基于突變級數法的神木市生態安全評價

王盼婷

(長安大學土地工程學院，陜西 西安 710054)

引言

生態安全是生態系統完整性和健康性的整體反映，能夠有效保障人類的生活和健康不受損害、經濟發展和社會安定不受阻礙和威脅[1]。多年來，由于城市化進程的加快，礦產資源開發力度的加大，土地利用的景觀格局發生了顯著變化，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展導致了生態環境的惡化[2,3]。因此，評價區域生態安全對協調土地利用和生態環境的關系、促進資源的合理配置以及實現區域生態可持續發展具有重要的意義[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渡帶，是能源化工基地同時也是生態脆弱的典型區域[5]。因此，通過對影響生態安全性的土地利用、降水、植被覆蓋率、坡度等要素的全面剖析，基于景觀指數和空間數據量化手段構建生態安全評價指標體系，深刻認識生態系統對調節氣候、凈化空氣、涵養水源、保護生態多樣性等方面的重要作用，以期為優化區域國土空間布局和生態安全管理提供參考。

1 研究區概況

神木市地處陜西省榆林市北部，毛烏素沙漠的東南部，地理區位優越，礦產資源稟賦。位于E109°40～110°54′，N38°13～39°27′，總面積達7635km2。神木市是秦晉蒙3省交界地帶，西與內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種地貌類型，總體地勢西北高東南低，境內有黃河、窟野河、禿尾河等水系。該市的自然氣候屬于中溫帶的半干旱大陸性季風氣候區，夏季炎熱冬季干冷，風沙頻繁。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

土地利用數據采用2017年全球10m分辨率土地覆被數字產品(http://data.ess.tsinghua.edu.cn/)；道路、河流數據獲取1∶100萬全國基礎地理數據庫(https://www.webmap.cn/)；DEM數據和遙感影像數據來源于地理空間數據云平臺(http://www. gscloud.cn/)；降雨量、NPP數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)，有關景觀指數均通過Fragstats 4.2軟件進行預處理。

2.2 指標體系構建

借鑒生態學中的“活力-組織力-恢復力-生態服務能力”的邏輯架構，參考蔡忠亮等的研究方法[6]，從“生態服務能力-生態敏感性-生態組織結構”3個維度考慮構建評價指標體系，見表1。

表1 神木市生態安全評價指標體系

2.3 無綱量化處理

土地生態安全涵蓋多方面的指標，各指標的度量單位、數量級等量綱不一致。因此，本文采用閾值法中的極差化方法對指標進行標準化的處理[7]，方法如下。

正趨向指標：

負趨向指標：

式中，X'ij表示原始數據進行標準化處理后的指標值；xij表示第i年的第j項指標的實際值；xmax表示第j項原始指標的最大值；xmin表示第j項原始指標的最小值。

2.4 突變級數法

突變級數法的理論基礎是突變理論，該理論是利用動態系統的拓撲理論構造數學模型,從而描述、預測自然現象與社會活動中事物連續性中斷的突變過程[8]，見表2。

2.5 生態安全評價分級標準的制定

由于突變級數法算出的評價值會比較大，因此需將常規等級中的各級安全指數轉換為突變級數法下的各級綜合評價值[9,10]，最終獲得生態安全評價等級標準，見表3。

表2 突變模型及相關公式

表3 神木市生態安全評價等級標準

3 研究結果和分析

3.1 土地生態安全格局分析

利用上述過程對神木市2017年的生態安全水平進行評價，將生態安全水平評價結果進行5個等級的劃分，很不安全、較不安全、安全、較安全、理想狀態，各等級分布情況如圖1所示。分析圖1可知，整體上神木市生態安全水平均值為0.9533，全市處于安全狀態呈安全狀態。其中，除了水系面積外，很不安全區域面積268.51km2，占比3.67%；較不安全區面積1371.33km2，占比18.78%；安全區面積2719.71km2，占比37.22%；較安全區面積2939.41km2，占比40.25%；理想安全面積3.57km2，占比0.03%。從空間分布來看，生態不安全區域主要分布在中部連接北部沿河呈帶狀和西部呈組團狀的人口集中區，安全區域主要分布在南部和西北部地區，總的來說生態安全呈現出明顯的空間異質性。

