我國森林生態(tài)類型國家級自然保護(hù)區(qū)景觀格局變化趨勢

郝孟曦，徐軒，孔祥虹，盧巍，楊磊，李中強(qiáng)

（湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430062）

0 引言

根據(jù)我國國家級自然保護(hù)區(qū)類型是以保護(hù)對象為主的劃分原則，我國國家級自然保護(hù)區(qū)可分為草原草甸、地質(zhì)遺跡、古生物遺跡、海洋海岸、荒漠生態(tài)、內(nèi)陸濕地、森林生態(tài)、野生動(dòng)物和野生植物9大類型［1］.森林生態(tài)系統(tǒng)類型國家級自然保護(hù)區(qū)在各類國家級自然保護(hù)區(qū)中占據(jù)主導(dǎo)地位［2］，研究表明在9種保護(hù)區(qū)類型中，森林生態(tài)類型自然保護(hù)區(qū)數(shù)量最多，占我國國家級自然保護(hù)區(qū)總數(shù)的44.478%［3］.

國內(nèi)外對森林自然保護(hù)區(qū)的研究主要集中在探討其演化機(jī)制和可持續(xù)發(fā)展［2］，系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)森林自然保護(hù)區(qū)和完善保護(hù)區(qū)法律法規(guī)［4］等方面.絕大部分學(xué)者對單個(gè)森林生態(tài)類型自然保護(hù)區(qū)的景觀格局進(jìn)行詳細(xì)研究，也有少數(shù)學(xué)者研究了省市級范圍內(nèi)的自然保護(hù)區(qū)景觀格局［5］以及特定林區(qū)的森林景觀斑塊密度及邊緣密度的動(dòng)態(tài)變化［6］.到目前為止，在全國范圍內(nèi)對森林生態(tài)類型國家級自然保護(hù)區(qū)整體景觀格局做出分析探討的研究尚少.本文中選取1988年、1994年、2000年、2002年、2006年、2008年和2011年的斑塊密度、邊界密度、平均斑塊分維數(shù)和景觀連通性指數(shù)來揭示景觀格局的空間形狀特征，利用景觀多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、均勻度指數(shù)來反映森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)總體景觀格局的時(shí)間變化規(guī)律，并探討不同地區(qū)所建立的國家級森林自然保護(hù)區(qū)面積和周長與物種數(shù)量之間的關(guān)系.定量研究景觀空間格局可以幫助了解這些保護(hù)區(qū)的空間分布與配置特征，為以物種多樣性保護(hù)為重心的自然保護(hù)區(qū)建設(shè)提供理論依據(jù).

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源 本研究收集匯總了截至2011年底我國149個(gè)森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)的相關(guān)信息，包括自然保護(hù)區(qū)名稱、類型、面積、周長、物種數(shù)量、建立日期和分布省份等.主要數(shù)據(jù)來源于《2011年全國自然保護(hù)區(qū)名錄》［7］，《中國國家級自然保護(hù)區(qū)》［8］，中國環(huán)境保護(hù)網(wǎng)，中國自然保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)庫及世界保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)庫（http：／／www.wdpa.org）.

1.2 所選取景觀指數(shù)的生態(tài)學(xué)含義及計(jì)算公式 將已建立的149個(gè)森林生態(tài)類型國家級自然保護(hù)區(qū)視為整體景觀中的斑塊組分加以分析研究.獲取精準(zhǔn)的國家級自然保護(hù)區(qū)地圖，在Arcgis 9.3中配準(zhǔn)并跟蹤邊界，已知面積和比例等相關(guān)參數(shù)，利用Arcgis軟件可以計(jì)算出保護(hù)區(qū)周長；運(yùn)用Fragstats3.3景觀格局分析軟件計(jì)算斑塊密度、邊界密度、平均斑塊分維數(shù)、景觀連通性指數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)及優(yōu)勢度指數(shù).

景觀斑塊密度反映景觀總體的斑塊分化程度或破碎化程度［6］.斑塊密度越高，表明一定面積上異質(zhì)景觀要素的斑塊數(shù)量越多，斑塊規(guī)模就越小，破碎化程度和景觀異質(zhì)性程度也就越高［9］.邊界密度反映異質(zhì)性斑塊之間物質(zhì)、能量和物種交換的能力及影響程度.邊界密度大，說明景觀整體復(fù)雜，景觀的邊緣效應(yīng)顯著，開放性強(qiáng)，易于同周圍斑塊的物質(zhì)能量流通，景觀異質(zhì)性強(qiáng)［6，9］.

