自然保護(hù)區(qū)土地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)
——以湖南省萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)為例

田倩倩，黃鳳蓮，王開(kāi)心，萬(wàn)大娟*，李嘉琪，王歡

（1.湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410012；2.湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙 410004）

設(shè)立自然保護(hù)區(qū)是保護(hù)自然資源、維護(hù)生物多樣性的有效手段[1]，在保護(hù)珍稀特有物種資源、典型生態(tài)系統(tǒng)以及珍貴自然遺跡資源等方面具有重要價(jià)值[2]。但是，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類(lèi)開(kāi)發(fā)活動(dòng)與生態(tài)保護(hù)的矛盾日益突出，在未識(shí)別土地生態(tài)適宜性的情況下盲目開(kāi)采勢(shì)必會(huì)對(duì)保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合地理信息系統(tǒng)（geographic information system,GIS）空間分析技術(shù)，對(duì)土地生態(tài)適宜性展開(kāi)了大量的研究，并對(duì)土地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了深入探討[3]。目前，常用的評(píng)價(jià)方法為加權(quán)疊加法[4-5]，實(shí)質(zhì)上是結(jié)合GIS技術(shù)將各因子?xùn)鸥窕筮M(jìn)行疊加分析，主要從垂直生態(tài)過(guò)程角度進(jìn)行分析，但土地的生態(tài)價(jià)值不僅僅由垂直生態(tài)要素決定，還由該土地景觀單元在水平生態(tài)過(guò)程中的流動(dòng)等相互作用來(lái)決定[6]。因此，在土地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)過(guò)程中需結(jié)合垂直生態(tài)過(guò)程和水平生態(tài)過(guò)程，更加客觀地進(jìn)行生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)。

基于此，本文選取湖南省通道侗族自治縣萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)為研究區(qū)，在自然保護(hù)區(qū)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上首次應(yīng)用最小累積阻力模型分析景觀水平過(guò)程，結(jié)合垂直生態(tài)過(guò)程和水平生態(tài)過(guò)程綜合進(jìn)行土地生態(tài)適宜性分區(qū)，以期為科學(xué)合理制定保護(hù)區(qū)規(guī)劃和加強(qiáng)保護(hù)區(qū)土地生態(tài)管理提供技術(shù)信息參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

湖南省萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)始建于1998年10月，位于湖南省西部的懷化通道侗族自治縣境內(nèi)，地理位置為25°52′—26°29′N(xiāo)，109°25′—110°00′E，總面積為9 983.43 hm2，是以保護(hù)丹霞地貌和野生動(dòng)植物為重點(diǎn)的地質(zhì)遺跡類(lèi)自然保護(hù)區(qū)。保護(hù)區(qū)呈西南至東北走向，地貌類(lèi)型多樣，為發(fā)育典型的尖錐狀密集峰叢峰林型丹霞地貌；屬常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)，脊椎動(dòng)物資源豐富，是動(dòng)植物的天然避難所和保存完好的棲息地。同時(shí)，萬(wàn)佛山-侗寨國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)丹霞地貌景觀、萬(wàn)佛山國(guó)家地質(zhì)公園與萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)部分重疊，保護(hù)區(qū)內(nèi)風(fēng)景資源豐富，擁有丹霞群山、丹崖赤壁、丹霞洞穴、丹霞濕地等自然景觀。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括2017年美國(guó)陸地衛(wèi)星計(jì)劃第8顆衛(wèi)星（Landsat 8）獲得的萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)遙感影像，萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)數(shù)字高程模型（digital elevation model,DEM）數(shù)據(jù)（基本格網(wǎng)單元大小為30 m×30 m），萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)、萬(wàn)佛山-侗寨國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)丹霞地貌景觀和萬(wàn)佛山國(guó)家地質(zhì)公園的矢量數(shù)據(jù)等。

對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：1）根據(jù)研究目的和區(qū)域特征，對(duì)研究區(qū)遙感影像進(jìn)行融合、幾何校正、裁剪等處理后，采用監(jiān)督分類(lèi)和人工目視解譯相結(jié)合的遙感分類(lèi)方法，生成2017年萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)土地利用類(lèi)型圖，主要土地利用類(lèi)型有林地、耕地、園地、水域、交通水利用地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地等。2）基于Landsat 8遙感影像提取路網(wǎng)、河網(wǎng)、水庫(kù)，生成水系圖和交通圖。3）基于DEM數(shù)據(jù)，采用Arc GIS（10.4.1版）表面分析中坡度和坡向功能，得到萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)柵格像元大小為30 m×30 m的坡度圖和坡向圖。

