浅谈自然保护区功能分区的合理应用

浅谈自然保护区功能分区的合理应用

自然保护区是指对有代表性的自然生态系统、珍稀濒危野生生物群、有特殊意义的自然遗迹等保护对象的土地、土地、水生和海域。依法划分一定面积，进行特殊保护和管理。我国自1956年建立第一个自然保护区———鼎湖山自然保护区以来,经过50多a的发展与建设,自然保护事业取得巨大成绩。据统计,目前全国90%的陆地生态系统类型、85%的野生动物物种、65%的高等植物群落以及300多种重点保护的野生动物和130多种重点保护的野生植物栖息地得到了有效保护。在取得成绩的同时,我国的自然保护区建设也存在着一些问题,其中保护区功能分区不合理是比较突出的问题之一。例如,东洞庭湖自然保护区将整个岳阳市区划入保护区范围内,这使得当地的经济建设受到极大限制,加剧了保护与开发之间的矛盾;浙江乌岩岭自然保护区内现有社区居民4000多人,尤其是核心区内分布有两个行政村1000多人口,给规范化管理带来很大困难;云南小黑山自然保护区,在进行功能分区时,由于各方面因素的限制,保护区被切割为互不相连的5个小块,各个小块内又因社区居民的生产生活活动而被再次分割,使得保护区内的生态系统及生物种群逐渐退化,造成生物多样性下降[2~4]。自然保护区的功能分区基本上确定了该保护区的发展方向和管理架构,对保护区的有效管理和发展规划起着至关重要的作用。目前对于自然保护区功能分区方法《自然保护区总体规划技术规程》(GB/T20399-2006)中仅是笼统地提到人工区划法、自然区划法和综合区划法,不能具体地指导功能区划分。在实际操作中,一些保护区采用等宽度法划分缓冲区即围绕着核心区的一个简单等距离区域,这一做法缺乏科学依据。景观生态学是研究景观单元的类型组成、空间配置及其与生态学过程相互作用的综合性学科,其概念最早由德国生物地理学家提出。自20世纪80年代以来,随着遥感和计算机技术飞速发展,景观生态学概念、理论和方法不断发展,其应用也越来越广泛,其中最突出的是在自然保护、自然资源管理等方面的应用[6~10]。景观生态学的基本原理为自然保护区结构设计提供了理论框架。本文以安徽鹞落坪国家级自然保护区为例,运用景观生态学源—汇系统理论尝试对保护区进行功能分区,以期在该领域作一些有益的探索。1研究领域1.1叶混交林生态系统及天然物种保护特点鹞落坪国家级自然保护区地处皖鄂两省三县(安徽岳西、霍山和湖北英山)交界处,地理座标为北纬30°40′~31°06′,东经116°31′~116°33′,面积123km2。鹞落坪国家级自然保护区于1991年12月经安徽省人民政府批准建立,1994年4月经国务院批准晋升为国家级自然保护区,主要保护对象为北亚热带常绿落叶阔叶混交林生态系统及珍稀物种。保护区范围与岳西县包家乡行政区域完全重叠,区内分布有4个行政村,总人口5911人。保护区内地形复杂,区内一般海拔为800m以上,最高峰多枝尖绝对标高1721m,最低处鲤鱼尾海拔500m,相对高差1221m,山坡角一般在40°~50°。保护区以周边山脊为屏障,形成一个相对独立的地理单元。区内土壤类型有黄棕壤、棕壤、山区草甸土和水稻土。黄棕壤主要分布在海拔800~900m以下的山地,此高程以上是垂直带谱上部的山地棕壤,在海拔1400m以上的平坦处,有小面积的山地草甸土与山地棕壤镶嵌分布。区内的农田多分布在山谷低平缓处,主要是水稻土。旱地多为垦种历史不同的黄棕壤性土或棕壤性土。保护区地处亚热带向暖温带过渡地带的北部,植被组成成分明显地反映了过渡地带的特征,较典型的植被类型是以落叶栎类为主,并含有少量常绿阔叶树种,其常绿成分由北向南逐渐增加,组成典型的常绿、落叶阔叶栎类混交林。由于该保护区跨越纬度很小,植被的纬度地带性不明显。区内随着海拔逐渐升高,水热等自然条件都发生相应变化,从山麓到山顶,形成了一定的垂直带谱。1.2功能区划分不合理由于该保护区建立时间较早,建区之初我国的《自然保护区管理条例》尚未颁布实施,且当时出于抢救性保护的宗旨,保护区功能区划没有经过详尽科学地论证,将一些人为活动较为频繁的区域划入了核心区与缓冲区。