基于景觀格局的陜北資源富集區生態脆弱性評價——以陜西省神木縣為例

封建民， 郭玲霞， 李曉華

(咸陽師范學院 旅游與資源環境學院, 陜西 咸陽 712000)

基于景觀格局的陜北資源富集區生態脆弱性評價——以陜西省神木縣為例

封建民， 郭玲霞， 李曉華

(咸陽師范學院 旅游與資源環境學院, 陜西 咸陽 712000)

摘要：[目的] 定量評價陜西省神木縣生態脆弱性的空間差異，為區域土地利用規劃和環境保護提供依據。 [方法] 選取景觀分維數、破碎度、連通性和優勢度、人類活動干擾強度、地形指數，從生態系統壓力度、敏感性和恢復力3個方面構建評價模型，利用熵權法進行計算分析。 [結果] 各生態系統中，神木縣林地的生態脆弱性最高、草地和耕地次之、水域和荒地最低；22個鄉鎮中，店塔鎮和永興鄉生態脆弱性最高，大堡當和爾林兔鎮最低。 [結論] 神木縣生態脆弱性空間差異大，總體上由西向東、由南向北呈逐漸增大的趨勢。景觀分布格局，地形，礦區、居民點等人為干擾是影響生態脆弱性空間分異的主要原因。

關鍵詞：景觀格局； 生態脆弱性； 神木縣

生態脆弱性是指生態系統自身的不穩定性及對外界干擾的敏感性[1]，這種不穩定性和敏感性往往使系統在面對超過自身恢復能力的外界干擾時，朝著不利于自身和人類開發利用的方向發展[2]。自20世紀80年代以來，生態脆弱性的研究成為宏觀生態學研究的熱點問題[3-4]。目前學術界普遍認為，脆弱性是可度量的[5-6]，并且與生態系統暴露、受干擾程度和自身適應性、敏感性、恢復力和穩定性等因素密切相關[7-8]。景觀空間格局指數高度濃縮了景觀格局信息，包含了景觀結構信息和景觀類型對外界環境的響應特征，因而可以準確地反映各景觀類型的脆弱性。近年來，國內外學者在區域生態環境脆弱評價方面開展了大量的研究。但值得注意的是，在評價指標體系上沒有統一標準，多是以自然環境、社會經濟等離散的統計數據作支撐，從自然、社會、經濟和環境4個維度[9]，或者自然和社會兩個維度[10]來建立評價指標體系；在景觀格局指數選取上，一般從斑塊、類型或景觀3個層次出發，選取破碎度、分維數、分離度等指數來構建景觀干擾度指數，用以表征人類活動的干擾強度[11-12]，而對不同景觀格局指數所表征生態脆弱性的基本屬性差異沒有區分；在各指標權重賦值上則多采用AHP法，人為因素影響較大，難于客觀反映個指標在評價指標體系中的貢獻和重要程度。鑒于此，本研究參照已有的成果[13]，基于景觀格局指數，從生態系統的狀態、壓力和響應3個方面出發構建脆弱性評價指標體系，用景觀分維數倒數和人類活動干擾強度衡量生態系統壓力度(P)、用景觀破碎度和地形指數評價敏感度(S)、用景觀連通性和優勢度指數計算恢復力(R)、用P·S/R來評價各個生態系統的脆弱性。為了最大限度地克服人為因素的影響，客觀地反映各個指標所含的信息量，真實地反映其重要程度和貢獻，采用熵權法對各指標賦權重。

資源富集區指礦產資源高度集中的地區，一般來說，大多數資源富集區自然生態環境脆弱，在人類活動干擾下，生態脆弱問題較其他地區更突出。陜西省神木縣是能源富集、生態脆弱的典型區域，在地貌、氣候、植被、景觀上均呈明顯的過渡性特征，近10 a來隨著城市化進程的加快和礦產開發力度的加大，生態系統受到嚴重的人為干擾，對神木縣開展生態脆弱性研究具有必要性和典型性。本研究結果不僅能為神木縣土地利用規劃、區域生態環境保護和環境經濟協調發展提供科學依據和決策參考，同時也對其他資源富集區生態脆弱性評價提供借鑒。