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 基于層次分析法的垂直生態(tài)過(guò)程

2.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

以垂直生態(tài)過(guò)程構(gòu)建阻力基面時(shí)，本文參照目前國(guó)內(nèi)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)評(píng)價(jià)研究的有關(guān)指標(biāo)體系[7-9]，結(jié)合萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)的實(shí)際情況，由高程、坡度、坡向、土地利用類(lèi)型、植被覆蓋度、鄰近水體、道路、居民點(diǎn)等10個(gè)基礎(chǔ)因子組成4大復(fù)合因子，構(gòu)建阻力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)果見(jiàn)表1。在評(píng)價(jià)單個(gè)基礎(chǔ)因子的阻力時(shí)，將阻力分為5個(gè)等級(jí)，分別為1～5級(jí)，同時(shí)采用層次分析法確定各基礎(chǔ)因子的權(quán)重。

表1 阻力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Resistance evaluation index system

2.1.2 綜合阻力值運(yùn)算

借鑒多因子加權(quán)疊加模型[10]，建立阻力模型[11]以表示保護(hù)區(qū)生態(tài)源擴(kuò)張所受的阻力情況，公式如下：

式中：Z為綜合阻力值；n為因子數(shù)；Wi為因子i的權(quán)重值；Pi為第i個(gè)因子的分值。

2.2 基于最小累積阻力模型的水平生態(tài)過(guò)程

2.2.1 模型概述

最小累積阻力模型是指從源地經(jīng)過(guò)不同阻力的景觀類(lèi)型所累積耗費(fèi)的最小費(fèi)用或克服阻力所做的最小功，最早由KNAPPEN等[12]于1992年提出，經(jīng)國(guó)內(nèi)俞孔堅(jiān)[13]的修改，可用下列公式表示：

式中：MCR為最小累積阻力值；Dij為源j到目的地i的距離；Ri為阻力系數(shù)。該模型可通過(guò)Arc GIS空間分析中的成本距離（cost distance）模塊實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 過(guò)程源的確定

在保護(hù)區(qū)內(nèi)就瀕危物種和典型生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)而言，MCR中的“源”是指利于該區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的特殊景觀斑塊[14]。就萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)而言，是指以七星山、神仙洞峰、將軍山、萬(wàn)佛山等為主體形成的丹霞峰林景觀群區(qū)域、三十六灣原始次生林區(qū)域和龍底原始次生林區(qū)域。

3 評(píng)價(jià)過(guò)程

3.1 生成阻力基面

利用GIS空間分析技術(shù)，基于垂直生態(tài)過(guò)程創(chuàng)建的阻力評(píng)價(jià)體系（表1）并結(jié)合式（1）進(jìn)行綜合阻力值計(jì)算，得到萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)阻力基面圖（圖1），其中最高阻力值為4.282 0，最低為0.971 7。保護(hù)區(qū)中部太平巖村、江寨村、官團(tuán)村區(qū)域和南部毗鄰?fù)ǖ蓝弊遄灾慰h縣城區(qū)域阻力值較大，萬(wàn)佛山、將軍山、神仙洞及其周邊林地區(qū)域和龍底原始次生林區(qū)域的阻力值較小，其他區(qū)域介于兩者之間。

圖1 阻力基面Fig.1 Resistance base surface

3.2 生成最小累積阻力表面

基于綜合阻力值和過(guò)程“源”，計(jì)算最小累積阻力表面。根據(jù)式（2），采用Arc GIS中的成本距離模型，計(jì)算得到萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)的最小累積阻力表面，如圖2所示。圖中紅色代表擴(kuò)張過(guò)程的累積阻力值大，淺黃色代表擴(kuò)張過(guò)程的累積阻力值小，顏色由“源”向外逐漸變深，說(shuō)明擴(kuò)張過(guò)程受到的累積阻力逐漸增加。

在此基礎(chǔ)上運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)方差對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行重分類(lèi)，分為C1～C8類(lèi)，每類(lèi)之間的間隔為1/2方差，得到萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)最小累計(jì)阻力的標(biāo)準(zhǔn)方差分類(lèi)圖層（圖3）。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)各類(lèi)所對(duì)應(yīng)的柵格數(shù)目，分析二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

