随着社会经济发展进程加快，人类对大部分自然资源的使用已经逼近或者达到其生态承载力上限，生态系统在数量和质量上均遭到严重破坏^[1]，生态修复工作已成为当前及未来政府和科研工作的重点^[2]。生态修复是对退化生态系统进行恢复与重建。保护与修复退化生态系统，对提升生态系统服务功能、维持生态系统的弹性平衡具有重要意义。湿地作为陆地和水体的过渡地带，兼具陆生和水生动植物资源，形成天然基因库和独特的生态价值。湿地面积仅占全球陆地面积的2.15%，创造的生态服务价值占全球生态系统的39.61%^[3]。2014年，第2次全国湿地资源调查数据^[4]显示，10年间，我国湿地总面积减少3.39万km²，减少率8.82%。若尔盖高原作为中国残存面积最大的高寒泥炭沼泽湿地，是黄河、长江2大河流的源头区，具有重要的水源涵养功能^[5]。近年来，由于极端气候变化频发与人为活动干扰，若尔盖高原湿地生态环境退化迅速，沼泽湿地破碎呈斑块状，加剧湿地的消失，生物栖息地削减，导致生态服务功能和生态屏障功能下降^[6]，急需对其进行生态修复工作。

生态系统能否长久可持续地维持服务功能即弹性平衡特征^[7-8]，由土壤、动植物、气候等因素共同决定，使用单一的指标衡量具有一定的局限性。而土地利用作为表征生态系统功能的综合指标，通过影响生态系统的格局与过程^[9]，与生态环境质量关系密切^[10-11]。基于土地利用空间格局进行优化已成为大尺度上生态修复格局优化的重要手段。土地利用空间优化在多目标和多约束条件下为某些土地单元分配适当的用途，以满足可持续发展的要求^[12-13]。近年来用于解决多目标优化问题的算法越来越多，例如约束非支配排序算法、基于分解的多目标优化算法与NSGA-Ⅱ算法等^[14]。随着人工智能技术的不断发展，学者们对遗传算法在应用层面^[15-16]与算法设计^[17-18]上不断优化。NSGA-Ⅱ算法已被证明在解决多目标土地利用空间优化问题上是一种更合理、更理想的普适性方法^[17]。因此，笔者在分析现存生态系统弹性平衡问题的基础上，通过使用NSGA-Ⅱ算法对土地利用进行优化，期望能解决生态修复格局中所面临的问题，为选择修复策略提供理论支撑。

综上所述，笔者从土地利用动态变化的角度，以排水疏干沼泽、过度放牧、生态保护、排水沟壑填堵工程等频繁扰动地表、湿地景观变化剧烈的若尔盖高原为研究区，使用景观特征对生态系统功能和结构进行衡量，构建景观演变函数诊断过度扰动、过度关注与可持续发展区域。在资源有限的条件下，基于湿地恢复的最迫切目标和限制因素，采用NSGA-Ⅱ遗传算法对其土地利用类型和结构进行空间格局优化，寻求适宜若尔盖高原湿地生态修复的最优土地利用空间优化方案，以保证社会经济可持续性发展、维持生态系统稳定性为目标，构建生态修复空间优化格局，以期为若尔盖高原湿地修复保护、区域可持续发展工作提供科学参考。

若尔盖高原高寒湿地是青藏高原东缘重要的生态功能区，同时也是气候变化敏感区与生态环境脆弱区，地理位置为E 102°08′~103°48′，N 32°31′~34°18′(图 1)，海拔2 387~4 780 m，中部和中南部为典型丘状高原，地表平坦，河曲及湖泊众多，排水不畅，是湿地集中分布区，区域内草甸土与泥炭土广泛发育。气候为高原寒温带湿润季风气候，年平均气温1.1~2.9 ℃，日夜温差大。年降水量611.9~648.5 mm。河流多属于黄河水系，黑河和白河由南向北汇入黄河。区域以沼泽植被和草甸植被分布面积最广^[5]。土地利用以草地、湿地和林地为主，分别占总面积的69.2%、15.5%和10.9%。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区位置 Fig. 1 Location of the study area

