自然保护区土地生态适宜性评价——以湖南省万佛山自然保护区为例

田倩倩，黄凤莲，王开心，万大娟*，李嘉琪，王欢

（1.湖南师范大学资源与环境科学学院，长沙 410012；2.湖南省环境保护科学研究院，长沙 410004）

设立自然保护区是保护自然资源、维护生物多样性的有效手段[1]，在保护珍稀特有物种资源、典型生态系统以及珍贵自然遗迹资源等方面具有重要价值[2]。但是，随着社会经济的高速发展，人类开发活动与生态保护的矛盾日益突出，在未识别土地生态适宜性的情况下盲目开采势必会对保护区生态环境造成严重破坏。近些年，国内外学者结合地理信息系统（geographic information system,GIS）空间分析技术，对土地生态适宜性展开了大量的研究，并对土地生态适宜性评价方法进行了深入探讨[3]。目前，常用的评价方法为加权叠加法[4-5]，实质上是结合GIS技术将各因子栅格化后进行叠加分析，主要从垂直生态过程角度进行分析，但土地的生态价值不仅仅由垂直生态要素决定，还由该土地景观单元在水平生态过程中的流动等相互作用来决定[6]。因此，在土地生态适宜性评价过程中需结合垂直生态过程和水平生态过程，更加客观地进行生态适宜性评价。

基于此，本文选取湖南省通道侗族自治县万佛山自然保护区为研究区，在自然保护区现状的基础上首次应用最小累积阻力模型分析景观水平过程，结合垂直生态过程和水平生态过程综合进行土地生态适宜性分区，以期为科学合理制定保护区规划和加强保护区土地生态管理提供技术信息参考。

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区概况

湖南省万佛山自然保护区始建于1998年10月，位于湖南省西部的怀化通道侗族自治县境内，地理位置为25°52′—26°29′N，109°25′—110°00′E，总面积为9 983.43 hm2，是以保护丹霞地貌和野生动植物为重点的地质遗迹类自然保护区。保护区呈西南至东北走向，地貌类型多样，为发育典型的尖锥状密集峰丛峰林型丹霞地貌；属常绿阔叶林生态系统，脊椎动物资源丰富，是动植物的天然避难所和保存完好的栖息地。同时，万佛山-侗寨国家级风景名胜区丹霞地貌景观、万佛山国家地质公园与万佛山自然保护区部分重叠，保护区内风景资源丰富，拥有丹霞群山、丹崖赤壁、丹霞洞穴、丹霞湿地等自然景观。

1.2 数据来源与处理

本文采用的基础数据主要包括2017年美国陆地卫星计划第8颗卫星（Landsat 8）获得的万佛山自然保护区遥感影像，万佛山自然保护区数字高程模型（digital elevation model,DEM）数据（基本格网单元大小为30 m×30 m），万佛山自然保护区、万佛山-侗寨国家级风景名胜区丹霞地貌景观和万佛山国家地质公园的矢量数据等。

对基础数据进行预处理：1）根据研究目的和区域特征，对研究区遥感影像进行融合、几何校正、裁剪等处理后，采用监督分类和人工目视解译相结合的遥感分类方法，生成2017年万佛山自然保护区土地利用类型图，主要土地利用类型有林地、耕地、园地、水域、交通水利用地、城乡建设用地等。2）基于Landsat 8遥感影像提取路网、河网、水库，生成水系图和交通图。3）基于DEM数据，采用Arc GIS（10.4.1版）表面分析中坡度和坡向功能，得到万佛山自然保护区栅格像元大小为30 m×30 m的坡度图和坡向图。

2 评价方法

2.1 基于层次分析法的垂直生态过程

2.1.1 评价指标体系构建

以垂直生态过程构建阻力基面时，本文参照目前国内自然保护区生态评价研究的有关指标体系[7-9]，结合万佛山自然保护区的实际情况，由高程、坡度、坡向、土地利用类型、植被覆盖度、邻近水体、道路、居民点等10个基础因子组成4大复合因子，构建阻力评价指标体系，结果见表1。在评价单个基础因子的阻力时，将阻力分为5个等级，分别为1～5级，同时采用层次分析法确定各基础因子的权重。

