神木市生态安全格局构建与生态问题定量诊断

卫新东,林良国,冯小龙,王晓峰,孔德豪,蔺康莉,杨 洁

1 长安大学土地工程学院,西安 710054 2 长安大学地球科学与资源学院,西安 710054 3 陕西省国土整治中心(陕西省土地科技创新中心),西安 710082 4 陕西省土地整治重点实验室,西安 710054 5 自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室,西安 710075

国土空间生态修复是生态文明和美丽中国建设的基础,是维护国家生态安全的重大战略及惠及民生的重大举措,加强国土空间生态保护和修复对于坚定不移践行绿水青山就是金山银山理念、实现人与自然和谐共生具有重要意义。然而,不断加剧的人类活动对自然资源和生态系统构成巨大威胁,引发诸多生态问题,严重影响国家的生态安全和社会经济的发展[1—2]。为应对国土空间生态问题,我国先后实施了黄河上中游水土保持、三北防护林体系建设、天然林资源保护、退耕还林还草、小流域综合治理等多项生态工程。从2012年十八大报告明确提出生态文明建设,到2021年坚持山水林田湖草沙冰一体化保护和系统治理,我国十分重视国土空间生态修复[3—4]。2020年5月,国家发展和改革委员会、自然资源部会同多部门联合印发了《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(2021—2035)》,对全国重要生态系统保护和修复重大工程规划进行布局。其中,黄河流域生态保护和高质量发展是事关中华民族伟大复兴的千秋大计,如何从“生态安全格局识别—生态问题诊断”视角,开展国土空间生态保护与修复工程,提升生态系统服务价值,成为了重要的国家战略之一[5]。

目前,关于国土空间生态修复的空间优化途径主要侧重在生态安全格局认知上,识别生态安全格局是推进国土空间生态修复的前提和基础[6]。生态安全格局研究起源于国外景观规划领域[7],并且在全球生态环境变化的背景下日渐成熟,形成了“源地识别-阻力面构建-生态廊道提取-关键区域判别”的研究范式[8—9]。这种研究范式是从孤立的生态系统控制转向综合生态治理[10]。国外学者更加关注生态安全格局的生态系统服务功能评估与过程模拟[11]、生态系统的保护与恢复[12]、生态安全政策[13]等方面的研究,国内对于生态安全格局的研究则主要集中在生态安全格局的构建与优化[14—16]。例如,苏冲等[17]采用最小累积阻力模型及电路理论构建华蓥山区生态安全格局,识别生态保护和修复优先区；倪庆琳等[18]基于生态安全格局将徐州市贾汪区划分为不同国土空间生态修复区,并提出资源枯竭型城市的保护与修复策略。综上所述,生态安全格局研究范式能够精准识别出生态保护与修复的关键位置。然而,生态保护与修复方案主要是在划定生态保护修复分区后,政策制定者根据对区域的熟悉程度提出的,缺乏统一的理论支撑和指导[19]。“山水林田湖草沙是一个生命共同体”理念指导下的国土空间生态修复要求将生态系统作为生命共同体进行保护和修复。因此,如何从生态系统整体性、均衡性出发,在识别生态修复关键区域的基础上对现存的生态问题进行量化诊断,提出差别化的生态修复优先次序,有针对性地开展科学高效的生态修复,实现多层级协同次优而非单层级最优是当前国土空间生态保护修复系统工程亟需解决的问题[20]。

神木市作为资源型城市,矿产资源开采时容易引起周边一系列如地质结构破坏和植被退化等生态问题,是典型的黄河中游生态脆弱区。结合其生态条件进行生态安全格局识别及生态问题诊断,能为后续的重点区域生态治理提供思路,助力黄河流域生态保护和高质量发展。因此,本文以陕西省神木市为研究对象,首先,基于综合确定的神木市生态源地和生态阻力面,利用最小累积阻力模型提取生态廊道,并将电路理论识别出的生态夹点和生态障碍点,与低质量生态空间共同构成生态修复关键区域。其次,以山水林田湖草沙一体化保护和修复为主线对生态修复关键区域内现存生态问题进行诊断,将诊断结果作为生态保护与修复关注重点进行分析。最后,通过生态问题指数划分生态修复分区,结合各分区的自然环境特征和生态问题提出不同的生态修复方向和策略。研究结果对于优化区域生态安全格局与国家生态安全屏障具有重要意义,并且为推动黄河流域生态保护和高质量发展、服务乡村振兴和共同富裕提供理论支持和应用支撑。

