基于生態安全格局的三峽庫區腹地低丘緩坡土地開發利用

楊遠琴, 任 平, 洪步庭

(1.四川師范大學 西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室,成都 610066; 2.四川師范大學 地理與資源科學學院, 成都 610066)

隨著中國城鎮的迅速發展，城鎮建設用地需求大增，占用了一定的生態環境用地與耕地，導致生態環境用地與社會經濟發展用地的矛盾日益尖銳。我國低山丘陵面積廣闊，低丘緩坡土地資源豐富，合理開發低丘緩坡土地資源，可為社會經濟發展提供后備土地資源，有效保護耕地資源。目前，關于低丘緩坡的研究主要集中于低丘緩坡開發的適宜性評價[1-2]、低丘緩坡開發的生態風險評估[3]以及開發對策探索[4-5]等方面，取得了豐富的研究成果。如何合理開發利用低丘緩坡土地資源，促進社會經濟與生態環境協調發展成為研究的熱點之一。

許多學者提出要合理開發利用低丘緩坡土地資源，應基于生態安全視角，劃定生態紅線范圍，構建土地利用生態安全格局，識別出對區域生態安全起重要保護作用的生態源地。構建土地利用生態安全格局的方法豐富多樣，如俞孔堅等[6]借助GIS和空間分析技術，構建了北京市土地利用生態安全格局；蒙吉軍等[7]借助多目標化模型，構建了鄂爾多斯市土地利用生態安全格局；李晶等[8]基于最小累積阻力模型構建了準格爾旗土地利用生態安全格局。如何基于生態安全格局，劃分不同的低丘緩坡土地資源開發類型，是保障區域生態環境安全，緩解生態環境保護與低丘緩坡土地資源開發利用之間矛盾的關鍵所在。

本文選取典型的生態脆弱區：三峽庫區腹地的5個縣為研究區，從實踐操作層面探討低丘緩坡土地資源開發利用方式?；谏鷳B安全視角，首先對研究區生態敏感性和生態系統服務功能重要性進行評價，在此基礎上提取生態源地，接著利用最小累積阻力模型構建生態安全格局，通過將生態安全格局空間分布圖與低丘緩坡空間分布圖進行疊加，提出不同生態安全水平下的低丘緩坡土地資源的開發利用方式，以期為研究區低丘緩坡土地資源的合理開發利用提供參考依據，優化區域土地資源配置。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

三峽庫區是指受長江三峽工程淹沒并有移民任務的區縣，包括重慶市和湖北省的20個區縣?！度龒{庫區近、中期農業和農村經濟發展總體規劃(1995—2010年)》將三峽庫區劃分為庫首區、庫腹地區和庫尾區三大區域，庫腹地區包括重慶市的巫山縣、巫溪縣、奉節縣、云陽縣、開縣、萬州區、忠縣、武隆縣，石柱縣、豐都縣和涪陵區。本文選取三峽庫區腹地的巫山縣、巫溪縣、奉節縣、云陽縣、開縣作為研究區(圖1)，因為該區屬于重慶市五大功能區建設中的渝東北生態涵養發展區，地形地貌復雜，地表起伏度大，海拔約為64～2 696 m，地勢整體上呈西北—東南走向，生態環境十分脆弱；以山地丘陵為主，耕地面積十分狹小，坡耕地開墾嚴重，人地矛盾十分嚴峻；對其低丘緩坡土地資源開發利用進行研究，可為其合理開發利用土地資源提供參考依據。

圖1 研究區位置及地形

1.2 數據來源

本文使用的數據主要包括土地利用數據、水系和道路分布數據、土壤質地數據、地貌數據、土壤侵蝕數據、DEM與NDVI數據等，數據屬性及來源見表1。

2 研究方法

2.1 低丘緩坡范圍界定

本文參照已有研究[9-10]，并結合研究區實際情況，選取海拔500 m以下，坡度小于25°的區域為研究區的低丘緩坡土地資源(圖2)，低丘緩坡土地資源的面積共計3 930.90 km2，占研究區總面積的21.04%。

2.2 生態敏感性和生態系統服務功能重要性評價

生態敏感性是指生態系統對人類活動反映的敏感程度，用來反映產生生態失衡與生態環境問題的可能性大小[11]。研究區地貌以山地丘陵為主，耕地面積小，地形結構復雜，水土流失嚴重，泥石流、滑坡、地質等地質災害頻發，石漠化分布較廣泛。因此本文選取土壤侵蝕敏感性、地質災害敏感性和石漠化敏感性對研究區生態敏感性進行評價。

