【文献分享】渭河流域生态安全格局多情景分析及优化策略

文摘   2025-01-18 08:01   北京  


摘要



渭河流域(WRB)一直在努力实现生态保护与经济增长之间的平衡。构建生态安全格局(ESP)对于保障生态安全(ES)具有极其重要的意义。本研究采用多目标规划(MOP)和斑块生成土地利用模拟(PLUS)模型对2040年三种情景下的土地利用变化(LUCC)进行了预测,利用电路理论,构建生态廊道,并确定关键的生态节点,从而对WRB内的ESP进行比较分析。结果表明:(1)生态保护情景中林地、草地和水的比例最高,生态环境最优;相反,经济发展(ED)情景的建设用地比例最大,尤其是在城市快速扩张中。自然发展(ND)情景表现出更为平衡的变化,与历史趋势密切相关。(2)生态保护(EP)情景下的生态源面积为13856.70平方公里,斑块面积最大、最完整;在ED情景下,已确定的生态源斑块呈现破碎和分散的特征,总面积为8018.82平方公里。2020年ND情景的生态源面积与实际情况最接近,为8474.99平方公里。(3) EP情景的景观破碎化程度最小。ED情景呈现出更为复杂的廊道格局,阻碍了物种和能量流效率。ND情景与2020年的实际分布更相似。保护和恢复关键生态节点,确保生态资源的完整性和连通性是各种场景下ESP优化的关键。综合研究结果,提出了“三区、三带、一中心”的WRB空间格局,并提出了生态保护的战略建议,以促进当地生态和社会经济的可持续发展。




研究背景及意义



随着全球气候和环境的急剧变化、城市的快速扩张和污染物的大量排放,环境退化日益普遍。不同区域在生态保护方面面临不同程度的挑战。生态安全通常涉及自然和半自然生态系统的保护和福祉,包括对其完整性和整体健康的综合评估。生态安全格局的构建是维持区域生态系统发展的一种手段,对区域生态系统的可持续发展具有指导性帮助,它可以基于景观重要节点的布局,从宏观上反映区域生态系统,对某一生态过程的保护和控制具有重要意义。
构建ESP的研究大多形成了“确定生态源、构建综合阻力面、提取生态廊道”的基本步骤。随着相关研究的逐步深入,研究区域边界(如行政区域或天然盆地)的选择也更加多样化。研究的时间尺度已经从静态(某一年的ESP)发展到动态(未来多种情景下ESP的变化)。增加了关键生态节点的识别和分析。这一趋势使得ESP的研究和建设更加客观和全面。为区域生态系统的保护和恢复提供了更有利的建议和参考。
结合形态空间格局分析(MSPA)和连通性分析提取生态源的方法越来越普遍,两者的结合可以更全面地评估生态源的质量和功能。构建生态阻力面至关重要,仅根据特定土地利用类型构建阻力面存在局限性。在本研究中,本文考虑了一些社会经济因素作为构建阻力面的重要因素,旨在使构建结果更加客观和全面。利用最小累积阻力(MCR)模型提取生态廊道是应用最广泛的方法之一。然而,单纯依靠MCR模型识别的廊道只能反映其连接生态源的方向,缺乏对廊道宽度和内能流密度的识别,对生态廊道宽度的研究有限。结合电路理论更有利于确定生态廊道的最优路径,可以提高模拟ESP建设的准确性,在实际应用和工作中也具有实用价值。与传统研究相比,本研究更侧重于从景观形态和景观连通性的角度构建生态廊道,并通过电路理论的整合,获得了更详细的生态廊道和生态节点的分布格局。
大多数研究都集中在特定时间点的ESPs,而较少关注未来 ESP的变化而本研究通过模拟土地覆盖变化,考察了ESPs的动态变化,对区域生态环境保护具有更大的现实意义和参考价值。土地利用/土地覆盖变化是ESP构建的重要因素,它直观地反映了人类活动的影响,也反映了区域生态过程的变化。此外,它直接影响ESP的变化。在进行土地利用变化预测模拟之前,通常使用多目标规划来辅助预测未来土地利用面积。它将预测的面积转换为像素量,然后输入到模拟软件中,生成未来土地覆盖变化的分布格局。大量的模拟软件可以帮助研究人员模拟和预测土地覆盖变化其中,斑块生成土地利用模拟模型能更好地反映土地利用变化模拟过程背后的机制,并被证明能产生更客观准确的结果。本研究将MOP与PLUS模型相结合,进行土地利用变化的预测与模拟。




