【摘 要】以平顶山新区为例，基于生态安全格局理论和GIS、RS 空间技术，运用最小累积阻力模型，构建了生态用地综合安全格局，并划定了禁建区、限建区和适建区。结果显示： ( 1) 研究区最小生态用地( 禁建区) 面积为97. 89km2，主要包括重要的生态“源”及其周边一定范围内的湿地、林地、草地等； 中、高水平生态用地( 限建区) 面积共计69. 48km2 ； 适建区的面积为127. 63km2，集中分布在新区的中部至西北部。( 2) 生态用地安全格局的构建，将显著提高新区内生态“源”地间的连通性和生态过程的连续性。基于安全格局理论的生态规划方法，为城市生态用地定量研究和科学规划以及“三区”划定提供了新的空间途径。研究成果旨在为平顶山新区的空间布局规划和生态规划提供决策依据，也为其他同类地区的生态用地规划提供借鉴。
【关键词】生态用地；生态安全格局； GIS；最小累积阻力模型；平顶山
【中图分类号】X171.4； TU984 【文献标识码】A
生态用地承担着维护土地生命安全和健康的使命，对提供生态系统服务具有关键的、不可替代的作用［1］，区域和城市中保留一定的生态用地对于维护区域生态安全和生物多样性、改善人居环境质量、促进区域可持续发展具有重要意义［2 － 3］。但长期以来，生态用地并未受到应有的重视，这突出表现在目前试行的土地分类系统中没有生态用地这一类别，并因此导致一系列生态问题［4］，尤其是目前我国正处于城镇化加速发展阶段，城镇规模不断增大，大量的森林、湿地、水体等发挥着重要生态服务功能的生态用地被城镇建设用地蚕食。生态用地的过度开发将导致生态系统结构改变、生物多样性减少、生态服务功能下降等灾难性后果［5］，进而使人口、资源与生态环境的协调可持续发展受到严重威胁，城乡生态系统的安全面临严峻考验［6］。如何在巨大的发展压力和日益脆弱的生态条件下，有效地维护和提高城市生态系统服务功能，协调城市发展与生态保护间的矛盾，实现精明保护和精明增长的双赢，已成为当代规划界和政府决策部门所必须面对的难题［7］。
目前关于生态用地的研究主要集中在其内涵与分类［8］、演变机制［9］、管控策略［10］等方面。但在人地关系高度紧张、生态用地日益减少、需要尽快制定区域与城市生态规划的背景下，更具现实意义的问题是如何定量判别城市中潜在的生态基础设施、构建关键性生态用地的安全格局，并提出具体的生态保护和规划对策。因此，本文引入景观安全格局理论，该理论认为景观中存在潜在的空间格局，它们由一些关键性的局部、点和位置关系所构成，对生态流的控制和生态服务功能的维护具有至关重要的作用［11］。生态用地安全格局就是区域中点、线、面所组成的自然生命支持系统的关键格局，它为城市提供综合的生态服务，维持城市生态系统结构和过程的健康与完整，其合理构建是维护城市生态安全、实现区域可持续发展、建设生态城市的一种高效可行的空间途径。
新区作为城市发展到一定阶段的必然选择，将成为未来城镇化建设的桥头堡，为避免城市生态环境修复付出更大的代价，在新区规划和建设前，强化生态保护，开展生态用地安全格局的构建与规划工作日益迫切。为此，本文以平顶山新区为例，基于生态安全格局理论，结合GIS 空间分析和最小累积阻力模型等，探索生态用地的定量规划方法，以期为城市新区的空间布局规划和生态用地的保护规划与管理提供科学依据。
1 研究区概况与研究方法
1. 1 研究区概况
平顶山新区位于老城区的西侧，规划总面积约295km2，截至2010 年底，新区范围户籍人口约50. 91 万，常住人口约36. 94 万。新区距郑州、洛阳、南阳等城市均在130km 左右。焦枝铁路、孟平铁路、宁洛高速、郑尧高速在新区内交汇，省道S231、S236、S242、S329、S241 穿境而过。区内野生动物众多，地质条件良好，地势较为平坦，丰富的自然山水景观资源，构成了新区良好的生态基底。但现状的各生态源、生态斑块、生态廊道均为东西走向，要素间相互孤立，缺乏联系，没有形成完整、连通的生态网络系统。
