基于生態(tài)位模型的白水江自然保護(hù)區(qū)保護(hù)效益評(píng)價(jià)研究

戎戰(zhàn)磊，馬 虎，劉興明，何禮文，常亞鵬

(1.青海師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,青海 西寧 810016；2.青海省人民政府—北京師范大學(xué) 高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院，青海 西寧 810016;3.白水江國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，甘肅 文縣 746400;4.蘭州大學(xué) 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020)

自然保護(hù)區(qū)是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，是保護(hù)和管理自然資源、保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)多樣性、保護(hù)豐富的物種及其遺傳資源的重要場(chǎng)所，它在應(yīng)對(duì)生態(tài)破壞、維護(hù)生態(tài)安全方面的價(jià)值不可估量[1].建立自然保護(hù)區(qū)已成為保護(hù)生物多樣性的重要手段[2].目前，全世界保護(hù)區(qū)面積約占全球陸地表面的13%，自1970年代以來(lái)增加了400%[3].

近年來(lái)，我國(guó)自然保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)初步形成，截至2017年底，中國(guó)已建立不同類型、不同級(jí)別的自然保護(hù)區(qū)2750個(gè)，約合147萬(wàn)km2，約占國(guó)土面積的15.3%[4]，對(duì)維護(hù)生物多樣性和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了重要作用[5].在取得了一定成績(jī)的同時(shí)，我國(guó)自然保護(hù)區(qū)的建設(shè)也存在不少問(wèn)題[6]，早期的自然保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃多采用依靠行政和地形界線進(jìn)行劃分的方法，缺乏科學(xué)依據(jù)，主觀隨意性大，沒(méi)有對(duì)保護(hù)區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行考慮[7]，自然保護(hù)區(qū)建設(shè)發(fā)展同樣存在著“重?cái)?shù)量，輕質(zhì)量；重建立，輕建設(shè)”的問(wèn)題[8].保護(hù)區(qū)是否能發(fā)揮自然保護(hù)區(qū)應(yīng)有的效應(yīng)，已成為自然保護(hù)區(qū)工作的首要任務(wù).因此，對(duì)保護(hù)區(qū)進(jìn)行保護(hù)效益評(píng)價(jià)有著重要的意義.

目前，研究方法和角度豐富多樣[9，10].張林艷等[11]應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)方法對(duì)鼎湖山自然保護(hù)區(qū)功能區(qū)規(guī)劃及管理進(jìn)行了評(píng)估；吳洽兒等[12]基于GIS的保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)了對(duì)南澎列島海洋生態(tài)自然保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃方案并進(jìn)行了適宜性和總體布局評(píng)價(jià)；曲藝等[13]利用生物多樣性保護(hù)規(guī)劃軟件C-Plan，對(duì)三江源地區(qū)進(jìn)行了保護(hù)優(yōu)先區(qū)確定及功能區(qū)劃分；朱良艷[14]采用層次分析法對(duì)湖北野三河自然保護(hù)區(qū)開(kāi)展了研究，劃定了核心區(qū)、實(shí)驗(yàn)區(qū)和緩沖區(qū)的范圍；李海霞等[15]運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)遼河保護(hù)區(qū)劃定以來(lái)保護(hù)效益開(kāi)展了評(píng)價(jià).這些研究成果為決策者做出科學(xué)判斷提供參考.然而，近年來(lái)的相關(guān)研究多以對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性的保護(hù)效益評(píng)估為主，針對(duì)瀕危動(dòng)物保護(hù)有效性研究相對(duì)較少.

甘肅白水江國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)成立于1978年，主要保護(hù)對(duì)象為大熊貓(Ailuropodamelanoleuca)、金絲猴(Pygathrixroxellanae)和羚牛(Budorcastaxicolor)等.目前采用通用的三區(qū)(實(shí)驗(yàn)區(qū)、核心區(qū)、緩沖區(qū))功能區(qū)劃方法對(duì)保護(hù)區(qū)功能區(qū)進(jìn)行劃分.本研究基于生態(tài)位模型，利用三種物種的分布點(diǎn)和環(huán)境因子變量，分析其棲息地分布，進(jìn)而通過(guò)各物種棲息地與保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃疊置分析，對(duì)白水江保護(hù)區(qū)保護(hù)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在為重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象有效保護(hù)研究提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

