基于景觀安全格局的自然保護區(qū)功能區(qū)劃研究
——以吉林琿春東北虎自然保護區(qū)為例

(1.中國人民大學，北京 100872；2.中航勘察設計研究院有限公司，北京 100098)

基于景觀安全格局的自然保護區(qū)功能區(qū)劃研究
——以吉林琿春東北虎自然保護區(qū)為例

李海萍1李瑤2

(1.中國人民大學，北京 100872；2.中航勘察設計研究院有限公司，北京 100098)

本研究以吉林琿春東北虎自然保護區(qū)為研究區(qū)，結合地理信息系統技術與景觀生態(tài)學原理，在景觀安全格局理論指導下，運用GIS空間分析技術，對研究區(qū)的景觀格局現狀進行分析，并根據累計阻力模型對保護區(qū)進行功能區(qū)劃分，構建了不同生態(tài)安全水平下的景觀安全格局。

琿春東北虎自然保護區(qū)；地理信息系統；景觀安全格局；自然保護區(qū)功能區(qū)劃

1 引 言

吉林省琿春東北虎國家級自然保護區(qū)于2002年12月成立，是首個針對野生東北虎的自然保護區(qū)，位于中國、朝鮮和俄羅斯的交界處，地理位置獨特而重要，起到聯系中、俄、朝三國虎、豹種群自由遷移，維持種群繁衍的生態(tài)通道作用。

景觀安全格局理論結合了過程與格局關系以及斑塊-廊道-基質兩個景觀生態(tài)學原理，假設景觀中存在某種潛在的空間格局，它們可能是一些具有關鍵作用的點或位置，這種格局對維護和控制某種生態(tài)過程有著關鍵性的作用(Knaapen，1992)。景觀安全格局理論重點論述水平生態(tài)過程與景觀格局的關系，主要是從景觀整體中找到起關鍵作用的部分。該理論可廣泛應用于各種空間規(guī)劃或生物保護研究中，解決如何在有限的面積上，通過最佳的空間格局配置，達到維護景觀中各種過程的健康和安全發(fā)展的目的，因此，在恢復生態(tài)系統健康和阻止其惡化方面具有重要理論和實踐意義。

本文基于地理信息系統技術，選擇吉林琿春東北虎國家級自然保護區(qū)為研究區(qū)，基于已建立的該區(qū)域景觀安全格局，探討了不同生態(tài)安全水平下的生態(tài)功能區(qū)劃分，對自然保護區(qū)規(guī)劃和管理具有參考價值。

2 研究區(qū)概況

琿春東北虎國家級自然保護區(qū)位于東經130°14′08″-131°14′44″，北緯42°32′40″-43°28′00″之間，地處吉林省琿春市東南邊界，也是中、俄、朝三國交界的地區(qū)。東與俄羅斯濱海邊疆區(qū)克羅維亞、巴斯維亞、波羅斯維克等三個保護區(qū)接壤，西南隔圖們江與朝鮮慶興、雄基郡相望。該保護區(qū)屬于野生動物類型的自然保護區(qū)，主要保護對象為國際瀕危物種、國家Ⅰ級重點保護野生動物東北虎和豹以及它們的棲息地，具體位置見圖1。

圖1 琿春東北虎國家級自然保護區(qū)位置及生態(tài)功能區(qū)

保護區(qū)總面積108700公頃，其中核心區(qū)50536公頃，占46.5%，緩沖區(qū)40571公頃，占37.3%；實驗區(qū)1759公頃，占16.2%。

由于保護區(qū)所特有的自然地理條件，區(qū)內的野生動植物資源極為豐富，有國家Ⅰ級野生動物東北虎、豹、原康、梅花鹿、紫貂、丹頂鶴、金雕、白尾海雕和虎頭海雕等9種，國家Ⅱ級野生動物33種，如馬鹿和黑熊等。豐富的動物資源為東北虎的生存提供了食物基礎，使該保護區(qū)成為我國境內東北虎最活躍的區(qū)域之—。

