西南生態安全格局形成機制及演變機理

劉國華

中國科學院生態環境研究中心, 城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085

西南生態安全格局形成機制及演變機理

劉國華*

中國科學院生態環境研究中心, 城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085

我國西南地區地形地貌復雜,生態系統多樣,生物多樣性豐富,是研究地表復雜過程與生態系統演變規律的關鍵區域,也是我國重要的生態屏障區。但是同時該區域環境復雜、生態脆弱、災害嚴重,在全球氣候變化背景下,人類活動和經濟發展導致該區域的生態環境問題比較突出,同時區域的社會經濟發展地域分異大。突出表現在區域生態系統服務功能受損,區域生態安全水平降低。如何維護區域生態安全具有重要意義。針對生態安全問題,我國已開展生態區劃、生態功能區劃和生態紅線等工作,但在生態安全格局的形成機制、與生態系統服務耦合關系、人類活動和氣候變化對生態安全格局影響及其適應、區域社會經濟可持續發展等方面需要加強深入研究,在我國西南地區的開展研究西南生態安全格局形成機制及演變機理具有典型性、代表性與緊迫性。

生態系統服務；生態安全；生態安全格局；西南地區

人類活動以前所未有的規模和速度改變著生存環境,全球性的氣候變化及生物多樣性的銳減等直接關系到人類本身安全的生態問題一次次向人類敲響警鐘,而經濟的全球化使資源、環境和生態安全正快速滲入到社會、經濟和國家安全等各個層面。

我國由于經濟發展、人類活動強度增加所導致的各種生態問題日益嚴重,生態安全問題也日益受到中央政府和各部門以及學者的關注[1-2]。生態安全涉及到國土安全、環境安全、生物安全、水安全、食物安全、人類安全和社會安全等多方面[3]。從生態安全研究內涵來說,它包含了狹義和廣義兩方面的定義,狹義的定義從自然本身的角度出發,是指生態系統的穩定和健康以維持生態系統生物多樣性及生態系統功能正常發揮的狀態和能力。而廣義的定義是從人類的角度出發,是指在生態環境條件與生態系統服務可以有效支撐經濟發展和社會安定、保障人民生活和健康不受生態破壞損害的狀態與能力[4]。

西南地區是我國生態系統復雜多樣,生物多樣性和水資源等自然資源最為豐富的地區之一,也是我國長江流域、珠江流域以及西南諸河的源頭及上游區,對于維系我國華東、華南乃至東南亞的生態及社會經濟安全起著重要的作用,是我國重要的生態屏障區。然而該地區由于地處我國第一和第二階梯上,地貌類型復雜、分布著高原、高山峽谷、喀斯特地貌等,也是我國生態極為敏感和脆弱的區域。區域內是我國少數民族和貧困人口集中分布的區域,長期而強烈的人類活動對原生生態系統破壞嚴重,生態系統服務嚴重下降,引起了石漠化、水土流失等一系列生態問題的發生,導致其生態屏障作用不斷被削弱,從而對區域生態安全造成嚴重威脅。

目前,在氣候變化、人類活動和社會經濟政策等因素的影響下,該區的生態安全問題受到廣泛關注,如何維持生態安全水平,提高生態系統服務效益,構建生態安全體系和推動區域社會經濟可持續發展等方面需要加強深入研究。這就需要深入闡明西南生態格局形成機制及演變機理等關鍵科學問題,探討生態安全格局判別和構建的技術,研究區域生態安全格局維護與社會經濟發展的耦合機制。

1 研究進展和趨勢

1.1 研究的熱點和前沿

20世紀80年代以來,各國科學家逐步認識到大尺度上生態系統保護的重要性,并利用地理信息系統與遙感等手段開展格局變化與生態效應等研究,同時,生態安全的內在機理和保護策略等收到逐步受到關注。一直以來,國際上對生態安全的研究以自然生態系統為主,并逐步向社會經濟耦合方面發展,尤其重視對生態系統服務以及生態安全政策方面的研究。

