海南省甘什嶺自然保護(hù)區(qū)景觀格局與生境質(zhì)量分析

丁山，林瑞秀，陳勝蘭，李新建

1.國家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃院，湖南長沙 410014；

2.海南省林業(yè)科學(xué)研究院(海南省紅樹林研究院)，海南海口 571100

自然保護(hù)區(qū)作為脆弱生態(tài)系統(tǒng)和珍稀野生動(dòng)植物的聚集地，受到自然和人為因素的多重作用，也深刻影響著保護(hù)區(qū)的景觀格局及其生境質(zhì)量狀況。景觀格局是由形狀大小不同的景觀斑塊在景觀空間上的排列，體現(xiàn)了景觀的異質(zhì)性，是諸多自然和人為因素在不同時(shí)空尺度上作用的最終結(jié)果[1-2]。生境質(zhì)量是指生態(tài)系統(tǒng)提供適宜個(gè)體與種群持續(xù)發(fā)展生存條件的能力，可以在一定程度上反映區(qū)域生物多樣性狀況[3]。土地利用是人類活動(dòng)的一種重要表現(xiàn)方式，土地利用改變?cè)斐缮鷳B(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、過程和功能發(fā)生巨大變化，是導(dǎo)致生境質(zhì)量退化和喪失最主要的因子[4]。王耕等[5]以遙感影像為數(shù)據(jù)源，分析老鐵山自然保護(hù)區(qū)景觀格局變化趨勢(shì)，并采用InVEST 模型計(jì)算生境質(zhì)量，探討了該地區(qū)20 年來人類干擾強(qiáng)度與生境質(zhì)量的時(shí)空變化；顧羊羊等[6]基于Landsat影像數(shù)據(jù)，在Fragstats 和InVEST 軟件支持下分析了沅江源自然保護(hù)區(qū)土地利用變化與景觀格局特征，探討保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量變化規(guī)律。可見，科學(xué)評(píng)估區(qū)域景觀格局和生境質(zhì)量對(duì)于認(rèn)識(shí)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀況具有重要意義。

2019 年6 月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于建立以國家公園為主體的自然保護(hù)地體系的指導(dǎo)意見》，提出建立以國家公園為主體的自然保護(hù)地體系，要求開展自然保護(hù)地整合優(yōu)化，科學(xué)劃定分類管控區(qū)域。因此，開展自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)格局和質(zhì)量評(píng)估是科學(xué)劃定功能分區(qū)、編制自然保護(hù)地發(fā)展規(guī)劃的重要前提。

該文以海南省甘什嶺自然保護(hù)區(qū)為研究對(duì)象，利用2020 年最新森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，評(píng)估保護(hù)區(qū)的景觀格局與生境質(zhì)量，分析其生態(tài)系統(tǒng)狀況，以期為甘什嶺自然保護(hù)區(qū)的功能區(qū)優(yōu)化、生態(tài)修復(fù)和生物多樣性保護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐及科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

海南甘什嶺省級(jí)自然保護(hù)區(qū)地處海南島南部（18°21′17″N～18°24′12″N，109°33′55″E～109°41′38″E），位于三亞與保亭交界處（見圖1），屬于熱帶海洋季風(fēng)性氣候。甘什嶺地貌屬低山丘陵地，為五指山脈南麓的延伸部分，地勢(shì)自南向北依次升高。區(qū)內(nèi)年平均溫度24.5℃，太陽輻射年總量134 kcal/m2，平均年積溫9254.5℃，年降雨量約1600mm，干濕季明顯。保護(hù)區(qū)總面積1843.83 hm2，區(qū)劃為核心區(qū)、緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)。距三亞市區(qū)約30 km，地跨羅蓬、大茅、沙姜園等村，海榆中線公路從保護(hù)區(qū)中部穿過，交通便利。保護(hù)區(qū)以珍稀野生動(dòng)植物資源及其生境為主要對(duì)象，全面保護(hù)完整的自然生態(tài)系統(tǒng)以及豐富而珍貴的動(dòng)、植物資源，保護(hù)區(qū)是世界唯一分布有珍稀瀕危植物無翼坡壘的區(qū)域。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，保護(hù)區(qū)內(nèi)有維管植物181 科744 屬1413種，記錄有陸生脊椎動(dòng)物70 科192 種，生物多樣性十分豐富。

圖1 研究區(qū)位置Fig. 1 The Location of the Research Area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

