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基于生态红线的洱海流域生态安全格局构建

李维佳 马琳 臧振华 高健 李俊清

李维佳, 马琳, 臧振华, 高健, 李俊清. 基于生态红线的洱海流域生态安全格局构建[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(7): 85-95. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170074
引用本文: 李维佳, 马琳, 臧振华, 高健, 李俊清. 基于生态红线的洱海流域生态安全格局构建[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(7): 85-95. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170074
Li Weijia, Ma Lin, Zang Zhenhua, Gao Jian, Li Junqing. Construction of ecological security patterns based on ecological red line in Erhai Lake Basin of southwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(7): 85-95. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170074
Citation: Li Weijia, Ma Lin, Zang Zhenhua, Gao Jian, Li Junqing. Construction of ecological security patterns based on ecological red line in Erhai Lake Basin of southwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(7): 85-95. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170074

基于生态红线的洱海流域生态安全格局构建

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170074
基金项目: 

环保公益性行业科研专项 201509042

详细信息
    作者简介:

    李维佳。主要研究方向:生物多样性。Email:854971234@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院

    通讯作者:

    李俊清,教授,博士生导师。主要研究方向:生物多样性与恢复生态学。Email:lijq@bjfu.edu.cn 地址:同上

  • 中图分类号: S718.5;X171.1

Construction of ecological security patterns based on ecological red line in Erhai Lake Basin of southwestern China

  • 摘要: 目的构建区域生态安全格局解决生态环境问题,是实现区域可持续发展的重要途径。生态红线是国家和区域生态安全的底线,对维护区域生态安全具有重要作用。通过构建生态安全格局,为洱海流域土地资源和生态系统管理提供科学依据。方法本研究以洱海流域为对象,通过生物多样性保护和水源涵养重要性评价的方法划定红线区;基于土地适宜性评价,将生态红线区作为生态源地,建立最小阻力模型,构建生态安全格局。结果根据生态红线具有的生态系统服务功能,将其划分成“生物多样性保护生态红线区”“生物多样性保护—水源涵养生态红线区”和“水源涵养生态红线区”3类,面积分别为81.92、656.37和536.06 km2,占研究区总面积的3.15%、25.24%和20.62%。洱海流域生态安全格局由生态源地,高、中、低3种水平缓冲区,47条生态廊道和14个生态节点构成。其中,高、中、低3种生态安全格局缓冲区,面积分别为359.88、294.9和1 945.42 km2,分别占总面积的13.84%、11.34%和74.82%。结论本研究根据土地利用/覆盖类型与生物多样性保护、水源涵养功能之间的空间对应关系,选取参评因子划定生态红线,为区域生态红线的划分提供了实践参考。根据生态红线区识别生态源地构建生态安全格局,不仅具有全面性和准确性,也为区域生态红线的划定及应用于生态安全格局的构建提供实践参考。
  • 图  1  各阻力因子生态保护用地扩张最小累积阻力表面

    Figure  1.  Minimum cumulative resistance surface of ecological conservation land expansion for each resistance factor

    图  2  生态用地扩张和建设用地扩张最小累积阻力面及差值表面

    Figure  2.  Minimum cumulative resistance surface and difference value surface of ecological conservation and construction land expansion

    图  3  最小累积阻力差值与栅格数目的关系

    Figure  3.  Relations between difference of minimum cumulative resistance and grid number

    图  4  生物多样性保护重要性和水源涵养重要性空间分布图

    Figure  4.  Spatial distribution of importance for biodiversity protection and water conservation

    图  5  生态红线区及其划分分布图

    Figure  5.  Ecological red line area and its classification distribution

    图  6  生态保护用地和建设用地分布图

    Figure  6.  Distribution of ecological protection land and construction land

    图  7  不同水平安全格局缓冲区、生态节点和生态廊道分布

    Figure  7.  Distribution of buffer zones with different safety scale levels, ecological nodes and ecological corridor

    图  8  洱海流域综合生态安全格局

    Figure  8.  Comprehensive ecological security pattern in Erhai Lake Basin

    表  1  生物多样性保护重要性评价分级标准

    Table  1.   Classification standard of importance evaluation of biodiversity protection

    重要性分级
    Importance level
    评价因子
    Evaluation factor
    分级赋值
    Grading assignment
    极重要
    Most important
    自然生态系统类保护区、国家级和省级保护的物种分布区域Distribution area of natural ecosystem reserve, national and provincial protected species 7
    重要
    Important
    常绿针叶林、常绿阔叶林、常绿阔叶灌木林、草甸、水库/坑塘、湖泊、河流
    Evergreen coniferous forest, evergreen broadleaved forest, evergreen broadleaved shrub forest, meadow, reservoir/swag, lake, river
    5
    比较重要
    Quite important
    草丛
    Grass
    3
    一般重要
    General important
    水田、旱地、裸地、居住地、工业用地、交通用地
    Paddy filed, dry farm, bare land, residence area, industrial land, transportation land
    1
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    表  2  生态系统水源涵养重要性评价分级标准

