劉佳梅 樊涵 張明明

保護(hù)區(qū)是保護(hù)生物多樣性的有效手段，但其建立可能導(dǎo)致周邊環(huán)境得到更好的保護(hù)或受到更大的破壞，即保護(hù)區(qū)的“空間溢出效應(yīng)”[1～2]。該效應(yīng)產(chǎn)生兩種后果：一是阻塞效應(yīng)，屬正面效應(yīng)，即建立保護(hù)區(qū)使得保護(hù)區(qū)周邊一定區(qū)域內(nèi)的生物多樣性和生態(tài)環(huán)境受到比距離保護(hù)區(qū)更遠(yuǎn)的區(qū)域更好的保護(hù)[3～5]；二是泄漏效應(yīng)，屬負(fù)面效應(yīng)，指保護(hù)區(qū)的建立使原本應(yīng)發(fā)生在保護(hù)區(qū)內(nèi)的干擾活動(dòng)轉(zhuǎn)移到了保護(hù)區(qū)外，使保護(hù)區(qū)外的鄰近區(qū)受到比距離保護(hù)區(qū)更遠(yuǎn)區(qū)域更大的干擾和破壞[2,6～8]。保護(hù)區(qū)溢出效應(yīng)的存在在多項(xiàng)研究中得到證實(shí)[9～12]，研究自然保護(hù)區(qū)的空間溢出效應(yīng)對(duì)于保護(hù)區(qū)內(nèi)外的整體保護(hù)管理具有重要的決策意義。

有研究表明，保護(hù)區(qū)的溢出效應(yīng)主要發(fā)生在保護(hù)區(qū)外1～10 km的范圍[13～14]。因此，本文以貴州湄潭百面水省級(jí)自然保護(hù)區(qū)（以下簡(jiǎn)稱“百面水自然保護(hù)區(qū)”）及區(qū)外10 km作為研究區(qū)域，基于1990年、2000年、2010年、2020年4期土地利用柵格數(shù)據(jù)，以景觀格局指數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行量化，從而評(píng)估該保護(hù)區(qū)的空間溢出效應(yīng)。百面水自然保護(hù)區(qū)屬森林生態(tài)系統(tǒng)類型的保護(hù)區(qū)，區(qū)內(nèi)動(dòng)植物資源十分豐富，更是很多國(guó)家級(jí)保護(hù)野生動(dòng)植物的棲息地，對(duì)貴州省動(dòng)植物資源生存繁衍和科學(xué)調(diào)研具有重要作用，因此研究其溢出效應(yīng)對(duì)自然保護(hù)區(qū)的科學(xué)管理和決策具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

百面水自然保護(hù)區(qū)（107°18′57.6″～107°32′45.6″E，27°25′48″～27°36′39.6″N）位于貴州省遵義市湄潭縣南部，東與余慶縣相接，西南與甕安縣接壤，地跨湄潭縣高臺(tái)、新南、茅坪、石蓮4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積19 173 hm2，海拔450～1 501 m。保護(hù)區(qū)內(nèi)豐富的發(fā)育良好的喀斯特地貌和洞穴等賦予百面水自然保護(hù)區(qū)極具特色的“喀斯特生態(tài)旅游資源”，區(qū)內(nèi)具有世界代表性的喀斯特地貌——天生橋群，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的地球上一定區(qū)域內(nèi)最集中的天生橋群；區(qū)內(nèi)的十二道峽谷等獨(dú)特景觀，野趣天成。保護(hù)區(qū)內(nèi)動(dòng)植物資源豐富，是天然的物種基因庫(kù)，包含了多種國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)的野生動(dòng)植物等，如國(guó)家I級(jí)保護(hù)植物紅豆杉Taxus wallichianavar.chinensis、南方紅豆杉Taxus wallichianavar.mairei，Ⅰ級(jí)保護(hù)動(dòng)物林麝Moschus berezovskii等。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

中國(guó)年度土地覆蓋數(shù)據(jù)集（Annual China Land Cover Dateset,CLDC）的空間分辨率為30 m×30 m，該數(shù)據(jù)是基于Goole Earth Engine（GEE）所有可用的Landsat系列遙感影像，通過(guò)人機(jī)交互解譯后得到。依據(jù)中國(guó)的土地利用類型分布，即6 個(gè)一級(jí)類（農(nóng)田、森林、草地、水域、建成區(qū)和未利用地）和25個(gè)二級(jí)類，將該數(shù)據(jù)集分為農(nóng)田、森林、灌木、草地、水體、冰雪、荒地、不透水面和濕地共9類。將研究區(qū)與其疊加裁剪后，得到研究區(qū)的土地利用類型有：農(nóng)田、森林、灌木、草地、水體、不透水面6類[15]。