研究亮点

         


渭河(WR)是黄河的重要支流,渭河流域的地形和气候具有显著的空间差异。降水时空分布不均匀,加之特定的复杂地形和水系,导致WRB自然灾害频发。在过去的50年里,WR的径流量经历了显著的下降。研究表明,与气候变化因素相比,人类活动对这种下降的影响更为明显。因此,生态保护和修复工作面临着艰巨的挑战。WRB作为中国重要的粮食产区和重要的国家经济开发区,具有重要意义,这凸显了维护生态完整性与追求经济进步之间的内在冲突。因此,它深刻地影响着当地居民的福祉和生态系统的稳定。基于WRB的特征,通过模拟未来土地利用/土地覆盖变化,构建多情景ESPs,解决以下科学问题:(1)关中平原城市群如何协调经济发展与生态保护之间的冲突?(2)从土地利用规划和环境资源管理的角度看,WRB如何实现可持续发展?(3) WRB中不同未来情景的模拟结果为构建ESP的局部策略提供了哪些参考?结合MOP和PLUS模式对2040年不同情景下的土地利用/土地覆盖变化进行模拟。利用MSPA、景观连通性分析和电路理论构建ESP的动态变化,并与未来多个场景进行比较。研究目标为:(1)为揭示2000-2020年土地利用变化,模拟了2040年WRB不同情景下ESP的空间格局;(2)对比分析了2020年情景与2040年情景的生态系统价值动态变化,识别了重要生态节点;(3)根据研究结果,规划了WRB的重点生态区,并提出了生态保护与修复策略建议。





