田倩倩，黃鳳蓮，王開心，萬大娟*，李嘉琪，王歡

（1.湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，長沙 410012；2.湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，長沙 410004）

設(shè)立自然保護(hù)區(qū)是保護(hù)自然資源、維護(hù)生物多樣性的有效手段[1]，在保護(hù)珍稀特有物種資源、典型生態(tài)系統(tǒng)以及珍貴自然遺跡資源等方面具有重要價值[2]。但是，隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類開發(fā)活動與生態(tài)保護(hù)的矛盾日益突出，在未識別土地生態(tài)適宜性的情況下盲目開采勢必會對保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。近些年，國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合地理信息系統(tǒng)（geographic information system,GIS）空間分析技術(shù)，對土地生態(tài)適宜性展開了大量的研究，并對土地生態(tài)適宜性評價方法進(jìn)行了深入探討[3]。目前，常用的評價方法為加權(quán)疊加法[4-5]，實質(zhì)上是結(jié)合GIS技術(shù)將各因子?xùn)鸥窕筮M(jìn)行疊加分析，主要從垂直生態(tài)過程角度進(jìn)行分析，但土地的生態(tài)價值不僅僅由垂直生態(tài)要素決定，還由該土地景觀單元在水平生態(tài)過程中的流動等相互作用來決定[6]。因此，在土地生態(tài)適宜性評價過程中需結(jié)合垂直生態(tài)過程和水平生態(tài)過程，更加客觀地進(jìn)行生態(tài)適宜性評價。

基于此，本文選取湖南省通道侗族自治縣萬佛山自然保護(hù)區(qū)為研究區(qū)，在自然保護(hù)區(qū)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上首次應(yīng)用最小累積阻力模型分析景觀水平過程，結(jié)合垂直生態(tài)過程和水平生態(tài)過程綜合進(jìn)行土地生態(tài)適宜性分區(qū)，以期為科學(xué)合理制定保護(hù)區(qū)規(guī)劃和加強(qiáng)保護(hù)區(qū)土地生態(tài)管理提供技術(shù)信息參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

湖南省萬佛山自然保護(hù)區(qū)始建于1998年10月，位于湖南省西部的懷化通道侗族自治縣境內(nèi)，地理位置為25°52′—26°29′N，109°25′—110°00′E，總面積為9 983.43 hm2，是以保護(hù)丹霞地貌和野生動植物為重點的地質(zhì)遺跡類自然保護(hù)區(qū)。保護(hù)區(qū)呈西南至東北走向，地貌類型多樣，為發(fā)育典型的尖錐狀密集峰叢峰林型丹霞地貌；屬常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)，脊椎動物資源豐富，是動植物的天然避難所和保存完好的棲息地。同時，萬佛山-侗寨國家級風(fēng)景名勝區(qū)丹霞地貌景觀、萬佛山國家地質(zhì)公園與萬佛山自然保護(hù)區(qū)部分重疊，保護(hù)區(qū)內(nèi)風(fēng)景資源豐富，擁有丹霞群山、丹崖赤壁、丹霞洞穴、丹霞濕地等自然景觀。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括2017年美國陸地衛(wèi)星計劃第8顆衛(wèi)星（Landsat 8）獲得的萬佛山自然保護(hù)區(qū)遙感影像，萬佛山自然保護(hù)區(qū)數(shù)字高程模型（digital elevation model,DEM）數(shù)據(jù)（基本格網(wǎng)單元大小為30 m×30 m），萬佛山自然保護(hù)區(qū)、萬佛山-侗寨國家級風(fēng)景名勝區(qū)丹霞地貌景觀和萬佛山國家地質(zhì)公園的矢量數(shù)據(jù)等。

對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：1）根據(jù)研究目的和區(qū)域特征，對研究區(qū)遙感影像進(jìn)行融合、幾何校正、裁剪等處理后，采用監(jiān)督分類和人工目視解譯相結(jié)合的遙感分類方法，生成2017年萬佛山自然保護(hù)區(qū)土地利用類型圖，主要土地利用類型有林地、耕地、園地、水域、交通水利用地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地等。2）基于Landsat 8遙感影像提取路網(wǎng)、河網(wǎng)、水庫，生成水系圖和交通圖。3）基于DEM數(shù)據(jù)，采用Arc GIS（10.4.1版）表面分析中坡度和坡向功能，得到萬佛山自然保護(hù)區(qū)柵格像元大小為30 m×30 m的坡度圖和坡向圖。

