張秀紅 李明陽 劉雅楠 李 超
( 1. 南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,江蘇 南京 210037;2. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210037)
進(jìn)入21世紀(jì)以來,我國南方集體林區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)條件發(fā)生了巨大的變化。城市用地和耕地的擴(kuò)張、交通網(wǎng)的建設(shè)、采礦業(yè)的無序發(fā)展、風(fēng)電場的大規(guī)模建設(shè)、人工商品林基地規(guī)模的迅猛增加,使得林地面積減少、森林景觀破碎化、野生動(dòng)物棲息地減少,導(dǎo)致區(qū)域生物多樣性大幅度降低。在我國南方集體林區(qū),林地面積較大,森林作為野生動(dòng)物的主要棲息場所,是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的保障[1]。因此,在南方集體林區(qū),開展珍稀野生動(dòng)物的安全格局研究具有較大的理論與現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。
1872年,美國建立了第一個(gè)國家公園,開創(chuàng)了生態(tài)環(huán)境保護(hù)和文物保護(hù)的先河[3]。在此后的140多a間,世界各國的學(xué)者為維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和保護(hù)生態(tài)安全不斷進(jìn)行理論分析與案例研究,相繼提出了“花園城市”、生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施、“反規(guī)劃”及生態(tài)安全格局等理論。在眾多實(shí)踐中,應(yīng)用最廣泛的是建立保護(hù)地、劃定生態(tài)保護(hù)區(qū),從而構(gòu)建生態(tài)安全格局(ESP)[4]。目前,安全格局的構(gòu)建方法主要為俞孔堅(jiān)[5]提出的“識別源地—建立阻力面—構(gòu)建安全格局”三步驟,現(xiàn)已有多個(gè)區(qū)域的安全格局是基于這一模式進(jìn)行構(gòu)建的[1,6]。其中生態(tài)源地是整個(gè)安全格局構(gòu)建的基礎(chǔ),其準(zhǔn)確性和全面性對整個(gè)安全格局的構(gòu)建尤為重要?,F(xiàn)有文獻(xiàn)顯示,很多研究只是將研究區(qū)內(nèi)的保護(hù)區(qū)、林地或水體等斑塊作為生態(tài)源地,這樣存在較大的主觀性和隨意性[7]。將保護(hù)珍稀野生動(dòng)物作為安全格局構(gòu)建的前提,可以更加完整的劃定生態(tài)源地,明確需要保護(hù)的范圍。
目前,相關(guān)學(xué)者從生物多樣性保護(hù)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、景觀認(rèn)知等方面,對區(qū)域生態(tài)的規(guī)劃進(jìn)行了研究。但這些研究大多只考慮物種棲息地的空間分布情況,忽略了一個(gè)區(qū)域中生態(tài)的水平過程,如動(dòng)物的遷徙、災(zāi)害的擴(kuò)散等景觀元素在空間中的流動(dòng)和相互作用[3,8-9]。因此,將珍稀野生動(dòng)物保護(hù)與區(qū)域生態(tài)安全、可持續(xù)發(fā)展需求相結(jié)合,采用更加全面、系統(tǒng)化的方法構(gòu)建“點(diǎn)—線—面”相結(jié)合的珍稀野生動(dòng)物安全格局,對改善野生動(dòng)物生存環(huán)境、維持區(qū)域景觀及生物多樣性具有重要意義[1]。
湖南省桂東縣是國家重點(diǎn)林業(yè)縣,生態(tài)系統(tǒng)類型多樣、動(dòng)植物資源豐富,但生態(tài)環(huán)境較為脆弱,旱、澇、泥石流等自然災(zāi)害較為頻繁,區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低?;诠饢|縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的雙重需求,本研究以桂東縣為例,劃定研究區(qū)珍稀野生動(dòng)物保護(hù)區(qū),建立物種運(yùn)動(dòng)阻力面,構(gòu)建“戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)—生態(tài)廊道—珍稀野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)”這樣一種點(diǎn)、線、面結(jié)合的珍稀野生動(dòng)物安全格局,可以為區(qū)域野生動(dòng)物保護(hù)和生態(tài)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。
