牛澤鵬,王曉峰,羅廣祥,尹禮唱

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院,陜西 西安 710064;2.長(zhǎng)安大學(xué) 土地工程學(xué)院,陜西 西安 710064;3.陜西省土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710064;4.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地表層格局與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101)

生態(tài)區(qū)劃是基于空間異質(zhì)性和一致性，對(duì)生態(tài)地域和生態(tài)單元的形成發(fā)展、分異組合、劃分合并和相關(guān)聯(lián)系的一種地域綜合研究[1]，能夠?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)和環(huán)境管理政策的制定提供科學(xué)依據(jù)。近年來(lái)，隨著生態(tài)恢復(fù)工程的實(shí)施，尤其是山水林田湖草綜合治理，生態(tài)區(qū)劃研究逐漸成為地理學(xué)、生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。生態(tài)區(qū)劃對(duì)于促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與恢復(fù)、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展具有十分重要的意義[2]，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。早在1976年，美國(guó)生態(tài)學(xué)家Bailey[3]首先提出生態(tài)區(qū)劃的概念，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境管理提供了整體化空間認(rèn)知方式[4]。Schneider等[5]的全球城市生態(tài)分區(qū)方案，為全球和區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與管理起到關(guān)鍵的空間指引作用[6]。在中國(guó)，傅伯杰等[7]在理論上提出了中國(guó)生態(tài)區(qū)劃的目的、任務(wù)和特點(diǎn)，并在綜合分析中國(guó)生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)的基礎(chǔ)上首次編制了中國(guó)生態(tài)區(qū)劃方案，為中國(guó)生態(tài)環(huán)境治理奠定了基礎(chǔ)。歐陽(yáng)志云等[8]則首次完成了中國(guó)生態(tài)功能區(qū)劃，明確了對(duì)保障國(guó)家生態(tài)安全有重要意義的區(qū)域，為推進(jìn)優(yōu)化國(guó)土開(kāi)發(fā)格局提供了依據(jù)，而后，以“全國(guó)生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)調(diào)查與評(píng)估”為基礎(chǔ)，對(duì)《全國(guó)生態(tài)功能區(qū)劃》進(jìn)行了修編。特殊區(qū)域的綜合研究是目前地理學(xué)綜合研究的前沿領(lǐng)域[9]，彭建等[10]依循植被動(dòng)態(tài)一致性準(zhǔn)則，依據(jù)兩步篩選法，實(shí)現(xiàn)了黃土高原生態(tài)地理分區(qū)多種方案間的優(yōu)選。隨著第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究的實(shí)施，青藏高原的生態(tài)安全屏障體系優(yōu)化成為其重要的研究?jī)?nèi)容，開(kāi)展區(qū)域生態(tài)區(qū)劃，能為其提供優(yōu)化依據(jù)。近年來(lái)，基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的生態(tài)功能分區(qū)研究逐漸成為生態(tài)區(qū)劃的主流之一，其研究尺度從國(guó)家到省[4]、市[11]、縣域[12]，研究方法也從有限數(shù)據(jù)的半定量描述走向大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)。李雙成等[13]將SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于區(qū)劃研究中，指出基于SOFM網(wǎng)絡(luò)的分區(qū)具有劃分層次明顯、客觀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。分區(qū)邊界的識(shí)別與劃定是生態(tài)分區(qū)的重要環(huán)節(jié)，也是生態(tài)建設(shè)的基礎(chǔ)和依據(jù)。由于自然地域系統(tǒng)各要素間的非線性作用，實(shí)際工作中往往需要反復(fù)討論邊界位置及其合理性[14]?；谛姓^(qū)劃單元、流域單元等直接進(jìn)行聚類，可以得到較為清晰的分區(qū)邊界[15-16]。但這種方法忽視了基本單元內(nèi)部的地理空間差異，容易打破自然邊界[17]?；诟窬W(wǎng)尺度的分類與基于機(jī)器學(xué)習(xí)自主確定邊界的區(qū)劃方法保證了區(qū)域生態(tài)功能特征差異[14]，但是囿于算法復(fù)雜度不適合大范圍應(yīng)用[18]。王小丹等[19]運(yùn)用傳統(tǒng)的空間疊置法、相關(guān)分析法以及專家集成等方法將西藏高原劃分為三級(jí)生態(tài)功能區(qū)，但分區(qū)過(guò)程主觀性較強(qiáng)。景觀指數(shù)逐漸被引入分區(qū)方案的驗(yàn)證。彭建等[10]根據(jù)分區(qū)中的區(qū)域共軛性原則，提出基于景觀聚集度指數(shù)的優(yōu)選方法。分區(qū)方法的創(chuàng)新對(duì)分區(qū)結(jié)果的驗(yàn)證能夠確保地域劃分的客觀性、科學(xué)性，從而能有效指導(dǎo)區(qū)域的分區(qū)管治和和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[9]。在此研究背景下，本文嘗試基于柵格單元SOFM聚類結(jié)果，結(jié)合景觀聚集度指數(shù)優(yōu)選最佳聚類方案，然后依據(jù)所選分類方案，逐步合并流域單元確定分區(qū)邊界，以期保證區(qū)域內(nèi)部地理特征的一致性與分區(qū)邊界的合理性。

