陜西長青國家級自然保護區(qū)生態(tài)價值空間分布格局1)

閆曉東 郭明 張希明 張淵媛 胡理樂

( 陜西長青國家級自然保護區(qū)管理局，陜西·漢中，723000) ( 北京麋鹿生態(tài)實驗中心) ( 國家林業(yè)和草原局林草調(diào)查

高質(zhì)量森林、草地、濕地等生態(tài)系統(tǒng)，不僅提供了各種供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)，還包括豐富的文化服務(wù)產(chǎn)品[1-2]。目前，評估和量化生態(tài)產(chǎn)品價值的方法較多，生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)總值(GEP)是使用最廣泛、影響最大的方法[3]。生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)總值核算，將生態(tài)效益納入經(jīng)濟社會發(fā)展評價體系，為生態(tài)產(chǎn)品價值實現(xiàn)提供了制度保障[4-5]。陜西長青國家級自然保護區(qū)(以下簡稱長青保護區(qū))，處于中國南北氣候的分界線和動植物區(qū)系的交匯過渡地帶，森林覆蓋率達90%以上，為多種動植物繁衍生息提供了良好的條件[6-9]，保護區(qū)是秦嶺地區(qū)重要的動植物“天然庇護所”和“生物資源庫”[10-13]。因此，長青保護區(qū)生態(tài)價值顯得極為重要，保護區(qū)不僅具備生態(tài)物質(zhì)產(chǎn)品、生態(tài)調(diào)節(jié)服務(wù)產(chǎn)品、文化服務(wù)產(chǎn)品等有形價值，還具備生物多樣性保護的無形價值，引起了全社會的廣泛關(guān)注和高度重視[14]。

已有部分研究[15-17]采用不同方法、應(yīng)用不同評估指標、從不同角度，對長青保護區(qū)、秦嶺生態(tài)功能區(qū)、秦巴山區(qū)生態(tài)功能進行了核算與評估，但對陜西長青國家級自然保護區(qū)乃至整個秦嶺地區(qū)生態(tài)服務(wù)能力的綜合評估研究較少。為此，本研究以長青保護區(qū)為研究區(qū)域，以研究區(qū)域水源涵養(yǎng)、固碳、水土保持、防風(fēng)固沙為評價指標，以獲取的氣象站數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)為計算基礎(chǔ)，使用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評估模型(InVEST模型)分析研究區(qū)域的生態(tài)價值特征，應(yīng)用局部莫蘭指數(shù)分析研究區(qū)域生態(tài)價值空間分布格局。旨在為科學(xué)量化和細化研究區(qū)生態(tài)價值特征、為長青保護區(qū)保護管理及整合優(yōu)化提供參考。

1 研究區(qū)域概況

長青保護區(qū)是以保護大熊貓及其棲息地為主的森林和野生動物類型保護區(qū)，位于秦嶺中段南坡的洋縣境內(nèi)，地處東經(jīng)107°17′～107°55′、北緯33°19′～33°44′；總面積29 906 hm2(見圖1)，其中核心區(qū)面積11 000 hm2、緩沖區(qū)面積3 409 hm2、實驗區(qū)面積15 497 hm2；區(qū)內(nèi)最高處為興隆嶺混人坪(海拔3 071 m)，最低處為茅坪保護站(海拔800 m)，相對高差2 271 m。由于秦嶺山系的屏障作用和東南季風(fēng)的影響，保護區(qū)氣候溫暖濕潤，屬暖溫帶與北亞熱帶的交錯與過渡地區(qū)，形成較為完整的從低山到亞高山的不同生境類型，構(gòu)成了種類獨特、豐富、多樣的天然“生物資源庫”[10-11]。長青保護區(qū)位于秦嶺南側(cè)，是漢江流域上游重要的水源地；森林覆蓋率高，是秦嶺地區(qū)重要的碳匯地[15，18]。

2 研究方法

生態(tài)價值核算方法：綜合考慮長青保護區(qū)為漢江流域上游重要的水源地、秦嶺地區(qū)重要的碳匯地和生態(tài)屏障的定位和特征，依據(jù)千年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估框架(MA)[1]，選取水源涵養(yǎng)、固碳、水土保持、防風(fēng)固沙4項指標評估長青保護區(qū)的生態(tài)價值，核算時間為2020年。4項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量，使用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評估模型(InVEST模型)進行計算[5，19-20]。參考《生態(tài)保護紅線劃定指南(2017)》，長青保護區(qū)生態(tài)價值核算的空間分辨率為250 m。

