基于景观生态安全格局的低丘缓坡土地资源开发利用——以四川省泸县为例

王旭熙，彭　立，苏春江，徐定德，陈田田

1 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041 2 中国科学院大学，北京 100049



基于景观生态安全格局的低丘缓坡土地资源开发利用
——以四川省泸县为例

王旭熙1,2，彭立1,*，苏春江1，徐定德1,2，陈田田1,2

1 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041 2 中国科学院大学，北京 100049

摘要:低丘缓坡土地资源开发是缓解人地矛盾、优化土地配置的有效途径。以四川省泸县为例，首先界定了低丘缓坡土地资源的范围，提取低丘缓坡土地资源面积共计331.71km2。然后基于ArcGIS空间分析模块，以生态用地保护为目的，选取土地覆盖类型与地形坡度为阻力因子，应用最小累计阻力模型建立泸县景观生态安全格局。通过与泸县低丘缓坡土地资源现状的叠加分析，对位于不同景观安全水平的低丘缓坡土地资源进行分类，将低丘缓坡土地资源分为优先开发型、适度开发型、限制开发型、禁止开发型4种类型，其面积分别为108.72、97.03、68.36、57.60km2，并分析各类型特征，提出了相应的低丘缓坡土地资源开发利用规划,旨在为研究区生态安全策略以及低丘缓坡土地资源的合理开发与利用等提供科学参考。

关键词：低丘缓坡；景观安全格局；最小阻力模型；土地资源开发

随着中国城镇化的快速推进，使得建设用地需求数量迅速上升，经济社会的发展与土地资源利用管理、生态环境保护之间的矛盾日益尖锐，已经成为了制约经济发展的重要因素。合理开发低丘缓坡土地资源能为建设用地拓展空间，有效保护耕地和节约集约用地，是当前解决用地矛盾的重要途径。因此，低丘缓坡土地资源的开发具有非常重要的现实意义。目前，关于低丘缓坡土地资源的研究已日益受到关注，其研究主要集中在低丘缓坡土地资源规划以及相关政策研究、低丘缓坡土地资源利用现状、土地资源开发适宜性等方面[1- 5]。由于低丘缓坡土地资源大多具有生态敏感性和生态脆弱性等特征，因而在其开发前应该优先识别与保护对维持区域生态安全具有至关重要作用的生态屏障，构建生态安全格局，从而促进区域可持续发展。

生态安全格局被认为是实现区域生态安全的基本保障和重要途径[6]。近10年，生态安全格局的研究受到我国学者高度关注，对区域生态安全格局的概念、理论基础和构建方法等方面进行了研究[7-10]，马克明等[11]提出了区域生态安全格局的概念、理论基础、设计原则与方法，适应了生态系统恢复和生物多样性保护的发展需求；俞孔坚等[6]基于景观安全格局理论，运用GIS和空间分析技术，构建了北京市生态安全格局网络；蒙吉军等[12]借助多目标化模型和空间分析技术，构建了鄂尔多斯市土地利用生态安全格局。其中，景观安全格局的构建是研究的重点和难点，如何针对景观安全格局、功能和过程之间的耦合关系，在空间上构建维护整个生态环境安全不可替代的景观组分，划分不同类型的生态安全功能区，是保障生态系统服务功能，缓解当前土地资源开发与生态环境保护之间矛盾的关键问题。

泸县位于四川南部丘陵区，属于川东平行岭谷地貌区，平原面积比重小，人口和产业多集中在山前小平原，拥有良好的低丘缓坡资源开发条件。随着泸县城镇化、工业化和农业现代化同步加速推进，耕地逐年减少，根据相关数据表明泸县从1996年到2010年间，耕地面积净减少了4502.41hm2，减少2.94%，年均减少450hm2，县人均耕地0.045hm2，低于四川省平均水平(0.074hm2/人)，而对新增建设用地需求量越来越大。根据近几年泸县用地需求实际情况来看，平均每年需求约400hm2，则至2020年新增建设用地总需求为3200hm2，而《四川省泸县土地利用总体规划(2006—2020年)》中规定2020年泸县尚能供给的新增建设用地规模共计2556.65hm2，不能满足需求，亟需合理开发利用低丘缓坡土地资源，缓解用地矛盾。因此，本研究以泸县为研究区域，利用GIS空间分析技术和景观安全格局理论方法，提出不同生态安全水平的低丘缓坡土地资源用地规划，为研究区低丘缓坡土地资源的合理开发提供理论依据，促进区域土地资源持续性利用。

