四川省自然保護區時空分布與影響因素

王成武,崔 彪,*,汪宙峰,謝 亮,陳雅靚

1 西南石油大學地球科學與技術學院,成都 610500 2 西南石油大學土木工程與測繪學院,成都 610500

2020年是全球極端天氣的一年,多個地區已經出現了明顯的異常氣候現象[1—2],氣候變化給人類帶來了深刻的影響。為了應對全球氣候變化,世界各國采用了多種措施予以應對。其中,設立各級各類自然保護區,不僅可以有效保護生物多樣性,還對區域生態功能保護與修復具有重要的作用。中國的自然保護區建設經歷了從旨在珍稀動植物保護的點狀建設階段到全面生態功能建設的體系化建設階段,2015年之后形成了以國家公園為主體、自然保護區為基礎、各類自然公園為補充的自然保護地體系[3—5]。

四川省位于中國西南內陸腹地,地處長江上游流域,地形地貌復雜,氣候復雜多樣,自然資源豐富,在國家主體功能中承擔著重要的生態功能。從20世紀60年代至今,四川省共建成自然保護地489處,其中國家公園1處、自然保護區166處、地質公園34處、濕地公園55處、森林公園140處,風景名勝區93處(圖1)。在四川省自然保護地體系中,自然保護區占比最高(34%),建設歷史最早,多年來對四川省的生態保護發揮了重要的作用。目前學者們對于自然保護區或者自然保護地的研究,主要包括特定保護區的某類物種[6—7]或某個生態系統[8—9],自然保護地的生態承載力[10—11]、立法建設[12—13]、優化布局[14—15]等方面。近期也有學者開始從省域尺度研究部分省區自然保護地的空間分布格局[16—18]。為了探索四川省自然保護區的空間分布特征及空間演變的影響機制,本文采用地理空間分析的方法對166處自然保護區展開研究,以期為四川省自然保護區乃至自然保護地體系的建設提供一定的建議。

圖1 四川省自然保護地分布圖Fig.1 Distribution map of nature reserves in Sichuan Province

1 數據與空間分布研究方法

1.1 數據來源

國家公園數據和自然保護區數據來自四川省生態環境廳、四川省自然資源廳,地質公園數據來自四川省地質學會,風景名勝區、濕地公園數據來自四川省文化和旅游廳,森林公園數據來源于四川省林業和草原局,四川省海拔高程數據、植被區劃、水系數據、土壤分布數據來自資源環境與科學研究中心。人口數據、生產總值、自然科學領域投入資金來源于四川省統計年鑒。

1.2 空間分布及相關性研究方法

近年來空間統計學發展迅速,產生了諸如地理探測器、莫蘭指數等較多分析方法[19—26]。這些方法有的適于連續分布的地理要素,有的適于離散的地理要素,有的兩者均適用。對于點狀地理事物,多采用平均最近鄰指數法、基尼系數、重心遷移軌跡、核密度分析、標準差橢圓等方法刻畫與描述其空間分布狀態及演化過程。其中,平均最近鄰指數[27]用于研究點狀要素的空間分布類型；基尼系數[28]衡量研究點狀要素空間分布的均衡程度；核密度分析法[29]用于研究點狀要素在一定區域內的分布數量、總體的分布方位、集聚分布的區域；重心遷移軌跡法[30]用于分析點狀要素空間分布及其動態演化過程；標準差橢圓方法[31]用于研究基于目標對象的空間區位和空間結構,可從全局的、空間的角度定量解釋地理要素空間分布的中心性、展布性、方向性、空間形態等特征,橢圓空間分布范圍表示地理要素空間分布的主體區域。本文研究的自然保護區因將其視為點狀事物,故可作為離散的空間事物并研究其空間分布與演化特征。同時,文章采用相關系數法用于分析自然保護區空間分布的影響因素。

(1)平均最近鄰指數

將四川省各自然保護區平均觀測距離R1與四川省各自然保護區平均期望距離R2的比值NN與數字1進行比較，計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中S表示四川省面積,di表示自然保護區i至其最鄰近自然保護區的歐式距離,n表示四川省自然保護區總數目,以此用來衡量四川省自然保護區不同時期的積聚程度。

(2)基尼系數

本文應用其研究四川省自然保護區的空間均衡度,表示出不同城市研究對象數量的懸殊程度,其理論計算公式如下：

(4)

式中,Gini代表基尼系數；n為區域的數量；W為累計數量占總數量的比重。Gini的取值在0—1之間,Gini值越大,表明研究對象空間分布的均衡性越小,集中度越高。基尼系數可以表示出不同城市研究對象數量的懸殊程度。

