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Ecological Security Patterns for Regional Landscapes——A Case in the Cheng-Yu Economic Zone

区域尺度景观生态安全格局构建——以成渝经济区为例



全 文 :第21卷 第1期
 Vol.21  No.1
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
     2013年 1月
  Jan.  2013
区域尺度景观生态安全格局构建—以成渝经济区为例
李咏红1,2,香 宝1,2,袁兴中3,刘孝富1
(1.中国环境科学研究院,北京 100012;2.国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室,北京 100012;
3.重庆大学资源及环境科学学院,重庆 400044)
摘要:区域景观生态安全格局构建对区域经济可持续发展具有重要意义,成渝经济区地处生态脆弱区,经济发展与
生态保护矛盾突出,基于生态服务功能构建区域生态安全格局尤为重要。通过对生物多样性保护、水源涵养和土
壤保持3个维护生态安全比较关键的单一生态过程进行评价和等级划分,利用遥感和GIS技术分别得出生物保护
景观生态安全格局、水源涵养景观生态安全格局和土壤保持生态安全格局,在此基础上对各景观生态安全格局进
行叠加,构建区域生态安全格局。结果表明:一级安全区占总区域面积的9.25%,二级安全区占总区域面积的
22.56%,三级安全区占总区域面积的68.19%。在区域安全格局构建的基础上识别出生态安全重要战略区,并有
针对性地提出各级生态安全区的生态管理对策。
关键词:成渝经济区;景观生态安全格局;生物多样性保护;水源涵养;土壤保持
中图分类号:X321.013    文献标识码:A     文章编号:1007-0435(2013)01-0018-07
EcologicalSecurityPatternsforRegionalLandscapes
—ACaseintheCheng-YuEconomicZone
LIYong-hong1,2,XIANGBao1,2,YUANXing-zhong3,LIUXiao-fu1
(1.InstituteofEcology,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China;
2.StateEnvironmentProtectionKeyLaboratoryofRegionalEco-processandFunctionAssessment,Beijing100012,China;
3.ResourcesandEnvironmentalSciencesColege,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)
Abstract:Designingasafeecologicalpatternissignificantforsustainableregionaleconomicdevelopment.
Cheng-YuEconomicZonehasapeculiargeographicenvironmentwithafragileecosystem.Thecontradic-
tionbetweeneconomicgrowthandecologyconservationisbecomingincreasinglyapparent.Thisresearch
isapilotprojectaimedatestablishingecologicalsecuritypatternsonregionalscalestoprovidescientificba-
sisforpracticalconservationandsustainabledevelopment.Criticalecologicalprocessesforsafeguardingec-
ologicalsafetyareanalyzedsystematicalyandgradedattheregionalscale,includingheadwaterconserva-
tion,soilerosionpreventionandbiodiversityconservation.Individualsecuritypatternsforecologicalsecu-
rityareidentifiedthenintegratedintoanoveralecologicalsecuritypatternbyusingremotesensingand
GIStechnology.Threelevelsofregionalecologicalsecuritypatternsaredefined:firstsecuritylevel;mod-
eratesecuritylevel;andthethirdsecuritylevel.Eachaccountsfor9.25%,22.56%and68.19%ofthere-
gionallandsrespectively.Importantecologicalsafetyareaswereidentifiedbasedontheconstructionofre-
gionalecologicalsecuritypatternswithcorrespondingecologicalmanagementmeasuresproposed.