表1 數據屬性及來源

圖2 低丘緩坡分布

其中，土壤侵蝕敏感性與區域海拔高度、氣候條件、自然環境等密切相關，因此選擇了高程、降雨侵蝕力、植被類型和土壤質地4個指標，各指標分級標準參照國家發布的土壤侵蝕分級標準以及潘峰等人提出的克拉瑪依市土壤侵蝕敏感性分級標準[12]。地質災害敏感性與區域地形、自然環境等息息相關，本文選取了高程、坡度、植被覆蓋度、距災害點距離和距水系距離5個指標，各指標分級標準在考慮研究區地質災害發育與分布的情況下，參照李建軍等提出的萬榮縣地質災害敏感性分級標準[13]。石漠化敏感性主要與喀斯特地貌、地形、植被等有關，因此選取了地貌、坡度和植被覆蓋度3個指標，各指標分級標準引用于原國家環境保護總局發布的《生態功能區劃暫行規程》(2 003)。共選取了12個指標構建生態敏感性評價體系，各因子具體的分級標準見表2。

表2 生態敏感性評價指標體系

生態系統具有調節氣候、保持土壤、涵養水源、保護生物多樣性等功能，生態系統服務功能重要性評價是指對生態系統及其生態過程所形成的有利于人類生存與發展的生態環境條件與效用的評估[14]。本文結合研究區實際情況，選取水源涵養重要性、土壤保持重要性和生物多樣性保護重要性對研究區生態系統服務功能重要性進行評價。

其中，水源涵養重要性體現在為區域提供水資源保障以及調節洪水能力上，本文選取河流與地表覆被作為評價指標，指標分級標準參照李月臣提出的三峽庫區水源涵養重要性分級標準[15]。土壤保持重要性體現于土壤侵蝕現狀的嚴重程度以及潛在的土壤侵蝕危險程度，因此選取土壤侵蝕強度和土壤侵蝕敏感性作為評價指標，指標分級標準參照非凡得提出的桂西北喀斯特地區土壤保持重要性分級標準[16]。生物多樣性保護功能是指生態系統在基因、物種、生態系統多樣性維護過程中發揮的作用，本文選取土地利用類型和植被覆蓋度作為評價指標，分級標準參照楊偉州等提出的河北省生物多樣性保護重要性分級標準[17]。共選取了6個指標構建生態系統服務功能重要性評價指標體系，各因子具體的分級標準見表3。

表3 生態系統服務功能重要性評價指標體系

對生態敏感性與生態系統服務功能重要性的評價主要基于ArcGIS 10.1軟件，首先，采用幾何平均數模型計算單項敏感性指數和重要性指數；接著，利用柵格計算器，對單項生態敏感性和生態系統服務功能重要性結果進行乘數運算，采用自然斷裂點法把綜合生態敏感性分為輕度敏感、中度敏感、高度敏感和極敏感4級，將綜合生態系統服務功能重要性分為一般重要、中等重要、高度重要和極重要4級。

2.3 生態安全格局構建

生態安全格局的構建主要包括三大步驟：生態源地識別、生態阻力面構建和生態安全等級閾值的確定。生態源地是物種或生態事件向外擴散的起點，可以促進生態過程的發生和發展，是保障區域生態安全的關鍵區域[18]。本文把極敏感區與極重要區定義為研究區的生態源地，通過ArcGIS 10.1的空間分析功能提取得到生態源地。

最小累計阻力模型(minimal cumulative resistance model，MCR)是模擬某個物種從“源”到達目的地運動過程中所需克服阻力而耗費代價的模型，該模型包括3個要素：“源”、阻力層和阻力值，可衡量“源”到某點的易達性[19]。本文利用ArcGIS 10.1的cost distance工具來構建最小累積阻力模型，計算各柵格到生態源地的最小累計阻力值。

參考相關研究[20-21]，本文選取高程、坡度、距鐵路距離、距高等級公路距離和距二級公路距離5個因子構建生態安全格局阻力評價體系(表4)。

表4 生態安全格局阻力系數

閾值確定是劃分生態安全等級的關鍵，參照已有研究[22]，選取最小累積阻力值分布頻率的拐點來作為劃分生態安全等級的閾值，最終將研究區生態安全格局劃分為低生態安全水平、較低生態安全水平、中等生態安全水平和高生態安全水平4級。

