福建省荒野地空間分布研究

李曉雪，廖凌云，蘭思仁

(福建農(nóng)林大學(xué) 藝術(shù)學(xué)院 園林學(xué)院，福州 350002)

荒野地是由自然過程主導(dǎo)，能夠維持其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和過程完整性的大型自然斑塊[1]，具有生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和文化的多元價(jià)值[2-3]；保護(hù)荒野地能夠保障生物多樣性和維持健康的生態(tài)系統(tǒng)，在應(yīng)對全球氣候變化和城市化發(fā)展威脅方面具有重要作用[4]。1994年，世界自然保護(hù)聯(lián)盟(International Union for Conservation of Nature, IUCN)正式將荒野保護(hù)區(qū)劃定為1b類自然保護(hù)地，自此荒野保護(hù)理念在世界推廣開來[5]，隨后多個(gè)國家在法律層面認(rèn)定荒野保護(hù)區(qū)，荒野保護(hù)逐漸成為自然保護(hù)地研究的重要內(nèi)容。根據(jù)荒野保護(hù)規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)，識(shí)別荒野地空間分布是開展荒野保護(hù)實(shí)踐的第一步[33]。

荒野是一個(gè)相對的概念，世界上沒有絕對自然、不受人類干擾的區(qū)域。Nash提出了“荒野連續(xù)譜”(wilderness continuum)概念，指出連續(xù)譜中從一端高度自然的原始野地向另一端受到人類高度改造的現(xiàn)代景觀過渡，而荒野位于自然度高的連續(xù)譜中，荒野質(zhì)量(wilderness quality)被定義為不受到人類活動(dòng)影響的程度[6]，這種理論將荒野地圖從是否存在的二重性轉(zhuǎn)為相對性[7]，為識(shí)別荒野提供了堅(jiān)實(shí)的概念基礎(chǔ)?；囊爸茍D以“荒野連續(xù)譜”為概念基礎(chǔ)，基于地理信息系統(tǒng)(GIS)識(shí)別荒野的位置、面積和質(zhì)量等信息，是開展荒野保護(hù)實(shí)踐的重要空間基礎(chǔ)[8-9]，被廣泛應(yīng)用于荒野的識(shí)別與監(jiān)測、荒野保護(hù)及自然保護(hù)地規(guī)劃和管理、國家荒野調(diào)查、制定國家保護(hù)政策等多個(gè)方面，近年來國外從地區(qū)[10-12]、國家[13-16]、大洲[17]和全球[18-20]等尺度開展了研究，擁有較為成熟的技術(shù)和方法，國內(nèi)荒野制圖研究尚處于起步階段，對國土尺度荒野制圖研究較為完善[21-23]，而省域尺度荒野制圖研究還處于空白；鑒于此，本研究借鑒國外荒野制圖經(jīng)驗(yàn)，在中國大陸國土尺度荒野制圖的基礎(chǔ)上結(jié)合福建省現(xiàn)狀，采用經(jīng)典的荒野制圖方法，重新梳理荒野指標(biāo)體系及指標(biāo)權(quán)重，創(chuàng)建福建省荒野地圖，并分析福建省荒野質(zhì)量格局和荒野地保護(hù)格局，以期為未來福建省荒野保護(hù)體系規(guī)劃和自然保護(hù)地規(guī)劃研究提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

福建省地處我國東南沿海地區(qū)，與浙江省、江西省和廣東省三省相鄰；陸域面積12.4萬平方千米，海域面積13.6萬平方千米，地形有“八山一水一分田”之稱，以山地、丘陵為主，包括兩列東北-西南走向的大山帶，閩西大山帶由武夷山組成，閩中大山帶由鷲峰山、戴云山和博平嶺組成；省內(nèi)河流眾多，主要有閩江、九龍江等(圖1)。森林資源十分豐富，森林覆蓋率達(dá)66.8%，連續(xù)42 a位居全國第一，為野生動(dòng)植物提供了良好的生態(tài)環(huán)境。野生動(dòng)植物資源豐富，種類繁多[24]。福建省涵蓋了56.64%的武夷山生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)，區(qū)內(nèi)生物多樣性高，保護(hù)好當(dāng)?shù)氐幕囊暗貙S護(hù)福建省生物多樣性具有重要意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究中利用了居民點(diǎn)數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和自然保護(hù)地空間分布數(shù)據(jù)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)的描述及來源如表1所示。

