周 銳，王新軍，蘇海龍,*，婁翼來

1 復旦大學城市規(guī)劃與發(fā)展研究中心, 上海 200433 2 復旦大學環(huán)境科學與工程系, 上海 200433 3 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所, 北京 100081

平頂山新區(qū)生態(tài)用地的識別與安全格局構(gòu)建

周 銳1,2，王新軍1,2，蘇海龍1,2,*，婁翼來3

1 復旦大學城市規(guī)劃與發(fā)展研究中心, 上海 200433 2 復旦大學環(huán)境科學與工程系, 上海 200433 3 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所, 北京 100081

生態(tài)用地對城市生態(tài)安全具有重要意義，關(guān)鍵性生態(tài)用地的識別與安全格局的構(gòu)建是實現(xiàn)城市精明增長和生態(tài)保護的重要途徑。以河南省平頂山新區(qū)為例，結(jié)合GIS(Geographic Information System)空間技術(shù)，分析得到基于水資源安全、地質(zhì)災害規(guī)避、生物多樣性保護三種單一過程的生態(tài)用地，進而綜合疊加并重分類為理想型、緩沖型和底線型三類生態(tài)用地，并以底線型生態(tài)用地為源，現(xiàn)狀土地覆被為阻力因子，應用最小累積阻力模型構(gòu)建了平頂山新區(qū)生態(tài)用地的安全格局。結(jié)果表明：新區(qū)內(nèi)最小生態(tài)用地，即底線型生態(tài)用地的面積為88.44 km2，占研究區(qū)總面積的29.35%；緩沖型和理想型生態(tài)用地的面積分別為22.28 km2和43.87 km2。確定了三種安全水平的生態(tài)用地范圍、“源”與外部聯(lián)系的輻射道、“源”間連接的生態(tài)廊道、關(guān)鍵的生態(tài)節(jié)點等。關(guān)鍵性生態(tài)用地綜合安全格局的構(gòu)建，旨在為研究區(qū)城市生態(tài)規(guī)劃和城鎮(zhèn)空間布局規(guī)劃等提供科學參考。

生態(tài)用地; 安全格局; GIS; 生態(tài)底線; 平頂山新區(qū)

自然生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過程及其所提供的生態(tài)服務是人類賴以生存的恩惠之源，維持生態(tài)系統(tǒng)服務功能是實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[1-2]。然而長期以來，生態(tài)系統(tǒng)的服務功能并未受到應有的重視，并隨之產(chǎn)生一系列的生態(tài)問題[3]，尤其是近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷提速，高強度的人類活動極大地改變了自然生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低了生態(tài)系統(tǒng)的服務功能，進而嚴重威脅區(qū)域生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展。在此背景下，對維護城市生態(tài)安全具有重要意義的“生態(tài)用地”一詞在2000年國務院發(fā)布的《全國生態(tài)環(huán)境保護綱要》中被首次提到，此后，眾多學者基于不同的專業(yè)背景和研究目的，對生態(tài)用地的內(nèi)涵展開大量研究[4-6]，并一致認為在未來的快速城鎮(zhèn)化過程中，區(qū)域和城市中保留必要的生態(tài)用地對于維持生態(tài)系統(tǒng)健康和促進人類社會可持續(xù)發(fā)展具有重要作用[7-8]。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文將生態(tài)用地界定為：在不同空間尺度上，具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務功能或生態(tài)敏感性較高、生態(tài)環(huán)境較為脆弱，對維護區(qū)域關(guān)鍵生態(tài)過程發(fā)揮重要作用的土地單元。它承擔著維護城市生態(tài)安全和健康的使命，并為社會提供必需的生態(tài)空間服務，是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)提供生態(tài)服務功能的基本保障[9]。從上述定義可以看出生態(tài)用地并不是簡單地提取某一類或某幾類土地，而是在對土地自身的生態(tài)功能重要性、敏感性和自然屬性等綜合評價的基礎(chǔ)上，強調(diào)關(guān)鍵生態(tài)過程的保護，進而得到的對區(qū)域生態(tài)建設(shè)有重要意義的空間單元[10]。因此，確定區(qū)域內(nèi)的生態(tài)用地，特別是維護區(qū)域生態(tài)安全的關(guān)鍵性生態(tài)用地的識別與保護，對城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

