神木市生態(tài)安全格局構(gòu)建與生態(tài)問題定量診斷

衛(wèi)新東,林良國,馮小龍,王曉峰,孔德豪,藺康莉,楊 潔

1 長安大學(xué)土地工程學(xué)院,西安 710054 2 長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,西安 710054 3 陜西省國土整治中心(陜西省土地科技創(chuàng)新中心),西安 710082 4 陜西省土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710054 5 自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710075

國土空間生態(tài)修復(fù)是生態(tài)文明和美麗中國建設(shè)的基礎(chǔ),是維護(hù)國家生態(tài)安全的重大戰(zhàn)略及惠及民生的重大舉措,加強(qiáng)國土空間生態(tài)保護(hù)和修復(fù)對于堅(jiān)定不移踐行綠水青山就是金山銀山理念、實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生具有重要意義。然而,不斷加劇的人類活動對自然資源和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成巨大威脅,引發(fā)諸多生態(tài)問題,嚴(yán)重影響國家的生態(tài)安全和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1—2]。為應(yīng)對國土空間生態(tài)問題,我國先后實(shí)施了黃河上中游水土保持、三北防護(hù)林體系建設(shè)、天然林資源保護(hù)、退耕還林還草、小流域綜合治理等多項(xiàng)生態(tài)工程。從2012年十八大報(bào)告明確提出生態(tài)文明建設(shè),到2021年堅(jiān)持山水林田湖草沙冰一體化保護(hù)和系統(tǒng)治理,我國十分重視國土空間生態(tài)修復(fù)[3—4]。2020年5月,國家發(fā)展和改革委員會、自然資源部會同多部門聯(lián)合印發(fā)了《全國重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程總體規(guī)劃(2021—2035)》,對全國重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程規(guī)劃進(jìn)行布局。其中,黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展是事關(guān)中華民族偉大復(fù)興的千秋大計(jì),如何從“生態(tài)安全格局識別—生態(tài)問題診斷”視角,開展國土空間生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工程,提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值,成為了重要的國家戰(zhàn)略之一[5]。

目前,關(guān)于國土空間生態(tài)修復(fù)的空間優(yōu)化途徑主要側(cè)重在生態(tài)安全格局認(rèn)知上,識別生態(tài)安全格局是推進(jìn)國土空間生態(tài)修復(fù)的前提和基礎(chǔ)[6]。生態(tài)安全格局研究起源于國外景觀規(guī)劃領(lǐng)域[7],并且在全球生態(tài)環(huán)境變化的背景下日漸成熟,形成了“源地識別-阻力面構(gòu)建-生態(tài)廊道提取-關(guān)鍵區(qū)域判別”的研究范式[8—9]。這種研究范式是從孤立的生態(tài)系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)向綜合生態(tài)治理[10]。國外學(xué)者更加關(guān)注生態(tài)安全格局的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估與過程模擬[11]、生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與恢復(fù)[12]、生態(tài)安全政策[13]等方面的研究,國內(nèi)對于生態(tài)安全格局的研究則主要集中在生態(tài)安全格局的構(gòu)建與優(yōu)化[14—16]。例如,蘇沖等[17]采用最小累積阻力模型及電路理論構(gòu)建華鎣山區(qū)生態(tài)安全格局,識別生態(tài)保護(hù)和修復(fù)優(yōu)先區(qū)；倪慶琳等[18]基于生態(tài)安全格局將徐州市賈汪區(qū)劃分為不同國土空間生態(tài)修復(fù)區(qū),并提出資源枯竭型城市的保護(hù)與修復(fù)策略。綜上所述,生態(tài)安全格局研究范式能夠精準(zhǔn)識別出生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的關(guān)鍵位置。然而,生態(tài)保護(hù)與修復(fù)方案主要是在劃定生態(tài)保護(hù)修復(fù)分區(qū)后,政策制定者根據(jù)對區(qū)域的熟悉程度提出的,缺乏統(tǒng)一的理論支撐和指導(dǎo)[19]。“山水林田湖草沙是一個生命共同體”理念指導(dǎo)下的國土空間生態(tài)修復(fù)要求將生態(tài)系統(tǒng)作為生命共同體進(jìn)行保護(hù)和修復(fù)。因此,如何從生態(tài)系統(tǒng)整體性、均衡性出發(fā),在識別生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的基礎(chǔ)上對現(xiàn)存的生態(tài)問題進(jìn)行量化診斷,提出差別化的生態(tài)修復(fù)優(yōu)先次序,有針對性地開展科學(xué)高效的生態(tài)修復(fù),實(shí)現(xiàn)多層級協(xié)同次優(yōu)而非單層級最優(yōu)是當(dāng)前國土空間生態(tài)保護(hù)修復(fù)系統(tǒng)工程亟需解決的問題[20]。

