湖南省自然保护区空间分布特征及空缺分析

洪倩，李艳元，胡笳，史玉柱，崔学乐，张红霞，彭凤姣

(1.国网经济技术研究院有限公司，北京 102209；2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071；3.国网浙江省电力有限公司检修分公司，浙江 杭州 311200)

0 引言

生态安全是国家安全体系的重要基石,自然资源是保障国家经济和社会可持续发展的重要物质基础之一,自然保护区旨在为典型自然生态系统、珍稀特有物种资源、珍贵自然遗迹等自然资源予以特殊的保护和管理[1],以保证自然资源的可持续发展,因此自然保护区的建设和管理受到越来越多的重视.空缺分析是指在对现有事物特征、结构和状态等属性进行系统分析的基础上,找出目前存在的空缺和不足,为系统管理提供下一步新的改进方向和机会[2].近年来,关于自然保护区的空缺分析逐渐受到学者的广泛关注,并已有多个有效应用的案例[2-5].

自1980年以来,湖南省陆续建立了一批自然生态系统类、野生生物类和自然遗迹类自然保护区,截至2019年底,湖南省已有省级及以上自然保护区53个,如何健康有序地发展和管理自然保护区离不开科学研究作为基础.目前湖南省自然保护区的研究主要集中在资源调查[6-8]、生态研究[9-11]和管理现状[12-16]等方面,对单个自然保护区单一层面上的资源分布、管理建设等方面有了一定的研究基础,而关于全省自然保护区空间分布特征、建设发展和分布合理性等宏观方面的分析研究尚十分缺乏,不利于主管部门从省级层面宏观布局管理和合理建设指导.

本研究利用地理统计学和GIS空间分析方法,尝试从地理空间、生态空间和社会经济空间对湖南省自然保护区的空间分布特征进行分析,并在此基础上进行自然保护区空缺分析,旨在为湖南省自然保护区的中远期发展建设和有效管理提供一定的参考,推动湖南省自然保护区体系的健康有序发展,为湖南省生态文明建设、绿色低碳发展和生物多样性保护提供实施依据.

1 研究区域概况

湖南省位于我国中部、长江中游,地处北纬24°38′～30°08′、东经108°47′～114°15′之间,全省国土面积为21.18×104km2；湖南省地质构造上位于云贵高原向江南丘陵和南岭山脉向江汉平原过渡的地带,地貌上呈现“东、南、西三面环山,中部丘陵、岗地起伏,北部湖盆平原扩展”的特点,地形上山地和丘陵占全省总面积的66.6%,平原及盆地占27.0%,水面占6.4%；湖南省江河湖泊密布交错,除少量从属于赣江和珠江水系外,主要为湘江、资江、沅江、澧水四水及其支流,均顺应地势最终汇入洞庭湖、长江[17].湖南省属亚热带常绿阔叶林林区,植被类型多样,南岭-罗霄山脉和武陵源-雪峰山脉亚热带常绿阔叶林生态区被誉为全球同纬度地带最具价值的生态区；森林生态系统和湿地生态系统为省内最为重要和分布最广的两大类自然生态系统,这两类自然生态系统在我国乃至全球范围内均具有很高的典型性和代表性；湖南省动植物物种丰富,现已公布记录有野生脊椎动物5纲44目157科1 007种,维管束植物226科1 524属6 137种,包括国家Ⅰ级重点保护野生动物21种,国家重点保护野生植物56种[18].

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源鉴于目前湖南省县市级自然保护区大多尚未明确四至边界和范围,规范性和保护力度尚有欠缺,本文中仅选取湖南省省级及以上自然保护区为研究对象.湖南省53个自然保护区信息主要来源于主管部门官方网站(http：//www.cnnpark.com/)和中国自然保护区标本资源共享平台(http：//www.papc.cn/)上公布的信息,其空间地理位置利用栅格位图进行矢量配准重新确定.湖南省空间行政边界、森林和湿地资源分布等基础数据来源于91卫图助手(发行公司：北京千帆世景科技有限公司,版本：v18.7.7),各地市GDP总值数据来源于湖南省统计局网站报表(http：//tjj.hunan.gov.cn/,2019年).

2.2 研究方法1)运用地理统计学中的地理集中指数、不平衡指数分别对湖南省自然保护区空间分布的集中程度、均衡程度进行定量分析,计算公式为：

(1)

其中：G代表自然保护区分布的地理集中指数,n代表地区数量,xi为第i个地区所拥有的自然保护区数量,T为湖南省自然保护区总数,且G∈(0,100),G值越大,说明自然保护区分布越集中,G值越小,说明自然保护区分布越分散.

