自然保護區土地生態適宜性評價
——以湖南省萬佛山自然保護區為例

田倩倩，黃鳳蓮，王開心，萬大娟*，李嘉琪，王歡

（1.湖南師范大學資源與環境科學學院，長沙 410012；2.湖南省環境保護科學研究院，長沙 410004）

設立自然保護區是保護自然資源、維護生物多樣性的有效手段[1]，在保護珍稀特有物種資源、典型生態系統以及珍貴自然遺跡資源等方面具有重要價值[2]。但是，隨著社會經濟的高速發展，人類開發活動與生態保護的矛盾日益突出，在未識別土地生態適宜性的情況下盲目開采勢必會對保護區生態環境造成嚴重破壞。近些年，國內外學者結合地理信息系統（geographic information system,GIS）空間分析技術，對土地生態適宜性展開了大量的研究，并對土地生態適宜性評價方法進行了深入探討[3]。目前，常用的評價方法為加權疊加法[4-5]，實質上是結合GIS技術將各因子柵格化后進行疊加分析，主要從垂直生態過程角度進行分析，但土地的生態價值不僅僅由垂直生態要素決定，還由該土地景觀單元在水平生態過程中的流動等相互作用來決定[6]。因此，在土地生態適宜性評價過程中需結合垂直生態過程和水平生態過程，更加客觀地進行生態適宜性評價。

基于此，本文選取湖南省通道侗族自治縣萬佛山自然保護區為研究區，在自然保護區現狀的基礎上首次應用最小累積阻力模型分析景觀水平過程，結合垂直生態過程和水平生態過程綜合進行土地生態適宜性分區，以期為科學合理制定保護區規劃和加強保護區土地生態管理提供技術信息參考。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

湖南省萬佛山自然保護區始建于1998年10月，位于湖南省西部的懷化通道侗族自治縣境內，地理位置為25°52′—26°29′N，109°25′—110°00′E，總面積為9 983.43 hm2，是以保護丹霞地貌和野生動植物為重點的地質遺跡類自然保護區。保護區呈西南至東北走向，地貌類型多樣，為發育典型的尖錐狀密集峰叢峰林型丹霞地貌；屬常綠闊葉林生態系統，脊椎動物資源豐富，是動植物的天然避難所和保存完好的棲息地。同時，萬佛山-侗寨國家級風景名勝區丹霞地貌景觀、萬佛山國家地質公園與萬佛山自然保護區部分重疊，保護區內風景資源豐富，擁有丹霞群山、丹崖赤壁、丹霞洞穴、丹霞濕地等自然景觀。

1.2 數據來源與處理

本文采用的基礎數據主要包括2017年美國陸地衛星計劃第8顆衛星（Landsat 8）獲得的萬佛山自然保護區遙感影像，萬佛山自然保護區數字高程模型（digital elevation model,DEM）數據（基本格網單元大小為30 m×30 m），萬佛山自然保護區、萬佛山-侗寨國家級風景名勝區丹霞地貌景觀和萬佛山國家地質公園的矢量數據等。

對基礎數據進行預處理：1）根據研究目的和區域特征，對研究區遙感影像進行融合、幾何校正、裁剪等處理后，采用監督分類和人工目視解譯相結合的遙感分類方法，生成2017年萬佛山自然保護區土地利用類型圖，主要土地利用類型有林地、耕地、園地、水域、交通水利用地、城鄉建設用地等。2）基于Landsat 8遙感影像提取路網、河網、水庫，生成水系圖和交通圖。3）基于DEM數據，采用Arc GIS（10.4.1版）表面分析中坡度和坡向功能，得到萬佛山自然保護區柵格像元大小為30 m×30 m的坡度圖和坡向圖。

2 評價方法

2.1 基于層次分析法的垂直生態過程

2.1.1 評價指標體系構建

以垂直生態過程構建阻力基面時，本文參照目前國內自然保護區生態評價研究的有關指標體系[7-9]，結合萬佛山自然保護區的實際情況，由高程、坡度、坡向、土地利用類型、植被覆蓋度、鄰近水體、道路、居民點等10個基礎因子組成4大復合因子，構建阻力評價指標體系，結果見表1。在評價單個基礎因子的阻力時，將阻力分為5個等級，分別為1～5級，同時采用層次分析法確定各基礎因子的權重。

