安 冬，邓 伟　(.重庆市璧山区环境监测站，重庆 402760；2.重庆市环境科学研究院，重庆 4047)



基于敏感性分析的生态脆弱区生态安全格局构建
——以陕西省榆林市为例

安 冬1，邓 伟2*(1.重庆市璧山区环境监测站，重庆 402760；2.重庆市环境科学研究院，重庆 401147)

摘要[目的]探索陕西省榆林市生态脆弱区生态敏感性和安全格局，为该地区的生态保护和建设提供科学依据。[方法]以北方农牧交错带典型生态脆弱区榆林市为研究对象，选取水资源、地质灾害、土壤侵蚀、生境和荒漠化5个生态因子，在单因子生态敏感性评价的基础上，通过综合敏感性分析构建榆林生态安全格局。[结果]土壤侵蚀和地质灾害是影响榆林市生态安全最敏感的因子，中度敏感和高度敏感区面积占有较大比例。生态安全底线、满意和理想区面积比分别为25.69%、41.95%和32.36%。受自然条件和用地现状影响，榆林市生态安全格局地域差异明显，底线区位于白于山、中-南部土壤侵蚀、地灾频发和黄河沿岸地区，满意区位于定边县中部、横山-榆阳中部和神木-府谷北部，理想区主要为古长城以北的风沙区。[结论]榆林市生态敏感性主要以中度敏感为主，其中土壤侵蚀和地质灾害敏感性较高。

关键词生态脆弱区；敏感性分析；生态安全格局；榆林市

陕西省榆林市位于毛乌素沙漠向陕北黄土高原丘陵沟壑区的过渡地带，是我国北方农牧交错带上典型的生态脆弱区，也是我国土壤保持和防风固沙重要的生态功能保护区[1]。该地生态质量的优劣直接关系到黄河流域、黄土高原乃至全国生态安全及经济社会的可持续发展[2]。近年来，随着榆林市煤炭资源的大量开发，能源基地建设的快速发展及小城镇的建设加速，人类对土地的利用强度随之加大，在原本就存在生态问题(干旱、土地荒漠化、水土流失等)的基础上进一步加剧了环境冲突[3]，生态安全成为自然-经济-社会复合生态系统协调发展中亟待解决的重大问题[2]。以往对榆林市的研究多集中于土地利用变化[4-7]、荒漠化[2，8-9]、水土流失[10-12]和区域性气候变化[13-14]等单方面，对区域生态安全的定量评价及生态安全的空间格局构建尚属空白。构建生态安全格局是实现区域生态安全的基本保障和重要途径[15-16]，是区域自然生命支持系统的关键性格局[17]，而基于生态敏感性和生态系统服务的重要性分析是识别关键生态地段的常用方法[16]。基于此，笔者选择榆林市生态环境较为敏感的水资源、地质灾害、土壤侵蚀、生境和荒漠化5个生态因子，建立生态敏感性评估模型，构建榆林市具有不同安全水平的综合生态安全格局，并有针对性地提出了各级生态安全格局的生态保护与建设措施，以期为榆林市生态保护与建设提供借鉴。

1材料与方法

1.1研究区概况 榆林市位于陕西省最北部，地处毛乌素沙漠南缘，黄河中游和黄土高原北麓，为北方典型的农牧交错区和生态脆弱区，也是黄土高原和内蒙古高原的过渡地带。全市辖1区11个县，总面积43 578 km2(图1)，地理坐标位置107°28′～111°15′ E，36°57′～39°35′ N。以古长城为界，以北是风沙草滩区，地势较缓，以南是黄土丘陵沟壑区，地形起伏较大。区内地势由西部向东南倾斜，西南部平均海拔1 600～1 800 m，其他各地平均海拔800～1 200 m。属典型大陆性季风气候，具有低温、寒冷、降水稀少的气候特点，年平均降水量约400 mm，多集中于6～9月，年平均气温约10 ℃。榆林市境内有53条河汇入黄河，其中八里河是陕西省最大的内陆河，红碱淖是区内最大的内陆湖泊，总面积54 km2，总储水量10亿m3。榆林市居于晋陕宁蒙能源矿产金三角中心腹地，是我国煤气油盐富集地区，近年来作为国家一个重要的能源与矿产基地，在全国能源工业发展和能源基地建设布局中具有特殊重要的战略地位。由于强烈的土地利用与干旱、 风沙、 严重的水土流失等脆弱生态环境并存，使得榆林生态环境更加多样、复杂和脆弱。