1研究区概况

泸县位于四川南部丘陵区，属于川东平行岭谷地貌区，界于105°10′50″—105°45′30″E，28°54′40″—29°20′00″N之间，海拔215—757m，行政管辖19个镇，全县总面积1532km2，多丘陵山区，全县雨量充沛，四季分明，无霜期长，雨热同季，冬暖春早，年均气温17.8℃，年日照时数1434.2h，年降水量1142mm，属南亚热带兼季风型气候。2010年年末全县总人口108.57万人，城镇化率为30.4%。

对各类土地利用现状分析表明，泸县土地利用中存在的问题一是建设用地需求量增加，人地矛盾日益突出。泸县从2005年到2012年间，建设用地面积净增加了2749.72hm2，增加13.20%，年均增加549.94hm2。至2012年人均建设用地0.019hm2，约低于四川省平均水平(0.020hm2/人)。二是耕地后备资源不足。适宜开发的耕地后备资源不足，可开发的面积有限，开发难度较大，并且基本上只能开垦为旱地，水田后备资源稀少。

图1　研究区位置Fig.1　Location of the study area

2数据和研究方法

2.1数据来源与处理

本研究中土地利用土地利用类型分布数据的获取以卫星影像为信息源，2007年版《土地利用现状分类》(国家标准)，结合泸县土地利用景观类型结构特点，将土地利用类型划分为：耕地、园地、林地、牧草地、居民点及工矿用地、交通运输用地、水域与未利用地等8种类型，最终建立研究区土地利用属性数据库。坡度和坡向则利用ArcGIS10.0软件的分析功能由DEM生成。

2.2低丘缓坡土地资源范围界定

在地貌学上，丘陵通常被定义为海拔高度在500m以下，相对起伏在200m以下坡度较缓、连绵不断的低矮隆起高地[13]。而目前国内对于对低丘缓坡土地资源概念表述研究较少，且现有的研究中对于低丘缓坡土地资源概念表述具有比较明显的地域性，不同研究区有不同的界定。陈军等[14]指出低丘缓坡是指海拔在250m以下，坡度小于25°的平缓坡地，它通常集中分布在盆地底部河谷平原与周围山地之间的过度地带。刘卫东等[2]指出低丘缓坡土地是坡度在25°以下，面积大于2hm2，且集中连片的缓坡度，主要包括荒草地、低效林地、废弃园地等多种土地后备开发资源；王志清等[3]认为广义低丘缓坡是指海拔300m以下(包括丘陵和山地)，坡度5°—14°的山坡地，狭义低丘缓坡是指海拔低于300m的丘陵区坡度，5°—14°的山坡地，两者分别扣除其中已有的建设用地、划入基本农田保护范围的土地、生态公益林用地、湿地水域面积、优质农产品的原产地保护面积和坡度25°以上的面积后，余下的面积即为广义或狭义可供建设用地面积。从上述表述中看出对于低丘缓坡土地资源的定义主要是从海拔、坡度、面积、开发利用实际等4个方面界定的。但实际上，由于研究尺度的差异，关于低丘缓坡资源的界定和大的地貌背景是密切相关的，从以上几个方面对不同的地貌区低丘缓坡进行界定也存在一定的局限性。如某一地块所处的海拔高度属于宏观条件，而对于该地块土地资源的开发利用属于微观行动，两者之间没有绝对的联系，并且中国东西海拔差异较大，对海拔的规定不适宜青藏高原、云贵高原等高海拔地区，用海拔作为低丘缓坡的界定要素存在一定的不合理性。从坡度的范围划分来看，各研究区域差异较大，其中以25°作为低丘缓坡土地资源坡度限定的上限是比较合理的，也是《中华人民共和国水土保持法》等法律法规中所规定的禁垦坡度，而对于低丘缓坡土地资源坡度下限没有统一的合理界定。

