基于GIS的山地區土地生態安全格局構建

李 劍，李長安，蔡 松

（1.中國地質大學（武漢）地球科學學院，湖北 武漢 430074；2.湖南省地質環境監測總站，湖南 長沙 410007）

2000年國務院發布《全國生態環境保護綱要》，并提出了生態用地概念及其相關的保護措施。此后，眾多專家和學者針對生態用地及其生態安全展開了大量的研究，其中探討生態保護與建設用地布局的關系也成為學術界研究的熱點，如俞孔堅等人構建了北京市綜合生態安全格局，預測了未來城鎮用地的合理組合模式[1]；高永年等人以湖州市為例，提出將不同水平的生態用地分區作為用地空間管制的依據[2]；蘇泳嫻等人以佛山市高明區為例，進行生態功能分區，提出了建設用地布局的優化方案[3]。但諸多的研究對象主要集中在平原區或丘陵區，而以山地區為研究對象來探析符合山地區特點的建設用地規劃分區、規模與布局等研究相對較少[4]。因此，從生態安全視角來開展山地區建設用地布局優化的討論將具有較為重要的指導意義。

張家界市作為典型的山地區，具有得天獨厚的山地旅游資源，但市域建設用地規模與布局受地形條件、地質災害等多重因素的制約。特別是近年來，隨著其旅游業的快速發展，生態安全受到一定程度的挑戰。本文以張家界為典型研究區域，結合張家界市域的主要特征和土地增長需求，采用GIS空間分析技術，通過重要生態用地識別，來構建符合區域風貌特色的生態安全格局，在此基礎上進行用地分區，并提出建設用地布局策略。

1 研究區概況

張家界市舊稱“大庸”，隸屬湖南省，1988年5月設立為地級市，1994年更名為張家界。市域位于湘西北、云貴高原余脈武陵源山區，屬澧水中上游，坐標范圍為28°52ˊ～29°25ˊN、110°04ˊ～110°55ˊE。全市轄武陵源區、永定區、慈利縣和桑植縣4個縣（區）（圖1），土地總面積9 533.78 km2。張家界因旅游而建市，以其獨特優美的旅游資源聞名于中外，其中武陵源風景名勝區被列入我國的首批世界地質公園、世界自然遺產地之一[5]。

張家界市處于洞庭湖沉降與云貴高原隆起的結合部，地形復雜，地貌類型多樣。區域以山地為主，整體地勢西、南和北部高，中部低，東北向較低緩。市域內山脈海拔大多在600～1 200 m，其中區內群峰之冠為天門山，高1 517 m。市域屬澧水水系，規模較大的河流有澧水河及其支流溇水河，其次為山澗小河。河流呈樹枝狀分布，山區河谷多為“V”型，源近流短，水流變化較大[5]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文的數據來源主要包括：張家界市2015年DOM遙感影像圖、2015年鄉鎮地籍變更數據、張家界市土地利用總體規劃（2006～2020年）、1∶50 000地形圖以及水源保護區規劃、自然保護區規劃、地質公園規劃及1∶100 000地質災害調查等資料。土地分類按照《土地利用現狀調查技術規程》進行，將研究區劃分為城鎮工礦、居民點、其他建設用地以及耕地、林地、園地等地類。

2.2 研究方法

生態用地是指生態環境較為脆弱、生態敏感性較高或具有重要生態服務功能，對區域生態起關鍵性影響的土地單元。根據張家界市的自然生態特征，本文首先從單因子影響的角度識別生態用地，即選擇生物多樣性保護、地質災害規避以及水資源安全等3個因子分別進行生態用地識別。然后將其結果進行綜合疊加，把研究區的生態用地劃分為高度敏感區、較高敏感區、中度敏感區和低度敏感區4個級別；最后借助最小阻力模型，將重要生態用地與我國相關標準、法律法規所規定的禁建區作為“源”，構建不同程度的生態安全格局，在此基礎上再提出建設用地布局建議。

2.2.1 基于單因子的生態用地識別

1）生物多樣性保護用地識別。根據謝高地等人提出的生物多樣性服務當量理論[6-7]，每種地類單位面積內所能提供生物多樣性保護相對貢獻大小的潛在能力是存在區別的。因此，依據研究區不同地類可直接計算出各單元生物多樣性的服務價值，并對其保護級別予以修正，進而實現生物多樣性保護用地的識別。其計算公式為：

