基于GIS的山地区土地生态安全格局构建

李 剑，李长安，蔡 松

（1.中国地质大学（武汉）地球科学学院，湖北 武汉 430074；2.湖南省地质环境监测总站，湖南 长沙 410007）

2000年国务院发布《全国生态环境保护纲要》，并提出了生态用地概念及其相关的保护措施。此后，众多专家和学者针对生态用地及其生态安全展开了大量的研究，其中探讨生态保护与建设用地布局的关系也成为学术界研究的热点，如俞孔坚等人构建了北京市综合生态安全格局，预测了未来城镇用地的合理组合模式[1]；高永年等人以湖州市为例，提出将不同水平的生态用地分区作为用地空间管制的依据[2]；苏泳娴等人以佛山市高明区为例，进行生态功能分区，提出了建设用地布局的优化方案[3]。但诸多的研究对象主要集中在平原区或丘陵区，而以山地区为研究对象来探析符合山地区特点的建设用地规划分区、规模与布局等研究相对较少[4]。因此，从生态安全视角来开展山地区建设用地布局优化的讨论将具有较为重要的指导意义。

张家界市作为典型的山地区，具有得天独厚的山地旅游资源，但市域建设用地规模与布局受地形条件、地质灾害等多重因素的制约。特别是近年来，随着其旅游业的快速发展，生态安全受到一定程度的挑战。本文以张家界为典型研究区域，结合张家界市域的主要特征和土地增长需求，采用GIS空间分析技术，通过重要生态用地识别，来构建符合区域风貌特色的生态安全格局，在此基础上进行用地分区，并提出建设用地布局策略。

1 研究区概况

张家界市旧称“大庸”，隶属湖南省，1988年5月设立为地级市，1994年更名为张家界。市域位于湘西北、云贵高原余脉武陵源山区，属澧水中上游，坐标范围为28°52ˊ～29°25ˊN、110°04ˊ～110°55ˊE。全市辖武陵源区、永定区、慈利县和桑植县4个县（区）（图1），土地总面积9 533.78 km2。张家界因旅游而建市，以其独特优美的旅游资源闻名于中外，其中武陵源风景名胜区被列入我国的首批世界地质公园、世界自然遗产地之一[5]。

张家界市处于洞庭湖沉降与云贵高原隆起的结合部，地形复杂，地貌类型多样。区域以山地为主，整体地势西、南和北部高，中部低，东北向较低缓。市域内山脉海拔大多在600～1 200 m，其中区内群峰之冠为天门山，高1 517 m。市域属澧水水系，规模较大的河流有澧水河及其支流溇水河，其次为山涧小河。河流呈树枝状分布，山区河谷多为“V”型，源近流短，水流变化较大[5]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文的数据来源主要包括：张家界市2015年DOM遥感影像图、2015年乡镇地籍变更数据、张家界市土地利用总体规划（2006～2020年）、1∶50 000地形图以及水源保护区规划、自然保护区规划、地质公园规划及1∶100 000地质灾害调查等资料。土地分类按照《土地利用现状调查技术规程》进行，将研究区划分为城镇工矿、居民点、其他建设用地以及耕地、林地、园地等地类。

2.2 研究方法

生态用地是指生态环境较为脆弱、生态敏感性较高或具有重要生态服务功能，对区域生态起关键性影响的土地单元。根据张家界市的自然生态特征，本文首先从单因子影响的角度识别生态用地，即选择生物多样性保护、地质灾害规避以及水资源安全等3个因子分别进行生态用地识别。然后将其结果进行综合叠加，把研究区的生态用地划分为高度敏感区、较高敏感区、中度敏感区和低度敏感区4个级别；最后借助最小阻力模型，将重要生态用地与我国相关标准、法律法规所规定的禁建区作为“源”，构建不同程度的生态安全格局，在此基础上再提出建设用地布局建议。

2.2.1 基于单因子的生态用地识别

1）生物多样性保护用地识别。根据谢高地等人提出的生物多样性服务当量理论[6-7]，每种地类单位面积内所能提供生物多样性保护相对贡献大小的潜在能力是存在区别的。因此，依据研究区不同地类可直接计算出各单元生物多样性的服务价值，并对其保护级别予以修正，进而实现生物多样性保护用地的识别。其计算公式为：

