區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化研究進展

岳德鵬 于 強 張啟斌 蘇 凱 黃 元 馬 歡

(北京林業(yè)大學精準林業(yè)北京市重點實驗室， 北京 100083)

區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化研究進展

岳德鵬 于 強 張啟斌 蘇 凱 黃 元 馬 歡

(北京林業(yè)大學精準林業(yè)北京市重點實驗室， 北京 100083)

區(qū)域生態(tài)安全格局的最優(yōu)化是保障區(qū)域生態(tài)安全的基礎，采用模型方法準確地對區(qū)域生態(tài)安全格局進行分析及優(yōu)化對于區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展有重要意義。區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化需要多學科的綜合、多角度的分析和多種實現手段的結合。一般建立在對不同景觀類型、景觀的空間格局、景觀過程以及功能之間關系深入理解的基礎上，首先找到景觀格局對過程的影響方式，建立數量關系，其次利用景觀生態(tài)學的原理集成數學模型，優(yōu)化土地利用，多層次、多角度、多學科進行區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化。本文在分析國內外相關研究進展的基礎上，對區(qū)域生態(tài)安全格局的概念發(fā)展、研究內容演變、優(yōu)化方法等進行了總結，在此基礎上得出未來區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化的研究趨勢：多模型、多方法、多技術的有機集成；區(qū)域生態(tài)安全標準量化的探索；公眾參與機制及利益協調的管理手段研究。

區(qū)域生態(tài)安全格局； 生態(tài)安全； 格局優(yōu)化； 模型集成

引言

隨著社會經濟的迅速發(fā)展，人類需求與土地生態(tài)之間的矛盾日益凸顯，并由此導致了水土流失、荒漠化、牧草地退化、生物多樣性銳減、水生態(tài)平衡失調等生態(tài)環(huán)境問題，嚴重威脅著區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，生態(tài)安全目標下的區(qū)域生態(tài)安全格局分析以及優(yōu)化已經成為迫切需求[1]。近年來，一些學者提出了區(qū)域生態(tài)安全格局的概念與理論基礎、設計原則與方法，將研究尺度擴展到區(qū)域上，對區(qū)域內的各種自然和人文因素進行設計、組合和布局，得到點、線、面組成的多目標、多層次、多類別的空間配置方案，以維持生態(tài)系統結構和功能的完整性，力求在宏觀層面上謀求社會經濟需求與生態(tài)安全的平衡[2]。區(qū)域生態(tài)安全格局結構優(yōu)化逐漸成為改善區(qū)域生態(tài)安全狀況的重要手段，如何進行準確的、實用的區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化成為目前國內外研究的熱點[3]。國外學者主要從土地利用優(yōu)化配置和景觀生態(tài)規(guī)劃兩種途徑進行相關研究。國內眾多學者則以景觀格局優(yōu)化、土地利用結構優(yōu)化、生態(tài)系統敏感性等作為切入點進行了大量研究，并在城市、濕地、干旱區(qū)等進行了大量實證研究[1]。本文在總結以往研究成果的基礎上，對區(qū)域生態(tài)安全格局的概念提出及發(fā)展、格局優(yōu)化的研究內容及方法進行梳理，提出區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化的思路和未來的發(fā)展趨勢，以期為區(qū)域生態(tài)安全格局的優(yōu)化工作以及區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全管理提供理論支撐。

1 區(qū)域生態(tài)安全與生態(tài)安全格局概念

生態(tài)安全的概念最早建立于環(huán)境安全的概念基礎上[4-5]。環(huán)境安全最先由LESTER[6]在1977年提出，隨后，聯合國世界環(huán)境與發(fā)展委員會(WCED)在1987年的《我們共同的未來》報告中使用了“環(huán)境安全”一詞[7]，在此基礎上，國際應用系統分析研究所(IASA)在1989年首次提出了生態(tài)安全的概念[8]。

