基于生態系統服務功能評價的貴陽市生態安全格局維護研究

肖楊, 周旭, 蔣嘯, 張繼, 李洪廣

基于生態系統服務功能評價的貴陽市生態安全格局維護研究

肖楊, 周旭*, 蔣嘯, 張繼, 李洪廣

貴州師范大學地理與環境科學學院, 貴陽 550025

生態系統結構與服務功能的協同調控是生態系統管理的基礎。以貴陽市為例,依據區域生態基底特征, 通過生態系統服務功能重要性評價識別生態源地, 基于最小累積阻力模型和重力模型構建區域生態安全格局, 并從生態系統結構與功能的關系視角探討生態安全格局的維護策略。結果表明: 研究區重要、極重要等級的生態用地面積為 2580.77 km2, 占全市總面積的32.09%; 提取面積大于10.00 km2的重要、極重要的20個生態用地為生態源地, 總面積為1078.02 km2, 占全市總面積的13.40%, 主要分布在研究區北部、東部及西南紅楓湖、百花湖等區域; 生態廊道總長度為1658.14 km, 呈北密南疏的空間分布格局, 部分廊道沿河流走向分布, 少部分穿過人口集聚區; 識別生態節點共16個, 主要分布在北部最小阻力路徑與生態廊道的交叉處, 生態安全格局以“兩環三軸四帶”的形式呈樹狀輻射分布。從生態系統結構視角, 建立生態源地、廊道、節點緩沖區, 保證研究區生態系統結構的基礎作用。從生態系統功能視角, 劃定現狀生態功能主導區, 提出生態安全維護策略, 以期為區域生態經濟協同發展提供參考依據。

生態系統服務功能; 生態安全格局; 生態源地; 生態廊道; InVEST模型

0 前言

生態系統服務是人類賴以生存發展的福祉惠宜[1-2]。隨著人口增長與城鎮化發展, 人類對資源環境的過度開發日益加劇, 生態系統擾動趨于嚴重, 諸如水源涵養、水土保持和生物多樣性保育等重要生態服務功能退化凸顯[3], 區域生態安全面臨嚴峻挑戰。生態安全格局是以景觀生態學理論為基礎, 由生態源地、廊道和節點構成的生態系統網絡結構, 是保障生態系統服務供給及可持續發展的前提[4]。量化識別與協同調控生態系統的結構與功能的關系[5], 既是現代生態學的前沿核心內容, 也是生態系統管理的重要基礎, 對提高區域生態系統服務功能、維護區域生態安全格局具科學參考價值。

以中國知識資源總庫(CNKI)為文獻信息檢索源, 按篇名含“生態安全格局”檢索項, 文獻檢索時間范圍始于建庫起始, 截止時間為2019年8月, 經篩選共檢索到303篇相關中英文期刊文獻。其中, “源地識別—阻力面設置—廊道提取”已逐漸成為我國生態安全格局的成熟研究模式, 而通過生態系統服務功能評價指標識別生態源地的文獻多達60.70%。彭建等[6]選取糧食供給、土壤保持、近水游憩、產水、生境維持5項生態服務功能, 對雄安新區的生態基底特征和環境進行評估; 王玉瑩等[7]通過對生物多樣性保護、水資源安全、土壤保持生態功能進行綜合評價, 構建東部蘇南發達地區安全格局。廊道對于物質流通和能量交換具有重要的連通作用, 是生態安全格局構建的基礎, 當前最小累積阻力模型(Minimum Cumulative Resistance, MCR)定量識別方法被廣泛應用與廊道識別和生態安全格局構建[8-9]。地類賦值的方法被廣泛用于阻力面設置[10], 而廊道判定的精準度依賴于阻力面設置, 由于該方法具有較強主觀性, 忽視了人類活動對生態阻力系數的影響, 合理修正阻力面成為廊道判定的關鍵[11]。

