基于“3S”技术的张家界大鲵国家级自然保护区功能分区研究

罗庆华, 曹威 , 魏梦雅, 杨杰, 朱深海, 付磊

基于“3S”技术的张家界大鲵国家级自然保护区功能分区研究

罗庆华1,2,3,*, 曹威1,2, 魏梦雅1,2, 杨杰1,2, 朱深海1,2, 付磊1,2

1. 吉首大学大鲵资源保护与综合利用湖南省工程实验室，张家界 427000 2. 吉首大学土木工程与建筑学院，张家界 427000 3. 吉首大学林产化工工程湖南省重点实验室，张家界 427000

在地理信息系统和遥感技术支持下, 选取海拔、道路、水质等12个影响大鲵生境选择的因子, 运用层次分析法与栅格数据的叠加分析, 对湖南张家界大鲵国家级自然保护区生境适应性进行评价, 确定了大鲵栖息适宜、次适宜与不适宜区域。在此基础上, 按照生态完整性与保护区面积不变的调整原则, 提出了该保护区的范围与功能分区方案。该方案中, 核心区外围有缓冲区保护, 其面积分别占保护区的34.43%和38.01%, 实验区面积占保护区的28.56%, 保护区涉及水域长度缩短至原保护区的1/5, 该方案将极大减少保护区与居民生产生活的矛盾, 提高保护管理工作效率。研究结果可为两栖动物自然保护区范围与功能分区调整提供借鉴。

功能分区; 自然保护区; 中国大鲵; 3S; 张家界

0 前言

自然保护区是有代表性的自然生态系统、珍稀濒危野生动植物物种的天然集中分布区、有特殊意义的自然遗迹等保护对象所在的区域, 它是推进生态文明、构建国家生态安全屏障的重要内容。自然保护区功能分区是保护区规划和科学管理的基础, 其分区过程不仅是技术问题, 也是生态、社会和经济三大效益相互协调的过程[1]。

20世纪70年代后, 世界各国的自然保护区事业蓬勃发展, 各国在自然保护区的功能分区方面的研究也存在较大差异, 其中影响力最大的是Forstcr提出的核心保护区、游憩缓冲区和密集游憩区三个功能区的同心圆模式[2], 在此基础上, 联合国教科文组织和人与生物圈计划提出了“核心区－缓冲区－实验区”的生物圈保护功能分区模式[2]。此后, 学者们高度重视功能分区的研究, 功能分区衍生出多种新模式, 例如: “核心区－缓冲区－过渡区1/过渡区2”模式、“节点－网络－模块－走廊”模式[3]、“核心区－外围缓冲区－廊道”模式、“一个缓冲区包围多个核心区”模式以及“不同缓冲区包围多个核心区”模式等[4]。

自然保护区的功能分区经历了从人为定性划分到计算机模拟辅助决策划分的过程[5]。早期建立的保护区, 因自然资源状况与本底数据不足, 加之技术条件落后, 又缺乏相应的分区方法与手段, 往往根据经验在图纸上进行勾绘, 主观随意性较大。随着地理信息系统(GIS)、遥感(RS)与全球定位系统(GPS)技术的发展与普及, 在“3S”技术的支撑下, 出现了一些功能分区新方法, 如GAP(a geographic approach to protect biological diversity)分析[6]、热点地区分析[7]、系统保护规划[8]与生态网络保护思想等[9]。

中国大鲵(, 后简称大鲵)属两栖纲有尾目隐鳃鲵科, 是我国特有的两栖动物, 该物种已被列入《濒危野生动植物种国际贸易公约》(CITES)附录I中, 属于国家二级重点保护野生动物。为保护大鲵, 我国已经建立了52个大鲵自然保护区[10], 其中, 1996年11月国务院批准建立了湖南张家界大鲵国家级自然保护区(以下简称: 张家界大鲵保护区)是我国第一个国家级大鲵自然保护区。本研究团队前期对大鲵自然保护区存在的问题进行分析, 提出功能分区的建议[11], 并且融合最小费用距离、空间统计学方法的Ripley’s K函数、核密度分析和Iso聚类等多种方法, 提出了张家界大鲵保护区范围和功能分区[12], 但是其方案中保护区面积较之前减少约为8%, 违背了保护区面积不变的调整原则。本文利用3S技术叠加影响大鲵生境选择的多个因子, 评价了湖南张家界大鲵保护区内的大鲵生境适宜性, 确定其范围与功能分区, 为其范围与功能分区优化调整提供借鉴。