Keywords:Landscapesecologicalsecuritypattern;Headwater;Conservation;Soilconservation;Biodiver-
sityconservation
  生态安全既包括生态系统的安全,即在外界因
素作用下生态系统自身是否处于不受威胁的状态,
并保持生态系统结构完整和生态服务功能健康,又
包括生态系统对于人类的安全,即生态系统提供的
服务是否满足人类健康生存和发展的基本需要[1]。
上世纪90年代末,我国生态安全问题开始受到了广
泛关注,许多学者对区域生态安全作了大量的研究。
数量结构优化和空间格局优化是区域生态安全的2
个重要方面[2]。
20世纪80年代以来,景观生态学提出了新的
收稿日期:2012-08-18;修回日期:2012-11-18
基金项目:国家“十一五”科技支撑计划项目(2008BADB0B0604);环境保护部项目资助
作者简介:李咏红(1973-),女,河北唐山人,硕士,助理研究员,主要从事生态学研究,E-mail:yoholi@126.com
第1期 李咏红等:区域尺度景观生态安全格局构建—以成渝经济区为例
概念和方法,包括“景观安全格局”(landscapesecur-
itypattern)、“生态安全格局”(ecologicalsecurity
pattern)[3]和“最优景观格局”[4]等。景观生态安全
格局是空间格局优化的一种方法,是维护区域与城
市生态安全、维护城市生态系统结构和过程健康及
完整的关键性格局[5]。构建景观生态安全格局是主
动协调经济发展与生态环境保护的空间冲突,实现
区域社会经济可持续发展的基本保障[2,6-10]。近10
年来我国学者已在不同尺度、不同区域,如对自然保
护区、经济快速发展区、重大工程区的生态安全格局
或景观安全格局构建方法进行了研究探讨[11-14]。灾
后地区、生态脆弱区以及经济快速发展区构建生态
安全格局,已成为当前重点关注地区[15-17]。目前在
许多城市已进行了生态安全格局构建的研究探
索[18-22],这些尝试性研究对城市化进程中的一些矛
盾都起到了一定的缓解作用。
成渝经济区地貌类型复杂多样,是自然灾害频
繁发生区,局部地区生态环境脆弱,特别是2008年
汶川地震引发的生态安全问题尤为突出。同时,成
渝经济区地处中国经济发达的东部地区与资源富集
的西部地区的结合部,作为国家重点开发的5大经
济区域之一,经济发展迅速,成渝经济区生态安全对
于长江中下游地区的生态安全具有重要意义。因
此,本文以成渝经济区为例,利用区域内对生态过程
有调控作用的关键景观地段或战略性组分[23],基
于生态系统服务功能合理构建区域生态安全格局,
以维护区域及长江中下游地区的生态安全。合理构
建区域生态安全格局可以有效控制生态环境问题、
持续改善区域生态安全水平和维护区域经济可持续
发展,已成为区域生态环境保护的新需求。
1 研究区概况与研究方法
1.1 研究区概况
成渝经济区是指包括重庆、成都2大都市圈在
内的四川盆地,范围大致包括:西至成都为中心的
成-雅-乐沿线,东至重庆为中心的丰都-涪陵-忠县等
长江沿线区域,北至成达铁路,南至长江上游的重
庆-宜宾沿线的区域,与四川攀西、川西北及陕西、甘
肃、湖北、贵州、云南接壤。成渝经济区面积总计
20.9万km2,占重庆市和四川省总面积的37%。其
中,重庆部分面积5.1万km2,四川部分面积15.8
万km2。
1.2 研究方法
根据全国生态功能区划,在成渝经济区内有3
个重要生态服务功能区域,即三峡库区水源涵养重
要区、岷山-邛崃山生物多样性保护重要区、秦巴山
地水源涵养重要区,因此成渝经济区与生态安全密
切相关的主导生态服务功能可确定为生物多样性保
护、水源涵养和土壤保持功能。基于区域主导服务
功能生物多样性保护重要性、水源涵养重要性、土壤
保持重要性的评价结果,从生物保护安全格局、水源
涵养安全格局和土壤保持安全格局3个方面构建区
域生态安全格局。
运用景观生态学理论和GIS空间分析、叠加技
术,首先对生物多样性保护、水源涵养和土壤保持3
个维护生态安全比较关键的单一生态过程进行评价
与等级划分,识别对维护区域生态安全具有关键意
义的景观要素、空间位置和空间联系,采取分要素指
标权重赋值的方法,分别得出生物保护景观生态安
全格局、水源涵养景观生态安全格局和土壤保持生
态安全格局,在此基础上对各景观生态安全格局进
行叠加,构建区域生态安全格局。根据生态服务功
能对区域生态安全的重要性程度将其划分为一级安
全区、二级安全区、三级安全区3个等级,并有针对
