成渝地区双城经济圈生态安全格局识别及改善对策_林文豪.pdf
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1、第 卷第 期 年 月生态学报 ,:基金项目:中国科学院战略性先导科技专项();国家自然科学基金()收稿日期:;网络出版日期:通讯作者 :林文豪,温兆飞,吴胜军,毕月成渝地区双城经济圈生态安全格局识别及改善对策生态学报,():,():成渝地区双城经济圈生态安全格局识别及改善对策林文豪,温兆飞,吴胜军,毕 月,中国科学院重庆绿色智能技术研究院,重庆 中国科学院大学,北京 重庆交通大学,重庆 摘要:成渝地区双城经济圈位于我国长江上游第二阶梯,具有重要的生态屏障功能。基于“源地廊道”法,选取生境维持、土壤保持、产水服务三大生态系统服务功能作为主要评价指标,识别该区域生态源地,在综合考虑土地利用类型和社
2、会经济要素的情况下设置阻力面,利用最小累积阻力模型提取生态廊道,构建了区域生态安全格局,识别出现存主要问题。研究表明:()全区生态源地共 处,共计面积,主要分布在东西南三方的山地区域;()区域整体呈现“三翼多轴”的生态安全格局,保证了区域生态安全;()区域生态安全格局存在生态源地空间分布不均、生态源地破碎、生态源地与人类活动冲突、生态廊道脆弱四大问题。通过进一步讨论问题背后的原因,提出了对应的改善对策,相关结果有望为成渝地区双城经济圈的国土空间布局建设规划提供参考。关键词:成渝地区;生态源地;生态廊道;“源地廊道”法;生态系统服务;模型 ,:(),()“”:,():,(),“”():,:;成都
3、、重庆是我国西南地区重要的国家中心城市,在成渝地区双城经济圈建设的大背景下,成渝地区协调发展成为了一个热门话题。区域地处长江上游,位于我国第二级地势阶梯处,具有优良的自然资源禀赋,区域生态安全对长江中下游生态环境保护起重要的屏障作用。成渝地区双城经济圈目前面临经济发展和环境保护的双重压力,在倡导绿色经济的当今社会,推动区域生态环境建设就显得尤为重要。年 月 日中共中央、国务院印发的成渝地区双城经济圈建设规划纲要中提出了生态优先、绿色发展的主要发展原则,赋予了该区域高品质生活宜居地的战略定位。针对成渝地区双城经济圈的生态本底特征,提取对区域生态安全具有重要影响的生态源地和廊道,识别当前区域生态安
4、全格局,可为提升区域生态持续性提供关键指引。成渝地区双城经济圈生态安全格局的构建,还能够使区域生态过程得到更为合理的调控,区域物质流通和能量循环更好维持,强化和保障区域生态系统健康与生态安全。生态安全格局起源于景观生态规划方法,其实质是指景观中某种潜在的,对于维护、控制特定区域某种生态过程有着重要意义的关键生态要素的空间格局。作为沟通生态系统服务与人类社会发展的桥梁,生态安全格局是协调生态环境与社会经济可持续发展的重要空间途径之一。目前生态安全格局领域的研究方法主要有指标体系法、生态系统服务供需法、情景分析法、生态风险评估法、“源地廊道”法等。其中“源地廊道”法具有较好的空间格局展示,且构建方
5、法已日趋成熟,业已成为生态安全格局构建的主流范式。针对该范式,学者主要就生态安全格局要素(源地、生态阻力面、廊道)的识别方法和生态安全格局构建的应用两方面开展了研究。在源地识别方面的研究,主要有直接识别和构建综合评价指标体系两种途径。其中,构建综合评价指标体系通过对生态敏感性、景观连通性、生境重要性等指标的定量评价,保证了源地识别的客观性,相对于直接识别法更为严谨。在生态阻力面设置方面,多基于土地利用类型采用专家打分法直接赋值,;部分学者考虑到地形起伏对物种迁移、物流、能流的阻碍作用,又增加地形因素作为阻力面因子;在此基础上,又有学者认为人为活动对生态要素扩散有着较大的影响,因此使用夜间灯光等
