北方防沙带典型县域生态安全格局研究

王佳雪,刘春芳,*,张世虎

1 西北师范大学社会发展与公共管理学院,兰州 730070 2 甘肃省土地利用与综合整治工程研究中心,兰州 730070 3 民勤县连古城沙生植物自然保护区管理站,武威 733399

北方防沙带是国家“两屏三带”生态安全战略格局中的重点生态功能区,是我国主要的风沙策源区和防治沙化的核心区,是维护国土生态安全的前沿区和关键区[1]。多年来,我国积极推进三北防护林、京津风沙源治理、退耕还林还草、退牧还草等重点生态工程建设[2],北方防沙带生态环境呈现稳中向好,生态系统恶化趋势得到有效遏制,北方生态安全屏障得到初步构筑[3—4]。但区域内各工程间协调不足,空间组织无序的现象仍然存在。为确保北方防沙带国土生态安全,实现区域自然资源和绿色设施科学配置,构建布局合理的生态安全格局成为当前北方防沙带建设的重中之重,具有极为重要的现实意义。

自20世纪90年代以来,生态安全格局研究逐渐兴起[5],得到了国内外学者的广泛关注。当前关于生态安全格局的研究主要集中于概念框架[6—7]、构建模式[8—9]、规划应用[10]、效应评估[11]等方面,在城市[12]、农田[13]、流域/湿地[14—15]、矿区[16]、绿洲内部[17]等个例研究领域,也取得了不少成果。大量研究为生态安全格局构建提供了较为成熟的规划模式与操作流程,形成了以生境质量较高的生态源地为中心、以最利于源地之间生态流动的低阻力谷线为生态廊道、以生态廊道最薄弱和关键之处作为生态节点的“提功能-促联通-绿节点”生态网络构建方法[18],为生态系统结构优化与生态规划战略部署提供了重要依据。但是,北方防沙带是以较大规模的荒漠为基质,林地、草地等绿色斑块数量少、盖度低,具有“基质脆弱、廊道稀疏、斑块零碎”等景观特征,构建生态连通型生态安全格局并不适宜。针对北方防沙带特殊生态基底,提高沙源固沙能力、切断沙源交互路径、削弱风沙侵蚀力度是北方防沙带生态安全格局构建的核心。多年来,国内外学者对于风沙流动的概念[19]、流动机制[20]、影响因素[21]等方面已有一些研究,为基于风沙源扩散机制的生态安全格局研究提供了基础,也为北方防沙带生态安全格局研究提供新的思路和方法。

县域是北方防沙带生态安全屏障的建设单元。民勤县位于北方防沙带中部,区域干燥少雨、植被稀疏、沙漠广布,沙漠和荒漠化面积占县域总面积的90.34%,是北方防沙带县域典型代表。长期以来,民勤县开展了大量防沙治沙的林业生态建设工作[22],土地沙化趋势得到了有效遏制[23],但土地沙化形势还十分严峻。因此,文章以民勤县为研究案例,基于风沙源扩散过程及影响机制[20—22],尝试探讨适宜北方防沙带的生态安全格局构建方法,以期为干旱区生态安全格局研究提供新的参考。

1 研究区概况

民勤县位于甘肃河西走廊东北部,石羊河流域下游,地处东经101°49′41″—104°12′10″、北纬38°3′45″—39°27′37″之间。气候为温带大陆性气候,多年平均气温8.8 ℃,平均降水量113.2 mm,平均降水日数79 d,蒸发量为2644 mm,干旱发生频率高。土壤以风沙土为主,土壤颗粒大,土质结构疏松,易被风扬起。植被以荒漠植被群系为主,由典型荒漠灌木植被和人工栽培的灌木植被组成,植被林冠较小,对风蚀的阻力作用有限。区域干旱缺水,土壤瘠薄、林草植被覆盖率低,生态系统非常脆弱,是北方防沙带的典型县域。

2 研究思路、方法与数据来源

2.1 防沙生态安全格局构建思路

沙漠化是北方防沙带最突出的生态环境问题,沙源扩散是区域主要生态过程[24]。如何通过优化斑块、廊道、基质的空间配置,实现防风固沙生态服务功能提升是北方防沙带生态安全格局构建的核心。