海南省甘什嶺省級(jí)自然保護(hù)區(qū)邊界矢量數(shù)據(jù)來源于海南省林業(yè)局，土地利用分類數(shù)據(jù)以2020 年三亞市森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合2021 年林地變更數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比修正，并以保護(hù)區(qū)范圍為掩膜得到土地利用分類矢量數(shù)據(jù)。由于保護(hù)區(qū)內(nèi)以森林生態(tài)系統(tǒng)為主，將其進(jìn)一步細(xì)分，最終將保護(hù)區(qū)的土地利用類型劃分為喬木林、灌木林、橡膠林、檳榔林、相思林、果樹林、建設(shè)用地、水域共8 種景觀類型（見圖2）。

圖2 甘什嶺自然保護(hù)區(qū)土地利用分類Fig.2 Land Use Classification of Ganshiling Nature Reserve

2.2 研究方法

2.2.1 景觀格局分析

根據(jù)相關(guān)研究成果，該研究中景觀格局分析分別從類型水平和景觀水平兩個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述[7-8]，其中類型水平指數(shù)選取了景觀面積（CA）、景觀面積比例（PLAND）、斑塊數(shù)量（NP）、平均斑塊面積（MPS）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、邊緣密度（ED）、景觀形狀指數(shù)（LSI）和聚集度指數(shù)（AI）等8 個(gè)，景觀水平指數(shù)選取了景觀面積（CA）、斑塊數(shù)量（NP）、平均斑塊面積（MPS）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、邊緣密度（ED）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、聚集度指數(shù)（AI）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI） 和香農(nóng)均度指數(shù)（SHEI） 等9 個(gè)。借助ArcGIS 10.3 將土地利用景觀分類矢量圖轉(zhuǎn)換為5 m×5m 柵格格式，利用Fragstats 4.2 軟件進(jìn)行分析景觀格局統(tǒng)計(jì)分析。

2.2.2 生境質(zhì)量評(píng)估

生境質(zhì)量評(píng)估采用InVEST 3.5.0 模型中的生境質(zhì)量模塊（Habitat Quality），定量評(píng)估保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量水平，以此反映保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性狀態(tài)及其能為物種提供生存繁衍條件的潛力水平[9]。計(jì)算公式如下：

式中，Qxj為第j 類土地利用類型中柵格x 的生境質(zhì)量；Hj為第j 類土地利用的生境適宜度；Dxj為第j 類土地利用中柵格單元x 的生境退化程度；k 為半飽和系數(shù)，模型默認(rèn)值為0.5，z 為歸一化常量，模型中設(shè)置為2.5。R 為威脅因子個(gè)數(shù)，wr為威脅因子r 的權(quán)重，y 為第r 類威脅因子的柵格數(shù)，Yr是威脅因子r 柵格單元的總數(shù)；irxy為柵格y 的脅迫值ry對(duì)柵格x 的脅迫程度，可通過線性或指數(shù)衰減求取；βx為各種威脅因子對(duì)柵格x 的可達(dá)性；Sjr為第j 類土地利用類型對(duì)第r 類威脅因子的敏感度；dxy為第r類威脅因子的最大威脅距離。

根據(jù)甘什嶺自然保護(hù)區(qū)實(shí)際情況，在InVEST 模型推薦值的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)研究成果[10-11]，將建設(shè)用地土地利用類型作為威脅因子，影響距離為10 km，呈指數(shù)空間衰減類型，威脅因子對(duì)不同生境類型的敏感度見表1。生境質(zhì)量取值在[0，1]之間，值越小表示生境質(zhì)量越低，值越大表示生境質(zhì)量越高。

表1 不同土地利用類型對(duì)生境威脅因子的敏感度Tab.1 Sensitivity of Different Land Use Types to Habitat Threat Factors

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀格局特征

3.1.1 類型水平

由表2 可知，總體上看，甘什嶺自然保護(hù)區(qū)景觀類型以林地為主，總面積達(dá)1788.78hm2，占總面積的97.01%，為優(yōu)勢(shì)景觀類型；其次為水域，面積為40.54hm2，占2.20%；最少的為建設(shè)用地，面積為14.53hm2，占0.79%。從細(xì)分景觀類型來看，林地景觀類型中以喬木林為主，面積為1576.70hm2，占總面積的85.51%；其次為果樹林，面積為169.00hm2，占9.17%；再次為灌木林，占1.78%；橡膠林、檳榔林和相思林面積占比較少。