1 区域概况和数据来源

1.1 研究区概况

图1 研究区地理位置和土地利用类型Fig.1 Geographical location and land use type of the study area

神木市位于陕西省榆林市,介于38°23′—39°27′N,109°40′—110°54′E之间,与山西省、内蒙古自治区接壤,处于黄河中游地区,是陕西省面积最大的县(市)(图1)。神木市大陆性气候显著,冬冷夏热,年平均气温9.50℃,年内气温变化大；年均降水量约为410.3mm,主要集中在夏秋季。地貌类型丰富,地势西北高东南低,西北部为风沙草滩区,地势较平坦；东南部为黄土丘陵沟壑区,地形较破碎。神木市地域辽阔,蕴藏着极为丰富的矿产资源,其中以煤炭储量最为丰富,且煤质优良,埋藏浅,易开采,在西部地区县域综合实力最强。作为资源型城市和黄河中游生态脆弱区,神木市社会-经济-自然复合生态系统具有典型代表性。构建神木市生态安全格局,定量诊断现存生态问题,明确生态修复方向和重点,积极探索生态修复策略,对于坚持“生态优先,绿色发展”战略,促进黄河流域生态保护和高质量发展具有重要意义,并且也可为其他区域开展生态修复提供理论依据和技术参考。

1.2 数据来源

神木市生态安全格局构建及生态问题诊断的数据主要来源于遥感影像数据集和气象数据等。气温和降水等气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn/),后经插值生成栅格数据；土地利用数据、河网数据和地质灾害点空间分布数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn/)；数字高程模型(DEM)、ETM+遥感影像、OLI遥感影像数据均来源于地理空间数据云(https://www.gscloud.cn/)；叶面积指数(LAI)来源于EOS/MODIS影像的MOD15A2H产品(https://earthdata.nasa.gov/)；归一化植被指数(NDVI)通过多光谱遥感影像计算得到；植被净初级生产力(NPP)采用CASA模型计算获得；土壤数据来源于世界土壤数据库(Harmonized World Soil Database version 1.1)；土壤可蚀性因子数据集来源于国家地球系统科学数据中心(http://www.geodata.cn/)；生态阻力面所涉及的道路数据来源于Open Street map(https://www.openhistoricalmap.org/)。所有栅格数据均通过ArcGIS重采样为30m×30m空间分辨率数据。

2 研究方法

2.1 生态源地识别

生态源地作为动植物的栖息地,是生态系统结构和功能相对稳定的地区,在维持生态系统稳定性,提供高质量生态系统服务和产品等方面具有重要作用[21]。植被覆盖能够截留降水,减少土壤下渗。植被覆盖度越高,产水量越多,水资源的可供给能力越大[22]。植被碳固定不仅能衡量植被生态系统健康程度,而且能定量评估生态系统的固碳状况与潜力[23]。土壤保持量包含因侵蚀减少的土壤量以及最终土壤的持留量,能衡量生态系统的土壤保育能力[22]。生境质量是通过评估不同土地利用类型下的生境分布状况和退化特征,能反映生态系统多样性状态[24]。考虑产水量、碳固定、土壤保持和生境质量等生态系统服务能发挥生态系统功能,为人类生存和社会发展提供生态产品,因此选取这四项生态系统服务评价神木市生态重要性(表1)。为使各生态系统服务之间具有可比性,采用极差标准化对各生态系统服务进行标准化处理,得到无量纲数据。计算公式为：

正向指标：Xi′=(xi-ximin)/(ximax-ximin)

(1)

负向指标：Xi′=(ximax-xi)/(ximax-ximin)

(2)

