長時間尺度下自然資源動態(tài)綜合區(qū)劃理論與實踐研究
——以青藏高原為例

黃莉， 劉曉煌， 劉玖芬， 劉曉潔， 張海燕

(1.中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源綜合調(diào)查指揮中心，北京 100055； 3.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101;4.自然資源要素耦合過程與效應重點實驗室，北京 100055)

0 引言

改革開放以來，我國社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，但卻帶來了資源枯竭和生態(tài)系統(tǒng)退化等一系列的問題[1]，嚴重威脅到了人類生存和社會可持續(xù)發(fā)展。因此，如何協(xié)調(diào)自然資源與社會經(jīng)濟發(fā)展的關系，促進生態(tài)文明的建設成為當務之急。我國幅員遼闊，資源條件存在明顯的空間差異[2]，區(qū)劃是認識各自然資源的空間分布特征以及深入分析其相互耦合關系的重要前提，因此，進一步研究自然資源綜合區(qū)劃方案可為自然資源監(jiān)測體系的建立、自然資源網(wǎng)絡臺站的部署等工作提供支撐[3]。

20世紀中期開始我國的區(qū)劃工作主要針對的是自然區(qū)劃[4]。從《中國氣候區(qū)域論》[5]的發(fā)表開始了我國自然地域區(qū)劃研究。在全國區(qū)劃方面，林超[6]根據(jù)大地構(gòu)造、氣候狀況、地貌等首次進行了綜合自然地理區(qū)劃，為綜合自然區(qū)劃奠定了基礎。隨著“3S”技術(shù)(RS、GIS 和GPS)、數(shù)據(jù)挖掘等科學技術(shù)的發(fā)展，我國學者按照不同的研究方法、區(qū)劃尺度、技術(shù)手段等進行研究： 20世紀20到50年代，由于條件的限制，區(qū)劃以定性方法為主，學者們采取經(jīng)驗法對自然地理進行區(qū)劃[6-8]； 20世紀50年代后，地理學、生態(tài)學、數(shù)學等學科的交互發(fā)展，應用技術(shù)手段從以實地調(diào)查為主的傳統(tǒng)技術(shù)到以“3S”技術(shù)、現(xiàn)代測量、模型模擬為代表的新技術(shù)的轉(zhuǎn)變，區(qū)劃研究多采用定性與定量相結(jié)合的方法[9-10]，在專家經(jīng)驗的基礎上，通過指標法進行區(qū)劃[8]，并在ArcGIS軟件中疊置分析，再結(jié)合綜合分析法[11-12]、聚類分析法[6，13]、判別分析法[6]、機器學習[14-15]等進行區(qū)劃工作。區(qū)劃的技術(shù)手段呈現(xiàn)出高科技、多元化的趨勢，多種技術(shù)方法并用來進行區(qū)劃[16]。但多數(shù)研究針對宏觀尺度對生態(tài)、農(nóng)業(yè)、氣候等研究，對自然環(huán)境較為復雜的青藏高原研究較少。

青藏高原地區(qū)被譽為“世界屋脊”“亞洲水塔”，不僅是珍稀野生動物的天然棲息地，還是我國重要的生態(tài)安全屏障和生態(tài)文明建設的重點地區(qū)。青藏高原地區(qū)由于地域位置的特殊性，分布著除極地以外的最大冰川遺跡，生態(tài)系統(tǒng)具復雜性，擁有特殊的高原植被類型，因此，在學習和繼承前人區(qū)劃工作研究成果的基礎上，本文運用遙感和GIS技術(shù)，基于歐氏距離的K-means聚類算法，選取冰川積雪、植被指數(shù)等在內(nèi)的14個自然資源指標，對青藏高原地區(qū)進行自然資源動態(tài)分區(qū)劃定并分析其動態(tài)特征。

