北方防沙帶典型縣域生態(tài)安全格局研究

王佳雪,劉春芳,*,張世虎

1 西北師范大學(xué)社會(huì)發(fā)展與公共管理學(xué)院,蘭州 730070 2 甘肅省土地利用與綜合整治工程研究中心,蘭州 730070 3 民勤縣連古城沙生植物自然保護(hù)區(qū)管理站,武威 733399

北方防沙帶是國(guó)家“兩屏三帶”生態(tài)安全戰(zhàn)略格局中的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū),是我國(guó)主要的風(fēng)沙策源區(qū)和防治沙化的核心區(qū),是維護(hù)國(guó)土生態(tài)安全的前沿區(qū)和關(guān)鍵區(qū)[1]。多年來,我國(guó)積極推進(jìn)三北防護(hù)林、京津風(fēng)沙源治理、退耕還林還草、退牧還草等重點(diǎn)生態(tài)工程建設(shè)[2],北方防沙帶生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)穩(wěn)中向好,生態(tài)系統(tǒng)惡化趨勢(shì)得到有效遏制,北方生態(tài)安全屏障得到初步構(gòu)筑[3—4]。但區(qū)域內(nèi)各工程間協(xié)調(diào)不足,空間組織無序的現(xiàn)象仍然存在。為確保北方防沙帶國(guó)土生態(tài)安全,實(shí)現(xiàn)區(qū)域自然資源和綠色設(shè)施科學(xué)配置,構(gòu)建布局合理的生態(tài)安全格局成為當(dāng)前北方防沙帶建設(shè)的重中之重,具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

自20世紀(jì)90年代以來,生態(tài)安全格局研究逐漸興起[5],得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。當(dāng)前關(guān)于生態(tài)安全格局的研究主要集中于概念框架[6—7]、構(gòu)建模式[8—9]、規(guī)劃應(yīng)用[10]、效應(yīng)評(píng)估[11]等方面,在城市[12]、農(nóng)田[13]、流域/濕地[14—15]、礦區(qū)[16]、綠洲內(nèi)部[17]等個(gè)例研究領(lǐng)域,也取得了不少成果。大量研究為生態(tài)安全格局構(gòu)建提供了較為成熟的規(guī)劃模式與操作流程,形成了以生境質(zhì)量較高的生態(tài)源地為中心、以最利于源地之間生態(tài)流動(dòng)的低阻力谷線為生態(tài)廊道、以生態(tài)廊道最薄弱和關(guān)鍵之處作為生態(tài)節(jié)點(diǎn)的“提功能-促聯(lián)通-綠節(jié)點(diǎn)”生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法[18],為生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與生態(tài)規(guī)劃戰(zhàn)略部署提供了重要依據(jù)。但是,北方防沙帶是以較大規(guī)模的荒漠為基質(zhì),林地、草地等綠色斑塊數(shù)量少、蓋度低,具有“基質(zhì)脆弱、廊道稀疏、斑塊零碎”等景觀特征,構(gòu)建生態(tài)連通型生態(tài)安全格局并不適宜。針對(duì)北方防沙帶特殊生態(tài)基底,提高沙源固沙能力、切斷沙源交互路徑、削弱風(fēng)沙侵蝕力度是北方防沙帶生態(tài)安全格局構(gòu)建的核心。多年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于風(fēng)沙流動(dòng)的概念[19]、流動(dòng)機(jī)制[20]、影響因素[21]等方面已有一些研究,為基于風(fēng)沙源擴(kuò)散機(jī)制的生態(tài)安全格局研究提供了基礎(chǔ),也為北方防沙帶生態(tài)安全格局研究提供新的思路和方法。

縣域是北方防沙帶生態(tài)安全屏障的建設(shè)單元。民勤縣位于北方防沙帶中部,區(qū)域干燥少雨、植被稀疏、沙漠廣布,沙漠和荒漠化面積占縣域總面積的90.34%,是北方防沙帶縣域典型代表。長(zhǎng)期以來,民勤縣開展了大量防沙治沙的林業(yè)生態(tài)建設(shè)工作[22],土地沙化趨勢(shì)得到了有效遏制[23],但土地沙化形勢(shì)還十分嚴(yán)峻。因此,文章以民勤縣為研究案例,基于風(fēng)沙源擴(kuò)散過程及影響機(jī)制[20—22],嘗試探討適宜北方防沙帶的生態(tài)安全格局構(gòu)建方法,以期為干旱區(qū)生態(tài)安全格局研究提供新的參考。