平均斑塊分維數(shù)是定量描述景觀面積大小及其邊界線曲折性的指數(shù)［10］，取值范圍是1到2，值越大，景觀形狀越復(fù)雜.景觀連通性指數(shù)反映景觀斑塊間的空間連接程度，是景觀破碎化程度的度量指標(biāo)［10］，值越大，表示景觀基質(zhì)阻礙物種運(yùn)動(dòng)的程度越小，物種基因更易交流.

Shannon多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)是反映整體景觀水平的指數(shù).Shannon多樣性指數(shù)越大，表明景觀格局越復(fù)雜，異質(zhì)化程度越大；均勻度指數(shù)越大，說明整個(gè)景觀中的斑塊分布越均勻；優(yōu)勢度指數(shù)與多樣性指數(shù)恰好相反，該指數(shù)數(shù)值越大，表明一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)斑塊類型占景觀的主導(dǎo)地位.各指數(shù)的計(jì)算公式詳見表1.

表1 景觀指數(shù)及計(jì)算公式

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 運(yùn)用SPSS 17.0軟件對1956年至2011年底不同年份建立的森林生態(tài)類型國家級自然保護(hù)區(qū)的面積及周長分別進(jìn)行One-way ANOVA方差分析，對不同地區(qū)森林生態(tài)類型國家級自然保護(hù)區(qū)面積和周長與物種總數(shù)、植物種數(shù)、動(dòng)物種數(shù)及重點(diǎn)保護(hù)物種數(shù)的關(guān)系進(jìn)行Pearson相關(guān)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)景觀斑塊特征 根據(jù)中國地理區(qū)劃，本文中把所有森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)歸分為6大地區(qū)，分別是東北地區(qū)、華北地區(qū)、華南地區(qū)、華中地區(qū)、西北地區(qū)和西南地區(qū).

截至2011年底，我國共建立森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)共149個(gè)，東北地區(qū)共15個(gè)，華北地區(qū)共21個(gè)，華南地區(qū)共25個(gè)，華中地區(qū)共43個(gè)，西北地區(qū)共24個(gè)，西南地區(qū)共21個(gè).建立森林生態(tài)類型國家級自然保護(hù)區(qū)最多的地區(qū)是華中地區(qū)，東北地區(qū)最少；面積大于1 000km2的森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)在西北地區(qū)最多，華北與華南地區(qū)都沒有；面積在100～500km2的森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)幾乎在每個(gè)地區(qū)的數(shù)量都占絕對優(yōu)勢（西北地區(qū)除外）.從平均面積上看，西南和西北地區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他4個(gè)地區(qū).從平均周長上看，華北和華南地區(qū)較其他地區(qū)稍大些（表2）.方差分析表明，1988年、1994年、2000年、2002年、2006年、2008年和2011年這7年建立的森林生態(tài)類型國家級自然保護(hù)區(qū)的面積及周長都不存在顯著差異（表3）.

表2 不同地區(qū)森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)數(shù)量特征

表3 不同年份新建森林生態(tài)類型國家級自然保護(hù)區(qū)面積與周長的方差分析

2.2 森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)的空間異質(zhì)規(guī)律 森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)景觀斑塊密度從1994年的0.198×10-3個(gè)／km2急劇增大到2000年的3.366×10-3個(gè)／km2，2002年稍有下降，2006年和2008年又有所回升，直至2011年又下降到1.337×10-3個(gè)／km2（圖1a）.整體景觀的邊界密度從1988年至2011年變化不明顯，但同斑塊密度一樣，最大值0.151km／hm2出現(xiàn)在2008年，最小值2.741×10-3km／hm2出現(xiàn)在1994年（圖1b）.

景觀平均斑塊分維數(shù)總體上均呈先增后減的趨勢，數(shù)值在1.085至1.363之間，最終維持在較低水平，景觀組分的斑塊形狀由復(fù)雜、不規(guī)則變得簡單、平整，反映出景觀整體形狀朝規(guī)則、簡單方向的變化趨勢（圖1c）.景觀連通性指數(shù)的變化規(guī)律與斑塊密度變化規(guī)律一致，反映出在1994年景觀斑塊間的空間連接程度最小，景觀基質(zhì)阻礙物種運(yùn)動(dòng)的程度越大，物種基因不易交流，在2008年這種物種之間的基因交流最易進(jìn)行（圖1d）.

