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【文献分享】基于生态系统服务流的水生态安全格局研究：以中国沿海省份为例, e+ c' r, z- ?# [
曹露丹 数字生态与绿色发展学术团队 2023-09-30 d4 I0 F: P r( T5 ], V: Q
摘要由于人类活动和气候变化的加剧，水安全是一个至关重要的问题。划定与水相关的生态安全格局有助于优化空间配置，进而为可持续的水资源管理提供依据。然而，其方法学仍不清楚。本研究提出一个将生态系统服务流与水生态安全格局联系起来的分析框架，并应用于中国福建省，确定源、汇、关键廊道和脆弱节点。结果表明，源区分布在内陆高海拔地区，南部呈减少趋势，北部呈增加趋势；汇分布在沿海地区，呈减少趋势，空间分布相对稳定。水生态安全在过去30年中出现了退化，表现为生态供需比下降。17.12%的河流识别出关键廊道，22.5%的脆弱节点被识别为预警节点。气候变异影响了水源分布，而人类活动则推动了汇的动态变化。这些发现对土地利用/覆盖加速和气候变化背景下的景观格局规划和可持续水资源管理具有重要意义。研究背景及目的由于水资源短缺、水污染和与水有关的灾害等问题，水安全在全球范围内受到越来越多的关注。2030年可持续发展议程及其17个可持续发展目标(SDGs)在很大程度上依赖于改进的水管理。生态安全强调生态系统的整体性特征以及支持社会发展和人类福祉的生态系统服务，通过调节生态过程，维持人与自然资源的平衡，确保生态系统服务的可持续提供。因此，在给定生态系统的情况下，划定生态安全格局对于缓解生态保护与经济发展之间的矛盾至关重要。水是人类赖以生存的物质基础，因此水生态安全问题备受关注。划定与水相关的生态安全格局可以促进空间配置优化，对维持不同尺度的水安全和可持续水管理具有重要意义。生态系统服务流源于生态系统服务供给与需求的空间关系，关注生态系统服务的流动过程，包括服务提供区(SPA)和服务受益区(SBA)。SPA和SBA的空间分异决定了ES流向和方向。对生态系统服务(ES)流的深入理解可以指导景观要素的配置，从而提高生态安全格局的划定。将生态系统服务的供给、需求和空间流动与水生态安全格局联系起来，有助于确定水生态优先保护区的空间优化，调节社会经济发展与生态环境之间的权衡。生态安全格局以生态源地和生态廊道为典型代表，用于生态保护和规划。最近，生态系统服务因其在描述生态安全格局的不同组成部分方面的作用而与生态安全格局联系在一起。对ES进行加权来创建资源是一种被广泛使用的方法。此外，利用ES值的倒数构造了电阻表面。生态源识别考虑了生态系统服务之间的权衡与协同关系以及生态系统服务的供需匹配。值得注意的是，与水相关的生态安全格局。将供水服务流与水生态安全格局联系起来，需要改进格局划定的方法途径。尽管大多数研究考虑了多种类型的ESs，但在构建阻力面时往往忽略了其生态过程和流动特征。关注某一特定类型的ES可能有助于这些过程的纳入。河流系统是连接生态和社会系统的重要廊道，而供水服务流量受河道的影响，同时也受地形、磨蚀等因素的影响，在阻力面和廊道的构建中需要考虑这些因素。研究提出了一个的框架，利用水供应服务的生产、传输和消费来绘制中国沿海福建省与水有关的生态源、廊道和汇。本研究的主要目标是：(1)量化和可视化水资源供给服务的供给和需求，以识别生态源和汇；(2)通过绘制水资源供给服务的空间传输图，划定生态系统服务供需耦合的廊道；(3)基于福建省近20年来与水相关的生态安全格局动态变化，识别关键河流和节点。本研究结果可为区域生态规划和可持续水资源管理提供参考。研究亮点土地利用和气候变化改变了水资源供给服务的供给和需求，从而影响与水相关的生态安全格局。气候变化引起的水文变化将给水资源的可持续管理带来挑战，世界上许多地区已经面临严峻的水资源管理压力。气候变化通过洪水或干旱等极端事件改变区域水循环进而影响供给。由土地利用变化引起的需求快速增长以及与之相关的人口激增对城市水系统提出了挑战。不仅如此，供需之间频繁的时空错配对涉水生态安全构成威胁。现有将生态安全格局与生态系统服务供需联系起来的研究往往没有在空间上分离供给区和受益区，也没有考虑生态源和汇的。水源供给服务是典型的从水源提供区(SPA)到汇受益区(SBA) 的具有明显空间流动特征的定向服务流。为了表示ES流的受益区域，引入汇和生态源是必要的。这是基于生态系统的水管理的一个重要方面，它不仅考虑了生态系统内部的相互联系，而且还考虑了人类福利的未来。研究结果8 t4 p# N0 @/ h- G
1.模型性能及敏感性分析 + m) }/ r9 e: p3 V$ O
为了评估InVEST模型的性能，本文将不同城市的预测产水量值与观测值进行了比较，并得到了线性拟合，R2值为0.9753 (图3a)。为了校准经验参数Z，研究使用了水资源公报中的长期平均产水量值，并获得了2.97的值。利用Morris方法，以年降水量、年蒸散量和Z参数为输入，对模型参数进行敏感性分析。敏感性分析结果表明，年降水量的敏感性指数最高，其次是年蒸散量，而Z参数的敏感性指数最低(图3b)。