    Table  2.   Classification standard of importance evaluation of source of river conservation

    重要性分级
    Importance level
    评价因子
    Evaluation factor
    分级赋值
    Grading assignment
    极重要
    Most important
    水库/坑塘、湖泊、河流、常绿针叶林、常绿阔叶林
    Reservoir/swag, lake, river, evergreen coniferous forest, evergreen broadleaved forest
    7
    重要
    Important
    常绿阔叶灌木林
    Evergreen broadleaved shrub forest
    5
    比较重要
    Quite important
    草甸、草丛、水田、旱地
    Meadow, grass, paddy filed, dry farm
    3
    一般重要
    General important
    裸地、居住地、工业用地、交通用地
    Bare land, residence area, industrial land, transportation land
    1
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    表  3  景观过程阻力赋值体系

    Table  3.   Resistance assigning system of landscape process

    生态保护用地扩张阻力值
    Expansion resistance value of ecological protection land
    建设用地扩张阻力值
    Expansion resistance value of construction land
    自然因素Natural factor 社会经济因素Social economic factor
    坡度
    Slope degree/(°)
    归一化植被指数
    Normalized difference vegetation index, NDVI
    海拔
    Altitude/m
    景观类型
    Landscape type
    距水域距离
    Distance from water area/m
    距国道/省道距离
    Distance from national and provincial highway/m
    距居民点距离
    Distance from residence area/m
    1 5 >35 0.8~1 >3 500 常绿针叶林、常绿阔叶林、常绿阔叶灌木林、水库/坑塘、河流、湖泊
    Evergreen coniferous forest, evergreen broadleaved forest, evergreen broadleaved shrub forest, reservoir/swag, river, lake
    0~500 >1 200 >1 500
    2 4 25~35 0.6~0.8 3 000~3 500 水田、旱地
    Paddy filed, dry farm
    500~1 000 800~1 200 1 000~1 500
    3 3 15~25 0.4~0.6 2 500~3 000 草丛、草甸
    Grass, meadow
    1 000~2 000 400~800 500~1 000
    4 2 8~15 0.2~0.4 2 000~2 500 裸地、工业用地
    Bare land, industrial land
    2 000~3 000 200~400 200~500
    5 1 0~8 0~0.2 0~2 000 居住地、交通用地
    Residence area, transportation land
    >3 000 0~200 0~200
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    表  4  生物多样性保护和水源涵养重要性评价结果

    Table  4.   Importance evaluating results of biodiversity protection and water conservation

    重要性评价
    Importance evaluation
    生物多样性保护
    Biodiversity conservation/km2
    比例
    Proportion/%
    水源涵养
    Water conservation/km2
    比例
    Proportion/%
    1 555.750 21.373 4 153.765 5.911 6
    3 537.480 20.670 8 988.335 37.997 3
    5 888.975 34.188 8 265.680 10.214 3
    7 617.985 23.766 9 1 193.288 45.876 8
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    表  5  不同水平安全格局缓冲区分区区间

    Table  5.   Threshold range for buffer zone with different safety levels

    不同水平安全格局缓冲区
    Buffer zone with different safety scale levels
    阻力值断点区间
    Resistance breakpoint interval
    高High -4 122 103.500 00~-44 816.875 00
    中Medium -44 816.875 000~31 768.640 625
    低Low 31 768.640 625~616 675.750 00
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-03-10
  • 修回日期:  2018-05-16
  • 刊出日期:  2018-07-01

基于生态红线的洱海流域生态安全格局构建

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170074
    基金项目:

    环保公益性行业科研专项 201509042

    作者简介:

    李维佳。主要研究方向:生物多样性。Email:854971234@qq.com 地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院

    通讯作者: 李俊清,教授,博士生导师。主要研究方向:生物多样性与恢复生态学。Email:lijq@bjfu.edu.cn 地址:同上
  • 中图分类号: S718.5;X171.1

