基于敏感性分析的生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)安全格局構建
——以陜西省榆林市為例

安 冬，鄧 偉　(.重慶市璧山區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，重慶 402760；2.重慶市環(huán)境科學研究院，重慶 4047)

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基于敏感性分析的生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)安全格局構建
——以陜西省榆林市為例

安 冬1，鄧 偉2*(1.重慶市璧山區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，重慶 402760；2.重慶市環(huán)境科學研究院，重慶 401147)

摘要[目的]探索陜西省榆林市生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)敏感性和安全格局，為該地區(qū)的生態(tài)保護和建設提供科學依據。[方法]以北方農牧交錯帶典型生態(tài)脆弱區(qū)榆林市為研究對象，選取水資源、地質災害、土壤侵蝕、生境和荒漠化5個生態(tài)因子，在單因子生態(tài)敏感性評價的基礎上，通過綜合敏感性分析構建榆林生態(tài)安全格局。[結果]土壤侵蝕和地質災害是影響榆林市生態(tài)安全最敏感的因子，中度敏感和高度敏感區(qū)面積占有較大比例。生態(tài)安全底線、滿意和理想區(qū)面積比分別為25.69%、41.95%和32.36%。受自然條件和用地現(xiàn)狀影響，榆林市生態(tài)安全格局地域差異明顯，底線區(qū)位于白于山、中-南部土壤侵蝕、地災頻發(fā)和黃河沿岸地區(qū)，滿意區(qū)位于定邊縣中部、橫山-榆陽中部和神木-府谷北部，理想區(qū)主要為古長城以北的風沙區(qū)。[結論]榆林市生態(tài)敏感性主要以中度敏感為主，其中土壤侵蝕和地質災害敏感性較高。

關鍵詞生態(tài)脆弱區(qū)；敏感性分析；生態(tài)安全格局；榆林市

陜西省榆林市位于毛烏素沙漠向陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)的過渡地帶，是我國北方農牧交錯帶上典型的生態(tài)脆弱區(qū)，也是我國土壤保持和防風固沙重要的生態(tài)功能保護區(qū)[1]。該地生態(tài)質量的優(yōu)劣直接關系到黃河流域、黃土高原乃至全國生態(tài)安全及經濟社會的可持續(xù)發(fā)展[2]。近年來，隨著榆林市煤炭資源的大量開發(fā)，能源基地建設的快速發(fā)展及小城鎮(zhèn)的建設加速，人類對土地的利用強度隨之加大，在原本就存在生態(tài)問題(干旱、土地荒漠化、水土流失等)的基礎上進一步加劇了環(huán)境沖突[3]，生態(tài)安全成為自然-經濟-社會復合生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調發(fā)展中亟待解決的重大問題[2]。以往對榆林市的研究多集中于土地利用變化[4-7]、荒漠化[2，8-9]、水土流失[10-12]和區(qū)域性氣候變化[13-14]等單方面，對區(qū)域生態(tài)安全的定量評價及生態(tài)安全的空間格局構建尚屬空白。構建生態(tài)安全格局是實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)安全的基本保障和重要途徑[15-16]，是區(qū)域自然生命支持系統(tǒng)的關鍵性格局[17]，而基于生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務的重要性分析是識別關鍵生態(tài)地段的常用方法[16]?；诖?，筆者選擇榆林市生態(tài)環(huán)境較為敏感的水資源、地質災害、土壤侵蝕、生境和荒漠化5個生態(tài)因子，建立生態(tài)敏感性評估模型，構建榆林市具有不同安全水平的綜合生態(tài)安全格局，并有針對性地提出了各級生態(tài)安全格局的生態(tài)保護與建設措施，以期為榆林市生態(tài)保護與建設提供借鑒。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況 榆林市位于陜西省最北部，地處毛烏素沙漠南緣，黃河中游和黃土高原北麓，為北方典型的農牧交錯區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)，也是黃土高原和內蒙古高原的過渡地帶。全市轄1區(qū)11個縣，總面積43 578 km2(圖1)，地理坐標位置107°28′～111°15′ E，36°57′～39°35′ N。以古長城為界，以北是風沙草灘區(qū)，地勢較緩，以南是黃土丘陵溝壑區(qū)，地形起伏較大。區(qū)內地勢由西部向東南傾斜，西南部平均海拔1 600～1 800 m，其他各地平均海拔800～1 200 m。屬典型大陸性季風氣候，具有低溫、寒冷、降水稀少的氣候特點，年平均降水量約400 mm，多集中于6～9月，年平均氣溫約10 ℃。榆林市境內有53條河匯入黃河，其中八里河是陜西省最大的內陸河，紅堿淖是區(qū)內最大的內陸湖泊，總面積54 km2，總儲水量10億m3。榆林市居于晉陜寧蒙能源礦產金三角中心腹地，是我國煤氣油鹽富集地區(qū)，近年來作為國家一個重要的能源與礦產基地，在全國能源工業(yè)發(fā)展和能源基地建設布局中具有特殊重要的戰(zhàn)略地位。由于強烈的土地利用與干旱、 風沙、 嚴重的水土流失等脆弱生態(tài)環(huán)境并存，使得榆林生態(tài)環(huán)境更加多樣、復雜和脆弱。

