基于生态系统服务供需的贵州省生态安全网络构建与优化.pdf
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1、引用格式:曾兴兰,陈田田基于生态系统服务供需的贵州省生态安全网络构建与优化 山地学报,():,():山 地 学 报 文章编号:():收稿日期():;改回日期():基金项目():重庆市教委社科规划项目()。()作者简介():曾兴兰(),女,四川成都人,硕士研究生,主要研究方向:土地利用与生态系统服务响应。(),:通讯作者():陈田田(),女,博士,副教授,主要研究方向:土地利用变化与生态响应。(),:基于生态系统服务供需的贵州省生态安全网络构建与优化曾兴兰,陈田田,(重庆师范大学 三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室;三峡库区地表生态过程野外科学观测研究站,重庆 )摘要:贵州喀斯特地区生态
2、本底条件脆弱、生态问题频发,严重制约了区域可持续发展。构建合理的生态安全网络对保障生态环境健康、促进社会 经济可持续发展意义重大。当前针对喀斯特生态安全网络构建的研究多强调生态系统服务的最大输出,忽视了社会 生态系统的相互联系和制约关系,导致构建的生态安全网络总体效果欠佳。基于此,本文以贵州省为例,依据生态系统服务总供给、供需关系界定生态斑块,并结合景观连通性以及重要生态斑块的数量和面积识别生态源地,筛选合适指标构建生态阻力面,通过最小累积阻力模型和重力模型生成生态廊道,并选出重要的生态节点,构建区域生态安全网络;在此基础上,结合生态保护与修复规划,提出区域生态安全格局优化策略。结果显示:()
3、基于生态系统服务供需和景观连通性,共识别出研究区 个生态源地,面积为 ,以林草地和耕地的景观类型为主,其中大型生境斑块主要分布在研究区东南部和北部。()构建了 条一级生态廊道和 条二级生态廊道,廊道总长度为 ;识别出生态节点共 个,沿廊道分布于各区县。()为加强盲区生态建设,在西部新增五处生态源地辐射区,生态源地辐射区面积为 。同时,根据本文研究及区域相关规划,提出了“一带两轴三区多中点”的生态安全格局优化策略。本研究可为贵州省生态保护及区域生态安全提供科学参考。关键词:生态系统服务供需;景观连通性;生态安全网络;优化;贵州省中图分类号:文献标志码:喀斯特生态系统是全球陆地生态系统的重要组成,
4、也是全球碳循环的重要组成部分和关键环节,具有强大的碳汇功能 。同时,喀斯特生态系统具有稳定性弱、环境容量小、抗干扰能力差的特征,具有高度的敏感性和脆弱性 。贵州省作为中国喀斯特地貌的典型分布区,区内土层浅薄、持水能力弱,具有明显的地上、地下二元结构 。人类活动加剧了当地生态环境的脆弱性。加强区域生态修复、构建区域生态安全网络,对促进喀斯特地区生态安全建设具有重要意义。关于贵州喀斯特地区生态安全网络的研究主要集中于两个方面:一是生态安全网络构建;二是生态安全网络优化。就生态安全网络构建而言,基本上形成了“源地阻力面廊道”的研究框架。其中,源地识别主要是选择生境质量较好的林草地或水域作为生态源地
5、;在阻力面构建上,通常是对综合阻力面赋值所得 ,也有采用不透水表面指数 、灯光数据 等对阻力面进行修正;生态廊道提取的方法有最小累积阻力模型 和电路理论 。在生态安全网络优化上,主要方法有泰森盲区多边形 、力导向布局算法 、元胞自动机 等,具体措施有保护核心生态源地 、建设踏脚石 、增添新廊道 等。整体来看,上述研究为区域生态安全网络构建和优化提供了重要的理论支撑和方法来源,生态系统服务也成为了生态安全网络构建和优化的主要媒介。然而,此类研究多强调生态系统服务的供给能力,对生态系统服务给人类福祉带来的贡献,以及物种扩散、迁移的畅通性涉及较少。实际上,依据生态安全的系统属性,其既应包括经济、环境
6、等多个方面,又应反映各维度之间的作用联系 。作为连接自然 社会系统的桥梁,生态系统服务供需为确保生态可持续和人类需求的满足提供了可操作路径,有必要将其纳入到生态安全网络构建中 。本文以贵州省为例,依据“源地阻力面廊道”的范式,将生态系统服务供需关系纳入到重要斑块识别中,并结合斑块数量和面积、景观连通性识别生态源地,通过综合指标构建阻力面,借助重力模型和最小阻力模型筛选生态廊道,构建贵州省生态安全网络;在此基础上,诊断出区域生态网络中存在的问题,对其进行针对性优化,并提出“一带两轴三区多中心”的生态修复方案,以期促进区域经济与生态协调发展。研究区域概况贵州省地处中国西南部,总面积约 (图 )。属