神木市作為資源型城市,礦產(chǎn)資源開采時容易引起周邊一系列如地質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞和植被退化等生態(tài)問題,是典型的黃河中游生態(tài)脆弱區(qū)。結(jié)合其生態(tài)條件進(jìn)行生態(tài)安全格局識別及生態(tài)問題診斷,能為后續(xù)的重點(diǎn)區(qū)域生態(tài)治理提供思路,助力黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。因此,本文以陜西省神木市為研究對象,首先,基于綜合確定的神木市生態(tài)源地和生態(tài)阻力面,利用最小累積阻力模型提取生態(tài)廊道,并將電路理論識別出的生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn),與低質(zhì)量生態(tài)空間共同構(gòu)成生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域。其次,以山水林田湖草沙一體化保護(hù)和修復(fù)為主線對生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)現(xiàn)存生態(tài)問題進(jìn)行診斷,將診斷結(jié)果作為生態(tài)保護(hù)與修復(fù)關(guān)注重點(diǎn)進(jìn)行分析。最后,通過生態(tài)問題指數(shù)劃分生態(tài)修復(fù)分區(qū),結(jié)合各分區(qū)的自然環(huán)境特征和生態(tài)問題提出不同的生態(tài)修復(fù)方向和策略。研究結(jié)果對于優(yōu)化區(qū)域生態(tài)安全格局與國家生態(tài)安全屏障具有重要意義,并且為推動黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展、服務(wù)鄉(xiāng)村振興和共同富裕提供理論支持和應(yīng)用支撐。

1 區(qū)域概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)地理位置和土地利用類型Fig.1 Geographical location and land use type of the study area

神木市位于陜西省榆林市,介于38°23′—39°27′N,109°40′—110°54′E之間,與山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤,處于黃河中游地區(qū),是陜西省面積最大的縣(市)(圖1)。神木市大陸性氣候顯著,冬冷夏熱,年平均氣溫9.50℃,年內(nèi)氣溫變化大；年均降水量約為410.3mm,主要集中在夏秋季。地貌類型豐富,地勢西北高東南低,西北部為風(fēng)沙草灘區(qū),地勢較平坦；東南部為黃土丘陵溝壑區(qū),地形較破碎。神木市地域遼闊,蘊(yùn)藏著極為豐富的礦產(chǎn)資源,其中以煤炭儲量最為豐富,且煤質(zhì)優(yōu)良,埋藏淺,易開采,在西部地區(qū)縣域綜合實(shí)力最強(qiáng)。作為資源型城市和黃河中游生態(tài)脆弱區(qū),神木市社會-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)具有典型代表性。構(gòu)建神木市生態(tài)安全格局,定量診斷現(xiàn)存生態(tài)問題,明確生態(tài)修復(fù)方向和重點(diǎn),積極探索生態(tài)修復(fù)策略,對于堅(jiān)持“生態(tài)優(yōu)先,綠色發(fā)展”戰(zhàn)略,促進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義,并且也可為其他區(qū)域開展生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1.2 數(shù)據(jù)來源

神木市生態(tài)安全格局構(gòu)建及生態(tài)問題診斷的數(shù)據(jù)主要來源于遙感影像數(shù)據(jù)集和氣象數(shù)據(jù)等。氣溫和降水等氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),后經(jīng)插值生成柵格數(shù)據(jù)；土地利用數(shù)據(jù)、河網(wǎng)數(shù)據(jù)和地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)空間分布數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)；數(shù)字高程模型(DEM)、ETM+遙感影像、OLI遙感影像數(shù)據(jù)均來源于地理空間數(shù)據(jù)云(https://www.gscloud.cn/)；葉面積指數(shù)(LAI)來源于EOS/MODIS影像的MOD15A2H產(chǎn)品(https://earthdata.nasa.gov/)；歸一化植被指數(shù)(NDVI)通過多光譜遙感影像計(jì)算得到；植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)采用CASA模型計(jì)算獲得；土壤數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(Harmonized World Soil Database version 1.1)；土壤可蝕性因子數(shù)據(jù)集來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn/)；生態(tài)阻力面所涉及的道路數(shù)據(jù)來源于Open Street map(https://www.openhistoricalmap.org/)。所有柵格數(shù)據(jù)均通過ArcGIS重采樣為30m×30m空間分辨率數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 生態(tài)源地識別

