桂东珍稀野生动物保护的安全格局分析

张秀红 李明阳 刘雅楠 李 超

( 1. 南京林业大学林学院，江苏 南京 210037；2. 南京林业大学南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037)

进入21世纪以来，我国南方集体林区的社会经济条件发生了巨大的变化。城市用地和耕地的扩张、交通网的建设、采矿业的无序发展、风电场的大规模建设、人工商品林基地规模的迅猛增加，使得林地面积减少、森林景观破碎化、野生动物栖息地减少，导致区域生物多样性大幅度降低。在我国南方集体林区，林地面积较大，森林作为野生动物的主要栖息场所，是区域生态系统功能的基础和区域可持续发展的保障[1]。因此，在南方集体林区，开展珍稀野生动物的安全格局研究具有较大的理论与现实意义[1-2]。

1872年，美国建立了第一个国家公园，开创了生态环境保护和文物保护的先河[3]。在此后的140多a间，世界各国的学者为维护生态系统稳定和保护生态安全不断进行理论分析与案例研究，相继提出了“花园城市”、生态基础设施、“反规划”及生态安全格局等理论。在众多实践中，应用最广泛的是建立保护地、划定生态保护区，从而构建生态安全格局（ESP）[4]。目前，安全格局的构建方法主要为俞孔坚[5]提出的“识别源地—建立阻力面—构建安全格局”三步骤，现已有多个区域的安全格局是基于这一模式进行构建的[1,6]。其中生态源地是整个安全格局构建的基础，其准确性和全面性对整个安全格局的构建尤为重要。现有文献显示，很多研究只是将研究区内的保护区、林地或水体等斑块作为生态源地，这样存在较大的主观性和随意性[7]。将保护珍稀野生动物作为安全格局构建的前提，可以更加完整的划定生态源地，明确需要保护的范围。

目前，相关学者从生物多样性保护、生态系统服务功能、景观认知等方面，对区域生态的规划进行了研究。但这些研究大多只考虑物种栖息地的空间分布情况，忽略了一个区域中生态的水平过程，如动物的迁徙、灾害的扩散等景观元素在空间中的流动和相互作用[3,8-9]。因此，将珍稀野生动物保护与区域生态安全、可持续发展需求相结合，采用更加全面、系统化的方法构建“点—线—面”相结合的珍稀野生动物安全格局，对改善野生动物生存环境、维持区域景观及生物多样性具有重要意义[1]。

湖南省桂东县是国家重点林业县，生态系统类型多样、动植物资源丰富，但生态环境较为脆弱，旱、涝、泥石流等自然灾害较为频繁，区域经济发展水平较低。基于桂东县经济发展和生态保护的双重需求，本研究以桂东县为例，划定研究区珍稀野生动物保护区，建立物种运动阻力面，构建“战略节点—生态廊道—珍稀野生动物保护区”这样一种点、线、面结合的珍稀野生动物安全格局，可以为区域野生动物保护和生态规划提供科学依据。

1 研究区概况

桂东县位于湖南省东南部，隶属于湖南省郴州市，地处东经 113°37′～114°14′，北纬 25°44′～26°13′，东西宽61.2 km，南北长53.6 km，总面积1 452 km2（图1）。全县平均海拔900 m，县城海拔830 m，是湖南省海拔最高的县城，山地面积占总面积的82.65%，全县呈“九山半水半分田”的土地利用格局。该县是众多河流的发源地，境内有大小河流133条，分属湘江和赣江两大水系，水资源十分丰富。桂东县属亚热带湿润季风气候，雨量充沛，年降水量1 742.4 mm，四季分明，年平均气温15.8 ℃，但昼夜温差大，又因地形及海拔不同存在明显的地域差异，形成了“一山存四季，十里不同天”的小气候区。

桂东县属中亚热带常绿阔叶林区，森林植被茂盛，全县植被覆盖度高达85%，有八面山国家级自然保护区、齐云峰国家级森林公园以及7个县属国有农、林场，是全国生态示范区建设试点县，境内植被类型多样，且具有地域代表性，为野生动物提供了良好的觅食和栖息场所。境内有陆生脊椎动物240种，鸟类116种，其中国家重点保护的珍稀动物有云豹（Neofelis nebulosa）、金猫（Catopuma temminckii）、猕猴（Macaca mulatta）、水鹿（Rusa unicolor）等15种，为确保野生动物繁衍栖息，该县还制订了野生动物保护长效机制。