6、可以表征社会经济状况的数据对阻力面进行修正。在生态阻力面基础上,使用最小累积阻力(,)模型是提取生态廊道最常用的方法。已有大量学者从景观、生态承载力、生态足迹以及其他生态安全指数等多方位多角度开展了“源地识别阻力面构建廊道提取”的生态安全格局构建研究。利用“源地廊道”法开展的生态安全格局构建研究已经十分广泛,大尺度的生态安全格局研究也已经屡见不鲜。等基于“结构质量过程”框架,对辽河流域的生态安全格局进行了评价,并对现有政策提出修正建议,为大尺度的生态安全格局研究提供了参考依据。等基于“源地廊道”模型,构建了云南省的生态安全格局,从省级尺度上评估了人类活动对区域生态安全的干扰影响。等提出了生态系
7、统服务功能重要性评价、景观连通性评价与人类生态需求重要性评价相结合的生态资源评价框架,构建了京津生 态 学 报 卷:冀地区的景观生态安全格局,为跨传统行政边界的大尺度研究提供了参考。综上,众多学者在生态安全格局方面所做的研究为本研究中成渝地区双城经济圈生态安全格局构建方面提供了充分的方法和应用参考。过去几年间,虽有零星的相关研究探索,但这些研究大都缺乏对生态安全格局要素(特别是生态源地)的深入讨论以及对生态安全格局存在问题的改善对策分析,这对于助力当前正积极推进的“生态优先、绿色发展”和“高品质生活宜居地”建设仍显不足。当前,成渝地区双城经济圈发展空间充裕,但如何在开发过程中确保区域生态安全是
8、当前亟待解决的关键问题,生态安全格局则提供了一种重要的空间途径。考虑到区域横跨平原、丘陵和山地,长江、嘉陵江等重要河流穿梭其中,土壤保持、生境维持和产水服务这三种生态系统服务功能较为重要,可通过识别三者的高价值服务供给区作为区域生态源地,并对生态源地进行分级分析;基于最小累积阻力模型识别生态廊道,构建生态安全格局;识别现存问题,并在此基础上探讨生态安全格局的改善对策,以期为区域开发建设生态城市、保障区域生态安全和打造“高品质生活宜居地”提供空间指引和决策参考。图 研究区区位图 研究区概况成渝地区双城经济圈位于我国西南地区,区域涉及四川 个市与重庆 个区县(图),总面积约为 万。成渝地区双城经济
9、圈是我国西部经济的重要增长极,也是我国西部地区发展水平最高、发展潜力较大的城镇化区域,还是实施“长江经济带”和“一带一路”战略的重要组成部分。年全区常住人口约为 万人,地区生产总值近 万亿元,建设用地面积约为,人口密度大,人类活动空间与生态空间交织。区域内主要包含丘陵、平原、山地三类地形,境内大型河流有长江、金沙江、岷江、沱江、涪江、嘉陵江等,自然资源丰富。西部为海拔较高的横断山脉东部,自然禀赋好,有包括大熊猫、距瓣尾囊草在内的各种珍稀物种;南部高山丘陵纵横,生态空间与农业空间交错;东部有多条呈南北纵向分布的山脉,如华蓥山、明月 期 林文豪 等:成渝地区双城经济圈生态安全格局识别及改善对策:山
10、、铜锣山等,东北部为秦巴山地;中部为四川盆地,包含成都平原、龙泉山、川东丘陵。全区植被覆盖度高,山地丘陵区域天然乔木林密布,河道水网交错,是长江流域上游重要生态屏障。数据来源及研究方法 数据来源本研究所采用的数据均来自于国内外公开数据库,包括土地利用数据、气象数据、蒸散发数据、土壤数据、数字高程模型(,)、归一化植被指数(,)、国民生产总值(,)、人口密度。其中,所有地理信息数据均采用 投影坐标系,栅格数据像元大小统一为。气象数据为 年至 年数据集,处理过程中取 年平均值;土壤数据为 年第二次全国土地调查所得;数据为 年数字高程数据产品;其余数据均为 年数据产品。数据详情如表 所示。表 数据来
11、源介绍 数据名称 数据类型 数据来源 分辨率 土地利用数据 栅格数据中国科学院资源环境科学与数据中心气象数据 文本文件国家气象信息中心蒸散发数据 栅格数据:土壤数据 栅格数据世界土壤数据库()数字高程模型栅格数据地理空间数据云(:)归一化植被指数栅格数据中国科学院资源环境科学与数据中心国民生产总值栅格数据中国科学院资源环境科学与数据中心人口密度 栅格数据中国科学院资源环境科学与数据中心 研究方法 生态源地的识别与评价生态源地是指生态系统相对稳定且对生态安全有重要意义或具有辐射功能的生境斑块,考虑到研究区特性,本文提取生物多样性高、水土保持能力强、产水服务功能好的生境作为生态源地。结合研究区的地