1 研究区概况

张家界大鲵保护区地理位置为109°42′56″—111°16′05″E, 27°44′28″—30°00′43″N, 保护区总面积14275 hm2, 涉及三市六县(区), 包括张家界市的两区两县14265 hm2, 常德市的石门县和怀化市的辰溪县10 hm2。本文研究范围主要在张家界市。按照中华人民共和国国家标准《自然保护区类型与级别划分原则》(GB/T14529—93), 该保护区类型为小型“野生动物类型自然保护区”, 其功能分区存在的主要问题如下。

(1)违背生态系统完整性。大鲵为水陆两栖动物, 其栖息的环境包括水生生态系统和陆地生态系统。现仅将水域纳入大鲵保护区, 没有陆地, 缺乏完整的栖息地。此外, 保护区构成板块的宽度仅为正常水位线的水域宽度(平均30 m), 极小的宽度易受两岸的干扰影响, 生态稳定性差。

(2)核心区裸露在外。大鲵保护区流域被简单截断为核心区、缓冲区与实验区, 线性分区形状使核心区与缓冲区两个斑块连接面积过小, 缓冲区不能起到对核心区的天然屏障作用。

(3)覆盖范围长而广泛, 与当地人们生活与经济发展矛盾严重。大鲵保护区水域涵盖了张家界市总水域的76%, 其水域线太长, 呈网线状包裹了张家界市域。保护区与人类居住高度重合, 与当地人们生活与经济发展矛盾严重, 保护工作有效性差。

2 数据与研究方法

2.1 数据来源

研究数据主要包括研究区1: 18万行政区划图、张家界市土地利用图、张家界市水电站分布图、张家界市农业活动分布图、张家界市水域水质图、张家界旅游规划图、张家界市交通规划图等, 均由当地政府部门提供; Landsat 8卫星影像, 空间分辨率30 m; DEM数字高程图, 空间分辨率30 m; 影像处理软件为ENVI 5.3、地理信息系统软件为ArcGIS 10.2。

根据历史纪录并结合实地调查获得大鲵分布因素数据, 与已有图件相结合, 通过对相应的图件进行配准与数字化, 再结合实地调查结果作相应修正,获得各个因子图。植被覆盖度数据通过对Landsat 8卫星影像提取植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI), 结合植被覆盖度计算模型得出。坡度、坡向和地形起伏度数据通过数字高程图进行提取。

2.2 建立生境影响因子指标体系

2.2.1 评价因子的确定

大鲵选择栖息地受多种因素制约和影响, 根据大鲵栖息生境特点, 目标层即为大鲵生境选择, 准则层(B)则为地理环境因素、人类活动因素与大鲵分布因素[12], 以海拔、坡度、坡向、植被覆盖度, 居民点的分布、道路、农业活动、工业生产、水电站、旅游景点、大鲵出苗点与水质12个因子作为指标层(C)。

2.2.2 确定生境影响因子评价标准

系统收集张家界市域影响大鲵栖息的地理环境、人类活动、大鲵分布等主要因素的最新数据, 通过选点实地调查核实数据。然后, 确定因子评价标准, 在大鲵生境适宜性分析中, 涉及到定性数据如坡度、坡向等和定量数据如与大鲵旅游景点距离、人口密度等, 考虑到定性数据和定量数据的标准化统一计算, 对适宜性指数采用百分制形式(0—100)进行量化分级, 同时将适宜性指数分为5个等级, 即最适宜(100)、适宜(80)、次适宜(60)、不太适宜(40)、不适宜(20)等5个等级[12]。根据相关文献[13—15]与专家意见确定张家界大鲵生境适宜性分析各个影响因子适宜性评价标准。