(2)

其中：S代表不平衡指数,n代表地市数量,Yi为各地区自然保护区的数量所占全省的比重从大到小排序后,第i位的累计百分比,且S∈(0,1),当S值取边界点0时,表明自然保护区绝对均衡分布在湖南省各地区内,取1时表示自然保护区完全集中在某一个地区内.

2)运用ArcGIS软件进行地理配准后建立湖南省自然保护区空间数据库,并运用Spatial Analyst工具从地理空间、生态空间和社会经济空间布局对湖南省自然保护区现状进行空缺分析.

3 结果与分析

3.1 湖南省自然保护区现状截至2019年12月,湖南省已建53个省级及以上自然保护区,数量上排在全国第7位[19],总面积约9 122.62 km2,占全省国土面积的4.31%.其中,国家级自然保护区23个,面积6 027.69 km2；省级自然保护区30个,面积3 094.93 km2.全省14个地市州中,从数量上看,湘西、岳阳和永州自然保护区个数最多,分别有8个、6个和6个；从面积上看,岳阳、常德和湘西自然保护区总面积最大,分别占全省自然保护区总面积的24.68%、14.63%、11.73%.全省53个自然保护区涵盖森林生态系统、内陆湿地和水域生态系统、野生动物、野生植物和地质遗迹5个类型,其中,森林生态系统类型自然保护区数量最多,有41个；其次是内陆湿地和水域生态系统类型自然保护区,有7个；地质遗迹类型自然保护区仅1个.

3.2 湖南省自然保护区空间分布特征

3.2.1 空间分布总体情况 湖南省地貌类型多样,不同区域所拥有的自然保护区数量和分布特征也各有差异.从图1可以看出,湖南省自然保护区空间分布的总体情况为：自然保护区分布不均衡,总体呈现出“西北部密集,西南部、东南部和东北部较多,西部和东部较少,中部极少”的格局.

3.2.2 行政地理区划空间分布特征

1)按地市分布的集中程度.根据地理集中指数G对湖南省自然保护区分地市进行计算,n=14,计算得出G≈31.17.如果将自然保护区理想的平均分布于各地市,则地理集中指数G∧≈26.73,从而得出G>G∧,即从地市的空间尺度上来看,湖南省自然保护区的分布较为集中.

2)按地市分布的均衡程度.根据不平衡指数S对湖南省自然保护区分地市进行计算,n=14,计算得出S≈0.36,表明湖南省自然保护区在各地市的分布比较集中,处于前三位的湘西、岳阳和永州数量占到全省总数的37.74%,株洲和长沙数量仅占全省总数的5.66%,娄底和湘潭没有自然保护区分布.

表1 湖南省自然保护区名录

图1 湖南省自然保护区空间分布

3)空间分布的核密度.运用ArcGIS10.3的核密度分析工具对湖南省自然保护区质心点进行热点区域可视化分析,得到自然保护区的密度分布格局(图2).由图2可知,湖南省自然保护区高密度热点区域主要分布在张家界市武陵源区,其次是岳阳市环洞庭湖区和邵阳市南部地区.

3.2.3 生态空间分布特征

1)按生态功能亚区分布的均衡程度.生态功能区划是应用区域生态环境要素、生态环境敏感性和生态服务功能分异规律进行地区异同归并与区分,对于加强脆弱生态系统的保护与恢复、维持区域生态环境安全、促进经济社会与生态环境保护的和谐发展具有十分重要的意义[20].根据吴会平[21]关于湖南省生态功能区划的研究结果,湖南省可划分为17个生态功能亚区.根据不平衡指数对湖南省自然保护区分生态功能亚区进行计算,n=17,计算得出不平衡指数S≈0.33.由此可见,湖南省自然保护区在17个生态功能内分布较为集中,具体见表2,其中,东北部生物多样性保育亚区内自然保护区分布尤为集中,占全省总数的16.04%,而涟-邵盆地丘陵退化矿区植被恢复亚区目前暂无自然保护区分布.

图2 湖南省自然保护区核密度

2)按森林资源空间分布特征.湖南是我国南方重点林区省,森林资源丰富,森林面积约12.70×104km2,全省森林覆盖率为59.96%[22],通过与2020年湖南省森林资源分布图进行ArcGIS叠加分析可知(图3),全省自然保护区内分布的森林面积约为0.60×104km2,仅占全省森林总面积的4.72%,表明湖南省森林资源保护力度还有待提高.由图3可以看出,湖南西北部森林资源丰富,成立了较多自然保护区予以高度保护,而在湖南省西南部和东南部还有大面积森林资源尚未通过成立自然保护区予以保护.