1.2研究方法

1.2.1生態(tài)敏感性評價。生態(tài)環(huán)境敏感性反映生態(tài)系統(tǒng)在遇到環(huán)境變異和人類活動干擾時，發(fā)生生態(tài)環(huán)境問題的難易程度和概率大小[18]。生態(tài)敏感性分析可以從提高生態(tài)系統(tǒng)內部的穩(wěn)定性角度，為生態(tài)安全格局構建提供目標導向。榆林市是我國北方農牧交錯帶典型的生態(tài)脆弱區(qū)，氣候類型處于干旱和半干旱的過渡地帶，區(qū)內荒漠化、水土流失等自然災害嚴重，過度的土地利用引發(fā)了新的次生災害。筆者在借鑒前人研究成果[19-21]的基礎上，結合榆林市自然和社會經濟實際情況，參照國家環(huán)保部頒發(fā)的《生態(tài)功能區(qū)劃技術暫行規(guī)程》，使用層次分析法(AHP)，選擇榆林市生態(tài)環(huán)境較為敏感的水資源、地質災害、土壤侵蝕、生境和荒漠化5個生態(tài)過程作為AHP指標層要素，建立單因子生態(tài)敏感性評價模型和分級標準(表1)。利用德爾菲法構造判斷矩陣，獲得5個因子的權重，計算綜合敏感性。

對單因子敏感性評價中的各因子評價結果進行空間疊加分析，得到榆林市生態(tài)環(huán)境敏感性綜合評價結果。根據各因子的分級及賦值，利用ArcGIS的空間疊加功能，將上述各單因子敏感性影響分布結果按照公式(1)進行疊加計算。

(1)

式中,ESj為j空間單元生態(tài)環(huán)境敏感性指數(shù)，Wi為i因子的權重，F(xiàn)i為i生態(tài)環(huán)境因子敏感性等級值。評價因子權重采用德爾菲法，首先咨詢當?shù)貙＜?，針對榆林市典型農牧交錯帶生態(tài)特征，對5個因子進行兩兩比較，按照1、3、5、7分值打分，得到5×5判斷矩陣。矩陣最大特征根為7.68，將該值和n=5代入一致性檢驗公式：

CI=(λmax-n)/(n-1)

(2)

得到CI=0.104 5，5階方陣在理論上的平均隨機一致性指標RI=1.12。判斷矩陣的隨機一致性比CR=CI/RI，即CR=0.104 5/1.12=0.093<0.10，故認為判斷矩陣具有一致性[26]。進而求出特征根對應的特征向量，并經過歸一化處理，得到水資源、地質災害、土壤侵蝕、生境和荒漠化5個單因子對應的重要性權重W=[0.147 8，0.111 8，0.358 3，0.213 4，0.168 7]。然后采用自然分界法(Naturalbreak，ArcGIS，這種分類方法是利用統(tǒng)計學的Jenk最優(yōu)化法得出的分界點，能夠使各級的內部方差之和最小)將ES分為4級。