生態(tài)源地作為動植物的棲息地,是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相對穩(wěn)定的地區(qū),在維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性,提供高質(zhì)量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和產(chǎn)品等方面具有重要作用[21]。植被覆蓋能夠截留降水,減少土壤下滲。植被覆蓋度越高,產(chǎn)水量越多,水資源的可供給能力越大[22]。植被碳固定不僅能衡量植被生態(tài)系統(tǒng)健康程度,而且能定量評估生態(tài)系統(tǒng)的固碳狀況與潛力[23]。土壤保持量包含因侵蝕減少的土壤量以及最終土壤的持留量,能衡量生態(tài)系統(tǒng)的土壤保育能力[22]。生境質(zhì)量是通過評估不同土地利用類型下的生境分布狀況和退化特征,能反映生態(tài)系統(tǒng)多樣性狀態(tài)[24]。考慮產(chǎn)水量、碳固定、土壤保持和生境質(zhì)量等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)功能,為人類生存和社會發(fā)展提供生態(tài)產(chǎn)品,因此選取這四項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價(jià)神木市生態(tài)重要性(表1)。為使各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間具有可比性,采用極差標(biāo)準(zhǔn)化對各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到無量綱數(shù)據(jù)。計(jì)算公式為：

正向指標(biāo)：Xi′=(xi-ximin)/(ximax-ximin)

(1)

負(fù)向指標(biāo)：Xi′=(ximax-xi)/(ximax-ximin)

(2)

式中,Xi′為標(biāo)準(zhǔn)化后無量綱值,xi為第i項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)際值,ximax為第i項(xiàng)指標(biāo)的最大值,ximin為第i項(xiàng)指標(biāo)的最小值。

由于各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在發(fā)揮生態(tài)功能時具有相同的重要性,因此賦予一致的權(quán)重值,然后采用綜合指數(shù)法評估神木市生態(tài)重要性。自然斷點(diǎn)法(Jenks)能判斷出具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的非人為設(shè)定的轉(zhuǎn)折點(diǎn)和斷點(diǎn),能將研究對象劃分為性質(zhì)相似的群組,因此按照該方法將生態(tài)重要性結(jié)果劃分為完全不重要、不重要、一般重要、比較重要和非常重要五個等級,并將非常重要一級作為初步生態(tài)源地。綜合指數(shù)法計(jì)算公式為：

(3)

式中,U為神木市生態(tài)重要性指數(shù),Xi為標(biāo)準(zhǔn)化后某生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),μ為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型數(shù)。

2.2 粒度反推法

作為維系景觀多樣性和生物多樣性的生態(tài)源地,必須具有一定面積和規(guī)模才能充分發(fā)揮生態(tài)功能,產(chǎn)生生態(tài)效益。根據(jù)自然斷點(diǎn)法劃分的初步生態(tài)源地,存在較多面積小,破碎程度大的生態(tài)斑塊,此類斑塊屬于劣勢的景觀類型[25—26]。基于反證法思想,首先以提取的初步生態(tài)源地為基礎(chǔ),分別生成景觀粒度為50m、100m、200m、400m、600m和800m的生態(tài)源地柵格圖；其次使用Fragstats軟件計(jì)算反映景觀整體性和連通性的斑塊個數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、聚合度(AI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、凝聚度(COHESION)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)六大指標(biāo)；最后通過分析各指標(biāo)在不同景觀粒度的變化特征,確定最優(yōu)景觀粒度大小,并以該粒度水平作為參照,經(jīng)過人工判讀對初步生態(tài)源地進(jìn)行刪除和合并,確定最優(yōu)的生態(tài)源地。

表1 神木市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)計(jì)算方法Table 1 Ecosystem service calculation method in Shenmu City

2.3 生態(tài)阻力面構(gòu)建

生態(tài)源地之間生態(tài)要素的物質(zhì)、能量和信息的流通與交換不僅受自然條件的制約,很大程度上還受人類活動干擾。在綜合考慮自然環(huán)境條件和人類活動影響的基礎(chǔ)上,基于土地利用類型的生態(tài)阻力,引入坡度、起伏度、道路、水源等因子,對不同坡度和起伏度與不同道路和水源緩沖區(qū)范圍賦予生態(tài)阻力值,共同構(gòu)建綜合生態(tài)阻力面。各生態(tài)阻力因子權(quán)重由層次分析法確定,阻力系數(shù)設(shè)置則主要參考已有研究[27—28]。

2.4 生態(tài)廊道識別

生態(tài)廊道是維持生態(tài)源地之間物質(zhì)、能量和信息流通與交換的通道,是實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能完整性的重要組成部分[29]。基于生態(tài)源地和綜合生態(tài)阻力面結(jié)果,采用ArcGIS 10.5的Linkage Mapper 2.0 Toolbox,以最小累積阻力模型識別黃土高原生態(tài)源地之間的生態(tài)廊道。最小累積阻力模型原理如下：

(4)

式中,MCR為研究區(qū)內(nèi)某景觀單元至生態(tài)源地的最小累積阻力值,f表示累積阻力值與生態(tài)過程的正相關(guān)關(guān)系,Dij表示物種從景觀單元i到生態(tài)源地j所需的空間距離,Ri表示景觀單元i對某生態(tài)過程的阻力系數(shù)。