本研究依据上述相关原则和泸县低丘缓坡土地资源开发相关规定，选取海拔500m以下，坡度为6°—25°的区域为低丘缓坡(图2)。然后，本研究从土地开发的实际情况、开发成本和经济效率等角度出发，对提取的区域进行修正，主要考虑地块大小和坡度两个因素，面积较小限制土地开发规模，降低经济效益，同时造成空间布局分散，资源不能集中分配；地形坡度大的地区，开发难度大，而且危险隐患造成的后期防护和治理成本高。最后，结合泸县实际情况(属于川南丘陵区)，研究区大部分耕地都分布在2°—10°，在上面选取的低丘缓坡土地资源基础上，选取坡度为10°—25°，地块面积大于2hm2的区域作为研究区低丘缓坡的开发后备资源(图2)。利用ArcGIS10.0软件分析完成。

图2　泸县低丘缓坡资源分布与土地利用现状Fig.2　Distribution and land utilization present situation of low-slope hilly region in Luxian County

2.3研究区景观生态安全格局分析

2.3.1源地的确定

“源”是事物或事物向外扩散的起点和基地，具有内部同质性和向四周扩张和吸引的能力[15]，是指在格局与过程研究中，能促进生态过程发展的景观类型。本研究中泸县景观安全格局的功能划分是以保护生态用地为目的，尤其是对大片连块的林地和水源的保护。因此，泸县进行生态安全源地的确定，一方面借鉴相关的研究结果，另一方面，结合泸县森林资源分布特征以及泸县内河流属于长江水系，筛选出面积>20hm2的空间上具有连续性的核心林地和水域作为生态保护源地。

2.3.2阻力面的建立

生态用地间的联系是对空间水平方向的竞争性控制和覆盖过程，它是通过克服阻力来实现的，其阻力面反映了生态用地空间连通的趋势[15]。本研究采用理论地理学中表面模型——最小累计阻力模型来建立阻力面，这一模型考虑源、距离和景观介面特征3个因素，基本公式如下：

这一公式根据Knaapen等人的模型和GIS中常用的费用距离修改而来[7,16]。其中f是一个未知的正函数，反映空间任一点的最小阻力与其到所有源的距离和景观基面特征的正相关关系[7,12]。Dij代表从空间中某景观单元i到源j的实地距离，Ri是某一景观i的阻力值。尽管函数f一般是未知的。但(Dij×Ri)之累计值可以被认为是从源到空间某一点的某一路径的相对易达性的衡量。其中从所有源到某点阻力的最小值被用来衡量该点的易达性。模型计算主要利用ArcGIS10.0软件的空间分析模块完成。

2.3.3不同安全水平的景观组分识别

不同安全水平的阻力面的范围和边界的确定是通过阻力面中阻力等值线突变处来确定的[17]，本研究根据不同阻力等级的发展阈值，将研究区的景观生态阻力面分析图进行重分类，划分出不同安全水平的景观生态区。然后，将图层与提取的低丘缓坡土地资源斑块图层叠加，得出低丘缓坡土地资源景观安全格局，了解低丘缓坡土地资源开发现状与未来发展方向。

3结果与分析

3.1泸县低丘缓坡土地资源

利用ArcGIS空间分析工具，得出海拔500m以下，坡度6°—25°的泸县低丘缓坡土地资源总量为872.72km2，占土地总面积的56.91%，根据低丘缓坡土地资源调查结果(表1)，耕地是泸县的主要土地资源类型，面积为552.20km2，占低丘缓坡总量的63.27%；其次是林地、居民点及工矿用地、水域、园地、牧草地、交通用地、未利用地，其面积分别占16.01%、12.24%、3.74%、3.31%、0.45%、0.09%。

从土地开发的实际情况、开发成本和经济效率等角度出发，主要考虑了地块大小和坡度两个因素，对提取的低丘缓坡区域进行修正，最终得到泸县低丘缓坡土地资源总量为331.71km2，占土地总面积的21.65%，土地资源类型以耕地为主，占低丘缓坡总量的53.22%，林地、居民点及工矿用地、园地、水域、牧草地、交通用地、未利用地的面积分别占27.62%、9.96%、4.46%、2.6%、0.41%、0.11%。