3)按湿地资源空间分布特征.湖南省境内水资源发达,不仅拥有我国第二大淡水湖——洞庭湖,还分布有湘江、资水、沅水和澧水4大河流水系.丰富的水资源促生了肥沃的湿地资源,全省有湿地面积约1.02×104km2(除水稻田外),占全省国土面积的4.82%[23].通过与2020年湖南省湿地资源分布图进行ArcGIS叠加分析可知(见图4),全省自然保护区内分布的湿地面积约为0.06×104km2,仅占全省湿地总面积的5.88%.由图4可以看出,湖南省湿地资源分布较广,以东北部的洞庭湖水系分布最为集中,目前已成立自然保护区予以严格保护.根据国家林业和草原局网站公布,截至2019年底,湖南省有国家湿地公园70处,总面积约0.26×104km2,国家湿地公园的建设对湖南省部分湿地资源予以了一定的保护.但在湖南省中部地区,还有部分江河流域和水库水系等湿地资源尚未予以保护.

表2 湖南省自然保护区在不同生态功能亚区的分布

图3 湖南省自然保护区按森林资源分布

图4 湖南省自然保护区和湿地公园按湿地资源分布

3.2.4 社会经济分布特征

1)按国土面积分布特征.经分析,各地市单位国土面积上拥有自然保护区数量最多的地市是张家界、湘西和岳阳(图5a),单位国土面积上拥有自然保护区面积最多的地市是岳阳和益阳(图5b).同时,各地市自然保护区数量和面积与国土面积的相关性分析表明,自然保护区建设数量与国土面积相关性较高(r=0.61),自然保护区建设面积与国土面积相关性较低(r=0.28),说明各地市国土面积大小一定程度上决定了区域内自然保护区建设的数量.

图5 湖南省自然保护区按国土面积分布

2)按GDP总值分布特征.将各地市自然保护区数量与GDP总值进行相关性分析,得出自然保护区建设数量与GDP总值相关性不高(r=-0.35),说明各地市GDP总值未成为区域内自然保护区建设数量的影响因素.

3.3 湖南省自然保护区空缺分析

3.3.1 各地市自然保护区空缺分析 根据湖南省自然保护区地理空间分布特征,娄底市和湘潭市暂无省级及以上自然保护区分布,结合各地市森林和湿地资源分布,经过空缺分析可知：

①娄底市西部属于雪峰山区,地势险峻、海拔较高、森林资源丰富,是湖南省中亚热带森林生态系统保护和生物多样性资源维护的重要区域.截至2018年末,娄底市森林覆盖率保持在50.25%上下,分布有国家Ⅰ级重点保护植物1种,国家Ⅱ级重点保护植物5种,国家Ⅱ级重点保护动物12种,湖南省重点保护动物88种[24]；目前,娄底市仅在西北部分布有湖南新化大熊山县级自然保护区1处,保护力度严重缺乏.因此,在娄底市可以考虑扩建升级已有县级自然保护区为省级或国家级,加强保护力度；或者新建森林生态系统类型自然保护区对娄底西部森林和动植物资源予以保护.

②湘潭市属湘江下游水系,区域地表水系发育,总长603 km的36条大大小小的河流呈树枝状纵横交错于全市境内,是湖南省湿地资源保护和水土保持的重要区域[25].20世纪末,随着湘潭市工业经济的快速发展和城市规模的不断扩大,使得工业污染源和城镇居民生活污染源逐渐增加,较大程度影响着湘江水质状况；21世纪以来,由于湘潭市不断加强湘江水污染综合治理工作,使得湘潭市湘江水质有明显的改善.目前,湘潭市暂未成立湿地和水域类型自然保护区或湿地公园等生态敏感区对湘潭市水资源予以保护.因此,在该区域可以考虑建设内陆湿地和水域生态系统类型自然保护区.