桂東縣位于湖南省東南部,隸屬于湖南省郴州市,地處東經(jīng) 113°37′~114°14′,北緯 25°44′~26°13′,東西寬61.2 km,南北長53.6 km,總面積1 452 km2(圖1)。全縣平均海拔900 m,縣城海拔830 m,是湖南省海拔最高的縣城,山地面積占總面積的82.65%,全縣呈“九山半水半分田”的土地利用格局。該縣是眾多河流的發(fā)源地,境內(nèi)有大小河流133條,分屬湘江和贛江兩大水系,水資源十分豐富。桂東縣屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,雨量充沛,年降水量1 742.4 mm,四季分明,年平均氣溫15.8 ℃,但晝夜溫差大,又因地形及海拔不同存在明顯的地域差異,形成了“一山存四季,十里不同天”的小氣候區(qū)。
桂東縣屬中亞熱帶常綠闊葉林區(qū),森林植被茂盛,全縣植被覆蓋度高達(dá)85%,有八面山國家級自然保護(hù)區(qū)、齊云峰國家級森林公園以及7個(gè)縣屬國有農(nóng)、林場,是全國生態(tài)示范區(qū)建設(shè)試點(diǎn)縣,境內(nèi)植被類型多樣,且具有地域代表性,為野生動(dòng)物提供了良好的覓食和棲息場所。境內(nèi)有陸生脊椎動(dòng)物240種,鳥類116種,其中國家重點(diǎn)保護(hù)的珍稀動(dòng)物有云豹(Neofelis nebulosa)、金貓(Catopuma temminckii)、獼猴(Macaca mulatta)、水鹿(Rusa unicolor)等15種,為確保野生動(dòng)物繁衍棲息,該縣還制訂了野生動(dòng)物保護(hù)長效機(jī)制。
本研究采用的數(shù)據(jù)主要有2015年桂東縣土地利用數(shù)據(jù)、2015年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)、2015年Landsat 8 OLI遙感影像和DEM高程數(shù)據(jù)。
1)2015年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)是基于Landsat 30 m遙感影像生產(chǎn)的全國土地利用數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)按照國家土地利用分類方法,結(jié)合劉紀(jì)遠(yuǎn)[10]的LUCC分類系統(tǒng),將土地利用類型歸結(jié)為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6大類。根據(jù)本研究的研究需求,在ArcGIS 10.2中對土地利用類型進(jìn)行了重分類,用于提取土地利用類型。
圖 1 研究區(qū)位置及土地利用類型分布Fig. 1 Location and land use types distribution of study area
2)2015年桂東縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù),用于提取林地、濕地以及道路等信息。
3)Landsat 8 OLI遙感數(shù)據(jù)下載自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/),條帶號/行編號為122/42,影像獲取時(shí)間為2015年10月18日,云量2%。利用ENVI 5.3中對其進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、地形校正和裁剪后,再提取歸一化植被指數(shù)(NDVI),計(jì)算植被覆蓋度。
4)DEM高程數(shù)據(jù)下載自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站,空間分辨率為30 m×30 m,在ArcGIS 10.2中進(jìn)行拼接、裁剪,用于地形因子坡度和高程的提取。
本研究總結(jié)前人有關(guān)生態(tài)紅線和野生動(dòng)物保護(hù)的研究[1,11],并結(jié)合桂東縣自然地理環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)分布特點(diǎn),分林地紅線和濕地紅線兩部分劃定桂東縣珍稀野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)。
林地是生態(tài)建設(shè)的載體,是森林物質(zhì)生產(chǎn)和生態(tài)服務(wù)的基礎(chǔ),也是森林資源的重要組成部分。森林作為野生動(dòng)物的主要棲息地,可以為動(dòng)物提供豐富的食物資源和優(yōu)良的生存環(huán)境,保證它們的生存和繁殖。同時(shí)森林還具有涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙、改善小氣候等作用[12]。桂東縣森林資源豐富,有各級國家公益林和地方重點(diǎn)公益林,公益林總面積723.82 km2,占全縣總面積的49.85%。本研究提取各級公益林作為林地紅線。其中,八面山國家級自然保護(hù)區(qū)和齊云峰國家森林公園擁有多種國家級保護(hù)的珍稀樹種和珍貴野生動(dòng)物,是重要的生物資源寶庫,屬于林地紅線的核心區(qū)域。
