基于“3S”技術的張家界大鯢國家級自然保護區功能分區研究

羅慶華, 曹威 , 魏夢雅, 楊杰, 朱深海, 付磊

基于“3S”技術的張家界大鯢國家級自然保護區功能分區研究

羅慶華1,2,3,*, 曹威1,2, 魏夢雅1,2, 楊杰1,2, 朱深海1,2, 付磊1,2

1. 吉首大學大鯢資源保護與綜合利用湖南省工程實驗室，張家界 427000 2. 吉首大學土木工程與建筑學院，張家界 427000 3. 吉首大學林產化工工程湖南省重點實驗室，張家界 427000

在地理信息系統和遙感技術支持下, 選取海拔、道路、水質等12個影響大鯢生境選擇的因子, 運用層次分析法與柵格數據的疊加分析, 對湖南張家界大鯢國家級自然保護區生境適應性進行評價, 確定了大鯢棲息適宜、次適宜與不適宜區域。在此基礎上, 按照生態完整性與保護區面積不變的調整原則, 提出了該保護區的范圍與功能分區方案。該方案中, 核心區外圍有緩沖區保護, 其面積分別占保護區的34.43%和38.01%, 實驗區面積占保護區的28.56%, 保護區涉及水域長度縮短至原保護區的1/5, 該方案將極大減少保護區與居民生產生活的矛盾, 提高保護管理工作效率。研究結果可為兩棲動物自然保護區范圍與功能分區調整提供借鑒。

功能分區; 自然保護區; 中國大鯢; 3S; 張家界

0 前言

自然保護區是有代表性的自然生態系統、珍稀瀕危野生動植物物種的天然集中分布區、有特殊意義的自然遺跡等保護對象所在的區域, 它是推進生態文明、構建國家生態安全屏障的重要內容。自然保護區功能分區是保護區規劃和科學管理的基礎, 其分區過程不僅是技術問題, 也是生態、社會和經濟三大效益相互協調的過程[1]。

20世紀70年代后, 世界各國的自然保護區事業蓬勃發展, 各國在自然保護區的功能分區方面的研究也存在較大差異, 其中影響力最大的是Forstcr提出的核心保護區、游憩緩沖區和密集游憩區三個功能區的同心圓模式[2], 在此基礎上, 聯合國教科文組織和人與生物圈計劃提出了“核心區－緩沖區－實驗區”的生物圈保護功能分區模式[2]。此后, 學者們高度重視功能分區的研究, 功能分區衍生出多種新模式, 例如: “核心區－緩沖區－過渡區1/過渡區2”模式、“節點－網絡－模塊－走廊”模式[3]、“核心區－外圍緩沖區－廊道”模式、“一個緩沖區包圍多個核心區”模式以及“不同緩沖區包圍多個核心區”模式等[4]。

自然保護區的功能分區經歷了從人為定性劃分到計算機模擬輔助決策劃分的過程[5]。早期建立的保護區, 因自然資源狀況與本底數據不足, 加之技術條件落后, 又缺乏相應的分區方法與手段, 往往根據經驗在圖紙上進行勾繪, 主觀隨意性較大。隨著地理信息系統(GIS)、遙感(RS)與全球定位系統(GPS)技術的發展與普及, 在“3S”技術的支撐下, 出現了一些功能分區新方法, 如GAP(a geographic approach to protect biological diversity)分析[6]、熱點地區分析[7]、系統保護規劃[8]與生態網絡保護思想等[9]。

中國大鯢(, 后簡稱大鯢)屬兩棲綱有尾目隱鰓鯢科, 是我國特有的兩棲動物, 該物種已被列入《瀕危野生動植物種國際貿易公約》(CITES)附錄I中, 屬于國家二級重點保護野生動物。為保護大鯢, 我國已經建立了52個大鯢自然保護區[10], 其中, 1996年11月國務院批準建立了湖南張家界大鯢國家級自然保護區(以下簡稱: 張家界大鯢保護區)是我國第一個國家級大鯢自然保護區。本研究團隊前期對大鯢自然保護區存在的問題進行分析, 提出功能分區的建議[11], 并且融合最小費用距離、空間統計學方法的Ripley’s K函數、核密度分析和Iso聚類等多種方法, 提出了張家界大鯢保護區范圍和功能分區[12], 但是其方案中保護區面積較之前減少約為8%, 違背了保護區面積不變的調整原則。本文利用3S技術疊加影響大鯢生境選擇的多個因子, 評價了湖南張家界大鯢保護區內的大鯢生境適宜性, 確定其范圍與功能分區, 為其范圍與功能分區優化調整提供借鑒。

