基于空間分析和層次分析法的自然保護區(qū)功能區(qū)劃研究

劉瑞雪

江詩瑤

陳龍清*

自然保護區(qū)的功能區(qū)劃是保護區(qū)規(guī)劃管理中的重要環(huán)節(jié)，合理的功能區(qū)劃是保護區(qū)規(guī)劃和建設(shè)的重要基礎(chǔ)工作，是充分發(fā)揮保護區(qū)多重功能、實施有效管理的關(guān)鍵因素和保障手段[1]。然而，如何科學合理地對自然保護區(qū)進行功能區(qū)劃卻是一個非常復雜的問題。

在人與生物圈(MAB)的生物圈保護區(qū)區(qū)劃模式指導下，中國自然保護區(qū)的功能區(qū)劃多采用三區(qū)劃分模式[2]，即依據(jù)生物多樣性保護價值空間分異規(guī)律由內(nèi)向外依次劃分為核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)的一種環(huán)套結(jié)構(gòu)功能區(qū)劃模式[3]。

近年來，隨著生態(tài)學理論和3S技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于自然保護區(qū)功能區(qū)劃的研究取得了較多成果，研究方法主要有GIS空間分析方法和數(shù)學分析方法兩大類。GIS空間分析方法主要包括景觀格局分析[4]、基于生物多樣性指標的空間疊加分析[5]、最小費用距離模型的功能區(qū)劃分析[6]，以及保護目標物種的棲息地適宜性分析[7-8]等；數(shù)學方法主要是基于生境重要性、物種多樣性和稀有性，以及珍稀瀕危程度等生物多樣性保護價值指標的功能區(qū)劃分方法[2，9]。本研究以三區(qū)劃分模式為依據(jù)，綜合運用GIS空間分析和層次分析法2種研究方法，以湖北恩施野三河自然保護區(qū)為例，在對保護區(qū)自然資源進行實地綜合科學考察的基礎(chǔ)上，進行自然保護區(qū)功能區(qū)劃研究，以期為自然保護區(qū)的規(guī)劃、建設(shè)和管理提供科學依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)域概況

野三河自然保護區(qū)位于湖北省西南部恩施土家族苗族自治州建始縣境內(nèi)，范圍以野三河西岸、清江(景陽段)兩岸和青龍河西岸為主(北緯30°15′16″～30°38′31″，東經(jīng)110°1′18″～110°8′5″)，總面積129.8km2。區(qū)域內(nèi)地形復雜、山勢陡峭、溝壑密布，海拔高度401～1 713m。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候，立體氣候特征和垂直氣候差異十分顯著，低山區(qū)域四季分明、氣候溫暖，高山區(qū)域冬長夏短且氣候冷濕。年降雨量1 200～1 500mm，年均溫8.7～16.9℃。區(qū)域內(nèi)共有大小河流8條，以清江、野三河和青龍河為主要水系。

野三河自然保護區(qū)為森林生態(tài)系統(tǒng)類型的自然保護區(qū)，保護區(qū)內(nèi)森林植被為典型的中亞熱帶常綠闊葉林，分布有維管植物175科612屬1 234種，有國家重點保護野生植物16種，其中Ⅰ級3種，Ⅱ級13種；有國家重點保護野生動物44種，其中Ⅰ級3種，Ⅱ級41種。保護區(qū)前身為2002年建立的湖北省獼猴自然保護小區(qū)，現(xiàn)有國家Ⅱ級保護動物野生獼猴2 000余只，是湖北省內(nèi)獼猴分布最為集中的區(qū)域之一[10-11]。

保護區(qū)范圍涉及4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、29個村、825戶共計3 064人。人口主要居住于保護區(qū)邊緣地帶，主要經(jīng)濟收入方式為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和外出務(wù)工，年人均GDP約為1.58萬元。保護區(qū)范圍內(nèi)現(xiàn)有村級道路27條共129.2km。