2 評價方法

2.1 基于層次分析法的垂直生態(tài)過程

2.1.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

以垂直生態(tài)過程構(gòu)建阻力基面時，本文參照目前國內(nèi)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)評價研究的有關(guān)指標(biāo)體系[7-9]，結(jié)合萬佛山自然保護(hù)區(qū)的實際情況，由高程、坡度、坡向、土地利用類型、植被覆蓋度、鄰近水體、道路、居民點等10個基礎(chǔ)因子組成4大復(fù)合因子，構(gòu)建阻力評價指標(biāo)體系，結(jié)果見表1。在評價單個基礎(chǔ)因子的阻力時，將阻力分為5個等級，分別為1～5級，同時采用層次分析法確定各基礎(chǔ)因子的權(quán)重。

表1 阻力評價指標(biāo)體系Table 1 Resistance evaluation index system

2.1.2 綜合阻力值運算

借鑒多因子加權(quán)疊加模型[10]，建立阻力模型[11]以表示保護(hù)區(qū)生態(tài)源擴(kuò)張所受的阻力情況，公式如下：

式中：Z為綜合阻力值；n為因子數(shù)；Wi為因子i的權(quán)重值；Pi為第i個因子的分值。

2.2 基于最小累積阻力模型的水平生態(tài)過程

2.2.1 模型概述

最小累積阻力模型是指從源地經(jīng)過不同阻力的景觀類型所累積耗費的最小費用或克服阻力所做的最小功，最早由KNAPPEN等[12]于1992年提出，經(jīng)國內(nèi)俞孔堅[13]的修改，可用下列公式表示：

式中：MCR為最小累積阻力值；Dij為源j到目的地i的距離；Ri為阻力系數(shù)。該模型可通過Arc GIS空間分析中的成本距離（cost distance）模塊實現(xiàn)。

2.2.2 過程源的確定

在保護(hù)區(qū)內(nèi)就瀕危物種和典型生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)而言，MCR中的“源”是指利于該區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的特殊景觀斑塊[14]。就萬佛山自然保護(hù)區(qū)而言，是指以七星山、神仙洞峰、將軍山、萬佛山等為主體形成的丹霞峰林景觀群區(qū)域、三十六灣原始次生林區(qū)域和龍底原始次生林區(qū)域。

3 評價過程

3.1 生成阻力基面

利用GIS空間分析技術(shù)，基于垂直生態(tài)過程創(chuàng)建的阻力評價體系（表1）并結(jié)合式（1）進(jìn)行綜合阻力值計算，得到萬佛山自然保護(hù)區(qū)阻力基面圖（圖1），其中最高阻力值為4.282 0，最低為0.971 7。保護(hù)區(qū)中部太平巖村、江寨村、官團(tuán)村區(qū)域和南部毗鄰?fù)ǖ蓝弊遄灾慰h縣城區(qū)域阻力值較大，萬佛山、將軍山、神仙洞及其周邊林地區(qū)域和龍底原始次生林區(qū)域的阻力值較小，其他區(qū)域介于兩者之間。

圖1 阻力基面Fig.1 Resistance base surface

3.2 生成最小累積阻力表面

基于綜合阻力值和過程“源”，計算最小累積阻力表面。根據(jù)式（2），采用Arc GIS中的成本距離模型，計算得到萬佛山自然保護(hù)區(qū)的最小累積阻力表面，如圖2所示。圖中紅色代表擴(kuò)張過程的累積阻力值大，淺黃色代表擴(kuò)張過程的累積阻力值小，顏色由“源”向外逐漸變深，說明擴(kuò)張過程受到的累積阻力逐漸增加。

在此基礎(chǔ)上運用標(biāo)準(zhǔn)方差對計算結(jié)果進(jìn)行重分類，分為C1～C8類，每類之間的間隔為1/2方差，得到萬佛山自然保護(hù)區(qū)最小累計阻力的標(biāo)準(zhǔn)方差分類圖層（圖3）。同時，統(tǒng)計各類所對應(yīng)的柵格數(shù)目，分析二者之間的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

