基于生态系统服务供需的生态安全格局研究——以中国桂林典型喀斯特地区为例

《Ecological Frontiers》：Ecological security pattern based on the supply and demand of ecosystem services in a typical karst area in Guilin, China

生态安全格局（ESP）在气候变化和生态系统退化的背景下至关重要。本研究基于桂林喀斯特地貌特征，整合生态系统服务供给（ESS）、需求（ESD）及供需比（ESDR），运用InVEST模型量化ES并构建ESP。结果表明，水土保持供给充足但需求缺口显著，尤其在中心城区；碳汇供给最低，需重点优化。ESP最终划定2个生态屏障、3条主要廊道、1条生态带及多个关键节点，为喀斯特地区生态保护与可持续发展提供科学框架。

　　

余成|何贵珍

中国科学院生态环境研究中心区域与城市生态国家重点实验室，北京100085，中国

摘要

在气候风险加剧和生态系统退化的背景下，生态安全已成为一个关键问题。生态安全格局（ESP）为保障区域可持续性提供了空间框架。然而，当前的研究尚未充分探讨生态系统服务与ESP之间的整合。本研究基于InVEST量化方法，开发并优化了桂林市的ESP，考虑了生态系统服务供给（ESS）、生态系统服务需求（ESD）及其供需比（ESDR）。随后使用最小累积阻力（MCR）模型构建了ESP。研究结果表明，ESS和ESD之间存在明显的不匹配，其中土壤保护方面的供给最高，碳封存方面的供给最低。栖息地质量是最紧迫的需求，主要集中在城市中心。具体而言，水资源保护的供需不匹配最为显著，城市核心区域的供需缺口持续存在；而土壤保护的供给在2020年后显著增加。总的生态源区域呈现出U形趋势——最初下降，到2023年有所扩大。生态源在空间上更加集中，走廊破碎化程度降低，表明ESP的结构稳定性得到改善。基于上述结果，桂林市的最终ESP被划分为由两个生态屏障、三条主要走廊、一条生态带和多个关键节点组成的空间框架。该研究为将生态系统服务纳入生态安全格局和规划提供了实际见解，为喀斯特地区的生态保护和可持续发展提供了科学依据。

引言

作为全球环境治理的重要维度，生态安全与生物多样性保护、气候适应能力和可持续发展密切相关。联合国在《2030年可持续发展议程》中强调了这一点，指出生态系统的可持续管理对全球生态安全至关重要。在中国，快速的城市化和工业化加剧了资源和环境压力，导致生态系统退化和生态风险增加[1]、[2]、[3]。为应对这些挑战，中国政府出台了一系列法规和政策文件，旨在实现生态安全。特别是，《生态文明体系建设总体方案》将生态安全格局（ESP）确定为土地空间开发和保护的三大战略框架之一，作为确保国家和区域生态安全的基本保障和实用方法[4]、[5]、[6]。

作为空间保护和发展的战略工具，ESP的目标是识别关键生态源、生态走廊和抵抗力特征，从而指导生态保护和恢复的空间优化[6]、[7]。整合生态系统服务（ESs）的供给和需求为ESP的构建和优化提供了科学依据[8]、[9]。该领域的研究可大致分为空间分析和规划、政策评估与建议、生态系统模拟与优化设计以及生态风险评估与预警[10]、[11]、[12]。从方法论角度来看，有几个技术环节与本研究特别相关。首先，通常会对生态系统服务供给与需求（ESS–ESD）的比例进行标准化处理，以消除维度不一致性问题，从而能够有意义地比较不同生态系统服务和地区之间的不匹配情况[13]。其次，ES流动和受体分析已成为重要的扩展方法，将ES供给的空间分布与实际受益者联系起来，从而提高供需不匹配的解释力[14]、[15]。第三，在生态连通性评估领域，概率连通性（PC）和连通性积分指数（IIC）等方法是广泛使用的，而电路理论和成本-距离模型则提供了关于抵抗力和扩散过程的补充视角[16]。选择哪种方法取决于景观背景和管理目标。尽管取得了这些进展，但在将生态系统服务理论应用于实际景观规划和管理方面仍存在差距。现有研究主要集中在ES建模[17]上，但很少将ESS-ESD整合到实际的土地利用管理框架中。要解决这一局限性，需要开发一种新的框架，将ESS-ESD关系纳入ESP的构建和优化中，确保其在指导可持续土地开发和生态保护方面的实际相关性和有效性。

