區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化研究進(jìn)展

岳德鵬 于 強(qiáng) 張啟斌 蘇 凱 黃 元 馬 歡

(北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化研究進(jìn)展

岳德鵬 于 強(qiáng) 張啟斌 蘇 凱 黃 元 馬 歡

(北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

區(qū)域生態(tài)安全格局的最優(yōu)化是保障區(qū)域生態(tài)安全的基礎(chǔ)，采用模型方法準(zhǔn)確地對區(qū)域生態(tài)安全格局進(jìn)行分析及優(yōu)化對于區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展有重要意義。區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化需要多學(xué)科的綜合、多角度的分析和多種實(shí)現(xiàn)手段的結(jié)合。一般建立在對不同景觀類型、景觀的空間格局、景觀過程以及功能之間關(guān)系深入理解的基礎(chǔ)上，首先找到景觀格局對過程的影響方式，建立數(shù)量關(guān)系，其次利用景觀生態(tài)學(xué)的原理集成數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化土地利用，多層次、多角度、多學(xué)科進(jìn)行區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化。本文在分析國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，對區(qū)域生態(tài)安全格局的概念發(fā)展、研究內(nèi)容演變、優(yōu)化方法等進(jìn)行了總結(jié)，在此基礎(chǔ)上得出未來區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化的研究趨勢：多模型、多方法、多技術(shù)的有機(jī)集成；區(qū)域生態(tài)安全標(biāo)準(zhǔn)量化的探索；公眾參與機(jī)制及利益協(xié)調(diào)的管理手段研究。

區(qū)域生態(tài)安全格局； 生態(tài)安全； 格局優(yōu)化； 模型集成

引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人類需求與土地生態(tài)之間的矛盾日益凸顯，并由此導(dǎo)致了水土流失、荒漠化、牧草地退化、生物多樣性銳減、水生態(tài)平衡失調(diào)等生態(tài)環(huán)境問題，嚴(yán)重威脅著區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，生態(tài)安全目標(biāo)下的區(qū)域生態(tài)安全格局分析以及優(yōu)化已經(jīng)成為迫切需求[1]。近年來，一些學(xué)者提出了區(qū)域生態(tài)安全格局的概念與理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)原則與方法，將研究尺度擴(kuò)展到區(qū)域上，對區(qū)域內(nèi)的各種自然和人文因素進(jìn)行設(shè)計(jì)、組合和布局，得到點(diǎn)、線、面組成的多目標(biāo)、多層次、多類別的空間配置方案，以維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的完整性，力求在宏觀層面上謀求社會經(jīng)濟(jì)需求與生態(tài)安全的平衡[2]。區(qū)域生態(tài)安全格局結(jié)構(gòu)優(yōu)化逐漸成為改善區(qū)域生態(tài)安全狀況的重要手段，如何進(jìn)行準(zhǔn)確的、實(shí)用的區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化成為目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[3]。國外學(xué)者主要從土地利用優(yōu)化配置和景觀生態(tài)規(guī)劃兩種途徑進(jìn)行相關(guān)研究。國內(nèi)眾多學(xué)者則以景觀格局優(yōu)化、土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生態(tài)系統(tǒng)敏感性等作為切入點(diǎn)進(jìn)行了大量研究，并在城市、濕地、干旱區(qū)等進(jìn)行了大量實(shí)證研究[1]。本文在總結(jié)以往研究成果的基礎(chǔ)上，對區(qū)域生態(tài)安全格局的概念提出及發(fā)展、格局優(yōu)化的研究內(nèi)容及方法進(jìn)行梳理，提出區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化的思路和未來的發(fā)展趨勢，以期為區(qū)域生態(tài)安全格局的優(yōu)化工作以及區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全管理提供理論支撐。

1 區(qū)域生態(tài)安全與生態(tài)安全格局概念

生態(tài)安全的概念最早建立于環(huán)境安全的概念基礎(chǔ)上[4-5]。環(huán)境安全最先由LESTER[6]在1977年提出，隨后，聯(lián)合國世界環(huán)境與發(fā)展委員會(WCED)在1987年的《我們共同的未來》報告中使用了“環(huán)境安全”一詞[7]，在此基礎(chǔ)上，國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IASA)在1989年首次提出了生態(tài)安全的概念[8]。