(3)核密度分析

運用核密度分析工具研究1963—2018年四川省自然保護區的集聚分布的區域、數量、方位,用以判斷其變化情況。其理論公式如下：

(5)

式中,k()稱為核密度函數；(x-X1)表示自然保護區的某一x點至事件X1的距離；l>0,為帶寬；t是在帶寬范圍內的已知要素數目。

(4)重心分布軌跡

計算1963—2018年四川省自然保護區空間分布的重心,研究其重心的遷移軌跡,分析四川省自然保護區的空間演化過程。重心理論公式如下：

(6)

(7)

LXi=111×cosYi×(Xi-Xo)

(8)

LYi=111×(Yi-Yo)

(9)

L=111×arccos[cosYicosYicos(Xi-Xo)+sinYisinYo]

(10)

式中,Xo、Yo表示該年四川省自然保護區分布重心的經緯度坐標；n為該年四川省自然保護區的個數總和；Xi、Yi為第i個自然保護區的經緯度坐標；總偏移距離用L表示,東西向、南北向偏移距離分別為LXi、LYi。

(5)標準差橢圓

標準差橢圓是空間統計方法中能夠精確揭示要素空間分布多方面特征的方法。該方法通過以中心、長軸、短軸、方位角為基本參數,定量描述事物的總體空間分布特征。本文采用標準差橢圓算法分析四川省自然保護區的分布方向、疏密程度及動態變化。

(6)相關系數法

相關系數法是研究變量之間相關程度的方法,在生態、醫療等各個領域[32—36]都有廣泛的應用。本文運用該方法研究地區GDP、人口、城鎮化率、自然科學領域投入資金率等社會因素與自然保護區之間的相關性,從而探究社會因素對自然保護區空間分布的影響。

1.3 自然保護區的空間分布特征演化

(1)空間分布類型變化

使用ArcGIS對四川省自然保護區進行最近鄰分析,得到其空間分布類型。當最鄰近比率NN<1,則空間分布類型為積聚；當最鄰近比率NN=1,則空間分布類型為平均；當最鄰近比率NN>1,則空間分布類型為隨機。最鄰近比率NN與1相差的絕對值愈大,則相對應分布的程度越高。由表1分析可知：四川省自然保護區總體呈現集聚-隨機-集聚的變化特征,且前期變化幅度大,后期變化幅度小。

表1 四川省自然保護區空間分布最近鄰指數表Table 1 Nearest neighbor index of spatial distribution of nature reserves in Sichuan Province

(2)空間分布均衡度

計算四川省21個地級市的自然保護區數量,按數量大小排序,得出各地市自然保護區數量占總數量的比重和累計比重,代入基尼系數公式中計算,得到四川省自然保護區的基尼系數,按照判定方法對其均衡程度類型判斷,結果如表2。從基尼系數計算結果看,歷年數值均大于0.5,從均衡程度類型看,主要表現為差距懸殊和差距較大,這表明四川省自然保護區的空間分布在很長時間內呈現較不均衡的特征。

表2 基尼系數結果Table 2 Result of Gini coefficient

根據表2基尼系數的結果可知：四川省自然保護區的空間分布均衡度為極不均衡。從時間上看,其空間分布由差距懸殊向差距較大的類型發展,分布差距在逐漸減小。從基尼系數計算結果看,歷年數值均大于0.5,從均衡程度類型看,主要表現為差距懸殊和差距較大,這說明四川省自然保護區的空間分布在很長的時間內呈現較不均衡的特征。

1.4 自然保護區空間分布特征演化

(1)密度變化過程

如圖2,通過研究四川省自然保護區核密度圖的變化,發現其核密度空間分布呈現出明顯的階段特征。總體分為兩個階段。第一階段：單核形成與發展階段(1963—1998年)。該時期自然保護區發展相對緩慢,高、低密度核相繼形成。主核位于阿壩高原與川西平原的過渡區域,高密度核由阿壩州若爾蓋縣、阿壩州九寨溝縣發展為甘孜州、樂山—涼州區域、阿壩州北部等多個區域。第二階段：雙核階段(1998—2018年)。1998年在原有主核的基礎上出現了另一個位于阿壩州北部-綿陽交界區域的主核,且雙核共存的狀態一直持續到2018年。此階段高密度核數量持續增加,范圍繼續擴大并逐漸擴展為南至涼山州、西至甘孜州、北至阿壩州、東至巴中市的廣大區域。