2.5 生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)識別

生態(tài)夾點(diǎn)是由McRae 等[30]基于電路理論提出的概念,是廊道中電流密度較大的區(qū)域,具有較高的景觀連通功能。當(dāng)生態(tài)夾點(diǎn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境遭到破壞或生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生退化時,極大可能切斷生境之間的連通性和完整性[31]。本文利用Circuitscape插件的Pinchpoint Mapper模塊計(jì)算電流密度,并采用自然斷點(diǎn)法對其劃分為不同等級,選擇電流密度最高一級作為生態(tài)夾點(diǎn)識別結(jié)果。生態(tài)障礙點(diǎn)是物種在生態(tài)源地之間運(yùn)動時受到阻礙的區(qū)域,對生態(tài)障礙點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)能夠顯著降低該區(qū)域的生態(tài)阻力,提高生態(tài)源地之間的景觀連通性,保障區(qū)域生態(tài)安全[32]。本文使用Circuitscape插件的Barrier Mapper模塊進(jìn)行測算,采用自然斷點(diǎn)法將結(jié)果劃分為不同等級,選擇移除障礙點(diǎn)后改進(jìn)得分百分比最大的區(qū)域作為生態(tài)障礙點(diǎn)識別結(jié)果。

2.6 生態(tài)問題指標(biāo)體系構(gòu)建

基于踐行綠水青山就是金山銀山、防范和化解生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)實(shí)需求,本文從“山水林田湖草沙是一個生命共同體”理念出發(fā),選取土壤侵蝕率、地質(zhì)災(zāi)害分布密度、水源涵養(yǎng)率、耕地破碎度、土地利用變化情況等指標(biāo)構(gòu)建神木市生態(tài)問題指標(biāo)體系[19,33—36](表2),定量化診斷包括生態(tài)夾點(diǎn)、生態(tài)障礙點(diǎn)和低質(zhì)量生態(tài)空間的生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)生態(tài)問題,為后續(xù)開展差別化和針對性的生態(tài)修復(fù)提供指導(dǎo)。

表2 神木市生態(tài)問題指標(biāo)體系Table 2 Ecological problem indicator system in Shenmu City

2.7 生態(tài)問題定量診斷

為使各指標(biāo)數(shù)據(jù)之間具有可比性,采用極差標(biāo)準(zhǔn)化對各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到無量綱數(shù)據(jù)。計(jì)算方法參考公式(1)和公式(2)。另外,為更全面和綜合地反映各指標(biāo)所對應(yīng)的生態(tài)問題,各指標(biāo)的權(quán)重主要是根據(jù)各生態(tài)問題對應(yīng)的修復(fù)對象數(shù)量與修復(fù)對象總數(shù)比值,再平均分配到各指標(biāo)[19]。在此基礎(chǔ)上,采用線性加權(quán)函數(shù)測算神木市生態(tài)問題指數(shù)(EPI)。計(jì)算公式為：

(5)

式中,EPI為生態(tài)問題指數(shù),Xi為標(biāo)準(zhǔn)化后生態(tài)問題指標(biāo)值,μ為生態(tài)問題指標(biāo)數(shù),Wj為各生態(tài)問題指標(biāo)權(quán)重。當(dāng)EPI值越大,代表待修復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域山水林田湖草沙的綜合生態(tài)問題越突出,反之越小。當(dāng)0≤EPI<0.25時,屬于生態(tài)保育區(qū)；0.25≤EPI<0.5時,屬于生態(tài)提升區(qū)；0.5≤EPI<0.75時,屬于重點(diǎn)控制區(qū)；當(dāng)0.75≤EPI<1時,屬于重點(diǎn)修復(fù)區(qū)。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)源地識別

神木市四項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)計(jì)算結(jié)果均表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性特征,如圖2所示。其中,碳固定、產(chǎn)水量、生境質(zhì)量整體表現(xiàn)出東南高、西北低的分布特征,而土壤保持則表現(xiàn)為東南低、西北高的分布特征,這與神木市的地形地貌和人類活動有關(guān)。神木市西北部為風(fēng)沙草灘區(qū),地勢平坦,且城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和其他工礦用地等均集中分布在此區(qū)域,植被覆蓋度低,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較低；東南部為黃土丘陵溝壑區(qū),土質(zhì)疏松,地形破碎,水土流失嚴(yán)重,但由于國家大力開展淤地壩建設(shè)工程措施,該區(qū)域水土資源得到合理有效利用,壩地土壤田間持水量大,土地生產(chǎn)力提高,生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖2 神木市各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)Fig.2 Ecosystem services in Shenmu City

神木市生態(tài)重要性等級和初步生態(tài)源地如圖3所示。神木市生態(tài)重要性呈現(xiàn)出東南部優(yōu)于西北部的分布特征,但東南部不同生態(tài)重要性等級的區(qū)域呈現(xiàn)出面積小、破碎化的特征,這與當(dāng)?shù)攸S土丘陵溝壑區(qū)的地形地貌有關(guān)。初步生態(tài)源地存在較多細(xì)小破碎的斑塊,而這些斑塊作為劣勢景觀類型需要進(jìn)一步選擇性刪除。