基于此,文章提出面向北方防沙带防风固沙服务能力提升的“控风源-堵风口-筑风廊-优网络”风沙阻隔型生态安全格局构建范式。首先,进行风沙源地识别。选取包括土壤荒漠化、土壤侵蚀(风蚀、水蚀)、土壤盐渍化、土壤类型、土壤含水量等土壤因子指标以及植被覆盖度等植被因子指标,利用RWEQ模型、大田推广模型、WaTEM/SEDEM模型等方法,对区域生态状况进行评价,识别土壤植被程度最差、风沙活动最为强烈、对风沙流动起决定作用的区域,作为风沙源地。然后,识别阻沙关键点,设计阻沙廊道。通过最小累积阻力模型,构建防沙阻力面,模拟沙源扩散路径,作为阻沙关键点和阻沙廊道识别的基础。阻力面在风沙源地所处位置下陷,在生态环境良好区域高峰突起,两峰之间会有低阻力的谷线、高阻力的脊线各自相连。而谷线间的交叉点及谷线上的拐点,则构成影响、控制区域生态安全的重要关键点。连接阻沙关键节点,并与沙源扩散路径垂直,设计阻沙廊道,形成阻隔风沙源之间风沙交流的防沙林带状区域,构建整个区域防沙治沙网络中的骨架。最后,从廊道与节点自身功能完善、等级体系构建以及生态连通等方面入手,控风源、堵风口、筑风廊、优网络,构建防沙治沙网络格局。

2.2 防沙生态安全格局构建方法

2.2.1风沙源的识别

风沙源是指植被稀少、地表被沙覆盖,沙土颗粒在风经地表时发生起动、碰撞、蠕移、跃移、悬移等运动的区域,是风沙灾害的起源区或加强源区[25]。风沙灾害的发生与土壤的颗粒大小及结皮性质、植被的覆盖情况和风速的强度等因素有关[19],运用RWEQ模型充分考虑这些因素,通过对土壤风蚀情况进行定量评估,并提取土壤风蚀量前50%作为民勤县的风沙源地。

(1)

Qmax=109.8×(WF×EF×SCF×K′×C)

(2)

s=150.71×(WF×EF×SCF×K′×C)-0.3711

(3)

式中,SL为土壤风蚀量,z为下风向距离,s为关键地块长度,Qmax为风力最大输沙能力,WF、EF、SCF、K′、C分别为气候因子、土壤可蚀性因子、土壤结皮因子、土壤糙度因子、植被因子。粒径的转换采用对数正态分布(RWEQ模型中)。

气候因子WF表征了气候、积雪覆盖以及土壤湿度对风运输土壤颗粒能力的影响。其表达如下：

(4)

Wf=u2×(u2-u1)2×Nd

(5)

式中,Wf为风力因子；g为重力加速度；ρ为空气密度；u1是2 m处临界起沙风速(假定为5 m/s)[26]；u2是2 m处的风速,由10 m高处的风速应用模型校正而来；Nd是指每月风速大于5 m/s的天数[27]；SW为土壤湿度因子,由潜在相对蒸散量、灌溉量、降雨次数和灌溉天数计算得到；SD为雪覆盖因子,是计算时段内积雪覆盖度深度小于25.4 mm的概率[28]。

土壤可蚀性因子EF表达式如下：

(6)

式中,sa是土壤砂粒含量；si是土壤粉砂含量；Sa/cl为土壤砂粒和黏土含量比；OM是有机质含量；CaCO3是碳酸钙含量。

土壤结皮因子SCF是指土壤颗粒物在胶结作用下形成性状较特殊的土壤微层,对风蚀具有一定抵抗力,其表达式如下：

(7)

表面粗糙度K′反映了地形引起的表面粗糙度对风蚀的影响。其表达如下：

K′=cosa

(8)

式中,a是坡度,基于30 m的DEM数据由ArcGIS的坡度模块计算得出。

植被因子C表示在某些植被条件下的风蚀程度。其表达如下：

C=e0.0483×SC

(9)

(10)