此后，不斷有學(xué)者對生態(tài)安全概念及生態(tài)安全格局分析進(jìn)行補(bǔ)充拓展研究。國內(nèi)主要有：馬克明等[3]提出區(qū)域生態(tài)安全格局的概念，并將其定義為針對區(qū)域的生態(tài)環(huán)境問題，在排除干擾的基礎(chǔ)上，通過對生物多樣性的保護(hù)和恢復(fù)，以及對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程完整性的維持，來達(dá)到對區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題的有效控制和不斷改善為目的的區(qū)域性空間格局。郭榮中等[9]進(jìn)行了長株潭地區(qū)耕地生態(tài)安全評價研究，發(fā)現(xiàn)生態(tài)安全整體水平呈波動上升趨勢。孫鴻烈等[10]針對青藏高原生態(tài)安全狀況，提出了加強(qiáng)青藏高原國家生態(tài)安全屏障保護(hù)與建設(shè)的對策建議。時卉等[11]對新疆天池景區(qū)景觀生態(tài)安全度的時空演變特征進(jìn)行分析并探討了導(dǎo)致格局演變的驅(qū)動機(jī)制。朱衛(wèi)紅等[12]對圖們江流域的濕地進(jìn)行生態(tài)安全評價與預(yù)警研究，結(jié)果表明該地區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)處于預(yù)警狀態(tài)，急需實(shí)施保護(hù)。何玲等[13]對基于生態(tài)安全格局的河北省黃驊市土地利用格局優(yōu)化進(jìn)行了研究。楊姍姍等[14]對基于生態(tài)紅線劃分的江西省生態(tài)安全格局構(gòu)建進(jìn)行了研究。國外學(xué)者主要是從景觀生態(tài)規(guī)劃和土地利用優(yōu)化配置兩方面對生態(tài)安全格局進(jìn)行研究，主要有：RESHMIDEVI等[15]對流域農(nóng)業(yè)區(qū)域進(jìn)行土地適宜性評價研究,并根據(jù)研究結(jié)果從土地利用格局優(yōu)化的角度得出了當(dāng)?shù)赜?2%的土地不適宜種植稻谷的結(jié)論。SUN等[16]在景觀設(shè)計(jì)規(guī)劃中應(yīng)用了生態(tài)安全策略，取得了良好的成效。SZABO等[17]利用景觀格局指數(shù)對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到保護(hù)重要物種的目的。SHAYGAN等[18]通過對Taleghan流域的土地利用配置進(jìn)行優(yōu)化來達(dá)到構(gòu)建生態(tài)安全格局的目的。

生態(tài)安全研究雖歷經(jīng)多年的發(fā)展，但目前其概念在學(xué)術(shù)界仍未達(dá)成統(tǒng)一，就研究范圍而言，主要分為狹義和廣義兩種觀點(diǎn)[19]。吳柏海等[20]認(rèn)為，狹義的生態(tài)安全更多關(guān)注于生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與持續(xù)性，是指自然或半自然生態(tài)系統(tǒng)的安全。于成學(xué)[21]認(rèn)為，廣義的生態(tài)安全主要體現(xiàn)整體性，包含自然生態(tài)安全、經(jīng)濟(jì)生態(tài)安全和社會生態(tài)安全，三者組合成一個復(fù)合的生態(tài)安全系統(tǒng)，由于其涉及范圍較廣，為大多數(shù)研究者所接受。IASA在1989年提出的生態(tài)安全定義就是廣義的生態(tài)安全：生態(tài)安全是指人類在生活、健康、安樂、生活保障來源、基本權(quán)利、社會秩序、必要資源和適應(yīng)環(huán)境變化的能力等方面不受到威脅的狀態(tài)。

2 區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化及其研究內(nèi)容

2.1 生態(tài)安全格局優(yōu)化

區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化的理論方法經(jīng)過30多年的發(fā)展，從HABER[22]提出的土地利用分異戰(zhàn)略和FORMAN[23]提出的最優(yōu)景觀格局思想開始，國外主要針對景觀結(jié)構(gòu)、功能對生態(tài)過程的相互作用及影響，通過調(diào)整各景觀類型在空間上和數(shù)量上的布局，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。近年來，國內(nèi)俞孔堅(jiān)[24]在KNAAPEN提出的最小耗費(fèi)距離模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行修正并運(yùn)用于生態(tài)安全格局優(yōu)化，之后該模型逐漸被應(yīng)用到生態(tài)用地保護(hù)及景觀安全格局優(yōu)化，相比傳統(tǒng)的概念模型和數(shù)學(xué)模型能更好地表達(dá)景觀格局和生態(tài)過程的相互關(guān)系。景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化本質(zhì)上是調(diào)整景觀空間結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的整體性和連通性，關(guān)鍵在于確定并構(gòu)建維護(hù)或控制區(qū)域生態(tài)過程的空間格局[25]。

