典型草原自然保護地景觀空間彈性GIS評價

趙方博 岳德鵬 楊曉瀟 于 強 蘇 凱 屈志強

(1.北京林業大學林學院, 北京 100083； 2.內蒙古農業大學草原與資源環境學院, 呼和浩特 010011)

0 引言

彈性是物體的一種特性，是指發生彈性變形后可以恢復到原來狀態的一種性質(如物理學中的彈簧)。理論生態學家[1]最早將彈性引入生態系統穩定性中，被定義為維持系統結構、功能、反饋等不變情況下，通過調整系統狀態變量和驅動變量等參數，系統能吸收的擾動量[2-3]。彈性自從提出并引入生態學范疇以來，其概念得到了不斷發展。文獻[4]認為，彈性是指一個系統在遭受擾動時能吸收干擾和重組，并仍能保持基本相同的功能結構、特性和反饋的能力。文獻[5]針對生態-經濟系統可持續性與彈性，認為彈性是通過嘗試提高受到沖擊后恢復到理想狀態的能力而適應變化，并與系統可持續性進行了區分。文獻[6]認為，彈性是生態系統在偏離平衡狀態以后恢復到初始狀態的自我調節能力。可以說，生態學的彈性是系統在保持關鍵閾值前提下對外在干擾的承受程度，強調“反抗和適應能力”，具有恢復閾值、抵抗力等內涵特點[7-8]。針對自然和人類活動雙重干擾下的生態保護區開展生態系統彈性研究，對于了解特定生態系統組織、調節和自我恢復能力，深化認識生態系統結構與功能持久性、穩定性具有重要意義。

作為生態系統動態性和穩定性的重要測度指標，對其準確識別、評價和提升已成為生態保護、災害防控、氣候變化適應、景觀規劃等應用領域研究關注的焦點之一，并快速成為理解自然、人類系統及其相互關系的重要工具。文獻[9]運用彈性思維對城市生態系統彈性進行了概念化表達和理論分析。文獻[10]提出空間彈性的概念，重點關注生態敏感性、水質和植被覆蓋等指標建立彈性準則，借助GIS技術對我國太湖流域城市濕地交界帶的空間彈性進行了評價和區劃研究。文獻[11]綜合生態系統彈性強度系數與彈性限度因素，建立生態系統彈性力模型，并進行了模型應用和實地分析。文獻[12]通過利用景觀指標和景觀變化空間模式比較，對自然保護區彈性退化進行分析。綜合來看，有關生態系統彈性針對特定對象、區域內的研究成效顯著，但把生態系統作為一個整體，考慮不同干擾因素下的敏感性特征，并將其與景觀分布、生境連通性等空間要素結合，進行彈性識別的研究還較少[13]。草原作為一種對氣候變化、人類活動較為敏感的生態系統類型[14-15]，是自然和人文景觀融合共存的載體[16]，特別在我國北方草原區，受氣候變化、過度放牧和旅游開發等影響，生物多樣性減少、草原退化的現狀令人堪憂[17-18]。加強這一方面的研究，將有助于認識草原生態系統脆弱性，進一步促進草地資源保護與合理利用。

本文以我國首個草原類自然保護地——錫林郭勒草原國家級自然保護區為對象，評價該地區景觀彈性強度及空間分布特征，提出植被恢復分區，從而為自然保護區生態系統保護提供科學依據，實現區域生態、經濟和社會協調發展的目標。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

錫林郭勒草原國家級自然保護區位于內蒙古高原東部，與大興安嶺西側低山丘陵接壤，總面積5 800 km2，地理坐標為北緯43°26′～44°33′，東經115°32′～117°12′，是我國建立的第一個草地類自然保護區，是“國際生物圈保護區”網絡成員，主要保護對象為草甸草原、典型草原、沙地疏林草原和河谷濕地生態系統，見圖1、2。保護區地勢南高北低，錫林河從東向西橫穿保護區，沿岸東西綿延分布有風積沙帶，沙丘起伏，以沙壟與新月形沙鏈波狀沙地為主。屬于溫帶半干旱區，由于受東部大興安嶺山地的影響，氣候具有由半濕潤向半干旱地區過渡的特征，但是絕大部分為溫帶大陸性的半干旱氣候所控制，年均溫為-1～2℃，年降水量350～450 mm。保護區境內及周圍主要河流有錫林河、浩來圖河，地帶性土壤為黑鈣土和暗栗鈣土。保護區天然植被類型以森林、草原、濕地為主體，并有沙地疏林、灌叢、河漫灘草甸、沼澤。近年來，全盟多措并舉加強草原生態保護與建設，自然保護區生態環境質量逐漸好轉，但受氣候變化、過度開發等不合理人類活動影響，退化沙化局面在一定區域內并未得到根本性扭轉。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location map of research area