西藏自治區(qū)是青藏高原的核心地域和關(guān)鍵地帶，是國(guó)家生態(tài)屏障的重要組成部分，其生態(tài)環(huán)境綜合治理對(duì)提升當(dāng)?shù)厝祟惛ｌ碛兄匾?，也?duì)中國(guó)、東亞乃至亞洲均有重要的影響[20]。本研究對(duì)西藏自治區(qū)進(jìn)行生態(tài)功能分區(qū)，在地理信息系統(tǒng)的支持下，根據(jù)區(qū)域主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)構(gòu)建分區(qū)指標(biāo)體系，運(yùn)用自組織特征映射(SOFM)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行生態(tài)功能特征分類，通過(guò)DEM提取西藏自治區(qū)流域單元，最后在聚類結(jié)果的基礎(chǔ)上，逐步合并流域單元?jiǎng)澏ㄉ鷳B(tài)功能區(qū)邊界，為國(guó)家生態(tài)安全屏障建設(shè)以及高原生態(tài)環(huán)境分區(qū)管控提供基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

西藏自治區(qū)位于中國(guó)西南邊陲，青藏高原西南部。地處26°50′—36°53′N，78°25′—99°06′E之間。該區(qū)面積120.22 km2，約占全國(guó)總面積的1/8，平均海拔在4 000 m以上。氣候緯度地帶性和垂直地帶性明顯，從東南往西北為熱帶、亞熱帶、高原溫帶、高原亞寒帶和高原寒帶等氣候帶。年降水量由東南向西北逐漸減少，由東南部大于2 000 mm下降到西北地區(qū)不足100 mm，降水主要集中在5—9月，干濕季分明。復(fù)雜的自然環(huán)境、氣候條件和特殊的地理位置，使得西藏草地類型復(fù)雜多樣，區(qū)域植被多以高寒灌叢、高寒草甸、高寒荒漠草原、高寒草原、典型草原等類型為主[21]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括以下4大類。①矢量數(shù)據(jù)：西藏自治區(qū)2015年行政區(qū)劃邊界與河流數(shù)據(jù)，來(lái)源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.resdc.cn/)；②柵格數(shù)據(jù)：DEM來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.gscloud.cn/)，利用SRTM3 V4.1版本的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工得來(lái)，空間分辨率為90 m；2015年土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http:∥www.resdc.cn/)，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地和未利用地6個(gè)一級(jí)類；土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(http:∥www.fao.org/soils-portal/soil-survey/soil-maps-and-databases/harmonied-world-soil-datebase-v12/en/)，比例尺為1∶100萬(wàn)；歸一化植被指數(shù)(NDVI)來(lái)自于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)，是MODND1D月合成產(chǎn)品，然后利用最大值合成年度數(shù)據(jù)，空間分辨率為500 m；植被的凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)數(shù)據(jù)來(lái)源于NASA-USGS 平臺(tái)(https:∥lpdaac.usgs.gov/)，空間分辨率為250 m；生物多樣性維持?jǐn)?shù)據(jù)采用張路等[22]發(fā)布的2010年中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間數(shù)據(jù)集(http:∥www.sciencedb.cn/dataSet/handle/458)，空間分辨率為250 m；③氣象數(shù)據(jù)：溫度和降雨數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.gov.cn/)；④社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于2001—2016年《西藏統(tǒng)計(jì)年鑒》。所有基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)均統(tǒng)一處理為WGS 1984 Albers投影，重采樣為1 000 m。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)功能分區(qū)指標(biāo)體系 西藏自治區(qū)是中國(guó)重要的生態(tài)安全屏障區(qū)，也是中國(guó)生態(tài)建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域。本文根據(jù)其區(qū)域特點(diǎn)選取了生物多樣性維持、產(chǎn)水、固碳、土壤保持、食物供給5種生態(tài)功能構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，計(jì)算各生態(tài)功能指數(shù)。