圖2 最小累積阻力表面Fig.2 Minimum cumulative resistance surface

3.3 確定分區(qū)閾值

圖3 標(biāo)準(zhǔn)方差分類(lèi)圖層Fig.3 Classification layer of standard variance

圖4 標(biāo)準(zhǔn)方差分類(lèi)類(lèi)別與像元數(shù)量的線性關(guān)系Fig.4 Linear relationship between classification categories of standard variances and number of pixels

根據(jù)前人研究結(jié)果，當(dāng)某類(lèi)擴(kuò)張穿過(guò)突變點(diǎn)時(shí)，突變點(diǎn)阻力值會(huì)發(fā)生聚變[15]。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，最小累積阻力從C2到C3、C4到C5、C5到C6的像元數(shù)量有個(gè)突變的過(guò)程。因此，可將C2、C4和C5處的阻力值作為臨界閾值，對(duì)萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)的最小累積阻力表面進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)結(jié)果如表2所示。

表2 生態(tài)適宜性分區(qū)閾值Table 2 Zoning thresholds for ecological suitability

4 結(jié)果與討論

4.1 生態(tài)適宜性分區(qū)

根據(jù)表2中的分區(qū)區(qū)間，對(duì)最小累積阻力表面進(jìn)行重分類(lèi)，得到萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)土地生態(tài)適宜性分區(qū)結(jié)果（圖5）和各區(qū)域面積以及比例結(jié)果（表3）。

圖5 土地生態(tài)適宜性分區(qū)結(jié)果Fig.5 Result of land ecological suitability zoning

Ⅰ級(jí)適宜區(qū)面積為4 036.04 hm2，占保護(hù)區(qū)總面積的40.43%，面積占比最大，主要分布于自然保護(hù)區(qū)北部、中部和東部區(qū)域。Ⅱ級(jí)適宜區(qū)面積為3 828.51 hm2，占保護(hù)區(qū)總面積的38.35%，這些區(qū)域分布在太平溪流域和玉帶河流域。Ⅲ級(jí)適宜區(qū)面積為1 426.77 hm2，占保護(hù)區(qū)總面積的14.29%，主要分布在大塘口村、太平巖村、官團(tuán)村、城坪村等人口集中鄉(xiāng)村。Ⅳ級(jí)適宜區(qū)面積為692.11 hm2，占保護(hù)區(qū)總面積的6.93%，主要分布于保護(hù)區(qū)南端。

李茂森等[5]以安塞縣縣南溝流域農(nóng)用地為研究對(duì)象，通過(guò)遙感（remote sensing,RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，將評(píng)價(jià)因子的矢量圖進(jìn)行疊加，得到生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)單元圖；李鵬山等[16]選取?？谑薪ㄔO(shè)用地作為研究對(duì)象，運(yùn)用空間疊加分析法，將研究區(qū)建設(shè)用地生態(tài)適宜性分為5個(gè)等級(jí)；王軍德等[17]以石羊河流域中游涼州區(qū)為研究區(qū)域，通過(guò)最小累計(jì)阻力模型，從水平生態(tài)過(guò)程分析，將研究區(qū)域劃分為4個(gè)生態(tài)適宜區(qū)；彭云飛等[18]以深圳市為研究對(duì)象，采用最小累積阻力模型模擬深圳市生態(tài)用地和建設(shè)用地的空間擴(kuò)張過(guò)程，將土地生態(tài)安全控制區(qū)劃分為2種類(lèi)型。

本文以湖南省萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)為研究區(qū)域，運(yùn)用最小累積阻力模型和GIS空間分析方法對(duì)萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行土地生態(tài)適宜性評(píng)價(jià)，劃分出4個(gè)等級(jí)的土地生態(tài)適宜區(qū)。該模型實(shí)現(xiàn)了垂直生態(tài)過(guò)程和水平生態(tài)過(guò)程相結(jié)合，一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法僅研究景觀單元的垂直過(guò)程或水平過(guò)程的缺點(diǎn)，更加準(zhǔn)確地模擬了分區(qū)結(jié)果，為保護(hù)區(qū)土地生態(tài)管理提供了依據(jù)。

