桂東珍稀野生動物保護的安全格局分析

張秀紅 李明陽 劉雅楠 李 超

( 1. 南京林業大學林學院，江蘇 南京 210037；2. 南京林業大學南方現代林業協同創新中心，江蘇 南京 210037)

進入21世紀以來，我國南方集體林區的社會經濟條件發生了巨大的變化。城市用地和耕地的擴張、交通網的建設、采礦業的無序發展、風電場的大規模建設、人工商品林基地規模的迅猛增加，使得林地面積減少、森林景觀破碎化、野生動物棲息地減少，導致區域生物多樣性大幅度降低。在我國南方集體林區，林地面積較大，森林作為野生動物的主要棲息場所，是區域生態系統功能的基礎和區域可持續發展的保障[1]。因此，在南方集體林區，開展珍稀野生動物的安全格局研究具有較大的理論與現實意義[1-2]。

1872年，美國建立了第一個國家公園，開創了生態環境保護和文物保護的先河[3]。在此后的140多a間，世界各國的學者為維護生態系統穩定和保護生態安全不斷進行理論分析與案例研究，相繼提出了“花園城市”、生態基礎設施、“反規劃”及生態安全格局等理論。在眾多實踐中，應用最廣泛的是建立保護地、劃定生態保護區，從而構建生態安全格局（ESP）[4]。目前，安全格局的構建方法主要為俞孔堅[5]提出的“識別源地—建立阻力面—構建安全格局”三步驟，現已有多個區域的安全格局是基于這一模式進行構建的[1,6]。其中生態源地是整個安全格局構建的基礎，其準確性和全面性對整個安全格局的構建尤為重要。現有文獻顯示，很多研究只是將研究區內的保護區、林地或水體等斑塊作為生態源地，這樣存在較大的主觀性和隨意性[7]。將保護珍稀野生動物作為安全格局構建的前提，可以更加完整的劃定生態源地，明確需要保護的范圍。

目前，相關學者從生物多樣性保護、生態系統服務功能、景觀認知等方面，對區域生態的規劃進行了研究。但這些研究大多只考慮物種棲息地的空間分布情況，忽略了一個區域中生態的水平過程，如動物的遷徙、災害的擴散等景觀元素在空間中的流動和相互作用[3,8-9]。因此，將珍稀野生動物保護與區域生態安全、可持續發展需求相結合，采用更加全面、系統化的方法構建“點—線—面”相結合的珍稀野生動物安全格局，對改善野生動物生存環境、維持區域景觀及生物多樣性具有重要意義[1]。

湖南省桂東縣是國家重點林業縣，生態系統類型多樣、動植物資源豐富，但生態環境較為脆弱，旱、澇、泥石流等自然災害較為頻繁，區域經濟發展水平較低?；诠饢|縣經濟發展和生態保護的雙重需求，本研究以桂東縣為例，劃定研究區珍稀野生動物保護區，建立物種運動阻力面，構建“戰略節點—生態廊道—珍稀野生動物保護區”這樣一種點、線、面結合的珍稀野生動物安全格局，可以為區域野生動物保護和生態規劃提供科學依據。

1 研究區概況

桂東縣位于湖南省東南部，隸屬于湖南省郴州市，地處東經 113°37′～114°14′，北緯 25°44′～26°13′，東西寬61.2 km，南北長53.6 km，總面積1 452 km2（圖1）。全縣平均海拔900 m，縣城海拔830 m，是湖南省海拔最高的縣城，山地面積占總面積的82.65%，全縣呈“九山半水半分田”的土地利用格局。該縣是眾多河流的發源地，境內有大小河流133條，分屬湘江和贛江兩大水系，水資源十分豐富。桂東縣屬亞熱帶濕潤季風氣候，雨量充沛，年降水量1 742.4 mm，四季分明，年平均氣溫15.8 ℃，但晝夜溫差大，又因地形及海拔不同存在明顯的地域差異，形成了“一山存四季，十里不同天”的小氣候區。

桂東縣屬中亞熱帶常綠闊葉林區，森林植被茂盛，全縣植被覆蓋度高達85%，有八面山國家級自然保護區、齊云峰國家級森林公園以及7個縣屬國有農、林場，是全國生態示范區建設試點縣，境內植被類型多樣，且具有地域代表性，為野生動物提供了良好的覓食和棲息場所。境內有陸生脊椎動物240種，鳥類116種，其中國家重點保護的珍稀動物有云豹（Neofelis nebulosa）、金貓（Catopuma temminckii）、獼猴（Macaca mulatta）、水鹿（Rusa unicolor）等15種，為確保野生動物繁衍棲息，該縣還制訂了野生動物保護長效機制。