圖2 四川省自然保護區空間分布核密度圖Fig.2 Nuclear density map of spatial distribution of nature reserves in Sichuan Province

(2)重心遷移

參照四川省的幾何中心(綿陽市平武縣104.433°E,32.234°N),通過ArcGIS計算1963—2018四川省自然保護區的分布重心,結果如表3,發現其具有以下特點：

表3 四川省自然保護區空間分布重心參數表Table 3 Parameters of spatial distribution barycenter of nature reserves in Sichuan Province

①重心遷移軌跡表現為南-北-南的反復遷移過程,但總體為向南遷移。1963—1978年重心由阿壩州黑水縣南遷至阿壩州汶川縣,1978—1983年重心北遷至阿壩州理縣,隨后重心南遷,1983—2018年都位于阿壩州汶川縣內。

②重心活動范圍較小,活動區域穩定,大致分布在阿壩州黑水縣、阿壩州汶川縣、阿壩州理縣附近,且相距最遠的兩重心距離為135.412 km。

③ 重心坐標值在103.021°E—103.393°E、30.830°N—32.039°N之間,波動幅度與范圍較小。在東西方向上無明顯變化,重心間最遠距離為35.39 km；在南北方向上有輕微波動,重心間最遠距離為134.198 km。就總體偏移距離而言,2003年四川省自然保護區分布重心距幾何中心最遠,達到203.991 km。這說明四川省自然保護區建設重點在阿壩州南部,并有向成都市轉移的趨勢,體現為逐漸遠離四川省幾何中心。

(3)標準差橢圓分析

使用ArcGIS軟件對四川省自然保護區1963—2018年每隔5年的數據進行標準差橢圓分析,計算結果如表4,ArcGIS所得標準差橢圓圖如圖3。根據圖3和表4相關結果,分析得出如下結論：

表4 標準差橢圓計算結果Table 4 Calculating result of Standard deviation ellipse

①標準差橢圓的方向變化較大,其空間分布由南-北向演變為東北-西南向。1963—1973年標準差橢圓的方向為南-北向,1978年后方向發生明顯變化,其方向演變為東北-西南向。其原因是1978年甘孜州新建5處自然保護區,致使1978年的標準差橢圓的方向發生了明顯變化。

②標準差橢圓面積總體呈大幅增長,其過程具有“先增大,后減小,再增大”的特點,自然保護區的空間分布特征由集中到分散。1973—1998年期間標準差橢圓的面積先增大,后減小。1998年后其面積再次緩慢增長并趨于穩定,直至2013年,標準差橢圓面積達到最大值。至此,四川省自然保護區的空間格局基本確立,各地區自然保護區發展趨向均衡。

③標準差橢圓長短軸變化強烈,在經歷了方向發生變化的同時,長短軸的距離均呈現出“減小-增大-減小-增大”的周期性變化。其中,長軸距離數值最小的為1973年的169.598 km,距離數值最大的為1983年的333.205 km；短軸距離數值最小的為1973年的59.402 km,距離數值最大的為1988年的253.090 km。該過程在一定程度上反映了四川省不同時期生態建設的區域重點。如1963—1973年川西地區是生態建設重點；1973—1983年甘孜地區為生態建設重點；1983—1993年阿壩州、甘孜州依然是生態建設重點區域；1993—2008年川東川南地區成為生態建設重點區域；2008—2018年川南的宜賓和成都兩個地區成為生態建設重點。

2 四川省自然保護區空間分布影響因素

根據上文分析,目前四川省自然保護區分布并不均衡,各地市、自治州之間自然保護區數量差異極大。為了探究其空間分布的影響因素,從自然保護區的內在特點和文獻研究[35—37]出發,從自然和社會經濟兩個方面8個指標展開分析。

2.1 自然因素對自然保護區空間分布的影響

自然保護區是以保護珍稀動植物資源、保留自然本底、保護生態系統為主要目的而劃分出的區域。這種性質和特點決定了自然因素是其空間分布的主要因素。為了深入分析自然保護區與各自然因素之間的關系,本文選擇可能對其產生影響的地形地貌、土壤、植被、水系等因素進行研究(圖4)。

圖4 不同自然因素條件下自然保護區分布或密度圖Fig.4 Distribution or density map of nature reserves under different natural factors

(1)地勢高程影響分析

四川省西高東低、高差懸殊,不同高程所分布的自然保護區數量也不相同。根據“四川省主體功能區劃”對高程的分級,將四川省按照高程分為5個等級,包括h<500 m(占比12.12%),500—1000 m(占19.39%),1000—2000 m(16.36%),2000—3000 m(23.64%),3000—4500 m(26.06%),h>4500 m(2.43%)。基于對地形數據的分析可知,自然保護區在不同高程的區域中均有分布,但較傾向于地勢平坦、高程適中的阿壩州南部與東部、甘孜州東部、涼山州北部以及成都市、綿陽市等區域(圖4)