主要使用土地利用数据、生态效益数据、修复适宜性数据、统计数据与基础地理数据。其中保护区边界数据、土地利用数据和生态效益数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/)，土地利用数据有1980、1990、1995、2000、2005、2010和2015年共7期数据，空间分辨率为1 km^[19-20]。参考《全国湿地资源调査与监测技术规程(试行)》(林湿发[2008]265号)与《湿地公约》理念^[21]，将二级类型中的河渠、湖泊、滩地及沼泽地作为湿地景观类型。生态效益数据采用中国陆地生态系统服务价值空间分布数据集中的总值数据来表征若尔盖高原地区的生态系统服务总值，数据年份为2015年，分辨率为1 km，单位为元/hm²。修复适宜性系数数据来源于本课题组，考虑9个要素、15个指标，数据年份为2015年，空间分辨率为1 km^[22]。统计数据等源自玛曲县和若尔盖县国民经济和社会发展统计公报(2014—2018)、《若尔盖县年鉴(2017)》和《玛曲统计年鉴(2014—2016)》，将各类产业总值换算为各土地利用类型的经济效益系数，分辨率为1 km。若尔盖县、玛曲县等矢量基础地理数据来源于2004年《若尔盖县行政区划图》与《玛曲县行政区划图》。

笔者构建湿地景观演变函数来衡量湿地生态系统弹性平衡特征。湿地景观演变函数F(T_j)以湿地景观数据集的时期为自变量(T_j)，湿地景观状态(W_ij)为因变量。函数形式^[23]如下：

式中：F(T_j)湿地景观演变函数理论值为2ⁿ；T_j为湿地景观数据集的时期；j=1, 2, 3, …, n，为研究时段内湿地景观时期；i为土地利用类型，i=2, 2², …, 2^n-1, 2ⁿ，本研究中i为景观变化类型序数；W_ij为在j年时湿地景观的状态值。

高跃鹏等^[23]总结了湿地景观演变函数的4种含义。笔者根据生态系统弹性平衡理论^[7-8]，将研究区湿地单调递减函数及先增后减函数归并为过度扰动区，单调递增函数及先减后增函数归并为过度关注区，将不增不减函数与其他函数归并为可持续发展区共3种类型。

遗传算法(genetic algorithm, GA)是Holland在1975年提出的^[24]。该算法模仿达尔文“物竞天择，适者生存”理论，其特点是以自然选择来协调各目标函数之间的关系，寻找数学函数的最优解。第2代非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ，NSGA-Ⅱ)在初始化、遗传、交叉、变异的方面对GA遗传算法予以改进^[18]，其优势体现在3方面，一是使用随机生成的土地利用和土地使用现状提高算法收敛到合理结果的能力，二是引进了单父代个体交叉算子，三是增加斑块变异算子与约束导向变异算子(图 2)。

图 2(Fig. 2)

图 2 NSGA-Ⅱ算法改进示意图 Fig. 2 Schematic diagram of NSGA-Ⅱ algorithm improvement

对于NSGA-Ⅱ算法优化目标与约束条件的选择，考虑其经济发展、生态效益、土地利用率以及提高湿地修复适宜性水平4类目标下，选定经济效益最大化、生态效益最大化、空间紧凑度最大化和修复适宜性最大化为若尔盖高原湿地修复优化目标。

式中: E_x为经济效益；E_y为生态效益；C_o为空间紧凑度^[16]；A_w为修复适宜性；M和N分别为规划区域的总行数和总列数；K为土地利用类型总数；x_ijk为优化后栅格单元(i, j)的土地利用类型，若栅格单元(i, j)被分配为土地利用类型k，则x_ijk=1，否则为0；a_k、b_k、c_k、d_k分别为以栅格单元为单位的土地利用类型k的经济效益系数、生态效益系数、空间紧凑度系数以及修复适宜性系数。