此后，不斷有學者對生態(tài)安全概念及生態(tài)安全格局分析進行補充拓展研究。國內主要有：馬克明等[3]提出區(qū)域生態(tài)安全格局的概念，并將其定義為針對區(qū)域的生態(tài)環(huán)境問題，在排除干擾的基礎上，通過對生物多樣性的保護和恢復，以及對生態(tài)系統結構和過程完整性的維持，來達到對區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題的有效控制和不斷改善為目的的區(qū)域性空間格局。郭榮中等[9]進行了長株潭地區(qū)耕地生態(tài)安全評價研究，發(fā)現生態(tài)安全整體水平呈波動上升趨勢。孫鴻烈等[10]針對青藏高原生態(tài)安全狀況，提出了加強青藏高原國家生態(tài)安全屏障保護與建設的對策建議。時卉等[11]對新疆天池景區(qū)景觀生態(tài)安全度的時空演變特征進行分析并探討了導致格局演變的驅動機制。朱衛(wèi)紅等[12]對圖們江流域的濕地進行生態(tài)安全評價與預警研究，結果表明該地區(qū)濕地生態(tài)系統處于預警狀態(tài)，急需實施保護。何玲等[13]對基于生態(tài)安全格局的河北省黃驊市土地利用格局優(yōu)化進行了研究。楊姍姍等[14]對基于生態(tài)紅線劃分的江西省生態(tài)安全格局構建進行了研究。國外學者主要是從景觀生態(tài)規(guī)劃和土地利用優(yōu)化配置兩方面對生態(tài)安全格局進行研究，主要有：RESHMIDEVI等[15]對流域農業(yè)區(qū)域進行土地適宜性評價研究,并根據研究結果從土地利用格局優(yōu)化的角度得出了當地有52%的土地不適宜種植稻谷的結論。SUN等[16]在景觀設計規(guī)劃中應用了生態(tài)安全策略，取得了良好的成效。SZABO等[17]利用景觀格局指數對生態(tài)網絡進行優(yōu)化以達到保護重要物種的目的。SHAYGAN等[18]通過對Taleghan流域的土地利用配置進行優(yōu)化來達到構建生態(tài)安全格局的目的。

生態(tài)安全研究雖歷經多年的發(fā)展，但目前其概念在學術界仍未達成統一，就研究范圍而言，主要分為狹義和廣義兩種觀點[19]。吳柏海等[20]認為，狹義的生態(tài)安全更多關注于生態(tài)系統的穩(wěn)定性與持續(xù)性，是指自然或半自然生態(tài)系統的安全。于成學[21]認為，廣義的生態(tài)安全主要體現整體性，包含自然生態(tài)安全、經濟生態(tài)安全和社會生態(tài)安全，三者組合成一個復合的生態(tài)安全系統，由于其涉及范圍較廣，為大多數研究者所接受。IASA在1989年提出的生態(tài)安全定義就是廣義的生態(tài)安全：生態(tài)安全是指人類在生活、健康、安樂、生活保障來源、基本權利、社會秩序、必要資源和適應環(huán)境變化的能力等方面不受到威脅的狀態(tài)。

2 區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化及其研究內容

2.1 生態(tài)安全格局優(yōu)化

區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化的理論方法經過30多年的發(fā)展，從HABER[22]提出的土地利用分異戰(zhàn)略和FORMAN[23]提出的最優(yōu)景觀格局思想開始，國外主要針對景觀結構、功能對生態(tài)過程的相互作用及影響，通過調整各景觀類型在空間上和數量上的布局，實現可持續(xù)發(fā)展。近年來，國內俞孔堅[24]在KNAAPEN提出的最小耗費距離模型基礎上，進行修正并運用于生態(tài)安全格局優(yōu)化，之后該模型逐漸被應用到生態(tài)用地保護及景觀安全格局優(yōu)化，相比傳統的概念模型和數學模型能更好地表達景觀格局和生態(tài)過程的相互關系。景觀生態(tài)安全格局優(yōu)化本質上是調整景觀空間結構，增強生態(tài)系統的整體性和連通性，關鍵在于確定并構建維護或控制區(qū)域生態(tài)過程的空間格局[25]。

2.2 研究內容

早期學者研究的主要是景觀生態(tài)規(guī)劃，20世紀90年代，國內學者提出景觀生態(tài)規(guī)劃與設計的基本內容包括：景觀生態(tài)分類、景觀生態(tài)評價、景觀生態(tài)設計、景觀生態(tài)規(guī)劃和實施4方面的內容[26]。彭建等[27]從景觀生產力、景觀受脅度與景觀穩(wěn)定性3方面構建了海岸帶土地利用可持續(xù)性的景觀生態(tài)評價體系。王仰麟等[28]基于景觀生態(tài)規(guī)劃與設計對采礦廢棄地做了相關研究。