(2)土壤類型影響分析

四川省地貌復雜,土壤類型多樣。按照傳統的“土壤發生分類”系統[37],四川省土壤分為8個土綱,包括高山土、水成土、淋溶土、半淋溶土、半水成土、初育土、人為土、鐵鋁土。25個土類,63個亞類以及137個土屬。通過空間疊加分析發現,自然保護區主要集中于淋溶土(25.46%)、半淋溶土(22.43%),部分集中于初育土(15.76%)、人為土(9.09%)、高山土(9.69%)、鐵鋁土(15.45%),少量分布于半水成土(1.21%)、水成土(1.21%)。其原因可能是以上土壤區更有力形成較好的生態環境,有利于生物生長發育,因此甘孜州、阿壩州、涼山州、廣元市、綿陽市較適宜設立自然保護區。

(3)水系河流影響分析

四川省內河流眾多,絕大部分屬長江水系。水系對自然保護區的分布有重大的影響作用。按水系等級將四川省水系河流分為一級河流與一級以下河流,將5 km作為緩沖距離,進行河流緩沖分析。通過ArcGIS的分析可發現：一級河流5 km以內的保護區數量占比13.86%,一級以下河流5 km以內的保護區數量占比74.09%,所有河流5 km以內的保護區數量占比高達87.95%。由此可見,四川省自然保護區的分布與河流發育有著密切的聯系,因此河流富集的甘孜州、阿壩州、涼山州、綿陽市、雅安市、巴中市等設有較多的自然保護區。

(4)植物區劃影響分析

植物區劃是區域氣候、土壤分布等地理要素的綜合反映。四川省植被區劃分為高寒灌叢草甸地帶、高寒草甸地帶等6個地帶。其中,自然保護區大多集中分布在中亞熱帶常綠闊葉林北部亞地帶(65.45%),部分分布于亞熱帶山地寒溫性針葉林地帶(16.36%)、中亞熱帶常綠闊葉林地帶(7.88%)、北亞熱帶常綠落葉闊葉混交林(7.27%),少量分布于高寒灌叢草甸地帶(3.03%)。此種分布格局反映出中亞熱帶闊葉林區具有氣候溫和、空氣濕潤、降雨量充沛的特點,是生態環境優良的區域,有利于動植物生長發育,成為了生態功能較好的區域,也成為自然保護區建設的重點區域。

2.2 社會因素對自然保護區空間分布的影響

盡管自然因素是自然保護區空間分布的決定性因素,但社會經濟條件也不可避免地對其產生一定的影響。為此,本文選擇了地區GDP、人口、城鎮化率、自然科學領域投入資金率等社會經濟因子,分析其對自然保護區可能產生的影響,通過SPSS軟件分析兩者的相關性。相關系數r>0時,兩者為正相關,r<0時,為負相關,|r|越接近1,兩者相關性越強；顯著系數α的值越接近0,顯著性水平越高。計算結果如表5。

表5 社會因素與四川省自然保護區空間分布的相關系數表Table 5 Correlation coefficient table between social factors and spatial distribution of nature reserves in Sichuan Province

通過分析發現：(1)地區GDP與自然保護區的關聯程度極低,影響程度較弱；(2)地區人口與自然保護區之間低度負相關,這說明人口稀少地區的自然保護區分布多于人口聚集的地區；(3)地區城鎮化水平與自然保護區為高度負相關,其原因是城鎮化提供非生態功能而自然保護區則提供生態功能。因此,城鎮化會對自然保護區的建設產生較大的抑制效應；(4)地區自然科學領域投入資金率與自然保護區的相關類型為中度相關,自然科學領域投入資金率較高的地區其自然保護區分布高于自然科學領域投入資金率較低的地區,這與《中華人民共和國自然保護區條例》對自然保護區所需經費的規定是一致的。

2.3 自然與社會因素的交互作用

自然因素是自然保護區設立的基本條件,對自然保護區的空間分布具有決定性影響；社會因素對自然保護區的空間分布有一定的影響。在二者的交互作用下,自然保護區集中分布于地勢適中、氣候溫和、河流交錯、土壤良好、城鎮化率低、人口稀少的地區,主要包括阿壩州南部與東部地區。

