1、吉首市东部新区生态安全格局的构建研究 曾海华 戚智勇 姚瑶 江光光 中南大学建筑与艺术学院 吉首大学土木建筑学院 摘 要： 城市新区在开发前通常具有良好的生态环境和丰富的自然资源, 为了尽可能的降低新区的开发建设对当地生态自然环境的影响, 本文以吉首市东部新区为例, 利用 GIS 和遥感空间技术, 结合最小阻力累积模型、叠加分析等方法确定研究区的“源地”、生态廊道、战略点、缓冲区和新区三种生态用地的范围等, 进而构建吉首市东部新区高中低三种生态安全格局, 以优先识别并保护新区关键性生态区域。分析结果表明:新区内底线型生态用地面积为 5.4km2, 占整个研究区面积的 15.4%;缓冲型和理想型
2、生态用地面积分别为 17.4km2和 7.5km2。通过构建新区生态安全格局, 为促进城市的空间布局规划、生态规划、保护当地良好的自然生态资源等都具有重要的意义。关键词： 生态安全格局; 生态用地; 生态敏感性; GIS; 作者简介：曾海华 (1990-) , 男, 湖南郴州人, 中南大学建筑与艺术学院城乡规划学硕士研究生, 研究方向:生态规划、区域规划;作者简介：戚智勇 (1980-) , 男, 湖北黄梅人, 中南大学建筑与艺术学院副教授, 研究方向:城市生态与环境、生态规划、城市绿化;作者简介：姚瑶 (1994-) , 女, 湖南长沙人, 吉首大学土木建筑学院城市规划专业学生;作者简介：江
3、光光 (1992-) , 男, 江西吉安人, 中南大学建筑与艺术学院硕士研究生, 研究方向;城市设计。Study on the Construction of Ecological Security Pattern in Eastern New District of Jishou CityZeng Haihua Qi Zhiyong Yao Yao Jiang Guangguang Abstract： Urban New District usually have good ecological environment and abundant natural resources befor
4、e they are developed, In order to reduce the impact of the development and construction of the new area on the local ecological environment as much as possible, This paper takes the eastern new district of Ji Shou city as an example, Using GIS and remote sensing space technology, combined with minim
5、um resistance accumulation model and superposition analysis method to determine the area “source“, ecological corridor, strategic point, buffer and district three ecological land area etc.Then, three kinds of ecological security patterns of high school and low level in the eastern New District of Ji
6、shou are constructed to identify and protect the key ecological areas in the new district.The results showed that the ecological land area of the new district was 5.4 km2, accounting for 15.4% of the whole area of the research area, and the buffer and ideal ecological land area were 17.4 km2 and 7.5
7、 km2 respectively.Through the construction of the ecological security pattern of the New District, it is of great significance to promote the citys spatial layout planning, ecological planning and the protection of the local natural ecological resources.Keyword： ecological security pattern; ecologic
