基于GIS平台的东山岛生态保护红线划定研究

张亚丽, 胡希军, 陈存友

基于GIS平台的东山岛生态保护红线划定研究

张亚丽1,2, 胡希军2,*, 陈存友2

1. 邵阳学院, 湖南 邵阳 422000 2. 中南林业科技大学, 长沙 410000

为构建东山岛绿色空间网络和实现东山岛国际旅游海岛城市的发展目标, 对东山岛生态空间的红线划定进行研究。以定性和定量相结合方法, 运用GIS技术将研究区的生态功能重要性、生态环境敏感性及禁止开发区进行综合评价, 划定其生态红线。研究结果表明, 东山岛生态功能红线区域总面积为7518. 3hm2, 占研究区面积的30.27%。主要分两级管控区域, 一级生态红线区域面积为2064.84 hm2, 二级生态保护红线区域面积5453.46 hm2, 生态红线区域主要分布在西北部的大山、王爹山、针岭山、牛犊山, 东南部的苏峰山、亲营山, 东部的海岸景观带, 南部的大帽山、旗山等植被覆盖度高的区域。红线区域的生态价值极高, 对维护全县生态系统稳定性、提升生态安全格局水平、提高旅游生态承载力有着重要意义。

GIS; 生态红线; 生态功能重要性; 生态敏感性; 东山岛

0 前言

对于我国经济技术开发第一梯队的东南沿海城市群而言, 海岛是城市开发过程中的重要战略资源。伴随着交通业、旅游业、农牧渔业等行业的深层“介入”, 近年来东山岛的绿色空间水平下降、生物多样性减弱等问题日渐严峻。生态红线是特殊时期遏制生态环境恶化的客观需要, 是促使城市共享与品质发展的重要举措, 更是优化国家生态安全格局的基本前提[1]。在此背景下, 探讨海岛型城市的生态红线划定, 对于东山岛实现生态资源有效保护、构建适度开发的城市发展框架具有积极意义。

生态红线指的是保障和维护国土空间生态安全的最低限度(底线), 是生态空间内需要强制力保护的具有特殊重要生态功能的区域, 是对城市生态用地的空间、面积和管理上进行综合保护的制度和规划理念创新。

高吉喜(2000)对浙江安吉进行生态规划时首次提出“红线控制”的相关概念[2], 2011年, “生态红线”概念由国务院在《国务院关于加强环境保护重点工作的意见》中正式提出。高吉喜经研究(2013)提出, 生态红线有广义和狭义之分, 狭义的生态红线是在国土空间中的生态功能重要性、生态环境敏感区、脆弱区等区域为实行严格保护而进行的界线划定, 一般对应的是广义中的生态功能保障基线[3]。苏同向和王浩通过对不同学科学者的概念界定研究进行总结, 认为生态红线是指保障城乡生态安全格局、实现城乡可持续发展的基本生态底线, 是战略性的生态安全保护途径, 其更强调从空间耦合的思路落实红线划定, 强调保护与建设工作的高度统一[4]。吕红迪等(2014)认为生态红线需要从空间构建的角度去看待, 把握“多要素、重过程、多分区、全覆盖、含管理”等多个方面[5]。饶胜、张强等(2012)人认为, 生态红线是由空间红线、面积红线和管理红线共同构成的综合管理体系[6]。燕守广等(2014)在评估现状资源等级及生态敏感性的基础上, 将江苏省风景名胜区、森林公园等已被保护的自然地区域划为生态红线范围, 并分为两级管控。黄伟等基于各区域的生态重要过程和管理需求的不同, 构建了海洋生态红线区分级、分类划定依据, 该依据将生态红线区分为重要海洋生态功能区、敏感区和脆弱区两类, 并进行分级管控[7]。高吉喜详细阐述了生态红线划定方法: 对国家重要功能区、生态敏感区、脆弱区作为空间范围的选取, 同时明确保护重点及存在的主要问题, 结合生态功能重要性、生态敏感性等评价, 最终通过空间叠加和制图的方法得出[8]。

