旅游生態安全約束下張家界市土地利用優化

朱東國,熊 鵬,方世敏,*

1 湘潭大學商學院,湘潭 411105 2 湖南師范大學資源與環境科學學院,長沙 410081

土地利用/土地覆被變化是全球生態環境變化和可持續發展研究關注的熱點和焦點問題,在全球生態系統變化和社會經濟發展研究中占有重要的地位[1- 2]。張家界是我國著名旅游城市,旅游業的發展對土地利用格局產生了深遠的影響,同時也對生態環境造成了強烈的沖擊,由此帶來的旅游生態安全問題日顯突出。目前,眾多學者對旅游生態安全約束下土地利用優化的研究主要集中在3個方面：一是研究土地利用與生態安全之間的關系。國內學者主要探討城市土地利用變化對生態安全的影響,包括對氣候、水文以及土壤和生物多樣性的影響[3- 4]。郭斌等[5]運用RS/GIS技術分析了西安市土地利用變化,并通過構建城市生態安全P-S-R模型探討土地利用變化與生態安全之間的內在關系。何玲等[6]以生態安全格局為影響因素利用元胞自動機和馬爾科夫模型進行了不同情境的土地利用格局模擬。二是對旅游生態安全的研究。關于旅游地生態安全評價方面,李若凝[7]結合了旅游地生態環境與地區經濟發展的特點,構建了旅游地生態安全評價指標體系；還有部分學者預測了旅游生態安全的發展趨勢和警情演變趨勢[8- 9]。從研究方法來看,肖建紅等[10]基于生態足跡模型對旅游生態安全開展了研究；武春友[11]結合系統動力學對旅游生態安全進行了仿真模擬。三是有關土地利用優化的研究。Doyen等[12]利用GIS技術的空間分析功能對土地利用空間格局進行了生態優化。喻鋒等[13]認為土壤侵蝕和生態用水是影響流域生態安全的重要因素,并對土地利用格局進行了優化。王越等[14]運用3S技術,建立了土地利用格局元胞自動機優化模型。李鑫等[15]利用CLUE-S模型開展了區域土地利用優化布局研究。

整理國內外關于旅游生態安全約束下土地利用優化研究的相關文獻,大多是單方面研究土地利用優化或就旅游生態安全本身進行研究,很少有關于旅游生態安全約束下典型旅游城市土地利用優化的研究。為此,本文選擇張家界作為研究區域,首先運用灰色線性規劃法求出旅游生態安全約束下的土地利用數量結構,再借助CLUE-S模型對土地利用空間結構進行優化,以期為旅游城市生態安全維護和土地合理利用與管控提供理論依據和實踐指導。

1 研究區概況

張家界市位于湖南省西北部,地勢西北高東南低,轄永定、武陵源2區和桑植、慈利2縣(圖1),總面積約9533 km2。截止2015年,全市總人口172.12萬人,常住人口151.9萬人。境內地勢險峻,地貌構造復雜,地表起伏大,相對高差1800多米,屬典型的山地丘陵區。水系以澧水為主,往南經桑植縣、永定區、慈利縣匯入洞庭湖流域。張家界氣候屬亞熱帶山原型季風濕潤氣候,雨量充沛,四季分明,多年平均氣溫16.8°C,平均降雨量1400 mm。區內不僅擁有獨特且豐富的自然風光和人文資源,同時棲息了多種野生珍稀動植物,是湖南省生態環境脆弱和水土流失較為嚴重的地區之一,旅游生態安全問題不容忽視。