摘要: 目的构建区域生态安全格局解决生态环境问题,是实现区域可持续发展的重要途径。生态红线是国家和区域生态安全的底线,对维护区域生态安全具有重要作用。通过构建生态安全格局,为洱海流域土地资源和生态系统管理提供科学依据。方法本研究以洱海流域为对象,通过生物多样性保护和水源涵养重要性评价的方法划定红线区;基于土地适宜性评价,将生态红线区作为生态源地,建立最小阻力模型,构建生态安全格局。结果根据生态红线具有的生态系统服务功能,将其划分成“生物多样性保护生态红线区”“生物多样性保护—水源涵养生态红线区”和“水源涵养生态红线区”3类,面积分别为81.92、656.37和536.06 km2,占研究区总面积的3.15%、25.24%和20.62%。洱海流域生态安全格局由生态源地,高、中、低3种水平缓冲区,47条生态廊道和14个生态节点构成。其中,高、中、低3种生态安全格局缓冲区,面积分别为359.88、294.9和1 945.42 km2,分别占总面积的13.84%、11.34%和74.82%。结论本研究根据土地利用/覆盖类型与生物多样性保护、水源涵养功能之间的空间对应关系,选取参评因子划定生态红线,为区域生态红线的划分提供了实践参考。根据生态红线区识别生态源地构建生态安全格局,不仅具有全面性和准确性,也为区域生态红线的划定及应用于生态安全格局的构建提供实践参考。

English Abstract

李维佳, 马琳, 臧振华, 高健, 李俊清. 基于生态红线的洱海流域生态安全格局构建[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(7): 85-95. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170074
引用本文: 李维佳, 马琳, 臧振华, 高健, 李俊清. 基于生态红线的洱海流域生态安全格局构建[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(7): 85-95. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170074
Li Weijia, Ma Lin, Zang Zhenhua, Gao Jian, Li Junqing. Construction of ecological security patterns based on ecological red line in Erhai Lake Basin of southwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(7): 85-95. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170074
Citation: Li Weijia, Ma Lin, Zang Zhenhua, Gao Jian, Li Junqing. Construction of ecological security patterns based on ecological red line in Erhai Lake Basin of southwestern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(7): 85-95. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170074
  • 随着我国城市化、工业化进程的加快[1],人与自然环境之间的矛盾日益恶化,导致了生境破坏、生物多样性锐减和土地承载力严重退化等生态问题[2],严重威胁区域生态安全。构建区域生态安全格局改善生态安全现状[3],是实现区域可持续发展和生态环境保护的重要途径[4]。生态安全格局是指以解决重要生态环境问题为目的,以社会经济效益和生态效益最大化为目标,将区域内自然资源和人类活动进行合理安排,形成点、线、面相结合组成的空间配置[5]

    我国学者已经在生态安全格局领域开展了广泛的研究,生态安全格局的构建方法从最初定性、静态、单一的寻优等逐步发展为定量、动态、综合的研究[2]。蒙吉军等[6]以鄂尔多斯市为研究区,基于自然地理数据、社会经济统计数据、土地利用/覆被数据等,借助多目标优化模型和GIS空间分析技术,构建鄂尔多斯市土地利用生态安全格局;苏泳娴等[7]以佛山市高明区为研究对象,将景观安全格局原理和GIS空间技术分析相结合,构建了包含基本保障格局—缓冲区—最优格局3个级别的综合生态安全格局。目前,生态安全格局的构建模式主要为基于俞孔坚[8]提出的“识别源地—建立阻力面—构建安全格局”的三步骤,已有多个基于这一模式的区域生态安全格局的构建都基于这一模式[9-12]。这些研究大多数集中于探讨阻力因子选择、阻力面构建及安全格局的判别,较少对源地识别方法进行研究[13]。目前,源地识别的普遍方法为直接识别,即选取研究区内自然保护区、风景名胜区或者生态系统服务功能价值较高的景观类型如大面积的林地、水体作为生态源地[9, 14-17]。该方法偏重于源地自身的功能属性,而忽略了与区域生态环境之间的联系,对构建格局缺乏准确性和全面性[2]。而生态红线的提出,为研究源地的识别开辟了新思路[18]。生态红线是在重点生态功能区、生态环境敏感区和脆弱区等区域,通过生态系统服务功能评价和生境敏感性评价,划定生态安全底线[19],并将其中具有较高生态服务功能或重要生态防护功能的区域划定为生态红线区[20]。因此,根据生态红线区选取源地,构建区域生态安全格局,进而构建更加全面系统的生态安全格局[2]

    洱海流域是我国重要的生态保护区,在《全国生态功能区划(2015年修编)》中,洱海流域被划定为生物多样性保护与水源涵养重要区。在《全国主体功能区规划》中,苍山洱海国家级自然保护区和苍山国家地质公园被划分为禁止开发区。随着洱海流域旅游业的兴起,城镇化发展迅速,人口大量增加,自然资源的开发利用和城镇用地扩张导致了区域空间格局分布不合理,引发了一系列的生态环境问题[21];但是,目前尚未对洱海流域提出切实的区域生态系统管理对策[20-23]。本研究通过对洱海流域进行生物多样性保护和水源涵养重要性评价,划定生态红线区并根据生态红线区评价的重要性选取源地,基于最小阻力模型划分不同水平的缓冲区,依据水文分析方法识别生态廊道和生态节点,结合源地、缓冲区、生态廊道和生态节点构建生态安全格局,为洱海流域土地资源和生态系统管理提供科学依据。