國際上有關生態安全的研究主要集中在自然生態系統的研究方面,重點關注的是棲息地的安全、生物多樣性保護的安全等,并在該方面取得了一系列的成果,此外,也從生態區劃的角度入手,注重國家尺度上的生態整體規劃,尤其是關注國家或區域尺度上重要生態區的生態保護與管理[5],并從一些案例上加強對生物多樣性保護中生態安全格局構建的研究。在耦合人類社會經濟方面,隨著對生態系統服務評估和研究的興起,逐漸關注生態系統為人類提供持續產品服務的能力和安全[6],將自然生態系統的生態安全與生態系統服務關聯,特別是近年來,更加注重在政策方面的研究,為決策者提供依據。

從研究尺度上,從小尺度向流域、區域乃至國家尺度上擴展。從研究方法上來看,區域針對生態系統服務的定量化、空間化方法模型開展生態系統服務的權衡和調控,分析人類活動等對生態安全的影響評價模型是目前研究的重點。從研究對象和內容來看,人類活動和氣候變化導致的區域生態效應與生態安全研究以及社會經濟耦合下的生態安全與區域可持續發展的機理、評價與管理的研究受到重視。

國內在自然生態系統生態安全方面,我國很多學者跟蹤國外的有關研究,在生物多樣性保護的生態安全方面開展了大量的研究[7-8],提出了區域生態安全格局設計原則與方法[4],而且針對典型人類活動,如重大工程建設干擾下的生態安全格局進行了研究[9]。在國家尺度上,結合我國的人類活動,從早期生態區劃角度入手,按照自然規律和人類活動提出對不同生態區的保護與發展[10],到后來從生態系統服務入手,在國家尺度上進行了生態功能區劃以及主體功能區劃[11],并開展了初步的國家尺度的國土生態安全研究[12]。并提出了我國“兩屏三帶”生態屏障建設的構想,目前也在著手開展全國生態紅線的劃分[1,13]。

1.2 生態安全研究的問題與趨勢

相比較而言,國內研究仍多利用國外相關研究的模型方法,方法創新不足,尺度仍較單一,機理性研究內容仍較少[14]。國內仍缺乏對生態安全系統和全面的研究,尤其是對生態安全格局的研究方面,如在生態安全格局的形成機制、生態安全格局與生態系統服務之間的關系、區域和國家尺度上生態安全格局構建、人類活動和氣候變化對生態安全格局的影響及其適應,以及生態安全格局與區域社會經濟可持續發展等方面理論和技術方法的研究。

因此在生態安全方面的發展前景主要體現在以下四個方面：(1)在理論上,探討區域生態安全格局的形成機制；(2)在技術方法上,突破生態安全格局的評估技術,耦合生態系統服務演變,形成生態安全格局構建和關鍵區域判定技術；(3)在生態安全預警上,探討人類活動和氣候變化對生態安全格局的影響機理與預測技術；(4)在生態安全保障技術上,探討生態安全調控技術途徑及生態安全保障政策等。

2 需解決的關鍵科學問題和主要內容

圍繞我國西南生態安全格局構建,需要從基礎理論、應用基礎和國家需求三個方面開展相關研究。總體的研究目標可以概括為三個方面：(1)在基礎理論方面：揭示區域生態格局形成機制,闡明區域氣候變化及人類活動對生態安全格局的影響機理及其適應機制；(2)在應用基礎方面：明確維護西南生態安全的關鍵區域,并提出區域生態產業布局及生態安全格局維持的技術途徑；(3)在國家需求方面：闡明西南生態安全格局適應和調控措施,為區域生態安全保障和社會經濟發展提供理論基礎和技術支撐。

因此,針對該區域的生態安全問題與可持續發展,需要解決以下關鍵科學問題：(1)西南生態格局形成的環境和生物學機制是什么？(2)如何判識生態安全關鍵區域？(3)如何量化氣候變化和人類活動對區域生態安全影響的程度及未來趨勢？(4)如何將生態產業布局與區域發展融合到區域生態安全維持中？