研究结果



1 WRB土地利用的时空变化
1.1 2000-2020年土地利用时空变化
2000-2020年期间,WRB土地利用类型之间发生了明显的转变,特别是耕地与建设用地、耕地与草地、林地与草地之间发生了较大的土地利用转移(表6)。到2020年,最明显的是建设用地的扩张,面积为5185.19平方公里,增加了1598.24平方公里,比原面积扩大了44.56%。其中,82.10%来自耕地改造。2020年,森林和草地面积分别为22336.92平方公里和5165.43平方公里,比原始面积分别增加3.49%和4.05%。水和未利用土地占世界自然保护区所有土地类型的一小部分。2020年,其面积分别为951.10平方公里和203.71平方公里,比2000年分别增长14.97%和17.25%;耕地是6种土地利用类型中唯一面积减少的土地类型。面积54523.93平方公里,减少7.65%。
WRB地处黄土高原地区,受地形和气候的影响,自然灾害频发,水土流失严重。由于地理xx和气候条件的限制,以及人类的过度种植,导致土壤肥力不足,耕地面积迅速减少。大规模退耕还林对当地农业人口的福祉和粮食安全产生了一定程度的影响。此外,在国家对地方发展政策的支持下,建设用地的增长主要发生在关中平原地区。
1.2 2040年不同情景下土地利用空间时空变化
在ND情景下,土地利用类型以草地和耕地为主,面积分别为53,227.57平方公里和50,769.44平方公里。其次是林地,面积为23,038.26平方公里,建设用地、水域和未利用地面积相对较小,分别为6538.15平方公里、1055.92平方公里和224.59平方公里。与2020年的土地利用比例相比,除耕地外,所有土地类型都有所扩大。在EP情景下,2020年森林面积较实际情况显著增加,达到29880.99平方公里。耕地和草地面积分别减少到49071.54平方公里和48547.82平方公里,均比2020年有所减少。建设用地5884.33平方公里,水域1267.10平方公里,未利用土地202.13平方公里。在EP情景下,湿地的生态水平显著提高。在ED情景下,经济增长是该情景的主要背景,耕地和林地面积分别为55,623.99平方公里和22,336.92平方公里,耕地面积较2020年显著扩大。草地面积为48547.82平方公里,建设用地面积为7191.96平方公里。水和未利用土地的比例与其他情景相似,分别为951.10平方公里和202.13平方公里(图3)。
通过横向比较不同情景中不同土地利用类型的比例,可以明显看出三种情景之间存在明显差异。在所有的土地利用类型中,耕地和草地是优势类型,其中耕地面积在东部情景中最高,占所有土地利用类型的41.25%,而东部情景为37.65%,东部情景为36.39%。在草地方面,三种情景之间差异不大,ND、EP和ED情景的比例分别为39.47%、36.00%和36.00%。在EP情景中,林地比例最高,为22.16%,其次是ND情景,为17.08%,ED情景中最小,为16.56%。水资源、建设用地和未利用地配置相对较低,且差距主要集中在建设用地。在ED情景中,建设用地占比最高,为5.33%,而在EP情景中,建设用地占比最小,为4.36%。不同情景下土地利用类型占比更直观地体现了不同情景间的差异。森林覆盖率可以反映一个地区森林资源和林地占用的实际水平,也是衡量一个地区生态水平的重要指标之一。从2000-2020年森林面积占总面积比例的历史趋势来看,森林覆盖率从16.00%增加到16.56%,林地占总比例增加了0.56%。对比2020-2040年不同情景下WRB的森林覆盖率,同样是20年的变化,ND情景下的森林覆盖率为17.08%,增长0.52%,与历史趋势基本保持一致。EP情景下森林覆盖率占22.16%,增长5.60%,增长率明显高于其他情景。然而,在ED情景下,森林覆盖率仅为16.56%左右,与2020年相比几乎没有变化。草原比例在流域水土保持、气候调节、生态稳定和畜牧业发展等方面发挥着重要作用。在3种情景下,ED和EP情景中草地的比例有所下降,主要是向耕地和林地转移,而ND情景则保持了原有的增长速度,主要是由于耕地的转移。在任何情况下,水占土地的比例都不到1%。
本文认为这主要是由于气候的影响,包括年降雨量分布不均、气温变化剧烈、日照时间过长等,对水生态系统的恢复和发展非常不利。建设用地占比最能体现人类对自然环境的干预,三种情景下建设用地占比均有不同程度的增加,特别是ED情景建设用地占比增速明显高于历史趋势。总体而言,通过对2040年不同情景下WRB土地利用比例的模拟结果发现,从生态安全的角度来看,WRB土地利用结构中林地和草地的比例在50-60%之间,这对后续的生态恢复和保护工作非常有利。水体比例小是WRB面临的主要挑战,水资源的利用和开发必须受到一定的限制。未来情景中耕地和建设用地的比例基本符合基于历史趋势的预期。从生态保护、粮食安全和社会经济发展的角度来看,土地利用类型的结构也需要根据发展需要进行调整和优化。

1.3 2040年不同情景下土地利用变化差异
三种情景下的土地利用变化差异非常明显,特别是生态环境情景与生态环境情景的土地利用类型比例和分布差异显著。EP情景下,土地利用变化更侧重于生态用地的保护和扩展,林地面积更集中在秦岭、六盘山和子午岭自然保护区。这种模式更有利于改善生态环境。然而,EP情景下的生态土地呈现出更加碎片化的分布。相比之下,在ED情景下,耕地和建设用地显著扩张,在提升WRB的整体经济效益、城市化和工业化方面具有更大的优势。在自然灾害情景下,各种土地类型的变化率更符合历史趋势。如果没有进一步改变或优化土地用途规划,在现阶段最可能出现的发展结果,将是新界西北情景所呈现的土地用途模式。综合考虑这三种情景,可以为未来WRB的土地利用发展提供一定的参考。管理部门需要根据生态保护和社会经济发展的需要,调整土地利用规划和自然资源管理,以确保WRB可持续发展的目标。
2 生态源识别结果
2.1 基于MSPA的生态源识别结果
2020年WRB核心区面积为14773.78平方公里,占各类核心区面积的63.44%。与其他地区相比,核心区具有极高的生态重要性,具有较高的栖息地质量,优越的生物多样性和景观连通性。它是世界自然保护区生态保护的重点区域。边缘区和缺口区是主体非绿化区域与核心区之间的过渡区域,分别占24.92%和1.18%。桥梁是连接核心区的细长区域,对生物迁移和景观连通性具有重要作用,占2.29%。小岛是破碎的生境斑块,仅占景观类型的1.04%。环线也是连接核心区的走廊,占0.26%(表7)。
与2020年相比,2040年模拟3种情景的MSPA结果表明,所有情景的核心区都更大。EP情景核心区面积最大,为21,604.52平方公里,占69.39%。ED情景的核心区面积最小,为14778.42平方公里,占总面积的63.45%。总体而言,EP场景下的核心区更加集中,连通性更好。2020年,ND情景的生境质量较实际情况有所改善,ED情景的生境质量最差,主要表现为核心区明显减少。

