周 銳，王新軍，蘇海龍,*，婁翼來(lái)

1 復(fù)旦大學(xué)城市規(guī)劃與發(fā)展研究中心, 上海 200433 2 復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系, 上海 200433 3 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)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(shí)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(lái)3

1 復(fù)旦大學(xué)城市規(guī)劃與發(fā)展研究中心, 上海 200433 2 復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系, 上海 200433 3 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)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(duì)城市生態(tài)安全具有重要意義，關(guān)鍵性生態(tài)用地的識(shí)別與安全格局的構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)城市精明增長(zhǎng)和生態(tài)保護(hù)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(zāi)害規(guī)避、生物多樣性保護(hù)三種單一過(guò)程的生態(tài)用地，進(jìn)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(yīng)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(diǎn)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(xué)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(guò)程及其所提供的生態(tài)服務(wù)是人類賴以生存的恩惠之源，維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[1-2]。然而長(zhǎng)期以來(lái)，生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能并未受到應(yīng)有的重視，并隨之產(chǎn)生一系列的生態(tài)問(wèn)題[3]，尤其是近年來(lái)，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷提速，高強(qiáng)度的人類活動(dòng)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(wù)功能，進(jìn)而嚴(yán)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(duì)維護(hù)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(guó)務(wù)院發(fā)布的《全國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)綱要》中被首次提到，此后，眾多學(xué)者基于不同的專業(yè)背景和研究目的，對(duì)生態(tài)用地的內(nèi)涵展開大量研究[4-6]，并一致認(rèn)為在未來(lái)的快速城鎮(zhèn)化過(guò)程中，區(qū)域和城市中保留必要的生態(tài)用地對(duì)于維持生態(tài)系統(tǒng)健康和促進(jìn)人類社會(huì)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(wù)功能或生態(tài)敏感性較高、生態(tài)環(huán)境較為脆弱，對(duì)維護(hù)區(qū)域關(guān)鍵生態(tài)過(guò)程發(fā)揮重要作用的土地單元。它承擔(dān)著維護(hù)城市生態(tài)安全和健康的使命，并為社會(huì)提供必需的生態(tài)空間服務(wù)，是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)提供生態(tài)服務(wù)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(jiǎn)單地提取某一類或某幾類土地，而是在對(duì)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(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵生態(tài)過(guò)程的保護(hù)，進(jìn)而得到的對(duì)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(hù)區(qū)域生態(tài)安全的關(guān)鍵性生態(tài)用地的識(shí)別與保護(hù)，對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(guò)程出現(xiàn)的一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，在新區(qū)規(guī)劃和建設(shè)前，應(yīng)該優(yōu)先識(shí)別和保護(hù)對(duì)維護(hù)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(yùn)行過(guò)程良好的生態(tài)新區(qū)，這是實(shí)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(hù)過(guò)程中的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(hù)城市生態(tài)系統(tǒng)的基本服務(wù)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(shí)現(xiàn)城市精明增長(zhǎng)與生態(tài)保護(hù)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(wàn)，常住人口約36.94萬(wàn)。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(yáng)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(yíng)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(yáng)、南陽(yáng)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(guò)，寧洛、鄭堯高速公路交匯，蘭南高速穿過(guò)市區(qū)東部，國(guó)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(dòng)物眾多，地質(zhì)條件良好，地勢(shì)較為平坦、有少量的丘陵山地。作為平頂山未來(lái)城鎮(zhèn)化建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)，識(shí)別新區(qū)內(nèi)關(guān)鍵生態(tài)用地、生態(tài)節(jié)點(diǎn)、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(duì)引導(dǎo)平頂山新區(qū)未來(lái)的城市發(fā)展和生態(tài)保護(hù)具有重要意義。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)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(zāi)害分布和水源保護(hù)區(qū)分布圖等。

首先，應(yīng)用ERDAS image9.1遙感分析軟件對(duì)地形圖進(jìn)行幾何校正，并利用校正后的地形圖及其投影信息對(duì)2012年的土地利用圖和航空影像以及各類專題圖件進(jìn)行幾何精校正，坐標(biāo)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(gè)像元內(nèi)。然后，在ArcGIS9.3環(huán)境下對(duì)土地利用現(xiàn)狀圖和各類專題圖件進(jìn)行數(shù)字化，并利用航空影像對(duì)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，進(jìn)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(guó)《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，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(kù)、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(kù)。