式中,Xi′为标准化后无量纲值,xi为第i项指标的实际值,ximax为第i项指标的最大值,ximin为第i项指标的最小值。

由于各生态系统服务在发挥生态功能时具有相同的重要性,因此赋予一致的权重值,然后采用综合指数法评估神木市生态重要性。自然断点法(Jenks)能判断出具有统计学意义的非人为设定的转折点和断点,能将研究对象划分为性质相似的群组,因此按照该方法将生态重要性结果划分为完全不重要、不重要、一般重要、比较重要和非常重要五个等级,并将非常重要一级作为初步生态源地。综合指数法计算公式为：

(3)

式中,U为神木市生态重要性指数,Xi为标准化后某生态系统服务,μ为生态系统服务类型数。

2.2 粒度反推法

作为维系景观多样性和生物多样性的生态源地,必须具有一定面积和规模才能充分发挥生态功能,产生生态效益。根据自然断点法划分的初步生态源地,存在较多面积小,破碎程度大的生态斑块,此类斑块属于劣势的景观类型[25—26]。基于反证法思想,首先以提取的初步生态源地为基础,分别生成景观粒度为50m、100m、200m、400m、600m和800m的生态源地栅格图；其次使用Fragstats软件计算反映景观整体性和连通性的斑块个数(NP)、斑块密度(PD)、聚合度(AI)、景观形状指数(LSI)、凝聚度(COHESION)、蔓延度指数(CONTAG)六大指标；最后通过分析各指标在不同景观粒度的变化特征,确定最优景观粒度大小,并以该粒度水平作为参照,经过人工判读对初步生态源地进行删除和合并,确定最优的生态源地。

表1 神木市生态系统服务计算方法Table 1 Ecosystem service calculation method in Shenmu City

2.3 生态阻力面构建

生态源地之间生态要素的物质、能量和信息的流通与交换不仅受自然条件的制约,很大程度上还受人类活动干扰。在综合考虑自然环境条件和人类活动影响的基础上,基于土地利用类型的生态阻力,引入坡度、起伏度、道路、水源等因子,对不同坡度和起伏度与不同道路和水源缓冲区范围赋予生态阻力值,共同构建综合生态阻力面。各生态阻力因子权重由层次分析法确定,阻力系数设置则主要参考已有研究[27—28]。

2.4 生态廊道识别

生态廊道是维持生态源地之间物质、能量和信息流通与交换的通道,是实现区域生态系统功能完整性的重要组成部分[29]。基于生态源地和综合生态阻力面结果,采用ArcGIS 10.5的Linkage Mapper 2.0 Toolbox,以最小累积阻力模型识别黄土高原生态源地之间的生态廊道。最小累积阻力模型原理如下：

(4)

式中,MCR为研究区内某景观单元至生态源地的最小累积阻力值,f表示累积阻力值与生态过程的正相关关系,Dij表示物种从景观单元i到生态源地j所需的空间距离,Ri表示景观单元i对某生态过程的阻力系数。

2.5 生态夹点和生态障碍点识别

生态夹点是由McRae 等[30]基于电路理论提出的概念,是廊道中电流密度较大的区域,具有较高的景观连通功能。当生态夹点区域生态环境遭到破坏或生态系统发生退化时,极大可能切断生境之间的连通性和完整性[31]。本文利用Circuitscape插件的Pinchpoint Mapper模块计算电流密度,并采用自然断点法对其划分为不同等级,选择电流密度最高一级作为生态夹点识别结果。生态障碍点是物种在生态源地之间运动时受到阻碍的区域,对生态障碍点进行修复能够显著降低该区域的生态阻力,提高生态源地之间的景观连通性,保障区域生态安全[32]。本文使用Circuitscape插件的Barrier Mapper模块进行测算,采用自然断点法将结果划分为不同等级,选择移除障碍点后改进得分百分比最大的区域作为生态障碍点识别结果。

2.6 生态问题指标体系构建

基于践行绿水青山就是金山银山、防范和化解生态风险现实需求,本文从“山水林田湖草沙是一个生命共同体”理念出发,选取土壤侵蚀率、地质灾害分布密度、水源涵养率、耕地破碎度、土地利用变化情况等指标构建神木市生态问题指标体系[19,33—36](表2),定量化诊断包括生态夹点、生态障碍点和低质量生态空间的生态修复关键区域内生态问题,为后续开展差别化和针对性的生态修复提供指导。

