神农架国家公园生态敏感性综合评价

杨启池,李亭亭,汪正祥,林丽群,彭乾乾,林邦俊,郑成林

(1.湖北大学国家公园研究中心,区域开发与环境响应湖北省重点实验室,湖北大学资源环境学院,湖北 武汉 430062；2.神农架国家公园管理局,湖北 神农架 442421)

神农架国家公园生态敏感性综合评价

杨启池1,李亭亭1,汪正祥1,林丽群1,彭乾乾1,林邦俊1,郑成林2

(1.湖北大学国家公园研究中心,区域开发与环境响应湖北省重点实验室,湖北大学资源环境学院,湖北 武汉 430062；2.神农架国家公园管理局,湖北 神农架 442421)

对神农架国家公园生态敏感性进行研究,使国家公园范围内生物多样性保护、科普教育、生态旅游设施布局和社区经济发展更为科学合理.通过建立神农架国家公园生态敏感性评价因子指标体系,采用层次分析法(AHP)确定评价因子权重,构建神农架国家公园生态敏感性综合评价模型,确定神农架国家公园生态敏感度空间分布特点,进而建立神农架国家公园保护区划.结果表明,依据ArcGIS空间叠加影响因子权重综合分析将生态敏感性等级分为极高、高、中等、一般、较低5个等级,各等级区域占全区总面积分别为25.75%、22.42%、43.85%、3.27%、4.71%,依据生态敏感性高低将神农架国家公园功能区划分为4个保护区域,并提出保护措施建议.

生态敏感性；综合评价；空间叠置分析；神农架国家公园

0 引言

国家公园是由政府划定和管理的保护地,以保护具有国家或国际重要意义的自然资源和人文资源及其景观为目的,兼有科研、教育、游憩和社区发展等功能,是实现资源有效保护和合理利用的特定区域[1-3].而生态敏感性则是指生态系统对人类活动干扰和自然环境变化的反映程度,说明发生区域生态环境问题的难易程度和可能性大小[4-7].生态敏感性评价实质上是对现状自然环境背景下潜在的生态环境问题进行明确的辨识,并将其落实到具体的空间区域[5-6].显然,深入分析和评价区域生态敏感性,了解其空间分布特点,能为预防和治理生态环境问题的区域政策提供科学依据[6-7].

目前国内外针对生态敏感性的研究主要集中在3个方面,从生态敏感因子选取上,主要探讨区域生态系统生态敏感性影响因子对区域内生物多样性的影响几率,呈现出单一生态敏感性研究向综合生态敏感性研究的发展趋势[8-10]；从生态影响因子等级划分上,主要结合水土流失防治国标规定及地形、水体对山地自然景观资源类型及地质灾害影响几率[7,10-11],各类土地利用类型、植被类型对自然环境生态系统中植被覆被和生物多样性的影响程度[11-12]进行影响因子属性等级划分；从研究尺度上,包含了国家、流域、省域和市/县域尺度,涉及了干旱/半干旱区、山地、高山草甸区、水域、城市区等[4-7,10-12].这一阶段所体现出的生态敏感性评价范式可归结为：1)确定生态敏感单因子选取标准；2)建立生态影响因子属性等级划分；3)单一类型生态敏感性评价；4)综合类型敏感性评价.影响因子综合的方法主要为权重法或最大值法[5-7,11].这些文献对区域尺度的生态敏感性分析和评价研究做出了积极贡献,但大多比较集中于自然保护区、人口聚居区等传统研究区域的自然因素及道路、人口聚居点等人类活动的生态敏感性评价[11].由于中国国家公园正处于体制建设期,有关国家公园区域内的环境特点和主要生态环境问题,并考虑自然因素和人类活动的生态敏感性综合评价研究罕见.因此,为使生态敏感性综合分析评价结果落实到具有代表性的国家公园类型的保护区域内,本研究以神农架国家公园为对象,结合国家公园的特点和要求以及神农架地区的地理环境特点和主要生态环境问题选取生态敏感性影响因子,采用Arcgis建立空间叠置分析模型综合评价神农架国家公园生态敏感性空间分布范围,旨在为神农架国家公园总体规划提供科学依据,同时为我国国家公园功能区划提供科学借鉴.

1 研究区域概述

图1 神农架国家公园地理区位

图2 神农架林区地形

2 研究方法

2.1 生态敏感性评价分析技术路线 依据生态敏感性确定区域开发与保护的程度,生态敏感度越高,区域受保护程度越高；反之,开发利用程度可以适当提高[15-16].本研究主要借助遥感解译和GIS空间分析技术,软件平台为Arcgis10.2、Erdas9.2、Envi4.7.采用以生态要素加权的生态环境综合评价方法,主要以构建指标体系,计算指标权重,进行空间叠加分析.主要数据包括神农架国家公园30 m×30 m DEM、土地利用和植被类型数据[11,17],神农架林区基础地理信息数据等(来源于湖北大学国家公园研究中心).2.2 影响因子指标体系选取 指标体系的选取是评价工作的核心.文献表明,指标体系的选择通常依据评价区域的实际情况和评价内容加以考虑,评价工作的目的是建立一种简单易用,可接受的,透明的评估方法以迅速高效地为区域环境管理服务[18],这就要求准确把握区域最主要的生态问题.

