基于突變級(jí)數(shù)法的神木市生態(tài)安全評(píng)價(jià)

王盼婷

(長(zhǎng)安大學(xué)土地工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

引言

生態(tài)安全是生態(tài)系統(tǒng)完整性和健康性的整體反映，能夠有效保障人類(lèi)的生活和健康不受損害、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)安定不受阻礙和威脅[1]。多年來(lái)，由于城市化進(jìn)程的加快，礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)力度的加大，土地利用的景觀格局發(fā)生了顯著變化，人口與土地之間的矛盾愈演化愈緊張以及不合理的土地利用和發(fā)展導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境的惡化[2,3]。因此，評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)安全對(duì)協(xié)調(diào)土地利用和生態(tài)環(huán)境的關(guān)系、促進(jìn)資源的合理配置以及實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[4]。神木市位于陜西省北部，地處鄂爾多斯盆地東北部和毛烏素沙地過(guò)渡帶，是能源化工基地同時(shí)也是生態(tài)脆弱的典型區(qū)域[5]。因此，通過(guò)對(duì)影響生態(tài)安全性的土地利用、降水、植被覆蓋率、坡度等要素的全面剖析，基于景觀指數(shù)和空間數(shù)據(jù)量化手段構(gòu)建生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，深刻認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣、涵養(yǎng)水源、保護(hù)生態(tài)多樣性等方面的重要作用，以期為優(yōu)化區(qū)域國(guó)土空間布局和生態(tài)安全管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

神木市地處陜西省榆林市北部，毛烏素沙漠的東南部，地理區(qū)位優(yōu)越，礦產(chǎn)資源稟賦。位于E109°40～110°54′，N38°13～39°27′，總面積達(dá)7635km2。神木市是秦晉蒙3省交界地帶，西與內(nèi)蒙古伊金霍洛旗為鄰，東隔黃河與山西省興縣裴家川相望，地理位置優(yōu)越。地貌可以分為市境北部沙漠草灘地貌、中南部及市境中部的丘陵溝壑地貌和東南部黃河沿岸的土石山地貌3種地貌類(lèi)型，總體地勢(shì)西北高東南低，境內(nèi)有黃河、窟野河、禿尾河等水系。該市的自然氣候?qū)儆谥袦貛У陌敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，夏季炎熱冬季干冷，風(fēng)沙頻繁。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

土地利用數(shù)據(jù)采用2017年全球10m分辨率土地覆被數(shù)字產(chǎn)品(http://data.ess.tsinghua.edu.cn/)；道路、河流數(shù)據(jù)獲取1∶100萬(wàn)全國(guó)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)(https://www.webmap.cn/)；DEM數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www. gscloud.cn/)；降雨量、NPP數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)，有關(guān)景觀指數(shù)均通過(guò)Fragstats 4.2軟件進(jìn)行預(yù)處理。

2.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

借鑒生態(tài)學(xué)中的“活力-組織力-恢復(fù)力-生態(tài)服務(wù)能力”的邏輯架構(gòu)，參考蔡忠亮等的研究方法[6]，從“生態(tài)服務(wù)能力-生態(tài)敏感性-生態(tài)組織結(jié)構(gòu)”3個(gè)維度考慮構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

表1 神木市生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3 無(wú)綱量化處理

土地生態(tài)安全涵蓋多方面的指標(biāo)，各指標(biāo)的度量單位、數(shù)量級(jí)等量綱不一致。因此，本文采用閾值法中的極差化方法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的處理[7]，方法如下。

正趨向指標(biāo)：

負(fù)趨向指標(biāo)：

式中，X'ij表示原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后的指標(biāo)值；xij表示第i年的第j項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)際值；xmax表示第j項(xiàng)原始指標(biāo)的最大值；xmin表示第j項(xiàng)原始指標(biāo)的最小值。

2.4 突變級(jí)數(shù)法

突變級(jí)數(shù)法的理論基礎(chǔ)是突變理論，該理論是利用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的拓?fù)淅碚摌?gòu)造數(shù)學(xué)模型,從而描述、預(yù)測(cè)自然現(xiàn)象與社會(huì)活動(dòng)中事物連續(xù)性中斷的突變過(guò)程[8]，見(jiàn)表2。