1研究區概況

神木縣位于陜西省北部，地處鄂爾多斯盆地東北部的黃土高原和毛烏素沙地過渡帶，呈西北高、東南低的特點，海拔最高1 448.7 m，最低738.7 m，范圍介于北緯38°13′—39°27′，東經109°40′—110°54′，面積約為750 516 hm2，屬于中溫帶大陸性干旱﹑半干旱季風季候，氣候特點是寒暑劇烈，氣候干燥，災害頻發，四季分明；冬季漫長寒冷，夏季短促，溫差大，多西北風，風沙頻繁，無霜期短。該縣下轄22個鄉鎮，人口37.8萬，按照地形特點可分為3個區域，北部風沙草灘區包括大柳塔、爾林兔、大堡當、中雞、孫家岔、麻家塔、店塔、瑤鎮、西溝等鄉鎮；中部丘陵溝壑區包括神木、永興、欄桿堡、謝家堡、高家堡、太和寨、花石崖、喬岔灘、瓦羅等鄉鎮；南部黃河沿岸土石山區包括馬鎮、沙峁、賀家川、萬鎮。神木縣地域廣闊，美麗富饒，蘊藏著豐富的煤炭、石英砂、巖鹽、是由、天然氣等數10種礦產資源，其中以煤炭資源微醉，該縣儲煤面積4 500 km2，探明儲量5.00×1010t，占神府東勝煤田總儲量的1/5，可開采儲量約4.00×1010t。目前該縣有煤礦149個，其中國有重點煤礦13個，國有地方煤礦8個，鄉鎮煤礦128個，已消耗儲量3.5×109t。煤礦開發為當地的經濟發展做出了巨大的貢獻，2011年該縣實現GDP達771億元，同比增長的27.4%，實現財政總收入181億元，增長37.7%，地方財政收入45.3億元，增長60%；2012年生產原煤2.03×108t，同比增長23.2%。但同時礦產開發也帶來了環境污染、地下水位下降和地面塌陷等諸多環境問題，據統計每年排放二氧化硫10 998 t，煙塵32 270 t，粉塵13 143 t，廢水1.12×106t，近年來，礦區地下水位普遍下降了2～3 m，10余條地表徑流斷流，20多個泉眼干枯，塌陷面積27.72 km2。

2研究方法

2.1　數據源及土地利用信息提取

以2010年9月12日分辨率為5 m的Rapideye影像、1∶5萬地形圖和30 m分辨率的DEM為基本數據源。基于野外考察觀測資料，運用ERDAS Imagine 2011年遙感圖像處理軟件，在對影像進行幾何校正、彩色合成、圖像鑲嵌處理的基礎上，提取景觀類型信息。景觀類型的分類標準以2007年8月頒布的《土地利用現狀分類》為基礎，結合研究需要和神木縣實際情況，將研究區土地利用類型歸納劃分為耕地(水澆地和旱地)、林地(有林地和灌木林地)、草地、水域、建設用地、工礦用地、荒地(沙地和裸地)7個類型。運用ArcGIS 9.3平臺對DEM進行坡度提取，計算地形指數；采用緩沖區分析、疊置分析計算擾動指數；運用Fragstats 3.3軟件計算景觀格局指數。