2.2 研究內(nèi)容

早期學(xué)者研究的主要是景觀生態(tài)規(guī)劃，20世紀(jì)90年代，國內(nèi)學(xué)者提出景觀生態(tài)規(guī)劃與設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容包括：景觀生態(tài)分類、景觀生態(tài)評價、景觀生態(tài)設(shè)計(jì)、景觀生態(tài)規(guī)劃和實(shí)施4方面的內(nèi)容[26]。彭建等[27]從景觀生產(chǎn)力、景觀受脅度與景觀穩(wěn)定性3方面構(gòu)建了海岸帶土地利用可持續(xù)性的景觀生態(tài)評價體系。王仰麟等[28]基于景觀生態(tài)規(guī)劃與設(shè)計(jì)對采礦廢棄地做了相關(guān)研究。

目前對生態(tài)安全格局優(yōu)化的相關(guān)理論、技術(shù)方法，RESHMIDEVI等[15]從土地利用優(yōu)化配置角度對生態(tài)安全格局優(yōu)化作了研究，SZABO等[17]對景觀生態(tài)規(guī)劃通過建立景觀測量指標(biāo)和景觀聚集敏感性評價。國內(nèi)學(xué)者康相武等[29]從區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建方面對北京順義區(qū)做了相關(guān)研究。胡道生等[31]構(gòu)建了由生態(tài)源、生態(tài)廊道、生態(tài)斑塊和生態(tài)楔組成的生態(tài)安全格局。蒙吉軍等[2]將最小累積阻力模型(MCR)引入土地利用生態(tài)安全格局，對鄂爾多斯土地利用進(jìn)行優(yōu)化。為此，本文在總結(jié)以往相關(guān)研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外最新研究，提出筆者的看法并對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望，以期為將來開展區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化研究和實(shí)踐提供理論支撐和方法參考。

區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化從本質(zhì)上說是利用景觀生態(tài)學(xué)原理解決土地合理利用的問題，通過調(diào)查研究取得自然與社會數(shù)據(jù)，并分析相應(yīng)的景觀類型空間合理的分布格局，調(diào)節(jié)景觀組分在空間和數(shù)量上的分布，對景觀格局動態(tài)分析、功能分化使景觀綜合價值達(dá)到最大化。對于特定目的景觀格局優(yōu)化(如自然保護(hù)區(qū)的選址等)，則應(yīng)該以單個目標(biāo)價值最大作為景觀空間格局優(yōu)化設(shè)計(jì)思想。景觀格局優(yōu)化研究是建立在對不同景觀類型、景觀的空間格局與景觀過程以及功能之間關(guān)系深入理解的基礎(chǔ)上，首先找到景觀格局對過程的影響方式，建立起數(shù)量關(guān)系，其次利用景觀生態(tài)學(xué)的原理，優(yōu)化土地利用，多層次、多角度、多學(xué)科進(jìn)行區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化。

2.3 優(yōu)化原則

根據(jù)前捷克斯洛伐克的景觀生態(tài)規(guī)劃理論體系[26]，景觀生態(tài)規(guī)劃與設(shè)計(jì)應(yīng)包括7個原則：整體優(yōu)化原則、異質(zhì)性原則、多樣性原則、景觀個性原則、遺留地保護(hù)原則、生態(tài)關(guān)系協(xié)調(diào)原則、綜合性原則。王軍等[31]歸納凝練提出景觀生態(tài)規(guī)劃的原則：自然優(yōu)先原則、持續(xù)性原則、針對性原則、綜合性原則。黎曉亞等[32]通過對景觀生態(tài)規(guī)劃原則的增補(bǔ)，確定了區(qū)域生態(tài)安全格局的設(shè)計(jì)原則：針對性原則、自然性原則、主動性原則、異質(zhì)性原則、等級性原則。韓文權(quán)等[33]認(rèn)為景觀格局優(yōu)化的原則應(yīng)包括：整體生態(tài)功能優(yōu)先原則、多目標(biāo)原則、結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則、尺度適宜原則、平衡原則。

