基于博弈論賦權生態敏感性評價的生態安全格局構建研究

史明遠,王邦鑒,張 麗

(吉林建筑大學 測繪與勘查工程學院,吉林 長春 130118)

近年來,遼通地區生態環境十分脆弱,該區域為我國東北地區重要生態屏障,區域內物種資源豐富,生態元素分布廣泛[1-5],但是隨著社會經濟發展,環境資源利用負荷大,急需開展生態安全格局的研究分析。生態安全格局主要維護區域生態過程的聯通性和完整性[6-9],構建生態安全格局是保護生態安全的有效渠道,再加之遼通地區具有豐富的自然資源和經濟社會條件,本文以吉林省東部遼通地區(遼源市和通化市)作為研究對象,采用2020年的遙感數據和生態環境數據來構建生態敏感性評價因子體系,在各單因子構建的綜合生態敏感性評價結果的基礎上提取生態源地,利用阻力因子疊加構建阻力面,利用最小累計阻力模型提取生態廊道,最終形成生態安全格局。該格局可以為遼通地區的生態環境保護提供借鑒,能有效緩解經濟發展與生態環境之間的矛盾關系,對保護遼通地區的生態安全有重大意義[10-14]。

1 評價體系構建

基于生態敏感性評價體系的相關研究,如王紫薇等[1]為了探索泥河流域生態系統在綜合治理30年后的敏感性特征,構建生態敏感性評價體系對其敏感性進行評價,其中植被覆蓋度和土壤侵蝕度為最主要的影響因素。袁君夢等[15]通過構建基于水體、植被、地形3類因子為基礎的生態敏感性指標體系,來劃分秦淮河流域的水生生態敏感區,并對差異化敏感程度提出了相關建議和措施。李芮芝[16]在保護動植物生境狀況的基礎上,建立了保護動植物的生態敏感性評價體系,對韶關南雄市自然保護區進行生態敏感性評價,并進行了相關的生態功能區劃。其中李芮芝等人以生物多樣性的方式去構建生態敏感性評價體系,缺乏人與自然的關聯性,沒有從人與自然的角度思考生態問題,也沒有圍繞人與自然共同發展的方式開展研究。而本文主要從人與自然和諧共生的角度出發,注重生態化發展,開展生態旅游,倡導用生態來帶動經濟的發展。

采用特爾斐專家評價法[5]邀請15位生態環境學專家從社會性、自然性2大維度進行指標的選擇,選取出具有代表性的指標因子,共確定了水域、坡向、地表含水率、地表溫度、土地利用5個評價指標,來構建遼通地區的敏感性指標評價體系。再利用ArcGIS自然間斷劃分方式,將各評價因子進行屬性分級,敏感等級依據特爾斐專家評價法進行劃分,將敏感性劃分為不敏感、低度敏感、中度敏感、高度敏感、極度敏感5個等級(表1),并對應采用1、3、5、7、9進行敏感性賦值。遼通地區各單因子和綜合生態敏感性分布如圖1所示。

圖1 遼通地區各單因子和綜合生態敏感性分布Fig.1 Distribution of single factor and comprehensive ecological sensitivity in Liaotong area

表1 遼通地區評價因子指標體系Tab.1 Evaluation factor index system of Liaotong region

2 因子賦值權重

基于主客觀相結合的博弈論組合賦權法來求得評價因子權重[3],此方法指分析多個決策主體行為相互作用時的理性行為及其決策均衡的問題。決策過程中,博弈雙方協調一致的去尋找共同最大利益時,會出現達成共識,故而找最小組合權重向量與各個權重向量之間的差異[8],使得差異之和達到最小化,最終實現共同利益最大化。通過博弈論組合賦權法得出的因子權重分別為:水域0.29;坡向0.26;地表含水率0.17;地表溫度0.15;土地類型0.13。具體計算公式如下。

基于博弈論組合賦權法,設一個權重向量Y={y1,y2,…yn},其線性組合,見式(1):

(1)

其中,ak為權重系數且大于0,并對線性組合系數ak進行優化,在所有可能發生的線性組合中找到合適的Y*,目的是為了求得y和每個yk的離差最小化,見式(2):

(2)

由矩陣的微分學理論可知,求得式(2)的最優一階導函數,并將其寫為微分方程組的形式,見式(3):

(3)

解出微分方程組并歸一化,得出博弈論組合權重值,見式(4):

(4)