2.3 生境适宜性分析

通过专家经验综合分析, 确立各项生境影响因子在适宜性分析中的重要性, 为其分别打出分数, 利用层次分析法(AHP)算出相应权重。

然后根据生境影响因子评价标准结合野外调查表中对各个影响因子的划分等级标准, 进行单因子生境评价, 并通过层次分析法分析, 得出每个因子的权重, 利用 ArcGIS 的统计功能与可视化功能, 进行张家界大鲵保护区内大鲵适宜生境的综合评价, 对上述12个因子进行加权总和计算, 最终得到每个图斑赋予生境质量的综合评分, 找出适宜大鲵生存的区域, 并分级赋色生成适宜性分布图。

2.3.1 评价模型

采用的评价模型在层次分析法基础上的加权求和。计算公式如下：

式中:—生境评价综合评分值;f—第个因子量化得分;W—第个因子权重。

2.3.2 叠加分析

为了对应保护区分为核心区、缓冲区和实验区3个等级, 并依据缓冲区要包围核心区的原则，在断点分级中不考虑划分缓冲区，因此，将每个图斑划分为3个等级, 根据各因子不同适宜性的得分值(下称值), 通过自然间断点分级法综合分析如下:

(1)将值在39—68范围的归为不适宜, 不纳入保护区范围;

(2)将值在68—73范围的归为次适宜, 即划分为实验区;

(3)将值在73—97范围的归为适宜, 即划分为核心区。

2.4 保护区功能区与范围的确定

将大鲵适宜性分布图与张家界市辖区的镇、乡政府驻地的缓冲面图(缓冲1 km)进行叠加, 将适宜流域的区域向两岸延展75 m为核心区, 并在其基础上再向两岸陆地延展75m为缓冲区, 而将次适宜流域的区域向两岸延展75 m为实验区。为兼顾保持河流的连续性与减少保护区与居民生产生活的矛盾, 将适宜区中与镇缓冲面重叠的划出保护区, 与乡缓冲面重叠的划为实验区。利用 GIS 的统计功能与可视化功能, 得到大鲵保护区范围与功能分区方案。

3 结果与分析

3.1 生境影响单因子的提取

由于大鲵保护区主要涉及水域及其两岸陆地, 根据大鲵活动特点, 以1 km为半径作为边界提取面。在GIS支持下, 采用栅格数据重分类方法及水域边界提取, 并根据大鲵生境影响因子评价标准表[12]完成研究区各因子分级图, 结果详见图1—12。

图1 海拔分级图

Figure 1 The classification map on elevation

图2 坡度分级图

Figure 2 The classification map on slope

图3 坡向分级图

Figure 3 The classification map on aspect

图4 植被覆盖度分级图

Figure 4 The classification map on vegetation coverage

图5 居民点分级图

Figure 5 The classification map on settlement

图6 道路交通分级图

Figure 6 The classification map on road transport

在图11中, 由于大鲵出苗范围只有4个类别, 生境适宜性相对也只有4个等级。图12中, 张家界水质只有Ⅱ 与Ⅲ 类, 因此, 生境适宜性分为两个等级, 其余分级图均为5个等级。

图7 农业活动分级图

Figure 7 The classification map on agricultural activity

图8 工业活动分级图

Figure 8 The classification map on industrial activity

图9 水电站分级图

Figure 9 The classification map on hydropower station

3.2 生境适宜性分析

3.2.1 生境影响因子权重

根据专家打分表, 计算张家界大鲵的各个生境影响因子权重见表1。

图10 旅游景点分级图

Figure 10 The classification map on tourist attractions

图11 大鲵出苗范围分级图

Figure 11 The classification map on area of seedling of Chinese giant salamander coming out

图12 水质分级图

Figure 12 The classification map on water quality

从表1可见, 在所有影响大鲵生境适宜性的因素中,C的权重最大, 其次是C, C第三。大鲵分布因素(B)是最重要的, 占63.70%; 人类活动因素(B)占25.83%; 地理环境因素(B)占10.47%。基于研究区大鲵生境影响因子评价标准表[12], 依照各因子权重大小确定大鲵适宜生境区, 权重大的应该优先考虑。

