基于自組織特征映射模型(SOFM)網(wǎng)絡(luò)的中國自然資源生態(tài)安全區(qū)劃

鄒 易,蒙吉軍,*,吳英迪,魏嬋娟,程浩然,馬宇翔

1 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,地表過程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100871 2 多倫多大學(xué)地理、地理信息與環(huán)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(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn),自然資源不合理利用引發(fā)了諸多生態(tài)環(huán)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(yán)峻[1]?；诖?黨的十八大提出“大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)”的戰(zhàn)略決策,對區(qū)域生態(tài)安全的重視日益提高。生態(tài)安全的含義廣泛,包括自然、社會和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的安全[2],且任何一個系統(tǒng)的安全對復(fù)雜系統(tǒng)整體的安全都至關(guān)重要。自然資源作為人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ),同時也是保障社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人類福祉的物質(zhì)基礎(chǔ)與能量來源[3]。自然資源生態(tài)安全即是指區(qū)域內(nèi)的自然資源生態(tài)系統(tǒng)維持整體性、保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展的自然資源供給、滿足居民生活等基本權(quán)利以及人類適應(yīng)環(huán)境變化的能力等不受威脅的狀態(tài)[4]。自然資源生態(tài)安全是經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)之間耦合程度的表征,確保區(qū)域自然資源處于安全狀態(tài),是國家安全的重要組成部分,也是地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要前提與保障。

區(qū)劃是區(qū)域的劃分,通過對“過程-類型”的綜合研究,探討區(qū)域單元的演進(jìn)過程、地域分異、聚類歸并及相互關(guān)系[5],對于揭示區(qū)域空間發(fā)展的規(guī)律性與差異性、指導(dǎo)自然資源的合理開發(fā)利用具有重要作用。近代自然區(qū)劃始于歐洲,19-20世紀(jì)西方國家開展了大量以生態(tài)區(qū)劃為特色的自然區(qū)劃研究[6]。我國自然區(qū)劃始于20世紀(jì)20-30年代,50年代區(qū)劃研究進(jìn)入全面發(fā)展時期,尤其為滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要,開展了大量綜合自然區(qū)劃[7-8]、農(nóng)業(yè)區(qū)劃[9-11]及公路自然區(qū)劃[12]方案的研究。80年代以來,隨著市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型加速,區(qū)域開發(fā)與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)相關(guān)的區(qū)劃不斷涌現(xiàn),例如經(jīng)濟(jì)區(qū)劃[13]、鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)區(qū)劃[14]、商業(yè)經(jīng)濟(jì)區(qū)劃[15]等。2000年以來,隨著人們對生態(tài)環(huán)境問題的關(guān)注,生態(tài)區(qū)劃[16]和生態(tài)地理區(qū)劃[5]成為熱點(diǎn)。區(qū)劃的對象已逐漸由多要素的綜合自然區(qū)劃轉(zhuǎn)向應(yīng)用性、專業(yè)性和部門性區(qū)劃,例如主體功能區(qū)劃[17]、旅游區(qū)劃[18]、草原區(qū)劃[19]與風(fēng)能開發(fā)的風(fēng)環(huán)境區(qū)劃[20]等。近年來,結(jié)合新時期現(xiàn)實(shí)需要,又相繼開展了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)區(qū)劃[21]、環(huán)境功能區(qū)劃[22]等研究。系統(tǒng)深入的區(qū)劃研究,奠定了我國在此領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位[23]。