因研究时间较短和实证研究不足, 目前相关研究仍然存在不少待解决的问题。主要是因地域差异性, 而出现的如生态保护红线面积最低控制值选取、评价体系建立及指标选取、评价方法及权重选取等各项环节的适宜性问题, 以及数据获取及精度等[9]问题。因此, 本研究结合现有研究成果, 以东山岛为例, 针对其生态旅游城市建设目标、绿色生态网络构建框架的特点, 以现状调研数据结合研究区自然地理特征, 尝试建立对该区域更加全面、科学合理、具体的生态红线划定的技术方法及评价指标体系, 筛选针对性强、有效性高的指标因子, 探讨东山岛生态保护红线的划定方法。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

东山岛位于福建省南部, 其地理坐标为北纬23°33′—23°47′, 东经117°17′—117°35′, 属典型的南亚热带海洋性季风气候, 年平均降水量为1113.9 mm, 省少雨区。该岛四面环海, 由东山主岛和周围67个小岛组成, 陆地总面积为247.24 km2。

东山岛整体地势西北高、东南低, 西北部为低丘台地地区、东南部多为滨海平原。岛内主要河流有西铺溪、湖尾溪、东赤港溪等, 主要湖泊(库塘)有红旗水库、双东水库等。

东山岛植被系属于闽粤沿海丘陵平原亚热带雨林区、闽南博平岭东南湿热带雨林小区, 区内有高等植物352种, 岛内植被主要以常绿阔叶树及南亚热带植物为主。

近年来, 东山岛按照“一岛一城市, 一岛一景区”的思路进行城乡一体化建设, 积极统筹全岛各要素配置, 确定了建设国家全域旅游示范区、国际旅游海岛的发展目标。

1.2 数据来源与预处理

(1) 遥感影像数据: 来源于地理空间数据云平台下载的30 m空间分辨率的覆盖东山岛的Landsat 8 OLI_TIRS卫星数字影像和DEM数据, 统一坐标系统为 WGS_1984_UTM_50N, 含云量小于3% , 数据质量较好。通过ENVI软件将遥感影像进行辐射定标、大气校正、影像裁剪的等预处理后采用监督分类和目视解译方法得到土地利用图。

(2) 气象数据: 数据来源于中国气象科学数据共享服务网, 下载研究区附近漳浦、诏安、云霄等及台湾省内部分气象站点的1981—2010年的30年累年降雨数据集, 在ArcGIS中采用克里金插值法将各气象站点的数据进行插值, 得到研究区降雨栅格图。

(3) 土壤侵蚀数据: 来源于中国科学院地理科学与资源研究所平台下载的1:1000中国土壤侵蚀空间分布的栅格数据。

2 研究方法

借鉴前人学者燕守广、黄伟等的研究成果, 在评估现状资源等级及生态敏感性的基础上, 将东山岛风景名胜区、森林公园等自然保护地划为生态红线范围, 并分为两级管控。

2.1 技术路线

因该研究的生态红线划定为空间红线的划定, 故不对资源上限和生态产品供给进行研究。基于《生态保护红线划定指南》, 本文拟通过对研究区进行生态功能重要性和生态环境敏感性评价, 并结合禁止开发区的范围, 通过AHP层次分析法、GIS空间分析等技术方法划定研究区生态保护红线范围, 构建起生态空间红线基本技术框架(见图1)。

2.2 评价指标选取与计算

每个城市的自然条件与人文状况都有所差异, 面对不同类型的城市, 往往要根据其生态需求、环境现状、城市发展等要素因地制宜的确定评价因子。在《全国主体功能区规划》内容中得知, 东山岛属于水土保持功能区范畴, 这符合对一般海岛定位。但就东山岛实际情况来看, 东山岛属于福建省暴雨大风重灾区, 水土流失总量居高不下, 且淡水资源匮乏; 因岛内植被群落构成单一, 防护林退化严重(以木麻黄为主); 且整体地形较平缓, 加上城镇建设规模加大, 所以东山岛综合防灾能力水平较低[10], 水源涵养能力较弱, 生态系统稳定性较差。据《福建省生态功能区划》资料显示, 东山岛属于省内土壤侵蚀敏感性区域的轻度敏感、敏感区域, 风沙与石漠化敏感区。根据岛内生态状况特征及参考前人成果, 以数据可获取性选择适宜的指标对东山岛生态功能重要性和生态系统敏感性进行评价, 具体评价内容及指标如表1所示:

图1 东山岛生态空间红线划定技术路线图

Figure 1 Technology roadmap of red line delineation in ecological space of Dongshan Island

表1 东山岛评价内容与指标分析

(1) 土地覆被类型

根据遥感图像结合《土地利用现状分类》(GBT21010—2017)、县域现状, 在ENVI中通过监督分类和目视解译, 得到东山岛土地覆被类型图。

(2) 植被覆盖度

是指植被冠层的垂直投影面积与土地总面积之比。植被覆盖度(VFC)计算公式如下:

其中,NDVI 为完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值,NDVI 则代表

完全被植被所覆盖的像元的NDVI值, 即纯植被像元的NDVI值。

将东山岛的遥感影像数据在ENVI中处理后得到县域的植被覆盖结果, 在ArcGis中将覆盖度分为5类, 得到东山岛植被覆盖度分级图。

(3) 水系缓冲区

利用DEM数据提取研究区水系, 然后进行缓冲区分析, 考虑廊道边缘存在辐射效应, 提取出水域附近1 km 的区域作为缓冲区。

(4) 地形因素

在GIS平台中进行一系列数据处理, 得到东山岛高程分布图、坡度图。

(5) 气候因素

根据中国气象科学数据共享服务网, 确定东山岛周边漳浦、云霄、诏安、饶平均有气象站点, 于气象数据网上下载各站点的降雨数据集, 东侧选取两个站点, 采用克里金插值法计算得到区域内降雨量分布。

(6) 土壤因素

从中国科学院地理科学与资源研究所, 资源环境数据云平台下载的1:1000中国土壤侵蚀空间分布数据, 掩膜裁剪得到东山岛的土壤侵蚀数据, 县域范围内分布有水力侵蚀和风力侵蚀数据。

这六个单因子依据上述方法分析所得到的图如下所示(图2)。

2.3 生态环境敏感性分析

2015年环保部发布《生态保护红线划定技术指南》, 将生态敏感区定义为“对外界干扰和环境变化具有特殊敏感性或潜在自然灾害影响, 极易受到人为的不当开发活动影响而产生负面生态效应的区域”[11]。

结合《全国生态功能区划(修编版)》、《福建省林业生态红线划定工作方案》等资料, 分析出地形、气候、土壤、植被、水文多种因素对岛内活动的敏感性有较大影响。

(1) 评价指标分级赋值与权重计算

通过ARCGIS平台, 手动将各单因子评价结果划分为5类, 并依据高敏感、较高敏感、中敏感、较低敏感、低敏感5个等级依次赋值9、7、5、3、1的分值。通过AHP层次分析法, 对做出的对比矩阵进行一致性检验, 根据己有的客观数据、咨询专家意见进行两两之间的敏感度评分以及分析者的分析综合得出敏感度判断矩阵的数值及权重, 其中, 计算其一致性可检查矩阵的判断质量, 当检查结果满足一致性时则有效(＜0.10, 则可认为该判断矩阵满足一致性, 否则需要调整)。得到=0.0518<0.1, 即保持显著水平, 对比矩阵是保持一致性的, 得到的结果是可以使用的。结果见表2:

图2 单因子分析图

Figure 2 Single factor analysis graph

(2) 生态环境敏感性评价结果

将以上得出的单因子评价结果和各评价因子指标的权重相结合综合考虑每个因素指标的评价结果。生态环境敏感性重要性的评价模型如下:

式中,S代表单元上的生态服务功能评价值,C代表单元上因子的等级值,W代表因子在生态环境敏感性评价中所占权重。评价结果中 S值越大表示生态环境越敏感, 反之越不敏感。将因子赋值与权通过评价模型计算后进行空间叠加后, 采用 ArcGIS 平台的自然断点分类法(Jenks),得到东山岛生态敏感性分级结果。自然断点分类法是基于上述数据中固有的分组, 对分类间隔加以识别, 可对相似值进行最恰当地分组, 并可使各个类之间的差异最大化, 对研究中的数据分类及分布情况最为适合。