圖1 斑塊密度（a）、邊界密度（b）、平均斑塊分維數(shù)（c）及景觀連通指數(shù)（d）的動(dòng)態(tài)變化

2.3 森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)景觀格局的時(shí)間變化 總體景觀的多樣性指數(shù)呈下降趨勢，景觀格局逐漸簡單化，異質(zhì)程度逐年縮小，2000年shannon多樣性指數(shù)為2.061，是7年中數(shù)值最大的，該年整體景觀格局最為復(fù)雜，多樣性水平最高.優(yōu)勢度指數(shù)變化情況總體上呈先下降后上升的趨勢，由1994年的最大值1.684下降到2000年的最小值0.245，組成總體景觀的各斑塊所占比例差異逐漸縮小，景觀異質(zhì)程度降低，直至2011年優(yōu)勢度指數(shù)上升，景觀異質(zhì)程度增大.從均勻度指數(shù)的變化情況也可以看出，自2000年以后，整個(gè)森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)景觀格局由不均勻逐漸變得均勻化（圖2）.

圖2 多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化

2.4 不同地區(qū)森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)數(shù)量、面積及周長與物種數(shù)的關(guān)系 相關(guān)分析結(jié)果表明，在以物種保護(hù)為重心的森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)中，其數(shù)量與物種總數(shù)和重點(diǎn)保護(hù)物種數(shù)呈顯著相關(guān)，與植物物種數(shù)呈極顯著相關(guān).在華北地區(qū)，保護(hù)區(qū)面積與重點(diǎn)保護(hù)物種數(shù)呈顯著正相關(guān)，其他地區(qū)的森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)面積及周長均與物種數(shù)、植物物種數(shù)、動(dòng)物物種數(shù)和重點(diǎn)保護(hù)物種數(shù)均無顯著相關(guān)性.其中，東北地區(qū)和西南地區(qū)保護(hù)區(qū)面積和周長與重點(diǎn)保護(hù)物種數(shù)在一定程度上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，西北地區(qū)保護(hù)區(qū)周長與物種數(shù)及植物物種數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，華北地區(qū)保護(hù)區(qū)周長與物種數(shù)、植物物種數(shù)、動(dòng)物物種數(shù)和重點(diǎn)保護(hù)物種數(shù)均呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)程度都不顯著（表4）.

表4 不同地區(qū)森林生態(tài)類型國家級自然保護(hù)區(qū)數(shù)量、面積及周長與物種數(shù)關(guān)系

3 討論

3.1 我國各地區(qū)森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)發(fā)展趨勢 截至2011年底，我國共建立335個(gè)國家級自然保護(hù)區(qū)，其中森林生態(tài)類型國家級自然保護(hù)區(qū)數(shù)量和面積分別占總數(shù)量和總面積的44.478%、15.245%，數(shù)量和規(guī)模在其他各類型國家級自然保護(hù)區(qū)占主導(dǎo)地位［3］.在區(qū)域分布方面，大型、特大型森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)絕大多數(shù)集中在西部地區(qū)，小型、中小型森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)主要分布在華南和華中地區(qū)［7］.東部地區(qū)森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)的數(shù)量和面積遠(yuǎn)低于全國平均水平［10］.因此，我國現(xiàn)有的森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)空間分布布局也不盡合理，發(fā)展不均衡，今后在森林自然保護(hù)區(qū)建設(shè)中應(yīng)該充分考慮各地區(qū)的均衡發(fā)展.

3.2 我國森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)的景觀格局 斑塊的形狀多與邊緣效應(yīng)及景觀異質(zhì)程度相關(guān)，進(jìn)而影響物種多樣性［11-13］.緊密簡單型斑塊，異質(zhì)程度較低，有利于保儲(chǔ)能量、養(yǎng)分和生物［14］，而松散復(fù)雜型斑塊異質(zhì)程度較高，易于促進(jìn)斑塊與周圍環(huán)境物質(zhì)、能量和生物方面的交換［15-16］.就物種保護(hù)和生物多樣性角度而言，最優(yōu)景觀是幾個(gè)大型自然植被斑塊與眾多分散小斑塊相連，形成一個(gè)有機(jī)的整體景觀［17］.從整體上看，斑塊密度、邊界密度、平均斑塊分維數(shù)和景觀連通性指數(shù)的變化都反映出我國森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)整體景觀形狀規(guī)則化、簡單化，景觀異質(zhì)程度降低，系統(tǒng)開放性變?nèi)?，與外界斑塊物質(zhì)能量流通能力逐漸變?nèi)醯那闆r.雖然在一定程度上這種變化有利于保持景觀的完整性，然而一旦遭遇強(qiáng)烈的自然干擾或是人為干擾，將不利于生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定［18-19］.

