基于博弈論賦權(quán)生態(tài)敏感性評價(jià)的生態(tài)安全格局構(gòu)建研究

史明遠(yuǎn),王邦鑒,張 麗

(吉林建筑大學(xué) 測繪與勘查工程學(xué)院,吉林 長春 130118)

近年來,遼通地區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱,該區(qū)域?yàn)槲覈鴸|北地區(qū)重要生態(tài)屏障,區(qū)域內(nèi)物種資源豐富,生態(tài)元素分布廣泛[1-5],但是隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展,環(huán)境資源利用負(fù)荷大,急需開展生態(tài)安全格局的研究分析。生態(tài)安全格局主要維護(hù)區(qū)域生態(tài)過程的聯(lián)通性和完整性[6-9],構(gòu)建生態(tài)安全格局是保護(hù)生態(tài)安全的有效渠道,再加之遼通地區(qū)具有豐富的自然資源和經(jīng)濟(jì)社會條件,本文以吉林省東部遼通地區(qū)(遼源市和通化市)作為研究對象,采用2020年的遙感數(shù)據(jù)和生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)來構(gòu)建生態(tài)敏感性評價(jià)因子體系,在各單因子構(gòu)建的綜合生態(tài)敏感性評價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上提取生態(tài)源地,利用阻力因子疊加構(gòu)建阻力面,利用最小累計(jì)阻力模型提取生態(tài)廊道,最終形成生態(tài)安全格局。該格局可以為遼通地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供借鑒,能有效緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾關(guān)系,對保護(hù)遼通地區(qū)的生態(tài)安全有重大意義[10-14]。

1 評價(jià)體系構(gòu)建

基于生態(tài)敏感性評價(jià)體系的相關(guān)研究,如王紫薇等[1]為了探索泥河流域生態(tài)系統(tǒng)在綜合治理30年后的敏感性特征,構(gòu)建生態(tài)敏感性評價(jià)體系對其敏感性進(jìn)行評價(jià),其中植被覆蓋度和土壤侵蝕度為最主要的影響因素。袁君夢等[15]通過構(gòu)建基于水體、植被、地形3類因子為基礎(chǔ)的生態(tài)敏感性指標(biāo)體系,來劃分秦淮河流域的水生生態(tài)敏感區(qū),并對差異化敏感程度提出了相關(guān)建議和措施。李芮芝[16]在保護(hù)動植物生境狀況的基礎(chǔ)上,建立了保護(hù)動植物的生態(tài)敏感性評價(jià)體系,對韶關(guān)南雄市自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行生態(tài)敏感性評價(jià),并進(jìn)行了相關(guān)的生態(tài)功能區(qū)劃。其中李芮芝等人以生物多樣性的方式去構(gòu)建生態(tài)敏感性評價(jià)體系,缺乏人與自然的關(guān)聯(lián)性,沒有從人與自然的角度思考生態(tài)問題,也沒有圍繞人與自然共同發(fā)展的方式開展研究。而本文主要從人與自然和諧共生的角度出發(fā),注重生態(tài)化發(fā)展,開展生態(tài)旅游,倡導(dǎo)用生態(tài)來帶動經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

采用特爾斐專家評價(jià)法[5]邀請15位生態(tài)環(huán)境學(xué)專家從社會性、自然性2大維度進(jìn)行指標(biāo)的選擇,選取出具有代表性的指標(biāo)因子,共確定了水域、坡向、地表含水率、地表溫度、土地利用5個(gè)評價(jià)指標(biāo),來構(gòu)建遼通地區(qū)的敏感性指標(biāo)評價(jià)體系。再利用ArcGIS自然間斷劃分方式,將各評價(jià)因子進(jìn)行屬性分級,敏感等級依據(jù)特爾斐專家評價(jià)法進(jìn)行劃分,將敏感性劃分為不敏感、低度敏感、中度敏感、高度敏感、極度敏感5個(gè)等級(表1),并對應(yīng)采用1、3、5、7、9進(jìn)行敏感性賦值。遼通地區(qū)各單因子和綜合生態(tài)敏感性分布如圖1所示。

圖1 遼通地區(qū)各單因子和綜合生態(tài)敏感性分布Fig.1 Distribution of single factor and comprehensive ecological sensitivity in Liaotong area

表1 遼通地區(qū)評價(jià)因子指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation factor index system of Liaotong region

2 因子賦值權(quán)重

基于主客觀相結(jié)合的博弈論組合賦權(quán)法來求得評價(jià)因子權(quán)重[3],此方法指分析多個(gè)決策主體行為相互作用時(shí)的理性行為及其決策均衡的問題。決策過程中,博弈雙方協(xié)調(diào)一致的去尋找共同最大利益時(shí),會出現(xiàn)達(dá)成共識,故而找最小組合權(quán)重向量與各個(gè)權(quán)重向量之間的差異[8],使得差異之和達(dá)到最小化,最終實(shí)現(xiàn)共同利益最大化。通過博弈論組合賦權(quán)法得出的因子權(quán)重分別為:水域0.29;坡向0.26;地表含水率0.17;地表溫度0.15;土地類型0.13。具體計(jì)算公式如下。

