基于SOFM網(wǎng)絡的西藏自治區(qū)流域尺度生態(tài)功能分區(qū)

牛澤鵬,王曉峰,羅廣祥,尹禮唱

(1.長安大學 地球科學與資源學院,陜西 西安 710064;2.長安大學 土地工程學院,陜西 西安 710064;3.陜西省土地整治重點實驗室,陜西 西安 710064;4.中國科學院 地理科學與資源研究所 陸地表層格局與模擬院重點實驗室,北京 100101)

生態(tài)區(qū)劃是基于空間異質性和一致性，對生態(tài)地域和生態(tài)單元的形成發(fā)展、分異組合、劃分合并和相關聯(lián)系的一種地域綜合研究[1]，能夠為生態(tài)環(huán)境建設和環(huán)境管理政策的制定提供科學依據(jù)。近年來，隨著生態(tài)恢復工程的實施，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、生態(tài)學等領域的研究熱點。生態(tài)區(qū)劃對于促進生態(tài)系統(tǒng)的保護與恢復、推動經(jīng)濟社會與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展具有十分重要的意義[2]，引起了國內外學者的廣泛關注。早在1976年，美國生態(tài)學家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)保護與管理起到關鍵的空間指引作用[6]。在中國，傅伯杰等[7]在理論上提出了中國生態(tài)區(qū)劃的目的、任務和特點，并在綜合分析中國生態(tài)環(huán)境特點的基礎上首次編制了中國生態(tài)區(qū)劃方案，為中國生態(tài)環(huán)境治理奠定了基礎。歐陽志云等[8]則首次完成了中國生態(tài)功能區(qū)劃，明確了對保障國家生態(tài)安全有重要意義的區(qū)域，為推進優(yōu)化國土開發(fā)格局提供了依據(jù)，而后，以“全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)調查與評估”為基礎，對《全國生態(tài)功能區(qū)劃》進行了修編。特殊區(qū)域的綜合研究是目前地理學綜合研究的前沿領域[9]，彭建等[10]依循植被動態(tài)一致性準則，依據(jù)兩步篩選法，實現(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考察研究的實施，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內容，開展區(qū)域生態(tài)區(qū)劃，能為其提供優(yōu)化依據(jù)。近年來，基于生態(tài)系統(tǒng)服務功能的生態(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)與機器學習。李雙成等[13]將SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡應用于區(qū)劃研究中，指出基于SOFM網(wǎng)絡的分區(qū)具有劃分層次明顯、客觀性強等優(yōu)點。分區(qū)邊界的識別與劃定是生態(tài)分區(qū)的重要環(huán)節(jié)，也是生態(tài)建設的基礎和依據(jù)。由于自然地域系統(tǒng)各要素間的非線性作用，實際工作中往往需要反復討論邊界位置及其合理性[14]。基于行政區(qū)劃單元、流域單元等直接進行聚類，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部的地理空間差異，容易打破自然邊界[17]。基于格網(wǎng)尺度的分類與基于機器學習自主確定邊界的區(qū)劃方法保證了區(qū)域生態(tài)功能特征差異[14]，但是囿于算法復雜度不適合大范圍應用[18]。王小丹等[19]運用傳統(tǒng)的空間疊置法、相關分析法以及專家集成等方法將西藏高原劃分為三級生態(tài)功能區(qū)，但分區(qū)過程主觀性較強。景觀指數(shù)逐漸被引入分區(qū)方案的驗證。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)新對分區(qū)結果的驗證能夠確保地域劃分的客觀性、科學性，從而能有效指導區(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聚類結果，結合景觀聚集度指數(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鍵地帶，是國家生態(tài)屏障的重要組成部分，其生態(tài)環(huán)境綜合治理對提升當?shù)厝祟惛ｌ碛兄匾危矊χ袊|亞乃至亞洲均有重要的影響[20]。本研究對西藏自治區(qū)進行生態(tài)功能分區(qū)，在地理信息系統(tǒng)的支持下，根據(jù)區(qū)域主導生態(tài)系統(tǒng)服務構建分區(qū)指標體系，運用自組織特征映射(SOFM)網(wǎng)絡進行生態(tài)功能特征分類，通過DEM提取西藏自治區(qū)流域單元，最后在聚類結果的基礎上，逐步合并流域單元劃定生態(tài)功能區(qū)邊界，為國家生態(tài)安全屏障建設以及高原生態(tài)環(huán)境分區(qū)管控提供基礎。