1 研究區(qū)概況

民勤縣位于甘肅河西走廊東北部,石羊河流域下游,地處東經(jīng)101°49′41″—104°12′10″、北緯38°3′45″—39°27′37″之間。氣候?yàn)闇貛Т箨懶詺夂?多年平均氣溫8.8 ℃,平均降水量113.2 mm,平均降水日數(shù)79 d,蒸發(fā)量為2644 mm,干旱發(fā)生頻率高。土壤以風(fēng)沙土為主,土壤顆粒大,土質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松,易被風(fēng)揚(yáng)起。植被以荒漠植被群系為主,由典型荒漠灌木植被和人工栽培的灌木植被組成,植被林冠較小,對(duì)風(fēng)蝕的阻力作用有限。區(qū)域干旱缺水,土壤瘠薄、林草植被覆蓋率低,生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱,是北方防沙帶的典型縣域。

2 研究思路、方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 防沙生態(tài)安全格局構(gòu)建思路

沙漠化是北方防沙帶最突出的生態(tài)環(huán)境問題,沙源擴(kuò)散是區(qū)域主要生態(tài)過程[24]。如何通過優(yōu)化斑塊、廊道、基質(zhì)的空間配置,實(shí)現(xiàn)防風(fēng)固沙生態(tài)服務(wù)功能提升是北方防沙帶生態(tài)安全格局構(gòu)建的核心。

基于此,文章提出面向北方防沙帶防風(fēng)固沙服務(wù)能力提升的“控風(fēng)源-堵風(fēng)口-筑風(fēng)廊-優(yōu)網(wǎng)絡(luò)”風(fēng)沙阻隔型生態(tài)安全格局構(gòu)建范式。首先,進(jìn)行風(fēng)沙源地識(shí)別。選取包括土壤荒漠化、土壤侵蝕(風(fēng)蝕、水蝕)、土壤鹽漬化、土壤類型、土壤含水量等土壤因子指標(biāo)以及植被覆蓋度等植被因子指標(biāo),利用RWEQ模型、大田推廣模型、WaTEM/SEDEM模型等方法,對(duì)區(qū)域生態(tài)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),識(shí)別土壤植被程度最差、風(fēng)沙活動(dòng)最為強(qiáng)烈、對(duì)風(fēng)沙流動(dòng)起決定作用的區(qū)域,作為風(fēng)沙源地。然后,識(shí)別阻沙關(guān)鍵點(diǎn),設(shè)計(jì)阻沙廊道。通過最小累積阻力模型,構(gòu)建防沙阻力面,模擬沙源擴(kuò)散路徑,作為阻沙關(guān)鍵點(diǎn)和阻沙廊道識(shí)別的基礎(chǔ)。阻力面在風(fēng)沙源地所處位置下陷,在生態(tài)環(huán)境良好區(qū)域高峰突起,兩峰之間會(huì)有低阻力的谷線、高阻力的脊線各自相連。而谷線間的交叉點(diǎn)及谷線上的拐點(diǎn),則構(gòu)成影響、控制區(qū)域生態(tài)安全的重要關(guān)鍵點(diǎn)。連接阻沙關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),并與沙源擴(kuò)散路徑垂直,設(shè)計(jì)阻沙廊道,形成阻隔風(fēng)沙源之間風(fēng)沙交流的防沙林帶狀區(qū)域,構(gòu)建整個(gè)區(qū)域防沙治沙網(wǎng)絡(luò)中的骨架。最后,從廊道與節(jié)點(diǎn)自身功能完善、等級(jí)體系構(gòu)建以及生態(tài)連通等方面入手,控風(fēng)源、堵風(fēng)口、筑風(fēng)廊、優(yōu)網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建防沙治沙網(wǎng)絡(luò)格局。