目前對生態(tài)安全格局優(yōu)化的相關理論、技術方法，RESHMIDEVI等[15]從土地利用優(yōu)化配置角度對生態(tài)安全格局優(yōu)化作了研究，SZABO等[17]對景觀生態(tài)規(guī)劃通過建立景觀測量指標和景觀聚集敏感性評價。國內學者康相武等[29]從區(qū)域生態(tài)安全格局構建方面對北京順義區(qū)做了相關研究。胡道生等[31]構建了由生態(tài)源、生態(tài)廊道、生態(tài)斑塊和生態(tài)楔組成的生態(tài)安全格局。蒙吉軍等[2]將最小累積阻力模型(MCR)引入土地利用生態(tài)安全格局，對鄂爾多斯土地利用進行優(yōu)化。為此，本文在總結以往相關研究成果基礎上，結合國內外最新研究，提出筆者的看法并對未來發(fā)展趨勢進行展望，以期為將來開展區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化研究和實踐提供理論支撐和方法參考。

區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化從本質上說是利用景觀生態(tài)學原理解決土地合理利用的問題，通過調查研究取得自然與社會數據，并分析相應的景觀類型空間合理的分布格局，調節(jié)景觀組分在空間和數量上的分布，對景觀格局動態(tài)分析、功能分化使景觀綜合價值達到最大化。對于特定目的景觀格局優(yōu)化(如自然保護區(qū)的選址等)，則應該以單個目標價值最大作為景觀空間格局優(yōu)化設計思想。景觀格局優(yōu)化研究是建立在對不同景觀類型、景觀的空間格局與景觀過程以及功能之間關系深入理解的基礎上，首先找到景觀格局對過程的影響方式，建立起數量關系，其次利用景觀生態(tài)學的原理，優(yōu)化土地利用，多層次、多角度、多學科進行區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化。

2.3 優(yōu)化原則

根據前捷克斯洛伐克的景觀生態(tài)規(guī)劃理論體系[26]，景觀生態(tài)規(guī)劃與設計應包括7個原則：整體優(yōu)化原則、異質性原則、多樣性原則、景觀個性原則、遺留地保護原則、生態(tài)關系協調原則、綜合性原則。王軍等[31]歸納凝練提出景觀生態(tài)規(guī)劃的原則：自然優(yōu)先原則、持續(xù)性原則、針對性原則、綜合性原則。黎曉亞等[32]通過對景觀生態(tài)規(guī)劃原則的增補，確定了區(qū)域生態(tài)安全格局的設計原則：針對性原則、自然性原則、主動性原則、異質性原則、等級性原則。韓文權等[33]認為景觀格局優(yōu)化的原則應包括：整體生態(tài)功能優(yōu)先原則、多目標原則、結構優(yōu)化原則、尺度適宜原則、平衡原則。

筆者總結前人研究，認為區(qū)域生態(tài)安全格局設計的原則應遵循一般生態(tài)學的規(guī)律,并突出區(qū)域與景觀格局研究的理論對區(qū)域生態(tài)安全格局保障特殊的要求，以干擾排除和控制為目標、以生態(tài)學理論為基礎、以景觀生態(tài)學格局與過程關系為依據的生態(tài)規(guī)劃模式。這些也是生態(tài)安全保障的基本原則,適應區(qū)域生態(tài)安全格局設計的特點，各原則的具體描述見表1。

表1 區(qū)域生態(tài)安全格局的優(yōu)化原則Tab.1 Optimization principles of regional ecological security pattern

3 區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化方法

3.1 數量優(yōu)化方法

3.1.1 最優(yōu)化技術法

最優(yōu)化方法，也稱作運籌學方法，此類方法通過把管理問題抽象成一個模型，通過求解模型來獲得問題的最優(yōu)解。常用的最優(yōu)化方法包括線性規(guī)劃模型、灰色線性規(guī)劃模型、多參數平衡法、多目標規(guī)劃等。生態(tài)安全格局的數量優(yōu)化是一個典型的最優(yōu)化問題，在充分調查研究區(qū)景觀格局現狀、土地資源情況及存在問題的情況下，對各景觀類型的數量進行優(yōu)化，最終達到經濟效益、社會效益與生態(tài)效益的平衡。最優(yōu)化方法最早于1984年由加拿大學者[1]運用到土地利用配置問題中，其后，利用多目標方法進行土地利用數量配置的研究大量展開，此類方法的一般步驟可概括為：明確土地資源配置目標，構建約束條件，設置優(yōu)化問題的可控變量和參數，優(yōu)化模型的求解和方案優(yōu)選。段建南等[34]利用多參數平衡法建立了土地利用結構優(yōu)化模型，對遼西喀左縣后墳樹的土地利用格局進行了優(yōu)化。EMILIO[35]利用線性規(guī)劃模型構建了土地利用優(yōu)化模型，曾永年等[36]利用線性規(guī)劃模型對海東市的土地利用結構進行了優(yōu)化。ZANDER等[37]利用多目標規(guī)劃方法從可持續(xù)利用視角構建了土地利用優(yōu)化方案，郜允兵等[38]實現了時序快照統計優(yōu)化算法，提高了土地利用時空數據的同級效率。趙陽等[39]利用灰色線性規(guī)劃理論對北京山區(qū)懷柔水庫的土地利用進行了結構優(yōu)化。

