基于模糊伽馬模型的河南省生態空間辨識與格局優化

張馭航, 李 玲, 王秀麗, 路 婕, 李珊珊

(1.河南農業大學 資源與環境學院, 鄭州 450002;2.河南省土地整治與生態重建工程技術研究中心, 鄭州 450002; 3.河南省煤田地質局物探測量隊, 鄭州 450002)

城鎮化與工業化的進程加速了城鄉人口流動與土地要素的使用，密集的人口聚集在城市使區域生態環境負荷較大，區域內景觀結構破碎，生態空間被侵占從而導致生態空間結構布局的不合理[1-3]?！秶亦l村振興戰略規劃(2018—2022年)》提出：“要嚴格保護生態空間，樹立山水林田湖草是一個生命共同體的理念,加強對自然生態空間的整體保護，修復和改善鄉村生態環境,提升生態功能和服務價值”。生態空間的識別以及區域內的布局優化，是強化土地生態質量，保障土地生態安全的重要途徑。

生態空間作為提供生態服務或生態產品的國土空間，具有自然屬性。近年來，國內外專家在生態空間的占用、承載能力及生態足跡的測算[4-7]、城市生態空間結構和功能演變規律[8-10]、生態空間辨識模型構建[11-15]等方面取得了許多研究結果。但在生態空間辨識方面，也存在一些可以進一步拓展之處。其一，研究尺度往往集中在縣、市尺度上，集中于省級行政區的研究不多，尺度小往往較難根據大區域內地質、氣候、經濟等差異提出建設性布局優化建議與措施；其二，指標體系較為龐雜，其范圍涵蓋經濟、土壤、氣象、水分、地形地貌等諸多方面，但指標的選取通常偏重于考慮生態用地斑塊自身功能屬性，而忽略了斑塊在整個基質景觀中的空間結構重要性以及與周圍環境間的關系[16]；其三，往往采用空間加權疊加評價指標的方式來進行生態空間的辨識，而指標權重的計算方式多樣，具有較強的主觀性。鑒于此，研究運用模糊數學理論，將空間實體上的指標數據運用相應的規則模糊為一個隸屬度合集，依靠模糊伽馬模型定量構建生態空間識別體系。

本文研究區域為河南省，河南省東部大面積的平原宜耕地區使之成為中國糧食的主產區。研究區內地形地貌、降水、土壤、植被均差異明顯，河南省作為生態空間辨識與格局優化的研究區域就顯得尤為有代表性。因此，根據河南省生態環境現狀與生態基底狀況，選擇構建生態系統服務功能重要性模型和生態系統敏感性模型。借助ArcGIS 10.5軟件，運用模糊數學理論，將各評價因子模糊化利用模糊伽馬模型疊加各指標，定量對河南省生態空間進行辨識，依據辨識結果，探索河南省生態空間格局優化途徑，以期為區域內生態空間安全提供相應的指引，為相關政策的制定提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

河南省地處我國中東部、黃河中下游，地理坐標位于北緯31°23′—36°22′，東經110°21′—116°39′。東鄰山東、安徽，西連陜西，北接河北、山西，南界湖北。總面積約16.7萬km2,占全國總面積的1.74%。地勢西高東低，地貌類型復雜多樣，主要由中低山地，丘陵和平原組成。地跨北亞熱帶和暖溫帶、濕潤和半濕潤地區，屬季風氣候，有較明顯的過渡特征。年平均氣溫12.1～15.7℃，年均降水量500～1 200 mm。土壤類型多樣，以棕壤、黃棕壤、褐土、潮土、砂姜黑土、鹽堿土和水稻土為主。

1.2 數據來源及處理

根據河南省目前的生態環境現狀以及自然環境演變過程中出現的生態問題，參考國家環境保護部制定的《生態保護紅線劃定指南》(2017)[17]中關于生態系統服務功能重要性和生態環境敏感性的評價因子及分級標準，在研究生態系統服務功能重要性時重點構建了3個模型，即水源涵養功能重要性模型、水土保持功能重要性模型、生物多樣性維護功能重要性模型；在研究生態敏感性時重點構建了3個模型，即水土流失敏感性模型、土地沙化敏感性模型、石漠化敏感性模型。結合河南省的生態特點和指標數值分布特征，將生態系統服務功能重要性模型評估結果依次劃分為一般重要、中度重要、重要、極重要4個等級；將生態敏感性模型評估結果依次劃分為輕度敏感、中度敏感、高度敏感和極敏感4個等級。各項指標數據來源及處理過程見表1。數據均通過ArcGIS相關工具轉化成分辨率為100 m×100 m的柵格圖層，統一至同一投影坐標系中，方便進行多數據的空間分析與運算。

