基于地質(zhì)敏感評價(jià)的黃土高原村落景觀生態(tài)安全格局構(gòu)建
——以山西臨汾市汾西縣永安鎮(zhèn)后加樓村為例

王 嘉 丁 康 李 帥 高 靜

村落生態(tài)恢復(fù)是鄉(xiāng)村振興的熱點(diǎn)和重點(diǎn)之一，地質(zhì)安全敏感性評價(jià)則是黃土高原地區(qū)村落生態(tài)安全格局構(gòu)建的重要環(huán)節(jié)。在總結(jié)已有研究基礎(chǔ)上，從突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害和緩變性地質(zhì)災(zāi)害2個(gè)層面出發(fā)，較全面地總結(jié)黃土高原地區(qū)村落面臨的地質(zhì)災(zāi)害問題。針對我國現(xiàn)狀，選取臨汾市汾西縣永安鎮(zhèn)后加樓村作為研究對象，運(yùn)用AHP確定權(quán)重因子，應(yīng)用CSLE模型和GIS技術(shù)相結(jié)合，對地質(zhì)災(zāi)害敏感性進(jìn)行評估，得到研究區(qū)地質(zhì)敏感格局。結(jié)果表明:（1）研究區(qū)高敏感區(qū)占地面積僅為村域面積的8.75%，但與農(nóng)田和園地重疊率超過90%，這與其水土保持能力、植被覆蓋率密切相關(guān)；（2）識(shí)別生態(tài)廊道7條，生態(tài)節(jié)點(diǎn)4個(gè)，主要分布在植被覆蓋率較高的林地、草地等區(qū)域。針對后加樓村地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的特征，構(gòu)建地質(zhì)敏感安全格局，以期為今后黃土高原地區(qū)村落開發(fā)與生態(tài)保護(hù)提供決策指引。

景觀生態(tài)安全格局；地質(zhì)災(zāi)害；中國土壤流失方程模型；水土流失；黃土高原

中國是地質(zhì)環(huán)境脆弱、地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國家，山地、高原和丘陵面積超過國土面積的2/3，崩塌、滑坡等突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害幾乎遍布各省[1]。而黃土高原地區(qū)是中國乃至世界水土流失最嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一，特殊的自然地理和地質(zhì)環(huán)境導(dǎo)致該地區(qū)形成獨(dú)特的地質(zhì)問題[2-3]。地質(zhì)災(zāi)害問題制約著黃土高原地區(qū)村鎮(zhèn)規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)損毀自然景觀，影響其美學(xué)價(jià)值[4]，因此，保障黃土高原地區(qū)的生態(tài)安全已經(jīng)成為當(dāng)?shù)鼐用竦钠惹行枨蟆?/p>

20世紀(jì)90年代以來，景觀生態(tài)安全格局的概念逐漸得到業(yè)內(nèi)關(guān)注，“識(shí)別生態(tài)源地—構(gòu)建阻力模型—提取生態(tài)廊道”這一模式[5-7]已成為國內(nèi)外學(xué)者構(gòu)建生態(tài)安全格局的基本模式。目前對地質(zhì)敏感性評價(jià)的研究多集中在市級尺度上[8]，對村級的研究極為少見。本研究在村域尺度上選取典型黃土高原村落——后加樓村，作為研究對象。基于前人研究基礎(chǔ)，將研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分為突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害和緩變性地質(zhì)災(zāi)害，探索黃土高原地區(qū)村落地質(zhì)敏感評價(jià)的指標(biāo)體系，對村域地質(zhì)敏感性進(jìn)行評估，指出關(guān)鍵斑塊和廊道，并提出維持研究區(qū)地質(zhì)安全的指導(dǎo)意見。

1 研究對象、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

后加樓村位于山西省西南部、呂梁山東南麓（36°41′～36°42′N，111°34′～111°35′E），村域總面積2.63 km2，村落距縣域8 km，澗對線穿過村莊，交通條件便利。后加樓村屬于半干旱—半濕潤氣候，地處溫帶大陸氣候區(qū)，年平均降水量550 mm，地處黃土高原地區(qū)，村域植被覆蓋率較低，水土流失嚴(yán)重。村內(nèi)回祖河與對竹河交匯，但由于地下礦產(chǎn)的開采及干旱等因素導(dǎo)致后加樓內(nèi)兩條河均為季節(jié)性河流。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括:

（1）土地利用數(shù)據(jù)。選取2018年Landsat8OLI遙感影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，參考現(xiàn)有GoogleEarth衛(wèi)星圖，依據(jù)《第三次全國國土調(diào)查技術(shù)規(guī)程》將土地覆蓋類型歸結(jié)為耕地、林地、草地、園地、水域和住宅用地6類（圖1）。

1. 研究區(qū)用地分類

（2）DEM數(shù)據(jù)。采用GDEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)，用于獲取高程和坡度。

（3）歸一化植被指數(shù)（NDVI）。來自NASA-USGS平臺(tái)，分辨率為30 m，取2018年最大值。

（4）土壤數(shù)據(jù)。山西省土壤類型數(shù)據(jù)，比例尺1∶100 000，來源于中國科學(xué)院數(shù)據(jù)云。

1.3 研究方法

（1）依據(jù)場地現(xiàn)狀，整合當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)源地。

（2）對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行分類。中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院將研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情評估為Ⅰ級，即滑坡崩塌泥石流高險(xiǎn)情區(qū)；依據(jù)研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)體變化速度，將地質(zhì)災(zāi)害分為突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害和緩變性地質(zhì)災(zāi)害2類。前者即狹義地質(zhì)災(zāi)害，針對研究區(qū)現(xiàn)狀主要指崩塌和滑坡；后者又稱環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，在黃土高原地區(qū)主要指水土流失。

（3）進(jìn)行敏感性評價(jià)并疊加，通過GIS運(yùn)算最小值，得到研究區(qū)綜合地質(zhì)敏感性用地，依據(jù)相關(guān)研究[9-10]，將其分為高敏感區(qū)、中敏感區(qū)、低敏感區(qū)和不敏感區(qū)4個(gè)層級。

（4）運(yùn)用J. P. Knaapen等[11]提出的MCR（最小累積阻力）模型，構(gòu)建研究區(qū)地質(zhì)敏感安全格局，并識(shí)別相應(yīng)的生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點(diǎn)（圖2）。

2. 地質(zhì)敏感安全格局構(gòu)建流程

2 研究結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)源地確定

生態(tài)源地指現(xiàn)存鄉(xiāng)土物種生境[8]。由于研究區(qū)對竹河與回祖河為季節(jié)性河流，除雨季外其余季節(jié)均為干涸狀態(tài)，且大部分河道已被硬化，因此研究區(qū)河道不能被視為生態(tài)源地。面積較小的斑塊較為零碎，沒有輻射功能，基于蓋里·本特魯普在《保護(hù)區(qū)緩沖帶—緩沖帶、廊道和綠色通道設(shè)計(jì)指南》中[12]的研究，綜合考慮研究區(qū)植物群落、爬行動(dòng)物、鳥類和小型哺乳動(dòng)物所需的最小生境斑塊，選取面積不小于1 hm2的林地斑塊作為研究區(qū)生態(tài)流擴(kuò)散和維持的源點(diǎn)，整合后共計(jì)9個(gè)斑塊（圖3）。

3. 研究區(qū)源地斑塊

2.2 地質(zhì)災(zāi)害敏感評價(jià)

2.2.1 突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害敏感評價(jià)

研究運(yùn)用美國運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty 20世紀(jì)70年代初提出的層次分析法（AHP法）確定本文指標(biāo)權(quán)重，考慮到敏感性指標(biāo)之間的相關(guān)性，AHP只包括目標(biāo)層和指標(biāo)層[9]。現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)村域內(nèi)崩塌10處，滑坡2處，現(xiàn)存煤礦礦井1處，目前未發(fā)現(xiàn)塌陷。研究表明突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害主要與巖土體類型、地形地貌（坡度、高程）、植被覆蓋、人類活動(dòng)條件（距水體距離、距道路距離等）4個(gè)影響因子有關(guān)[13-16]。研究區(qū)面積較小，巖土體類型在研究區(qū)內(nèi)沒有明顯變化，將此影響因子排除，選取坡度、高程、植被覆蓋（歸一化植被指數(shù)）、距水體距離、距礦井距離和距道路距離6個(gè)評價(jià)因子作為指標(biāo)層要素。