如保护区内的中国工农红军第二十八军军政旧址、皖西特委驻地等是开展革命传统和爱国主义教育的重要基地,每年都会有大量的游客参观游览,而根据现有的功能区划,这一区域属于自然保护区缓冲区,这就与《自然保护区管理条例》中“缓冲区只准进入从事科学研究观测活动”相矛盾,不利于保护区实行严格的分区管理,同时也损害了《自然保护区管理条例》的权威性。此外,现有功能分区中核心区占保护区总面积的比例较低,为17.2%。物种的保护应有足够大的面积,现有功能分区不利于保护区生态系统及生物多样性的保护。因此重新讨论保护区功能分区问题具有现实意义。2数据与研究方法2.1资料来源及处理研究资料主要包括研究区1∶8万水系图、1∶8万功能分区图、1∶8万植被类型图;Spot5卫星影像,空间分辨率10m,GDEM数字高程图,空间分辨率30m;安徽鹞落坪国家级自然保护区总体规划和综合考察报告等相关资料。影象处理软件为ERDASIMAGINE9.2、地理信息系统软件为ArcGIS10.0。本文中植被类型数据采用实地调查与已有图件相结合的方式获取,通过对植被类型图进行扫描、配准、数字化,再结合实地调查作相应修正,从而获得植被现状图。植被覆盖度数据通过对Spot5卫星影像提取NDVI,结合植被覆盖度计算模型得出。坡度与地形起伏度数据通过数字高程图进行提取。2.2功能分区对景观阻力的大小本文采用景观生态学源—汇系统理论对自然保护区进行功能分区。在景观生态学中,“源”、“汇”景观是针对生态过程而言,“源”景观是指那些能促进生态过程发展的景观类型;“汇”景观是那些能阻止、延缓生态过程发展的景观类型。自然保护区的功能分区可以看作是对生物保护和管理的一种协调。按照生物圈保护的思想,功能分区是由里到外可以划分为核心区、缓冲区和实验区的一种环套结构,从生物保护的角度可以看作是物种由“源”经过不同的景观介质克服的阻力大小的一种反映。按照理想的功能分区环套结构,在核心区内移动需要克服的景观阻力最小;在实验区内移动需要克服的景观阻力最大;在缓冲区内移动所克服的阻力的大小介于两者之间。本文先根据保护区的自然环境特点确定保护区内的“源”景观,再通过阻力面分析方法对鹞落坪自然保护区进行功能分区。2.2.1景现中“源”的概念“源”是物种扩散和维持的原点,它具有内部同质性和向四周扩张或向“源”本身汇集的能力。“源”应该具有代表性,并能充分反映保护区的生境要求。从以往的研究来看,单一物种的保护措施是难以成功的,为长期保护某一物种,既要考虑目标物种本身,还要考虑它所在的生态系统及有关生态过程,即物种的保护和管理需要在更高层次或者是整个景观上。在大多数情况下,可以把主要保护对象的物种和相应的栖息地作为“源”。作为森林生态系统类型的自然保护区,鹞落坪保护区内山高坡陡的地段,是河流的发源地,是景观中涵养水源的关键地段,这些地段开发利用难度大,受人为干扰的影响较小,自然植被保存相对较好,拥有丰富的本地物种和稀有物种,可以作为景现中“源”。本文选用鹞落坪自然保护区内大别山五针松、金钱松、领春木、凹叶厚朴、天女花、鹅掌楸、多枝杜鹃、香果树、华东野核桃、小叶黄杨等国家和地方重点保护物种以及地方特有物种成片分布的地段作为景观中的“源”,见图1。2.2.2费用的最小距离俞孔坚从景观生态学的角度出发,提出了生物物种迁移过程中的阻力面概念,用阻力面理论来识别景观生态安全格局的状态。在阻力面理论中物种对景观的利用被看作是对空间的竞争性控制和覆盖过程,而这种控制和覆盖必须通过克服阻力来实现,所以,阻力面反映了物种空间运动的趋势。在确定了保护“源”后,需要建立阻力面,阻力面的建立有多种模型,本文选用理论地理学中的表面模型———最小累积阻力模型(MCR)来建立阻力面。这一模型是根据KNAAPEN等的模型和地理信息系统中常用的费用距离修改而来。最小费用距离计算的是从目标斑块到最近源斑块的累积费用距离,代表的是一种加权距离的形式,而非实际的空间距离,费用的概念抽象地反映出了移动过程中克服阻力所要做的功的大小。