式中，S表示各地类的生物多样性服务价值；L、N与M分别表示地类、生物多样性服务当量、修正后的保护级别值，其中森林公园、世界遗产保护区等国家级和省级保护区用地赋值为1.5；高程800 m以上（含800 m）的林地赋值为1.25；其他用地赋值为1.0。通过GIS空间分析，计算研究区各地类的S值，运用自然断裂法获得全市生态用地敏感区。

2）地质灾害规避用地识别。崩塌、滑坡为研究区主要的地质灾害类型，其主要影响因素包括地形起伏度、坡度、海拔高程以及人类活动强度等。借鉴前人在地质灾害方面的研究成果[9]，叠加张家界各县区1:100 000地质灾害调查分区成果，利用ArcGIS10.1的空间分析功能，分别以敏感值150、120、100作为其分区的断裂点，获得全市地质灾害规避敏感性区。

3）水资源安全用地识别。参考水资源安全评价相关研究成果[8]，选取饮用水源与涵养水源保护区、重要地表水源区、洪水调蓄区等3个指标作为水资源的安全评价因子。饮用水源与涵养水源保护区依据张家界市各类专项规划来确定。重要地表水源与洪水调蓄区则借助ArcGIS10.1缓冲区分析获得。将水资源安全识别的3个指标进行叠加，依据“木桶原理”获得水资源安全敏感区。

2.2.2 基于综合分析的生态用地识别

基于Forman教授的景观规划原理[10]，并借鉴俞孔坚等学者关于生态安全格局构建研究的理论及其实践[11-12]，本文运用ArcGIS10.1的加权总和工具，将单因子生态用地分区结果等权重进行叠加分析；运用自然断裂法将叠加结果进行归类，最终将研究区划分为4个级别的生态用地，分别为高度敏感区、较高敏感区、中度敏感区和低度敏感区。

2.2.3 生态用地安全格局构建

相关的研究表明[8,13-15]，各生态保护源地与现状地类越接近，其运动所耗费的阻力值（即生态流的阻力值）就越小，反之愈大。本文利用Knaapen等人所提出的最小累计阻力模型[16]，将相关法律法规所规定的底线型生态用地以及极重要的生态用地作为“源地”（即禁建区），以地类为阻力因子，计算不同地类的阻力系数（表1）。然后运用ArcGIS10.1的空间分析功能，计算出各生态保护源地与各地类之间的费用距离，最终获得“源地”的最小累积阻力面。依据阻力面的空间特征，对基于综合分析的生态用地识别结果进行修正，最终构建张家界市极重要、重要、一般重要和其他等4种不同水平的土地生态安全格局。

表1 不同地类的阻力系数

2.2.4 基于生态安全格局的建设用地分区与建议

在生态安全格局分区的基础上，结合乡镇发展的经济等因素，以自然乡镇界线为分区边界，将全市划分为优先发展区、适度发展区、控制发展区以及禁止发展区，并提出相关用地建议。

3 结果与分析

3.1 生态用地综合分区结果

3.1.1 单因子生态用地的识别

经过分析，全市生物多样性保护生态用地中(表2和图2a)，高敏感区域土地面积为5 173.42 km2，占规划区总面积54.26%，主要分布于八大公山森林公园等植被、野生动物种类繁多的区域。全市地质灾害规避生态用地方面（表2和图2 b），高敏感区土地面积为390.71 km2，所占比例为4.10%，主要是崩塌与山体滑坡等地灾易发区。全市水资源安全生态用地中（表2和图2c），高度敏感区域土地面积276.26 km2，所占比例为2.90%，分布于澧水流域、溇水等重要的地表水源涵养区。

表2 张家界市单因子分析生态用地分级

3.1.2 多因子综合分析的生态用地分级

运用自然断裂法，在ArcGIS10.1软件中叠加上述结果进行分类整理（表3和图2d），得出全市高度敏感区即底线型生态用地，即张家界市规划区生态保护核心区域面积2 729.50 km2，占全市土地总面积的比例为28.63%。

