沙區聚落生態安全評價
——以寧夏北部風沙區為例

龐超，謝芮，陳淑青，吳秀芹

(北京林業大學水土保持學院，100083，北京)

沙區聚落生態安全評價
——以寧夏北部風沙區為例

龐超，謝芮，陳淑青，吳秀芹?

(北京林業大學水土保持學院，100083，北京)

沙區氣候惡劣，風沙、干旱等自然災害頻發，沙區聚落的生態環境非常脆弱，聚落生態安全受到嚴重威脅。為了給沙區聚落生態安全提供理論支撐和科學依據，從聚落角度出發，以受風沙災害嚴重威脅鹽池縣北部風沙區為研究區域，利用2012年土地利用數據，依據風沙災害系統理論構建沙區聚落生態安全評價體系，對沙區聚落進行生態安全評價。利用構建的沙區聚落生態安全評價指標體系對鹽池北部風沙區的聚落進行生態安全評價。結果顯示：鹽池北部風沙區286個聚落中，達到安全級別的有102個，占到了35.7%；危險的有184個，占64.3%。處于危險級別的聚落中，仍然存在一半左右的聚落處于中度危險級別以上。沙區聚落生態安全有待提高，急需采取相應的生態安全防護措施。

沙區； 聚落； 生態安全評價

土地沙化是當今世界重要的生態環境問題，我國目前也是遭受土地沙化嚴重威脅的國家之一。截至2009年底，我國沙化土地面積達到173.11萬km2，占全國土地面積的18.03%。全國具有明顯沙化趨勢的土地面積達到31.10 萬km2，占全國總面積3.24%[1]。近年來，我國已開展大量的荒漠化治理研究，為控制土地沙化，也采取了相應的工程措施；但是土地沙漠化的問題仍然沒有得到很好的解決，土地沙化形勢依然嚴峻。在我國北方大部分地區，土地沙化已成為重大的生態問題，嚴重制約著區域經濟發展和生態文明建設，同時也使沙區聚落的生態安全受到嚴重威脅。聚落通常指鄉村聚落，由各種物質要素組成，是人類各種居住地的總稱[2]。沙區聚落所處沙漠化地區，與其他地區的聚落不盡相同。由于其脆弱的生態環境，惡劣的氣候條件，自然災害頻發，導致居民生活水平低下，沙區人居環境安全受到了嚴重的威脅，農牧民為了自身的生存不得不從自己的家園遷移到另一個生態環境能夠滿足生存的地方，這部分被迫遷移的人就是生態難民[3]。據統計，有470多個市(縣)、4億多人口、 5萬多農民生活的村莊和小城鎮的生態環境受到嚴重威脅，居民淪為生態難民。如何使沙區聚落的生存空間得到切實有效的保障，沙區人居環境生態安全得到保障，使得沙區聚落的生態環境得到恢復，是當今研究的熱點。

本研究以沙區聚落生態環境系統作為出發點，以保障沙區聚落生態安全為目標，從風沙災害角度，以災害系統理論為基礎構建沙區聚落生態安全評價指標體系，對沙區聚落生態安全進行評價。以期為沙區聚生態環境恢復和生態安全建設提供參考。

1 研究區概況

本研究區域為鹽池縣的北部風沙區，該研究區屬于寧夏境內，位于寧、陜、蒙3省(區)交界處;地處毛烏素沙漠的南緣，屬于典型的農牧業交錯區;地理坐標E106°30′～107°47′，N 37°04′～38°10′，地面海拔為1 400～1 500 m。研究區包含鹽池縣北部的5個鄉鎮，即高沙窩鎮、王樂井鄉、馮記溝鄉、青山鄉和花馬池鎮;總面積達4 035 km2，占鹽池縣總面積的79.37%。植被類型主要以沙生草本和灌木為主，生態環境極其脆弱，土地荒漠化、風沙災害嚴重威脅沙區聚落生態安全與區域的可持續發展[4]。

2 研究方法

2.1 基礎數據處理

利用公式計算植被覆蓋度

(1)

式中：f為植被覆蓋度；N為植被歸一化指數；Nmin為植被歸一化指數最小值；Nmax為植被歸一化指數最大值。

利用ArcGIS10.0作為數據處理平臺，進行多源數據集成，將遙感影像的空間數據轉化成相同的坐標和投影。提取土地類型、聚落分布、等自然因子數據作為聚落生態安全的評價的數據。生成評價因子圖(圖1～圖4)：