(1) 生物多樣性維持。生物多樣性維持功能是反映生態(tài)系統(tǒng)在維護(hù)物種、生態(tài)系統(tǒng)多樣性等方面的能力[23]，是生態(tài)系統(tǒng)提供的最主要功能之一。生物多樣性保護(hù)重要性模擬數(shù)據(jù)以縣為單元，收集指示物種分布。滿足如下任一標(biāo)準(zhǔn)即選為指示物種：①中國(guó)特有并處于瀕危；②中國(guó)特有并處于受威脅狀態(tài)的物種；③絕大多數(shù)種群分布在中國(guó)，并處于瀕危；④絕大多數(shù)種群分布在中國(guó)，并處于受威脅狀態(tài)的物種；⑤其他具有特殊意義的動(dòng)植物物種、其他國(guó)家一級(jí)和二級(jí)保護(hù)動(dòng)植物。

(2) 產(chǎn)水。本文利用InVEST模型中的產(chǎn)水模塊，基于水量平衡法計(jì)算產(chǎn)水量，用降水量與實(shí)際蒸散量之差來(lái)表示[24]。計(jì)算公式為：

(1)

(2)

PEI(x)=KC(x)×ET0(x)

(3)

(4)

式中：WY為柵格單元x的產(chǎn)水量(mm)；P(x)為年降雨量(mm)；AET(x)為年實(shí)際蒸散量(mm)；PET(x)為年潛在蒸散量(mm)；KC(x)為作物蒸散發(fā)系數(shù)；ET0(x)為參考植被蒸散量(mm)；w(x)為自然氣候—土壤性質(zhì)的參數(shù)；AWC(x)為植物可利用含水量(mm)。

(3) 固碳。植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity，NPP)指綠色植物在單位時(shí)間、單位面積上積累的有機(jī)物數(shù)量，是由光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物總量扣除自身呼吸后剩余的部分[25]。本研究采用NPP數(shù)據(jù)表征研究區(qū)柵格尺度的固碳能力。

(4) 土壤保持。本文使用RUSLE模型計(jì)算土壤保持量，實(shí)際土壤侵蝕量和潛在土壤侵蝕量的差值即為土壤保持量[25]。實(shí)際土壤侵蝕量計(jì)算公式為:

Ar=R·K·LS·C·P

(5)

潛在土壤侵蝕量是假設(shè)無(wú)植被覆蓋且不采取任何水土保持措施下的土壤侵蝕量，將兩項(xiàng)因子數(shù)值設(shè)為1，計(jì)算公式為：

AP=R·K·LS

(6)

土壤保持量為二者之差，即：

ΔA=Ap-A

(7)

式中：Ar，Ap，ΔA分別為實(shí)際土壤侵蝕量、潛在土壤侵蝕量和土壤保持量〔t/(hm2·a)〕；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；LS為地形因子，其中，L為坡長(zhǎng)因子，S為坡度因子；C為植被覆蓋因子；P為水土保持措施因子。

