基于自組織特征映射模型(SOFM)網絡的中國自然資源生態安全區劃

鄒 易,蒙吉軍,*,吳英迪,魏嬋娟,程浩然,馬宇翔

1 北京大學城市與環境學院,地表過程分析與模擬教育部重點實驗室,北京 100871 2 多倫多大學地理、地理信息與環境系,加拿大安大略省密西沙加市密西沙加路3359號 L5L 1C6

近年來,隨著我國社會經濟的飛速發展和城鎮化的快速推進,自然資源不合理利用引發了諸多生態環境問題,水土流失、沙漠化肆虐、水體污染、生物多樣性銳減等問題日益嚴峻[1]?；诖?黨的十八大提出“大力推進生態文明建設”的戰略決策,對區域生態安全的重視日益提高。生態安全的含義廣泛,包括自然、社會和經濟系統的安全[2],且任何一個系統的安全對復雜系統整體的安全都至關重要。自然資源作為人類賴以生存的物質基礎,同時也是保障社會經濟發展與人類福祉的物質基礎與能量來源[3]。自然資源生態安全即是指區域內的自然資源生態系統維持整體性、保障經濟發展的自然資源供給、滿足居民生活等基本權利以及人類適應環境變化的能力等不受威脅的狀態[4]。自然資源生態安全是經濟發展與生態保護之間耦合程度的表征,確保區域自然資源處于安全狀態,是國家安全的重要組成部分,也是地區可持續發展的重要前提與保障。

區劃是區域的劃分,通過對“過程-類型”的綜合研究,探討區域單元的演進過程、地域分異、聚類歸并及相互關系[5],對于揭示區域空間發展的規律性與差異性、指導自然資源的合理開發利用具有重要作用。近代自然區劃始于歐洲,19-20世紀西方國家開展了大量以生態區劃為特色的自然區劃研究[6]。我國自然區劃始于20世紀20-30年代,50年代區劃研究進入全面發展時期,尤其為滿足農業生產需要,開展了大量綜合自然區劃[7-8]、農業區劃[9-11]及公路自然區劃[12]方案的研究。80年代以來,隨著市場經濟發展與產業轉型加速,區域開發與產業經濟相關的區劃不斷涌現,例如經濟區劃[13]、鄉村經濟區劃[14]、商業經濟區劃[15]等。2000年以來,隨著人們對生態環境問題的關注,生態區劃[16]和生態地理區劃[5]成為熱點。區劃的對象已逐漸由多要素的綜合自然區劃轉向應用性、專業性和部門性區劃,例如主體功能區劃[17]、旅游區劃[18]、草原區劃[19]與風能開發的風環境區劃[20]等。近年來,結合新時期現實需要,又相繼開展了現代農業區劃[21]、環境功能區劃[22]等研究。系統深入的區劃研究,奠定了我國在此領域的國際領先地位[23]。

自然資源生態安全區劃是根據自然資源生態安全水平及其分異規律進行地理分區。近年來,我國先后發布了《全國主體功能區規劃》(2010)、《生態功能分區技術規范》(2014)、《全國生態功能區劃》(2015)、《國土空間規劃編制技術規范》(2020)、《“三線一單”生態環境分區管控指導意見》(2021),已有研究針對“三區三線”與“三線一單”的制度框架、技術方法與應用路徑等方面展開論述[24],作為國土空間規劃的重要內容和工具,也是自然資源生態安全的重要保障和支撐,尤其在資源環境領域發揮重要作用[25]。以生態安全為導向的自然資源空間分區與管制,已成為實現自然資源與生態環境統籌治理的新舉措[26]。圍繞自然資源生態安全的內涵,諸多學者選擇自然資源的生態敏感性與生態服務重要性作為表征區域資源環境狀況的重要指標,來刻畫自然資源的生態安全狀態[27-28]。在區劃方法和技術方面,計算機技術的快速進步推動數理方法引入區劃研究中,如回歸分析[29]、聚類分析[30]、判別分析[31]和主成分分析[32]等。同時,人工神經網絡[33]、遺傳算法[34]和模糊評價理論[35]等新興理論與方法也應用于區劃研究。其中,自組織特征映射模型(Self-Organizing Feature Map,SOFM)作為一種非監督型的人工神經網絡,因在分區研究中具有適應性強、空間精度高等優勢[36],在地理學和生態學領域,尤其是數據結構復雜、數據量大和非線性特征明顯的問題上得到廣泛應用[23]。