1.3 研究方法

以模糊伽馬模型疊加生態系統服務功能重要性和生態系統敏感性評價結果，進行生態空間辨識，并提出區域內生態格局的優化策略[19]。

1.3.1 指標標準化 因各數據指標量綱不同，不存在可比性，故采用最小最大值法對各指標進行歸一化處理。處理公式為：

正向指標：

(1)

負向指標：

(2)

式中：X為歸一化處理后的值；Xi為指標原始值；Xmin為指標最小值；Xmax為指標最大值。

表1 數據來源及處理過程

1.3.2 生態系統服務功能重要性及生態系統敏感性評估 生態系統服務功能重要性選取水源涵養功能、水土保持功能、生物多樣性維護功能3種生態系統服務來定量評價。水源涵養功能是指生態系統中植物的根莖葉對降水進行截留、滲透以及蓄留，進而補充地下水。另外植物的蒸騰作用與外界進行水循環，從而達到緩和地表徑流、補充地下水水源水位、滯洪填枯、涵養水源的作用[20]。水土保持功能是指生態系統通過其自身結構及過程來減少水蝕作用對土壤的侵蝕[21]。生物多樣性維護功能是生態系統在維護基因、物種、生態系統多樣性中發揮的作用，是生態系統提供的最主要功能之一[22]。各功能評價因子模型及解釋見表2。

生態系統敏感性選取水土流失敏感性、土地沙化敏感性、石漠化敏感性3種生態系統敏感性因子來定量評價。水土流失是研究區內較嚴重的生態問題之一，在前人研究基礎上[23]，選取降雨侵蝕力、土壤可蝕性因子、坡長坡度和植被覆蓋度4個指標計算水土流失敏感性指數。影響土地沙化的指標因素較多，結合研究區情況與數據支持，本文選取干燥度指數、起沙風天數、土壤質地及植被覆蓋度4個指標來計算土地沙化敏感性指數。研究區內地形復雜，植被覆蓋條件差距較大，巖石裸露在區域內有所體現。故選取裸巖出露百分比、地形坡度及植被覆蓋度3個指標進行石漠化敏感性評價。各評價因子模型及評價指標分級標準分別見表2，表3。

1.3.3 生態空間辨識方法 模糊邏輯理論是由L.A.Zadeh[24]教授提出。模糊邏輯并不模糊，而是將“模糊”進行處理，進而消除模糊的一種邏輯方式。其主要思路為將地圖或空間地理信息上的空間實體看做隸屬于某個數據集的元素，用相應的規則進行模糊處理事物，將經典集合特征函數的值域{0,1}推廣至閉區間[0，1][25]。如水源涵養功能重要性，生物多樣性維護功能等評價因子對生態空間的影響是一個動態漸變的過程，其影響程度的取值范圍為[0，1]。

(1) 指標模糊化。指標模糊化就是將指標圖層通過合適的隸屬度函數映射至[0，1]的值域區間。在ArcGIS 10.5中，有7種模糊隸屬度函數：Gaussian，Small，Large，Near，MSLarge，MSSmall，Linear。其中，Linear函數指對輸入圖層進行線性變換，在其最大值處隸屬度為1。本文選用Linear函數作為隸屬度函數。

(2) 模糊疊加。模糊疊加主要有5種模型[26]：模糊與模型Fuzzy And，模糊或模型Fuzzy Or，模糊代數積模型Fuzzy Product，模糊代數和模型Fuzzy Sum和模糊伽馬模型Fuzzy Gamma。定義為：

F:[0，1]n→[0，1]

(3)