區域生態安全格局的調控與維護已成為一個不可回避的問題, 優化調整生態空間結構要素, 實現區域生態系統服務與功能的提升, 協調經濟發展與生態保護顯得尤為重要[12]。彭建等[6]通過對雄安新區生態安全格局中源地與廊道的優化重組, 形成功能化、網絡化的空間結構體系, 優化了新區生態空間布局模式。楊天榮等[12]在構建區域生態安全格局的基礎上, 形成關中城市多層次、復合型、網絡型生態空間結構體系優化方案。上述研究識別空間結構要素組分, 優化區域生態功能分區, 為城市生態空間優化布局提供定量化范例。本文基于生態空間結構要素研究, 從生態系統結構與功能視角出發, 分別對生態系統結構和功能的協同調控提出相應策略, 維護區域生態安全格局。

貴陽市是長江中上游的重要生態屏障, 也是中國西南的典型喀斯特山區城市。隨著城鎮化迅速發展、人口增加, 自然資源的開發利用和城鎮用地擴張導致生物多樣性減少、水土流失、城市內澇、環境污染等諸多生態問題[13]。因此, 本文通過構建貴陽市生態安全格局, 定量識別生態安全格局結構要素, 并結合生態系統結構與功能關系探討生態安全格局維護策略, 以期為貴陽市生態文明城市建設和生態系統管理提供科學依據。

1 研究區概況

貴陽市位于黔中山原丘陵中部, 地處長江與珠江分水嶺地帶(圖1), 全市下轄6區3縣1市, 總面積8034.00 km2, 占全省面積的4.56%。總地勢西南高、東北低, 平均海拔1183.27 m, 地貌以山地、丘陵為主的丘原盆地地區, 年均氣溫為15.30℃, 年均降水量1129.50 mm, 屬于亞熱帶濕潤溫和氣候。2018年底, 全市年末常住人口488.19萬人, GDP總量3798.45億元, 城鎮化率達75.43%, 是貴州省的政治、經濟、文化、交通的集聚和擴散中心。

2 數據與方法

2.1 數據來源

本文使用的數據包括土地利用數據、氣象站點數據、高程數據、植被NDVI等數據(表1)。2018年貴陽市土地利用數據來源于Landsat 8 OLI遙感影像解譯, 數據下載于地理空間數據云(http://www. gscloud.cn), 空間分辨率為30 m。根據《全國遙感監測土地利用/覆蓋分類體系》(LUCC), 將解譯后土地利用數據劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6大類(圖1)。氣象數據來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn), 通過克里金插值法得到。利用ArcGIS10.5軟件, 將所有空間數據統一為Albers等積圓錐投影(Albers_Conic_ Equal_Area)。將所有數據重采樣為30 m×30 m柵格單元進行計算。

圖1 研究區地理位置圖及土地利用現狀圖

Figure 1 Location map of the study area and map of land use status

表1 研究數據概況

2.2 研究方法

2.2.1 生態系統服務功能評價

生態系統服務涵蓋人類直接或間接從生態系統得到的所有收益, 是測度生態系統健康程度的關鍵指標[14]。從生態系統服務功能角度出發, 選取生物多樣性、土壤保持、固碳釋氧、水源涵養4項功能指標, 對研究區生態系統服務功能進行定量評價, 通過歸一化處理與疊加分析評價綜合生態系統服務功能。具體評價方法及計算過程如表2所示。

2.2.2 生態安全格局構建

生態安全格局構建的實質包括構建生態源地、生態廊道、生態節點一體化網絡的關鍵格局, 通過對關鍵格局的識別與保護, 能夠保障區域生態系統服務和生態過程。其中, 生態源地是指具有重要生態服務功能、維持生態系統完整性的重要生態斑塊[5]。在綜合生態系統服務功能評價基礎上, 采用自然斷點法劃分重要生態系統服務功能區, 將研究區生態用地劃分為極重要、重要、較重要、一般重要、不重要5個等級, 并提取重要性等級為重要、極重要的生態用地為“生態源地”, 從而保證生態源地具有較高的生境質量。