表1 阻力評價指標體系Table 1 Resistance evaluation index system

2.1.2 綜合阻力值運算

借鑒多因子加權疊加模型[10]，建立阻力模型[11]以表示保護區生態源擴張所受的阻力情況，公式如下：

式中：Z為綜合阻力值；n為因子數；Wi為因子i的權重值；Pi為第i個因子的分值。

2.2 基于最小累積阻力模型的水平生態過程

2.2.1 模型概述

最小累積阻力模型是指從源地經過不同阻力的景觀類型所累積耗費的最小費用或克服阻力所做的最小功，最早由KNAPPEN等[12]于1992年提出，經國內俞孔堅[13]的修改，可用下列公式表示：

式中：MCR為最小累積阻力值；Dij為源j到目的地i的距離；Ri為阻力系數。該模型可通過Arc GIS空間分析中的成本距離（cost distance）模塊實現。

2.2.2 過程源的確定

在保護區內就瀕危物種和典型生態系統的保護而言，MCR中的“源”是指利于該區域生態環境可持續發展的特殊景觀斑塊[14]。就萬佛山自然保護區而言，是指以七星山、神仙洞峰、將軍山、萬佛山等為主體形成的丹霞峰林景觀群區域、三十六灣原始次生林區域和龍底原始次生林區域。

3 評價過程

3.1 生成阻力基面

利用GIS空間分析技術，基于垂直生態過程創建的阻力評價體系（表1）并結合式（1）進行綜合阻力值計算，得到萬佛山自然保護區阻力基面圖（圖1），其中最高阻力值為4.282 0，最低為0.971 7。保護區中部太平巖村、江寨村、官團村區域和南部毗鄰通道侗族自治縣縣城區域阻力值較大，萬佛山、將軍山、神仙洞及其周邊林地區域和龍底原始次生林區域的阻力值較小，其他區域介于兩者之間。

圖1 阻力基面Fig.1 Resistance base surface

3.2 生成最小累積阻力表面

基于綜合阻力值和過程“源”，計算最小累積阻力表面。根據式（2），采用Arc GIS中的成本距離模型，計算得到萬佛山自然保護區的最小累積阻力表面，如圖2所示。圖中紅色代表擴張過程的累積阻力值大，淺黃色代表擴張過程的累積阻力值小，顏色由“源”向外逐漸變深，說明擴張過程受到的累積阻力逐漸增加。

在此基礎上運用標準方差對計算結果進行重分類，分為C1～C8類，每類之間的間隔為1/2方差，得到萬佛山自然保護區最小累計阻力的標準方差分類圖層（圖3）。同時，統計各類所對應的柵格數目，分析二者之間的對應關系，結果如圖4所示。

圖2 最小累積阻力表面Fig.2 Minimum cumulative resistance surface

3.3 確定分區閾值

圖3 標準方差分類圖層Fig.3 Classification layer of standard variance

圖4 標準方差分類類別與像元數量的線性關系Fig.4 Linear relationship between classification categories of standard variances and number of pixels

根據前人研究結果，當某類擴張穿過突變點時，突變點阻力值會發生聚變[15]。從圖4可以發現，最小累積阻力從C2到C3、C4到C5、C5到C6的像元數量有個突變的過程。因此，可將C2、C4和C5處的阻力值作為臨界閾值，對萬佛山自然保護區的最小累積阻力表面進行分區，分區結果如表2所示。

表2 生態適宜性分區閾值Table 2 Zoning thresholds for ecological suitability

4 結果與討論

4.1 生態適宜性分區

根據表2中的分區區間，對最小累積阻力表面進行重分類，得到萬佛山自然保護區土地生態適宜性分區結果（圖5）和各區域面積以及比例結果（表3）。

圖5 土地生態適宜性分區結果Fig.5 Result of land ecological suitability zoning

Ⅰ級適宜區面積為4 036.04 hm2，占保護區總面積的40.43%，面積占比最大，主要分布于自然保護區北部、中部和東部區域。Ⅱ級適宜區面積為3 828.51 hm2，占保護區總面積的38.35%，這些區域分布在太平溪流域和玉帶河流域。Ⅲ級適宜區面積為1 426.77 hm2，占保護區總面積的14.29%，主要分布在大塘口村、太平巖村、官團村、城坪村等人口集中鄉村。Ⅳ級適宜區面積為692.11 hm2，占保護區總面積的6.93%，主要分布于保護區南端。