2.2 防沙生態(tài)安全格局構(gòu)建方法

2.2.1風(fēng)沙源的識(shí)別

風(fēng)沙源是指植被稀少、地表被沙覆蓋,沙土顆粒在風(fēng)經(jīng)地表時(shí)發(fā)生起動(dòng)、碰撞、蠕移、躍移、懸移等運(yùn)動(dòng)的區(qū)域,是風(fēng)沙災(zāi)害的起源區(qū)或加強(qiáng)源區(qū)[25]。風(fēng)沙災(zāi)害的發(fā)生與土壤的顆粒大小及結(jié)皮性質(zhì)、植被的覆蓋情況和風(fēng)速的強(qiáng)度等因素有關(guān)[19],運(yùn)用RWEQ模型充分考慮這些因素,通過對(duì)土壤風(fēng)蝕情況進(jìn)行定量評(píng)估,并提取土壤風(fēng)蝕量前50%作為民勤縣的風(fēng)沙源地。

(1)

Qmax=109.8×(WF×EF×SCF×K′×C)

(2)

s=150.71×(WF×EF×SCF×K′×C)-0.3711

(3)

式中,SL為土壤風(fēng)蝕量,z為下風(fēng)向距離,s為關(guān)鍵地塊長(zhǎng)度,Qmax為風(fēng)力最大輸沙能力,WF、EF、SCF、K′、C分別為氣候因子、土壤可蝕性因子、土壤結(jié)皮因子、土壤糙度因子、植被因子。粒徑的轉(zhuǎn)換采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布(RWEQ模型中)。

氣候因子WF表征了氣候、積雪覆蓋以及土壤濕度對(duì)風(fēng)運(yùn)輸土壤顆粒能力的影響。其表達(dá)如下：

(4)

Wf=u2×(u2-u1)2×Nd

(5)

式中,Wf為風(fēng)力因子；g為重力加速度；ρ為空氣密度；u1是2 m處臨界起沙風(fēng)速(假定為5 m/s)[26]；u2是2 m處的風(fēng)速,由10 m高處的風(fēng)速應(yīng)用模型校正而來；Nd是指每月風(fēng)速大于5 m/s的天數(shù)[27]；SW為土壤濕度因子,由潛在相對(duì)蒸散量、灌溉量、降雨次數(shù)和灌溉天數(shù)計(jì)算得到；SD為雪覆蓋因子,是計(jì)算時(shí)段內(nèi)積雪覆蓋度深度小于25.4 mm的概率[28]。

土壤可蝕性因子EF表達(dá)式如下：

(6)

式中,sa是土壤砂粒含量；si是土壤粉砂含量；Sa/cl為土壤砂粒和黏土含量比；OM是有機(jī)質(zhì)含量；CaCO3是碳酸鈣含量。

土壤結(jié)皮因子SCF是指土壤顆粒物在膠結(jié)作用下形成性狀較特殊的土壤微層,對(duì)風(fēng)蝕具有一定抵抗力,其表達(dá)式如下：

(7)

表面粗糙度K′反映了地形引起的表面粗糙度對(duì)風(fēng)蝕的影響。其表達(dá)如下：

K′=cosa

(8)

式中,a是坡度,基于30 m的DEM數(shù)據(jù)由ArcGIS的坡度模塊計(jì)算得出。

植被因子C表示在某些植被條件下的風(fēng)蝕程度。其表達(dá)如下：

C=e0.0483×SC

(9)

(10)