作為社會經(jīng)濟和人口規(guī)模發(fā)展到一定程度的現(xiàn)代城市發(fā)展的必然選擇，城市新區(qū)在開發(fā)前通常具有良好的生態(tài)環(huán)境和豐富的自然景觀資源。為盡可能避免老城區(qū)發(fā)展過程出現(xiàn)的一系列生態(tài)環(huán)境問題，在新區(qū)規(guī)劃和建設(shè)前，應該優(yōu)先識別和保護對維護區(qū)域生態(tài)安全具有至關(guān)重要作用的生態(tài)用地，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建生態(tài)安全格局，以建成自然運行過程良好的生態(tài)新區(qū)，這是實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的基本保障和重要途徑。本文以河南省平頂山新區(qū)為例，基于生態(tài)需求的角度，利用GIS空間分析技術(shù)和景觀安全格局理論方法，探索并試圖回答城市新區(qū)開發(fā)建設(shè)和生態(tài)保護過程中的兩個關(guān)鍵問題：一是區(qū)域中哪些生態(tài)用地是關(guān)鍵的不可替代的，需要持續(xù)存在以維護城市生態(tài)系統(tǒng)的基本服務功能？二是如何構(gòu)建關(guān)鍵性生態(tài)用地的景觀安全格局，以實現(xiàn)城市精明增長與生態(tài)保護的雙贏？

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

新區(qū)位于平頂山市老城區(qū)的西側(cè)，總面積約301.28 km2，截至2010年底，新區(qū)范圍戶籍人口約50.91萬，常住人口約36.94萬。新區(qū)行政區(qū)劃涉及新城區(qū)，新華區(qū)的青石山街、湖濱路街、西高皇街、焦店鎮(zhèn)、滍陽鎮(zhèn)，寶豐縣城及鐵路街道、周莊鎮(zhèn)、鬧店鎮(zhèn)、楊莊鎮(zhèn)、肖旗鄉(xiāng)，魯山縣的張良鎮(zhèn)、辛集鄉(xiāng)、磙子營鄉(xiāng)、馬樓鄉(xiāng)，湛河區(qū)的姚孟街道、九里山街、北渡鎮(zhèn)和曹鎮(zhèn)鄉(xiāng)。新區(qū)距鄭州、洛陽、南陽等城市均在130 km左右，位于全省產(chǎn)業(yè)布局的京廣產(chǎn)業(yè)帶上。區(qū)內(nèi)焦枝、孟平鐵路穿境而過，寧洛、鄭堯高速公路交匯，蘭南高速穿過市區(qū)東部，國道G311和省道S231、S236、S242、S329、S241與城市主干道交匯。區(qū)內(nèi)自然山水景觀資源豐富，野生動物眾多，地質(zhì)條件良好，地勢較為平坦、有少量的丘陵山地。作為平頂山未來城鎮(zhèn)化建設(shè)的主戰(zhàn)場，識別新區(qū)內(nèi)關(guān)鍵生態(tài)用地、生態(tài)節(jié)點、生態(tài)廊道等，構(gòu)建城鄉(xiāng)土地利用的生態(tài)安全格局，對引導平頂山新區(qū)未來的城市發(fā)展和生態(tài)保護具有重要意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所采用的數(shù)據(jù)主要包括平頂山新區(qū)的土地利用現(xiàn)狀圖(2012年)、航空影像圖(2012年)、地形圖(1∶10000)、土地利用現(xiàn)狀調(diào)研數(shù)據(jù)以及地質(zhì)災害分布和水源保護區(qū)分布圖等。

首先，應用ERDAS image9.1遙感分析軟件對地形圖進行幾何校正，并利用校正后的地形圖及其投影信息對2012年的土地利用圖和航空影像以及各類專題圖件進行幾何精校正，坐標系統(tǒng)采用Transverse Mercator投影，Krasovsky橢球體，中央經(jīng)線111°E，均方根誤差控制在0.5個像元內(nèi)。然后，在ArcGIS9.3環(huán)境下對土地利用現(xiàn)狀圖和各類專題圖件進行數(shù)字化，并利用航空影像對土地利用數(shù)據(jù)進行校核，進而獲得研究區(qū)2012年矢量格式土地利用空間分布信息，土地利用分類參照全國《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況，將研究區(qū)土地利用劃分為耕地、園地、林地、草地、坑塘溝渠、河流、水庫、灘涂、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、村莊建設(shè)用地、其他建設(shè)用地和道路用地等12種類型，最終建立研究區(qū)土地利用屬性數(shù)據(jù)庫。

1.3 研究方法

首先，基于水資源安全、生物多樣性保護、地質(zhì)災害規(guī)避的單一生態(tài)過程，分析完成各單因子的極重要、中等重要、一般重要和不重要4個等級生態(tài)用地重要性的識別；其次，對各單因子分析結(jié)果進行綜合疊加，得到理想型、緩沖型和底線型三個級別的生態(tài)用地；最后，以底線型生態(tài)用地為源，以生物保護為目標，基于最小阻力模型構(gòu)建了研究區(qū)高中低三種水平生態(tài)用地安全格局。