最優(yōu)化技術在土地數量優(yōu)化方面具有較大優(yōu)勢，然而仍有較多問題需要改進。首先，對生態(tài)效益的評價是一個復雜的過程，僅用現有的指標并不能對其準確反映。當前常用的生態(tài)約束條件包括生態(tài)服務功能值[40]、森林覆蓋率[41]等，也有學者提出利用能值[42]、碳排放[43]、生態(tài)足跡[44]、生態(tài)綠當量[45-46]等作為約束條件，但不同土地利用類型在水土保持、防風固沙、水源涵養(yǎng)等方面的作用仍然難以準確量化，這直接影響了最終生態(tài)安全格局優(yōu)化方案的科學性與合理性。其次，最優(yōu)化技術中的模型多為靜態(tài)模型，然而土地利用優(yōu)化是一個動態(tài)的過程，相應的規(guī)劃目標與規(guī)劃方案通常受經濟、社會、政策等因素的影響而發(fā)生變化，因此由最優(yōu)化模型構建的土地利用優(yōu)化方案往往適應性不強。另外，最優(yōu)化模型僅從數量結構上對生態(tài)安全格局中各土地利用類型的配置進行優(yōu)化，而各土地利用類型的空間布局僅通過最優(yōu)化技術方法不能解決。

3.1.2 系統動力學模型

系統動力學模型在規(guī)劃復雜社會經濟系統的未來行為和相應的長期戰(zhàn)略決策方面具有明顯優(yōu)勢，將該模型與土地利用系統結合，形成了土地利用結構優(yōu)化的新方法。系統動力學模型具有能夠反映復雜系統結構、功能與動態(tài)行為間相互作用關系的特點，它通過結構、功能與歷史數據的結合，可以方便靈活地進行決策模擬和多方案比較，具有動態(tài)性、仿真模擬性優(yōu)勢，以往的研究結果證明，系統動力學模型可以從宏觀角度反映土地利用系統的復雜行為，可以通過構建不同情景，模擬土地利用演化[44,47-49]。當前系統動力學模型在區(qū)域尺度與國家尺度的土地資源配置決策中已經得到較廣泛的使用，如龐永師等[50]利用系統動力學模型研究了政府、企業(yè)、村民、村委等對象的行為因素，對“城中村”的形成因素進行了分析，構建了“城中村”改造策略；徐磊等[51]利用系統動力學模型，優(yōu)化土地利用結構，實現了土地利用減碳增效的目的。ZHAO等[52]利用系統動力學耦合模型，分析了多尺度土地利用演化的驅動因子。

然而系統動力學模型仍然存在一些不足。模型的建立對研究者知識儲備的要求較高，若不能充分了解與把握系統內部的各種反饋機制，模型構建往往難以達到預期效果；在模擬方案的最優(yōu)設計上，部分參數隨意性較大，難以準確度量。同時該模型同樣沒有解決土地利用空間優(yōu)化的問題，僅能從數量上確定土地資源的最優(yōu)配置模式。因此將系統動力學模型與空間優(yōu)化模型(例如元胞自動機)相結合，是當前研究的熱點之一。

