异龙湖流域生态安全格局构建与评价_马国强.pdf
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1、异龙湖流域生态安全格局构建与评价DOI:10.19692/j.issn.1006-1126.20230301摘要:高原湖泊是区域经济发展的重要载体,城镇化进程的推进和旅游业的发展对高原湖泊生态环境造成一定影响,高原湖泊流域的开发与其生态保护间的矛盾凸显,亟需开展高原湖泊流域生态安全研究。以异龙湖流域为研究区域,基于土地利用数据和DEM高程数据,运用综合指数法、熵值法和GIS空间分析技术,通过生态安全评价模型(ESI)对异龙湖流域生态安全进行评价,同时结合最小累积阻力模型(MCR),以源地-廊道-节点的方式构建异龙湖流域生态安全格局。结果表明,异龙湖流域中度安全区域占流域总面积的33.03%,较
2、低安全区域占32.45%,不安全区域占20.36%,高度安全区域占14.16%,平均生态安全指数为2.34,总体处于中度安全状态,流域生态系统健康状况一般;高度安全区域集中分布在异龙湖国家湿地公园;坝心镇的生态安全状况最好,其次为异龙镇,宝秀镇最差。异龙湖流域生态源地总面积为128.45km2,占流域总面积的36.03%,呈现以异龙湖为中心、流域四周集中连片的分布特征,其中异龙湖国家湿地公园在该流域生态安全保护中占主导地位。识别出18个生态节点,并提取出20条生态廊道;根据计算结果将异龙湖流域划分为生态缓冲区(205.19 km2)、生态过渡区(65.31 km2)、生态边缘区(46.89 k
3、m2)、农业耕作区(26.79 km2)和人类活动区(12.30 km2)5个生态功能区,针对不同生态功能区的特点提出相应的管理和保护对策。关键词:生态安全评价;生态安全格局;高原湖泊;异龙湖流域中图分类号:P901文献标识码:A收稿日期:2022-12-23基金项目:中国科学院战略性先导专项(XDA2010010103);国家自然科学基金项目(31860603);国家林业和草原局林业软科学研究项目(2018-R14);国家林业和草原局西南调查规划院科技项目(2022-018)作者简介:马国强(1982),男,硕士,教授级高级工程师,主要从事自然保护地规划设计与自然资源调查监测研究。马国强1,
4、2(1.国家林业和草原局西南调查规划院,云南昆明650031;2.兰州大学生态学院,甘肃兰州730000)Construction and Evaluation of Ecological Security Pattern in Yilong Lake BasinMa Guoqiang1,2(1.Southwest Investigation and Planning Institute of National Forestry and Grassland Administration,Kunming,Yunnan 650031,China;2.College of Ecology,Lanzh
5、ou University,Lanzhou,Gansu 730000,China)Abstract:Plateau lakes are important carriers for regional economic development.With acceleration of urbanization and development of tourism,ecological environments of plateau lakes were affected.Contradictions between development of plateau lake basins and e
6、cological protection were prominent.It was urgent to study ecological security of plateau lake basins.Taking Yilong Lake basin as study area,based on land use data andDEM elevation data,ecological security of Yilong Lake basin was evaluated by ecological security evaluationmodel(ESI)using comprehens
7、ive index method,entropy method and GIS spatial analysis technology.Combinedwith minimum cumulative resistance model(MCR),ecological security pattern of Yilong Lake basin was constructed in the way of sources-corridors-nodes.Results showed that in Yilong Lake basin,medium security area accounted for
8、 33.03%of total area of Yilong Lake basin;low security area accounted for 32.45%;insecurityarea accounted for 20.36%;high security area accounted for 14.16%.Average ecological security index was2.34,which indicated that whole ecological security was in medium level.Health status of basin ecosystem w