桂林位于中国西南部典型的喀斯特地貌区域，是应对这些挑战的典型案例。由于其独特的地表-地下空间结构，其生态系统极易受到各种生态威胁的影响，包括水污染、碳封存能力下降和生物多样性丧失，这些都对当地生态稳定性构成重大风险[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。近年来，学者们越来越关注喀斯特地区的生态系统服务（ESs）和景观格局。主要研究内容包括喀斯特水资源ESs之间的权衡与协同作用[23]、[24]、[25]、喀斯特ESs的价值及其时空变化[26]、喀斯特ESs的社会生态驱动因素[27]、[28]，以及喀斯特流域的景观演变和可持续利用[29]。大多数基于喀斯特地区ESs的生态安全研究主要集中在与水相关的生态系统服务上[30]，而将ESs与ESP结合的研究仍然有限，需要通过跨学科方法进一步加强。因此，为桂林制定有效的ESP在理论和实践上都具有重要的意义，为区域生态安全和可持续发展提供了宝贵的见解。

因此，本研究旨在基于桂林市生态系统服务的供给和需求，构建并优化ESP。具体来说，我们计划（a）评估桂林市ESs的供给和需求动态；（b）基于ESS-ESD构建并优化ESP；（c）制定促进桂林市可持续发展的目标策略。这种整合不仅增强了ESP的理论框架，还为区域生态管理提供了可操作的策略，可为其他具有类似喀斯特地貌的地区提供参考。

研究区域

桂林（东经109°36′50″-111°29′30″，北纬24°15′23″-26°23′30″）位于中国广西壮族自治区的东北部，面积达27,800平方公里，占广西总面积的11.74%（图1）。平均海拔为1083米，地形复杂。根据国家环境信息中心（NCEI）的数据，桂林市的平均气温为19.2°C，年平均降雨量为1735.5毫米。

生态系统服务供给（ESS）、生态系统服务需求（ESD）及其供需比（ESDR）的时空动态

桂林市的ESS表现出明显的空间和时间变化。经过Z-score标准化处理后，平均供给顺序为SC > HQ > WC > CS。从空间上看，ESS在中心区域较低，向东和西逐渐增加。WC和SC的空间分布相似，而HQ和CS也具有空间相关性（图2）。表4中报告的所有指标均代表整个桂林地区的平均值。

生态系统服务供给-需求匹配的时空动态

本研究揭示了喀斯特地区生态系统服务供给和需求的时空演变特征，并捕捉到了时间上的不匹配现象——尤其是在经济发达的城市中心，WC的缺口持续存在。这与Wang等人的研究结果一致，但在纳入需求侧热点后有所不同，表明城市化加剧了ES供给的空间不平等[49]。 从供给方面来看，ESs的总体供给呈现出一定的空间分布模式。

结论

本研究提出了一个综合框架，用于构建和优化桂林市的ESP，该框架基于ESS和ESD的时空动态。使用InVEST模型量化了关键生态系统服务，而Linkage Mapper有助于划定生态走廊、抵抗力表面和瓶颈点。通过将结果与空间规划和策略相结合，本研究为脆弱的喀斯特环境提供了具体的空间解决方案。主要贡献有三点：

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CRediT作者贡献声明

余成：撰写——原始草稿、软件开发、方法论设计、数据分析。 何贵珍：撰写——审稿与编辑、验证、项目监督、方法论指导、资金筹措、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42577553和U21A2041）和国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3804905）的资助。