(5) 食物供給。西藏自治區(qū)草地面積8.82×107hm2位于全國(guó)第二，是全國(guó)5大牧區(qū)之一，畜牧業(yè)作為西藏的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)[27]。考慮到草地和耕地是西藏自治區(qū)食物供給的主要來(lái)源，本文選取肉類產(chǎn)量與糧食產(chǎn)量作為食物供給服務(wù)的主要指標(biāo)，均以產(chǎn)量(t)來(lái)表示。農(nóng)作物、畜產(chǎn)品產(chǎn)量與地塊NDVI值之間具有顯著的線性關(guān)系[28]，因此可以將糧食產(chǎn)量、肉類產(chǎn)量基于NDVI值分別分配給耕地、草地柵格，對(duì)食物產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間化，最后將這個(gè)指標(biāo)歸一化后進(jìn)行疊加，得到食物供給的柵格數(shù)據(jù)。計(jì)算公式為：

(8)

式中：i為柵格序號(hào)；Gi為第i個(gè)柵格所分配的糧食或肉類產(chǎn)量；Gsum為糧食或肉類總產(chǎn)量；NDVIi為第i個(gè)柵格的NDVI值；NDVIsum為研究區(qū)NDVI值之和。

1.3.2 自組織特征映射網(wǎng)絡(luò) SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又稱自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)(self-organizing feature maps，SOFM)由芬蘭學(xué)者Kohonen教授[29]提出，它屬于非監(jiān)督人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì)外界未知環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)或者模擬，并對(duì)自身的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)的競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)而將其劃歸為不同的類別。SOFM學(xué)習(xí)規(guī)則是一種與大腦皮層競(jìng)爭(zhēng)(抑制)相似的算法。競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)中每一時(shí)刻只有一個(gè)輸出單元激活，或每組輸出單元中只有一個(gè)激活，輸出單元為了激活而競(jìng)爭(zhēng)，聚類中心映射到一個(gè)曲面或平面上，并且保持拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變，因此，它能根據(jù)學(xué)習(xí)規(guī)則對(duì)輸入的模式自動(dòng)進(jìn)行分類，降低了指標(biāo)和權(quán)重的主觀性，提高分類的客觀性和準(zhǔn)確性，在地理學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[30]。

SOFM網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過(guò)程：①權(quán)值初始化，用小的隨機(jī)數(shù)對(duì)各權(quán)向量賦予初值，各節(jié)點(diǎn)權(quán)值應(yīng)取為不一樣的。②在樣本集中隨機(jī)選擇一個(gè)樣本X作為輸入。③在時(shí)刻t，選擇最佳匹配單元i(競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程)。這里是選定輸入向量X與所有權(quán)向量之間的最不相似者作為勝單元，用歐氏距離表示W(wǎng)。其中，下標(biāo)c表示獲勝單元，則有：

(9)

本文運(yùn)用SOM Toolbox 2.0(http:∥www.cis.hut.fi/projects/somtoolbox/)工具箱在Matlab R2017年平臺(tái)訓(xùn)練SOFM網(wǎng)絡(luò)。除生物多樣性維持服務(wù)外，其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)計(jì)算2000，2005，2010和2015年4期數(shù)據(jù)求平均值，作為輸入層數(shù)據(jù)。初始權(quán)值為[0,1]的隨機(jī)數(shù)，基本學(xué)習(xí)速率為0.1，循環(huán)次數(shù)為200次，其他均采用默認(rèn)值。

利用SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)分區(qū)指標(biāo)進(jìn)行空間聚類，由于西藏已有分區(qū)方案[19]的分區(qū)在5個(gè)以上，考慮到區(qū)域空間分異表征準(zhǔn)確性及其刻畫細(xì)致性的需要，初始設(shè)置聚類類別數(shù)由5類逐一增加到12類。分類數(shù)目對(duì)最后的結(jié)果影響很大，可以根據(jù)分區(qū)單元的聚集度來(lái)篩選最優(yōu)分區(qū)方案。本研究具體選用景觀水平下的聚集度指數(shù)(aggregation index，AI)，綜合度量不同分區(qū)方案所劃定的各類型區(qū)域的空間聚集水平[31]。