7、亚热带季风气候,年降水量 左右,年均气温 左右。贵州省由山地、丘陵、盆地、高原地貌类型组成,由于境内特殊的自然地理特征,促使其发育了世界上最为典型的喀斯特地貌 ,具有典型的喀斯特生态环境脆弱性。近年来人口数量增加,导致环境承载能力不足,加剧了水土流失、土地荒漠化、生态廊道局部断裂、生物多样性受损等生态环境问题。为此,贵州省提出了“生态优先,绿色发展”的总体目标,而生态安全网络的构建为保证区域生态安全、生物多样性,推进人与生态和谐共生提供了有力措施。图 研究区位置 数据与研究方法 数据来源与处理本文的国界、省界、县域边界、河流等基础地理信息数据来源于国家自然资源部(:);数字高程地形、土地利用类
8、型和归一化植被指数(,)均采用中国科学院资源与环境中心提供的数据(:),和土地类型空间分辨率为 ,空间分辨率为 ;气象数据来源于中国气象数据网(:),通过 软件进行插值获得了长时间序列逐月的栅格数据(空间分辨率为 );实际蒸散发数据(空间分辨率为 )来源于国家青藏高原科学数据中心(:);土壤数据来源于兰州寒区旱区科学数据中心 基于世界土壤数据库()的中国土壤数据集(:);植被净初级生产力(,)采用美国航天航空局制备好的空间分辨率为 的数据(:);能源排放数据来源于中国能源统计年鉴;粮食、肉类、油料、用水量等数据来源于贵州省统计年鉴和水资源公报;人口密度数据来源世界人口数据网(:)。人均公园绿地
9、使用面积来源于 贵州统计年鉴 ,人均面积为 。获取 年相关数据后,本文对各类数据的坐标系统、分辨率等进行统一。研究方法 生态源地识别定义生态源地 :保证高质量的生态功能,山地学报 卷 第 期以生态系统服务供给能力表示该维度;为人类福祉提供可持续的生态系统服务,以综合生态系统供需比表示该维度;保持景观连通性,维持物种迁移和扩散,以整体连通性和可能连通性指数代表该维度。具体步骤如下:生态系统服务重要性()粮食生产。本文以区域粮食产量的统计数据为基础,结合 的空间分布,实现粮食生产的空间表达。其公式如下 :供给:()()需求:()式中,为栅格粮食服务供给;为栅格 值;为各区县耕地上 值之和;为食物总
10、产量;为栅格粮食需求量;为人均粮食消费量;为栅格人口密度。()产水服务。基于水量平衡原理,通过计算降水总量与实际蒸散发间的差值来表示区域产水服务。其公式如下 :供给:()()需求:()式中,为产水服务供给量;为栅格年实际蒸发量;为栅格年降水量;为栅格产水服务需求量;为人均用水量,具体为农业、工业、生活和生态用水量。()植被净初级生产力。基于 ()软件,对 数据进行处理得到研究区植被净初级生产力。人均碳排放量基于贵州省年煤炭、原油、天然气的消耗总量,乘以相应的碳排放系数 。其公式如下:供给:()需求:()式中,为栅格 的碳固定服务需求量;为人均碳排放量。()土壤保持服务。基于 模型中的 ()模块
11、计算土壤保持服务 。其公式如下:供给:()()需求:()式中,为栅格 的土壤保持量;和 分别为栅格 的土壤潜在侵蚀量和土壤实际侵蚀量;为降雨侵蚀因子 ;为土壤侵蚀因子;为地形因子;为水土保持因子;为植被覆盖因子。()游憩服务。本文参考相关研究 ,将林地、草地、水体等能够提供休闲游憩服务的土地利用类型定义为生态用地,以栅格内生态用地表征供给量。人均公园绿地使用面积乘以人口数量表征需求量,其公式如下:供给:()需求:()式中,为游憩服务供给量;为每个栅格中的生态用地面积;为栅格的面积;为游憩服务需求量;为人均公园绿地使用面积。()生态系统服务供需比。反映区域生态系统服务供需的匹配关系总体情况。其公
12、式如下 :()()式中,为栅格生态系统服务供需比;为生态系统服务实际供给量;为生态系统服务实际需求量;为综合生态供需比;为五类生态系统服务。识别生态源地首先对生态系统服务供给进行归一化处理,并通过叠加分析得到贵州省生态系统服务综合供给量的空间分布,考虑到综合供给量和综合生态供需比,提取其值前 的高值区作为重要生态区域。同时,考虑到生态源应具有足够的规模才确保生态功能的稳定性以及整体连通性,于是通过分段线性回归找到生态斑块面积阈值为 ,剔除小面积的生态斑块,并结合景观连通性指数界定了重要生态斑块。最后叠加贵州省国家级重点生态功能区分 ,基于生态系统服务供需的贵州省生态安全网络构建与优化布,确定了