1.3.1 基于單因子的生態(tài)用地的識別

(1)生物多樣性保護

平頂山市優(yōu)越的山水自然景觀環(huán)境，孕育了豐富的生境和動植物資源。但作為典型的資源型城市，平頂山市是我國人地關(guān)系作用最強烈的區(qū)域之一[11]。近年來，城鎮(zhèn)用地快速擴張和煤炭開發(fā)造成棲息地面積減少和生境破碎化，大型交通設(shè)施的建設(shè)切斷了生物流通的廊道，使各生物棲息地相互孤立。本研究利用生境敏感性指數(shù)[12]識別新區(qū)內(nèi)的生態(tài)用地。一般而言，生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性服務功能高的地方都能為瀕危物種提供良好生境。根據(jù)新區(qū)土地利用現(xiàn)狀和謝高地等人[13]制定的生物多樣性服務當量，計算出林地、耕地、園地、草地和濕地等生物多樣性服務價值，然后根據(jù)保護級別予以修正。生境敏感性指數(shù)計算式如下：

S=l×n×m

式中，S為生境敏感性指數(shù)，l為土地利用，n為生物多樣性服務當量，m為保護級別修正值,其中香山、青石山、葉營山、舒山和鳳凰山等區(qū)域賦值為1.5，應山和筆山風景區(qū)賦值為1.25，其他區(qū)域為1。

在計算得到研究區(qū)內(nèi)任一柵格單元生境敏感性指數(shù)的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS的自然斷裂法將S值劃分為高度敏感、中度敏感、輕度敏感和不敏感4級，分別對應生物多樣性保護用地的極重要、中等重要、一般重要和不重要分級結(jié)果。該方法利用統(tǒng)計學的Jenk最優(yōu)化法得出的分界點，能使各級的內(nèi)部方差之和最小[14]。

(2)水資源安全

選取地表重要水源安全、洪水調(diào)蓄區(qū)類型和洪水淹沒區(qū)類型對研究區(qū)水資源安全進行綜合評判。其中，地表水源安全是基于研究區(qū)內(nèi)重要的河湖水系分布圖，運用ArcGIS9.3軟件中的距離分析工具獲得；洪水調(diào)蓄區(qū)類型是基于研究區(qū)的DEM和土地利用數(shù)據(jù)，運用ArcGIS9.3的水文分析模塊，對洪水地表徑流過程進行模擬分析，確定徑流匯水區(qū)；洪水淹沒區(qū)是基于10、20、50年一遇洪水的淹沒高程數(shù)據(jù)，利用GIS模擬得到。本文在參考相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上[3,12,15]，結(jié)合自然斷裂聚類方法，得到地表水源安全、洪水調(diào)蓄區(qū)類型和洪水淹沒區(qū)的劃分標準(表1)。由于這3個指標分別代表維護研究區(qū)水資源安全的某個方面，因此采用析取算法，即當3個指標疊加時，取生態(tài)用地重要性水平最高者。即生態(tài)用地=Max(地表水源安全，洪水調(diào)蓄區(qū)，洪水淹沒區(qū))。

表1 水資源安全重要性評價因子及其劃分標準Table 1 Evaluation factors and classification criterion of water resource security importance

(3)地質(zhì)災害規(guī)避

本研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害類型主要為地面塌陷。相關(guān)研究表明[15-16]，地面塌陷主要受植被覆蓋度、高程、坡度、地形起伏度及人類活動強度等因素影響。本文借鑒前人研究成果[15-16]中致災因子對地質(zhì)災害的影響程度以及各因子對地質(zhì)災害的敏感性，分別進行賦值(表2)。進而將地質(zhì)災害敏感性分析結(jié)果以100、120和150為分割點進行分級，并與區(qū)內(nèi)已有的塌陷區(qū)和地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)進行疊加，最終得到本研究區(qū)地質(zhì)災害安全格局下的4級生態(tài)用地分布圖。

表2 地質(zhì)災害的影響因子及其敏感性劃分標準Table 2 Influence factors and sensibility classification criterion of geological hazards

1.3.2 綜合生態(tài)用地的識別

由于生物多樣保護、水資源安全和地質(zhì)災害規(guī)避對于研究區(qū)同等重要，因此，本文將基于各單因子評價得到的生態(tài)用地，利用GIS柵格計算功能進行等權(quán)重綜合疊加，并采用自然斷裂法對疊加結(jié)果進行空間聚類，將生態(tài)用地重分類為底線生態(tài)用地、緩沖生態(tài)用地和理想生態(tài)用地，最終得到研究區(qū)綜合生態(tài)用地重要性的空間格局分布圖。

1.3.3 生態(tài)用地安全格局的構(gòu)建

(1) “源”的確定

“源”是事物或事件向外擴散的起點和基地，具有內(nèi)部同質(zhì)性和向四周擴張或吸引的能力。底線生態(tài)用地是生態(tài)系統(tǒng)最重要的源，是保護區(qū)域生態(tài)安全和景觀格局完整性所需的關(guān)鍵區(qū)域，承擔著維護生命土地的安全和健康的關(guān)鍵使命[17]，是社會獲得持續(xù)的生態(tài)空間服務的基本保障，因此，應作為城鎮(zhèn)發(fā)展和土地開發(fā)利用不可逾越的剛性生態(tài)底線限制，在未來城市規(guī)劃建設(shè)中應納入禁止建設(shè)區(qū)。因此，本文將研究區(qū)內(nèi)的底線生態(tài)用地作為生態(tài)保護用地的“源”。