表1 阻力评价指标体系Table 1 Resistance evaluation index system

2.1.2 综合阻力值运算

借鉴多因子加权叠加模型[10]，建立阻力模型[11]以表示保护区生态源扩张所受的阻力情况，公式如下：

式中：Z为综合阻力值；n为因子数；Wi为因子i的权重值；Pi为第i个因子的分值。

2.2 基于最小累积阻力模型的水平生态过程

2.2.1 模型概述

最小累积阻力模型是指从源地经过不同阻力的景观类型所累积耗费的最小费用或克服阻力所做的最小功，最早由KNAPPEN等[12]于1992年提出，经国内俞孔坚[13]的修改，可用下列公式表示：

式中：MCR为最小累积阻力值；Dij为源j到目的地i的距离；Ri为阻力系数。该模型可通过Arc GIS空间分析中的成本距离（cost distance）模块实现。

2.2.2 过程源的确定

在保护区内就濒危物种和典型生态系统的保护而言，MCR中的“源”是指利于该区域生态环境可持续发展的特殊景观斑块[14]。就万佛山自然保护区而言，是指以七星山、神仙洞峰、将军山、万佛山等为主体形成的丹霞峰林景观群区域、三十六湾原始次生林区域和龙底原始次生林区域。

3 评价过程

3.1 生成阻力基面

利用GIS空间分析技术，基于垂直生态过程创建的阻力评价体系（表1）并结合式（1）进行综合阻力值计算，得到万佛山自然保护区阻力基面图（图1），其中最高阻力值为4.282 0，最低为0.971 7。保护区中部太平岩村、江寨村、官团村区域和南部毗邻通道侗族自治县县城区域阻力值较大，万佛山、将军山、神仙洞及其周边林地区域和龙底原始次生林区域的阻力值较小，其他区域介于两者之间。

图1 阻力基面Fig.1 Resistance base surface

3.2 生成最小累积阻力表面

基于综合阻力值和过程“源”，计算最小累积阻力表面。根据式（2），采用Arc GIS中的成本距离模型，计算得到万佛山自然保护区的最小累积阻力表面，如图2所示。图中红色代表扩张过程的累积阻力值大，浅黄色代表扩张过程的累积阻力值小，颜色由“源”向外逐渐变深，说明扩张过程受到的累积阻力逐渐增加。

在此基础上运用标准方差对计算结果进行重分类，分为C1～C8类，每类之间的间隔为1/2方差，得到万佛山自然保护区最小累计阻力的标准方差分类图层（图3）。同时，统计各类所对应的栅格数目，分析二者之间的对应关系，结果如图4所示。

图2 最小累积阻力表面Fig.2 Minimum cumulative resistance surface

3.3 确定分区阈值

图3 标准方差分类图层Fig.3 Classification layer of standard variance

图4 标准方差分类类别与像元数量的线性关系Fig.4 Linear relationship between classification categories of standard variances and number of pixels

根据前人研究结果，当某类扩张穿过突变点时，突变点阻力值会发生聚变[15]。从图4可以发现，最小累积阻力从C2到C3、C4到C5、C5到C6的像元数量有个突变的过程。因此，可将C2、C4和C5处的阻力值作为临界阈值，对万佛山自然保护区的最小累积阻力表面进行分区，分区结果如表2所示。

表2 生态适宜性分区阈值Table 2 Zoning thresholds for ecological suitability

4 结果与讨论

4.1 生态适宜性分区

根据表2中的分区区间，对最小累积阻力表面进行重分类，得到万佛山自然保护区土地生态适宜性分区结果（图5）和各区域面积以及比例结果（表3）。

图5 土地生态适宜性分区结果Fig.5 Result of land ecological suitability zoning

Ⅰ级适宜区面积为4 036.04 hm2，占保护区总面积的40.43%，面积占比最大，主要分布于自然保护区北部、中部和东部区域。Ⅱ级适宜区面积为3 828.51 hm2，占保护区总面积的38.35%，这些区域分布在太平溪流域和玉带河流域。Ⅲ级适宜区面积为1 426.77 hm2，占保护区总面积的14.29%，主要分布在大塘口村、太平岩村、官团村、城坪村等人口集中乡村。Ⅳ级适宜区面积为692.11 hm2，占保护区总面积的6.93%，主要分布于保护区南端。