1.3 景觀格局指數(shù)

景觀格局與各個(gè)生態(tài)過(guò)程關(guān)系十分密切，景觀格局破碎度與生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)能力、抗干擾能力、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生物多樣性等緊密相連。景觀破碎化空間格局指標(biāo)主要包括斑塊大小、斑塊形狀、斑塊密度、格局類型和形狀、斑塊距離等。根據(jù)相關(guān)研究[12,16]，本研究選取邊緣密度（ED）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、平均斑塊面積（MPS）、景觀破碎化指數(shù)（SPLIT）、聚集度指數(shù)（AI）、景觀形狀指數(shù)（LSI）等可以表現(xiàn)景觀格局破碎化的指標(biāo)[17]，分析百面水自然保護(hù)區(qū)內(nèi)外景觀格局特征，以評(píng)估保護(hù)區(qū)的空間溢出效應(yīng)。

1.4 溢出效應(yīng)評(píng)估空間

基于貴州遵義市1990 年、2000年、2010年、2020年4個(gè)時(shí)段30 m分辨率的土地利用/覆蓋柵格數(shù)據(jù)，以百面水自然保護(hù)區(qū)邊界為界，運(yùn)用ArcGIS 10.6中的多環(huán)緩沖區(qū)工具，以1 km為距建立等距的10個(gè)環(huán)狀樣帶，將每個(gè)研究區(qū)域分別與4 個(gè)時(shí)期的土地利用/覆蓋柵格數(shù)據(jù)疊加，再按掩膜提取對(duì)應(yīng)柵格數(shù)據(jù)，建立自然保護(hù)區(qū)空間溢出效應(yīng)評(píng)估模型（圖1）。

圖1 百面水自然保護(hù)區(qū)1990—2020年土地利用

1.5 影響因素選取

根據(jù)相關(guān)研究[9～10,18～19]，結(jié)合百面水自然保護(hù)區(qū)地形地貌等綜合情況，選取年均氣溫、年均降水、植被類型等自然環(huán)境因素及人口密度、GDP等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素作為影響因素。其中，人口密度來(lái)源于Worldpop，分辨率100 m；其余數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院，氣候因子分辨率為1 km。基于保護(hù)區(qū)和各鄰近區(qū)的面積，利用Create Random Points工具在保護(hù)區(qū)內(nèi)、溢出效應(yīng)區(qū)域、更外圍區(qū)域（指未受到保護(hù)亦不受到溢出影響的區(qū)域）分別創(chuàng)建間隔10 m的3組隨機(jī)點(diǎn)，每組隨機(jī)點(diǎn)數(shù)量為100，以各點(diǎn)位置提取各個(gè)因素的值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化

百面水自然保護(hù)區(qū)內(nèi)外的農(nóng)田面積在1990—2020年均呈增加的趨勢(shì)，保護(hù)區(qū)內(nèi)外森林面積則趨于下降（圖2），森林的面積占比超過(guò)總面積的一半，是整個(gè)景觀的優(yōu)勢(shì)類型。森林和農(nóng)田兩類土地利用轉(zhuǎn)移量最大，是彼此和其他土地利用轉(zhuǎn)移的主要來(lái)源（圖3）。保護(hù)區(qū)內(nèi)外的不透水面面積逐漸增加，尤其在2010—2020年變化量最大。

圖2 1990—2020年土地利用面積變化

圖3 1990—2020年土地利用面積轉(zhuǎn)移

2.2 景觀格局分析

百面水自然保護(hù)區(qū)的邊緣密度（ED）先下降、再上升、又下降，總體呈下降趨勢(shì)，鄰近區(qū)的邊緣密度與保護(hù)區(qū)變化一致，總體為下降趨勢(shì)（圖4-a）。保護(hù)區(qū)的最大斑塊指數(shù)（LPI）總體呈下降趨勢(shì)，在1990—2000年、2010—2020年上升，2000—2010 年下降，表明百面水自然保護(hù)區(qū)在2000—2010年受到了更強(qiáng)的干擾。1 km 鄰近區(qū)到10 km 鄰近區(qū)的最大斑塊指數(shù)變化較復(fù)雜，1km、3～4 km、5～6 km、8 km、9～10 km 鄰近區(qū)與保護(hù)區(qū)變化趨勢(shì)總體相同，均呈表現(xiàn)為下降，2 km、7 km、10 km鄰近區(qū)總體表現(xiàn)為上升（圖4-b）。保護(hù)區(qū)與鄰近區(qū)的平均斑塊面積（MPS）與鄰近區(qū)的變化趨勢(shì)均逐漸上升（圖4-c）。保護(hù)區(qū)的景觀形狀指數(shù)（LSI）總體呈下降趨勢(shì)，在1990—2000年與2010—2020年下降，在2000—2010年上升；保護(hù)區(qū)外1～10 km 鄰近區(qū)整體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)（圖4-d）。景觀破碎化指數(shù)（SPLIT）總體表現(xiàn)均為上升趨勢(shì)，但在1990—2000年與2010—2020年呈下降趨勢(shì)，在2000—2010年呈上升趨勢(shì)，2 km 鄰近區(qū)與10 km 鄰近區(qū)總體表現(xiàn)與保護(hù)區(qū)相反，其余鄰近區(qū)與保護(hù)區(qū)變化相同，均為總體上升（圖4-e）。保護(hù)區(qū)聚合度指數(shù)（AI）在2000—2010 年表現(xiàn)為下降，在1990—2000年和2010—2020年上升，總體呈上升趨勢(shì)；鄰近區(qū)與保護(hù)區(qū)總體變化相同（圖4-f）。

