基于空間分析技術(shù)的生態(tài)紅線劃定*
——以貴安新區(qū)為例

王洪波，蘭安軍

(1貴州師范大學，貴州　貴陽　550001；2貴州林業(yè)勘察設(shè)計有限公司，貴州　貴陽　550003)

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基于空間分析技術(shù)的生態(tài)紅線劃定*

——以貴安新區(qū)為例

王洪波1，2，蘭安軍1▲

(1貴州師范大學，貴州貴陽550001；2貴州林業(yè)勘察設(shè)計有限公司，貴州貴陽550003)

以空間技術(shù)為主要研究手段，以生態(tài)服務(wù)功能重要性和生態(tài)環(huán)境敏感性、脆弱性為主要依據(jù)，確定研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)紅線范圍，為貴安新區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展提供生態(tài)保障。結(jié)果表明，貴安新區(qū)生態(tài)紅線范圍總面積584.95 km2，占貴安新區(qū)土地總面積的30.87 %，主要分布于重要水源保護區(qū)、風景名勝區(qū)、森林公園等敏感區(qū)域、石漠化程度嚴重區(qū)域以及植被覆蓋率較高的區(qū)域。

生態(tài)紅線，貴安新區(qū)，生態(tài)環(huán)境敏感性，生態(tài)服務(wù)功能重要性

生態(tài)紅線對維護自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，保障國家和區(qū)域生態(tài)安全具有關(guān)鍵作用，是在禁止開發(fā)區(qū)、生態(tài)服務(wù)功能區(qū)和生態(tài)敏感區(qū)、脆弱區(qū)等區(qū)域劃定的最小生態(tài)保護空間。國外對生態(tài)紅外的研究主要體現(xiàn)在生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、綠色通道[1-4]等。國內(nèi)對生態(tài)紅線劃分有了部分研究。符娜[5-6]，馮文利[7]等對土地利用規(guī)劃的生態(tài)紅線區(qū)劃分進行了研究，提出了生態(tài)紅線區(qū)是指對生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱，具有重要生態(tài)功能，必須實施全面保護的區(qū)域，并將生態(tài)紅線區(qū)分為三個子類區(qū)；范學忠[8]等對昆明市生態(tài)紅線區(qū)非生態(tài)用地轉(zhuǎn)變前后的生態(tài)效益進行了對比分析；左志莉[9]對廣西貴港市進行了生態(tài)紅線區(qū)的劃分，對實現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用提供了有效途徑；王榮[10]對深圳寶安區(qū)基本生態(tài)控制線內(nèi)的土地利用進行了動態(tài)監(jiān)測及優(yōu)化研究；許妍[11]等對渤海生態(tài)紅線進行了劃分， 建立了從生態(tài)功能重要性、生態(tài)環(huán)境敏感性、環(huán)境災(zāi)害危險性三方面劃分生態(tài)紅線的指標體系，為生態(tài)紅線劃定的技術(shù)方法奠定了基礎(chǔ)；馮宇[12]以呼倫貝爾草原為研究對象，提出了以生態(tài)敏感性保護紅線區(qū)和生態(tài)服務(wù)功能重要性保護紅線區(qū)的邊界線的方法。

貴安新區(qū)生態(tài)環(huán)境面臨的主要問題是土壤保持、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護能力的降低以及石漠化的發(fā)展，主要的生態(tài)保護任務(wù)是水土流失和石漠化治理，增強區(qū)域土壤保持能力，提高森林覆蓋率和生物多樣性維護能力。本文從土壤保持功能、水源涵養(yǎng)功能、生物多樣性保護功能三個方面對新區(qū)的生態(tài)服務(wù)功能重要性進行定量評價，同時從水土流失敏感性、石漠化敏感性兩方面對新區(qū)生態(tài)環(huán)境敏感性、脆弱性進行定性評價，為劃定新區(qū)生態(tài)保護功能紅線提供科學基礎(chǔ)。

1　數(shù)據(jù)準備及預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括ALOS影像數(shù)據(jù)的增強、校正等預(yù)處理，水文地質(zhì)圖、巖性圖和土壤圖等圖件的幾何校正以及矢量化。研究中用到的數(shù)據(jù)詳見表1。

