北方防沙帶典型縣域生態安全格局研究

王佳雪,劉春芳,*,張世虎

1 西北師范大學社會發展與公共管理學院,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區管理站,武威 733399

北方防沙帶是國家“兩屏三帶”生態安全戰略格局中的重點生態功能區,是我國主要的風沙策源區和防治沙化的核心區,是維護國土生態安全的前沿區和關鍵區[1]。多年來,我國積極推進三北防護林、京津風沙源治理、退耕還林還草、退牧還草等重點生態工程建設[2],北方防沙帶生態環境呈現穩中向好,生態系統惡化趨勢得到有效遏制,北方生態安全屏障得到初步構筑[3—4]。但區域內各工程間協調不足,空間組織無序的現象仍然存在。為確保北方防沙帶國土生態安全,實現區域自然資源和綠色設施科學配置,構建布局合理的生態安全格局成為當前北方防沙帶建設的重中之重,具有極為重要的現實意義。

自20世紀90年代以來,生態安全格局研究逐漸興起[5],得到了國內外學者的廣泛關注。當前關于生態安全格局的研究主要集中于概念框架[6—7]、構建模式[8—9]、規劃應用[10]、效應評估[11]等方面,在城市[12]、農田[13]、流域/濕地[14—15]、礦區[16]、綠洲內部[17]等個例研究領域,也取得了不少成果。大量研究為生態安全格局構建提供了較為成熟的規劃模式與操作流程,形成了以生境質量較高的生態源地為中心、以最利于源地之間生態流動的低阻力谷線為生態廊道、以生態廊道最薄弱和關鍵之處作為生態節點的“提功能-促聯通-綠節點”生態網絡構建方法[18],為生態系統結構優化與生態規劃戰略部署提供了重要依據。但是,北方防沙帶是以較大規模的荒漠為基質,林地、草地等綠色斑塊數量少、蓋度低,具有“基質脆弱、廊道稀疏、斑塊零碎”等景觀特征,構建生態連通型生態安全格局并不適宜。針對北方防沙帶特殊生態基底,提高沙源固沙能力、切斷沙源交互路徑、削弱風沙侵蝕力度是北方防沙帶生態安全格局構建的核心。多年來,國內外學者對于風沙流動的概念[19]、流動機制[20]、影響因素[21]等方面已有一些研究,為基于風沙源擴散機制的生態安全格局研究提供了基礎,也為北方防沙帶生態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安全屏障的建設單元。民勤縣位于北方防沙帶中部,區域干燥少雨、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。長期以來,民勤縣開展了大量防沙治沙的林業生態建設工作[22],土地沙化趨勢得到了有效遏制[23],但土地沙化形勢還十分嚴峻。因此,文章以民勤縣為研究案例,基于風沙源擴散過程及影響機制[20—22],嘗試探討適宜北方防沙帶的生態安全格局構建方法,以期為干旱區生態安全格局研究提供新的參考。

1 研究區概況

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101°49′41″—104°12′10″、北緯38°3′45″—39°27′37″之間。氣候為溫帶大陸性氣候,多年平均氣溫8.8 ℃,平均降水量113.2 mm,平均降水日數79 d,蒸發量為2644 mm,干旱發生頻率高。土壤以風沙土為主,土壤顆粒大,土質結構疏松,易被風揚起。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,對風蝕的阻力作用有限。區域干旱缺水,土壤瘠薄、林草植被覆蓋率低,生態系統非常脆弱,是北方防沙帶的典型縣域。

2 研究思路、方法與數據來源

2.1 防沙生態安全格局構建思路

沙漠化是北方防沙帶最突出的生態環境問題,沙源擴散是區域主要生態過程[24]。如何通過優化斑塊、廊道、基質的空間配置,實現防風固沙生態服務功能提升是北方防沙帶生態安全格局構建的核心。