甘肅白水江國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于甘肅省最南端(E104°16′～105°25′，N 32°36′～33°00′)，總面積1857.7km2(圖1).保護(hù)區(qū)主體部分位于岷山山系摩天嶺北坡，另一部分位于白龍江北岸西秦嶺山地的小團(tuán)魚(yú)河上游紅銅河流域.保護(hù)區(qū)屬北亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡氣候區(qū)，氣候垂直變化比較明顯，年均氣溫14.8℃，年降水400～1100 mm.境內(nèi)海拔高差懸殊，從上到下依次形成高山灌叢、針葉林、針闊混交林、落葉闊葉林、常綠落葉闊葉混交林和常綠闊葉林六個(gè)明顯的植被垂直帶.保護(hù)區(qū)內(nèi)動(dòng)植物資源豐富，生態(tài)系統(tǒng)典型而獨(dú)特.已查明有高等植物197科2600多種、昆蟲(chóng)24目227科2875種、魚(yú)類4目8科68種、兩棲類2目8科28種、爬行類3目11科37種、鳥(niǎo)類16目43科275種、獸類7目28科77種，其中珍稀瀕危物種有大熊貓、金絲猴和羚牛等國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物11種，二級(jí)保護(hù)動(dòng)物40種.

圖1 白水江國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)相對(duì)位置與功能區(qū)

1.2 研究方法

研究方法主要有三步，首先，采用當(dāng)前主流的MaxEnt 模型(maximum entropy modeling，MaxEnt)開(kāi)展大熊貓、羚牛和金絲猴棲息地模擬.具體的做法是，將三種物種分布點(diǎn)數(shù)據(jù)和環(huán)境變量數(shù)據(jù)導(dǎo)入MaxEnt中，隨機(jī)選取75%的點(diǎn)用于建立模型，剩下25%的分布點(diǎn)用于模型驗(yàn)證，其他參數(shù)為模型認(rèn)值，輸出結(jié)果在ArcGIS中作進(jìn)一步的分析.利用ROC曲線(受試者工作特征曲線)對(duì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，其曲線下面積(AUC)的大小作為模型預(yù)測(cè)效果的衡量指標(biāo)，取值范圍為0～1，值越大表示模型預(yù)測(cè)效果越好.通常，AUC>0.8時(shí)，模擬結(jié)果較好[16].其次，將模擬出來(lái)的潛在棲息地結(jié)果導(dǎo)入ArcGIS中重新分類劃分適宜等級(jí)，進(jìn)而與保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃做疊置分析，從而分析各物種適宜區(qū)在各功能區(qū)的分布情況.最后，將各物種棲息地疊加生成物種豐富度指數(shù)圖層與保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃做疊置分析.

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

大熊貓、羚牛和金絲猴分布點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于白水江自然保護(hù)區(qū)2015年、2016年、2017年日常巡護(hù)監(jiān)測(cè).本研究共收集大熊貓痕跡點(diǎn)252處，金絲猴分布點(diǎn)50處，羚牛分布點(diǎn)233處.環(huán)境變量數(shù)據(jù)包括：①地形數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http：/ /www.gscloud.cn /)；②植被覆蓋數(shù)據(jù)，利用2019年TM8影像分類得到，分為針葉林、針闊混交林、落葉闊葉林、灌叢、草甸、農(nóng)田、居民地等；③其他數(shù)據(jù)，包括居民點(diǎn)、道路、水系，從白水江國(guó)家級(jí)自然保護(hù)局獲取.

以ArcGIS為平臺(tái)，將所有環(huán)境變量圖層統(tǒng)一邊界，坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一為WGS-1984-UTM-Zone-48N，柵格大小統(tǒng)一為30 m×30 m，并轉(zhuǎn)化成MaxEnt軟件所要求的ASCII格式文件.

2 結(jié)果與分析

2.1 物種潛在棲息地分布

大熊貓、金絲猴和羚牛三種物種適宜分布區(qū)模擬顯示，ROC曲線評(píng)價(jià)訓(xùn)練集與驗(yàn)證集的AUC值均超過(guò)0.9，表明模型的預(yù)測(cè)較好.

大熊貓、金絲猴和羚牛三種物種適宜棲息地主要分布在保護(hù)區(qū)的西部和南部，不適宜棲息地主要集中在保護(hù)區(qū)北部(圖2).其中，大熊貓適宜棲息地的面積209.9 km2，較適宜棲息地面積為545.4 km2，不適宜棲息地面積為1102.2 km2，總的適宜性棲息地面積占研究區(qū)域面積的40.7%；金絲猴適宜棲息地的面積為249.1 km2，較適宜棲息地面積為744.0 km2，不適宜棲息地面積為864.7 km2，總的適宜性棲息地面積占研究區(qū)域面積的53.5%；羚牛適宜棲息地的面積為160.9 km2；較適宜棲息地面積為778.5 km2，不適宜棲息地面積為918.3 km2.總的適宜性棲息地面積占研究區(qū)域面積的50.6%.