濕地作為地球三大生態(tài)系統(tǒng)之一,被稱為“地球之腎”,在國家生態(tài)安全體系中占核心地位。濕地主要包括河流、湖泊、海灘、沼澤地等自然濕地和池塘、水庫、水稻田等人工濕地[13]。濕地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡,保證了水域內(nèi)及其周邊生物群落的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)、信息傳遞和物種流動(dòng),為野生動(dòng)物提供了充足的水源,同時(shí)具有遷徙廊道和保護(hù)屏障等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和功能。本研究提取桂東縣河流、灘地、水庫、水田范圍作為濕地紅線。
2.3.1 生態(tài)源地的確定
根據(jù)生態(tài)安全格局的定義,源是自然過程中物質(zhì)、能量、物種流動(dòng)的來源和目的地,必須滿足生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展、滿足人類對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求和生態(tài)過程的完整性3個(gè)條件。物種作為生態(tài)系統(tǒng)的基本構(gòu)成單元,對于維持生態(tài)過程、穩(wěn)定生態(tài)環(huán)境、保障生態(tài)安全具有關(guān)鍵作用。關(guān)鍵物種的生存狀況,可以直觀地反映出該生態(tài)系統(tǒng)的完整程度、生態(tài)進(jìn)程的優(yōu)劣狀況以及區(qū)域生態(tài)安全狀況。
由于最近20多年來,桂東縣未進(jìn)行過野生動(dòng)植物專項(xiàng)調(diào)查,并且2015年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)中缺乏野生動(dòng)植物的空間分布信息,無法準(zhǔn)確提取野生動(dòng)植物生境信息。因此,本研究以云豹、金貓、獼猴等大型哺乳動(dòng)物為研究對象,通過生境適宜性分析,確定生態(tài)源地。首先,根據(jù)文獻(xiàn)、專著及過去生物調(diào)查資料中記錄的這些物種生境信息[14-15],確定物種偏好的棲息地特征。然后將珍稀野生動(dòng)物的生境影響因素分為自然因素和人為因素兩類,自然因素用植被覆蓋度、坡度、高程和距水體距離表示,人為因素用距道路距離表示;再依前人研究和文獻(xiàn)記載將上述5個(gè)因子分級進(jìn)行生境適宜性分析[16]。分析結(jié)果通過自然斷點(diǎn)法(Natural break)分為3級,提取最高一級的空間分布范圍與2015年森林資源二類調(diào)查小班圖疊加,剔除面積較小、分布零碎的小班,而對面積較小但分布集中的小班則進(jìn)行合并處理[17],初步預(yù)測珍稀野生動(dòng)物的適宜生境范圍。最后根據(jù)土地利用類型和植被類型,剔除不適合物種分布的小班[2],最終確定生態(tài)源地。
進(jìn)行生境適宜性分析的植被覆蓋度是通過對遙感影像提取的NDVI計(jì)算得到;坡度和高程提取自DEM數(shù)據(jù);距水體距離和距道路距離是先從森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)中獲得水體、道路的分布情況,再通過ArcGIS的緩沖區(qū)工具生成。根據(jù)《國家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定》、桂東縣的地形地貌特征以及野生動(dòng)物的分布特征將各因子分為5級,并分別賦值1、3、5、7、9,1為最不適宜,9為最適宜,具體分級指標(biāo)見表1。
表 1 生境適宜性指標(biāo)分級Table 1 Classification of habitat suitability indicators
2.3.2 阻力面的建立
動(dòng)物的遷徙和生境的維護(hù)會受到地理環(huán)境和人類活動(dòng)的影響[18],本研究結(jié)合桂東縣的生態(tài)環(huán)境特征,通過GIS工具提取生態(tài)源地的中心點(diǎn)作為源點(diǎn),采用Knaapen等[19]提出的最小累積阻力模型(MCR)來建立阻力面。該模型計(jì)算物種從源到目的地運(yùn)動(dòng)過程中所需要耗費(fèi)的代價(jià)即克服的阻力成本,可以反映物種運(yùn)動(dòng)的趨勢和利用生態(tài)環(huán)境的可能性[20]。計(jì)算公式如下:
式中:MCR為最小累積阻力值;f是一個(gè)單調(diào)遞增函數(shù),反映空間中任一點(diǎn)的最小阻力與其到所有源的距離和景觀基面特征的正相關(guān)關(guān)系; 是物種從源j到空間某一點(diǎn)所穿越的某景觀的基面i的空間距離; 是景觀i對某物種運(yùn)動(dòng)的阻力[18,21]。其中, 、 的計(jì)算是通過AreGIS 10.2的空間分析工具(Spatial Analyst Tools / Distance)實(shí)現(xiàn),
通過計(jì)算成本距離(Cost Distance)獲得, 通過計(jì)算成本分配(Cost Allocation)獲得。