自然資源生態(tài)安全區(qū)劃是根據(jù)自然資源生態(tài)安全水平及其分異規(guī)律進(jìn)行地理分區(qū)。近年來,我國先后發(fā)布了《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》(2010)、《生態(tài)功能分區(qū)技術(shù)規(guī)范》(2014)、《全國生態(tài)功能區(qū)劃》(2015)、《國土空間規(guī)劃編制技術(shù)規(guī)范》(2020)、《“三線一單”生態(tài)環(huán)境分區(qū)管控指導(dǎo)意見》(2021),已有研究針對“三區(qū)三線”與“三線一單”的制度框架、技術(shù)方法與應(yīng)用路徑等方面展開論述[24],作為國土空間規(guī)劃的重要內(nèi)容和工具,也是自然資源生態(tài)安全的重要保障和支撐,尤其在資源環(huán)境領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[25]。以生態(tài)安全為導(dǎo)向的自然資源空間分區(qū)與管制,已成為實(shí)現(xiàn)自然資源與生態(tài)環(huán)境統(tǒng)籌治理的新舉措[26]。圍繞自然資源生態(tài)安全的內(nèi)涵,諸多學(xué)者選擇自然資源的生態(tài)敏感性與生態(tài)服務(wù)重要性作為表征區(qū)域資源環(huán)境狀況的重要指標(biāo),來刻畫自然資源的生態(tài)安全狀態(tài)[27-28]。在區(qū)劃方法和技術(shù)方面,計算機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)步推動數(shù)理方法引入?yún)^(qū)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)[33]、遺傳算法[34]和模糊評價理論[35]等新興理論與方法也應(yīng)用于區(qū)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(jiān)督型的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),因在分區(qū)研究中具有適應(yīng)性強(qiáng)、空間精度高等優(yōu)勢[36],在地理學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,尤其是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大和非線性特征明顯的問題上得到廣泛應(yīng)用[23]。

本文著眼于全國自然資源生態(tài)安全格局分析,立足于新時期生態(tài)文明建設(shè)宏觀背景,從自然資源生態(tài)敏感性與生態(tài)服務(wù)重要性,探索自然資源生態(tài)安全區(qū)劃研究的技術(shù)方法和指標(biāo)體系,制訂全國自然資源生態(tài)安全區(qū)劃方案,識別生態(tài)安全的關(guān)鍵區(qū)域、監(jiān)管薄弱區(qū)域、發(fā)展優(yōu)勢區(qū)域,為分區(qū)、分類推進(jìn)全國自然資源可持續(xù)利用和優(yōu)化國土空間布局提供決策依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)及來源如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)來源Table 1 Data source

1.2 自然資源生態(tài)安全評價

選取相關(guān)研究中常用的生態(tài)敏感性與生態(tài)服務(wù)重要性進(jìn)行自然資源生態(tài)安全評價[28],其中自然資源生態(tài)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(tài)服務(wù)重要性包括產(chǎn)品提供、生物多樣性維護(hù)與水源涵養(yǎng)重要性[38](表2)。

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

在自然資源生態(tài)敏感性評價時,首先根據(jù)不敏感、輕度敏感、中度敏感和高度敏感4個級別,將各指標(biāo)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(shù)與土地沙化敏感性指數(shù)[37]:

(1)

式中,Ai表示第i類敏感性指數(shù),ai1-ai4分別為對應(yīng)的評價指標(biāo)。根據(jù)敏感性指數(shù)計算結(jié)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(tài)敏感性指標(biāo)定義為區(qū)域內(nèi)生態(tài)敏感性的最低水平[27,37]。在自然資源生態(tài)服務(wù)重要性評價時,首先利用ArcGIS重分類功能基于自然斷點(diǎn)法與經(jīng)驗(yàn)知識相結(jié)合的方法對三類生態(tài)服務(wù)重要性進(jìn)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(tài)服務(wù)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(tài)服務(wù)重要性評價指數(shù),ESi為i項生態(tài)服務(wù)重要性等級值。最后,通過ArcGIS重分類功能基于自然斷點(diǎn)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(tài)敏感性與綜合生態(tài)服務(wù)重要性按表3的矩陣規(guī)則疊加[39],得出自然資源生態(tài)安全等級:Ⅰ級為重警狀態(tài)、Ⅱ級為中警狀態(tài)、Ⅲ級預(yù)警狀態(tài)、Ⅳ級為較安全狀態(tài)、Ⅴ級為安全狀態(tài)。

表3 自然資源生態(tài)安全分級規(guī)則 Table 3 The rule of natural resources ecological security level