李茂森等[5]以安塞县县南沟流域农用地为研究对象，通过遥感（remote sensing,RS）和地理信息系统（GIS）技术，将评价因子的矢量图进行叠加，得到生态适宜性评价单元图；李鹏山等[16]选取海口市建设用地作为研究对象，运用空间叠加分析法，将研究区建设用地生态适宜性分为5个等级；王军德等[17]以石羊河流域中游凉州区为研究区域，通过最小累计阻力模型，从水平生态过程分析，将研究区域划分为4个生态适宜区；彭云飞等[18]以深圳市为研究对象，采用最小累积阻力模型模拟深圳市生态用地和建设用地的空间扩张过程，将土地生态安全控制区划分为2种类型。

本文以湖南省万佛山自然保护区为研究区域，运用最小累积阻力模型和GIS空间分析方法对万佛山自然保护区进行土地生态适宜性评价，划分出4个等级的土地生态适宜区。该模型实现了垂直生态过程和水平生态过程相结合，一定程度上弥补了传统方法仅研究景观单元的垂直过程或水平过程的缺点，更加准确地模拟了分区结果，为保护区土地生态管理提供了依据。

4.2 与已有生态用地的耦合关系

生态用地具有重要的生态系统服务功能，在维持区域生态平衡和可持续发展中起着重要的作用。当前，学术界未对生态用地内涵形成明确、统一的定论，众多学者从不同的角度对生态用地概念及内涵进行了阐述或界定[19]。本文借鉴前人研究[20-21]，结合保护区实际并参考现行的国土资源管理的用地分类标准，将万佛山自然保护区的生态用地分为林地、水域、园地、耕地，其中生态适宜性分区与已有生态用地空间耦合结果见图6和表4。

Ⅰ级适宜区是林地分布最为密集的类型区，承担了林地面积的43.69%；Ⅱ级适宜区内水域、园地和耕地分布较多，分别占相应类型用地面积的51.59%、50.91%和46.34%。这2种类型区内的生态用地对于保护生物多样性、涵养水源、防治水土流失及保护丹霞地貌等有着重要的生态意义，今后的土地规划应以生态保护为主，控制一切开发建设活动；加强区内森林、河流等自然生态系统的保护和修复，不断改善和提高生态系统功能。

Ⅲ级适宜区内的生态用地面积为1 379.35 hm2，占该区域用地面积的96%，主要以林地、耕地为主。该区域应以保障生态安全为底线，不得建设污染环境、破坏资源或者景观的生产设施；政府应引导鼓励居民发展生态农业经济体系，积极开展退耕还林。

图6 分区结果与生态用地空间分布Fig.6 Results of zoning and the spatial distribution of ecological land use

Ⅳ级适宜区是4种类型生态用地分布最少的区域。该类型区地形平坦，人口聚集，建设用地较多，人类活动对保护区生态环境的冲击较大。该区域今后的规划应以生态建设为主，严格依照《中华人民共和国自然保护区条例》有关规定管理开展参观、旅游等活动。

5 结论

1）在空间上将万佛山自然保护区划分为4个等级的土地生态适宜区：Ⅰ级适宜区面积为4 036.04 hm2，Ⅱ级适宜区为3 828.51 hm2，Ⅲ级适宜区为1 426.77 hm2，Ⅳ级适宜区为 692.11 hm2。

2）在生态适宜性分区与已有生态用地空间耦合关系上，Ⅰ级适宜区内林地分布最广，Ⅱ级适宜区内水域、园地和耕地分布较多，Ⅲ级适宜区主要以林地、耕地为主，而Ⅳ级适宜区的生态用地分布最少。

3）不同等级适宜性分区的管理策略各不相同：Ⅰ级适宜区应以生态保护为主，控制一切开发建设活动；Ⅱ级适宜区应保持河流、生态园林等景观类型，改善和提高生态系统功能；Ⅲ级适宜区应以保障生态安全为底线，发展生态农业，积极开展退耕还林；Ⅳ级适宜区内建设用地较多，应秉持环境保护与环境建设并举的原则，最大限度减轻对生态环境的负面影响。

表4 生态用地在各分区中的分布Table 4 Distribution of ecological land use in different zones