1 研究區概況

張家界大鯢保護區地理位置為109°42′56″—111°16′05″E, 27°44′28″—30°00′43″N, 保護區總面積14275 hm2, 涉及三市六縣(區), 包括張家界市的兩區兩縣14265 hm2, 常德市的石門縣和懷化市的辰溪縣10 hm2。本文研究范圍主要在張家界市。按照中華人民共和國國家標準《自然保護區類型與級別劃分原則》(GB/T14529—93), 該保護區類型為小型“野生動物類型自然保護區”, 其功能分區存在的主要問題如下。

(1)違背生態系統完整性。大鯢為水陸兩棲動物, 其棲息的環境包括水生生態系統和陸地生態系統。現僅將水域納入大鯢保護區, 沒有陸地, 缺乏完整的棲息地。此外, 保護區構成板塊的寬度僅為正常水位線的水域寬度(平均30 m), 極小的寬度易受兩岸的干擾影響, 生態穩定性差。

(2)核心區裸露在外。大鯢保護區流域被簡單截斷為核心區、緩沖區與實驗區, 線性分區形狀使核心區與緩沖區兩個斑塊連接面積過小, 緩沖區不能起到對核心區的天然屏障作用。

(3)覆蓋范圍長而廣泛, 與當地人們生活與經濟發展矛盾嚴重。大鯢保護區水域涵蓋了張家界市總水域的76%, 其水域線太長, 呈網線狀包裹了張家界市域。保護區與人類居住高度重合, 與當地人們生活與經濟發展矛盾嚴重, 保護工作有效性差。

2 數據與研究方法

2.1 數據來源

研究數據主要包括研究區1: 18萬行政區劃圖、張家界市土地利用圖、張家界市水電站分布圖、張家界市農業活動分布圖、張家界市水域水質圖、張家界旅游規劃圖、張家界市交通規劃圖等, 均由當地政府部門提供; Landsat 8衛星影像, 空間分辨率30 m; DEM數字高程圖, 空間分辨率30 m; 影像處理軟件為ENVI 5.3、地理信息系統軟件為ArcGIS 10.2。

根據歷史紀錄并結合實地調查獲得大鯢分布因素數據, 與已有圖件相結合, 通過對相應的圖件進行配準與數字化, 再結合實地調查結果作相應修正,獲得各個因子圖。植被覆蓋度數據通過對Landsat 8衛星影像提取植被指數(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI), 結合植被覆蓋度計算模型得出。坡度、坡向和地形起伏度數據通過數字高程圖進行提取。

2.2 建立生境影響因子指標體系

2.2.1 評價因子的確定

大鯢選擇棲息地受多種因素制約和影響, 根據大鯢棲息生境特點, 目標層即為大鯢生境選擇, 準則層(B)則為地理環境因素、人類活動因素與大鯢分布因素[12], 以海拔、坡度、坡向、植被覆蓋度, 居民點的分布、道路、農業活動、工業生產、水電站、旅游景點、大鯢出苗點與水質12個因子作為指標層(C)。

2.2.2 確定生境影響因子評價標準

系統收集張家界市域影響大鯢棲息的地理環境、人類活動、大鯢分布等主要因素的最新數據, 通過選點實地調查核實數據。然后, 確定因子評價標準, 在大鯢生境適宜性分析中, 涉及到定性數據如坡度、坡向等和定量數據如與大鯢旅游景點距離、人口密度等, 考慮到定性數據和定量數據的標準化統一計算, 對適宜性指數采用百分制形式(0—100)進行量化分級, 同時將適宜性指數分為5個等級, 即最適宜(100)、適宜(80)、次適宜(60)、不太適宜(40)、不適宜(20)等5個等級[12]。根據相關文獻[13—15]與專家意見確定張家界大鯢生境適宜性分析各個影響因子適宜性評價標準。