在建立目标函数的同时，还需对其设置约束条件。本研究共设置2个约束条件。第一，考虑各种土地利用类型转化方向的问题，在保障城市扩展和保持湿地面积的条件下，制订土地利用类型转化方向D_r。具体而言，现有的湿地不能进行转化，现有的建设用地不能进行转化，现有的未利用地可以转化为其他各类型，现有的林地、草地、耕地可以相互转化，还可转化为建设用地，但均不能转化成未利用地，且仅耕地不可转化为湿地。第二，受限于若尔盖高原的地理位置条件，根据2015年土地利用类型面积，各土地利用类型的面积上下限原则上不超过现有面积的20%。

式中：A_r为优化后土地利用类型k的面积；A_kmin和A_kmax分别为土地利用类型k面积的下限和上限。

综上所述，若尔盖高原湿地生态修复优化模型可表述为：

式中：s.t.指约束条件；A_r为优化后土地利用类型k的面积；D_r为土地利用类型转化方向。

经济效益系数为各土地利用类型栅格单元上的生产总值。经换算湿地为11.09万元，林地为0.55万元，草地为9.84万元，耕地为62.10万元，建设用地为4 749.69万元，未利用地为0。

生态效益系数为各土地利用类型栅格单元上的生态系统服务总值。经统计计算，湿地为1 652.38万元，林地为427.69万元，草地为542.99万元，耕地为167.11万元，建设用地为0，未利用地为155.42万元。

修复适宜性系数为各土地利用类型栅格单元上的修复适宜性分值。经统计，湿地为3.52、林地为2.37、草地为2.88、耕地为2.62、建设用地为2.23、未利用地为2.60。

结合地区实际情况，并经过多次运行，将种群大小设置为50、最大进化代数设置为500、交叉概率设置为0.90、变异概率设置为0.05。

由于计算结果中包含大量的不加偏好地非支配解，在应用于实际的规划决策时，需要根据需求从结果解集合中选择恰当的优化方案。无偏好、经济效益占优(E_x占优)、生态效益占优(E_y占优)、空间紧凑度占优(C_o占优)、修复适宜性占优(A_w占优)5种策略对应的目标函数值均为越大越好，因此使用Pareto最优解的目标函数值加权求和的方法以体现不同偏好的优越性^[16]。

通过构建湿地景观演变函数得到1980、1990、1995、2000、2005、2010和2015年共7个时期研究区像元尺度上湿地景观演变函数值，根据式(1)可知该理论值为128种，但结合实际调查统计共存在18种类型，通过重分类功能将函数值归并为3种湿地景观演变类型(表 1和图 3)：可持续发展区、过度扰动区、过度关注区。结果表明，研究时段内，湿地总面积为4 749 km²。可持续发展区面积为2 149 km²，占湿地总面积的45.25%；过度扰动区为1 780 km²，占湿地总面积的37.48%；过度关注区面积为820 km²，占湿地总面积的17.27%。空间上，若尔盖高原湿地主要集中在若尔盖县西部的麦西乡、辖曼镇、唐克镇与达扎寺镇以及玛曲县东部的尼玛镇、曼日玛乡与采日玛乡。可持续发展地区多分布于上述地区的河流、湖泊及沼泽等开放水体及地势平缓的区域。过度扰动与过度关注地区则分布于生境脆弱的过渡带，受到人为活动时易发生改变。

表 1(Tab. 1)

表 1 若尔盖湿地变化类型的面积 Tab. 1 Areas of Zoige wetland change types   km2 湿地变化类型 Wetland change type 玛曲县 Maqu county 若尔盖县 Zoige county 合计 Total 可持续发展区Sustainable development area 763 1 386 2 149 过度扰动区Over-disturbed area 747 1 033 1 780 过度关注区Over-concerned area 360 460 820 湿地总面积Total area of wetland 1 870 2 879 4 749