表3 张家界市综合因子分析生态用地分级

图2 张家界市域单因子生态用地敏感性识别与综合生态用地分布

图3 生态用地安全格局

图4 建设用地分区建议

3.2 生态用地安全格局的构建

根据土地生态安全格局分析结果（图3），全市极重要的生态安全用地总面积为6 281.53 km2，占总面积的65.89%，是张家界市生态系统服务的核心区域。此区域应加强对原有生态用地和资源的保护，严禁对生态保护区功能构成威胁的各项建设活动。重要以及一般重要的生态安全用地总面积为 3 252.25 km2，占34.11%，该区域应作为未来张家界市规划区生态基础设施培育区，同时也是全市严格的限制建设区，要严格控制城镇、工矿在区内的开发强度与用地方向。扣除极重要、重要以及一般重要性的生态安全用地，全市可用建设用地为719.08 km2。根据张家界市土地利用总体规划（2006～2020年）实施情况，截至2014年底张家界全市建设用地现状为362.27 km2。因此，从生态安全的角度来看，未来一定时间内，可供张家界全市建设的用地空间较为充裕。

3.3 基于生态安全格局的建设用地布局建议

在生态安全格局构建的基础上，结合全市各乡镇交通条件、经济发展水平、资源禀赋等情况，从建设用地布局优化角度，将全市土地划分优先发展区、适度发展区、控制发展区和禁止发展区四类区域（图4），并提出相应的建设用地布局建议。

1）优先发展区。该区地貌以河谷平原为主，包括全市各县区的现有城镇建成区，以及澧水及其支流溇水河谷地带的延伸地带。该区人口集中，也是旅游、城镇的集中区，但因人为频繁干扰而导致生态整体功能不强等环境问题。该区建设用地布局建议是：①要通过内部挖潜提高土地使用率，努力使交通设施、居民住房向立体方向发展；②要合理整合城乡建设，注重人工与自然环境的融合发展，使城乡建设和发展符合生态环境保护的需要。

2）适度发展区。该区主要分布在市域东部，包括慈利中、东部和武陵源区的南部地区，另外还包括永定东部与东南部。该区高程较低、生态系统较稳定、承受外界干扰能力相对较强，但如果利用不当也易造成环境问题。该区建设用地布局建议是：要遵循生态保护和有效开发并重原则，恢复退化土地、治理水土流失，加强生态环境的全面保护；应控制区域内开发强度，尤其是控制建设用地规模和时序。

3）控制发展区。该区主要包括贯穿全市的河流、大中型水库及其周边的湿地。该区在人为活动的干扰下较易造成水土流失等。该区建设用地布局建议是：要正确处理好旅游开发与保护的关系，避免对植被和水体的破坏；加强水源水质的保护，构建以主要河网为骨架的水源涵养林带和景观生态廊道。

4）禁止发展区。该区主要包括以武陵源区为中心的武陵山、猪石头林场、天门山森林公园以及以八大公山自然保护区为核心的山地、桑植东北与慈利西北交接处山地、慈利东部五雷山风景区，同时还包括慈利的江垭水库和桑植的双泉水库及其缓冲区。该区域生态环境脆弱，在自然或人为活动破坏情况下易导致生态环境问题。该区建设用地布局建议是：坚持保护为主的原则，要建立各级各类自然保护区，禁止向水源保护区排放污染物；坚持在优先保护和控制游客总量等措施的前提下发展旅游。

4 结 语

以张家界市为研究区，借助GIS空间分析技术，选取生物多样性、地质灾害规避和水资源安全等3个主要因子进行综合分析，将区域土地分为高度敏感区、较高敏感区、中度敏感区和低度敏感区4种类型。利用最小累积阻力模型，将法律法规所规定的底线型生态用地与极重要生态用地作为“源”，构建不同安全水平的生态安全格局，将全市土地分为优先发展区、适度发展区、控制发展区及禁止发展区。该研究方法的运用，弥补了传统可建设用地布局过程中仅考虑经济发展等因素而忽视生态保护的弊端。研究方法具有较强的可操作性和科学性，对山地区优化建设布局、形成城市特色风貌等均具有直接的借鉴作用。同时，本文在确定了张家界市不同安全水平的生态用地后，有针对性地提出区域建设用地优化布局建议，这些措施对山地区的生态保护、区域空间规划的编制、防止各类建设用地无序蔓延均具有较强的借鉴作用。