基于空间分析和层次分析法的自然保护区功能区划研究

刘瑞雪

江诗瑶

陈龙清*

自然保护区的功能区划是保护区规划管理中的重要环节，合理的功能区划是保护区规划和建设的重要基础工作，是充分发挥保护区多重功能、实施有效管理的关键因素和保障手段[1]。然而，如何科学合理地对自然保护区进行功能区划却是一个非常复杂的问题。

在人与生物圈(MAB)的生物圈保护区区划模式指导下，中国自然保护区的功能区划多采用三区划分模式[2]，即依据生物多样性保护价值空间分异规律由内向外依次划分为核心区、缓冲区和实验区的一种环套结构功能区划模式[3]。

近年来，随着生态学理论和3S技术的发展，关于自然保护区功能区划的研究取得了较多成果，研究方法主要有GIS空间分析方法和数学分析方法两大类。GIS空间分析方法主要包括景观格局分析[4]、基于生物多样性指标的空间叠加分析[5]、最小费用距离模型的功能区划分析[6]，以及保护目标物种的栖息地适宜性分析[7-8]等；数学方法主要是基于生境重要性、物种多样性和稀有性，以及珍稀濒危程度等生物多样性保护价值指标的功能区划分方法[2，9]。本研究以三区划分模式为依据，综合运用GIS空间分析和层次分析法2种研究方法，以湖北恩施野三河自然保护区为例，在对保护区自然资源进行实地综合科学考察的基础上，进行自然保护区功能区划研究，以期为自然保护区的规划、建设和管理提供科学依据和参考。

1 研究区域概况

野三河自然保护区位于湖北省西南部恩施土家族苗族自治州建始县境内，范围以野三河西岸、清江(景阳段)两岸和青龙河西岸为主(北纬30°15′16″～30°38′31″，东经110°1′18″～110°8′5″)，总面积129.8km2。区域内地形复杂、山势陡峭、沟壑密布，海拔高度401～1 713m。该区域属亚热带季风气候，立体气候特征和垂直气候差异十分显著，低山区域四季分明、气候温暖，高山区域冬长夏短且气候冷湿。年降雨量1 200～1 500mm，年均温8.7～16.9℃。区域内共有大小河流8条，以清江、野三河和青龙河为主要水系。

野三河自然保护区为森林生态系统类型的自然保护区，保护区内森林植被为典型的中亚热带常绿阔叶林，分布有维管植物175科612属1 234种，有国家重点保护野生植物16种，其中Ⅰ级3种，Ⅱ级13种；有国家重点保护野生动物44种，其中Ⅰ级3种，Ⅱ级41种。保护区前身为2002年建立的湖北省猕猴自然保护小区，现有国家Ⅱ级保护动物野生猕猴2 000余只，是湖北省内猕猴分布最为集中的区域之一[10-11]。

保护区范围涉及4个乡镇、29个村、825户共计3 064人。人口主要居住于保护区边缘地带，主要经济收入方式为传统农业和外出务工，年人均GDP约为1.58万元。保护区范围内现有村级道路27条共129.2km。

2 研究方法

2.1 功能区划原则

以森林生态系统及野生动植物为主体的野三河自然保护区，在功能区划分上应遵循以下原则：1)根据主要保护对象、自然环境和社会经济等因素，采取科学合理的功能区划方法，确定核心区、缓冲区和实验区的空间位置及范围等；2)坚持以保护自然资源为主，遵循自然生态系统规律，保持生态系统完整性和连通性，保护生物多样性；3)重点保护珍稀濒危动植物的生境完整性；4)兼顾当地社会经济发展和居民生产生活需要。

2.2 保护区实地调查

2011—2013年夏季，组织科学考察团对野三河自然保护区进行实地综合考察。采用线路调查和样地调查相结合的方法进行动植物资源调查，对植物资源进行标本采集、照片拍摄和GPS定位；对典型植物群落进行样方调查、立地环境条件调查、照片拍摄和GPS定位；对野生动物借助望远镜(TSN2824M220×80单筒和10×双筒镜)进行直接计数、照片拍摄和GPS定位。通过实地调研和走访座谈等方式，调查保护区内存在的人类活动干扰因素，对人类活动干扰区域进行GPS定位。