圖1 研究區位置

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源及處理

本研究采用中國科學院地理空間數據云提供的2015年TM遙感影像(地面分辨率為30 m×30 m)作為初始數據源。以張家界市1∶50000分幅地形圖和統計局社會經濟數據作為補充信息源。首先對原始圖像進行坐標配準和拼接,在ERDAS 9.2平臺下進行幾何校正和數據融合,再選擇TM 2、3、4 波段進行RGB假彩色合成,并采取均衡化處理,然后根據行政區劃圖在ArcGIS 10.0中進行裁剪。最后,根據實地考察的地形特征,采用非監督分類方法進行目視解譯,將研究區劃分為林地、草地、耕地、建設用地、水域和未利用地等6種用地類型。本文共采集了90個GPS點對2015年的解譯結果進行精度驗證,其中有78個點顯示解譯正確,解譯精度為86.7%。

2.2 研究方法

2.2.1 灰色線性規劃法

灰色線性規劃法是指技術系數為可變的灰數,且約束值為發展狀態下的動態線性規劃方法[16- 17]。本研究擬采用灰色線性規劃法構建土地利用結構優化模型,模擬旅游生態安全約束下的市域土地利用數量結構,其基本模型為:

(1)

(2)

式中,xj為土地利用類型,cj為效益系數向量,aij為約束系數,bi為約束常數。

2.2.2 CLUE-S模型法

CLUE-S模型從概念上分為兩部分,一是非空間的土地需求模塊,二是空間配置模塊?？臻g配置模塊通過尋找影響土地利用類型空間分布的因素,采用Logistic 模型提取分布規則,然后調整競爭因子,最后進行多次迭代來實現空間模擬[18- 19],計算公式如下：

TPROPi,u=Pi,u+ ELAUu+ ITERu

(3)

式中,ITERu代表土地類型u的競爭因子,迭代過程中自動調整,且其大小不斷的改變；ELAUu是土地類型u的轉移參數,可根據柵格的現狀屬性確定其大小,即轉換成本越大,ELAUu值設置越大；Pi,u是柵格i對土地類型u的適宜概率,既是Logistic的回歸結果,也是土地利用現狀的空間分布規則；TPROPi,u是柵格i對于土地類型u的總體適宜度。

2.2.3 土地利用現狀布局優化調整

本文針對張家界市土地利用現狀及布局優化調整的可行性,提出如下調整方案：為防止水土流失,治理生態環境,把坡度25°以上的耕地和地形起伏度在70 m以上的居民點變為林地；為保持水域生態平衡,把湖泊周圍500 m以內的土地利用類型變為草地；把地質災害區、生態保護區內的居民點變為林地；把離城鎮較遠的農村居民點變為耕地。通過上述四步操作,形成優化后的土地利用布局,CLUE-S模型可在其中提取各用地類型的優化布局規則。

3 張家界市旅游生態安全現狀評價

3.1 旅游生態安全指標安全指數及權重

3.1.1 指標安全指數

本文將旅游生態安全指標劃分為正向指標和逆向指標,分別計算其安全指數[20]。假定第i項指標實際值為Yi(i=1…n),評價指標的標準值為Qi,且p(Yi)為該指標的不安全指數,則有以下兩種方法確定其安全指數：

(1)正向指標的安全指數確定

正向指標的安全趨向性為正,屬于越大越安全的指標。假如用“安全”作為標準值,當Y≥Q,則安全指數為1；當YQ,則安全指數為1-Q/Y。

(2)逆向指標的安全指數確定

逆向指標的安全趨向性與正向指標相反,屬于越小越安全的指標。假如用“安全”作為標準值,當Y≤Q,則安全指數為1；當Y>Q,則安全指數為Q/Y；假如用“不安全”作為標準值,當Y≥Q,則安全指數為0；當Y

從張家界市土地利用現狀、旅游生態環境、旅游資源及經濟發展水平出發,計算旅游生態安全評價指標的安全指數,結果如表1所示。

3.1.2 指標權重的確定

從旅游資源環境壓力、旅游環境狀況、旅游人文社會響應三方面選擇能夠表征旅游生態安全的指標[21],構建張家界市旅游生態安全評價指標體系,并采用層次分析法(AHP)法,結合專家咨詢來確定不同層次各指標的權重(表1)。