圖2 目標(biāo)物種適宜區(qū)分布(A：大熊貓棲息地分布；B：金絲猴棲息地分布；C：羚牛棲息地分布；D：物種棲息地適宜性豐富度，0：三個(gè)物種都不適宜；1：一種物種適宜；2：兩種物種適宜；3：三個(gè)物種都適宜)

2.2 適宜區(qū)分布與功能區(qū)

將目標(biāo)物種棲息地與保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃疊加分析(圖3)，各保護(hù)物種的適宜和較適宜棲息地大都分布在保護(hù)區(qū)的核心區(qū)，在緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)中有少量分布(表1).

圖3 目標(biāo)物種適宜區(qū)與功能區(qū)劃

表1 目標(biāo)物種棲息地統(tǒng)計(jì)

大熊貓92.4%的適宜棲息地分布在核心區(qū)，6.3%分布在緩沖區(qū)中，少量分布在實(shí)驗(yàn)區(qū)中(2.8%)，83.5%的較適宜棲息地分布在核心區(qū)中，12.1%分布在緩沖區(qū)中，4.4%分布在實(shí)驗(yàn)區(qū)中；金絲猴89.8%的適宜棲息地分布在核心區(qū)，13.2%分布在緩沖區(qū)中，少量分布在實(shí)驗(yàn)區(qū)中(2.6%)，68.1%的較適宜棲息地分布在核心區(qū)中，17.1%分布在緩沖區(qū)中，14.8%分布在實(shí)驗(yàn)區(qū)中；羚牛91.8%的適宜棲息地分布在核心區(qū)，7.7%分布在緩沖區(qū)中，少量分布在實(shí)驗(yàn)區(qū)中(0.8%)，74.1%的較適宜棲息地分布在核心區(qū)中，17.4%分布在緩沖區(qū)中，8.4%分布在實(shí)驗(yàn)區(qū)中.

2.3 物種潛在豐富度

通過(guò)GIS空間分析，將大熊貓、金絲猴和羚牛棲息地疊置，得到三個(gè)物種在保護(hù)區(qū)的棲息地適宜性豐富度(圖2D).表2顯示：潛在豐富度為3時(shí)(三個(gè)物種都適宜分布)，面積達(dá)到567km2，占保護(hù)區(qū)總面積的30.5%；潛在豐富度為2時(shí)，面積355.7 km2，占保護(hù)區(qū)總面積的19.1%；豐富度為1時(shí)，適宜面積279.6 km2，占保護(hù)區(qū)面積的15.1%.保護(hù)區(qū)中，至少一種物種適宜分布的累積比率達(dá)到64.7%，也就是說(shuō)，保護(hù)區(qū)中有35.3%的總面積不能滿足任何一個(gè)物種目標(biāo)分布.

表2 白水江自然保護(hù)區(qū)物種潛在豐富度

2.4 物種潛在豐富度與功能區(qū)

圖4和表3表示：核心區(qū)中，93.4%的區(qū)域?yàn)楸Ｗo(hù)物種潛在棲息地，超過(guò)70%的緩沖區(qū)面積是保護(hù)物種的適宜棲息地，22.9%左右的實(shí)驗(yàn)區(qū)面積分布著適宜棲息地.具體為，實(shí)驗(yàn)區(qū)中，1.1%的區(qū)域?yàn)槿N物種適宜棲息地，6.1%的區(qū)域?yàn)閮煞N物種潛在棲息地，15.8%的區(qū)域?yàn)槠渲幸环N物種的棲息地.緩沖區(qū)中，18.8%的區(qū)域?yàn)槿N物種適宜棲息地，28.3%的區(qū)域?yàn)閮煞N物種潛在棲息地，22.7%的區(qū)域?yàn)槠渲幸环N物種的棲息地.核心區(qū)中55.4%的區(qū)域?yàn)槿N物種適宜棲息地，25.9%的區(qū)域?yàn)閮煞N物種潛在棲息地，12.1%的區(qū)域?yàn)槠渲幸环N物種的棲息地.

圖4 物種棲息地適宜性豐富度與功能區(qū)劃

表3 物種棲息地適宜性豐富度在各功能區(qū)面積統(tǒng)計(jì)

3 討論

建立自然保護(hù)區(qū)是對(duì)瀕危物種進(jìn)行搶救性保護(hù)的最有效措施，是當(dāng)前各國(guó)保護(hù)生物多樣性采取的重要手段.自然保護(hù)區(qū)的發(fā)展不僅要在數(shù)量上保持適度增長(zhǎng)，更重要的是要使保護(hù)區(qū)的管理質(zhì)量得到不斷改善，功能評(píng)價(jià)正是引入監(jiān)督和測(cè)評(píng)機(jī)制、促進(jìn)自然保護(hù)區(qū)改善管理的重要途徑[17].對(duì)保護(hù)區(qū)保護(hù)效益評(píng)估，是提高管理質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)保護(hù)目的的有效方法.本文對(duì)甘肅白水江自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)成效進(jìn)行研究，對(duì)保護(hù)區(qū)功能區(qū)設(shè)置的合理性進(jìn)行了探討.