圖1 2012年研究區土地利用類型圖Fig.1 Land use in 2012

圖2 植被覆蓋度分布圖(2012年)Fig.2 Vegetation coverage location(2012)

圖3 土壤有機碳含量Fig.3 Soil organic matter carbon content

圖4 土壤類型分布圖Fig.4 Soil type location

利用ArcGIS10.0軟件，結合2012年土地利用數據，提取出鹽池縣北部風沙區聚落，形成沙區聚落分布圖。通過GIS的疊加分析、領域分析等空間分析，按照建立的沙區聚落生態安全評價指標體系，對聚落的各個評價因子賦予相應的分值。最后通過評價模型進行計算出各個聚落所得的危險度分值，再根據沙區聚落生態評價劃分標準，得出沙區聚落生態安全評價結果。

2.2 生態安全指標體系構建

2.2.1 評價指標的選取 風沙災害是沙區聚落生態安全的主要威脅，人為因素和自然因素是風沙災害發生的主要影響因素。本文的沙區聚落生態安全評價指標最終從聚落所處區域的自然條件、聚落周圍局地條件以及承災體沙區聚落3個方面考慮。

2.2.2 評價標準值的確定 在各個評價指標體系中，由于研究對象以及評價方向的不同，所以評價標準值的確定標準也不盡相同。本文主要從以下5個方面進行評價標準值的選?。?)國家、行業和地方規定的標準[5]；2)以北部風沙區的生態環境本底值和背景值作為生態評價標準；3)尋找未受到嚴重人為干擾，生態安全度高，即研究區域未受到人類干擾破壞的自然生態系統的各個生態因子和功能的指標作為評價標準[6]；4)根據以往研究已經判定的生態效應結果作為參考的標準值；5)專家調研與科學試驗相結合的方法確定的數據標準。

2.2.3 指標的標準化處理 由于指標的屬性不同，不同指標值的大小對于生態安全的威脅也不同。會有正向指標和負向指標之分，隨著正向指標值的增大，區域的危險性越高，生態安全系數就越??；而隨著負向指標值的增大，區域的危險性越小，生態安全系數就越高。不同的指標類型采用的標準化如式(2)、式(3)[7]所示。

正向指標

(2)

負向指標

(3)

式中：zi為標準化值；ci為指標實際值；cmax為指標最大值；cmin為指標最小值；i為因子數。

2.2.4 指標權重的確定 采用均方差決策法[8]和專家賦值法相結合的方法對評價指標的權重進行賦值，并結合目前研究成果進行相應的調整。

1)原始數據的標準化處理；

2)隨機變量的均值

(4)

3)隨機變量的均方差

(5)

4)指標的權重值

(6)式中：Zj為標準化值；E(Zj)為指標j標準化值；σ(Zj)為指標j均方差；W(Zj)為指標j權重；n為指標數，m為子系統中的指標數；j為指標中第j個因子數。

3 鹽池北部風沙區聚落生態安全評價

沙區生態環境最主要的問題是草場退化、沙區面積增大以及土地沙化帶來的生態系統的破壞等問題。其中沙區聚落的生態安全主要是受風沙災害的威脅，因此主要考慮因素立足于沙區聚落風沙災害。危險性是危險可能性的簡稱，是表征對象在災害發生時遭到損害的可能性的大小程度[9]。當危險性越小時，其發生對象則是越安全。本文的沙區聚落的生態安全評價實質上可以認為是沙區聚落的風沙災害危險性評價。

3.1 沙區聚落風沙災害系統分析

孕災環境、致災因子和承災體復合組成了結構體系，功能體系則由孕災環境的穩定性、致災因子的危險性以及承災體的脆弱性共同構成。沙區聚落風沙災害系統見圖5。

圖5 沙區聚落風沙災害系統模型Fig.5 Model of aeolian sand disaster system in sandy areas

沙區聚落由于受到風沙災害的威脅，在進行風沙災害危險性評價時，可以將其看作一個沙區聚落風沙災害系統。在這個災害系統中，孕災環境包括沙區聚落所處的鹽池北部風沙區的自然條件以及聚落所處的局地因素。主要的致災因子是區域的浮塵和風沙流。相應的承災體是沙區聚落。災情則是聚落的生態受到破壞，生態環境惡化，聚落人居環境質量下降的情況。

