基于地質敏感評價的黃土高原村落景觀生態安全格局構建
——以山西臨汾市汾西縣永安鎮后加樓村為例

王 嘉 丁 康 李 帥 高 靜

村落生態恢復是鄉村振興的熱點和重點之一，地質安全敏感性評價則是黃土高原地區村落生態安全格局構建的重要環節。在總結已有研究基礎上，從突發性地質災害和緩變性地質災害2個層面出發，較全面地總結黃土高原地區村落面臨的地質災害問題。針對我國現狀，選取臨汾市汾西縣永安鎮后加樓村作為研究對象，運用AHP確定權重因子，應用CSLE模型和GIS技術相結合，對地質災害敏感性進行評估，得到研究區地質敏感格局。結果表明:（1）研究區高敏感區占地面積僅為村域面積的8.75%，但與農田和園地重疊率超過90%，這與其水土保持能力、植被覆蓋率密切相關；（2）識別生態廊道7條，生態節點4個，主要分布在植被覆蓋率較高的林地、草地等區域。針對后加樓村地質災害頻發的特征，構建地質敏感安全格局，以期為今后黃土高原地區村落開發與生態保護提供決策指引。

景觀生態安全格局；地質災害；中國土壤流失方程模型；水土流失；黃土高原

中國是地質環境脆弱、地質災害多發的國家，山地、高原和丘陵面積超過國土面積的2/3，崩塌、滑坡等突發地質災害幾乎遍布各省[1]。而黃土高原地區是中國乃至世界水土流失最嚴重、生態環境最脆弱的地區之一，特殊的自然地理和地質環境導致該地區形成獨特的地質問題[2-3]。地質災害問題制約著黃土高原地區村鎮規劃和經濟發展，同時損毀自然景觀，影響其美學價值[4]，因此，保障黃土高原地區的生態安全已經成為當地居民的迫切需求。

20世紀90年代以來，景觀生態安全格局的概念逐漸得到業內關注，“識別生態源地—構建阻力模型—提取生態廊道”這一模式[5-7]已成為國內外學者構建生態安全格局的基本模式。目前對地質敏感性評價的研究多集中在市級尺度上[8]，對村級的研究極為少見。本研究在村域尺度上選取典型黃土高原村落——后加樓村，作為研究對象。基于前人研究基礎，將研究區地質災害分為突發性地質災害和緩變性地質災害，探索黃土高原地區村落地質敏感評價的指標體系，對村域地質敏感性進行評估，指出關鍵斑塊和廊道，并提出維持研究區地質安全的指導意見。

1 研究對象、數據與方法

1.1 研究區概況

后加樓村位于山西省西南部、呂梁山東南麓（36°41′～36°42′N，111°34′～111°35′E），村域總面積2.63 km2，村落距縣域8 km，澗對線穿過村莊，交通條件便利。后加樓村屬于半干旱—半濕潤氣候，地處溫帶大陸氣候區，年平均降水量550 mm，地處黃土高原地區，村域植被覆蓋率較低，水土流失嚴重。村內回祖河與對竹河交匯，但由于地下礦產的開采及干旱等因素導致后加樓內兩條河均為季節性河流。

1.2 數據來源及處理

基礎數據主要包括:

（1）土地利用數據。選取2018年Landsat8OLI遙感影像作為基礎數據，空間分辨率為30 m，參考現有GoogleEarth衛星圖，依據《第三次全國國土調查技術規程》將土地覆蓋類型歸結為耕地、林地、草地、園地、水域和住宅用地6類（圖1）。

1. 研究區用地分類

（2）DEM數據。采用GDEM數字高程數據，空間分辨率為30 m，來源于地理空間數據云平臺，用于獲取高程和坡度。

（3）歸一化植被指數（NDVI）。來自NASA-USGS平臺，分辨率為30 m，取2018年最大值。

（4）土壤數據。山西省土壤類型數據，比例尺1∶100 000，來源于中國科學院數據云。

1.3 研究方法

（1）依據場地現狀，整合當地的生態源地。

（2）對地質災害進行分類。中國地質環境監測院將研究區地質災害險情評估為Ⅰ級，即滑坡崩塌泥石流高險情區；依據研究區地質環境和地質體變化速度，將地質災害分為突發性地質災害和緩變性地質災害2類。前者即狹義地質災害，針對研究區現狀主要指崩塌和滑坡；后者又稱環境地質災害，在黃土高原地區主要指水土流失。