基于博弈論組合賦權(quán)法,設(shè)一個(gè)權(quán)重向量Y={y1,y2,…yn},其線性組合,見式(1):

(1)

其中,ak為權(quán)重系數(shù)且大于0,并對線性組合系數(shù)ak進(jìn)行優(yōu)化,在所有可能發(fā)生的線性組合中找到合適的Y*,目的是為了求得y和每個(gè)yk的離差最小化,見式(2):

(2)

由矩陣的微分學(xué)理論可知,求得式(2)的最優(yōu)一階導(dǎo)函數(shù),并將其寫為微分方程組的形式,見式(3):

(3)

解出微分方程組并歸一化,得出博弈論組合權(quán)重值,見式(4):

(4)

3 評價(jià)結(jié)果分析

水系保護(hù)數(shù)據(jù)(水域)和生境保護(hù)數(shù)據(jù)(坡向、地表含水率、地表溫度)均來源于地理空間數(shù)據(jù)云所獲取的Landsat8遙感影像與DEM數(shù)據(jù)分析處理,社會保護(hù)數(shù)據(jù)(土地利用)則是通過《全球地表覆蓋網(wǎng)站》獲取得到,空間分辨率均為30 m×30 m,并對以上3類5種生態(tài)因子的生態(tài)敏感性進(jìn)行評價(jià),通過自然間斷點(diǎn)重分類劃分等級,評價(jià)結(jié)果如圖1(a)—(e)所示?；谒当Ｗo(hù)的水域敏感性差異明顯,敏感性由西北和東南兩端向中心依次遞減,其中極度敏感區(qū)域主要分布于研究區(qū)西北部、東南部,中高度敏感區(qū)域主要分布研究區(qū)中部,低值敏感區(qū)分布于研究區(qū)中北部;基于生境保護(hù)的敏感性空間差異明顯,這與坡向、地表溫度[9]、地表含水率有關(guān);基于社會保護(hù)的敏感性空間差異明顯,這與土地利用類型有關(guān)。把單項(xiàng)生態(tài)因子指標(biāo)按照賦予的權(quán)重進(jìn)行相加求和得到研究區(qū)生態(tài)敏感性綜合評價(jià)結(jié)果,加權(quán)求和,計(jì)算公式見式(5),并按自然間斷點(diǎn)法進(jìn)行分級賦值生成等級區(qū)劃評價(jià)圖[4],如圖1(f)所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)由敏感性評價(jià)結(jié)果(表2)知,不敏感面積占比10%,主要集中分布于研究區(qū)西北部東豐縣周圍;低度敏感面積占比16%,主要分布于研究區(qū)中北部地區(qū);中度敏感面積占比25%,集中分布于研究區(qū)中部和西部地區(qū);高度敏感面積占比27%,研究區(qū)均有分布,集中分布于中部地區(qū);極度敏感面積占比22%,主要分布于東南部地區(qū)。整體敏感性以高度敏感為主[17],由北向南綜合生態(tài)敏感性越來越高,東南部地區(qū)敏感性最高[1]。

表2 生態(tài)敏感性評價(jià)結(jié)果Tab.2 Results of ecological sensitivity assessment

(5)

式中,P為易發(fā)性數(shù)值;Wi為評價(jià)因子Hi的權(quán)重值;Hi為各單因子重分類后分級量化值。

4 生態(tài)安全格局

4.1 生態(tài)源地

提取綜合生態(tài)敏感性評價(jià)結(jié)果中的極度敏感和高度敏感作為生態(tài)源地,中度敏感和低度敏感作為一般生態(tài)源地,不敏感作為非生態(tài)源地,生態(tài)源地面積為58 189.28 km2,占比49.23%,一般生態(tài)用地面積為54 863.26 km2,占比40.90%,非生態(tài)用地面積10 856.93 km2,占比9.87%,研究區(qū)內(nèi)生態(tài)源地?cái)?shù)量由南向北逐漸遞減,反映了南部地區(qū)植被覆蓋較高,生態(tài)敏感性較高,而中北部地區(qū)植被覆蓋較少,生態(tài)敏感性普遍較低。