2 材料与方法

2.1 数据来源及处理

本研究采用的数据主要有2015年桂东县土地利用数据、2015年森林资源二类调查数据、2015年Landsat 8 OLI遥感影像和DEM高程数据。

1）2015年土地利用变更调查数据是基于Landsat 30 m遥感影像生产的全国土地利用数据。该数据按照国家土地利用分类方法，结合刘纪远[10]的LUCC分类系统，将土地利用类型归结为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6大类。根据本研究的研究需求，在ArcGIS 10.2中对土地利用类型进行了重分类，用于提取土地利用类型。

图 1 研究区位置及土地利用类型分布Fig. 1 Location and land use types distribution of study area

2）2015年桂东县森林资源二类调查数据，用于提取林地、湿地以及道路等信息。

3）Landsat 8 OLI遥感数据下载自地理空间数据云网站（http：//www.gscloud.cn/），条带号/行编号为122/42，影像获取时间为2015年10月18日，云量2%。利用ENVI 5.3中对其进行辐射定标、大气校正、地形校正和裁剪后，再提取归一化植被指数（NDVI），计算植被覆盖度。

4）DEM高程数据下载自地理空间数据云网站，空间分辨率为30 m×30 m，在ArcGIS 10.2中进行拼接、裁剪，用于地形因子坡度和高程的提取。

2.2 生物多样性保护区划定方法

本研究总结前人有关生态红线和野生动物保护的研究[1,11]，并结合桂东县自然地理环境和生态系统分布特点，分林地红线和湿地红线两部分划定桂东县珍稀野生动物保护区。

林地是生态建设的载体，是森林物质生产和生态服务的基础，也是森林资源的重要组成部分。森林作为野生动物的主要栖息地，可以为动物提供丰富的食物资源和优良的生存环境，保证它们的生存和繁殖。同时森林还具有涵养水源、防风固沙、改善小气候等作用[12]。桂东县森林资源丰富，有各级国家公益林和地方重点公益林，公益林总面积723.82 km2，占全县总面积的49.85%。本研究提取各级公益林作为林地红线。其中，八面山国家级自然保护区和齐云峰国家森林公园拥有多种国家级保护的珍稀树种和珍贵野生动物，是重要的生物资源宝库，属于林地红线的核心区域。

湿地作为地球三大生态系统之一，被称为“地球之肾”，在国家生态安全体系中占核心地位。湿地主要包括河流、湖泊、海滩、沼泽地等自然湿地和池塘、水库、水稻田等人工湿地[13]。湿地生态系统是陆地生态系统和水生生态系统之间的过渡，保证了水域内及其周边生物群落的物质循环、能量流动、信息传递和物种流动，为野生动物提供了充足的水源，同时具有迁徙廊道和保护屏障等生态系统服务和功能。本研究提取桂东县河流、滩地、水库、水田范围作为湿地红线。

2.3 安全格局的构建方法

2.3.1 生态源地的确定

根据生态安全格局的定义，源是自然过程中物质、能量、物种流动的来源和目的地，必须满足生态环境的可持续发展、满足人类对生态系统服务的需求和生态过程的完整性3个条件。物种作为生态系统的基本构成单元，对于维持生态过程、稳定生态环境、保障生态安全具有关键作用。关键物种的生存状况，可以直观地反映出该生态系统的完整程度、生态进程的优劣状况以及区域生态安全状况。

由于最近20多年来，桂东县未进行过野生动植物专项调查，并且2015年森林资源二类调查数据中缺乏野生动植物的空间分布信息，无法准确提取野生动植物生境信息。因此，本研究以云豹、金猫、猕猴等大型哺乳动物为研究对象，通过生境适宜性分析，确定生态源地。首先，根据文献、专著及过去生物调查资料中记录的这些物种生境信息[14-15]，确定物种偏好的栖息地特征。然后将珍稀野生动物的生境影响因素分为自然因素和人为因素两类，自然因素用植被覆盖度、坡度、高程和距水体距离表示，人为因素用距道路距离表示；再依前人研究和文献记载将上述5个因子分级进行生境适宜性分析[16]。分析结果通过自然断点法（Natural break）分为3级，提取最高一级的空间分布范围与2015年森林资源二类调查小班图叠加，剔除面积较小、分布零碎的小班，而对面积较小但分布集中的小班则进行合并处理[17]，初步预测珍稀野生动物的适宜生境范围。最后根据土地利用类型和植被类型，剔除不适合物种分布的小班[2]，最终确定生态源地。