2.4 重点生态功能区分析

东山属省内少雨区, 区域内还存在的包括土壤沙质多, 用地较浪费, 次生林及人工林地结构单调, 植被稀疏, 水域滩涂利用率不高等一系列问题[12]。综合现状情况, 在研究区内选择土地利用类型、植被覆盖度、水系缓冲区作为生态功能区分析指标。

(1) 生态功能重要性指标分级赋值

通过GIS平台的手动将各单因子评价结果划分为5类, 依据极重要、非常重要、重要、一般重要、不重要5个等级依次赋值9、7、5、3、1的分值; 运用与生态敏感性分析中相同的AHP层次分析法计算权重并通过一致性检验, 在评价过程中得出一致性比例=0.0372＜0.1, 表明得到的结果是可行的, 均符合一致性。得到表3。

(2) 生态功能重要性评价结果

将以上得出的单因子评价结果和各评价因子指标的权重相结合综合考虑每个因素指标的评价结果。生态功能重要性的评价模型如公式（3）, 公式说明参见公式(2):

表2 生态敏感性评价因子分级表

表3 生态功能重要性评价赋值表

将因子赋值与权通过评价模型计算后进行空间叠加, 并采用自然断点法分类, 得到东山岛生态功能重要性分级结果。

3 结果与分析

3.1 生态敏感性综合评价

将研究区现状结合《全国生态功能区划(修编版)》、《福建省林业生态红线划定工作方案》等资料, 对研究区地形因素、气候因素、土壤因素、植被因素、水文状况等方面来分析, 对研究区内受干扰程度进行分析和分级评价, 得到图3。

对研究区内各级敏感区进行面积统计, 结果显示高敏感区占比最小3.38%, 较低敏感区和低敏感区域占整个县域面积约60%, 具体数据见表4:

图3 东山岛生态环境敏感性评价结果

Figure 3 Evaluation results of ecological environment sensitivity in Dongshan Island

表4 东山岛生态敏感性分级面积统计

同时, 对7个乡镇进行了敏感性级别面积及面积占比统计, 能够清晰对比出各乡镇的敏感性差异和乡镇内各级别敏感度的面积占比, 统计得到表5。

结合图3和表5得知, 高敏感区以陈城镇和西埔镇生态环境高敏感区占比最大, 陈城镇占389.29 hm2, 主要分布在大帽山、澳角、旗山, 这几处地区海拔较高, 且在山顶开发建设, 生态破坏较大, 尤其是澳角、大帽山是降雨最少的地带, 对植被生长较为不利; 西埔镇占有319.07 hm2, 以苏峰山、亲营山以及城区周边分布最大, 两座山头的海拔高, 其中苏峰山为县境内海拔最高处, 坡度陡峭, 生态敏感性极高。高敏感区域应以保护及修护为主, 严禁进行破坏环境的开发建设活动。较高敏感区主要分布于西埔镇和陈城镇, 其他乡镇也有少量分布, 虽然其生态状况稍强于高敏感区, 但也容易受到人为或自然的侵害, 所以对非常敏感同样需要加强重视生态保护。研究区内中敏感、低敏感区都主要分布于西埔镇、陈城镇, 其他乡镇也均有分布。除西埔镇外, 其他6个乡镇的分布相对均匀。

3.2 生态功能重要性综合评价

从研究区内水源涵养、水土保持和生物多样性等生态功能出发, 选择土地覆被类型、植被覆盖度、水系缓冲区作为生态功能区分析因子, 对各类单因子进行评价后综合叠加分析, 得到图4。

表5 东山岛乡镇生态敏感性区域面积分布表

从图4看出, 东山岛重点功能区主要分布在西北部的前楼镇、杏陈镇, 西南部的陈城镇及西埔镇的东南区域, 通过统计得到东山岛生态服务功能区域面积, 结果见表6:

图4 东山岛生态系统服务功能重要性评价结果

Figure 4 Evaluation results of ecosystem service function importance in Dongshan Island

