基于景觀格局指數(shù)的錢(qián)江源國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)分析

余建平，伊?xí)韵迹囗樅＃煺x明，米湘成，任海保

（1. 錢(qián)江源國(guó)家公園生態(tài)資源保護(hù)中心，浙江 開(kāi)化 324300；2.中國(guó)科學(xué)院 植物研究所植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100093；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和生態(tài)保護(hù)意識(shí)的提高，我國(guó)的自然保護(hù)得到快速發(fā)展，截至2016 年底，已建成包括自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等十類(lèi)自然保護(hù)地，各類(lèi)自然保護(hù)地已達(dá)1.15 萬(wàn)處，占國(guó)土面積的18%以上[1]。但是，現(xiàn)有的自然保護(hù)地仍然存在碎片化、多頭管理、保護(hù)區(qū)域交叉重疊等問(wèn)題，影響了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的發(fā)揮，而建立以國(guó)家公園為主體的自然保護(hù)地體系為解決中國(guó)自然保護(hù)地發(fā)展中存在的問(wèn)題提供了有效途徑[2-3]。我國(guó)對(duì)國(guó)家公園的定義是：“國(guó)家公園是指由國(guó)家批準(zhǔn)設(shè)立并主導(dǎo)管理，邊界清晰，以保護(hù)具有國(guó)家代表性的大面積自然生態(tài)系統(tǒng)為主要目的，實(shí)現(xiàn)自然資源科學(xué)保護(hù)和合理利用的特定陸地或海洋區(qū)域”，國(guó)家公園的首要功能是保持自然生態(tài)系統(tǒng)的完整性和原真性[4-6]。從生態(tài)系統(tǒng)組成要素的角度來(lái)看，完整性是指生態(tài)系統(tǒng)具備區(qū)域自然生境所應(yīng)包含的全部本土生物多樣性和生態(tài)學(xué)過(guò)程并保持結(jié)構(gòu)和功能未遭受損害，原真性則要求生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)過(guò)程處于高質(zhì)量的自然狀態(tài)，避免受人類(lèi)活動(dòng)的干擾[7]。保持國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)完整性和原真性，對(duì)保護(hù)區(qū)域生物多樣性、穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)功能均具有重要作用[8]，因此評(píng)估國(guó)家公園的完整性顯得非常緊迫和重要。

目前，生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)方法多選取與生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和過(guò)程密切相關(guān)的生態(tài)指標(biāo)，如生物多樣性、生境破碎化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等指標(biāo)，用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法將其轉(zhuǎn)化成生態(tài)系統(tǒng)完整性指數(shù)，揭示生態(tài)系統(tǒng)完整性狀況[9]。如：李鑫等選取景觀優(yōu)勢(shì)度、植被生物量以及景觀多樣性等指數(shù)建立生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)體系，從結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性兩個(gè)方面評(píng)價(jià)了豐滿水電站周邊區(qū)域的生態(tài)完整性[10]；熊建新等從景觀生態(tài)學(xué)角度出發(fā)，用斑塊分維數(shù)、景觀多樣性指數(shù)、連接指數(shù)等景觀格局指數(shù)對(duì)東洞庭湖濕地景觀空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了完整性分析[11]。景觀生態(tài)學(xué)為在景觀水平上分析國(guó)家公園的完整性和原真性提供了有效方法，通過(guò)數(shù)量化分析景觀組分的空間分布特征，揭示空間格局和生態(tài)過(guò)程之間的聯(lián)系[12-13]，作為景觀生態(tài)學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，景觀破碎化通過(guò)改變生態(tài)系統(tǒng)組分、結(jié)構(gòu)影響生態(tài)過(guò)程和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[14-15]。因此，景觀破碎化程度從一定的側(cè)面反映了生態(tài)系統(tǒng)完整性的破壞程度。

基于我國(guó)十大國(guó)家公園體制試點(diǎn)區(qū)尚未進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)，本文以錢(qián)江源國(guó)家公園體制試點(diǎn)區(qū)（以下簡(jiǎn)稱錢(qián)江源國(guó)家公園）為樣本，應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)原理，以浙江省開(kāi)化縣2014 年二類(lèi)資源調(diào)查的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取斑塊密度、平均斑塊面積等景觀格局指數(shù)，從破碎度、形狀和聚集程度等角度對(duì)各景觀組分的特征進(jìn)行分析，探討錢(qián)江源國(guó)家公園各功能區(qū)景觀構(gòu)成和破碎化程度以及各功能區(qū)內(nèi)重要森林類(lèi)型的破碎化狀況，分析錢(qián)江源國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)的完整性和原真性，為國(guó)家公園的生物多樣性保護(hù)提供管理對(duì)策，同時(shí)也為其他國(guó)家公園的完整性分析提供案例。我們?cè)噲D解決以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）各景觀類(lèi)型在錢(qián)江源國(guó)家公園及其不同功能區(qū)中的分布；（2）錢(qián)江源國(guó)家公園各功能區(qū)景觀破碎化程度如何；（3）錢(qián)江源國(guó)家公園各功能區(qū)內(nèi)重要森林類(lèi)型的破碎化程度如何。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