12、理环境特征,研究区中包含了三峡库区水土保持生态功能区,加上川中地区广泛分布紫色土易发生水土流失,因此选取土壤保持功能作为评价指标之一;区域内还有川滇森林生态及生物多样性功能区、秦巴生物多样性功能区等重要的陆域生态功能区,因此选取生境维持功能作为指标之一;考虑到区域为长江流域重要汇水区,选取产水服务功能作为评价指标之一。具体而言,生境维持使用生态系统服务和权衡综合评估()模型的生物多样性模块进行评估;土壤保持使用修正的通用土壤流失方程(),以潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的差值计算土壤保持量;产水服务使用 模型的产水模块,基于水量平衡方法进行估算。模型中的生境维持模块基于土地利用类型,对不同生境
13、生物多样性受各类生态威胁因子的响应进行分析,其计算所得的生境质量反映了区域内的生物多样性。模型输入参数包括栅格类型的当前土地利用数据、威胁因子数据、威胁源数据、生境类型及生境类型对威胁的敏感性。土地利用数据中用数字代码表生 态 学 报 卷:示每种地类;威胁因子为 格式的表格数据,记录不同威胁因子(如城市、农村居民地)对自然生境的影响以及影响距离;威胁源数据为栅格形式的各类威胁因子空间分布;生境类型及生境类型对威胁的敏感性同样为格式的数据,用来表示不同土地利用类型对各类威胁的敏感程度。土壤保持计算方法参考我国生态红线划定指南推荐的修正通用水土流失方程(),通过计算潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的
14、差值,评估生态系统水土保持功能,计算公式如下:()()式中,代表土壤保持量(),代表降雨侵蚀力因子(),代表土壤可蚀性因子(),代表坡长因子,代表坡度因子,代表植被覆盖因子。模型的产水服务模块通过细化区域内的子流域,可以计算各子流域对区域产水量的相对贡献,从而评估出产水服务较为重要的子流域,模型方法源于水量平衡方程,将降水量减去蒸散发量得到产水量,其结果包括地表产流、土壤含水、枯落物持水量及冠层截留量。模型基于降雨数据、蒸散发数据、土地利用数据、流域数据、生物物理系数表等数据,采用产水模块进行计算。降雨、蒸散发、土地利用数据均为统一栅格大小的栅格数据,流域数据为研究区的流域矢量数据,生物物理系
15、数表为 格式的表格数据,主要记录各类土地利用类型的植物蒸散发系数,计算公式如下:()()()()式中,表示产水量,表示年降水量,表示年实际蒸散发,上述公式中,为土地利用覆被类型 上栅格单元 的 干燥指数,定义为潜在蒸散发与降雨量的比值;是一个经验参数;为经验常数,与区域降水模式和水文特征相关;为土壤有效含水量,由植物可利用水分含量与土壤的最大根系埋藏深度,植物根系深度共同决定;是植物蒸散系数;表示潜在蒸散发。在此基础上,本研究拟选取位于每种服务靠前(以自然断点法将生态系统服务划分为 个等级,选取最高等级)的斑块,取并集作为生态源地备选区,从而保证生态源地具有较好的生态系统服务功能,同时,考虑到
16、天然林地与水域的生态重要性,将区域内的林地、水域与生态源地备选区叠加,。在评价过程中,单个生态系统服务功能的计算并不会直接考虑土地利用的影响,因此识别的生态源地可能与建设用地重合,对这部分生态源地进行修正。此外,为了确保生态源地的功能完整性并能对周围环境产生一定的影响,需要源地具有足够大的面积规模,本文在参考前人研究的基础上,通过多次调整生态源地面积阈值,保留面积大于、连通性较好的斑块作为最终的生态源地。专家打分法为生态源地综合识别的重要方法,本文基于专家打分法的思想,以已发表论文作为“专家”,通过统计三种生态系统服务功能(生境维持、土壤保持、产水服务)在这些论文中出现的次数,间接评估它们相对
17、重要性和权重。在中国知网上检索成渝地区生境维持、土壤保持、产水服务三种生态系统服务的相关文献,检索到生境维持 生物多样性相关文献 篇,土壤保持 土壤侵蚀相关文献 篇,产水服务 水源涵养相关文献 篇,三者文献量之比约为:,因此确定权重为生境维持()、土壤保持()、产水服务()。对三者进行加权叠加求和,并按照表 划分源地等级,级源地表示生态系统服务功能最强的源地,其次为、级源地,生态源地分级标准如表 所示。期 林文豪 等:成渝地区双城经济圈生态安全格局识别及改善对策:表 生态源地分级表 生态源地等级 生态系统服务加权求和值 生态源地等级 生态系统服务加权求和值 生态阻力面设置在生态空间中,物种迁徙