1.2.2生態(tài)安全格局構建。根據生態(tài)敏感性評價結果，結合榆林市用地現(xiàn)狀和重要生態(tài)功能區(qū)(如自然保護區(qū)、森林公園、濕地保護區(qū)等)分布格局構建榆林市生態(tài)安全格局。生態(tài)安全格局的分級控制通過建立底線、滿意、理想安全格局實現(xiàn)。底線生態(tài)安全格局是區(qū)域發(fā)展過程中環(huán)境最脆弱的區(qū)域，包括一些土壤侵蝕強烈、山脊輪廓生境豐富、景觀異質性極高以及地質災害頻發(fā)等生態(tài)敏感性高的區(qū)域。底線生態(tài)安全格局是區(qū)域發(fā)展中生態(tài)安全的最基本保障，屬嚴格控制和限制區(qū)[16]。滿意安全格局是中水平安全格局，生態(tài)敏感性程度為中敏感和低敏感，主要為一些植被、森林覆蓋率較高、農業(yè)設施較發(fā)達的區(qū)域。理想安全格局是高水平安全格局，是維護區(qū)域生態(tài)服務理想的景觀格局，生態(tài)敏感性為不敏感。

1.3研究數(shù)據及預處理該研究所用數(shù)據組成情況：①2013年榆林市土地利用類型數(shù)據，該數(shù)據是在“中國寒區(qū)旱區(qū)科學數(shù)據中心”提供的2000年土地利用現(xiàn)狀矢量數(shù)據的基礎上，利用2013年8月份Landsat8衛(wèi)星影像修改而成，土地利用類型分為耕地、林地、草地、水體、建設用地和未利用地6個Ⅰ 級類及31個Ⅱ 級類[27]；②2013年Landsat8 TM/ETM影像紅光波段與近紅外波段獲取的NDVI數(shù)據；③榆林市Aster DEM 數(shù)據，空間分辨率30 m；④榆林市1∶10萬土壤類型分布圖；⑤2013年MOD12空間分辨率1 km的地表覆蓋分類數(shù)據，按照國際地圈生物圈計劃(IGBP)分為17類，包括11類自然植被分類，3類土地利用和土地鑲嵌；3類無植生土地分類；⑥榆林市及其周邊相鄰省市34個氣象站點多年地面氣象觀測數(shù)據。氣象數(shù)據在ARCGIS地統(tǒng)計模塊(Geostatistical Analyst)下，利用交叉驗證法進行最優(yōu)插值模型測試，最終選擇普通克里格插值法為該研究氣象數(shù)據空間插值模型。以上所有數(shù)據均轉換為統(tǒng)一坐標與投影系統(tǒng)(Albers)，數(shù)據格式為grid的柵格數(shù)據參與空間運算，柵格像元大小均為30 m×30 m。

2結果與分析

2.1單因子敏感性評價單因子敏感性評價結果顯示(表2、圖2)，榆林市處于干旱半干旱過渡地帶，降水少且分布不均，水資源成為保障這一地區(qū)未來經濟和社會發(fā)展的重要敏感性因子。從地表水資源敏感性分析來看，目前榆林市有12.75%為水資源保護的高度敏感區(qū)，11.90%為中度敏感區(qū)，主要集中在河流和湖泊兩岸；受地質環(huán)境條件和人類工程活動的影響，地質災害易發(fā)，北部主要災害為塌陷和地裂，南部為滑坡、崩塌和泥石流，全市地質災害以中度敏感和低度敏感為主，面積分別為17 544.18和18 907.53 km2，地質災害高度敏感區(qū)域主要集中在研究區(qū)西南部白玉山高寒地區(qū)、東南部黃土溝壑區(qū)和東北部煤炭資源重度開采區(qū)。

榆林市是國家級能源化工基地，也是我國沙漠化危害和黃河中上游發(fā)生土壤侵蝕最為嚴重的地區(qū)之一。從土壤侵蝕綜合敏感性評價來看，全市以中度敏感為主，面積為20 160.58 km2，高度敏感區(qū)面積為9 663.57 km2，總體上北部地區(qū)土壤侵蝕敏感程度低于南部，高敏感區(qū)主要集中在靖邊、定邊縣南端，東部黃河沿岸以及中部和南部的溝壑區(qū)，古長城以北風沙草灘區(qū)土壤侵蝕敏感性總體較低?；哪舾袇^(qū)主要集中在古長城以北風沙草灘區(qū)，高度敏感、中度敏感和低敏感區(qū)面積分別為2 543.80、4 057.35和4 916.82 km2。

