沙区聚落生态安全评价——以宁夏北部风沙区为例

庞超，谢芮，陈淑青，吴秀芹

(北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

沙区聚落生态安全评价
——以宁夏北部风沙区为例

庞超，谢芮，陈淑青，吴秀芹†

(北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

沙区气候恶劣，风沙、干旱等自然灾害频发，沙区聚落的生态环境非常脆弱，聚落生态安全受到严重威胁。为了给沙区聚落生态安全提供理论支撑和科学依据，从聚落角度出发，以受风沙灾害严重威胁盐池县北部风沙区为研究区域，利用2012年土地利用数据，依据风沙灾害系统理论构建沙区聚落生态安全评价体系，对沙区聚落进行生态安全评价。利用构建的沙区聚落生态安全评价指标体系对盐池北部风沙区的聚落进行生态安全评价。结果显示：盐池北部风沙区286个聚落中，达到安全级别的有102个，占到了35.7%；危险的有184个，占64.3%。处于危险级别的聚落中，仍然存在一半左右的聚落处于中度危险级别以上。沙区聚落生态安全有待提高，急需采取相应的生态安全防护措施。

沙区； 聚落； 生态安全评价

土地沙化是当今世界重要的生态环境问题，我国目前也是遭受土地沙化严重威胁的国家之一。截至2009年底，我国沙化土地面积达到173.11万km2，占全国土地面积的18.03%。全国具有明显沙化趋势的土地面积达到31.10 万km2，占全国总面积3.24%[1]。近年来，我国已开展大量的荒漠化治理研究，为控制土地沙化，也采取了相应的工程措施；但是土地沙漠化的问题仍然没有得到很好的解决，土地沙化形势依然严峻。在我国北方大部分地区，土地沙化已成为重大的生态问题，严重制约着区域经济发展和生态文明建设，同时也使沙区聚落的生态安全受到严重威胁。聚落通常指乡村聚落，由各种物质要素组成，是人类各种居住地的总称[2]。沙区聚落所处沙漠化地区，与其他地区的聚落不尽相同。由于其脆弱的生态环境，恶劣的气候条件，自然灾害频发，导致居民生活水平低下，沙区人居环境安全受到了严重的威胁，农牧民为了自身的生存不得不从自己的家园迁移到另一个生态环境能够满足生存的地方，这部分被迫迁移的人就是生态难民[3]。据统计，有470多个市(县)、4亿多人口、 5万多农民生活的村庄和小城镇的生态环境受到严重威胁，居民沦为生态难民。如何使沙区聚落的生存空间得到切实有效的保障，沙区人居环境生态安全得到保障，使得沙区聚落的生态环境得到恢复，是当今研究的热点。

本研究以沙区聚落生态环境系统作为出发点，以保障沙区聚落生态安全为目标，从风沙灾害角度，以灾害系统理论为基础构建沙区聚落生态安全评价指标体系，对沙区聚落生态安全进行评价。以期为沙区聚生态环境恢复和生态安全建设提供参考。

1 研究区概况

本研究区域为盐池县的北部风沙区，该研究区属于宁夏境内，位于宁、陕、蒙3省(区)交界处;地处毛乌素沙漠的南缘，属于典型的农牧业交错区;地理坐标E106°30′～107°47′，N 37°04′～38°10′，地面海拔为1 400～1 500 m。研究区包含盐池县北部的5个乡镇，即高沙窝镇、王乐井乡、冯记沟乡、青山乡和花马池镇;总面积达4 035 km2，占盐池县总面积的79.37%。植被类型主要以沙生草本和灌木为主，生态环境极其脆弱，土地荒漠化、风沙灾害严重威胁沙区聚落生态安全与区域的可持续发展[4]。

2 研究方法

2.1 基础数据处理

利用公式计算植被覆盖度

(1)

式中：f为植被覆盖度；N为植被归一化指数；Nmin为植被归一化指数最小值；Nmax为植被归一化指数最大值。

利用ArcGIS10.0作为数据处理平台，进行多源数据集成，将遥感影像的空间数据转化成相同的坐标和投影。提取土地类型、聚落分布、等自然因子数据作为聚落生态安全的评价的数据。生成评价因子图(图1～图4)：

图1 2012年研究区土地利用类型图Fig.1 Land use in 2012

图2 植被覆盖度分布图(2012年)Fig.2 Vegetation coverage location(2012)

图3 土壤有机碳含量Fig.3 Soil organic matter carbon content

图4 土壤类型分布图Fig.4 Soil type location

利用ArcGIS10.0软件，结合2012年土地利用数据，提取出盐池县北部风沙区聚落，形成沙区聚落分布图。通过GIS的叠加分析、领域分析等空间分析，按照建立的沙区聚落生态安全评价指标体系，对聚落的各个评价因子赋予相应的分值。最后通过评价模型进行计算出各个聚落所得的危险度分值，再根据沙区聚落生态评价划分标准，得出沙区聚落生态安全评价结果。