圖2 最小累積阻力表面Fig.2 Minimum cumulative resistance surface

3.3 確定分區(qū)閾值

圖3 標(biāo)準(zhǔn)方差分類圖層Fig.3 Classification layer of standard variance

圖4 標(biāo)準(zhǔn)方差分類類別與像元數(shù)量的線性關(guān)系Fig.4 Linear relationship between classification categories of standard variances and number of pixels

根據(jù)前人研究結(jié)果，當(dāng)某類擴(kuò)張穿過突變點時，突變點阻力值會發(fā)生聚變[15]。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，最小累積阻力從C2到C3、C4到C5、C5到C6的像元數(shù)量有個突變的過程。因此，可將C2、C4和C5處的阻力值作為臨界閾值，對萬佛山自然保護(hù)區(qū)的最小累積阻力表面進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)結(jié)果如表2所示。

表2 生態(tài)適宜性分區(qū)閾值Table 2 Zoning thresholds for ecological suitability

4 結(jié)果與討論

4.1 生態(tài)適宜性分區(qū)

根據(jù)表2中的分區(qū)區(qū)間，對最小累積阻力表面進(jìn)行重分類，得到萬佛山自然保護(hù)區(qū)土地生態(tài)適宜性分區(qū)結(jié)果（圖5）和各區(qū)域面積以及比例結(jié)果（表3）。

圖5 土地生態(tài)適宜性分區(qū)結(jié)果Fig.5 Result of land ecological suitability zoning

Ⅰ級適宜區(qū)面積為4 036.04 hm2，占保護(hù)區(qū)總面積的40.43%，面積占比最大，主要分布于自然保護(hù)區(qū)北部、中部和東部區(qū)域。Ⅱ級適宜區(qū)面積為3 828.51 hm2，占保護(hù)區(qū)總面積的38.35%，這些區(qū)域分布在太平溪流域和玉帶河流域。Ⅲ級適宜區(qū)面積為1 426.77 hm2，占保護(hù)區(qū)總面積的14.29%，主要分布在大塘口村、太平巖村、官團(tuán)村、城坪村等人口集中鄉(xiāng)村。Ⅳ級適宜區(qū)面積為692.11 hm2，占保護(hù)區(qū)總面積的6.93%，主要分布于保護(hù)區(qū)南端。

李茂森等[5]以安塞縣縣南溝流域農(nóng)用地為研究對象，通過遙感（remote sensing,RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，將評價因子的矢量圖進(jìn)行疊加，得到生態(tài)適宜性評價單元圖；李鵬山等[16]選取海口市建設(shè)用地作為研究對象，運用空間疊加分析法，將研究區(qū)建設(shè)用地生態(tài)適宜性分為5個等級；王軍德等[17]以石羊河流域中游涼州區(qū)為研究區(qū)域，通過最小累計阻力模型，從水平生態(tài)過程分析，將研究區(qū)域劃分為4個生態(tài)適宜區(qū)；彭云飛等[18]以深圳市為研究對象，采用最小累積阻力模型模擬深圳市生態(tài)用地和建設(shè)用地的空間擴(kuò)張過程，將土地生態(tài)安全控制區(qū)劃分為2種類型。

本文以湖南省萬佛山自然保護(hù)區(qū)為研究區(qū)域，運用最小累積阻力模型和GIS空間分析方法對萬佛山自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行土地生態(tài)適宜性評價，劃分出4個等級的土地生態(tài)適宜區(qū)。該模型實現(xiàn)了垂直生態(tài)過程和水平生態(tài)過程相結(jié)合，一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法僅研究景觀單元的垂直過程或水平過程的缺點，更加準(zhǔn)確地模擬了分區(qū)結(jié)果，為保護(hù)區(qū)土地生態(tài)管理提供了依據(jù)。