进行生境适宜性分析的植被覆盖度是通过对遥感影像提取的NDVI计算得到；坡度和高程提取自DEM数据；距水体距离和距道路距离是先从森林资源二类调查数据中获得水体、道路的分布情况，再通过ArcGIS的缓冲区工具生成。根据《国家森林资源连续清查技术规定》、桂东县的地形地貌特征以及野生动物的分布特征将各因子分为5级，并分别赋值1、3、5、7、9，1为最不适宜，9为最适宜，具体分级指标见表1。

表 1 生境适宜性指标分级Table 1 Classification of habitat suitability indicators

2.3.2 阻力面的建立

动物的迁徙和生境的维护会受到地理环境和人类活动的影响[18]，本研究结合桂东县的生态环境特征，通过GIS工具提取生态源地的中心点作为源点，采用Knaapen等[19]提出的最小累积阻力模型（MCR）来建立阻力面。该模型计算物种从源到目的地运动过程中所需要耗费的代价即克服的阻力成本，可以反映物种运动的趋势和利用生态环境的可能性[20]。计算公式如下：

式中：MCR为最小累积阻力值；f是一个单调递增函数，反映空间中任一点的最小阻力与其到所有源的距离和景观基面特征的正相关关系； 是物种从源j到空间某一点所穿越的某景观的基面i的空间距离； 是景观i对某物种运动的阻力[18,21]。其中， 、 的计算是通过AreGIS 10.2的空间分析工具（Spatial Analyst Tools / Distance）实现，

通过计算成本距离（Cost Distance）获得， 通过计算成本分配（Cost Allocation）获得。

相关研究表明[21-22]，珍稀野生动物在研究区内运动的阻力与植被状况、距水源距离、距道路距离密切相关，并通过对环保组织专家和当地林业局有关专家咨询后，最终确定三者的权重分别为0.4、0.4、0.2。成本栅格图层计算公式为：

式中：NDVI表示归一化植被指数； 表示距公路距离； 表示距水体距离； 表示距公路距离栅格图层的最大像素值； 表示距水体距离栅格图层的最大像素值[21]。

2.3.3 珍稀野生动物保护的安全格局构建

阻力面是反映物种运动的连续体，类似于地形表面，由峰、谷、鞍、脊等构成，它反映了生态过程之动态[18]，为更清晰的识别各源之间的联系，将阻力面转化为等阻力线[18]进行观察分析。MCR值为最小累积阻力值，反映了物种从源到空间某一点的某一路径的相对易达性，其中从所有源到该点阻力的最大值可以用来衡量该点的易达性，这个最大值点称为战略点[18]。生态廊道是指从源到源MCR值较低的通道[20]，每个源和其他任一源都有1条或多条低累积阻力谷线，选取其中阻力最低的通道作为源地之间的生态廊道，2条生态廊道的交叉点作为战略点。

将上述识别的珍稀野生动物保护区、生态廊道、战略节点叠加组合，就形成了某一安全水平上的珍稀野生动物保护的安全格局[18]。

3 结果与分析

3.1 珍稀野生动物保护区

依上述珍稀野生动物保护区的划定方法，划定林地红线723.82 km2，湿地红线95.7 km2，最终划定桂东县珍稀野生动物保护区819.52 km2，占全县总面积的56.44%，分布情况见图2。结合土地利用数据研究后发现：珍稀野生动物保护区内的土地利用类型主要是林地和湿地。林地红线范围主要由水源涵养林组成，剩余小部分属于自然保护林和水土保持林，它们都对保护珍稀野生动物、维持生态系统稳定有着不可替代的作用。

图 2 珍稀野生动物保护区分布Fig. 2 Distribution of the rare wild animals reserve

3.2 阻力面

通过生境适宜性分析和面积筛选之后得到珍稀野生动物的适宜生境面积为409.97 km2，占全县总面积的28.23%。结合土地利用现状和植被类型筛选后识别得到生态源地，生态源地面积共87.19 km2，占全县总面积的6.00%。通过MCR值的计算得到阻力面，为更清晰的识别各源之间的联系，将阻力面转化为等阻力线，其分布情况见图3。由图3可知，生态源地主要集中分布于八面山自然保护区和齐云峰森林公园的齐云山片区，桂东县北部和南部有部分分布在森林公园外围，总体具以下特征：海拔较高、植被覆盖度高、接近水源、远离道路和居民点[23]。