為了進一步分析神木市安全風險，將各鄉鎮生態安全等級面積占比進行統計分析，見表4。結果表明，很不安全面積主要分布在孫家岔、店塔、麻家塔，大堡當、大柳塔等生態敏感、礦產資源開采等人類劇烈活動聚集區，而安全區主要分布在瑤鎮、大保當北部、爾林兔、謝家堡、欄桿堡、中雞、萬鎮、沙峁、瓦羅等西北和南部鄉鎮。全省幾乎沒有理想安全狀態的鄉鎮，大部分均處于安全或較不安全狀態。其原因主要與神木市社會經濟發展結構和城市化迅速擴張有很大聯系，神木的經濟支撐主要是工業，擁有豐富的原煤資源，是陜北能源基地的核心市。近幾年，隨著城市的快速發展，包茂高速公路、榆商高速、包西鐵路穿境而過，中部串聯密集的礦區公路等基礎設施不斷建設以及建成區面積不斷擴大，致使全市生態安全面臨很大壓力。

表4 神木市生態安全等級面積占比匯總表

3.2 生態安全各因素的安全格局及分析

3.2.1 生態組織結構分析

神木市景觀地類主要為林草地、耕地和未利用地，分布在南部山區和北部風沙區。東南部耕地和林草相間分割分布，煤礦開發中對耕地破壞嚴重，加上粗放式的管理利用，人類活動影響越發強烈使地類破碎程度加大。而西北部主要為連片分布的未利用地，因難以開發，所以擾動性小，連通性較好，其生態壓力性低。整體來看，榆林市土地集約化水平低，多樣性指數高，景觀類型非均衡分布。

圖1 神木市生態安全評價圖

3.2.2 生態敏感性分析

神木市生態敏感性體現在社會經濟壓力較自然生態壓力抵御外界的影響能力小。神木市社會壓力敏感區布局主要呈抱團式和帶狀發展。其中，包括西部呈組團式發展中心城鎮，中部連接北部沿河呈帶狀發展城鎮空間。原因主要是神木市快速的經濟發展和能源化工基地的建設，加之四通八達的立體交通網絡，促使北部能源富集區工礦和交通用地顯著增加。同時也促使各鄉鎮城鎮建設用地呈現增加的態勢，尤其是以政治經濟中心神木鎮為核心的周圍鄉鎮和以煤炭工業為主的大柳塔、店塔、麻家塔、瑤鎮增長最為明顯，從而對城市土地生態安全帶來巨大挑戰。由此可見，神木市區位優勢發展與生態的穩定性矛盾凸顯，處理好經濟發展與生態環境的關系是關鍵之本。

3.2.3 生態服務能力分析

生態服務能力主要從活力和服務2方面進行定量評價。從植被覆蓋度和植被初級凈生產力分布來看，神木市呈東南高、西北低的生態服務能力分布格局。東南部中等覆蓋度較高，而西北部多為較低植被覆蓋，因此南部的生態系統的活力和土壤保持服務能力比北部高。東南部較高的生態服務能力能夠增加區域的生物多樣性，對水土資源的涵養效果較好，提高了生態系統的凈化能力，體現了生態服務能力對于提升區域生態安全水平有著突出貢獻。綜上，要提高神木市土地生態安全狀況，更需重視和加強生態安全建設。

4 結論及建議

通過在市域小尺度內部區域開展基于突變級數法的生態安全格局相關評價研究，對于明確神木市土地生態安全格局狀況具有重要意義。神木市2017年土地生態安全平均指數為0.9533，達到安全水平，整體呈現西北和南部安全水平高、中北和中西部不安全的分布格局，其中不安全區域分布在孫家岔、店塔、麻家塔，大堡當、大柳塔等生態敏感、礦產資源開采等人類劇烈活動聚集區。礦山開采活動密度大、工業較為發達、基礎設施不斷建設以及建成區面積不斷擴大等社會敏感活動是導致該區域生態安全的重要因素，因此全市生態安全面臨很大壓力，生態安全水平還有提升的空間。神木市區位優勢發展與生態的穩定性矛盾突出，為進一步處理好經濟發展與生態環境的關系，建議將神木市劃分為北部防風固沙生態控制區，以生態重建和生態保育為主的生態建設目標，加強水源地保護和景觀生態建設相結合，積極推進塌陷區生態重建；中部工業集聚區，平衡人居環境與經濟發展，加強生態和道路防護林帶建設，建立可持續的新型能源工業體系，加強能源和礦產資源的開發建設監管；南部黃河沿岸綜合治理區，保護區域自然資源，加強區域水土保持治理，培育優化特色產業發展。