表 1 若尔盖湿地变化类型的面积 Tab. 1 Areas of Zoige wetland change types

图 3(Fig. 3)

图 3 若尔盖高原湿地变化类型空间分布特征 Fig. 3 Spatial distribution of wetland change types in Zoige Plateau

如图 4所示，从整体上看，土地利用配置主要是林地、湿地、草地、未利用地的相互转化，地块分布趋于紧凑，尤其是湿地和林地的空间分布更加集中，但也产生新的琐碎斑块。除了无偏好之外，其他4种策略均将玛曲县西北部的草地配置成林地，使西北部林地更为集中。在若尔盖北部地区除无偏好将其林地集中配置外，其他4种均将林地配置为草地或湿地。5种策略对于区域中部的未利用地均有配置成林地的情况，而且对于湿地集中分布的地区，部分草地也向林地方向配置。湿地配置整体而言更为集中，明显配置为湿地的区域为若尔盖北部和东部地区的草地或林地，在此区域内也有草地或林地向耕地配置的情况出现。

图 4(Fig. 4)

图 4 多目标的土地利用配置情景 Fig. 4 Multi-objective land use allocation scenarios

由表 2可知，5种优化策略配置的土地利用的经济效益、生态效益相较于2015年现状均变得更优异：其中，对于经济效益E_x占优策略而言，其经济效益提升46.10%；对于生态效益占优E_y策略而言，其生态效益提升10.83%；对于空间紧凑度占优C_o策略而言，其空间紧凑度略有提高；对于修复适宜性占优A_w策略而言，其修复适宜性提升1.67%。由于单目标优化结果忽略了其他目标的交叉影响，基于等权最优的方法，定义无偏好的优化策略。该策略能对经济效益、生态效益、空间紧凑度与修复适宜性进行综合考量，能够对多个目标条件进行均衡的优化。无偏好在经济效益和生态效益上比其他4种策略提升得少，但在空间紧凑度和修复适宜性方面表现良好，具体而言，无偏好策略在经济效益上提升41.45%，在生态效益上提升9.18%，在湿地修复适宜性上提升1.65%。

表 2(Tab. 2)

表 2 多目标策略的目标函数值 Tab. 2 Objective function values for multi-objective policies 目标函数 Objective function 经济效益 Economic benefit/108 Yuan 生态效益 Ecological benefit/108 Yuan 空间紧凑度 Spatial compacity 修复适宜性 Restoration suitability 2015年现状Status in 2015 31.17 1 345.54 270 310 57 807.82 无偏好No-preference 44.09 1 469.03 267 723 58 759.64 经济效益占优Maximum economic benefit 45.54 1 474.01 263 049 58 720.82 生态效益占优Maximum ecological benefit 44.26 1 491.28 262 125 58 753.75 空间紧凑度占优Maximum spatial compacity 43.32 1 484.46 270 324 58 719.88 修复适宜性占优Maximum restoration suitability 44.13 1 480.01 263 116 58 775.64

表 2 多目标策略的目标函数值 Tab. 2 Objective function values for multi-objective policies

从表 3可知，林地、草地、湿地和未利用地是土地利用资源配置的主要类型。2015年中有539 km²的林地、403 km²的草地和49 km²的未利用地配置成湿地，共计991 km²；还有林地与草地的相互配置，为316 km²的林地配置为草地，349 km²的草地配置成林地，未利用地还有43、109、38和25 km²分别配置成林地、草地、耕地和建设用地。

表 3(Tab. 3)

表 3 无偏好策略若尔盖高原土地利用转移矩阵 Tab. 3 Land use transfer matrix in the Zoige Plateau under no-preference policy 真实情景 Actual situation 湿地 Wetland 林地 Woodland 草地 Grassland 耕地 Cultivated land 建设用地 Construction land 未利用地 Unutilized land 合计 Total 湿地Wetland 2 933 539 403 0 0 49 3 924 林地Woodland 0 1 299 316 0 0 43 1 658 草地Grassland 0 349 13 164 0 0 109 13 622 耕地Cultivated land 0 0 0 58 0 38 96 建设用地Construction land 0 0 0 0 29 25 54 未利用地Unutilized land 0 0 0 0 0 544 544 合计Total 2 933 2 187 13 883 58 29 808 19 898