8、al land; ecological sensitivity; GIS; 1 引言新区的建设带动区域经济发展的同时也影响着区域地质、水、生物等生态环境。水资源的安全、基本农田的吞噬、生物栖息地的破坏等问题依旧严峻。城市生态安全格局 (Ecological Security Pattern) 是维系城市生态环境和自然生命支持系统的关键性格局, 它维护城市生态系统结构和过程健康与完整, 维护区域与城市生态安全, 是实现精明保护与精明增长的刚性格局, 也是城市及其居民持续地获得综合生态系统服务和健康生态环境的基本保障1。本文以吉首市东部新区为例 (后称研究区) , 从生态需求出发, 利用 GIS
9、和 ENVI 空间分析平台, 探索识别城市新区在开发建设前的关键性生态用地和构建研究区的生态安全格局, 以实现保护生态环境和区域可持续发展。2 研究区概况与研究方法2.1 研究区概况吉首市东部新区位于湖南省吉首市东部, 地理坐标北纬 28082829、东经 1093011004, 总面积为 34.7km。G65、县道 047、新晖路穿境而过。研究区属于中低山丘陵地貌, 地质条件较差。区内有大庭水库、大古垅水库、双吉森林公园等为代表的自然山水景观, 构成研究区良好的自然生态基底。2.2 数据来源与处理本研究所采用的数据主要包括研究区的 2016 年高分一号 WFV 卫星遥感影像数据、2016 年
10、土地利用现状图、1:10000 的 CAD 地形图、湘西自治州地质灾害点分布及易发分区图、土地利用现状调研数据以及水源保护区等数据。首先利用 ENVI5.3 对遥感影像几何校正, 再利用校正后的数据与研究区地形图、土地利用规划图进行几何精确校正。坐标系采用 Tansverse Mercctor 投影, Krasovsky 椭圆球体, 中央经线 108E。然后再利用 ENVI5.3 和 GIS10.2 软件平台获取研究区植被覆盖度、土地覆被、DEM 等数据, 最终建立研究区专题数据库。表 1-红嘴鸥栖息地适宜性分析 下载原表 表 2-地质灾害评价指标及其敏感性赋值标准 下载原表 表 3-水资源安
11、全评价因子及其敏感性划分标准 下载原表 2.3 研究方法首先基于生物多样性保护、地质灾害敏感性、水资源安全、农田用地适宜性的单一生态过程, 分析得到各单一因子的不适宜、一般适宜、适宜、极适宜或不敏感、一般敏感、较敏感、敏感 4 个等级生态用地;再把分析的结果利用 GIS 的栅格计算机进行等权计算, 从而得到理想型生态用地、缓冲型生态用地和底线型生态用地, 选取底线型生态用地作为源, 以保护生物和挖掘潜在的生态用地为目标, 利用最小阻力模型、GIS 水文分析和空间分析构建研究区的生态廊道、战略点、缓冲区等。最终得到研究区低中高三个级别的生态安全格局。3 吉首市东部新区生态安全格局的构建3.1 单
12、因子生态用地敏感性分析3.1.1 生物多样性保护分析(1) 当前, 城市化地区大尺度生物多样性的保护受资金、技术和时间的限制无法开展长时间观察和研究, 在数据相对缺乏, 选择焦点物种是一种高效可行的途径2。本文根据研究区物种的稀有性和特有性、物种受威胁状态及在生态系统和群落中的地位等原则, 结合国内外研究成果3,4及研究区实际情况, 最终选取红嘴鸥作为焦点物种进行分析。(2) 通过对红嘴鸥栖息地适宜性分析, 参照王彦平等6、周学红等7研究成果, 结合研究区具体实际情况, 确定了影响红嘴鸥栖息地因子, 并通过专家打分确定其权重 (表 1) , 然后采用加权加权平均法进行了红嘴鸥生物栖息地适宜性评
13、价, 根据评价结果, 确定红嘴鸥的适宜栖息地范围。3.1.2 地质敏感性研究区处于地质灾害高发区, 主要地质灾害类型除了滑坡、崩塌之外还包括泥石流及地面塌陷 (包括岩溶地面塌陷和采空区地面塌陷) , 而诱发其灾害发生的除了受研究区自然地质地貌如坡度、地形起伏度、高程、植被覆盖率影响外, 还与人类活动强度有关。因此, 本文参考相关研究文献1,8, 对诱发地质灾害因子的敏感性及权重分别进行赋值 (表 2) , 并将分析结果以 150、120、100为断裂点进行分级9, 在此基础上, 叠加研究区内地质灾害易发区和已有塌陷区, 最终分析出研究区地质灾害敏感性等级划分图。3.1.3 水资源安全通过提取研