3.2 空間優(yōu)化方法

3.2.1 基于生態(tài)學理論的景觀格局優(yōu)化模型

基于生態(tài)學理論的景觀格局優(yōu)化模型主要運用景觀生態(tài)學理論，識別景觀格局中的關鍵組分(包括生態(tài)源地、生態(tài)廊道與生態(tài)節(jié)點)，通過點、線、面的空間組合，提升區(qū)域的生態(tài)健康度，保護或恢復其生物多樣性，其基本思想是通過對格局的調整影響區(qū)域生態(tài)過程，實現對生態(tài)環(huán)境的持續(xù)改善。從景觀結構與功能整體優(yōu)化的角度，HABER[22]首先將該理論運用到土地利用優(yōu)化中，提出了土地利用分異戰(zhàn)略(differentiated land use)；FORMAN[23]則提出了不可替代格局和集聚間有離析的整體景觀配置模式。針對這一問題，國內學者也展開了相關研究，如岳德鵬等[53-54]采用累積耗費阻力模型結合GIS與RS技術，對北京西北地區(qū)的景觀格局進行了優(yōu)化，以景觀流運行順暢為出發(fā)點，研究了北京西北地區(qū)景觀格局的緊密性以及生態(tài)功能的差異性，并構建了包括生態(tài)原地、生態(tài)廊道、生態(tài)節(jié)點在內的生態(tài)網絡，提出了針對該地區(qū)的景觀格局優(yōu)化方案。

上述理論的發(fā)展經歷了由定性到定量，由靜態(tài)到動態(tài)的發(fā)展過程，理論不斷完善，然而此類模型仍然存在一些問題。首先，研究者借助景觀生態(tài)理論所構建的生態(tài)網絡的科學性與合理性往往難以驗證，分析過程中多種指標閾值(例如在成本距離分析中的搜索閾值)的設定仍然具有主觀隨意性，多種優(yōu)化方案間的優(yōu)選難以實現，缺乏明確的判定標準。其次，景觀格局優(yōu)化的理論基礎仍然不夠完善，格局與過程間相互影響的機理仍然不夠明確，目前尚不能完全滿足對景觀格局優(yōu)化進行指導的要求。

3.2.2 元胞自動機CA

元胞自動機是一種時間、空間都離散的動力學模型，它通過一定的規(guī)則控制局部元胞的演化狀態(tài)，經自下而上的分布式模擬過程，獲得全局的演化規(guī)律。由于元胞自動機中每種元胞在某一時刻的狀態(tài)都是明確且離散的有限個，元胞所在的空間也特別容易具象化成為土地利用格局，因此在土地利用模擬與規(guī)劃方面具有獨特的優(yōu)勢。TOBLER[55]最早認識到元胞自動機的這一優(yōu)勢，并于1970年將其應用到底特律城區(qū)的擴張模擬中。近年來眾多學者利用元胞自動機模型對土地利用格局進行了優(yōu)化，例如劉小平等[56]利用生態(tài)位元胞自動機研究了不同土地利用政策下城市土地利用發(fā)展情景，對土地可持續(xù)利用進行了規(guī)劃。劉耀彬等[57]利用元胞自動機模型，對環(huán)鄱陽湖區(qū)分區(qū)的土地利用情景進行了模擬；張利等[58]利用元胞自動機研究了基于不同種類生態(tài)安全的土地利用情景模擬。

元胞自動機本身具有的特點使其在離散時間的空間動態(tài)模擬方面具有先天優(yōu)勢，然而該模型仍存在一些可改進的方面。首先，元胞自動機的模擬方式為自上而下，通過局部規(guī)則推測整個區(qū)域的演化，然而土地利用演化作為一個復雜過程，既受到小尺度范圍規(guī)則的影響也受到大尺度政策的影響，因此僅從CA鄰域入手判斷其土地利用類型的演化難免太過片面。其次，不同的鄰域大小與形狀將產生不同的模擬結果，當前元胞自動機的鄰域定義仍具有較大的任意性，較流行的鄰域定義方式一般為摩爾鄰域、馮諾依曼鄰域或擴展的摩爾鄰域，如圖1所示。然而這3種鄰域定義手段均不能反映土地利用的空間特征。最后，元胞自動機的運行依靠一定的規(guī)則進行，而模型本身在規(guī)則定義部分的理論較為薄弱，難以滿足土地利用相關研究的需要，因此眾多學者借助其他方法，試圖更科學地定義轉換規(guī)則，例如黎夏等[59]利用神經網絡與元胞自動機結合，構建了新的轉換規(guī)則定義方法，韋春竹等[60]利用遺傳神經網絡與元胞自動機整合，構建了土地利用模擬分析模型。