表 3 无偏好策略若尔盖高原土地利用转移矩阵 Tab. 3 Land use transfer matrix in the Zoige Plateau under no-preference policy

整体上，无偏好策略的土地配置使经济效益增加12.92亿元，生态效益增加123.49亿元，湿地修复适宜性水平上升951.82，空间紧凑度减少0.96%。其中，湿地配置后经济效益、生态效益增值分别为1.10亿、163.75亿元，湿地修复适宜性上升3 488.32；林地配置后经济效益、生态效益分别减少0.03亿、22.62亿元，湿地修复适宜性下降1 253.73；草地配置后经济效益、生态效益分别减少0.26亿、14.17亿元，湿地修复适宜性下降751.68；耕地配置后经济效益、生态效益增值分别0.24亿、0.64亿元，湿地修复适宜性上升99.56；建设用地配置后经济效益增值为11.87亿元，未利用地配置后生态效益减少4.10亿元(表 4)。

表 4(Tab. 4)

表 4 无偏好策略与真实情景土地利用配置收益 Tab. 4 Land use allocation benefits between no-preference strategy and actual situation 景观类型 Landscape type 经济Economy/108 Yuan 生态Ecology/108 Yuan 修复适宜性Restoration suitability 现状 Current situation 无偏好 No-preference 增值 Increment 现状 Current situation 无偏好 No-preference 增值 Increment 现状 Current situation 无偏好 No-preference 增值 Increment 湿地Wetland 3.25 4.35 1.10 484.64 648.39 163.75 10 324.16 13 812.48 3 488.32 林地Woodland 0.12 0.09 -0.03 93.54 70.91 -22.62 5 183.19 3 929.46 -1 253.73 草地Grassland 13.66 13.40 -0.26 753.83 739.66 -14.17 39 983.04 39 231.36 -751.68 耕地Cultivated land 0.36 0.60 0.24 0.97 1.60 0.64 151.96 251.52 99.56 建设用地Construction land 13.77 25.65 11.87 0 0 0 64.67 120.42 55.75 未利用地Unutilized land 0 0 0 12.56 8.45 -4.10 2 100.80 1 414.40 -686.40

表 4 无偏好策略与真实情景土地利用配置收益 Tab. 4 Land use allocation benefits between no-preference strategy and actual situation

为保障湿地生态系统弹性平衡，维持生态系统的稳定，实现生态与经济的可持续发展，综合考虑研究区内自然保护区与湿地变化类型不同特点，构建保护优先、自然恢复、近自然修复、适度修复的空间格局。将自然保护区边界与湿地变化类型进行叠加分析，汇总统计得到4种修复模式总面积为6 293.8 km²(图 5)。

图 5(Fig. 5)

图 5 若尔盖高原湿地恢复模式 Fig. 5 Wetland restoration pattern in Zoige Plateau

研究区设立若尔盖湿地国家级自然保护区以来，依据国家政策坚持保护优先对策，核心区与缓冲区禁止人类活动，试验区限制人类活动，避免对保护区造成破坏。实行保护优先对策面积为3 646.2 km²，占4种修复保护对策面积的57.93%。

对于湿地变化类型中可持续发展区，湿地生态系统稳定且处于弹性平衡状态。因此采用自然修复对策对可持续发展区湿地进行保护，维持现行稳定性，减少人类活动对湿地的扰动，提高物种多样性与丰富度。从而提升生态系统弹性平衡阈值。实行自然修复对策的面积为1 011.9 km²，占研究区已有4种修复模式总面积的16.08%。

