基于系统动力学和粒度反推法的海口市景观格局优化

发布时间：2020-04-09 12:24

【摘要】：景观格局优化是构建良好生态环境、促进人与自然和谐发展的有效途径。林业作为包含森林、湿地等极具生态意义的生态系统的科学领域,已成为生态环境保护和生态事业建设的主体,在生态文明建设中发挥着重要作用。目前已有大量研究以森林和湿地等高生态服务功能的景观为研究对象进行了景观格局优化研究,形成了以构建生态网络为主流思想的优化方法。景观格局优化内涵包括景观数量结构优化和空间结构优化,二者结合是实现景观格局全面优化的完整过程。但目前景观格局优化研究多从单一内容进行分析,较少结合数量和空间结构探讨景观格局优化,优化过程和方法有待进一步改进和完善。研究基于景观斑块的数量变化和空间特征,提出了“景观数量结构一—景观转换倾向分析——景观空间结构”这一完整的景观格局优化思路。从生态的角度,以促进区域协调可持续发展为宗旨,基于国民经济社会发展的阶段特征和海口市发展现状,研究先采用系统动力学模型对海口市景观变化机制进行了模拟,选择了 2025年海口市最佳的景观数量组成方案;再结合景观适宜性和林地生态效益分析,从斑块尺度根据景观转换倾向分析实现了最佳景观数量组成方案约束下的斑块景观类型转换;最后采用粒度反推法、累积耗费距离模型、空间网络及水文分析等方法基于景观转换后的景观格局构建了海口市的生态网络,确定了生态源地和生态节点详细的建设方案,实现了景观数量结构优化和空间结构优化的有机结合。研究结果表明:(1)系统动力学模型能有效模拟景观变化中多重因素复杂的相互关系,海口市景观格局变化的系统动力学模型具有较高的模拟精度。通过模拟不同的发展情景,得到2025年海口市景观格局的惯性发展模式、土地规划模式、生态优先模式和协调发展模式等4种景观数量组成方案,协调发展模式能最好的适应海口市未来的发展,是最佳景观数量组成方案,对景观转换倾向分析和景观格局空间结构优化具有约束作用。景观数量调整方案为耕地、园地和未利用地分别有849.34hm2、6843.48 hm2和 478.53 hm2转换为 3389.44 hm2 林地、937.52 hm2 草地、1027.38 hm2水域和2817.01 hm2建设用地。(2)研究从地形地貌、土壤条件、环境因素和人为干扰等4个适宜性的主要影响方面选取了 10个评价指标构建了适宜性评价体系,对海口市7种森林类型以及草地、建设用地进行了适宜性评价,发现不同的景观类型在空间分布上表现出3种不同的适宜性分布趋势:次生阔叶林、桉树相思类、其他人工林、灌木林和草地在海口市南部适宜而北部不适宜,红树林和木麻黄椰树类在海口市东北部适宜而西南部不适宜,橡胶林和建设用地在海口市西北部适宜而东南部不适宜,造成这种适宜性分布格局的主要原因是地形地貌和人为干扰。不同景观类型的适宜性差异明显,适宜性的排序为:桉树相思类橡胶林建设用地其他人工林木麻黄椰树类灌木林草地红树林次生阔叶林,相比天然林,人工林对海口市生态环境的适宜性较强,这与海口市特殊的地理位置和自然环境关系密切。(3)从涵养水源、保育土壤、固碳释氧等8个方面选取25个指标构建了生态效益评价体系,海口市的林地生态效益每年产生价值39.21亿元,其中固碳释氧、涵养水源、净化大气环境等影响区域生态平衡的生态服务功能价值较高。森林类型的面积对生态效益影响较大,总生态效益排序为桉树相思类(149997.61万元)次生阔叶林(74140.82万元)其他人工林(59044.65万元)木麻黄椰树类(48200.39万元)红树林(29823.48万元)橡胶林(27002.86万元)灌木林(3935.03万元)。森林生态效益总价值与单位面积森林的生态效益价值之间存在明显不同,红树林和次生阔叶林的生态效益最高,凸显出不同森林类型发挥生态服务功能的差异。(4)基于景观类型的适宜性评价和生态效益评价,结合斑块的相邻概率和生态源地的空间位置,提出了景观转换相邻概率、生态源地归属指数、生态源地距离指数、适宜性指数和景观转换价值指数,最终形成景观转换倾向性指数,实现了景观数量优化和空间结构优化的有机结合。景观转换倾向性指数综合考虑了景观转换的主要影响因素,取得了良好效果。以最佳景观数量组成为约束,景观转换倾向性分析确定了景观转换的面积并实现了空间精准定位,景观转换过程中共有3094.42hm2的斑块由生态效益较低的景观类型转换为生态效益较高的景观类型,为海口市生态建设提供了良好的科学参考。(5)次生阔叶林、红树林、橡胶林、麻黄椰树类、桉树相思类和水域等6种景观类型是组成海口市生态网络的景观类型。利用粒度反推法和主成分分析法从整体连通性的角度确定1400m粒度的景观组分结构是生态源地选取的合适参考,选取生态源地36个,共32394.83hm2,总体分布趋势为西北分散但规模较大、东南集中但规模较小。生态源地规模的差异较大,主要受人为干扰和地形地貌的影响。新增生态源地的规模标准为91.40 hm2,需通过转换14个斑块共11.07hm2来实现单个生态源地的空间连接。景观转换倾向分析使得生态源地的总规模扩大了 1362.70hm2,对生态源地的强化效果十分明显。(6)考虑坡度的影响,利用显性和隐性生态阻力面构建了综合生态阻力面,显性和隐性生态阻力面存在明显的差异区域,凸显出生态环境的脆弱局部和生态陷阱,主要位于红城湖以及城区与美兰机场之间的区域。不同阻力区域具有不同的功能,生态缓冲区占总面积的39.21%,以保护生态源地为主要功能;保护利用区占总面积的25.99%,以保护为主、开发为辅为主要利用方式,可进行适当经营生态产业;重点发展区占总面积的18.16%,是经济社会重点发展的区域;协调管制区占总面积的11.98%,应强调生态建设的实施,从整体上协调人地矛盾和景观格局的空间关系,对人为干扰进行相应管制;限制开发区占总面积的4.66%,应结合生态网络合理规划区域发展,以生态保护和修复为主要建设方向。(7)海口市的81条生态廊道总长度402.46km,其中最长生态廊道长18.68km,生态廊道将生态源地连接成整体,是生态廊道建设的重点。海口市有耕地生态廊道33条、园地生态廊道30条、林地生态廊道11条和建设用地生态廊道7条,不同的生态廊道具有相应的功能,应结合景观基质进行分类建设。根据生态廊道的长度和累积生态阻力将生态廊道分为7条一级风险的生态廊道、31条二级风险的生态廊道、28条三级风险的生态廊道、14条四级风险的生态廊道、1条五级风险的生态廊道,风险等级较高的生态廊道与长度较长的生态廊道分布格局一致,主要受人为干扰的影响。(8)累积生态阻力较高的生态节点主要位于海口市中部和东南部,突出了海口市生态建设的盲区。从生态节点的功能及空间形状特征方面分析了生态节点的空间形态,76个生态节点共形成69个生态节点范围,共2942.05hm2,其中最大的面积为94.75hm2,最小生态节点的面积为21.67hm2,规模差异明显。利用空间网络分析计算了各生态节点范围的形状和面积。生态节点的建设中81.17%的面积需要进行景观转换,突出景观转换对景观格局优化分析重要的基础性。利用水文分析确定了 9个生态节点范围建设为湿地生态节点,总面积424.37 hm2,再结合景观转换倾向性分析和生态建设的需要,确定60个生态节点范围建设为林地生态节点,以及需要进行景观转换的2388.00 hm2斑块的景观转换方式。(9)基于最佳景观数量组成方案和景观转换倾向性分析,利用粒度反推法和累积耗费距离模型构建了海口市生态网络,生态网络由36个生态源地、81条生态廊道和76个生态节点构成,这些生态系统关键局部的空间分布因受地形地貌和土地资源利用现状的影响,呈现出中部稀少、四周集中的总体格局,反映出海口市生态系统的脆弱局部。经过最佳景观数量组成分析、景观转换倾向性分析、生态网络构建,对海口市景观格局进行了数量与空间结构结合的景观格局优化研究。2025年海口市景观格局最终组成为:耕地67655.72hm2、园地38189.50hm2、林地 44828.41hm2、草地 6729.81hm2、水域 19371.49hm2、未利用地 299.33hm2、建设用地51834.47hm2。从对比分析来看,景观格局优化的结果与协调发展模式相一致,在空间结构上有效提高了生态系统的整体连通性,能更好地适应海口市发展趋势,优化效果良好,可为海口市生态建设和景观格局优化方法的改进和完·善提供科学参考。
【图文】：