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)來源

本文使用的基礎數(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)，來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(http:∥www.resdc.cn/)；②柵格數(shù)據(jù)：DEM來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http:∥www.gscloud.cn/)，利用SRTM3 V4.1版本的數(shù)據(jù)進行加工得來，空間分辨率為90 m；2015年土地利用數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(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個一級類；土壤數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(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；歸一化植被指數(shù)(NDVI)來自于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)，是MODND1D月合成產品，然后利用最大值合成年度數(shù)據(jù)，空間分辨率為500 m；植被的凈初級生產力(NPP)數(shù)據(jù)來源于NASA-USGS 平臺(https:∥lpdaac.usgs.gov/)，空間分辨率為250 m；生物多樣性維持數(shù)據(jù)采用張路等[22]發(fā)布的2010年中國生態(tài)系統(tǒng)服務空間數(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)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)(http:∥data.cma.gov.cn/)；④社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于2001—2016年《西藏統(tǒng)計年鑒》。所有基礎空間數(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)指標體系 西藏自治區(qū)是中國重要的生態(tài)安全屏障區(qū)，也是中國生態(tài)建設的重點區(qū)域。本文根據(jù)其區(qū)域特點選取了生物多樣性維持、產水、固碳、土壤保持、食物供給5種生態(tài)功能構建評價體系，計算各生態(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。滿足如下任一標準即選為指示物種：①中國特有并處于瀕危；②中國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，并處于瀕危；④絕大多數(shù)種群分布在中國，并處于受威脅狀態(tài)的物種；⑤其他具有特殊意義的動植物物種、其他國家一級和二級保護動植物。

(2) 產水。本文利用InVEST模型中的產水模塊，基于水量平衡法計算產水量，用降水量與實際蒸散量之差來表示[24]。計算公式為：

(1)

(2)

PEI(x)=KC(x)×ET0(x)

(3)

(4)

式中：WY為柵格單元x的產水量(mm)；P(x)為年降雨量(mm)；AET(x)為年實際蒸散量(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—土壤性質的參數(shù)；AWC(x)為植物可利用含水量(mm)。

(3) 固碳。植被凈初級生產力(net primary productivity，NPP)指綠色植物在單位時間、單位面積上積累的有機物數(shù)量，是由光合作用產生的有機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模型計算土壤保持量，實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]。實際土壤侵蝕量計算公式為:

Ar=R·K·LS·C·P

(5)

潛在土壤侵蝕量是假設無植被覆蓋且不采取任何水土保持措施下的土壤侵蝕量，將兩項因子數(shù)值設為1，計算公式為：

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位于全國第二，是全國5大牧區(qū)之一，畜牧業(yè)作為西藏的經(jīng)濟支柱產業(yè)[27]。考慮到草地和耕地是西藏自治區(qū)食物供給的主要來源，本文選取肉類產量與糧食產量作為食物供給服務的主要指標，均以產量(t)來表示。農作物、畜產品產量與地塊NDVI值之間具有顯著的線性關系[28]，因此可以將糧食產量、肉類產量基于NDVI值分別分配給耕地、草地柵格，對食物產量統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行空間化，最后將這個指標歸一化后進行疊加，得到食物供給的柵格數(shù)據(jù)。計算公式為：

(8)

式中：i為柵格序號；Gi為第i個柵格所分配的糧食或肉類產量；Gsum為糧食或肉類總產量；NDVIi為第i個柵格的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 SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡又稱自組織特征映射網(wǎng)絡(self-organizing feature maps，SOFM)由芬蘭學者Kohonen教授[29]提出，它屬于非監(jiān)督人工神經(jīng)網(wǎng)絡，可以對外界未知環(huán)境進行學習或者模擬，并對自身的網(wǎng)絡結構進行適當?shù)恼{整，通過對輸入信號的競爭學習而將其劃歸為不同的類別。SOFM學習規(guī)則是一種與大腦皮層競爭(抑制)相似的算法。競爭學習中每一時刻只有一個輸出單元激活，或每組輸出單元中只有一個激活，輸出單元為了激活而競爭，聚類中心映射到一個曲面或平面上，并且保持拓撲結構不變，因此，它能根據(jù)學習規(guī)則對輸入的模式自動進行分類，降低了指標和權重的主觀性，提高分類的客觀性和準確性，在地理學和生態(tài)學領域得到廣泛應用[30]。