相關(guān)研究表明[21-22],珍稀野生動(dòng)物在研究區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的阻力與植被狀況、距水源距離、距道路距離密切相關(guān),并通過對環(huán)保組織專家和當(dāng)?shù)亓謽I(yè)局有關(guān)專家咨詢后,最終確定三者的權(quán)重分別為0.4、0.4、0.2。成本柵格圖層計(jì)算公式為:
式中:NDVI表示歸一化植被指數(shù); 表示距公路距離; 表示距水體距離; 表示距公路距離柵格圖層的最大像素值; 表示距水體距離柵格圖層的最大像素值[21]。
2.3.3 珍稀野生動(dòng)物保護(hù)的安全格局構(gòu)建
阻力面是反映物種運(yùn)動(dòng)的連續(xù)體,類似于地形表面,由峰、谷、鞍、脊等構(gòu)成,它反映了生態(tài)過程之動(dòng)態(tài)[18],為更清晰的識別各源之間的聯(lián)系,將阻力面轉(zhuǎn)化為等阻力線[18]進(jìn)行觀察分析。MCR值為最小累積阻力值,反映了物種從源到空間某一點(diǎn)的某一路徑的相對易達(dá)性,其中從所有源到該點(diǎn)阻力的最大值可以用來衡量該點(diǎn)的易達(dá)性,這個(gè)最大值點(diǎn)稱為戰(zhàn)略點(diǎn)[18]。生態(tài)廊道是指從源到源MCR值較低的通道[20],每個(gè)源和其他任一源都有1條或多條低累積阻力谷線,選取其中阻力最低的通道作為源地之間的生態(tài)廊道,2條生態(tài)廊道的交叉點(diǎn)作為戰(zhàn)略點(diǎn)。
將上述識別的珍稀野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)、生態(tài)廊道、戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)疊加組合,就形成了某一安全水平上的珍稀野生動(dòng)物保護(hù)的安全格局[18]。
依上述珍稀野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)的劃定方法,劃定林地紅線723.82 km2,濕地紅線95.7 km2,最終劃定桂東縣珍稀野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)819.52 km2,占全縣總面積的56.44%,分布情況見圖2。結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)研究后發(fā)現(xiàn):珍稀野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)內(nèi)的土地利用類型主要是林地和濕地。林地紅線范圍主要由水源涵養(yǎng)林組成,剩余小部分屬于自然保護(hù)林和水土保持林,它們都對保護(hù)珍稀野生動(dòng)物、維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定有著不可替代的作用。
圖 2 珍稀野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)分布Fig. 2 Distribution of the rare wild animals reserve
通過生境適宜性分析和面積篩選之后得到珍稀野生動(dòng)物的適宜生境面積為409.97 km2,占全縣總面積的28.23%。結(jié)合土地利用現(xiàn)狀和植被類型篩選后識別得到生態(tài)源地,生態(tài)源地面積共87.19 km2,占全縣總面積的6.00%。通過MCR值的計(jì)算得到阻力面,為更清晰的識別各源之間的聯(lián)系,將阻力面轉(zhuǎn)化為等阻力線,其分布情況見圖3。由圖3可知,生態(tài)源地主要集中分布于八面山自然保護(hù)區(qū)和齊云峰森林公園的齊云山片區(qū),桂東縣北部和南部有部分分布在森林公園外圍,總體具以下特征:海拔較高、植被覆蓋度高、接近水源、遠(yuǎn)離道路和居民點(diǎn)[23]。
圖 3 景觀阻力線Fig. 3 Landscape resistance line
通過景觀阻力面共識別生態(tài)廊道4條,戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)4個(gè)。將圖2中的珍稀野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)與通過阻力面識別的生態(tài)廊道、戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)疊加,生成“戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)—生態(tài)廊道—珍稀野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)”相結(jié)合的珍稀野生動(dòng)物保護(hù)安全格局(圖4)。由圖4可知,生態(tài)廊道多分布在濕地和連續(xù)植被帶,構(gòu)成了區(qū)域內(nèi)重要的生態(tài)“骨架”。