(2) 阻力面的建立

生態(tài)用地間的連通和聯(lián)系是對空間水平方向的競爭性控制和覆蓋過程，這一過程必須通過克服阻力來實現(xiàn)，阻力面反映了生態(tài)用地空間連通的趨勢。本文采用最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance, 簡稱MCR)來建立生態(tài)用地間景觀流的空間運動阻力面。該模型考慮3個方面的因素，即源、距離和景觀介面特征，基本公式如下：

這一公式根據(jù)Knaapen等人的模型和GIS中常用的費用距離修改而來[18-19]。其中f是一個未知的正函數(shù)，反映空間中任一點的最小阻力與其到所有源的距離和景觀基面特征的正相關(guān)關(guān)系。Dij是物種從源j到空間某一點所穿越的某景觀的基面i的空間距離；Ri是景觀i對某物種運動的阻力。盡管函數(shù)f通常是未知的，但(Dij×Ri)之累積值可以被認為是物種從源到空間某一點的某一路徑的相對易達性的衡量。其中從所有源到某點阻力的最小值被用來衡量該點的易達性。模型計算主要利用Arcgis9.3軟件的空間分析模塊完成。

(3) 生態(tài)用地安全格局的建立

除了已確定的源之外，安全格局的其他組成部分可以根據(jù)阻力面的空間特征來判別，包括[20]：

緩沖區(qū) 本文基于最小累積阻力值與面積關(guān)系曲線，以阻力閾值作為分級邊界，獲得不同安全水平的生態(tài)用地格局。

“源”間廊道 “源”間廊道就是各“源”間的低累積阻力谷線，是相鄰兩“源”間最容易聯(lián)系的低阻力生態(tài)通道。根據(jù)安全水平的不同，“源”間生態(tài)廊道可以有一條或多條，它們是“源”間生態(tài)流的高效通道和聯(lián)系路徑[19-21]。

輻射道 基于阻力面還可以識別以“源”為中心向外輻射的低阻力谷線，它們是生態(tài)流向外擴散的低阻力通道。物種運動是能動的對景觀的利用和控制過程，而不是被動的保護對象。這對保護對象的未來發(fā)展和自身進化具有關(guān)鍵作用。

戰(zhàn)略點 指對“源”間相互聯(lián)系具有關(guān)鍵意義的生態(tài)節(jié)點，從MCR阻力面上反映出來的是以相鄰“源”為中心的等阻力線的相切點，它對控制生態(tài)流等具有至關(guān)重要的意義。戰(zhàn)略點的建設(shè)將有效提高區(qū)域內(nèi)生態(tài)用地網(wǎng)絡(luò)的景觀連通度，對維持生態(tài)功能可持續(xù)發(fā)展有重要的作用。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于單因子和多因子綜合評價的生態(tài)用地分析

基于上述建立的生態(tài)用地評價指標和分析方法，對研究區(qū)生態(tài)用地進行單因子和綜合計算識別，空間分布和統(tǒng)計結(jié)果詳見圖1和表3。

基于地質(zhì)災害規(guī)避因子的識別結(jié)果表明，極重要生態(tài)用地的面積為21.28 km2，占研究區(qū)總面積的7.07%，主要位于地勢較高、坡度較大的區(qū)域，這些區(qū)域是山體滑坡和崩塌等地質(zhì)災害相對易發(fā)的地區(qū)，因此，不適宜工程建設(shè)開發(fā)，而應采取生態(tài)治理和生態(tài)景觀建設(shè)相結(jié)合的措施加以嚴格保護。中等重要生態(tài)用地的面積為22.23 km2，占新區(qū)總面積的7.38%，這些區(qū)域坡度大多介于10—15°，植被覆蓋度相對較低，是防治水土流失的重要區(qū)域，因此，這一區(qū)域應加強生態(tài)建設(shè)與修復，恢復自然生態(tài)系統(tǒng)的原貌，減少城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)。

圖1 單因子生態(tài)用地重要性等級與綜合生態(tài)用地類型空間分布Fig.1 Spatial distribution of different ecological land importance class and comprehensive ecological land

在基于生物多樣性保護的生態(tài)用地識別方面，極重要生態(tài)用地的面積為11 km2，占新區(qū)總面積的3.65%，主要位于香山、舒山和應山等風景區(qū)或生態(tài)旅游度假區(qū)，這些區(qū)域森林茂密，野生動植物種類繁多，應加以嚴格保護。中等重要生態(tài)用地的面積較大，為81.22 km2，占全區(qū)總面積的26.96%，主要包括白龜湖和白龜山濕地自然保護區(qū)等，其內(nèi)部生物物種豐富，該區(qū)域?qū)B(yǎng)水源、保護濕地生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性具有重要意義。極重要和中等重要生態(tài)用地是維護平頂山新區(qū)生態(tài)多樣性的重要區(qū)域，對這些區(qū)域內(nèi)的森林和水體應嚴格保護，加強生態(tài)建設(shè)力度，以便為更多的物種提供繁衍生息的場所。