表1 大鲵的各个生境影响因子权重表

3.2.2 叠加分析

生境适宜性分布区的叠加结果见图13, 可见, 生境适宜区域大部分位于澧水北源、中源与南源以及酉水、溇水上游、索水、沅水部分河段。最适宜生境分布区涉及桑植县澧水北源的五道水、龙潭坪、澧水南源的上洞街、溇水上游的长潭坪与人潮溪等乡镇, 永定区的四都坪与王家坪等乡镇, 慈利县的江垭水库与溪口等乡镇, 武陵源区的索溪峪镇共 10个镇的相关河流区域, 次适宜区涉及为桑植县的五道水、芙蓉桥、慈利县的江垭水库、永定区的王家坪及武陵源的金鞭溪相关河流等区域, 其余的为不适宜区域。

3.3 保护区与功能区与范围

根据生境适宜性评价结果, 确定大鲵保护区的范围与功能分区, 见图14。将野生大鲵栖息区域, 以及远离人烟, 生态环境良好区域划分为核心区; 缓冲区调整到核心区外围; 实验室区在缓冲区外围。主城区、集镇等人口密集区域或农田, 以及重要的工程与开发项目毗邻河段被划出保护区。

(1)核心区

将桑植县的五道水、七眼泉、长滩、川洞峡、长潭坪、院子等地, 慈利县的黄家台、枧潭等地, 永定区的四都坪、香莲垭溪等地, 武陵源区的索溪峪镇的相关河流以及两岸陆地等27处分布区划为核心区(表2)。每个核心区板块宽度在原河流宽的基础上向两岸延伸75 m, 总长度约为265.13 km。

图13 张家界大鲵国家级自然保护区生境适宜性

Figure 13 The habitat suitability for ZhangJiajie Chinese Giant Salamander National Nature Reserve

图14 张家界大鲵国家级自然保护区功能分区调整方案

Figure 14 The adjustment scheme of functional zoning for ZhangJiajie Chinese Giant Salamander National Nature Reserve

表2 核心区段所在位置

(2)缓冲区

缓冲区为位于核心区外的圆环状结构, 其位置与核心区一致, 长度在每段核心区上下多75 m。从而, 保证了核心区与缓冲区的接触面积, 实现缓冲区的对核心区保护屏障功能。缓冲区对核心区物种的自然增殖具有重要作的保护作用。在缓冲区可以有计划地开展科学研究, 建立大鲵仿生态繁育基地, 开展仿生态繁育技术研究。

(3)实验区

包括缓冲区周边陆地75 m陆地面积, 以及连接2个邻近缓冲区跨乡政府驻地河段。桑植县的五道水、上洞街、慈利县的江垭水库、永定区的四都坪、王家坪, 武陵源的金鞭溪等22处划为实验区(表3)。这些区域生态环境条件较好, 且有一些大鲵仿生态养殖基地作为基础, 在此地可以实施大鲵资源增殖、生态旅游和资源可持续利用。实验区的总长度约为226.48 km。

张家界大鲵保护区总面积为14275hm2, 调整后, 其核心区、缓冲区与实验区面积分别为4772.34 hm2、5426.02 hm2与4076.64 hm2, 占保护区总面积的33.43%、38.01%与28.56%。

4 讨论

将“3S”技术的空间分析功能应用到大鲵保护区范围与功能分区调整研究中, 采取层次分析法与栅格叠加法分析了环境因素、人类活动因素与大鲵分布因素, 评价了该保护区的大鲵生境适宜性。将水域两岸陆地纳入保护区范围, 为水陆两栖的大鲵提供了完整的栖息地。增加的陆地区域保护区板块有了足够的宽度, 具有一定的生态稳定性。此外, 将原来裸露在外的核心区全部用缓冲区进行包裹, 使核心区完全与外界隔离[11], 有效的实现缓冲区对核心区保护屏障功能。因此, 该保护区调整方案优化了保护区的生态完整与空间结构。

表3 实验区段位置

选择了居民点的分布、道路、农业活动、工业生产、水电站与旅游景点6个人们生产生活与社会经济发展的关键因子, 将人口密集、无大鲵资源的城镇区相邻水域调出大鲵保护区, 打破了原来保护区呈网线状包裹张家界市的现状, 给予周边群众生产生活更多的活动空间, 缓解了群众生产生活与保护区保护管理之间的矛盾[11], 有益于少数民族贫困地区经济社会发展与民生改善。此外, 该调整方案在保持保护区面积不变的情况下, 保护区涉及的河段长度减小, 所涉及范围减少, 便于管理部门整合资源, 更好开展自然保护区管理与建设工作。