表1　數(shù)據(jù)名稱及來源Tab.1　The name and source of data

2　技術(shù)路線

利用ArcGIS，對收集到的水文地質(zhì)圖、巖性圖、土壤圖等基礎(chǔ)柵格數(shù)據(jù)數(shù)字化處理，建立各專題基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，通過遙感影像解譯，獲得土地利用圖、植被類型圖，進而求得植被覆蓋因子，根據(jù)10 m DEM數(shù)據(jù)，求得區(qū)域內(nèi)地形坡度、地形起伏度以及海拔參數(shù)等因子，根據(jù)區(qū)域內(nèi)降水量、氣溫、相對濕度、氣壓、風速、蒸發(fā)量、太陽輻射量、土壤熱通量等氣候因子，獲得平均年降水量、蒸散量、平均氣溫、降水侵蝕力值等因子。通過對各因子疊加分析，得到土壤保持功能、水源涵養(yǎng)功能、生物多樣性功能重要性分布圖、水土流失、石漠化敏感性分布圖，把生態(tài)服務(wù)功能重要性為極重要區(qū)域和生態(tài)環(huán)境敏感性、脆弱性為極敏感區(qū)域劃為生態(tài)紅線區(qū)，在綜合分析總體規(guī)劃區(qū)和禁止開發(fā)區(qū)的基礎(chǔ)上，劃定生態(tài)紅線，詳見圖1。

圖1　技術(shù)路線圖Fig.1　Technique flow chart

3　數(shù)據(jù)分析

3.1生態(tài)服務(wù)功能重要性評價

3.1.1土壤保持功能重要性評價

Spro=NPPmean×(1-Fsla)

(1)

式中：Spro為土壤保持服務(wù)；NPPmean為評價區(qū)域多年生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力平均值；Fslo為根據(jù)坡度柵格圖最大最小值法歸一化到0-1之間的取值。

3.1.2水源涵養(yǎng)功能重要性評價

采用基于降水和蒸散的水量分解模型法

WY=P-ET

(2)

(3)式中WY為地表總產(chǎn)水量，作為水源涵養(yǎng)服務(wù)能力的代用指標。P為多年平均年降水量，ET為蒸散量，PET為多年平均潛在蒸發(fā)量，ω為下墊面(土地覆蓋)影響系數(shù)，依據(jù)土地利用類型取值，詳見表2。 表2　水源涵養(yǎng)功能重要性評價參數(shù)ω取值Tab.2　The values of parameter ω

多年平均降水量P值采用全省19個氣象點1951-2010年間平均逐月降水量，經(jīng)過統(tǒng)計整理，在ArcGIS空間分析模塊，運用空間克理金法(Kriging)插值計算，得到10 m×10 m多年平均降水量分布圖。

多年潛在蒸發(fā)量的計算同樣采用全省19個氣象點1951-2010年間平均氣溫、相對濕度、氣壓、風速、土壤熱通量等氣象數(shù)據(jù)，按照式(3)計算求得19個氣象點多年平均潛在蒸發(fā)量，在ArcGIS空間分析模塊，運用空間克理金法(Kriging)插值計算，得到10 m×10 m多年平均潛在蒸發(fā)量分布圖。

3.1.3生物多樣性保護功能重要性評價

采用基于生境多樣性的方法進行評價：

Sbio=NPPmean×Fpre×Ftem×(1-Falt)

(4)

Fpre參數(shù)與水源涵養(yǎng)功能重要性評價中平均降水量P值分布規(guī)律相同。

氣溫參數(shù)Ftem采用全省19個氣象點1951-2010年間氣溫數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理，在ArcGIS空間分析模塊，運用空間克理金法(Kriging)插值計算，將結(jié)果歸一化到0-1之間，得到10 m×10 m多年平均氣溫歸一化分布圖。

海拔參數(shù)Falt根據(jù)DEM數(shù)據(jù)歸一化處理得到。

3.2生態(tài)環(huán)境敏感性、脆弱性評價

3.2.1水土流失敏感性評價

根據(jù)土壤侵蝕發(fā)生的動力條件，選取降水侵蝕力、土壤可蝕性、地形起伏度和地表植被蓋度等為評價指標，并根據(jù)研究區(qū)的實際對分級評價標準作相應(yīng)的調(diào)整。

將反映各因素對水土流失敏感性的單因子分布圖，用地理信息系統(tǒng)進行乘積運算，公式如下：

(5)