圍繞研究目標和關鍵科學問題,項目擬開展以下主要研究內容：

(1)西南地區生態安全格局形成和演變機制：通過對區域地質歷史、古孢粉、古環境和生物等資料數據的收集,結合區域生態系統的分布現狀的調查,揭示西南地區區域生態格局的形成機制；探討區域主要生態系統服務的組成、構建區域生態系統服務評估的指標體系和評估技術方法體系,研究區域生態系統服務形成特征及變化；針對區域石漠化、水土流失、生物多樣性威脅等生態問題,結合野外樣帶調查和遙感影像資料,揭示區域生態問題的成因和驅動機制,闡明區域退化生態系統的空間分布；綜合上述研究,揭示生態安全格局演變規律,確定西南地區生態安全關鍵區域,并明確西南生態安全維護的關鍵因素。

(2)人類活動對西南生態安全格局影響規律和機理：以區域城市化發展、資源開發、重大工程建設以及自然保護區建設等方面的人類活動為重點,探討西南地區人類活動發展特點和強度的時空變化規律和區域人地遠程耦合關系,研究區域人類活動變化與區域生態格局間的關系和不同人類活動類型和活動強度對區域生態安全格局的影響規律和程度,揭示人類活動對區域生態安全格局的影響影響機理,預測未來區域生態安全格局維護對人類活動的承受程度,提出區域生態安全格局對人類活動的適應途徑。

(3)氣候變化對生態格局影響規律和適應機制：分析西南地區歷史氣候變化特征和規律,揭示區域內主要關鍵生態安全區內氣候變化的過程和程度；以橫斷山區為核心區域,從生態系統地下微生物變化與地上結構的耦合、生態系統過程以及生態系統功能等方面,研究氣候變化對區域典型生態系統的影響規律和影響程度；在區域上,從生態系統尺度和區域尺度模擬過去幾十年來氣候變化對生態系統和區域生態安全格局的影響規律,預測未來氣候情形下區域生態安全格局的變化；利用相關區域生態響應模型,開展區域生態格局對氣候變化的適應性評估,探討區域生態安全對氣候變化的適應技術途徑。

(4)西南生態安全維持的技術途徑和調控措施：開展區域社會經濟發展與生態安全格局協調度分析,探討貧困區與生態安全格局的分布關系,研究在維護區域生態安全的情形下區域生態產業發展布局,為區域社會經濟發展和貧困問題的解決及生態安全的維護提供決策依據；分析區域民族文化的時空分布特點,研究區域民族傳統文化與生物多樣性保護之間的關系,探討區域生物多樣性安全維持的技術途徑和措施；綜合各方面的研究,構建西南生態安全格局維持的多目標、多因素耦合的決策支撐系統,探討區域生態安全格局調控技術途徑和措施,提出區域生態安全格局設計和維持的決策建議。

區域生態安全格局研究間的耦合關系如圖1所示。

圖1 生態安全格局的耦合關系Fig.1 The relationship of ecological security pattern

3 研究展望

通過項目開展與研究,緊密圍繞當前國家需求和研究前沿,是面向區域生態安全維持理論和應用基礎相結合的任務。本項目針對我國西南地區生態退化嚴重、生物多樣性喪失、自然災害頻發、生態安全受到威脅等問題,重點研究區域生物多樣性維持、生態安全格局構建和保障及區域脫貧和社會經濟可持續發展等關鍵科學問題,不僅可為該地區典型退化生態系統恢復重建和保護提供科學依據,也可為區域社會經濟可持續發展和貧困問題解決以及生態安全保障提供決策依據。

其預期效益主要可以體現在以下幾個方面：(1)基于生態安全格局形成、演變及影響的規律、機制、機理研究成果,研究構建的人類活動調控、生態產業布局、氣候變化應對、生態安全格局維護等一系列技術方法,不僅對于西南地區社會經濟可持續發展、精準扶貧與生態產業發展、區域重大生態保護和建設規劃等具有重要的技術支撐作用,對于其他地區協調社會經濟發展和生態安全格局和國家建設生態安全屏障均具有重要的借鑒意義和支撐作用。(2)依據區域生態安全格局形成機制、演變規律和影響機理以及生態安全格局構建技術,合理布局重大生態保護和建設工程,采取有效技術途徑,有序調控區域生態安全格局,具有重大生態效益。(3)研究提出人類活動干擾下生態安全格局的適應途徑,對保障西南地區城市化發展、重大工程建設、生態工程建設、生態安全關鍵區域維護等有顯著的社會經濟效益。研究提出的經濟社會發展與生態安全權衡等技術方法及決策咨詢報告,有助于協調社會經濟發展和生態安全格局維護的關系,為區域社會經濟的可持續發展提供有力支持。

[1] 孫鴻烈, 鄭度, 姚檀棟, 張鐿鋰. 青藏高原國家生態安全屏障保護與建設. 地理學報, 2012, 67(1): 3-12.