2 研究方法

2.1 功能區(qū)劃原則

以森林生態(tài)系統(tǒng)及野生動植物為主體的野三河自然保護區(qū)，在功能區(qū)劃分上應(yīng)遵循以下原則：1)根據(jù)主要保護對象、自然環(huán)境和社會經(jīng)濟等因素，采取科學合理的功能區(qū)劃方法，確定核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)的空間位置及范圍等；2)堅持以保護自然資源為主，遵循自然生態(tài)系統(tǒng)規(guī)律，保持生態(tài)系統(tǒng)完整性和連通性，保護生物多樣性；3)重點保護珍稀瀕危動植物的生境完整性；4)兼顧當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展和居民生產(chǎn)生活需要。

2.2 保護區(qū)實地調(diào)查

2011—2013年夏季，組織科學考察團對野三河自然保護區(qū)進行實地綜合考察。采用線路調(diào)查和樣地調(diào)查相結(jié)合的方法進行動植物資源調(diào)查，對植物資源進行標本采集、照片拍攝和GPS定位；對典型植物群落進行樣方調(diào)查、立地環(huán)境條件調(diào)查、照片拍攝和GPS定位；對野生動物借助望遠鏡(TSN2824M220×80單筒和10×雙筒鏡)進行直接計數(shù)、照片拍攝和GPS定位。通過實地調(diào)研和走訪座談等方式，調(diào)查保護區(qū)內(nèi)存在的人類活動干擾因素，對人類活動干擾區(qū)域進行GPS定位。

2.3 主要保護對象的確定

根據(jù)《瀕危野生動植物物種國際貿(mào)易公約》《中國珍稀瀕危保護植物名錄》《中國植物紅皮書：稀有瀕危植物》《國家重點保護野生植物名錄》《國家重點保護野生動物名錄》《國家保護的有益的或者有重要經(jīng)濟、科學研究價值的陸生野生動物名錄》等相關(guān)文件，結(jié)合實地調(diào)查成果，篩選出野三河自然保護區(qū)珍稀瀕危保護動植物名錄。

2.4 基于層次分析法的綜合評價體系

2.4.1 構(gòu)建評價模型

根據(jù)上述保護區(qū)功能區(qū)劃原則，在實地調(diào)查所得的數(shù)據(jù)與資料基礎(chǔ)上，采用專家意見法選取評價指標因子，建立綜合評價模型。模型分為目標層、準則層和指標因子層3級評價體系。目標層為野三河自然保護區(qū)功能區(qū)劃綜合評價A，準則層包括自然資源因素B1和人類活動干擾因素B2，指標因子層包括12個指標C1～C12(表1)。

表1 野三河自然保護區(qū)功能區(qū)劃綜合評價模型

2.4.2 評價因子權(quán)重確定及一致性檢驗

確定權(quán)重時，構(gòu)建A-B1-2、B1-C1-8、B2-C9-12兩兩比較判斷矩陣。采用1～9標度法進行相對重要性評判[12]。邀請10位相關(guān)專業(yè)專家對各準則、指標因子的重要性進行獨立判斷。經(jīng)過專家打分和計算，分別由判斷矩陣求出各因子對各準則的相對權(quán)重，并計算各判斷矩陣的最大特征根λmax及相應(yīng)的特征向量W和CI值，用CR=CI/RI進行一致性檢驗，當CR＜0.1時，判斷矩陣具有科學的一致性[13]。

2.4.3 指標評價標準與等級確定

在12個評價指標因子中，C1海拔高度、C3生境斑塊數(shù)量、C4植被覆蓋度、C8水域面積、C11已開發(fā)程度和C12可達性6個指標因子通過對Landsat-7 ETM衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)和DEM圖進行解析，結(jié)合ArcGIS和Fragstats軟件定量計算獲得；C5植物群系數(shù)量、C6植物稀有度、C7動物稀有度、C9人口密度和C10經(jīng)濟水平5個指標通過對自然保護區(qū)的實地調(diào)查數(shù)據(jù)計算獲得；C2主要土地類型屬于定性描述指標，通過對遙感影像數(shù)據(jù)解析獲得。根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)資料信息對各個評價指標進行分級賦值(表2)。根據(jù)公式V=n∑BW，計算每個評價單元的綜合評價值，其中V為綜合得分，B為指標因子評分，W為指標因子權(quán)重值，n為因子個數(shù)。