圖4 保護(hù)區(qū)與10 km鄰近區(qū)1990—2020年景觀格局指數(shù)趨勢(shì)變化

綜合各景觀格局指數(shù)變化情況來(lái)看，1990—2020年，百面水自然保護(hù)區(qū)的邊緣密度、最大斑塊指數(shù)、景觀形狀指數(shù)總體為下降趨勢(shì)，保護(hù)區(qū)的平均斑塊面積、景觀破碎化指數(shù)、聚合度指數(shù)總體為上升趨勢(shì)，表明保護(hù)區(qū)受到一定干擾；而1 km鄰近區(qū)景觀破碎程度高于保護(hù)區(qū)，而低于2～10 km鄰近區(qū)。

2.3 空間溢出效應(yīng)評(píng)估

在1990—2020年，保護(hù)區(qū)外1 km鄰近區(qū)的景觀邊緣密度、景觀形狀指數(shù)、景觀破碎化指數(shù)的平均值均大于保護(hù)區(qū)，而小于2～10 km各鄰近區(qū)；該鄰近區(qū)的最大斑塊指數(shù)、平均斑塊面積、聚合度指數(shù)的平均值小于保護(hù)區(qū)而大于2～10 km鄰近區(qū)。將保護(hù)區(qū)及其各鄰近區(qū)的景觀格局指數(shù)均值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明1 km鄰近區(qū)的邊緣密度、最大斑塊指數(shù)、平均斑塊面積、景觀破碎化指數(shù)、聚合度指數(shù)與保護(hù)區(qū)均存在顯著差異，且與2～10 km鄰近區(qū)的最大斑塊面積、景觀破碎化指數(shù)具有顯著差異（圖5）。因此，百面水自然保護(hù)區(qū)的建立對(duì)周邊1 km鄰近區(qū)產(chǎn)生了空間溢出效應(yīng)，為阻塞效應(yīng)。

圖5 空間溢出效應(yīng)顯著性檢驗(yàn)

2.4 影響因素分析

對(duì)保護(hù)區(qū)、溢出效應(yīng)影響區(qū)域（1 km 鄰近區(qū)）以及不受保護(hù)也不存在明顯溢出效應(yīng)影響的外圍區(qū)域（2～10 km鄰近區(qū)）提取各數(shù)據(jù)進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)，結(jié)果表明百面水自然保護(hù)區(qū)內(nèi)外的年均氣溫、年均降水、植被類型、人口密度、GDP 和到最近居民點(diǎn)距離均有差別（表1）。兩兩比較后得出，保護(hù)區(qū)與溢出效應(yīng)影響區(qū)域除植被類型不存在差別外，其余均表現(xiàn)出不同程度的差別；保護(hù)區(qū)與外圍區(qū)域在氣候、人口密度和到最近居民點(diǎn)距離存在極顯著差異（P≤0.001）；溢出效應(yīng)影響區(qū)域與外圍區(qū)域在年均氣溫、人口密度和植被類型上存在差別。綜上，百面水保護(hù)區(qū)空間溢出效應(yīng)主要受社會(huì)經(jīng)濟(jì)和氣候的影響。

表1 百面水自然保護(hù)區(qū)、溢出效應(yīng)影響區(qū)域、外圍區(qū)域各因素差異檢驗(yàn)

3 結(jié)論與討論

在1990—2020年的30年里，百面水自然保護(hù)區(qū)與10 km鄰近區(qū)的土地利用變化情況均表現(xiàn)為森林和農(nóng)田的變化占主導(dǎo)地位，其余土地利用有少量轉(zhuǎn)移變化。保護(hù)區(qū)的邊緣密度、最大斑塊指數(shù)、景觀形狀指數(shù)總體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，保護(hù)區(qū)的平均斑塊面積、景觀破碎化指數(shù)、聚合度指數(shù)總體表現(xiàn)為上升趨勢(shì)；保護(hù)區(qū)內(nèi)外景觀破碎化程度從低到高依次為保護(hù)區(qū)、1 km鄰近區(qū)、2～10 km鄰近區(qū)。百面水自然保護(hù)區(qū)產(chǎn)生了正面影響的溢出效應(yīng)，影響距離為保護(hù)區(qū)外1 km，且主要受到氣候和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子影響。