14、究区现状水源特征, 将地表水源保护、洪水调蓄区和洪水淹没区范围作为水资源安全评价因子1,2;其分级标准 (表 2) 参考相关研究得到。洪水调蓄区和地表水源保护区分别结合研究区重要水源分布图和研究区 DEM、土地利用数据运用 Arc GIS10.2 软件中的多环缓冲区分析和水文分析模块获得;洪水淹没区是利用研究区 10、20、50 年一遇的洪水淹没高程数据, 结合 GIS 模拟得到。最终叠加这三个因子, 基于“木桶”原理分析得出 4 级敏感性分区。3.1.4 农田安全格局由于新区的开发建设, 城镇外围的优质高产农田往往会遭受到不同程度色破坏。因此考虑到保障人类粮食安全的农田保护安全格局。本文通过
15、查阅相关文献8,10,11选取了耕地状况的 5 个指标和耕地区位条件的两个指标 (表 4) 进行叠加分析。模拟得出研究区农田用地适宜性四级分类。3.2 综合生态用地敏感性区划分由于本研究通过 GIS10.2 的加权叠加分析将地质灾害敏感性、生物栖息适宜性、水资源安全、和农田用地适宜性四类生态用地分析结果等权叠加分析, 运用自然断裂法对研究区分析结果进行分级, 最终得到研究区极重要、一般重要、中等重要、不重要 4 级综合生态用地的空间格局分布图。3.3 生态安全格局的构建(1) “源”的确定“源”是维护区域生态安全或具有重要辐射功能的生态斑块, 它对区域生态过程与功能起着至关重要的作用。底线型生
16、态用地是生态系统最重要的源, 承担着维护生态系统和生态功能完整性的关键使命12, 是缓解社会经济发展与生态环境保护矛盾的最小生态用地。因此, 本文所确定的“源”即为底线生态用地。(2) 阻力面建立研究区生态流的交换阻力面运用最小累积阻力模型 (Minimum Cumulative Resistance, 简称 MCR) 进行构建, 这一模型需要选取源、距离和景观介面特征 3 方面因素, 基本计算式如下:该公式来源于 Knaapen 等人的分析模型及 GIS 中常用的成本距离模块修改而来13,14。MCR 表示物种经起始点到空间中任一目标点之间所花费的最小累积阻力。式中, f 代表未知函数, 反
17、映空间中任一点的 MCR 值与 (DijRi) 正相关关系。物种从源 j 到空间任意一点所经过景观介面 i 的空间距离用 Dij 表示;景观 i 对某物种运动的阻力为 Ri。 (DijRi) 可表示物种从源运动到目标点的某一路径的相对易达性的衡量。故阻力面反映了生态流交换的的潜在可能性及趋势。(3) 生态安全格局的建立根据生成的阻力面, 除了已经确定源之外还能判别生态安全格局的其他组成部分, 其中还有缓冲区本文在最小累积阻力值与面积关系的基础上, 将阻力阈值作为划分边界的依据, 进而得到不同安全水平的生态用地格局。“源”间廊道即两“源”之间联系最高效、便捷的生态通道, 它是任意“源”之间低累计
18、阻力谷线。战略点指相邻“源”之间相互联系的起着至关重要作用的生态节点, 其在控制生态流等方面具有关键意义。增加战略点对加强区域生态流的交换和维持区域生态功能可持续发展都有积极作用。4 结果与分析4.1 综合生态用地的识别4.1.1 单因子的生态用地识别生物多样性保护生态用地识别中 (表 5 图 2) 高敏感区域面积为 5.8km, 占研究区面积的 11%, 主要分布在大庭水库、大古垅水库、双吉森林公园等区域, 这些区域拥有良好的水质条件茂密的植被、丰富的野生动植物, 应该严格保护。地质灾害敏感性生态用地识别方面 (表 5 图 2) , 高敏感区域面积为 6.4 km, 占研究区面积的 18.5
19、%, 此区易发生泥石流、崩塌等地质灾害;水资源安全生态用地识别中 (表 5 图 2) 高敏感区域面积为 1.5 km, 占研究区面积的 4.2%, 主要分布在大古垅水库、大庭水库等重要的水源涵养区;农田用地适宜性用地识别中, 最适宜区域面积为 900 多亩, 占研究区面积的 1.9%, 主要分布在地势相对平坦、土地相对肥沃的、交通相对便利的大亭村、联合村、荫上村等地。4.1.2 多因子综合评价的生态用地分级将地质灾害敏感性、水资源安全、生物栖息适宜性、农田用地适宜性等权叠加, 并把分析结果以自然断裂法进行分类 (表 5 图 2) 。得出极敏感生态用地作为底线型生态用地, 其面积 5.4 km,
20、 占研究区总面积的 15.4%。在城市规划建设中应严格保护, 禁止开发建设。4.2 生态用地安全格局的构建4.2.1“源”地的确定研究将类别为底线型生态用地且面积大于 0.4km 的地块作为“源”, 主要包括双吉森林公园、大庭水库、大古垅水库。面积约为 1.2 km, 占研究区总面积的3.5%, 这些区域应该纳入生态红线范围, 严格加强保护。4.2.2 阻力面分析根据相关研究9,15,16, 土地覆盖类型对物种在任意两“源”之间的水平运动阻力是不相同的, “源”的景观界面特征与土地覆盖类型相差越大, 其阻力值越大, 反之越小;受人类干扰越小的土地覆被, 其对“源”内生态流的阻力就越小。因此,