圖1 元胞自動機鄰域示意圖Fig.1 Neighborhood diagrams of CA

3.2.3 群智能算法

群智能算法是一種基于概率的搜索算法，其基本思想是通過模擬自然界生物群體的行為來構造算法，相較于傳統的演化算法與梯度應用算法，它的優(yōu)點包括：自組織性良好，采用分布式控制來實現個體與個體間和個體與環(huán)境間的交互作用；通過個體對環(huán)境的相互作用調整個體行為，個體與個體間不發(fā)生直接作用，系統的可擴展性好；不需要集中控制，不會因為個別個體的故障影響對全局問題的求解；模型的規(guī)則簡單，分布式計算可有效縮短系統運行時間。該算法具有的一系列優(yōu)點使其在短期內便得到了國際演化計算研究領域的認可，并在計算機、最優(yōu)化問題求解、人工智能等方面獲得了廣泛應用。土地生態(tài)安全格局優(yōu)化問題，本質上是一個最優(yōu)化問題求解的過程，眾多學者利用群智能算法對這一問題進行了研究。例如LIU等[61]利用系統動力學模型、粒子群優(yōu)化算法和遺傳算法對廣東省番禺市的城市用地進行了優(yōu)化。LIU等[62]利用優(yōu)化后的蟻群算法對阜陽市高橋鎮(zhèn)的土地利用格局進行了優(yōu)化。郭小燕等[63]利用混合蛙跳算法，對蘭州市的土地利用格局進行了優(yōu)化，并證明模型具有較強的全局優(yōu)化能力以及較快的收斂速度。

雖然群智能算法具有魯棒性強、適用范圍廣等優(yōu)勢，但仍存在一些需要改進的缺陷，例如收斂速度難以控制、優(yōu)化結果有時不夠理想等，眾多學者針對這些問題進行了大量研究，但仍有一些問題亟待解決。

3.3 綜合優(yōu)化算法

綜合優(yōu)化算法通過不同模型間的有機結合，綜合多種模型的優(yōu)點，往往能同時考慮到數量結構上的優(yōu)化與空間布局的優(yōu)化，目前以CLUS-S模型和集成模型最具有代表性。

3.3.1 CLUE-S模型

土地利用變化及效應模型(Conversion of land use and its effects model, CLUE Model)最初由荷蘭瓦格寧根大學VELDKAMP等[64]提出，CLUE-S模型(Conversion of land use and its effects at small region extent)是由CLUE模型改進而來，它更加適合在較小尺度上模擬土地利用變化及其環(huán)境效應。CLUE-S模型具有綜合性、開放性和空間性的特點，其模型結構如圖2所示。它從系統論的角度出發(fā)，綜合考慮社會、經濟及生態(tài)驅動因子，采用多重建模技術從不同尺度動態(tài)研究土地利用變化。CLUE-S模型的本質是多種模型的有機整合，尋找可以綜合描述社會、經濟和生態(tài)等因素的綜合方法。CLUE-S模型在土地利用類型演變驅動力分析、土地利用轉化系數設置、土地需求數量估算等方面具有很好的開放性，可以整合多種情景分析模型，具有較好的兼容性。此外該模型還可以通過土地利用分布概率圖等空間數據對不同用地類型進行空間上的分配，具有鮮明的空間特性，這使得遙感、地理信息系統等空間技術可通過CLUE-S模型，直接用于土地利用的模擬與優(yōu)化。梁友嘉等[65]利用SD與CLUE-S模型對張掖市的土地利用情景進行了分析。WU等[66]將系統動力學模型與CLUE-S模型結合，分析了土地利用變化對生態(tài)系統服務價值的影響。

圖2 CLUE-S 模型結構圖Fig.2 Structure diagram of CLUE-S model

盡管CLUE-S模型具有良好的擴展性與兼容性，能從時間與空間上綜合多種因素對土地利用演化進行多尺度模擬，但是仍有一些需要改進的地方。首先，區(qū)域不同土地利用的需求面積作為外部輸入參數進入到模擬過程中，其數量的科學性與準確性難以把握。其次，該模型是根據先驗知識對土地利用的演化進行預測，其模擬精度受因子選擇的影響，而居民的文化偏好、政府政策等人文因子往往難以量化，因此模型模擬的準確性難免受其影響。

