 hm2，分別占未利用地總面積的32.84%和18.64%，超過了研究區未利用地總面積的50.00%。從空間分布看，綜合評價結果為極度敏感的未利用地主要分布在官廳鎮、新保安鎮、小南辛堡鎮以及孫莊子鄉4個鄉鎮，該區域的未利用地海拔高，坡度大，地質災害較易發生，人口集中程度較低，受到的人為干擾較少，可作為生態用地進行開發利用；而生態敏感性等級為低度敏感的未利用地主要分布在存瑞鎮和官廳水庫，該區域的未利用地植被覆蓋度較低，海拔較低，坡度較小，地形相對平緩，水土流失強度較弱，不易發生地質災害，可以適當進行建設用地與農用地開發利用。從地形梯度角度分析，懷來縣未利用地主要分布在400～600 m 高程梯度帶以及大于25°坡度梯度帶；生態敏感性等級為低度敏感未利用地主要分布在400～600 m 和600～800 m 兩個高程梯度帶以及2°～6°和6°～15°兩個坡度梯度帶；隨著高程與坡度的增加，各地形梯度帶生態敏感性等級為極度敏感的未利用地的比重變大，由最初的14.57%和0.00%提升到49.05%和27.80%。

從評價結果中不難發現，懷來縣部分未利用地具有重要的生態價值，對其進行開發利用時應注重其開發利用的生態效益，針對不同生態敏感性等級進行確定特有的開發利用方向。

4.2 討 論

本文以格網為評價單元，針對未利用地開發的生態敏感性進行研究，將未利用地與地形因子結合，嘗試性分析了二者的關系，隨著地形變化，未利用地生態敏感性的變化狀況得到解釋，相比先前單一的未利用地開發適宜性評價有一定的創新性，拓寬了未利用地的研究領域，更多的體現了其生態價值，對以后的未利用地開發與生態保護具有一定的借鑒意義。本研究存在其不足之處，僅僅是對未利用地開發生態敏感性的初步探討，而且多是定性分析，缺乏一定的說服力，在今后的研究中應繼續深化對未利用地與地形因子的定量化探討，使其更好的為區域的未利用地開發提供切實可行的依據和指導。

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