基于自组织特征映射模型(SOFM)网络的中国自然资源生态安全区划

邹 易,蒙吉军,*,吴英迪,魏婵娟,程浩然,马宇翔

1 北京大学城市与环境学院,地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京 100871 2 多伦多大学地理、地理信息与环境系,加拿大安大略省密西沙加市密西沙加路3359号 L5L 1C6

近年来,随着我国社会经济的飞速发展和城镇化的快速推进,自然资源不合理利用引发了诸多生态环境问题,水土流失、沙漠化肆虐、水体污染、生物多样性锐减等问题日益严峻[1]。基于此,党的十八大提出“大力推进生态文明建设”的战略决策,对区域生态安全的重视日益提高。生态安全的含义广泛,包括自然、社会和经济系统的安全[2],且任何一个系统的安全对复杂系统整体的安全都至关重要。自然资源作为人类赖以生存的物质基础,同时也是保障社会经济发展与人类福祉的物质基础与能量来源[3]。自然资源生态安全即是指区域内的自然资源生态系统维持整体性、保障经济发展的自然资源供给、满足居民生活等基本权利以及人类适应环境变化的能力等不受威胁的状态[4]。自然资源生态安全是经济发展与生态保护之间耦合程度的表征,确保区域自然资源处于安全状态,是国家安全的重要组成部分,也是地区可持续发展的重要前提与保障。

区划是区域的划分,通过对“过程-类型”的综合研究,探讨区域单元的演进过程、地域分异、聚类归并及相互关系[5],对于揭示区域空间发展的规律性与差异性、指导自然资源的合理开发利用具有重要作用。近代自然区划始于欧洲,19-20世纪西方国家开展了大量以生态区划为特色的自然区划研究[6]。我国自然区划始于20世纪20-30年代,50年代区划研究进入全面发展时期,尤其为满足农业生产需要,开展了大量综合自然区划[7-8]、农业区划[9-11]及公路自然区划[12]方案的研究。80年代以来,随着市场经济发展与产业转型加速,区域开发与产业经济相关的区划不断涌现,例如经济区划[13]、乡村经济区划[14]、商业经济区划[15]等。2000年以来,随着人们对生态环境问题的关注,生态区划[16]和生态地理区划[5]成为热点。区划的对象已逐渐由多要素的综合自然区划转向应用性、专业性和部门性区划,例如主体功能区划[17]、旅游区划[18]、草原区划[19]与风能开发的风环境区划[20]等。近年来,结合新时期现实需要,又相继开展了现代农业区划[21]、环境功能区划[22]等研究。系统深入的区划研究,奠定了我国在此领域的国际领先地位[23]。

自然资源生态安全区划是根据自然资源生态安全水平及其分异规律进行地理分区。近年来,我国先后发布了《全国主体功能区规划》(2010)、《生态功能分区技术规范》(2014)、《全国生态功能区划》(2015)、《国土空间规划编制技术规范》(2020)、《“三线一单”生态环境分区管控指导意见》(2021),已有研究针对“三区三线”与“三线一单”的制度框架、技术方法与应用路径等方面展开论述[24],作为国土空间规划的重要内容和工具,也是自然资源生态安全的重要保障和支撑,尤其在资源环境领域发挥重要作用[25]。以生态安全为导向的自然资源空间分区与管制,已成为实现自然资源与生态环境统筹治理的新举措[26]。围绕自然资源生态安全的内涵,诸多学者选择自然资源的生态敏感性与生态服务重要性作为表征区域资源环境状况的重要指标,来刻画自然资源的生态安全状态[27-28]。在区划方法和技术方面,计算机技术的快速进步推动数理方法引入区划研究中,如回归分析[29]、聚类分析[30]、判别分析[31]和主成分分析[32]等。同时,人工神经网络[33]、遗传算法[34]和模糊评价理论[35]等新兴理论与方法也应用于区划研究。其中,自组织特征映射模型(Self-Organizing Feature Map,SOFM)作为一种非监督型的人工神经网络,因在分区研究中具有适应性强、空间精度高等优势[36],在地理学和生态学领域,尤其是数据结构复杂、数据量大和非线性特征明显的问题上得到广泛应用[23]。