1.2研究方法

1.2.1生态敏感性评价。生态环境敏感性反映生态系统在遇到环境变异和人类活动干扰时，发生生态环境问题的难易程度和概率大小[18]。生态敏感性分析可以从提高生态系统内部的稳定性角度，为生态安全格局构建提供目标导向。榆林市是我国北方农牧交错带典型的生态脆弱区，气候类型处于干旱和半干旱的过渡地带，区内荒漠化、水土流失等自然灾害严重，过度的土地利用引发了新的次生灾害。笔者在借鉴前人研究成果[19-21]的基础上，结合榆林市自然和社会经济实际情况，参照国家环保部颁发的《生态功能区划技术暂行规程》，使用层次分析法(AHP)，选择榆林市生态环境较为敏感的水资源、地质灾害、土壤侵蚀、生境和荒漠化5个生态过程作为AHP指标层要素，建立单因子生态敏感性评价模型和分级标准(表1)。利用德尔菲法构造判断矩阵，获得5个因子的权重，计算综合敏感性。

对单因子敏感性评价中的各因子评价结果进行空间叠加分析，得到榆林市生态环境敏感性综合评价结果。根据各因子的分级及赋值，利用ArcGIS的空间叠加功能，将上述各单因子敏感性影响分布结果按照公式(1)进行叠加计算。

(1)

式中,ESj为j空间单元生态环境敏感性指数，Wi为i因子的权重，Fi为i生态环境因子敏感性等级值。评价因子权重采用德尔菲法，首先咨询当地专家，针对榆林市典型农牧交错带生态特征，对5个因子进行两两比较，按照1、3、5、7分值打分，得到5×5判断矩阵。矩阵最大特征根为7.68，将该值和n=5代入一致性检验公式：

CI=(λmax-n)/(n-1)

(2)

得到CI=0.104 5，5阶方阵在理论上的平均随机一致性指标RI=1.12。判断矩阵的随机一致性比CR=CI/RI，即CR=0.104 5/1.12=0.093<0.10，故认为判断矩阵具有一致性[26]。进而求出特征根对应的特征向量，并经过归一化处理，得到水资源、地质灾害、土壤侵蚀、生境和荒漠化5个单因子对应的重要性权重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，这种分类方法是利用统计学的Jenk最优化法得出的分界点，能够使各级的内部方差之和最小)将ES分为4级。

1.2.2生态安全格局构建。根据生态敏感性评价结果，结合榆林市用地现状和重要生态功能区(如自然保护区、森林公园、湿地保护区等)分布格局构建榆林市生态安全格局。生态安全格局的分级控制通过建立底线、满意、理想安全格局实现。底线生态安全格局是区域发展过程中环境最脆弱的区域，包括一些土壤侵蚀强烈、山脊轮廓生境丰富、景观异质性极高以及地质灾害频发等生态敏感性高的区域。底线生态安全格局是区域发展中生态安全的最基本保障，属严格控制和限制区[16]。满意安全格局是中水平安全格局，生态敏感性程度为中敏感和低敏感，主要为一些植被、森林覆盖率较高、农业设施较发达的区域。理想安全格局是高水平安全格局，是维护区域生态服务理想的景观格局，生态敏感性为不敏感。