基于此,文章提出面向北方防沙帶防風固沙服務能力提升的“控風源-堵風口-筑風廊-優網絡”風沙阻隔型生態安全格局構建范式。首先,進行風沙源地識別。選取包括土壤荒漠化、土壤侵蝕(風蝕、水蝕)、土壤鹽漬化、土壤類型、土壤含水量等土壤因子指標以及植被覆蓋度等植被因子指標,利用RWEQ模型、大田推廣模型、WaTEM/SEDEM模型等方法,對區域生態狀況進行評價,識別土壤植被程度最差、風沙活動最為強烈、對風沙流動起決定作用的區域,作為風沙源地。然后,識別阻沙關鍵點,設計阻沙廊道。通過最小累積阻力模型,構建防沙阻力面,模擬沙源擴散路徑,作為阻沙關鍵點和阻沙廊道識別的基礎。阻力面在風沙源地所處位置下陷,在生態環境良好區域高峰突起,兩峰之間會有低阻力的谷線、高阻力的脊線各自相連。而谷線間的交叉點及谷線上的拐點,則構成影響、控制區域生態安全的重要關鍵點。連接阻沙關鍵節點,并與沙源擴散路徑垂直,設計阻沙廊道,形成阻隔風沙源之間風沙交流的防沙林帶狀區域,構建整個區域防沙治沙網絡中的骨架。最后,從廊道與節點自身功能完善、等級體系構建以及生態連通等方面入手,控風源、堵風口、筑風廊、優網絡,構建防沙治沙網絡格局。

2.2 防沙生態安全格局構建方法

2.2.1風沙源的識別

風沙源是指植被稀少、地表被沙覆蓋,沙土顆粒在風經地表時發生起動、碰撞、蠕移、躍移、懸移等運動的區域,是風沙災害的起源區或加強源區[25]。風沙災害的發生與土壤的顆粒大小及結皮性質、植被的覆蓋情況和風速的強度等因素有關[19],運用RWEQ模型充分考慮這些因素,通過對土壤風蝕情況進行定量評估,并提取土壤風蝕量前50%作為民勤縣的風沙源地。

(1)

Qmax=109.8×(WF×EF×SCF×K′×C)

(2)

s=150.71×(WF×EF×SCF×K′×C)-0.3711

(3)

式中,SL為土壤風蝕量,z為下風向距離,s為關鍵地塊長度,Qmax為風力最大輸沙能力,WF、EF、SCF、K′、C分別為氣候因子、土壤可蝕性因子、土壤結皮因子、土壤糙度因子、植被因子。粒徑的轉換采用對數正態分布(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風運輸土壤顆粒能力的影響。其表達如下：

(4)

Wf=u2×(u2-u1)2×Nd

(5)

式中,Wf為風力因子；g為重力加速度；ρ為空氣密度；u1是2 m處臨界起沙風速(假定為5 m/s)[26]；u2是2 m處的風速,由10 m高處的風速應用模型校正而來；Nd是指每月風速大于5 m/s的天數[27]；SW為土壤濕度因子,由潛在相對蒸散量、灌溉量、降雨次數和灌溉天數計算得到；SD為雪覆蓋因子,是計算時段內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是有機質含量；CaCO3是碳酸鈣含量。

土壤結皮因子SCF是指土壤顆粒物在膠結作用下形成性狀較特殊的土壤微層,對風蝕具有一定抵抗力,其表達式如下：

(7)

表面粗糙度K′反映了地形引起的表面粗糙度對風蝕的影響。其表達如下：

K′=cosa

(8)

式中,a是坡度,基于30 m的DEM數據由ArcGIS的坡度模塊計算得出。

植被因子C表示在某些植被條件下的風蝕程度。其表達如下：

C=e0.0483×SC

(9)

(10)