SOFM網(wǎng)絡學習過程：①權值初始化，用小的隨機數(shù)對各權向量賦予初值，各節(jié)點權值應取為不一樣的。②在樣本集中隨機選擇一個樣本X作為輸入。③在時刻t，選擇最佳匹配單元i(競爭過程)。這里是選定輸入向量X與所有權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c表示獲勝單元，則有：

(9)

本文運用SOM Toolbox 2.0(http:∥www.cis.hut.fi/projects/somtoolbox/)工具箱在Matlab R2017年平臺訓練SOFM網(wǎng)絡。除生物多樣性維持服務外，其他生態(tài)系統(tǒng)服務計算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)。初始權值為[0,1]的隨機數(shù)，基本學習速率為0.1，循環(huán)次數(shù)為200次，其他均采用默認值。

利用SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡對分區(qū)指標進行空間聚類，由于西藏已有分區(qū)方案[19]的分區(qū)在5個以上，考慮到區(qū)域空間分異表征準確性及其刻畫細致性的需要，初始設置聚類類別數(shù)由5類逐一增加到12類。分類數(shù)目對最后的結果影響很大，可以根據(jù)分區(qū)單元的聚集度來篩選最優(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)點數(shù)；maxgii為斑塊類型i像元之間的最大節(jié)點數(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個子流域。將DEM自動提取的河網(wǎng)與現(xiàn)狀河流進行空間對比，發(fā)現(xiàn)兩者總體吻合較好(見圖1)。

圖1 西藏自治區(qū)子流域分布

1.3.4 分類到分區(qū)的轉換 將歸一化的指標因子作為SOFM的輸入數(shù)據(jù)進行聚類，在優(yōu)選聚類結果的基礎上，運用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程中遵循以下原則：①面積占優(yōu)原則。當流域單元內部有多個類別柵格單元時，將其歸并為面積占優(yōu)的類別；②區(qū)域完整性原則。西藏是中國湖泊最多的地區(qū)，在合并流域單元時要保證湖泊的完整性；③區(qū)域共軛性原則。分區(qū)結果具有一定的空間連續(xù)性[4]，不能存在獨立于區(qū)域之外而又從屬于該區(qū)域的單元。

2 結果分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務空間分布格局

將生態(tài)系統(tǒng)服務的歸一化0～1值作為功能指數(shù)，數(shù)值越大代表相應服務功能越強。運用GIS軟件中的自然間斷點分級法(Jenks)分為5個等級，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。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，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)，相對于東南部的林地，其固碳的能力較弱。產水服務呈現(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，食物供給中糧食產量分布比較集中，肉類產量分布相對較廣。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)服務指標空間分布