性地提出各级生态安全区的生态保护与建设措施。
1.2.1 数据来源 本文数据主要来源于实地调查
资料和遥感数据解译分析,遥感数据采用分辨率为
30m的美国陆地资源卫星(LandsatTM)数据源,
时间为2007年,采用2次多项式及最邻近插值法对
遥感图像进行几何校正,配准误差控制在2个像元
内,采取最暗像元法进行大气校正,消除大气散射对
辐射失真的影响,将像元灰度值转化为地物光谱反
射率;以1∶50000数字高程模型(digitalelevation
model,DEM)数据为基础进行地形校正。应用图
像处理软件,采用人机交互的监督分类方法进行解
译来获取植被类型、土壤质地和水系分布等数据,并
通过野外调查对其精度进行修正。在ArcGIS软件
的支持下,按照《土地利用现状调查技术规程》要求
的方法和步骤提取现状土地利用类型,将其分为耕
地、森林、草地、水域、建设用地和未利用地6大类。
另外,植被类型和水系分布等数据还参考了《四
川省生态功能区划》[25]和《重庆市生态功能区
划》[26],土壤质地参考了《四川省土壤侵蚀遥感调查
综合报告》[27],生物多样性数据来源于《四川省生物
多样性保护战略与行动计划》[28]和《重庆市生物多
样性保护战略与行动计划》[29]。
91
草 地 学 报 第21卷
1.2.2 生物保护安全格局 以都江堰为代表分析
各生态系统中野生动植物物种的分布情况,如表1
所示,表2所示是成渝经济区各生态系统的生态服
务价值当量因子,并参考俞孔坚等[3,30]和李绥等[5]
的划分依据确定成渝经济区生物多样性保护中森林
生态系统为极重要,农业生态系统、高寒生态系统为
中等重要,河流湿地生态系统较重要,城市生态系统
为一般。因此根据不同生态系统类型对生物多样性
保护的重要程度将森林生态系统确定为生物保护一
级安全区;将农业生态系统、高寒生态系统、河流湿
地确定为生物保护二级安全区;将城市生态系统及
其他生态系统确定为生物保护三级安全区(表3)。
表1 都江堰各生态系统野生物种
Table1 WildanimalsandplantsofDujiangyanecosystem
生态系统
Ecosystem
鸟类Birds 兽类Beast 鱼类Fish 高等植物 Higherplants
数量
Number
比例/%
Percent
数量
Number
比例/%
Percent
数量
Number
比例/%
Percent
数量
Number
比例/%
Percent
城市生态系统 Urbanecosystem 32 16.1 7 7.1 - - 130 3.7
农业生态系统 Agriculturalecosystem 101 50.8 23 23.5 7 7.2 600 17.1
森林生态系统Forestecosystem 117 58.8 70 71.4 - - 2600 74.3
高寒草甸生态系统 Alpinemeadowecosystem 25 12.6 20 20.4 - - 550 15.7
河流生态系统 Riverecosystem 20 10.1 3 3.1 97 100 120 3.4
总量 Total 199 98 97 3500
表2 成渝经济区各生态系统生物多样性保护生态服务价值当量因子
Table2 EquivalentfactorsoftheecosystemservicevaluesofbiodiversityconservationinCheng-YuEconomicZone yuan·hm-2·a-1
土地利用类型
Landusetype
耕地
Farmland
林地
Forestland
草地
Grassland
水域
Waterarea
建设用地
Constructionland
未利用土地
Unusedland
生物多样性保护
Biodiversityconservation
804.1 3692.29 1234.56 2948.22 0 385.02
表3 生物保护安全格局分级赋值标准
Table3 Sortcriteriaforbiodiversityconservationsecuritypatterns
生态系统类型Ecosystemtype
安全等级Securitylevels
一级Grade1 二级Grade2 三级Grade3
森林生态系统Forestecosystem √
湿地生态系统 Wetlandecosystem √
草地生态系统 Meadowecosystem √
农田生态系统 Agriculturalecosystem √