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

2.2.2防沙阻力面構建

土地利用類型與植被類型組合形成的景觀格局構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質含量形成了下墊面受到風蝕的容易程度,兩者對風沙擴散具有重要的影響[29]。土壤、植被狀況越好,景觀基面的粗糙度越高,對于風沙擴散的阻力越大。因此文章基于影響風沙擴散的重要因素,選取土地利用類型、植被覆蓋度、土壤類型、土壤有機質作為風沙擴散的阻力因子(表1),參考前人關于下墊面因素對風沙擴散影響的研究[30—32],對各阻力因子進行分級。一般來說,林地、草地對于風沙擴散的阻力較高,營造防沙林是防沙治沙的有效方式。但由于研究區民勤縣屬于干旱半干旱區,林草地多為灌木林地、荒草地,生物種類較為單一,植被覆蓋度多數在30%左右,相比建設用地、道路用地對土層的固定能力較弱,對沙源擴散的影響有限。因此,研究將土地利用類型因子中的林地、草地分別設為40、30。最后,通過層次分析法確定各因子權重值,構建風沙擴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、土壤有機質含量的阻力值和權重值。

2.2.3沙源擴散路徑識別

沙源擴散路徑是指對風沙源間風沙流動成本最小的路徑[33],是阻沙關鍵點和阻沙廊道確定的依據。文章假設在縣域小尺度,風是無處不在的,風沙源在風的作用下都會發生起沙現象,克服空間阻力向四處擴散,沙源之間相互交流增加了風沙侵蝕的力度。通過ArcGIS中的最小成本路徑模塊模擬沙源之間的交流路徑,阻力面在風沙源地所處位置下陷,在生態環境良好區域高峰突起,兩峰之間會有低阻力的谷線、高阻力的脊線各自相連,兩個風沙源地之間的低阻力谷線就是沙源擴散路徑。

2.2.4阻沙關鍵點及廊道確定

阻沙關鍵節點是沙源擴散路徑范圍內植被覆蓋度相對較高、土壤質地相對較好的節點,牢筑并擴大關鍵節點的生態功能對于防風固沙能力的提高具有重要意義。沙源擴散路徑范圍內生態環境相對較差,若模擬的路徑相互交叉,說明該區域是關鍵風沙口；若模擬的路徑發生彎曲,說明拐點處阻力較大,生態環境相對良好,是阻沙廊道建設的關鍵節點。同時,根據阻沙關鍵點的網絡中心性,將阻沙關鍵節點分為兩個等級,促進中心節點與邊緣節點的有效連通,保證區域內生態系統的優化組合。

防風阻沙廊道是以阻止沙源交流為目標,切斷風沙源擴散路徑,使風沙的危害減到最小,廊道范圍內生態環境相對較差。連接路徑中的關鍵節點,設計防風阻沙廊道,垂直分布于沙源擴散路徑。

表1 阻力因子權重系數及阻力分級表

2.3 數據來源

自然資源要素綜合觀測是全面掌握研究區資源稟賦的手段。根據自然資源調查對象與技術要求,以2018年為數據基年,進行數據源選取、數據處理及實地調研校核等工作。

(1)遙感數據選取：landsat TM/OLI遙感影像數據來源于美國地質調查局網站(http：//eartexplorer.usgs.gov),空間分辨率為30 m,影像軌道號為13133、13233、13134,影像中云量小于10%,滿足研究需求。用ENVI 5.3軟件對影像數據進行處理,將原始DN值轉為輻射亮度值,再進行大氣校正、幾何校正以及鑲嵌和裁剪。土地利用現狀數據是用landsat TM/OLI影像,在ArcGIS 10.2軟件中通過人工目視解譯與計算機自動解譯相結合提取土地利用類型,依據中國科學院《中國土地利用分類系統》的分類標準進行分類,通過民勤縣土地利用變更調查數據庫進行了數據的校核與檢驗,用于土壤風蝕計算和沙源擴散阻力因子構建。DEM數據來自地理數據空間云平臺(http：//www.gscloud.cn)的DEM數字高程數據,空間分辨率分別為30 m,用于地形坡度因子計算。NDVI數據結合遙感影像波段,利用植被生長期(6、7、8、9月份)波段數據進行平均值計算合成,空間分辨率為30 m,用于植被因子計算和沙源擴散阻力因子構建。