    • 洱海流域位于云南省大理白族自治州境内,地理位置99°32′~100°27′E、25°25′~26°16′N,流域面积为2 600.19 km2。洱海流域是重要的生态功能区,包括国家级自然保护区和云南省第二大淡水湖,森林覆盖率为45.7%,水域覆盖率为10.4%。土地利用面积最大的类型为常绿针叶林,占总面积的29.4%,最小的为建设用地,占总面积的5.91%。流域内植被分布垂直地带性特征明显,山体海拔由下往上的分布类型依次为常绿阔叶灌木林、常绿阔叶林、常绿针叶林和草甸。洱海流域地势西北高、东南低,平均海拔为2 000 m,分布着5座山脉,分别大黑山、点苍山、马鞍山、鸡足山和九顶山脉,共同形成了洱海流域的生态系统多样性和生态服务功能多样性。

    • 本研究的土地利用矢量数据(1:10 000)来自于环保部卫星环境应用中心,数字高程模型(digital elevation model, DEM)数据、归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)数据来自于中国科学院地理空间数据云服务平台网站(http://www.gscloud.cn/),DEM的分辨率为30 m×30 m,NDVI的分辨率是250 m×250 m(2015年5月1日),国家级自然保护区数据、云南省行政区划与道路图来源于昆明勘察设计院。

    • 依据土地利用矢量数据,将洱海流域的土地利用类型归类划分为常绿针叶林、常绿阔叶林、常绿阔叶灌木林、水库/坑塘、河流、湖泊、草丛、草甸、水田、旱地、裸地、居住地、工业用地和交通用地14类。

      运用Arcgis10.2,从DEM数据中提取坡度,从土地利用矢量数据中提取河流、湖泊和水库/坑塘作为水域,并从中提取出居住地,利用转换工具得到其中心点作为居民点。

    • 《生态保护红线划定指南(2017)》中提出,通过生态系统服务功能评价划定重点生态功能区的保护红线,评价内容包括水源涵养、水土保持、防风固沙、生物多样性保护等。在《生态保护红线划定指南(2017)》中将按生态系统服务值大小由低到高依次划分为一般重要、重要、极重要3个重要性级别,累积服务值分别占服务总值比例的20%、30%和50%。生态系统服务功能评价方法主要是模型评价法和净初级生产力(net primary productivity, NPP)定量指标评价法,但是现有的生态红线划定相关文献中只有少数研究使用了这两种方法[24-25],主要原因是模型评价法所需参数较多,对数据需求量较大,准确度较高;而定量指标法以NPP数据为主,虽然参数较少,操作较为简单,但是计算各生态服务功能指数的参数较难获取且计算公式冗长复杂。大多数生态红线划定研究的评价标准主要参考土地利用/覆被类型、城市规划建设、生态保护现状等实际情况确定参评因子和分级标准[26-29]。这是因为:(1)土地利用类型与生物多样性和水源涵养功能之间有很好的空间对应关系[26];(2)参数较少,操作比较简单,适用范围具有地域性,便于落实到生态系统的管理实践中。

      但是,在《生态保护红线划定指南(2017)》中只有一般重要、重要、极重要3个重要性级别,而洱海流域土地利用/覆被类型有14类,根据土地利用类型划分重要级的分级标准针对性不足,准确性较低。因此,为了提高土地利用类型和生态系统服务功能之间的相关性,本研究参照《生态保护红线划定技术指南(2015)》附录中,按生态系统服务值大小由低到高依次划分为一般重要、比较重要、重要、极重要4个重要性级别,分级赋值为1、3、5、7,将高等级生态系统服务重要区纳入生态保护红线。

      《全国生态功能区划(2015年修编)》将洱海流域划定为生物多样性保护与水源涵养重要区,因此,依据生态系统服务功能的重要性,对洱海流域进行生物多样性保护和水源涵养重要性评价,将生态系统服务功能极重要的地区划分为生态红线区。

    • 生物多样性保护重要性评价主要是评价区域内不同地区对生物多样性保护的重要程度,重点评价生态系统与物种保护的重要性。位于洱海流域内的苍山洱海国家级自然保护区是自然生态系统、自然遗迹类保护区,因此将保护生态系统的热点地区作为生物多样性保护的重点地区[26]。生物多样性(物种丰富度)与土地利用/覆盖之间有很好的空间对应关系,可以从土地利用/覆盖角度确定生物多样性保护重要性评价的参评因子和分级标准(表 1)。