式中,NDVI,NDVImax和NDVImin分別代表植被覆蓋的實(shí)際值,最大值和最小值。

2.2.2防沙阻力面構(gòu)建

土地利用類型與植被類型組合形成的景觀格局構(gòu)成了景觀基面的粗糙程度,土壤的類型、顆粒大小以及土壤的有機(jī)質(zhì)含量形成了下墊面受到風(fēng)蝕的容易程度,兩者對(duì)風(fēng)沙擴(kuò)散具有重要的影響[29]。土壤、植被狀況越好,景觀基面的粗糙度越高,對(duì)于風(fēng)沙擴(kuò)散的阻力越大。因此文章基于影響風(fēng)沙擴(kuò)散的重要因素,選取土地利用類型、植被覆蓋度、土壤類型、土壤有機(jī)質(zhì)作為風(fēng)沙擴(kuò)散的阻力因子(表1),參考前人關(guān)于下墊面因素對(duì)風(fēng)沙擴(kuò)散影響的研究[30—32],對(duì)各阻力因子進(jìn)行分級(jí)。一般來說,林地、草地對(duì)于風(fēng)沙擴(kuò)散的阻力較高,營(yíng)造防沙林是防沙治沙的有效方式。但由于研究區(qū)民勤縣屬于干旱半干旱區(qū),林草地多為灌木林地、荒草地,生物種類較為單一,植被覆蓋度多數(shù)在30%左右,相比建設(shè)用地、道路用地對(duì)土層的固定能力較弱,對(duì)沙源擴(kuò)散的影響有限。因此,研究將土地利用類型因子中的林地、草地分別設(shè)為40、30。最后,通過層次分析法確定各因子權(quán)重值,構(gòu)建風(fēng)沙擴(kuò)散的最小累積阻力面。

Pi=Li×WL+Vi×WV+Si×WS+Di×WD

(11)

式中,Li、Vi、Si、Di與WL、WV、WS、WD分別為土地利用類型、植被覆蓋度、土壤類型、土壤有機(jī)質(zhì)含量的阻力值和權(quán)重值。

2.2.3沙源擴(kuò)散路徑識(shí)別

沙源擴(kuò)散路徑是指對(duì)風(fēng)沙源間風(fēng)沙流動(dòng)成本最小的路徑[33],是阻沙關(guān)鍵點(diǎn)和阻沙廊道確定的依據(jù)。文章假設(shè)在縣域小尺度,風(fēng)是無處不在的,風(fēng)沙源在風(fēng)的作用下都會(huì)發(fā)生起沙現(xiàn)象,克服空間阻力向四處擴(kuò)散,沙源之間相互交流增加了風(fēng)沙侵蝕的力度。通過ArcGIS中的最小成本路徑模塊模擬沙源之間的交流路徑,阻力面在風(fēng)沙源地所處位置下陷,在生態(tài)環(huán)境良好區(qū)域高峰突起,兩峰之間會(huì)有低阻力的谷線、高阻力的脊線各自相連,兩個(gè)風(fēng)沙源地之間的低阻力谷線就是沙源擴(kuò)散路徑。

2.2.4阻沙關(guān)鍵點(diǎn)及廊道確定

阻沙關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是沙源擴(kuò)散路徑范圍內(nèi)植被覆蓋度相對(duì)較高、土壤質(zhì)地相對(duì)較好的節(jié)點(diǎn),牢筑并擴(kuò)大關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的生態(tài)功能對(duì)于防風(fēng)固沙能力的提高具有重要意義。沙源擴(kuò)散路徑范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境相對(duì)較差,若模擬的路徑相互交叉,說明該區(qū)域是關(guān)鍵風(fēng)沙口；若模擬的路徑發(fā)生彎曲,說明拐點(diǎn)處阻力較大,生態(tài)環(huán)境相對(duì)良好,是阻沙廊道建設(shè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。同時(shí),根據(jù)阻沙關(guān)鍵點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中心性,將阻沙關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分為兩個(gè)等級(jí),促進(jìn)中心節(jié)點(diǎn)與邊緣節(jié)點(diǎn)的有效連通,保證區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化組合。

防風(fēng)阻沙廊道是以阻止沙源交流為目標(biāo),切斷風(fēng)沙源擴(kuò)散路徑,使風(fēng)沙的危害減到最小,廊道范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境相對(duì)較差。連接路徑中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),設(shè)計(jì)防風(fēng)阻沙廊道,垂直分布于沙源擴(kuò)散路徑。

表1 阻力因子權(quán)重系數(shù)及阻力分級(jí)表

2.3 數(shù)據(jù)來源

自然資源要素綜合觀測(cè)是全面掌握研究區(qū)資源稟賦的手段。根據(jù)自然資源調(diào)查對(duì)象與技術(shù)要求,以2018年為數(shù)據(jù)基年,進(jìn)行數(shù)據(jù)源選取、數(shù)據(jù)處理及實(shí)地調(diào)研校核等工作。