生態廊道是指景觀中與相鄰兩邊環境不同的線性或帶狀結構, 用于相鄰源地之間的物種遷移與擴散, 是相鄰“源”間的生態流的低阻力生態通道[19]。采用MCR識別出生態源地間的最小累積耗費路徑, 作為潛在生態廊道識別的依據[20], 在此基礎上采用重力模型識別出重要生態廊道, 在構建區域之間的重要生態網絡關系。

表2 生態系統服務評價方法及計算過程

生態阻力面是生態安全格局構建的核心要素, 描述了不同物種在不同生境斑塊間的難易程度, 反映出物種對生態過程的水平抗性。根據已有學者的研究, 按照生態系統服務功能強弱構建基本生態阻力面, 設置研究區不同土地利用類型的景觀阻力值:林地、草地、耕地、水域、建設用地、未利用地分別為:10、30、50、100、300、500[21]。因僅對土地利用類型賦值具有主觀性, 忽略同一地表覆被下的生態阻力差異, 且沒有考慮人類活動對生態擴散的影響, 本文引入表征人類活動干擾強度的夜間燈光數據對阻力值進行修正[22], 計算公式如下:

式中:R基于夜間燈光指數修正的柵格生態阻力系數;NL為柵格的夜間燈光指數;NL為柵格對應的景觀類型的平均夜間燈光指數,為柵格對應土地利用類型的基本生態阻力系數。

生態節點是生態源間物種的跳板或轉折點, 一般位于生態廊道中生態功能薄弱處, 主要由最小路徑與最大路徑交叉點或最小路徑的匯集處交點構成, 加強生態節點的生態環境建設有利于降低生態廊道的耗費成本, 提升區域生態網絡的生態服務功能[23],本文將最小阻力路徑的交點作為生態節點。

2.2.3 生態安全格局維護

景觀格局與生態過程是景觀生態學研究的核心內容, 兩者相互作用, 構成生態系統服務的主體[24]。景觀的結構和功能無論在哪一個生態學組織層次上都是相輔相成的, 其發展變化影響整個生態系統的變化態勢。結構在一定程度上決定功能, 而結構的形成與發展又受到功能的影響, 同時, 景觀功能的改變可導致結構的變化。斑塊—廊道—基底模式是構成景觀空間格局的基本模式, 有利于考慮景觀結構與功能之間的相互關系, 使得景觀結構、功能和動態的表達更為具體。本文對生態源地、廊道、節點分別做緩沖區處理, 構建生態環境完整性屏障, 保證研究區生態安全格局結構的基礎性作用。根據生態系統服務功能, 選取重要性等級最高級作為優勢主導功能區, 并按照研究區實際情況分別提出維護策略。

3 結果分析

3.1 生態系統服務功能現狀特征

綜合生態服務功能劃分結果如圖2所示, 重要性等級所占土地總面積及百分比如表3。研究區生態不重要地區總面積為1497.26 km2, 占全市總面積18.62%, 分布在市、縣區等建設用地主要區域。生態一般重要、較重要地區面積分別為2139.03 km2、1788.72 km2, 占全市總面積的26.60%、22.24%, 此區域以耕地為主, 部分為湖泊流域, 受人類活動干擾強度大, 生態系統服務功能較弱。生態重要、極重要地區面積之和為2580.77 km2, 分別占全市總面積的19.63%、12.45%, 主要分布在森林覆蓋率較高、濕地等區域, 是區域土壤保持和生物多樣性保護的重要地帶, 生態服務功能質量較高, 生態系統完整性與穩定性較好, 也是源地的主要分布區。

圖2 貴陽市生態服務重要性分級

Figure 2 Importance classification of ecological services in Guiyang City

3.2 生態安全格局源地-廊道-節點特征

提取面積大于10.00 km2的重要、極重要的20塊生態用地作為生態源地[25], 總面積約1078.02 km2, 占全市總面積的13.40%(圖3)。生態源地主要分布在研究區北部、東部及西南紅楓湖、百花湖等區域。從土地利用類型來看, 林地為主要的生態源地類型, 面積為887.53 km2, 其次是草地, 還包括耕地和水體, 生態源地面積共195.00 km2; 建設用地和未利用地生態服務功能較低, 為非源地。生態源地主要分布于息烽縣、開陽縣、烏當區和清鎮市的郊區, 總體呈北、東部斑塊居多且集中, 西、南部斑塊稀少分散破碎的分布格局。

