江西省森林生态系统自然保护区生境质量评价

刘丹丹,刘 影,2★,孙 蓉,黄晓东

（1.江西师范大学·地理与环境学院，江西 南昌330027；2.江西师范大学·鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室,江西 南昌330027）

生境质量是衡量生态环境为其内部的生物群体和个体的持续生存提供物质与能量条件能力的直接指标[1-2]，在研究中我们通常用它来表征区域的生物多样性。土地是生态系统的主要载体和保障，而土地利用覆被的变化会造成生态系统内物质、能量和结构的显著变化，从而改变生态系统的结构和功能，直接影响生境质量[3]。近年来，随着经济的迅速发展和城镇化的加速推进，土地利用结构发生了急剧的变化，对区域生境质量产生了不同程度的影响[4]。基于土地利用的生境质量评价，可以揭示区域内生境质量的高低，对区域内生态文明建和生态平衡的维护具有重要意义[5]。21世纪以来，随着对自然生态的重视，江西省大力推进自然保护区建设，构建了大批连片保护区，也形成了以重点区域为中心的保护体系。科学分析现有保护区的生境质量可以有效监测保护状态并根据分析结果及时优化功能区划管理。

目前，关于生物多样性的生境质量评估测算的主流方式有两种：一种是样点监测的生境评估研究，通过野外实地监测收集数据来进行分析测算[6]；第二种则是利用模型测算，如HIS模型[7]、InVEST模型[8]等。其中InVEST模型由世界自然基金会、美国斯坦福大学及大自然保护协会于2007年联合开发并被广泛运用于世界各地。在模型中用生境质量指数来表征生物多样性。在生境质量研究方面，亚洲[9-12]、欧洲[13]、南北美洲[14]和非洲[15]均有涉及。此模型可以根据基础的土地利用数据和生境威胁数据来评估生境质量的空间分布，从而可简单而直观地确定保护的优先度[16-17]。

基于此，选取江西省38个国家级和省级森林生态系统类自然保护区作为研究对象，利用InVEST模型的生物多样性模块客观准确的分析了江西省2018年的自然保护区生境现状，对多个保护区之间的生境质量进行综合对比，为江西省自然保护区生态保护网络建设提供决策参考。

1 研究区概况

江西省位于长江中下游，气候属中亚热带温暖湿润季风气候。江西省地形以丘陵山地为主，盆地、谷地广布，略带平原，森林覆盖率达63.1%，植被类型以常绿阔叶林为主，具有典型的亚热带森林植物群落。江西省的生态环境质量居于全国前列，良好的生态环境是其最大的优势。截止目前，江西省森林生态系统类自然保护区（下文中简称保护区）总面积为3 230 km2，其中国家级森林生态系统自然保护区11个，分别为：阳际峰、九连山、齐云山、九岭山、武夷山、井冈山、马头山、庐山、赣江源、铜拔山和南风面保护区；省级保护区共27个，分别为：峤岭、云居山、五梅山、南方红豆杉、伊山、瑶里、羊狮幕、高天岩、阳岭、五指峰、章江源、桃江源、三十把、凌云山、玉京山、信江源、水浆、七溪岭、岩泉、抚河源、五府山、大龙山、铁丝岭、芙蓉山、金盆山、程坊和湘江源保护区。

2 研究方法

2.1 数据来源

本研究所利用的2018年的高分辨率遥感影像来源于江西省生态环境厅，以高分1号、高分2号和资源3号遥感影像为主。基于ENVI5.3的监督分类进行初步分类，结合高分影像和Google Earth卫星数据，进行人工目视修正，建立江西省土地利用基础数据库。地类进行分类的标准参照华中陆地卫星TM假彩色数据土地资源提取标志进行。研究区土地利用共划分为6大类18小类，即耕地（水田、旱地）、林地（有林地、灌木林地、疏林地、其他林地）、草地（高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地）、水域（河流、湖泊、水库坑塘、滩地）、建设用地（城镇用地、农村居民点、其它）、未利用地（裸土地、裸岩石砾地），综合精度达到95%以上。解译结果作为InVEST模型生境质量模块的基础数据，转换为栅格数据后空间分辨率设定为30 m×30 m；自然保护区矢量边界来源于江西省生态环境厅、江西省林业局、部分保护区管理局；本研究所使用的道路数据由Open Street Map导出（https://www.Openst reetmap.org）。