3 結論與建議

本文采用平均最近鄰指數、基尼系數、重心分布軌跡、標準差橢圓研究了四川省自然保護區1963—2018年間的時空分布特征,并采用空間疊置和相關系數分析法試圖從自然和社會兩個角度揭示影響四川省自然保護區時空變化的因素,研究得出以下主要結論：

①從時間上看,1963—2018年間四川省自然保護區空間分布的總體特征以集聚為主,呈現集聚-隨機-集聚的變化特征,且前期變化幅度大,后期變化幅度小,但集聚程度逐漸減弱。由于自然保護區建設有一個過程,這種空間變化反映了該時期四川省生物保護的演變過程。四川省生物保護初期以大熊貓、扭角羚、綠尾虹雉、金絲猴等珍稀動物為主,在阿壩州、甘孜州、綿陽市等區域建立了系列野生動物類的大型自然保護區。后期開始了全面的生物多樣性保護,初步完成了以秦巴生物多樣性、川滇森林及生物多樣性、若爾蓋草原濕地、大小涼山水土生態功能區等為主體的生態安全格局建設。從圖2可以看出,四川省自然保護區的發展明顯分為兩個階段,1963—1998年的單核形成與發展階段和1998—2018年雙核階段。

②從空間上看,四川省自然保護區的分布較不均衡,其分布主要集中在成都平原向川西高原的過渡區域,即阿壩州的東部和南部地區。從基尼系數計算結果可知：其歷年數值均大于0.5,說明四川省自然保護區的空間分布在很長時間內呈現出較不均衡的特征。從四川省自然保護區分布重心看,50多年來其重心由阿壩州黑水縣南移至阿壩州汶川縣,重心活動區域相對穩定。從標準差橢圓的計算結果看,長短半軸和面積均變化強烈,總體呈現出大幅度的增長,空間分布由南-北向演變為東北-西南向。這說明四川省自然保護區設立的區域不斷增加,范圍在不斷擴大,由最初的阿壩州、綿陽市等地區擴散至全省各市。這種空間分布不均衡在一定程度上反映出四川省生態保護的空間重點在阿壩州的東部和南部地區。這是否意味著在川西北、川東北和川南部分地區的生態功能建設尚需要進一步加強？

③從影響因素看,四川省自然保護區的空間分布受到自然因素和社會因素的雙重影響。其中,自然保護區的設立與發展主要受到自然因素的影響,包括水系河流、植被區劃、地勢高程、土壤類型。這種影響應該是由自然保護區的性質和特點決定的。社會因素中的城鎮化率對自然保護區空間分布有一定的抑制作用,其原因是城鎮化與自然保護區追求的目標具有較大的相向性；自然科學領域投入資金率對自然保護區的發展有一定的促進作用,其原因是自然保護區的發展建設需要經費投入,自然保護區多的地方相應的自然科學領域投入資金率會增高。但是,自然科學領域投入資金率較高的地區未必自然保護區分布較多。

通過以上研究發現,四川省自然保護區50多年的發展取得了巨大的成就,其發展經歷了瀕危動植物保護,生物多樣性保護,生態功能全面建設等幾個階段。這在一定程度上反映了我國生態文明建設理論和實踐的不斷完善。但由于存在保護與發展的矛盾,四川省的自然保護區建設仍然存在“點”上的保護問題和“面”上的布局問題。因此,本文對未來四川省自然保護區和生態功能建設提出如下建議：

(1)基于四川省自然保護區集聚程度不斷減弱和空間分布仍不均衡的狀況,從國家公園、自然保護區和自然公園的特點出發,優化四川省自然保護地體系布局。在四川省主體功能區劃的框架下,分析全省的國家公園、自然保護區和自然公園的分布狀況及相互轉化條件,優化其空間布局,最大限度地發揮自然保護地的生態功能。如可在自然保護區分布較少的川西北、川東北和川南部分地區設立更多的自然公園,以加強其生態功能建設。

(2)在四川省生態文明建設初有成效的前提下,開展對自然保護區發展模式的探討。在不斷加大生態補償力度的同時,嘗試在自然保護區的實驗區乃至外圍區域實施鄉村旅游、生態旅游發展模式。在加強生態文明建設的同時,實現自然保護區對周邊區域發展的帶動作用,促進鄉村振興,促進民族地區振興,實現生態、經濟和社會效益的統一。

此外,本研究尚存在一定的不足,如自然因素和社會因素對自然保護區分布的影響研究缺乏深層探究,以每5年為時間單元可能會損失了部分自然保護區變化劇烈的年限,降低對自然保護區時空分布研究的準確度。