錢(qián)江源國(guó)家公園位于浙江省開(kāi)化縣（118°03′58.90″～ 118°21′30.25″E，29°10′32.10″～ 29°26′44.27″N），地處浙、贛、皖三省交界處，由古田山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、錢(qián)江源國(guó)家級(jí)森林公園以及連接這兩處之間的生態(tài)區(qū)域組成，面積為252 km2，海拔在170～ 1 260 m 之間，屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫15.3℃，年降水量1 963.7 mm，四季變化明顯[16]，地帶性土壤為紅壤、黃紅壤、紅黃壤與部分沼澤土。植物區(qū)系成分以華東植物區(qū)系為主，植被分布垂直帶上涵蓋了常綠闊葉林、溫性針闊葉混交林、溫性針葉林以及山地和溝谷常綠落葉闊葉混交林等具有代表性的亞熱帶區(qū)域森林植被類(lèi)型[16]，共有高等植物233 科939 屬2048 種，古老、孑遺、珍稀瀕危植物種類(lèi)多，省級(jí)及省級(jí)以上珍稀瀕危保護(hù)野生植物有63 種，其中，國(guó)家級(jí)珍稀瀕危野生植物有50 種，是特色珍稀野生植物野含笑Michelia skinneriana，香果樹(shù)Emmenopterys henryi，尾葉紫薇Lagerstroemia caudata等種群的集中保留地。動(dòng)物資源豐富，有國(guó)家級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生動(dòng)物46 種，省級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生動(dòng)物有38 種，是中國(guó)特有的世界珍稀瀕危物種、國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物白頸長(zhǎng)尾雉Syrmaticus ellioti，黑麂Muntiacus crinifrons的主要棲息地[17]。在行政區(qū)劃上包括蘇莊、長(zhǎng)虹、何田、齊溪四個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），共有21 個(gè)行政村、74 個(gè)自然村、9 744 人。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 根據(jù)保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)完整性、保障社區(qū)發(fā)展、適度游憩利用的原則，虞虎等將錢(qián)江源國(guó)家公園分為核心保護(hù)區(qū)、生態(tài)保育區(qū)、游憩展示區(qū)和傳統(tǒng)利用區(qū)四個(gè)功能區(qū)[18]（圖1）。以浙江省二類(lèi)資源調(diào)查繪制的開(kāi)化縣小班圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS10.2 空間分析平臺(tái)，剪裁出錢(qián)江源國(guó)家公園整體以及四個(gè)功能區(qū)的范圍。根據(jù)區(qū)域土地和植被類(lèi)型的分布情況，對(duì)錢(qián)江源國(guó)家公園的植被進(jìn)行分類(lèi)，得到9 種土地覆蓋類(lèi)型，其中，1 種類(lèi)型為農(nóng)用地、居住地、交通用地等組成的非林地，其余8 種均為植被類(lèi)型，分別為常綠闊葉林、針闊混交林、天然針葉林（主要指馬尾松Pinus massoniana林和黃山松P.taiwanensis林）、杉木Cunninghamia lanceolata林、竹林、茶Camellia sinensis園、油茶Camellia oleifera林、其他經(jīng)濟(jì)林或灌叢（圖2）。

錢(qián)江源國(guó)家公園海拔在170～ 1 260 m 之間，其中，170～ 800 m 為低海拔區(qū)域。自然度表示現(xiàn)實(shí)森林類(lèi)型與地帶性頂極森林類(lèi)型的差異程度，或次生森林類(lèi)型位于演替中的階段，錢(qián)江源國(guó)家公園內(nèi)的植被可劃分為I，II，III 三個(gè)自然度，自然度I 代表原始或受人為影響很小的地帶性頂級(jí)群落的植被；自然度II 代表有明顯人為干擾的天然植被或處于演替中期或后期的次生群落；自然度III 代表人為干擾很大，演替逆行處于極為殘次的次生植被以及全部人工林[19]。為進(jìn)一步了解國(guó)家公園內(nèi)典型地帶性植被常綠闊葉林的分布，結(jié)合自然度和海拔兩個(gè)因素，以海拔800 m 為界限，提取出各功能區(qū)內(nèi)海拔800 m 上、下以及三個(gè)自然度的常綠闊葉林。最后將得到的土地利用類(lèi)型矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)格式，借助Fragstats 4.2 軟件完成相關(guān)景觀格局指數(shù)的計(jì)算。