表3 貴陽市生態服務重要性分級統計

圖3 貴陽市景觀生態安全格局

Figure 3 Ecological security pattern in Guiyang City

研究區生態廊道分為現狀廊道(河流)、潛在廊道、重要廊道, 得到廊道共37條, 二者總長為1658.14 km(圖3)。受地形與人類活動影響, 廊道呈北密南疏的空間格局, 部分廊道沿河流走向分布, 少部分貫穿人口集聚區。

研究區識別生態節點共16個(圖3), 主要分布在北部最小阻力路徑與生態廊道的交叉處, 此區域生態用地擴張阻力值最大, 是生態廊道的薄弱區。

研究區的生態安全格局總體上呈“兩環三軸四帶”分布的空間分布趨勢, 其中, “兩環”即為市域內外兩大自然生態屏障, 一是北部烏江—清水江流域的外部生態屏障, 對于保護貴陽市生態完整和國土安全具有積極作用; 二是中心城區環城生態屏障, 是經濟中心和重心, 該區生態用地較少, 保護重要生態用地顯得尤為重要。“三軸”即為貫穿南北的生態廊道, 具有生態結構的完整性、生態功能的延續性, 依次為由清鎮市向修文縣、息烽縣延伸; 由花溪區向觀山湖區、修文縣、息烽縣延伸; 由花溪區向南明區、烏當區、開陽縣延伸。“四帶”連通東西方向的重要廊道, 包括由西望山向溫泉森林公園、南江峽谷延伸的廊道; 由陽明風景區向南江河流域廊道; 由貓跳河流域向香紙溝、相思河風景區延伸的廊道; 由長坡嶺森林公園向阿哈水庫、花溪馬鈴鄉水源區延伸的廊道。

3.3 結構視角的生態安全格局維護策略

為保護生態源地和生態環境不受人為破壞, 參照文獻[26]和研究區實際情況, 以生態源地為中心, 分別建立500、1000 m緩沖區, 依次為生態緩沖區、生態過渡區(圖3)。緩沖區越向外發展, 受到的阻力越大, 越不易被物種利用, 所屬的緩沖區級別越低。生態緩沖區面積為987.16 km2, 占全市總面積12.27%, 生態環境質量較好, 且與生態源地緊密相連, 能被物種充分利用, 是保護生態源地的重要屏障, 在土地開發利用時應實施嚴格的管控, 在城市建設過程中應設置禁建區。生態過渡區面積1522.17 km2, 占全市總面積18.93%, 此區域可進行活動強度較低的開發利用, 滿足環境保護與農業生產, 但不得過度開發利用, 引導土地利用向健康狀態發展, 維護整個生態系統的完整性。

參考相關研究[20],對重要重要廊道緩沖500 m, 總面積685.01 km2, 占全市總面積的8.52%。廊道中林地是重要的生物棲息場所, 面積占比為60.73%。耕地對動物遷徙具有一定的阻力, 面積占比為21.29%, 應在耕地阻力最大的地方為動物設置替代遷徙帶。草地對動物遷徙的阻礙作用較小, 面積占比14.29%。除潛在、重要生態廊道外, 河流作為天然的現狀生態廊道, 對各地區之間的連通及環境保護具有重要的作用, 應優先強化治理和保護, 盡量避免或減少耕地、建設用地對河流廊道及兩岸綠化帶的侵占和破壞, 加強沿河流域植被恢復, 保障現狀生態廊道暢通。

建立生態節點1 km緩沖區[27], 作為源地間的重要棲息地, 對區域生態安全格局有著重要影響, 增加生態節點的林地、草地和水域的比例以提升生態戰略節點的規模和質量, 從而鞏固其連接作用; 減少生態節點附近的人為干擾, 禁止在戰略點附近進行生產建設, 對已破壞的生態節點進行恢復時參考原有的或周邊的景觀進行恢復。