城市生态系统 Urbanecosystem √
其他生态系统 Otherecosystem √
分级赋值 Gradedassignment 5 3 1
1.2.3 水源涵养安全格局 根据评价地区在流域
所处的地理位置以及对整个流域水资源的贡献来评
价。考虑成渝经济区的实际情况,除考虑不同生态
系统的水源涵养能力对区域水源涵养的重要性外
(表4),还要考虑城市水源和洪水调蓄功能,根据相
关专家意见,加入湖泊、水库水源集水区及河岸带等
区域,得到最终的水源涵养安全格局分级标准,如表
5所示。
1.2.4 土壤保持安全格局 按照《生态功能区划技
术暂行规程》敏感性分级标准,运用通用土壤侵蚀方
程进行评价,识别容易形成土壤侵蚀的区域,确定影
响土壤侵蚀的各因素敏感性等级(表6)。在土壤侵
表4 成渝经济区各生态系统水源涵养生态服务价值当量因子
Table4 EquivalentfactorsoftheecosystemservicevaluesofheadwaterconservationinCheng-YuEconomicZone
yuan·hm-2·a-1
土地利用类型
Landusetype
耕地
Farmland
林地
Forestland
草地
Grassland
水域
Waterarea
建设用地
Constructionland
未利用土地
Unusedland
水源涵养服务功能
Headwaterconservation
679.55 3624.32 906.11 23082.5 -8550.66 33.92
02
第1期 李咏红等:区域尺度景观生态安全格局构建—以成渝经济区为例
表5 水源涵养安全格局分级标准
Table5 Classificationstandardofheadwaterconservationsecuritypattern
不同植被类型和河流 Vegetationtypesandwater
安全等级Securitylevels
一级 Grade1 二级 Grade2 三级 Grade3
常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、常绿针阔混交林、常绿针叶林
Evergreenbroadleafforest,evergreendeciduousandbroadleafmixedforest,evergreen
coniferousandbroadleafmixedforest,evergreenconiferousforest

落叶阔叶林、经济林、针阔混交林
Deciduousbroad-leafforest,economicforest,coniferousbroadleafmixedforest

灌丛、草地Shrubsandgrassland √
农田Farmland √
河流、湖库 Rivers,lakesandreservoirs √
河岸带、湖滨带 Riparianzoneandlakesidezone √
分级赋值 Gradedassignment 5 3 1
蚀敏感性分析的基础上,分析土壤侵蚀对下游河流
及水环境的危害程度,特别是对可能影响三峡水库
未来的正常运行及长江中、下游水环境的危害程度
进行评价。因此,根据土壤侵蚀敏感性以及不同土
壤侵蚀区域对水体的影响危害程度,对土壤侵蚀敏
感区和影响水体分别赋值(表7),然后将2个因素
叠加,通过其组合关系对区域土壤保持的重要性进
行定性判别,确定区域土壤保持安全格局的空间分
布。土壤保持安全等级划为3个等级:将土壤保持
极重要区确定为一级安全区,土壤保持重要区确定
为二级安全区,除上述2个区域外的其他区域确定
为三级安全区(表8)。
表6 土壤侵蚀敏感区赋值
Table6 Assignvaluesofsoilerosionsensitiveregions
分级
Classification
极敏感
Extremesensitivity
高度敏感
Highsensitivity
中度敏感
Mediumsensitivity
轻度敏感
Lightsensitivity
不敏感
Insensitivity
赋值 Assignvalues 9 7 5 3 1
表7 判别分析法分级赋值
Table7 Gradedassignmentbasedondiscriminatedanalysis
分级赋值 Gradedassignment
长江干流水体
YangtzeRiver
1~2级支流及大中城市水源水体
Grade1~2tributaryoftheYangtzeRiverandwaters