2.2 景观连通性分析
本文计算了所有确定的核心区的景观连通性。综合各MSPA结果,2020年在ND、ED和EP情景下确定的生态源面积分别为7988.5116 平方公里、8474.9868平方公里、8018.8236平方公里和13856.6952平方公里。EP情景中生态源占比明显高于其他情景(图4),主要分布在陕西延安的子武岭、黄龙山河口国家级自然保护区和陕西野河省级自然保护区等重要保护区。这些保护区是保护多种珍稀陆生野生动物的关键,对生境质量要求较高,体现了物种丰富和生态功能综合的特点。

3 生态廊道的识别结果
3.1 生态阻力面构建
自然阻力因素和社会经济阻力因素的整合是构建阻力面的一个基本方面。阻值的确定基于其不同的影响程度,并使用权重构建了WRB的综合阻力面(表4)。阻力面在不同场景下的分布规律不同。2020年、ND情景、ED情景和EP情景的平均电阻值分别为56.04、55.73、56.60和53.63。阻力较大的地区主要分布在关中平原和黄土高原的河谷地区。这些地区多为高海拔地区或人类活动密集地区,生态功能较低,阻碍了源区之间的连通性。低阻力区主要分布在南秦岭、六盘山、子午岭和甘肃省张县国家级珍稀水生动物自然保护区。这些地区自然资源丰富,物种多样,人类活动干预较少(图5)。

3.2 生态廊道提取结果
WRB内的生态廊道是破碎源区与位于南部的秦岭山脉之间的纽带。由于综合阻力面格局和生态源分布的不同,廊道的长度和空间格局也有所不同(图6)。2020年,WRB共确定了79条生态廊道,总长3356.63公里,总面积23924.90平方公里,占WRB总面积的17.73%。在ND情景下,共发现75条自然廊道,总长3138.82公里,总面积20740.00平方公里,占WRB的15.38%。在ED情景下,共有78条自然廊道,总面积22911.53平方公里,总长度3156.21公里,占WRB的16.99%。在EP情景下,共发现51条自然廊道,总面积18261.97平方公里,总长度1976.66公里,占WRB的13.54%。EP情景的生态源较为完整和集中,而零散和分散的源区较少。因此,EP情景中生态廊道的数量和范围较备选情景明显减少,源区之间的联系更简单、更有效。
4 ESP的构建
4.1 关键生态节点识别
在2020年情景下,提取的生态点面积为47.31平方公里,主要分布在WRB的中部地区,连接秦岭、WR和子午岭国家级自然保护区(图7 a3)。2020年生态点覆盖的土地利用类型主要为林地、水域和耕地,占比分别为59.00%、21.16%和13.84%。在ND情景下,提取的生态点面积为52.15平方公里,空间分布与2020年相似,但面积更大,密度更大(图7 b2, b3)。ND情景中生态点覆盖的土地利用类型以林地、水域和草地为主,分别占52.46%、24.58%和16.09%。在ED情景下,提取的生态点面积为58.32平方公里,主要分布在关中平原西部和WRB中部地区(图7 c3)。ED情景中生态点覆盖的土地利用类型主要为林地、水域和草地,占比分别为54.37%、22.10%和11.42%。EP情景下提取的生态点面积为11.55平方公里,主要分布在张县珍稀水生野生动物国家级自然保护区、秦川珍稀水生野生动物保护区和秦岭生态廊道之间(图7d1)。在EP情景中,生态点覆盖的土地利用主要是水、林地、耕地占比分别为42.68%、33.16%和17.58%。
生态屏障点的分布主要分布在相邻生态源之间的边界上。在2020年,ND、ED和EP的生态屏障点面积分别为30.42 平方公里、18.06平方公里、33.49平方公里和3.20平方公里。在ED情景下,社会经济快速发展导致人类活动频繁,导致生态源破碎化程度较高,生态屏障点面积最大。EP情景中,重视环境保护,对林地、草地、水体的人为干扰较小,面积最小。这些生态屏障点主要分布在秦岭南部和六盘山中部。在所有情景中,覆盖面积最大的前三种土地利用类型是林地、草地和农田。因此,要消除生态屏障点,必须保障景观的连通性和完整性。

