黃莉， 劉曉煌， 劉玖芬， 劉曉潔， 張海燕

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)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(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101;4.自然資源要素耦合過程與效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100055)

0 引言

改革開放以來，我國社會經(jīng)濟(jì)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(yán)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(jì)發(fā)展的關(guān)系，促進(jìn)生態(tài)文明的建設(shè)成為當(dāng)務(wù)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(rèn)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(guān)系的重要前提，因此，進(jìn)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(luò)臺站的部署等工作提供支撐[3]。

20世紀(jì)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(jìn)行了綜合自然地理區(qū)劃，為綜合自然區(qū)劃奠定了基礎(chǔ)。隨著“3S”技術(shù)(RS、GIS 和GPS)、數(shù)據(jù)挖掘等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國學(xué)者按照不同的研究方法、區(qū)劃尺度、技術(shù)手段等進(jìn)行研究： 20世紀(jì)20到50年代，由于條件的限制，區(qū)劃以定性方法為主，學(xué)者們采取經(jīng)驗(yàn)法對自然地理進(jìn)行區(qū)劃[6-8]； 20世紀(jì)50年代后，地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科的交互發(fā)展，應(yīng)用技術(shù)手段從以實(shí)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(yàn)的基礎(chǔ)上，通過指標(biāo)法進(jìn)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(jī)器學(xué)習(xí)[14-15]等進(jìn)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(jìn)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(fù)雜的青藏高原研究較少。

青藏高原地區(qū)被譽(yù)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(shè)的重點(diǎn)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(fù)雜性，擁有特殊的高原植被類型，因此，在學(xué)習(xí)和繼承前人區(qū)劃工作研究成果的基礎(chǔ)上，本文運(yùn)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(gè)自然資源指標(biāo)，對青藏高原地區(qū)進(jìn)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(fù)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(gè)湖泊，故有“亞洲水塔”之稱[18]。其氣候和環(huán)境復(fù)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(jī)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(shè)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(yīng)針對多要素、多尺度、多視角的要素，同時(shí)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(jìn)行區(qū)域的劃分，也要對過程和類型研究進(jìn)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(chǔ)，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(diǎn)； 自然資源系統(tǒng)耦合人類需求與資源供給，人地關(guān)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(guān)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(jìn)自然資源配置的優(yōu)化，使其利用效率最大化，進(jìn)而充分發(fā)揮自然資源價(jià)值的同時(shí)，也要考慮自然資源的發(fā)展演化，預(yù)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(chǔ)的凝練，總結(jié)出地域分異規(guī)律、人地關(guān)系地域系統(tǒng)、資源環(huán)境承載力、資源配置、區(qū)域經(jīng)濟(jì)和發(fā)展預(yù)測等理論。

區(qū)劃原則是區(qū)劃制定過程中所要遵循的準(zhǔn)則，是為了確保合理而實(shí)用的自然地理區(qū)劃是否成功的關(guān)鍵。按照國家自然資源體系建設(shè)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(fù)雜，一個(gè)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(dǎo)資源，需要考慮自然資源利用效率最大化，從而實(shí)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(jìn)行自然資源綜合區(qū)劃時(shí)，要充分考慮自然資源系統(tǒng)性和整體性的特點(diǎn)； 隨著技術(shù)的發(fā)展，我國的區(qū)劃需要緊跟時(shí)代的步伐，結(jié)合新手段、新技術(shù)，開創(chuàng)新思路、新方法?；诖耍匀毁Y源綜合區(qū)劃應(yīng)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(biāo)是： 為掌握我國各類自然資源的空間分布位置，為實(shí)施合理的國土空間規(guī)劃提供依據(jù)； 用于指導(dǎo)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(shí)現(xiàn)山水林田湖草的整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)，保障國家的生態(tài)安全提供基礎(chǔ)依據(jù)。

在明確區(qū)劃對象與目標(biāo)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(jìn)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(biāo)選取時(shí)要特別注意尺度問題： 在空間尺度上，選取的指標(biāo)要能夠體現(xiàn)其在不同單位等級系統(tǒng)上的強(qiáng)弱程度； 在時(shí)間尺度上，除靜態(tài)的指標(biāo)之外，還應(yīng)考慮具有時(shí)效性的動態(tài)指標(biāo)。

本文結(jié)合定量計(jì)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(jìn)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(biāo)是綜合要素劃分，從而使所有組的每一個(gè)組中要素之間的差異達(dá)到最小化，最終實(shí)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(biāo)以解決各指標(biāo)之間的相關(guān)性問題，在收集、整合原有區(qū)劃成果的基礎(chǔ)上，選取具體指標(biāo)，采用相應(yīng)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(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)(表1)。其中地形地貌數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)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(jì)算并提取出青藏高原地區(qū)海拔高度與坡度指標(biāo)。氣象數(shù)據(jù)是基于全國1 915個(gè)站點(diǎn)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(yùn)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(xué)院資源環(huán)境科學(xué)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(xué)院資源環(huán)境科學(xué)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(biāo)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(gè)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(jì)算公式為

，

(1)

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

2.3.3 各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

結(jié)合各個(gè)指標(biāo)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(biāo)的相對權(quán)重，基于專家評判確定最終指標(biāo)(表2)。

表2 青藏高原自然資源綜合指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

(續(xù)表)

2.3.4 空間聚類分析

將標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)乘以各自權(quán)重計(jì)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(jìn)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(jì)算公式為

，

(2)

式中：Wi為i圖層的權(quán)重；Si為第i個(gè)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(jìn)行調(diào)整，生成4期動態(tài)區(qū)劃，并以地表主導(dǎo)資源(林草)空間差異性為依據(jù)，進(jìn)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(shí)間的青藏高原自然資源綜合區(qū)劃劃分為9個(gè)亞級自然資源綜合區(qū)、19個(gè)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(kuò)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(jì)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(dá)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(jì)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(jì)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(dǎo)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(fēng)、低氧、輻射強(qiáng)以及晝夜溫差大的氣候特點(diǎn)[24]，隨著城市化進(jìn)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(dǎo)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(fēng)，且大風(fēng)持續(xù)時(shí)間長，大部分地區(qū)大風(fēng)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(fēng)蝕氣候侵蝕力強(qiáng)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(dá)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(biāo)選取中選取包含冰川積雪在內(nèi)的14個(gè)指標(biāo)，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(jìn)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(jìn)行該區(qū)域1990和2018年不同時(shí)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(yán)重、生態(tài)類型復(fù)雜主要影響區(qū)劃范圍的確定。

(4)經(jīng)濟(jì)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(dāng)前指標(biāo)選取工作較為基礎(chǔ)，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(shí)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(yīng)的提高。