基于地表覆蓋/土地利用數(shù)據(jù)的沁河源區(qū)生態(tài)保護(hù)紅線邊界處理

寧 婷，杜世勛，榮月靜，王 偉，李 超

(1.山西省生態(tài)環(huán)境研究中心，山西 太原 030009；2.北京山海礎(chǔ)石信息技術(shù)有限公司，北京 100012)

生態(tài)保護(hù)紅線是指在生態(tài)空間范圍內(nèi)具有特殊重要生態(tài)功能、必須強(qiáng)制性嚴(yán)格保護(hù)的區(qū)域，是保障和維護(hù)生態(tài)安全的底線和生命線，通常包括生態(tài)功能重要區(qū)域、生態(tài)環(huán)境敏感脆弱區(qū)域等。依據(jù)原環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布的《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》，全國(guó)各省紅線劃定工作自2017年全面鋪開，現(xiàn)已基本完成省級(jí)層面劃定方案，即將形成全國(guó)“一張圖”。紅線劃定流程主要包括開展科學(xué)評(píng)估、校驗(yàn)劃定范圍、確定紅線邊界、形成劃定成果、開展勘界定標(biāo)等。其中，確定紅線邊界首要工作是進(jìn)行邊界處理，也就是借助地理信息系統(tǒng)軟件，將柵格形式的極重要區(qū)、極敏感區(qū)科學(xué)評(píng)估結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂忻鞔_邊界的矢量形式的極重要紅線、極敏感紅線邊界，也稱之為紅線的“落圖”。精準(zhǔn)的紅線落圖對(duì)于下一步紅線勘界定標(biāo)和管理管控具有重要意義[1]。但是，目前生態(tài)保護(hù)紅線相關(guān)研究工作多集中在科學(xué)評(píng)估和管控措施等領(lǐng)域[2-6]，有關(guān)邊界處理方法的專門報(bào)道較少[7]。

《生態(tài)保護(hù)劃定指南》指出，可根據(jù)地理國(guó)情普查、全國(guó)土地調(diào)查等明確的地塊邊界，也就是地表覆蓋數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)來勾繪調(diào)整生態(tài)保護(hù)紅線邊界[8]。這兩種數(shù)據(jù)是當(dāng)前應(yīng)用范圍最廣的土地分類數(shù)據(jù)，二者相互聯(lián)系又有所區(qū)別：地表覆蓋是土地利用的必要條件，土地利用是地表覆蓋變化的最直接和主要的驅(qū)動(dòng)因子，區(qū)別在于前者重點(diǎn)是對(duì)地球表面的自然屬性進(jìn)行描述，后者則側(cè)重對(duì)土地社會(huì)屬性進(jìn)行分類[9-10]。目前，各省份紅線劃定過程中通常采用一種數(shù)據(jù)源進(jìn)行紅線邊界處理，關(guān)于兩種數(shù)據(jù)在生態(tài)保護(hù)紅線邊界落圖中的適用性與差異性有待研究。

沁河是山西省第二大河，發(fā)源于太岳山脈霍山南麓，其源頭區(qū)地處太岳山水源涵養(yǎng)與生物多樣性保護(hù)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，是山西省生態(tài)保護(hù)紅線劃定的重要區(qū)域和典型區(qū)域。本文以沁河源區(qū)為例，分別采用地表覆蓋和土地利用兩種分類數(shù)據(jù)對(duì)生態(tài)功能極重要區(qū)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行落圖，分析二者在紅線落圖過程中的優(yōu)勢(shì)，并探討如何聯(lián)合應(yīng)用兩種數(shù)據(jù)更加科學(xué)、精準(zhǔn)地確定紅線邊界，以期為今后河流源頭區(qū)等生態(tài)功能重要區(qū)域紅線邊界的優(yōu)化調(diào)整提供參考。

1 研究區(qū)概況

沁河源區(qū)是指沁河流域范圍內(nèi)孔家坡水文站以上河段的集水區(qū)，地理位置處于北緯36°32′—36°58′，東經(jīng)111°58′—112°32′之間，行政區(qū)劃上屬于山西省沁源縣，面積1 360.71 km2，約占沁河流域總面積的10%(如圖1所示)。地勢(shì)西北高、東南低，平均海拔1440 m。地形地貌以土石山區(qū)為主，植被類型豐富，覆蓋率高，生態(tài)功能強(qiáng)。區(qū)內(nèi)主要河流有沁河(干流)、赤石橋河、紫紅河等，均為山區(qū)泉溪性河流，呈自然形態(tài)。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究所用生態(tài)功能極重要區(qū)分布數(shù)據(jù)由研究區(qū)綜合生態(tài)功能重要性評(píng)估結(jié)果分級(jí)后經(jīng)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換(柵格→矢量)、數(shù)據(jù)聚合、填充孔洞、扣除破碎斑塊等預(yù)處理步驟得到，面積為877.87 km2，主要分布在研究區(qū)內(nèi)山高坡陡、植被覆蓋良好的區(qū)域，中部河谷地帶分布極少(如圖2所示)。地表覆蓋數(shù)據(jù)來源于山西省第一次全國(guó)地理國(guó)情普查成果，土地利用數(shù)據(jù)來源于山西省第二次土地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)，均為最新矢量數(shù)據(jù)。