2.2 生态安全指标体系构建

2.2.1 评价指标的选取 风沙灾害是沙区聚落生态安全的主要威胁，人为因素和自然因素是风沙灾害发生的主要影响因素。本文的沙区聚落生态安全评价指标最终从聚落所处区域的自然条件、聚落周围局地条件以及承灾体沙区聚落3个方面考虑。

2.2.2 评价标准值的确定 在各个评价指标体系中，由于研究对象以及评价方向的不同，所以评价标准值的确定标准也不尽相同。本文主要从以下5个方面进行评价标准值的选取：1)国家、行业和地方规定的标准[5]；2)以北部风沙区的生态环境本底值和背景值作为生态评价标准；3)寻找未受到严重人为干扰，生态安全度高，即研究区域未受到人类干扰破坏的自然生态系统的各个生态因子和功能的指标作为评价标准[6]；4)根据以往研究已经判定的生态效应结果作为参考的标准值；5)专家调研与科学试验相结合的方法确定的数据标准。

2.2.3 指标的标准化处理 由于指标的属性不同，不同指标值的大小对于生态安全的威胁也不同。会有正向指标和负向指标之分，随着正向指标值的增大，区域的危险性越高，生态安全系数就越小；而随着负向指标值的增大，区域的危险性越小，生态安全系数就越高。不同的指标类型采用的标准化如式(2)、式(3)[7]所示。

正向指标

(2)

负向指标

(3)

式中：zi为标准化值；ci为指标实际值；cmax为指标最大值；cmin为指标最小值；i为因子数。

2.2.4 指标权重的确定 采用均方差决策法[8]和专家赋值法相结合的方法对评价指标的权重进行赋值，并结合目前研究成果进行相应的调整。

1)原始数据的标准化处理；

2)随机变量的均值

(4)

3)随机变量的均方差

(5)

4)指标的权重值

(6)式中：Zj为标准化值；E(Zj)为指标j标准化值；σ(Zj)为指标j均方差；W(Zj)为指标j权重；n为指标数，m为子系统中的指标数；j为指标中第j个因子数。

3 盐池北部风沙区聚落生态安全评价

沙区生态环境最主要的问题是草场退化、沙区面积增大以及土地沙化带来的生态系统的破坏等问题。其中沙区聚落的生态安全主要是受风沙灾害的威胁，因此主要考虑因素立足于沙区聚落风沙灾害。危险性是危险可能性的简称，是表征对象在灾害发生时遭到损害的可能性的大小程度[9]。当危险性越小时，其发生对象则是越安全。本文的沙区聚落的生态安全评价实质上可以认为是沙区聚落的风沙灾害危险性评价。

3.1 沙区聚落风沙灾害系统分析

孕灾环境、致灾因子和承灾体复合组成了结构体系，功能体系则由孕灾环境的稳定性、致灾因子的危险性以及承灾体的脆弱性共同构成。沙区聚落风沙灾害系统见图5。

图5 沙区聚落风沙灾害系统模型Fig.5 Model of aeolian sand disaster system in sandy areas

沙区聚落由于受到风沙灾害的威胁，在进行风沙灾害危险性评价时，可以将其看作一个沙区聚落风沙灾害系统。在这个灾害系统中，孕灾环境包括沙区聚落所处的盐池北部风沙区的自然条件以及聚落所处的局地因素。主要的致灾因子是区域的浮尘和风沙流。相应的承灾体是沙区聚落。灾情则是聚落的生态受到破坏，生态环境恶化，聚落人居环境质量下降的情况。

在选择评价指标和构建评价模型时，需要进一步对沙区聚落灾害链进行分析，弄清沙区聚落风沙灾害的发生发展过程，了解在灾害形成过程中各种影响因子的影响机制。对于局地自然条件，主要考虑的因子是沙源地区提供的沙尘物质的数量，其主要受到2方面因素决定：地表裸露程度和地表可蚀性。沙区地面地表的裸露程度与土地沙化的类型和程度直接相关，而植被覆盖又是土地沙化类型和程度的重要标志。土壤质地是地表可蚀性的决定因素。

通过沙区聚落风沙灾害系统分析可知，聚落的生态安全取决于所处区域的自然环境条件，同时还受到聚落局地因素的影响；因此在进行生态安全评价时，要从区域评价与局地评价2个层次进行分析。这既有利于区域间的比较分析，又突出了不同聚落的个体特征。通过进一步的灾害链分析，突出了主导因子，并将诸多因子进行区别以及划归，这有利于评价指标的选取以及权重的确定，确保评价模型结果的准确性[10]。