然而，目前的功能分區(qū)還不能完全維持該區(qū)域的生態(tài)安全，因此，需要在不同安全等級水平下進行科學合理的功能分區(qū)，以實現對東北虎科學合理的保護。

3 景觀安全格局構建

景觀安全格局理論研究景觀格局的空間關系，通過運用地理信息系統的空間分析技術，建立景觀要素或物種擴展的阻力面，并根據物種擴展的趨勢確定不同等級的安全格局，通過這些不同安全等級、不同要素組成的景觀安全格局組合，實現對景觀空間結構的有效控制。

3.1 景觀安全格局組分

景觀安全格局組分可以與景觀生態(tài)學中的斑塊、廊道和基質模型相對應，對控制生態(tài)過程具有重要意義，完整的景觀安全格局包含以下景觀組分：

(1)源：通常是被保護物種的棲息地，是物種運動和擴散的起點。

(2)緩沖區(qū)：圍繞在源周圍對生物擴散具有較低阻力的地區(qū)。

(3)源間連接：連接相鄰源的低阻力通道。

(4)輻射道：源向外連接其他景觀的低阻力通道。

(5)戰(zhàn)略點：相鄰源間起重要作用的部分。

3.2 最小費用距離模型

物種對景觀的利用被看作是對空間的競爭性控制和覆蓋過程，通常需要克服一定的阻力才能實現，所以，阻力能夠反映物種空間運動的趨勢。

最小費用距離模型根據景觀單元對生物運動過程的影響程度，為每個單元設置一個阻力系數，由此計算出源與目標單元間的最小累積阻力值，并根據最小累積阻力值的大小，識別源間具有最小費用的方向和路徑。模型考慮三個因素，即源、距離和景觀要素特征，基本公式為：

式中，f表示空間任—點的最小阻力與其到所有源的距離和景觀要素特征的相關關系；Dij是物種從源 j到空間某—點所穿越的某景觀要素 i的空間距離；Ri是景觀要素 i對物種運動的阻力；m是景觀要素總數；n是源的總數。

函數f通常是未知的，但Dij×Ri之積可以反映物種從源到某一空間點的易達性，從所有源到該點的阻力最大值被用來衡量該點的易達性。

3.3 景觀安全格局構建

景觀規(guī)劃過程中需要重視景觀安全格局的構建，包括選擇并在某些潛在的戰(zhàn)略部位引入斑塊、判別連接不同源和由源向外輻射的生態(tài)廊道等關鍵步驟。

生態(tài)過程中的各種閥值為確定不同等級下的景觀安全格局提供了重要依據。景觀安全格局理論假設在各種自然和人為過程中存在—系列閥值或層次，這些閥值和層次不是絕對的，而是呈階梯狀分布，并具有不均勻分布的特性。

景觀安全格局的建立，能夠有效解決如何在景觀中找到緩沖區(qū)，如何建立廊道等問題。較高安全水平下的景觀安全格局，能夠保護物種的現存棲息地，且有較寬的緩沖區(qū)，又有能夠維持物種擴散的生態(tài)廊道。

本研究將東北虎的棲息地作為源，用最小費用距離模型計算阻力值并建立阻力面，最后根據阻力面判別景觀安全格局，包括緩沖區(qū)判別、源間連接、輻射道和戰(zhàn)略點的建立。

4 基于景觀安全格局的功能區(qū)劃分

自然保護區(qū)在制訂總體規(guī)劃時，根據各類自然資源和生態(tài)系統的作用及地位，將保護區(qū)劃分為核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)。不同功能區(qū)具有不同作用，功能分區(qū)就是根據不同區(qū)域所起的作用對其性質進行劃分。