在選擇評價指標和構建評價模型時，需要進一步對沙區聚落災害鏈進行分析，弄清沙區聚落風沙災害的發生發展過程，了解在災害形成過程中各種影響因子的影響機制。對于局地自然條件，主要考慮的因子是沙源地區提供的沙塵物質的數量，其主要受到2方面因素決定：地表裸露程度和地表可蝕性。沙區地面地表的裸露程度與土地沙化的類型和程度直接相關，而植被覆蓋又是土地沙化類型和程度的重要標志。土壤質地是地表可蝕性的決定因素。

通過沙區聚落風沙災害系統分析可知，聚落的生態安全取決于所處區域的自然環境條件，同時還受到聚落局地因素的影響；因此在進行生態安全評價時，要從區域評價與局地評價2個層次進行分析。這既有利于區域間的比較分析，又突出了不同聚落的個體特征。通過進一步的災害鏈分析，突出了主導因子，并將諸多因子進行區別以及劃歸，這有利于評價指標的選取以及權重的確定，確保評價模型結果的準確性[10]。

3.2 生態安全評價指標體系的構建與分級

在災害系統分析的基礎上，結合已有的成果，構建沙區聚落生態安全評價指標體系。主要分為3個方面：風沙災害的區域評價、聚落風沙災害的局地特征評價以及聚落對于災害的敏感性分析評價。

3.2.1 區域評價指標選取 風沙災害的區域評價，需要進行考慮的因子包括風速、干燥程度、地表裸露情況和地表可蝕性；但是由于研究區處于鹽池縣北部風沙區，區域范圍較小，風速以及干燥程度并沒有過大的區別，因此這2個因素不納入評價指標中。其中地表的裸露情況可以依據沙區植被覆蓋度進行體現，可蝕性則受到土壤類型和土壤理化性質的影響。土壤理化性質受到土壤有機質、土壤N含量以及有機碳等因素影響，但是這些因素具有較強的相關性，只需選取1個因子進行評價；因此，風沙災害的區域評價包括土壤類型、植被覆蓋度2個指標。

3.2.2 局地特征評價指標選取 風沙災害的局地評價中，由于研究區范圍較小，風沙災害的區域性自然條件差異較小，因此在聚落生態安全評價中，聚落的局地特征是造成聚落生態安全差異的重要因素。局地評價中包括3個指標：有無河流及其位置、沙源與聚落的位置距離關系以及植被與聚落的位置距離關系。通過風向的判斷，歸納出了沙源與聚落的3種位置模式(圖6)以及3個距離尺度(圖7)。同樣，植被與聚落之間也有相似的位置模式和距離關系。

圖6 致災因子與聚落位置模式Fig.6 Location mode of disaster-formative factors and settlement

圖7 致災因子與聚落距離關系Fig.7 Distance relationship between the hazard factors and settlement

3.2.3 承災體脆弱性評價指標選取 承災體的脆弱性評價即是針對聚落的自身特性進行評價。由于聚落自身的特點也會對聚落自身的生態脆弱性產生影響，災情也會有所不同。例如人口壓力因素，當人口壓力過大時，造成放牧強度增強，土地利用率增大

等其他因素的變化，導致風沙災害造成的損失也越大。同時還有其他的一些社會經濟因素包括聚落的產業結構、聚落的經濟水平等等，因此聚落自身的一些社會經濟情況也應該納入考慮。但是由于本文主要考慮的生態因素對聚落生態安全的影響，同時聚落的散落分布，分布范圍廣，其社會經濟數據不易獲取，因此暫不將其納入指標體系中。

3.2.4 生態安全評價指標分值確定 根據不同的評價指標等級，進行不同分值的賦予。區域評價和局地因子評價均采用100分制，結合現有的研究資料以及權重賦值的方法，確定指標的影響權重，得到聚落所處的區域評價的分值EA和聚落的局地特征評分值EL。當進行承災體脆弱性評價時，由于研究區的涉及范圍小，區域的整體社會經濟情況并沒有較大的差異，因此就將各個聚落的承災體脆弱性評價S賦值為1。其中EA和EL分值的計算模型[11]為

(7)