2 材料與方法

2.1 數據來源及處理

本研究采用的數據主要有2015年桂東縣土地利用數據、2015年森林資源二類調查數據、2015年Landsat 8 OLI遙感影像和DEM高程數據。

1）2015年土地利用變更調查數據是基于Landsat 30 m遙感影像生產的全國土地利用數據。該數據按照國家土地利用分類方法，結合劉紀遠[10]的LUCC分類系統，將土地利用類型歸結為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6大類。根據本研究的研究需求，在ArcGIS 10.2中對土地利用類型進行了重分類，用于提取土地利用類型。

圖 1 研究區位置及土地利用類型分布Fig. 1 Location and land use types distribution of study area

2）2015年桂東縣森林資源二類調查數據，用于提取林地、濕地以及道路等信息。

3）Landsat 8 OLI遙感數據下載自地理空間數據云網站（http：//www.gscloud.cn/），條帶號/行編號為122/42，影像獲取時間為2015年10月18日，云量2%。利用ENVI 5.3中對其進行輻射定標、大氣校正、地形校正和裁剪后，再提取歸一化植被指數（NDVI），計算植被覆蓋度。

4）DEM高程數據下載自地理空間數據云網站，空間分辨率為30 m×30 m，在ArcGIS 10.2中進行拼接、裁剪，用于地形因子坡度和高程的提取。

2.2 生物多樣性保護區劃定方法

本研究總結前人有關生態紅線和野生動物保護的研究[1,11]，并結合桂東縣自然地理環境和生態系統分布特點，分林地紅線和濕地紅線兩部分劃定桂東縣珍稀野生動物保護區。

林地是生態建設的載體，是森林物質生產和生態服務的基礎，也是森林資源的重要組成部分。森林作為野生動物的主要棲息地，可以為動物提供豐富的食物資源和優良的生存環境，保證它們的生存和繁殖。同時森林還具有涵養水源、防風固沙、改善小氣候等作用[12]。桂東縣森林資源豐富，有各級國家公益林和地方重點公益林，公益林總面積723.82 km2，占全縣總面積的49.85%。本研究提取各級公益林作為林地紅線。其中，八面山國家級自然保護區和齊云峰國家森林公園擁有多種國家級保護的珍稀樹種和珍貴野生動物，是重要的生物資源寶庫，屬于林地紅線的核心區域。

濕地作為地球三大生態系統之一，被稱為“地球之腎”，在國家生態安全體系中占核心地位。濕地主要包括河流、湖泊、海灘、沼澤地等自然濕地和池塘、水庫、水稻田等人工濕地[13]。濕地生態系統是陸地生態系統和水生生態系統之間的過渡，保證了水域內及其周邊生物群落的物質循環、能量流動、信息傳遞和物種流動，為野生動物提供了充足的水源，同時具有遷徙廊道和保護屏障等生態系統服務和功能。本研究提取桂東縣河流、灘地、水庫、水田范圍作為濕地紅線。

2.3 安全格局的構建方法

2.3.1 生態源地的確定

根據生態安全格局的定義，源是自然過程中物質、能量、物種流動的來源和目的地，必須滿足生態環境的可持續發展、滿足人類對生態系統服務的需求和生態過程的完整性3個條件。物種作為生態系統的基本構成單元，對于維持生態過程、穩定生態環境、保障生態安全具有關鍵作用。關鍵物種的生存狀況，可以直觀地反映出該生態系統的完整程度、生態進程的優劣狀況以及區域生態安全狀況。

由于最近20多年來，桂東縣未進行過野生動植物專項調查，并且2015年森林資源二類調查數據中缺乏野生動植物的空間分布信息，無法準確提取野生動植物生境信息。因此，本研究以云豹、金貓、獼猴等大型哺乳動物為研究對象，通過生境適宜性分析，確定生態源地。首先，根據文獻、專著及過去生物調查資料中記錄的這些物種生境信息[14-15]，確定物種偏好的棲息地特征。然后將珍稀野生動物的生境影響因素分為自然因素和人為因素兩類，自然因素用植被覆蓋度、坡度、高程和距水體距離表示，人為因素用距道路距離表示；再依前人研究和文獻記載將上述5個因子分級進行生境適宜性分析[16]。分析結果通過自然斷點法（Natural break）分為3級，提取最高一級的空間分布范圍與2015年森林資源二類調查小班圖疊加，剔除面積較小、分布零碎的小班，而對面積較小但分布集中的小班則進行合并處理[17]，初步預測珍稀野生動物的適宜生境范圍。最后根據土地利用類型和植被類型，剔除不適合物種分布的小班[2]，最終確定生態源地。