表1 研究數(shù)據(jù)來源

1.3 荒野與制圖指標(biāo)及處理

1.3.1 荒野指標(biāo) 目前大尺度荒野制圖時(shí)荒野地識(shí)別較為粗糙，為了更好地應(yīng)用于荒野保護(hù)，省域尺度研究還需對指標(biāo)數(shù)據(jù)和指標(biāo)體系進(jìn)行改善和提升。本研究借鑒國外荒野制圖經(jīng)驗(yàn)，在中國大陸荒野制圖基礎(chǔ)上，結(jié)合福建省現(xiàn)狀，對荒野指標(biāo)及權(quán)重進(jìn)行重新篩選和處理，并采用適宜省域尺度的100 m的數(shù)據(jù)精度，利用多標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)方法繪制福建省荒野地圖，將省域荒野劃分為不同質(zhì)量等級，為荒野地識(shí)別提供基礎(chǔ)。參考不同尺度的荒野制圖研究方法和結(jié)論[10, 16, 22]，并結(jié)合福建省地形條件，選擇土地利用的自然度、距道路遙遠(yuǎn)度、表觀自然度、地形崎嶇度等4個(gè)最能夠反映福建省荒野特征的指標(biāo)，表征荒野地自然狀況、保護(hù)開發(fā)利用難易程度等基本屬性。

土地利用的自然度反映生態(tài)系統(tǒng)因人類活動(dòng)影響而偏離其自然狀態(tài)的程度，取決于人們對自然狀態(tài)的理解，一般通過對不同土地利用類型賦值來確定[25]，遵循Carver等人提出的評分標(biāo)準(zhǔn)，在中國大陸荒野制圖研究基礎(chǔ)上[22, 26]，對福建省21個(gè)土地利用類型進(jìn)行打分評級，分值為1～5，分值5代表最高級別的自然度，受人工改造過的土地評分較低，保留原始自然的用地評分較高(表2)。通過3*3的移動(dòng)窗口分析[26]，統(tǒng)計(jì)每個(gè)窗口中心單元的平均值，對柵格中每個(gè)像元的自然度重新分配，使自然度能在景觀中平滑變化。

表2 土地利用的自然度分級評分表

荒野地通常位于交通不便的偏遠(yuǎn)地區(qū)[21,26]，道路的穿過會(huì)導(dǎo)致生境破碎，對生態(tài)系統(tǒng)完整性有很大影響[27]；距道路遙遠(yuǎn)度反映距離機(jī)動(dòng)車道路的遙遠(yuǎn)程度，當(dāng)距離道路1 km時(shí)，其對自然區(qū)域的生態(tài)影響呈顯著下降趨勢[28]，需要對線型道路繪制1 km的道路緩沖區(qū)。相較于國土尺度中簡單的歐氏距離函數(shù)，本研究使用更精細(xì)的數(shù)據(jù)和更科學(xué)、復(fù)雜的計(jì)算模型，Carver等人在荒野制圖研究中應(yīng)用的旅行時(shí)間模型(travel time models)綜合考慮了交通條件、地形、距離、土地利用類型和障礙特征(如開闊水域和非常陡峭的斜坡)等因素的影響，輸入DEM和土地利用類型等數(shù)據(jù)。根據(jù)旅行時(shí)間規(guī)則，使用GIS中的成本距離(Cost Distance)工具創(chuàng)建時(shí)間成本柵格，從而計(jì)算到臨近道路緩沖區(qū)所需的時(shí)間，可視化遙遠(yuǎn)度指標(biāo)[30](表3)。

表3 旅行時(shí)間模型

荒野對人工設(shè)施的存在特別敏感[29]，而定居點(diǎn)和道路兩類數(shù)據(jù)能有效反映人工設(shè)施分布情況[21]，表觀自然度以居民點(diǎn)數(shù)據(jù)和道路數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在GIS中使用密度分析工具計(jì)算居民點(diǎn)和道路網(wǎng)的密度，以此反映人工設(shè)施對自然環(huán)境的影響程度[6,14,16,30]?；诟兄慕嵌仍O(shè)置搜索半徑為250 m，代表一個(gè)人可以體驗(yàn)附近景觀的合理距離[47]；在此基礎(chǔ)上，對兩個(gè)密度層標(biāo)準(zhǔn)化后通過平均加權(quán)疊加獲得人工設(shè)施密度圖，密度值越低，代表外觀自然度越高。