生態(tài)價值空間格局劃分方法：依據(jù)地統(tǒng)計學(xué)方法，對長青保護區(qū)生態(tài)價值的空間格局進行量化分析；采用局部莫蘭指數(shù)(local Moran’s index)，對長青保護區(qū)生態(tài)價值的聚集或離散情況進行分析。局部莫蘭指數(shù)和顯著性檢驗結(jié)果，將所有生態(tài)價值空間分布格局分為5種類型：①無顯著區(qū)域，該區(qū)域的生態(tài)價值與周邊區(qū)域沒有顯著性差異，不存在聚集性和離散性的分布特征；②高值聚集區(qū)，即熱點區(qū)，為區(qū)域性高值聚集，并且與周圍其他區(qū)域的差異顯著；③高值離散區(qū)，為被低值包圍的高值區(qū)域，并且差異顯著；④低值離散區(qū)，為被高值包圍的低值區(qū)域，并且差異顯著；⑤低值聚集區(qū)，即冷點區(qū)，為區(qū)域性低值聚集，并且與周圍其他區(qū)域的差異顯著[21]。依據(jù)局部莫蘭指數(shù)，可分析長青保護區(qū)生態(tài)價值空間格局，找出熱點區(qū)、冷點區(qū)、離散區(qū)，以便針對不同區(qū)域采取不同的管理措施，實現(xiàn)長青保護區(qū)生態(tài)價值科學(xué)管理[22]。

數(shù)據(jù)來源：本研究使用的數(shù)據(jù)，包括氣象站數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)。2020年陜南地區(qū)氣象站數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)，來源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心；2020年土地利用類型數(shù)據(jù)，來源于中科院空天信息創(chuàng)新研究院；土壤屬性、2020年植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)、2020年歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)，來源于美國航空航天局(NASA)；植被數(shù)據(jù)，采用長青保護區(qū)森林二類調(diào)查數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理：通過InVEST模型計算出長青保護區(qū)2020年水源涵養(yǎng)、防風(fēng)固沙、水土保持、固碳的物質(zhì)量及總價值。應(yīng)用ArcGIS 10.5中局域統(tǒng)計工具，計算出長青保護區(qū)3個功能分區(qū)以及各類植被的生態(tài)價值和單位面積價值。使用單因素方差分析、多重比較(Duncan檢驗)的方法，分析長青保護區(qū)3個功能區(qū)生態(tài)價值的差異性；分析樣本為柵格數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 陜西長青國家級自然保護區(qū)生態(tài)價值特征

由表1可見：長青保護區(qū)生態(tài)價值總量，核心區(qū)最高，其次為實驗區(qū)，緩沖區(qū)最低；單位面積生態(tài)價值量，從大到小依次為核心區(qū)、緩沖區(qū)、實驗區(qū)。對于水源涵養(yǎng)和固碳服務(wù)，生態(tài)總價值和單位面積價值，在3個功能區(qū)的數(shù)量符合上述特征；對于水土保持和防風(fēng)固沙，其總價值和單位面積價值，都從大到小依次為核心區(qū)、實驗區(qū)、緩沖區(qū)。水源涵養(yǎng)、水土保持、固碳、防風(fēng)固沙4項生態(tài)價值，在核心區(qū)、緩沖區(qū)、實驗區(qū)中呈現(xiàn)出相同的大小排序，無論總價值還是單位面積價值，均是固碳最高，其次水源涵養(yǎng)和水土保持，防風(fēng)固沙最低。

表1 長青保護區(qū)及不同功能分區(qū)生態(tài)價值

由表2可見：長青保護區(qū)主要植被類型有10種，總面積為25 236.97 hm2，占整個保護區(qū)面積的比例接近85%，是長青保護區(qū)發(fā)揮生態(tài)功能的主體。櫟木林的生態(tài)服務(wù)總價值及4項具體生態(tài)服務(wù)價值，是所有植被中最高的，生態(tài)服務(wù)總價值為12 171.23萬元，占長青保護區(qū)生態(tài)總價值的23.19%。云杉林的5種生態(tài)價值，在10種主要植被類型中最低。竹林單位面積生態(tài)服務(wù)總價值最高(達16.65萬元/hm2)，其次是冷杉林，其單位面積生態(tài)服務(wù)總價值為16.37萬元/hm2，二者單位面積水源涵養(yǎng)、固碳、防風(fēng)固沙價值也最高；華山松林和樺木林單位面積水土保持價值最高。

表2 長青保護區(qū)主要植被生態(tài)價值

3.2 長青保護區(qū)生態(tài)價值空間分布格局

由圖2可見：長青保護區(qū)的生態(tài)價值基本上呈現(xiàn)出北部高南部低的空間分布特征。水源涵養(yǎng)、固碳、生態(tài)總價值呈現(xiàn)出相似的分布特征，即北部高南部低，高生態(tài)價值主要分布在核心區(qū)北部和東部，低生態(tài)價值主要分布在實驗區(qū)南部；防風(fēng)固沙價值呈現(xiàn)出西北部高東南部低的特征，核心區(qū)北部和東部以及西北部實驗區(qū)是防風(fēng)固沙高價值區(qū)，東南部實驗區(qū)和緩沖區(qū)的防風(fēng)固沙價值較低；水土保持價值空間分布特征與其他4類差別較大，無明顯的分布規(guī)律，高生態(tài)價值和低生態(tài)價值交錯分布于核心區(qū)、緩沖區(qū)、實驗區(qū)。