式中,NDVI,NDVImax和NDVImin分别代表植被覆盖的实际值,最大值和最小值。

2.2.2防沙阻力面构建

土地利用类型与植被类型组合形成的景观格局构成了景观基面的粗糙程度,土壤的类型、颗粒大小以及土壤的有机质含量形成了下垫面受到风蚀的容易程度,两者对风沙扩散具有重要的影响[29]。土壤、植被状况越好,景观基面的粗糙度越高,对于风沙扩散的阻力越大。因此文章基于影响风沙扩散的重要因素,选取土地利用类型、植被覆盖度、土壤类型、土壤有机质作为风沙扩散的阻力因子(表1),参考前人关于下垫面因素对风沙扩散影响的研究[30—32],对各阻力因子进行分级。一般来说,林地、草地对于风沙扩散的阻力较高,营造防沙林是防沙治沙的有效方式。但由于研究区民勤县属于干旱半干旱区,林草地多为灌木林地、荒草地,生物种类较为单一,植被覆盖度多数在30%左右,相比建设用地、道路用地对土层的固定能力较弱,对沙源扩散的影响有限。因此,研究将土地利用类型因子中的林地、草地分别设为40、30。最后,通过层次分析法确定各因子权重值,构建风沙扩散的最小累积阻力面。

Pi=Li×WL+Vi×WV+Si×WS+Di×WD

(11)

式中,Li、Vi、Si、Di与WL、WV、WS、WD分别为土地利用类型、植被覆盖度、土壤类型、土壤有机质含量的阻力值和权重值。

2.2.3沙源扩散路径识别

沙源扩散路径是指对风沙源间风沙流动成本最小的路径[33],是阻沙关键点和阻沙廊道确定的依据。文章假设在县域小尺度,风是无处不在的,风沙源在风的作用下都会发生起沙现象,克服空间阻力向四处扩散,沙源之间相互交流增加了风沙侵蚀的力度。通过ArcGIS中的最小成本路径模块模拟沙源之间的交流路径,阻力面在风沙源地所处位置下陷,在生态环境良好区域高峰突起,两峰之间会有低阻力的谷线、高阻力的脊线各自相连,两个风沙源地之间的低阻力谷线就是沙源扩散路径。

2.2.4阻沙关键点及廊道确定

阻沙关键节点是沙源扩散路径范围内植被覆盖度相对较高、土壤质地相对较好的节点,牢筑并扩大关键节点的生态功能对于防风固沙能力的提高具有重要意义。沙源扩散路径范围内生态环境相对较差,若模拟的路径相互交叉,说明该区域是关键风沙口；若模拟的路径发生弯曲,说明拐点处阻力较大,生态环境相对良好,是阻沙廊道建设的关键节点。同时,根据阻沙关键点的网络中心性,将阻沙关键节点分为两个等级,促进中心节点与边缘节点的有效连通,保证区域内生态系统的优化组合。

防风阻沙廊道是以阻止沙源交流为目标,切断风沙源扩散路径,使风沙的危害减到最小,廊道范围内生态环境相对较差。连接路径中的关键节点,设计防风阻沙廊道,垂直分布于沙源扩散路径。

表1 阻力因子权重系数及阻力分级表

2.3 数据来源

自然资源要素综合观测是全面掌握研究区资源禀赋的手段。根据自然资源调查对象与技术要求,以2018年为数据基年,进行数据源选取、数据处理及实地调研校核等工作。

(1)遥感数据选取：landsat TM/OLI遥感影像数据来源于美国地质调查局网站(http：//eartexplorer.usgs.gov),空间分辨率为30 m,影像轨道号为13133、13233、13134,影像中云量小于10%,满足研究需求。用ENVI 5.3软件对影像数据进行处理,将原始DN值转为辐射亮度值,再进行大气校正、几何校正以及镶嵌和裁剪。土地利用现状数据是用landsat TM/OLI影像,在ArcGIS 10.2软件中通过人工目视解译与计算机自动解译相结合提取土地利用类型,依据中国科学院《中国土地利用分类系统》的分类标准进行分类,通过民勤县土地利用变更调查数据库进行了数据的校核与检验,用于土壤风蚀计算和沙源扩散阻力因子构建。DEM数据来自地理数据空间云平台(http：//www.gscloud.cn)的DEM数字高程数据,空间分辨率分别为30 m,用于地形坡度因子计算。NDVI数据结合遥感影像波段,利用植被生长期(6、7、8、9月份)波段数据进行平均值计算合成,空间分辨率为30 m,用于植被因子计算和沙源扩散阻力因子构建。

(2)土壤气象数据选取：土壤数据土壤深度及砂粒、粘粒、粉粒和有机质含量百分比数据来源于世界土壤数据库(HWSD)的中国土壤数据集,空间分辨率为1 km,用于土壤可蚀性、结皮、粗糙度因子计算和沙源扩散阻力因子构建。气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网中的《中国地面气候资料年、月、日值数据集》(http：//data.cma.cn),用于气候因子计算。河流和水系数据来源于石羊河流域信息系统专题数据集(http：//westdc.westgis.ac.cn)。