（3）進行敏感性評價并疊加，通過GIS運算最小值，得到研究區綜合地質敏感性用地，依據相關研究[9-10]，將其分為高敏感區、中敏感區、低敏感區和不敏感區4個層級。

（4）運用J. P. Knaapen等[11]提出的MCR（最小累積阻力）模型，構建研究區地質敏感安全格局，并識別相應的生態廊道與生態節點（圖2）。

2. 地質敏感安全格局構建流程

2 研究結果與分析

2.1 生態源地確定

生態源地指現存鄉土物種生境[8]。由于研究區對竹河與回祖河為季節性河流，除雨季外其余季節均為干涸狀態，且大部分河道已被硬化，因此研究區河道不能被視為生態源地。面積較小的斑塊較為零碎，沒有輻射功能，基于蓋里·本特魯普在《保護區緩沖帶—緩沖帶、廊道和綠色通道設計指南》中[12]的研究，綜合考慮研究區植物群落、爬行動物、鳥類和小型哺乳動物所需的最小生境斑塊，選取面積不小于1 hm2的林地斑塊作為研究區生態流擴散和維持的源點，整合后共計9個斑塊（圖3）。

3. 研究區源地斑塊

2.2 地質災害敏感評價

2.2.1 突發性地質災害敏感評價

研究運用美國運籌學家T.L.Saaty 20世紀70年代初提出的層次分析法（AHP法）確定本文指標權重，考慮到敏感性指標之間的相關性，AHP只包括目標層和指標層[9]。現場調研發現村域內崩塌10處，滑坡2處，現存煤礦礦井1處，目前未發現塌陷。研究表明突發性地質災害主要與巖土體類型、地形地貌（坡度、高程）、植被覆蓋、人類活動條件（距水體距離、距道路距離等）4個影響因子有關[13-16]。研究區面積較小，巖土體類型在研究區內沒有明顯變化，將此影響因子排除，選取坡度、高程、植被覆蓋（歸一化植被指數）、距水體距離、距礦井距離和距道路距離6個評價因子作為指標層要素。

選擇20位生態學、環境科學、地質學、風景園林學領域的專家，兩兩比較單因子對地質敏感的重要性，按照9分制進行打分。統計多個專家的打分方案，取眾數分值，運用AHP計算各指標層權重（表1）。在層次分析法的運算中，需要進行一致性檢驗，檢驗指標（CR）為隨機一致性比例，一般而言判斷矩陣中CR越小，判斷矩陣的一致性越好，通常認為CR＜0.1時，判斷矩陣具有滿意的一致性。CR計算公式為:CR=CI/RI，其中CI=（判斷矩陣最大特征值-n）/（n-1），n為判斷矩陣的維數，將研究中n=6代入，得到CI=0.0206。6階方陣在理論上的平均隨機一致性指標RI=1.24，判斷矩陣的隨機一致性比CR=0.0206/1.24=0.0166＜0.10，故認為判斷矩陣具有令人滿意的一致性。

將突發性地質災害敏感性分為4個層級:高度敏感、中度敏感、輕度敏感和不敏感（表1），依據已有研究[13-16]，對4個層級敏感因子數值進行劃分，同時在研究區現有突發性地質災害區周圍設置10 m、30 m、50 m緩沖區。利用ArcGIS對評價因子進行敏感性賦值并乘相應權重，將柵格化圖層進行疊加得到研究區突發性地質災害敏感用地（圖4-a）。