1.3 區(qū)劃原則與指標(biāo)體系

中國自然資源生態(tài)安全區(qū)劃遵循以下原則:綜合性與主導(dǎo)因素相結(jié)合,資源特點(diǎn)與產(chǎn)業(yè)布局相協(xié)調(diào),定量評價與定性分析相結(jié)合,空間連續(xù)性與區(qū)內(nèi)一致性,行政邊界完整性等。

從自然資源生態(tài)安全的內(nèi)涵出發(fā),基于上述原則,結(jié)合相關(guān)研究[40],建立自然資源生態(tài)安全區(qū)劃指標(biāo)體系(表4)。其中,一級區(qū)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(fēng)速表征風(fēng)能資源狀況;二級區(qū)劃主要揭示各一級區(qū)中自然資源生態(tài)安全水平的差別,采用自然資源生態(tài)敏感性與自然資源生態(tài)服務(wù)重要性表征,各項指標(biāo)數(shù)據(jù)均經(jīng)過極差標(biāo)準(zhǔn)化處理,并統(tǒng)一重采樣至1km×1km柵格分辨率[22,38,41]。

表4 自然資源生態(tài)安全區(qū)劃指標(biāo)體系Table 4 Comprehensive index system of natural resources ecological security regionalization

1.4 區(qū)劃方法

按照定量與定性分析相結(jié)合的原則,采用SOFM模型進(jìn)行自然資源生態(tài)安全分區(qū)。SOFM模型的學(xué)習(xí)規(guī)則是一種與大腦皮層競爭抑制相似的算法[42-43],根據(jù)學(xué)習(xí)規(guī)則對輸入的模式自動進(jìn)行分類,降低了指標(biāo)權(quán)重的主觀性,提高了分類的客觀性和準(zhǔn)確性。SOFM模型網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,模型由結(jié)構(gòu)輸入層和競爭層組成,輸入層具有盡可能多的神經(jīng)元和變量,輸入層中的所有神經(jīng)元都通過連接權(quán)重與競爭層中的神經(jīng)元相連。競爭層引入網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可模擬生物學(xué)中的側(cè)抑制現(xiàn)象。相鄰的競爭層神經(jīng)元也通過權(quán)值相連,競爭層神經(jīng)元以一維或多維的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)排列,網(wǎng)絡(luò)對輸入向量進(jìn)行無監(jiān)督訓(xùn)練,競爭層神經(jīng)元根據(jù)距離的遠(yuǎn)近決定抑制關(guān)系,不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和連接權(quán)值。當(dāng)輸入新的樣本時,系統(tǒng)就以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形式輸出分類結(jié)果[44]。經(jīng)過多次試驗(yàn),在盡可能保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確科學(xué)的前提下,本研究建立10000個隨機(jī)樣本點(diǎn),輸入指標(biāo)分別為自然資源指標(biāo)、生態(tài)敏感性與生態(tài)服務(wù)重要性指標(biāo),神經(jīng)節(jié)點(diǎn)選擇9個,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練次數(shù)為200次。在SOFM分區(qū)的基礎(chǔ)上,結(jié)合農(nóng)業(yè)自然區(qū)劃結(jié)果[10]和土地覆被空間特征,對分區(qū)邊界進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

圖1 SOFM模型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[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(qū)劃單位的命名

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

2 結(jié)果與分析

2.1 中國自然資源生態(tài)安全空間格局

中國自然資源生態(tài)敏感性以輕度敏感為主(圖2),土壤侵蝕輕度敏感地區(qū)占61.34%,土壤侵蝕中高度敏感區(qū)主要分布于東部季風(fēng)區(qū),與季節(jié)性降水存在較強(qiáng)相關(guān)性,東北山區(qū)、黃土高原區(qū)、南方紅壤丘陵區(qū)和西南喀斯特地區(qū)是相對集中的侵蝕敏感區(qū)。土地沙化輕度敏感區(qū)占比43.28%,土地沙化中度和高度敏感區(qū)主要分布于我國400mm與200mm等降水量線以西的干旱、半干旱區(qū),高度敏感區(qū)集中分布于我國三大強(qiáng)風(fēng)區(qū)--新疆、內(nèi)蒙古和甘肅交界的戈壁、藏北高原和內(nèi)蒙古中部沙地,與干旱氣候及強(qiáng)風(fēng)區(qū)高度相關(guān)。綜合生態(tài)敏感性以中度敏感地區(qū)為主(40.36%),輕度敏感次之(33.30%),不敏感區(qū)面積僅占0.12%。高度敏感區(qū)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(qū),中度敏感區(qū)集中分布于北方地區(qū),輕度敏感區(qū)多分布于南方地區(qū)以及青藏高原東部、新疆西部等地。