表6 东山岛生态服务功能区面积统计

通过比较乡镇不同等级的面积差异, 以及不同乡镇的各生态服务功能区域的差异, 得到东山岛各级生态服务功能区域面积分布(表7)。

从表7可以看出, 研究区生态功能重要性的极重要区域分布在陈城镇、西埔镇, 这2个县的生态服务功能极重要区域最多, 陈城镇面积2134.07hm2, 占研究区总面积的8.59%。极重要区对整个县域的生态系统稳定性、生态环境发展的可持续性有着不可忽视的作用。

岛内的生态功能重要性非常重要区也主要分布在陈城镇和西埔镇, 除铜陵镇外6个县域的生态功能非常重要区的面积相对平均。重要区属陈城镇分布最高, 是在各级分类和各个城镇中面积最大的区域。

岛内一般重要区主要分布在陈城镇和杏陈镇。岛内的生态功能重要性不重要区主要分布在陈城镇和西埔镇。这两个地区生态基础较差, 要更加重视生态发展和绿地建设, 增强乡镇的生态效益, 与其他城镇协同发展。

3.3 禁止开发区的确定

禁止开发区是指依法设立的各级各类自然文化资源保护区域, 以及其他禁止进行工业化城镇化开发、需要特殊保护的重点生态功能区。

根据东山绿地现状与东山岛用地适宜性评价, 将东山岛的将自然保护区、集中成片的基本农田保护区、饮用水源保护区、森林公园、风景名胜区、郊野公园、山地、河流水库等划定为生态红线范围, 作为绿色开敞地区, 禁止进行大规模城市建设, 其中山地主要有旗山、大帽山、苏峰山、亲营山、大山、王爹山、针岭山、牛犊山等(图5)。

表7 东山岛各乡镇各级生态服务功能区域面积分布表

图5 东山岛禁止开发区分布图

Figure 5 Distribution map of forbidden development zone in Dongshan Island

计算得出禁止开发区面积2064.84 hm2, 占研究区面积的8.31%, 具体划分与数据见表8:

3.4 生态空间红线划定结果

将前文分析所得的生态功能极重要区域、生态环境极敏感区域和禁止开发区范围进行叠加合并所得到的区域作为东山岛两级生态红线(图6)。并对生态红线区域进行分析, 得到东山岛生态功能红线总面积为7518.3 hm2, 占县域面积的30.27%, 其中一级生态保护红线(禁止开发区)为2064.84 hm2, 二级生态保护红线5453.46 hm2。

生态红线区域在各个乡镇均有分。一级生态红线区域主要在西北部的大山、王爹山、针岭山、牛犊山等生态山林地, 东南部的漫长海岸带、苏峰山、亲营山, 南部的大帽山、旗山, 这些区域植被覆盖度高, 生态较脆弱, 分布有自然保护区和森林郊野公园, 整体生态价值极高, 对维护全县生态系统稳定性、生态安全格局、发展旅游度假城市有着重要意义。二级生态红线围绕一级生态红线分布, 并且城区组团中也分布较多。

表8 禁止开发区面积统计

图6 东山岛生态红线分布图

Figure 6 Ecological red line distribution map of Dongshan Island

东山岛生态红线的划定是多要素综合分析得到的保护区域。其中, 一级生态保护红线以区域郊野公园、饮用水源保护区、风景名胜区等自然资源丰富的地域为主, 应进行重点保护, 注重保护和恢复生态系统服务功能, 禁止开发建设活动, 对核心区资源更应杜绝一切人为干扰, 更加注重维护城乡生态系统的平衡, 促进生态产品的提供。二级生态保护红线的区域分布在耕地周边的林地、城镇绿化区域, 介于生态核心保护区域和城乡建设用地之间, 起着重要的联通和稳定城镇的发展的作用, 应实行差别化的管控措施, 减少有损主导生态功能的开发建设活动[13]。

4 讨论与结论

该研究以东山岛为例, 针对其特殊的海岛低山丘陵特征, 以定性和定量的方式相结合, 从生态功能重要性、生态环境敏感性、禁止开发区这三个方面进行评价与叠加分析, 划定研究区生态红线, 对东山岛的生态安全格局和生态系统稳定性有着重要作用, 探索了海岛型小城市尺度下的生态保护红线划定方法, 也为其他区县提供借鉴与参考。研究表明, 东山岛生态红线区域总面积为7518.3 hm2, 占县域面积的30.27%, 其中一级生态保护红线为2064.84 hm2, 二级生态保护红线5453.46 hm2。生态红线区域主要分布在东南部的生态海岸带, 西北部的大山、王爹山、针岭山、牛犊山等生态山林地, 东南部的苏峰山、亲营山, 南部的大帽山、旗山等植被覆盖度较高的区域, 除山体中有小块的开发区域外, 其他区域都有十分重要的生态价值。