1 研究區(qū)概況

本文研究范圍為張海燕等[13]發(fā)表的《中國自然資源綜合區(qū)劃理論研究與技術(shù)方案》中一級區(qū)劃的青藏草地自然資源大區(qū)(圖1)。青藏高原位于中國西南部，包括西藏自治區(qū)、青海省、四川省、云南省、甘肅省以及新疆維吾爾自治區(qū)的部分地區(qū)，土地總面積260.39×104km2，占全國陸地總面積的27.47%，平均海拔大于4 000 m，有“地球第三極”之稱[17]。青藏高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境復雜多樣，山谷冰川、冰原分布于極高山和高海拔區(qū)域，冰川融水與大氣降水匯集成千余個湖泊，故有“亞洲水塔”之稱[18]。其氣候和環(huán)境復雜多樣，從北向南依次為高山極端干旱區(qū)、高山亞寒帶及高山溫帶，從西向東為高原亞寒帶氣候、高原山地氣候與高原溫帶濕潤氣候，東南部分布少量的亞熱帶氣候。從西北至東南依次分布著高寒荒漠、高寒草原、高寒灌叢、草甸、亞高山針葉林和亞熱帶/熱帶森林[19]。由于海拔高，氣候寒冷，“高”和“寒”成為本區(qū)最突出的區(qū)域地理特征，青藏高原及其周邊山區(qū)分布著除極地以外的最大冰川遺跡，對研究區(qū)域和全球的大氣循環(huán)以及環(huán)境變化機制具有重要作用[20]。研究區(qū)2018年草原面積為127.56×104km2，是該區(qū)面積最大的資源類型，占該大區(qū)總面積的48.99%； 荒漠面積為79.71×104km2，是該區(qū)第二大面積的資源類型，占總面積的30.61%； 森林面積為33.38×104km2，占該大區(qū)總面積的12.82%； 水體與濕地面積為16.69×104km2，占該大區(qū)總面積的6.41%； 耕地面積為2.79×104km2，占該大區(qū)總面積的1.07%； 建設用地面積為0.26×104km2，占該大區(qū)總面積的0.10%。

圖1 研究區(qū)位置

2 自然資源動態(tài)區(qū)劃研究方案

2.1 區(qū)劃的理論體系與原則

自然資源綜合區(qū)劃應針對多要素、多尺度、多視角的要素，同時將地理、人文、自然等要素融入，不僅對研究區(qū)的地表現(xiàn)象的相似性與差異性進行區(qū)域的劃分，也要對過程和類型研究進行歸納。地理地帶性規(guī)律是一切自然地理區(qū)劃的基本理論基礎，區(qū)域的相似性或差異性直接反映為地理地帶性規(guī)律特點； 自然資源系統(tǒng)耦合人類需求與資源供給，人地關系地域系統(tǒng)著重研究人類與自然之間的相互影響，協(xié)調(diào)兩者關系，維持區(qū)域內(nèi)可持續(xù)發(fā)展[21]； 區(qū)域的資源環(huán)境系統(tǒng)則對人類活動的承載能力有限制，要求保證一定的區(qū)域范圍內(nèi)資源環(huán)境承載力的資源結(jié)構(gòu)可持續(xù)[22]； 自然資源綜合區(qū)劃要考慮區(qū)域內(nèi)自然資源的現(xiàn)狀，以資源分區(qū)促進自然資源配置的優(yōu)化，使其利用效率最大化，進而充分發(fā)揮自然資源價值的同時，也要考慮自然資源的發(fā)展演化，預測其發(fā)展趨勢，才能做好自然資源綜合區(qū)劃。通過對自然資源綜合區(qū)劃理論基礎的凝練，總結(jié)出地域分異規(guī)律、人地關系地域系統(tǒng)、資源環(huán)境承載力、資源配置、區(qū)域經(jīng)濟和發(fā)展預測等理論。