由于在对环境承载力不了解的情况下展开盲目的修复工作，超出湿地生态系统弹性平衡阈值从而落入保护陷阱，形成了过度关注区。因此应使用适度修复的对策对过度关注区进行修复保护，使生态系统重新归于稳定。需进行适度修复对策的面积为734.3 km²，占4种修复模式总面积的11.67%。

过度扰动区由于人类经济活动驱动下高强度快速扰动，使其落入退化陷阱，生态系统服务功能削弱，湿地受扰后恢复能力弱化。采取人工干预下的近自然修复对策，恢复生态系统的弹性平衡，从而合理修复湿地过度扰动区。近自然修复对策面积为1 101.4 km²，比例为17.50%。

研究发现，若尔盖湿地主要集中在若尔盖高原中部，过度扰动区与过度关注区镶嵌交错，分布于可持续发展区边缘地带，生态系统过度扰动与过度关注问题严重，与已有研究结果吻合^[22]。在兼顾生态系统弹性平衡与经济发展要求的同时，应关注过度扰动与过度关注情况，积极治理退化湿地，巩固已恢复、修复的湿地，在保障湿地生态系统良性发展的同时提高湿地资源利用效率。

研究在NSGA-Ⅱ算法中设置经济、生态、空间紧凑度3类基础目标的同时，考虑若尔盖高原湿地重要的生态战略地位，将湿地的修复适宜性偏好作为算法的一个目标，协调4类目标函数之间的关系，最终得到的无偏好策略能够在体现当地需求的基础上进行优化。在未来的土地优化当中，算法中可以加入更多符合当地特点的目标，配置适宜本土的空间优化策略。

人类过度关注和过度扰动占用并改变湿地用途，打破了湿地生态系统的弹性平衡状态，造成生态系统功能失衡、景观类型锐变。采用生态学适度干扰理论，对处于不同生态特征的地区实行保护优先、自然恢复、近自然恢复、适度修复的湿地管理理念，对若尔盖高原湿地生态修复具有一定指导作用。

鉴于若尔盖湿地生态系统的特殊性，仅利用湿地景观类型变化衡量生态系统弹性平衡具有一定的局限性。影响湿地生态系统稳态平衡的机制复杂，疏浚排水、垦殖放牧、线状和块状基础设施建设导致物种栖息地破碎，湿地呈破碎化分布^{[5, 23]}。在未来的研究中，应从人类活动驱动下的景观变化强度、过程、格局等视角综合考虑，揭示其背后的各种生态过程的相互关系，揭示生态系统动态平衡机制，促进生态环境和社会经济协调发展。

1) 若尔盖高原高寒湿地以可持续发展为主，过度扰动区占比高于过度关注区。呈现以可持续发展区为中心，其他区域围绕可持续发展区分布的空间格局。可持续发展区、过度关注区和过度扰动区分别占湿地总面积的45.25%、17.27%和37.48%，湿地不合理的恢复措施与过度利用问题严重。

2) 5种策略均对土地利用进行了不同程度的优化，无偏好策略作为土地利用最佳方案，在经济效益上提升41.45%，在生态效益上提升9.18%，在湿地修复适宜性上提升1.65%。其主要是将991 km²的林地、草地、未利用配置成湿地，316 km²的林地配置为草地，349 km²的草地配置成林地，还将未利用地的215 km²分别配置成林地、草地、耕地和建设用地。

3) 基于社会经济生态可持续性发展、湿地生态系统稳态平衡原则，采用自然保护区与湿地变化类型空间叠加分析，将研究区高寒湿地空间优化分区为自然保护区、可持续发展区、过度关注区与过度扰动区，进而构建保护优先、自然恢复、适度修复、近自然修复的生态修复空间优化格局，4种修复模式总面积为6 293.8 km²，其面积比例分别为57.93%、16.08%、11.67%和17.50%。过度关注区和过度扰动区占修复区域的1/4，湿地修复策略为避免恢复式破坏，适度扰动，发挥生态系统恢复力和稳态性，构建健康稳定的湿地生态系统。