表2 甘什嶺自然保護(hù)區(qū)類型水平上的景觀格局特征Tab.2 Landscape Pattern Characteristics of Ganshiling Nature Reserve type level

從景觀斑塊數(shù)量（NP）來看，建設(shè)用地最多，達(dá)100 個(gè)；其次為灌木林，為61 個(gè)；其他景觀類型的景觀斑塊數(shù)量相對(duì)較少。從平均斑塊面積（MPS）來看，喬木林景觀的平均斑塊面積最大，達(dá)157.67hm2/個(gè)；其次為果樹林，為8.89hm2/個(gè)；再次是水域2.90hm2/個(gè)。從最大斑塊指數(shù)（LPI）來看，同樣以喬木林、果樹林的較大。從景觀邊緣密度（ED）來看，建設(shè)用地的邊緣密度最高，達(dá)1374.87m/hm2；其次相思林和檳榔林的也較大；邊緣密度最小的是喬木林，僅為37.34m/hm2。從景觀形狀指數(shù)（LSI）來看，以建設(shè)用地和灌木林較高，分別為14.15 和11.62。從景觀聚集度指數(shù)（AI）來看，喬木林的景觀聚集度較高，達(dá)99.48；其次為果樹林、水域和橡膠林，其他景觀類型的聚集度較低。

從以上分析結(jié)果可以看出，甘什嶺自然保護(hù)區(qū)以喬木林為主要景觀類型，斑塊數(shù)量少，平均斑塊面積和最大斑塊指數(shù)均為最大，景觀聚集度也是最高，這表明喬木林景觀呈集中連片分布，受人為干擾較低。而保護(hù)區(qū)內(nèi)的建設(shè)用地景觀由于斑塊數(shù)量和斑塊邊緣密度最多，導(dǎo)致平均斑塊面積最小且分散，斑塊形狀也較為復(fù)雜，聚集程度最低；其次灌木林也呈現(xiàn)相似的分布狀態(tài)。

3.1.2 景觀水平

按照自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)劃分為核心區(qū)、緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)3 個(gè)，從甘什嶺自然保護(hù)區(qū)的景觀水平上看（見表3），總體的斑塊數(shù)量為226 個(gè)，其中核心區(qū)的景觀斑塊數(shù)量最少，僅有17 個(gè)；實(shí)驗(yàn)區(qū)的景觀斑塊數(shù)量最多，達(dá)154 個(gè)；緩沖區(qū)的景觀斑塊數(shù)量為94 個(gè)。在3 個(gè)功能分區(qū)中，核心區(qū)的景觀斑塊數(shù)量、邊緣密度以及景觀均勻度和景觀多樣性指數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)均為最低，且要顯著低于保護(hù)區(qū)總體水平，這表明甘什嶺自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)景觀的聚集程度更高、完整性最好，斑塊連通性更強(qiáng)，受人為干擾較弱，斑塊呈聚集分布狀態(tài)。雖然實(shí)驗(yàn)區(qū)的斑塊數(shù)量要明顯高于緩沖區(qū)，但是在平均斑塊面積、邊緣密度以及景觀聚集度等指標(biāo)上，實(shí)驗(yàn)區(qū)僅略高于緩沖區(qū)，這表明實(shí)驗(yàn)區(qū)在景觀連通性上要好于緩沖區(qū)，這也說明保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)和緩沖區(qū)2 個(gè)功能分區(qū)受人為干擾較強(qiáng)，造成不同類型景觀的破碎化和形狀的復(fù)雜化，斑塊聚集程度和連通性都會(huì)受到不同程度破壞。

表3 甘什嶺自然保護(hù)區(qū)景觀水平上的景觀格局特征Tab.3 Landscape Pattern Characteristics of Ganshiling Nature Reserve Landscape Level

3.2 生境質(zhì)量空間分布特征

從空間上看（見圖3），甘什嶺自然保護(hù)區(qū)的生境質(zhì)量呈現(xiàn)出中間區(qū)域高、兩側(cè)低的分布格局，總體生境質(zhì)量指數(shù)為0.9669，這表明保護(hù)區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)保存完整，物種資源和生物多樣性豐富，受人類活動(dòng)影響少，其生境質(zhì)量相對(duì)較好。但中部區(qū)域由于海榆中線公路從保護(hù)區(qū)中部穿過，造成中部生境質(zhì)量呈線性的低值區(qū)；兩側(cè)主要是由于果樹林和橡膠林成片分布，受一定人為活動(dòng)影響，造成生境質(zhì)量局部退化。

