基于地质敏感评价的黄土高原村落景观生态安全格局构建——以山西临汾市汾西县永安镇后加楼村为例

王 嘉 丁 康 李 帅 高 静

村落生态恢复是乡村振兴的热点和重点之一，地质安全敏感性评价则是黄土高原地区村落生态安全格局构建的重要环节。在总结已有研究基础上，从突发性地质灾害和缓变性地质灾害2个层面出发，较全面地总结黄土高原地区村落面临的地质灾害问题。针对我国现状，选取临汾市汾西县永安镇后加楼村作为研究对象，运用AHP确定权重因子，应用CSLE模型和GIS技术相结合，对地质灾害敏感性进行评估，得到研究区地质敏感格局。结果表明:（1）研究区高敏感区占地面积仅为村域面积的8.75%，但与农田和园地重叠率超过90%，这与其水土保持能力、植被覆盖率密切相关；（2）识别生态廊道7条，生态节点4个，主要分布在植被覆盖率较高的林地、草地等区域。针对后加楼村地质灾害频发的特征，构建地质敏感安全格局，以期为今后黄土高原地区村落开发与生态保护提供决策指引。

景观生态安全格局；地质灾害；中国土壤流失方程模型；水土流失；黄土高原

中国是地质环境脆弱、地质灾害多发的国家，山地、高原和丘陵面积超过国土面积的2/3，崩塌、滑坡等突发地质灾害几乎遍布各省[1]。而黄土高原地区是中国乃至世界水土流失最严重、生态环境最脆弱的地区之一，特殊的自然地理和地质环境导致该地区形成独特的地质问题[2-3]。地质灾害问题制约着黄土高原地区村镇规划和经济发展，同时损毁自然景观，影响其美学价值[4]，因此，保障黄土高原地区的生态安全已经成为当地居民的迫切需求。

20世纪90年代以来，景观生态安全格局的概念逐渐得到业内关注，“识别生态源地—构建阻力模型—提取生态廊道”这一模式[5-7]已成为国内外学者构建生态安全格局的基本模式。目前对地质敏感性评价的研究多集中在市级尺度上[8]，对村级的研究极为少见。本研究在村域尺度上选取典型黄土高原村落——后加楼村，作为研究对象。基于前人研究基础，将研究区地质灾害分为突发性地质灾害和缓变性地质灾害，探索黄土高原地区村落地质敏感评价的指标体系，对村域地质敏感性进行评估，指出关键斑块和廊道，并提出维持研究区地质安全的指导意见。

1 研究对象、数据与方法

1.1 研究区概况

后加楼村位于山西省西南部、吕梁山东南麓（36°41′～36°42′N，111°34′～111°35′E），村域总面积2.63 km2，村落距县域8 km，涧对线穿过村庄，交通条件便利。后加楼村属于半干旱—半湿润气候，地处温带大陆气候区，年平均降水量550 mm，地处黄土高原地区，村域植被覆盖率较低，水土流失严重。村内回祖河与对竹河交汇，但由于地下矿产的开采及干旱等因素导致后加楼内两条河均为季节性河流。

1.2 数据来源及处理

基础数据主要包括:

（1）土地利用数据。选取2018年Landsat8OLI遥感影像作为基础数据，空间分辨率为30 m，参考现有GoogleEarth卫星图，依据《第三次全国国土调查技术规程》将土地覆盖类型归结为耕地、林地、草地、园地、水域和住宅用地6类（图1）。

1. 研究区用地分类

（2）DEM数据。采用GDEM数字高程数据，空间分辨率为30 m，来源于地理空间数据云平台，用于获取高程和坡度。

（3）归一化植被指数（NDVI）。来自NASA-USGS平台，分辨率为30 m，取2018年最大值。

（4）土壤数据。山西省土壤类型数据，比例尺1∶100 000，来源于中国科学院数据云。

1.3 研究方法

（1）依据场地现状，整合当地的生态源地。

（2）对地质灾害进行分类。中国地质环境监测院将研究区地质灾害险情评估为Ⅰ级，即滑坡崩塌泥石流高险情区；依据研究区地质环境和地质体变化速度，将地质灾害分为突发性地质灾害和缓变性地质灾害2类。前者即狭义地质灾害，针对研究区现状主要指崩塌和滑坡；后者又称环境地质灾害，在黄土高原地区主要指水土流失。