(1)遙感數(shù)據(jù)選取：landsat TM/OLI遙感影像數(shù)據(jù)來源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(http：//eartexplorer.usgs.gov),空間分辨率為30 m,影像軌道號(hào)為13133、13233、13134,影像中云量小于10%,滿足研究需求。用ENVI 5.3軟件對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將原始DN值轉(zhuǎn)為輻射亮度值,再進(jìn)行大氣校正、幾何校正以及鑲嵌和裁剪。土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)是用landsat TM/OLI影像,在ArcGIS 10.2軟件中通過人工目視解譯與計(jì)算機(jī)自動(dòng)解譯相結(jié)合提取土地利用類型,依據(jù)中國(guó)科學(xué)院《中國(guó)土地利用分類系統(tǒng)》的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類,通過民勤縣土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)的校核與檢驗(yàn),用于土壤風(fēng)蝕計(jì)算和沙源擴(kuò)散阻力因子構(gòu)建。DEM數(shù)據(jù)來自地理數(shù)據(jù)空間云平臺(tái)(http：//www.gscloud.cn)的DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù),空間分辨率分別為30 m,用于地形坡度因子計(jì)算。NDVI數(shù)據(jù)結(jié)合遙感影像波段,利用植被生長(zhǎng)期(6、7、8、9月份)波段數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算合成,空間分辨率為30 m,用于植被因子計(jì)算和沙源擴(kuò)散阻力因子構(gòu)建。

(2)土壤氣象數(shù)據(jù)選取：土壤數(shù)據(jù)土壤深度及砂粒、粘粒、粉粒和有機(jī)質(zhì)含量百分比數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD)的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集,空間分辨率為1 km,用于土壤可蝕性、結(jié)皮、粗糙度因子計(jì)算和沙源擴(kuò)散阻力因子構(gòu)建。氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)中的《中國(guó)地面氣候資料年、月、日值數(shù)據(jù)集》(http：//data.cma.cn),用于氣候因子計(jì)算。河流和水系數(shù)據(jù)來源于石羊河流域信息系統(tǒng)專題數(shù)據(jù)集(http：//westdc.westgis.ac.cn)。

(3)實(shí)地調(diào)研：沿綠洲邊緣主要道路明晰周邊林草地分布及建筑物屬性,采用路線觀測(cè)及點(diǎn)觀測(cè)對(duì)民勤縣土地利用/覆被進(jìn)行小范圍校核。

3 結(jié)果分析

3.1 防沙治沙生態(tài)現(xiàn)狀格局識(shí)別

3.1.1風(fēng)沙源地診斷與識(shí)別

2018年,民勤縣土壤風(fēng)蝕總量為2.83×106t(如圖1),單位面積土壤風(fēng)蝕量為1.79 t/hm2,土壤風(fēng)蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重。高值區(qū)域集中在縣域北部,特別是東北部區(qū)域,面積較大且連接成片。低值區(qū)集中在中部綠洲以及南部昌寧鎮(zhèn)、南湖鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境較好區(qū)域,面積較小且較為分散。提取土壤風(fēng)蝕量前50%作為風(fēng)沙源地,總面積約3136 km2,占民勤縣總面積的19.81%,主要位于紅沙崗鎮(zhèn)西部、西北部、東北部以及東湖鎮(zhèn)大部分區(qū)域,是騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠的組成部分,包含部分風(fēng)蝕嚴(yán)重的灌木林地、荒漠草原等生態(tài)系統(tǒng)。

圖1 土壤風(fēng)蝕、風(fēng)沙源、阻力值、沙源擴(kuò)散路徑、關(guān)鍵點(diǎn)、廊道空間分布Fig.1 Spatial distribution of soil wind erosion, sand source, resistance value, sand source diffusion path, key points, corridor