(10)

式中：gii為斑塊類型i像元之間的節(jié)點(diǎn)數(shù)；maxgii為斑塊類型i像元之間的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)；Pi為斑塊類型i所占的面積比例。

1.3.3 提取子流域單元 運(yùn)用DEM數(shù)據(jù)，基于GIS水文分析方法提取流域單元，研究區(qū)共生成4 705個(gè)子流域。將DEM自動(dòng)提取的河網(wǎng)與現(xiàn)狀河流進(jìn)行空間對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者總體吻合較好(見(jiàn)圖1)。

圖1 西藏自治區(qū)子流域分布

1.3.4 分類到分區(qū)的轉(zhuǎn)換 將歸一化的指標(biāo)因子作為SOFM的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，在優(yōu)選聚類結(jié)果的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ArcGIS軟件中的合并圖斑工具逐步合并由DEM提取的子流域單元。在合并流域單元的過(guò)程中遵循以下原則：①面積占優(yōu)原則。當(dāng)流域單元內(nèi)部有多個(gè)類別柵格單元時(shí)，將其歸并為面積占優(yōu)的類別；②區(qū)域完整性原則。西藏是中國(guó)湖泊最多的地區(qū)，在合并流域單元時(shí)要保證湖泊的完整性；③區(qū)域共軛性原則。分區(qū)結(jié)果具有一定的空間連續(xù)性[4]，不能存在獨(dú)立于區(qū)域之外而又從屬于該區(qū)域的單元。

2 結(jié)果分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布格局

將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的歸一化0～1值作為功能指數(shù)，數(shù)值越大代表相應(yīng)服務(wù)功能越強(qiáng)。運(yùn)用GIS軟件中的自然間斷點(diǎn)分級(jí)法(Jenks)分為5個(gè)等級(jí)，分別代表高值區(qū)、中高值區(qū)、中值區(qū)、中低值區(qū)、低值區(qū)。由圖2可以看出，西藏自治區(qū)生物多樣性維持的高值區(qū)與中高值區(qū)主要分布在藏東南。此區(qū)域處于北熱帶季雨林、半常綠季雨林帶，相對(duì)西藏其他區(qū)域降雨豐富，植被類型多，生物多樣性豐富。中值區(qū)與中低值區(qū)分布廣泛，其中中值區(qū)主要分布在西北部與東部區(qū)域。低值區(qū)分布較少，主要在昌都地區(qū)。西藏自治區(qū)固碳呈現(xiàn)出從東南向西北遞減的趨勢(shì)。東南部地區(qū)屬于北熱帶季雨林區(qū)，屬于森林生態(tài)系統(tǒng)，固碳能力強(qiáng)，是明顯的高值區(qū)。中西部地區(qū)主要是高寒草原、高寒草甸等高寒植被分布區(qū)，相對(duì)于東南部的林地，其固碳的能力較弱。產(chǎn)水服務(wù)呈現(xiàn)東高西低的空間格局。高值區(qū)集中分布東南部，主要受降水分配格局與生態(tài)系統(tǒng)類型分布的影響，從而表現(xiàn)出明顯的區(qū)域分異特征，自東南向西北逐漸遞減在這與降水量由東南向西北逐漸減少的趨勢(shì)一致。山南地區(qū)南部、昌都地區(qū)與林芝地區(qū)為利用類型為林地，屬于北部熱帶季雨林帶，受到氣候與植被的影響，呈現(xiàn)出較高的產(chǎn)水量，而其他地區(qū)則比較低。西藏自治區(qū)的土壤保持整體水平較低，南部植被狀況良好，土壤保持量相對(duì)較高，主要分布在山南地區(qū)、林芝地區(qū)和昌都地區(qū)；中西部地區(qū)地形起伏大，植被覆蓋度低，土壤保持能力較弱。本文食物供給服務(wù)主要反映區(qū)域的肉類供給與糧食供給能力，食物供給中糧食產(chǎn)量分布比較集中，肉類產(chǎn)量分布相對(duì)較廣。高值區(qū)主要分布在中部區(qū)域，此區(qū)域主要是西藏最重要的河谷農(nóng)業(yè)區(qū)和商品糧基地。中值區(qū)與中低值區(qū)分布在西藏北部大部分地區(qū)，其主要土地利用類型為溫性草原與高寒草原，根據(jù)土地利用類型與食物供給量的函數(shù)關(guān)系，因此大面積分布為中值區(qū)與中低值區(qū)。東南部土地利用類型主要為林地，因此食物供給能力較弱，為低值區(qū)。