不同評價因子對應(yīng)的敏感性等級值詳見表3。

表3　水土流失敏感性的評價指標及分級賦值Tab.3　The index and classification of debris flow sensitivity evaluation

Ri—降水侵蝕力值

收集到1981年至2010年貴州省各氣象站的多年平均逐日降雨量，根據(jù)計算模型得到各氣象點R值，采用內(nèi)插法，用ArcGIS繪制R值分布圖。然后根據(jù)表3中的分級標準，在ArcGIS支持下，繪制土壤侵蝕對降水的敏感性分布圖。

LSi—地形起伏度

根據(jù)10 m的DEM，在ArcGIS平臺下利用鄰域分析工具計算最大高程值和最小高程值，接著做差值運算，在ArcGIS支持下，根據(jù)表3中的分級標準，繪制土壤侵蝕對地形的敏感性分布圖。

Ki—土壤可蝕性

土壤侵蝕的影響因子主要是土壤質(zhì)地。土壤可蝕性因子K可用雷諾圖表示。通過比較土壤質(zhì)地雷諾圖和K因子雷諾圖，將土壤質(zhì)地對土壤侵蝕敏感性的影響分為5級。在ArcGIS支持下，繪制土壤侵蝕對土壤的敏感性分布圖。

Ci—覆蓋因子

C=(NDVI-NDVISOIL)/(NDVIVEG-NDVISOIL)

(6)

地表覆蓋因子與植被的分布關(guān)系密切，運用AlOS影像提取歸一化植被指數(shù)NDVI值，按照公式(6)計算植被覆蓋度。在ArcGIS支持下，根據(jù)表3中的分級標準，繪制土壤侵蝕對植被的敏感性分布圖。

3.2.2石漠化敏感性評價

石漠化敏感性主要取決于基巖裸露率、地形坡度、植被覆蓋度3個因子。公式為：

(7)

各因子的敏感性等級賦值詳見表4。

表4　土地石漠化敏感性評價指標及分級Tab.4　The index and classification of rocky desertification sensitivity evaluation

Di—基巖裸露率

將獲取的碳酸鹽出露地表面積比例圖配準后進行矢量化，在ArcGIS支持下，根據(jù)表4中的分級標準，得到石漠化對基巖裸露率敏感性分布圖。

Pi—地形坡度

根據(jù)10 m的DEM提取坡度信息，并按照表4的分級標準進行分級賦值，得到石漠化對坡度敏感性分布圖。

Ci—植被覆蓋度

處理方法同水土流失敏感性評價植被覆蓋度因子的計算。

4　生態(tài)紅線劃定結(jié)果

4.1生態(tài)服務(wù)功能區(qū)重要性和生態(tài)環(huán)境敏感性、脆弱性分級

將土壤保持功能、水源涵養(yǎng)功能、生物多樣性保護三項重要性評價結(jié)果疊加，得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總值，按重要性由低到高依次劃分為5個重要性級別，即一般重要、較重要、中等重要、高度重要、極重要。將水土流失敏感性、石漠化敏感性評價結(jié)果疊加，同時考慮區(qū)域內(nèi)馬場河、紅楓湖水庫等重點河湖最小保護寬度，將生態(tài)環(huán)境敏感性、脆弱性評價結(jié)果分為5級，即不敏感、輕度敏感、中度敏感、高度敏感和極敏感，詳見圖2。

圖2　左圖：生態(tài)服務(wù)功能重要性分布圖， 右圖：生態(tài)環(huán)境敏感性、脆弱性分布圖Fig.2　Left ：The distribution map of ecological service function significance，Right：The distribution map of ecological environment sensitivity and vulnerability

4.2紅線劃定

將生態(tài)服務(wù)功能重要性評價結(jié)果為極重要小班和生態(tài)環(huán)境敏感性、脆弱性評價結(jié)果為極敏感小班的區(qū)域分別確定為區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能紅線區(qū)和生態(tài)環(huán)境敏感紅線區(qū)，詳見圖3。

圖3　左圖：生態(tài)服務(wù)功能紅線區(qū)，右圖：生態(tài)環(huán)境敏感紅線區(qū)Fig.3　Left ：The red zone of ecological service function，Right： The red zone of ecological environment sensitivity