區(qū)劃原則是區(qū)劃制定過程中所要遵循的準則，是為了確保合理而實用的自然地理區(qū)劃是否成功的關鍵。按照國家自然資源體系建設的需求，從合理利用、綜合管理自然資源的角度出發(fā)，自然資源綜合區(qū)劃原則的制定不僅要遵循一般區(qū)劃的綜合分析原則、區(qū)域共軛性原則、相對一致性原則等，還需考慮自然資源本身的結(jié)構(gòu)和功能特性。自然資源系統(tǒng)復雜，一個區(qū)域內(nèi)可能存在多種類型的自然資源，在大尺度范圍內(nèi)，自然資源的差異性較大，難以通過資源要素確定主導資源，需要考慮自然資源利用效率最大化，從而實現(xiàn)自然資源的可持續(xù)利用； 區(qū)劃內(nèi)各類自然資源之間也是相互聯(lián)系、相互制約的，進行自然資源綜合區(qū)劃時，要充分考慮自然資源系統(tǒng)性和整體性的特點； 隨著技術(shù)的發(fā)展，我國的區(qū)劃需要緊跟時代的步伐，結(jié)合新手段、新技術(shù)，開創(chuàng)新思路、新方法。基于此，自然資源綜合區(qū)劃應遵循主體性原則、整體性原則、多尺度原則、等級性原則和發(fā)展性原則的5大原則。

2.2 區(qū)劃的研究思路

自然資源綜合區(qū)劃的對象包括森林、草原、耕地、濕地、水等自然資源。自然資源綜合區(qū)劃目標是： 為掌握我國各類自然資源的空間分布位置，為實施合理的國土空間規(guī)劃提供依據(jù)； 用于指導自然資源的開發(fā)利用，改善產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力布局； 為實現(xiàn)山水林田湖草的整體保護、系統(tǒng)修復，保障國家的生態(tài)安全提供基礎依據(jù)。

在明確區(qū)劃對象與目標前提下，對影響自然資源空間分布的氣候、植被等自然要素進行分析。在遵循上述區(qū)劃的原則下，對自然資源綜合區(qū)劃逐級劃分。指標選取時要特別注意尺度問題： 在空間尺度上，選取的指標要能夠體現(xiàn)其在不同單位等級系統(tǒng)上的強弱程度； 在時間尺度上，除靜態(tài)的指標之外，還應考慮具有時效性的動態(tài)指標。

本文結(jié)合定量計算與定性分析，主要采用基于歐氏距離的K-means聚類算法對自然資源綜合指數(shù)進行空間聚類確定區(qū)劃方案，通過“自上而下”演繹法和“自下而上”歸納法確定區(qū)劃等級。K-means聚類算法的目標是綜合要素劃分，從而使所有組的每一個組中要素之間的差異達到最小化，最終實現(xiàn)空間的聚類，為了使研究對象劃分為相同結(jié)構(gòu)的指標以解決各指標之間的相關性問題，在收集、整合原有區(qū)劃成果的基礎上，選取具體指標，采用相應的方法，最終形成自然資源綜合區(qū)劃方案(圖2)。

圖2 自然資源綜合區(qū)劃技術(shù)流程

2.3 區(qū)劃的技術(shù)方案

2.3.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)包括地形地貌、氣象數(shù)據(jù)，植被數(shù)據(jù)、生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)等14個指標數(shù)據(jù)(表1)。其中地形地貌數(shù)據(jù)來自中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數(shù)據(jù)； 基于DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的空間分析模塊計算并提取出青藏高原地區(qū)海拔高度與坡度指標。氣象數(shù)據(jù)是基于全國1 915個站點的觀測數(shù)據(jù)，利用Anuspline，通過反向距離加權(quán)平均的方法內(nèi)插，最終得到全國空間分辨率為1 km×1 km的≥0 ℃積溫、濕潤指數(shù)和年平均降水量空間分布數(shù)據(jù)集[23]?；谶b感數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)，運用光能利用率模型(Carnegie Ames Stanford Approach，CASA)模擬出全國植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，NPP)數(shù)據(jù)，并通過中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心獲取歸一化差分植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)，根據(jù)原始數(shù)據(jù)整理出青藏高原植被數(shù)據(jù)。通過中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心獲取全國空間分辨率為100 m×100 m的陸地生態(tài)系統(tǒng)空間分布數(shù)據(jù)以及全國空間分辨率為1 km×1 km的三級流域產(chǎn)水模型數(shù)據(jù)。