圖2 中國自然資源生態(tài)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(tài)服務(wù)重要性各等級面積較均衡(圖3)。其中,產(chǎn)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(qū)與光熱、降水等自然條件優(yōu)渥的區(qū)域緊密相關(guān),多分布在地勢平坦、光熱條件好、降水充沛的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)、林區(qū)、草原區(qū)或水產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū);生物多樣性維護(hù)重要性呈東北西南高、西北低的空間分布格局,高度重要區(qū)與生物資源分布高度相關(guān),多位于生境質(zhì)量較好、動植物資源豐富的地區(qū),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(yǎng)重要性則呈現(xiàn)東北東南高、西北低的空間格局,高度重要區(qū)多為森林和草地資源,集中分布在大江大河的水源補(bǔ)給區(qū)或發(fā)源地,涵養(yǎng)水源能力強(qiáng)。自然資源綜合生態(tài)服務(wù)重要性同樣呈現(xiàn)東南高、西北低的空間分布特征,其中高度重要區(qū)占21.80%,多分布于我國東北山地、江南地區(qū)、西南地區(qū)等;中等重要與一般重要區(qū)分布較零星,面積分別占19.01%與23.07%;不重要區(qū)面積占比最大(36.12%),集中分布在西北內(nèi)陸地區(qū)。

圖3 中國自然資源生態(tài)服務(wù)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(tài)安全呈現(xiàn)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(qū)面積占比最小(6.56%),多分布于大興安嶺、隴南與藏南地區(qū),零星分布于福建、江西、湖南中南部地區(qū)以及云南中部等地;Ⅳ級區(qū)面積占17.65%,主要分布于長白山區(qū)、橫斷山區(qū)等;Ⅲ級區(qū)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(qū)。Ⅰ級區(qū)和Ⅱ級區(qū)面積占比分別為31.65%與22.92%,主要分布于新疆、甘肅與內(nèi)蒙古,此外西藏西部、青海東北部與陜西北部也有分布。可以看出,自然資源安全與較安全區(qū)多位于水熱條件好、生物資源豐富的區(qū)域,低安全等級區(qū)多位于干旱、半干旱區(qū)。

圖4 中國自然資源生態(tài)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(tài)安全區(qū)劃方案

根據(jù)SOFM模型模擬結(jié)果,兼顧行政邊界完整性和農(nóng)業(yè)自然區(qū)劃單元[10],中國自然資源生態(tài)安全區(qū)劃方案包括8個一級區(qū)劃與27個二級區(qū)劃(圖5)。其中,一級區(qū)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(fēng)能資源等)的地域分異特征;二級區(qū)劃單元則綜合體現(xiàn)了自然資源的生態(tài)安全水平。

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

Ⅰ 東北林農(nóng)資源大區(qū):包括黑龍江、吉林與內(nèi)蒙古東北部地區(qū),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(qū)是我國重點(diǎn)國有林區(qū)、北方重要原始林區(qū)的主要分布地,世界同緯度地區(qū)植物物種最為豐富的區(qū)域,同時也是我國最大的商品糧生產(chǎn)基地,糧食產(chǎn)量約占全國總產(chǎn)量的四分之一,平均糧食商品率達(dá)70%以上。然而該區(qū)生態(tài)環(huán)境較脆弱,尤其是耕地大規(guī)模開墾占用生態(tài)空間,是該區(qū)生態(tài)安全面臨的巨大威脅。