保護(hù)區(qū)內(nèi)的土地利用限制可能對(duì)非目標(biāo)、鄰近地區(qū)產(chǎn)生非預(yù)期的溢出效應(yīng)。在泄漏的情況下，原本會(huì)在保護(hù)區(qū)中發(fā)生的土地利用變化被轉(zhuǎn)移到原本不會(huì)發(fā)生變化的無(wú)保護(hù)區(qū)中。在阻塞的情況下，由于保護(hù)區(qū)的積極溢出效應(yīng)，未受保護(hù)的環(huán)境所經(jīng)歷的土地利用變化比其他情況要少。然而目前對(duì)于全球保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)發(fā)生的溢出的規(guī)模、普遍性和可預(yù)測(cè)性還知之甚少[20]。

本文選取景觀格局指數(shù)分析百面水保護(hù)區(qū)內(nèi)外的景觀格局變化特征，得出百面水保護(hù)區(qū)自2014年晉升為省級(jí)自然保護(hù)區(qū)后，其景觀格局得到更好發(fā)展。這意味著保護(hù)區(qū)的級(jí)別越高，保護(hù)區(qū)內(nèi)的管理?xiàng)l件越嚴(yán)格，區(qū)內(nèi)的保護(hù)成效或會(huì)越好。景觀格局指數(shù)變化趨勢(shì)顯示，百面水自然保護(hù)區(qū)外1 km區(qū)域的景觀破碎化比2～10 km區(qū)域的低，表明保護(hù)區(qū)的建立對(duì)其周邊景觀破碎化趨勢(shì)有一定程度的緩解效果。從國(guó)內(nèi)的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的溢出效應(yīng)來(lái)看，作用距離一般不小于3 km，而本文得出百面水自然保護(hù)區(qū)產(chǎn)生的溢出效應(yīng)作用距離約1 km，猜測(cè)可能與保護(hù)區(qū)的自身屬性特征——建立時(shí)間和晉升級(jí)別的時(shí)間等有關(guān)。Diego Herrera等[5]對(duì)巴西亞馬遜聯(lián)邦和州機(jī)構(gòu)保護(hù)區(qū)的溢出效應(yīng)進(jìn)行研究，表明不同管理級(jí)別的機(jī)構(gòu)對(duì)保護(hù)區(qū)的溢出效應(yīng)具有很大的影響差異，并表明對(duì)于一個(gè)國(guó)家、地區(qū)和時(shí)期，保護(hù)區(qū)的溢出效應(yīng)因保護(hù)區(qū)的位置、類型和管理執(zhí)行的不同而有很大的差異。Shen Yu等[10]對(duì)青藏高原的森林自然保護(hù)區(qū)的研究結(jié)果也表明，保護(hù)區(qū)的年齡對(duì)保護(hù)區(qū)的溢出效果有一定影響。

因此，本文對(duì)于自然保護(hù)區(qū)的管理和保護(hù)提出如下建議：

1）加強(qiáng)對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)外土地利用變化的監(jiān)測(cè)。土地利用/覆蓋的變化是全球環(huán)境變化的主要原因之一，確定正在發(fā)生土地變化的持續(xù)趨勢(shì)的區(qū)域可為土地和資源管理提供有用的信息[21]，以便指導(dǎo)土地系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃和管理。

2）注重保護(hù)區(qū)內(nèi)外生態(tài)環(huán)境和生物多樣性的連通性。越來(lái)越多的案例表明，保護(hù)區(qū)的建立并不能隔絕區(qū)內(nèi)外生物多樣性，而是應(yīng)該在進(jìn)行保護(hù)區(qū)內(nèi)保護(hù)工作的同時(shí)，關(guān)注保護(hù)區(qū)外物種棲息和生存繁衍的整體格局，避免保護(hù)區(qū)“孤島化”。

3）加強(qiáng)自然保護(hù)區(qū)的管理工作，減少人為活動(dòng)干擾，創(chuàng)建保護(hù)區(qū)良好生態(tài)景觀格局。相關(guān)研究表明，管理機(jī)構(gòu)應(yīng)是溢出效應(yīng)形成機(jī)制的一部分[1]。因此，保護(hù)區(qū)管理機(jī)構(gòu)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況增設(shè)專門(mén)管理機(jī)構(gòu)和人員，以提高保護(hù)區(qū)的管理有效性。

注：圖片均為作者自繪