通道1沿八面山的走向貫穿桂東縣南北方向,總長度55 387.86 m,此通道的景觀組分主要由林地組成,在空間延伸方向上生態(tài)系統(tǒng)類型的一致性較高,有利于動(dòng)物遷徙[23];通道2同樣貫穿了桂東縣的南北方向,總長度為73 960.62 m,可以發(fā)現(xiàn)該通道走勢和水體流向非常一致,大部分區(qū)域或跨越河流或平行于河流,反映了源間生物的流動(dòng)趨勢,說明物種的運(yùn)動(dòng)與水源有密切關(guān)系;通道3是1條連接了自然保護(hù)區(qū)和森林公園2個(gè)區(qū)域物種分布區(qū)之間的低累積阻力線,全長36 190.32 m;通道4是連接戰(zhàn)略點(diǎn)A和B之間的通道,共21 041.35 m,這里景觀異質(zhì)性較高,耕地和建設(shè)用地占比較大,接近人類活動(dòng)區(qū)域,該通道的作用是保障局部區(qū)域源地間的聯(lián)系[23]。2005年,朱強(qiáng)等[24]通過總結(jié)不同學(xué)者有關(guān)生態(tài)廊道的研究后認(rèn)為生態(tài)廊道寬度在100~200 m時(shí)比較適合生物多樣性保護(hù)。同時(shí),參照美國馬里蘭州生態(tài)廊道的劃定經(jīng)驗(yàn)[25],本研究將生態(tài)廊道的寬度確定為150 m。
圖4中A、B、C 3個(gè)點(diǎn)均處于阻力線相切的位置,是等阻力谷線的極大值點(diǎn),這里地形相對平坦,人類活動(dòng)較多,當(dāng)物種跨越這些點(diǎn)活動(dòng)時(shí),必須克服極大的阻力,是源間溝通的重要戰(zhàn)略點(diǎn),在這些點(diǎn)周圍引入生物斑塊可以促進(jìn)各源之間的相互聯(lián)系[18,23]。戰(zhàn)略點(diǎn)D的地理位置不同于其他3個(gè)點(diǎn),位于八面山的東南坡,這里海拔較高,坡度較陡,且靠近水源,為避免自然保護(hù)區(qū)內(nèi)野生物種棲息地的破碎化,保障物種的遷徙,應(yīng)對該處的植被進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,并減少人類活動(dòng)。
圖 4 基于“點(diǎn)—線—面”的珍稀野生動(dòng)物保護(hù)安全格局Fig. 4 Rare wild animal protection and safety pattern based on 'point-line-surface'
在南方集體林區(qū),林地面積大,森林覆蓋率高,生物多樣性是當(dāng)?shù)鼐用褓囈陨娴臈l件,是區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ),是區(qū)域生態(tài)安全的重要保障。由于經(jīng)濟(jì)水平較為落后,地方政府發(fā)展經(jīng)濟(jì)、當(dāng)?shù)亓洲r(nóng)擺脫貧困的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力較大,導(dǎo)致林地被占用、森林質(zhì)量下降,生物多樣性降低,威脅到區(qū)域生態(tài)安全。珍稀野生動(dòng)物保護(hù)的區(qū)域“點(diǎn)—線—面”安全格局構(gòu)建方法研究,結(jié)合了動(dòng)物的空間分布和遷徙過程,為南方集體林區(qū)野生動(dòng)物保護(hù)提供一種新的研究思路。
研究結(jié)果表明:桂東縣珍稀野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)共819.52 km2,占全縣總面積的56.44%,其中,林地面積723.82 km2,濕地面積95.7 km2。作為生態(tài)源地的物種棲息地面積共87.19 km2,現(xiàn)已有50.84%的區(qū)域被劃入保護(hù)區(qū)或森林公園,這部分區(qū)域除科學(xué)研究以外,應(yīng)禁止各類生產(chǎn)經(jīng)營。生態(tài)廊道總長度為186.58 km,其分布與山脈走向和河流水系延伸方向一致,在城市建設(shè)中應(yīng)優(yōu)先保護(hù)本身具有廊道效應(yīng)的濕地生態(tài)系統(tǒng)和森林生態(tài)系統(tǒng)[2,23],并且盡量減少道路對動(dòng)物遷移的影響。通過阻力面的構(gòu)建,識別戰(zhàn)略點(diǎn)共4個(gè),這些區(qū)域需加強(qiáng)生態(tài)保護(hù),禁止損害生態(tài)系統(tǒng)功能的開發(fā)建設(shè)活動(dòng)。
本研究還存在以下幾個(gè)問題:1)研究的重點(diǎn)是珍稀野生動(dòng)物的安全格局,雖然在珍稀野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)劃定過程中,考慮了林地、濕地生態(tài)系統(tǒng)的作用,但缺乏深入分析;2)利用最小累積阻力模型構(gòu)建阻力面時(shí)各阻力因子的權(quán)重賦值會對研究結(jié)果造成影響[20];3)生態(tài)廊道寬度的設(shè)置會直接影響其生態(tài)功能的發(fā)揮[26]。以上3個(gè)問題需要在今后的研究中進(jìn)一步的分析與探索。
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