(3)实地调研：沿绿洲边缘主要道路明晰周边林草地分布及建筑物属性,采用路线观测及点观测对民勤县土地利用/覆被进行小范围校核。

3 结果分析

3.1 防沙治沙生态现状格局识别

3.1.1风沙源地诊断与识别

2018年,民勤县土壤风蚀总量为2.83×106t(如图1),单位面积土壤风蚀量为1.79 t/hm2,土壤风蚀现象较为严重。高值区域集中在县域北部,特别是东北部区域,面积较大且连接成片。低值区集中在中部绿洲以及南部昌宁镇、南湖镇生态环境较好区域,面积较小且较为分散。提取土壤风蚀量前50%作为风沙源地,总面积约3136 km2,占民勤县总面积的19.81%,主要位于红沙岗镇西部、西北部、东北部以及东湖镇大部分区域,是腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠的组成部分,包含部分风蚀严重的灌木林地、荒漠草原等生态系统。

图1 土壤风蚀、风沙源、阻力值、沙源扩散路径、关键点、廊道空间分布Fig.1 Spatial distribution of soil wind erosion, sand source, resistance value, sand source diffusion path, key points, corridor

3.1.2风沙源扩散路径识别

基于表1构建风沙扩散的综合阻力面,综合阻力平均值为14.12,总体呈现出中部高、东西两边低的空间分布格局。其中阻力值较大的区域基本位于人类活动较为密集的绿洲区域以及边缘的防风固沙林带,最高值为82.93；阻力低值主要位于风沙源周围的荒漠地区,最低值为8.135。绿洲与外围荒漠差异明显,距离风沙源越远,阻力越大；生态环境越好,阻力越大。通过ArcGIS成本路径模块对风沙源地之间的流动进行模拟,共识别出24条路径,位于北部荒漠区,主要呈东西走向。该路径是风沙源地之间交流的最短路径,因处于荒漠区,以风沙土为主,土壤质地、有机质含量以及植被覆盖度较为相似,路径大多较为平滑,部分路径因某些区域生态环境良好,植被覆盖度较高或者为建设用地而呈现弯曲状态。

3.1.3防风阻沙关键节点识别

防风阻沙关键节点是防沙治沙和生态修复的重点关注区域。研究识别的关键节点共29个,主要分布在沙源扩散路径的拐点处,生态环境相对良好,主要为荒漠草原、灌木林地生态系统等。在普遍生态环境较差的荒漠区,扩大该区域生态建设规模,提高该区域生态质量,是促进荒漠区生态连通的关键,是加强荒漠区生态建设的重中之重。研究识别的关键风沙口共14个,主要分布在沙源扩散路径的交叉点处,生态环境相对较差,主要为荒漠生态系统。加强该区域生态建设,能有效减缓风沙流动、减轻风沙侵蚀的力度。

3.2 防沙治沙生态安全格局构建

当前,研究区防沙网络整体处于低水平、非均衡的发展状态,网络呈现总体松散与局部集聚,核心关键点的辐射作用有待提升。基于此,文章结合“控风源-堵风口-筑风廊-优网络”格局构建模式以及区域实际状况,对区域防沙网络进行优化。

(1)控风源。针对沙源风沙扩散的危险性,结合土壤风蚀量的高低,划定近期风沙源治理区域、中期风沙源治理区域与远期风沙源治理区域。近期风沙源治理区域土壤风蚀程度最高,集中分布在东湖镇北部风沙源区；中期风沙源治理区域与远期风沙源治理区域土壤风蚀程度较低,主要包括红沙岗镇及东湖镇南部风沙源区。配合沙源治理技术措施,进行近、中、远期顺序建设。

(2)堵风口。研究识别的阻沙关键点较多,关键生态节点与关键风沙口交错复杂。关键生态节点作为荒漠基质上的生态绿斑,是防风阻沙廊道建设的“垫脚石”,也是关键风沙口的驱动源。研究将处于中心位置的生态节点作为阻沙关键点,辐射带动其他节点的发展。关键风沙口作为土壤质量、植被覆盖程度最差的区域,承接中心关键点的辐射带动,配合防风固沙林建设,扎紧风口,逼退风沙。