表2 神木市生态问题指标体系Table 2 Ecological problem indicator system in Shenmu City

2.7 生态问题定量诊断

为使各指标数据之间具有可比性,采用极差标准化对各指标进行标准化处理,得到无量纲数据。计算方法参考公式(1)和公式(2)。另外,为更全面和综合地反映各指标所对应的生态问题,各指标的权重主要是根据各生态问题对应的修复对象数量与修复对象总数比值,再平均分配到各指标[19]。在此基础上,采用线性加权函数测算神木市生态问题指数(EPI)。计算公式为：

(5)

式中,EPI为生态问题指数,Xi为标准化后生态问题指标值,μ为生态问题指标数,Wj为各生态问题指标权重。当EPI值越大,代表待修复的关键区域山水林田湖草沙的综合生态问题越突出,反之越小。当0≤EPI<0.25时,属于生态保育区；0.25≤EPI<0.5时,属于生态提升区；0.5≤EPI<0.75时,属于重点控制区；当0.75≤EPI<1时,属于重点修复区。

3 结果与分析

3.1 生态源地识别

神木市四项生态系统服务计算结果均表现出明显的空间异质性特征,如图2所示。其中,碳固定、产水量、生境质量整体表现出东南高、西北低的分布特征,而土壤保持则表现为东南低、西北高的分布特征,这与神木市的地形地貌和人类活动有关。神木市西北部为风沙草滩区,地势平坦,且城镇用地、农村居民点和其他工矿用地等均集中分布在此区域,植被覆盖度低,生态系统服务功能较低；东南部为黄土丘陵沟壑区,土质疏松,地形破碎,水土流失严重,但由于国家大力开展淤地坝建设工程措施,该区域水土资源得到合理有效利用,坝地土壤田间持水量大,土地生产力提高,生态和经济效益显著。

图2 神木市各生态系统服务Fig.2 Ecosystem services in Shenmu City

神木市生态重要性等级和初步生态源地如图3所示。神木市生态重要性呈现出东南部优于西北部的分布特征,但东南部不同生态重要性等级的区域呈现出面积小、破碎化的特征,这与当地黄土丘陵沟壑区的地形地貌有关。初步生态源地存在较多细小破碎的斑块,而这些斑块作为劣势景观类型需要进一步选择性删除。

图3 神木市生态重要性等级和生态源地空间分布格局Fig.3 Spatial distribution pattern of ecological importance rank and ecological sources in Shenmu City

不同粒度水平景观格局指数结果如图4所示。除了COHESION之外,当景观粒度为200m时,NP和PD变化趋于平缓,而AI、LSI和CONTAG在景观粒度为400m时,变化趋于稳定。因此,综合各景观格局指数变化特征,最终以400m的景观粒度作为参照,反选出生态景观连通性最佳的生态源地(图3)。从数量上看,神木市共有27个生态源地,面积达411.64km2,占神木市总面积5.53%。其中,草地是最主要的生态源地,面积达315.02km2,占生态源地总面积的76.53%,而水域面积最小,为0.69km2,仅占生态源地总面积的0.17%。生态源地不包括城乡、工矿、居民用地和未利用地。从空间上看,生态源地主要以团簇状零星分布在神木市的中部、东部和南部,西北部缺少生态功能丰富、生态系统稳定的生态源地。

图4 神木市景观格局指数Fig.4 Landscape pattern index in Shenmu City

3.2 生态安全格局构建

图5 神木市综合生态阻力面和生态廊道空间分布格局Fig.5 Spatial distribution pattern of comprehensive ecological resistance surface and ecological corridors in Shenmu City

神木市综合生态阻力面和生态廊道如图5所示。综合生态阻力值介于26.60—725.10之间,高值区主要分布在神木市西北部人类活动集中区和生态环境脆弱区,各城镇居民用地和工矿用地、工业区之间通过道路连接形成生态阻力高值网络,切断本就脆弱的生态过程。低值区则主要分布在神木市自然环境条件相对较好的东南部,恢复和管理该区域的生态系统有利于物种迁徙传播。