2.3 主要保护对象的确定

根据《濒危野生动植物物种国际贸易公约》《中国珍稀濒危保护植物名录》《中国植物红皮书：稀有濒危植物》《国家重点保护野生植物名录》《国家重点保护野生动物名录》《国家保护的有益的或者有重要经济、科学研究价值的陆生野生动物名录》等相关文件，结合实地调查成果，筛选出野三河自然保护区珍稀濒危保护动植物名录。

2.4 基于层次分析法的综合评价体系

2.4.1 构建评价模型

根据上述保护区功能区划原则，在实地调查所得的数据与资料基础上，采用专家意见法选取评价指标因子，建立综合评价模型。模型分为目标层、准则层和指标因子层3级评价体系。目标层为野三河自然保护区功能区划综合评价A，准则层包括自然资源因素B1和人类活动干扰因素B2，指标因子层包括12个指标C1～C12(表1)。

表1 野三河自然保护区功能区划综合评价模型

2.4.2 评价因子权重确定及一致性检验

确定权重时，构建A-B1-2、B1-C1-8、B2-C9-12两两比较判断矩阵。采用1～9标度法进行相对重要性评判[12]。邀请10位相关专业专家对各准则、指标因子的重要性进行独立判断。经过专家打分和计算，分别由判断矩阵求出各因子对各准则的相对权重，并计算各判断矩阵的最大特征根λmax及相应的特征向量W和CI值，用CR=CI/RI进行一致性检验，当CR＜0.1时，判断矩阵具有科学的一致性[13]。

2.4.3 指标评价标准与等级确定

在12个评价指标因子中，C1海拔高度、C3生境斑块数量、C4植被覆盖度、C8水域面积、C11已开发程度和C12可达性6个指标因子通过对Landsat-7 ETM卫星遥感影像数据和DEM图进行解析，结合ArcGIS和Fragstats软件定量计算获得；C5植物群系数量、C6植物稀有度、C7动物稀有度、C9人口密度和C10经济水平5个指标通过对自然保护区的实地调查数据计算获得；C2主要土地类型属于定性描述指标，通过对遥感影像数据解析获得。根据获取的数据资料信息对各个评价指标进行分级赋值(表2)。根据公式V=n∑BW，计算每个评价单元的综合评价值，其中V为综合得分，B为指标因子评分，W为指标因子权重值，n为因子个数。

3 自然保护区功能区划

3.1 评价单元划分

采用公里网法对野三河自然保护区进行评价单元划分，每个评价单元大小为1km×1km，共计113个。位于自然保护区边界上面积超过1/2但不足1个单元的记为1个评价单元，面积不足1/2个评价单元的忽略不计(图1)。

3.2 功能区划综合评价

3.2.1 评价指标分析

根据判断矩阵计算得出野三河自然保护区功能区划评价指标因子权重。判断矩阵通过一致性检验，结果合理有效，最终确定评价指标因子的总权重(表3)。

3.2.2 综合评价结果

评价单元最高分值为10分，通过野三河自然保护区113个评价单元的综合评价分值的统计结果，将113个单元划分为3个级别，分别是大于7分为Ⅰ级(核心区)、7～5分为Ⅱ级(缓冲区)，小于5分为Ⅲ级(实验区)。对评价单元的综合评价结果图示化如图2所示。

3.3 功能区划结果

在功能区划综合评价量化分析的基础上，根据自然保护区功能区划原则，结合保护区自然环境特点，以及保护区内重点保护对象的空间分布，最终完成野三河自然保护区核心区、缓冲区和实验区3个功能区的划分(图3)。

3.3.1 核心区

该区面积35.18km2，占保护区总面积的27.10%，主要区域为野三河西岸、青龙河西岸及官店镇摩峰村一带。该区域内自然生态系统保存完整，植被覆盖度高，植物群落类型丰富，珍稀濒危保护野生动植物的原生地和栖息地分布较为集中，具有极高的生物多样性保护价值。而且由于野三河西岸和青龙河西岸地势陡峭、人迹罕至，极少受到人类活动干扰，是野三河自然保护区进行生物多样性保护的最佳区域。但由于野三河自然保护区在地形上呈狭长带状，且清江这一长江一级支流从其境内穿过，将核心区分割为了南北两部分。核心区主要用于保护野三河自然保护区内具有典型性和代表性的植物群系、珍稀濒危动植物及其生境，以及野三河、青龙河水源地及其生态环境。