旅游生態安全指旅游地的生態系統自身結構完整、功能健全,其生態環境和自然資源處于一種無威脅、無風險的安全狀態。表1中的人口自然增長率反映了旅游地居民人數對生態環境的影響,人口增長過快將直接對旅游地生態環境質量和土地資源的充分供給造成影響；而旅游客流增長率反映了旅游地的吸引力水平,客流量的增長表示旅游地生態環境所承受的壓力增加,對旅游用地的需求也會增加；旅游地建筑密度反映了旅游地建筑對旅游生態環境造成的負面影響,建筑密度越大,生態安全性越低,說明旅游地土地利用結構處于不合理的狀態。

3.2 旅游生態安全值

旅游生態安全指標體系的每一項指標只是從不同側面反映旅游生態安全現狀,若對各項指標進行綜合計算,可以全面地反映研究區旅游生態安全現狀和動態變化。計算公式如下：

(4)

式中,V為綜合旅游生態安全值,p(Yi)為第i項指標的安全指數,Wi為第i項指標權重。評價旅游生態安全值如表2所示。

表1 張家界市旅游生態安全評價指數及指標權重[22]

*資料主要來源于2015年《張家界市統計年鑒》

表2 張家界市旅游生態安全評價結果

3.3 旅游生態安全標準的評判

根據國內外相關研究成果,結合張家界市的實際情況,并在咨詢有關專家的基礎上,將旅游生態安全評價指標取值范圍劃分為4個等級,即不安全、稍不安全、比較安全、安全,并給出了相應的評判標準(表3)。

表3 旅游生態安全度的劃分

V,綜合旅游生態安全值 Integrated tourism ecological safety value

3.4 旅游生態安全評價分析

張家界市2015年旅游生態安全度為“比較安全”,處于較安全的土地利用狀態。如若2025年張家界市土地利用達到“安全”的旅游生態安全標準,則需將旅游生態安全作為土地利用優化的前提和目標,對土地利用數量結構和空間布局進行優化,進而實現土地利用綜合效益最大化。

4 旅游生態安全約束下的土地利用優化

4.1 土地利用格局分析

綜合分析張家界市2015年土地利用格局可得,張家界市土地利用類型以林地、耕地和建設用地為主,分別占市域總面積的72.74%、16.46%和4.48%,構成了張家界市土地利用格局的基本類型。從土地利用空間分布特征來看,耕地主要分布在慈利縣和永定區境內的一些地勢較低的平原和沖擊盆地以及坡度起伏不大的地區；林地和草地主要集中于桑植縣境域內的山地丘陵區、武陵源區和慈利縣東部以五雷山為核心的山地區域；建設用地主要集中在慈利縣、桑植縣、永定區境域內的核心城區和住宅區,武陵源區所占的比例很少；未利用地主要以裸露的土地為主,零星分布在慈利縣、桑植縣及永定區；張家界市水資源較豐富,是澧水發源地,域內主要有澧水干流、支流和沅水支流兩大水系。

4.2 土地利用結構優化

4.2.1 設置模型變量

根據張家界市土地利用現狀、土地資源特點及土地利用總體規劃的要求,以2015年為基期年,以2025年為目標年,共設置6個變量:X1(耕地)、X2(林地)、X3(草地)、X4(水域)、X5(建設用地)、X6(未利用地),單位為hm2。

4.2.2 建立約束條件

所設約束條件主要基于旅游生態安全和生態系統服務功能的考量。

土地面積約束。 張家界市的土地總面積為953377.48 hm2,各種用地類型面積之和應該等于土地總面積。

X1+X2+X3+X4+X5+X6= 953377.48 hm2

(5)

常住人口總量約束。根據2015年張家界市統計公報中常住人口的相關數據,計算出農區用地和城鎮用地人口密度分別為0.96人/hm2和15.93人/hm2,預測2025年人口總量達1679529人。

0.96(X1+X2+X3)+15.93X5≤1679529

(6)