表1 自然資源綜合區(qū)劃綜合指標體系

2.3.2 數(shù)據(jù)歸一化

對不同量綱的數(shù)據(jù)歸一化，采用模糊線性分類函數(shù)將各個指數(shù)模糊疊加分析，線性地轉(zhuǎn)化為0 到 1 的范圍內(nèi)，從而解決不同量綱的問題，均一化后的Xnorm計算公式為

，

(1)

式中：X為指標的原始數(shù)據(jù);XmaxXmin分別為指標的原始數(shù)據(jù)集最大值、最小值。

2.3.3 各指標權(quán)重計算

結(jié)合各個指標的空間分布和對自然資源的相對重要性，本文結(jié)合主成分分析法與層次分析法確定各指標的相對權(quán)重，基于專家評判確定最終指標(表2)。

表2 青藏高原自然資源綜合指標權(quán)重系數(shù)

(續(xù)表)

2.3.4 空間聚類分析

將標準化數(shù)據(jù)乘以各自權(quán)重計算出自然資源綜合指數(shù)，并將其作為聚類分析初始數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件，基于歐氏距離的K-means聚類算法嘗試將自然資源進行聚類(圖3)，為后續(xù)區(qū)劃提供有力的依據(jù)。自然資源綜合指數(shù)S計算公式為

，

(2)

式中：Wi為i圖層的權(quán)重；Si為第i個要素的屬性值。

(a) 1990年 (b) 2000年

2.3.5 區(qū)劃界線的劃定

根據(jù)不同的聚類方案結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)類型和行政區(qū)域、地形地勢結(jié)構(gòu)，對青藏高原地區(qū)自然資源區(qū)劃進行調(diào)整，生成4期動態(tài)區(qū)劃，并以地表主導資源(林草)空間差異性為依據(jù)，進一步確定區(qū)劃邊界。

2.3.6 區(qū)劃的命名規(guī)則

二級區(qū)劃命名規(guī)則為“大地理位置+自然資源主體(草耕、草耕林、冰川凍土、冰川凍土荒漠、冰川凍土荒漠草原、冰川凍土荒漠草耕、冰川凍土荒漠草耕林等)+亞區(qū)”； 三級區(qū)劃命名規(guī)則為“自然地理位置+地貌形態(tài)的組合特征+溫濕情況/氣候類型+自然資源一級類型+地區(qū)”； 四級區(qū)劃命名規(guī)則為“具體自然地理位置+地貌形態(tài)的組合特征+自然資源二級類型+小區(qū)”。

3 青藏高原動態(tài)區(qū)劃

3.1 分區(qū)動態(tài)變化

根據(jù)1990—2018年聚類分布圖，2000年和2010年與前后數(shù)據(jù)有一定相似度，本文分別將1990和2018年長時間的青藏高原自然資源綜合區(qū)劃劃分為9個亞級自然資源綜合區(qū)、19個地級自然資源綜合區(qū)(圖4(a)、(b))。2期的青藏高原自然資源綜合區(qū)劃方案相比，有部分邊界有較大變化。

(1)羌塘高原高寒帶草原亞區(qū)的面積明顯增大，邊界向四周擴展，該亞區(qū)主要的陸表資源類型是草原、荒漠、水體和濕地，2018年區(qū)劃邊界統(tǒng)計面積表明，草原與荒漠所占面積變化很大，草原資源面積占比由80.65%減少為45.90%，荒漠面積占比由13.65%增加為41.51%。

(2)與羌塘高原高寒帶草原亞區(qū)相鄰的青藏高原南部高寒帶草原亞區(qū)、藏南山地高寒帶草原亞區(qū)邊界覆蓋范圍縮小，其中藏南山地高寒帶草原亞區(qū)的草原資源類型占比減少，但仍為主要資源類型。

(3)柴達木盆地高寒帶荒漠亞區(qū)南部邊界向北移動，該亞區(qū)的荒漠類型面積明顯減少，以2018年區(qū)劃邊界統(tǒng)計荒漠面積由58.35%減少為49.89%，草原資源面積占比由33.05%增加為42.93%。