圖2 西藏自治區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)空間分布

2.2 生態(tài)功能類型劃分

本文使用Fragstats 4.2軟件計(jì)算每一種聚類結(jié)果的景觀聚集度指數(shù)。景觀聚集度隨著分類數(shù)目的增加而減少，5到12種分類結(jié)果的聚集度依次是79.27，76.53，76.61，74.09，73.71，71.54，71.63，71.63。依據(jù)聚集水平綜合考慮數(shù)據(jù)的可分區(qū)性，選擇分為5類作為分區(qū)依據(jù)，其分類結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，類別1主要分布在西藏北部，各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均在較低的水平；類別2主要分布在西藏中部，各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平也不高；類別3主要集中在東部地區(qū)，食物供給能力比較強(qiáng)；類別4與類別5集中分布在藏東南，主要為森林生態(tài)系統(tǒng)，生物多樣性維持能力均比較強(qiáng)。其中，類別4在藏西北也有分布，但相對(duì)于藏東南分布比較分散。

2.3 生態(tài)功能分區(qū)

由圖3可以看出各類別的聚集效果，但是邊界并不是十分清晰，因此尋求科學(xué)合理的劃分邊界方法十分必要。為合理劃分生態(tài)功能區(qū)，本文在聚類結(jié)果的基礎(chǔ)上，逐步合并子流域單元，最終得到各區(qū)域邊界，將西藏地區(qū)劃分為5個(gè)生態(tài)功能區(qū)(見(jiàn)圖4)。生態(tài)功能區(qū)的命名是生態(tài)功能分區(qū)結(jié)果的具體體現(xiàn)和標(biāo)識(shí)，是分區(qū)工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[19]。命名需要反映區(qū)域生態(tài)功能的特點(diǎn)，明晰不同分區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)敏感性的差異[32]。因此，根據(jù)分區(qū)聚類類型特征，西藏自治區(qū)生態(tài)功能區(qū)的命名均由地區(qū)名稱+地帶+生態(tài)功能區(qū)3部分組成。①藏北高寒荒漠草原生態(tài)脆弱區(qū)。該區(qū)主要包括藏北的阿里地區(qū)與那曲地區(qū)北部，屬于高寒荒漠草原地帶，占西藏總面積的43.91%。區(qū)域土地利用類型以草地和未利用地為主，分別占82.73%，12.94%(其中7.43%是裸巖石質(zhì)地)。固碳、產(chǎn)水、土壤保持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都屬于較低的水平。該區(qū)域地勢(shì)平緩開(kāi)闊，包括了羌塘國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，它是高寒荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的代表地區(qū)[33]，這里不僅有星羅棋布的湖泊，空曠無(wú)邊的草場(chǎng)以及雪山和冰川，而且有眾多的瀕危野生動(dòng)植物，是生態(tài)環(huán)境極為脆弱的區(qū)域[34]。②藏中草原牧業(yè)盈余區(qū)。該區(qū)主要包括日喀則地區(qū)與那曲地區(qū)中部，屬于高寒草原和溫性草原地帶，占西藏總面積的22.82%。區(qū)域土地利用類型以草地為主，占82.64%，其次為9.84%的未利用地(其中8.22%是裸巖石質(zhì)地)。盡管耕地面積只占區(qū)域面積的0.54%，但是占整個(gè)西藏耕地面積的32.26%。除食物供給服務(wù)相對(duì)較高外，其他服務(wù)水平均比較低。