3.1.2風(fēng)沙源擴(kuò)散路徑識(shí)別

基于表1構(gòu)建風(fēng)沙擴(kuò)散的綜合阻力面,綜合阻力平均值為14.12,總體呈現(xiàn)出中部高、東西兩邊低的空間分布格局。其中阻力值較大的區(qū)域基本位于人類活動(dòng)較為密集的綠洲區(qū)域以及邊緣的防風(fēng)固沙林帶,最高值為82.93；阻力低值主要位于風(fēng)沙源周圍的荒漠地區(qū),最低值為8.135。綠洲與外圍荒漠差異明顯,距離風(fēng)沙源越遠(yuǎn),阻力越大；生態(tài)環(huán)境越好,阻力越大。通過ArcGIS成本路徑模塊對(duì)風(fēng)沙源地之間的流動(dòng)進(jìn)行模擬,共識(shí)別出24條路徑,位于北部荒漠區(qū),主要呈東西走向。該路徑是風(fēng)沙源地之間交流的最短路徑,因處于荒漠區(qū),以風(fēng)沙土為主,土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量以及植被覆蓋度較為相似,路徑大多較為平滑,部分路徑因某些區(qū)域生態(tài)環(huán)境良好,植被覆蓋度較高或者為建設(shè)用地而呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)。

3.1.3防風(fēng)阻沙關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別

防風(fēng)阻沙關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是防沙治沙和生態(tài)修復(fù)的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。研究識(shí)別的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)共29個(gè),主要分布在沙源擴(kuò)散路徑的拐點(diǎn)處,生態(tài)環(huán)境相對(duì)良好,主要為荒漠草原、灌木林地生態(tài)系統(tǒng)等。在普遍生態(tài)環(huán)境較差的荒漠區(qū),擴(kuò)大該區(qū)域生態(tài)建設(shè)規(guī)模,提高該區(qū)域生態(tài)質(zhì)量,是促進(jìn)荒漠區(qū)生態(tài)連通的關(guān)鍵,是加強(qiáng)荒漠區(qū)生態(tài)建設(shè)的重中之重。研究識(shí)別的關(guān)鍵風(fēng)沙口共14個(gè),主要分布在沙源擴(kuò)散路徑的交叉點(diǎn)處,生態(tài)環(huán)境相對(duì)較差,主要為荒漠生態(tài)系統(tǒng)。加強(qiáng)該區(qū)域生態(tài)建設(shè),能有效減緩風(fēng)沙流動(dòng)、減輕風(fēng)沙侵蝕的力度。

3.2 防沙治沙生態(tài)安全格局構(gòu)建

當(dāng)前,研究區(qū)防沙網(wǎng)絡(luò)整體處于低水平、非均衡的發(fā)展?fàn)顟B(tài),網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)總體松散與局部集聚,核心關(guān)鍵點(diǎn)的輻射作用有待提升?；诖?文章結(jié)合“控風(fēng)源-堵風(fēng)口-筑風(fēng)廊-優(yōu)網(wǎng)絡(luò)”格局構(gòu)建模式以及區(qū)域?qū)嶋H狀況,對(duì)區(qū)域防沙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。

(1)控風(fēng)源。針對(duì)沙源風(fēng)沙擴(kuò)散的危險(xiǎn)性,結(jié)合土壤風(fēng)蝕量的高低,劃定近期風(fēng)沙源治理區(qū)域、中期風(fēng)沙源治理區(qū)域與遠(yuǎn)期風(fēng)沙源治理區(qū)域。近期風(fēng)沙源治理區(qū)域土壤風(fēng)蝕程度最高,集中分布在東湖鎮(zhèn)北部風(fēng)沙源區(qū)；中期風(fēng)沙源治理區(qū)域與遠(yuǎn)期風(fēng)沙源治理區(qū)域土壤風(fēng)蝕程度較低,主要包括紅沙崗鎮(zhèn)及東湖鎮(zhèn)南部風(fēng)沙源區(qū)。配合沙源治理技術(shù)措施,進(jìn)行近、中、遠(yuǎn)期順序建設(shè)。