1.3 研究方法

首先，基于水資源安全、生物多樣性保護(hù)、地質(zhì)災(zāi)害規(guī)避的單一生態(tài)過(guò)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(gè)等級(jí)生態(tài)用地重要性的識(shí)別；其次，對(duì)各單因子分析結(jié)果進(jìn)行綜合疊加，得到理想型、緩沖型和底線型三個(gè)級(jí)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(hù)為目標(biāo)，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(shí)別

(1)生物多樣性保護(hù)

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(dòng)植物資源。但作為典型的資源型城市，平頂山市是我國(guó)人地關(guān)系作用最強(qiáng)烈的區(qū)域之一[11]。近年來(lái)，城鎮(zhèn)用地快速擴(kuò)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(shí)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(wù)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(wù)當(dāng)量，計(jì)算出林地、耕地、園地、草地和濕地等生物多樣性服務(wù)價(jià)值，然后根據(jù)保護(hù)級(jí)別予以修正。生境敏感性指數(shù)計(jì)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(wù)當(dāng)量，m為保護(hù)級(jí)別修正值,其中香山、青石山、葉營(yíng)山、舒山和鳳凰山等區(qū)域賦值為1.5，應(yīng)山和筆山風(fēng)景區(qū)賦值為1.25，其他區(qū)域?yàn)?。

在計(jì)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(jí)，分別對(duì)應(yīng)生物多樣性保護(hù)用地的極重要、中等重要、一般重要和不重要分級(jí)結(jié)果。該方法利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的Jenk最優(yōu)化法得出的分界點(diǎn)，能使各級(jí)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(duì)研究區(qū)水資源安全進(jìn)行綜合評(píng)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(yùn)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(yùn)用ArcGIS9.3的水文分析模塊，對(duì)洪水地表徑流過(guò)程進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)(表1)。由于這3個(gè)指標(biāo)分別代表維護(hù)研究區(qū)水資源安全的某個(gè)方面，因此采用析取算法，即當(dāng)3個(gè)指標(biāo)疊加時(shí)，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(píng)價(jià)因子及其劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation factors and classification criterion of water resource security importance

(3)地質(zhì)災(zāi)害規(guī)避

本研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)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(dòng)強(qiáng)度等因素影響。本文借鑒前人研究成果[15-16]中致災(zāi)因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響程度以及各因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的敏感性，分別進(jìn)行賦值(表2)。進(jìn)而將地質(zhì)災(zāi)害敏感性分析結(jié)果以100、120和150為分割點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)，并與區(qū)內(nèi)已有的塌陷區(qū)和地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)進(jìn)行疊加，最終得到本研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害安全格局下的4級(jí)生態(tài)用地分布圖。

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

1.3.2 綜合生態(tài)用地的識(shí)別

由于生物多樣保護(hù)、水資源安全和地質(zhì)災(zāi)害規(guī)避對(duì)于研究區(qū)同等重要，因此，本文將基于各單因子評(píng)價(jià)得到的生態(tài)用地，利用GIS柵格計(jì)算功能進(jìn)行等權(quán)重綜合疊加，并采用自然斷裂法對(duì)疊加結(jié)果進(jìn)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(kuò)散的起點(diǎn)和基地，具有內(nèi)部同質(zhì)性和向四周擴(kuò)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(hù)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(dān)著維護(hù)生命土地的安全和健康的關(guān)鍵使命[17]，是社會(huì)獲得持續(xù)的生態(tài)空間服務(wù)的基本保障，因此，應(yīng)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(lái)城市規(guī)劃建設(shè)中應(yīng)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(hù)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(duì)空間水平方向的競(jìng)爭(zhēng)性控制和覆蓋過(guò)程，這一過(guò)程必須通過(guò)克服阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)，阻力面反映了生態(tài)用地空間連通的趨勢(shì)。本文采用最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance, 簡(jiǎn)稱MCR)來(lái)建立生態(tài)用地間景觀流的空間運(yùn)動(dòng)阻力面。該模型考慮3個(gè)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(fèi)用距離修改而來(lái)[18-19]。其中f是一個(gè)未知的正函數(shù)，反映空間中任一點(diǎn)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(diǎn)所穿越的某景觀的基面i的空間距離；Ri是景觀i對(duì)某物種運(yùn)動(dòng)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(rèn)為是物種從源到空間某一點(diǎn)的某一路徑的相對(duì)易達(dá)性的衡量。其中從所有源到某點(diǎn)阻力的最小值被用來(lái)衡量該點(diǎn)的易達(dá)性。模型計(jì)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(lái)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(jí)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(shí)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(kuò)散的低阻力通道。物種運(yùn)動(dòng)是能動(dòng)的對(duì)景觀的利用和控制過(guò)程，而不是被動(dòng)的保護(hù)對(duì)象。這對(duì)保護(hù)對(duì)象的未來(lái)發(fā)展和自身進(jìn)化具有關(guān)鍵作用。

