基于突变级数法的神木市生态安全评价

王盼婷

(长安大学土地工程学院，陕西 西安 710054)

引言

生态安全是生态系统完整性和健康性的整体反映，能够有效保障人类的生活和健康不受损害、经济发展和社会安定不受阻碍和威胁[1]。多年来，由于城市化进程的加快，矿产资源开发力度的加大，土地利用的景观格局发生了显著变化，人口与土地之间的矛盾愈演化愈紧张以及不合理的土地利用和发展导致了生态环境的恶化[2,3]。因此，评价区域生态安全对协调土地利用和生态环境的关系、促进资源的合理配置以及实现区域生态可持续发展具有重要的意义[4]。神木市位于陕西省北部，地处鄂尔多斯盆地东北部和毛乌素沙地过渡带，是能源化工基地同时也是生态脆弱的典型区域[5]。因此，通过对影响生态安全性的土地利用、降水、植被覆盖率、坡度等要素的全面剖析，基于景观指数和空间数据量化手段构建生态安全评价指标体系，深刻认识生态系统对调节气候、净化空气、涵养水源、保护生态多样性等方面的重要作用，以期为优化区域国土空间布局和生态安全管理提供参考。

1 研究区概况

神木市地处陕西省榆林市北部，毛乌素沙漠的东南部，地理区位优越，矿产资源禀赋。位于E109°40～110°54′，N38°13～39°27′，总面积达7635km2。神木市是秦晋蒙3省交界地带，西与内蒙古伊金霍洛旗为邻，东隔黄河与山西省兴县裴家川相望，地理位置优越。地貌可以分为市境北部沙漠草滩地貌、中南部及市境中部的丘陵沟壑地貌和东南部黄河沿岸的土石山地貌3种地貌类型，总体地势西北高东南低，境内有黄河、窟野河、秃尾河等水系。该市的自然气候属于中温带的半干旱大陆性季风气候区，夏季炎热冬季干冷，风沙频繁。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

土地利用数据采用2017年全球10m分辨率土地覆被数字产品(http://data.ess.tsinghua.edu.cn/)；道路、河流数据获取1∶100万全国基础地理数据库(https://www.webmap.cn/)；DEM数据和遥感影像数据来源于地理空间数据云平台(http://www. gscloud.cn/)；降雨量、NPP数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)，有关景观指数均通过Fragstats 4.2软件进行预处理。

2.2 指标体系构建

借鉴生态学中的“活力-组织力-恢复力-生态服务能力”的逻辑架构，参考蔡忠亮等的研究方法[6]，从“生态服务能力-生态敏感性-生态组织结构”3个维度考虑构建评价指标体系，见表1。

表1 神木市生态安全评价指标体系

2.3 无纲量化处理

土地生态安全涵盖多方面的指标，各指标的度量单位、数量级等量纲不一致。因此，本文采用阈值法中的极差化方法对指标进行标准化的处理[7]，方法如下。

正趋向指标：

负趋向指标：

式中，X'ij表示原始数据进行标准化处理后的指标值；xij表示第i年的第j项指标的实际值；xmax表示第j项原始指标的最大值；xmin表示第j项原始指标的最小值。

2.4 突变级数法

突变级数法的理论基础是突变理论，该理论是利用动态系统的拓扑理论构造数学模型,从而描述、预测自然现象与社会活动中事物连续性中断的突变过程[8]，见表2。

2.5 生态安全评价分级标准的制定

由于突变级数法算出的评价值会比较大，因此需将常规等级中的各级安全指数转换为突变级数法下的各级综合评价值[9,10]，最终获得生态安全评价等级标准，见表3。

表2 突变模型及相关公式

表3 神木市生态安全评价等级标准

3 研究结果和分析

3.1 土地生态安全格局分析

利用上述过程对神木市2017年的生态安全水平进行评价，将生态安全水平评价结果进行5个等级的划分，很不安全、较不安全、安全、较安全、理想状态，各等级分布情况如图1所示。分析图1可知，整体上神木市生态安全水平均值为0.9533，全市处于安全状态呈安全状态。其中，除了水系面积外，很不安全区域面积268.51km2，占比3.67%；较不安全区面积1371.33km2，占比18.78%；安全区面积2719.71km2，占比37.22%；较安全区面积2939.41km2，占比40.25%；理想安全面积3.57km2，占比0.03%。从空间分布来看，生态不安全区域主要分布在中部连接北部沿河呈带状和西部呈组团状的人口集中区，安全区域主要分布在南部和西北部地区，总的来说生态安全呈现出明显的空间异质性。