圖3 神木市生態(tài)重要性等級和生態(tài)源地空間分布格局Fig.3 Spatial distribution pattern of ecological importance rank and ecological sources in Shenmu City

不同粒度水平景觀格局指數(shù)結(jié)果如圖4所示。除了COHESION之外,當(dāng)景觀粒度為200m時,NP和PD變化趨于平緩,而AI、LSI和CONTAG在景觀粒度為400m時,變化趨于穩(wěn)定。因此,綜合各景觀格局指數(shù)變化特征,最終以400m的景觀粒度作為參照,反選出生態(tài)景觀連通性最佳的生態(tài)源地(圖3)。從數(shù)量上看,神木市共有27個生態(tài)源地,面積達(dá)411.64km2,占神木市總面積5.53%。其中,草地是最主要的生態(tài)源地,面積達(dá)315.02km2,占生態(tài)源地總面積的76.53%,而水域面積最小,為0.69km2,僅占生態(tài)源地總面積的0.17%。生態(tài)源地不包括城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和未利用地。從空間上看,生態(tài)源地主要以團(tuán)簇狀零星分布在神木市的中部、東部和南部,西北部缺少生態(tài)功能豐富、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的生態(tài)源地。

圖4 神木市景觀格局指數(shù)Fig.4 Landscape pattern index in Shenmu City

3.2 生態(tài)安全格局構(gòu)建

圖5 神木市綜合生態(tài)阻力面和生態(tài)廊道空間分布格局Fig.5 Spatial distribution pattern of comprehensive ecological resistance surface and ecological corridors in Shenmu City

神木市綜合生態(tài)阻力面和生態(tài)廊道如圖5所示。綜合生態(tài)阻力值介于26.60—725.10之間,高值區(qū)主要分布在神木市西北部人類活動集中區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū),各城鎮(zhèn)居民用地和工礦用地、工業(yè)區(qū)之間通過道路連接形成生態(tài)阻力高值網(wǎng)絡(luò),切斷本就脆弱的生態(tài)過程。低值區(qū)則主要分布在神木市自然環(huán)境條件相對較好的東南部,恢復(fù)和管理該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)有利于物種遷徙傳播。

本文共識別出神木市生態(tài)廊道共63條,總長度約610.71km。由于神木市生態(tài)源地主要分布在中部、東部和南部,連接各生態(tài)源地的生態(tài)廊道也呈網(wǎng)狀分布在神木市中部、東部和東南部。其中,神木市中部地區(qū)由于生態(tài)源地分布稀疏,生態(tài)阻力較大,相比東南部的生態(tài)廊道呈現(xiàn)密度大、縱橫交錯的特點(diǎn)。

3.3 生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域識別

基于電路理論識別出的生態(tài)夾點(diǎn)如圖6所示。本文共識別出生態(tài)夾點(diǎn)415個,面積共計(jì)30.55km2。從土地利用類型來看,草地占生態(tài)夾點(diǎn)面積比重最大,達(dá)61.66%;耕地次之,占比為15.94%;未利用地、水域、林地以及城鄉(xiāng)、工礦和居民用地分別占生態(tài)夾點(diǎn)面積的11.08%、4.90%、4.38%和2.04%。從空間分布來看,生態(tài)夾點(diǎn)主要以條帶狀集中分布在神木市中部和西南部地區(qū)。該地區(qū)受人口規(guī)模、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和工業(yè)污染等人類活動帶來的負(fù)面反饋較大,并且西南部地區(qū)廣泛分布生態(tài)環(huán)境脆弱的沙地,整體生態(tài)阻力大,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性弱。

利用Barrier Mapper插件識別出的生態(tài)障礙點(diǎn)如圖6所示。本文共識別出生態(tài)障礙點(diǎn)341個,面積共計(jì)25.72km2。從土地利用類型來看,草地占生態(tài)障礙點(diǎn)面積比重最大,達(dá)44.67%;耕地次之,占比為21.46%;未利用地、水域、林地以及城鄉(xiāng)、工礦和居民用地分別占生態(tài)障礙點(diǎn)面積的18.71%、3.24%、3.40%和8.52%。從空間分布來看,生態(tài)障礙點(diǎn)主要以帶狀分布在神木市中部和東部地區(qū),以點(diǎn)狀分布在神木市西南部,部分生態(tài)障礙點(diǎn)與生態(tài)夾點(diǎn)重疊。西南部人類活動頻繁,工礦、居民等建設(shè)用地密集,加之縱橫交錯的路網(wǎng),割裂了自然景觀,生態(tài)障礙點(diǎn)分布破碎；而中部和東部地區(qū)受人類活動影響較西南部弱,沙地等未利用地也較西南部少,生態(tài)障礙點(diǎn)呈現(xiàn)塊狀和條帶狀分布特征。