式中：E為EA和EL構建的2層收斂評價模型的分值；Wq為某指標相對于其上一層在評價指標的權重；q為指標層次；p為導致某個聚落風沙災害的因子個數。

在進行聚落局地因子評價分值計算時，要先按位置模式打分，然后再根據距離遠近判定得分。相應的評價指標及分值見表1、表2。

3.3 構建生態安全評價模型

根據災害系統理論，致災因子的危險性、孕災環境的穩定性和承災體的脆弱性綜合作用，共同決定著聚落的風沙災害危險度。其中致災因子是導致災害產生的最主要的原因，聚落的脆弱性則會放大和縮小災害的影響程度。在現有的研究中，區域的風沙災害危險度大多由致災因子的危險性和承災體的脆弱性進行乘積得到；然而在沙區，針對每個聚落進行風沙觀測是很難實現的，因此致災因子的危險性很難通過實測數據進行判斷。D.S.Mileti[12]認為致災因子與孕災環境都歸于環境體系，具有一致性，因此可以通過孕災環境的穩定性來表征。沙區聚落的致災因子的危險性是通過聚落所處的區域情況和聚落的局地因素共同決定的。綜上所述，聚落的危險度評價模型為：

表1 區域評價指標體系、分級標準和權重

表2 聚落局地因子權重與分值

(8)

式中：D為聚落的危險度；S為聚落的脆弱性。

通過評價模型的計算得出危險度后，將得分進行標準化，利用標準偏差方法進行分析，劃分出6個生態安全級別見表3。

表3 沙區聚落生態評價劃分標準

4 生態安全評價結果

根據評價結果可知，鹽池縣北部風沙區的共有286個聚落，其中：安全級別的有102個，占到了35.7%；危險的有184個，僅占64.3%——其中：輕度危險的有86個，占危險級別聚落的46.7%；中度危險的有28個，占15.2%；重度危險的有43個，占23.4%；極度危險的有27個，占14.7%。從結果上看，鹽池北部風沙區超過一半的聚落受到風沙災害的威脅，僅有35%的聚落處于安全的級別，受到風沙災害的威脅較小。在危險聚落中，仍然存在一半以上的聚落是處于中度危險以上，這些聚落受到嚴峻的風沙災害的威脅，因此亟需采取相應的防護措施。

[1] 國家林業局. 中國荒漠化和沙化狀況公報[EB/OL].(2011-01-05)[2015-08-01]. http:∥www.greentimes.com/green/econo/hzgg/ggqs/content/2011-01/05/content_114232.htm

[2] 陳國階,方一平,陳勇, 等. 中國山區發展報告：中國山區聚落研究[M]. 北京:商務印書館,2007：1-24

[3] 盧琦. 中國沙情[M].北京:開明出版社,2000:20-21

[4] 王曼曼，吳秀芹，吳斌等.近25 a鹽池北部風沙區土地系統變化及空間集聚格局分析[J].農業工程學報，2014，30(21):256-267

[5] 何瓊. 巢湖流域生態安全的綜合評價研究[D].合肥：合肥工業大學, 2004：11-13

[6] 吳開亞.區域生態安全的綜合評價研究[D].合肥：中國科學技術大學,2003:21-30

[7] 李海龍.風沙災害危險性評價及防沙治沙安全格局構建研究[D]. 北京：北京林業大學, 2006:32-51

[8] 王明濤.多指標綜合評價中權數確定的離差、均方差決策方法[J].中國軟科學,1999(8):100-107

[9] 李海龍.風沙災害危險性評價及防沙治沙安全格局構建研究[D]. 北京：北京林業大學, 2006:32-51

[10] 岳耀杰, 王靜愛, 鄒學勇, 等. 中國北方沙區湖泊 (水庫) 風沙災害危險度評價與安全對策[J]. 干旱區研究, 2008, 25(4)：574-583

[11] 岳耀杰,王靜愛,易湘生,等. 中國北方沙區城市風沙災害危險度評價：基于遙感、地理信息系統和模型的研究[J].自然災害學報,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

(責任編輯：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

龐超(1989—)，男，碩士研究生。主要研究方向：3S在資源環境中的應用。E-mail：pccyq1824@163.com

?通信作者簡介：吳秀芹(1974—)，女，博士，副教授。主要研究方向：GIS應用以及土地利用變化。E-mail：wuxq@bjfu.edu.cn

X826

A

1672-3007(2015)05-0072-07

項目名稱：國家“十二五”科技支撐計劃課題“荒漠化地區退化土地治理與植被保育技術集成與示范”(2012BAD16B02)