其中，模糊與模型為各單元網格中最小的隸屬度組合；模糊或模型為各單元網格中最大的隸屬度組合；模糊代數積模型為各單元網格隸屬度之積，其得到的結果往往小于單一圖層的隸屬度；模糊代數和模型并非單一的各單元網格隸屬度之和，其結果一般大于或等于單一圖層的隸屬度，使同時支持命題的證據相互增強，從而對命題進一步肯定。假設A圖層隸屬度為0.3，B圖層隸屬度為0.8，其模糊代數和的結果為1-(1～0.3)×(1～0.8)=0.86，即模糊疊加結果大于A，B圖層；模糊伽馬模型通常綜合多個圖層隸屬度，使其綜合結果處于最大隸屬度與最小隸屬度之間，取得較恰當的值。本文選用的建模模型為模糊伽馬模型。模糊伽馬模型公式如下：

(4)

式中：μs為模型的輸出值；μsk為k圖層柵格單元的模糊隸屬度，值域為[0，1]；m為輸入圖層數，本文為6個圖層，分別為水源涵養功能重要性、水土保持功能重要性、生物多樣性維護功能重要性、水土流失敏感性、土地沙化敏感性、石漠化敏感性模糊集；γ可取0～1之間任一值，當γ=1時，疊加結果與模糊代數和結果相同；當γ=0時，疊加結果與模糊代數積結果相同。本文γ取值0.9。

表2 生態系統各評價因子及模型解釋

表3 生態系統敏感性評價指標分級標準

本文生態空間辨識方法是將生態系統服務功能及生態系統敏感性各指數柵格單元進行線性變換計算隸屬度，將其值模糊化為值域為[0，1]的模糊集，即隸屬度區間。采用模糊伽馬模型來對各生態指數的模糊集進行疊加處理，對處理結果運用自然斷點法按照值的大小將其依次分為4類。

2 結果與分析

2.1 生態系統服務功能重要性評價結果

根據生態系統服務功能重要性評價方法，對研究區的水源涵養功能重要性、水土保持功能重要性、生物多樣性維護功能重要性分別進行評價。在水源涵養功能重要性評價方面，重要和極重要區域面積分別為12 552.98 km2，3 492.28 km2，分別占研究區總面積的7.6%和2.11%(圖1)。這些區域主要分布在研究區南部桐柏大別山南部低山區，大致在桐柏、董家河、柳林、蘇家河、沙窩、蘇仙石一線以南，主要由低緩的低山組成，由于降水量大，這些區域水源涵養與水質維護能力強，能起到補充地下水位，維護水資源安全的作用。在水土保持功能重要性評價方面，重要和極重要區域面積分別為50 641 km2，17 929.98 km2，分別占研究區總面積的30.16%和10.68%。這些區域主要分布在研究區南部桐柏大別山南部低山區、西南部的淅川喀斯特化低山丘陵區和伏牛山東南部低山丘陵區、黃河南岸沙丘沙地、豫北太行山地丘陵區。這些區域海拔相對較高，土壤類型以潮土、粗骨土、黃棕壤以及砂姜黑土為主。在生物多樣性維護功能重要性維護功能評價方面，重要和極重要區域面積分別為16 701.33 km2，6 577.71 km2，分別占研究區總面積的10.1%和3.98%。這些區域主要分布在研究區南部桐柏大別山南部低山區及桐柏大別山北部丘陵區。這些地區氣候溫暖多雨，植被覆蓋率高，地形以低緩的低山和丘陵為主，適合大部分生物物種棲息繁衍。

圖1 生態系統服務功能重要性分布

2.2 生態系統敏感性評價結果

根據生態系統敏感性評價方法，對研究區的水土流失敏感性、土地沙化敏感性、石漠化敏感性分別進行評價。在水土流失敏感性方面，輕度敏感和中度敏感區域分別占研究區面積的34.96%和50.8%，在空間分布上，輕度敏感和中度敏感區域主要分布在研究區南部桐柏大別山南部低山區及桐柏大別山北部丘陵區(圖2)。這些區域地貌類型以低山丘陵為主，降雨充沛，山間源短流急，易發生水土流失。在土地沙化敏感性方面，研究區以中度敏感和敏感區域為主，分別占研究區總面積的35.82%和37.42%。在空間分布上，敏感性程度呈南部向北部逐漸增加的趨勢。極敏感區域主要分布在研究區中部地區，其原因為中部地區起沙風天數較多且降水量較少。在石漠化敏感性方面，研究區輕度敏感區域面積為111 416.5 km2，占研究區面積的大部分，部分中度敏感及敏感區域主要分布于豫北太行山沿線和西南部伏牛山沿線，這些區域土壤類型以石質土、粗骨土為主，巖石出露面積比較大，從而導致石漠化敏感性較為敏感。