3 評價結果分析

水系保護數據(水域)和生境保護數據(坡向、地表含水率、地表溫度)均來源于地理空間數據云所獲取的Landsat8遙感影像與DEM數據分析處理,社會保護數據(土地利用)則是通過《全球地表覆蓋網站》獲取得到,空間分辨率均為30 m×30 m,并對以上3類5種生態因子的生態敏感性進行評價,通過自然間斷點重分類劃分等級,評價結果如圖1(a)—(e)所示?；谒当Ｗo的水域敏感性差異明顯,敏感性由西北和東南兩端向中心依次遞減,其中極度敏感區域主要分布于研究區西北部、東南部,中高度敏感區域主要分布研究區中部,低值敏感區分布于研究區中北部;基于生境保護的敏感性空間差異明顯,這與坡向、地表溫度[9]、地表含水率有關;基于社會保護的敏感性空間差異明顯,這與土地利用類型有關。把單項生態因子指標按照賦予的權重進行相加求和得到研究區生態敏感性綜合評價結果,加權求和,計算公式見式(5),并按自然間斷點法進行分級賦值生成等級區劃評價圖[4],如圖1(f)所示。據統計由敏感性評價結果(表2)知,不敏感面積占比10%,主要集中分布于研究區西北部東豐縣周圍;低度敏感面積占比16%,主要分布于研究區中北部地區;中度敏感面積占比25%,集中分布于研究區中部和西部地區;高度敏感面積占比27%,研究區均有分布,集中分布于中部地區;極度敏感面積占比22%,主要分布于東南部地區。整體敏感性以高度敏感為主[17],由北向南綜合生態敏感性越來越高,東南部地區敏感性最高[1]。

表2 生態敏感性評價結果Tab.2 Results of ecological sensitivity assessment

(5)

式中,P為易發性數值;Wi為評價因子Hi的權重值;Hi為各單因子重分類后分級量化值。

4 生態安全格局

4.1 生態源地

提取綜合生態敏感性評價結果中的極度敏感和高度敏感作為生態源地,中度敏感和低度敏感作為一般生態源地,不敏感作為非生態源地,生態源地面積為58 189.28 km2,占比49.23%,一般生態用地面積為54 863.26 km2,占比40.90%,非生態用地面積10 856.93 km2,占比9.87%,研究區內生態源地數量由南向北逐漸遞減,反映了南部地區植被覆蓋較高,生態敏感性較高,而中北部地區植被覆蓋較少,生態敏感性普遍較低。

4.2 生態阻力面

通過查閱相關文獻可知,前人選取阻力因子更多的是考慮自然環境因素去構建生態阻力面,如李靜等[18]為了構建以生物多樣性保護為主的北戴河新區景觀安全格局,選取了水體、林地、植被等自然環境因素阻力因子,沒有從人與自然的共同發展的角度看待生態問題,缺乏生態化發展的新思維。而本文就從人與自然和諧發展的角度選取了高程、坡度、地形起伏、植被覆蓋率、水域緩沖區、道路緩沖區、土地利用7個與遼通地區相適宜阻力因子,分級賦值、博弈論確定權重、加權疊加形成生態阻力面,具體的生態阻力權重參數見表3。

表3 生態阻力權重參數表Tab.3 Weight parameters table of ecological resistance

各單因子生態阻力值如圖2所示,高程、坡度、地形起伏阻力值大致呈南高北低趨勢,其中低阻力值占50%以上;植被覆蓋率阻力值以低阻力為主,幾乎占研究區80%以上,高阻力值集中于東北部;水域、道路緩沖區高阻力值集中分布于中部,低阻力值分布于西北、東南部;土地利用阻力值由西北向東南遞減,其中以低阻力值為主。生態源地、生態廊道和阻力面、生態安全格局分布如圖3所示。由圖3(b)可知,綜合生態阻力值整體北高南低,高生態阻力值主要分布于東北地區,低阻力主要分布于東南地區,側面得出東南地區以森林濕地為主,東北地區以耕地為主。

圖2 遼通地區各單因子阻力分布Fig.2 Distribution of each single factor resistance in Liaotong area

圖3 生態源地、生態廊道和阻力面、生態安全格局分布Fig.3 Distribution map of ecological source,ecological corridor,resistance surface and ecological security pattern

4.3 生態廊道

基于最小累計阻力模型的相關研究,如劉道飛等[12]運用最小累計阻力模型對土地利用類型進行了劃分,劃定了林地、濕地、草地、水域4類核心生態空間,構建起“三帶兩區,五脈連江、林田相間”的區域生態安全格局。位宏等[13]在利用GIS分析博斯騰湖流域結構特征的基礎上,運用最小累計阻力模型對其景觀進行風險評價,并提出相應優化措施。尹發能等[17]利用遙感技術和最小累計阻力模型對四湖流域進行景觀生態規劃,并對景觀要素進行相應的劃分。以上學者均以最小累計阻力模型為基礎,局限于小范圍的自然景觀和土地資源區域劃分。而本次研究秉持人與自然和諧發展的理念,把最小累計阻力模型運用到生態安全格局中,定位并提取出生態廊道,構建出有利于遼通地區可持續發展的生態安全格局。