2.3 生境適宜性分析

通過專家經驗綜合分析, 確立各項生境影響因子在適宜性分析中的重要性, 為其分別打出分數, 利用層次分析法(AHP)算出相應權重。

然后根據生境影響因子評價標準結合野外調查表中對各個影響因子的劃分等級標準, 進行單因子生境評價, 并通過層次分析法分析, 得出每個因子的權重, 利用 ArcGIS 的統計功能與可視化功能, 進行張家界大鯢保護區內大鯢適宜生境的綜合評價, 對上述12個因子進行加權總和計算, 最終得到每個圖斑賦予生境質量的綜合評分, 找出適宜大鯢生存的區域, 并分級賦色生成適宜性分布圖。

2.3.1 評價模型

采用的評價模型在層次分析法基礎上的加權求和。計算公式如下：

式中:—生境評價綜合評分值;f—第個因子量化得分;W—第個因子權重。

2.3.2 疊加分析

為了對應保護區分為核心區、緩沖區和實驗區3個等級, 并依據緩沖區要包圍核心區的原則，在斷點分級中不考慮劃分緩沖區，因此，將每個圖斑劃分為3個等級, 根據各因子不同適宜性的得分值(下稱值), 通過自然間斷點分級法綜合分析如下:

(1)將值在39—68范圍的歸為不適宜, 不納入保護區范圍;

(2)將值在68—73范圍的歸為次適宜, 即劃分為實驗區;

(3)將值在73—97范圍的歸為適宜, 即劃分為核心區。

2.4 保護區功能區與范圍的確定

將大鯢適宜性分布圖與張家界市轄區的鎮、鄉政府駐地的緩沖面圖(緩沖1 km)進行疊加, 將適宜流域的區域向兩岸延展75 m為核心區, 并在其基礎上再向兩岸陸地延展75m為緩沖區, 而將次適宜流域的區域向兩岸延展75 m為實驗區。為兼顧保持河流的連續性與減少保護區與居民生產生活的矛盾, 將適宜區中與鎮緩沖面重疊的劃出保護區, 與鄉緩沖面重疊的劃為實驗區。利用 GIS 的統計功能與可視化功能, 得到大鯢保護區范圍與功能分區方案。

3 結果與分析

3.1 生境影響單因子的提取

由于大鯢保護區主要涉及水域及其兩岸陸地, 根據大鯢活動特點, 以1 km為半徑作為邊界提取面。在GIS支持下, 采用柵格數據重分類方法及水域邊界提取, 并根據大鯢生境影響因子評價標準表[12]完成研究區各因子分級圖, 結果詳見圖1—12。

圖1 海拔分級圖

Figure 1 The classification map on elevation

圖2 坡度分級圖

Figure 2 The classification map on slope

圖3 坡向分級圖

Figure 3 The classification map on aspect

圖4 植被覆蓋度分級圖

Figure 4 The classification map on vegetation coverage

圖5 居民點分級圖

Figure 5 The classification map on settlement

圖6 道路交通分級圖

Figure 6 The classification map on road transport

在圖11中, 由于大鯢出苗范圍只有4個類別, 生境適宜性相對也只有4個等級。圖12中, 張家界水質只有Ⅱ 與Ⅲ 類, 因此, 生境適宜性分為兩個等級, 其余分級圖均為5個等級。

圖7 農業活動分級圖

Figure 7 The classification map on agricultural activity

圖8 工業活動分級圖

Figure 8 The classification map on industrial activity

圖9 水電站分級圖

Figure 9 The classification map on hydropower station

3.2 生境適宜性分析

3.2.1 生境影響因子權重

根據專家打分表, 計算張家界大鯢的各個生境影響因子權重見表1。

圖10 旅游景點分級圖

Figure 10 The classification map on tourist attractions

圖11 大鯢出苗范圍分級圖

Figure 11 The classification map on area of seedling of Chinese giant salamander coming out

圖12 水質分級圖

Figure 12 The classification map on water quality

從表1可見, 在所有影響大鯢生境適宜性的因素中,C的權重最大, 其次是C, C第三。大鯢分布因素(B)是最重要的, 占63.70%; 人類活動因素(B)占25.83%; 地理環境因素(B)占10.47%。基于研究區大鯢生境影響因子評價標準表[12], 依照各因子權重大小確定大鯢適宜生境區, 權重大的應該優先考慮。