本文共识别出神木市生态廊道共63条,总长度约610.71km。由于神木市生态源地主要分布在中部、东部和南部,连接各生态源地的生态廊道也呈网状分布在神木市中部、东部和东南部。其中,神木市中部地区由于生态源地分布稀疏,生态阻力较大,相比东南部的生态廊道呈现密度大、纵横交错的特点。

3.3 生态修复关键区域识别

基于电路理论识别出的生态夹点如图6所示。本文共识别出生态夹点415个,面积共计30.55km2。从土地利用类型来看,草地占生态夹点面积比重最大,达61.66%;耕地次之,占比为15.94%;未利用地、水域、林地以及城乡、工矿和居民用地分别占生态夹点面积的11.08%、4.90%、4.38%和2.04%。从空间分布来看,生态夹点主要以条带状集中分布在神木市中部和西南部地区。该地区受人口规模、产业发展和工业污染等人类活动带来的负面反馈较大,并且西南部地区广泛分布生态环境脆弱的沙地,整体生态阻力大,生态系统稳定性弱。

利用Barrier Mapper插件识别出的生态障碍点如图6所示。本文共识别出生态障碍点341个,面积共计25.72km2。从土地利用类型来看,草地占生态障碍点面积比重最大,达44.67%;耕地次之,占比为21.46%;未利用地、水域、林地以及城乡、工矿和居民用地分别占生态障碍点面积的18.71%、3.24%、3.40%和8.52%。从空间分布来看,生态障碍点主要以带状分布在神木市中部和东部地区,以点状分布在神木市西南部,部分生态障碍点与生态夹点重叠。西南部人类活动频繁,工矿、居民等建设用地密集,加之纵横交错的路网,割裂了自然景观,生态障碍点分布破碎；而中部和东部地区受人类活动影响较西南部弱,沙地等未利用地也较西南部少,生态障碍点呈现块状和条带状分布特征。

图6 生态修复关键区域 Fig.6 Spatial distribution pattern of key ecological restoration areas in Shenmu City

以生态完全不重要的区域作为低质量生态空间,面积达1043.73km2,占神木市总面积14.02%,主要分布在神木市西部、西北部和北部(图6)。从土地利用来看,未利用地占低质量生态空间面积比重最大,达69.22%;城乡、工矿、居民用地次之,占比为27.49%;耕地、草地、水域和林地等生态用地分别占低质量生态空间面积的1.64%、1.02%、0.60%和0.02%。从空间分布来看,低质量生态空间主要集中分布在神木市北部和西部,该区域以未利用地为主,人类活动频繁,在发挥生态系统功能与维持生物多样性等方面的能力有限,无法满足社会经济发展需要。因此,该区域也是生态保护与修复的关键位置。

3.4 生态修复关键区域生态问题定量诊断与生态修复分区

3.4.1生态修复关键区域生态问题定量诊断

神木市生态修复关键区域内各生态问题定量诊断结果如图7所示。神木市生态修复关键区域内土壤侵蚀量为0—1484.54 t hm-2a-1,根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007),土壤侵蚀等级主要为微度侵蚀(<500 t hm-2a-1)和轻度侵蚀(500—2500 t hm-2a-1),并且以微度侵蚀为主,分布广泛,而轻度侵蚀则零星分布在人类活动频繁的城乡、工矿、居民用地附近。

受矿产资源开发和黄土地貌特征等因素影响,神木市生态修复关键区域内地质灾害主要以崩塌、地面塌陷和滑坡为主,多发于中部和东部的采矿区以及西南部的黄土丘陵沟壑区,并且采矿区的地质灾害较黄土丘陵沟壑区更为集中,形成以中部为高密度核心向四周减弱的空间分布特征。

图7 神木市生态问题诊断结果Fig.7 Diagnosis results of ecological problems in Shenmu City

神木市生态修复关键区域内的水源涵养量空间分布特征表现出明显的区域性,高值区主要分布在生态夹点和生态障碍点,该区的耕地、林地和草地等植被覆盖能通过对水循环的调控实现水源涵养,降低水土流失；低值区主要分布在以未利用地为主的低质量生态空间,该区缺少植被覆盖,加之土壤的持水性能较弱,水源涵养量低。

