随着我国城镇化进程加速,城市大规模扩张引起了景观结构的剧烈变化。大量的林地、草地、湿地、农田等自然半自然景观被改造为工矿、住宅和道路等建设用地构成的人工景观,不合理土地开发加速了对自然生态系统的干扰和侵占,引发了城市热岛、环境污染、致使生态系统服务功能迅速下降。近几年我国的京津冀、长三角、珠三角等区域雾霾频繁发生,影响着人民的生活质量,威胁着区域的生态安全。如何从景观生态学角度在景观尺度上,研究理解景观结构、生态过程与景观功能的交互作用,从而制定科学的应对减缓措施保障城市生态安全,是当前学术界和政府决策部门面临的严峻挑战。在快速城镇化引起生态系统服务功能退化及水、大气等环境污染加剧的背景下,本文综合考虑气象学、生态学、城市形态学在通风廊道、生物多样性、水生态安全格局研究的发展趋势,进行了跨学科跨领域的生态安全格局研究。本文从生态系统结构变化入手,分别研究了生物多样性保护服务功能、水源涵养功能、洪水调蓄功能、水质净化功能、通风驱热功能的评估与构建方法。在此基础上,研究了南京市生物多样性保护服务功能、水源涵养功能、洪水调蓄功能、水质净化功能、通风驱热功能的时空分异特征;构建了南京市生物多样性安全格局、水安全格局和大气安全格局,进而构建了南京市综合生态安全格局,并提出生态管控措施。对最大程度发挥城市的生态服务功能,减缓城市诸多环境问题有着重要的指导意义。主要研究内容与成果如下:(1)生物多样性安全格局评估与构建研究。借鉴InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)以及LCP (Least Cost Path)最小累积阻力模型,建立了生物多样性安全格局评估方法。在此基础上,选择InVEST模型评估的生境质量高值区作为生物多样性安全格局的“源”,以生境质量和植被盖度建立阻力面,基于最小阻力面模型建立生态廊道和节点,构建生物多样性安全格局。结果表明:南京市近25年来生境质量下降,生境剧烈退化的区域从城市中心不断外扩,形成了以城市为中心、道路为辐射的生境退化圈。重度退化和剧烈退化的比例迅速上升,1990-2015年间从2.53%和0.65%分别上升至8.3%和3.83%。南京市的阻力面高值区的范围也不断扩大,中心城区的紫金山、江宁区的方山与周围主要生态源的廊道完全阻隔,安基山-汤山、大连山、老山、牛首山等生态源与其他生态源之间的生态廊道也受到严重威胁。南京市低、中、高水平的生物多样性安全格局分别占国土面积23.63%、41.59%和 57.53%。(2)水生态安全格局评估与构建研究。综合考虑土地覆被类型、植被覆盖度、坡度因子,建立了水源涵养功能评估模型;采用“无源淹没”理论,识别不同风险频率的雨洪灾害敏感区,建立了不同安全水平下的洪水调蓄安全格局;依据InVEST模型-水质净化模块研究不同河流缓冲区的水质净化功能的适宜宽度。将水源涵养功能区的高值区作为水安全格局的“源”,根据识别雨洪灾害敏感区域,不同河流水质净化功能的适宜宽度,构建水安全格局。研究表明尽管南京市林地和湿地面积变化不大,由于林地得到保护,生物量增加,水源涵养功能高值区面积有所增加,同时,由于城镇建设用地大量侵占耕地,造成水源涵养中值区面积显著下降,低值区面积显著增加。从全市域来看,南京市的水源涵养功能破坏不大。研究时段内十年一遇、二十年一遇和五十年一遇的雨洪灾害敏感区的建设用地面积比例显著增加,2015年三区的建设用地面积分别比1990年增加1.7倍、1.37倍和1.28倍。雨洪灾害敏感区的建设用地增长主要在长江沿线的板桥新城、滨江新城、江北副城外、龙潭港区,秦淮河沿岸的江宁东山副城、禄口及滁河沿岸部分区域增长较快,在洪水调蓄敏感区内的建设用地,会严重影响城市行洪能力,威胁城市的安全。研究表明南京市低水平、中水平、高水平的水生态安全格局分别占国土面积23.54%、40.75%和51.94%。(3)大气安全格局评估与构建研究。将气象学理论、城市形态学理论与遥感技术应用相结合,研究基于通风廊道的大气安全格局评估与构建方法。通过遥感技术研究城市热环境的空间分异,根据气象学城市局地环流理论和城市形态学理论,依据迎风面积指数和地表温度共同构建城市通风的阻力面,采用LCP (least cost path)技术构建了城市通风廊道,并根据WRF (weather research and forecasting model)、CFD(computational fluid dynamics)模型、气象观测数据和野外观测数据,验证了采用遥感技术和GIS技术方法研究通风廊道的可行性。研究表明,在市域尺度上通风廊道主要分布在宽阔的河流、湖泊和山谷地。说明河流、湖泊不仅具有生物多样性保护、洪水调蓄、水质净化等功能,同时具有良好的通风驱热功能。在街区尺度上,除了宽阔的河流和湖泊为主要通风廊道外,顺应风向的宽阔街道也是主要的通风廊道。(4)综合生态安全格局构建与对策。在生物多样性安全格局、水安全格局、大气安全格局的基础上,构建了基于生态服务的多要素的城市生态安全格局。研究表明,南京市高水平生态安全格局的总面积占全市土地面积的65.67%,表明南京市大部分土地具有显著的生态功能;低水平生态安全格局占全市土地面积的30.03%,表明三成的土地提供了重要的、不可代替的生态系统服务。在此基础上,提出面向生态安全的生态保护策略,可以更好地指导城市生态环境规划与管理,促进城市生态系统服务功能提升和环境质量的改善。创新点主要体现在:(1)将气象学理论与城市形态学理论相结合,在传统建筑形态的迎风面指数构建阻力面的基础上,充分考虑到将温压差对风的阻力,结合地表温度,构建了城市通风的阻力面,采用LCP技术构建了城市通风廊道,为识别和构建城市通风廊道提出了一个新的方法。(2)以通风廊道为基础,构建大气安全格局,并进一步构建了城市综合生态安全格局,为城市生态安全格局研究提供了一个新的思路和方法。