基于水資源安全因子的生態(tài)用地分析表明，極重要生態(tài)用地的面積為112.41 km2，占新區(qū)總面積的37.31%，主要包括應河、白龜山水庫等重要的地表水源涵養(yǎng)區(qū)以及10年一遇洪水淹沒區(qū)和匯流面積較大的泄洪區(qū)，這些區(qū)域?qū)S護新區(qū)的水資源綜合安全具有重要作用，因此，應加以嚴格保護，禁止工程開發(fā)建設(shè)活動。中等重要生態(tài)用地的面積為21.55 km2，占全區(qū)總面積的7.15%，主要分布在極重要生態(tài)用地的外圍，這些區(qū)域?qū)λ春B(yǎng)和洪水調(diào)蓄也有一定的意義，因此，應避免高強度的城市開發(fā)活動。

從圖1和表3可以看出，底線型生態(tài)用地的面積為88.44 km2，占研究區(qū)總面積的29.35%。底線型生態(tài)用地是平頂山新區(qū)生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的核心區(qū)域，是保障自然生態(tài)系統(tǒng)服務功能所需的最小生態(tài)用地，也是城市未來開發(fā)建設(shè)不可逾越的底線。緩沖型生態(tài)用地面積為22.28 km2，占新區(qū)總面積的7.39%，主要為分布在底線生態(tài)用地周圍的灘涂濕地、林地和草地等。底線型和緩沖型生態(tài)用地是新區(qū)內(nèi)的關(guān)鍵性生態(tài)用地，二者面積比例之和超過區(qū)域的1/3，它們對維護新區(qū)內(nèi)關(guān)鍵生態(tài)過程具有重要意義，需加以重點保護，限制開發(fā)建設(shè)。理想型生態(tài)用地面積為43.87 km2，占新區(qū)總面積的14.56%，主要分布在底線型和緩沖型生態(tài)用地的外圍一定的緩沖距離內(nèi)，是維護區(qū)域生態(tài)安全的理想的生態(tài)用地布局，在滿足建設(shè)用地需求的前提下，可最大限度的保護生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施和提供生態(tài)服務。

表3 單因子生態(tài)用地和綜合生態(tài)用地的分析結(jié)果Table 3 Identifying results of different ecological land

2.2 生態(tài)用地安全格局分析

2.2.1 “源”的選取

本研究將上述綜合分析結(jié)果中的面積大于1.5 km2的底線型生態(tài)用地作為“源”，主要包括白龜山水庫、香山、應山等自然山體和風景區(qū)。面積約為85.42 km2，占研究區(qū)總面積的28.35%。這些區(qū)域作為城市生態(tài)安全的基本保障，是城市擴張的生態(tài)底線，應嚴禁開發(fā)建設(shè)，并納入城市禁止建設(shè)區(qū)范圍。

2.2.2 阻力面分析

相關(guān)研究表明[20,22-23]，生態(tài)流的水平空間運動主要受土地覆被類型的影響，土地覆被類型與“源”中景觀特征越接近，其對生態(tài)流的阻力就越??；而受人類干擾較大的覆被類型，其對“源”內(nèi)生態(tài)流的阻力就越大。因此，本文以保護“源”內(nèi)生物多樣性和挖掘潛在的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施為目標，以土地覆被類型作為阻力因子，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)土地利用方式受人類干擾的強度，采用專家打分確定各景觀類型的相對阻力系數(shù)值(表4)，并基于最小阻力模型建立阻力面(圖2)。圖2顯示，由“源”向外，最小累積阻力逐漸增大，并在建設(shè)用地所在區(qū)域形成阻力高峰。

2.2.3 生態(tài)用地的安全格局分析

“源”間廊道 基于上述分析得到的阻力面，利用ArcGIS9.3的空間分析工具，得到任意兩“源”間的生態(tài)廊道，他們是“源”間生態(tài)流交換和流轉(zhuǎn)的最佳途徑。從圖3可以看出，生態(tài)廊道并不是“源”間最短路徑，而是加權(quán)費用相對最小的路徑，且連接各“源”形成環(huán)狀廊道布局。

表4 物種空間運動的阻力因子與阻力系數(shù)Table 4 Spatial movement resistance factors and resistance coefficients of species