本研究结合实地调查以及对研究区自然环境生态要素的分析,影响其生态敏感度最主要自然环境因子包括地形地貌、地表水体分布、植被多样性等[19-22],最主要的人类活动影响因子包括道路、土地利用类型[23-25].因此,本文从中选取高程、坡度、起伏度、地表水体缓冲区、道路缓冲区、土地利用类型、植被类型这7个生态因子.

2.3 生态敏感性单因子指标等级划分及赋值 影响因子属性分级主要参考《全国生态功能区划》、《生态功能区划技术暂行规程》中对生态敏感性的等级划分及赋值.依据土壤侵蚀分类分级标准、水土流失防治国标规定并结合神农架自然保护区生态系统服务价值估计[11],对高程、坡度、起伏度、地表水体缓冲区、道路缓冲区、土地利用类型和植被类型进行等级划分.

通过德尔菲法( Delphi Method,又称规定程序调查法,获得具有很高准确率的集体判断结果)确定各个因子相对重要性,对不同评价因子的统计数据采用适宜的评价标准进行定量化处理,确定不同评价因子的敏感度属性值,并将生态敏感度等级划分为极高、高、中等、一般、较低,并依次赋数值1、2、3、4、5(表1).

表1 生态因子属性等级赋值

依据表1,将选定的高程、坡度、起伏度、地表水体、道路、土地利用类型和植被类型这7个生态因子按照敏感性分级标准,借助GIS空间分析技术,生成各因子评价图,为了方便计算,所有图层都转为GRID格式,利用ArcGIS10.2输出Raster图(图3).

图3 单因子生态敏感等级评价分布图 a、b、c、d、e、f、g分别为高程、坡度、起伏度、地表水体缓冲区、道路缓冲区、 土地利用类型、植被类型生态敏感性等级赋值评价分布图.

2.4 层次分析法(AHP)单因子权重 采用AHP法建立判断矩阵、排序计算和一致性检验得到权重[15-16].依据神农架国家公园实际情况结合AHP分析法的具体实施方案,综合其计算步骤为：

① 把问题进行分解组合,建立递阶层次结构,表明各层次间关系.

2.5 ArcGIS空间叠置分析 叠置分析是将代表不同主题的各个数据层面进行叠置产生一个新的数据层面,叠置结果综合了原来两个或多个层面要素所具有的属性[15-16].聚类分析采用自然断裂点分级法(natural breaks classification(Jenks))基于数据中固有的自然分组,将对分类间隔加以计算机自动识别,可对相似值进行恰当地间断点分组,并可使各个类之间的差异最大化,要素将被划分为多个类,对于这些类,会在数据值的差异相对较大的位置处设置其边界[18].根据所选取的7个生态因子按照敏感性分级标准进行属性分级,利用ArcGIS空间叠置、聚类分析得出生态敏感性综合评价指标体系,对不同评价因子经单因子的生态敏感级别划分,得出研究区不同级别的生态敏感区域.

3 结果分析

3.1 各因子权重分析 根据生态敏感度所确定其影响因子并进行分解组合为：高程Q1、坡度Q2、地表起伏度Q3、地表水体缓冲区Q4、道路缓冲区Q5、土地利用类型Q6、植被类型Q7,以表明各层次间关系,结合德尔菲法和AHP法计算出各影响因子权重(表2).

表2 生态敏感因子权重表

AHP法确定的各生态敏感因子权重表明,高程和植被类型这2个生态敏感因子权重最高,分别为0.204 6和0.197 1,说明高程和植被类型对神农架国家公园生态敏感性评价需要重点考虑的自然环境因子.属于自然环境因子的坡度和人类活动影响较大的土地利用类型这2个生态敏感因子权重较高,分别为0.148 9和0.137 0,说明人类活动影响较大的生态敏感因子和自然环境因子中,土地利用类型和坡度对生态因子占有较大比重,对区域生态敏感性分布影响较大.地表水体缓冲区、道路缓冲区和起伏度生态敏感因子权重相对于以上4种生态因子比重较低,分别为0.107 6、0.106 7和0.098 1,说明在进行生态因子权重分析中,地表水体、道路缓冲区和起伏度所占比重较低.