圖6 生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域 Fig.6 Spatial distribution pattern of key ecological restoration areas in Shenmu City

以生態(tài)完全不重要的區(qū)域作為低質(zhì)量生態(tài)空間,面積達(dá)1043.73km2,占神木市總面積14.02%,主要分布在神木市西部、西北部和北部(圖6)。從土地利用來看,未利用地占低質(zhì)量生態(tài)空間面積比重最大,達(dá)69.22%;城鄉(xiāng)、工礦、居民用地次之,占比為27.49%;耕地、草地、水域和林地等生態(tài)用地分別占低質(zhì)量生態(tài)空間面積的1.64%、1.02%、0.60%和0.02%。從空間分布來看,低質(zhì)量生態(tài)空間主要集中分布在神木市北部和西部,該區(qū)域以未利用地為主,人類活動頻繁,在發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)功能與維持生物多樣性等方面的能力有限,無法滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。因此,該區(qū)域也是生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的關(guān)鍵位置。

3.4 生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域生態(tài)問題定量診斷與生態(tài)修復(fù)分區(qū)

3.4.1生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域生態(tài)問題定量診斷

神木市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)各生態(tài)問題定量診斷結(jié)果如圖7所示。神木市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕量為0—1484.54 t hm-2a-1,根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007),土壤侵蝕等級主要為微度侵蝕(<500 t hm-2a-1)和輕度侵蝕(500—2500 t hm-2a-1),并且以微度侵蝕為主,分布廣泛,而輕度侵蝕則零星分布在人類活動頻繁的城鄉(xiāng)、工礦、居民用地附近。

受礦產(chǎn)資源開發(fā)和黃土地貌特征等因素影響,神木市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害主要以崩塌、地面塌陷和滑坡為主,多發(fā)于中部和東部的采礦區(qū)以及西南部的黃土丘陵溝壑區(qū),并且采礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害較黃土丘陵溝壑區(qū)更為集中,形成以中部為高密度核心向四周減弱的空間分布特征。

圖7 神木市生態(tài)問題診斷結(jié)果Fig.7 Diagnosis results of ecological problems in Shenmu City

神木市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)的水源涵養(yǎng)量空間分布特征表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性,高值區(qū)主要分布在生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn),該區(qū)的耕地、林地和草地等植被覆蓋能通過對水循環(huán)的調(diào)控實(shí)現(xiàn)水源涵養(yǎng),降低水土流失；低值區(qū)主要分布在以未利用地為主的低質(zhì)量生態(tài)空間,該區(qū)缺少植被覆蓋,加之土壤的持水性能較弱,水源涵養(yǎng)量低。

由于神木市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)的林地和草地主要分布在生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)內(nèi),植被退化的空間分布特征也表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性。總體上看,東部的植被退化程度較低,而中部和西南部的植被退化程度相對較高,并且由于當(dāng)?shù)胤N植結(jié)構(gòu)、林分質(zhì)量和草地類型的空間差異,表現(xiàn)出不同植被退化程度交錯分布的特點(diǎn)。

神木市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)東部和東南部的耕地由于位于地形破碎的黃土丘陵溝壑區(qū),呈現(xiàn)面積小且分布分散的特點(diǎn),耕地破碎化程度較高；中部和西南部地形相對平坦,耕地沿居民點(diǎn)分布集中,耕地面積大,呈現(xiàn)出帶狀和團(tuán)簇狀的分布特點(diǎn),破碎化程度較低。

作為毛烏素沙地的一部分,神木市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)的荒漠化指數(shù)較低,低值區(qū)主要分布在城鎮(zhèn)、居民和工礦建設(shè)用地及裸土地附近,而中值區(qū)和高值區(qū)主要分布在自然條件較為惡劣的沙地,呈現(xiàn)出中值區(qū)向高值區(qū)包圍的分布趨勢,表明防沙治沙工程取得明顯成效。

隨著神木市工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的推進(jìn),耕地、林地、草地和水域等生態(tài)用地轉(zhuǎn)為非生態(tài)用地現(xiàn)象顯著。其中,林地和草地由于城鎮(zhèn)建設(shè)等人類活動以及不合理利用而轉(zhuǎn)換為城鄉(xiāng)、工礦、居民用地和未利用地；北部耕地由于采礦區(qū)建設(shè)以及礦產(chǎn)資源開采損毀和固體廢棄物壓占,主要向工礦建設(shè)用地轉(zhuǎn)化；河流濕地則由于工業(yè)用水、灌溉用水等原因逐漸萎縮。

3.4.2生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域的生態(tài)修復(fù)分區(qū)