3.3.2 各生态功能区自然保护区空缺分析 根据湖南省自然保护区空间分布特征,涟-邵盆地丘陵退化矿区植被恢复亚区暂无自然保护区分布,中部水土保持与生态休闲亚区仅1个自然保护区分布,结合各功能区森林和湿地资源分布,经过空缺分析可知：

①涟-邵盆地丘陵退化矿区植被恢复亚区主要包括娄底市东南部和邵阳市东北部,该区域主要为丘陵岗地和河谷平原,是湖南省重要的农业生产基地.由于受人为活动干扰,区内现有森林覆盖率相对较低,部分森林资源相对丰富处已批建为森林公园；湿地资源质量总体不高,湿地环境相对优良处已批准为湿地公园.但随着生态环境的进一步恢复,可以考虑将该区域的森林公园和湿地公园建设为保护要求更为严格的自然保护区.

②中部水土保持与生态休闲亚区包括株洲市大部分面积,位于罗霄山脉西麓.武陵源-雪峰山脉和南岭-罗霄山脉亚热带常绿阔叶林生态区作为湖南省最具价值的两个生态区,武陵源-雪峰山脉生态区已建有八大公山、张家界大鲵、高望界、小溪、白云山等多个自然保护区予以保护；而罗霄山脉地处我国东西向和南北向的过渡和转折地带,不仅是目前全球保存面积最大、资源丰富度最高的地区之一,分布有北半球湿润区的各类植被类型,遗存有丰富的原始动植物物种、中国特有种和第三纪孑遗种[18],也是亚洲东部重要的候鸟迁徙通道之一,但该区内仅有的茶陵云阳山省级自然保护区位于西南角,而东南部和北部尤为丰富的森林资源暂未设立自然保护区予以保护.

3.3.3 按社会经济特征自然保护区空缺分析 根据各地市国土面积内自然保护区数量和面积的分布,可以看出,湖南省北部自然保护区建设相对密集,而南部(即怀化、永州和郴州等地市的南部区域)建设较为稀疏,结合全省森林和湿地资源分布,南部地区还存在大面积森林和湿地资源的保护空缺；湖南省南部属于南岭山脉区域,它即是南亚热带和中亚热带的分界线,也是长江流域与珠江流域的分水岭,更是我国具有全球意义的生物多样性优先保护的关键区域之一,还是目前全球保存面积最大、保存完整性较高、最具代表性的亚热带原始常绿阔叶林的地区之一[18],说明南部地区还有建设自然保护区的空间冗余和需求.各地市GDP总值虽然尚未成为区域内自然保护区数量的影响因素,但自然保护区的基础建设也离不开经济支持,应合理安排批建和有效管理自然保护区所需的事业和建设经费.

4 结论

1)通过分析湖南省自然保护区的空间分布特征发现：

①湖南省自然保护区在行政地理区划空间尺度上的地理集中指数G≈31.17,不平衡指数S≈0.36,自然保护区分布比较集中,湘西、岳阳和永州自然保护区数量占到全省总数的37.74%,株洲和长沙仅占全省总数的5.66%,娄底和湘潭没有自然保护区分布；张家界市武陵源区、岳阳市环洞庭湖区和邵阳市南部地区自然保护区分布的空间聚集性相对较高.

②湖南省自然保护区在生态功能区划空间尺度上的不平衡指为数S≈0.33,空间分布较为集中,东北部生物多样性保育亚区内自然保护区分布尤为集中,占全省总数的16.04%,而涟-邵盆地丘陵退化矿区植被恢复亚区暂无自然保护区分布；全省自然保护区内森林面积约占全省森林总面积的4.72%,森林资源保护力度还有待提高,尤其在湖南省西南部和东南部；全省自然保护区内湿地面积约占全省湿地总面积的5.88%,部分湿地资源通过湿地公园的形式予以一定保护,但还有部分湿地资源尚未得到保护.

③通过相关性分析表明,各地市自然保护区建设数量与国土面积大小有一定的关系(r=0.61),而各地市GDP总值尚未成为区域内自然保护区建设数量的影响因素(r=-0.35).

2)根据湖南省自然保护区空间分布特征,结合全省森林和湿地资源分布,经过空缺分析,得出：

①娄底市西部存在森林生态系统类型自然保护区的建设空缺,湘潭市存在内陆湿地和水域生态系统类型自然保护区的建设空缺.

②随着生态环境的进一步恢复,涟-邵盆地丘陵退化矿区植被恢复亚区的部分森林公园和湿地公园可建设为保护要求更为严格的自然保护区；中部水土保持与生态休闲亚区的东南部和北部存在自然保护区的建设空缺.

③湖南省怀化、永州和郴州等地市的南部区域自然保护区建设较为稀疏,结合国土面积、森林和湿地资源分布情况,南部地区还有建设自然保护区的空间冗余和需求.