inlargeandmedium-sizedcities
3级支流及小城市水源水体
Grade3tributaryoftheYangtzeRiver
andwatersinsmalcities
5 3 1
表8 分级标准
Table8 Gradingstandard
级别 Grade 组合Combination 分级赋值 Gradedassignment
第一级 Grade1 59,57,39,19 5
第二级 Grade2 55,37,35,17 3
第三级 Grade3 53,51,33,31,15,13,11 1
1.2.5 综合景观生态安全格局 以生物保护安全格
局、水源涵养安全格局、土壤保持安全格局的单项评
价结果为基础,根据研究区具体的生态环境特征以及
3种因素在构建综合生态安全格局时具有的不同的
重要性,用专家打分法给生物保护安全格局、水源涵
养安全格局、土壤保持安全格局赋予不同的权重,依
次为0.4,0.3和0.3,首先将各个因子的评价结果栅
格数据加入到ArcGIS的系统中,形成独立的栅格图
像。然后利用GIS软件SecurityPatternatialAnalyst
模块中的RasterCalculator函数,将3种安全格局进
行线性加权叠加,利用Reclassify函数对所生成的栅
格数据进行重新分类,最终确立成渝经济区区域生态
安全格局,如表9所示。
2 结果与分析
2.1 生物保护安全格局
确定成渝经济区生物保护安全格局如图1所示。
12
草 地 学 报 第21卷
表9 区域综合生态安全格局构建
Table9 Establishmentofregionalintegratedecologicalsecuritypattern
生态要素Ecologicalfactor 分级Classification
生物保护安全格局Biodiversityconservationsecutitypattern 一级 二级 三级
水源涵养安全格局 Headwaterconservationsecuritypattern 一级 二级 三级
土壤保持安全格局Soilconservationsecuritypattern 一级 二级 三级
分级赋值 Gradedassignment 5 3 1
分级标准 Gradingstandard >3.6 2~3.6 1~2
图1 生物保护安全格局
Fig.1 Biodiversityconservationsecuritypattern
成渝经济区生物多样性保护一级安全区10773.2
km2,占总区域面积的5.21%。主要分布在秦巴山
地、渝东南武陵山、渝南金佛山和四面山一带的自然
保护区、岷山-邛崃山区域和大巴山区域。
   成渝经济区生物多样性保护二级安全区
52004.00km2,占总区域面积的25.08%。主要分
布在四川盆地盆周区域,范围涉及三峡库区、南川、
万盛、江津、平武、北川、安县、绵竹、彭州、大邑等地。
成渝经济区生物多样性保护三级安全区
144596.84km2,占总区域面积的69.73%。除上述
一、二级区以外的区域均为三级区,主要分布在成都
平原、盆中丘陵平坝、渝西方山丘陵、川东平行岭谷
等区域。
2.2 水源涵养安全格局
确定成渝经济区水源涵养安全格局如图2所
示。成渝经济区水源涵养一级安全区22259.88
km2,占总区域面积的10.73%。主要分布于渝东北
秦巴山地、渝东南武陵山一带的中低山林区、渝南金
佛山和四面山区域、平行岭谷背斜农林复合区,三峡
库区河流及主要的水源水库、湖泊集水区、岷山-邛
崃山区域和大巴山区域。
图2 水源涵养安全格局
Fig.2 Headwaterconservationsecuritypattern
  成渝经济区水源涵养二级安全区68750.68
km2,占总区域面积的33.15%。主要分布在四川盆
地盆周区域,秦巴山地、渝东南武陵山、渝南金佛山
和四面山一带,以及平行岭谷、三峡库区、岷山-邛崃
山区域、大巴山区域、筠连、古蔺、叙永、广安和达州
等地。
成渝经济区水源涵养三级安全区116392.28
km2,占总区域面积的56.12%。除上述一、二级区
以外的区域均为三级区,主要分布在成都平原、盆中
丘陵平坝、渝西方山丘陵、川东平行岭谷等区域。
2.3 土壤保持安全格局
确定成渝经济区土壤保持安全格局如图3所
示,成渝经济区土壤保持一级安全区172090.36
km2,占总区域面积的83.02%。主要分布在长江、
嘉陵江、岷江等河流沿线以外的区域。
  成渝经济区土壤保持二级安全区25208.92
km2,占总区域面积的12.16%。主要分布在长江、