2.4 低丘緩坡開發類型確定

將生態安全格局空間分布圖與低丘緩坡土地資源空間分布圖進行疊加，參照已有研究[23]，依據表5，把研究區低丘緩坡土地資源開發利用分為禁止開發型、限制開發型、適度開發型和優先開發型4類。

表5 低丘緩坡開發類型

3 結果與分析

3.1 生態敏感性與生態系統服務功能重要性評價

由附圖12可知，生態敏感性極敏感和高度敏感集中分布于巫溪縣、巫山縣和奉節縣，中度敏感和輕度敏感集中分布于開縣和云陽縣，整體上呈現出東高西低的分布態勢，是由于東部地勢高于西部，地形條件更為復雜，生態系統極其脆弱，導致生態敏感性極強烈。另外，極敏感占比為26.24%，高度敏感占比最高，為38.22%，中度敏感占比為26.20%，一般敏感占比最低，為9.34%，研究區生態敏感性整體上較強烈，大部分屬于極敏感區與高度敏感區，這是由于研究區地處三峽庫區的重要位置，該區域以低山丘陵為主，是典型的生態脆弱區，水土流失嚴重，地質災害頻發，石漠化廣布，因此生態環境抗干擾能力差，敏感性高。

由附圖13可知，生態系統服務功能重要性空間分布相對分散，各等級呈相互交錯分布態勢，其中極重要占比為21.00%，高度重要占比為31.77%，中等重要占比為25.18%，一般重要占比為22.05%，占比最高的為高度重要，其他3類占比相當，研究區生態系統服務功能重要性整體上表現為較重要。因為研究區水系較發達，水源涵養能力強；地形以山地丘陵為主，植被覆蓋度高，植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，生物多樣性豐富；該區域為亞熱帶季風氣候，多暴雨，再加上地勢起伏不平，因此水土流失嚴重；基于此，研究區生態系統服務功能較重要。

3.2 生態安全格局構建

圖3為提取的研究區生態源地，由圖可知，生態源地分布較廣泛，面積為7 622.66 km2，占研究區總面積的40.80%，集中分布在東部的巫山縣、巫溪縣和奉節縣，分布態勢與生態敏感性、生態系統服務功能重要性評價結果相一致。

圖3 生態源地分布

根據表4對生態安全格局阻力因子進行賦值，利用ArcGIS 10.1的空間分析工具生成環境阻力面(附圖14)，再利用cost distance工具計算最小累積阻力值(附圖15)。由附圖15可知，距生態源地越近，最小累積阻力值越小，反之越大，生態源地處的最小累積阻力值最小，為0；最小累積阻力值的高值集中分布于研究區的西部和北部。

本文選取阻力值0，11 220，32 130，115 750作為劃分生態安全水平等級的閾值，得到研究區生態安全水平空間分布圖(附圖16)，由圖可知，低安全水平區域由生態源地組成，集中分布于研究區的東部，面積為7 622.66 km2，占研究區總面積的40.80%；較低生態安全水平區集中分布于低生態安全水平的外圍，面積為6 768.85 km2，占研究區總面積的36.23%；中等安全水平區主要分布在高安全水平的外圍，面積為3 448.88 km2，占研究區總面積的18.46%；高安全水平區集中分布于最小累積阻力值的高值區：即西部和北部，面積為842.60 km2，占研究區總面積的4.51%；研究區大部分處于低安全水平與較低安全水平，生態系統非常脆弱，容易遭受人類活動的干擾。

依據表5生成研究區低丘緩坡土地資源開發利用類型空間分布圖(附圖17)，由圖可知，禁止開發區是指處于低安全水平下的低丘緩坡，集中分布于巫山縣、巫溪縣、奉節縣，以及云陽縣和開縣的一部分。該區域由生態極敏感區與生態系統服務功能極重要區組成，是低丘緩坡中生態系統服務價值最高的區域，是維護區域生態系統安全的核心區域，且其抵抗人類社會干擾的能力弱。因此該區域應被劃分為禁止開發區，應構建生態保護重點區域，構建自然保護區，保護該區域的原生自然植被，禁止人類的開發與破壞。