      表 1  生物多样性保护重要性评价分级标准

      Table 1.  Classification standard of importance evaluation of biodiversity protection

      重要性分级
      Importance level
      评价因子
      Evaluation factor
      分级赋值
      Grading assignment
      极重要
      Most important
      自然生态系统类保护区、国家级和省级保护的物种分布区域Distribution area of natural ecosystem reserve, national and provincial protected species 7
      重要
      Important
      常绿针叶林、常绿阔叶林、常绿阔叶灌木林、草甸、水库/坑塘、湖泊、河流
      Evergreen coniferous forest, evergreen broadleaved forest, evergreen broadleaved shrub forest, meadow, reservoir/swag, lake, river
      5
      比较重要
      Quite important
      草丛
      Grass
      3
      一般重要
      General important
      水田、旱地、裸地、居住地、工业用地、交通用地
      Paddy filed, dry farm, bare land, residence area, industrial land, transportation land
      1
    • 区域生态系统水源涵养的重要性在于整个区域对评价地区水资源的依赖程度及洪水条件作用[26]。因此,可以根据评价地区所处的地理位置,对整个流域水资源的贡献以及土地利用状况来评价。参评因子和分级标准见表 2

      表 2  生态系统水源涵养重要性评价分级标准

      Table 2.  Classification standard of importance evaluation of source of river conservation

      重要性分级
      Importance level
      评价因子
      Evaluation factor
      分级赋值
      Grading assignment
      极重要
      Most important
      水库/坑塘、湖泊、河流、常绿针叶林、常绿阔叶林
      Reservoir/swag, lake, river, evergreen coniferous forest, evergreen broadleaved forest
      7
      重要
      Important
      常绿阔叶灌木林
      Evergreen broadleaved shrub forest
      5
      比较重要
      Quite important
      草甸、草丛、水田、旱地
      Meadow, grass, paddy filed, dry farm
      3
      一般重要
      General important
      裸地、居住地、工业用地、交通用地
      Bare land, residence area, industrial land, transportation land
      1
    • 最小累积阻力模型是指物种从源向目的地运动过程当中经过不同景观类型所需克服的最小阻力的模型,它最早由Knaapen[30]于1992年提出,经俞孔坚[8]、赵筱青等[31]的修改后用下式表示。

      $$ \mathrm{MCR}=f \min \sum D_{i j} \times R_{i} $$

      式中:MCR是最小累积阻力值;Dij表示物种从源j到景观单元i的空间距离;Ri表示景观单元i对某物种运动的阻力系数。∑表示单元i与源j之间所穿越所有单元的距离和阻力的累积,min表示被评价斑块对于不同源的最小累积阻力值,f是一个未知的正函数,反映空间中任一点的最小累积阻力与生态过程的正相关关系,可利用Arcgis10.2中的成本距离计算该模型。

      最小累积阻力值反映了从源到汇克服阻力的水平过程,阻力值的大小与景观单元的连通性有关,当连通性越好时,阻力值越小。因此,可以用最小累积阻力模型模拟土地利用扩张,根据阻力值的对比判断土地利用的适宜性。

    • 本文将土地利用扩张看作是生态源和建设源向四周扩散,生态源和建设源分别为生态保护用地和建设用地,同一景观单元对两种扩张过程的阻力值相反。为使生态保护用地扩张和建设用地扩张在同一标准下进行,需要建立阻力因子相同,阻力系数相反的阻力评价体系。

      由于这一评价体系没有统一的标准,因此本研究依据已有相关文献选取阻力评价因子。现有研究大多从自然因素、社会经济因素和政策因素3个方面选取要素构建阻力面,匡丽花等[32]选取自然因素(地形地貌、景观类型、土壤类型、坡度起伏度)、社会经济因素(距国道省道距离、距高速距离、距城镇距离)、政策因素(生态保护区)3个因素8个阻力因子对鄱阳县进行土地适宜性评价。李谦等[1]引入自然因素(地形地貌、高程、坡度、土地利用/覆被变化)、社会经济状况(人口密度、经济指数等)研究土地整治中的连通性变化及其优化。刘孝富等[33]采用自然因素(NDVI、坡度、植被覆盖度、土壤类型、降水、景观类型、地质地貌、水文地质)、政策因素(生态保护区)对厦门进行土地适宜性评价。李平星等[34]根据自然因素(土地利用/土地覆被类型)构建阻力表面分析广西西江经济带的生态可占用性。