3.2泸县景观生态安全格局

3.2.1保护源地的确定

本研究结合泸县森林资源分布特征以及泸县内河流属于长江水系，筛选出面积较大空间上具有连续性的核心林地和水域作为生态保护源地。用ArcGIS10.0软件提取相应图层，保护“源”的总面积为77.18km2，占研究区总面积的5.04%。

3.2.2阻力面的建立

坡度和土地覆盖类型是生态保护源地向外扩散中所遇到的阻力主要来源[18]。相关研究表明[19- 20]，随着坡度的增加，发生水土流失的机率增加，景观保护阻力变大；土地覆被类型与源地中景观特征越接近，其对生态流的阻力就越小；而受人类干扰较大的覆被类型，其对源地内生态流的阻力就越大。因此，本文以坡度和土地覆被类型作为阻力因子。(1)坡度因子分级。根据研究区坡度大小与水土流失强度的关系，将坡度分为4级：平缓坡0°—15°；斜坡15°—25°；陡坡25°—35°；极陡坡>35°；相对阻力值大小顺序为：平缓坡<斜坡<陡坡<极陡坡。(2)土地覆盖因子分级：本文在参照同类相关研究所采用的分级标准的基础上，结合专家经验判断各景观类型的相对阻力值大小为：林地<水域和未利用地<牧草地<耕地和园地<交通用地、居民点及工矿用地。各因子相对阻力分值的赋予通过专家打分获得(表2)。

表2　泸县景观生态安全格局阻力系数及其权重

利用ArcGIS10.0软件空间分析中的RasterCalculator工具，进行不同要素阻力值得叠加分析，得到研究区源地扩张的生态环境阻力值(图3)。依据图3阻力表面，利用ArcGIS10.0空间分析中Costdistance模型，得到最小累计阻力分布图(图4)。从图4看出，离源地越近，阻力值越大；反之越小。

图3　泸县源地扩张的生态环境阻力分布　Fig.3　Distribution of the ecological environment resistance of Source area expand in in Luxian County

图4　泸县区源地扩展最小阻力分布　Fig.4　Distribution of minimal cumulative resistance of Source area expand in in Luxian County

3.2.3泸县不同安全水平的景观组分识别

图5　泸县景观安全格局Fig.5　Landscape security pattern in Luxian County

根据不同阻力等级的发展阈值，利用ArcGIS10.0空间分析将研究区的景观生态阻力面分析图进行重分类，划分出不同安全水平的景观生态区(图5)。

(1)低安全水平区。该区由源地组成，是维护区域生态系统平衡的核心地带，对区域水源涵养、生物多样性保护、水土保持等起重要作用。对于该区域应加强建设和完善生态廊道、生态节点，把这些区域划分为生态保护的重点区域，禁止开发。

(2)较低安全水平区。它即是景观安全格局中保护源地恢复或扩展的缓冲区地带，又是核心源地之间联系的重要通道，对于维护源地的生态稳定性具有重要作用。该区应划分为限制开发区域，加强生态环境保护，构建生态源地保护屏障。

(3)中等安全水平。该区域处于生态缓冲带和人类活动区的过渡地带，对人类的开发和干扰敏感度相对较低，具有一定的抗干扰能力。该区域划分为适度开发区域，在不影响源地景观稳定性的情况下，适度开发土地资源，优化土地资源配置。

(4)高安全水平区。该区对于保护“源”的扩展相对阻力较高，对于人类的开发和干扰敏感性不高，抗外界干扰能力强。把这些区域划为优先开发区域，应协调土地利用与生态建设，形成合理的景观布局，营造人类宜居环境。

3.3泸县低丘缓坡土地资源开发类型及用地规划

图6　泸县低丘缓坡土地资源开发类型图　Fig.6　Land resource development type of low-slope hilly region in Luxian County

图7　泸县低丘缓坡土地资源用地规划　Fig.7　Land use planning of low-slope hilly region in Luxian County