由于神木市生态修复关键区域内的林地和草地主要分布在生态夹点和生态障碍点内,植被退化的空间分布特征也表现出明显的区域性。总体上看,东部的植被退化程度较低,而中部和西南部的植被退化程度相对较高,并且由于当地种植结构、林分质量和草地类型的空间差异,表现出不同植被退化程度交错分布的特点。

神木市生态修复关键区域内东部和东南部的耕地由于位于地形破碎的黄土丘陵沟壑区,呈现面积小且分布分散的特点,耕地破碎化程度较高；中部和西南部地形相对平坦,耕地沿居民点分布集中,耕地面积大,呈现出带状和团簇状的分布特点,破碎化程度较低。

作为毛乌素沙地的一部分,神木市生态修复关键区域内的荒漠化指数较低,低值区主要分布在城镇、居民和工矿建设用地及裸土地附近,而中值区和高值区主要分布在自然条件较为恶劣的沙地,呈现出中值区向高值区包围的分布趋势,表明防沙治沙工程取得明显成效。

随着神木市工业化和城镇化的推进,耕地、林地、草地和水域等生态用地转为非生态用地现象显著。其中,林地和草地由于城镇建设等人类活动以及不合理利用而转换为城乡、工矿、居民用地和未利用地；北部耕地由于采矿区建设以及矿产资源开采损毁和固体废弃物压占,主要向工矿建设用地转化；河流湿地则由于工业用水、灌溉用水等原因逐渐萎缩。

3.4.2生态修复关键区域的生态修复分区

图8 神木市生态修复分区Fig.8 Ecological restoration zoning in Shenmu City

根据神木市生态问题指数测算结果,神木市生态修复关键区域可划分为生态保育区、生态提升区、重点控制区和重点修复区(图8)。其中,生态保育区面积最大,达759.57km2,占生态修复关键区域总面积的72.83%,主要分布在低质量生态空间的未利用地上,主要存在水土流失和荒漠化等生态问题。未来生态修复应严格控制人类活动,根据当地自然环境条件,继续推进宜林荒山绿化,对沙地开展引水拉沙、止沙生绿等工程措施,或开展土体有机重构和土地平整工程,提高植被覆盖度,增强区域防风固沙能力,全面治理水土流失,形成稳定性强,生态功能好的复合生态系统。

生态提升区面积为60.78km2,占生态修复关键区域总面积的5.83%,主要分布在生态夹点和生态障碍点的耕地、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问题。未来生态修复重点在于提升耕地、林地和草地的生态系统服务功能,对于林地,要重点营造近自然林业、乔灌草搭配的景观和农林系统,加快建设植被特性化的步伐；对于草地,可结合人工牧草种植,优化草地植被结构,提高草地产草量和生物量,并通过优化放牧管理方式,恢复和提升草地生态；对于耕地,则应严格控制不符合主体功能定位的人类活动,通过开展坡改梯和耕地规模化经营,整合耕地资源,或通过开展耕地生态质量评价、耕地生态管护等工作提升耕地的生态功能,发挥耕地生态价值。

重点控制区面积达217.86km2,占生态修复关键区域总面积的20.89%,主要分布在低质量生态空间的城乡、居民和工矿用地上,主要存在土壤侵蚀、水源涵养量低、河流湖泊湿地萎缩和植被破坏等生态问题。未来生态修复应着重在于促进社会经济与生态保护的耦合协同发展,通过降低人口和经济载荷,推行适度城镇化和绿色工业化,实施高标准的生态防护防范工程；同时,注重防治地质灾害,做好矿山地质环境保护与生态修复工作,恢复矿山植被,加大生态用地的封育力度,实现黄河流域生态保护和高质量发展。

重点修复区面积最小,为4.68km2,仅占生态修复关键区域总面积0.45%,主要零星分布在各生态修复分区之间的过渡地带,是生态问题最为复杂的区域,也是生态保护与修复重点关注的区域。未来要积极开展山水林田湖草沙一体化保护和修复工程,通过自然恢复为主、人为修复为辅的修复措施,积极提高生物多样性；另外,通过合理布局和规划人类活动,整合破碎的生境斑块,提高城镇、居民和工矿用地与生态用地之间的生态网络完整性,注重城市、居民和工矿用地的生态带和生态缓冲带的建设,提高生态用地的生态系统完整性和连通性,提升生态系统服务的供给能力。