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2.供水服务供需量化
7 T3 K% r6 ^$ y+ E9 H, p 福建省内陆地区供水量较高，沿海地区供水量较低，且北部供水量高于南部(图4a)。东南沿海城市厦门、福州、莆田、泉州的需水量较高。1995 - 2022年，ES赤字区(ESDR<0)扩大，低ESDR区的ESDR(供水服务供需量化)值随时间呈下降趋势。福建省大部分地区的供水服务存在盈余，尤其是内陆地区，而沿海城市，特别是厦门和泉州，则存在明显的ES赤字(图4c)。
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- B0 I- r% u- D- @5 ] 3.与水相关的生态安全格局划定 . G0 _2 c7 B% x) x; w- ^
生态源地主要分布在福建省北部和中部地区(图5)，而生态汇地主要分布在东南沿海地区。1995-2022年，生态源地总面积从39739km2增加到42829 km2，生态汇面积从2299km2减少到1064km2。观察到明显的趋势，即南部地区的源区减少，北部地区的源区增加，汇的面积有减少的趋势。总体上，源和汇的空间分布相对稳定。总源面积增加，而总汇面积减少，每个城市都观察到这些变化。1995-2022年间，源区覆盖面积沿沿海城市(厦门、莆田、泉州)减少，沿内陆城市(南平)增加，而汇区主要分布在沿海城市(泉州、莆田、厦门、漳州、福州)(图6)。在土地利用方面，水源供给服务的来源主要包括植被覆盖区(即农田、森林和草地)。近30年来，源区土地利用结构变化不大。相反，水源供给服务的汇主要包括耕地和建成区，其中，耕地的比例呈下降趋势，建成区的比例呈增加趋势(图7)。  . D7 b# k* \" w! `7 D. Q% Z9 P
4.关键廊道和脆弱节点的识别
& f2 p; l0 |) z$ p+ y 研究分析确定了17.12%的河流为关键廊道，22.5%的脆弱节点被标记为预警节点，其中大部分位于一级和二级支流。相比之下，脆弱节点主要位于干流(图8)。木兰溪、秋露溪和晋江流域廊道比例最高，分别占河流的75%、42.86%和30%。预警节点主要集中在闽江、晋江和九龙江流域。其中，晋江和汀江流域预警点占比最高，分别占脆弱节点的50%和30.77%。
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研究启示
2 ?0 _2 O" a2 E+ i 研究提出了一个将生态系统服务流与水相关的生态安全格局联系起来的框架，从而划定源、汇、关键廊道和脆弱节点，为中国沿海福建省的水管理提供信息。福建省水生态安全总体呈下降趋势，主要表现为供水服务供需缺口不断扩大。源地分布在内陆，汇地分布在沿海地区。源的分布受气候条件的强烈影响，汇的组成变化受人类活动加剧的驱动。识别出17.12 %的河流为关键廊道，22.5 %的脆弱节点为预警节点。合理管理社会经济系统用水需求、持续监管、预测气候变化趋势、针对性预警、河流保护是保障水安全的根本。本研究结果对变化环境下沿海地区景观格局规划和可持续水资源管理具有重要意义。 : t( j0 D2 n6 |' ~* V1 p; v
初审：王永成 4 `2 V7 ]) h' i: C2 h1 @9 T' b
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审核：徐彩瑶 . }! M1 g3 x) J- O L/ z1 q' ~. {, j
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排版编辑：曹露丹 8 N4 Y5 _) j. d a& V/ }
文献推荐人：曹露丹 * V: w: ~5 t( |8 j' E5 Z
参考文献：Zilong Chen, Jingyu Lin, Jinliang Huang, Linking ecosystem service flow to water-related ecological security pattern: A methodological approach applied to a coastal province of China, Journal of Environmental Management, Volume 345,2023,118725. ! n( J, k3 L; N! R; } c1 h
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