保護(hù)區(qū)的有效性一直存在爭(zhēng)論[18]，爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是保護(hù)區(qū)內(nèi)的生態(tài)變化或棲息地破壞是否得到緩解[19，20].輝河自然保護(hù)區(qū)管理局成立以來(lái)，保護(hù)區(qū)內(nèi)濕地面積基本保持穩(wěn)定，成片分布趨勢(shì)增加，破碎化程度逐步降低，保護(hù)效果良好[21].神農(nóng)架保護(hù)區(qū)的建立在一定程度上維持了森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力，取得了一定的固碳保護(hù)成效[22].甘肅安西極旱荒漠國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)建立以來(lái)植被保護(hù)成效明顯，核心區(qū)和緩沖區(qū)內(nèi)不存在退化的植被類型，天然草地植被表現(xiàn)出了較好的長(zhǎng)勢(shì)和增長(zhǎng)的趨勢(shì)[23].然而，也有一些保護(hù)區(qū)沒(méi)有充分保護(hù)生態(tài)多樣性，甚至導(dǎo)致退化和破壞[24].本研究中，大熊貓、金絲猴和羚牛的大部分適宜棲息地(89.8%～92.4%)和較適宜棲息地(68.1%～83.5%)分布在保護(hù)區(qū)的核心區(qū)內(nèi)，然而，但也有的適宜區(qū)分布在緩沖區(qū)與實(shí)驗(yàn)區(qū)，尤其是金絲猴較適宜棲息地13.2%分布在緩沖區(qū)，14.8%分布在實(shí)驗(yàn)區(qū)，羚牛17.4%和8.4%較適宜棲息地分布在緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)，這意味著被保護(hù)物種在此區(qū)域的活動(dòng)，將會(huì)遭受來(lái)自人類活動(dòng)的壓力.

目前針對(duì)自然保護(hù)區(qū)保護(hù)成效的評(píng)估多以定性研究或靜態(tài)指標(biāo)為主[10]，在動(dòng)態(tài)性、定量化的保護(hù)成效評(píng)估指標(biāo)體系等方面的研究較為不足[21].自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)成效評(píng)估應(yīng)通過(guò)主要保護(hù)對(duì)象的動(dòng)態(tài)變化來(lái)反映自然保護(hù)區(qū)保護(hù)和管理工作的效果[25].具有代表性、靈活性、綜合性的保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃指標(biāo)是決定區(qū)域劃分合理與否的關(guān)鍵因素[13].本研究采用的生態(tài)位模型方法，以一種基于物種分布數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)的有效方法，它可以根據(jù)動(dòng)物分布的動(dòng)態(tài)變化，及時(shí)有效地進(jìn)行評(píng)估.

自然保護(hù)區(qū)的功能區(qū)劃是保護(hù)區(qū)規(guī)劃管理的核心，合理有效的功能區(qū)劃是充分發(fā)揮自然保護(hù)區(qū)多重功能和實(shí)施有效管理與評(píng)估的關(guān)鍵[26].“三區(qū)”區(qū)劃模式中，核心區(qū)是自然保護(hù)區(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心，具有特殊保護(hù)意義的地段，是嚴(yán)格控制人類活動(dòng)的區(qū)域，而緩存區(qū)和實(shí)驗(yàn)室的功能相對(duì)多樣，受人類干擾較大.研究發(fā)現(xiàn)，超過(guò)70%的緩沖區(qū)面積是保護(hù)物種的適宜棲息地，22.9 %左右的實(shí)驗(yàn)區(qū)面積分布著適宜棲息地.建議對(duì)目前保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃進(jìn)行微調(diào)，將緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)中適宜面積集中分布的區(qū)域劃定為核心區(qū)，如圖4中A區(qū)域.77.1%的實(shí)驗(yàn)區(qū)不是選擇物種的棲息地，建議減少實(shí)驗(yàn)區(qū)面積，以節(jié)約投資保護(hù)成本.

4 結(jié)論

本研究基于保護(hù)目標(biāo)物種棲息地分布和物種潛在豐富度進(jìn)行保護(hù)區(qū)保護(hù)效益評(píng)價(jià)，保護(hù)區(qū)區(qū)劃總體合理，有效保護(hù)了大部分適宜區(qū)，建議對(duì)保護(hù)區(qū)邊界和功能區(qū)劃微調(diào)，將緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)的部分區(qū)域劃為核心區(qū)，并縮小實(shí)驗(yàn)區(qū)面積.本論文研究方法可為其他保護(hù)區(qū)的保護(hù)成效評(píng)估提供借鑒，有利于促進(jìn)我國(guó)自然保護(hù)區(qū)事業(yè)的健康發(fā)展.