4 讨论与结论

4.1 讨论

通过对生态安全格局研究和国土空间生态修复的有机结合,能增强区域生态系统的整体性和连通性,优化国土空间格局的空间配置方案,为后续的重点区域生态治理提供思路。在借鉴前人研究基础上[17—18,25],本文在识别生态源地时充分考虑了生态系统服务和景观斑块尺度的影响,强调了自然生态系统结构和过程的完整性,结果基本可靠。另外,考虑到神木市西北高东南低的地势和风沙草滩区与黄土丘陵沟壑区地貌特征,在构建神木市生态阻力面时,除了采用土地利用类型、道路和水源距离等阻力因子外,增加了坡度和起伏度两个阻力因子[28]。然而,神木市作为资源型城市,煤矿开采一定程度上割裂了生态源地,影响生物之间沟通与交流[18]。局限于数据可得性,本文并未将煤矿的影响范围和影响程度纳入生态阻力面的构建过程中,在未来研究中应更充分考虑人类活动对生态系统的影响,采用各种数据模拟真实生态阻力面。

生态夹点和生态障碍点是生态廊道上的关键节点,一定程度上阻碍生态源地之间的物质传输与信息交流,降低生态安全格局的稳定性和连通性,而低质量生态空间是生态重要性程度最低的区域,生态系统服务水平较低,对外界的抗干扰能力较弱[32]。将生态夹点、生态障碍点和低质量生态空间作为生态修复关键区域进行生态问题诊断,推进生态修复工程措施,从而降低生态阻力,改善生态环境质量,是从时间和空间上考虑生态修复的紧迫性和优先次序,实现多层次协同优化,以较小的经济投入获取更大的生态效益。

目前关于生态问题诊断的研究大多停留在定性的探讨,如周伟等[33]在分析山、水、林、田、湖、草等要素之间的关系基础上,提出黄河流域主要存在的包括水环境水生态问题、水土流失、矿区生态环境破坏、生态系统破坏等问题。生态问题定量化诊断的相关研究较少,主要依赖构建指标体系反映区域生态问题,如宋伟等[19]以陕西省为研究对象,按山、水、林、田、草、经济状况六个类型分别构建反映对应生态问题的八个指标,并以小流域为基本单元综合考察生态系统问题。本文基于山、水、林、田、湖、草、沙不同生态修复对象构建神木市生态问题定量诊断的指标体系,在生态修复关键区域内进行生态问题诊断及划定生态修复分区,为实现神木市宏观和中观尺度的生态修复规划和生态遥感监测提供理论支持和研究支撑。然而,生态问题是人与自然交互作用的复杂过程,生态问题定量化诊断要求充分了解研究区的生态环境状况和社会经济发展水平,后续研究仍需基于自然生态过程与人类生态需求开展进一步空间解析,深入探讨生态问题形成机制,探索统一的、完善的、可被广泛接受的评价指标体系,为生态修复工程的具体实施提供更为精细化的定量分析和评价。

4.2 结论

本文基于生态源地和生态阻力面构建神木市国土空间生态安全格局,识别出总长度约610.71km的63条生态廊道,确定总面积达30.55km2的415个生态夹点,面积共计25.72km2的341个生态障碍点,以及面积为1043.73km2的低质量生态空间。生态修复关键区域内土壤侵蚀主要以微度侵蚀为主；地质灾害多发于采矿区以及黄土丘陵沟壑区；水源涵养低值区主要分布在低质量生态空间；林地和草地的退化程度呈现东部较中部和西南部低的分布特征；耕地破碎化程度则呈现东部和东南部较高、中部和西南部较低的特征；荒漠化指数高值区主要分布在低质量生态空间的沙地；部分河流、湖泊和湿地以及植被随着时间变化向非生态用地转变。按照生态问题指数测算结果可将神木市生态修复关键区域划分为生态保育区、生态提升区、重点控制区和重点修复区,未来生态修复应结合各生态修复分区空间分布特征和土地利用状况提出针对性的策略和方向。