该模型考虑3个方面的因素,即源、距离和景观介面特征。基本公式如下:式中:f是一个未知的正函数,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;Dij是物种从源j到空间某一点所穿越的某景观的基面i空间距离;Ri是景观i对某物种运动的阻力,其值的高低代表通过的难易程度。尽管函数f通常是未知的,但(Dij×Ri)的累积值可以被认为是物种从源到空间某一点的某一路径的相对易达性的衡量。从所有源到该点阻力的最小值被用来衡量该点的易达性。因此,阻力面反映了物种运动的潜在可能性及趋势。地表覆被和地形因子是影响物种迁移和扩散的两个基本因素。鹞落坪自然保护区属森林生态系统类型的自然保护区,植被特别是林地是动物的栖息地、当地特有物种的源地和保护地,与生态系统中所有过程有着直接或间接关系,具有重要的生态学意义。植被覆盖度是森林生态系统环境质量的重要指标,植被覆盖度高的区域生物量大,生态系统结构较为稳定,有利于物种的迁移与扩散,其对物种运动和扩散的阻力就越小;反之,其对物种运动和扩散的阻力就越大。随着坡度的增大,物种扩散难度和水土流失的机率变大,景观阻力变大。地形起伏也会对物种的迁移形成阻力。因此,根据可选取性和可量化性的原则,本文选取植被类型、植被覆盖度、坡度、地形起伏度等因子作为费用距离的阻力层。本文中由于“源”在各海拔段上均有分布,难以用海拔段来确定相对的阻力值,因此本文不选海拔为评价因子进行研究。2.2.3地表覆盖景观类型的划分各种景观因素对物种移动所造成的阻力是有差别的,最小累积阻力模型的关键是对景观根据其对保护对象空间运动的阻力进行等级划分。阻力值是一个相对值,只要能够相对地反映不同阻力因子的差异性就可以用来进行费用距离的计算。本文设定100作为最大阻力值,并假定当阻力值达到100的情况下,物种将不再能够移动,阻力值为1的像元或斑块代表物种的最适生境地,物种移动自由。根据各种景观类型对物种扩散的影响程度在1~100之间对其进行阻力值的赋予。地表覆盖景观类型与“源”中的景观类型特征越接近,其对物种运动和扩散的阻力就越小;受人类的干扰影响较大的景观类型,针对保护“源”而言阻力值较大。本文将地表覆被类型划分为5个等级:由于保护“源”的主要景观组分为林地(常绿阔叶林、落叶阔叶林、针阔混交林、常绿针叶林、落叶针叶林、竹林等)和灌草丛(灌丛、草丛),而林地所占比例更大,因此林地的阻力值相对最小,灌草丛次之,其次是农田(果园、茶园、旱地、水田等),再次是水域(河流、坑塘、湿地等),阻力值最大的为建设用地(居民点、公路)。本文植被覆盖度采用遥感分析的方法获取,先利用ERDAS软件在卫星影像中提取归一化植被指数(NDVI),再利用NDVI与植被覆盖度关系模型计算植被覆盖度,本文将该指标划分为5个等级,分别为:<30%、30%~45%、45%~60%、60%~75%、>75%。坡度数据利用ArcGIS软件,在数字高程图(DEM)中提取,参照《土壤侵蚀分类分级标准SL190—2007》将坡度因子分为5级,分别为:<8°、8°~15°、15°~25°、25°~35°、>35°。地形起伏度对物种的相对阻力参照有关文献来确定,划分为5个等级。各种景观因子的阻力值分级见表1。3研究结果3.1具体阻力值的面图层利用阻力面模型进行功能分区需要确定阻力面分级阈值,从而自动划分出功能分区。本文采用自然断点法,对阻力面图层进行分级。自然断点法是根据数值统计分布规律将数据集中不连续的地方作为分级依据,对数据集合进行分级的方法,该方法能减少同一级中的差异,增加级间的差异。图2(a)为计算得到的阻力面图层,景观阻力面图能为景观生态格局的优化提供有力的依据,从图中看出随着距离源越来越远,阻力值越来越大,在高亮区域物种运动的阻力达到最大,说明这些地区物种无法进行扩散。表2为鹞落坪自然保护区最终阻力值自然断点分级表格,共分为6级。图2(b)是根据自然断点分级得到6级阻力面分级图层。图3为阻力面分级与栅格数目之间的对应关系。