(2)堵風(fēng)口。研究識(shí)別的阻沙關(guān)鍵點(diǎn)較多,關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點(diǎn)與關(guān)鍵風(fēng)沙口交錯(cuò)復(fù)雜。關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點(diǎn)作為荒漠基質(zhì)上的生態(tài)綠斑,是防風(fēng)阻沙廊道建設(shè)的“墊腳石”,也是關(guān)鍵風(fēng)沙口的驅(qū)動(dòng)源。研究將處于中心位置的生態(tài)節(jié)點(diǎn)作為阻沙關(guān)鍵點(diǎn),輻射帶動(dòng)其他節(jié)點(diǎn)的發(fā)展。關(guān)鍵風(fēng)沙口作為土壤質(zhì)量、植被覆蓋程度最差的區(qū)域,承接中心關(guān)鍵點(diǎn)的輻射帶動(dòng),配合防風(fēng)固沙林建設(shè),扎緊風(fēng)口,逼退風(fēng)沙。

(3)筑風(fēng)廊。防風(fēng)阻沙廊道是維護(hù)北方防沙帶生態(tài)安全的基本架構(gòu),連接阻沙關(guān)鍵點(diǎn),與沙源擴(kuò)散路徑垂直,有效切斷沙源之間的風(fēng)沙流動(dòng),增強(qiáng)阻沙關(guān)鍵點(diǎn)間的連通性,促進(jìn)防沙網(wǎng)絡(luò)間生態(tài)流通。研究共設(shè)計(jì)出防風(fēng)阻沙廊道41條(如圖1),總長(zhǎng)度627.4 km,集中分布于紅沙崗鎮(zhèn)北部以及東湖鎮(zhèn)區(qū)域,其中紅沙崗鎮(zhèn)有24條,長(zhǎng)度為271.19 km；東湖鎮(zhèn)有10條,長(zhǎng)度為211.98 km；西渠鎮(zhèn)、紅沙梁鎮(zhèn)、收成鎮(zhèn)、泉山鎮(zhèn)也有部分分布,共有7條,長(zhǎng)度為144.23 km。廊道主要呈現(xiàn)西北-東南走向和東北-西南走向。

(4)優(yōu)網(wǎng)絡(luò)。文章構(gòu)建“7中心、36點(diǎn)、14廊道”的生態(tài)安全優(yōu)化格局(如圖2),形成功能化、網(wǎng)絡(luò)化的空間結(jié)構(gòu)體系?！?中心”為防沙網(wǎng)絡(luò)中心關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),是其他關(guān)鍵點(diǎn)的輻射源和驅(qū)動(dòng)力?！?6點(diǎn)”為其他邊緣關(guān)鍵點(diǎn),包括生態(tài)環(huán)境相對(duì)良好的關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點(diǎn)以及生態(tài)環(huán)境相對(duì)較差的關(guān)鍵風(fēng)沙口,關(guān)鍵生態(tài)節(jié)點(diǎn)輔助中心關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)推動(dòng)關(guān)鍵風(fēng)沙口的生態(tài)發(fā)展；“14廊道”為14條主要阻沙廊道,既是切斷風(fēng)沙源交流、減小風(fēng)沙侵蝕力度的阻沙廊道,也是促進(jìn)阻沙關(guān)鍵點(diǎn)間生態(tài)流通的生態(tài)廊道。

與《民勤縣生態(tài)建設(shè)示范區(qū)規(guī)劃(2020—2025年)》相比,文章構(gòu)建的防沙網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域即為規(guī)劃的防沙治沙重點(diǎn)區(qū)域。不同點(diǎn)在于,文章從“控風(fēng)源-堵風(fēng)口-筑風(fēng)廊-優(yōu)網(wǎng)絡(luò)”的角度出發(fā),識(shí)別重要生態(tài)安全問題,構(gòu)建防沙治沙網(wǎng)絡(luò),詳細(xì)制定了斑塊、廊道、基質(zhì)的空間配置方案,可為完善生態(tài)建設(shè)規(guī)劃、促進(jìn)提供有益參考。

圖2 防沙治沙生態(tài)安全格局優(yōu)化Fig.2 Optimizing of the ecological security pattern of desertification prevention and control