图 3 景观阻力线Fig. 3 Landscape resistance line

3.3 珍稀野生动物保护安全格局

通过景观阻力面共识别生态廊道4条，战略节点4个。将图2中的珍稀野生动物保护区与通过阻力面识别的生态廊道、战略节点叠加，生成“战略节点—生态廊道—珍稀野生动物保护区”相结合的珍稀野生动物保护安全格局（图4）。由图4可知，生态廊道多分布在湿地和连续植被带，构成了区域内重要的生态“骨架”。通道1沿八面山的走向贯穿桂东县南北方向，总长度55 387.86 m，此通道的景观组分主要由林地组成，在空间延伸方向上生态系统类型的一致性较高，有利于动物迁徙[23]；通道2同样贯穿了桂东县的南北方向，总长度为73 960.62 m，可以发现该通道走势和水体流向非常一致，大部分区域或跨越河流或平行于河流，反映了源间生物的流动趋势，说明物种的运动与水源有密切关系；通道3是1条连接了自然保护区和森林公园2个区域物种分布区之间的低累积阻力线，全长36 190.32 m；通道4是连接战略点A和B之间的通道，共21 041.35 m，这里景观异质性较高，耕地和建设用地占比较大，接近人类活动区域，该通道的作用是保障局部区域源地间的联系[23]。2005年，朱强等[24]通过总结不同学者有关生态廊道的研究后认为生态廊道宽度在100～200 m时比较适合生物多样性保护。同时，参照美国马里兰州生态廊道的划定经验[25]，本研究将生态廊道的宽度确定为150 m。

图4中A、B、C 3个点均处于阻力线相切的位置，是等阻力谷线的极大值点，这里地形相对平坦，人类活动较多，当物种跨越这些点活动时，必须克服极大的阻力，是源间沟通的重要战略点，在这些点周围引入生物斑块可以促进各源之间的相互联系[18,23]。战略点D的地理位置不同于其他3个点，位于八面山的东南坡，这里海拔较高，坡度较陡，且靠近水源，为避免自然保护区内野生物种栖息地的破碎化，保障物种的迁徙，应对该处的植被进行优化调整，并减少人类活动。

图 4 基于“点—线—面”的珍稀野生动物保护安全格局Fig. 4 Rare wild animal protection and safety pattern based on 'point-line-surface'

4 结论与讨论

在南方集体林区，林地面积大，森林覆盖率高，生物多样性是当地居民赖以生存的条件，是区域经济社会可持续发展的基础，是区域生态安全的重要保障。由于经济水平较为落后，地方政府发展经济、当地林农摆脱贫困的内在驱动力较大，导致林地被占用、森林质量下降，生物多样性降低，威胁到区域生态安全。珍稀野生动物保护的区域“点—线—面”安全格局构建方法研究，结合了动物的空间分布和迁徙过程，为南方集体林区野生动物保护提供一种新的研究思路。

研究结果表明：桂东县珍稀野生动物保护区共819.52 km2，占全县总面积的56.44%，其中，林地面积723.82 km2，湿地面积95.7 km2。作为生态源地的物种栖息地面积共87.19 km2，现已有50.84%的区域被划入保护区或森林公园，这部分区域除科学研究以外，应禁止各类生产经营。生态廊道总长度为186.58 km，其分布与山脉走向和河流水系延伸方向一致，在城市建设中应优先保护本身具有廊道效应的湿地生态系统和森林生态系统[2,23]，并且尽量减少道路对动物迁移的影响。通过阻力面的构建，识别战略点共4个，这些区域需加强生态保护，禁止损害生态系统功能的开发建设活动。

本研究还存在以下几个问题：1）研究的重点是珍稀野生动物的安全格局，虽然在珍稀野生动物保护区划定过程中，考虑了林地、湿地生态系统的作用，但缺乏深入分析；2）利用最小累积阻力模型构建阻力面时各阻力因子的权重赋值会对研究结果造成影响[20]；3）生态廊道宽度的设置会直接影响其生态功能的发挥[26]。以上3个问题需要在今后的研究中进一步的分析与探索。

[ 参 考 文 献 ]

[1]毛齐正, 马克明, 邬建国, 等. 城市生物多样性分布格局研究进展 [J]. 生态学报, 2013, 33(4)： 1051-1064.