輻射道 從圖3可以看出，輻射道形同樹枝狀分布，他們是生態(tài)流向外擴散的最優(yōu)路徑，是物種以“源”為基地向外界擴散的低阻力通道。

圖2 生態(tài)流的阻力面Fig.2 Resistance surface of ecological flow

圖3 生態(tài)用地綜合安全格局Fig.3 Security pattern of critically ecological land

廊道和輻射道為“源”間連接和生態(tài)流擴散的線狀或帶狀的關(guān)鍵性通道，主要由各級河流廊道和道路綠道等生態(tài)要素構(gòu)成，并形成以“源”間廊道為主干、輻射道為樹狀分枝的網(wǎng)狀布局，以增加各生態(tài)用地斑塊間功能和空間上的連接度、提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整體性。

戰(zhàn)略點 本研究中的戰(zhàn)略點為鞍部戰(zhàn)略點，即相鄰源為中心的等阻力線的相切點，起到源間“跳板”的作用。主要包括生態(tài)廊道的交匯處、生態(tài)廊道與道路的交叉點、道路間的交叉點等，它們是物種遷徙的踏腳石，應納入城市的禁限建區(qū)。加強這些區(qū)域的生態(tài)保護與建設(shè)，對提高區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的完整性和連通性具有至關(guān)重要的作用。

緩沖區(qū) 根據(jù)生態(tài)用地間生態(tài)流的阻力面，利用阻力閾值，即最小累積阻力值與面積曲線的突變點，得到不同安全水平的緩沖區(qū)(圖3)。當生態(tài)流通過這些突變點時，阻力值將發(fā)生急劇性變化，這意味著各類緩沖區(qū)范圍到達一定邊界后，所增加的面積的可利用性及其生態(tài)意義將驟然下降，因而阻力閾值可作為緩沖區(qū)劃分的依據(jù)。緩沖區(qū)分布在“源”的外圍，主要包括河湖濱水區(qū)濕地、自然保護區(qū)、低山區(qū)或平原地帶的林地、草地和農(nóng)田等?！霸础迸c低安全水平的生態(tài)用地可看作研究區(qū)的禁建區(qū)，面積為110.89 km2，占新區(qū)總面積的36.81%，本區(qū)內(nèi)的土地利用應以嚴格的生態(tài)保護為主，原則上嚴禁任何形式的開發(fā)建設(shè)活動，維持原生植被。中安全水平和高安全水平的生態(tài)用地可看作研究區(qū)的限制建設(shè)區(qū)，面積共計為76.28 km2，占新區(qū)總面積的25.32%，本區(qū)作為潛在的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施培育區(qū)，應以自然生態(tài)系統(tǒng)為主，嚴格控制城市開發(fā)對生態(tài)用地的干擾程度，同時加強生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并積極對已被破壞或強度人工化的關(guān)鍵區(qū)域進行生態(tài)修復，以保證生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性。

將上述分析得到的“源”、緩沖區(qū)、生態(tài)廊道、輻射道和戰(zhàn)略點組合在一起，就構(gòu)成了平頂山新區(qū)生態(tài)用地的高中低三種水平的綜合安全格局(圖3)。這些安全格局組分將對新區(qū)內(nèi)生態(tài)流起著潛在的決定性影響。生態(tài)用地安全格局的構(gòu)建，有助于科學引導人類的開發(fā)建設(shè)活動，加強對關(guān)鍵的生態(tài)敏感地段進行重點保護和生態(tài)建設(shè)，進而為城市生態(tài)規(guī)劃和城市空間布局提供科學參考，實現(xiàn)城市精明增長與生態(tài)保護的雙贏。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

(1)本研究基于水資源安全、地質(zhì)災害規(guī)避、生物多樣性保護分析得到各單一生態(tài)過程的生態(tài)用地，進而得到平頂山新區(qū)生態(tài)用地的綜合評價結(jié)果，并將綜合生態(tài)用地劃分為底線型、緩沖型和理想型3種。其中作為生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的核心區(qū)域，保障研究區(qū)基本生態(tài)安全所需的最小生態(tài)用地，即底線型生態(tài)用地的面積為88.44 km2，占研究區(qū)總面積的29.35%。

(2)通過景觀改變來控制生態(tài)過程的可行途徑，是判別和設(shè)計某種潛在和高效的景觀格局[20]。本文以底線型生態(tài)用地為“源”，基于最小阻力模型構(gòu)建了關(guān)鍵性生態(tài)用地的綜合安全格局，確定了不同安全水平的生態(tài)用地范圍，明確了“源”間的生態(tài)廊道、關(guān)鍵的生態(tài)節(jié)點以及“源”與外部聯(lián)系的輻射道等要素的空間分布情況，并提出相應的生態(tài)保護和建設(shè)對策。生態(tài)用地安全格局對維護或控制多種生態(tài)過程具有主動高效和空間聯(lián)系的優(yōu)勢，因此是物種保護和景觀優(yōu)化調(diào)控的相對高效的空間途徑。