表1 大鯢的各個生境影響因子權重表

3.2.2 疊加分析

生境適宜性分布區的疊加結果見圖13, 可見, 生境適宜區域大部分位于澧水北源、中源與南源以及酉水、溇水上游、索水、沅水部分河段。最適宜生境分布區涉及桑植縣澧水北源的五道水、龍潭坪、澧水南源的上洞街、溇水上游的長潭坪與人潮溪等鄉鎮, 永定區的四都坪與王家坪等鄉鎮, 慈利縣的江埡水庫與溪口等鄉鎮, 武陵源區的索溪峪鎮共 10個鎮的相關河流區域, 次適宜區涉及為桑植縣的五道水、芙蓉橋、慈利縣的江埡水庫、永定區的王家坪及武陵源的金鞭溪相關河流等區域, 其余的為不適宜區域。

3.3 保護區與功能區與范圍

根據生境適宜性評價結果, 確定大鯢保護區的范圍與功能分區, 見圖14。將野生大鯢棲息區域, 以及遠離人煙, 生態環境良好區域劃分為核心區; 緩沖區調整到核心區外圍; 實驗室區在緩沖區外圍。主城區、集鎮等人口密集區域或農田, 以及重要的工程與開發項目毗鄰河段被劃出保護區。

(1)核心區

將桑植縣的五道水、七眼泉、長灘、川洞峽、長潭坪、院子等地, 慈利縣的黃家臺、枧潭等地, 永定區的四都坪、香蓮埡溪等地, 武陵源區的索溪峪鎮的相關河流以及兩岸陸地等27處分布區劃為核心區(表2)。每個核心區板塊寬度在原河流寬的基礎上向兩岸延伸75 m, 總長度約為265.13 km。

圖13 張家界大鯢國家級自然保護區生境適宜性

Figure 13 The habitat suitability for ZhangJiajie Chinese Giant Salamander National Nature Reserve

圖14 張家界大鯢國家級自然保護區功能分區調整方案

Figure 14 The adjustment scheme of functional zoning for ZhangJiajie Chinese Giant Salamander National Nature Reserve

表2 核心區段所在位置

(2)緩沖區

緩沖區為位于核心區外的圓環狀結構, 其位置與核心區一致, 長度在每段核心區上下多75 m。從而, 保證了核心區與緩沖區的接觸面積, 實現緩沖區的對核心區保護屏障功能。緩沖區對核心區物種的自然增殖具有重要作的保護作用。在緩沖區可以有計劃地開展科學研究, 建立大鯢仿生態繁育基地, 開展仿生態繁育技術研究。

(3)實驗區

包括緩沖區周邊陸地75 m陸地面積, 以及連接2個鄰近緩沖區跨鄉政府駐地河段。桑植縣的五道水、上洞街、慈利縣的江埡水庫、永定區的四都坪、王家坪, 武陵源的金鞭溪等22處劃為實驗區(表3)。這些區域生態環境條件較好, 且有一些大鯢仿生態養殖基地作為基礎, 在此地可以實施大鯢資源增殖、生態旅游和資源可持續利用。實驗區的總長度約為226.48 km。

張家界大鯢保護區總面積為14275hm2, 調整后, 其核心區、緩沖區與實驗區面積分別為4772.34 hm2、5426.02 hm2與4076.64 hm2, 占保護區總面積的33.43%、38.01%與28.56%。

4 討論

將“3S”技術的空間分析功能應用到大鯢保護區范圍與功能分區調整研究中, 采取層次分析法與柵格疊加法分析了環境因素、人類活動因素與大鯢分布因素, 評價了該保護區的大鯢生境適宜性。將水域兩岸陸地納入保護區范圍, 為水陸兩棲的大鯢提供了完整的棲息地。增加的陸地區域保護區板塊有了足夠的寬度, 具有一定的生態穩定性。此外, 將原來裸露在外的核心區全部用緩沖區進行包裹, 使核心區完全與外界隔離[11], 有效的實現緩沖區對核心區保護屏障功能。因此, 該保護區調整方案優化了保護區的生態完整與空間結構。