本文着眼于全国自然资源生态安全格局分析,立足于新时期生态文明建设宏观背景,从自然资源生态敏感性与生态服务重要性,探索自然资源生态安全区划研究的技术方法和指标体系,制订全国自然资源生态安全区划方案,识别生态安全的关键区域、监管薄弱区域、发展优势区域,为分区、分类推进全国自然资源可持续利用和优化国土空间布局提供决策依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 数据来源

本研究使用的数据及来源如表1所示。

表1 数据来源Table 1 Data source

1.2 自然资源生态安全评价

选取相关研究中常用的生态敏感性与生态服务重要性进行自然资源生态安全评价[28],其中自然资源生态敏感性包括土壤侵蚀敏感性与土地沙化敏感性[37];自然资源生态服务重要性包括产品提供、生物多样性维护与水源涵养重要性[38](表2)。

表2 自然资源生态安全评价指标Table 2 Evaluation index of ecological security of natural resources

在自然资源生态敏感性评价时,首先根据不敏感、轻度敏感、中度敏感和高度敏感4个级别,将各指标分别赋值为1,3,5,7;其次按照下式计算土壤侵蚀敏感性指数与土地沙化敏感性指数[37]:

(1)

式中,Ai表示第i类敏感性指数,ai1-ai4分别为对应的评价指标。根据敏感性指数计算结果值域范围,将敏感性分为4级:[0,2.0]为不敏感,(2.0,4.0]为轻度敏感,(4.0,6.0]为中度敏感,>6.0为高度敏感。

基于“木桶”原理,综合生态敏感性指标定义为区域内生态敏感性的最低水平[27,37]。在自然资源生态服务重要性评价时,首先利用ArcGIS重分类功能基于自然断点法与经验知识相结合的方法对三类生态服务重要性进行赋值:高度重要为7、中等重要为5、一般重要为3、不重要为1。综合生态服务重要性评价利用下式计算[38]:

(2)

式中,ESIj代表j空间综合生态服务重要性评价指数,ESi为i项生态服务重要性等级值。最后,通过ArcGIS重分类功能基于自然断点分级法将ESIj分为高度重要、中等重要、一般重要和不重要。

将综合生态敏感性与综合生态服务重要性按表3的矩阵规则叠加[39],得出自然资源生态安全等级:Ⅰ级为重警状态、Ⅱ级为中警状态、Ⅲ级预警状态、Ⅳ级为较安全状态、Ⅴ级为安全状态。

表3 自然资源生态安全分级规则 Table 3 The rule of natural resources ecological security level

1.3 区划原则与指标体系

中国自然资源生态安全区划遵循以下原则:综合性与主导因素相结合,资源特点与产业布局相协调,定量评价与定性分析相结合,空间连续性与区内一致性,行政边界完整性等。

从自然资源生态安全的内涵出发,基于上述原则,结合相关研究[40],建立自然资源生态安全区划指标体系(表4)。其中,一级区划主要反映自然资源空间分布格局,选择DEM和坡度表征自然地理特征,土地资源表征耕地、森林和草地资源,年降水量表征水资源状况,年均气温与太阳辐射表征光、热资源状况,风速表征风能资源状况;二级区划主要揭示各一级区中自然资源生态安全水平的差别,采用自然资源生态敏感性与自然资源生态服务重要性表征,各项指标数据均经过极差标准化处理,并统一重采样至1km×1km栅格分辨率[22,38,41]。

表4 自然资源生态安全区划指标体系Table 4 Comprehensive index system of natural resources ecological security regionalization

1.4 区划方法

按照定量与定性分析相结合的原则,采用SOFM模型进行自然资源生态安全分区。SOFM模型的学习规则是一种与大脑皮层竞争抑制相似的算法[42-43],根据学习规则对输入的模式自动进行分类,降低了指标权重的主观性,提高了分类的客观性和准确性。SOFM模型网络的拓扑结构如图1所示,模型由结构输入层和竞争层组成,输入层具有尽可能多的神经元和变量,输入层中的所有神经元都通过连接权重与竞争层中的神经元相连。竞争层引入网络的拓扑结构,可模拟生物学中的侧抑制现象。相邻的竞争层神经元也通过权值相连,竞争层神经元以一维或多维的拓扑结构排列,网络对输入向量进行无监督训练,竞争层神经元根据距离的远近决定抑制关系,不断调整网络结构和连接权值。当输入新的样本时,系统就以拓扑结构的形式输出分类结果[44]。经过多次试验,在尽可能保证数据准确科学的前提下,本研究建立10000个随机样本点,输入指标分别为自然资源指标、生态敏感性与生态服务重要性指标,神经节点选择9个,神经网络训练次数为200次。在SOFM分区的基础上,结合农业自然区划结果[10]和土地覆被空间特征,对分区边界进行适当调整。