筆者總結(jié)前人研究，認(rèn)為區(qū)域生態(tài)安全格局設(shè)計(jì)的原則應(yīng)遵循一般生態(tài)學(xué)的規(guī)律,并突出區(qū)域與景觀格局研究的理論對區(qū)域生態(tài)安全格局保障特殊的要求，以干擾排除和控制為目標(biāo)、以生態(tài)學(xué)理論為基礎(chǔ)、以景觀生態(tài)學(xué)格局與過程關(guān)系為依據(jù)的生態(tài)規(guī)劃模式。這些也是生態(tài)安全保障的基本原則,適應(yīng)區(qū)域生態(tài)安全格局設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，各原則的具體描述見表1。

表1 區(qū)域生態(tài)安全格局的優(yōu)化原則Tab.1 Optimization principles of regional ecological security pattern

3 區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化方法

3.1 數(shù)量優(yōu)化方法

3.1.1 最優(yōu)化技術(shù)法

最優(yōu)化方法，也稱作運(yùn)籌學(xué)方法，此類方法通過把管理問題抽象成一個模型，通過求解模型來獲得問題的最優(yōu)解。常用的最優(yōu)化方法包括線性規(guī)劃模型、灰色線性規(guī)劃模型、多參數(shù)平衡法、多目標(biāo)規(guī)劃等。生態(tài)安全格局的數(shù)量優(yōu)化是一個典型的最優(yōu)化問題，在充分調(diào)查研究區(qū)景觀格局現(xiàn)狀、土地資源情況及存在問題的情況下，對各景觀類型的數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益、社會效益與生態(tài)效益的平衡。最優(yōu)化方法最早于1984年由加拿大學(xué)者[1]運(yùn)用到土地利用配置問題中，其后，利用多目標(biāo)方法進(jìn)行土地利用數(shù)量配置的研究大量展開，此類方法的一般步驟可概括為：明確土地資源配置目標(biāo)，構(gòu)建約束條件，設(shè)置優(yōu)化問題的可控變量和參數(shù)，優(yōu)化模型的求解和方案優(yōu)選。段建南等[34]利用多參數(shù)平衡法建立了土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，對遼西喀左縣后墳樹的土地利用格局進(jìn)行了優(yōu)化。EMILIO[35]利用線性規(guī)劃模型構(gòu)建了土地利用優(yōu)化模型，曾永年等[36]利用線性規(guī)劃模型對海東市的土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。ZANDER等[37]利用多目標(biāo)規(guī)劃方法從可持續(xù)利用視角構(gòu)建了土地利用優(yōu)化方案，郜允兵等[38]實(shí)現(xiàn)了時序快照統(tǒng)計(jì)優(yōu)化算法，提高了土地利用時空數(shù)據(jù)的同級效率。趙陽等[39]利用灰色線性規(guī)劃理論對北京山區(qū)懷柔水庫的土地利用進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

最優(yōu)化技術(shù)在土地?cái)?shù)量優(yōu)化方面具有較大優(yōu)勢，然而仍有較多問題需要改進(jìn)。首先，對生態(tài)效益的評價是一個復(fù)雜的過程，僅用現(xiàn)有的指標(biāo)并不能對其準(zhǔn)確反映。當(dāng)前常用的生態(tài)約束條件包括生態(tài)服務(wù)功能值[40]、森林覆蓋率[41]等，也有學(xué)者提出利用能值[42]、碳排放[43]、生態(tài)足跡[44]、生態(tài)綠當(dāng)量[45-46]等作為約束條件，但不同土地利用類型在水土保持、防風(fēng)固沙、水源涵養(yǎng)等方面的作用仍然難以準(zhǔn)確量化，這直接影響了最終生態(tài)安全格局優(yōu)化方案的科學(xué)性與合理性。其次，最優(yōu)化技術(shù)中的模型多為靜態(tài)模型，然而土地利用優(yōu)化是一個動態(tài)的過程，相應(yīng)的規(guī)劃目標(biāo)與規(guī)劃方案通常受經(jīng)濟(jì)、社會、政策等因素的影響而發(fā)生變化，因此由最優(yōu)化模型構(gòu)建的土地利用優(yōu)化方案往往適應(yīng)性不強(qiáng)。另外，最優(yōu)化模型僅從數(shù)量結(jié)構(gòu)上對生態(tài)安全格局中各土地利用類型的配置進(jìn)行優(yōu)化，而各土地利用類型的空間布局僅通過最優(yōu)化技術(shù)方法不能解決。