應(yīng)用局部莫蘭指數(shù)對長青保護區(qū)5類生態(tài)價值的空間聚集和離散分布格局進行地統(tǒng)計分析(見圖3)。長青保護區(qū)生態(tài)價值呈現(xiàn)出大片顯著的高值聚集區(qū)和低值聚集區(qū)的空間格局，即生態(tài)價值熱點區(qū)和冷點區(qū)，高值離散點和低值離散點則很少。陜西長青國家級自然保護區(qū)5類生態(tài)價值中，熱點區(qū)面積最大的是固碳功能(為5 256.25 hm2)，占保護區(qū)總面積的20.69%，單位面積價值為6.32萬元/hm2；冷點區(qū)面積最大的是水源涵養(yǎng)功能(為6 343.75 hm2)，占保護區(qū)總面積的23.98%，單位面積價值為3.06萬元/hm2。水土保持價值熱點區(qū)和冷點區(qū)面積均最小，分別為3 137.50、2 787.5 hm2，占保護區(qū)總面積的比例分別為12.59%、11.18%，單位面積生態(tài)價值分別為3.01、1.26萬元/hm2(見表3)。

長青保護區(qū)5類生態(tài)價值熱點區(qū)和冷點區(qū)呈現(xiàn)出3種不同的空間分布規(guī)律。水源涵養(yǎng)和固碳的生態(tài)價值熱點區(qū)，基本全部位于核心區(qū)，主要分布在核心區(qū)中部和北部；冷點區(qū)，主要分布于保護區(qū)東南部和西北部，多數(shù)處于實驗區(qū)，小部分位于緩沖區(qū)。防風(fēng)固沙和生態(tài)服務(wù)總價值的熱點區(qū)，主要分布于保護區(qū)核心區(qū)東部和北部，以及西部實驗區(qū)的西北部；冷點區(qū)，主要分布于保護區(qū)東南部和西北部。水土保持價值的冷熱點區(qū)域分布與其他4類有著明顯的不同，生態(tài)價值熱點區(qū)和冷點區(qū)較為破碎，零散地分布于保護區(qū)的所有功能區(qū)，核心區(qū)西北部和南部實驗區(qū)的生態(tài)價值熱點區(qū)分布面積較大且相對集中，而生態(tài)價值冷點區(qū)零散分布于核心區(qū)東部和西部實驗區(qū)。

4 結(jié)論與討論

4.1 陜西長青國家級自然保護區(qū)是秦嶺地區(qū)生態(tài)價值高值區(qū)域

長青保護區(qū)生態(tài)總價值較高(52 479.03萬元)，水源涵養(yǎng)、水土保持、固碳、防風(fēng)固沙價值，占生態(tài)總價值比例分別為32.16%、21.60%、40.3%、12.25%。水源涵養(yǎng)和固碳價值占生態(tài)總價值比例超過70%，表明長青保護區(qū)生態(tài)價值主要體現(xiàn)在水源涵養(yǎng)和固碳服務(wù)[15，18]，這也符合長青保護區(qū)作為秦嶺地區(qū)重要水源涵養(yǎng)區(qū)和碳匯區(qū)的生態(tài)定位，這2項價值的發(fā)揮源于長青保護區(qū)高質(zhì)量和高覆蓋的森林生態(tài)系統(tǒng)[18]。因此，水源涵養(yǎng)和固碳服務(wù)將是長青保護區(qū)未來重點保護功能，需要進一步做好森林生態(tài)系統(tǒng)的保護和修復(fù)。

長青保護區(qū)是秦嶺地區(qū)產(chǎn)生高生態(tài)價值的重點區(qū)域，已有研究表明，秦嶺地區(qū)水源涵養(yǎng)、水土保持、固碳、防風(fēng)固沙價值之和為2.55×106萬元[18]。本研究表明，長青保護區(qū)4項生態(tài)總價值占整個秦嶺地區(qū)生態(tài)價值的2.06%，遠高于其面積比例0.52%，因此長青保護區(qū)是秦嶺地區(qū)生態(tài)價值較高的區(qū)域。對比各項單位面積生態(tài)價值(見表4)表明，長青保護區(qū)單位面積生態(tài)價值是整個秦嶺地區(qū)的10倍，其中水源涵養(yǎng)和固碳服務(wù)的單位面積價值超過了10倍。