2.5 生態(tài)安全評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的制定

由于突變級(jí)數(shù)法算出的評(píng)價(jià)值會(huì)比較大，因此需將常規(guī)等級(jí)中的各級(jí)安全指數(shù)轉(zhuǎn)換為突變級(jí)數(shù)法下的各級(jí)綜合評(píng)價(jià)值[9,10]，最終獲得生態(tài)安全評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表3。

表2 突變模型及相關(guān)公式

表3 神木市生態(tài)安全評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 研究結(jié)果和分析

3.1 土地生態(tài)安全格局分析

利用上述過(guò)程對(duì)神木市2017年的生態(tài)安全水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，將生態(tài)安全水平評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行5個(gè)等級(jí)的劃分，很不安全、較不安全、安全、較安全、理想狀態(tài)，各等級(jí)分布情況如圖1所示。分析圖1可知，整體上神木市生態(tài)安全水平均值為0.9533，全市處于安全狀態(tài)呈安全狀態(tài)。其中，除了水系面積外，很不安全區(qū)域面積268.51km2，占比3.67%；較不安全區(qū)面積1371.33km2，占比18.78%；安全區(qū)面積2719.71km2，占比37.22%；較安全區(qū)面積2939.41km2，占比40.25%；理想安全面積3.57km2，占比0.03%。從空間分布來(lái)看，生態(tài)不安全區(qū)域主要分布在中部連接北部沿河呈帶狀和西部呈組團(tuán)狀的人口集中區(qū)，安全區(qū)域主要分布在南部和西北部地區(qū)，總的來(lái)說(shuō)生態(tài)安全呈現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性。

為了進(jìn)一步分析神木市安全風(fēng)險(xiǎn)，將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)安全等級(jí)面積占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)表4。結(jié)果表明，很不安全面積主要分布在孫家岔、店塔、麻家塔，大堡當(dāng)、大柳塔等生態(tài)敏感、礦產(chǎn)資源開(kāi)采等人類(lèi)劇烈活動(dòng)聚集區(qū)，而安全區(qū)主要分布在瑤鎮(zhèn)、大保當(dāng)北部、爾林兔、謝家堡、欄桿堡、中雞、萬(wàn)鎮(zhèn)、沙峁、瓦羅等西北和南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)。全省幾乎沒(méi)有理想安全狀態(tài)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，大部分均處于安全或較不安全狀態(tài)。其原因主要與神木市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展結(jié)構(gòu)和城市化迅速擴(kuò)張有很大聯(lián)系，神木的經(jīng)濟(jì)支撐主要是工業(yè)，擁有豐富的原煤資源，是陜北能源基地的核心市。近幾年，隨著城市的快速發(fā)展，包茂高速公路、榆商高速、包西鐵路穿境而過(guò)，中部串聯(lián)密集的礦區(qū)公路等基礎(chǔ)設(shè)施不斷建設(shè)以及建成區(qū)面積不斷擴(kuò)大，致使全市生態(tài)安全面臨很大壓力。

表4 神木市生態(tài)安全等級(jí)面積占比匯總表

3.2 生態(tài)安全各因素的安全格局及分析

3.2.1 生態(tài)組織結(jié)構(gòu)分析

神木市景觀地類(lèi)主要為林草地、耕地和未利用地，分布在南部山區(qū)和北部風(fēng)沙區(qū)。東南部耕地和林草相間分割分布，煤礦開(kāi)發(fā)中對(duì)耕地破壞嚴(yán)重，加上粗放式的管理利用，人類(lèi)活動(dòng)影響越發(fā)強(qiáng)烈使地類(lèi)破碎程度加大。而西北部主要為連片分布的未利用地，因難以開(kāi)發(fā)，所以擾動(dòng)性小，連通性較好，其生態(tài)壓力性低。整體來(lái)看，榆林市土地集約化水平低，多樣性指數(shù)高，景觀類(lèi)型非均衡分布。