1.3研究数据及预处理该研究所用数据组成情况：①2013年榆林市土地利用类型数据，该数据是在“中国寒区旱区科学数据中心”提供的2000年土地利用现状矢量数据的基础上，利用2013年8月份Landsat8卫星影像修改而成，土地利用类型分为耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用地6个Ⅰ 级类及31个Ⅱ 级类[27]；②2013年Landsat8 TM/ETM影像红光波段与近红外波段获取的NDVI数据；③榆林市Aster DEM 数据，空间分辨率30 m；④榆林市1∶10万土壤类型分布图；⑤2013年MOD12空间分辨率1 km的地表覆盖分类数据，按照国际地圈生物圈计划(IGBP)分为17类，包括11类自然植被分类，3类土地利用和土地镶嵌；3类无植生土地分类；⑥榆林市及其周边相邻省市34个气象站点多年地面气象观测数据。气象数据在ARCGIS地统计模块(Geostatistical Analyst)下，利用交叉验证法进行最优插值模型测试，最终选择普通克里格插值法为该研究气象数据空间插值模型。以上所有数据均转换为统一坐标与投影系统(Albers)，数据格式为grid的栅格数据参与空间运算，栅格像元大小均为30 m×30 m。

2结果与分析

2.1单因子敏感性评价单因子敏感性评价结果显示(表2、图2)，榆林市处于干旱半干旱过渡地带，降水少且分布不均，水资源成为保障这一地区未来经济和社会发展的重要敏感性因子。从地表水资源敏感性分析来看，目前榆林市有12.75%为水资源保护的高度敏感区，11.90%为中度敏感区，主要集中在河流和湖泊两岸；受地质环境条件和人类工程活动的影响，地质灾害易发，北部主要灾害为塌陷和地裂，南部为滑坡、崩塌和泥石流，全市地质灾害以中度敏感和低度敏感为主，面积分别为17 544.18和18 907.53 km2，地质灾害高度敏感区域主要集中在研究区西南部白玉山高寒地区、东南部黄土沟壑区和东北部煤炭资源重度开采区。

榆林市是国家级能源化工基地，也是我国沙漠化危害和黄河中上游发生土壤侵蚀最为严重的地区之一。从土壤侵蚀综合敏感性评价来看，全市以中度敏感为主，面积为20 160.58 km2，高度敏感区面积为9 663.57 km2，总体上北部地区土壤侵蚀敏感程度低于南部，高敏感区主要集中在靖边、定边县南端，东部黄河沿岸以及中部和南部的沟壑区，古长城以北风沙草滩区土壤侵蚀敏感性总体较低。荒漠化敏感区主要集中在古长城以北风沙草滩区，高度敏感、中度敏感和低敏感区面积分别为2 543.80、4 057.35和4 916.82 km2。

森林生态系统在整个榆林生态空间中具有较大的生态服务价值，发挥着重要的生态功能，属于高度敏感的生态系统类型，灌丛和湿地属于中度敏感类型。榆林市内自然保护区、森林公园、地质公园、风景名胜区等重要生态功能区，对维护整个区域生态系统健康和平衡具有至关重要的作用。榆林市生境敏感性以低度敏感为主，面积为27 701.34 km2；其次是不敏感，面积为8 523.56 km2；生境高敏感度区大多分布在东南部沟壑地区，北部风沙区生境敏感性相对较低。

总体来说，榆林市生态环境敏感性较高的是土壤侵蚀和地质灾害，中度敏感和高度敏感面积占有比例较大，其余因子主要以低度敏感和不敏感为主。

2.2综合敏感性评价及生态安全格局构建综合敏感性分析结果显示(表3，图3、4)，榆林市高度敏感区面积相对较小，仅为总面积的8.94%，主要集中于西南部白于山高寒地带和东南部土壤侵蚀强烈的沟壑区，以及中部和东北部的地质灾害高易发区；不敏感区面积也相对较小，占总面积的14.62%，主要集中于古长城以北的沙化区；中度敏感和低度敏感区面积相对较大，尤其是中度敏感区，面积为2 204.44 km2，占总面积的51.61%，低度敏感区面积为10 604.59 km2，占24.83%，中度敏感和低度敏感均分散分布在坡度较缓的黄土丘陵区和沙丘草滩区。