4.2 2040年不同情景下的ESP
本文已经构建了WRB的ESP。各情景的ESP在空间分布上基本一致。EP情景下生态源更加完整和集中,与其他情景相比,WRB北部出现了新的生态源。在ED情景下,高水平的社会经济发展必然导致人类活动更加频繁,导致景观破碎化程度更加严重,生态廊道格局更加复杂,物种和能量交换效率更低。ND情景与2020年的实际情景最为相似,特别是在WRB西部高海拔地区,走廊和关键生态节点的空间格局基本相同。
生态走廊的分布格局差异最为显著,尤其是秦岭以北和六盘山以西的生态走廊分布格局差异最为显著。EP情景下生态廊道的数量和长度均显著少于ED情景。本文认为这一结果主要受生态源斑块完整性的影响。在ED情景中,生态斑块是破碎的,迫使物种和能量流动在更复杂的生态走廊中循环。同样,在ED情景下,生态夹点和屏障点更加密集,特别是在狭窄的生态廊道和破碎的生态源斑块之间的间隙。EP情景的生态节点较少,特别是秦岭和子午岭自然保护区的生态源斑块较为完整,未发现生态节点。基于上述差异,本文发现对于WRB而言,当整体生态环境较好时,ESP趋向于更简洁。在许多研究中,更有利于生态环境保护的情景可能导致生态廊道的数量、长度和面积增加。然而,这一发现并不适用于WRB。因此,综合考虑实际和模拟情景的所有结果,应更加努力地保护生态环境较好的东部地区和南秦岭。对于黄土丘陵区生态较差的西部地区,重点保护生态夹点、消除生态屏障点、降低景观破碎化程度尤为重要。




研究启示



本文结合MOP和PLUS模型对WRB的土地利用变化进行了分析。在模拟未来土地利用变化结果的基础上,利用MSPA和连通性分析对生态源进行了识别,并基于电路理论构建了不同情景下WRB的ESP。该方法更全面地展示了不同情景下生态安全的动态变化趋势,为ESP策略的实际应用和优化提供了参考价值。但在模拟过程中,廊道长度、廊道宽度、景观连通性等指标的一定阈值来源于多次模拟和类似研究的经验,仍然具有高度的主观性。鉴于ESP研究领域和方法的多样性,目前很难建立一个明确的标准来定义与该研究相关的指标和阈值。在未来的研究中,本文将尝试使用更多的方法,进行更全面的模拟。本文还将尝试不同的方法来模拟不同情景下的土地利用变化。通过比较分析各种方法构建的ESP有利于减少误差,提供更丰富的参考结果集,从而提高研究的准确性。



初审:严   露

审核:徐彩瑶

排版编辑:段淑慧

文献推荐人:段淑慧


参考文献:Xin Luo , Fangjun Le , Yishan Zhang ,et al. Multi-scenario analysis and optimization strategy of ecological security pattern in the Weihe river basin. Journal of Environmental Managementt 366 (2024) 121813.

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