3.1.2 系統(tǒng)動力學(xué)模型

系統(tǒng)動力學(xué)模型在規(guī)劃復(fù)雜社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的未來行為和相應(yīng)的長期戰(zhàn)略決策方面具有明顯優(yōu)勢，將該模型與土地利用系統(tǒng)結(jié)合，形成了土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的新方法。系統(tǒng)動力學(xué)模型具有能夠反映復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與動態(tài)行為間相互作用關(guān)系的特點(diǎn)，它通過結(jié)構(gòu)、功能與歷史數(shù)據(jù)的結(jié)合，可以方便靈活地進(jìn)行決策模擬和多方案比較，具有動態(tài)性、仿真模擬性優(yōu)勢，以往的研究結(jié)果證明，系統(tǒng)動力學(xué)模型可以從宏觀角度反映土地利用系統(tǒng)的復(fù)雜行為，可以通過構(gòu)建不同情景，模擬土地利用演化[44,47-49]。當(dāng)前系統(tǒng)動力學(xué)模型在區(qū)域尺度與國家尺度的土地資源配置決策中已經(jīng)得到較廣泛的使用，如龐永師等[50]利用系統(tǒng)動力學(xué)模型研究了政府、企業(yè)、村民、村委等對象的行為因素，對“城中村”的形成因素進(jìn)行了分析，構(gòu)建了“城中村”改造策略；徐磊等[51]利用系統(tǒng)動力學(xué)模型，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了土地利用減碳增效的目的。ZHAO等[52]利用系統(tǒng)動力學(xué)耦合模型，分析了多尺度土地利用演化的驅(qū)動因子。

然而系統(tǒng)動力學(xué)模型仍然存在一些不足。模型的建立對研究者知識儲備的要求較高，若不能充分了解與把握系統(tǒng)內(nèi)部的各種反饋機(jī)制，模型構(gòu)建往往難以達(dá)到預(yù)期效果；在模擬方案的最優(yōu)設(shè)計(jì)上，部分參數(shù)隨意性較大，難以準(zhǔn)確度量。同時該模型同樣沒有解決土地利用空間優(yōu)化的問題，僅能從數(shù)量上確定土地資源的最優(yōu)配置模式。因此將系統(tǒng)動力學(xué)模型與空間優(yōu)化模型(例如元胞自動機(jī))相結(jié)合，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

3.2 空間優(yōu)化方法

3.2.1 基于生態(tài)學(xué)理論的景觀格局優(yōu)化模型

基于生態(tài)學(xué)理論的景觀格局優(yōu)化模型主要運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)理論，識別景觀格局中的關(guān)鍵組分(包括生態(tài)源地、生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點(diǎn))，通過點(diǎn)、線、面的空間組合，提升區(qū)域的生態(tài)健康度，保護(hù)或恢復(fù)其生物多樣性，其基本思想是通過對格局的調(diào)整影響區(qū)域生態(tài)過程，實(shí)現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境的持續(xù)改善。從景觀結(jié)構(gòu)與功能整體優(yōu)化的角度，HABER[22]首先將該理論運(yùn)用到土地利用優(yōu)化中，提出了土地利用分異戰(zhàn)略(differentiated land use)；FORMAN[23]則提出了不可替代格局和集聚間有離析的整體景觀配置模式。針對這一問題，國內(nèi)學(xué)者也展開了相關(guān)研究，如岳德鵬等[53-54]采用累積耗費(fèi)阻力模型結(jié)合GIS與RS技術(shù)，對北京西北地區(qū)的景觀格局進(jìn)行了優(yōu)化，以景觀流運(yùn)行順暢為出發(fā)點(diǎn)，研究了北京西北地區(qū)景觀格局的緊密性以及生態(tài)功能的差異性，并構(gòu)建了包括生態(tài)原地、生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，提出了針對該地區(qū)的景觀格局優(yōu)化方案。

上述理論的發(fā)展經(jīng)歷了由定性到定量，由靜態(tài)到動態(tài)的發(fā)展過程，理論不斷完善，然而此類模型仍然存在一些問題。首先，研究者借助景觀生態(tài)理論所構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)性與合理性往往難以驗(yàn)證，分析過程中多種指標(biāo)閾值(例如在成本距離分析中的搜索閾值)的設(shè)定仍然具有主觀隨意性，多種優(yōu)化方案間的優(yōu)選難以實(shí)現(xiàn)，缺乏明確的判定標(biāo)準(zhǔn)。其次，景觀格局優(yōu)化的理論基礎(chǔ)仍然不夠完善，格局與過程間相互影響的機(jī)理仍然不夠明確，目前尚不能完全滿足對景觀格局優(yōu)化進(jìn)行指導(dǎo)的要求。

