基于敏感性分析的生態脆弱區生態安全格局構建
——以陜西省榆林市為例

安 冬，鄧 偉　(.重慶市璧山區環境監測站，重慶 402760；2.重慶市環境科學研究院，重慶 4047)

?

基于敏感性分析的生態脆弱區生態安全格局構建
——以陜西省榆林市為例

安 冬1，鄧 偉2*(1.重慶市璧山區環境監測站，重慶 402760；2.重慶市環境科學研究院，重慶 401147)

摘要[目的]探索陜西省榆林市生態脆弱區生態敏感性和安全格局，為該地區的生態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脆弱區榆林市為研究對象，選取水資源、地質災害、土壤侵蝕、生境和荒漠化5個生態因子，在單因子生態敏感性評價的基礎上，通過綜合敏感性分析構建榆林生態安全格局。[結果]土壤侵蝕和地質災害是影響榆林市生態安全最敏感的因子，中度敏感和高度敏感區面積占有較大比例。生態安全底線、滿意和理想區面積比分別為25.69%、41.95%和32.36%。受自然條件和用地現狀影響，榆林市生態安全格局地域差異明顯，底線區位于白于山、中-南部土壤侵蝕、地災頻發和黃河沿岸地區，滿意區位于定邊縣中部、橫山-榆陽中部和神木-府谷北部，理想區主要為古長城以北的風沙區。[結論]榆林市生態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。

關鍵詞生態脆弱區；敏感性分析；生態安全格局；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的過渡地帶，是我國北方農牧交錯帶上典型的生態脆弱區，也是我國土壤保持和防風固沙重要的生態功能保護區[1]。該地生態質量的優劣直接關系到黃河流域、黃土高原乃至全國生態安全及經濟社會的可持續發展[2]。近年來，隨著榆林市煤炭資源的大量開發，能源基地建設的快速發展及小城鎮的建設加速，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境沖突[3]，生態安全成為自然-經濟-社會復合生態系統協調發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]和區域性氣候變化[13-14]等單方面，對區域生態安全的定量評價及生態安全的空間格局構建尚屬空白。構建生態安全格局是實現區域生態安全的基本保障和重要途徑[15-16]，是區域自然生命支持系統的關鍵性格局[17]，而基于生態敏感性和生態系統服務的重要性分析是識別關鍵生態地段的常用方法[16]。基于此，筆者選擇榆林市生態環境較為敏感的水資源、地質災害、土壤侵蝕、生境和荒漠化5個生態因子，建立生態敏感性評估模型，構建榆林市具有不同安全水平的綜合生態安全格局，并有針對性地提出了各級生態安全格局的生態保護與建設措施，以期為榆林市生態保護與建設提供借鑒。

1材料與方法

1.1研究區概況 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和生態脆弱區，也是黃土高原和內蒙古高原的過渡地帶。全市轄1區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，地勢較緩，以南是黃土丘陵溝壑區，地形起伏較大。區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，近年來作為國家一個重要的能源與礦產基地，在全國能源工業發展和能源基地建設布局中具有特殊重要的戰略地位。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環境并存，使得榆林生態環境更加多樣、復雜和脆弱。

1.2研究方法

1.2.1生態敏感性評價。生態環境敏感性反映生態系統在遇到環境變異和人類活動干擾時，發生生態環境問題的難易程度和概率大小[18]。生態敏感性分析可以從提高生態系統內部的穩定性角度，為生態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脆弱區，氣候類型處于干旱和半干旱的過渡地帶，區內荒漠化、水土流失等自然災害嚴重，過度的土地利用引發了新的次生災害。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，參照國家環保部頒發的《生態功能區劃技術暫行規程》，使用層次分析法(AHP)，選擇榆林市生態環境較為敏感的水資源、地質災害、土壤侵蝕、生境和荒漠化5個生態過程作為AHP指標層要素，建立單因子生態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，得到榆林市生態環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空間單元生態環境敏感性指數，Wi為i因子的權重，Fi為i生態環境因子敏感性等級值。評價因子權重采用德爾菲法，首先咨詢當地專家，針對榆林市典型農牧交錯帶生態特征，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計學的Jenk最優化法得出的分界點，能夠使各級的內部方差之和最小)將ES分為4級。

1.2.2生態安全格局構建。根據生態敏感性評價結果，結合榆林市用地現狀和重要生態功能區(如自然保護區、森林公園、濕地保護區等)分布格局構建榆林市生態安全格局。生態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。底線生態安全格局是區域發展過程中環境最脆弱的區域，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等生態敏感性高的區域。底線生態安全格局是區域發展中生態安全的最基本保障，屬嚴格控制和限制區[16]。滿意安全格局是中水平安全格局，生態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、農業設施較發達的區域。理想安全格局是高水平安全格局，是維護區域生態服務理想的景觀格局，生態敏感性為不敏感。