4.1 功能區(qū)特征及閾值劃分方法

4.1.1 功能區(qū)特征

我國于1994年頒布實施 “中華人民共和國自然保護區(qū)條例”，明確規(guī)定了自然保護區(qū)各功能分區(qū)的自然特點、空間關系及各自的管理問題。

核心區(qū)：是被保護物種存在的核心區(qū)域，需要加以絕對嚴格保護。核心區(qū)應具有完好的、十分優(yōu)美的自然環(huán)境，內部生態(tài)系統結構穩(wěn)定、生態(tài)演替過程能夠自然進行。核心區(qū)應對被保護的野生生物物種具有集中保護的作用。在劃分原則上，核心區(qū)面積—般不能小于保護區(qū)總面積的三分之一，可以進行無破壞作用的科學觀測，不得存在人為干擾和人類活動。

緩沖區(qū)：存在于核心區(qū)外圍，能夠保護、防止和減緩外界對核心區(qū)造成的影響和干擾。其作用是進一步保護核心區(qū)不受侵害并對侵害進行緩沖，緩沖區(qū)內允許進行非破壞性科研活動。

實驗區(qū)：是自然保護區(qū)內唯一能進行多種科學實驗的區(qū)域。在不破壞物種資源和自然景觀的原則下，可以有計劃地發(fā)展本地所特有的植物和動物資源，建立栽培和馴化試驗的苗圃、種子繁育基地、樹木園、植物園和野生動物飼養(yǎng)場，可以建立生態(tài)系統觀測站、標準地、實驗室、氣象站、水文觀察點和物候觀測站，用收集到的數據和資料對生態(tài)系統進行對比和研究?？梢赃M行大專院校的教學實習，設立科普教育的標本室和展覽館及陳列。

可見，上述功能區(qū)的定義具有明顯的定性描述特征，在實際工作中如何科學合理地劃分各功能區(qū)的邊界，依然是一個具有挑戰(zhàn)性的工作。

傳統的保護區(qū)功能分區(qū)是將保護區(qū)抽象成一個平面，按照區(qū)域位置進行功能分區(qū)，通常是核心區(qū)居中，外圍依次環(huán)繞緩沖區(qū)和實驗區(qū)。這種方法較適于平原或丘陵地區(qū)，對海拔高差較大的山區(qū)則無法適用。有時因缺乏對保護區(qū)內整體有機聯系的考慮，致使功能分區(qū)破碎化，不利于物種的交流和擴散。

還有學者利用生境適宜性評價方法進行功能分區(qū)(陳利頂，2000)，根據每個功能區(qū)對物種的保護特性，對每個功能區(qū)賦予不同的適宜程度，從而將整個保護區(qū)按照生境適宜性評價結果進行分區(qū)。此種方法更多反映出對生物保護的控制和規(guī)劃力度，得到的功能分區(qū)結果還需要結合保護區(qū)實際情況進行修正(李紀宏，2004)。

基于景觀安全格局進行自然保護區(qū)功能劃分，能夠將保護區(qū)作為整體進行研究，從宏觀上把握保護區(qū)內的景觀異質性和生物運動規(guī)律，并以物種保護需求為根本，根據現存的景觀格局劃定最適宜的生物保護區(qū)功能范圍，因此，更加科學合理。

4.1.2 基于最小費用距離的功能區(qū)劃分方法

最小費用距離模型反映出空間上生物對景觀的—種具有選擇性移動和擴散的過程，而最小費用距離的變化則能反映景觀變化的穩(wěn)定性或突變性。用其進行功能分區(qū)的關鍵是確定各功能區(qū)邊界的閾值，根據不同閥值自動進行功能分區(qū)。

核心區(qū)閾值：用最小費用距離的方法確定的核心區(qū)以源為起點向外呈擴散趨勢。根據最小費用距離圖層標準方差分類的結果，結合核心區(qū)的意義和不同的安全等級要求，分析不同分類類別的數量差異。利用差異的突變性確定核心區(qū)的閾值。