選擇20位生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、風(fēng)景園林學(xué)領(lǐng)域的專家，兩兩比較單因子對地質(zhì)敏感的重要性，按照9分制進(jìn)行打分。統(tǒng)計(jì)多個(gè)專家的打分方案，取眾數(shù)分值，運(yùn)用AHP計(jì)算各指標(biāo)層權(quán)重（表1）。在層次分析法的運(yùn)算中，需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)指標(biāo)（CR）為隨機(jī)一致性比例，一般而言判斷矩陣中CR越小，判斷矩陣的一致性越好，通常認(rèn)為CR＜0.1時(shí)，判斷矩陣具有滿意的一致性。CR計(jì)算公式為:CR=CI/RI，其中CI=（判斷矩陣最大特征值-n）/（n-1），n為判斷矩陣的維數(shù)，將研究中n=6代入，得到CI=0.0206。6階方陣在理論上的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=1.24，判斷矩陣的隨機(jī)一致性比CR=0.0206/1.24=0.0166＜0.10，故認(rèn)為判斷矩陣具有令人滿意的一致性。

將突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害敏感性分為4個(gè)層級:高度敏感、中度敏感、輕度敏感和不敏感（表1），依據(jù)已有研究[13-16]，對4個(gè)層級敏感因子數(shù)值進(jìn)行劃分，同時(shí)在研究區(qū)現(xiàn)有突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害區(qū)周圍設(shè)置10 m、30 m、50 m緩沖區(qū)。利用ArcGIS對評價(jià)因子進(jìn)行敏感性賦值并乘相應(yīng)權(quán)重，將柵格化圖層進(jìn)行疊加得到研究區(qū)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害敏感用地（圖4-a）。

4. 地質(zhì)災(zāi)害敏感用地

表1 突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害敏感評價(jià)表

2.2.2 緩變性地質(zhì)災(zāi)害敏感評價(jià)

在黃土高原地區(qū)緩變性地質(zhì)災(zāi)害主要指水土流失。水土流失是由地面徑流作用于土壤引起的土壤侵蝕，易造成土壤養(yǎng)分流失、淤泥、面源污染等生態(tài)環(huán)境問題，最終導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化[10]。后加樓村地處黃土高原地東緣、梁峁?fàn)铧S土丘陵區(qū)，現(xiàn)狀生態(tài)基底脆弱，村域植被覆蓋率僅為34.1%，水土流失率為50.2%[17]。中國土壤流失方程（CSLE）是劉寶元[18]參考USLE和RUSLE的思路針對中國實(shí)際改進(jìn)的模型，更能反映中國土壤侵蝕的實(shí)際情況[19]，中國土壤侵蝕模型表達(dá)式為:

A=RK(LS)BET（1）

式中:A為土壤流失量；R為降雨侵蝕力因子，降雨侵蝕力與降雨量密切相關(guān)[20]，研究區(qū)尺度較小，降雨量無明顯變化；K為土壤侵蝕因子，本文采用J. R. Williams等[21]在EPIC模型中的計(jì)算方法，其中K值大小由砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量和有機(jī)碳含量4個(gè)變量共同影響[22]；LS為坡長坡度因子；B為生物措施因子，依據(jù)蔡崇法等[23]估算方法，B值影響因子只有歸一化植被指數(shù)，并與其成負(fù)相關(guān)；E為工程措施因子，研究區(qū)現(xiàn)有園地和耕地均為梯田，此影響因子不做考慮；T為耕作措施因子，依據(jù)參考文獻(xiàn)[24]對耕作因子進(jìn)行賦值。最終選取土壤侵蝕因子、坡度、歸一化植被指數(shù)和耕作措施因子4個(gè)評價(jià)因子作為指標(biāo)層要素（表2）。評價(jià)因子權(quán)重判斷過程與突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害相似，在此不再詳述。將緩變性地質(zhì)災(zāi)害敏感性分為4個(gè)層級:高度敏感、中度敏感、輕度敏感和不敏感，依據(jù)前人研究[10]，對4個(gè)層級敏感因子數(shù)值進(jìn)行劃分，在柵格化圖層中對評價(jià)因子進(jìn)行敏感性賦值并乘相應(yīng)權(quán)重，利用ArcGIS進(jìn)行疊加得到研究區(qū)緩變性地質(zhì)災(zāi)害敏感用地（圖4-b）。

表2 緩變性地質(zhì)災(zāi)害敏感評價(jià)表

2.2.3 綜合地質(zhì)災(zāi)害敏感評價(jià)