圖8 神木市生態(tài)修復(fù)分區(qū)Fig.8 Ecological restoration zoning in Shenmu City

根據(jù)神木市生態(tài)問題指數(shù)測算結(jié)果,神木市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域可劃分為生態(tài)保育區(qū)、生態(tài)提升區(qū)、重點(diǎn)控制區(qū)和重點(diǎn)修復(fù)區(qū)(圖8)。其中,生態(tài)保育區(qū)面積最大,達(dá)759.57km2,占生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域總面積的72.83%,主要分布在低質(zhì)量生態(tài)空間的未利用地上,主要存在水土流失和荒漠化等生態(tài)問題。未來生態(tài)修復(fù)應(yīng)嚴(yán)格控制人類活動,根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境條件,繼續(xù)推進(jìn)宜林荒山綠化,對沙地開展引水拉沙、止沙生綠等工程措施,或開展土體有機(jī)重構(gòu)和土地平整工程,提高植被覆蓋度,增強(qiáng)區(qū)域防風(fēng)固沙能力,全面治理水土流失,形成穩(wěn)定性強(qiáng),生態(tài)功能好的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。

生態(tài)提升區(qū)面積為60.78km2,占生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域總面積的5.83%,主要分布在生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)的耕地、林地和草地上,存在一定程度的植被退化以及耕地破碎化等問題。未來生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)在于提升耕地、林地和草地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,對于林地,要重點(diǎn)營造近自然林業(yè)、喬灌草搭配的景觀和農(nóng)林系統(tǒng),加快建設(shè)植被特性化的步伐；對于草地,可結(jié)合人工牧草種植,優(yōu)化草地植被結(jié)構(gòu),提高草地產(chǎn)草量和生物量,并通過優(yōu)化放牧管理方式,恢復(fù)和提升草地生態(tài)；對于耕地,則應(yīng)嚴(yán)格控制不符合主體功能定位的人類活動,通過開展坡改梯和耕地規(guī)模化經(jīng)營,整合耕地資源,或通過開展耕地生態(tài)質(zhì)量評價(jià)、耕地生態(tài)管護(hù)等工作提升耕地的生態(tài)功能,發(fā)揮耕地生態(tài)價(jià)值。

重點(diǎn)控制區(qū)面積達(dá)217.86km2,占生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域總面積的20.89%,主要分布在低質(zhì)量生態(tài)空間的城鄉(xiāng)、居民和工礦用地上,主要存在土壤侵蝕、水源涵養(yǎng)量低、河流湖泊濕地萎縮和植被破壞等生態(tài)問題。未來生態(tài)修復(fù)應(yīng)著重在于促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)保護(hù)的耦合協(xié)同發(fā)展,通過降低人口和經(jīng)濟(jì)載荷,推行適度城鎮(zhèn)化和綠色工業(yè)化,實(shí)施高標(biāo)準(zhǔn)的生態(tài)防護(hù)防范工程；同時,注重防治地質(zhì)災(zāi)害,做好礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)工作,恢復(fù)礦山植被,加大生態(tài)用地的封育力度,實(shí)現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。

重點(diǎn)修復(fù)區(qū)面積最小,為4.68km2,僅占生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域總面積0.45%,主要零星分布在各生態(tài)修復(fù)分區(qū)之間的過渡地帶,是生態(tài)問題最為復(fù)雜的區(qū)域,也是生態(tài)保護(hù)與修復(fù)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。未來要積極開展山水林田湖草沙一體化保護(hù)和修復(fù)工程,通過自然恢復(fù)為主、人為修復(fù)為輔的修復(fù)措施,積極提高生物多樣性；另外,通過合理布局和規(guī)劃人類活動,整合破碎的生境斑塊,提高城鎮(zhèn)、居民和工礦用地與生態(tài)用地之間的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)完整性,注重城市、居民和工礦用地的生態(tài)帶和生態(tài)緩沖帶的建設(shè),提高生態(tài)用地的生態(tài)系統(tǒng)完整性和連通性,提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給能力。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

通過對生態(tài)安全格局研究和國土空間生態(tài)修復(fù)的有機(jī)結(jié)合,能增強(qiáng)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的整體性和連通性,優(yōu)化國土空間格局的空間配置方案,為后續(xù)的重點(diǎn)區(qū)域生態(tài)治理提供思路。在借鑒前人研究基礎(chǔ)上[17—18,25],本文在識別生態(tài)源地時充分考慮了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和景觀斑塊尺度的影響,強(qiáng)調(diào)了自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程的完整性,結(jié)果基本可靠。另外,考慮到神木市西北高東南低的地勢和風(fēng)沙草灘區(qū)與黃土丘陵溝壑區(qū)地貌特征,在構(gòu)建神木市生態(tài)阻力面時,除了采用土地利用類型、道路和水源距離等阻力因子外,增加了坡度和起伏度兩個阻力因子[28]。然而,神木市作為資源型城市,煤礦開采一定程度上割裂了生態(tài)源地,影響生物之間溝通與交流[18]。局限于數(shù)據(jù)可得性,本文并未將煤礦的影響范圍和影響程度納入生態(tài)阻力面的構(gòu)建過程中,在未來研究中應(yīng)更充分考慮人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響,采用各種數(shù)據(jù)模擬真實(shí)生態(tài)阻力面。