3 自然保護區(qū)功能區(qū)劃

3.1 評價單元劃分

采用公里網(wǎng)法對野三河自然保護區(qū)進行評價單元劃分，每個評價單元大小為1km×1km，共計113個。位于自然保護區(qū)邊界上面積超過1/2但不足1個單元的記為1個評價單元，面積不足1/2個評價單元的忽略不計(圖1)。

3.2 功能區(qū)劃綜合評價

3.2.1 評價指標分析

根據(jù)判斷矩陣計算得出野三河自然保護區(qū)功能區(qū)劃評價指標因子權(quán)重。判斷矩陣通過一致性檢驗，結(jié)果合理有效，最終確定評價指標因子的總權(quán)重(表3)。

3.2.2 綜合評價結(jié)果

評價單元最高分值為10分，通過野三河自然保護區(qū)113個評價單元的綜合評價分值的統(tǒng)計結(jié)果，將113個單元劃分為3個級別，分別是大于7分為Ⅰ級(核心區(qū))、7～5分為Ⅱ級(緩沖區(qū))，小于5分為Ⅲ級(實驗區(qū))。對評價單元的綜合評價結(jié)果圖示化如圖2所示。

3.3 功能區(qū)劃結(jié)果

在功能區(qū)劃綜合評價量化分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)自然保護區(qū)功能區(qū)劃原則，結(jié)合保護區(qū)自然環(huán)境特點，以及保護區(qū)內(nèi)重點保護對象的空間分布，最終完成野三河自然保護區(qū)核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)3個功能區(qū)的劃分(圖3)。

3.3.1 核心區(qū)

該區(qū)面積35.18km2，占保護區(qū)總面積的27.10%，主要區(qū)域為野三河西岸、青龍河西岸及官店鎮(zhèn)摩峰村一帶。該區(qū)域內(nèi)自然生態(tài)系統(tǒng)保存完整，植被覆蓋度高，植物群落類型豐富，珍稀瀕危保護野生動植物的原生地和棲息地分布較為集中，具有極高的生物多樣性保護價值。而且由于野三河西岸和青龍河西岸地勢陡峭、人跡罕至，極少受到人類活動干擾，是野三河自然保護區(qū)進行生物多樣性保護的最佳區(qū)域。但由于野三河自然保護區(qū)在地形上呈狹長帶狀，且清江這一長江一級支流從其境內(nèi)穿過，將核心區(qū)分割為了南北兩部分。核心區(qū)主要用于保護野三河自然保護區(qū)內(nèi)具有典型性和代表性的植物群系、珍稀瀕危動植物及其生境，以及野三河、青龍河水源地及其生態(tài)環(huán)境。

表2 野三河自然保護區(qū)功能區(qū)劃指標分級

表3 評價指標因子權(quán)重分配總表

3.3.2 緩沖區(qū)

該區(qū)面積42.52km2，占保護區(qū)總面積的32.76%。該區(qū)域包裹于核心區(qū)外圍，自然生態(tài)系統(tǒng)保存較為完整，植被覆蓋度較高，植物群落類型豐富，有少量的國家重點保護野生動植物分布，人類活動干擾較少，可為核心區(qū)提供良好的躲避人類活動干擾的緩沖條件，防止人類活動對核心區(qū)的影響與破壞。在該區(qū)域可進行科學研究和監(jiān)測活動，以便對保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和野生動植物資源進行分析研究，及時掌握保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)，為調(diào)整規(guī)劃、制定科學合理的保護和管理方式提供新的科學依據(jù)。

3.3.3 實驗區(qū)