2.2 分析方法

InVEST模型把土地利用类型看作对应的生态系统类型，基于土地利用情况结合各种可能存在的生态威胁因子来对生境质量进行模拟分析。指数高低主要由威胁因子，威胁因子的威胁距离、生境类型斑块对威胁因子的敏感性大小这3个因素共同决定[17]。其中生境退化程度的计算公式为：

式中，Dxj为生境退化程度；R为威胁因子的总数；Yr为r威胁栅格的个数；Wr为归一化威胁因子r的权重；ry为土地利用类型图中每个栅格上威胁因子的个数；irxy表示栅格y中的威胁因子r对生境栅格单元x的影响；βx为法律保护程度（本研究将全省设为完全可入，设置为1）；Sjr为土地利用类型j对于威胁因子r的敏感度；dxy表示两个栅格单元x，y之间的线性距离；drmax为威胁因子r的最大作用距离。

在土地利用类型j中斑块x的生境质量计算公式如下:

表1威胁因子属性表Tab.1 Threat factor attribute table

式中，Hj为土地利用类型j的生境适宜度；k为半饱和常数，一般取值0.5；z为归一化指数，通常取值2.5。

参照InVEST模型使用手册和国内外相关研究以及专家的建议选取城乡建设用地、工矿交通用地、坑塘、裸地、旱地、水田以及细分的4类道路（国道、省道、县乡道、铁路）作为威胁因子，依据相关研究结果以及结合江西省交通状况、社会经济发展水平和实地调研综合分析，得到威胁因子量表（表1）和生境类型的敏感度量表（表2）。

3 结果与分析

表2生境类型对威胁因子的敏感度Tab.2 Sensitivity of habitat type to each threat factors

3.1 生境退化结果

生境退化程度通常反映一个生态系统类型在受威胁因子影响后呈现的生境优劣的信息[18]。生境退化指数的值在0～1之间，1表示生境受威胁因子的影响大，生境退化度高，0表示生境退化度低。基于模型运行结果，进一步运用ArcGIS中的自然断点法重新分类了生境退化的模拟结果。根据分值情况将生境退化指数划分为5类退化程度级别（表3）。从栅格单元层面看，整个江西省森林生态系统自然保护区的生境退化程度非常低，基本无退化生境栅格占90.95%，轻度、中度退化生境栅格占8.97%，高度、重度退化生境栅格仅占0.09%。从单个保护区来（表4）看，生境退化指数均低于0.008，生境退化风险非常低。从单个自然保护区来看，自然保护区生境退化的可能性非常小，其中36个保护区基本无退化情况。南方红豆杉和庐山2个保护区为轻度退化类型。南方红豆杉自然保护区生境退化的主要原因是省道从保护区周边穿过，破坏了原始的自然生态环境，干扰到物种的生存和繁衍，如不抓紧保护，则不利于保护区的可持续发展。庐山保护区是所有保护区中生境退化最严重的保护区，主要是因为庐山保护区为镂空型，保护区中间包围着未划入保护区的牯岭镇，其中人口相对密集，作为旅游景区人类活动强烈，使得生境退化，且保护区边缘有国道贴边而过，同时一条省道贯穿其中，道路作为威胁因子的一种会大大提高生境退化的可能性。

表3自然保护区各等级生境退化比例Tab.3 Proportion of each habitat degradation index level of natural reserves