图1 SOFM模型网络拓扑结构[23]Fig.1 SOFM model network topology structure[23]SOFM: 自组织特征映射模型Self-organizing feature map

1.5 区划单位的命名

区划单位的命名与编码,既要反映地理位置,又要反映区域综合特点,还要精练简洁、便于使用[6]。借鉴相关研究[21,45],本区划方案既考虑我国自然资源空间分布特点,又兼顾自然资源分区中生态安全水平差异,采用“大区-区”2级区划方案,具体区划命名为:一级区划为大区,命名规则为“地理位置+主导自然资源特点”,编码采用大写罗马数字(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ…);二级区划为区,命名规则为“自然地理位置+地貌形态特征+区域生态安全等级”,编码采用阿拉伯数字(1、2、3…),标注在大区罗马数字之后右下脚。

2 结果与分析

2.1 中国自然资源生态安全空间格局

中国自然资源生态敏感性以轻度敏感为主(图2),土壤侵蚀轻度敏感地区占61.34%,土壤侵蚀中高度敏感区主要分布于东部季风区,与季节性降水存在较强相关性,东北山区、黄土高原区、南方红壤丘陵区和西南喀斯特地区是相对集中的侵蚀敏感区。土地沙化轻度敏感区占比43.28%,土地沙化中度和高度敏感区主要分布于我国400mm与200mm等降水量线以西的干旱、半干旱区,高度敏感区集中分布于我国三大强风区--新疆、内蒙古和甘肃交界的戈壁、藏北高原和内蒙古中部沙地,与干旱气候及强风区高度相关。综合生态敏感性以中度敏感地区为主(40.36%),轻度敏感次之(33.30%),不敏感区面积仅占0.12%。高度敏感区集中在北方干旱、半干旱沙漠(地)、黄土高原与南方低山丘陵区,中度敏感区集中分布于北方地区,轻度敏感区多分布于南方地区以及青藏高原东部、新疆西部等地。

图2 中国自然资源生态敏感性空间分布Fig.2 Spatial distribution of ecological sensitivity of natural resources in China

中国自然资源生态服务重要性各等级面积较均衡(图3)。其中,产品提供重要性呈东南高、西北低的空间分布格局,高度重要区与光热、降水等自然条件优渥的区域紧密相关,多分布在地势平坦、光热条件好、降水充沛的传统农业区、林区、草原区或水产品主产区;生物多样性维护重要性呈东北西南高、西北低的空间分布格局,高度重要区与生物资源分布高度相关,多位于生境质量较好、动植物资源丰富的地区,如大小兴安岭、长白山、秦岭、羌塘高原、三江源和藏东南山地等;水源涵养重要性则呈现东北东南高、西北低的空间格局,高度重要区多为森林和草地资源,集中分布在大江大河的水源补给区或发源地,涵养水源能力强。自然资源综合生态服务重要性同样呈现东南高、西北低的空间分布特征,其中高度重要区占21.80%,多分布于我国东北山地、江南地区、西南地区等;中等重要与一般重要区分布较零星,面积分别占19.01%与23.07%;不重要区面积占比最大(36.12%),集中分布在西北内陆地区。

图3 中国自然资源生态服务重要性空间分布Fig.3 Spatial distribution of the importance of natural resource ecosystem services in China

中国自然资源生态安全呈现东南高、西北低的空间分布格局(图4)。其中,以400mm等降水量线为界,以东以南安全水平较高,以西以北安全水平较低。Ⅴ级区面积占比最小(6.56%),多分布于大兴安岭、陇南与藏南地区,零星分布于福建、江西、湖南中南部地区以及云南中部等地;Ⅳ级区面积占17.65%,主要分布于长白山区、横断山区等;Ⅲ级区面积占21.21%,分布较分散,主要分布于江苏、安徽与青海东南部地区。Ⅰ级区和Ⅱ级区面积占比分别为31.65%与22.92%,主要分布于新疆、甘肃与内蒙古,此外西藏西部、青海东北部与陕西北部也有分布。可以看出,自然资源安全与较安全区多位于水热条件好、生物资源丰富的区域,低安全等级区多位于干旱、半干旱区。