本文著眼于全國自然資源生態安全格局分析,立足于新時期生態文明建設宏觀背景,從自然資源生態敏感性與生態服務重要性,探索自然資源生態安全區劃研究的技術方法和指標體系,制訂全國自然資源生態安全區劃方案,識別生態安全的關鍵區域、監管薄弱區域、發展優勢區域,為分區、分類推進全國自然資源可持續利用和優化國土空間布局提供決策依據。

1 研究方法與數據來源

1.1 數據來源

本研究使用的數據及來源如表1所示。

表1 數據來源Table 1 Data source

1.2 自然資源生態安全評價

選取相關研究中常用的生態敏感性與生態服務重要性進行自然資源生態安全評價[28],其中自然資源生態敏感性包括土壤侵蝕敏感性與土地沙化敏感性[37];自然資源生態服務重要性包括產品提供、生物多樣性維護與水源涵養重要性[38](表2)。

表2 自然資源生態安全評價指標Table 2 Evaluation index of ecological security of natural resources

在自然資源生態敏感性評價時,首先根據不敏感、輕度敏感、中度敏感和高度敏感4個級別,將各指標分別賦值為1,3,5,7;其次按照下式計算土壤侵蝕敏感性指數與土地沙化敏感性指數[37]:

(1)

式中,Ai表示第i類敏感性指數,ai1-ai4分別為對應的評價指標。根據敏感性指數計算結果值域范圍,將敏感性分為4級:[0,2.0]為不敏感,(2.0,4.0]為輕度敏感,(4.0,6.0]為中度敏感,>6.0為高度敏感。

基于“木桶”原理,綜合生態敏感性指標定義為區域內生態敏感性的最低水平[27,37]。在自然資源生態服務重要性評價時,首先利用ArcGIS重分類功能基于自然斷點法與經驗知識相結合的方法對三類生態服務重要性進行賦值:高度重要為7、中等重要為5、一般重要為3、不重要為1。綜合生態服務重要性評價利用下式計算[38]:

(2)

式中,ESIj代表j空間綜合生態服務重要性評價指數,ESi為i項生態服務重要性等級值。最后,通過ArcGIS重分類功能基于自然斷點分級法將ESIj分為高度重要、中等重要、一般重要和不重要。

將綜合生態敏感性與綜合生態服務重要性按表3的矩陣規則疊加[39],得出自然資源生態安全等級:Ⅰ級為重警狀態、Ⅱ級為中警狀態、Ⅲ級預警狀態、Ⅳ級為較安全狀態、Ⅴ級為安全狀態。

表3 自然資源生態安全分級規則 Table 3 The rule of natural resources ecological security level

1.3 區劃原則與指標體系

中國自然資源生態安全區劃遵循以下原則:綜合性與主導因素相結合,資源特點與產業布局相協調,定量評價與定性分析相結合,空間連續性與區內一致性,行政邊界完整性等。

從自然資源生態安全的內涵出發,基于上述原則,結合相關研究[40],建立自然資源生態安全區劃指標體系(表4)。其中,一級區劃主要反映自然資源空間分布格局,選擇DEM和坡度表征自然地理特征,土地資源表征耕地、森林和草地資源,年降水量表征水資源狀況,年均氣溫與太陽輻射表征光、熱資源狀況,風速表征風能資源狀況;二級區劃主要揭示各一級區中自然資源生態安全水平的差別,采用自然資源生態敏感性與自然資源生態服務重要性表征,各項指標數據均經過極差標準化處理,并統一重采樣至1km×1km柵格分辨率[22,38,41]。

表4 自然資源生態安全區劃指標體系Table 4 Comprehensive index system of natural resources ecological security regionalization

1.4 區劃方法

按照定量與定性分析相結合的原則,采用SOFM模型進行自然資源生態安全分區。SOFM模型的學習規則是一種與大腦皮層競爭抑制相似的算法[42-43],根據學習規則對輸入的模式自動進行分類,降低了指標權重的主觀性,提高了分類的客觀性和準確性。SOFM模型網絡的拓撲結構如圖1所示,模型由結構輸入層和競爭層組成,輸入層具有盡可能多的神經元和變量,輸入層中的所有神經元都通過連接權重與競爭層中的神經元相連。競爭層引入網絡的拓撲結構,可模擬生物學中的側抑制現象。相鄰的競爭層神經元也通過權值相連,競爭層神經元以一維或多維的拓撲結構排列,網絡對輸入向量進行無監督訓練,競爭層神經元根據距離的遠近決定抑制關系,不斷調整網絡結構和連接權值。當輸入新的樣本時,系統就以拓撲結構的形式輸出分類結果[44]。經過多次試驗,在盡可能保證數據準確科學的前提下,本研究建立10000個隨機樣本點,輸入指標分別為自然資源指標、生態敏感性與生態服務重要性指標,神經節點選擇9個,神經網絡訓練次數為200次。在SOFM分區的基礎上,結合農業自然區劃結果[10]和土地覆被空間特征,對分區邊界進行適當調整。