[2]曲艺, 陆明. 生物多样性保护视角下的城市生态安全格局构建研究 [J]. 城市发展研究, 2017, 24(4)：134-137.

[3]杨岚杰. 基于生态保护红线划定的三峡库区土地利用布局研究： 以重庆市忠县为例[D]. 重庆： 西南大学, 2017.

[4]杨姗姗, 邹长新, 沈渭寿, 等. 基于生态红线划分的生态安全格局构建： 以江西省为例 [J]. 生态学杂志,2016, 35(1)： 250-258.

[5]俞孔坚. 生物保护的景观生态安全格局 [J]. 生态学报, 1999, 19(1)： 8-15.

[6]蒙吉军, 朱利凯, 杨倩, 等. 鄂尔多斯市土地利用生态安全格局构建 [J]. 生态学报, 2012, 32(21)：6755-6766.

[7]胡飞, 余亦奇, 郑玥, 等. 生态保护红线划定方法研究 [J]. 规划师, 2018, 34(5)： 108-114.

[8]刘伯阳. 生态安全视角下的忠县空间格局构建及实施策略研究[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学, 2012.

[9]Rodríguez-Rodríguez D. Integrated networks. A territorial planning proposal for biodiversity conservation in urban, densely populated regions. The case of the Autonomous Region of Madrid, Spain [J]. Journal of Environmental Planning and Management, 2012, 55(5)：667-683.

[10]刘纪远. 国家资源环境遥感宏观调查与动态监测研究 [J]. 遥感学报, 1997, 1(3)： 225-230.

[11]徐德琳, 邹长新, 徐梦佳, 等. 基于生态保护红线的生态安全格局构建 [J]. 生物多样性, 2015, 23(6)：740-746.

[12]张莹. 区域生态红线划分方法研究[D]. 绵阳： 西南科技大学, 2017.

[13]但新球, 鲍达明, 但维宇, 等. 湿地红线的确定与管理 [J]. 中南林业调查规划, 2014, 33(1)： 61-66.

[14]国家林业局. 中国重点陆生野生动物资源调查[M].北京： 中国林业出版社, 2009.

[15]刘洪清, 洪淑芬, 范晖. 湖南郴州重点保护动物种类及其分布的初步研究 [J]. 湖南林业科技, 1999, 26(2)：13-17.

[16]刘雪华. 3S技术与中国野生动物生境评价[M]. 北京： 中国林业出版社, 2011.

[17]李潇然, 李阳兵, 王永艳, 等. 三峡库区县域景观生态安全格局识别与功能分区： 以奉节县为例 [J]. 生态学杂志, 2015, 34(7)： 1959-1967.

[18]俞孔坚. 景观： 文化、生态与感知 [M]. 北京： 科学出版社, 1998.

[19]Knaapen J P, Scheffer M, Harms B. Estimating habitat isolation in landscape planning [J]. Landscape and Urban Planning, 1992, 23(1)： 1-16.

[20]Yu K J. Security patterns and surface model in landscape ecological planning [J]. Landscape and Urban Planning, 1996, 36(1)： 1-17.

[21]李明阳, 周奇, 黄文奇, 等. 基于Geomatics的南京东郊野生动物景观安全格局分析： 以露牙獐为例 [J]. 西南林业大学学报, 2012, 32(4)： 70-75.

[22]Liu S, Wang D, Li H, et al. The ecological security pattern and its constraint on urban expansion of a black soil farming area in northeast China [J]. ISPRS International Journal of Geo-Information, 2017, 6(9)： 263.

[23]李国煜, 林丽群, 伍世代, 等. 生态源地识别与生态安全格局构建研究： 以福建省福清市为例 [J]. 地域研究与开发, 2018, 37(3)： 120-125.

[24]朱强, 俞孔坚, 李迪华. 景观规划中的生态廊道宽度 [J]. 生态学报, 2005, 25(9)： 2406-2412.

[25]付喜娥, 吴人韦. 绿色基础设施评价(GIA)方法介述：以美国马里兰州为例 [J]. 中国园林, 2009, 25(9)：41-45.

[26]陈昕, 彭建, 刘焱序, 等. 基于“重要性—敏感性—连通性”框架的云浮市生态安全格局构建 [J]. 地理研究, 2017, 36(3)： 471-484.