表3 實驗區段位置

選擇了居民點的分布、道路、農業活動、工業生產、水電站與旅游景點6個人們生產生活與社會經濟發展的關鍵因子, 將人口密集、無大鯢資源的城鎮區相鄰水域調出大鯢保護區, 打破了原來保護區呈網線狀包裹張家界市的現狀, 給予周邊群眾生產生活更多的活動空間, 緩解了群眾生產生活與保護區保護管理之間的矛盾[11], 有益于少數民族貧困地區經濟社會發展與民生改善。此外, 該調整方案在保持保護區面積不變的情況下, 保護區涉及的河段長度減小, 所涉及范圍減少, 便于管理部門整合資源, 更好開展自然保護區管理與建設工作。

相對于張家界大鯢保護區功能分區的多方法融合劃分方法[12], 該分區方法簡單實用, 更容易把握保護區的面積。因此, 該功能分區方法具有良好的應用前景。

張家界市野生大鯢多棲息于為喀斯特地貌的溶洞的陰河中以及相連的河段中, 溶洞上面的居民生產生活對其下面陰河的水質有影響[16], 如將整座山納入保護區, 能更好保護好大鯢野生種群。此外, 通過確定大鯢最小存活種群數量, 得出野生大鯢種群所需要的面積, 能夠更科學確定大鯢自然保護區的核心區面積, 確保大鯢物種保護區完全滿足大鯢種群的保護與大鯢資源的增殖。

5 結論

采用“3S”技術的空間分析與層次分析法評價張家界大鯢保護區內大鯢生境適宜性, 在此基礎上提出該保護區范圍與功能分區方案。該方案提高了保護區范圍與功能分區的科學性與準確性, 優化了保護區的空間結構與生態穩定性, 兼顧了大鯢資源保護、當地人們生產生活與經濟發展的需求, 該調整方案將有利于社區協調, 提高自然保護區的管理效益。此外，該分區方法簡單, 具有良好的應用前景。

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Functional zoning study for ZhangJiajie Chinese Giant Salamander National Nature Reserve based on “3S” technology

LUO Qinghua1,2,3,*, CAO Wei1,2, WEI Mengya1,2, YANG Jie1,2, ZHU Shenhai1,2, FU Lei1,2

1. Hunan Engineering Laboratory for Chinese Giant Salamander’s Resource Protection and Comprehensive Utilization, Jishou university, Zhangjiajie, 427000, China 2. Civil Engineering and Architecture School of Jishou university, Zhangjiajie, 427000, China 3. Key Laboratory of Hunan Forest Products and Chemical Industry Engineering of Jishou University, Zhangjiajie, 427000, China

With the support of geographic information system and remote sensing technology, we evaluated the habitat adaptability of the Zhangjiajie Chinese Giant Salamander National Nature Reserve in Hunan province. The suitable, sub-suitable and unsuitable areas for the habitat of the Chinese giant salamander were determined by the methods of layer hierarchy processing and raster data overlay analyses to a selection of 12 evaluation factors such as altitude, road, water quality etc., which affected the habitat selection of Chinese giant salamander. According to the above and the principle of maintaining ecological integrity and keeping an unchangedarea of the protected area, a recommended plan for the scope and functional zoning of this was proposed. In this proposal, thereare buffer zones around the core zones; they account for 34.43% and 38.01% of the protected area respectively. In addition, the experimental zone accounts for 28.56% of the protected area. The length of the protected stream covered will be reduced to 1/5 of its original coverage in the proposal, so it will greatly reduce the contradiction between reserve and residents' production and life and improve the efficiency of protection. The results can provide a valuable reference for range adjusting and functional zoning of the nature reserves for amphibians.

functional zoning; nature reserve; Chinese giant salamander; 3S; Zhangjiajie

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.04.013

S937.3

A

1008-8873(2022)04-102-09

2020-08-10;

2020-11-04

國家自然科學基金項目(32060238); 大鯢資源保護與綜合利用湖南省工程實驗室開放課題(DNGC2011, DNGC2015)

羅慶華(1970—)，女，湖南耒陽人，博士，教授，主要從事水生野生動物保護與利用研究，E-mail: lqh700930@126.com

通信作者:羅慶華

羅慶華, 曹威, 魏夢雅,等. 基于“3S”技術的張家界大鯢國家級自然保護區功能分區研究[J]. 生態科學, 2021, 40(1): 102–110.

LUO Qinghua, CAO Wei, WEI Mengya, et al. Functional Zoning study for ZhangJiajie Chinese Giant Salamander National Nature Reserve based on “3S” Technology[J]. Ecological Science, 2021, 40(1): 102–110.