圖1 SOFM模型網絡拓撲結構[23]Fig.1 SOFM model network topology structure[23]SOFM: 自組織特征映射模型Self-organizing feature map

1.5 區劃單位的命名

區劃單位的命名與編碼,既要反映地理位置,又要反映區域綜合特點,還要精練簡潔、便于使用[6]。借鑒相關研究[21,45],本區劃方案既考慮我國自然資源空間分布特點,又兼顧自然資源分區中生態安全水平差異,采用“大區-區”2級區劃方案,具體區劃命名為:一級區劃為大區,命名規則為“地理位置+主導自然資源特點”,編碼采用大寫羅馬數字(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ…);二級區劃為區,命名規則為“自然地理位置+地貌形態特征+區域生態安全等級”,編碼采用阿拉伯數字(1、2、3…),標注在大區羅馬數字之后右下腳。

2 結果與分析

2.1 中國自然資源生態安全空間格局

中國自然資源生態敏感性以輕度敏感為主(圖2),土壤侵蝕輕度敏感地區占61.34%,土壤侵蝕中高度敏感區主要分布于東部季風區,與季節性降水存在較強相關性,東北山區、黃土高原區、南方紅壤丘陵區和西南喀斯特地區是相對集中的侵蝕敏感區。土地沙化輕度敏感區占比43.28%,土地沙化中度和高度敏感區主要分布于我國400mm與200mm等降水量線以西的干旱、半干旱區,高度敏感區集中分布于我國三大強風區--新疆、內蒙古和甘肅交界的戈壁、藏北高原和內蒙古中部沙地,與干旱氣候及強風區高度相關。綜合生態敏感性以中度敏感地區為主(40.36%),輕度敏感次之(33.30%),不敏感區面積僅占0.12%。高度敏感區集中在北方干旱、半干旱沙漠(地)、黃土高原與南方低山丘陵區,中度敏感區集中分布于北方地區,輕度敏感區多分布于南方地區以及青藏高原東部、新疆西部等地。

圖2 中國自然資源生態敏感性空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecological sensitivity of natural resources in China

中國自然資源生態服務重要性各等級面積較均衡(圖3)。其中,產品提供重要性呈東南高、西北低的空間分布格局,高度重要區與光熱、降水等自然條件優渥的區域緊密相關,多分布在地勢平坦、光熱條件好、降水充沛的傳統農業區、林區、草原區或水產品主產區;生物多樣性維護重要性呈東北西南高、西北低的空間分布格局,高度重要區與生物資源分布高度相關,多位于生境質量較好、動植物資源豐富的地區,如大小興安嶺、長白山、秦嶺、羌塘高原、三江源和藏東南山地等;水源涵養重要性則呈現東北東南高、西北低的空間格局,高度重要區多為森林和草地資源,集中分布在大江大河的水源補給區或發源地,涵養水源能力強。自然資源綜合生態服務重要性同樣呈現東南高、西北低的空間分布特征,其中高度重要區占21.80%,多分布于我國東北山地、江南地區、西南地區等;中等重要與一般重要區分布較零星,面積分別占19.01%與23.07%;不重要區面積占比最大(36.12%),集中分布在西北內陸地區。

圖3 中國自然資源生態服務重要性空間分布Fig.3 Spatial distribution of the importance of natural resource ecosystem services in China

中國自然資源生態安全呈現東南高、西北低的空間分布格局(圖4)。其中,以400mm等降水量線為界,以東以南安全水平較高,以西以北安全水平較低。Ⅴ級區面積占比最小(6.56%),多分布于大興安嶺、隴南與藏南地區,零星分布于福建、江西、湖南中南部地區以及云南中部等地;Ⅳ級區面積占17.65%,主要分布于長白山區、橫斷山區等;Ⅲ級區面積占21.21%,分布較分散,主要分布于江蘇、安徽與青海東南部地區。Ⅰ級區和Ⅱ級區面積占比分別為31.65%與22.92%,主要分布于新疆、甘肅與內蒙古,此外西藏西部、青海東北部與陜西北部也有分布?？梢钥闯?自然資源安全與較安全區多位于水熱條件好、生物資源豐富的區域,低安全等級區多位于干旱、半干旱區。