3.2.2 元胞自動機(jī)CA

元胞自動機(jī)是一種時間、空間都離散的動力學(xué)模型，它通過一定的規(guī)則控制局部元胞的演化狀態(tài)，經(jīng)自下而上的分布式模擬過程，獲得全局的演化規(guī)律。由于元胞自動機(jī)中每種元胞在某一時刻的狀態(tài)都是明確且離散的有限個，元胞所在的空間也特別容易具象化成為土地利用格局，因此在土地利用模擬與規(guī)劃方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。TOBLER[55]最早認(rèn)識到元胞自動機(jī)的這一優(yōu)勢，并于1970年將其應(yīng)用到底特律城區(qū)的擴(kuò)張模擬中。近年來眾多學(xué)者利用元胞自動機(jī)模型對土地利用格局進(jìn)行了優(yōu)化，例如劉小平等[56]利用生態(tài)位元胞自動機(jī)研究了不同土地利用政策下城市土地利用發(fā)展情景，對土地可持續(xù)利用進(jìn)行了規(guī)劃。劉耀彬等[57]利用元胞自動機(jī)模型，對環(huán)鄱陽湖區(qū)分區(qū)的土地利用情景進(jìn)行了模擬；張利等[58]利用元胞自動機(jī)研究了基于不同種類生態(tài)安全的土地利用情景模擬。

元胞自動機(jī)本身具有的特點(diǎn)使其在離散時間的空間動態(tài)模擬方面具有先天優(yōu)勢，然而該模型仍存在一些可改進(jìn)的方面。首先，元胞自動機(jī)的模擬方式為自上而下，通過局部規(guī)則推測整個區(qū)域的演化，然而土地利用演化作為一個復(fù)雜過程，既受到小尺度范圍規(guī)則的影響也受到大尺度政策的影響，因此僅從CA鄰域入手判斷其土地利用類型的演化難免太過片面。其次，不同的鄰域大小與形狀將產(chǎn)生不同的模擬結(jié)果，當(dāng)前元胞自動機(jī)的鄰域定義仍具有較大的任意性，較流行的鄰域定義方式一般為摩爾鄰域、馮諾依曼鄰域或擴(kuò)展的摩爾鄰域，如圖1所示。然而這3種鄰域定義手段均不能反映土地利用的空間特征。最后，元胞自動機(jī)的運(yùn)行依靠一定的規(guī)則進(jìn)行，而模型本身在規(guī)則定義部分的理論較為薄弱，難以滿足土地利用相關(guān)研究的需要，因此眾多學(xué)者借助其他方法，試圖更科學(xué)地定義轉(zhuǎn)換規(guī)則，例如黎夏等[59]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與元胞自動機(jī)結(jié)合，構(gòu)建了新的轉(zhuǎn)換規(guī)則定義方法，韋春竹等[60]利用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與元胞自動機(jī)整合，構(gòu)建了土地利用模擬分析模型。

圖1 元胞自動機(jī)鄰域示意圖Fig.1 Neighborhood diagrams of CA

3.2.3 群智能算法

群智能算法是一種基于概率的搜索算法，其基本思想是通過模擬自然界生物群體的行為來構(gòu)造算法，相較于傳統(tǒng)的演化算法與梯度應(yīng)用算法，它的優(yōu)點(diǎn)包括：自組織性良好，采用分布式控制來實(shí)現(xiàn)個體與個體間和個體與環(huán)境間的交互作用；通過個體對環(huán)境的相互作用調(diào)整個體行為，個體與個體間不發(fā)生直接作用，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性好；不需要集中控制，不會因?yàn)閭€別個體的故障影響對全局問題的求解；模型的規(guī)則簡單，分布式計(jì)算可有效縮短系統(tǒng)運(yùn)行時間。該算法具有的一系列優(yōu)點(diǎn)使其在短期內(nèi)便得到了國際演化計(jì)算研究領(lǐng)域的認(rèn)可，并在計(jì)算機(jī)、最優(yōu)化問題求解、人工智能等方面獲得了廣泛應(yīng)用。土地生態(tài)安全格局優(yōu)化問題，本質(zhì)上是一個最優(yōu)化問題求解的過程，眾多學(xué)者利用群智能算法對這一問題進(jìn)行了研究。例如LIU等[61]利用系統(tǒng)動力學(xué)模型、粒子群優(yōu)化算法和遺傳算法對廣東省番禺市的城市用地進(jìn)行了優(yōu)化。LIU等[62]利用優(yōu)化后的蟻群算法對阜陽市高橋鎮(zhèn)的土地利用格局進(jìn)行了優(yōu)化。郭小燕等[63]利用混合蛙跳算法，對蘭州市的土地利用格局進(jìn)行了優(yōu)化，并證明模型具有較強(qiáng)的全局優(yōu)化能力以及較快的收斂速度。