該區(qū)主要為草地，地形起伏比較平緩，適合高原畜牧業(yè)發(fā)展，是西藏的主要牧區(qū)。西藏整體生態(tài)環(huán)境都比較脆弱，因此，更需要合理放牧與進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，防治生態(tài)環(huán)境的破壞。③藏東亞熱帶山地針葉林農(nóng)牧產(chǎn)品供給區(qū)。該區(qū)主要包括拉薩市、那曲地區(qū)東部與昌都地區(qū)，跨溫性草原、高寒草甸、溫性針葉林等多種地帶，占西藏總面積的17.94%。區(qū)域土地利用類型以草地、未利用地為主，分別占67.99%，17.11%(其中主要為16.23%的裸巖石質(zhì)地)。雖然該區(qū)的耕地面積僅占1.05%，但是卻占整個(gè)西藏耕地面積的49.63%。該區(qū)水熱條件較好，是西藏的河谷農(nóng)業(yè)區(qū)與商品糧基地，是西藏主要糧食產(chǎn)區(qū)，食物供給服務(wù)處于很高的水平。④藏東南亞熱帶山地針葉林產(chǎn)水區(qū)。該區(qū)主要包括林芝市北部、昌都地區(qū)南部以及山南地區(qū)的小部分區(qū)域，大部分區(qū)域?qū)儆趤啛釒降睾疁匦葬樔~林地帶，占西藏總面積的7.65%。區(qū)域土地利用類型林地、草地、水域均分布較廣，分別占30.86%，25.61%和8.11%，但同時(shí)也分布有35.04%的裸巖石質(zhì)地。該區(qū)域地貌主要為橫斷山地，高山深谷，水源豐富[35]，區(qū)域生物多樣性維持、產(chǎn)水服務(wù)都處于較高的水平。⑤藏東南熱帶季雨林生物多樣性保護(hù)區(qū)。該區(qū)主要包括山南地區(qū)的南部與林芝市的南部地區(qū)，屬于北熱帶季雨林帶與半常綠季雨林帶，占西藏總面積的7.68%。區(qū)域土地利用類型以林地為主，占74.00%，其次為裸巖石質(zhì)地，占13.71%。區(qū)域生物多樣性維持、固碳等服務(wù)水平很高。該區(qū)與國(guó)家重點(diǎn)生物多樣性保護(hù)區(qū)范圍基本一致，這從側(cè)面也證明了本研究分區(qū)結(jié)果的合理性。

圖3 西藏自治區(qū)SOFM分類

注：Ⅰ為藏北高寒荒漠草原生態(tài)脆弱區(qū)；Ⅱ?yàn)椴刂胁菰翗I(yè)盈余區(qū)；Ⅲ為藏東亞熱帶山地針葉林農(nóng)牧產(chǎn)品供給區(qū)；Ⅳ為藏東南亞熱帶山地針葉林產(chǎn)水區(qū)；Ⅴ為藏東南熱帶季雨林生物多樣性保護(hù)區(qū)。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

本研究從流域單元出發(fā)，生態(tài)功能分區(qū)結(jié)果不僅能夠反映西藏的生態(tài)系統(tǒng)整體特征，并且與西藏的縣域功能定位有較大的契合性。如西藏將各縣主要分為糧食基地縣、農(nóng)業(yè)縣、半農(nóng)半牧縣、牧業(yè)縣、“一江兩河”經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)縣等，其縣域功能定位與部分生態(tài)服務(wù)功能相契合。Ⅰ藏北高寒荒漠草原生態(tài)脆弱區(qū)包括了羌塘國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，該區(qū)也是國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)的生態(tài)脆弱區(qū)；Ⅱ藏中草原牧業(yè)盈余區(qū)與西藏主要牧業(yè)區(qū)相契合；Ⅲ藏東亞熱帶山地針葉林農(nóng)牧產(chǎn)品供給區(qū)與西藏的主要糧食產(chǎn)區(qū)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)相契合；Ⅳ藏東南亞熱帶山地針葉林產(chǎn)水區(qū)與西藏主要水源區(qū)相契合；Ⅴ藏東南熱帶季雨林生物多樣性保護(hù)區(qū)與國(guó)家重點(diǎn)生物多樣性保護(hù)區(qū)的邊界基本一致。