圖4 中國自然資源生態安全等級空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecological security level of natural resources in China

2.2 中國自然資源生態安全區劃方案

根據SOFM模型模擬結果,兼顧行政邊界完整性和農業自然區劃單元[10],中國自然資源生態安全區劃方案包括8個一級區劃與27個二級區劃(圖5)。其中,一級區劃單元綜合反映了自然資源(包括耕地資源、森林資源、草地資源、水資源、光熱資源與風能資源等)的地域分異特征;二級區劃單元則綜合體現了自然資源的生態安全水平。

圖5 中國自然資源生態安全區劃方案Fig.5 The ecological security regionalization scheme of natural resources in China

Ⅰ 東北林農資源大區:包括黑龍江、吉林與內蒙古東北部地區,面積共106.62萬km2,占總面積11.22%。土地資源、水資源與森林資源豐富,但熱量資源不足。該區是我國重點國有林區、北方重要原始林區的主要分布地,世界同緯度地區植物物種最為豐富的區域,同時也是我國最大的商品糧生產基地,糧食產量約占全國總產量的四分之一,平均糧食商品率達70%以上。然而該區生態環境較脆弱,尤其是耕地大規模開墾占用生態空間,是該區生態安全面臨的巨大威脅。

Ⅱ 內蒙古及長城沿線干旱風沙大區:包括內蒙古中部、陜西與山西北部、寧夏南部與河北東北部,面積共99.36萬km2,占總面積的10.46%。區域內自然資源以草原為主,水熱條件較差,春旱頻發,生態問題嚴重。受干旱與半干旱環境條件的影響,水土資源的開發潛力受到極大制約。 華北遼南平原丘陵耕地大區:包括北京、天津、河北、山東、河南、遼寧南部、陜西南部、山西南部與江蘇、安徽北部等地,面積共91.10萬km2,占總面積的9.59%。該區域光熱條件好,耕地資源豐富,是我國糧食主產區之一,但人均耕地少,水資源不足,人地矛盾較為突出。水資源短缺與環境污染是制約該區資源開發利用的主要限制因素。

Ⅳ 長江流域水熱資源大區:包括湖北、重慶、貴州、湖南東南部、云南中部與北部地區、安徽與江蘇南部等區域,面積共109.54萬km2,占總面積的11.53%。該區河網密集、徑流豐沛,水熱資源與水能資源豐富。區域內耕地資源豐富,成都平原、鄱陽湖平原、洞庭湖平原與太湖平原等地都是我國著名的商品糧基地。該區社會經濟基礎良好,發展潛力巨大,是我國經濟發展的重要腹地。

Ⅴ 江南丘陵山地水熱資源大區:包括江西、福建、廣西、廣東、海南、臺灣、湖南南部、云南南部等區域,面積共114.86萬km2,占總面積的12.09%。該區海岸線漫長,光、熱、水資源均較豐沛,水熱資源居全國之冠,土地生產潛力大。此外,森林資源與水能資源也較為豐富,生物種類多樣,是中國重要的水產品養殖和經濟作物種植區。該區是中國較早對外開放的重點地區,有著深厚的外向型經濟基礎,區位條件優越,有利于自然資源的開發。

Ⅵ 北疆灌溉綠洲盆地大區:主要為北疆地區,面積共39.06萬km2,占總面積的4.11%。該區光熱資源豐富、氣溫年較差與日較差大,土地資源以草地為主,礦產資源豐富,主要包括石油、天然氣、煤等。該區屬于典型內陸干旱氣候,降水少,蒸發大,生態環境極其脆弱。

Ⅶ 甘新蒙沙漠高原干旱大區:包括南疆、甘肅東北部與內蒙古西部地區,面積共168.69萬km2,占總面積的17.76%。該區光能資源豐富,但氣候干旱,水資源匱乏,沙漠隔壁廣布,地廣人稀,自然生態環境極度脆弱,成為資源開發與經濟發展的最大限制因素。

Ⅷ 青藏高原光能資源大區:包括西藏、青海與四川西部,面積共220.64萬km2,占總面積的23.23%。高寒是該區突出特點,熱量不足,但又是全國太陽輻射最多的地區,光能資源豐富;地處第一級階梯,水力資源豐富。青藏高原特殊的地理環境造就了豐富獨特的動植物資源,但受高海拔和高原氣候的影響,區域資源開發阻力較大。