圖2 自然保護區功能分區圖Fig.2 Current functional zoning of nature reserves

1.2 數據來源與處理

數據包括：專題圖件(草原景觀類型圖、植被類型圖等)，來源于《內蒙古自治區錫林郭勒草原國家級自然保護區總體規劃》圖集；DEM、Landsat8 OLI數據(2017年7月17日)，來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn)；氣候數據(年均降水量、年均氣溫)，來源于人地系統主題數據庫(http:∥www.data.ac.cn)。數據經過空間校正、數據矢量化、數據庫建設等處理過程，通過分析制圖得到研究所需的景觀類型、坡度、高程、植被蓋度、河流洼地、人為干擾要素(道路、城鄉居民點、牧人之家等)等因子的空間分布信息(圖3～8)。數據處理軟件：ERDAS IMAGINE 9.2、ArcGIS 9.3等。

圖3 保護區草原景觀類型Fig.3 Landscape types in research area

圖4 水土流失敏感性分布Fig.4 Sensitivity distribution of soil and water loss

圖5 氣候干濕變化敏感性分布Fig.5 Sensitivity distribution of climate dry and wet change

圖6 基于NDVI的土地沙化敏感性分布Fig.6 Sensitivity distribution of land desertification based on NDVI

圖7 洪澇災害敏感性分布Fig.7 Sensitivity distribution of flood disasters

圖8 人類活動干擾強度分布Fig.8 Distribution of human disturbance intensity

1.3 景觀空間彈性評價方法

北方草原是我國重要生態安全屏障，結合草原分布及其防沙治沙生態服務功能特點，從景觀格局穩定性、景觀空間生態敏感性、人類活動干擾程度3個因子刻畫景觀空間彈性(Landscape spatial resistance, LSR)，建立草原類自然保護地景觀空間彈性概念框架。景觀空間彈性與景觀格局穩定性成正比，與生態敏感性成反比，并與人類活動干擾及其影響下的生態敏感性有關，其模型可表示為

(1)

式中LSR——景觀空間彈性值，強度通過極差標準化法確定

LSS——景觀格局穩定性值(Landscape pattern stability)

LES——景觀空間生態敏感性值(Landscape ecological sensitivity)

H——人為干擾因子，用人類活動強度表示

LRC——景觀彈性調節系數，取0.01

a——干擾系數，與人類活動管控及與自然生態系統耦合作用有關，設定為0.05

0≤LSR≤100，為無量綱，數值越大，景觀空間彈性越高，景觀系統越穩定。H介于0～100之間，與要素的像元敏感性值相對應。

1.3.1景觀格局穩定性

景觀穩定性與內部景觀斑塊類型、形狀、數量及其空間連通有關[19-20]。考慮自然保護地保護類型和功能區劃特征，從景觀連通度、破碎度、分維度、核心區指標4個因素刻畫景觀格局穩定性(LSS)。結合景觀等級斑塊動態理論及相關研究[21-22]，考慮景觀指數代表性和獨立性，景觀連通度用凝結度指數(COHESION)來表示，代表草原景觀空間聯通程度；景觀破碎度以散布與并列指數(IJI)來表示，代表草原斑塊空間分離與破碎化程度；斑塊景觀分維度用平均分維數指數(FRAC_MN)來表示，代表斑塊受干擾后的斑塊形狀的復雜性；景觀核心區指標用最大斑塊指數(LPI)來表示，代表某種景觀類型核心斑塊重要性。景觀格局穩定性與景觀連通度、最大斑塊指數成正比，與破碎度、景觀分維數指數成反比，景觀格局穩定性計算公式見文獻[20]。

FRAC_MN取值范圍為[1,2],COHESION、IJI、LPI取值范圍為[0,100]，均無量綱。理論上，景觀單元LSS介于0～100間，值越大，景觀格局穩定性越高，景觀敏感性越低。

1.3.2景觀空間生態敏感性

綜合考慮水土流失敏感性、氣候干濕變化敏感性、土地沙化敏感性、洪澇災害敏感性4個因子來表達景觀空間生態敏感性

(2)