3.4 功能視角的生態安全格局維護策略

重要生態功能區是人類賴以生存的自然環境, 對社會經濟發展起著重要的生態支撐作用, 根據研究結果分別識別4項生態系統服務功能主導區(圖4), 并提出維護策略

(1) 生物多樣性功能主導區

生物多樣性功能主導區主要分布在北部和西南部等地區, 包括野梅林森林公園、溫泉森林公園、息烽西望山風景區和紅馬水庫飲用水源保護區、紅楓湖、百花湖等飲用水保護區, 土地利用類型以林地、水域和耕地為主, 其中林地面積為2072.28 km2, 占全市總面積的25.77%。此區域生境質量高, 距離城鎮較遠, 受人類活動干擾較少, 需加強自然保護地生態廊道建設, 構建生態廊道系統, 建立生物多樣性保護綜合管理體系, 形成生物多樣性保護網絡。

(2) 土壤保持功能主導區

土壤保持功能主導區主要分布在北部、東部等地區, 區內涵蓋息烽西望山風景區、溫泉森林公園、開陽南江峽谷風景區、貴陽相思河風景區和貴陽長坡嶺森林公園。土地利用類型以林地、耕地和草地為主, 其中林地面積為694.92 km2, 占全市總面積的8.64%。以科學方式進行耕地改造, 實施田間生產道路、蓄排引灌等工程措施, 加強石漠化治理和水土流失整治, 充分發揮水土保持綜合效益。

(3) 固碳釋氧功能主導區

固碳釋氧功能主導區主要分布在北部、東部和南部地區, 區內有息烽西望山風景區、溫泉森林公園、開陽南江峽谷風景區、貴陽市貓跳河風景區、貴陽相思河風景區和貴陽長坡嶺森林公園。土地利用類型以林地、耕地和草地為主, 其中林地面積最大, 為1829.84 km2, 占全市總面積的22.75%, 具有固定碳素、釋放氧氣、積累營養物質的生態功能。加強監督和防治, 嚴守保護區森林防線, 要繼續深化新一輪退耕還林, 實施長江防護林、天然林資源保護工程。

(4) 水源涵養功能主導區

水源涵養功能主導區主要分布在北部、東部和南部地區, 區內有息烽西望山風景區、溫泉森林公園、開陽南江峽谷風景區、貴陽景陽森林公園、貴陽相思河風景區和貴陽長坡嶺森林公園。土地利用類型以林地、草地和耕地為主, 其中林地面積最大,為2107.40 km2, 占全市總面積的26.20%。此區域受城市化進程影響較小, 生態環境良好, 加強保護森林植被和長江防護林體系建設, 以及山水林田湖草生態保護修復工程, 構建以濕地自然保護區和濕地公園為主體的濕地資源保護體系, 推進飲用水源地規范化建設, 合理的開發和利用土地資源。

圖4 生態系統服務功能主導區

Figure 4 Ecosystem service function dominant area

4 結論與討論

通過定量評估生物多樣性、土壤保持、固碳釋氧、水源涵養4項生態系統服務功能, 識別生態源地, 采用夜間燈光數據修正生態阻力面, 最后利用MCR模型及重力模型識別生態廊道, 構建貴陽市生態安全格局, 并從生態系統服務結構與生態系統服務功能視角對安全格局提出維護策略,得出以下結論。

(1) 研究區重要、極重要的生態用地占研究區總面積的32.09%, 識別生態源地1078.02 km2, 占研究區總面積的13.40%, 主要分布在北部、東部及西南紅楓湖、百花湖等區域。

(2) 生態廊道總長度為1658.14 km, 呈北密南疏的空間分布格局, 部分廊道沿河流走向分布, 少部分貫穿人口集聚區。識別生態節點共16個, 主要分布在北部最小阻力路徑與生態廊道的交叉處。生態安全格局以“兩環三軸四帶”的形式呈樹狀輻射分布。