將區(qū)域總體規(guī)劃區(qū)、禁止開發(fā)區(qū)、生態(tài)服務(wù)功能紅線區(qū)和生態(tài)環(huán)境敏感紅線區(qū)疊加，綜合分析，最終劃定項目區(qū)域紅線區(qū)，詳見圖4。

圖4　貴安新區(qū)總紅線分布圖Fig.4　The distribution map of the last red-line zone in Guian New District

5　結(jié)論與分析

經(jīng)過計算與疊加分析，貴安新區(qū)生態(tài)紅線區(qū)域總面積584.95 km2，占貴安新區(qū)土地總面積(1 895 km2)的30.87 %，詳見表5。

表5　各類生態(tài)紅線命名與面積分布表Tab.5　The name and area distribution table of each kind of ecological red-line area

1)貴安新區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性主要受到植被覆蓋度和降水量的影響，重要性等級呈西高東低之勢，其中，重要性等級最高值大部分分布在區(qū)域西北部，最低值大部分分布在區(qū)域東南部。

2)貴安新區(qū)生態(tài)環(huán)境敏感性等級分布主要受到區(qū)域內(nèi)基巖裸露率、坡度和植被覆蓋度的影響，尤其受基巖裸露率的影響最大。

3)由總紅線分布圖可看出，貴安新區(qū)紅線范圍多分布在重要水源保護區(qū)、風景名勝區(qū)、森林公園等敏感區(qū)域、石漠化程度嚴重區(qū)域以及植被覆蓋率較高的區(qū)域，其中紅楓湖片區(qū)是集風景名勝區(qū)、重要水源保護區(qū)以及生態(tài)服務(wù)功能為一體的集中連片的典型區(qū)域，紅線劃定符合區(qū)域?qū)嶋H情況。

4)貴安新區(qū)紅線劃定并非一勞永逸，在確定了紅線范圍之后，執(zhí)行力也是非常重要的。在實際操作中，重要水源保護區(qū)與風景名勝區(qū)等禁止開發(fā)區(qū)長期以來得到了認可，紅線作用能夠得到相應(yīng)保障，生態(tài)服務(wù)功能紅線區(qū)和生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)的紅線劃定，因為沒有既成的意識形態(tài)，可能在經(jīng)濟社會發(fā)展中被忽略或不予重視，導致紅線作用受限，應(yīng)切實保障紅線劃定起到實際作用，同時，在生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)內(nèi)，應(yīng)通過植樹造林、退耕還林還草等工程，積極促進生態(tài)環(huán)境的改善，促成生態(tài)環(huán)境保護與經(jīng)濟社會發(fā)展形成良性循環(huán)。

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The designation of ecological red lines based on spatial analysis technology：a case study on Guian New District*

WANG Hongbo1，2，LAN Anjun1▲

(1GuizhouNormalUniversity，Guiyang550001，China；2GuizhouForestrySurveyandDesignCo.Ltd.，Guiyang550003，China)

In this paper，we used spatial analysis as the research method，and based on the eco-environmental sensitivity and the importance of ecological service function，we designated the ecological red lines，which would provide ecological security for the development of economic and society in Guian New District.The results show that，the area enclosed by the ecological red lines is 584.95 km2，30.87 % of the total area of Guian New District，mainly locates in the important water source reserve area，scenic spot area，forest park area，serious rocky desertification area，and high vegetation coverage area，etc.

ecological red line，Guian New District，eco-environmental sensitivity，importance of ecological service function

X171.1

A

1003-6563(2016)04-0031-05

2016-03-23；

2016-04-18

貴州省科學技術(shù)基金項目“不同等級石漠化小流域治理模式‘3S’優(yōu)化決策與監(jiān)測”[黔科合J字(2007)2164]；貴州省科技計劃項目“喀斯特山區(qū)低碳鄉(xiāng)村旅游示范區(qū)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與示范”[黔科合SY字(2012)3058]；貴州省林業(yè)廳青年科技人才培養(yǎng)對象專項基金項目“貴州南部桉樹林凈生產(chǎn)力及碳儲量研究”[黔林科合J字(2013)6號]。

王洪波(1988-)，男，河北保定人，在讀碩士，研究方向：景觀生態(tài)學。

▲蘭安軍(1974-)，男，貴州貴陽人，副教授，從事遙感與生態(tài)地理信息研究工作。