（3）进行敏感性评价并叠加，通过GIS运算最小值，得到研究区综合地质敏感性用地，依据相关研究[9-10]，将其分为高敏感区、中敏感区、低敏感区和不敏感区4个层级。

（4）运用J. P. Knaapen等[11]提出的MCR（最小累积阻力）模型，构建研究区地质敏感安全格局，并识别相应的生态廊道与生态节点（图2）。

2. 地质敏感安全格局构建流程

2 研究结果与分析

2.1 生态源地确定

生态源地指现存乡土物种生境[8]。由于研究区对竹河与回祖河为季节性河流，除雨季外其余季节均为干涸状态，且大部分河道已被硬化，因此研究区河道不能被视为生态源地。面积较小的斑块较为零碎，没有辐射功能，基于盖里·本特鲁普在《保护区缓冲带—缓冲带、廊道和绿色通道设计指南》中[12]的研究，综合考虑研究区植物群落、爬行动物、鸟类和小型哺乳动物所需的最小生境斑块，选取面积不小于1 hm2的林地斑块作为研究区生态流扩散和维持的源点，整合后共计9个斑块（图3）。

3. 研究区源地斑块

2.2 地质灾害敏感评价

2.2.1 突发性地质灾害敏感评价

研究运用美国运筹学家T.L.Saaty 20世纪70年代初提出的层次分析法（AHP法）确定本文指标权重，考虑到敏感性指标之间的相关性，AHP只包括目标层和指标层[9]。现场调研发现村域内崩塌10处，滑坡2处，现存煤矿矿井1处，目前未发现塌陷。研究表明突发性地质灾害主要与岩土体类型、地形地貌（坡度、高程）、植被覆盖、人类活动条件（距水体距离、距道路距离等）4个影响因子有关[13-16]。研究区面积较小，岩土体类型在研究区内没有明显变化，将此影响因子排除，选取坡度、高程、植被覆盖（归一化植被指数）、距水体距离、距矿井距离和距道路距离6个评价因子作为指标层要素。

选择20位生态学、环境科学、地质学、风景园林学领域的专家，两两比较单因子对地质敏感的重要性，按照9分制进行打分。统计多个专家的打分方案，取众数分值，运用AHP计算各指标层权重（表1）。在层次分析法的运算中，需要进行一致性检验，检验指标（CR）为随机一致性比例，一般而言判断矩阵中CR越小，判断矩阵的一致性越好，通常认为CR＜0.1时，判断矩阵具有满意的一致性。CR计算公式为:CR=CI/RI，其中CI=（判断矩阵最大特征值-n）/（n-1），n为判断矩阵的维数，将研究中n=6代入，得到CI=0.0206。6阶方阵在理论上的平均随机一致性指标RI=1.24，判断矩阵的随机一致性比CR=0.0206/1.24=0.0166＜0.10，故认为判断矩阵具有令人满意的一致性。

将突发性地质灾害敏感性分为4个层级:高度敏感、中度敏感、轻度敏感和不敏感（表1），依据已有研究[13-16]，对4个层级敏感因子数值进行划分，同时在研究区现有突发性地质灾害区周围设置10 m、30 m、50 m缓冲区。利用ArcGIS对评价因子进行敏感性赋值并乘相应权重，将栅格化图层进行叠加得到研究区突发性地质灾害敏感用地（图4-a）。