圖3 甘什嶺自然保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量空間分布Fig.3 Spatial Distribution of Habitat Quality of Ganshiling Nature Reserve

從保護(hù)區(qū)不同功能分區(qū)的生境質(zhì)量均值和標(biāo)準(zhǔn)差上看（見表4），核心區(qū)的生境質(zhì)量最高，均值為0.9978，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0210，均要顯著優(yōu)于緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)，這表明核心區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量更穩(wěn)定，受干擾較小。而緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)的生境質(zhì)量均值分別為0.9214 和0.9638，標(biāo)準(zhǔn)差為0.1177 和0.1387，反映出實(shí)驗(yàn)區(qū)的生境質(zhì)量要高于緩沖區(qū)，且生境質(zhì)量變化表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定。

表4 甘什嶺自然保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量均值和標(biāo)準(zhǔn)差Tab.4 Mean and Standard Deviation Change of Habitat Quality of Ganshiling Nature Reserve

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

該文基于最新森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)，采用Fragstats工具和InVEST 模型分析了海南省甘什嶺自然保護(hù)區(qū)的景觀格局與生境質(zhì)量狀況，得出以下結(jié)論：

（1）甘什嶺自然保護(hù)區(qū)景觀類型以林地為主，其次為水域，最少的為建設(shè)用地。從細(xì)分景觀類型來看，林地景觀類型中以喬木林為主，占總面積的85.51%；其次為果樹林；橡膠林、檳榔林和相思林面積占比較少。

（2）在景觀格局上，保護(hù)區(qū)喬木林斑塊數(shù)量較少，平均斑塊面積和最大斑塊指數(shù)均為最大，景觀聚集度也是最高，這表明喬木林景觀呈集中連片分布，受人為干擾較低。而保護(hù)區(qū)內(nèi)的建設(shè)用地景觀斑塊數(shù)量最多，平均斑塊面積最小，斑塊形狀也較為復(fù)雜，聚集程度最低。

（3）甘什嶺自然保護(hù)區(qū)的生境質(zhì)量呈現(xiàn)出中間區(qū)域高、兩側(cè)低的分布格局，總體生境質(zhì)量指數(shù)為0.9669，其中核心區(qū)的生境質(zhì)量最高、實(shí)驗(yàn)區(qū)次之、緩沖區(qū)最低，且核心區(qū)生境質(zhì)量表現(xiàn)更穩(wěn)定。

4.2 討論

甘什嶺自然保護(hù)區(qū)景觀類型以林地為主，其中又以喬木林為優(yōu)勢(shì)景觀類型，面積占比達(dá)85.51%，主要分布在保護(hù)區(qū)中部海拔較高區(qū)域，平均斑塊面積和最大斑塊指數(shù)均為最大，景觀聚集度也是最高，受人為干擾較低，表現(xiàn)出優(yōu)良的生境質(zhì)量和生物多樣性水平，這也與保護(hù)區(qū)以珍稀野生動(dòng)植物資源及其生境為主要保護(hù)對(duì)象的目標(biāo)相吻合。在保護(hù)區(qū)功能分區(qū)上，甘什嶺自然保護(hù)區(qū)的核心區(qū)生境質(zhì)量最高、實(shí)驗(yàn)區(qū)次之、緩沖區(qū)最低，其中實(shí)驗(yàn)區(qū)和緩沖區(qū)主要受到人口密度、土地利用強(qiáng)度等密集的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)影響，對(duì)生境質(zhì)量產(chǎn)生了威脅，并導(dǎo)致生境的喪失和退化。具體來看，海榆中線公路從保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)穿過，建設(shè)用地等人為景觀斑塊分布較多，人口活動(dòng)密集，造成生境質(zhì)量較低，因此建議在實(shí)驗(yàn)區(qū)合理規(guī)劃建設(shè)范圍，禁止建設(shè)用地隨意擴(kuò)大，避免生境破碎化加劇。在緩沖區(qū)，主要是在兩側(cè)的果樹林和橡膠林成片分布，受一定人為活動(dòng)影響，造成生境質(zhì)量局部退化，因此建議在該區(qū)域考慮適當(dāng)?shù)纳鷳B(tài)修復(fù)措施，恢復(fù)自然植被，提升區(qū)域生境質(zhì)量。