糧食產量需求約束。為持續保障張家界市糧食安全,以研究區糧食需求總量和實際總產量計算,并根據市域土地利用規劃中關于耕地保有量的規定,2025年耕地總量將不得少于134445.68 hm2。

134445.68 hm2≤X1≤156963.25 hm2

(7)

旅游生態環境約束。為保障張家界市旅游生態環境安全,應適當增加林地面積,預測2025年林地面積不少于2015年的面積。

X2≥693446.31 hm2

(8)

旅游地建筑密度約束。根據專家經驗,旅游地建筑密度控制在1.6%以內為生態安全好的標準。為緩解游客活動對旅游景區造成的壓力,2025年旅游地建筑密度將不超過1.6%,其中旅游地景區總面積為120200 hm2,旅游景區建筑面積占總建設用地面積比為1.5%。

0.015X5/120200≤0.016

(9)

旅游資源利用強度約束。根據專家經驗,旅游資源利用強度維持在0.8以內為生態安全好的標準。為確保張家界市旅游資源的利用強度不超過旅游生態環境可承受的范圍,2025年旅游資源利用強度將不超過0.8。根據張家界市統計年鑒數據,預測2025年游客人數為16285.5萬人,森林覆蓋率為X2/953377.48,人均綠地面積參考國內同類風景區,取值為0.004 hm2/人。

(16285.5/365)/(X2/953377.48×953377.48)/0.004≤0.8

(10)

草地資源約束。根據張家界市草地資源現狀和后備資源條件,為保障草地資源供需平衡,草地面積應適當減少,預測2025年草地面積將不少于29830 hm2。

X3≥29830 hm2

(11)

植被保護約束。張家界市2015年水土流失面積約為228810.60 hm2。為保證旅游生態安全,應最大限度的控制水土流失,預測2025年各類水土流失面積占土地總面積的比例不大于0.24,2025年各類水土流失面積應不大于2015年各類水土流失面積。

0.24×(X1+X2+X3+X4+X5+X6)≤228810.60 hm2

(12)

建設用地總規模約束。根據張家界市土地利用總體規劃的要求,為加強對自然遺產地和風景名勝區的保護,在參考研究區建設用地規?？刂颇繕说幕A上,預測2025年建設用地增加量不得超過2491.02 hm2。

X5-42682.46≤2491.02 hm2

(13)

未利用地需求約束。根據張家界市土地利用規劃中適度調減未利用地的要求,結合未利用地的開發現狀,預計到2025年,因城市發展、耕地整理、生態保護和旅游開發等占用未利用地不超過1814.32 hm2。

X6≥4623.36-1814.32=2809.04 hm2

(14)

水域面積約束。為保證市水資源的供給,湖泊水域面積應適當增加。假定2025年水域面積最多增加1250.72 hm2,約占2015年水域面積的5%。

X4-1250.72≤23835.48 hm2

(15)

4.2.3 確立目標函數

本研究以單位面積上各用地類型的生態效益作為變量系數,建立基于生態系統服務價值的目標函數預測旅游生態安全最大化時張家界市的土地利用數量結構。生態系統單位面積生態服務價值向量參照謝高地等人的研究成果[23],并將研究區建設用地和未利用地的生態服務價值當量設定為1.00,由此得出張家界市生態系統單位面積的生態服務價值當量(表4)。目標函數確定為:

maxf(x)=7.9X1+28.12X2+11.67X3+45.35X4+X5+X6 (16)