3.2 生态安全评价指标体系的构建与分级

在灾害系统分析的基础上，结合已有的成果，构建沙区聚落生态安全评价指标体系。主要分为3个方面：风沙灾害的区域评价、聚落风沙灾害的局地特征评价以及聚落对于灾害的敏感性分析评价。

3.2.1 区域评价指标选取 风沙灾害的区域评价，需要进行考虑的因子包括风速、干燥程度、地表裸露情况和地表可蚀性；但是由于研究区处于盐池县北部风沙区，区域范围较小，风速以及干燥程度并没有过大的区别，因此这2个因素不纳入评价指标中。其中地表的裸露情况可以依据沙区植被覆盖度进行体现，可蚀性则受到土壤类型和土壤理化性质的影响。土壤理化性质受到土壤有机质、土壤N含量以及有机碳等因素影响，但是这些因素具有较强的相关性，只需选取1个因子进行评价；因此，风沙灾害的区域评价包括土壤类型、植被覆盖度2个指标。

3.2.2 局地特征评价指标选取 风沙灾害的局地评价中，由于研究区范围较小，风沙灾害的区域性自然条件差异较小，因此在聚落生态安全评价中，聚落的局地特征是造成聚落生态安全差异的重要因素。局地评价中包括3个指标：有无河流及其位置、沙源与聚落的位置距离关系以及植被与聚落的位置距离关系。通过风向的判断，归纳出了沙源与聚落的3种位置模式(图6)以及3个距离尺度(图7)。同样，植被与聚落之间也有相似的位置模式和距离关系。

图6 致灾因子与聚落位置模式Fig.6 Location mode of disaster-formative factors and settlement

图7 致灾因子与聚落距离关系Fig.7 Distance relationship between the hazard factors and settlement

3.2.3 承灾体脆弱性评价指标选取 承灾体的脆弱性评价即是针对聚落的自身特性进行评价。由于聚落自身的特点也会对聚落自身的生态脆弱性产生影响，灾情也会有所不同。例如人口压力因素，当人口压力过大时，造成放牧强度增强，土地利用率增大

等其他因素的变化，导致风沙灾害造成的损失也越大。同时还有其他的一些社会经济因素包括聚落的产业结构、聚落的经济水平等等，因此聚落自身的一些社会经济情况也应该纳入考虑。但是由于本文主要考虑的生态因素对聚落生态安全的影响，同时聚落的散落分布，分布范围广，其社会经济数据不易获取，因此暂不将其纳入指标体系中。

3.2.4 生态安全评价指标分值确定 根据不同的评价指标等级，进行不同分值的赋予。区域评价和局地因子评价均采用100分制，结合现有的研究资料以及权重赋值的方法，确定指标的影响权重，得到聚落所处的区域评价的分值EA和聚落的局地特征评分值EL。当进行承灾体脆弱性评价时，由于研究区的涉及范围小，区域的整体社会经济情况并没有较大的差异，因此就将各个聚落的承灾体脆弱性评价S赋值为1。其中EA和EL分值的计算模型[11]为

(7)

式中：E为EA和EL构建的2层收敛评价模型的分值；Wq为某指标相对于其上一层在评价指标的权重；q为指标层次；p为导致某个聚落风沙灾害的因子个数。

在进行聚落局地因子评价分值计算时，要先按位置模式打分，然后再根据距离远近判定得分。相应的评价指标及分值见表1、表2。

3.3 构建生态安全评价模型

根据灾害系统理论，致灾因子的危险性、孕灾环境的稳定性和承灾体的脆弱性综合作用，共同决定着聚落的风沙灾害危险度。其中致灾因子是导致灾害产生的最主要的原因，聚落的脆弱性则会放大和缩小灾害的影响程度。在现有的研究中，区域的风沙灾害危险度大多由致灾因子的危险性和承灾体的脆弱性进行乘积得到；然而在沙区，针对每个聚落进行风沙观测是很难实现的，因此致灾因子的危险性很难通过实测数据进行判断。D.S.Mileti[12]认为致灾因子与孕灾环境都归于环境体系，具有一致性，因此可以通过孕灾环境的稳定性来表征。沙区聚落的致灾因子的危险性是通过聚落所处的区域情况和聚落的局地因素共同决定的。综上所述，聚落的危险度评价模型为：

表1 区域评价指标体系、分级标准和权重

表2 聚落局地因子权重与分值

(8)