4.2 生態(tài)阻力面

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知,前人選取阻力因子更多的是考慮自然環(huán)境因素去構(gòu)建生態(tài)阻力面,如李靜等[18]為了構(gòu)建以生物多樣性保護(hù)為主的北戴河新區(qū)景觀安全格局,選取了水體、林地、植被等自然環(huán)境因素阻力因子,沒有從人與自然的共同發(fā)展的角度看待生態(tài)問題,缺乏生態(tài)化發(fā)展的新思維。而本文就從人與自然和諧發(fā)展的角度選取了高程、坡度、地形起伏、植被覆蓋率、水域緩沖區(qū)、道路緩沖區(qū)、土地利用7個(gè)與遼通地區(qū)相適宜阻力因子,分級賦值、博弈論確定權(quán)重、加權(quán)疊加形成生態(tài)阻力面,具體的生態(tài)阻力權(quán)重參數(shù)見表3。

表3 生態(tài)阻力權(quán)重參數(shù)表Tab.3 Weight parameters table of ecological resistance

各單因子生態(tài)阻力值如圖2所示,高程、坡度、地形起伏阻力值大致呈南高北低趨勢,其中低阻力值占50%以上;植被覆蓋率阻力值以低阻力為主,幾乎占研究區(qū)80%以上,高阻力值集中于東北部;水域、道路緩沖區(qū)高阻力值集中分布于中部,低阻力值分布于西北、東南部;土地利用阻力值由西北向東南遞減,其中以低阻力值為主。生態(tài)源地、生態(tài)廊道和阻力面、生態(tài)安全格局分布如圖3所示。由圖3(b)可知,綜合生態(tài)阻力值整體北高南低,高生態(tài)阻力值主要分布于東北地區(qū),低阻力主要分布于東南地區(qū),側(cè)面得出東南地區(qū)以森林濕地為主,東北地區(qū)以耕地為主。

圖2 遼通地區(qū)各單因子阻力分布Fig.2 Distribution of each single factor resistance in Liaotong area

圖3 生態(tài)源地、生態(tài)廊道和阻力面、生態(tài)安全格局分布Fig.3 Distribution map of ecological source,ecological corridor,resistance surface and ecological security pattern

4.3 生態(tài)廊道

基于最小累計(jì)阻力模型的相關(guān)研究,如劉道飛等[12]運(yùn)用最小累計(jì)阻力模型對土地利用類型進(jìn)行了劃分,劃定了林地、濕地、草地、水域4類核心生態(tài)空間,構(gòu)建起“三帶兩區(qū),五脈連江、林田相間”的區(qū)域生態(tài)安全格局。位宏等[13]在利用GIS分析博斯騰湖流域結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上,運(yùn)用最小累計(jì)阻力模型對其景觀進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià),并提出相應(yīng)優(yōu)化措施。尹發(fā)能等[17]利用遙感技術(shù)和最小累計(jì)阻力模型對四湖流域進(jìn)行景觀生態(tài)規(guī)劃,并對景觀要素進(jìn)行相應(yīng)的劃分。以上學(xué)者均以最小累計(jì)阻力模型為基礎(chǔ),局限于小范圍的自然景觀和土地資源區(qū)域劃分。而本次研究秉持人與自然和諧發(fā)展的理念,把最小累計(jì)阻力模型運(yùn)用到生態(tài)安全格局中,定位并提取出生態(tài)廊道,構(gòu)建出有利于遼通地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)安全格局。

生態(tài)廊道是多個(gè)生態(tài)源能量流通的主要通道,起到保護(hù)和恢復(fù)生物多樣性的功能作用。由于相鄰生態(tài)源地之間連接有最小阻力生態(tài)通道的特征,本次建立最小累計(jì)阻力模型(RMC)計(jì)算出生態(tài)源地間最小累計(jì)阻力值路徑來提取生態(tài)廊道,計(jì)算公式見式(6):

(6)

式中,RMC為生態(tài)源地間某點(diǎn)的最小累計(jì)阻力值;fmin為最小阻力值與生態(tài)過程之間正相關(guān)函數(shù);Dαβ為生態(tài)物源β到景觀單元α之間空間距離;Rα為示物種通過景觀單元α的阻力值。

生態(tài)廊道主要起一個(gè)物種之間遷移、交流,生態(tài)物種資源修復(fù)的紐帶作用。本次基于生態(tài)源地和阻力面,再通過構(gòu)建最小累計(jì)阻力模型計(jì)算最小累計(jì)阻力(GIS距離分析建立最小成本路徑),提取生態(tài)廊道。經(jīng)統(tǒng)計(jì),遼通地區(qū)生態(tài)源地間共有1 257條生態(tài)廊道,總長度為10 679.90 km,廣泛分布于研究區(qū)四周,如圖3(b)所示。