式中，S表示各地類的生物多樣性服務價值；L、N與M分別表示地類、生物多樣性服務當量、修正后的保護級別值，其中森林公園、世界遺產保護區等國家級和省級保護區用地賦值為1.5；高程800 m以上（含800 m）的林地賦值為1.25；其他用地賦值為1.0。通過GIS空間分析，計算研究區各地類的S值，運用自然斷裂法獲得全市生態用地敏感區。

2）地質災害規避用地識別。崩塌、滑坡為研究區主要的地質災害類型，其主要影響因素包括地形起伏度、坡度、海拔高程以及人類活動強度等。借鑒前人在地質災害方面的研究成果[9]，疊加張家界各縣區1:100 000地質災害調查分區成果，利用ArcGIS10.1的空間分析功能，分別以敏感值150、120、100作為其分區的斷裂點，獲得全市地質災害規避敏感性區。

3）水資源安全用地識別。參考水資源安全評價相關研究成果[8]，選取飲用水源與涵養水源保護區、重要地表水源區、洪水調蓄區等3個指標作為水資源的安全評價因子。飲用水源與涵養水源保護區依據張家界市各類專項規劃來確定。重要地表水源與洪水調蓄區則借助ArcGIS10.1緩沖區分析獲得。將水資源安全識別的3個指標進行疊加，依據“木桶原理”獲得水資源安全敏感區。

2.2.2 基于綜合分析的生態用地識別

基于Forman教授的景觀規劃原理[10]，并借鑒俞孔堅等學者關于生態安全格局構建研究的理論及其實踐[11-12]，本文運用ArcGIS10.1的加權總和工具，將單因子生態用地分區結果等權重進行疊加分析；運用自然斷裂法將疊加結果進行歸類，最終將研究區劃分為4個級別的生態用地，分別為高度敏感區、較高敏感區、中度敏感區和低度敏感區。

2.2.3 生態用地安全格局構建

相關的研究表明[8,13-15]，各生態保護源地與現狀地類越接近，其運動所耗費的阻力值（即生態流的阻力值）就越小，反之愈大。本文利用Knaapen等人所提出的最小累計阻力模型[16]，將相關法律法規所規定的底線型生態用地以及極重要的生態用地作為“源地”（即禁建區），以地類為阻力因子，計算不同地類的阻力系數（表1）。然后運用ArcGIS10.1的空間分析功能，計算出各生態保護源地與各地類之間的費用距離，最終獲得“源地”的最小累積阻力面。依據阻力面的空間特征，對基于綜合分析的生態用地識別結果進行修正，最終構建張家界市極重要、重要、一般重要和其他等4種不同水平的土地生態安全格局。

表1 不同地類的阻力系數

2.2.4 基于生態安全格局的建設用地分區與建議

在生態安全格局分區的基礎上，結合鄉鎮發展的經濟等因素，以自然鄉鎮界線為分區邊界，將全市劃分為優先發展區、適度發展區、控制發展區以及禁止發展區，并提出相關用地建議。

3 結果與分析

3.1 生態用地綜合分區結果

3.1.1 單因子生態用地的識別

經過分析，全市生物多樣性保護生態用地中(表2和圖2a)，高敏感區域土地面積為5 173.42 km2，占規劃區總面積54.26%，主要分布于八大公山森林公園等植被、野生動物種類繁多的區域。全市地質災害規避生態用地方面（表2和圖2 b），高敏感區土地面積為390.71 km2，所占比例為4.10%，主要是崩塌與山體滑坡等地災易發區。全市水資源安全生態用地中（表2和圖2c），高度敏感區域土地面積276.26 km2，所占比例為2.90%，分布于澧水流域、溇水等重要的地表水源涵養區。

表2 張家界市單因子分析生態用地分級

3.1.2 多因子綜合分析的生態用地分級

運用自然斷裂法，在ArcGIS10.1軟件中疊加上述結果進行分類整理（表3和圖2d），得出全市高度敏感區即底線型生態用地，即張家界市規劃區生態保護核心區域面積2 729.50 km2，占全市土地總面積的比例為28.63%。