式中：D为聚落的危险度；S为聚落的脆弱性。

通过评价模型的计算得出危险度后，将得分进行标准化，利用标准偏差方法进行分析，划分出6个生态安全级别见表3。

表3 沙区聚落生态评价划分标准

4 生态安全评价结果

根据评价结果可知，盐池县北部风沙区的共有286个聚落，其中：安全级别的有102个，占到了35.7%；危险的有184个，仅占64.3%——其中：轻度危险的有86个，占危险级别聚落的46.7%；中度危险的有28个，占15.2%；重度危险的有43个，占23.4%；极度危险的有27个，占14.7%。从结果上看，盐池北部风沙区超过一半的聚落受到风沙灾害的威胁，仅有35%的聚落处于安全的级别，受到风沙灾害的威胁较小。在危险聚落中，仍然存在一半以上的聚落是处于中度危险以上，这些聚落受到严峻的风沙灾害的威胁，因此亟需采取相应的防护措施。

[1] 国家林业局. 中国荒漠化和沙化状况公报[EB/OL].(2011-01-05)[2015-08-01]. http:∥www.greentimes.com/green/econo/hzgg/ggqs/content/2011-01/05/content_114232.htm

[2] 陈国阶,方一平,陈勇, 等. 中国山区发展报告：中国山区聚落研究[M]. 北京:商务印书馆,2007：1-24

[3] 卢琦. 中国沙情[M].北京:开明出版社,2000:20-21

[4] 王曼曼，吴秀芹，吴斌等.近25 a盐池北部风沙区土地系统变化及空间集聚格局分析[J].农业工程学报，2014，30(21):256-267

[5] 何琼. 巢湖流域生态安全的综合评价研究[D].合肥：合肥工业大学, 2004：11-13

[6] 吴开亚.区域生态安全的综合评价研究[D].合肥：中国科学技术大学,2003:21-30

[7] 李海龙.风沙灾害危险性评价及防沙治沙安全格局构建研究[D]. 北京：北京林业大学, 2006:32-51

[8] 王明涛.多指标综合评价中权数确定的离差、均方差决策方法[J].中国软科学,1999(8):100-107

[9] 李海龙.风沙灾害危险性评价及防沙治沙安全格局构建研究[D]. 北京：北京林业大学, 2006:32-51

[10] 岳耀杰, 王静爱, 邹学勇, 等. 中国北方沙区湖泊 (水库) 风沙灾害危险度评价与安全对策[J]. 干旱区研究, 2008, 25(4)：574-583

[11] 岳耀杰,王静爱,易湘生,等. 中国北方沙区城市风沙灾害危险度评价：基于遥感、地理信息系统和模型的研究[J].自然灾害学报,2008,17(1):15-20

[12] Mileti D S. Disasters by design: A reassessment of natural hazards in the United States[M].[S.l.]:National Academies Press, 1999:4-15

(责任编辑：郭雪芳)

Ecological security evaluation in sandy areas：A case study in sandy areas of northern Yanchi

Pang Chao，Xie Rui，Chen Shuqing，Wu Xiuqin

(School of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，100083，Beijing，China)

The ecological environment of settlements is fragile in sandy areas where natural disasters such as sand and drought are frequent,and seriously threaten the ecological security of settlements.The sandy area in northern Yanchi County, Ningxia Province, was selected as a case. The sandy area is located at the junction of Ningxia, Shaanxi and Mongolia, situated in the southern edge of the Mu Us Desert, and is a typical farming animal husbandry interlaced zone. The ecological security evaluation system towards settlements of the sandy area was built according to the sand disaster system theory. Then with the land use data in 2012, the ecological security evaluation of the settlement was carried out. Our aims were to provide some advice and reference to promote and protect the ecological security of settlements in sandy areas, give a guide to reasonable use of the land, and provide scientific basis to achieve regional social, economic and sustainable development of the ecological environment. Simultaneously, we attempted to explore research methods in ecological security, and provide a foundation for future studies of ecological safety in sandy areas.Under the guidance of sand disaster system theory, the ecological evaluation index system of the sandy area settlements was built. The evaluation system consists of six evaluation factors, i.e., soil type, soil organic carbon content, vegetation coverage, location of vegetation between settlement and sand land and so on.The results of ecological security evaluation of settlements in the sandy areas showed that there are 286 settlements in the study area, among which 102 settlements are safe, accounting for 35.7% of the total settlements;184 settlements are dangerous, accounting for 64.3% of the total settlements. About half of dangerous settlements are in moderate danger or above. So it needs to improve the ecological security of the settlements in sandy areas and corresponding ecological safety protection measures should be taken.

sandy areas； settlement； ecological security evaluation

2015-04-03

2015-08-18

庞超(1989—)，男，硕士研究生。主要研究方向：3S在资源环境中的应用。E-mail：pccyq1824@163.com

†通信作者简介：吴秀芹(1974—)，女，博士，副教授。主要研究方向：GIS应用以及土地利用变化。E-mail：wuxq@bjfu.edu.cn

X826

A

1672-3007(2015)05-0072-07

项目名称：国家“十二五”科技支撑计划课题“荒漠化地区退化土地治理与植被保育技术集成与示范”(2012BAD16B02)