1.3研究數據及預處理該研究所用數據組成情況：①2013年榆林市土地利用類型數據，該數據是在“中國寒區旱區科學數據中心”提供的2000年土地利用現狀矢量數據的基礎上，利用2013年8月份Landsat8衛星影像修改而成，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數據；③榆林市Aster DEM 數據，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據。氣象數據在ARCGIS地統計模塊(Geostatistical Analyst)下，利用交叉驗證法進行最優插值模型測試，最終選擇普通克里格插值法為該研究氣象數據空間插值模型。以上所有數據均轉換為統一坐標與投影系統(Albers)，數據格式為grid的柵格數據參與空間運算，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未來經濟和社會發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，11.90%為中度敏感區，主要集中在河流和湖泊兩岸；受地質環境條件和人類工程活動的影響，地質災害易發，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域主要集中在研究區西南部白玉山高寒地區、東南部黃土溝壑區和東北部煤炭資源重度開采區。

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生土壤侵蝕最為嚴重的地區之一。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，高度敏感區面積為9 663.57 km2，總體上北部地區土壤侵蝕敏感程度低于南部，高敏感區主要集中在靖邊、定邊縣南端，東部黃河沿岸以及中部和南部的溝壑區，古長城以北風沙草灘區土壤侵蝕敏感性總體較低。荒漠化敏感區主要集中在古長城以北風沙草灘區，高度敏感、中度敏感和低敏感區面積分別為2 543.80、4 057.35和4 916.82 km2。

森林生態系統在整個榆林生態空間中具有較大的生態服務價值，發揮著重要的生態功能，屬于高度敏感的生態系統類型，灌叢和濕地屬于中度敏感類型。榆林市內自然保護區、森林公園、地質公園、風景名勝區等重要生態功能區，對維護整個區域生態系統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；生境高敏感度區大多分布在東南部溝壑地區，北部風沙區生境敏感性相對較低。

總體來說，榆林市生態環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，以及中部和東北部的地質災害高易發區；不敏感區面積也相對較小，占總面積的14.62%，主要集中于古長城以北的沙化區；中度敏感和低度敏感區面積相對較大，尤其是中度敏感區，面積為2 204.44 km2，占總面積的51.61%，低度敏感區面積為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和沙丘草灘區。

表3榆林市綜合敏感性評價與生態安全等級

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狀和重要生態功能區，如紅堿淖濕地、神木-榆橫臭柏、府谷杜松自然保護區，以及紅石峽、神龍山、五臺等森林公園，最終建立綜合生態安全格局。榆林市生態安全底線區面積10 971.28 km2，占總面積的25.69%；生態安全滿意區面積17 918.71 km2，占總區域面積的41.95%；生態安全理想區面積13 823.95 km2，占總面積的32.36%。生態安全底線區主要分布在定邊-靖邊南部白于山黃土梁塬墹區(該區域植被稀少，水土流失嚴重，生態環境脆弱，但同時該地區是無定河、清澗河等境內主要河流的發源地)，中部-南部土壤侵蝕強烈丘陵溝壑地帶和地質災害頻發區，黃河沿岸水土流失重點防治區。滿意生態安全格局主要分布在古長城以南，與底線生態安全區相間分布，主要包括定邊縣中部海拔高、坡緩地區；橫山-榆陽中部片沙黃土梁峁區，該地區是近年榆陽區植樹造林重點實施區域；神木-府谷北部的煤炭資源重點開發區次生災害頻發。理想生態安全區主要集中在古長城以北的風沙區，是防風固沙的重點治理對象，近年來已在該地區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環境較敏感的5個生態過程建立單因子生態敏感性評價模型，并通過綜合敏感性分布格局和榆林市用地現狀等，構建了榆林市3個等級的生態安全格局，識別出具有關鍵作用的重要生態功能區，并形成了以自然保護區、森林公園、濕地保護區為重點，由河流道路綠化廊道、農業用地等共同構建的區域生態安全格局。從敏感性評價和生態安全格局分布狀況來看，榆林市生態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，榆林市生態敏感性和生態安全格局均呈現明顯的地域差異，古長城以北風沙草灘區大部分以沙化地為主，生態敏感性較低，生態安全等級主要為理想生態安全區，而西南部高寒地區、南部溝壑區、黃河沿岸以及區內地質災害高易發區生態環境脆弱，敏感性高，是生態安全控制最關鍵區域，生態安全等級為底線生態安全區。在區域發展過程中，應充分考慮各個區域的資源環境承載力，合理規劃，保障生態安全，實現自然環境與人類社會的協同共生。底線生態安全區屬低水平生態安全格局，是保障生態安全的最基本、區域經濟發展不可逾越的生態底線，應注重水源涵養、生物多樣性保護、水土保持等生態服務功能的保持和鞏固，需要重點保護和嚴格控制。生態安全滿意區是中水平安全格局，應以優化和提升生態服務功能為主，并施以限制開發與恢復生態系統。生態安全理想區是維護區域生態服務的理想格局，應以改善生態服務功能及合理引導產業發展為主，合理確定開發模式和開發容量，在進行開發利用的同時，堅持生態保護和生態建設。

參考文獻

[1] 楊強.基于遙感的榆林地區生態脆弱性研究[D].南京：南京大學，2013.