1.2.2 景觀指數(shù)的選取 景觀格局指數(shù)能夠高度濃縮景觀格局的信息，反映景觀結(jié)構(gòu)組成以及空間配置方面的特征[20]，景觀空間結(jié)構(gòu)的完整性可以從斑塊特征指標(biāo)、空間格局指標(biāo)和景觀空間構(gòu)型指標(biāo)中體現(xiàn)[11]。本文擬從破碎度、斑塊形狀和連通性等角度探討錢(qián)江源國(guó)家公園景觀生態(tài)特征，進(jìn)而分析國(guó)家公園的完整性和原真性，選取的景觀格局指數(shù)包括以下三類(lèi)：

（1）表征斑塊面積大小和破碎化的平均斑塊面積（MPS）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、斑塊密度（PD）。PD是指景觀單位面積中的斑塊數(shù)，MPS指景觀中斑塊平均面積的大小，這兩個(gè)指標(biāo)用于定量分析景觀的破碎化程度，PD與景觀破碎化程度成正比，MPS與景觀的破碎化程度呈反比；LPI指景觀中面積最大的斑塊占景觀總面積的百分比，有助于確定景觀的優(yōu)勢(shì)類(lèi)型[21-22]。

圖1 錢(qián)江源國(guó)家公園體制試點(diǎn)區(qū)功能分區(qū)Figure 1 Functional zoning of Qianjiangyuan National Park pilot area

圖2 2014 年錢(qián)江源國(guó)家公園森林類(lèi)型Figure 2 Land types of Qianjiangyuan National Park in 2014

式中，N為景觀中某類(lèi)斑塊的數(shù)量，A為某類(lèi)斑塊的總面積。

式中，aij為景觀類(lèi)型i中斑塊j的面積。

（2）反映斑塊形狀特征的平均形狀指數(shù)（MSI）和面積加權(quán)的平均分維數(shù)（AWMPFD）。這兩個(gè)指標(biāo)反映斑塊形狀的復(fù)雜程度，也在一定程度上反映出人類(lèi)活動(dòng)對(duì)景觀格局的影響[23-24]。

式中，m為景觀斑塊類(lèi)型數(shù)，n為景觀中所有斑塊個(gè)數(shù)，pij為景觀類(lèi)型i中斑塊j的周長(zhǎng)。

（3）反映斑塊之間聚集程度的蔓延度指數(shù)（CONTAG）。CONTAG描述景觀斑塊的連通性程度，分析景觀的聚集和散布情況[21-23]。

2 結(jié)果與分析

錢(qián)江源國(guó)家公園不同功能區(qū)內(nèi)各景觀類(lèi)型的面積如表1 所示。由表1 可知，錢(qián)江源國(guó)家公園植被類(lèi)型以天然針葉林、常綠闊葉林和杉木林為主要類(lèi)型，其中，常綠闊葉林有5 855.2 hm2，占整個(gè)國(guó)家公園面積的22.4%，主要分布在核心保護(hù)區(qū)和生態(tài)保育區(qū)。

表1 2014 年錢(qián)江源國(guó)家公園景觀類(lèi)型面積Table 1 Area of different landscape types of Qianjiangyuan National Park in 2014

結(jié)合海拔（800 m）和自然度（I，II，III）對(duì)常綠闊葉林的分布和原真性作進(jìn)一步分析（表2），結(jié)果表明，常綠闊葉林主要分布在800 m 以下的低海拔區(qū)域，其中，在核心保護(hù)區(qū)和生態(tài)保育區(qū)低海拔地區(qū)分布著大面積自然度I 的常綠闊葉林（由于自然度劃分精度的原因，有少部分區(qū)域自然度屬性為空值，導(dǎo)致劃分海拔和自然度后的常綠闊葉林面積和未劃分前的面積存在偏差），表明這兩個(gè)功能區(qū)內(nèi)的常綠闊葉林維持較好的原真性。

表2 錢(qián)江源國(guó)家公園各功能區(qū)中不同海拔和自然度的常綠闊葉林面積Table 2 Area of evergreen broad-leaved forest at different elevations with different naturalness in each functional zone of Qianjiangyuan National Park