式中Si——評價因子的強度

Wi——評價因子的權重

i——評價因子序號

考慮各因子對生態敏感性貢獻程度，結合相關研究和經驗分析，采用專家打分法進行權重設定，水土流失、氣候干濕變化、土地沙化、洪澇災害因子一級權重分別為0.20、0.30、0.35、0.15，其中水土流失因子中坡度二級權重設定0.65，高程二級權重為0.35。

(1)水土流失敏感性

地形地貌空間差異是決定水土流失過程和強度的重要因素。選取坡度和高程兩個指標，按坡度、高程大小，采用中位數法將敏感性程度由弱到強分為5個等級，分值依次為1、2、3、4、5。

(2)氣候干濕變化敏感性

氣候干燥度是干旱預測中的關鍵參數，反映干旱成因和程度。利用溫度與降水兩個氣候因子計算de Martonne干燥度[23]，公式為

IdM=P/(T+10)

(3)

式中P——多年平均降水量，mm

T——多年平均氣溫，℃

IdM——氣候干燥度

降水量和溫度均采用多年降水量(1961—2000年)、溫度柵格數據(1961—1998年)。采用中位數法對氣候變化敏感性進行分級，劃分為5個等級，分值同上。

(3)土地沙化敏感性

采用修正型土壤調節植被指數(MSAVI)確定草原沙化土地等級[24]。該指數是由遙感信息推算而獲得的反映地表植被分布的定量值，同步減弱大氣、土壤背景的影響，已在遼西草原沙地得到了驗證，計算公式為

(4)

其中

MSAVIveg=0.352MSAVIsoil=0.259

式中Mfc——修正型植被蓋度

MSAVIsoil——裸土像元SAVI值

MSAVIveg——純植被覆蓋SAVI值

MSAVI——像元光譜信息

本文采用保護區沙區和植被區特征點平均值，敏感性分級及分值設定同上。

(4)洪澇災害敏感性

基于 GIS路徑距離模塊進行水流路徑距離提取，運用柵格運算器對水流路徑距離表面求倒數來確定研究區洪澇災害敏感性分布。采用中位數法進行敏感性等級劃分，等級數量和分值同上。

1.3.3人為干擾強度

影響草原生態系統的人為干擾因子有道路、居民點、旅游景點(牧人之家)等。結合人為干擾范圍和特點，設定最大影響距離為1 000 m，采用歐氏距離計算，參照極差標準化法將距離拉伸至0～1(100%)間，越靠近干擾源的景觀受干擾程度越大。

1.4 統計分析

基于ArcGIS 9.3軟件進行空間疊加和統計分析，用于草原景觀格局穩定性、像元生態敏感性和景觀空間彈性分布統計、評價與制圖。采用Microsoft Excel 2007軟件包進行不同功能區面積占比統計分析與制圖。

2 結果與分析

2.1 草原景觀格局穩定性

通過分析發現，在類型水平上草地景觀格局穩定性最高，為36.72，主要由于保護區內景觀凝結度、最大斑塊指數、散布與并列指數數值較高，林地景觀格局穩定性次之，為21.42，其他用地的最低，僅為0.09，說明居民點、牧人之家等開發用地斑塊空間分布較為分散、形狀復雜(表1)。從景觀水平來看，保護區景觀格局穩定性數值達到了46.87，明顯高于類型水平景觀格局穩定性。說明景觀格局穩定性取決于單一景觀類型或組分作用，但結果遠低于該指數理論最優值，這意味著相對于最優格局，區域整體和單一類型景觀格局穩定性還處于較低水平，未來還需要加強草原生態保護，有針對性地提升景觀穩定性較低的組分或指標。從分布來看，保護區內高度、極高度穩定區主要集中在中部地帶，保護區各核心區內景觀格局穩定性較高，但周邊低穩定性區域較多(圖9)。

表1 類型水平和景觀水平上草原景觀格局穩定性關鍵指標Tab.1 Key indicators for stability of grassland landscape structure at landscape and class level