緩沖區(qū)閾值：緩沖區(qū)的寬度是確定其邊界閾值的根本，離核心區(qū)越遠，到源的最小費用距離越大，對核心區(qū)的保護功能越強。依據不同的安全等級，可以決定不同的緩沖區(qū)域，越高等級的安全格局需要越寬的緩沖帶。

實驗區(qū)閾值：實驗區(qū)的閥值無需確定，一般由緩沖區(qū)邊界到保護區(qū)的最外圍。

本文對最小費用距離進行標準差分類，從而確定核心區(qū)和緩沖區(qū)的邊界閾值。

4.1.3 功能分區(qū)閥值確定

標準方差通常用來描述數據的分布，反映一個數據集的離散程度和波動情況。本文運用GIS技術，對最小費用距離圖層進行標準方差重分類，以突出費用距離突變點的閥值。

由于ArcGIS中的cost weighted模塊所計算出的累積阻力值為浮點型數據，因此，需要進行重分類將其變成可以統計的形式。同時，標準方差分類的間隔越小，類別數就越多，能夠更細致地表達類別之間的差異，因此，本文選取1/4方差作為分類間隔。

根據分類結果分析不同類別的數量差異，并根據類別間差異的突變性來確定功能分區(qū)的閾值。分類結果如圖2、3所示。

圖2 標準方差分類直方圖(四分之—間隔)

圖3 四分之—間隔標準方差分類圖

圖2中，C1-16表示分類共分為16個類別，可看到各類別與柵格數目之間的對應關系，見表1，根據這種對應關系，可以確定不同功能區(qū)的閾值。

從表1可看出，從C1到C2類，像元數量有—個突變的過程，從C7類開始，像元數量逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2還顯示了根據核心區(qū)的緩沖安全水平而確定的緩沖區(qū)閾值，在標準差分類下，C2代表物種移動到可能的最小的核心區(qū)邊界的最大阻力值，C16代表了物種在整個自然保護區(qū)內移動的最大阻力值，緩沖區(qū)的閾值應介于其間。設定不同的緩沖區(qū)閥值，可調整不同安全級別的景觀格局。

圖3是根據標準差分類結果進行的空間劃分，顯示出累計阻力值從C1開始逐級增大，且增大的趨勢是由源向外擴張，說明物種向外移動的累積阻力是逐漸增加的。距源越近其值越小，在較小閾值范圍內的區(qū)域可以認為物種移動時克服的功較小，并且生境是比較穩(wěn)定的。

表1 最小費用距離標準方差分類(1/4方差間隔)

最小費用距離的柵格數量關系表明在由源逐漸向外延伸的過程中，在某—閾值范圍內變化較穩(wěn)定，如果超過該閾值繼續(xù)延伸，所增加面積的可利用性及其保護意義會急劇下降，因此，這些門檻值可作為功能區(qū)邊界劃分的依據。依照以上理論，柵格數量直方圖突變處(即變化率最大)的累計阻力值能夠反映不同空間格局之間的閾值，通過該閾值可以確定不同等級的安全格局，并以此劃分功能區(qū)。

在確定了核心區(qū)和緩沖區(qū)閥值后，可自動生成實驗區(qū)。在劃分好核心區(qū)的基礎之上，便可以判別輻射道、源間連接和戰(zhàn)略點。

4.2 不同景觀安全格局等級下的功能分區(qū)

4.2.1 低等安全格局下的功能分區(qū)

根據圖2和表1中的標準方差分類結果，在C2中，柵格數目首次存在突變，表明在此閥值兩側的景觀存在異質性，且突變程度較大，說明東北虎在從C1阻力值所對應的空間向C2阻力值所對應的空間移動的過程中，需要克服阻力的程度較強，變化較明顯。因此，確定核心區(qū)閥值即累積阻力值為25734。