3.2 討論

(1)隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷提速，城鎮(zhèn)擴張對維護區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全的生態(tài)用地的干擾將日益增大。但導致安全格局組分部分或全部破壞的城鎮(zhèn)開發(fā)對于城市生態(tài)安全來說是不能接受的，否則將造成區(qū)域生態(tài)過程的急劇惡化[24]。生態(tài)用地安全格局的構(gòu)建作為城市生態(tài)規(guī)劃的基礎(chǔ)工作，對指導城鎮(zhèn)建設(shè)空間布局、土地的生態(tài)管理以及重點地區(qū)的生態(tài)恢復和生態(tài)建設(shè)具有重要作用，并可為城市總體規(guī)劃、土地利用規(guī)劃、城市生態(tài)規(guī)劃專題研究提供科學參考。

(2)本文在生態(tài)用地識別方面，僅選取水資源、地質(zhì)災害、生物多樣性3個重要的生態(tài)過程，出于對研究尺度和新區(qū)建設(shè)用地需求等方面的考慮，故沒有將氣候調(diào)節(jié)、基本農(nóng)田等因素納入識別體系。生態(tài)用地的綜合識別應盡可能強調(diào)因子的全面性和綜合性，而應因地制宜地選擇關(guān)鍵因子的生態(tài)過程。此外，各單一生態(tài)過程的影響因子體系與生態(tài)流阻力因子的選擇與賦值，主要是借鑒前人成果和專家打分的方式獲得，都有待完善和深入研究。

[1] Costanza R, Daily H E. Natural capital and sustainable development. Conservation Biology, 1992, 6(1): 37-46.

[2] 歐陽志云, 王效科, 苗鴻. 中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務功能及其生態(tài)經(jīng)濟價值的初步研究. 生態(tài)學報, 1999, 19(5): 607-613.

[3] 俞孔堅, 喬青, 李迪華, 袁弘, 王思思. 基于景觀安全格局分析的生態(tài)用地研究——以北京市東三鄉(xiāng)為例. 應用生態(tài)學報, 2009, 20(8): 1932-1939.

[4] 張紅旗, 王立新, 賈寶全. 西北干旱區(qū)生態(tài)用地概念及其功能分類研究. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2004, 12(2): 5-8.

[5] 蘇偉忠, 楊桂山, 甄峰. 長江三角洲生態(tài)用地破碎度及其城市化關(guān)聯(lián). 地理學報, 2007, 62(12): 1309-1317.

[6] 李鋒, 葉亞平, 宋博文, 王如松. 城市生態(tài)用地的空間結(jié)構(gòu)及其生態(tài)系統(tǒng)服務動態(tài)演變——以常州市為例. 生態(tài)學報, 2011, 31(19): 5623-5631.

[7] 張林波, 李偉濤, 王維, 熊嚴軍. 基于GIS的城市最小生態(tài)用地空間分析模型研究——以深圳市為例. 自然資源學報, 2008, 23(1): 69-78.

[8] 鄧小文, 孫貽超, 韓士杰. 城市生態(tài)用地分類及其規(guī)劃的一般原則. 應用生態(tài)學報, 2005, 16(10): 2003-2006.

[9] 謝花林, 李秀彬. 基于GIS的區(qū)域關(guān)鍵性生態(tài)用地空間結(jié)構(gòu)識別方法探討. 資源科學, 2011, 33(1): 112-119.

[10] 榮冰凌, 李棟, 謝映霞. 中小尺度生態(tài)用地規(guī)劃方法. 生態(tài)學報, 2011, 31(18): 5351-5357.

[11] 馬文明, 卞正富. 基于RS的平頂山市土地利用動態(tài)變化研究. 測繪科學, 2007, 32(6): 176-178, 98-98.

[12] 顏磊, 許學工, 謝正磊, 李海龍. 北京市域生態(tài)敏感性綜合評價. 生態(tài)學報, 2009, 29(6): 3117-3125.

[13] 謝高地, 魯春霞, 冷允法, 鄭度, 李雙成. 青藏高原生態(tài)資產(chǎn)的價值評估. 自然資源學報, 2003, 18(2): 189-196.

[14] McCoy J, Johnston K. Using ArcGIS spatial analyst. Redlands: ESRI Press, 2001.

[15] 俞孔堅, 王思思, 李迪華, 李春波. 北京市生態(tài)安全格局及城市增長預景. 生態(tài)學報, 2009, 29(3): 1189-1204.

[16] 蘇泳嫻, 張虹鷗, 陳修治, 黃光慶, 葉玉瑤, 吳旗韜, 黃寧生, 匡耀求. 佛山市高明區(qū)生態(tài)安全格局和建設(shè)用地擴展預案. 生態(tài)學報, 2013, 33(5): 1524-1534.

[17] 俞孔堅, 李迪華, 劉海龍, 程進. 基于生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施的城市空間發(fā)展格局——“反規(guī)劃”之臺州案例. 城市規(guī)劃, 2005, 29(9): 76-80.

[18] Knaapen J P, Scheffer M, Harms B. Estimating habitat isolation in landscape planning. Landscape and Urban Planning, 1992, 23(1): 1-16.