該區(qū)面積52.10km2，占保護區(qū)總面積的40.14%。主要位于高坪鎮(zhèn)麻扎坪和蘇坪、官店鎮(zhèn)柳木坦及清江景陽段兩岸，靠近村落、河流以及高速、國道和省道，已受到一定程度的人類活動干擾和破壞。在保護好實驗區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)和野生動植物資源的同時，需要對實驗區(qū)的必要地域進行適當?shù)纳鷳B(tài)修復。通過制定相應(yīng)的管理策略協(xié)調(diào)生物多樣性保護與人類活動干擾之間的沖突，有計劃地進行合理適度的科學研究、宣傳教育、教學實習和生態(tài)旅游等活動，盡可能避免大規(guī)模的商業(yè)經(jīng)營活動。對資源進行可持續(xù)利用，在保護生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，改善居民生活水平。提高居民的保護意識，實現(xiàn)自然保護區(qū)與周邊社區(qū)的可持續(xù)和諧發(fā)展。

圖1 野三河自然保護區(qū)功能區(qū)劃評價單元劃分

4 討論

在實地科學考察的基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS空間分析，采用層次分析法進行自然保護區(qū)功能區(qū)劃綜合評價，從而進行自然保護區(qū)三區(qū)劃分，在定量分析與定性研究之間建立契合點，使自然保護區(qū)功能區(qū)劃工作更加科學合理、易于操作。結(jié)合對人類活動的分析，以及自然保護區(qū)地形水文、土地利用和道路等資料，使功能區(qū)劃不僅保證了現(xiàn)有動植物生境和景觀斑塊等結(jié)構(gòu)的完整性，而且使功能區(qū)劃更具有針對性和合理性，對核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)的管理具有指導作用，更有利于保護區(qū)的建設(shè)與管理，為今后進行自然保護區(qū)的設(shè)計和建設(shè)工作奠定了基礎(chǔ)。

圖2 野三河自然保護區(qū)功能區(qū)劃綜合評價結(jié)果圖3 野三河自然保護區(qū)功能區(qū)劃圖

野三河自然保護區(qū)在地形上呈狹長帶狀，且清江這一長江一級支流從其境內(nèi)穿過，這樣的自然地形條件增大了保護區(qū)與外界的接觸，具有較強的邊緣效應(yīng)，對保護區(qū)內(nèi)的生態(tài)安全構(gòu)成威脅。因而建議打破行政界線的束縛，將保護區(qū)范圍從恩施州建始縣野三河和青龍河西岸擴展到恩施州巴東縣野三河和青龍河東岸，擴大保護區(qū)面積，盡量減小邊緣效應(yīng)，促進自然資源的保護。

核心區(qū)外圍應(yīng)有緩沖區(qū)包裹，將其與實驗區(qū)或外界環(huán)境完全隔離，起到一定的過渡和緩沖作用。一般情況下不允許核心區(qū)外露或者邊緣化，僅在核心區(qū)外圍為峭壁、懸崖、河流、戈壁和沙漠等條件較好的自然隔離因素情況下允許核心區(qū)外圍沒有緩沖區(qū)包圍[14]。根據(jù)功能區(qū)劃的評價結(jié)果，參考相關(guān)原則和依據(jù)[15-16]，劃分野三河自然保護區(qū)功能區(qū)，其中核心區(qū)東部外圍僅有較少緩沖區(qū)包裹，但其鄰接的野三河和青龍河及三江交匯區(qū)地勢陡峭、人跡罕至，為其提供了良好的天然隔離條件，同樣可對核心區(qū)起到過渡、緩沖及保護作用。

本研究雖然采用空間分析和實地調(diào)查相結(jié)合的方式，使功能區(qū)劃的結(jié)果具有較高的科學性和合理性，但仍不可避免地存在各種不確定性或主觀性因素，影響了結(jié)果的準確程度。保護對象的選取和保護目標制定得合理與否直接影響到規(guī)劃結(jié)果的準確性，因此實地調(diào)查應(yīng)盡可能詳細、全面地反映保護區(qū)的生物多樣性特點以及具有典型性和代表性的保護對象。人類活動、土地利用和社會經(jīng)濟等因素會使數(shù)據(jù)隨時間變化，及時更新會進一步提高結(jié)果的可靠性。

注：文中圖片均由作者繪制。