限制開發區是指處于較低生態安全水平下的低丘緩坡，分布相對分散，各縣均有分布，主要分布于禁止開發區的外圍。該區域的生態敏感性較強烈，生態系統服務功能較重要，生態系統服務價值較高，僅次于生態源地，對生態源地起保護和屏障作用，也是聯系各生態源地的紐帶。因此該區域應被劃分為限制開發區，可構建森林公園、濕地公園等，應注重對其生態環境的保護。

適度開發區是指處于中等生態安全水平下的低丘緩坡，主要分布于開縣和云陽縣以及巫山縣的一小部分，分布于優先開發區的外圍。該區域處于生態屏障帶與人類活動帶的過渡區域，生態敏感性與生態系統服務功能重要性均處于中等水平，對人類社會的干擾具有一定的抵抗能力。因此該區域應被劃分為適度開發區，在確保生態安全的情況下，可進行適度的經濟開發活動，以緩解建設用地對耕地的占用，優化土地資源的配置，促進研究區土地資源可持續利用。

優先開發區是指處于高安全水平下的低丘緩坡，主要分布于開縣和云陽縣。該區域的生態敏感性弱，生態系統服務功能重要性較低，生態系統服務價值也低，具有較強的抗外界干擾能力，適宜于人類開發利用。因此該區域應被劃為優先開發區，在該區域可以合理的布局為人類社會經濟活動用地，因地制宜的進行人類開發建設活動，如進行工業區布局、居住區布局、農業區布局等，打造成主要的人類活動區，營造舒適的人居環境。

由表6可知，限制開發型面積最大，為1 775.19 km2，占研究區低丘緩坡總面積的45.16%，其次為禁止開發型，面積為1 182.02 km2，占低丘緩坡總面積的30.07%，第三為適度開發型，面積為835.71 km2，占低丘緩坡總面積的21.26%，面積最小的為優先開發型，為137.98 km2，占低丘緩坡總面積的3.51%。研究區雖然低丘緩坡總面積較大，但極大部分屬于禁止開發型和限制開發型，適宜于人類開發利用的優先開發型占比非常小，由此可知，雖然低丘緩坡在理論上是可以被開發利用的，是人類拓展社會經濟活動空間的重要領地，但并不是所有的低丘緩坡都適宜被開發為人類活動用地，因此，在對低丘緩坡土地資源進行開發之前，對其適宜性進行評價是非常必要的。

表6 低丘緩坡土地資源分布

4 結論與討論

(1) 研究區生態敏感性整體上較強烈，大部分屬于極敏感區與高度敏感區，極敏感占比為26.24%，高度敏感占比最高，為38.22%，中度敏感占比為26.20%，一般敏感占比最低，為9.34%。研究區生態系統服務功能整體上較重要，極重要占比為21.00%，高度重要占比為31.77%，中等重要占比為25.18%，一般重要占比為22.05%。生態源地分布較廣泛，面積為7 622.66 km2，占研究區總面積的40.80%，集中分布于東部的巫山縣、巫溪縣和奉節縣。

(2) 研究區大部分處于低安全水平與較低安全水平，低安全水平區集中分布于研究區的東部，占比最高，為40.80%；較低生態安全水平區集中分布于低生態安全水平的外圍，占研究區總面積的36.23%；中等安全水平區主要分布在高安全水平的外圍，占研究區總面積的18.46%；高安全水平區集中分布于研究區的西部和北部，占比最低，為4.51%。

(3) 研究區低丘緩坡土地資源共計3 930.90 km2，其中限制開發型面積最大，為1 775.19 km2，占低丘緩坡面積的45.16%，其次為禁止開發型，面積為1 182.02 km2，占低丘緩坡面積的30.07%，第三為適度開發型，面積為835.71 km2，占低丘緩坡面積的21.26%，面積最小的為優先開發型，為137.98 km2，占低丘緩坡面積的3.51%。

本文在構建生態安全格局的基礎上，對低丘緩坡土地資源開發利用進行類型的劃分，選取的指標主要是參照前人的研究成果，具有較大的主觀隨意性，直接影響到評價結果的精度，因此在今后的研究中還需進一步規范指標體系，引進相關數學模型來提高評價的精度。另外，本文在劃分低丘緩坡土地資源開發類型時，注重于對生態用地的保護，側重考慮了土地資源的自然屬性，沒有較多的考慮人類社會活動的影響，在今后需進一步考慮人類社會經濟活動對其的影響，完善生態阻力面指標構建體系。