生態廊道是多個生態源能量流通的主要通道,起到保護和恢復生物多樣性的功能作用。由于相鄰生態源地之間連接有最小阻力生態通道的特征,本次建立最小累計阻力模型(RMC)計算出生態源地間最小累計阻力值路徑來提取生態廊道,計算公式見式(6):

(6)

式中,RMC為生態源地間某點的最小累計阻力值;fmin為最小阻力值與生態過程之間正相關函數;Dαβ為生態物源β到景觀單元α之間空間距離;Rα為示物種通過景觀單元α的阻力值。

生態廊道主要起一個物種之間遷移、交流,生態物種資源修復的紐帶作用。本次基于生態源地和阻力面,再通過構建最小累計阻力模型計算最小累計阻力(GIS距離分析建立最小成本路徑),提取生態廊道。經統計,遼通地區生態源地間共有1 257條生態廊道,總長度為10 679.90 km,廣泛分布于研究區四周,如圖3(b)所示。

由圖3可以看出,大部分東部和中部的生態廊道長度大于研究區西部,西部的生態廊道長度為2 233.54 km,占比23%,其中西北部東遼縣生態廊道長度為523.29 km,占整個生態廊道的5%。中部的生態廊道長度為2 113.73 km,占比21%,其中中北部的梅河口市生態廊道長度為652.80 km,占整個生態廊道的6%。而東部的生態廊道長度為4 024.93 km,占比40%,其中柳河縣生態廊道長度為755.85 km,占整個生態廊道的8%。生態廊道由中心向四周發散,最大限度地提高了生態源地之間的流通性。

4.4 生態安全格局構建

生態安全格局是在一定的社會經濟發展以及生態環境保護措施的條件下,由相互對立、功能各異的生態源地單元和結合生態廊道構成,對保護區域生態系統起重要的作用,從而形成區域性生態安全格局[2],如圖3(c)所示。

生態源地主要分布在植被覆蓋率高、水系發達的南部地區;生態廊道由中部向東北、西北、南部等方向發散延伸,呈由“中心向四周”樹枝狀的分布格局[11],形成了“一廊三圈”的生態安全格局[6],“三圈”分別指南部、西北部、東北部的生態圈;“一廊”指由中心向四周連接的生態走廊。其中,西北、東北部生態圈在于減緩城市之間的擴展速度,提高生態環境質量,南部生態圈以水土保持、維護生態系統多樣性為主,中部走廊保障三個生態圈在生態物質交換過程中的暢通性?；诖藰嬙臁耙焕热Α鄙鷳B安全格局來提升遼通地區生態環境質量水平,促進各區域生態安全良好運行,加強區域生態安全保護,并助力遼通地區社會經濟發展。

5 結論

本文以吉林省東部遼通地區作為研究區,分析生態敏感性評價結果,確定生態保護安全空間,進而識別出生態源地。通過地形地貌(高程、坡度、地形起伏)、自然環境(植被覆蓋率、水域緩沖區)、社會發展(道路緩沖區、土地利用)確定的生態阻力值,構建綜合生態阻力面,用最小阻力模型提取出生態廊道,再結合遼通地區的實際空間地理位置,最終形成遼通地區生態安全格局,結論如下。

(1)通過遼通地區進行因子選取、確定權重、加權求和得出遼通地區生態敏感性評價結果,整體敏感性以高度敏感為主,由北向南敏感性越來越高,尤其東南部地區敏感性最高。其中,不敏感面積占比10%,集中分布于研究區西北部;低度敏感面積占比16%,主要分布于研究區中北部地區;中度敏感面積占比25%,集中分布于研究區中部和西部地區;高度敏感面積占比27%,研究區均有分布,集中分布于中部地區;極度敏感面積占比22%,主要分布于東南部地區。

(2)通過研究表明遼通地區生態源地占比49.23%,一般生態用地占比40.90%,非生態用地僅占9.87%,生態源地數量由南向北逐漸遞減,反映了南部地區植被覆蓋好,生態敏感性較高,而中北部地區植被覆蓋差,生態敏感性較低。

(3)通過選取地形地貌(高程、坡度、地形起伏)、自然環境(植被覆蓋率、水域緩沖區)、社會發展(道路緩沖區、土地利用)7個阻力因子并分級賦值、博弈論賦權、加權疊加形成生態綜合阻力面,整體阻力值北高南低,高阻力主要分布于東北地區,低阻力分主要布于東南地區。

(4)通過構建最小累計阻力模型計算出最小累計阻力值,提取出生態廊道,最終建立了“一廊三圈”的生態安全格局。此格局促使遼通地區生態安全良好運行,為生態環境保護和旅游經濟發展提供參考指南,在后期研究和探討過程中,還需要進一步地小和精確研究范圍,精準構建生態安全格局。