4. 地质灾害敏感用地

表1 突发性地质灾害敏感评价表

2.2.2 缓变性地质灾害敏感评价

在黄土高原地区缓变性地质灾害主要指水土流失。水土流失是由地面径流作用于土壤引起的土壤侵蚀，易造成土壤养分流失、淤泥、面源污染等生态环境问题，最终导致生态环境恶化[10]。后加楼村地处黄土高原地东缘、梁峁状黄土丘陵区，现状生态基底脆弱，村域植被覆盖率仅为34.1%，水土流失率为50.2%[17]。中国土壤流失方程（CSLE）是刘宝元[18]参考USLE和RUSLE的思路针对中国实际改进的模型，更能反映中国土壤侵蚀的实际情况[19]，中国土壤侵蚀模型表达式为:

A=RK(LS)BET（1）

式中:A为土壤流失量；R为降雨侵蚀力因子，降雨侵蚀力与降雨量密切相关[20]，研究区尺度较小，降雨量无明显变化；K为土壤侵蚀因子，本文采用J. R. Williams等[21]在EPIC模型中的计算方法，其中K值大小由砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量和有机碳含量4个变量共同影响[22]；LS为坡长坡度因子；B为生物措施因子，依据蔡崇法等[23]估算方法，B值影响因子只有归一化植被指数，并与其成负相关；E为工程措施因子，研究区现有园地和耕地均为梯田，此影响因子不做考虑；T为耕作措施因子，依据参考文献[24]对耕作因子进行赋值。最终选取土壤侵蚀因子、坡度、归一化植被指数和耕作措施因子4个评价因子作为指标层要素（表2）。评价因子权重判断过程与突发性地质灾害相似，在此不再详述。将缓变性地质灾害敏感性分为4个层级:高度敏感、中度敏感、轻度敏感和不敏感，依据前人研究[10]，对4个层级敏感因子数值进行划分，在栅格化图层中对评价因子进行敏感性赋值并乘相应权重，利用ArcGIS进行叠加得到研究区缓变性地质灾害敏感用地（图4-b）。

表2 缓变性地质灾害敏感评价表

2.2.3 综合地质灾害敏感评价

将研究区2种地质灾害敏感评价进行叠加，通过GIS运算最小值，得到研究区综合地质敏感性用地，并分为高敏感区、中敏感区、低敏感区和不敏感区4个层级（图4-c）。其中高敏感区和中敏感区面积为0.23 km2和0.71 km2，分别占研究区面积8.75%、27%，主要分布在海拔较高、坡度较大处，是地质灾害发生的最严重区和次严重区，现状12处地质灾害点中有10处位于此区域。地质敏感高发区多分布在农田和园地，将地质敏感性用地与现状用地性质进行叠加，发现高敏感区域与农田和园地超过90%重叠，这与其水土保持能力、植被覆盖率密切相关。在未来规划中应对其进行灾害防护和生态修复，适当退耕还林，栽种水土保持林和经济林，进行拦沙蓄水[10]；中敏感区应减少人为活动的干扰，丰富灌草丛植被群落组分结构，增加物种多样性；低敏感区面积为0.97 km2，占研究区面积36.87%，可以对其进行生态农业等低强度开发；不敏感区面积为0.72 km2，占研究区面积27.38%，主要分布在海拔较低、坡度较小处，是未来村落土地开发建设的核心区域。

2.3 地质敏感安全格局构建

2.3.1 阻力模型构建

种子传播、动物迁移和基因流动等生态过程是通过克服阻力来完成的，因此构建适宜的阻力模型有助于准确判断生态流运动方向[25]。研究表明，地质灾害发生的频率和密度与生态流呈负相关，灾害高发区甚至会切断或阻隔种群交流[26]。将高敏感区、中敏感区、低敏感区和不敏感区阻力系数依此拟定为100、50、10、1，运用MCR模型，构建生态流扩散阻力面，其基本公式如下:

式中:MCR为生态流扩散的最小累积阻力值；Dij为物种从源地j到景观i的扩散距离；Ri为景观i的扩散阻力，在本研究中为地质敏感性；f为最小累积阻力与生态过程的正相关系。