森林生態(tài)系統(tǒng)在整個榆林生態(tài)空間中具有較大的生態(tài)服務價值，發(fā)揮著重要的生態(tài)功能，屬于高度敏感的生態(tài)系統(tǒng)類型，灌叢和濕地屬于中度敏感類型。榆林市內自然保護區(qū)、森林公園、地質公園、風景名勝區(qū)等重要生態(tài)功能區(qū)，對維護整個區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康和平衡具有至關重要的作用。榆林市生境敏感性以低度敏感為主，面積為27 701.34 km2；其次是不敏感，面積為8 523.56 km2；生境高敏感度區(qū)大多分布在東南部溝壑地區(qū)，北部風沙區(qū)生境敏感性相對較低。

總體來說，榆林市生態(tài)環(huán)境敏感性較高的是土壤侵蝕和地質災害，中度敏感和高度敏感面積占有比例較大，其余因子主要以低度敏感和不敏感為主。

2.2綜合敏感性評價及生態(tài)安全格局構建綜合敏感性分析結果顯示(表3，圖3、4)，榆林市高度敏感區(qū)面積相對較小，僅為總面積的8.94%，主要集中于西南部白于山高寒地帶和東南部土壤侵蝕強烈的溝壑區(qū)，以及中部和東北部的地質災害高易發(fā)區(qū)；不敏感區(qū)面積也相對較小，占總面積的14.62%，主要集中于古長城以北的沙化區(qū)；中度敏感和低度敏感區(qū)面積相對較大，尤其是中度敏感區(qū)，面積為2 204.44 km2，占總面積的51.61%，低度敏感區(qū)面積為10 604.59 km2，占24.83%，中度敏感和低度敏感均分散分布在坡度較緩的黃土丘陵區(qū)和沙丘草灘區(qū)。

表3榆林市綜合敏感性評價與生態(tài)安全等級

Table 3Evaluation of comprehensive sensitivity and grade of ecological security

綜合以上水資源、地質災害防護、土壤侵蝕防治、生物多樣性保護和荒漠化防治的單因子敏感性以及綜合性敏感性分布格局，綜合考慮榆林市用地現(xiàn)狀和重要生態(tài)功能區(qū)，如紅堿淖濕地、神木-榆橫臭柏、府谷杜松自然保護區(qū)，以及紅石峽、神龍山、五臺等森林公園，最終建立綜合生態(tài)安全格局。榆林市生態(tài)安全底線區(qū)面積10 971.28 km2，占總面積的25.69%；生態(tài)安全滿意區(qū)面積17 918.71 km2，占總區(qū)域面積的41.95%；生態(tài)安全理想區(qū)面積13 823.95 km2，占總面積的32.36%。生態(tài)安全底線區(qū)主要分布在定邊-靖邊南部白于山黃土梁塬墹區(qū)(該區(qū)域植被稀少，水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱，但同時該地區(qū)是無定河、清澗河等境內主要河流的發(fā)源地)，中部-南部土壤侵蝕強烈丘陵溝壑地帶和地質災害頻發(fā)區(qū)，黃河沿岸水土流失重點防治區(qū)。滿意生態(tài)安全格局主要分布在古長城以南，與底線生態(tài)安全區(qū)相間分布，主要包括定邊縣中部海拔高、坡緩地區(qū)；橫山-榆陽中部片沙黃土梁峁區(qū)，該地區(qū)是近年榆陽區(qū)植樹造林重點實施區(qū)域；神木-府谷北部的煤炭資源重點開發(fā)區(qū)次生災害頻發(fā)。理想生態(tài)安全區(qū)主要集中在古長城以北的風沙區(qū)，是防風固沙的重點治理對象，近年來已在該地區(qū)開展了大量的退耕還林還草、天然防護林保護等工程。