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

基于北方防沙帶的特殊景觀基底及風(fēng)沙源擴(kuò)散機(jī)制,文章提出了“控風(fēng)源-堵風(fēng)口-筑風(fēng)廊-優(yōu)網(wǎng)絡(luò)”的風(fēng)沙阻隔型生態(tài)安全格局構(gòu)建模式,并以民勤縣為例,錨固風(fēng)沙源地,綠筑阻沙關(guān)鍵點(diǎn),連通阻沙廊道,優(yōu)化生態(tài)安全網(wǎng)絡(luò),形成多層次、立體化的生態(tài)安全格局體系。主要結(jié)論如下：

(1)北方防沙帶典型縣域大多以較大規(guī)模的荒漠為基質(zhì),林地、草地等綠色斑塊數(shù)量少、蓋度低,具有“基質(zhì)脆弱、廊道稀疏、斑塊零碎”等景觀特征,構(gòu)建生態(tài)連通型生態(tài)安全格局并不適宜。

(2)測(cè)算識(shí)別民勤縣風(fēng)沙源總面積3136 km2；模擬識(shí)別沙源擴(kuò)散路徑24條,阻沙關(guān)鍵點(diǎn)43個(gè)。研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能處于低水平、非均衡狀態(tài),生態(tài)格局網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)總體松散與局部集聚特征。

(3)錨固風(fēng)沙源地,綠筑阻沙關(guān)鍵點(diǎn),連通阻沙廊道,厘清網(wǎng)絡(luò)要素作用,構(gòu)建“7中心、36點(diǎn)、14廊道”的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化格局。與研究區(qū)相關(guān)規(guī)劃對(duì)比,構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化格局具有一定的合理性。

4.2 討論

值得注意的是,當(dāng)前生態(tài)安全格局構(gòu)建大多是以單個(gè)尺度為研究視角,在相對(duì)封閉的系統(tǒng)單元內(nèi)進(jìn)行生態(tài)安全格局構(gòu)建[34]。然而,尺度效應(yīng)使景觀現(xiàn)象特征、生態(tài)過程機(jī)制、總體格局結(jié)構(gòu)隨觀測(cè)分析尺度變化產(chǎn)生分異,造成了不同尺度下生態(tài)安全格局構(gòu)建的差異。但生態(tài)過程、生態(tài)基底本質(zhì)上具有跨尺度連續(xù)性,尺度之間的銜接模式直接影響生態(tài)功能的發(fā)揮[35]。針對(duì)北方防沙帶不同尺度下基質(zhì)、廊道、斑塊的差異性以及風(fēng)沙流、水流等物質(zhì)、能量的流動(dòng)性,對(duì)北方防沙帶生態(tài)安全格局的探討有必要考慮多尺度嵌套的銜接性,同時(shí)關(guān)注文章提出的“風(fēng)沙阻隔”生態(tài)安全格局與傳統(tǒng)的“生態(tài)流通”生態(tài)安全格局在尺度嵌套中的特殊性。

文章提出的“控風(fēng)源-堵風(fēng)口-筑風(fēng)廊-優(yōu)網(wǎng)絡(luò)”的生態(tài)安全格局構(gòu)建模式,豐富并拓展了干旱區(qū)生態(tài)安全格局的相關(guān)研究。但是受數(shù)據(jù)獲取和模型精度的限制,文章僅選取土壤風(fēng)蝕指標(biāo)來識(shí)別風(fēng)沙源,依托更詳細(xì)的地理空間數(shù)據(jù),更為細(xì)致的北方防沙帶風(fēng)沙源診斷與識(shí)別有待深入探討。其次,文章側(cè)重于防風(fēng)固沙廊道的位置確定,其廊道寬度需結(jié)合生態(tài)修復(fù)設(shè)計(jì)要求以及實(shí)際情況進(jìn)一步關(guān)注。最后,文章僅從沙源流動(dòng)的生態(tài)角度出發(fā)構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò),缺乏對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)人文等復(fù)合功能的考慮。在未來的生態(tài)安全格局構(gòu)建時(shí),需要進(jìn)一步綜合考慮生態(tài)改善、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)公平等多樣化需求,推動(dòng)復(fù)合型生態(tài)安全格局的構(gòu)建。