      结合洱海流域实际情况,本文选取了自然因素(坡度、NDVI、海拔、景观类型)和社会经济因素(距水域距离、距国道/省道距离、距居民点距离)2个因素7个因子为阻力评价因子。其中,NDVI与植被覆盖有关,正值表示有植被覆盖,且随覆盖度增大而增大,因此NDVI值越大表明生态用地扩张阻力越小。阻力系数赋值为1、2、3、4、5[33],两个过程的阻力值相反,7个因子的权重根据层次分析法确定,分别为0.262、0.262、0.262、0.087、0.052、0.037、0.037。景观过程阻力赋值体系见表 3

      表 3  景观过程阻力赋值体系

      Table 3.  Resistance assigning system of landscape process

      生态保护用地扩张阻力值
      Expansion resistance value of ecological protection land
      建设用地扩张阻力值
      Expansion resistance value of construction land
      自然因素Natural factor 社会经济因素Social economic factor
      坡度
      Slope degree/(°)
      归一化植被指数
      Normalized difference vegetation index, NDVI
      海拔
      Altitude/m
      景观类型
      Landscape type
      距水域距离
      Distance from water area/m
      距国道/省道距离
      Distance from national and provincial highway/m
      距居民点距离
      Distance from residence area/m
      1 5 >35 0.8~1 >3 500 常绿针叶林、常绿阔叶林、常绿阔叶灌木林、水库/坑塘、河流、湖泊
      Evergreen coniferous forest, evergreen broadleaved forest, evergreen broadleaved shrub forest, reservoir/swag, river, lake
      0~500 >1 200 >1 500
      2 4 25~35 0.6~0.8 3 000~3 500 水田、旱地
      Paddy filed, dry farm
      500~1 000 800~1 200 1 000~1 500
      3 3 15~25 0.4~0.6 2 500~3 000 草丛、草甸
      Grass, meadow
      1 000~2 000 400~800 500~1 000
      4 2 8~15 0.2~0.4 2 000~2 500 裸地、工业用地
      Bare land, industrial land
      2 000~3 000 200~400 200~500
      5 1 0~8 0~0.2 0~2 000 居住地、交通用地
      Residence area, transportation land
      >3 000 0~200 0~200
    • 通过重要性评价,分别得到生物多样性保护重要性分布图和水源涵养重要性分布图,利用Arcgis10.2的空间叠加将两张分布图叠加在一起。

      选取“生物多样性保护功能极重要—水源涵养功能极重要区”“生物多样性保护功能极重要—水源涵养功能重要区”和“水源涵养功能极重要—生物多样性保护功能重要区”作为生态源即生态保护用地。

      选取“生物多样性保护功能一般重要—水源涵养功能一般重要区”作为建设源即建设用地。

    • 随源地向外扩散,在源地周边形成了最小累积阻力值逐渐增加的缓冲区域。缓冲区域是物种生境恢复和自然分布区扩张的区域,具有重要的生态保护与恢复功能,主要通过在源地周围划定等距离同心圆来确定其边界和范围。但是生态安全格局中缓冲区的边界范围及其等级划分不是利用传统的等距离法而是通过计算阻力值突变点来确定缓冲区的分区阈值,生态源和建设源经过突变点前后的最小累积阻力值发生较大变化,说明缓冲区对两个扩张过程的推动和阻碍程度相差较为明显。因此,可以将突变点作为缓冲区划分的标准。本文基于两个过程的最小累积阻力差值与栅格面积的变化趋势,找到突变点,将其作为划分缓冲区的断点[18]

      根据阻力因子和分级标准,运用Arcgis10.2计算得到各阻力因子的生态保护用地扩张最小累积阻力表面(建设用地扩张最小累积阻力表面方法一致)(图 1),然后根据各因子的权重,使用栅格计算器计算两个过程的最小累积阻力表面(图 2a2b),将生态保护用地扩张最小累积阻力面减去建设用地扩张最小累积阻力面,得到两个过程的差值表面(图 2c)。将两个过程的累积最小阻力差值表面进行重分类,利用Natural Breaks(Jenks)断点法,利用各点及对应栅格数目做成折线图(图 3)。从图 3中可以看出,在A点和B点发生突变,当生态流通过这些突变点时,最小累积阻力值发生剧烈变化,将突变点作为分区阈值,将缓冲区分为高、中、低3种水平。不同水平的缓冲区也从一方面反映了生态安全格局的水平。

      图  1  各阻力因子生态保护用地扩张最小累积阻力表面

      Figure 1.  Minimum cumulative resistance surface of ecological conservation land expansion for each resistance factor

      图  2  生态用地扩张和建设用地扩张最小累积阻力面及差值表面

      Figure 2.  Minimum cumulative resistance surface and difference value surface of ecological conservation and construction land expansion