3結論與討論

該研究選擇榆林市生態(tài)環(huán)境較敏感的5個生態(tài)過程建立單因子生態(tài)敏感性評價模型，并通過綜合敏感性分布格局和榆林市用地現(xiàn)狀等，構建了榆林市3個等級的生態(tài)安全格局，識別出具有關鍵作用的重要生態(tài)功能區(qū)，并形成了以自然保護區(qū)、森林公園、濕地保護區(qū)為重點，由河流道路綠化廊道、農業(yè)用地等共同構建的區(qū)域生態(tài)安全格局。從敏感性評價和生態(tài)安全格局分布狀況來看，榆林市生態(tài)敏感性以中度敏感為主，其中土壤侵蝕和地質災害敏感性較高。受地貌特征和土地利用方式的影響，榆林市生態(tài)敏感性和生態(tài)安全格局均呈現(xiàn)明顯的地域差異，古長城以北風沙草灘區(qū)大部分以沙化地為主，生態(tài)敏感性較低，生態(tài)安全等級主要為理想生態(tài)安全區(qū)，而西南部高寒地區(qū)、南部溝壑區(qū)、黃河沿岸以及區(qū)內地質災害高易發(fā)區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，敏感性高，是生態(tài)安全控制最關鍵區(qū)域，生態(tài)安全等級為底線生態(tài)安全區(qū)。在區(qū)域發(fā)展過程中，應充分考慮各個區(qū)域的資源環(huán)境承載力，合理規(guī)劃，保障生態(tài)安全，實現(xiàn)自然環(huán)境與人類社會的協(xié)同共生。底線生態(tài)安全區(qū)屬低水平生態(tài)安全格局，是保障生態(tài)安全的最基本、區(qū)域經濟發(fā)展不可逾越的生態(tài)底線，應注重水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護、水土保持等生態(tài)服務功能的保持和鞏固，需要重點保護和嚴格控制。生態(tài)安全滿意區(qū)是中水平安全格局，應以優(yōu)化和提升生態(tài)服務功能為主，并施以限制開發(fā)與恢復生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)安全理想區(qū)是維護區(qū)域生態(tài)服務的理想格局，應以改善生態(tài)服務功能及合理引導產業(yè)發(fā)展為主，合理確定開發(fā)模式和開發(fā)容量，在進行開發(fā)利用的同時，堅持生態(tài)保護和生態(tài)建設。

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Establishment of the Ecological Security Pattern in Ecological Fragile Region Based on Sensitivity Analysis—A Case of Yulin City in Shaanxi Province

AN Dong1, DENG Wei2*

(1. Bishan Environment Monitoring Station, Chongqing 402760; 2. Chongqing Academy of Environmental Sciences, Chongqing 401147)

Key wordsEco-fragile region; Sensitivity analysis; Ecological security pattern; Yulin City

Abstract[Objective] To research the ecological sensitivity and security structure of eco-fragile region in Yulin City of Shaanxi Province, and to provide scientific basis for the ecological protection and construction in this region. [Method] With Yulin City as the research object, five ecological factors were selected, such as water resources, geological disaster, soil erosion, habitat and desertification. Based on the ecological sensitivity evaluation of single factor, ecological security pattern of Yulin City was established by comprehensive sensitivity analysis. [Result] Soil erosion and geological disaster were the most sensitive factors affecting the ecological security of Yulin City. Medium sensitive and high sensitive areas accounted for a relatively large proportion. Ecological security baseline, satisfactory and ideal areas were 25.69%, 41.95% and 32.36%, respectively. Affected by natural conditions and land use status, regional pattern of ecological security showed significant differences in Yulin City. Base line area was mainly distributed in Baiyu Mountain, central-southern area with soil erosion and the region along the Yellow River. Satisfactory area included central Dingbian County, central Heng Mountain-Yuyang District, and northern Shengmu County-Fugu County. Ideal area was mainly the windy desert area of northern ancient Great Wall. [Conclusion] Ecological sensitivity of Yulin City is mainly the medium sensitivity; and its soil erosion and geological disaster sensitivity are relatively high.

基金項目國家自然科學基金青年基金項目(51509094)。

作者簡介安冬(1983- )，男，重慶人，工程師，碩士，從事資源環(huán)境空間應用研究。*通訊作者，高級工程師，博士，從事生態(tài)遙感研究。

收稿日期2016-02-14

中圖分類號S 181

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)07-127-05