4.2.4 優化結果分析

據此,獲得張家界市2025年土地利用結構優化方案(表5)。其中,林地和水域面積增幅明顯,分別增加了22586.77 hm2和1250.72 hm2,這主要是因為林地和水域的生態系統服務價值較高,其面積的增加有利于提高自然生態系統的自我調節功能和抗御自然災害的能力；而建設用地的增加則歸因于現代城市基礎設施建設和休閑旅游的快速發展。與此相反,耕地、草地和未利用地的面積有所減少,分別減少了22517.57、1996.62 hm2和1814.32 hm2,主要源于耕地、草地和未利用地的生態系統服務價值相對較低,其產生的生態環境效益不如林地和水域。通過與2015年土地利用狀況進行比較,2025年研究區單位面積耕地農藥負荷、地質災害受災面積比例、人均旅游生態足跡、環境噪音、25°以上坡耕地面積比、糧食單位面積產量、水土流失面積比例、耕地有效灌溉比、環境治理占GDP比例等指標的安全指數增加,分別為0.18、0.36、0.14、0.82、0.57、0.92、0.52、0.88、0.46,旅游生態安全綜合指數達到0.8196(表2),比2015年提高了0.0802,處于安全的等級。

4.3 基于優化布局的各類用地分布規則提取

本研究先用Logistic提取各土地利用類型的分布規則,再以該優化布局規則為指導,運用CLUE-S模型對土地利用優化結構進行空間配置。根據研究區土地利用狀況分別選取坡度、高程、與市中心的距離、與湖泊的距離、與縣級道路的距離、與鄉級道路的距離等6個驅動因子,并對因子進行空間化處理。坡度與高程由DEM數據生成,其他驅動因子的空間化文件通過歐式距離得出,提取出各土地利用類型的柵格圖,經過文件格式轉換產生stat.txt文件,再導入SPSS 13.0中,運用Logistic逐步回歸進行統計分析,求出不同用地分布的回歸系數,即各土地利用類型的分布規則(表6)。由此可知,耕地分布與坡度和高程呈負相關,即坡度或高程越高,耕地分布的可能性越?。慌c市中心或縣級道路的距離呈正相關,即與市中心或縣級道路的距離越遠,用地類型為耕地的可能性越大；與鄉級道路的距離呈負相關,即離鄉級道路越近,耕地分布的面積越大。草地分布與湖泊的距離呈負相關,即離湖泊越近,草地分布的可能性越大。林地分布與湖泊的距離呈負相關,即與湖泊的距離越近,越有利于林地分布；與縣級道路的距離呈正相關,即與縣級道路的距離越遠,林地分布的可能性越大,且林地主要分布在距市中心較遠的山區。建設用地分布與高程、坡度呈負相關,即高程或坡度越高,建設用地分布的可能性越?。慌c市中心或縣級道路的距離呈負相關,離市中心或縣級道路越近,建設用地分布的可能性越大。

表5 張家界市2025年土地利用結構優化方案

表6 各用地類型Logistic分布的回歸系數

4.4 土地利用空間布局優化

由于水域和未利用地分布的驅動因子十分復雜,因此水域和未利用地不參與空間配置處理,而是進行緩沖區分析,直到緩沖區面積等于其在旅游生態安全約束下的數量約束值為止。根據前述布局規則把既定數量的土地利用優化結構配置在空間上,具體操作是：先把表6中的數據寫入alloc.reg文件,再將張家界市土地利用結構優化方案寫入demand.in文件,并把水域和未利用地等不參與空間配置的用地范圍寫入region.fil文件,關于CLUE-S模型的其他參數應在main.1文件中進行設置,最終便可獲得張家界市2025年旅游生態安全約束下的土地利用空間結構。

與2015年土地利用狀況比較,優化后的土地利用空間布局顯得更合理：林地主要分布在武陵源區、桑植縣境內的丘陵區、慈利縣東部的山區以及永定區的南部。因為這些地區地勢相對較高,用于林地種植不僅具有很好的生態效益,而且能夠創造更多的經濟價值,同時在桑植縣北部、慈利縣東部以及永定區南部有大片的林地分布,這樣分別在南北兩側對張家界城區形成了兩道生態屏障,不僅有利于吸收城區排出的廢氣,同時凈化了市域水體環境。建設用地的增加主要位于慈利縣、桑植縣和永定區,景區內分布較少。建設用地向中心城區西南擴張主要由于該地區交通條件便利,高速公路在此交匯,且靠近火車站和機場。桑植縣東部和慈利縣中部的建設用地主要是中心鎮及附屬的產業園建設用地。草地主要集中在桑植縣、慈利縣的低海拔山區及武陵源區。耕地布局變化則表現在其分布的減少,主要分布在慈利縣和永定區的平原地帶,中心城區周圍、慈利縣內大部分不宜于耕地的柵格單元變成建設用地和林地,同時在偏遠的交通不便和高海拔地區,也不宜于耕地的分布,已變為林地。未利用地面積減少,零星分布在慈利縣、桑植縣和永定區。經布局優化后,各用地類型均已分布在適宜度較高的空間單元,呈現出較為合理的狀態,在相同的投入條件下,能獲得更大的生態效益,并將促進生態環境保護和旅游可持續發展(圖2,圖3)。