1. 2 数据来源及处理
本研究所采用的数据主要包括新区的土地利用图( 2012 年) 、航空影像图( 2012 年) 、地形图( 1∶ 10000) 、土地利用现状调研数据以及地质灾害和水源保护区等专题图件。
首先，应用ERDAS image 9. 1 遥感分析软件对地形图进行几何校正，并利用校正后的地形图及其投影信息对2012 年的土地利用图、航空影像和各类专题图件进行几何精校正，坐标系统采用Transverse Mercator 投影，Krasovsky 椭球体，中央经线111°E，均方根误差控制在0. 5 个像元内。然后，在ArcGIS9. 3 环境下对土地利用图进行数字化，并利用航空影像和现状调研数据对土地利用信息进行校核，进而获得新区2012 年矢量格式土地利用空间分布信息。参照全国《土地利用现状分类》标准，结合当地的实际情况，将平顶山新区用地划分为耕地、园地、林地、草地、坑塘沟渠、河流、水库、滩涂、城镇建设用地、村庄建设用地、其他建设用地和道路用地等12 种类型，最终建立研究区土地利用属性数据库。
1. 3 生态用地的界定
目前关于生态用地的构成存在广义和狭义两种观点。广义理解是指凡是具有生态服务功能、对于生态系统和生物生境保护具有重要作用的用地都可视为生态用地； 狭义理解是指以发挥自然生态服务功能为主的土地资源，而对于以经济产出为核心目的的农业生产用地，如耕地、养殖水面等不作为生态用地考虑，以便于更有效和更有针对性地规划和保护生态用地［12］。本研究采用第二种观点，确定生态用地的类型包括河流、水库、滩涂、坑塘沟渠、林地、草地等6 种。
1. 4 研究方法
1. 4. 1 “源”的确定
基于“源”“汇”理论，“源”是指能促进生态过程发展的景观组分，是事物或事件向外扩展的起点与基地，具有一定的空间拓展性和连续性［13］。单一物种的保护措施是难以成功的，“源”应该是包括多个物种和自然栖息地的生态系统，具有广泛的代表性，能充分反映研究区的多种生境特点［14］。本研究基于物种保护角度和岛屿生物地理学的面积效应理论，选取生态功能较强且面积较大的湿地保护区、水源保护区和自然风景区等作为生态用地的“源”。
1. 4. 2 阻力面的建立
不同生态“源”地间生态流的交换可看作是对空间的竞争性控制和覆盖过程，这一过程要必须通过克服阻力才能实现，阻力面反映了物种空间运动的趋势［11］。有多种模型可用于阻力面的建立，本文选择较为经典的最小累积阻力( MinimumCumulative Resistance，简称MCR) 模型来建立生态“源”地间生态流的阻力面。该模型考虑3 个方面的因素，即源、距离和景观介面特征，基本公式如下:
这一公式根据Knaapen 等的模型和GIS 中常用的费用距离修改而来［15 － 16］。其中f 是一个未知的正函数，反映空间中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。Dij是物种从源j 到空间某一点所穿越的某景观的基面i 的空间距离； Ri是景观i 对物种运动的阻力。尽管函数f 通常是未知的，但( Dij × Ri) 的累积值可被看作物种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Arcgis 9. 3 的空间分析模块完成。
1) 阻力因子的选择
基于前人研究成果和专家咨询，最终选取土地覆被、地质灾害、水资源安全、地形起伏度、高程、与主要道路距离、与农村居民点和城镇距离等7 个因子建立影响生态流的阻力评价指标体系。并采用专家打分和GIS 空间分析方法对各阻力因子进行分析与评价，各单因子阻力系数值都在0 ～ 300 范围内给定，最终的阻力分值主要是通过专家咨询和参考相关文献［17 － 18］给定。其中:
·土地覆被因子：主要是根据Costanza 等［19］对各类用地服务价值的评估和专家咨询，赋予各类景观的阻力值；
·地质灾害因子：新区内部地质灾害类型主要为地面塌陷。此类地质灾害主要受植被覆盖度、高程、坡度和人类活动强度等因素影响。本文借鉴前人研究成果中各类致灾因子对地质灾害的影响程度，对地质灾害敏感性进行综合评价，并将评价结果与区内已有的塌陷区进行叠加，划分为已发区、一级易发区、二级易发区和其他区域；
·水资源安全因子：这里将10 年、20 年一遇洪水淹没区以及一级水源保护区划为第一等级，阻力值为10； 50 年一遇洪水淹没区和二级保护区为第二等级，赋值为30； 其他区域的阻力值为50；
·其余各因子的阻力值，主要是利用GIS 空间分析功能，结合专家打分和实践经验获得。
在各单因子评价的基础上，最终确定影响生态“源”地间生态流的各阻力因子赋值结果，详见表1。
2) 权重的确定
由于各阻力因子对物种运动影响程度的差异，为使计算结果更为客观可信，需要确定各因子的相对权重。本研究选择层次分析法( AHP) ，结合专家咨询，确定各因子的权重。具体步骤为：1) 通过专家咨询两两比较各单因子间的相对重要程度，采用1 ～ 9 标度法进行评判，构造出判断矩阵； 2) 构造判断矩阵，求出各因子的最大特征值和最大特征向量； 3) 各指标权重的计算和一致性检验。上述判断矩阵的一致性比例等于0. 042，小于0. 1，说明该矩阵具有满意的一致性，得到的因子权重是可信的。各因子的权重依次为：高程( 0. 057) 、地形起伏度( 0. 041) 、土地覆被( 0. 350) 、水资源安全( 0. 125) 、地质灾害( 0. 056) 、与主要道路距离( 0. 160) 、与农村居民点和城镇距离( 0. 211) 。
1. 4. 3 生态安全格局组分的判别
阻力面是反映物种运动的时空连续体，生态安全格局的其他组分可以基于阻力面的空间特征来判别［20］，具体如下:
缓冲区的判别：缓冲区的功能是保护核心区的生态过程和自然演替，减少外界人类活动带来的冲击。本文基于最小累积阻力值与面积关系曲线，以阻力阈值作为缓冲区边界划分依据，获得不同安全水平的缓冲区范围。
“源”间廊道的判别：“源”间廊道是各生态“源”地间的阻力低谷，是相邻两“源”间生态流的低阻力生态通道。根据安全水平的不同，“源”间廊道可以有一条或多条，它们是“源”间生态流的高效通道和联系路径。
辐射道的判别：基于阻力面还可以识别以“源”为中心向外辐射的低阻力谷线，它们形同树枝状，是物种向外迁徙与扩散的低阻力通道。辐射道对保护对象的未来发展和自身进化具有关键作用，而保护物种的进化过程在生物保护中具有非常重要的意义［21］。
战略点的定位：战略点作为区域生态系统网络的重要组成部分，是景观中对物种迁移和扩散具有关键作用的地段，从阻力面上反映出来的是以相邻“源”为中心的等阻力线的相切点，它们对控制景观中的生态流具有至关重要的意义。
2 结果与分析
2. 1 阻力面的建立
基于上述构建的阻力因子评价体系及各因子的相对阻力系数值，首先利用GIS 空间分析得到各阻力因子的分级图层，随后将各阻力因子分析结果进行加权综合叠加，形成栅格格式的景观单元综合阻力值累加图。在此基础上，考虑到与生态“源”地的距离关系，运用MCR 模型建立“源”间生态流的阻力面分布图，见图1。
阻力面反映了物种从“源”克服各种阻力到达目的地的相对或绝对难易程度，也客观表现了生态流的趋势和潜在可能性。从图1 可以看出，从生态“源”地向外，最小累积阻力逐渐增加，并基于“源”形成不同阻力水平区间的阻力面，浅色区域代表潜在的生态基础设施，深色区域代表物种空间扩散阻力较大的地块单元。阻力面是生态用地安全格局构建与规划的重要依据。