(3)筑风廊。防风阻沙廊道是维护北方防沙带生态安全的基本架构,连接阻沙关键点,与沙源扩散路径垂直,有效切断沙源之间的风沙流动,增强阻沙关键点间的连通性,促进防沙网络间生态流通。研究共设计出防风阻沙廊道41条(如图1),总长度627.4 km,集中分布于红沙岗镇北部以及东湖镇区域,其中红沙岗镇有24条,长度为271.19 km；东湖镇有10条,长度为211.98 km；西渠镇、红沙梁镇、收成镇、泉山镇也有部分分布,共有7条,长度为144.23 km。廊道主要呈现西北-东南走向和东北-西南走向。

(4)优网络。文章构建“7中心、36点、14廊道”的生态安全优化格局(如图2),形成功能化、网络化的空间结构体系。“7中心”为防沙网络中心关键节点,是其他关键点的辐射源和驱动力。“36点”为其他边缘关键点,包括生态环境相对良好的关键生态节点以及生态环境相对较差的关键风沙口,关键生态节点辅助中心关键节点推动关键风沙口的生态发展；“14廊道”为14条主要阻沙廊道,既是切断风沙源交流、减小风沙侵蚀力度的阻沙廊道,也是促进阻沙关键点间生态流通的生态廊道。

与《民勤县生态建设示范区规划(2020—2025年)》相比,文章构建的防沙网络分布区域即为规划的防沙治沙重点区域。不同点在于,文章从“控风源-堵风口-筑风廊-优网络”的角度出发,识别重要生态安全问题,构建防沙治沙网络,详细制定了斑块、廊道、基质的空间配置方案,可为完善生态建设规划、促进提供有益参考。

图2 防沙治沙生态安全格局优化Fig.2 Optimizing of the ecological security pattern of desertification prevention and control

4 结论与讨论

4.1 结论

基于北方防沙带的特殊景观基底及风沙源扩散机制,文章提出了“控风源-堵风口-筑风廊-优网络”的风沙阻隔型生态安全格局构建模式,并以民勤县为例,锚固风沙源地,绿筑阻沙关键点,连通阻沙廊道,优化生态安全网络,形成多层次、立体化的生态安全格局体系。主要结论如下：

(1)北方防沙带典型县域大多以较大规模的荒漠为基质,林地、草地等绿色斑块数量少、盖度低,具有“基质脆弱、廊道稀疏、斑块零碎”等景观特征,构建生态连通型生态安全格局并不适宜。

(2)测算识别民勤县风沙源总面积3136 km2；模拟识别沙源扩散路径24条,阻沙关键点43个。研究区生态系统功能处于低水平、非均衡状态,生态格局网络呈现总体松散与局部集聚特征。

(3)锚固风沙源地,绿筑阻沙关键点,连通阻沙廊道,厘清网络要素作用,构建“7中心、36点、14廊道”的生态网络优化格局。与研究区相关规划对比,构建的网络优化格局具有一定的合理性。

4.2 讨论

值得注意的是,当前生态安全格局构建大多是以单个尺度为研究视角,在相对封闭的系统单元内进行生态安全格局构建[34]。然而,尺度效应使景观现象特征、生态过程机制、总体格局结构随观测分析尺度变化产生分异,造成了不同尺度下生态安全格局构建的差异。但生态过程、生态基底本质上具有跨尺度连续性,尺度之间的衔接模式直接影响生态功能的发挥[35]。针对北方防沙带不同尺度下基质、廊道、斑块的差异性以及风沙流、水流等物质、能量的流动性,对北方防沙带生态安全格局的探讨有必要考虑多尺度嵌套的衔接性,同时关注文章提出的“风沙阻隔”生态安全格局与传统的“生态流通”生态安全格局在尺度嵌套中的特殊性。

文章提出的“控风源-堵风口-筑风廊-优网络”的生态安全格局构建模式,丰富并拓展了干旱区生态安全格局的相关研究。但是受数据获取和模型精度的限制,文章仅选取土壤风蚀指标来识别风沙源,依托更详细的地理空间数据,更为细致的北方防沙带风沙源诊断与识别有待深入探讨。其次,文章侧重于防风固沙廊道的位置确定,其廊道宽度需结合生态修复设计要求以及实际情况进一步关注。最后,文章仅从沙源流动的生态角度出发构建生态网络,缺乏对经济发展、社会人文等复合功能的考虑。在未来的生态安全格局构建时,需要进一步综合考虑生态改善、经济发展、社会公平等多样化需求,推动复合型生态安全格局的构建。