2.2　脆弱性評價指標體系

參照已有的研究成果，從自然生態系統壓力度(P)、敏感度(S)和恢復力(R)3個方面構建脆弱性評價指標體系。生態壓力度由分維數倒數和擾動指數來衡量。分維數反映景觀形狀的復雜程度和空間穩定程度，采用周長面積關系(FDI)進行計算，其值的大小與受干擾程度密切相關，一般來說，受干擾小的景觀，其分數維值高，而受干擾大的景觀分數維值低，故取分維數倒數來反映景觀類型受干擾的程度，其值越高，表示干擾越強烈。擾動指數用來衡量人類活動對生態系統的影響。研究[14]表明，人類活動對生態系統的影響程度與距離存在遞減關系。以提取出的居民區、礦區為基礎，設300，600和1 000 m這3個緩沖區，分別賦值0.85，0.35和0.15，同時考慮累計影響，如果受到多個居民區或礦區不同程度的影響，則累加影響值。

生態敏感度由景觀破碎度和地形指數來衡量。其中景觀破碎度(CI)是區域生態脆弱性評價中最常用的指標，是景觀格局由連續變化的結構向斑塊變化的過程的度量，景觀破碎度越高，抗外界干擾能力越差，生態敏感性越高。地形指數主要考慮坡度>15°的區域面積比例，坡度>15°時地表處于亞穩定狀態，當受到人類破壞，在流水和重力作用下極易加速侵蝕退化，因而地形指數越大，系統抗外界干擾能力越差，生態敏感性越高。

生態恢復力因子包括優勢度和景觀連通性指數。優勢度采用最大斑塊指數(LPI)衡量，LPI值越大，表示該類型景觀抗外界干擾能力越強，即在相同壓力的情況下，其恢復力越強。景觀連通性采用ⅡC(integral index of connectivity)指數衡量，并設定200 m的距離閾值。ⅡC值越高，表示該類型生態系統中物質、能量流動越便利，生態系統越穩定，恢復力越強。

2.3　指標權重賦值

采用熵權法對各指標賦權值。熵權法是一種在綜合考慮各因素提供的信息量的基礎上計算一個綜合指標的數學方法，它可以最大限度地克服主觀因素的影響，客觀地反映各個指標所含的信息量，真實的反映其重要程度和貢獻[15]。為了消除量綱的影響，取各鄉鎮各地類各指標的值與22個鄉鎮該種地類該指標總和的比值進行標準化處理。在Excel軟件中運用熵權法計算各指標的權重(表1)。由表1可知，從生態壓力度指標來看，分維數倒數影響最大的是水體，其次為荒地，對耕地的影響最小；而居民地和礦區對耕地、草地和林地的影響明顯高于水體和荒地，這可能是由于在經濟發展過程中，這3類用地最容易被侵占而向其他用地轉化。從生態敏感性指標來看，景觀破碎度對荒地的影響最大，對草地的影響次之，對耕地的影響最小；而地形指數則相反，對耕地的影響最大，對荒地的影響最小。從生態恢復力來看，景觀連通性指數對草地和水體的影響較大，對林地的影響最小；而林地的優勢度權重值最大。

表1　神木縣生態系統脆弱性評價指標及權重

2.4　生態脆弱性指數(CVI)

生態脆弱性是壓力度，敏感度和恢復力的函數，隨敏感性和壓力度的增大而增大，隨恢復力的增大而減小，其評價模型[16]為：

CVI=P×S/R

(1)

式中: CVI——生態系統類型的生態脆弱性指數；P——生態壓力度；S——生態敏感度；R——生態恢復力。

利用景觀類型脆弱性指數和景觀類型面積的比重來計算區域生態脆弱性指數(RVI)，計算公式為[17]：

(2)

式中：RVI——各鄉鎮的自然生態系統脆弱性；Ai，A——各鄉鎮各生態系統類型面積及其所在鄉鎮生態系統的總面積。

3結果與分析

3.1　景觀類型的生態脆弱度

根據各個鄉鎮的生態脆弱性計算結果(表2)，綜合分析研究區各景觀類型脆弱度排序為：林地>草地>耕地>水體>荒地。表明林地和草地景觀穩定性不強，對外界干擾反映敏感，恢復力差，在受到外界干擾后發生退化的機率大。其中林地面積1.54×105hm2，主要分布在中部丘陵區和南部山區，受地形分割影響，連通性較差，且長期過度的人為影響，林地退化嚴重，系統的生態穩定性大幅度下降，因此成為全縣脆弱性最大的景觀類型。