二級區劃單位生態安全水平及生態保護對策建議如表5。

3 結論與討論

3.1 討論

本研究采用SOFM聚類方法進行了中國自然資源生態安全區劃,區劃方案兼顧中國自然資源格局與生態安全狀況,既是對已有區劃的傳承與改進,又體現自身的特色。區劃結果客觀揭示出了中國自然資源環境南北方向的緯度地帶性和東南-西北方向的干濕地帶性的空間分異規律。其中,一級區自然資源大區劃分時考慮了土地資源、風能資源、水資源、光熱資源等指標,因此區劃結果反映出的自然資源分異特征與《中國綜合農業區劃》[11]和《中國農業自然區劃》[10]方案較為契合。但也有不一致之處,例如東部區域的劃分不單純以溫度和濕度為依據,更能夠反映區域的氣候類型與生態環境特征,有利于更合理地規劃區域產業布局及指導資源開發利用;北疆地區擁有豐富的自然資源,是重要的生態屏障,將其單獨劃區,加強區域內生態環境建設與保護。二級區自然資源生態安全區則體現了本區劃自身的特色,基于GIS平臺利用多源數據,將自然資源的生態敏感性與生態服務重要性作為主導標志刻畫其生態安全特征,與《中國生態環境脅迫過程區劃》方案[46]、《中國生態區劃》方案[16]相比,二級區變化較為顯著,例如根據土地沙化敏感程度與生態服務重要性等級的不同將內蒙古高原缺水微脅迫區細分為四個二級區;根據生物多樣性保護重要性與土地沙化敏感程度的不同將青藏高原牧業無脅迫區分為四個二級區。相比之下,本研究的生態安全評價結果更注重生態環境的自然屬性與自然功能,可更好地識別自然環境的脆弱性及恢復力,為自然資源的系統規劃與管理提供依據。研究結果也表明,SOFM聚類可有效識別不同聚類間數據結構的差異[46],在自然資源生態安全區劃中具有良好的應用效果。

本區劃方案在二級區劃分中,根據自然資源生態安全水平分為Ⅰ-Ⅴ級,針對不同等級狀況可采取不同程度的生態保護措施。例如,Ⅲ級為預警狀態,此類區域往往是生態服務功能開始出現退化,但其基本狀態尚可維持[47],因此是未來需要重點關注、及時采取措施保護的區域;Ⅰ級和Ⅱ級為重警和中警狀態,此類區域生態恢復較困難,生態系統結構破壞較大,需采取長效措施來緩解生態系統所面臨的壓力;Ⅴ級和Ⅳ級為安全與較安全狀態,此類區生態環境基本未遭到破壞,有必要采取有效措施預防出現新的生態問題。

本文在土地利用數據選取時使用2020年數據,而氣象因子數據采用1980-2015年平均值,考慮到當下氣候異常與極端事件頻繁發生,生態系統不穩定性增加,這樣的數據處理可能會增加研究結果的不確定性。同時,由于自然資源生態安全耦合了人類福祉與生態系統健康,涉及到諸多方面的因素[48],本研究基于生態敏感性與生態服務重要性來揭示自然資源生態安全水平,但目前自然資源生態安全評價指標及方法規則尚未形成統一的標準,還有待繼續深入研究?？茖W有效地刻畫自然地理環境與人文經濟發展間關聯,是實現區域生態環境保護與高質量發展需重點關注的問題,應在后續的研究中圍繞社會-生態復合系統展開分析。

3.2 結論

本研究立足于新時代生態文明建設的宏觀背景,著眼于自然資源的空間屬性,構建了全國自然資源生態安全評價指標體系與評價規則,應用SOFM模型,制訂了中國自然資源生態安全區劃方案。結果顯示,我國自然資源生態安全水平整體偏低,以中警與重警狀態為主,占全國總面積54.57%,安全和較安全狀態的區域僅占24.22%;低安全等級區多分布于400mm等降水量線以西的干旱、半干旱區,高安全等級區則集中分布于水熱資源與生物資源較為豐富的東南部地區。制訂的中國自然資源生態安全區劃方案包括8個一級區和27個生態安全等級二級區,分析了二級區自然資源生態安全狀況,從資源利用模式、生態保護措施等方面提出了對策。研究結果對分區、分類推進全國自然資源可持續利用和國土空間優化提供理論支持與決策依據。