圖2 生態系統敏感性分布

2.3 生態空間辨識

根據生態系統服務功能重要性評價結果與生態系統敏感性評價結果，依據前文確定的生態空間辨識方法，將河南省生態空間分為4種類型，根據得分高低依次分別是生態保護空間、限制約束空間、控制緩沖空間、優化開發空間。

研究區內，生態保護空間面積為13 668.73 km2，主要分布于沿黃河兩岸的中部地區及西部地區、豫北太行山沿線、豫南桐柏大別山山區以及豫西南伏牛山系。這些區域是河南省生態保護的核心區域，應禁止開發建設活動，維護好這些區域的生態平衡，對河南省的生態安全起著重要的作用。限制約束空間與控制緩沖空間面積占比分別為11.63%和5.72%。限制約束空間成片分布于豫西南伏牛山沿線及黃河南岸豫中地區。這些區域應加強生態設施建設，嚴格控制開發，合理規劃。控制緩沖空間分布于限制約束空間與優化開發空間之間，分布較為集中，在生態角度上起緩沖作用。優化開發空間面積最大，為122 480.73 km2，其成片分布于東部平原區以及中南部地勢較低洼區域(表4)。這些區域受到人類活動影響，生態功能較弱，應在生態保護的基礎上，進行有序合理的建設開發。

表4 生態空間辨識結果

2.4 生態空間優化

基于生態空間的辨識結果，考慮研究區內景觀、斑塊分布情況提取生態空間辨識結果中生態保護空間部分與限制約束空間并矢量化，剔除細小破碎斑塊，根據研究區內總體生態格局進行細分與優化，將研究區確定為“三區、兩帶、3塊”的生態格局，見圖3。

“三區”分別是太行山生態紅線保護區、伏牛山生態紅線保護區、大別山生態紅線保護區。太行山生態紅線保護區位于河南西北部，系太行山脈展布區。地貌類型以斷塊構造中山為主，山體完整，分布集中，山勢陡峭，植被覆蓋度最差。該區是研究區內重要的生態屏障，但近年來也面臨一系列生態問題，如裸巖率較高、森林稀疏、水資源短缺等。應探索山水林田湖草生態綜合治理保護新模式，加強水土資源保護與監管。大別山生態紅線保護區地貌類型除部分地區為構造低山和中山外，多以侵蝕剝蝕的低山和丘陵為主。土質粘重，地表殘積層厚。該區特點為生物多樣性維護功能好，降雨充沛，氣候適宜且植被覆蓋程度高。但淺山丘陵區水土流失較為嚴重，致使生物多樣性受到一定影響。應加強水土保持林建設，堅持數量質量并舉。伏牛山生態紅線保護區位于河南西部，地質構造復雜，山嶺連綿，地貌類型多樣，除伏牛山、小秦嶺、崤山等各種成因類型的中山低山集中分布區內，也有部分丘陵和河谷平原。該區為南水北調中段工程水源地，降水充足，水資源較為豐沛，水土保持功能重要，但水土流失嚴重，溝壑縱橫，應以土地整治工程為抓手，以緩坡耕地改梯田和小型蓄排水工程建設為重點。

“兩帶”分別是沿黃河生態保護帶和沿淮河生態保護帶。沿黃河生態保護帶自西向東分布，途徑三門峽、濟源、洛陽、焦作、鄭州、新鄉、開封7個城市。該區生態問題較多，植被覆蓋條件不足，水土流失嚴重，應重點建設生態防護林、水源涵養林等，防風固沙。需要注意的是，該生態保護帶東部與西部生態問題并不一致，應分類施測，因地制宜。沿淮河生態保護帶途經南陽、駐馬店、信陽等市。該帶內生態保護空間斑塊較為破碎，但有連接成帶成片的趨勢。該區域雨水充足，植被覆蓋條件好，生物多樣性維護功能在研究區全域最優，應著力保護優化，使該生態保護帶輻射擴散，與大別山生態紅線保護區連接，產生生態效應的集聚?！?塊”分別為豫東平原生態保護塊、豫西丘陵生態保護塊和豫北丘陵生態保護塊。其中豫東平原生態保護塊和豫北丘陵生態保護塊分布位于商丘市睢陽區和鶴壁市清豐縣，斑塊面積較小，兩地植被覆蓋程度均有待提升。豫西生態保護塊主要位于鄭州市登封市及平頂山市北部，占地面積較大。該區塊所在位置海拔相對較高，土壤質地以黏質和壤質土為主。