      图  3  最小累积阻力差值与栅格数目的关系

      Figure 3.  Relations between difference of minimum cumulative resistance and grid number

    • 廊道是生态安全格局中各景观组分的连接通道和隔离通道,也是物种扩散和流动的主要通道,具有生态防护和维持景观连通性的重要功能。生态廊道一般为林地、水域等生态要素,对于生态用地扩张累积阻力表面来说,就是相邻两源之间的低阻力通道[35]

      借鉴Arcgis10.2的水文分析方法,得到生态流通过生态用地扩张累积阻力表面时运行的最小阻力路径,从而确定了生态廊道的空间位置。

    • 生态节点是生态安全格局中连接生态廊道的关键点,即最小累积阻力路径的交点或汇集点。由于生态节点周围的景观组分跨度较大,容易受外界干扰,因此生态功能脆弱,其对生态廊道的连接性和生态安全格局的稳定性具有重要作用[35]。提取上述计算得到的最小阻力路径的交点和汇集点作为生态节点。

    • 对洱海流域生物多样性保护和水源涵养重要性评价结果显示,生物多样性保护极重要区为617.99 km2,占总面积的23.77%。比较重要区面积最大,为888.98 km2,占总面积的34.19%。水源涵养极重要区的面积为1 193.29 km2,重要区面积为988.34 km2,分别占总面积的45.88%、38%(表 4图 4a4b)。

      表 4  生物多样性保护和水源涵养重要性评价结果

      Table 4.  Importance evaluating results of biodiversity protection and water conservation

      重要性评价
      Importance evaluation
      生物多样性保护
      Biodiversity conservation/km2
      比例
      Proportion/%
      水源涵养
      Water conservation/km2
      比例
      Proportion/%
      1 555.750 21.373 4 153.765 5.911 6
      3 537.480 20.670 8 988.335 37.997 3
      5 888.975 34.188 8 265.680 10.214 3
      7 617.985 23.766 9 1 193.288 45.876 8

      图  4  生物多样性保护重要性和水源涵养重要性空间分布图

      Figure 4.  Spatial distribution of importance for biodiversity protection and water conservation

      洱海流域生态红线区(图 5)划分为“生物多样性保护生态红线区”“生物多样性保护—水源涵养生态红线区”和“水源涵养生态红线区”3种,面积为81.92、656.37和536.06 km2,分别占红线区总面积的3.15%、25.24%和20.62%。

      图  5  生态红线区及其划分分布图

      Figure 5.  Ecological red line area and its classification distribution

    • 洱海流域综合生态安全格局由生态源地、缓冲区、生态廊道和生态节点构成。

      生态源地分为生态保护用地和建设用地,面积为1 451.61、138.26 km2,分布占总面积的55.83%、5.32%(图 6)。

      图  6  生态保护用地和建设用地分布图

      Figure 6.  Distribution of ecological protection land and construction land

      不同水平缓冲区分区区间和结果见表 5图 7a。缓冲区分布在各生态源地外围,大部分地区是山区林地、河流和湖泊。其中低水平缓冲区面积为1 945.42 km2,占洱海流域总面积的74.82%,是区域内最重要的生态功能区和保护优先区,因此应将低水平缓冲区作为禁止开发区,以生态保护为主,禁止任何开发建设。中水平缓冲区面积为294.9 km2,占洱海流域总面积的11.34%,是生态保护和开发建设的过渡区,应作为限制开发区,以生态保护为重点,进行生态修复和基础生态设施建设,维持区域生态安全的稳定。高水平缓冲区面积为359.88 km2,占洱海流域总面积的13.84%,由于其对生态保护用地扩张的阻力值较大,因此将高水平缓冲区作为适宜开发区,在不破坏生态环境的前提下,合理进行开发建设。

      表 5  不同水平安全格局缓冲区分区区间

      Table 5.  Threshold range for buffer zone with different safety levels

      不同水平安全格局缓冲区
      Buffer zone with different safety scale levels
      阻力值断点区间
      Resistance breakpoint interval
      高High -4 122 103.500 00~-44 816.875 00
      中Medium -44 816.875 000~31 768.640 625
      低Low 31 768.640 625~616 675.750 00

      图  7  不同水平安全格局缓冲区、生态节点和生态廊道分布

      Figure 7.  Distribution of buffer zones with different safety scale levels, ecological nodes and ecological corridor

      根据水文分析方法,综合洱海流域现状,筛选出47条作为生态廊道(图 7b),总长为24.6 km。生态廊道以生态源地为中心向低阻力方向扩散,呈树枝状分布。从图 7b中可以看出,洱海湖滨带分布了9条生态廊道,将洱海与人类活动连接起来,提高了生态系统结构的稳定性,具有维持生物多样性、水源涵养的功能。因此需要加强洱海湖滨带生态恢复工程建设,形成洱海湿生和陆生的生态系统缓冲区。