地形崎嶇度反映了山區(qū)生境的異質(zhì)性，主要適用于地形復(fù)雜的區(qū)域[16]。生境的異質(zhì)性越高，其包含的生態(tài)系統(tǒng)越復(fù)雜，那么存留原始野地的可能性就越高。本研究使用地形崎嶇指數(shù)，通過計(jì)算250 m半徑以內(nèi)的地形曲率的標(biāo)準(zhǔn)差獲取地形崎嶇度[11,17,30]，標(biāo)準(zhǔn)差值越高，代表地形崎嶇度越高。

1.3.2 荒野指標(biāo)歸一化處理 四項(xiàng)荒野指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果顯示出不同的測量單位和數(shù)據(jù)范圍，而在對荒野指標(biāo)進(jìn)行多標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)時(shí)，需要保證荒野指標(biāo)擁有相同的量綱，因此需要對其進(jìn)行歸一化處理[35]。參考Lin等人荒野制圖經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)人類活動(dòng)對生境的影響達(dá)到一定閾值后，將不再繼續(xù)增加，使用對數(shù)函數(shù)對荒野指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理[22,26,30]，計(jì)算公式如下：

其中NIi為第i項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)歸一化處理后的指標(biāo)值，ai為第i項(xiàng)指標(biāo)中的取值，aimax為第i項(xiàng)指標(biāo)中的最大值。

1.3.3 制圖指標(biāo)及其計(jì)算

(1)荒野指標(biāo)權(quán)重

結(jié)合他人荒野制圖研究以及福建省自然現(xiàn)狀[22,30]，使用層次分析法判斷四項(xiàng)荒野指標(biāo)的相對重要性[31]，對歸一化后的荒野指標(biāo)確定權(quán)重。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，判斷矩陣的一致性比率CR=0.007 9<0.1，符合一致性要求；土地利用自然度、距離道路遙遠(yuǎn)度、表觀自然度和地形崎嶇度的指標(biāo)權(quán)重依次為0.477 3，0.288 0，0.153 8和0.080 9(表4)。

表4 荒野指標(biāo)判斷矩陣

(2)制圖指標(biāo)

利用荒野質(zhì)量指數(shù)繪制荒野質(zhì)量地圖，使用多標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)對四項(xiàng)指標(biāo)歸一化結(jié)果進(jìn)行加權(quán)線性組合，計(jì)算福建省荒野質(zhì)量指數(shù)(圖1)，計(jì)算公式如下：

圖1 福建省荒野質(zhì)量指數(shù)分布圖

WQI為荒野質(zhì)量指數(shù)，n為指標(biāo)的個(gè)數(shù)，NIi為第i項(xiàng)指標(biāo)歸一化后的結(jié)果，wi為對應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重。

1.4 荒野質(zhì)量評價(jià)與分級

參考Leu等人研究結(jié)果[22, 26, 35]，即10級梯度的分類方案具有最佳性能。本研究基于自然斷點(diǎn)法將福建省的荒野質(zhì)量指數(shù)劃分為1～10級，10級荒野代表了荒野質(zhì)量最高的部分。

為了更清晰地研究荒野的空間分布情況，將10個(gè)等級的荒野進(jìn)一步劃分為三類：包括低質(zhì)量荒野(1～4級)、中質(zhì)量荒野(5～7級)和高質(zhì)量荒野(8～10級)。以此分析福建省荒野質(zhì)量空間格局以及荒野地保護(hù)格局。

2 結(jié)果與分析

2.1 福建省荒野質(zhì)量空間格局

如表5所示，福建省高質(zhì)量荒野儲(chǔ)量較大，占陸域面積的67.89%；中質(zhì)量荒野面積占比次之，為22.92%；低質(zhì)量荒野面積占比最小，不足福建省陸域面積的10%；說明福建省主要由高質(zhì)量荒野構(gòu)成，荒野率較高。

表5 不同類別荒野的面積

如圖2所示，福建省西部、北部及中部地區(qū)的荒野質(zhì)量明顯高于東部和南部沿海地區(qū)。高質(zhì)量荒野分布在山地、水系等自然條件優(yōu)良的區(qū)域，如武夷山、玳瑁山、鷲峰山、戴云山、博平嶺和太姥山等山地以及閩江流域上游區(qū)，森林覆蓋率高，水源充足，加之起伏變化的地形造就了多樣的生境類型和有利于物種棲息的自然條件，再加上山地偏僻，開發(fā)活動(dòng)較少，人類干擾強(qiáng)度相對較低，因此擁有大片高質(zhì)量的荒野；而低質(zhì)量荒野分布在東部沿海的平原地區(qū)以及主要道路周邊，包括福州市、莆田市、泉州市和廈門市等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市群，這里人口眾多，有大規(guī)模的城市建設(shè)，人類活動(dòng)干擾強(qiáng)度高，對自然環(huán)境的破壞較為嚴(yán)重，因此荒野質(zhì)量普遍較低；中質(zhì)量荒野是高質(zhì)量荒野向低質(zhì)量荒野的過渡區(qū)域，集中分布在福建省的東南內(nèi)陸地區(qū)及道路緩沖區(qū)域。