为了进一步分析神木市安全风险，将各乡镇生态安全等级面积占比进行统计分析，见表4。结果表明，很不安全面积主要分布在孙家岔、店塔、麻家塔，大堡当、大柳塔等生态敏感、矿产资源开采等人类剧烈活动聚集区，而安全区主要分布在瑶镇、大保当北部、尔林兔、谢家堡、栏杆堡、中鸡、万镇、沙峁、瓦罗等西北和南部乡镇。全省几乎没有理想安全状态的乡镇，大部分均处于安全或较不安全状态。其原因主要与神木市社会经济发展结构和城市化迅速扩张有很大联系，神木的经济支撑主要是工业，拥有丰富的原煤资源，是陕北能源基地的核心市。近几年，随着城市的快速发展，包茂高速公路、榆商高速、包西铁路穿境而过，中部串联密集的矿区公路等基础设施不断建设以及建成区面积不断扩大，致使全市生态安全面临很大压力。

表4 神木市生态安全等级面积占比汇总表

3.2 生态安全各因素的安全格局及分析

3.2.1 生态组织结构分析

神木市景观地类主要为林草地、耕地和未利用地，分布在南部山区和北部风沙区。东南部耕地和林草相间分割分布，煤矿开发中对耕地破坏严重，加上粗放式的管理利用，人类活动影响越发强烈使地类破碎程度加大。而西北部主要为连片分布的未利用地，因难以开发，所以扰动性小，连通性较好，其生态压力性低。整体来看，榆林市土地集约化水平低，多样性指数高，景观类型非均衡分布。

图1 神木市生态安全评价图

3.2.2 生态敏感性分析

神木市生态敏感性体现在社会经济压力较自然生态压力抵御外界的影响能力小。神木市社会压力敏感区布局主要呈抱团式和带状发展。其中，包括西部呈组团式发展中心城镇，中部连接北部沿河呈带状发展城镇空间。原因主要是神木市快速的经济发展和能源化工基地的建设，加之四通八达的立体交通网络，促使北部能源富集区工矿和交通用地显著增加。同时也促使各乡镇城镇建设用地呈现增加的态势，尤其是以政治经济中心神木镇为核心的周围乡镇和以煤炭工业为主的大柳塔、店塔、麻家塔、瑶镇增长最为明显，从而对城市土地生态安全带来巨大挑战。由此可见，神木市区位优势发展与生态的稳定性矛盾凸显，处理好经济发展与生态环境的关系是关键之本。

3.2.3 生态服务能力分析

生态服务能力主要从活力和服务2方面进行定量评价。从植被覆盖度和植被初级净生产力分布来看，神木市呈东南高、西北低的生态服务能力分布格局。东南部中等覆盖度较高，而西北部多为较低植被覆盖，因此南部的生态系统的活力和土壤保持服务能力比北部高。东南部较高的生态服务能力能够增加区域的生物多样性，对水土资源的涵养效果较好，提高了生态系统的净化能力，体现了生态服务能力对于提升区域生态安全水平有着突出贡献。综上，要提高神木市土地生态安全状况，更需重视和加强生态安全建设。

4 结论及建议

通过在市域小尺度内部区域开展基于突变级数法的生态安全格局相关评价研究，对于明确神木市土地生态安全格局状况具有重要意义。神木市2017年土地生态安全平均指数为0.9533，达到安全水平，整体呈现西北和南部安全水平高、中北和中西部不安全的分布格局，其中不安全区域分布在孙家岔、店塔、麻家塔，大堡当、大柳塔等生态敏感、矿产资源开采等人类剧烈活动聚集区。矿山开采活动密度大、工业较为发达、基础设施不断建设以及建成区面积不断扩大等社会敏感活动是导致该区域生态安全的重要因素，因此全市生态安全面临很大压力，生态安全水平还有提升的空间。神木市区位优势发展与生态的稳定性矛盾突出，为进一步处理好经济发展与生态环境的关系，建议将神木市划分为北部防风固沙生态控制区，以生态重建和生态保育为主的生态建设目标，加强水源地保护和景观生态建设相结合，积极推进塌陷区生态重建；中部工业集聚区，平衡人居环境与经济发展，加强生态和道路防护林带建设，建立可持续的新型能源工业体系，加强能源和矿产资源的开发建设监管；南部黄河沿岸综合治理区，保护区域自然资源，加强区域水土保持治理，培育优化特色产业发展。