图4 中国自然资源生态安全等级空间分布Fig.4 Spatial distribution of ecological security level of natural resources in China

2.2 中国自然资源生态安全区划方案

根据SOFM模型模拟结果,兼顾行政边界完整性和农业自然区划单元[10],中国自然资源生态安全区划方案包括8个一级区划与27个二级区划(图5)。其中,一级区划单元综合反映了自然资源(包括耕地资源、森林资源、草地资源、水资源、光热资源与风能资源等)的地域分异特征;二级区划单元则综合体现了自然资源的生态安全水平。

图5 中国自然资源生态安全区划方案Fig.5 The ecological security regionalization scheme of natural resources in China

Ⅰ 东北林农资源大区:包括黑龙江、吉林与内蒙古东北部地区,面积共106.62万km2,占总面积11.22%。土地资源、水资源与森林资源丰富,但热量资源不足。该区是我国重点国有林区、北方重要原始林区的主要分布地,世界同纬度地区植物物种最为丰富的区域,同时也是我国最大的商品粮生产基地,粮食产量约占全国总产量的四分之一,平均粮食商品率达70%以上。然而该区生态环境较脆弱,尤其是耕地大规模开垦占用生态空间,是该区生态安全面临的巨大威胁。

Ⅱ 内蒙古及长城沿线干旱风沙大区:包括内蒙古中部、陕西与山西北部、宁夏南部与河北东北部,面积共99.36万km2,占总面积的10.46%。区域内自然资源以草原为主,水热条件较差,春旱频发,生态问题严重。受干旱与半干旱环境条件的影响,水土资源的开发潜力受到极大制约。 华北辽南平原丘陵耕地大区:包括北京、天津、河北、山东、河南、辽宁南部、陕西南部、山西南部与江苏、安徽北部等地,面积共91.10万km2,占总面积的9.59%。该区域光热条件好,耕地资源丰富,是我国粮食主产区之一,但人均耕地少,水资源不足,人地矛盾较为突出。水资源短缺与环境污染是制约该区资源开发利用的主要限制因素。

Ⅳ 长江流域水热资源大区:包括湖北、重庆、贵州、湖南东南部、云南中部与北部地区、安徽与江苏南部等区域,面积共109.54万km2,占总面积的11.53%。该区河网密集、径流丰沛,水热资源与水能资源丰富。区域内耕地资源丰富,成都平原、鄱阳湖平原、洞庭湖平原与太湖平原等地都是我国著名的商品粮基地。该区社会经济基础良好,发展潜力巨大,是我国经济发展的重要腹地。

Ⅴ 江南丘陵山地水热资源大区:包括江西、福建、广西、广东、海南、台湾、湖南南部、云南南部等区域,面积共114.86万km2,占总面积的12.09%。该区海岸线漫长,光、热、水资源均较丰沛,水热资源居全国之冠,土地生产潜力大。此外,森林资源与水能资源也较为丰富,生物种类多样,是中国重要的水产品养殖和经济作物种植区。该区是中国较早对外开放的重点地区,有着深厚的外向型经济基础,区位条件优越,有利于自然资源的开发。

Ⅵ 北疆灌溉绿洲盆地大区:主要为北疆地区,面积共39.06万km2,占总面积的4.11%。该区光热资源丰富、气温年较差与日较差大,土地资源以草地为主,矿产资源丰富,主要包括石油、天然气、煤等。该区属于典型内陆干旱气候,降水少,蒸发大,生态环境极其脆弱。

Ⅶ 甘新蒙沙漠高原干旱大区:包括南疆、甘肃东北部与内蒙古西部地区,面积共168.69万km2,占总面积的17.76%。该区光能资源丰富,但气候干旱,水资源匮乏,沙漠隔壁广布,地广人稀,自然生态环境极度脆弱,成为资源开发与经济发展的最大限制因素。

Ⅷ 青藏高原光能资源大区:包括西藏、青海与四川西部,面积共220.64万km2,占总面积的23.23%。高寒是该区突出特点,热量不足,但又是全国太阳辐射最多的地区,光能资源丰富;地处第一级阶梯,水力资源丰富。青藏高原特殊的地理环境造就了丰富独特的动植物资源,但受高海拔和高原气候的影响,区域资源开发阻力较大。