李茂森等[5]以安塞縣縣南溝流域農用地為研究對象，通過遙感（remote sensing,RS）和地理信息系統（GIS）技術，將評價因子的矢量圖進行疊加，得到生態適宜性評價單元圖；李鵬山等[16]選取海口市建設用地作為研究對象，運用空間疊加分析法，將研究區建設用地生態適宜性分為5個等級；王軍德等[17]以石羊河流域中游涼州區為研究區域，通過最小累計阻力模型，從水平生態過程分析，將研究區域劃分為4個生態適宜區；彭云飛等[18]以深圳市為研究對象，采用最小累積阻力模型模擬深圳市生態用地和建設用地的空間擴張過程，將土地生態安全控制區劃分為2種類型。

本文以湖南省萬佛山自然保護區為研究區域，運用最小累積阻力模型和GIS空間分析方法對萬佛山自然保護區進行土地生態適宜性評價，劃分出4個等級的土地生態適宜區。該模型實現了垂直生態過程和水平生態過程相結合，一定程度上彌補了傳統方法僅研究景觀單元的垂直過程或水平過程的缺點，更加準確地模擬了分區結果，為保護區土地生態管理提供了依據。

4.2 與已有生態用地的耦合關系

生態用地具有重要的生態系統服務功能，在維持區域生態平衡和可持續發展中起著重要的作用。當前，學術界未對生態用地內涵形成明確、統一的定論，眾多學者從不同的角度對生態用地概念及內涵進行了闡述或界定[19]。本文借鑒前人研究[20-21]，結合保護區實際并參考現行的國土資源管理的用地分類標準，將萬佛山自然保護區的生態用地分為林地、水域、園地、耕地，其中生態適宜性分區與已有生態用地空間耦合結果見圖6和表4。

Ⅰ級適宜區是林地分布最為密集的類型區，承擔了林地面積的43.69%；Ⅱ級適宜區內水域、園地和耕地分布較多，分別占相應類型用地面積的51.59%、50.91%和46.34%。這2種類型區內的生態用地對于保護生物多樣性、涵養水源、防治水土流失及保護丹霞地貌等有著重要的生態意義，今后的土地規劃應以生態保護為主，控制一切開發建設活動；加強區內森林、河流等自然生態系統的保護和修復，不斷改善和提高生態系統功能。

Ⅲ級適宜區內的生態用地面積為1 379.35 hm2，占該區域用地面積的96%，主要以林地、耕地為主。該區域應以保障生態安全為底線，不得建設污染環境、破壞資源或者景觀的生產設施；政府應引導鼓勵居民發展生態農業經濟體系，積極開展退耕還林。

圖6 分區結果與生態用地空間分布Fig.6 Results of zoning and the spatial distribution of ecological land use

Ⅳ級適宜區是4種類型生態用地分布最少的區域。該類型區地形平坦，人口聚集，建設用地較多，人類活動對保護區生態環境的沖擊較大。該區域今后的規劃應以生態建設為主，嚴格依照《中華人民共和國自然保護區條例》有關規定管理開展參觀、旅游等活動。

5 結論

1）在空間上將萬佛山自然保護區劃分為4個等級的土地生態適宜區：Ⅰ級適宜區面積為4 036.04 hm2，Ⅱ級適宜區為3 828.51 hm2，Ⅲ級適宜區為1 426.77 hm2，Ⅳ級適宜區為 692.11 hm2。

2）在生態適宜性分區與已有生態用地空間耦合關系上，Ⅰ級適宜區內林地分布最廣，Ⅱ級適宜區內水域、園地和耕地分布較多，Ⅲ級適宜區主要以林地、耕地為主，而Ⅳ級適宜區的生態用地分布最少。

3）不同等級適宜性分區的管理策略各不相同：Ⅰ級適宜區應以生態保護為主，控制一切開發建設活動；Ⅱ級適宜區應保持河流、生態園林等景觀類型，改善和提高生態系統功能；Ⅲ級適宜區應以保障生態安全為底線，發展生態農業，積極開展退耕還林；Ⅳ級適宜區內建設用地較多，應秉持環境保護與環境建設并舉的原則，最大限度減輕對生態環境的負面影響。

表4 生態用地在各分區中的分布Table 4 Distribution of ecological land use in different zones