表2 野三河自然保护区功能区划指标分级

表3 评价指标因子权重分配总表

3.3.2 缓冲区

该区面积42.52km2，占保护区总面积的32.76%。该区域包裹于核心区外围，自然生态系统保存较为完整，植被覆盖度较高，植物群落类型丰富，有少量的国家重点保护野生动植物分布，人类活动干扰较少，可为核心区提供良好的躲避人类活动干扰的缓冲条件，防止人类活动对核心区的影响与破坏。在该区域可进行科学研究和监测活动，以便对保护区生态系统和野生动植物资源进行分析研究，及时掌握保护区生态系统动态，为调整规划、制定科学合理的保护和管理方式提供新的科学依据。

3.3.3 实验区

该区面积52.10km2，占保护区总面积的40.14%。主要位于高坪镇麻扎坪和苏坪、官店镇柳木坦及清江景阳段两岸，靠近村落、河流以及高速、国道和省道，已受到一定程度的人类活动干扰和破坏。在保护好实验区自然生态系统和野生动植物资源的同时，需要对实验区的必要地域进行适当的生态修复。通过制定相应的管理策略协调生物多样性保护与人类活动干扰之间的冲突，有计划地进行合理适度的科学研究、宣传教育、教学实习和生态旅游等活动，尽可能避免大规模的商业经营活动。对资源进行可持续利用，在保护生态环境的基础上促进当地经济发展，改善居民生活水平。提高居民的保护意识，实现自然保护区与周边社区的可持续和谐发展。

图1 野三河自然保护区功能区划评价单元划分

4 讨论

在实地科学考察的基础上，结合GIS空间分析，采用层次分析法进行自然保护区功能区划综合评价，从而进行自然保护区三区划分，在定量分析与定性研究之间建立契合点，使自然保护区功能区划工作更加科学合理、易于操作。结合对人类活动的分析，以及自然保护区地形水文、土地利用和道路等资料，使功能区划不仅保证了现有动植物生境和景观斑块等结构的完整性，而且使功能区划更具有针对性和合理性，对核心区、缓冲区和实验区的管理具有指导作用，更有利于保护区的建设与管理，为今后进行自然保护区的设计和建设工作奠定了基础。

图2 野三河自然保护区功能区划综合评价结果图3 野三河自然保护区功能区划图

野三河自然保护区在地形上呈狭长带状，且清江这一长江一级支流从其境内穿过，这样的自然地形条件增大了保护区与外界的接触，具有较强的边缘效应，对保护区内的生态安全构成威胁。因而建议打破行政界线的束缚，将保护区范围从恩施州建始县野三河和青龙河西岸扩展到恩施州巴东县野三河和青龙河东岸，扩大保护区面积，尽量减小边缘效应，促进自然资源的保护。

核心区外围应有缓冲区包裹，将其与实验区或外界环境完全隔离，起到一定的过渡和缓冲作用。一般情况下不允许核心区外露或者边缘化，仅在核心区外围为峭壁、悬崖、河流、戈壁和沙漠等条件较好的自然隔离因素情况下允许核心区外围没有缓冲区包围[14]。根据功能区划的评价结果，参考相关原则和依据[15-16]，划分野三河自然保护区功能区，其中核心区东部外围仅有较少缓冲区包裹，但其邻接的野三河和青龙河及三江交汇区地势陡峭、人迹罕至，为其提供了良好的天然隔离条件，同样可对核心区起到过渡、缓冲及保护作用。

本研究虽然采用空间分析和实地调查相结合的方式，使功能区划的结果具有较高的科学性和合理性，但仍不可避免地存在各种不确定性或主观性因素，影响了结果的准确程度。保护对象的选取和保护目标制定得合理与否直接影响到规划结果的准确性，因此实地调查应尽可能详细、全面地反映保护区的生物多样性特点以及具有典型性和代表性的保护对象。人类活动、土地利用和社会经济等因素会使数据随时间变化，及时更新会进一步提高结果的可靠性。

注：文中图片均由作者绘制。