將研究區(qū)2種地質(zhì)災(zāi)害敏感評價(jià)進(jìn)行疊加，通過GIS運(yùn)算最小值，得到研究區(qū)綜合地質(zhì)敏感性用地，并分為高敏感區(qū)、中敏感區(qū)、低敏感區(qū)和不敏感區(qū)4個(gè)層級（圖4-c）。其中高敏感區(qū)和中敏感區(qū)面積為0.23 km2和0.71 km2，分別占研究區(qū)面積8.75%、27%，主要分布在海拔較高、坡度較大處，是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的最嚴(yán)重區(qū)和次嚴(yán)重區(qū)，現(xiàn)狀12處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)中有10處位于此區(qū)域。地質(zhì)敏感高發(fā)區(qū)多分布在農(nóng)田和園地，將地質(zhì)敏感性用地與現(xiàn)狀用地性質(zhì)進(jìn)行疊加，發(fā)現(xiàn)高敏感區(qū)域與農(nóng)田和園地超過90%重疊，這與其水土保持能力、植被覆蓋率密切相關(guān)。在未來規(guī)劃中應(yīng)對其進(jìn)行災(zāi)害防護(hù)和生態(tài)修復(fù)，適當(dāng)退耕還林，栽種水土保持林和經(jīng)濟(jì)林，進(jìn)行攔沙蓄水[10]；中敏感區(qū)應(yīng)減少人為活動(dòng)的干擾，豐富灌草叢植被群落組分結(jié)構(gòu)，增加物種多樣性；低敏感區(qū)面積為0.97 km2，占研究區(qū)面積36.87%，可以對其進(jìn)行生態(tài)農(nóng)業(yè)等低強(qiáng)度開發(fā)；不敏感區(qū)面積為0.72 km2，占研究區(qū)面積27.38%，主要分布在海拔較低、坡度較小處，是未來村落土地開發(fā)建設(shè)的核心區(qū)域。

2.3 地質(zhì)敏感安全格局構(gòu)建

2.3.1 阻力模型構(gòu)建

種子傳播、動(dòng)物遷移和基因流動(dòng)等生態(tài)過程是通過克服阻力來完成的，因此構(gòu)建適宜的阻力模型有助于準(zhǔn)確判斷生態(tài)流運(yùn)動(dòng)方向[25]。研究表明，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻率和密度與生態(tài)流呈負(fù)相關(guān)，災(zāi)害高發(fā)區(qū)甚至?xí)袛嗷蜃韪舴N群交流[26]。將高敏感區(qū)、中敏感區(qū)、低敏感區(qū)和不敏感區(qū)阻力系數(shù)依此擬定為100、50、10、1，運(yùn)用MCR模型，構(gòu)建生態(tài)流擴(kuò)散阻力面，其基本公式如下:

式中:MCR為生態(tài)流擴(kuò)散的最小累積阻力值；Dij為物種從源地j到景觀i的擴(kuò)散距離；Ri為景觀i的擴(kuò)散阻力，在本研究中為地質(zhì)敏感性；f為最小累積阻力與生態(tài)過程的正相關(guān)系。

2.3.2 地質(zhì)敏感安全格局構(gòu)建

景觀連通度是衡量景觀生態(tài)過程的重要指標(biāo)，廊道的構(gòu)建可以高效提升源間連通度。研究基于MCR模型，通過回溯成本柵格計(jì)算出后加樓源地之間最小阻力路徑，即生態(tài)廊道，并依此判別生態(tài)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建后加樓地質(zhì)敏感安全格局（圖5）。研究區(qū)新建生態(tài)廊道7條，依據(jù)不同學(xué)者有關(guān)生態(tài)廊道的研究[27]，后加樓村生態(tài)廊道寬度應(yīng)設(shè)定為60 m。識(shí)別生態(tài)節(jié)點(diǎn)4個(gè)，其中A、B、C點(diǎn)是現(xiàn)存生態(tài)節(jié)點(diǎn)，是現(xiàn)存廊道交匯點(diǎn)，也是生態(tài)流的關(guān)鍵部位，在這些點(diǎn)減少人類活動(dòng)，恢復(fù)林地斑塊，豐富群落層次，有利于提高景觀連通性；D點(diǎn)為新建生態(tài)節(jié)點(diǎn)，D點(diǎn)經(jīng)過非生態(tài)用地和河流，是廊道阻力值最大點(diǎn)，應(yīng)在其河岸種植緩沖過濾帶，增加鄉(xiāng)土濕生植物，營造豐富穩(wěn)定的植物群落，為動(dòng)物提供繁衍棲息地，完善濱水生態(tài)系統(tǒng)；建立灌排渠，在渠邊適當(dāng)種植鄉(xiāng)土濕生植物，在渠底設(shè)置多條橫向和縱向生態(tài)帶，為動(dòng)物的遷徙提供生態(tài)廊道[28]。總體而言，后加樓村生態(tài)廊道主要分布在植被覆蓋率較高的林地、草地等區(qū)域，大體上避開了地質(zhì)災(zāi)害敏感性較高的區(qū)域和非生態(tài)用地，將源地有效連接起來，能夠?yàn)樵吹刂g物種遷移和能量流動(dòng)起到橋梁作用。