3.3.2 集成模型

不同的模型在土地生態(tài)安全評價方面均具有其局限性，因此部分學者試圖將多種模型結合，構建出基于多種模型的集成模型，彌補單一模型在土地利用模擬方面的不足。眾多學者利用Markov模型與CA模型集成的CA-Markov模型開展了土地利用模擬研究，取得了大量有意義的研究成果[67-70]。尹昌應等[71]利用Dyna-CLUE集成模型，研究了情景約束下的城市土地利用空間模擬。YANG等[72]將景觀格局指數與CA-Markov模型結合，對北京市昌平區(qū)的景觀格局演化進行了模擬。WANG等[73]將ANN-CA模型與景觀格局理論集成，構建了土地利用演化模型并取得了較高的模擬精度。

不同的模型由于在建模思想上的差異，使得它們在解決某些特定問題時具有明顯優(yōu)勢，而將多種模型有機結合，充分發(fā)揮每個模型的優(yōu)勢，是解決土地生態(tài)安全格局優(yōu)化的有效途徑。當前云計算、分布式計算、GIS技術、現代數學方法的發(fā)展，使得復雜模型的求解成為可能，集成模型計算任務得以有效處理。因此在當前缺乏成熟、完善理論指導的情況下，有機綜合多種模型是區(qū)域土地生態(tài)安全格局優(yōu)化研究的有效途徑。

4 結論與展望

區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化研究經歷了定性到定量、靜態(tài)到動態(tài)、剛性條件約束到彈性條件最優(yōu)、數量配置到空間演變過程。研究方法逐步趨于多種方法集成化、先進化。研究重點由關注數量結構的生態(tài)優(yōu)化發(fā)展到基于過程的空間格局優(yōu)化。研究目的逐漸從物種保護等轉移到整個區(qū)域的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。未來的研究重點主要包括：

(1)在跨學科綜合研究的基礎上，如何實現多模型、多方法、多技術的集成。模型、方法、技術的集成既考慮空間特征又考慮非空間特征，如何相互彌補不足，對區(qū)域生態(tài)安全格局更加客觀地、實用地、可靠地進行分析、優(yōu)化是未來的研究重點。

(2)區(qū)域生態(tài)安全格局的生態(tài)安全標準量化問題仍然是研究難點。對于生態(tài)安全格局優(yōu)化研究，如何針對研究區(qū)在深入理解景觀格局、過程與功能相互聯系的基礎上，確定自然生態(tài)過程的一系列閾值和安全層次需進一步研究。基于動態(tài)的生態(tài)過程如何構建過程模型、如何定量化地將時空動態(tài)以及發(fā)展趨勢考慮到生態(tài)安全格局優(yōu)化的研究中是未來的研究熱點也是難點。

(3)區(qū)域生態(tài)安全格局優(yōu)化設計的實施將遇到很多現實的問題。如何提升公眾的參與力度，使公眾關注點由短期社會經濟效益轉向長期生態(tài)環(huán)境效益；如何協調不同組織水平利益相關者之間的利益沖突；如何通過先進的管理手段使區(qū)域生態(tài)安全格局的優(yōu)化構建更加人性化、操作性更強是未來的研究關鍵與重點。

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Progress in Research on Regional Ecological Security Pattern Optimization

YUE Depeng YU Qiang ZHANG Qibin SU Kai HUANG Yuan MA Huan

(BeijingKeyLaboratoryofPrecisionForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

Optimization of regional ecological security pattern is the basis of regional ecological security. It is of great significance to analyze and optimize the regional ecological security pattern by using proper models and methods. The optimization of regional ecological security pattern requires the integration of multi-disciplinary synthesis, multi-perspective analysis and the combination of various means. It is generally based on the understanding of the relationship between different landscape types, landscape spatial pattern, landscape process and function. Typically, the impact ways of landscape pattern on the process are found first. Then, a mathematical model is built based on the principles of landscape ecology to optimize land use and local ecological security pattern from multi-level, multi-perspective and multi-disciplinary views. Based on the analysis of domestic and foreign research progress, a summary of the concept development, the evolution of the research content and the optimization methods of regional ecological security pattern was made. And the future research trend of regional ecological security pattern was obtained, including organic integration of multi model, multi method and multi technology, quantitative exploration of regional ecological security standards, public participation mechanism and management methods of interest coordination.

regional ecological security pattern; ecological security; pattern optimization; model integration

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.001

2017-02-10

2017-02-15

國家自然科學基金項目(41371189)

岳德鵬(1963—)，男，教授，博士生導師，主要從事景觀生態(tài)學和土地評價研究，E-mail： yuedepeng@126.com

X821

A

1000-1298(2017)02-0001-10