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结构优化”的这一完整的景观格局优化过程，，结合景观适宜性评价和生态效益评逡逑价进一步完善景观格局优化分析，将数量结构优化和空间结构优化有机结合，并逡逑为生态网络构建提出具体的建设预案。研宄的主要思路如图２．１所示。逡逑W邋｜邋Ｈｎ逦■逡逑Ｌｉ逡逑－＝＝＾＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝逡逑ｗｍ逦；邋ｆＢＳＭ逡逑逦１逡逑逦．逡逑里逦．邋：一逦逦逡逑ｎ邋ｉ邋ｈ￣ｉ逦￣邋］＜＾ｉ邋ｉｉ逡逑■邋ｉ逦ｖ」0邋圃ｉ逡逑逦１逡逑图２．１景观格局优化思路示意图逡逑Ｆｉｇ．２．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｉｄｅａ邋ｏｆ邋ｌａｎｄｓｃａｐｅ邋ｐａｔｔｅｒｎ邋ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ逡逑１８逡逑

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南林业科技大学博士学位论文逦基于系统动力学和粒度反推法的海口市景观格局优化逡逑景观类型￣逦合并地类逦￣￣地类代码￣逡逑疏林地逦１２０逡逑国家特别规定灌木林地逦１３１逡逑未成林造林地逦１４１逡逑采伐迹地逦１６１逡逑宜林荒山荒地逦１７１逡逑其他宜林地逦１７３逡逑耕地逦耕地逦２１０逡逑园地逦ＯＴ±ｉ！ｌ逦■逦１５０逡逑水果类经济林逦——逡逑草地逦牧草地逦２２０逡逑水域逦水域逦２３０逡逑未利用地逦未利用地逦２４０逡逑建设用地逦其他用地逦２５１逡逑
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU984.1;P901

【参考文献】