圖2 張家界市2015年土地利用格局

圖3 張家界市2025年土地利用空間優化圖

5 結論

本文以張家界市為例,首先借助灰色線性規劃法中的Lingo11.0模型求取了旅游生態安全約束下的最優土地利用結構,再根據分布規則把優化后的土地利用數量結構配置在空間上,最后運用CLUE-S模型對土地利用空間結構進行優化。主要結論如下：

(1)本研究從旅游資源環境壓力、旅游環境狀況和旅游人文社會響應3個方面選取了能夠反映旅游生態安全的指標,構建了旅游生態安全評價指標體系,計算出張家界市2015年旅游生態安全綜合指數為0.7394,處于“比較安全”的狀態。其中旅游資源環境壓力、旅游環境狀況、旅游人文社會響應得分分別為0.3231、0.2789、0.1374,旅游環境狀況和旅游人文社會響應的安全度較低,表明張家界市旅游生態安全建設還需進一步加強。

(2)基于張家界市土地資源數量、旅游生態環境保護和水資源供給等約束條件,以旅游生態安全為目標,運用灰色線性規劃法對土地利用數量結構進行優化。與2015年土地利用狀況相比,林地和水域面積分別增加22586.77 hm2和1250.72 hm2；建設用地因城市基礎設施建設的需要增加2491.02 hm2；耕地、草地和未利用地的面積分別減少22517.57、1996.62 hm2和1814.32 hm2。優化后的張家界市旅游生態安全綜合指數為0.8196,比2015年提高了0.0802,優化后的旅游生態安全度處于“安全”的狀態,說明優化后的土地利用數量結構將對旅游生態安全起到明顯的改善作用。

(3)為提高土地利用生態效益,不僅要對土地利用數量結構進行優化,而且還要對土地利用空間結構進行優化。在旅游生態安全約束下借助CLUE-S模型進行土地利用空間結構優化,結果表明：林地主要集中在慈利縣的山區、武陵源區、桑植縣的丘陵地帶和永定區南部；建設用地主要分布在慈利縣、桑植縣和永定區城區；草地主要位于桑植縣、慈利縣的低矮山區和武陵源區；耕地主要分布在慈利縣的丘陵及永定區的平原地區；未利用地零星分布在慈利縣、桑植縣及永定區。

6 討論

(1)本研究雖從旅游資源環境壓力、旅游環境狀況和旅游人文社會響應3個層面構建了張家界市旅游生態安全評價指標體系,但在指標的選取上存在一定的主觀性,如何通過約束條件的設定更好地實現旅游生態安全的目標,如何在深入理解土地利用與旅游生態安全相互關系的基礎上,構建更加完善的旅游生態安全評價指標體系,是今后研究的重點。

(2)本研究沒有直接將旅游生態安全最大化作為目標函數預測土地利用數量結構,而是建立基于生態系統服務價值的目標函數來間接預測旅游生態安全最大化時的土地利用數量結構,雖然在優化模型中引入了能體現旅游生態安全的約束條件和生態安全標準,但是目前還沒有一種通用的模型方法來直接預測旅游生態安全最大化時的土地利用結構,因此,未來對于該方法的研究有待加強。