Ⅱ 內(nèi)蒙古及長城沿線干旱風(fēng)沙大區(qū):包括內(nèi)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(qū)域內(nèi)自然資源以草原為主,水熱條件較差,春旱頻發(fā),生態(tài)問題嚴(yán)重。受干旱與半干旱環(huán)境條件的影響,水土資源的開發(fā)潛力受到極大制約。 華北遼南平原丘陵耕地大區(qū):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(qū)域光熱條件好,耕地資源豐富,是我國糧食主產(chǎn)區(qū)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(huán)境污染是制約該區(qū)資源開發(fā)利用的主要限制因素。

Ⅳ 長江流域水熱資源大區(qū):包括湖北、重慶、貴州、湖南東南部、云南中部與北部地區(qū)、安徽與江蘇南部等區(qū)域,面積共109.54萬km2,占總面積的11.53%。該區(qū)河網(wǎng)密集、徑流豐沛,水熱資源與水能資源豐富。區(qū)域內(nèi)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(qū)社會經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)良好,發(fā)展?jié)摿薮?是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要腹地。

Ⅴ 江南丘陵山地水熱資源大區(qū):包括江西、福建、廣西、廣東、海南、臺灣、湖南南部、云南南部等區(qū)域,面積共114.86萬km2,占總面積的12.09%。該區(qū)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(chǎn)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(chǎn)品養(yǎng)殖和經(jīng)濟(jì)作物種植區(qū)。該區(qū)是中國較早對外開放的重點(diǎn)地區(qū),有著深厚的外向型經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ),區(qū)位條件優(yōu)越,有利于自然資源的開發(fā)。

Ⅵ 北疆灌溉綠洲盆地大區(qū):主要為北疆地區(qū),面積共39.06萬km2,占總面積的4.11%。該區(qū)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(chǎn)資源豐富,主要包括石油、天然氣、煤等。該區(qū)屬于典型內(nèi)陸干旱氣候,降水少,蒸發(fā)大,生態(tài)環(huán)境極其脆弱。

Ⅶ 甘新蒙沙漠高原干旱大區(qū):包括南疆、甘肅東北部與內(nèi)蒙古西部地區(qū),面積共168.69萬km2,占總面積的17.76%。該區(qū)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(tài)環(huán)境極度脆弱,成為資源開發(fā)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大限制因素。

Ⅷ 青藏高原光能資源大區(qū):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(qū)突出特點(diǎn),熱量不足,但又是全國太陽輻射最多的地區(qū),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(huán)境造就了豐富獨(dú)特的動植物資源,但受高海拔和高原氣候的影響,區(qū)域資源開發(fā)阻力較大。

二級區(qū)劃單位生態(tài)安全水平及生態(tài)保護(hù)對策建議如表5。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

本研究采用SOFM聚類方法進(jìn)行了中國自然資源生態(tài)安全區(qū)劃,區(qū)劃方案兼顧中國自然資源格局與生態(tài)安全狀況,既是對已有區(qū)劃的傳承與改進(jìn),又體現(xiàn)自身的特色。區(qū)劃結(jié)果客觀揭示出了中國自然資源環(huán)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(guī)律。其中,一級區(qū)自然資源大區(qū)劃分時考慮了土地資源、風(fēng)能資源、水資源、光熱資源等指標(biāo),因此區(qū)劃結(jié)果反映出的自然資源分異特征與《中國綜合農(nóng)業(yè)區(qū)劃》[11]和《中國農(nóng)業(yè)自然區(qū)劃》[10]方案較為契合。但也有不一致之處,例如東部區(qū)域的劃分不單純以溫度和濕度為依據(jù),更能夠反映區(qū)域的氣候類型與生態(tài)環(huán)境特征,有利于更合理地規(guī)劃區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局及指導(dǎo)資源開發(fā)利用;北疆地區(qū)擁有豐富的自然資源,是重要的生態(tài)屏障,將其單獨(dú)劃區(qū),加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)。二級區(qū)自然資源生態(tài)安全區(qū)則體現(xiàn)了本區(qū)劃自身的特色,基于GIS平臺利用多源數(shù)據(jù),將自然資源的生態(tài)敏感性與生態(tài)服務(wù)重要性作為主導(dǎo)標(biāo)志刻畫其生態(tài)安全特征,與《中國生態(tài)環(huán)境脅迫過程區(qū)劃》方案[46]、《中國生態(tài)區(qū)劃》方案[16]相比,二級區(qū)變化較為顯著,例如根據(jù)土地沙化敏感程度與生態(tài)服務(wù)重要性等級的不同將內(nèi)蒙古高原缺水微脅迫區(qū)細(xì)分為四個二級區(qū);根據(jù)生物多樣性保護(hù)重要性與土地沙化敏感程度的不同將青藏高原牧業(yè)無脅迫區(qū)分為四個二級區(qū)。相比之下,本研究的生態(tài)安全評價結(jié)果更注重生態(tài)環(huán)境的自然屬性與自然功能,可更好地識別自然環(huán)境的脆弱性及恢復(fù)力,為自然資源的系統(tǒng)規(guī)劃與管理提供依據(jù)。研究結(jié)果也表明,SOFM聚類可有效識別不同聚類間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的差異[46],在自然資源生態(tài)安全區(qū)劃中具有良好的應(yīng)用效果。