将研究区景观安全格局与界定的低丘缓坡土地资源现状进行叠加，根据景观安全水平，把研究区低丘缓坡土地资源开发类型划分优先开发型、适度开发型、限制开发型、禁止开发型4种类型(图6)，各种类型的低丘缓坡土地资源面积及其比例见表3所示。从表3得出，泸县范围内处于高安全水平状态的低丘缓坡土地资源面积总量最大，其面积共计108.72km2，占低丘缓坡土地资源总量的32.78%，开发类型为优先开发型。位于中等安全水平的低丘缓坡土地资源面积总量次之，其面积为97.03km2，占低丘缓坡土地资源总量的29.25%，开发类型为适度开发型。位于较低安全水平的低丘缓坡土地资源面积总量为68.36km2，占低丘缓坡土地资源总量的20.60%，开发类型为限制开发型。位于低安全水平的低丘缓坡土地资源面积总量最低，其面积为57.60km2，占低丘缓坡土地资源总量的17.36%。并依据泸县土地利用、土地整治相关规划，提出各类型用地规划(图7)。

(1)优先开发型。该类型低丘缓坡土地资源主要以耕地和林地为主，未利用地较少。相对于其它3种类型低丘缓坡土地资源，居民点及工矿用地最多。因此，该类型低丘缓坡土地资源的开发利用，除了合理开发利用未利用地外，需按照泸县土地利用、整治相关规划对耕地、居民点及工矿用地进行整治。根据《四川省泸县土地利用总体规划(2006—2020年)》中针对泸县农村居民点布局分散且占地较多的现状提出的关于在福集镇、太伏镇、海潮镇、立石镇、毗邻镇等各镇实施土地综合整治工程、土地复垦工程等相关措施，并结合泸县低丘缓坡的空间分布，建议在低丘缓坡开发利用时划定出相应的土地整治区(图7)，提高低丘缓坡土地资源开发潜力。依据《泸县国民经济和社会发展第十二个五年计划纲要》提出的提升城西工业园区，打造临港经济园区的目标，建议因地制宜地对区域内低丘缓坡土地资源进行开发，进而缓解建设用地压力。

(2)适度开发型。该类型低丘缓坡土地资源主要以农耕地为主，城镇化的快速发展势必会引起大量优质农地被占用，为了解决城镇扩张与耕地红线保护之间的矛盾，对于此类型的低丘缓坡土地资源利用，应该对零星耕地、田坎、田间道路等进行调整，提高低丘缓坡土地资源开发潜力，缓解建设用地压力，并通过不断完善农田人工廊道系统、形成人工建设区和农业耕作区交错分布的景观布局，提高农业生产的效益。按照因地制宜、合理开发的原则，稳步实施土地开发工程，加强农田基础设施建设；抓好废弃地和塌陷地复耕工程。

(3)限制开发型和禁止开发型。该类型低丘缓坡土地资源主要分布在泸县薄刀岭、黄瓜岭、龙贯山山脉，处于地质条件脆弱或水源涵养区，对于区域生态环境保护具有重要作用。因此，该区域应限制低丘缓坡土地资源开发(特别是禁止开发型土地资源)，保存原有植被，并对已经被人类改造利用的关键土地资源采取相应的生态恢复措施，构筑泸县生态屏障。另外，限制开发型低丘缓坡土地资源主要以农耕地为主，较低水平生态安全格局下进行农业活动，将存在地表水污染、水土流失等隐患，应适当缩减耕地，推进耕地退草、退林等生态退耕措施，以及建立土地复垦区。

表3　泸县低丘缓坡土地资源开发类型结果统计

4结论

随着中国城镇化的快速推进，建设用地与生态环境保护用地之间的矛盾日益尖锐，低丘缓坡土地资源开发对于缓解这一矛盾起着重要作用。本研究从土地开发的实际情况、开发成本和经济效率等角度出发，主要考虑地块大小和坡度两个因素，界定了研究区低丘缓坡土地资源的范围，共提取低丘缓坡土地资源面积达331.71km2。然后以生态用地保护为目的，选取土地覆盖类型与地形坡度为阻力因子，应用最小累计阻力模型建立泸县景观生态安全格局，这为研究区生态安全策略提供了重要参考。