表3 生态敏感度评价分类表

图4 神农架国家公园生态敏感性空间分布图

根据以上对各项单因子分析结果,将这些图层叠加分析,采用自然间断点Natural breaks classification(Jenks)计算出生态敏感度综合分值,并根据结果进行重分类,将其分为5个生态约束性等级(图4).

分析结果表明,区域内自然生态植被景观总体处于生态敏感度较高的水平,研究范围内25.75%的区域生态敏感度极高,大部分分布在试点区原始森林区、金丝猴活动区和高山草甸区；22.42%的区域生态敏感度高,多数属于原始次生林；43.85%的区域生态敏感度中等,大多数属于人工栽培林和海拔较低处；3.27%的区域生态敏感度一般,多数分布在旅游道路两侧和旅游景点区域；4.71%的区域生态敏感度较低,大部分位于人类活动聚居区和人类影响较大区域(表3).

4 神农架国家公园功能区划保护措施建议

依据生态敏感性评价结果及空间分布特点,可以将神农架国家公园进行功能分区并相应构建各类环境资源环境的保护规范,研究区域内土地总体处于生态敏感性较高的水平.在神农架国家公园内,生态敏感度极高、高的区域占神农架国家公园的48.27%,该区域是神农架国家公园核心资源最为集中、自然生态系统最为典型、最具保护价值的区域,可作为一级保护区.该区域对国家公园的整体生态环境具有决定性作用,因此将其功能定位为原生生态系统保护与生物多样性保护,主要是保护原生植被,维持生态系统的多样性和稳定性,严格禁止在该区域进行各类开发建设活动,以期最大限度地维持自然生态系统和动植物栖息地的完整性和原生性.生态敏感度中等区域达到43.85%,可作为二级保护区,是次生林、常绿落叶阔叶混交林主要集中区域,也是进行生态涵养和生态保育恢复的关键区域,易遭受人为活动干扰,从而造成生态系统不稳定.此类区域应以“自然辅育,生态恢复”为主,适当辅以人工干预,促进自然林的形成.可适当设置少量户外科考线路,禁止开展多种经营活动.生态敏感度一般的区域占3.27%,可作为三级保护区,主要作为生态旅游区,该区域景观良好,适宜开展生态旅游,对自然环境影响较低.应以科学合理利用自然资源、提高资源影响力和公民的自然环境保护意识教育,可开展与国家公园保护目标相协调的科普展示、生态游憩等活动.生态敏感性较低的区域占4.71%,可作为四级保护区,该区建设活动可根据资源环境条件进行一定程度的开发利用,但要严格控制生产与生活污染,并结合区内山地地形地貌的特点,宜采用集中组团式空间发展模式.可开展对自然生态系统无明显影响的生产、经营活动、促进社区居民就业与富裕.依据生态敏感性等级的四级保护区的划分与不同的管理规范,能将生态敏感性分析结果落实到具体的空间管控上,有利于神农架国家公园自然资源的科学管理.

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(责任编辑 游俊)

Integrated assessment on ecological sensitivity for Shennongjia National Park

YANG Qichi1,LI Tingting1,WANG Zhengxiang1,LIN Liqun1,PENG Qianqian1,LIN Bangjun1, ZHENG Chenglin2

(1. National Park Research Center(Hubei University)，Hubei Province Key Laboratory of Regional Developmentand Environment Response，Faculty of Resources and Environmental Science,Hubei University,Wuhan 430062, China；2.Shennongjia National Park Administration, Shennongjia 442421, China)

The research on ecological sensitivity for Shennongjia National Park makes it more scientific and rational for biodiversity protection, popular science education, ecotourism facilities layout and community economic development within the park. Through establishing assessment factors index system of ecological sensitivity for Shennongjia National Park, utilizing analytic hierarchy process method (AHP) to determine the weighted coefficients of assessment factors, and then building ecological sensitivity assessment model, which could determined the spatial distribution of ecological sensitivity for Shennongjia National Park and established regional environmental policy mechanism for the purpose of land space protection and development. The research indicates that the ecological sensitivity ranks are extremely high, high, medium, general and low respecttively, which are based on the integrated analysis of the influence factors weight by spatial overlay of ArcGIS, the proportion of each level region is respectively 25.75%,22.42%,43.85%,3.27%,4.71% accouting for total area.On the basis of ecological sensitivity,Shennongjia National Park function region is divided into four protection areas, and then puts forward protection measures.

ecological sensitivity; integrated assessment; spatial overlay analysis; Shennongjia National Park

2017-03-23

国家科技支撑计划(2013BAD03B03-01)、国家自然科学基金(41471041)、神农架国家公园总体规划项目资助

杨启池(1993-)，男，硕士生；汪正祥，通信作者，教授，博士生导师，E-mail：wangzx66@hubu.edu.cn

1000-2375(2017)05-0455-07

X36

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2017.05.004