2.2 紅線邊界落圖步驟與方法

采用ArcGIS 10.2軟件對(duì)生態(tài)保護(hù)紅線邊界進(jìn)行落圖，主要步驟流程如圖3所示。

(1)壓覆面積比例(p)，是指極重要區(qū)柵格與其壓覆的地表覆蓋或土地利用地塊的面積之比，取值范圍為0

(2)非生態(tài)用地。在地表覆蓋分類體系中，包括房屋建筑、鐵路與道路、構(gòu)筑物、人工堆掘地等；在土地利用分類體系中，包括耕地、園地、水利設(shè)施用地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地及部分其他土地。

(3)孔洞?？锥词侵肝挥谏鷳B(tài)保護(hù)紅線合并斑塊內(nèi)部的地塊?？锥匆话銥楦?、村莊、低覆蓋度草地等生態(tài)功能較弱的地塊，未納入生態(tài)功能極重要區(qū)或由于被極重要區(qū)壓覆面積比例較低而剔除。為保證生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的完整性，對(duì)面積小于1 km2的孔洞進(jìn)行填充，面積大于1 km2的孔洞仍保留。

2.3 落圖過程中的數(shù)據(jù)質(zhì)控要求

為提高紅線落圖結(jié)果與評(píng)估結(jié)果的相符性，減少主觀的人為判斷，本文研究將落圖過程中最大允許偏差設(shè)定為評(píng)估結(jié)果的“千分之一”。極重要區(qū)評(píng)估面積為877.87 km2，落圖后極重要區(qū)紅線面積保持在876.99—878.75 km2之間。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)地表覆蓋與土地利用分類情況

3.1.1 地表覆蓋分類

研究區(qū)地表覆蓋類型可分為8大類44個(gè)亞類(見表1)。生態(tài)用地總面積1 270.88 km2，占研究區(qū)總面積的93.40%，絕大多數(shù)為林草覆蓋，主要分布在研究區(qū)海拔較高的山地、丘陵等地帶；非生態(tài)用地面積比例僅為6.60%，包括種植土地、房屋建筑、鐵路與道路等，主要分布在研究區(qū)地勢(shì)較為低平的河谷地帶。

表1 沁河源區(qū)地表覆蓋/土地利用分類

3.1.2 土地利用分類

研究區(qū)土地利用類型可分為8大類24個(gè)亞類(見表1)。其中，生態(tài)用地總面積1 247.08 km2，占研究區(qū)總面積的91.65%，主要包括林地、其他草地和灌木林地等；非生態(tài)用地面積比例僅為8.35%，絕大多數(shù)為旱地。由土地利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的生態(tài)用地面積比由地表覆蓋數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的面積略少，這是由于土地利用數(shù)據(jù)按土地權(quán)屬進(jìn)行分類，某些耕地和園地的地表覆蓋類型可能是草地或闊葉灌木林[11]。

3.2 基于單一數(shù)據(jù)源的生態(tài)保護(hù)紅線邊界落圖

3.2.1 基于地表覆蓋分類數(shù)據(jù)的紅線邊界落圖

研究區(qū)綜合生態(tài)功能極重要區(qū)壓覆的地表覆蓋地塊共24 605個(gè)，總面積1 167.44 km2，是極重要區(qū)面積的1.33倍。從中進(jìn)一步篩選出壓覆面積比例較高的地塊891.25 km2。經(jīng)剔除非生態(tài)用地—孔洞填充—扣除破碎斑塊后，得到紅線落圖面積為878.16 km2，占研究區(qū)面積的64.54%(如圖4(a)所示)。

3.2.2 基于土地利用分類數(shù)據(jù)的紅線邊界落圖

研究區(qū)綜合生態(tài)功能極重要區(qū)壓覆的地表覆蓋地塊共11 146個(gè)，總面積1 198.35 km2，是極重要區(qū)面積的1.37倍，略高于利用地表覆蓋數(shù)據(jù)處理中的結(jié)果。從中進(jìn)一步篩選出壓覆面積比例較高的地塊共885.72 km2。經(jīng)剔除非生態(tài)用地—孔洞填充—扣除破碎斑塊后，得到紅線落圖面積為878.71 km2，占研究區(qū)面積的64.57%(如圖4(b)所示)。