13、生态源地。景观连通性在决定生态斑块对维持景观中生态过程的完整性、生态功能的稳定性和生物多样性等方面有重要作用 。连通性指数包括整体连通性()和可能连通性()指数。()()()()()式中,表示前 的区域;为区域斑块的总数;和 分别为 、斑块的面积;为 和 两斑块间的连接数量;为物种在 和 两斑块间扩散的最大概率;为整个景观面积。阻力面设定阻力面描述了景观中物种迁移的困难,反映了生态过程中的障碍,生态过程流动更容易通过低阻力区 域。本 文 综 合 现 有 研 究 成 果 和 贵 州 省 现状 设置阻力面,选取土地利用、高程、坡度、主要道路、归一化植被指数、岩性为主要阻力因子;对各阻力因子的权重主
14、要采用层次分析法所得。本文表 生态阻力评价体系表 阻力因子阻力赋值土地利用坡度()高程 归一化植被指数主要道路 岩性阻力值草地 非碳酸盐岩 林地 耕地 碳酸盐岩夹非碳酸盐岩 水域 建设用地 碳酸盐岩权重 构建的阻力体系如表 所示。廊道提取最 小 累 积 阻 力 模 型(,)是计算物种在景观阻力面上从源点运动到目标地消化最少能量流和物质流的路径,即为物种在两地间迁移扩散的最优路径。其公式如下 :()()式中,为最小累积阻力值;为 与变量间()正相关关系;为物种从源地 扩散到景观单元 的距离;为斑块 的阻力系数。重力模型通过计算源地间的相互作用强度定量评价廊道的重要性,以减小物种迁移过程的生态阻力
15、。本文通过该模型得到源地间的相互作用力,由此筛选出重要的生态廊道。其公式如下 :()()()()()式中,为两斑块间的相互作用力;、分别为两斑块的权重值;为两斑块间的潜在廊道阻力值;、分别为两斑块的阻力值;、分别为两斑块的面积;为两斑块间的廊道累计阻力值;为廊道的最大阻力值。生态网络结构分析网络分析方法是衡量区域物质循环、能量流动等生态功能联系程度的工具。其网络闭合度(指数)在 ,、线点率(指数)在 ,数值越大表明网络结构越复杂、生态效能越好。公式如下 :()()()()式中,为廊道数;为节点数。结果分析 生态源地的空间格局 生态系统服务重要性的空间格局就贵州省五类服务的供给而言(图 ),粮食
16、供山地学报 卷 第 期图 研究区生态系统服务供给空间格局 给高值区主要分布在四周平坦开阔的地区,低值区分布于中部地区;产水供给呈南北高中部低的格局;碳固定的高值区主要分布在研究区南部,低值区分布在中部以及北部;土壤保持供给呈南北高、中间低的格局;游憩服务供给高值区分布在东部以及南部,低值区分布在研究区中部。从图 可知,综合生态系统服务高供给分布在北部和东南部,低供给主要分布在遵义市中心和贵阳市中心。从图 可知,综合生态系统服务总供给值分布在 的区县有个,占比为 ;总供给值在 的区县有 个区县,占比为 ;总供给值大于 的区县共是 个,占比 。可见,大多数区县的综合生态系统服务供给能力处于中等偏上
17、水平。粮食需求、用水需求、碳固定需求、游憩需求的高值区分布在贵州省中部以及西部人口密集区,低值区分布在人口较分散的区域;土壤保持需求的高值区分布在西南部和北部,低值区分布在中部(图)。可见,生态系统服务需求的空间布局与人口分布较相似。,基于生态系统服务供需的贵州省生态安全网络构建与优化图 研究区综合生态系统服务供给空间格局 图 生态系统服务供给值的分布区间 图 研究区生态系统服务需求空间格局 山地学报 卷 第 期图 面积小于阈值的生态斑块个数和总面积的变化:()面积小于阈值的生态斑块个数;()面积小于阈值的生态斑块总面积 :();()贵州省生态系统服务的供需比呈现明显的空间差异(图 )。在北部
18、和东南部地区,人口密度小、植被覆盖率高、生态系统服务高供给和低需求使得生态供需比大。在中部和西部的部分地区,建设用地比例大,人口密度高,低供给和高需求使得生态供需比小。整体上供大于求,表明生态系统服务基本能满足需求,但局部矛盾突出。生态源地得到综合供给能力和生态供需比交集的高值区后,以面积 为步长,统计生态斑块小于面积阈值的个数和总面积(图 )。剔除小于面积阈值 的生态斑块,结合景观连通性识别了 个重要生态斑块(表 )。研究区最终确定了 个生态源地(图 ),总面积为 ,主要分布在研究区东南部和北部。研究区东南部生态源地集中连片,表明这些区域生态服务能力强、景观连通性好;而北部生态源地数量少且斑
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