(2)土壤氣象數據選取：土壤數據土壤深度及砂粒、粘粒、粉粒和有機質含量百分比數據來源于世界土壤數據庫(HWSD)的中國土壤數據集,空間分辨率為1 km,用于土壤可蝕性、結皮、粗糙度因子計算和沙源擴散阻力因子構建。氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網中的《中國地面氣候資料年、月、日值數據集》(http：//data.cma.cn),用于氣候因子計算。河流和水系數據來源于石羊河流域信息系統專題數據集(http：//westdc.westgis.ac.cn)。

(3)實地調研：沿綠洲邊緣主要道路明晰周邊林草地分布及建筑物屬性,采用路線觀測及點觀測對民勤縣土地利用/覆被進行小范圍校核。

3 結果分析

3.1 防沙治沙生態現狀格局識別

3.1.1風沙源地診斷與識別

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

圖1 土壤風蝕、風沙源、阻力值、沙源擴散路徑、關鍵點、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風沙源擴散路徑識別

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

3.1.3防風阻沙關鍵節點識別

防風阻沙關鍵節點是防沙治沙和生態修復的重點關注區域。研究識別的關鍵節點共29個,主要分布在沙源擴散路徑的拐點處,生態環境相對良好,主要為荒漠草原、灌木林地生態系統等。在普遍生態環境較差的荒漠區,擴大該區域生態建設規模,提高該區域生態質量,是促進荒漠區生態連通的關鍵,是加強荒漠區生態建設的重中之重。研究識別的關鍵風沙口共14個,主要分布在沙源擴散路徑的交叉點處,生態環境相對較差,主要為荒漠生態系統。加強該區域生態建設,能有效減緩風沙流動、減輕風沙侵蝕的力度。

3.2 防沙治沙生態安全格局構建

當前,研究區防沙網絡整體處于低水平、非均衡的發展狀態,網絡呈現總體松散與局部集聚,核心關鍵點的輻射作用有待提升。基于此,文章結合“控風源-堵風口-筑風廊-優網絡”格局構建模式以及區域實際狀況,對區域防沙網絡進行優化。

(1)控風源。針對沙源風沙擴散的危險性,結合土壤風蝕量的高低,劃定近期風沙源治理區域、中期風沙源治理區域與遠期風沙源治理區域。近期風沙源治理區域土壤風蝕程度最高,集中分布在東湖鎮北部風沙源區；中期風沙源治理區域與遠期風沙源治理區域土壤風蝕程度較低,主要包括紅沙崗鎮及東湖鎮南部風沙源區。配合沙源治理技術措施,進行近、中、遠期順序建設。

(2)堵風口。研究識別的阻沙關鍵點較多,關鍵生態節點與關鍵風沙口交錯復雜。關鍵生態節點作為荒漠基質上的生態綠斑,是防風阻沙廊道建設的“墊腳石”,也是關鍵風沙口的驅動源。研究將處于中心位置的生態節點作為阻沙關鍵點,輻射帶動其他節點的發展。關鍵風沙口作為土壤質量、植被覆蓋程度最差的區域,承接中心關鍵點的輻射帶動,配合防風固沙林建設,扎緊風口,逼退風沙。

(3)筑風廊。防風阻沙廊道是維護北方防沙帶生態安全的基本架構,連接阻沙關鍵點,與沙源擴散路徑垂直,有效切斷沙源之間的風沙流動,增強阻沙關鍵點間的連通性,促進防沙網絡間生態流通。研究共設計出防風阻沙廊道41條(如圖1),總長度627.4 km,集中分布于紅沙崗鎮北部以及東湖鎮區域,其中紅沙崗鎮有24條,長度為271.19 km；東湖鎮有10條,長度為211.98 km；西渠鎮、紅沙梁鎮、收成鎮、泉山鎮也有部分分布,共有7條,長度為144.23 km。廊道主要呈現西北-東南走向和東北-西南走向。