18、、能量流动会受到各种因素的干扰和限制,主要包括土地利用方式、地形地貌特征等。生态阻力面就是在综合考虑以上影响因素的情况下,计算物种在迁徙中所受的阻力。参照前人研究,同时考虑到研究区内山地众多,特别是区域西部高山林立,地形起伏大,同样的土地利用类型在不同地形条件下阻力相差较大,因此本文以生态源地为基础,选取土地利用方式和地形地貌作为主要阻力因子。在考虑各阻力因子的权重大小时,本文参考了洪丹等在四川龙门山地区所做的研究,认为生态源地本身阻力值较小,非生态源地阻力值相对较大,因此将生态源地本身纳入阻力面构建的考虑范围,并赋权重为。土地利用要素与地形要素的权重分布参考赵伟等的研究,二者权重分别赋值为、
19、。表 阻力因子及指标权重表 阻力因子(权重)()阻力因子 阻力值 土地利用类型()耕地水田 ()旱地林地林地灌木林地疏林地及其他草地高覆盖草地中覆盖草地低覆盖草地水域建设用地城镇用地农村居民点其他建设用地未利用地未利用地地形地貌因素()坡度 ()地形起伏度生态源地()源地 ()非源地尽管本文已经加入了地形因素来描述扩散阻力,但依旧缺少对人类活动干扰的考虑,部分学者基于夜间灯光数据来表征人类活动因子,再利用阻力面修正公式进行修正。本文直接利用人口密度数据与 生 态 学 报 卷:数据对阻力面进行修正,公式如下:()式中,为经过社会经济要素修正后的栅格生态阻力系数;为人口密度与 数据归一化后的值;为
20、区域人口密度与 归一化后的平均值,为栅格 对应土地利用类型的基本生态阻力系数。生态廊道提取生态廊道作为区域内不同景观之间物质流和能量流的连接通道,是生态安全格局的重要组成部分,也是物种迁徙的重要通道,具有连接破碎生境、保护生物多样性等多种功能,。识别出关键廊道有利于加强源地间种群与物质的交流,提高生态源地抗干扰能力和恢复能力;而对现有廊道进行优化,重点改进廊道布局,有助于增强生态系统功能的完整性。本研究采用最小累积阻力模型提取源地间的生态廊道,最小累积阻力模型综合考虑源、距离和景观介面三种因素,计算物种从起点到目的地的运动过程中花费的代价,选取其中代价最小的通道作为源地之间的生态廊道。模型通过
21、对土地利用类型、地形地貌因素、人类活动因素进行综合分析,得到的一个理论上的物种迁徙、物质传播潜在通道,计算公式如下:()式中,为最小累积阻力值;为物种从源地 到景观单元 的空间距离;为景观单元 对物种运动的阻力系数;表示累积阻力与生态过程的正相关关系。此外,河流对于生态源地直接的物质流通、物种迁徙、种子传播起着重要的连通作用,区域内大型河流包括长江、岷江、沱江、嘉陵江、涪江、渠江,选取以上大型河流作为天然廊道。结果 三种主要生态系统服务功能评价 生境维持运用 模型的生境质量模块对研究区的生境维持功能进行定量评估,以表征生态系统维持生物多样性的能力高低。利用自然间断点法对生境质量计算结果分类,结
22、果表明(图),区内高质量生境主要位于川西龙门山一带,如成都、德阳、绵阳三市西部,雅安市大部分地区,乐山市西南部,达州市北部,泸州市、宜宾市南部;此外,在华蓥山、铜锣山、明月山三条山脉集中分布,在江津区、南川区、丰都县有大面积分布,在綦江县、黔江县、梁平区、开州区等地也有零星分布。从分布格局来看,高质量生境主要分布在山地区域,平原地区几乎没有高质量生境。主要原因在于平原多为耕地、建设用地,生态系统原真性差,植被类型单一,人为干扰大,不利于野生动植物生存繁殖;相比之下,山区多为林地,地形复杂多变,人类活动少,有利于生物的自然生长繁衍,因此生物多样性高。土壤保持根据 模型,计算出 年研究区土壤保持量
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