景觀多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)的變化表明森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)景觀格局逐漸穩(wěn)定化、均勻化，多樣性水平下降.因此，要加強(qiáng)對生物多樣性豐富地區(qū)和重要生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)，盡量減少由人為干擾引起的景觀破碎化［19-20］，對一些特有性、典型性、瀕危性的物種必須進(jìn)一步加大保護(hù)力度.3.3 對我國森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)建設(shè)的幾點(diǎn)建議 從生物多樣性角度而言，斑塊大小影響物種、能量和養(yǎng)分的分布，決定整個(gè)景觀的生態(tài)功能［17］，建立大型保護(hù)區(qū)很大程度上優(yōu)于小型保護(hù)區(qū)［21］.本研究發(fā)現(xiàn)在不同年份新建的森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)的面積及周長并沒有顯著差異.然而，不同地區(qū)自然地理?xiàng)l件有差異，在保護(hù)區(qū)面積、形狀大小方面的設(shè)置應(yīng)該結(jié)合本地區(qū)的特有自然條件、經(jīng)濟(jì)社會(huì)條件［22］.例如特大型、大型森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)主要分布于西部地區(qū)［8］，這些地區(qū)大多人跡罕至，條件艱苦，土地貧瘠，氣候惡劣，給科學(xué)研究和物種多樣性保護(hù)帶來阻礙.相反地，東北地區(qū)土地肥沃，氣候濕潤，有著大面積針葉林、針闊混交林加之經(jīng)濟(jì)條件發(fā)達(dá)，應(yīng)該作為森林生態(tài)保護(hù)區(qū)的重點(diǎn)建設(shè)地區(qū)，但實(shí)際情況是我國東部地區(qū)森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)數(shù)量最少，面積較小，物種多樣性低，重要物種的保護(hù)措施不完善［23］.

已有研究發(fā)現(xiàn)我國不同類型自然保護(hù)區(qū)的面積、數(shù)量及形狀特征對于物種保護(hù)和繁衍不具備科學(xué)依據(jù)［24］，在國家級自然保護(hù)區(qū)及功能區(qū)面積設(shè)置方面也存在不合理性［10］.本文中研究發(fā)現(xiàn)在以物種保護(hù)為重心的森林生態(tài)國家級自然保護(hù)區(qū)中，雖然不同地區(qū)保護(hù)區(qū)數(shù)量與物種總數(shù)和重點(diǎn)保護(hù)物種數(shù)呈顯著相關(guān)，但面積及周長均與物種數(shù)、重點(diǎn)保護(hù)物種數(shù)無顯著相關(guān)性，甚至有些地區(qū)保護(hù)區(qū)面積及周長還與物種數(shù)等呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，如東北地區(qū)、西南地區(qū)和華北地區(qū)（表4）.因此，在自然保護(hù)區(qū)建設(shè)過程中除考慮到數(shù)量和面積之外，還應(yīng)該考慮保護(hù)區(qū)周長、形狀及邊緣效應(yīng)作用等.在此基礎(chǔ)上，建立一個(gè)綜合全面的國家級自然保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)庫共享平臺(tái)，給出準(zhǔn)確的空間數(shù)據(jù)信息以便廣大專家學(xué)者共同研究探討，促進(jìn)國家合理規(guī)范地建立自然保護(hù)區(qū).

此外，今后自然保護(hù)區(qū)工作的重點(diǎn)也要放在提高管理水平，努力推動(dòng)保護(hù)區(qū)事業(yè)由數(shù)量規(guī)模型向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變方面.自然保護(hù)區(qū)的建立都會(huì)與相關(guān)職能部門法律法規(guī)相聯(lián)系，而這些規(guī)章制度一般都會(huì)忽視當(dāng)?shù)鼐用竦慕?jīng)濟(jì)利益，影響他們的正?；顒?dòng)，努力協(xié)調(diào)人與保護(hù)區(qū)的關(guān)系也是一項(xiàng)艱巨的工作.

4 結(jié)論

我國國土面積遼闊，緯度跨越大，氣候變化多樣，動(dòng)植物資源豐富，生物多樣性水平較高，但同時(shí)也是世界上生物多樣性受威脅最為嚴(yán)重的國家之一.自然保護(hù)區(qū)的建立是為了合理高效地保護(hù)基因多樣性、物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的多樣性.以物種保護(hù)為前提來設(shè)立森林生態(tài)類型國家級自然保護(hù)區(qū)的時(shí)候，不僅要考慮到數(shù)量、面積、功能區(qū)面積比例的設(shè)置等問題，還應(yīng)該對這些保護(hù)區(qū)的周長、形狀特征、景觀異質(zhì)程度、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況等做出綜合評估，從而實(shí)現(xiàn)生物多樣性的全面保護(hù).

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