表4 長青保護區(qū)和秦嶺地區(qū)單位面積生態(tài)價值

4.2 長青保護區(qū)3個功能區(qū)生態(tài)價值差異明顯

長青保護區(qū)3個功能區(qū)生態(tài)價值，基本上呈現(xiàn)出核心區(qū)顯著高于緩沖區(qū)，緩沖區(qū)顯著高于實驗區(qū)的特征，因此，長青保護區(qū)的核心區(qū)是產(chǎn)生高生態(tài)價值的主要區(qū)域。數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布說明處在一個正常的數(shù)值范圍中，沒有異常值[23]。本研究對長青保護區(qū)3個功能區(qū)生態(tài)價值正態(tài)分布進行檢驗(Shapiro-Wilk檢驗[24])表明，核心區(qū)和緩沖區(qū)所有生態(tài)價值均呈正態(tài)分布(見表5)，說明核心區(qū)和緩沖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保持自然狀態(tài)，保護效果明顯；除了水土保持價值外，其他生態(tài)價值在實驗區(qū)均為非正態(tài)分布，即生態(tài)價值數(shù)值出現(xiàn)了許多過高或過低的異常值，是由于受到了一定的外界干擾所致。綜上所述，核心區(qū)生態(tài)價值最高，且保持自然狀態(tài)，后續(xù)仍需進一步加強核心區(qū)的保護力度；實驗區(qū)生態(tài)價值相對較低，且受到一定干擾，后續(xù)需要加強保護監(jiān)管，并視具體情況開展生態(tài)修復(fù)工作。

表5 長青保護區(qū)不同功能分區(qū)生態(tài)價值正態(tài)檢驗

4.3 長青保護區(qū)的竹林是重點保護植被

長青保護區(qū)不同植被中，生態(tài)總價值最高的為櫟木林，因為櫟木林是長青保護區(qū)面積最大的植被類型，占整個保護區(qū)面積比例達37.47%，但櫟木林的生態(tài)總價值占整個保護區(qū)的比例(23.19%)低于面積比例，可見櫟木林的生態(tài)價值發(fā)揮并不突出。長青保護區(qū)竹林面積僅占整個保護區(qū)的2.06%，卻貢獻了4.21%的生態(tài)服務(wù)總價值，竹林單位面積生態(tài)價值最高。長青保護區(qū)是以大熊貓作為核心保護對象的保護區(qū)，而竹林是大熊貓的主要食物來源和棲息地。綜合看，長青保護區(qū)竹林為其重要植被類型，后續(xù)保護區(qū)在植被管理工作中應(yīng)重點考慮竹林的保護和恢復(fù)。

4.4 長青保護區(qū)生態(tài)價值聚集性空間分布格局更利于保護管理

長青保護區(qū)的生態(tài)價值基本上呈現(xiàn)出北部高南部低的空間分布特征。其中，水源涵養(yǎng)、固碳、防風(fēng)固沙的生態(tài)價值符合相似的空間分布規(guī)律；北部是長青保護區(qū)核心區(qū)，其植被覆蓋度高、生態(tài)系統(tǒng)保持較好的原真性，且外界干擾較少，因此發(fā)揮出巨大的生態(tài)價值。通過與長青保護區(qū)地形對比表明，水土保持價值的空間分布特征與海拔分布特征較為類似(見圖1)，水土保持價值空間分布受地形因素的影響較大，而分區(qū)管理等人為因素對水土保持價值的影響較小[25-26]。

長青保護區(qū)生態(tài)價值的聚集性特征明顯，具有集中成片分布的熱點區(qū)和冷點區(qū)，基本上無離群值，這一結(jié)果可以為長青保護區(qū)管理和整合優(yōu)化提供參考；有利于開展集中性的生態(tài)保護和修復(fù)工作，可以有效降低管理成本并取得顯著成效[22]。長青保護區(qū)生態(tài)價值熱點區(qū)集中分布于核心區(qū)的北部和東部，建議將其設(shè)定為生態(tài)保護重點區(qū)，采取有效管制措施，降低外界干擾；長青保護區(qū)生態(tài)價值冷點區(qū)主要分布在實驗區(qū)東南部和西北部，建議作為開展生態(tài)修復(fù)的重點區(qū)，重點進行植被保護和修復(fù)。建議在后期陜西長青國家級自然保護區(qū)整合優(yōu)化工作中，將現(xiàn)階段緩沖區(qū)和實驗區(qū)分布著成片的生態(tài)價值熱點區(qū)納入核心保護區(qū)中，以便更好地讓保護區(qū)發(fā)揮更高的生態(tài)價值，這一做法已在其他區(qū)域自然保護地整合優(yōu)化工作中得到廣泛應(yīng)用[27]。