Faits: A. A._ est propriétaire de la parcelle n° 33, feuille 46, de la commune de Versoix, sur laquelle est édifiée une maison d'habitation d'une surface au sol de 35 m2. Ce bien-fonds est classé pour partie en zone agricole et pour partie en zone forêt. L'intéressé a acquis cette parcelle en 2004 de B._. Ce dernier avait entrepris en 1997 divers travaux de transformation de son bâtiment d'habitation. Invité à déposer une demande d'autorisation de construire, il avait notamment requis la réalisation d'un sous-sol de 9.40 sur 8.7 mètres. Le 16 septembre 1998, le Département cantonal de l'aménagement, de l'équipement et du logement (actuellement le Département cantonal des constructions et des techniques de l'information; ci-après: le Département cantonal) a refusé l'autorisation sollicitée. Le sous-sol ne respectait pas la distance réglementaire de 30 mètres jusqu'à la lisière de la forêt et les conditions de dérogation n'étaient pas réalisées. Par décision du même jour, une amende de 30'000 fr. a été infligée à B._, lequel devait démolir le sous-sol litigieux dans un délai de soixante jours. Par arrêt du 26 octobre 1999, le Tribunal administratif du canton de Genève (ci-après: le Tribunal administratif) a confirmé l'ordre de démolition du sous-sol, relevant que seule cette solution était apte à recréer une situation conforme au droit, aucune autre mesure moins incisive ne pouvant être ordonnée; le montant de l'amende a été réduit à 15'000 fr. Le 12 mai 2004, le Conseil d'Etat a refusé l'autorisation de maintien à titre précaire du sous-sol litigieux, requise par B._ le 1er mars 2000. B. Le Département cantonal s'est adressé à A._ le 17 novembre 2004. L'ordre de démolition du 16 septembre 1998 était définitif et exécutoire. Il lui appartenait dès lors, en sa qualité de propriétaire, de rétablir une situation conforme au droit et de procéder à la démolition du sous-sol litigieux, pour laquelle un délai de trois mois lui était imparti. Dans son courrier du 2 décembre 2004, le propriétaire a proposé une reconversion dudit sous-sol en citerne d'accumulation des eaux pluviales. Le sous-sol perdrait toute possibilité d'habitation et la transformation aurait un impact écologique moindre. Les déchets de démolition et l'utilisation de machines et de poids lourds seraient évités. De plus, une économie en eau potable pourrait être réalisée, l'eau de pluie étant stockée pour l'arrosage. Le 20 décembre 2004, le Département cantonal a invité A._ à requérir une autorisation de construire. La mise à exécution de l'ordre de démolition a été provisoirement suspendue. Le propriétaire a déposé le 22 février 2005 une demande d'autorisation en procédure accélérée en vue de la transformation du sous-sol litigieux en citerne d'accumulation d'eau. Dans le cadre de l'instruction de l'enquête, la sous-commission de la flore et le Service cantonal des forêts, de la protection de la nature et du paysage ont rendu un préavis favorable les 8 et 19 avril 2005. Le 18 mai 2005, la Commission cantonale des monuments, de la nature et des sites a préavisé défavorablement le projet; la construction du sous-sol n'ayant jamais été autorisée, le changement d'affectation sollicité n'était pas justifié et avait pour seul but la conservation d'une situation exécutée dans l'illégalité. Souscrivant au préavis précité, la Direction de l'aménagement du territoire a également préavisé négativement le 30 juin 2005. Après avoir examiné l'avis défavorable de la Commission cantonale des monuments, de la nature et des sites, le Service cantonal des forêts, de la protection de la nature et du paysage est revenu sur sa prise de position le 22 août 2005; il apparaissait effectivement qu'une décision de démolition de la construction était exécutoire et que la situation juridique interdisait la transformation du bâtiment. Le 2 janvier 2007, le Département cantonal a notifié à A._ sa décision de refus de l'autorisation sollicitée, au motif que le projet n'était pas conforme à l'art. 11 de la loi cantonale du 20 mai 1999 sur les forêts (ci-après: LForêts). C. La Commission cantonale de recours en matière de constructions (actuellement la Commission cantonale de recours en matière administrative; ci-après: la Commission cantonale) a rejeté le recours de A._ contre la décision précitée le 10 décembre 2009. Celui-ci a porté sa cause devant Tribunal administratif qui, après avoir procédé à un transport sur place en présence des parties, a rejeté son recours par arrêt du 29 juin 2010. Les juges cantonaux ont considéré en substance que la construction litigieuse ne pouvait pas bénéficier d'une dérogation en vertu de la LForêts. C'était par conséquent à bon droit que le Département cantonal avait refusé la transformation du sous-sol en citerne d'accumulation d'eau, son édification n'étant pas imposée par sa destination et ne constituant ni une construction de peu d'importance, ni un léger agrandissement. D. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._ demande au Tribunal fédéral d'annuler l'arrêt du Tribunal administratif du 29 juin 2010 et de renvoyer la cause au Département cantonal pour qu'il délivre l'autorisation de construire requise, subsidiairement pour qu'il procède à un nouvel examen. Il se plaint pour l'essentiel d'une violation de son droit d'être entendu, d'une application arbitraire des lois fédérale et cantonale sur la forêt et d'une violation du principe de la proportionnalité. Le Tribunal administratif s'en rapporte à justice quant à la recevabilité du recours et persiste dans les considérants et le dispositif de son arrêt. Le Département cantonal s'en rapporte également à justice quant à la recevabilité du recours et conclut à son rejet. Invité à se déterminer, l'Office fédéral de l'environnement, qui renonce à se prononcer sur le fond, indique néanmoins que la raison invoquée par le recourant pour obtenir l'octroi d'une dérogation (sous-sol devenu une réserve d'eau naturelle permettant l'arrosage de la clairière) est étrange. En réponse aux observations précitées, le Département cantonal et le recourant ont confirmé leurs conclusions. Par ordonnance du 6 octobre 2010, le Président de la Ire Cour de droit public a admis la requête d'effet suspensif du recourant.