圖1 神木市生態(tài)安全評(píng)價(jià)圖

3.2.2 生態(tài)敏感性分析

神木市生態(tài)敏感性體現(xiàn)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)壓力較自然生態(tài)壓力抵御外界的影響能力小。神木市社會(huì)壓力敏感區(qū)布局主要呈抱團(tuán)式和帶狀發(fā)展。其中，包括西部呈組團(tuán)式發(fā)展中心城鎮(zhèn)，中部連接北部沿河呈帶狀發(fā)展城鎮(zhèn)空間。原因主要是神木市快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源化工基地的建設(shè)，加之四通八達(dá)的立體交通網(wǎng)絡(luò)，促使北部能源富集區(qū)工礦和交通用地顯著增加。同時(shí)也促使各鄉(xiāng)鎮(zhèn)城鎮(zhèn)建設(shè)用地呈現(xiàn)增加的態(tài)勢(shì)，尤其是以政治經(jīng)濟(jì)中心神木鎮(zhèn)為核心的周?chē)l(xiāng)鎮(zhèn)和以煤炭工業(yè)為主的大柳塔、店塔、麻家塔、瑤鎮(zhèn)增長(zhǎng)最為明顯，從而對(duì)城市土地生態(tài)安全帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。由此可見(jiàn)，神木市區(qū)位優(yōu)勢(shì)發(fā)展與生態(tài)的穩(wěn)定性矛盾凸顯，處理好經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系是關(guān)鍵之本。

3.2.3 生態(tài)服務(wù)能力分析

生態(tài)服務(wù)能力主要從活力和服務(wù)2方面進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。從植被覆蓋度和植被初級(jí)凈生產(chǎn)力分布來(lái)看，神木市呈東南高、西北低的生態(tài)服務(wù)能力分布格局。東南部中等覆蓋度較高，而西北部多為較低植被覆蓋，因此南部的生態(tài)系統(tǒng)的活力和土壤保持服務(wù)能力比北部高。東南部較高的生態(tài)服務(wù)能力能夠增加區(qū)域的生物多樣性，對(duì)水土資源的涵養(yǎng)效果較好，提高了生態(tài)系統(tǒng)的凈化能力，體現(xiàn)了生態(tài)服務(wù)能力對(duì)于提升區(qū)域生態(tài)安全水平有著突出貢獻(xiàn)。綜上，要提高神木市土地生態(tài)安全狀況，更需重視和加強(qiáng)生態(tài)安全建設(shè)。

4 結(jié)論及建議

通過(guò)在市域小尺度內(nèi)部區(qū)域開(kāi)展基于突變級(jí)數(shù)法的生態(tài)安全格局相關(guān)評(píng)價(jià)研究，對(duì)于明確神木市土地生態(tài)安全格局狀況具有重要意義。神木市2017年土地生態(tài)安全平均指數(shù)為0.9533，達(dá)到安全水平，整體呈現(xiàn)西北和南部安全水平高、中北和中西部不安全的分布格局，其中不安全區(qū)域分布在孫家岔、店塔、麻家塔，大堡當(dāng)、大柳塔等生態(tài)敏感、礦產(chǎn)資源開(kāi)采等人類(lèi)劇烈活動(dòng)聚集區(qū)。礦山開(kāi)采活動(dòng)密度大、工業(yè)較為發(fā)達(dá)、基礎(chǔ)設(shè)施不斷建設(shè)以及建成區(qū)面積不斷擴(kuò)大等社會(huì)敏感活動(dòng)是導(dǎo)致該區(qū)域生態(tài)安全的重要因素，因此全市生態(tài)安全面臨很大壓力，生態(tài)安全水平還有提升的空間。神木市區(qū)位優(yōu)勢(shì)發(fā)展與生態(tài)的穩(wěn)定性矛盾突出，為進(jìn)一步處理好經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，建議將神木市劃分為北部防風(fēng)固沙生態(tài)控制區(qū)，以生態(tài)重建和生態(tài)保育為主的生態(tài)建設(shè)目標(biāo)，加強(qiáng)水源地保護(hù)和景觀生態(tài)建設(shè)相結(jié)合，積極推進(jìn)塌陷區(qū)生態(tài)重建；中部工業(yè)集聚區(qū)，平衡人居環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，加強(qiáng)生態(tài)和道路防護(hù)林帶建設(shè)，建立可持續(xù)的新型能源工業(yè)體系，加強(qiáng)能源和礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)建設(shè)監(jiān)管；南部黃河沿岸綜合治理區(qū)，保護(hù)區(qū)域自然資源，加強(qiáng)區(qū)域水土保持治理，培育優(yōu)化特色產(chǎn)業(yè)發(fā)展。