9、asin general.High security area concentrated in Yilong Lake National Wetland Park.Baxin town had the best ecological security,followed by Yilong town and Baoxiu town.Total area of ecological source in Yilong Lake basinwas 128.45 km2,accounting for 36.03%of total area of Yilong Lake basin,which showe
10、d distribution character第52卷第3期2023年 6月广西林业科学Guangxi Forestry ScienceVol.52No.3Jun.2023广西林业科学第 52 卷istics of Yilong Lake as center and concentrated around basin.Yilong Lake National Wetland Park was dominant position in ecological security protection of the basin.A total of 18 ecological nodes and 2
11、0 ecological corridors were identified.According to calculation results,Yilong Lake basin was divided into five ecological function zones including ecological buffer zone(205.19 km2),ecological transition zone(65.31 km2),ecologicalfringe zone(46.89 km2),agricultural cultivation zone(26.79 km2)and hu
12、man activity zone(12.30 km2).Corresponding management and protection measures were proposed based on characteristics of different ecologicalfunction zones.Key words:ecological security evaluation;ecological security pattern;plateau lake;Yilong Lake basin生态安全是国家安全的重要组成部分,生态安全格局构建是保障区域生态安全和实现区域可持续发展的基
13、础1。生态安全是一个动态变化的过程,评价标准选择和评价指标确定是研究难点之一2。目前,关于生态安全格局研究的理论基础和方法技术在不断发展和创新,构建准确和实用的生态安全格局逐步成为区域生态安全研究的重点3。近年来,湖库生态安全逐渐发展成生态环境保护研究的重点方向4-5。高原湖泊是重要的生态系统和生态资源,对维持区域生态系统稳定和促进区域经济发展有重要作用6-7。云南高原湖泊流域生态安全的研究集中于滇池8、抚仙湖9、星云湖10-11和杞麓湖12-15等滇中高原湖泊流域,采用的方法多为评价模型与地理信息系统技术(GIS)结合。高原湖泊流域的生态安全研究多以现状评价为主,通过全面系统地分析湖泊流域的
14、实际情况,结合多项评价模型,准确有效地评价湖泊流域生态安全问题,在区域生态建设中发挥了一定作用。与其他高原湖泊相比,异龙湖经过多次大规模改造和连续4年的严重干旱(2009 2013年),其土地利用类型在2012 2019年间发生较大变化,其中水域为变化最显著的土地利用类型16。冯志娟17对异龙湖流域2000 2020年景观格局进行分析,结果表明异龙湖流域以林地和耕地为主,总体景观类型变化显著,其中建设用地面积持续增加,说明人类对流域内土地资源的需求不断加大。李晓琳等18基于空间转移图谱对异龙湖流域土地利用时空变化进行研究,结果显示控制异龙湖流域内建设用地面积增加和水域面积减少是其未来土地资源管
15、理的重要目标。随着社会经济快速发展和城市化进程不断加快,过度开发导致流域生态环境质量下降,出现生态功能退化现象17,19。目前,关于异龙湖生态安全的研究较少。有学者通过“压力-状态-响应”(PSR)模型对异龙湖流域生态系统健康进行评价,评价结果对流域生态安全决策有一定参考价值20。异龙湖流域作为石屏县发展的重要资源与条件,亟需构建一个健康稳定的生态安全格局。本研究以异龙湖流域为研究区域,根据流域特点和实际情况,基于土地利用数据和DEM高程数据,运用综合指数法、熵值法和GIS空间分析技术,对异龙湖流域开展生态安全评价并构建生态安全格局,研究结果可为今后异龙湖流域的综合规划、开发与保护提供指导,为
16、流域的可持续发展提供科学依据。1材料与方法1.1研究区概况异龙湖流域位于云南省红河哈尼族彝族自治州石屏县(10219 10240E,2335 2347N),面积约为356.48 km2,主要包括石屏县的异龙镇、坝心镇和宝秀镇17(图 1)。异龙湖流域为高原湖盆地,盆区内积水成湖,周围山峦起伏,海拔为1 344 2 178 m。异龙湖为石屏县的主要水域,位于县城以东1 km 处,湖泊面积约为34 km2,占流域总面积的1/10左右,平均湖长6.55 km,平均湖宽2.75 m,平均水深 2.9 m,总蓄水量 1.13 108m316。异龙湖流域为亚热带季风气候,年均降水量928 mm,年均气温1
17、8 20。流域内植被复杂,类型多样,森林覆盖率为 51.6%,主要森林植被群落有 15个,包括暖温性针叶林、季风常绿阔叶林、暖性石灰岩灌丛、草丛湿地植被和浅水植物型植被等,常见的有云南松(Pinus yunnanensis)纯林、松栎和松阔混交林及栎(Quercus spp.)类和车桑子(Dodonaea viscosa)灌木纯林等;云南松纯林主要分布在流域面山北部、西部及西南部,季风常绿阔叶林主要分布在流域南部,灌丛主要分布在异龙湖北岸及南岸,水田与旱地栽培植被主要分布在流域地势平坦及水利条件较好的坝区21。1.2研究方法1.2.1数据来源与处理采用土地利用数据和数字高程模型(DEM)。其中