2.3.2 地质敏感安全格局构建

景观连通度是衡量景观生态过程的重要指标，廊道的构建可以高效提升源间连通度。研究基于MCR模型，通过回溯成本栅格计算出后加楼源地之间最小阻力路径，即生态廊道，并依此判别生态节点，构建后加楼地质敏感安全格局（图5）。研究区新建生态廊道7条，依据不同学者有关生态廊道的研究[27]，后加楼村生态廊道宽度应设定为60 m。识别生态节点4个，其中A、B、C点是现存生态节点，是现存廊道交汇点，也是生态流的关键部位，在这些点减少人类活动，恢复林地斑块，丰富群落层次，有利于提高景观连通性；D点为新建生态节点，D点经过非生态用地和河流，是廊道阻力值最大点，应在其河岸种植缓冲过滤带，增加乡土湿生植物，营造丰富稳定的植物群落，为动物提供繁衍栖息地，完善滨水生态系统；建立灌排渠，在渠边适当种植乡土湿生植物，在渠底设置多条横向和纵向生态带，为动物的迁徙提供生态廊道[28]。总体而言，后加楼村生态廊道主要分布在植被覆盖率较高的林地、草地等区域，大体上避开了地质灾害敏感性较高的区域和非生态用地，将源地有效连接起来，能够为源地之间物种迁移和能量流动起到桥梁作用。

5. 研究区地质敏感安全格局

3 结论与讨论

3.1 结论

通过运用AHP对研究区突发性地质灾害和缓变性地质灾害进行评价，叠加得到研究区综合地质敏感性用地，并依此构建研究区地质敏感安全格局，结果显示:研究区高敏感区、中敏感区、低敏感区和不敏感区分别占研究区面积8.75%、27%、36.87%和27.38%，地质敏感高发区多分布在农田和园地，这与其水土保持能力、植被覆盖率密切相关，在未来规划中应适当退耕还林。识别生态廊道7条、生态节点4个，主要分布在植被覆盖率较高的林地、草地等区域，大体上避开了地质灾害敏感性较高的区域和非生态用地。后加楼村在开发建设过程中，应该注重景观生态安全格局的构建，合理利用土地资源，控制农村居民点无序蔓延，避免在地质敏感区域进行开发建设，优化生态廊道网络，开展生态恢复与重建，提升村落生态环境质量。

在现有景观生态安全格局的研究中，对地质安全层面的研究不够全面和深入，本文提出从突发性地质灾害和缓变性地质灾害2个层面出发，全面覆盖了黄土高原地区村落面临的地质灾害问题。同时运用CSLE模型进行水土流失敏感评价，相对于以往的USLE和RUSLE两种模型，更能反映中国水土流失的实际状况。在今后地质安全格局的构建中，应结合本文思路，从突发性地质灾害和缓变性地质灾害2个层级对黄土高原地区村落进行地质敏感性评价和安全格局的识别。

3.2 讨论

地质环境脆弱是我国大面积国土面临的问题，现有景观生态安全格局研究中针对地质环境敏感性的研究较少[29]，本文针对黄土高原地区地质敏感性评价，是对该问题有益的探讨。研究通过建立MCR模型对后加楼村主要生态过程进行分析，但是任何模型都存在细微的误差，同时景观具有复杂性，在最小累计阻力路径的运算中很难准确地评估景观阻力值，最优路径的选取并不完全取决于土地覆盖类型，气候、坡度等因素也可能影响到实际扩散路径的选取。研究在构建单一层级景观生态安全格局时，对生态过程中影响因子的选取主要是在实地调研的基础上参考了相关的研究成果，其精确程度有待后续完善和深入研究。此外，中国行政区划并非完全依照山水格局来划定，生态流的扩散受山水格局的限制，而行政边界对其的影响较小。后加楼村的行政边界并非完全依循地理界线，但由于数据所限本研究未研究行政边界对生态流扩散的影响，在今后的研究中，可以尝试探究研究区行政边界变更对生态安全格局构建的影响。