22
第1期 李咏红等:区域尺度景观生态安全格局构建—以成渝经济区为例
嘉陵江、岷江等河流沿线及三峡库区的大部分。范
围涉及云阳、万州、忠县、石柱、丰都、涪陵,渝南的南
川、万盛、綦江和江津等土壤侵蚀敏感区域;岷江和
嘉陵江沿线。
图3 土壤保持安全格局
Fig.3 Soilconservationsecuritypattern
  成渝经济区土壤保持三级安全区9984.40
km2,占总区域面积的4.82%,主要分布在长江、嘉
陵江、岷江等河流沿线及三峡库区的大部分。范围
涉及云阳、万州、忠县、石柱、丰都、涪陵,以及渝南的
南川、万盛、綦江和江津等土壤侵蚀敏感区域;四川
的平武-北川-彭州-大邑等地,雅安、乐山和宜宾等地
的岷江沿线,以及广安、南充等地的嘉陵江沿线。
2.4 综合安全格局
确定成渝经济区综合生态安全格局如图4所
示,成渝经济区区域综合生态安全格局一级安全区
19173.48km2,占总区域面积的9.25%。主要分布
在秦巴山地、渝东南武陵山、渝南金佛山和四面山一
带的自然保护区和天然林分布区;四川的岷山-邛崃
山区域和大巴山区域,范围涉及平武-彭州-大邑-宝
兴-天全一带,川西的石棉-洪雅-马边一带,川南的长
宁-叙永-古蔺一带以及万源-宣汉一带的自然保护区
和天然林分布区。
  成渝经济区综合生态安全格局二级安全区
46744.24km2,占总区域面积的22.56%。主要分
布在四川盆地盆周区域,岷山-邛崃山区域、乐山-大
风顶山地区域、重庆都市区“四山”地区、三峡库区库
周山地区域。
图4 综合安全格局
Fig.4 Regionalintegratedecologicalsecuritypattern
  成渝经济区综合生态安全格局三级安全区
141273.56km2,占总区域面积的68.19%。主要分
布在成都平原、盆中丘陵平坝、渝西方山丘陵、川东
平行岭谷间的平坝丘陵等区域。
3 讨论与结论
通过分析区域不同生态要素的空间分布特征,
确定区域生态安全重要战略区,即龙门山生物多样
性保护区、茶坪山生物多样性保护和土壤保持区、邛
崃山南段生物多样性保护和水源涵养区、峨眉山-大
风顶生物多样性保护和水源涵养区、盆地南缘岩溶
土壤保持区、渝南山地生物多样性保护区、方斗山-
七曜山水土保持区、三峡库区(腹地)水源涵养区和
大巴山水源涵养区等区域的生物栖息地核心区、水
土保持重要区和重要水源涵养区,并通过河流水系
的空间联系形成区域生态网络空间结构(图5)。
  基于生态安全格局构建提出生态安全格局一级
区应以坚持维护和巩固为主,确保一级区水源涵养、
生物多样性保护、水土保持生态服务功能的保持。
生态安全格局二级区以优化与提升其生态服务功能
为主,保障生态服务功能不下降。生态安全三级区
以改善生态服务功能及合理引导产业发展为主,根
据资源环境条件,合理确定开发模式和开发容量,以
保护基本农田为主,在进行开发利用的同时,坚持生
态保护和生态建设。
  区域生态服务功能对于区域生态安全水平具有
重要的决定作用。本文基于主导生态服务功能对区
32
草 地 学 报 第21卷
图5 生态网络结构图
Fig.5 Sketchmapofecologicalsecuritypattern
域尺度生态安全格局构建进行了尝试性的研究,与
其他相关文献所研究的生态安全格局构建理念有所
不同,并在方法上有所创新。本文通过构建成渝经
济区景观生态安全格局,识别出具有关键作用的重
要生态功能区,形成了以自然保护区、天然林保护区
为重点,由江河绿化廊道、道路沿线绿化带、农业用
地等共同构筑的多层次、网络化、城乡一体的区域生
态安全格局。从空间布局上实现分级调控,进一步
优化产业结构调整和产业布局,协调了区域经济发
展和生态保护的矛盾。
区域生态安全格局构建涉及的因素多、难度大,
区域景观生态安全各因素划定的等级标准仍需要进
一步探讨。如何对目前的空间格局进行优化,是构
建区域生态安全格局的关键。今后应以多时相、多
专题卫星遥感数据为基础,以定量遥感、数字地球等
对地观测技术为手段,深入研究区域生态系统结构、
服务功能以及辐射效应的关系,集成已有模型优点
或者加以创新,建立生态系统格局-功能响应遥感模
型,全面揭示区域生态系统格局-功能演变特征,探
讨区域经济发展与生态环境演变相互作用的机制。
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(责任编辑 李美娟)
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