21、本文以保护研究区内生物多样性和挖掘潜在的生态基础设施为目标, 以地形起伏度、地质灾害、土地覆被、与主要道路距离、与居民点距离作为阻力因子, 最终的阻力分值主要通过专家咨询和参考相关文献17,18给定 (表 7) 。分级结果 (图 4) 显示, 最小累积阻力值由“源”向外逐渐增大, 且在受人类活动干扰最大的建设用地区域达到最大。表 4-吉首市东部新区农田用地适宜性 下载原表 图 2-单因子生态用地分析结果 下载原图4.2.3 生态用地安全格局分析廊道识别在生态流扩散过程中起到至关重要作用的的通道即为本研究的廊道和辐射道。主要由“源”间廊道、潜在的生态雨水廊道、道路绿道等要素构成。“源”间廊道结合
22、前面分析的阻力面, 利用 GIS 的距离分析工具, 得出任意两“源”之间生态流交换的最便捷、高效的途径。结果表明 (图 5) , 生态廊道并不是“源”间最短路径, 而是阻力值综合最小的路径。潜在雨水生态廊道通过 GIS 水文分析模拟得到。由于研究区属于中低山丘陵地区, 潜在的生态雨水廊道成树枝状布局。这样, 整个研究区就形成了以“源”间廊道、潜在生态雨水廊道、绿道等构成的树枝状网络布局 (图 5) , 有利于各生态用地斑块之间信息、物质和能量的流动。战略点即相邻源为中心的等阻力线的相切点, 起到源间“跳板”的作用, 是物种迁徙的脚踏石。生态廊道与道路、生态廊道之间的交汇处等均可被认为是战略点。
23、战略点对维护生态功能的完整性具有重要作用, 应严格加以保护。缓冲区本文在最小累积阻力值与面积关系的基础上, 以阻力阈值划分分级边界, 分析得出不同安全水平的缓冲区 (图 5) 。阻力阈值之所以被认为是划分缓冲区类别的依据是因为阻力值在这些阈值两端会发生突变, 这表示所增加的区域的生态意义在达到这类缓冲区边界后急剧下降。“源”的外围包围着各类缓冲区, 主要包括中低山或平原地带的草地、农田、林地、河湖滨水区的湿地、自然保护区等。低安全水平的生态用地和“源”可以划为生态红线范围, 禁止开发建设, 面积为 5.4km, 占研究区面积的 15.4%, 本区的土地应维持现状完整的生态环境要素, 并加以严格
24、保护;中安全水平和高安全水平的生态用地面积为24.9km, 占研究区面积的 71.9%, 该区可以划为研究区的限制建设区, 严格控制人类活动的干扰, 以保护原有生态环境为主, 对已经遭受破坏的区域进行必要的生态修复, 使其恢复原有的、运行良好的生态系统功能。将上述分析出来的构成生态安全格局的各个成分组合在一起, 就构成了研究区的高中低三种水平的综合生态安全格局 (图 5) 。生态安全格局的构建不仅为彰显城市特色、城市的生态规划和关键性区域的生态修复提供了科学依据, 同时对缓解城市发展与生态环境矛盾、保护完整的生态空间、遏制生物多样性下降等都具有重要意义。表 5-单因子生态用地分析结果 下载原表
25、 图 3-综合生态用地分析 下载原图图 4-阻力面建立 下载原图图 5-生态用地综合安全格局 下载原图表 6-多因子综合生态用地分析结果 下载原表 表 7-阻力因子赋值体系 下载原表 5 结语本研究区基于 4 个单因子生态用地的识别, 进而分析出研究区理想型、缓冲型、底线型 3 种生态用地。其中将底线型生态用地作为保障研究区生态安全的最小生态用地, 其面积为 5.4km, 占研究取得 15.4%。本研究通过对研究区生态敏感性、用地适宜性等分析确定了以底线型生态用地作为研究区的源, 并基于最小累积阻力模型构建了研究区高中低 3 种生态安全格局及其用地范围, 明确了研究区的生态廊道、生态节点、生态
26、源地、缓冲区和辐射道的空间布局, 并提出了合理的保护建议。生态安全格局的构建应尽可能的强调因子的全面性和综合性, 而根据不同研究区类型及研究面积的大小合理选择关键性因子也至关重要, 因此, 本文鉴于对研究区尺度和新区建设用地需求考虑, 在单一因子生态用地识别方面, 仅选取了地质灾害敏感性、生物栖息地保护、水资源安全、农田用地适宜性 4 个重要的生态过程, 因此没有将大气安全、气候调节等纳入评价体系。此外, 研究区单一过程的生态敏感性因子、用地适宜性因子及阻力因子的选择和赋值主要是通过专家打分和参考前人研究的结果获取, 都有待完善和深入研究。参考文献1俞孔坚, 王思思, 李迪华等.北京市生态安全
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