從區域上來看，北部風沙草灘區受礦產開發的影響，擾動指數和破碎度較大，而連通性差，因而脆弱性遠大于中部和南部。各鄉鎮中，孫家岔鎮脆弱性最高，馬鎮最低。孫家岔鎮林地景觀破碎度和擾動指數最大(分別為0.70和0.45)，連通性和優勢度最小，恢復力為各鄉鎮中最小。馬鎮林地斑塊少，分布在地形陡峭的山區，受人類活動干擾較小，壓力度最低，恢復力最強；但從敏感性因子來分析，受地形影響最大，敏感性最高，表明受到外界干擾極易發生退化，因而有必要采取措施嚴格限制開發，以確保該區域生態環境的良性發展。

表2　神木縣各鄉鎮生態脆弱度

草地是神木縣面積最大的用地類型，總面積為302 263.9 hm2，占該縣面積的41%，主要分布于北部風沙草灘區，受氣候條件限制，基本為干旱草原，植被覆蓋度低，且近20 a來受過度放牧等因素的影響，草地退化嚴重，因此其脆弱性也較強。從區域上來看，中部丘陵溝壑區地形破碎，草地景觀被分割強烈，破碎度和地形指數較大，而連通性差，因而脆弱性大于北部和南部。各鄉鎮中，太和寨鄉脆弱性最高，中雞鎮最低。太和寨鄉景觀破碎度最大，為0.92，優勢度最小，僅為0.56，恢復力為各鄉鎮中最小。中雞鎮位于神木縣最北部，地形平坦，海拔較低，是主要的牧區，草地面積29 351 hm2，占全鎮面積的60%，因而其連通性最高，地形指數和破碎度最低。

耕地總面積占全縣面積的9%，空間上分布較為均勻，北部主要為水澆地，中部和南部主要為山旱地，但中部丘陵區耕地分布最為密集，且受地形影響，破碎度大，連通性差，因而脆弱性大于北部和南部。22個鄉鎮中，店塔鎮脆弱性最高，爾林兔鎮最低。從擾動指數來看，店塔鎮耕地生態系統受人為干擾較為嚴重，景觀優勢度表明其生態恢復力差，這主要是由于在煤礦開發中對耕地破壞嚴重，加上粗放式的管理利用，對耕地缺乏有效的保護措施所致。爾林兔鎮耕地連片分布，基本為水澆地，地形指數和破碎度最小，優勢度指數表明其恢復力較高，因而脆弱性低。各鄉鎮耕地生態系統中，大柳塔鎮的自然度最高，壓力度最小，爾林兔鎮敏感性最低，恢復力最佳。

神木縣水域較少，面積僅有7 695.022 hm2，占該縣面積的1.02%，空間上分布較為均勻。但北部水域主要以湖泊和河流為主；南部基本為河流；而中部多為水庫，受人為影響較大，破碎度高，連通性和優勢度低，因而脆弱性大。各鄉鎮中爾林兔鎮水體的生態脆弱性最低，謝家堡鄉最高。爾林兔鎮僅有20個水域斑塊，基本為陜西省最大的淡水湖—紅堿淖，形態較為完整，擾動指數最小，破碎度和地形指數亦為最低，因此其生態壓力度和敏感度最低；而連通性和優勢度顯示其恢復力最強。值得注意的是，北部的大柳塔、孫家岔、店塔、麻家塔、永興、神木等鄉鎮受煤礦開發影響大，擾動指數都在0.085以上，大于其他鄉鎮3倍以上。采礦會侵占水域，或者引起地面沉降甚至塌陷，對地表水和地下水造成一定的威脅；采礦排放的砷、硫、磷等會對水域造成嚴重污染。因而在這些鄉鎮對水域的保護至關重要。