將本研究的區(qū)劃結(jié)果與《全國(guó)生態(tài)功能區(qū)劃》(修編版)以及王小丹等[19]西藏高原的區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以看出，在指標(biāo)體系上，王小丹等選擇了主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)敏感性因子，而本研究與《全國(guó)生態(tài)功能區(qū)劃》(修編版)則主要側(cè)重于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，并且均包含了食物供給這一功能；在區(qū)劃邊界范圍上，本研究與已有研究有所差異，但是所反映的主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能大致相同(見(jiàn)表1)。導(dǎo)致差異的主要原因是本研究與已有研究在指標(biāo)因子的選擇與計(jì)算、基本分區(qū)單元以及分區(qū)方法的不同。

表1 本研究與已有研究區(qū)劃結(jié)果對(duì)比

SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變性，是一種較好的非監(jiān)督分類方法，可以避免權(quán)重確定的主觀性等問(wèn)題，但是無(wú)法直接確定最佳分類數(shù)，需要根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容與經(jīng)驗(yàn)自行判斷，因此，這也是本文存在的不足之處。與以往直接基于縣域單元或流域單元作為SOFM網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)不同，本文首先考慮區(qū)域內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異性，保證分類結(jié)果的相對(duì)準(zhǔn)確性，基于比較精確的柵格單元作為SOFM網(wǎng)絡(luò)的輸入數(shù)據(jù)。但隨著數(shù)據(jù)精度越高不可避免分類結(jié)果的破碎程度越大，各類別之間沒(méi)有清晰的邊界。本文通過(guò)提取流域單元逐步合并得到各分區(qū)的邊界，在此過(guò)程中考慮到了區(qū)域完整性，保證了分區(qū)邊界上湖泊不被分割，但此方法較為耗時(shí)。因此，如何更加客觀、合理地確定區(qū)劃邊界，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)研究適合不同數(shù)據(jù)類型、不同尺度區(qū)域的分區(qū)技術(shù)與方法是需要相關(guān)研究者共同考慮的問(wèn)題。

3.2 結(jié) 論

(1) 西藏自治區(qū)主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)整體上呈現(xiàn)出從東南向西北遞減的格局。其中，生物多樣性維持的高值區(qū)集中分布在藏東南熱帶季雨林帶；固碳的高值區(qū)主要分布在藏東南與東部橫斷山區(qū)；產(chǎn)水服務(wù)的高值區(qū)主要分布在東南部；土壤保持整體水平較低，高值區(qū)主要分布在東南部；食物供給的高值區(qū)主要分布在拉薩市、那曲地區(qū)東部與昌都地區(qū)等區(qū)域。

(2) 西藏自治區(qū)可劃分為藏北高寒荒漠草原生態(tài)脆弱區(qū)、藏中草原牧業(yè)盈余區(qū)、藏東亞熱帶山地針葉林農(nóng)牧產(chǎn)品供給區(qū)、藏東南亞熱帶山地針葉林產(chǎn)水區(qū)和藏東南熱帶季雨林生物多樣性保護(hù)區(qū)5個(gè)生態(tài)功能區(qū)。各分區(qū)特征明顯，分區(qū)結(jié)果在一定程度上能夠體現(xiàn)西藏生態(tài)功能的分布特點(diǎn)，以期為西藏生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域綜合認(rèn)知和空間綜合治理提供理論依據(jù)。