从表2和图3可以看出,从C2到C3像元数量变化有一个转折的过程,C3到C4又有一个突变的过程。因此选取C1、C2两级作为核心区斑块,阈值为300307,核心区阈值代表物种移动到核心区边界的最大阻力值。选取C3作为缓冲区斑块,阈值为470482。余下的C4、C5、C6三级自然成为实验区斑块,其中C6代表了物种在整个自然保护区内移动的最大阻力值。3.2保水材料的核心区材料根据阻力面自然断点分级结果,结合保护区实际情况,对鹞落坪自然保护区进行功能分区,以实现生态保护与景观资源的合理配置。(1)核心区保护区最优先保护的区域是几个重点保护物种保存较好且离人们活动区有一定距离的大型自然斑块,即“源”区;以及对物种运动阻力较小的区域。依据景观耗费分级结果,该类区域面积47.31km2,占保护区总面积的38.17%。本文根据实际情况以及管理的可行性,将核心区斑块设计为四个,面积47.31km2,占总面积的38.46%,满足《国家级自然保护区总体规划大纲》中“核心区的面积一般不得小于自然保护区总面积的1/3”的要求。(2)缓冲区本文中缓冲区的范围和边界是根据阻力面中阻力等值线突变来确定。阻力面类似于地形表面,其中有缓坡和陡坡,呈现些阈值特征。据此来划分缓冲区,不但可以有效地利用土地,而且可以判别缓冲区合理的形状和格局,减少缓冲区划分的盲目性。本文根据阻力面分析设计缓冲区为面积35.67hm2,占总面积的29%。缓冲区处于核心区的外侧,保存着较完好的原生植被生态系统,该区与核心区有较高的景观连通性,生物流交换频繁,对维护核心区的生态整体性具有关键作用,可保护核心区的生态过程和自然演替,减少外界干扰带来的冲击。(3)实验区由于保护区边界的确定性,在核心区和缓冲区确定的基础上,可以自动确定实验区的边界。该区面积40.02km2,占总面积的32.54%,有较高的景观耗费值。3.3试验区面积比例较小鹞落坪自然保护区目前的功能分区是以保护区内的海拔分异,结合保护区管理人员的实际经验划分的。本文利用阻力面模型进行功能分区融入了植被类型、植被覆盖度、坡度、地形起伏度等因子,更能满足生物保护的需要。新的分区方案中核心区与缓冲区面积扩大,所占比例分别由现有的17.2%和23.9%上升到38.46%和29%;实验区面积比例由58.9%下降为32.54%。该保护区建立于20世纪九十年代初期,由于该区经济长期以林木砍伐为主并由此致富,加上保护区建立之初,当地村民居住点较为分散,全面禁止林木砍伐难度较大,考虑管理的现实可行性,在进行功能分区时,核心区、缓冲区划分的面积较小,实验区面积比例较大。近年来,随着自然保护区管理要求的提高,原有的林木砍伐产业被有机茶叶、高山蔬菜和中药材种植等产业所取代,当地村民居住点向镇区及低海拔地区转移,同时保护区生态旅游产业发展迅速,已逐渐成为当地经济支柱产业之一。新的功能分区将人类活动密集区域划入实验区,有利于保护区实行严格的分区管理,为当地经济发展消除法律上的障碍。保护区现行区划和新功能分区见图4。3.4生态旅游促进设备新的功能分区将珍稀物种适宜生境划入核心区,同时将原属缓冲区的旅游资源及周边地段划入实验区,为保护区今后生态旅游发展预留了空间,有利于实现经济发展与生态保护的协调。针对鹞落坪自然保护区今后发展提出以下建议:(1)严格控制生态旅游规模。禁止在核心区、缓冲区开展旅游活动;编制生态旅游专项规划对生态旅游范围、设施、人员数量进行科学合理地分析,在此基础上加强环境管理。(2)引导社区产业转型。引导保护区居民改变传统的生产方式,开发生态产品,发展生态型产业;安置部分社区居民参加资源管护,增加社区居民收入;核心区和缓冲区尽可能实施生态移民。(3)加强生态廊道建设。鉴于鹞落坪自然保护区珍稀物种的分布情况,保护区核心区被划分为四个相对独立的部分,为促进基因交换和物种流动,应在核心区之间建立合理的廊道,增加生境的连接性。根据阻力面模型计算结果,廊道可以选择相邻两“源”之间阻力值低谷的连线,根据实际情况,选用乡土树种进行设计。(4)做好宣传教育工作。通过广