3.2 生境质量结果

生境质量表达了生境当前受保护程度及受威胁程度[19]，是结合了生境适宜性和生境退化评估后的综合结果。生境质量得分值介于0～1之间，生境质量指数越高，生境越完整，越有利于生物多样性的维持。为了便于对比，将生境质量指数分为5个等级（表5）。从栅格单元层面看，整个江西省森林生态系统类型保护区生境质量相当高，高等级生境栅格占95%以上，低等级生境栅格仅占0.85%，分布面积非常少。为进一步区分江西省保护区内部的生物多样性的差异，依据保护区的生境质量得分将高值区的生境质量指数得 分 划 分 为：（0.94000～1）、（0.92000～0.94000）、（0.90000～0.92000）3个区间，分别对应优、良、一般等级的生境。从空间分布格局和生境质量分级表中可以看出（表6），江西省自然保护区整体生境质量很好，生态质量指数均在0.9以上，保护区生态环境很好，保护力度和保护效果较高。其中生境质量位于高值区优等级的保护区有33个，多分布在庐山、九岭山脉、罗霄山脉、武夷山脉附近，连片的高山使得外在干扰很难接近，斑块面积大，区域内的斑块连通性也非常好。4个保护区的生境质量处于高值区的良等级，这些地区生境质量相对低一点，可能有部分人类活动的干扰和部分生态威胁因子的影响，但对生态环境的干扰较少，比较适合生物的生长和繁衍。在保护区中桃江源省级自然保护区的生境质量最差，它的生境质量位于高值区一般等级。桃江源省级自然保护区位于江西省和广东省交界处，省道贯穿其中，由于道路的影响，使得该保护区生境质量较低。庐山保护区虽生境退化相对较差，但是由于面积大、斑块连通性强、自然本底好，整个保护区的生境质量还是相对比较好。而南方红豆杉保护区由于保护区面积小生境退化和生境质量相对较差。

表4江西省自然保护区生境退化指数分级Tab.4 Classification of habitat degradation index of nature reserves

表5江西省自然保护区各等级生境比例Tab.5 Proportion of each habitat quality level of nature reserves

4结论与讨论

表6江西省自然保护区生境质量分级Tab.6 Classification of habitat quality of nature reserves

江西省森林生态系统自然保护区整体生境退化强度较低，生境退化的可能性较小。全省保护区高度、重度退化生境栅格约占0.09%。38个省级以上自然保护区中36个自然保护区属于基本无退化，2个自然保护区属于轻度退化。

江西省森林生态系统自然保护区整体生境质量较好。自然保护区低等级生境栅格约占0.85%。38个省级以自然保护区中所有保护区的平均生境质量指数都在0.9以上，属于生境质量高值区，表明江西省对于森林生态系统类自然保护区的管理和维护整体较好。对38个省级以自然保护区高值区的生境质量指数做进一步划分：86.84%的自然保护区仍处于高值区优等级；10.53%的自然保护区处于高值区良等级；2.63%的保护区处于高值区一般等级。

从保护区等级来看，国家级自然保护区的生境退化程度和生境质量都明显优于省级自然保护区，这说明保护力度和政策息息相关。保护区的林地和草地面积占95%以上，其余少部分为耕地和建设用地，而这部分的土地利用是致使保护区生境退化的根本原因，保护区的管理要严格制止此类用地斑块的扩散。总体看来江西省在自然保护区保护成效方面处于较高水平，严格实行自然保护区相关管理条例，这与江西省追求绿色崛起，打造生态强省的发展思路一致，政策对于保护区的保护成效来说是最大的影响因素。尽管如此，省级以上自然保护区仍要以完整的自然生态系统和优良的物种基因库作为严格要求和持续追求的目标。

各保护区对于森林植被类型的保护措施以及环境的异质性，使得各个保护区会呈现出略有差异的保护成效。同时将城镇、农村居民点、耕地以及相对完善的交通道路作为评价保护区生境质量的威胁因子，与自然保护区发展的性质相得益彰，客观全面的以人类活动强度准则评判生境质量，合理划建自然保护区的功能区划，从而为保护区保护成效的评判提供一定科学依据。尽管InVEST模型已经在国内外被广泛使用，但可能在本土化实际应用中存在地区差异性。同时模型部分参数的设定主观性较强，会造成结果有一定偏差。考虑在以后研究中结合保护区植物物种数据，使其评估结果更加准确真实。