圖3 河南省生態空間格局優化

3 討 論

生態空間的辨識及格局優化對區域土地的安全及生態良好起著至關重要的作用[27-29]。從空間上，將區域內的土地借重要性和敏感性量化指標進行辨識可以較為全面地反映生態進程。從方法上，利用模糊伽馬模型進行重要性和敏感性模型疊加處理，更有助于發揮柵格數據的本底優勢。本文從生態系統服務功能重要性和生態敏感性兩個角度著手，選擇水源涵養功能、水土保持功能、生物多樣性維護功能、水土流失敏感性、土地沙化敏感性、石漠化敏感性6個指標，以100 m×100 m柵格為評價單元，基于ArcGIS 10.5平臺構建辨別劃分生態空間的模型，劃分河南省生態空間為生態保護空間、限制約束空間、控制緩沖空間、優化開發空間4種類型，明確研究區內各種生態類型的分布，揭示它們的分布特征和規律，對土地利用規劃、高標準基本農田的劃定、山水林田湖草生態保護與修復等工作有一定的參考價值。在研究過程中也有一些問題，在數據處理過程中運用到了GIS空間內插的方法，研究結果可能受到數據處理誤差的影響；因以柵格為評價單元，部分以行政區劃為評價單元的社會經濟評價指標無法使用，對文章結果也有一定的影響；NPP數據為中國科學院資源環境科學數據中心統計的單一年份全國數據，利用ArcGIS掩膜提取河南省NPP數據，在反映生態安全格局動態變化上有一定局限性，希望在接下來的研究中，提取連年連續的影響因子數據，探究研究區內生態空間的時空演變規律，更好地理解研究區的生態進程，并基于此對研究區生態空間的演變提供科學合理的預測。

4 結 論

(1) 選取水源涵養功能、水土保持功能、生物多樣性維護功能3個指標構建生態系統服務功能重要性評價模型，將評價結果劃分為一般重要、中等重要、重要和極重要4個等級。其中，水源涵養功能極重要區域面積為3 492.28 km2，占研究區總面積的2.11%；水土保持功能重要性極重要區域面積為17 929.98 km2，占研究區總面積的10.68%；生物多樣性維護功能重要性維護功能極重要區域面積為和6 577.71 km2，占研究區總面積3.98%。

(2) 選取水土流失敏感性、土地沙化敏感性、石漠化敏感性3個指標構建生態系統敏感性評價模型，將評價結果劃分為輕度敏感、中度敏感、敏感、極敏感4個等級。其中水土流失敏感性極敏感區域面積為4 667.81 km2，占研究區總面積的2.83%；土地沙化敏感性極敏感區域面積為5 996.6 km2，占研究區總面積的3.63%；石漠化敏感性極敏感區域面積為313.34 km2，占研究區總面積的0.19%。

(3) 綜合生態系統服務功能重要性評價模型和生態系統敏感性評價模型，基于模糊伽馬模型進行研究區生態空間的辨識和劃分，依據自然斷點法根據疊加分值由低到高依次分為4種生態空間類型，分別為：優化開發空間、控制緩沖空間、限制約束空間及生態保護空間。其中研究區內生態保護空間和限制約束空間面積分別為13 668.73 km2，19 161.78 km2，分別占研究區總面積的8.3%和11.63%。

(4) 根據生態空間辨識結果，提取生態保護空間及限制約束空間將研究區劃定為“三區、兩帶、3塊”，分別為太行山生態保護區、大別山生態保護區、伏牛山生態保護區；沿黃河生態保護帶、沿淮河生態保護帶；豫東平原生態保護塊、豫西丘陵生態保護塊和豫北丘陵生態保護塊。