[19] Yu K J. Security patterns and surface model in landscape ecological planning. Landscape and Urban Planning, 1996, 36(1): 1-17.

[20] 俞孔堅, 李迪華, 段鐵武. 生物多樣性保護的景觀規(guī)劃途徑. 生物多樣性, 1998, 6(3): 205-212.

[21] 李暉, 易娜, 姚文璟, 王思琪, 李志英, 楊樹華. 基于景觀安全格局的香格里拉縣生態(tài)用地規(guī)劃. 生態(tài)學報, 2011, 31(20): 5928-5936.

[22] Selman P H, Doar N R. A landscape ecological approach to countryside planning. Planning Outlook, 1991, 34(2): 83-88.

[23] 胡望舒, 王思思, 李迪華. 基于焦點物種的北京市生物保護安全格局規(guī)劃. 生態(tài)學報, 2010, 30(16): 4266-4276.

[24] 俞孔堅. 生物保護的景觀生態(tài)安全格局. 生態(tài)學報, 1999, 19(1): 8-15.

Identification and security pattern of ecological land in Pingdingshan newly developed area

ZHOU Rui1, 2, WANG Xinjun1, 2, SU Hailong1,2,*, LOU Yilai3

1ResearchCenterforUrbanPlanningandDevelopment,FudanUniversity,Shanghai200433,China2DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,FudanUniversity,Shanghai200433,China3InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China

Ecological services provided by natural ecosystems are essential to human survival, while the maintenance of ecosystem services is the basis for regional sustainable development. However, ecological services have not been given enough attention, particularly in recent years in China, where has an accelerated urbanization, with high intensity of human activities. These anthropologic activities have greatly altered its natural ecosystem structure, decreased its ecosystem service functions, and seriously threatened its regional ecological security and sustainable development. In this context, a term of “ecological land”, which is of great significance in safeguarding important ecological processes and providing essential ecosystem services, was proposed and gained more and more attention. We thus recognize that an identification and security pattern building of critical ecological land is a crucial way to achieve a win-win of urban ecological protection and smart growth. The research area of this paper is a newly developed area, locating in the western region of the old of Pingdingshan City, Henan Province, with a total area approximately 301.28 km2. This region is rich in natural landscape resource and wildlife, with good geological conditions and relatively flat lands. As a major future urban development area in Pingdingshan City, it is necessary to build a comprehensive security pattern for ecological land, which would play a critical role in guiding future urban sustainable development. We firstly utilized a GIS spatial technology and local data base, to analyze three different types of ecological lands based on the single process of water resource security, geological disasters avoidance, biodiversity conservation. Then we overlaid the three different ecological lands and obtained the comprehensive ecological lands, which had been further classified to three types (ideal, buffered and minimum) on the basis of natural break clustering method. Furthermore, we selected the minimum ecological land as source and the land cover as resistance factor, and then applied the minimum cumulative resistance model to build a comprehensive security pattern of critical ecological land. Results showed that the size of minimum ecological land in the newly developed area is 88.44 km2, accounting for 29.35% of the total region. The minimum ecological land is not only the core area to maintain natural ecosystem service functions, but also the base line of future urban construction and development. The size of buffered ecological land is 22.28 km2, accounting for 7.39% of the total region, mainly including the tidal flat wetland, forest and grassland on the edge of the minimum ecological land. Both the minimum and buffered ecological lands, which are the key ecological lands, with important significance in maintaining key ecological processes, should be protected seriously and developed restrictedly, with an accumulative area being greater than 1/3 of the total region. The size of ideal ecological land is 43.87 km2, which is the ideal pattern that maximally protects ecological infrastructures and services, under the premise of meeting the demand of future urban expanding. Furthermore, a number of strategic landscape pattern portions and positions were identified from the security pattern of critical ecological lands, including three-level ecological function zones, ecological corridors among sources, radiating routes between the source and external area, and ecologically strategic points, then the corresponding ecological protection and construction countermeasures were proposed. We believe that the comprehensive security pattern of critical ecological lands, with the advantages of high efficiency and spatial linkage, is an efficiently spatial approach to species conservation and landscape optimization. Therefore, our results could provide scientific reference for urban ecological planning and spatial layout planning for national urban development and future sustainability.

ecological land; security pattern; GIS; ecological baseline; Pingdingshan newly developed area

國家自然科學基金項目(51378127, 41271201)

2013-05-24;

日期:2014-04-25

10.5846/stxb201305241169

*通訊作者Corresponding author.E-mail: fdsuhailong@126.com

周銳，王新軍，蘇海龍，婁翼來.平頂山新區(qū)生態(tài)用地的識別與安全格局構(gòu)建.生態(tài)學報,2015,35(6):2003-2012.

Zhou R, Wang X J, Su H L, Lou Y L.Identification and security pattern of ecological land in Pingdingshan newly developed area.Acta Ecologica Sinica,2015,35(6):2003-2012.