18、,土地利用数据来自 2018 年 Landsat-8 OLI 遥感影像数据,云量小于1%,空间分辨率为30 m,利用 ENVI 5.3软件对遥感影像进行辐射定标和大气276第 3 期校正,通过监督分类进行解译并验证精度,整体精度良好,符合研究需要,并以遥感数据提取植被覆盖度。DEM数据下载于地理空间数据云网站(http:/),空间分辨率为 30 m,采用 ArcGIS软件对DEM数据进行处理,得到坡度和高程数据,并对其进行重分类处理。异龙湖流域边界矢量数据来自异龙湖管理局。1.2.2生态安全评价结合综合指数法22-23与ArcGIS空间叠加分析技术,采用生态安全评价模型(ESI)10-13对异
19、龙湖流域生态安全进行评价;采用自然断点法24将ESI值划分为不同级别的生态安全等级。不同区域的地理和生态环境有差异,评价因子有一定的不确定性,选取合适的评价因子才能更准确和全面地反映流域生态安全现状25,本研究通过多因子综合指数法选取评价指标。海拔和坡度表示地形中地表的起伏程度和水土侵蚀强度,可反映地表起伏和水土流失对该流域生态环境的影响;景观类型和植被覆盖度分别反映地表覆被情况和陆地生物多样性状况;水域能提供生物生存和发展所需的水源环境,距水体的距离能直接反映流域生态环境的安全程度;建设用地、居民点和道路对于社会经济发展和区域格局形成有重要作用,能反映人为活动强度对流域生态安全的影响。结合异
20、龙湖流域实际情况,选取海拔、坡度、景观类型、植被覆盖度、距水体距离、距建设用地距离、距居民点距离和距道路距离8个指标作为评价因子。参考相关学者在星云湖流域10-11、杞麓湖流域12-13生态安全评价中对各因子的量化分级,制定异龙湖流域生态安全各评价因子的分级标准,采用熵值法26确定指标权重(表1)。(1)数据归一化计算公式为:Xij=Mj xijMj mj(1)式中,Xij为第i个指标图层上第j个栅格像元的标准化值;Mj为Xij的最大值;mj为Xij的最小值。(2)熵值计算公式为:pij=Xijj=1nXiji=1lnnj=1npijlnpij(2)式中,n为被评价单元(栅格单元);pij为第
21、i个指标下第j个栅格像元的特征比重或贡献率;hi为第i个指标的熵值。(3)权重(Wi)计算公式为:Wi=1 ij=1n(1-i)(0 Wi 1)(3)(4)生态安全评价模型计算公式为:ESI=j=1nRijWj(4)式中,ESI为第i个栅格单元的综合生态安全指数;Rij为第i个栅格单元上第j个指标的安全指数;Wj为第j个指标的权重。图1异龙湖流域区位示意图Fig.1LocationofYilongLakebasin马国强:异龙湖流域生态安全格局构建与评价23350N图例图例Legend23400N23450N23500N102200E102250E102300E102350E102400E异龙
22、湖 Yilong Lake异龙湖流域 Yilong Lake basin高 High:2 178低 Low:1 344海拔 Elevation/m277广西林业科学第 52 卷1.2.3生态安全格局构建1.2.3.1生态源地识别生态源地对维持生态系统的稳定性和发展具有重要作用27。生态源地的常用识别方法有两种。一种是传统方法,直接将生境质量较好的区域作为生态源地,如水域、林地、保护区或湿地公园等重要生态用地;另一种是对研究区内生态环境进行重要性评价,基于生态敏感性或重要性综合评价指标体系进行识别1。本研究参考高原湖泊流域生态安全格局构建10-12,在研究区内选取异龙湖国家湿地公园、面积 0.4
23、 km2天然林地和重要水库等区域作为生态源地。1.2.3.2阻力面构建以生态安全指数作为阻力因素,参考相关文献,对各阻力因子进行加权叠加,得到综合阻力面。采用最小累积阻力模型(MCR)构建最小累积阻力面28,可反映物种从源地出发到达目的地所克服的最小阻力和耗费成本最小的距离29,计算公式为:MCR=fminj=ni=mDijRi(5)式中,MCR为最小累积阻力值;fmin为最小累积阻力与生态过程的正相关关系;Dij为物种从源地 j到景观单元i的空间距离;Ri为景观单元i对某物种运动的阻力值。1.2.3.3生态廊道提取生态廊道是区域物质与能量相互流通的关键通道,对信息交流和能量传递有重要作用,并
24、增加了物种迁移的可能性30。生态廊道是生态源地间联系耗费成本最低的路径,通过ArcGIS软件的距离分析工具,以生态源地、综合阻力面与最小累积阻力面为基础,建立异龙湖流域成本耗费最低、生态功能最佳的生态廊道。2结果与分析2.1生态安全性分析异龙湖流域生态安全指数为1.10 3.60,根据自然断点法将其分为4个安全等级;其中,高度安全为(1.10,1.96,中度安全为(1.96,2.35,较低安全为(2.35,2.65,不安全为(2.65,3.60;生态安全指数越高,安全性越小(图2)。异龙湖流域平均生态安全指数为2.34,处于中度安全。中度安全区域面积最大(117.76 km2),占流域总面积的
25、33.03%;其次为较低安全区域,面积为115.68 km2,占32.45%;不安全区域面积为72.58 km2,占20.36%;高度安全区域面积最少(50.46 km2),仅占14.16%,主要集中在异龙湖国家湿地公园周围。流域内,异龙镇、坝心镇和宝秀镇所占面积分别为 204.34、101.85 和 50.29 km2(表 2)。不安全区域在异龙镇分布最广(45.70 km2);其次为宝秀镇,不安全区域面积为13.95 km2;坝心镇的不安全区域面积最小(12.93 km2)。高度安全区域也在异龙镇分布最广(26.80 km2);其次为坝心镇,高度安全区域面积为21.48 km2;宝秀镇的高
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