本研究在上述分析的基础上，将研究区景观安全格局与界定的低丘缓坡土地资源现状进行叠加分析，对不同景观安全水平的低丘缓坡土地资源进行分类，将低丘缓坡土地资源类型分为优先开发型、适度开发型、限制开发型、禁止开发型4种类型，其面积分别为108.72、97.03、68.36、57.60km2，并依据泸县土地利用、土地整治相关规划，提出各类型用地规划，这为低丘缓坡土地资源合理开发提供了重要科学依据。

本研究对低丘缓坡土地资源开发安全格局的研究，主要考虑了土地资源的自然属性，而没有考虑低丘缓坡土地资源的社会经济属性，需进一步考虑土地社会经济属性如土地资源人口承载力、土地的生产潜力、土地的经济效益等，优化低丘缓坡土地资源开发格局。另外，目前有关阻力系数的确定没有一个明确的方法，在已有的相关研究中，阻力系数的确定很多都采用专家经验打分法[7,15,19]，本研究中景观生态安全格局阻力系数及其权重的确定也是参考已有的研究成果基础上采用专家打分的方式得到。但这种赋值方式较为主观，直接影响了评价结果的客观性，因此，在今后的研究过程中还需考虑引入一些数学方法改进阻力赋值方式。

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收稿日期:2015- 06- 29;

修订日期:2016- 01- 14

*通讯作者

Corresponding author.E-mail: pengli@imde.ac.cn

DOI:10.5846/stxb201506291340

Developmentandutilizationoflow-slopehillylandresourcesbasedonalandscapesecuritypatterntheory:acasestudyinLuxianCounty,SichuanProvince

WANGXuxi1,2,PENGLi1,*,SUChunjiang1,XUDingde1,2,CHENTiantian1,2

1 Chengdu Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Abstract：The development and utilization of land resources were undertaken as an effective way to relieve the contradiction between increasing population and limited land, and also as an effective way to formulate optimize land distribution. Taking Luxian County which located in Sichuan province as a case study, the scope of low-slope hilly land resources was first defined in this study, and the extracted low-slope hilly land resources with an area of 331.71 km2. Then, to achieve the goal of ecological land protection, land cover types and slope as resistance factors were selected, and the minimum cumulative resistance model was applied to build a comprehensive landscape security pattern of critical ecological land in study area, and all the works were based on the ArcGIS spatial analysis module. Based on the spatial overlay analysis of landscape security patterns and the land use status of low-slope hilly land resources in Luxian County by ArcGIS, the landscape ecological security levels of low-slope hilly land. Based on these levels were determined, low-slope hilly land resources were divided into the following four levels: priority, moderate, limited, and prohibited developments, their areas were 108.72， 97.03， 68.36， 97.03 km2, respectively. Afterwards, the characteristics of each resource type and proposed corresponding development and utilization plans for low-slope hilly land resources were analyzed. (1) Priority development resources are mainly composed of cultivated land and forest and unused land. This resource type has more settlements and mining sites than other types. Therefore, integrated renovation is required to repair cultivated land and the settlements and mining sites, based on related regulation and planning of land use in the study area, to promote the exploration of potential of low-slope hilly land resources and alleviate the pressure on construction land. (2) Moderate development resources are mainly composed of farmland; in order to resolve the competition between urban expansion and red line protection of arable land, it is necessary to improve the allocation of scattered farmland, ridges, and field roads, and to increase the efficiency of agricultural production by protecting the farmland artificial corridor system. (3) Limited development and prohibited exploration resources are mainly distributed in the Bodaoling, Huanggualing, and Longgushan mountains; they play an important role in regional ecological environment protection. Therefore, low-slope hilly land resource development in these regions should be limited, maintaining the original vegetation, and ecological restoration measures should be taken in accordance with the levels of land use. Therefore, our results can provide a scientific basis to ecological security strategy in the study area and the development and utilization of low-slope hilly land resources.

Key Words:low-slope hilly; landscape security pattern; minimum cumulative resistance model; land resources development

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