圖9 草原景觀格局穩定性分布Fig.9 Stability distribution of grassland landscape structure

2.2 草原景觀空間生態敏感性

草原景觀空間生態敏感性分析發現(表2)，保護區以中高度敏感性為主，面積占比均達到了20%以上，其中極高度敏感區達到18.63%。從不同功能分區看，保護區核心區高度敏感區面積占比最高，為28.48%，中度敏感性區次之，為24.90%，與緩沖區、實驗區相比，核心區的極高度敏感地區面積占比最低，為10.38%，這說明保護區核心區景觀生態敏感性處于一個高的水平；保護區緩沖區敏感性等級面積占比最高的是低度敏感區，其次為中度敏感區，面積占比分別為23.38%和21.08%，但緩沖區內極高度敏感性區域比核心區高出近5個百分點，同時有20.30%的區域處于高度敏感狀態，這說明緩沖區草原景觀高度敏感性區存在擴大趨勢；保護區實驗區面積占保護區總面積的82%以上，由于區域面積較大，各敏感性等級在實驗區內占比相對均衡，但與其他功能區比較，實驗區內有占比20.04%的極高度敏感性區域，說明實驗區內高風險、脆弱性較強的景觀單元較多，受人類活動干擾影響的程度較嚴重。這一結果與該地區相關研究[14]基本一致，即區域內絕大部分區域屬于脆弱和很脆弱水平。從生態敏感性空間分布可以印證(圖10)，保護區敏感性程度從西北向東南方向呈降低趨勢，越靠近西北，敏感性程度越強，一方面這與保護區西北地區盟所在地強人為干擾有關，另一方面與區域氣候、水文等因素特殊性有關。

從不同草原保護類型功能分區景觀空間生態敏感性面積占比來看(圖11，圖中橫坐標A～F為核心區，A1～F1為A～F的緩沖區，G為實驗區，下同)，希爾塔拉河流濕地核心區(B)全區均處于中高度敏感程度，其中，極高敏感區域面積占比最高，達到所在功能區面積的32.48%，中度和高度敏感面積總計達到了67.53%。伊和烏拉典型草原核心區(C)極高度敏感區域占比為14.02%，高度敏感面積占到43.17%，達到了相同等級中的最高占比。海流特典型草原核心區(E)大部分區域為低敏感分布區，極低度敏感面積占比達到了69.05%，低度敏感面積占比為30.09%，其次為平頂山山地草原核心區(A)，低度、極低度敏感范圍面積域總占比達到79.35%。希爾塔拉河流濕地緩沖區(B1)和伊和烏拉典型草原緩沖區(C1)與其核心區敏感性表現相似，均處于較高水平，而海流特典型草原緩沖區(E1)77.69%的區域為極低度敏感，不存在極高度敏感區域，說明該功能區內草原生態保護處于全保護區較高水平。整體來看，研究區不同類型保護區景觀空間敏感性程度空間差異較大，絕大部分核心區和緩沖區草原景觀空間處于中高度敏感性水平，以西北-東南走廊為高生態敏感性空間集中分布區域，主要保護對象為河流濕地-草甸和典型草原，全區景觀空間敏感性程度以此為軸線向西南、東北兩側遞減。

表2 不同功能區草原景觀空間生態敏感性等級與面積占比Tab.2 Spatial ecological sensitivity grade and area ratio of grassland landscape in different functional areas

圖10 景觀空間生態敏感性分布Fig.10 Ecological sensitivity distribution of grassland landscape

圖11 不同保護類型功能分區景觀生態敏感性 面積占比Fig.11 Ratio of landscape eco-sensitive areas in functional zones of different conservation types

圖12 不同保護類型功能分區景觀空間彈性 面積占比Fig.12 Ratio of landscape spatial resistance in functional areas of different protection types

2.3 草原景觀空間彈性與植被恢復分區

自然保護區草原景觀空間敏感性不僅與自然環境本底脆弱性有關，同時與強人類活動分布有關。綜合考慮各因素影響作用，對不同功能區草原景觀空間彈性分析發現(圖12、表3)，自然保護區核心區、緩沖區、實驗區3個功能區中大部分區域草原景觀處于中、低度彈性，其中核心區內低度彈性范圍最大，面積占比達到66.92%，其余功能區低度彈性區域均達到50%以上，整個自然保護區低彈性面積超70%，這與保護區景觀格局穩定性低、生態脆弱區大、草原人類活動干擾強有關。從分布圖可以看出，高、極高彈性區域主要分布于西南伊和烏拉典型草原和東北部區域海流特典型草原區。

表3 不同功能區草原景觀空間彈性等級與面積占比Tab.3 Spatial resistance grade and area ratio of grassland landscape in different functional areas