由圖3可以看出,大部分東部和中部的生態(tài)廊道長度大于研究區(qū)西部,西部的生態(tài)廊道長度為2 233.54 km,占比23%,其中西北部東遼縣生態(tài)廊道長度為523.29 km,占整個(gè)生態(tài)廊道的5%。中部的生態(tài)廊道長度為2 113.73 km,占比21%,其中中北部的梅河口市生態(tài)廊道長度為652.80 km,占整個(gè)生態(tài)廊道的6%。而東部的生態(tài)廊道長度為4 024.93 km,占比40%,其中柳河縣生態(tài)廊道長度為755.85 km,占整個(gè)生態(tài)廊道的8%。生態(tài)廊道由中心向四周發(fā)散,最大限度地提高了生態(tài)源地之間的流通性。

4.4 生態(tài)安全格局構(gòu)建

生態(tài)安全格局是在一定的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施的條件下,由相互對立、功能各異的生態(tài)源地單元和結(jié)合生態(tài)廊道構(gòu)成,對保護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)起重要的作用,從而形成區(qū)域性生態(tài)安全格局[2],如圖3(c)所示。

生態(tài)源地主要分布在植被覆蓋率高、水系發(fā)達(dá)的南部地區(qū);生態(tài)廊道由中部向東北、西北、南部等方向發(fā)散延伸,呈由“中心向四周”樹枝狀的分布格局[11],形成了“一廊三圈”的生態(tài)安全格局[6],“三圈”分別指南部、西北部、東北部的生態(tài)圈;“一廊”指由中心向四周連接的生態(tài)走廊。其中,西北、東北部生態(tài)圈在于減緩城市之間的擴(kuò)展速度,提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,南部生態(tài)圈以水土保持、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)多樣性為主,中部走廊保障三個(gè)生態(tài)圈在生態(tài)物質(zhì)交換過程中的暢通性?；诖藰?gòu)造“一廊三圈”生態(tài)安全格局來提升遼通地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平,促進(jìn)各區(qū)域生態(tài)安全良好運(yùn)行,加強(qiáng)區(qū)域生態(tài)安全保護(hù),并助力遼通地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

5 結(jié)論

本文以吉林省東部遼通地區(qū)作為研究區(qū),分析生態(tài)敏感性評價(jià)結(jié)果,確定生態(tài)保護(hù)安全空間,進(jìn)而識別出生態(tài)源地。通過地形地貌(高程、坡度、地形起伏)、自然環(huán)境(植被覆蓋率、水域緩沖區(qū))、社會發(fā)展(道路緩沖區(qū)、土地利用)確定的生態(tài)阻力值,構(gòu)建綜合生態(tài)阻力面,用最小阻力模型提取出生態(tài)廊道,再結(jié)合遼通地區(qū)的實(shí)際空間地理位置,最終形成遼通地區(qū)生態(tài)安全格局,結(jié)論如下。

(1)通過遼通地區(qū)進(jìn)行因子選取、確定權(quán)重、加權(quán)求和得出遼通地區(qū)生態(tài)敏感性評價(jià)結(jié)果,整體敏感性以高度敏感為主,由北向南敏感性越來越高,尤其東南部地區(qū)敏感性最高。其中,不敏感面積占比10%,集中分布于研究區(qū)西北部;低度敏感面積占比16%,主要分布于研究區(qū)中北部地區(qū);中度敏感面積占比25%,集中分布于研究區(qū)中部和西部地區(qū);高度敏感面積占比27%,研究區(qū)均有分布,集中分布于中部地區(qū);極度敏感面積占比22%,主要分布于東南部地區(qū)。

(2)通過研究表明遼通地區(qū)生態(tài)源地占比49.23%,一般生態(tài)用地占比40.90%,非生態(tài)用地僅占9.87%,生態(tài)源地?cái)?shù)量由南向北逐漸遞減,反映了南部地區(qū)植被覆蓋好,生態(tài)敏感性較高,而中北部地區(qū)植被覆蓋差,生態(tài)敏感性較低。

(3)通過選取地形地貌(高程、坡度、地形起伏)、自然環(huán)境(植被覆蓋率、水域緩沖區(qū))、社會發(fā)展(道路緩沖區(qū)、土地利用)7個(gè)阻力因子并分級賦值、博弈論賦權(quán)、加權(quán)疊加形成生態(tài)綜合阻力面,整體阻力值北高南低,高阻力主要分布于東北地區(qū),低阻力分主要布于東南地區(qū)。

(4)通過構(gòu)建最小累計(jì)阻力模型計(jì)算出最小累計(jì)阻力值,提取出生態(tài)廊道,最終建立了“一廊三圈”的生態(tài)安全格局。此格局促使遼通地區(qū)生態(tài)安全良好運(yùn)行,為生態(tài)環(huán)境保護(hù)和旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考指南,在后期研究和探討過程中,還需要進(jìn)一步地小和精確研究范圍,精準(zhǔn)構(gòu)建生態(tài)安全格局。