表3 張家界市綜合因子分析生態用地分級

圖2 張家界市域單因子生態用地敏感性識別與綜合生態用地分布

圖3 生態用地安全格局

圖4 建設用地分區建議

3.2 生態用地安全格局的構建

根據土地生態安全格局分析結果（圖3），全市極重要的生態安全用地總面積為6 281.53 km2，占總面積的65.89%，是張家界市生態系統服務的核心區域。此區域應加強對原有生態用地和資源的保護，嚴禁對生態保護區功能構成威脅的各項建設活動。重要以及一般重要的生態安全用地總面積為 3 252.25 km2，占34.11%，該區域應作為未來張家界市規劃區生態基礎設施培育區，同時也是全市嚴格的限制建設區，要嚴格控制城鎮、工礦在區內的開發強度與用地方向。扣除極重要、重要以及一般重要性的生態安全用地，全市可用建設用地為719.08 km2。根據張家界市土地利用總體規劃（2006～2020年）實施情況，截至2014年底張家界全市建設用地現狀為362.27 km2。因此，從生態安全的角度來看，未來一定時間內，可供張家界全市建設的用地空間較為充裕。

3.3 基于生態安全格局的建設用地布局建議

在生態安全格局構建的基礎上，結合全市各鄉鎮交通條件、經濟發展水平、資源稟賦等情況，從建設用地布局優化角度，將全市土地劃分優先發展區、適度發展區、控制發展區和禁止發展區四類區域（圖4），并提出相應的建設用地布局建議。

1）優先發展區。該區地貌以河谷平原為主，包括全市各縣區的現有城鎮建成區，以及澧水及其支流溇水河谷地帶的延伸地帶。該區人口集中，也是旅游、城鎮的集中區，但因人為頻繁干擾而導致生態整體功能不強等環境問題。該區建設用地布局建議是：①要通過內部挖潛提高土地使用率，努力使交通設施、居民住房向立體方向發展；②要合理整合城鄉建設，注重人工與自然環境的融合發展，使城鄉建設和發展符合生態環境保護的需要。

2）適度發展區。該區主要分布在市域東部，包括慈利中、東部和武陵源區的南部地區，另外還包括永定東部與東南部。該區高程較低、生態系統較穩定、承受外界干擾能力相對較強，但如果利用不當也易造成環境問題。該區建設用地布局建議是：要遵循生態保護和有效開發并重原則，恢復退化土地、治理水土流失，加強生態環境的全面保護；應控制區域內開發強度，尤其是控制建設用地規模和時序。

3）控制發展區。該區主要包括貫穿全市的河流、大中型水庫及其周邊的濕地。該區在人為活動的干擾下較易造成水土流失等。該區建設用地布局建議是：要正確處理好旅游開發與保護的關系，避免對植被和水體的破壞；加強水源水質的保護，構建以主要河網為骨架的水源涵養林帶和景觀生態廊道。

4）禁止發展區。該區主要包括以武陵源區為中心的武陵山、豬石頭林場、天門山森林公園以及以八大公山自然保護區為核心的山地、桑植東北與慈利西北交接處山地、慈利東部五雷山風景區，同時還包括慈利的江埡水庫和桑植的雙泉水庫及其緩沖區。該區域生態環境脆弱，在自然或人為活動破壞情況下易導致生態環境問題。該區建設用地布局建議是：堅持保護為主的原則，要建立各級各類自然保護區，禁止向水源保護區排放污染物；堅持在優先保護和控制游客總量等措施的前提下發展旅游。

4 結 語

以張家界市為研究區，借助GIS空間分析技術，選取生物多樣性、地質災害規避和水資源安全等3個主要因子進行綜合分析，將區域土地分為高度敏感區、較高敏感區、中度敏感區和低度敏感區4種類型。利用最小累積阻力模型，將法律法規所規定的底線型生態用地與極重要生態用地作為“源”，構建不同安全水平的生態安全格局，將全市土地分為優先發展區、適度發展區、控制發展區及禁止發展區。該研究方法的運用，彌補了傳統可建設用地布局過程中僅考慮經濟發展等因素而忽視生態保護的弊端。研究方法具有較強的可操作性和科學性，對山地區優化建設布局、形成城市特色風貌等均具有直接的借鑒作用。同時，本文在確定了張家界市不同安全水平的生態用地后，有針對性地提出區域建設用地優化布局建議，這些措施對山地區的生態保護、區域空間規劃的編制、防止各類建設用地無序蔓延均具有較強的借鑒作用。