      将最小耗费路径的汇集点作为生态节点,共提取出了14个(图 7b)。生态节点的生态用地扩张阻力值最大,因此是生态廊道的最薄弱区,应加强生态保护建设,对生态系统功能和结构的完整性具有重要作用。

      最后,综合生态源地、3种不同水平缓冲区、47条生态廊道和9个生态节点构建洱海生态安全格局(图 8)。

      图  8  洱海流域综合生态安全格局

      Figure 8.  Comprehensive ecological security pattern in Erhai Lake Basin

    • 通过生物多样性保护和水源涵养重要性评价,划定出了洱海流域的生态红线区,并将生态红线区根据生态系统功能分为3类,即“生物多样性保护生态红线区”“生物多样性保护—水源涵养生态红线区”和“水源涵养生态红线区”。洱海流域生态红线区主要集中分布于洱源县牛街乡、三营镇北、乔后镇东、炼铁乡东以及大理白族自治州下关镇南、凤仪镇南以及苍山洱海国家级自然保护区。生态红线区的主要土地利用类型为常绿针叶林、常绿阔叶林、水库/坑塘、河流和湖泊。其中,常绿针叶林面积最大,为764.51 km2,占总面积的29.4%,其次是湖泊,面积为270.25 km2,占研究区总面积的10.39%。其他类型按面积大小依次为常绿阔叶林、水库/坑塘以及河流。

      本研究基于土地生态适宜性评价结果,将洱海流域划分为高、中、低3种生态安全格局缓冲区,面积分别为359.88、294.9和1 945.42 km2,分别占总面积的13.84%、11.34%和74.82%。低水平安全格局缓冲区主要分布于生态源地周围,与生态源地列为禁止开发区。中水平安全格局缓冲区主要分布于低水平安全格局向高水平安全格局过渡带,是经济发展过程中的限制开发区。高水平安全格局缓冲区主要分布于各乡镇的人口密集区,生态保护用地扩张阻力大,适宜开发。

    • 本文根据生态红线划定的重要性评价结果,将“生物多样性保护极重要—水源涵养极重要区”“生物多样性保护极重要—水源涵涵养重要区”和“水源涵养极重要—生物多样性保护重要区”作为构建生态安全格局的生态源,用“生物多样性保护一般重要—水源涵养一般重要区”作为建设源,与以往直接识别源地构建生态安全格局的传统方法具有一定的优势[9-13]。首先,生态红线的保护范围广泛,可以同时考虑水平和垂直两个生态过程的安全格局,在生态保护红线的基础上选择源地, 可以更多地关注生态系统的空间结构、过程与功能;其次,相较于一些保护区的核心区,生态红线区是真正意义上的生态保护关键区。因此,基于生态红线区选择的源地具有准确性;但是,由于选取划定生态红线的参评因子比较单一,在便于实践化的同时,忽略了其他因素对生态红线划定的影响,因此需要在以后的研究中进一步探讨。其次,本文主要研究了源地的识别方法,生态廊道和生态节点的确定采用的是已有的识别方法,还需要更加深入的研究。

      重要生态功能区及现有的自然保护区是人类赖以生存的自然环境,对社会经济发展起重要的生态支撑作用。根据生态红线区划分结果和生态安全格局的构建,对洱海流域提出保护和发展建议。一是针对不同的生态系统服务功能,采取对应的管理策略。洱海流域主要生态系统服务功能为生物多样性保护和水源涵养功能,同时具有两种功能的区域要尽量兼顾各种功能的保护需求。水源涵养功能区采取的主要措施包括:有效保护具有水源涵养功能的植被,鼓励发展节水农业,提高水源涵养功能。生物多样性保护功能区应限制人类活动,加强自然保护区建设和管理,进行人工生态建设和实施生态恢复工程,提高生态系统的自我恢复能力;二是以生态红线为基础,对自然保护区功能区划进行调整[4]。目前我国许多自然保护区及其“核心区—缓冲区—实验区”边界的划定仍不明确,由于没有统一部门、统一标准的划分,出现了空间交叉重叠等问题[36]。洱海流域内部划分为生态红线区的重要生态功能区尚未被包含在自然保护区体系中,难以得到有效保护。因此,对于保护区以外的生态保护红线区域,可以调整保护区功能区划,将其纳入自然保护区中。同时,生态安全格局中低水平缓冲区、生态廊道和生态节点也需要根据其生态功能和保护程度划入自然保护区。

参考文献 (36)

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