4.2 與已有生態(tài)用地的耦合關(guān)系

生態(tài)用地具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，在維持區(qū)域生態(tài)平衡和可持續(xù)發(fā)展中起著重要的作用。當(dāng)前，學(xué)術(shù)界未對生態(tài)用地內(nèi)涵形成明確、統(tǒng)一的定論，眾多學(xué)者從不同的角度對生態(tài)用地概念及內(nèi)涵進(jìn)行了闡述或界定[19]。本文借鑒前人研究[20-21]，結(jié)合保護(hù)區(qū)實際并參考現(xiàn)行的國土資源管理的用地分類標(biāo)準(zhǔn)，將萬佛山自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)用地分為林地、水域、園地、耕地，其中生態(tài)適宜性分區(qū)與已有生態(tài)用地空間耦合結(jié)果見圖6和表4。

Ⅰ級適宜區(qū)是林地分布最為密集的類型區(qū)，承擔(dān)了林地面積的43.69%；Ⅱ級適宜區(qū)內(nèi)水域、園地和耕地分布較多，分別占相應(yīng)類型用地面積的51.59%、50.91%和46.34%。這2種類型區(qū)內(nèi)的生態(tài)用地對于保護(hù)生物多樣性、涵養(yǎng)水源、防治水土流失及保護(hù)丹霞地貌等有著重要的生態(tài)意義，今后的土地規(guī)劃應(yīng)以生態(tài)保護(hù)為主，控制一切開發(fā)建設(shè)活動；加強(qiáng)區(qū)內(nèi)森林、河流等自然生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和修復(fù)，不斷改善和提高生態(tài)系統(tǒng)功能。

Ⅲ級適宜區(qū)內(nèi)的生態(tài)用地面積為1 379.35 hm2，占該區(qū)域用地面積的96%，主要以林地、耕地為主。該區(qū)域應(yīng)以保障生態(tài)安全為底線，不得建設(shè)污染環(huán)境、破壞資源或者景觀的生產(chǎn)設(shè)施；政府應(yīng)引導(dǎo)鼓勵居民發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)體系，積極開展退耕還林。

圖6 分區(qū)結(jié)果與生態(tài)用地空間分布Fig.6 Results of zoning and the spatial distribution of ecological land use

Ⅳ級適宜區(qū)是4種類型生態(tài)用地分布最少的區(qū)域。該類型區(qū)地形平坦，人口聚集，建設(shè)用地較多，人類活動對保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境的沖擊較大。該區(qū)域今后的規(guī)劃應(yīng)以生態(tài)建設(shè)為主，嚴(yán)格依照《中華人民共和國自然保護(hù)區(qū)條例》有關(guān)規(guī)定管理開展參觀、旅游等活動。

5 結(jié)論

1）在空間上將萬佛山自然保護(hù)區(qū)劃分為4個等級的土地生態(tài)適宜區(qū)：Ⅰ級適宜區(qū)面積為4 036.04 hm2，Ⅱ級適宜區(qū)為3 828.51 hm2，Ⅲ級適宜區(qū)為1 426.77 hm2，Ⅳ級適宜區(qū)為 692.11 hm2。

2）在生態(tài)適宜性分區(qū)與已有生態(tài)用地空間耦合關(guān)系上，Ⅰ級適宜區(qū)內(nèi)林地分布最廣，Ⅱ級適宜區(qū)內(nèi)水域、園地和耕地分布較多，Ⅲ級適宜區(qū)主要以林地、耕地為主，而Ⅳ級適宜區(qū)的生態(tài)用地分布最少。

3）不同等級適宜性分區(qū)的管理策略各不相同：Ⅰ級適宜區(qū)應(yīng)以生態(tài)保護(hù)為主，控制一切開發(fā)建設(shè)活動；Ⅱ級適宜區(qū)應(yīng)保持河流、生態(tài)園林等景觀類型，改善和提高生態(tài)系統(tǒng)功能；Ⅲ級適宜區(qū)應(yīng)以保障生態(tài)安全為底線，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，積極開展退耕還林；Ⅳ級適宜區(qū)內(nèi)建設(shè)用地較多，應(yīng)秉持環(huán)境保護(hù)與環(huán)境建設(shè)并舉的原則，最大限度減輕對生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響。

表4 生態(tài)用地在各分區(qū)中的分布Table 4 Distribution of ecological land use in different zones