圖2 福建省荒野質(zhì)量等級分布圖

2.2 福建省荒野地保護(hù)格局

2.2.1 福建省荒野地識(shí)別 具有保護(hù)價(jià)值的荒野地應(yīng)保持高度自然性，且擁有一定的面積規(guī)模，以支撐自然過程發(fā)揮有效的生態(tài)功能[1]。參考Lin等人研究結(jié)果，確定最高荒野質(zhì)量等級10級荒野中面積不低于1 km2的斑塊為荒野地[26,35]。識(shí)別的福建省荒野地總面積16 293.62 km2，占福建省陸域面積的13.14%，由1 251個(gè)荒野斑塊構(gòu)成，其中最小的荒野斑塊為1 km2，最大的荒野斑塊1 130.46 km2。根據(jù)荒野地斑塊面積大小將其劃分為三種類型，即小型斑塊、中型斑塊和大型斑塊(表6)。其中，荒野地面積小于10 km2的小型斑塊數(shù)量占斑塊總數(shù)量80.56%，但僅占荒野地總面積16.88%；荒野地面積大于100 km2的大型斑塊數(shù)量僅占斑塊總數(shù)量2%，但占荒野地總面積46.72%，大型斑塊是荒野地主要構(gòu)成部分，主要分布在武夷山、玳瑁山、鷲峰山、戴云山、太姥山和閩江上游區(qū)域(圖3)。

圖3 福建省荒野地保護(hù)空缺分布示意圖

表6 荒野地分類

2.2.2 福建省荒野地保護(hù)空缺分析 設(shè)立國家公園和自然保護(hù)區(qū)是荒野地未來主要的保護(hù)方式[22, 32]，福建省現(xiàn)有1個(gè)國家公園和30個(gè)省級以上的陸地類自然保護(hù)區(qū)，總面積達(dá)33.25萬公頃，該保護(hù)體系保護(hù)了2.68%的陸地景觀，主要分布在福建西部的武夷山脈——玳瑁山脈和福建中部的鷲峰山——戴云山——博平嶺兩大山系區(qū)(圖3)。

從對荒野地空間分布與福建省國家公園及自然保護(hù)區(qū)空間分布數(shù)據(jù)分析比較，以及計(jì)算的荒野地保護(hù)覆蓋率結(jié)果(表7)可知，福建省有1 837.80 km2的荒野地被自然保護(hù)地體系所覆蓋，還有88.72%面積的荒野地沒有被納入保護(hù)范圍，荒野地存在較大的保護(hù)空缺。小型斑塊和中型斑塊的保護(hù)率較低，大型斑塊保護(hù)率遠(yuǎn)高于中、小型斑塊。26個(gè)大型斑塊中，有9個(gè)荒野地被保護(hù)地覆蓋，但仍有17個(gè)荒野地未被納入保護(hù)范圍?；囊氨Ｗo(hù)空缺主要分布在玳瑁山、鷲峰山、戴云山、武夷山和閩江上游區(qū)域(圖3)。

表7 荒野地保護(hù)情況

2.3 福建省荒野地保護(hù)建議

目前福建省的荒野地保護(hù)率較低，考慮到荒野地在生物多樣性保護(hù)中的重要價(jià)值，福建省亟需開展荒野保護(hù)實(shí)踐。大型斑塊荒野地是保證生境發(fā)揮有效生態(tài)功能的關(guān)鍵，需要建立嚴(yán)格的保護(hù)，防止高強(qiáng)度的人類活動(dòng)進(jìn)一步損害生物多樣性保護(hù)[22,26]，我國正處在自然保護(hù)地重組與擴(kuò)建的過程，國家公園試點(diǎn)、自然保護(hù)區(qū)和生態(tài)紅線的劃定[21]，為荒野地提供了不同形式的保護(hù)。對于未被完全納入保護(hù)范圍的荒野地，將其劃入就近的國家公園或者自然保護(hù)區(qū)內(nèi)以加強(qiáng)保護(hù)，對已有的自然保護(hù)地進(jìn)行擴(kuò)建或升級，并提高管理有效性，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)自然保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展活動(dòng)的關(guān)系[36]；對于完全沒有納入保護(hù)范圍的生態(tài)源地，需要設(shè)立新的自然保護(hù)區(qū)以加強(qiáng)保護(hù)，實(shí)行嚴(yán)格的保護(hù)措施，以維護(hù)物種棲息地的生態(tài)完整性。中、小型分散的荒野地能夠給物種提供重要棲息場所和擴(kuò)散廊道，在維持生物多樣性方面同樣發(fā)揮著重要作用。由于中、小型分散的荒野地一般周圍人類干擾強(qiáng)度較高，對于中、小型荒野地的保護(hù)不限于設(shè)立嚴(yán)格保護(hù)的形式，建議采用以自然保護(hù)為主要管理目標(biāo)的可持續(xù)管理方法[26]。