生態(tài)夾點(diǎn)和生態(tài)障礙點(diǎn)是生態(tài)廊道上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),一定程度上阻礙生態(tài)源地之間的物質(zhì)傳輸與信息交流,降低生態(tài)安全格局的穩(wěn)定性和連通性,而低質(zhì)量生態(tài)空間是生態(tài)重要性程度最低的區(qū)域,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平較低,對外界的抗干擾能力較弱[32]。將生態(tài)夾點(diǎn)、生態(tài)障礙點(diǎn)和低質(zhì)量生態(tài)空間作為生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行生態(tài)問題診斷,推進(jìn)生態(tài)修復(fù)工程措施,從而降低生態(tài)阻力,改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,是從時間和空間上考慮生態(tài)修復(fù)的緊迫性和優(yōu)先次序,實(shí)現(xiàn)多層次協(xié)同優(yōu)化,以較小的經(jīng)濟(jì)投入獲取更大的生態(tài)效益。

目前關(guān)于生態(tài)問題診斷的研究大多停留在定性的探討,如周偉等[33]在分析山、水、林、田、湖、草等要素之間的關(guān)系基礎(chǔ)上,提出黃河流域主要存在的包括水環(huán)境水生態(tài)問題、水土流失、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞、生態(tài)系統(tǒng)破壞等問題。生態(tài)問題定量化診斷的相關(guān)研究較少,主要依賴構(gòu)建指標(biāo)體系反映區(qū)域生態(tài)問題,如宋偉等[19]以陜西省為研究對象,按山、水、林、田、草、經(jīng)濟(jì)狀況六個類型分別構(gòu)建反映對應(yīng)生態(tài)問題的八個指標(biāo),并以小流域?yàn)榛締卧C合考察生態(tài)系統(tǒng)問題。本文基于山、水、林、田、湖、草、沙不同生態(tài)修復(fù)對象構(gòu)建神木市生態(tài)問題定量診斷的指標(biāo)體系,在生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)進(jìn)行生態(tài)問題診斷及劃定生態(tài)修復(fù)分區(qū),為實(shí)現(xiàn)神木市宏觀和中觀尺度的生態(tài)修復(fù)規(guī)劃和生態(tài)遙感監(jiān)測提供理論支持和研究支撐。然而,生態(tài)問題是人與自然交互作用的復(fù)雜過程,生態(tài)問題定量化診斷要求充分了解研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,后續(xù)研究仍需基于自然生態(tài)過程與人類生態(tài)需求開展進(jìn)一步空間解析,深入探討生態(tài)問題形成機(jī)制,探索統(tǒng)一的、完善的、可被廣泛接受的評價(jià)指標(biāo)體系,為生態(tài)修復(fù)工程的具體實(shí)施提供更為精細(xì)化的定量分析和評價(jià)。

4.2 結(jié)論

本文基于生態(tài)源地和生態(tài)阻力面構(gòu)建神木市國土空間生態(tài)安全格局,識別出總長度約610.71km的63條生態(tài)廊道,確定總面積達(dá)30.55km2的415個生態(tài)夾點(diǎn),面積共計(jì)25.72km2的341個生態(tài)障礙點(diǎn),以及面積為1043.73km2的低質(zhì)量生態(tài)空間。生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕主要以微度侵蝕為主；地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)于采礦區(qū)以及黃土丘陵溝壑區(qū)；水源涵養(yǎng)低值區(qū)主要分布在低質(zhì)量生態(tài)空間；林地和草地的退化程度呈現(xiàn)東部較中部和西南部低的分布特征；耕地破碎化程度則呈現(xiàn)東部和東南部較高、中部和西南部較低的特征；荒漠化指數(shù)高值區(qū)主要分布在低質(zhì)量生態(tài)空間的沙地；部分河流、湖泊和濕地以及植被隨著時間變化向非生態(tài)用地轉(zhuǎn)變。按照生態(tài)問題指數(shù)測算結(jié)果可將神木市生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵區(qū)域劃分為生態(tài)保育區(qū)、生態(tài)提升區(qū)、重點(diǎn)控制區(qū)和重點(diǎn)修復(fù)區(qū),未來生態(tài)修復(fù)應(yīng)結(jié)合各生態(tài)修復(fù)分區(qū)空間分布特征和土地利用狀況提出針對性的策略和方向。