戰(zhàn)略點(diǎn) 指對(duì)“源”間相互聯(lián)系具有關(guān)鍵意義的生態(tài)節(jié)點(diǎn)，從MCR阻力面上反映出來(lái)的是以相鄰“源”為中心的等阻力線的相切點(diǎn)，它對(duì)控制生態(tài)流等具有至關(guān)重要的意義。戰(zhàn)略點(diǎn)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(duì)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(píng)價(jià)的生態(tài)用地分析

基于上述建立的生態(tài)用地評(píng)價(jià)指標(biāo)和分析方法，對(duì)研究區(qū)生態(tài)用地進(jìn)行單因子和綜合計(jì)算識(shí)別，空間分布和統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見圖1和表3。

基于地質(zhì)災(zāi)害規(guī)避因子的識(shí)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(shì)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(zāi)害相對(duì)易發(fā)的地區(qū)，因此，不適宜工程建設(shè)開發(fā)，而應(yīng)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(yán)格保護(hù)。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(duì)較低，是防治水土流失的重要區(qū)域，因此，這一區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)與修復(fù)，恢復(fù)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(jí)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(hù)的生態(tài)用地識(shí)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(yīng)山等風(fēng)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(dòng)植物種類繁多，應(yīng)加以嚴(yán)格保護(hù)。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(hù)區(qū)等，其內(nèi)部生物物種豐富，該區(qū)域?qū)B(yǎng)水源、保護(hù)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(hù)平頂山新區(qū)生態(tài)多樣性的重要區(qū)域，對(duì)這些區(qū)域內(nèi)的森林和水體應(yīng)嚴(yán)格保護(hù)，加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)力度，以便為更多的物種提供繁衍生息的場(chǎng)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(yīng)河、白龜山水庫(kù)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(hù)新區(qū)的水資源綜合安全具有重要作用，因此，應(yīng)加以嚴(yán)格保護(hù)，禁止工程開發(fā)建設(shè)活動(dòng)。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(yīng)避免高強(qiáng)度的城市開發(fā)活動(dòng)。

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(wù)功能所需的最小生態(tài)用地，也是城市未來(lái)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(guò)區(qū)域的1/3，它們對(duì)維護(hù)新區(qū)內(nèi)關(guān)鍵生態(tài)過(guò)程具有重要意義，需加以重點(diǎn)保護(hù)，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(hù)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(hù)生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施和提供生態(tài)服務(wù)。

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(kù)、香山、應(yīng)山等自然山體和風(fēng)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(kuò)張的生態(tài)底線，應(yīng)嚴(yán)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(yùn)動(dòng)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(duì)生態(tài)流的阻力就越?。欢苋祟惛蓴_較大的覆被類型，其對(duì)“源”內(nèi)生態(tài)流的阻力就越大。因此，本文以保護(hù)“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(biāo)，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(qiáng)度，采用專家打分確定各景觀類型的相對(duì)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(fèi)用相對(duì)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(yùn)動(dòng)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(kuò)散的最優(yōu)路徑，是物種以“源”為基地向外界擴(kuò)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(kuò)散的線狀或帶狀的關(guān)鍵性通道，主要由各級(jí)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(diǎn) 本研究中的戰(zhàn)略點(diǎn)為鞍部戰(zhàn)略點(diǎn)，即相鄰源為中心的等阻力線的相切點(diǎn)，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(diǎn)、道路間的交叉點(diǎn)等，它們是物種遷徙的踏腳石，應(yīng)納入城市的禁限建區(qū)。加強(qiáng)這些區(qū)域的生態(tài)保護(hù)與建設(shè)，對(duì)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(diǎn)，得到不同安全水平的緩沖區(qū)(圖3)。當(dāng)生態(tài)流通過(guò)這些突變點(diǎn)時(shí)，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(dá)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(hù)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(yīng)以嚴(yán)格的生態(tài)保護(hù)為主，原則上嚴(yán)禁任何形式的開發(fā)建設(shè)活動(dòng)，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(jì)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(yīng)以自然生態(tài)系統(tǒng)為主，嚴(yán)格控制城市開發(fā)對(duì)生態(tài)用地的干擾程度，同時(shí)加強(qiáng)生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并積極對(duì)已被破壞或強(qiáng)度人工化的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，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(diǎn)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(duì)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(xué)引導(dǎo)人類的開發(fā)建設(shè)活動(dòng)，加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵的生態(tài)敏感地段進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)和生態(tài)建設(shè)，進(jìn)而為城市生態(tài)規(guī)劃和城市空間布局提供科學(xué)參考，實(shí)現(xiàn)城市精明增長(zhǎng)與生態(tài)保護(hù)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(zāi)害規(guī)避、生物多樣性保護(hù)分析得到各單一生態(tài)過(guò)程的生態(tài)用地，進(jìn)而得到平頂山新區(qū)生態(tài)用地的綜合評(píng)價(jià)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(guò)景觀改變來(lái)控制生態(tài)過(guò)程的可行途徑，是判別和設(shè)計(jì)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(diǎn)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(yīng)的生態(tài)保護(hù)和建設(shè)對(duì)策。生態(tài)用地安全格局對(duì)維護(hù)或控制多種生態(tài)過(guò)程具有主動(dòng)高效和空間聯(lián)系的優(yōu)勢(shì)，因此是物種保護(hù)和景觀優(yōu)化調(diào)控的相對(duì)高效的空間途徑。