由圖4可知，二者落圖面積相當(dāng)，均滿足最大允許偏差要求，與綜合生態(tài)功能極重要區(qū)吻合性均較好。落圖結(jié)果中二者重疊面積高達(dá)806.46 km2，不重疊部分主要位于紅線斑塊的邊緣。這表明兩種數(shù)據(jù)均適用于紅線邊界處理，只是紅線斑塊的邊界有所不同。

3.3 地表覆蓋數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)的聯(lián)合應(yīng)用

3.3.1 地表覆蓋/土地利用數(shù)據(jù)落圖特點(diǎn)

兩種數(shù)據(jù)均適用于研究區(qū)紅線邊界處理，進(jìn)一步對(duì)比分析可知，基于地表覆蓋數(shù)據(jù)落圖的優(yōu)勢(shì)在于從土地的自然屬性出發(fā)，亞類更多更具體，其邊界更能反映森林、灌叢、草地、河流等自然生態(tài)系統(tǒng)的邊界。而土地利用數(shù)據(jù)中地類屬性代表土地權(quán)屬，采用該數(shù)據(jù)對(duì)生態(tài)保護(hù)紅線落圖斑塊內(nèi)耕地、園地等非生態(tài)用地作進(jìn)一步剔除處理，可確保將紅線落在自然生態(tài)空間內(nèi)，避免與生產(chǎn)、生活空間交叉[12]。因此，若將兩種數(shù)據(jù)聯(lián)合應(yīng)用，可有效結(jié)合二者的優(yōu)勢(shì)，既能確保將紅線劃定在生態(tài)空間內(nèi)，又使其邊界與自然生態(tài)系統(tǒng)邊界充分吻合。

3.3.2 聯(lián)合落圖

首先，采用地表覆蓋數(shù)據(jù)選出并進(jìn)一步篩選壓覆地塊，然后采用土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)剔除其中面積為7.42 km2的非生態(tài)用地，得到生態(tài)保護(hù)紅線面積由891.25 km2降至883.83 km2。經(jīng)合并地塊—填充孔洞—扣除破碎斑塊后，得到紅線落圖結(jié)果共包含33個(gè)斑塊，面積為877.73 km2，占研究區(qū)面積的64.51%(如圖5所示)。與極重要區(qū)的重疊率在90%以上，吻合良好。

最終落圖結(jié)果中，99.49%為林地、草地等生態(tài)用地，只有0.51%為孔洞填充過程中補(bǔ)回的非生態(tài)用地，均位于紅線斑塊內(nèi)部，以面積較小的耕地居多。而使用地表覆蓋或土地利用數(shù)據(jù)單獨(dú)對(duì)極重要區(qū)落圖時(shí)，圖4紅線內(nèi)非生態(tài)用地面積為8.92 km2和8.00 km2，占比分別為1.02%和0.91%?？梢?，兩種數(shù)據(jù)聯(lián)合應(yīng)用時(shí)，紅線內(nèi)非生態(tài)用地的面積及占比進(jìn)一步減少，既有效提高了紅線保護(hù)效率，也便于紅線后續(xù)的管控[13]。

4 結(jié)論與討論

本文首先分別采用地表覆蓋和土地利用兩種土地分類數(shù)據(jù)對(duì)沁河源區(qū)綜合生態(tài)功能極重要區(qū)紅線進(jìn)行落圖，結(jié)果顯示，兩種數(shù)據(jù)均可用于紅線邊界處理工作，與極重要區(qū)評(píng)估結(jié)果吻合度均較高。進(jìn)一步分析表明，前者更符合自然生態(tài)系統(tǒng)邊界，后者則較好地兼顧了人工生態(tài)系統(tǒng)的土地權(quán)屬。在此基礎(chǔ)上，聯(lián)合應(yīng)用兩種數(shù)據(jù)，即先利用地表覆蓋數(shù)據(jù)篩選壓覆地塊，再利用土地利用數(shù)據(jù)剔除非生態(tài)用地，得到研究區(qū)極重要紅線。相比于采用單一數(shù)據(jù)源落圖，紅線內(nèi)非生態(tài)用地的面積及占比進(jìn)一步減少，邊界更加精準(zhǔn)、清晰，有利于下一步紅線勘界定標(biāo)和管控。

本文研究可為今后河流源頭區(qū)等生態(tài)功能重要區(qū)域生態(tài)保護(hù)紅線邊界的調(diào)整優(yōu)化提供參考，但對(duì)于水土流失、土地沙化等生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)域，由于其紅線分布往往更加零散和破碎，還需進(jìn)一步研究。