4. 地質災害敏感用地

表1 突發性地質災害敏感評價表

2.2.2 緩變性地質災害敏感評價

在黃土高原地區緩變性地質災害主要指水土流失。水土流失是由地面徑流作用于土壤引起的土壤侵蝕，易造成土壤養分流失、淤泥、面源污染等生態環境問題，最終導致生態環境惡化[10]。后加樓村地處黃土高原地東緣、梁峁狀黃土丘陵區，現狀生態基底脆弱，村域植被覆蓋率僅為34.1%，水土流失率為50.2%[17]。中國土壤流失方程（CSLE）是劉寶元[18]參考USLE和RUSLE的思路針對中國實際改進的模型，更能反映中國土壤侵蝕的實際情況[19]，中國土壤侵蝕模型表達式為:

A=RK(LS)BET（1）

式中:A為土壤流失量；R為降雨侵蝕力因子，降雨侵蝕力與降雨量密切相關[20]，研究區尺度較小，降雨量無明顯變化；K為土壤侵蝕因子，本文采用J. R. Williams等[21]在EPIC模型中的計算方法，其中K值大小由砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量和有機碳含量4個變量共同影響[22]；LS為坡長坡度因子；B為生物措施因子，依據蔡崇法等[23]估算方法，B值影響因子只有歸一化植被指數，并與其成負相關；E為工程措施因子，研究區現有園地和耕地均為梯田，此影響因子不做考慮；T為耕作措施因子，依據參考文獻[24]對耕作因子進行賦值。最終選取土壤侵蝕因子、坡度、歸一化植被指數和耕作措施因子4個評價因子作為指標層要素（表2）。評價因子權重判斷過程與突發性地質災害相似，在此不再詳述。將緩變性地質災害敏感性分為4個層級:高度敏感、中度敏感、輕度敏感和不敏感，依據前人研究[10]，對4個層級敏感因子數值進行劃分，在柵格化圖層中對評價因子進行敏感性賦值并乘相應權重，利用ArcGIS進行疊加得到研究區緩變性地質災害敏感用地（圖4-b）。

表2 緩變性地質災害敏感評價表

2.2.3 綜合地質災害敏感評價

將研究區2種地質災害敏感評價進行疊加，通過GIS運算最小值，得到研究區綜合地質敏感性用地，并分為高敏感區、中敏感區、低敏感區和不敏感區4個層級（圖4-c）。其中高敏感區和中敏感區面積為0.23 km2和0.71 km2，分別占研究區面積8.75%、27%，主要分布在海拔較高、坡度較大處，是地質災害發生的最嚴重區和次嚴重區，現狀12處地質災害點中有10處位于此區域。地質敏感高發區多分布在農田和園地，將地質敏感性用地與現狀用地性質進行疊加，發現高敏感區域與農田和園地超過90%重疊，這與其水土保持能力、植被覆蓋率密切相關。在未來規劃中應對其進行災害防護和生態修復，適當退耕還林，栽種水土保持林和經濟林，進行攔沙蓄水[10]；中敏感區應減少人為活動的干擾，豐富灌草叢植被群落組分結構，增加物種多樣性；低敏感區面積為0.97 km2，占研究區面積36.87%，可以對其進行生態農業等低強度開發；不敏感區面積為0.72 km2，占研究區面積27.38%，主要分布在海拔較低、坡度較小處，是未來村落土地開發建設的核心區域。

2.3 地質敏感安全格局構建

2.3.1 阻力模型構建

種子傳播、動物遷移和基因流動等生態過程是通過克服阻力來完成的，因此構建適宜的阻力模型有助于準確判斷生態流運動方向[25]。研究表明，地質災害發生的頻率和密度與生態流呈負相關，災害高發區甚至會切斷或阻隔種群交流[26]。將高敏感區、中敏感區、低敏感區和不敏感區阻力系數依此擬定為100、50、10、1，運用MCR模型，構建生態流擴散阻力面，其基本公式如下:

式中:MCR為生態流擴散的最小累積阻力值；Dij為物種從源地j到景觀i的擴散距離；Ri為景觀i的擴散阻力，在本研究中為地質敏感性；f為最小累積阻力與生態過程的正相關系。