3.2 討論

(1)隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷提速，城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)維護(hù)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(dǎo)致安全格局組分部分或全部破壞的城鎮(zhèn)開發(fā)對(duì)于城市生態(tài)安全來(lái)說(shuō)是不能接受的，否則將造成區(qū)域生態(tài)過(guò)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(duì)指導(dǎo)城鎮(zhèn)建設(shè)空間布局、土地的生態(tài)管理以及重點(diǎn)地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)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(xué)參考。

(2)本文在生態(tài)用地識(shí)別方面，僅選取水資源、地質(zhì)災(zāi)害、生物多樣性3個(gè)重要的生態(tài)過(guò)程，出于對(duì)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(shí)別體系。生態(tài)用地的綜合識(shí)別應(yīng)盡可能強(qiáng)調(diào)因子的全面性和綜合性，而應(yīng)因地制宜地選擇關(guān)鍵因子的生態(tài)過(guò)程。此外，各單一生態(tài)過(guò)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(yáng)志云, 王效科, 苗鴻. 中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的初步研究. 生態(tài)學(xué)報(bào), 1999, 19(5): 607-613.

[3] 俞孔堅(jiān), 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(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 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(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2004, 12(2): 5-8.

[5] 蘇偉忠, 楊桂山, 甄峰. 長(zhǎng)江三角洲生態(tài)用地破碎度及其城市化關(guān)聯(lián). 地理學(xué)報(bào), 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(wù)動(dòng)態(tài)演變——以常州市為例. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(19): 5623-5631.

[7] 張林波, 李偉濤, 王維, 熊嚴(yán)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(xué)報(bào), 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(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 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(shí)別方法探討. 資源科學(xué), 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(xué)報(bào), 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(dòng)態(tài)變化研究. 測(cè)繪科學(xué), 2007, 32(6): 176-178, 98-98.

[12] 顏磊, 許學(xué)工, 謝正磊, 李海龍. 北京市域生態(tài)敏感性綜合評(píng)價(jià). 生態(tài)學(xué)報(bào), 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(jià)值評(píng)估. 自然資源學(xué)報(bào), 2003, 18(2): 189-196.

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

[15] 俞孔堅(jiān), 王思思, 李迪華, 李春波. 北京市生態(tài)安全格局及城市增長(zhǎng)預(yù)景. 生態(tài)學(xué)報(bào), 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?cái)U(kuò)展預(yù)案. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(5): 1524-1534.

[17] 俞孔堅(jiān), 李迪華, 劉海龍, 程進(jìn). 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(tái)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(jiān), 李迪華, 段鐵武. 生物多樣性保護(hù)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(xué)報(bào), 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(diǎn)物種的北京市生物保護(hù)安全格局規(guī)劃. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(16): 4266-4276.

[24] 俞孔堅(jiān). 生物保護(hù)的景觀生態(tài)安全格局. 生態(tài)學(xué)報(bào), 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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(lái).平頂山新區(qū)生態(tài)用地的識(shí)別與安全格局構(gòu)建.生態(tài)學(xué)報(bào),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.