相对于张家界大鲵保护区功能分区的多方法融合划分方法[12], 该分区方法简单实用, 更容易把握保护区的面积。因此, 该功能分区方法具有良好的应用前景。

张家界市野生大鲵多栖息于为喀斯特地貌的溶洞的阴河中以及相连的河段中, 溶洞上面的居民生产生活对其下面阴河的水质有影响[16], 如将整座山纳入保护区, 能更好保护好大鲵野生种群。此外, 通过确定大鲵最小存活种群数量, 得出野生大鲵种群所需要的面积, 能够更科学确定大鲵自然保护区的核心区面积, 确保大鲵物种保护区完全满足大鲵种群的保护与大鲵资源的增殖。

5 结论

采用“3S”技术的空间分析与层次分析法评价张家界大鲵保护区内大鲵生境适宜性, 在此基础上提出该保护区范围与功能分区方案。该方案提高了保护区范围与功能分区的科学性与准确性, 优化了保护区的空间结构与生态稳定性, 兼顾了大鲵资源保护、当地人们生产生活与经济发展的需求, 该调整方案将有利于社区协调, 提高自然保护区的管理效益。此外，该分区方法简单, 具有良好的应用前景。

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Functional zoning study for ZhangJiajie Chinese Giant Salamander National Nature Reserve based on “3S” technology

LUO Qinghua1,2,3,*, CAO Wei1,2, WEI Mengya1,2, YANG Jie1,2, ZHU Shenhai1,2, FU Lei1,2

1. Hunan Engineering Laboratory for Chinese Giant Salamander’s Resource Protection and Comprehensive Utilization, Jishou university, Zhangjiajie, 427000, China 2. Civil Engineering and Architecture School of Jishou university, Zhangjiajie, 427000, China 3. Key Laboratory of Hunan Forest Products and Chemical Industry Engineering of Jishou University, Zhangjiajie, 427000, China

With the support of geographic information system and remote sensing technology, we evaluated the habitat adaptability of the Zhangjiajie Chinese Giant Salamander National Nature Reserve in Hunan province. The suitable, sub-suitable and unsuitable areas for the habitat of the Chinese giant salamander were determined by the methods of layer hierarchy processing and raster data overlay analyses to a selection of 12 evaluation factors such as altitude, road, water quality etc., which affected the habitat selection of Chinese giant salamander. According to the above and the principle of maintaining ecological integrity and keeping an unchangedarea of the protected area, a recommended plan for the scope and functional zoning of this was proposed. In this proposal, thereare buffer zones around the core zones; they account for 34.43% and 38.01% of the protected area respectively. In addition, the experimental zone accounts for 28.56% of the protected area. The length of the protected stream covered will be reduced to 1/5 of its original coverage in the proposal, so it will greatly reduce the contradiction between reserve and residents' production and life and improve the efficiency of protection. The results can provide a valuable reference for range adjusting and functional zoning of the nature reserves for amphibians.

functional zoning; nature reserve; Chinese giant salamander; 3S; Zhangjiajie

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.04.013

S937.3

A

1008-8873(2022)04-102-09

2020-08-10;

2020-11-04

国家自然科学基金项目(32060238); 大鲵资源保护与综合利用湖南省工程实验室开放课题(DNGC2011, DNGC2015)

罗庆华(1970—)，女，湖南耒阳人，博士，教授，主要从事水生野生动物保护与利用研究，E-mail: lqh700930@126.com

通信作者:罗庆华

罗庆华, 曹威, 魏梦雅,等. 基于“3S”技术的张家界大鲵国家级自然保护区功能分区研究[J]. 生态科学, 2021, 40(1): 102–110.

LUO Qinghua, CAO Wei, WEI Mengya, et al. Functional Zoning study for ZhangJiajie Chinese Giant Salamander National Nature Reserve based on “3S” Technology[J]. Ecological Science, 2021, 40(1): 102–110.