(3) 從生態系統結構出發, 建立生態源地緩沖區987.16 km2, 作為保護生態源地的重要屏障; 建立生態過渡區面積1522.17 km2, 可進行活動強度較低的開發利用。建立廊道緩沖區685.01 km2, 對物種傳輸、保護具有積極作用。對生態節點緩沖1 km, 提升生態節點的規模和質量, 鞏固其對源地連接作用。

(4) 從生態系統功能出發, 生物多樣性功能主導區需加強自然保護地生態廊道系統建設, 完善生物多樣性保護綜合管理體系; 土壤保持功能主導區需進行耕地改造, 開展蓄排引灌等工程措施, 加強石漠化治理和水土流失整治; 固碳釋氧功能主導區需強化監督和防治, 嚴守保護區森林防線, 繼續深化新一輪退耕還林; 水源涵養功能主導區需強化森林植被和長江防護林體系建設, 注重山水林田湖草生態保護修復工程, 推進飲用水源地規范化建設, 合理開發和利用土地資源

通過構建貴陽市生態安全格局, 進而從生態系統結構與功能視角提出生態空間維護策略, 有助于提升城鎮開發的生態安全保障, 促進該地區生態系統與社會經濟發展相協調。但是, 受數據獲取限制, 在生態源地的選取只考慮4種生態服務功能, 其他生態服務功能的影響有待深入研究。此外, 不同尺度的生態安全格局有不同特征, 如何整合不同尺度生態安全格局是需要研究的問題。

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Research on ecological security maintenance of Guiyang City based on evaluation of ecosystem service function

XIAO Yang, ZHOU Xu*, JIANG Xiao, ZHANG Ji, LI Hongguang

School of Geography and Environmental Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550025, China

The coordinated regulation of ecosystem structure and service function is the foundation of ecosystem management. Taking Guiyang City as an example, Based on the ecological background characteristics of the regional,the ecological source is identified through the evaluation of the importance of ecosystem service functions, and the regional ecological security pattern is constructed based on the minimum cumulative resistance model and the gravity model. Maintenance strategy of ecological security pattern. And to explore the ecological security pattern of relationship maintenance strategies from the perspective of ecosystem structure and function. Results showed that:The area of important and extremely important ecological land was 2580.77 km2and accounted for 32.09% of the total area. When important and extremely important ecological land above 10 km2was selected as a source, the total area was 1078.02 km2and accounted for 13.40% of the total area, were mainly distributed in the north, east and southwest of Hongfeng Lake and Baihua Lake; The total length of the ecological corridor was 1658.14 km, showing a spatial distribution pattern in the north and south. Some of the corridors are distributed along the river, and some of them pass through the population concentration area; identify 16 ecological nodes, mainly distributed at the intersection of the least resistance path and the ecological corridor in the north, Which appeared as two rings , three axes and four zones. From the perspective of ecosystem structure, establish ecological source areas, corridors, and node buffer zones to ensure the basic role of the ecosystem structure in the study area. From the perspective of ecosystem functions, the status quo of ecological function-dominated areas is delineated, and ecological security maintenance strategies are proposed to provide a reference for the coordinated development of regional ecological economy.

ecosystem services function; ecological security pattern; ecological source; ecological corridor; InVEST model

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.04.030

肖楊, 周旭, 蔣嘯, 等. 基于生態系統服務功能評價的貴陽市生態安全格局維護研究[J]. 生態科學, 2020, 39(4): 244–251.

XIAO Yang, ZHOU Xu, JIANG Xiao, et al. Research on ecological security maintenance of Guiyang City based on evaluation of ecosystem service function[J]. Ecological Science, 2020, 39(4): 244–251.

X826; P901

A

1008-8873(2020)04-244-08

2019-11-15;

2019-12-09

貴州省科技支撐項目(黔科合支撐[2017]2855); 貴州省科學技術項目(黔科合基礎[2017]1195)

肖楊(1994—), 男, 貴州銅仁人, 碩士研究生, 主要從事土地利用變化與生態系統服務, E-mail: xygznu@163.com

周旭, 男, 博士, 副教授, 主要從事遙感水文與流域管理, E-mail: zxzy8178@163.com