(4)優網絡。文章構建“7中心、36點、14廊道”的生態安全優化格局(如圖2),形成功能化、網絡化的空間結構體系。“7中心”為防沙網絡中心關鍵節點,是其他關鍵點的輻射源和驅動力。“36點”為其他邊緣關鍵點,包括生態環境相對良好的關鍵生態節點以及生態環境相對較差的關鍵風沙口,關鍵生態節點輔助中心關鍵節點推動關鍵風沙口的生態發展；“14廊道”為14條主要阻沙廊道,既是切斷風沙源交流、減小風沙侵蝕力度的阻沙廊道,也是促進阻沙關鍵點間生態流通的生態廊道。

與《民勤縣生態建設示范區規劃(2020—2025年)》相比,文章構建的防沙網絡分布區域即為規劃的防沙治沙重點區域。不同點在于,文章從“控風源-堵風口-筑風廊-優網絡”的角度出發,識別重要生態安全問題,構建防沙治沙網絡,詳細制定了斑塊、廊道、基質的空間配置方案,可為完善生態建設規劃、促進提供有益參考。

圖2 防沙治沙生態安全格局優化Fig.2 Optimizing of the ecological security pattern of desertification prevention and control

4 結論與討論

4.1 結論

基于北方防沙帶的特殊景觀基底及風沙源擴散機制,文章提出了“控風源-堵風口-筑風廊-優網絡”的風沙阻隔型生態安全格局構建模式,并以民勤縣為例,錨固風沙源地,綠筑阻沙關鍵點,連通阻沙廊道,優化生態安全網絡,形成多層次、立體化的生態安全格局體系。主要結論如下：

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

(2)測算識別民勤縣風沙源總面積3136 km2；模擬識別沙源擴散路徑24條,阻沙關鍵點43個。研究區生態系統功能處于低水平、非均衡狀態,生態格局網絡呈現總體松散與局部集聚特征。

(3)錨固風沙源地,綠筑阻沙關鍵點,連通阻沙廊道,厘清網絡要素作用,構建“7中心、36點、14廊道”的生態網絡優化格局。與研究區相關規劃對比,構建的網絡優化格局具有一定的合理性。

4.2 討論

值得注意的是,當前生態安全格局構建大多是以單個尺度為研究視角,在相對封閉的系統單元內進行生態安全格局構建[34]。然而,尺度效應使景觀現象特征、生態過程機制、總體格局結構隨觀測分析尺度變化產生分異,造成了不同尺度下生態安全格局構建的差異。但生態過程、生態基底本質上具有跨尺度連續性,尺度之間的銜接模式直接影響生態功能的發揮[35]。針對北方防沙帶不同尺度下基質、廊道、斑塊的差異性以及風沙流、水流等物質、能量的流動性,對北方防沙帶生態安全格局的探討有必要考慮多尺度嵌套的銜接性,同時關注文章提出的“風沙阻隔”生態安全格局與傳統的“生態流通”生態安全格局在尺度嵌套中的特殊性。

文章提出的“控風源-堵風口-筑風廊-優網絡”的生態安全格局構建模式,豐富并拓展了干旱區生態安全格局的相關研究。但是受數據獲取和模型精度的限制,文章僅選取土壤風蝕指標來識別風沙源,依托更詳細的地理空間數據,更為細致的北方防沙帶風沙源診斷與識別有待深入探討。其次,文章側重于防風固沙廊道的位置確定,其廊道寬度需結合生態修復設計要求以及實際情況進一步關注。最后,文章僅從沙源流動的生態角度出發構建生態網絡,缺乏對經濟發展、社會人文等復合功能的考慮。在未來的生態安全格局構建時,需要進一步綜合考慮生態改善、經濟發展、社會公平等多樣化需求,推動復合型生態安全格局的構建。