天然針葉林面積為4 993.6 hm2，占整個(gè)國(guó)家公園面積的19.1%，集中分布在生態(tài)保育區(qū)內(nèi)，多為砍伐后次生的馬尾松林和黃山松林；杉木林、油茶林和茶園等屬于經(jīng)濟(jì)林，杉木林的面積為6 841.4 hm2，占26.1%，其中，人工純杉木林2 000.8 hm2（圖3），占7.6%，集中分布在生態(tài)保育區(qū)和傳統(tǒng)利用區(qū)，油茶林面積1 503.9 hm2，占5.7%，茶園577.1 hm2，占2.2%。非林地包括農(nóng)用地、居住地、交通用地和部分裸地，共2 785.2 hm2，占10.6%，主要分布在生態(tài)保育區(qū)和傳統(tǒng)利用區(qū)，在核心保護(hù)區(qū)也有少量分布。各功能區(qū)的景觀指數(shù)見(jiàn)表3。由表3 表明，（1）核心保護(hù)區(qū)的PD最小，MPS最大，LPI較高，表明該區(qū)內(nèi)存在明顯的主導(dǎo)景觀類(lèi)型；MSI較高，受到的人為干擾較小；CONTAG較低，表明斑塊的分離程度高，不同景觀類(lèi)型之間未能形成良好的連接性。（2）生態(tài)保育區(qū)的PD略高于核心保護(hù)區(qū)，MPS僅次于核心保護(hù)區(qū)，表明生態(tài)保育區(qū)的景觀破碎化低，斑塊平均面積較大；LPI最低，表明生態(tài)保育區(qū)內(nèi)各種類(lèi)型的景觀斑塊分布均勻、優(yōu)勢(shì)度不明顯；MSI較高，受到的人為干擾較小；CONTAG較低，斑塊的分離程度高。（3）傳統(tǒng)利用區(qū)和游憩展示區(qū)的PD高，MPS小，表明游憩展示區(qū)和傳統(tǒng)利用區(qū)由較分散的小斑塊組成，破碎化程度較高；LPI較高，存在明顯的主導(dǎo)景觀類(lèi)型；MSI較小，區(qū)域內(nèi)組成斑塊形狀較簡(jiǎn)單，受到人為干擾的強(qiáng)度相對(duì)較大；CONTAG均較低，斑塊的分離程度高。

圖3 錢(qián)江源國(guó)家公園各功能區(qū)人工純杉木林的面積Figure 3 Area of C.lanceolata plantation in each functional zone of Qianjiangyuan National Park

表3 錢(qián)江源國(guó)家公園不同分區(qū)的景觀格局指數(shù)Table 3 Landscape pattern index of different functional zones of Qianjiangyuan National Park

對(duì)錢(qián)江源國(guó)家公園不同功能區(qū)內(nèi)重要森林類(lèi)型天然針葉林、常綠闊葉林和針闊混交林的破碎化分析結(jié)果如表4。由表4 可知，（1）核心保護(hù)區(qū)中三種植被類(lèi)型的PD均較小，其中，常綠闊葉林的MPS和LPI最大，表明常綠闊葉林分布集中，破碎化程度小，是核心保護(hù)區(qū)中的優(yōu)勢(shì)景觀類(lèi)型。核心保護(hù)區(qū)三種植被類(lèi)型的MSI均較大，表明這三種重要植被景觀斑塊形狀復(fù)雜，植被受到人為干擾程度較輕。（2）生態(tài)保育區(qū)中三種植被類(lèi)型的PD均較小，其中，天然針葉林和常綠闊葉林的MPS和LPI較大，表明生態(tài)保育區(qū)植被破碎化程度較低，植被類(lèi)型以天然針葉林和常綠闊葉林為主。（3）游憩展示區(qū)三種植被類(lèi)型PD均較大，MPS和LPI均較小，表明游憩展示區(qū)整體景觀破碎化程度較大，天然針葉林和針闊混交林是此區(qū)域相對(duì)主要的植被類(lèi)型。游憩展示區(qū)三種植被類(lèi)型的MSI均較小，表明該區(qū)域景觀被分割成形狀簡(jiǎn)單的小斑塊，植被受到較大程度的人為影響。（4）傳統(tǒng)利用區(qū)中天然針葉林的PD均較大，破碎化程度較大，常綠闊葉林和針闊混交林的PD均較小，常綠闊葉林的MPS和LPI較大，是傳統(tǒng)利用區(qū)中的優(yōu)勢(shì)景觀類(lèi)型。

表4 錢(qián)江源國(guó)家公園不同分區(qū)重要森林類(lèi)型的景觀格局指數(shù)Table 4 Landscape pattern index of main forest types in different functional zones of Qianjiangyuan National Park