(4)藏東南高原山地溫帶森林亞區(qū)邊界沒有明顯變化，但受氣候影響，自然資源類型變化幅度較大，以2018年區(qū)劃邊界統(tǒng)計面積具體表現(xiàn)為草原資源面積占比由8.74%變?yōu)?9.89%，荒漠面積占比由11.09%變?yōu)?.28%，其中主導森林資源占比為72.22%。

(a) 1990年 (b) 2018年

3.2 分區(qū)影響因素

(1)氣候要素變化。青藏高原具有干旱、寒冷、多風、低氧、輻射強以及晝夜溫差大的氣候特點[24]，隨著城市化進程的不斷加快，全球溫度上升，氣候變化影響著植被群落的分布結(jié)構(gòu)，草原濕地等受到氣候變化的影響，其空間地理格局發(fā)生改變[25]； 全球氣候變暖導致冰川積雪面積的減少，其凍土厚度和下界也在減少[26]。青藏高原大部分地區(qū)降水稀少，屬于干旱、半干旱氣候。青藏高原降水量逐漸減少，蒸發(fā)量逐漸增大，干旱程度不斷加重，青藏高原多大風，且大風持續(xù)時間長，大部分地區(qū)大風日數(shù)超過50 d。因此，自然資源類型隨著氣候要素影響向荒漠草原資源類型水平方向變化。

(2)沙漠化加劇。藏北高原和青南高原地勢高、氣候冷，以荒漠草原和典型草地為主。地表植被覆蓋度低，生態(tài)環(huán)境脆弱，風蝕氣候侵蝕力強盛，青藏高原東南部大部分地區(qū)屬于半干旱、半濕潤或濕潤氣候，植被以森林和灌木為主，沙漠化土地呈零星狀分布于干熱河谷內(nèi)。青藏高原中西部，大部分地區(qū)海拔在4 500 m以上，是青藏高原海拔最高的地區(qū)，大部分地區(qū)氣候干燥，地表多呈草原和荒漠景觀，由東南向西北方向土地沙漠化不斷加重，受惡劣自然條件影響，沙漠化防治難度也很大。因此，羌塘高原高寒帶草原亞區(qū)和柴達木盆地高寒帶荒漠亞區(qū)的隨著沙漠化方向移動。

4 結(jié)論

(1)由于海拔高、氣候寒冷，青藏高原及其周邊山區(qū)分布著除極地以外的最大冰川遺跡，在指標選取中選取包含冰川積雪在內(nèi)的14個指標，基于遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，采用K-means聚類算法對自然資源綜合指數(shù)進行空間聚類確定區(qū)劃方案，結(jié)合“自上而下”演繹法和“自下而上”歸納法確定區(qū)劃等級，進行該區(qū)域1990和2018年不同時期自然資源綜合區(qū)劃邊界的確定。

(2)對1990、2000、2010和2018年的自然資源綜合區(qū)劃的聚類分析，結(jié)果表明，聚類結(jié)果符合青藏高原地區(qū)資源分布特征，采用“自上而下”演繹法和“自下而上”歸納法相結(jié)合的區(qū)劃思路和空間聚類分析方法是適用于自然資源綜合區(qū)劃的。

(3)1990和2018年針對青藏高原地區(qū)自然資源所做的綜合性區(qū)劃表明，區(qū)劃邊界受氣候、地貌、生態(tài)和人類活動等多方面的影響。其中氣候變化、沙漠化嚴重、生態(tài)類型復雜主要影響區(qū)劃范圍的確定。

(4)經(jīng)濟發(fā)展、人為活動、生態(tài)變化等因素同樣影響著自然資源，當前指標選取工作較為基礎，還存在數(shù)據(jù)缺失和分辨率不夠等問題。隨著全國自然資源綜合觀測體系不斷完善和時空大數(shù)據(jù)的建立，數(shù)據(jù)獲取能力、數(shù)據(jù)種類以及數(shù)據(jù)分辨率也不斷提高，自然資源綜合區(qū)劃的精度也將得到相應的提高。