4.2 與已有生態(tài)用地的耦合關(guān)系

生態(tài)用地具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，在維持區(qū)域生態(tài)平衡和可持續(xù)發(fā)展中起著重要的作用。當(dāng)前，學(xué)術(shù)界未對(duì)生態(tài)用地內(nèi)涵形成明確、統(tǒng)一的定論，眾多學(xué)者從不同的角度對(duì)生態(tài)用地概念及內(nèi)涵進(jìn)行了闡述或界定[19]。本文借鑒前人研究[20-21]，結(jié)合保護(hù)區(qū)實(shí)際并參考現(xiàn)行的國(guó)土資源管理的用地分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，將萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)用地分為林地、水域、園地、耕地，其中生態(tài)適宜性分區(qū)與已有生態(tài)用地空間耦合結(jié)果見(jiàn)圖6和表4。

Ⅰ級(jí)適宜區(qū)是林地分布最為密集的類(lèi)型區(qū)，承擔(dān)了林地面積的43.69%；Ⅱ級(jí)適宜區(qū)內(nèi)水域、園地和耕地分布較多，分別占相應(yīng)類(lèi)型用地面積的51.59%、50.91%和46.34%。這2種類(lèi)型區(qū)內(nèi)的生態(tài)用地對(duì)于保護(hù)生物多樣性、涵養(yǎng)水源、防治水土流失及保護(hù)丹霞地貌等有著重要的生態(tài)意義，今后的土地規(guī)劃應(yīng)以生態(tài)保護(hù)為主，控制一切開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng)；加強(qiáng)區(qū)內(nèi)森林、河流等自然生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和修復(fù)，不斷改善和提高生態(tài)系統(tǒng)功能。

Ⅲ級(jí)適宜區(qū)內(nèi)的生態(tài)用地面積為1 379.35 hm2，占該區(qū)域用地面積的96%，主要以林地、耕地為主。該區(qū)域應(yīng)以保障生態(tài)安全為底線，不得建設(shè)污染環(huán)境、破壞資源或者景觀的生產(chǎn)設(shè)施；政府應(yīng)引導(dǎo)鼓勵(lì)居民發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)體系，積極開(kāi)展退耕還林。

圖6 分區(qū)結(jié)果與生態(tài)用地空間分布Fig.6 Results of zoning and the spatial distribution of ecological land use

Ⅳ級(jí)適宜區(qū)是4種類(lèi)型生態(tài)用地分布最少的區(qū)域。該類(lèi)型區(qū)地形平坦，人口聚集，建設(shè)用地較多，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境的沖擊較大。該區(qū)域今后的規(guī)劃應(yīng)以生態(tài)建設(shè)為主，嚴(yán)格依照《中華人民共和國(guó)自然保護(hù)區(qū)條例》有關(guān)規(guī)定管理開(kāi)展參觀、旅游等活動(dòng)。

5 結(jié)論

1）在空間上將萬(wàn)佛山自然保護(hù)區(qū)劃分為4個(gè)等級(jí)的土地生態(tài)適宜區(qū)：Ⅰ級(jí)適宜區(qū)面積為4 036.04 hm2，Ⅱ級(jí)適宜區(qū)為3 828.51 hm2，Ⅲ級(jí)適宜區(qū)為1 426.77 hm2，Ⅳ級(jí)適宜區(qū)為 692.11 hm2。

2）在生態(tài)適宜性分區(qū)與已有生態(tài)用地空間耦合關(guān)系上，Ⅰ級(jí)適宜區(qū)內(nèi)林地分布最廣，Ⅱ級(jí)適宜區(qū)內(nèi)水域、園地和耕地分布較多，Ⅲ級(jí)適宜區(qū)主要以林地、耕地為主，而Ⅳ級(jí)適宜區(qū)的生態(tài)用地分布最少。

3）不同等級(jí)適宜性分區(qū)的管理策略各不相同：Ⅰ級(jí)適宜區(qū)應(yīng)以生態(tài)保護(hù)為主，控制一切開(kāi)發(fā)建設(shè)活動(dòng)；Ⅱ級(jí)適宜區(qū)應(yīng)保持河流、生態(tài)園林等景觀類(lèi)型，改善和提高生態(tài)系統(tǒng)功能；Ⅲ級(jí)適宜區(qū)應(yīng)以保障生態(tài)安全為底線，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，積極開(kāi)展退耕還林；Ⅳ級(jí)適宜區(qū)內(nèi)建設(shè)用地較多，應(yīng)秉持環(huán)境保護(hù)與環(huán)境建設(shè)并舉的原則，最大限度減輕對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響。

表4 生態(tài)用地在各分區(qū)中的分布Table 4 Distribution of ecological land use in different zones