在圖2中，C3兩側也出現了較為明顯的突變，且C1、C2、C3三類的面積占保護區(qū)總面積的41.98%，尚不足50%。有研究表明，全區(qū)內至少有50% 以上的土地應作為保護區(qū)才有利于物種的空間運動不受景觀破碎化的影響(俞孔堅，1999)。因此，將C3作為低等安全水平的緩沖區(qū)閥值，即累計阻力為47796。低等安全格局下的功能區(qū)劃如圖4所示。

圖4 低等安全格局下的功能分區(qū)

圖4中，除了劃分出的核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)外，還存在若干源間連接、輻射道和戰(zhàn)略點。這些源間連接是連接相鄰核心區(qū)的低阻力通道。東北虎可以沿著這些源間連接在其核心棲息地間自由移動，所受到的景觀阻力將最小化。輻射道從核心區(qū)中心呈放射狀向外發(fā)散。由于研究區(qū)西北部緊鄰琿春市區(qū)，東部邊境線內存在若干道路，因此，輻射道應避開這些人類干擾，故選取其中三條作為潛在的輻射道。

經過功能區(qū)劃，核心區(qū)的面積占保護區(qū)總面積的18.96%。根據自然保護區(qū)功能分區(qū)的規(guī)定，一般核心區(qū)的面積應大于保護區(qū)總面積的1/3，而低等級安全格局下的核心區(qū)劃分并不滿足這一要求，需要進一步重新劃分。

4.2.2 中等安全格局下的功能分區(qū)

低等安全格局下的核心區(qū)面積過小且較為分散，容易造成東北虎物種的隔離，不利于不同核心區(qū)內東北虎的交流。因此，在中等安全格局下應對核心區(qū)做出調整。在表2中，C1、C2、C3三類面積百分比總和為41.98%，超過保護區(qū)總面積的1/3。因此在此調整核心區(qū)的閥值為47796，即將低等安全格局下的核心區(qū)和緩沖區(qū)合并作為中等安全格局下的核心區(qū)。

據研究，60%的面積比例作為生物保護區(qū)是保持生物多樣性的基本要求(Eric，1996)。圖2中，C4也有較明顯變化，且C1、C2、C3、C4四類的面積總和為61.16%，首次突破60%，滿足生物多樣性保護的需要。因此，將C4作為中等安全水平的緩沖區(qū)閥值，即累計阻力為70858，中等安全格局下的功能分區(qū)見圖5。

圖5 中等安全格局下的功能分區(qū)

調整核心區(qū)之后，源間連接和戰(zhàn)略點也相應減少，圖5也體現出這一變化。

4.2.3 高等安全格局下的功能分區(qū)

在核心區(qū)與中等安全格局保持一致的情況下，繼續(xù)觀察圖2，累計阻力值在C7類有突變，之后變化不大，趨勢平緩，因此，將C7作為緩沖區(qū)可變化的最外層范圍，此時，閥值為140040，即最高等級的安全格局下的功能分區(qū)，見圖6。

圖6 高等安全格局下的功能分區(qū)

對比上述三種不同等級景觀安全格局下功能分區(qū)，可見核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)所占面積及其比例變化，見表2。

表2 不同安全等級下功能分區(qū)面積

可見，核心區(qū)和緩沖區(qū)面積總和越大，安全等級越高，這是由于在生物移動擴散的過程中，緩沖區(qū)越寬，越能抵擋外部環(huán)境對其傷害。此外，物種克服環(huán)境阻力越小，越容易移動，也就需要更寬的緩沖區(qū)保護其生存環(huán)境的適宜性。

對比現有的保護區(qū)功能分區(qū)和景觀要素分布，見圖7，可見，兩種分區(qū)之間存在這一定的差異，具體表現在，新功能區(qū)劃中核心區(qū)位置偏向保護區(qū)西北部，而現有保護區(qū)核心區(qū)呈條帶狀位于保護區(qū)東南部。造成這種差異的主要原因是保護區(qū)東南部有較長的公路，對東北虎的活動有較大影響，此外，已發(fā)現的東北虎足跡點多集中在保護區(qū)西部，可以認為是東北虎活動的核心區(qū)域，這也說明了新的功能分區(qū)中核心區(qū)的劃分更加科學合理。