雖然群智能算法具有魯棒性強(qiáng)、適用范圍廣等優(yōu)勢，但仍存在一些需要改進(jìn)的缺陷，例如收斂速度難以控制、優(yōu)化結(jié)果有時不夠理想等，眾多學(xué)者針對這些問題進(jìn)行了大量研究，但仍有一些問題亟待解決。

3.3 綜合優(yōu)化算法

綜合優(yōu)化算法通過不同模型間的有機(jī)結(jié)合，綜合多種模型的優(yōu)點(diǎn)，往往能同時考慮到數(shù)量結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化與空間布局的優(yōu)化，目前以CLUS-S模型和集成模型最具有代表性。

3.3.1 CLUE-S模型

土地利用變化及效應(yīng)模型(Conversion of land use and its effects model, CLUE Model)最初由荷蘭瓦格寧根大學(xué)VELDKAMP等[64]提出，CLUE-S模型(Conversion of land use and its effects at small region extent)是由CLUE模型改進(jìn)而來，它更加適合在較小尺度上模擬土地利用變化及其環(huán)境效應(yīng)。CLUE-S模型具有綜合性、開放性和空間性的特點(diǎn)，其模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。它從系統(tǒng)論的角度出發(fā)，綜合考慮社會、經(jīng)濟(jì)及生態(tài)驅(qū)動因子，采用多重建模技術(shù)從不同尺度動態(tài)研究土地利用變化。CLUE-S模型的本質(zhì)是多種模型的有機(jī)整合，尋找可以綜合描述社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)等因素的綜合方法。CLUE-S模型在土地利用類型演變驅(qū)動力分析、土地利用轉(zhuǎn)化系數(shù)設(shè)置、土地需求數(shù)量估算等方面具有很好的開放性，可以整合多種情景分析模型，具有較好的兼容性。此外該模型還可以通過土地利用分布概率圖等空間數(shù)據(jù)對不同用地類型進(jìn)行空間上的分配，具有鮮明的空間特性，這使得遙感、地理信息系統(tǒng)等空間技術(shù)可通過CLUE-S模型，直接用于土地利用的模擬與優(yōu)化。梁友嘉等[65]利用SD與CLUE-S模型對張掖市的土地利用情景進(jìn)行了分析。WU等[66]將系統(tǒng)動力學(xué)模型與CLUE-S模型結(jié)合，分析了土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響。

圖2 CLUE-S 模型結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of CLUE-S model

盡管CLUE-S模型具有良好的擴(kuò)展性與兼容性，能從時間與空間上綜合多種因素對土地利用演化進(jìn)行多尺度模擬，但是仍有一些需要改進(jìn)的地方。首先，區(qū)域不同土地利用的需求面積作為外部輸入?yún)?shù)進(jìn)入到模擬過程中，其數(shù)量的科學(xué)性與準(zhǔn)確性難以把握。其次，該模型是根據(jù)先驗(yàn)知識對土地利用的演化進(jìn)行預(yù)測，其模擬精度受因子選擇的影響，而居民的文化偏好、政府政策等人文因子往往難以量化，因此模型模擬的準(zhǔn)確性難免受其影響。

3.3.2 集成模型

不同的模型在土地生態(tài)安全評價方面均具有其局限性，因此部分學(xué)者試圖將多種模型結(jié)合，構(gòu)建出基于多種模型的集成模型，彌補(bǔ)單一模型在土地利用模擬方面的不足。眾多學(xué)者利用Markov模型與CA模型集成的CA-Markov模型開展了土地利用模擬研究，取得了大量有意義的研究成果[67-70]。尹昌應(yīng)等[71]利用Dyna-CLUE集成模型，研究了情景約束下的城市土地利用空間模擬。YANG等[72]將景觀格局指數(shù)與CA-Markov模型結(jié)合，對北京市昌平區(qū)的景觀格局演化進(jìn)行了模擬。WANG等[73]將ANN-CA模型與景觀格局理論集成，構(gòu)建了土地利用演化模型并取得了較高的模擬精度。