5. 研究區(qū)地質(zhì)敏感安全格局

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

通過運(yùn)用AHP對研究區(qū)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害和緩變性地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行評價(jià)，疊加得到研究區(qū)綜合地質(zhì)敏感性用地，并依此構(gòu)建研究區(qū)地質(zhì)敏感安全格局，結(jié)果顯示:研究區(qū)高敏感區(qū)、中敏感區(qū)、低敏感區(qū)和不敏感區(qū)分別占研究區(qū)面積8.75%、27%、36.87%和27.38%，地質(zhì)敏感高發(fā)區(qū)多分布在農(nóng)田和園地，這與其水土保持能力、植被覆蓋率密切相關(guān)，在未來規(guī)劃中應(yīng)適當(dāng)退耕還林。識(shí)別生態(tài)廊道7條、生態(tài)節(jié)點(diǎn)4個(gè)，主要分布在植被覆蓋率較高的林地、草地等區(qū)域，大體上避開了地質(zhì)災(zāi)害敏感性較高的區(qū)域和非生態(tài)用地。后加樓村在開發(fā)建設(shè)過程中，應(yīng)該注重景觀生態(tài)安全格局的構(gòu)建，合理利用土地資源，控制農(nóng)村居民點(diǎn)無序蔓延，避免在地質(zhì)敏感區(qū)域進(jìn)行開發(fā)建設(shè)，優(yōu)化生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)，開展生態(tài)恢復(fù)與重建，提升村落生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

在現(xiàn)有景觀生態(tài)安全格局的研究中，對地質(zhì)安全層面的研究不夠全面和深入，本文提出從突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害和緩變性地質(zhì)災(zāi)害2個(gè)層面出發(fā)，全面覆蓋了黃土高原地區(qū)村落面臨的地質(zhì)災(zāi)害問題。同時(shí)運(yùn)用CSLE模型進(jìn)行水土流失敏感評價(jià)，相對于以往的USLE和RUSLE兩種模型，更能反映中國水土流失的實(shí)際狀況。在今后地質(zhì)安全格局的構(gòu)建中，應(yīng)結(jié)合本文思路，從突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害和緩變性地質(zhì)災(zāi)害2個(gè)層級對黃土高原地區(qū)村落進(jìn)行地質(zhì)敏感性評價(jià)和安全格局的識(shí)別。

3.2 討論

地質(zhì)環(huán)境脆弱是我國大面積國土面臨的問題，現(xiàn)有景觀生態(tài)安全格局研究中針對地質(zhì)環(huán)境敏感性的研究較少[29]，本文針對黃土高原地區(qū)地質(zhì)敏感性評價(jià)，是對該問題有益的探討。研究通過建立MCR模型對后加樓村主要生態(tài)過程進(jìn)行分析，但是任何模型都存在細(xì)微的誤差，同時(shí)景觀具有復(fù)雜性，在最小累計(jì)阻力路徑的運(yùn)算中很難準(zhǔn)確地評估景觀阻力值，最優(yōu)路徑的選取并不完全取決于土地覆蓋類型，氣候、坡度等因素也可能影響到實(shí)際擴(kuò)散路徑的選取。研究在構(gòu)建單一層級景觀生態(tài)安全格局時(shí)，對生態(tài)過程中影響因子的選取主要是在實(shí)地調(diào)研的基礎(chǔ)上參考了相關(guān)的研究成果，其精確程度有待后續(xù)完善和深入研究。此外，中國行政區(qū)劃并非完全依照山水格局來劃定，生態(tài)流的擴(kuò)散受山水格局的限制，而行政邊界對其的影響較小。后加樓村的行政邊界并非完全依循地理界線，但由于數(shù)據(jù)所限本研究未研究行政邊界對生態(tài)流擴(kuò)散的影響，在今后的研究中，可以嘗試探究研究區(qū)行政邊界變更對生態(tài)安全格局構(gòu)建的影響。