本區(qū)劃方案在二級區(qū)劃分中,根據(jù)自然資源生態(tài)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(tài)保護(hù)措施。例如,Ⅲ級為預(yù)警狀態(tài),此類區(qū)域往往是生態(tài)服務(wù)功能開始出現(xiàn)退化,但其基本狀態(tài)尚可維持[47],因此是未來需要重點(diǎn)關(guān)注、及時采取措施保護(hù)的區(qū)域;Ⅰ級和Ⅱ級為重警和中警狀態(tài),此類區(qū)域生態(tài)恢復(fù)較困難,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)破壞較大,需采取長效措施來緩解生態(tài)系統(tǒng)所面臨的壓力;Ⅴ級和Ⅳ級為安全與較安全狀態(tài),此類區(qū)生態(tài)環(huán)境基本未遭到破壞,有必要采取有效措施預(yù)防出現(xiàn)新的生態(tài)問題。

本文在土地利用數(shù)據(jù)選取時使用2020年數(shù)據(jù),而氣象因子數(shù)據(jù)采用1980-2015年平均值,考慮到當(dāng)下氣候異常與極端事件頻繁發(fā)生,生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定性增加,這樣的數(shù)據(jù)處理可能會增加研究結(jié)果的不確定性。同時,由于自然資源生態(tài)安全耦合了人類福祉與生態(tài)系統(tǒng)健康,涉及到諸多方面的因素[48],本研究基于生態(tài)敏感性與生態(tài)服務(wù)重要性來揭示自然資源生態(tài)安全水平,但目前自然資源生態(tài)安全評價指標(biāo)及方法規(guī)則尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),還有待繼續(xù)深入研究?？茖W(xué)有效地刻畫自然地理環(huán)境與人文經(jīng)濟(jì)發(fā)展間關(guān)聯(lián),是實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展需重點(diǎn)關(guān)注的問題,應(yīng)在后續(xù)的研究中圍繞社會-生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)展開分析。

3.2 結(jié)論

本研究立足于新時代生態(tài)文明建設(shè)的宏觀背景,著眼于自然資源的空間屬性,構(gòu)建了全國自然資源生態(tài)安全評價指標(biāo)體系與評價規(guī)則,應(yīng)用SOFM模型,制訂了中國自然資源生態(tài)安全區(qū)劃方案。結(jié)果顯示,我國自然資源生態(tài)安全水平整體偏低,以中警與重警狀態(tài)為主,占全國總面積54.57%,安全和較安全狀態(tài)的區(qū)域僅占24.22%;低安全等級區(qū)多分布于400mm等降水量線以西的干旱、半干旱區(qū),高安全等級區(qū)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(qū)。制訂的中國自然資源生態(tài)安全區(qū)劃方案包括8個一級區(qū)和27個生態(tài)安全等級二級區(qū),分析了二級區(qū)自然資源生態(tài)安全狀況,從資源利用模式、生態(tài)保護(hù)措施等方面提出了對策。研究結(jié)果對分區(qū)、分類推進(jìn)全國自然資源可持續(xù)利用和國土空間優(yōu)化提供理論支持與決策依據(jù)。