表3榆林市综合敏感性评价与生态安全等级

Table 3Evaluation of comprehensive sensitivity and grade of ecological security

综合以上水资源、地质灾害防护、土壤侵蚀防治、生物多样性保护和荒漠化防治的单因子敏感性以及综合性敏感性分布格局，综合考虑榆林市用地现状和重要生态功能区，如红碱淖湿地、神木-榆横臭柏、府谷杜松自然保护区，以及红石峡、神龙山、五台等森林公园，最终建立综合生态安全格局。榆林市生态安全底线区面积10 971.28 km2，占总面积的25.69%；生态安全满意区面积17 918.71 km2，占总区域面积的41.95%；生态安全理想区面积13 823.95 km2，占总面积的32.36%。生态安全底线区主要分布在定边-靖边南部白于山黄土梁塬墹区(该区域植被稀少，水土流失严重，生态环境脆弱，但同时该地区是无定河、清涧河等境内主要河流的发源地)，中部-南部土壤侵蚀强烈丘陵沟壑地带和地质灾害频发区，黄河沿岸水土流失重点防治区。满意生态安全格局主要分布在古长城以南，与底线生态安全区相间分布，主要包括定边县中部海拔高、坡缓地区；横山-榆阳中部片沙黄土梁峁区，该地区是近年榆阳区植树造林重点实施区域；神木-府谷北部的煤炭资源重点开发区次生灾害频发。理想生态安全区主要集中在古长城以北的风沙区，是防风固沙的重点治理对象，近年来已在该地区开展了大量的退耕还林还草、天然防护林保护等工程。

3结论与讨论

该研究选择榆林市生态环境较敏感的5个生态过程建立单因子生态敏感性评价模型，并通过综合敏感性分布格局和榆林市用地现状等，构建了榆林市3个等级的生态安全格局，识别出具有关键作用的重要生态功能区，并形成了以自然保护区、森林公园、湿地保护区为重点，由河流道路绿化廊道、农业用地等共同构建的区域生态安全格局。从敏感性评价和生态安全格局分布状况来看，榆林市生态敏感性以中度敏感为主，其中土壤侵蚀和地质灾害敏感性较高。受地貌特征和土地利用方式的影响，榆林市生态敏感性和生态安全格局均呈现明显的地域差异，古长城以北风沙草滩区大部分以沙化地为主，生态敏感性较低，生态安全等级主要为理想生态安全区，而西南部高寒地区、南部沟壑区、黄河沿岸以及区内地质灾害高易发区生态环境脆弱，敏感性高，是生态安全控制最关键区域，生态安全等级为底线生态安全区。在区域发展过程中，应充分考虑各个区域的资源环境承载力，合理规划，保障生态安全，实现自然环境与人类社会的协同共生。底线生态安全区属低水平生态安全格局，是保障生态安全的最基本、区域经济发展不可逾越的生态底线，应注重水源涵养、生物多样性保护、水土保持等生态服务功能的保持和巩固，需要重点保护和严格控制。生态安全满意区是中水平安全格局，应以优化和提升生态服务功能为主，并施以限制开发与恢复生态系统。生态安全理想区是维护区域生态服务的理想格局，应以改善生态服务功能及合理引导产业发展为主，合理确定开发模式和开发容量，在进行开发利用的同时，坚持生态保护和生态建设。

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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.

基金项目国家自然科学基金青年基金项目(51509094)。

作者简介安冬(1983- )，男，重庆人，工程师，硕士，从事资源环境空间应用研究。*通讯作者，高级工程师，博士，从事生态遥感研究。

收稿日期2016-02-14

中图分类号S 181

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)07-127-05