[2] 歐陽志云，崔書紅，鄭華. 我國生態安全面臨的挑戰與對策. 科學與社會, 2015, 5(1):20-30.

[3] 何大明. 吳紹洪, 彭華, 楊志峰, 歐曉昆, 崔保山. 縱向嶺谷區生態系統變化及西南跨境生態安全研究. 地球科學進展. 2005, 20(3):338-343.

[4] 馬克明, 傅伯杰, 黎曉亞, 關文彬. 區域生態安全格局：概念與理論基礎. 生態學報, 2004, 24(4): 761-768.

[5] Bailey R. G. Ecoregions: The ecosystem geography of the oceans and continents. New York: Springer-Verlag, 1998.

[6] Daily G. C. Nature′s service: Societal dependence on natural ecosystems. Washington D C. Island Press, 1998.

[7] 俞孔堅. 生物保護的景觀生態安全格局. 生態學報, 1999(1):8-15.

[8] 徐海根, 包浩生. 自然保護區生態安全設計的方法研究. 應用生態學報, 2004, 15(7): 1266-1270.

[9] 陳利頂, 呂一河, 田惠穎, 施茜. 重大工程建設中生態安全格局構建基本原則和方法. 應用生態學報, 2007, 18(3): 674-680.

[10] 傅伯杰, 周國逸, 白永飛, 宋長春, 劉紀遠, 張慧遠, 呂一河, 鄭華, 謝高地. 中國主要陸地生態系統服務功能與生態安全. 地球科學進展. 2009, 24(6): 571-576.

[11] 歐陽志云. 中國生態功能區劃. 中國勘察設計, 2007(3):21-22.

[12] 俞孔堅, 李海龍, 李迪華. 國土尺度生態安全格局. 生態學報, 2009, 29(10): 5163-5175.

[13] 徐德琳, 鄒長新, 徐夢佳，游廣永, 吳丹. 基于生態保護紅線的生態安全格局構建. 生物多樣性, 2015, 23(6): 740-746.

[14] 傅伯杰,于丹丹. 生態系統服務權衡與集成方法. 資源科學,2016,01:1-9.

Formation and evolution mechanism of ecological security pattern in Southwest China

LIU Guohua*

StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

Characterized by complex topography, diverse ecosystems and rich biodiversity, Southwest China is the key area of studying complex surface processes and ecosystem evolution, and China′s important ecological barrier zone. However, the region is also characterized by complex environment with fragile ecological conditions and serious disasters. In the context of global climate change, human activities and economic development will lead to more prominent ecological and environmental problems in the region. At the same time, the region′s social and economic development vary greatly spatially, mainly expressed by the damage of the regional ecosystem services and the reduction of the regional ecological security level. How to maintain regional ecological security is of great significance. To solve the problems of ecological security, China government has carried out ecological regionalization, ecological function zoning and ecological red line projects. But further researches are needed in the ecological security pattern formation mechanism, and ecosystem service coupling relationship, human activities and climate change impact on the ecological security pattern and adaptation, sustainable economic and social development in the region. The research of the ecological security pattern formation mechanism and evolution mechanism in Southwest China is typical, representative and urgency.

Southwest China; ecological security; ecosystem service; ecological security pattern

國家重點研發計劃項目(2016YFC0502100)

2016- 11- 21

10.5846/stxb201611212364

*通訊作者Corresponding author.E-mail: ghliu@rcees.ac.cn

劉國華.西南生態安全格局形成機制及演變機理.生態學報,2016,36(22):7088- 7091.

Liu G H.Formation and evolution mechanism of ecological security pattern in Southwest China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7088- 7091.