在划定过程中, 从研究区的实际生态状况出发, 考虑生态旅游城市建设目标, 将水土保持、水源涵养的基本生态功能纳入指标中, 优先考虑且更加注重生物多样性保护、土壤侵蚀度、石漠化这些特殊地域影响重大的生态功能指标, 为东山岛生态红线划定建立了合理的评价体系及指标因子, 增加其可落实性和科学性, 并且对海岛生态系统保护、生态服务功能维持有着突出的作用, 利于促进建设绿色东山、提高森林覆盖率和保护生物多样性, 维护东山岛生态安全底线。

在研究过程中, 为了使数据呈正态分布, 主要借助GIS平台中的自然间断点分级法, 这一分类手段能够对相似值进行恰当地分组, 适合研究中的数据分类及分布情况, 但ArcGIS中还有许多分类法, 如定义间隔分类、等量分类、标准差分类等, 其中的标准差分类法也同样适合正态分布的数据使用, 在文中仅采用了一种方法, 实属局限, 且目前缺少对于GIS平台中的相关分类方法差异性的研究成果, 希望在后面的研究评价体系能够将这一内容引入思考, 以提高评价的科学性。

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Research on the red line delineation of ecological protection for Dongshan Island based on GIS

Zhang Yali1,2, HU Xijun2,*, CHEN Cunyou2

1. Shaoyang University,Shaoyan, Hunan 422000,China 2.Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410000,China

In order to construct the green space network of Dongshan Island for the development goal of Dongshan Island International Tourism Island City, the red line delineation of Dongshan Island's ecological space is studied. Combing qualitative analysis with quantitative analysis, the importance of ecological service function, the sensitivity of ecological environment and the forbidden development zone in the study area were evaluated synthetically with GIS technology, and finally the ecological red line was drawn. The results show that the ecological red line of Dongshan Island is divided into two level control areas, namely, the first-grade ecological red line which covers 2064.84 hm2, and the secondary ecological protection red line which covers 5453.46hm2. The total area of Dongshan Island ecological function red line area is 7518.3hm2, while that of the ecological red line of Dongshan Island is 7518.3hm2, accounting for 30.27% of the area of the city domain area. Moreover, the ecological red line area is distributed mainly in the area highly covered by vegetation, such as the northwest of Dashan, Wangdie Mountain, Zhenling Mountain, Niudu Mountain, and the southeast of the Sufeng Mountain, Qinying Mountain, and the south of the Damao Mountain, Qishan. With an extremely high ecological value, the red line area is of great significance to maintain the stability of the whole county's ecosystem, improve the ecological security pattern level, and enhance the carrying capacity of tourism ecology.

GIS;ecological red line;ecological function importance; ecological sensitivity; Dongshan Island

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.06.018

F301.2

A

1008-8873(2020)06-137-08

2019-10-03;

2019-11-03基金项目:林业公益性行业科研专项(编号: 201404710); 国家林业局“十三五”重点学科(风景园林学)[林人发(2016)21号]

张亚丽(1995—), 女, 汉族, 江西赣州人, 硕士, 主要从事风景园林规划与设计研究, E-mail: 1356631559@qq.com

胡希军(1964—), 男, 汉族, 浙江东阳人, 博士, 教授, 主要从事景观生态规划、风景园林规划与设计、城乡规划研究, E-mail: 120795043@qq.com

张亚丽, 胡希军, 陈存友. 基于GIS平台的东山岛生态保护红线划定研究[J]. 生态科学, 2020, 39(6): 137–145.

ZhangYali, HUXijun, CHENCunyou. Research on red line delineation of ecological protection in Dongshan Island based on GIS platform[J]. Ecological Science, 2020, 39(6): 137–145.