[2] 王曉峰.基于GIS和RS榆林地區生態安全動態綜合評價[D].西安：陜西師范大學，2008.

[3] 王曉峰.陜北風沙過渡區土地利用變化及其生態效應分析[D].西安：陜西師范大學，2004.

[4] LI Z F，LI X M.Land-use change analysis in Yulin prefecture，northwestern China using remote sensing and GIS[J].Geoscience and remote sensing symposium，2004(5)：3390-3393.

[5] HU Y C，LIU Y S，DENG X S.Land use change and its eco-environmental effects in transitional agro-pastoral region-the case study of Yulin district in northern Shaanxi[J].Geoscience and remote sensing symposium，2005(4)：2430-2433.

[6] GAO X H，GUO Y Z，YAN C Z，et al.Study on the dynamic changes of land desertification in Yulin prefecture，northwestern China based on RS and GIS[J].Geoscience and remote sensing symposium，2005(1)：4.

[7] 郝慧梅，任志遠，薛亮，等.基于3S的榆林市土地利用/覆蓋變化生態效應定量研究[J].地理科學進展，2007(3)：96-106，130.

[8] 劉志仁.陜西榆林荒漠化防治的困境與路徑選擇[J].西北大學學報(自然科學版)，2007(4)：657-660.

[9] 武占強，楊濤，曹雙成，等.榆林土地沙漠化成因及其治理對策[J].陜西林業科技，2010(5)：46-48.

[10] WANG X F，ZHAO Y H.The dynamic of Yulin distract water and soil loss based on the RS and GIS[C]//Internation conference on multimedia technology.ICMT，2010：1-4.

[11] 曹曉儀，董治寶，李靜，等.基于GIS的榆林市土壤風蝕危險度評價[J].水土保持通報，2013(1)：206-210.

[12] 郝慧梅，任志遠.區域LUCC的土壤侵蝕響應研究：以榆林市為例[J].干旱區研究，2008(4)：583-591.

[13] 李琰，劉曉瓊，趙昕奕.陜西省榆林市氣候變化特征分析[J].干旱區資源與環境，2011(1)：157-161.

[14] 王小軍，賀瑞敏，尚熳廷.榆林市降水時空變化規律研究[J].干旱區資源與環境，2011(5)：103-108.

[15] YU K J.Security patterns and surface model in landscape ecological planning[J].Landscape and urban planning，1996，36(1)：1-17.

[16] 俞孔堅，王思思，李迪華，等.北京市生態安全格局及城市增長預景[J].生態學報，2009(3)：103-108.

[17] 馬克明，傅伯杰，黎曉亞，等.區域生態安全格局：概念與理論基礎[J].生態學報，2004(4)：761-768.

[18] 歐陽志云，王效科，苗鴻.中國生態環境敏感性及其區域差異規律研究[J].生態學報，2000，20(1)：9-12.

[19] LI Z F，LI X M.Remote sensing and GIS application for agricultural land quality assessment of Yulin prefecture[C]//2011 second international conference on digital manufacturing & automation. IEEE Computer Society,2011：893-895.

[20] 龐莎.榆林市生態足跡與生態脆弱性分析與評價[D].西安：西北大學，2011.

[21] WANG H Q，ZHANG M S，LI P C，et al.Long-term trend analysis for the runoff series in Yulin[C]//Water resource and environmental protection.ISWREP，2011：1062-1065.

[22] 李靜，劉志紅，李銳.黃土高原不同地貌類型區降雨侵蝕力時空特征研究[J].水土保持通報，2008，28(3)：124 -127.

[23] 郝慧梅.基于3S的榆林市土地利用/覆蓋變化的生態效應定量研究[D].西安：陜西師范大學，2006.

[24] 張科利，蔡永明，劉寶元，等.黃土高原地區土壤可蝕性及其應用研究[J].生態學報，2001(10)：1687-1695.

[25] 程琳，楊勤科，謝紅霞，等.基于GIS和CSLE的陜西省土壤侵蝕定量評價方法研究[J].水土保持學報，2009(5)：61-66.

[26] 韓貴鋒，趙珂，袁興中，等.基于空間分析的山地生態敏感性評價：以四川省萬源市為例[J].山地學報，2008(5)：531-537.

[27] LIU J Y，LIU M L，ZHUANG D F，et al.Study on spatial pattern of land-use change in China during 1995-2000[J].Science in China(Series D)，2003(4)：373-384，420-422.

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，從事資源環境空間應用研究。*通訊作者，高級工程師，博士，從事生態遙感研究。

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