2.3.2 地質敏感安全格局構建

景觀連通度是衡量景觀生態過程的重要指標，廊道的構建可以高效提升源間連通度。研究基于MCR模型，通過回溯成本柵格計算出后加樓源地之間最小阻力路徑，即生態廊道，并依此判別生態節點，構建后加樓地質敏感安全格局（圖5）。研究區新建生態廊道7條，依據不同學者有關生態廊道的研究[27]，后加樓村生態廊道寬度應設定為60 m。識別生態節點4個，其中A、B、C點是現存生態節點，是現存廊道交匯點，也是生態流的關鍵部位，在這些點減少人類活動，恢復林地斑塊，豐富群落層次，有利于提高景觀連通性；D點為新建生態節點，D點經過非生態用地和河流，是廊道阻力值最大點，應在其河岸種植緩沖過濾帶，增加鄉土濕生植物，營造豐富穩定的植物群落，為動物提供繁衍棲息地，完善濱水生態系統；建立灌排渠，在渠邊適當種植鄉土濕生植物，在渠底設置多條橫向和縱向生態帶，為動物的遷徙提供生態廊道[28]。總體而言，后加樓村生態廊道主要分布在植被覆蓋率較高的林地、草地等區域，大體上避開了地質災害敏感性較高的區域和非生態用地，將源地有效連接起來，能夠為源地之間物種遷移和能量流動起到橋梁作用。

5. 研究區地質敏感安全格局

3 結論與討論

3.1 結論

通過運用AHP對研究區突發性地質災害和緩變性地質災害進行評價，疊加得到研究區綜合地質敏感性用地，并依此構建研究區地質敏感安全格局，結果顯示:研究區高敏感區、中敏感區、低敏感區和不敏感區分別占研究區面積8.75%、27%、36.87%和27.38%，地質敏感高發區多分布在農田和園地，這與其水土保持能力、植被覆蓋率密切相關，在未來規劃中應適當退耕還林。識別生態廊道7條、生態節點4個，主要分布在植被覆蓋率較高的林地、草地等區域，大體上避開了地質災害敏感性較高的區域和非生態用地。后加樓村在開發建設過程中，應該注重景觀生態安全格局的構建，合理利用土地資源，控制農村居民點無序蔓延，避免在地質敏感區域進行開發建設，優化生態廊道網絡，開展生態恢復與重建，提升村落生態環境質量。

在現有景觀生態安全格局的研究中，對地質安全層面的研究不夠全面和深入，本文提出從突發性地質災害和緩變性地質災害2個層面出發，全面覆蓋了黃土高原地區村落面臨的地質災害問題。同時運用CSLE模型進行水土流失敏感評價，相對于以往的USLE和RUSLE兩種模型，更能反映中國水土流失的實際狀況。在今后地質安全格局的構建中，應結合本文思路，從突發性地質災害和緩變性地質災害2個層級對黃土高原地區村落進行地質敏感性評價和安全格局的識別。

3.2 討論

地質環境脆弱是我國大面積國土面臨的問題，現有景觀生態安全格局研究中針對地質環境敏感性的研究較少[29]，本文針對黃土高原地區地質敏感性評價，是對該問題有益的探討。研究通過建立MCR模型對后加樓村主要生態過程進行分析，但是任何模型都存在細微的誤差，同時景觀具有復雜性，在最小累計阻力路徑的運算中很難準確地評估景觀阻力值，最優路徑的選取并不完全取決于土地覆蓋類型，氣候、坡度等因素也可能影響到實際擴散路徑的選取。研究在構建單一層級景觀生態安全格局時，對生態過程中影響因子的選取主要是在實地調研的基礎上參考了相關的研究成果，其精確程度有待后續完善和深入研究。此外，中國行政區劃并非完全依照山水格局來劃定，生態流的擴散受山水格局的限制，而行政邊界對其的影響較小。后加樓村的行政邊界并非完全依循地理界線，但由于數據所限本研究未研究行政邊界對生態流擴散的影響，在今后的研究中，可以嘗試探究研究區行政邊界變更對生態安全格局構建的影響。