從不同保護類型功能分區角度分析發現(圖12)，保護區各核心區、緩沖區一半以上區域處于中、低度彈性水平，其中，阿布都爾圖沙地云杉林-山楊白樺林核心區(D)低度彈性區域面積占比達到了76.93%，平頂山山地草原(A)和伊和烏拉典型草原核心區(C)低度彈性區域面積占比均超過了70%，希爾塔拉河流濕地(B)、阿布都爾圖沙地云杉林-山楊白樺林核心區(D)、海流特典型草原核心區(F)3個功能區極度低彈性空間范圍較大，從核心區到緩沖區，極低敏感面積比例處于增大趨勢，說明在保護區西北部地區，以林地、濕地和典型草原為保護對象的自然保護功能區景觀空間彈性不斷降低，且隨空間范圍增大呈不斷擴大的發展格局(圖13)。

圖13 草原景觀空間彈性分布Fig.13 Spatial resistance distribution of grassland landscape

草原景觀空間彈性作為衡量草原景觀系統自適應能力和受干擾后抵抗能力的重要指標，是草原植被恢復建設的指導依據。對自然保護區景觀空間彈性評價及其不同保護類型功能分區差異進行分析，進而確定草原植被恢復與保護分區：重點恢復區域面積占全保護區的15.49%，分布于保護區西部、北部地區和靠近錫林浩特市區的中部地區，包括希爾塔拉河流濕地核心區(B)、緩沖區(B1)、海流特典型草原核心區(F)與其緩沖區(F1)和保護區實驗區中的部分區域，該區域耕種、放牧、旅游等人類開發活動較多，人為干擾影響較大，造成草原景觀空間彈性較低，是植被恢復的重點區域；一般恢復區面積最大，約占保護區面積的44.75%，主要分布于盟所在地西北部和南部地區，是聯通各重點植被恢復區并向保護區過渡的關鍵區域；一般保護區面積為全保護區的29.23%，主要分布于南部伊和烏拉典型草原和東部海流特典型草原；重點保護區面積較小，占全區的10.53%，主要分布于阿布都爾圖沙地云杉林-山楊白樺林核心區(D)和海流特典型草原核心區(F)中間交匯地區、海流特典型草原核心區(F)西北部地區、伊和烏拉典型草原核心區(C)東部地區，該區域人類活動干擾影響小，生態敏感性程度較低，草地景觀格局相對穩定，景觀彈性較高，是自然保護區重點保護地區，可作為未來功能區調整優化的方向(圖14)。

圖14 草原植被恢復與保護分區Fig.14 Regionalization of grassland vegetation restoration and ecological protection

3 結論

(1)以錫林郭勒草原國家級自然保護區景觀類型為要素，從景觀連通度、破碎度、分維數和核心區指標選取景觀指數，構建景觀格局穩定性評價模型，分析發現，保護區內草地和林草地優勢分布的核心區景觀穩定性較高，道路等建設用地景觀穩定性較低，但相比于模型的理論最優值，保護區內單一類型和整體景觀格局穩定性水平均處于較低水平。

(2)保護區近60%的區域敏感水平達到中度敏感，由于自然和人為活動雙重作用，生態敏感性等級和面積比在不同功能分區差別較大。核心區內高度敏感區占比最高，達到28.48%，高敏感區在緩沖區呈擴大趨勢。絕大多數核心區及其緩沖區處于中高度敏感水平，特別是希爾塔拉河流濕地核心區(B)和緩沖區(B1)、伊和烏拉典型草原核心區(C)和緩沖區(C1)較為明顯，高度敏感性單元主要分布于西北-東南走廊地帶，強度向兩側遞減。

(3)整個自然保護區中度以下的低彈性區域范圍超70%以上，從核心區到實驗區，隨著保護嚴格程度的降低，極低度彈性區面積不斷增大，保護區西北部、中部地區林地類、濕地類和典型草原類保護功能區景觀彈性不斷降低，并呈現擴大態勢。根據景觀空間彈性表現，保護區內60%以上的區域應加強植被恢復，其中15.49%的區域需重點恢復，44.75%的區域需一般恢復，全區重點保護區域面積相對小，占總面積的10.53%，主要為保護功能區C區東部、E區西北部和D、E兩區交匯地帶。研究表明，概念化景觀空間彈性框架模型能夠從景觀穩定性、生態敏感性角度很好地揭示景觀空間彈性的強弱及其分布特征，這對評價草原類自然保護地景觀系統保護狀況、制定植被恢復格局、優化自然保護區功能分區具有積極意義。