2.2 生態(tài)功能類型劃分

本文使用Fragstats 4.2軟件計算每一種聚類結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；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。其中，類別4在藏西北也有分布，但相對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)，本文在聚類結果的基礎上，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個生態(tài)功能區(qū)(見圖4)。生態(tài)功能區(qū)的命名是生態(tài)功能分區(qū)結果的具體體現(xiàn)和標識，是分區(qū)工作的一個重要環(huán)節(jié)[19]。命名需要反映區(qū)域生態(tài)功能的特點，明晰不同分區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務與生態(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%是裸巖石質地)。固碳、產水、土壤保持等生態(tài)系統(tǒng)服務都屬于較低的水平。該區(qū)域地勢平緩開闊，包括了羌塘國家級自然保護區(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，空曠無邊的草場以及雪山和冰川，而且有眾多的瀕危野生動植物，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%是裸巖石質地)。盡管耕地面積只占區(qū)域面積的0.54%，但是占整個西藏耕地面積的32.26%。除食物供給服務相對較高外，其他服務水平均比較低。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行農業(yè)生產，防治生態(tài)環(huán)境的破壞。③藏東亞熱帶山地針葉林農牧產品供給區(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%的裸巖石質地)。雖然該區(qū)的耕地面積僅占1.05%，但是卻占整個西藏耕地面積的49.63%。該區(qū)水熱條件較好，是西藏的河谷農業(yè)區(qū)與商品糧基地，是西藏主要糧食產區(qū)，食物供給服務處于很高的水平。④藏東南亞熱帶山地針葉林產水區(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)域屬于亞熱帶山地寒溫性針葉林地帶，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%，但同時也分布有35.04%的裸巖石質地。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、產水服務都處于較高的水平。⑤藏東南熱帶季雨林生物多樣性保護區(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%，其次為裸巖石質地，占13.71%。區(qū)域生物多樣性維持、固碳等服務水平很高。該區(qū)與國家重點生物多樣性保護區(qū)范圍基本一致，這從側面也證明了本研究分區(qū)結果的合理性。

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為藏中草原牧業(yè)盈余區(qū)；Ⅲ為藏東亞熱帶山地針葉林農牧產品供給區(qū)；Ⅳ為藏東南亞熱帶山地針葉林產水區(qū)；Ⅴ為藏東南熱帶季雨林生物多樣性保護區(qū)。

3 討論與結論

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、農業(yè)縣、半農半牧縣、牧業(yè)縣、“一江兩河”經(jīng)濟開發(fā)縣等，其縣域功能定位與部分生態(tài)服務功能相契合。Ⅰ藏北高寒荒漠草原生態(tài)脆弱區(qū)包括了羌塘國家級自然保護區(qū)，該區(qū)也是國家重點保護的生態(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牧產品供給區(qū)與西藏的主要糧食產區(qū)與經(jīng)濟發(fā)展區(qū)相契合；Ⅳ藏東南亞熱帶山地針葉林產水區(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區(qū)與國家重點生物多樣性保護區(qū)的邊界基本一致。

將本研究的區(qū)劃結果與《全國生態(tài)功能區(qū)劃》(修編版)以及王小丹等[19]西藏高原的區(qū)劃結果進行對比，可以看出，在指標體系上，王小丹等選擇了主要生態(tài)系統(tǒng)服務與生態(tài)敏感性因子，而本研究與《全國生態(tài)功能區(qū)劃》(修編版)則主要側重于生態(tài)系統(tǒng)服務，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)服務功能大致相同(見表1)。導致差異的主要原因是本研究與已有研究在指標因子的選擇與計算、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)劃結果對比

SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡模型具有拓撲結構不變性，是一種較好的非監(jiān)督分類方法，可以避免權重確定的主觀性等問題，但是無法直接確定最佳分類數(shù)，需要根據(jù)試驗內容與經(jīng)驗自行判斷，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)絡的輸入數(shù)據(jù)不同，本文首先考慮區(qū)域內部結構的差異性，保證分類結果的相對準確性，基于比較精確的柵格單元作為SOFM網(wǎng)絡的輸入數(shù)據(jù)。但隨著數(shù)據(jù)精度越高不可避免分類結果的破碎程度越大，各類別之間沒有清晰的邊界。本文通過提取流域單元逐步合并得到各分區(qū)的邊界，在此過程中考慮到了區(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。因此，如何更加客觀、合理地確定區(qū)劃邊界，結合機器學習與大數(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)技術與方法是需要相關研究者共同考慮的問題。

3.2 結 論

(1) 西藏自治區(qū)主要生態(tài)系統(tǒng)服務整體上呈現(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)；產水服務的高值區(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牧產品供給區(qū)、藏東南亞熱帶山地針葉林產水區(qū)和藏東南熱帶季雨林生物多樣性保護區(qū)5個生態(tài)功能區(qū)。各分區(qū)特征明顯，分區(qū)結果在一定程度上能夠體現(xiàn)西藏生態(tài)功能的分布特點，以期為西藏生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域綜合認知和空間綜合治理提供理論依據(jù)。