3 結(jié)論與討論

國(guó)家公園的建設(shè)有利于保護(hù)我國(guó)大面積的自然生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自然資源的科學(xué)保護(hù)與合理利用，保持中亞熱帶低海拔常綠闊葉林自然生態(tài)系統(tǒng)的完整性和原真性是錢(qián)江源國(guó)家公園的首要功能[9,18]。本文應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)的原理，選取表征景觀破碎化、人為干擾程度和景觀連接程度的景觀格局指數(shù)對(duì)錢(qián)江源國(guó)家公園的景觀生態(tài)特征進(jìn)行定量化研究，從景觀尺度分析其生態(tài)系統(tǒng)的完整性和原真性。結(jié)果表明，錢(qián)江源國(guó)家公園自然生態(tài)系統(tǒng)總體保持較好的完整性和原真性，各功能區(qū)的破碎化和人為干擾程度由大到小表現(xiàn)為：游憩展示區(qū)＞傳統(tǒng)利用區(qū)＞生態(tài)保育區(qū)＞核心保護(hù)區(qū)，與國(guó)家公園功能區(qū)的特點(diǎn)以及保護(hù)與利用要求基本一致。

核心保護(hù)區(qū)和生態(tài)保育區(qū)內(nèi)低海拔地區(qū)分布著大面積原始常綠闊葉林，斑塊面積大、景觀破碎化程度低，受到較小的人為干擾和破壞。該區(qū)域常綠闊葉林是典型的甜櫧Castanopsis eyrie-木荷Schima superba林，群落垂直結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括冠層、亞冠層、灌木層、草本層，生物多樣性高，稀有種豐富，生境異質(zhì)性高，是國(guó)家一級(jí)保護(hù)動(dòng)物黑麂Muntiacus crinifrons棲息地集中分布的區(qū)域[25-26]。錢(qián)江源國(guó)家公園常綠闊葉林分布區(qū)包含了常綠闊葉林全部物理環(huán)境要素、完整的生境和動(dòng)植物相互作用關(guān)系，能維持種群生存繁衍、生態(tài)功能穩(wěn)定和生態(tài)系統(tǒng)健康，整體保持較好的完整性和原真性。核心保護(hù)區(qū)內(nèi)仍有部分非林地（居住地）分布，不符合該區(qū)域零人為干擾的原則，應(yīng)通過(guò)搬遷等措施盡量消除人類(lèi)活動(dòng)的影響。生態(tài)保育區(qū)是次生常綠闊葉林的最大分布區(qū)，同時(shí)也是人工種植的純杉木林的主要分布區(qū)之一，表明生態(tài)保育區(qū)內(nèi)部分植被的原真性遭到破壞，原始林被次生林和人工林代替，生態(tài)保育區(qū)是核心保護(hù)區(qū)的屏障，應(yīng)作為國(guó)家公園的重點(diǎn)保護(hù)和恢復(fù)區(qū)域，在維持原生生境的同時(shí)實(shí)現(xiàn)已遭到不同程度破壞區(qū)域的自然恢復(fù)或人工干擾修復(fù)。傳統(tǒng)利用區(qū)和游憩展示區(qū)是自然資源利用程度相對(duì)較高的區(qū)域，組成斑塊面積小、破碎化程度較高，受人為活動(dòng)影響較大，傳統(tǒng)利用區(qū)在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下發(fā)展農(nóng)林經(jīng)濟(jì)，該區(qū)內(nèi)無(wú)原始常綠闊葉林，取而代之的部分次生常綠闊葉林和大面積人工種植的純杉木林等經(jīng)濟(jì)林木，植被的原真性破壞較嚴(yán)重，游憩展示區(qū)主要承擔(dān)國(guó)家公園的生態(tài)旅游功能，是人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度最大的功能區(qū)，也是破碎化程度最高、植被覆蓋率最低的區(qū)域，自然生態(tài)系統(tǒng)的完整性和原真性破壞相對(duì)其他功能區(qū)較嚴(yán)重。

錢(qián)江源國(guó)家公園四個(gè)功能區(qū)的蔓延度指數(shù)均較低，表明該國(guó)家公園整體景觀連通性較低，同種類(lèi)型的斑塊之間聯(lián)系不足。連通性反映景觀元素在空間結(jié)構(gòu)上的聯(lián)系，并通過(guò)影響生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程的進(jìn)行和功能的發(fā)揮影響生態(tài)系統(tǒng)完整性以及生物多樣性的維持[27-28]。因此，國(guó)家公園的管理應(yīng)致力于提高景觀連通性，促進(jìn)大面積次生林演替，促進(jìn)人工林向天然林轉(zhuǎn)變，提高生態(tài)系統(tǒng)的完整性。