二级区划单位生态安全水平及生态保护对策建议如表5。

3 结论与讨论

3.1 讨论

本研究采用SOFM聚类方法进行了中国自然资源生态安全区划,区划方案兼顾中国自然资源格局与生态安全状况,既是对已有区划的传承与改进,又体现自身的特色。区划结果客观揭示出了中国自然资源环境南北方向的纬度地带性和东南-西北方向的干湿地带性的空间分异规律。其中,一级区自然资源大区划分时考虑了土地资源、风能资源、水资源、光热资源等指标,因此区划结果反映出的自然资源分异特征与《中国综合农业区划》[11]和《中国农业自然区划》[10]方案较为契合。但也有不一致之处,例如东部区域的划分不单纯以温度和湿度为依据,更能够反映区域的气候类型与生态环境特征,有利于更合理地规划区域产业布局及指导资源开发利用;北疆地区拥有丰富的自然资源,是重要的生态屏障,将其单独划区,加强区域内生态环境建设与保护。二级区自然资源生态安全区则体现了本区划自身的特色,基于GIS平台利用多源数据,将自然资源的生态敏感性与生态服务重要性作为主导标志刻画其生态安全特征,与《中国生态环境胁迫过程区划》方案[46]、《中国生态区划》方案[16]相比,二级区变化较为显著,例如根据土地沙化敏感程度与生态服务重要性等级的不同将内蒙古高原缺水微胁迫区细分为四个二级区;根据生物多样性保护重要性与土地沙化敏感程度的不同将青藏高原牧业无胁迫区分为四个二级区。相比之下,本研究的生态安全评价结果更注重生态环境的自然属性与自然功能,可更好地识别自然环境的脆弱性及恢复力,为自然资源的系统规划与管理提供依据。研究结果也表明,SOFM聚类可有效识别不同聚类间数据结构的差异[46],在自然资源生态安全区划中具有良好的应用效果。

本区划方案在二级区划分中,根据自然资源生态安全水平分为Ⅰ-Ⅴ级,针对不同等级状况可采取不同程度的生态保护措施。例如,Ⅲ级为预警状态,此类区域往往是生态服务功能开始出现退化,但其基本状态尚可维持[47],因此是未来需要重点关注、及时采取措施保护的区域;Ⅰ级和Ⅱ级为重警和中警状态,此类区域生态恢复较困难,生态系统结构破坏较大,需采取长效措施来缓解生态系统所面临的压力;Ⅴ级和Ⅳ级为安全与较安全状态,此类区生态环境基本未遭到破坏,有必要采取有效措施预防出现新的生态问题。

本文在土地利用数据选取时使用2020年数据,而气象因子数据采用1980-2015年平均值,考虑到当下气候异常与极端事件频繁发生,生态系统不稳定性增加,这样的数据处理可能会增加研究结果的不确定性。同时,由于自然资源生态安全耦合了人类福祉与生态系统健康,涉及到诸多方面的因素[48],本研究基于生态敏感性与生态服务重要性来揭示自然资源生态安全水平,但目前自然资源生态安全评价指标及方法规则尚未形成统一的标准,还有待继续深入研究。科学有效地刻画自然地理环境与人文经济发展间关联,是实现区域生态环境保护与高质量发展需重点关注的问题,应在后续的研究中围绕社会-生态复合系统展开分析。

3.2 结论

本研究立足于新时代生态文明建设的宏观背景,着眼于自然资源的空间属性,构建了全国自然资源生态安全评价指标体系与评价规则,应用SOFM模型,制订了中国自然资源生态安全区划方案。结果显示,我国自然资源生态安全水平整体偏低,以中警与重警状态为主,占全国总面积54.57%,安全和较安全状态的区域仅占24.22%;低安全等级区多分布于400mm等降水量线以西的干旱、半干旱区,高安全等级区则集中分布于水热资源与生物资源较为丰富的东南部地区。制订的中国自然资源生态安全区划方案包括8个一级区和27个生态安全等级二级区,分析了二级区自然资源生态安全状况,从资源利用模式、生态保护措施等方面提出了对策。研究结果对分区、分类推进全国自然资源可持续利用和国土空间优化提供理论支持与决策依据。