3 結(jié)論與討論

本研究基于荒野質(zhì)量指數(shù)和質(zhì)量等級劃分，繪制了福建省省域尺度荒野質(zhì)量地圖，荒野劃分為低質(zhì)量荒野、中質(zhì)量荒野和高質(zhì)量荒野，分別占陸地面積的9.2%、22.92%和67.89%；福建省西部、北部及中部地區(qū)的荒野質(zhì)量明顯高于東部和南部沿海地區(qū)，高質(zhì)量荒野儲(chǔ)量較大，主要分布于山地、水系等自然條件優(yōu)良的區(qū)域。將10級荒野中面積不小于1 km2的斑塊確定為荒野地，根據(jù)面積將其劃分為小、中、大型斑塊三種類型，大型斑塊是荒野地的主要構(gòu)成部分。福建省存在較大的荒野地保護(hù)空缺，88.72%面積的荒野地在保護(hù)范圍以外，大型斑塊保護(hù)率遠(yuǎn)高于中、小型斑塊，保護(hù)空缺主要分布在玳瑁山、鷲峰山、戴云山、武夷山和閩江上游區(qū)域。荒野地保護(hù)空缺分析結(jié)果可用于指導(dǎo)自然保護(hù)地發(fā)展規(guī)劃以及生態(tài)紅線劃定的研究和實(shí)踐。

本研究借鑒國外地區(qū)尺度荒野制圖經(jīng)驗(yàn)，在中國大陸荒野地圖的基礎(chǔ)上，并結(jié)合福建省多山的地形條件，重新確定了荒野指標(biāo)體系和荒野指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)建了福建省荒野質(zhì)量指數(shù)模型，較準(zhǔn)確地反映了福建省荒野特征；與以往研究相比，本研究使用了更高精度的指標(biāo)數(shù)據(jù)，更精確地揭示了荒野地空間分布，可為荒野保護(hù)實(shí)踐提供更為可靠的支持，對國內(nèi)省域尺度荒野制圖研究具有借鑒意義?；囊暗氐淖R(shí)別在指導(dǎo)省域荒野保護(hù)體系規(guī)劃，自然保護(hù)地規(guī)劃、生態(tài)紅線劃定等方面也具有重要意義。

荒野制圖結(jié)果受指標(biāo)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可用性限制，當(dāng)?shù)厝祟惢顒?dòng)對生物多樣性的破壞日益增加，本研究選擇表觀自然度即人類活動(dòng)影響程度，缺乏部分本地人類活動(dòng)的空間數(shù)據(jù)，如采礦等。因此，進(jìn)一步在對荒野質(zhì)量進(jìn)行評估時(shí)，應(yīng)收集更全面的指標(biāo)數(shù)據(jù)，提升荒野地圖質(zhì)量；在指標(biāo)權(quán)重方面，基于層次分析法確定的指標(biāo)權(quán)重具有一定的主觀性，下一步可以引入荒野感知調(diào)查[10, 11, 16]，通過專家調(diào)查或者公眾參與的方式確定荒野指標(biāo)和權(quán)重方案，為荒野保護(hù)提供更加科學(xué)客觀的反饋，構(gòu)建更加全面、客觀的荒野指標(biāo)體系；荒野地的劃定主要在于對荒野質(zhì)量的評定，但缺乏較為統(tǒng)一、科學(xué)的評判標(biāo)準(zhǔn)，目前對荒野地的劃分涉及多個(gè)閾值的荒野質(zhì)量，如前1%、10%、20% ，今后應(yīng)進(jìn)一步探討這些閾值對荒野地識(shí)別的影響。