荒地2.04×105hm2，約占該縣總面積的27%，空間上連片分布于西北部，南部僅有零星分布，因而連通性和優勢度較大，雖然生態敏感性極強，但由于環境惡劣難于開發利用，受人類活動影響較小，擾動指數和分維數倒數顯示其生態壓力性低，自然度較高，總體上脆弱性較低。從區域上來看，中部和南部的荒地大多為退耕出的裸地，形狀規則，破碎度和地形指數大，優勢度低，而北部的荒地基本為連片分布的沙地，壓力度和敏感度低，連通性好，因而中部和南部的脆弱性遠大于北部。22個鄉鎮中大堡當生態脆弱性最小，太和寨最大，而大柳塔壓力度最大，沙峁鎮敏感性最強，欄桿堡的恢復力最差。

3.2　生態脆弱的空間差異

各鄉鎮的區域生態系統脆弱性指數中，店塔鎮和永興鄉最高、大堡當鎮最低。其中店塔鎮和永興鄉的林地占28.41%和54.58%，草地占49.67%和30.71%，林草植被處于絕對優勢，對其生態系統脆弱性影響較大，大堡當鎮65.22%為連片分布的沙地；店塔鎮和永興鄉采礦和建設用地分別占4.87%和3.13%，而大堡當鎮僅占0.91%。對于店塔鎮和永興鄉等生態脆弱性較高的鄉鎮，需要重點保護其生態脆弱性較高的用地類型，如店塔鎮的耕地、林地，永興鄉的草地、林地，通過退耕后及時恢復林草植被，合理開發利用等保護措施，提高區域生態系統的完整性和穩定性，降低其生態脆弱性，保證整個生態系統健康運行。為了更加直觀的顯示生態脆弱性的空間差異，將計算出的各鄉鎮生態脆弱性指數在ArcGIS中，按照Natural Breaks 方式將生態脆弱性分為5個等級(圖1)。由圖1可以看出，生態脆弱性在空間上相間分布，由西向東、由南向北呈現逐漸增強的趨勢，從面積上來看，3級脆弱區范圍較大，占47.05%，5級和4級脆弱區次之，分別占19.94%和16.70%，1級和2級脆弱區較少，分別占6.95%和9.37%。從區域上來看，生態脆弱性由大到小排序為:丘陵溝壑區>風沙草灘區>黃河沿岸土石山區。其中黃土丘陵溝壑區屬于Ⅰ級脆弱區的面積占8.65%，Ⅱ級占12.46，Ⅲ級占41.7%，其余為Ⅳ級和Ⅴ級脆弱區。丘陵溝壑區地勢西北高，東南低，土地利用以林地和草地為主，耕地占全縣耕地總面積的50%以上，地貌上以丘陵為主，水力侵蝕強烈，地形破碎，人類向山要地，砍伐、放牧等人為干擾強烈，盡管沒有礦產開采，但整體上景觀破碎度高，連通性差，在5類生態系統中荒地和草地的生態脆弱性最高，林地最低。因此丘陵溝壑區應減少對草地的開采、破壞，合理控制退耕規模，退耕地應盡快恢復林草植被，提高土地利用的有效性。風沙草灘區Ⅲ級脆弱區面積最大，Ⅰ級和Ⅱ級脆弱區比例小于丘陵溝壑區。風沙草灘區地勢較高，地形波狀起伏較為平坦，風力侵蝕強烈，土地利用已沙地和草地為主，該區處于神府煤田腹地，礦點均勻分布于東部鄉鎮，人類活動干擾最為強烈，在五類生態系統中荒地的生態脆弱性最低，林地最高。因此在礦產開發過程中加強對林地的保護顯得尤為重要。黃河沿岸土石山區Ⅳ級脆弱區所占比重最大，達71.45%，Ⅲ級脆弱區占28.55%，沒有Ⅰ級和Ⅱ級脆弱區，因而整體脆弱性在3個區域最低。該區人類活動干擾較小，景觀上以自然生態系統為主，林地和草地占78.42%。