進行生境適宜性分析的植被覆蓋度是通過對遙感影像提取的NDVI計算得到；坡度和高程提取自DEM數據；距水體距離和距道路距離是先從森林資源二類調查數據中獲得水體、道路的分布情況，再通過ArcGIS的緩沖區工具生成。根據《國家森林資源連續清查技術規定》、桂東縣的地形地貌特征以及野生動物的分布特征將各因子分為5級，并分別賦值1、3、5、7、9，1為最不適宜，9為最適宜，具體分級指標見表1。

表 1 生境適宜性指標分級Table 1 Classification of habitat suitability indicators

2.3.2 阻力面的建立

動物的遷徙和生境的維護會受到地理環境和人類活動的影響[18]，本研究結合桂東縣的生態環境特征，通過GIS工具提取生態源地的中心點作為源點，采用Knaapen等[19]提出的最小累積阻力模型（MCR）來建立阻力面。該模型計算物種從源到目的地運動過程中所需要耗費的代價即克服的阻力成本，可以反映物種運動的趨勢和利用生態環境的可能性[20]。計算公式如下：

式中：MCR為最小累積阻力值；f是一個單調遞增函數，反映空間中任一點的最小阻力與其到所有源的距離和景觀基面特征的正相關關系； 是物種從源j到空間某一點所穿越的某景觀的基面i的空間距離； 是景觀i對某物種運動的阻力[18,21]。其中， 、 的計算是通過AreGIS 10.2的空間分析工具（Spatial Analyst Tools / Distance）實現，

通過計算成本距離（Cost Distance）獲得， 通過計算成本分配（Cost Allocation）獲得。

相關研究表明[21-22]，珍稀野生動物在研究區內運動的阻力與植被狀況、距水源距離、距道路距離密切相關，并通過對環保組織專家和當地林業局有關專家咨詢后，最終確定三者的權重分別為0.4、0.4、0.2。成本柵格圖層計算公式為：

式中：NDVI表示歸一化植被指數； 表示距公路距離； 表示距水體距離； 表示距公路距離柵格圖層的最大像素值； 表示距水體距離柵格圖層的最大像素值[21]。

2.3.3 珍稀野生動物保護的安全格局構建

阻力面是反映物種運動的連續體，類似于地形表面，由峰、谷、鞍、脊等構成，它反映了生態過程之動態[18]，為更清晰的識別各源之間的聯系，將阻力面轉化為等阻力線[18]進行觀察分析。MCR值為最小累積阻力值，反映了物種從源到空間某一點的某一路徑的相對易達性，其中從所有源到該點阻力的最大值可以用來衡量該點的易達性，這個最大值點稱為戰略點[18]。生態廊道是指從源到源MCR值較低的通道[20]，每個源和其他任一源都有1條或多條低累積阻力谷線，選取其中阻力最低的通道作為源地之間的生態廊道，2條生態廊道的交叉點作為戰略點。

將上述識別的珍稀野生動物保護區、生態廊道、戰略節點疊加組合，就形成了某一安全水平上的珍稀野生動物保護的安全格局[18]。

3 結果與分析

3.1 珍稀野生動物保護區

依上述珍稀野生動物保護區的劃定方法，劃定林地紅線723.82 km2，濕地紅線95.7 km2，最終劃定桂東縣珍稀野生動物保護區819.52 km2，占全縣總面積的56.44%，分布情況見圖2。結合土地利用數據研究后發現：珍稀野生動物保護區內的土地利用類型主要是林地和濕地。林地紅線范圍主要由水源涵養林組成，剩余小部分屬于自然保護林和水土保持林，它們都對保護珍稀野生動物、維持生態系統穩定有著不可替代的作用。

圖 2 珍稀野生動物保護區分布Fig. 2 Distribution of the rare wild animals reserve

3.2 阻力面

通過生境適宜性分析和面積篩選之后得到珍稀野生動物的適宜生境面積為409.97 km2，占全縣總面積的28.23%。結合土地利用現狀和植被類型篩選后識別得到生態源地，生態源地面積共87.19 km2，占全縣總面積的6.00%。通過MCR值的計算得到阻力面，為更清晰的識別各源之間的聯系，將阻力面轉化為等阻力線，其分布情況見圖3。由圖3可知，生態源地主要集中分布于八面山自然保護區和齊云峰森林公園的齊云山片區，桂東縣北部和南部有部分分布在森林公園外圍，總體具以下特征：海拔較高、植被覆蓋度高、接近水源、遠離道路和居民點[23]。