不同的模型由于在建模思想上的差異，使得它們在解決某些特定問題時具有明顯優(yōu)勢，而將多種模型有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮每個模型的優(yōu)勢，是解決土地生態(tài)安全格局優(yōu)化的有效途徑。當(dāng)前云計(jì)算、分布式計(jì)算、GIS技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法的發(fā)展，使得復(fù)雜模型的求解成為可能，集成模型計(jì)算任務(wù)得以有效處理。因此在當(dāng)前缺乏成熟、完善理論指導(dǎo)的情況下，有機(jī)綜合多種模型是區(qū)域土地生態(tài)安全格局優(yōu)化研究的有效途徑。

4 結(jié)論與展望

區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化研究經(jīng)歷了定性到定量、靜態(tài)到動態(tài)、剛性條件約束到彈性條件最優(yōu)、數(shù)量配置到空間演變過程。研究方法逐步趨于多種方法集成化、先進(jìn)化。研究重點(diǎn)由關(guān)注數(shù)量結(jié)構(gòu)的生態(tài)優(yōu)化發(fā)展到基于過程的空間格局優(yōu)化。研究目的逐漸從物種保護(hù)等轉(zhuǎn)移到整個區(qū)域的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。未來的研究重點(diǎn)主要包括：

(1)在跨學(xué)科綜合研究的基礎(chǔ)上，如何實(shí)現(xiàn)多模型、多方法、多技術(shù)的集成。模型、方法、技術(shù)的集成既考慮空間特征又考慮非空間特征，如何相互彌補(bǔ)不足，對區(qū)域生態(tài)安全格局更加客觀地、實(shí)用地、可靠地進(jìn)行分析、優(yōu)化是未來的研究重點(diǎn)。

(2)區(qū)域生態(tài)安全格局的生態(tài)安全標(biāo)準(zhǔn)量化問題仍然是研究難點(diǎn)。對于生態(tài)安全格局優(yōu)化研究，如何針對研究區(qū)在深入理解景觀格局、過程與功能相互聯(lián)系的基礎(chǔ)上，確定自然生態(tài)過程的一系列閾值和安全層次需進(jìn)一步研究?；趧討B(tài)的生態(tài)過程如何構(gòu)建過程模型、如何定量化地將時空動態(tài)以及發(fā)展趨勢考慮到生態(tài)安全格局優(yōu)化的研究中是未來的研究熱點(diǎn)也是難點(diǎn)。

(3)區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)施將遇到很多現(xiàn)實(shí)的問題。如何提升公眾的參與力度，使公眾關(guān)注點(diǎn)由短期社會經(jīng)濟(jì)效益轉(zhuǎn)向長期生態(tài)環(huán)境效益；如何協(xié)調(diào)不同組織水平利益相關(guān)者之間的利益沖突；如何通過先進(jìn)的管理手段使區(qū)域生態(tài)安全格局的優(yōu)化構(gòu)建更加人性化、操作性更強(qiáng)是未來的研究關(guān)鍵與重點(diǎn)。

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Progress in Research on Regional Ecological Security Pattern Optimization

YUE Depeng YU Qiang ZHANG Qibin SU Kai HUANG Yuan MA Huan

(BeijingKeyLaboratoryofPrecisionForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

Optimization of regional ecological security pattern is the basis of regional ecological security. It is of great significance to analyze and optimize the regional ecological security pattern by using proper models and methods. The optimization of regional ecological security pattern requires the integration of multi-disciplinary synthesis, multi-perspective analysis and the combination of various means. It is generally based on the understanding of the relationship between different landscape types, landscape spatial pattern, landscape process and function. Typically, the impact ways of landscape pattern on the process are found first. Then, a mathematical model is built based on the principles of landscape ecology to optimize land use and local ecological security pattern from multi-level, multi-perspective and multi-disciplinary views. Based on the analysis of domestic and foreign research progress, a summary of the concept development, the evolution of the research content and the optimization methods of regional ecological security pattern was made. And the future research trend of regional ecological security pattern was obtained, including organic integration of multi model, multi method and multi technology, quantitative exploration of regional ecological security standards, public participation mechanism and management methods of interest coordination.

regional ecological security pattern; ecological security; pattern optimization; model integration

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.001

2017-02-10

2017-02-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371189)

岳德鵬(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事景觀生態(tài)學(xué)和土地評價研究，E-mail： yuedepeng@126.com

X821

A

1000-1298(2017)02-0001-10