圖1　神木縣各鄉鎮生態系統脆弱性空間分異

4結論與討論

(1) 各景觀類型生態脆弱性表明，神木縣林地的生態脆弱性最高，草地和耕地次之，水域和荒地最低。在今后的土地資源利用中，需要重點保護脆弱性較高的用地，如大柳塔、中雞、孫家岔和麻家塔鎮的林地，太和寨和永興鄉的草地，以及店塔和永興鄉的耕地等，以降低整個區域生態系統的脆弱性，提高其穩定性。

(2) 區域生態脆弱性顯示，22個鄉鎮中，店塔鎮和永興鄉生態脆弱性最高，大堡當和爾林兔鎮最低。從區域上表現為：生態脆弱性中部丘陵溝壑區>北部風沙草灘區>南部黃河沿岸土石山區，其中風沙草灘區林地的生態脆弱性最高，荒地的脆弱性最低；丘陵溝壑區和黃河沿岸土石山區的荒地脆弱性最高，而林地和耕地的脆弱性較低。各鄉鎮在開發過程中應盡量減小人類活動對生態系統的干擾，降低生態敏感性，增強其恢復力，從而降低其生態脆弱性。

(3) 本研究僅從人類活動影響、景觀指數和地形因素方面估算生態壓力度、敏感性和恢復力，并未考慮氣候因素，也沒有考慮各生態系統自身的敏感性和恢復力的不同，因而對于氣候條件相對惡劣、沙地廣布的西部和北部各鄉鎮，有可能導致計算出的生態脆弱性指數偏低；同時在對生態脆弱性進行閾值劃分時僅采用自然閾值劃分，因而生態脆弱性的空間差異僅有相對意義。在今后的應用中可以根據各地區的實際情況對評價指標進行調整，如加入氣候因子、土壤沙化因子、各生態系統自身的抗干擾能力等；在對生態脆弱性進行等級劃分時，要根據研究區景觀類型特征，科學的設置閾值。

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Assession of Ecological Vulnerability in Resource Enrichment Areas of Northern Shaanxi Province Based on Landscape Pattern -A Case Study of Shenmu County in Shaanxi Province

FENG Jianmin， GUO Lingxia， LI Xiaohua

(CollegeofTourismandResources&Environment,XianyangNormalUniversity,Xianyang, 712000,China)

Abstract：[Objective] Quantitative assessing the spatial difference of ecological vulnerability in Shenmu County of Northern Shaanxi Province in order to provide a support for land use planning and environmental protection. [Methods] Using landscape fractal dimension, fragmentation, dominance, connectivity, human disturbance intensity and topographic index, assessment model was developed from the aspects of ecological supporting pressure, ecosystem sensitivity, and ecological resilience， and entropy weight method was used. [Results] Among the various types of ecosystems, woodland had the highest ecological vulnerability, the grassland and farmland, while the water body and unused land had the lowest one. In the entire 22 towns, Dianta and Yongxing had the highest ecological vulnerability, while Dabaodang and Erlintu had the lowest one. [Conclusion] Ecological vulnerability showed gradually increasing trend from west to east, and from south to north. Moreover, land use pattern, topography, mining and settlement distribution were the major factors affecting the spatial pattern.

Keywords:landscape pattern; ecological vulnerability; Shenmu County

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0271-06

中圖分類號：X826

收稿日期：2014-06-13修回日期：2014-07-04

資助項目：陜西省科技計劃項目“陜北資源富集區工礦型荒漠化的遙感監測與發展趨勢研究”(2011JM5015); 陜西省普通高等學校優勢學科建設項目(0602)； 陜西省教育廳專項科研計劃項目(14JK1800)

第一作者：封建民(1972—)，男(漢族),陜西省鳳翔縣人,博士,副教授,主要從事環境遙感與土地利用。E-mail:feng_jianmin@aliyun.com。