圖7 現有功能分區(qū)及景觀要素分布

此外，現有的功能分區(qū)是以區(qū)域的自然特征為基礎，核心區(qū)和緩沖區(qū)主要沿著地形走向呈成條帶狀分布，由于沒有考慮道路分布等人類活動因素，因此，東北虎的足跡點大多數并未分布在核心區(qū)內，說明現有的核心區(qū)未能充分發(fā)揮其生物保護作用。此外，在現有功能分區(qū)的核心區(qū)內仍有過多的人類活動，這也違背了自然保護區(qū)功能區(qū)劃設置的原則，即核心區(qū)內嚴禁任何形式的人為的干預措施，更不允許修建人工設施和進入機動車輛。需要對現有功能區(qū)劃進行調整。

5 結 論

依據景觀安全格局理論進行自然保護區(qū)生態(tài)功能分區(qū)時，如果采用最高安全水平下的功能分區(qū)標準，可以實現生物保護的最優(yōu)效果。本研究中，基于累積阻力模型計算出的高安全水平下的功能分區(qū)，是以東北虎的足跡點為中心呈環(huán)形輻射狀，這通常是因為東北虎偏向于在與足跡點環(huán)境相似的區(qū)域活動，因此，更符合生物保護的實際需要，也比現有的功能區(qū)劃分更加科學合理。

在新的功能分區(qū)中，核心區(qū)不連續(xù)且相距較遠，不利于東北虎的擴散，盡管可以借助生態(tài)廊道的構建進行緩解，但在實際應用中還需要結合保護區(qū)的實際情況對多個核心區(qū)進行整合和調整，此外，還應采取適當的措施，不僅保證東北虎能夠沿著潛在的生態(tài)廊道擴散，還有可能促成更多的跨省甚至跨國物種交流，以實現逐漸恢復琿春地區(qū)的東北虎生存狀態(tài)的目標。

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ResearchontheFunctionalZoningofNatureReserveBasedontheLandscapeSecurityPattern：ACaseStudyonHunchunNationalNatureReserveoftheSiberiantiger

LI Haiping1LI Yao2

(1.Renmin University of China，Beijing 100872；2.Avic Geotechnical Engineering Institute CO.，LTD. Beijing 100098)

Functional zoning of natural reserve is important for the protection of wild spices. Traditional zoning approaches have some limitations and need to consider the spatial variances. Since GIS is powerful in spatial analysis，it has been widely used in landscape ecology. In this paper，GIS technique is combined with the main principles of landscape ecology and be applied for natural reserve′s functional zoning. For the case study，Hunchun National Nature Reserve of the Siberian tiger has been selected as the research area. Using spatial analysis tools of GIS，landscape security pattern of the study area is analyzed. Then cumulative resistance model was applied for the construction of three different landscape security patterns. The three patterns are respectively under low，median and high security levels. According to the variation of the resistance value，three functional zones of core area，experimental area and buffer area have been divided under each security level. The results show that functional zoning based on landscape security pattern is more scientific and rational than the present zoning.The results provided a theoretical foundation not only for the protection of Siberian tiger in Hunchun National Nature Reserve，but also for the functional zoning and optimal allocation of resources of the reserve.

Hunchun National Nature Reserve of the Siberian tiger；GIS；Landscape security pattern；functional zoning of natural reserve

李海萍，博士，副教授，研究方向為地理信息系統

文獻格式：李海萍 等.基于景觀安全格局的自然保護區(qū)功能區(qū)劃研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(6)：55-60.

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1673-288X(2017)06-0055-06