圖 3 景觀阻力線Fig. 3 Landscape resistance line

3.3 珍稀野生動物保護安全格局

通過景觀阻力面共識別生態廊道4條，戰略節點4個。將圖2中的珍稀野生動物保護區與通過阻力面識別的生態廊道、戰略節點疊加，生成“戰略節點—生態廊道—珍稀野生動物保護區”相結合的珍稀野生動物保護安全格局（圖4）。由圖4可知，生態廊道多分布在濕地和連續植被帶，構成了區域內重要的生態“骨架”。通道1沿八面山的走向貫穿桂東縣南北方向，總長度55 387.86 m，此通道的景觀組分主要由林地組成，在空間延伸方向上生態系統類型的一致性較高，有利于動物遷徙[23]；通道2同樣貫穿了桂東縣的南北方向，總長度為73 960.62 m，可以發現該通道走勢和水體流向非常一致，大部分區域或跨越河流或平行于河流，反映了源間生物的流動趨勢，說明物種的運動與水源有密切關系；通道3是1條連接了自然保護區和森林公園2個區域物種分布區之間的低累積阻力線，全長36 190.32 m；通道4是連接戰略點A和B之間的通道，共21 041.35 m，這里景觀異質性較高，耕地和建設用地占比較大，接近人類活動區域，該通道的作用是保障局部區域源地間的聯系[23]。2005年，朱強等[24]通過總結不同學者有關生態廊道的研究后認為生態廊道寬度在100～200 m時比較適合生物多樣性保護。同時，參照美國馬里蘭州生態廊道的劃定經驗[25]，本研究將生態廊道的寬度確定為150 m。

圖4中A、B、C 3個點均處于阻力線相切的位置，是等阻力谷線的極大值點，這里地形相對平坦，人類活動較多，當物種跨越這些點活動時，必須克服極大的阻力，是源間溝通的重要戰略點，在這些點周圍引入生物斑塊可以促進各源之間的相互聯系[18,23]。戰略點D的地理位置不同于其他3個點，位于八面山的東南坡，這里海拔較高，坡度較陡，且靠近水源，為避免自然保護區內野生物種棲息地的破碎化，保障物種的遷徙，應對該處的植被進行優化調整，并減少人類活動。

圖 4 基于“點—線—面”的珍稀野生動物保護安全格局Fig. 4 Rare wild animal protection and safety pattern based on 'point-line-surface'

4 結論與討論

在南方集體林區，林地面積大，森林覆蓋率高，生物多樣性是當地居民賴以生存的條件，是區域經濟社會可持續發展的基礎，是區域生態安全的重要保障。由于經濟水平較為落后，地方政府發展經濟、當地林農擺脫貧困的內在驅動力較大，導致林地被占用、森林質量下降，生物多樣性降低，威脅到區域生態安全。珍稀野生動物保護的區域“點—線—面”安全格局構建方法研究，結合了動物的空間分布和遷徙過程，為南方集體林區野生動物保護提供一種新的研究思路。

研究結果表明：桂東縣珍稀野生動物保護區共819.52 km2，占全縣總面積的56.44%，其中，林地面積723.82 km2，濕地面積95.7 km2。作為生態源地的物種棲息地面積共87.19 km2，現已有50.84%的區域被劃入保護區或森林公園，這部分區域除科學研究以外，應禁止各類生產經營。生態廊道總長度為186.58 km，其分布與山脈走向和河流水系延伸方向一致，在城市建設中應優先保護本身具有廊道效應的濕地生態系統和森林生態系統[2,23]，并且盡量減少道路對動物遷移的影響。通過阻力面的構建，識別戰略點共4個，這些區域需加強生態保護，禁止損害生態系統功能的開發建設活動。

本研究還存在以下幾個問題：1）研究的重點是珍稀野生動物的安全格局，雖然在珍稀野生動物保護區劃定過程中，考慮了林地、濕地生態系統的作用，但缺乏深入分析；2）利用最小累積阻力模型構建阻力面時各阻力因子的權重賦值會對研究結果造成影響[20]；3）生態廊道寬度的設置會直接影響其生態功能的發揮[26]。以上3個問題需要在今后的研究中進一步的分析與探索。

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