基于GIS的自然保护区功能分区的自动实现

李纪宏¹，刘雪华^1*，朱建州²，李冬群²
( 1. 清华大学 环境科学与工程系，北京100084；2. 陕西老县城自然保护区管理处，陕西 710400 )

　　摘要：自然保护区的功能分区的合理与否是维持自然保护区保护功能和自然保护区可持续发展的关键。目前大部分功能分区的具体设计都比较主观，缺乏一个合理的科学程序。本文以陕西老县城大熊猫自然保护区为例，根据自然保护区的生态功能，将影响自然保护区生境的因素分为景观因素和人为干扰因素，提出了自然保护区功能分区设计应首先进行景观适宜性评价和人为干扰度评价，探讨了景观适宜性评价和人为干扰度评价的准则，研究了利用景观适宜性评价和人为干扰度评价并结合被保护物种分布密度或痕迹点密度来设计核心区、实验区和缓冲区的技术方法和程序，实现了运用地理信息系统技术和空间分析模拟技术对自然保护区功能分区的自动划分。研究结果表明利用生境评价和地理信息系统技术并结合被保护物种的分布密度或痕迹点密度设计的方案有利于当地物种的保护和自然保护区的管理。
　　关键词：功能分区; 自然保护区; 老县城; GIS

Automatic Realization of Nature Reserve Zoning Based on GIS
LI Ji-hong¹, LIU Xue-hua^1*, ZHU Jian-zhou², LI Dong-qun²
(1. Dept. of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Bureau of Lao Xiancheng Nature Reserve, Shanxi 710400, China )

Abstract: Designing reasonable zoning is one of the most important approaches for maintaining its function and sustainable development of nature reserves. However, there are many problems in the practice of nature reserves’ zonation. In this paper, some methods and technologies of zoning with an example of Lao Xiancheng Nature Reserve were discussed. The key factors affecting the habitat of giant pandas in Lao Xiancheng were divided into two categories: landscape factors and human disturbing factors. In zoning process, evaluations on landscape suitability and human disturbance were first conducted. The paper also analyzed the detailed methods of zoning by combining the outputs of landscape suitability and human disturbance assessments with the trails density of giant pandas. And finally, the paper explored the automatic realization of nature reserve zoning through spatial analysis in GIS. The result showed that the proposed approach natural reserve zoning followed scientific thought and was practicable for the species preservation and nature reserve management.
Key words: zoning; nature reserve; Lao Xiancheng; GIS

　　自然保护区功能分区是自然保护区管理计划的重要组成部分，也是自然保护区建设的一项必要内容。自然保护区成立之初就应该划分合理的功能分区以有效地实现自然保护区的保护目标，《中华人民共和国自然保护区条例》规定，根据自然保护区的各类自然资源和生态系统的作用和地位，在自然保护区内部应该采取核心区、缓冲区和实验区的功能分区环套结构（图1）。核心区作为最能体现生物保护价值的区域，其大小、面积和边界的确定是功能分区的重点；实验区是人类活动较为剧烈的区域，是自然保护区管理的重心，由于当前中国一些自然保护区内仍保留有人口，因此其合理的区划对自然保护区的有效管理和可持续发展起着重要的作用；缓冲区作为核心区和实验区的一个过渡地带，其作用不单单是缓冲人类活动对核心区的影响，还有作为核心区物种潜在栖息地和科学研究基地的功能。

岛屿生物地理学理论， 异质种群理论，景观

图1 自然保护区功能分区图示
Fig .1 The indication map of nature reserve zoning

　　生态学理论以及生物圈保护区理论等构成了自然保护区功能分区的理论基础。（1）1967年MacArthur 和Wilson创立的岛屿生物地理学理论曾经成为自然保护区功能分区的主要理论依据，Diamond等（1975）^[1]根据岛屿生物地理学的种－面积关系和“平衡理论”提出的保护最大物种多样性的自然保护区设计原则对目前功能分区的研究仍有着非常强的指导意义。（2）同时期Levins^[2]等提出的异质种群理论将功能分区的设计从单个保护区扩展到了网络的层次，他们认为功能分区不应只局限于单个的保护区之内，而应设法使之连接几个小的保护区，构建保护区之间的廊道，以增加保护区的生物多样性。（3）而将景观的概念引入生态学形成的景观生态学理论则给自然保护区功能分区提供了新的理论方法，按照景观生态学的观点，自然保护区的最佳形状为一个大的核心区加上弯曲的边界和狭窄的裂开形延伸，其延伸方向与周围生态流方向一致^[3,4]，这与生物圈保护区的思想是不谋而合的。（4）将自然保护区划分为若干功能区域的思想是伴随着生物圈保护区理论的概念而出现的，生物圈保护区被赋以网络的特征和多功能的特点，并具有保护、提供研究基地和地区发展等多种功能，这些功能与保护区的功能分区相对应，因此若干功能区域的划分取决于保护区的不同管理目的和要求。
　　目前，功能分区在理论方法上和实际应用上都还存在一定的问题。对于功能分区的相关理论，无论是岛屿生物地理学对功能区面积大小上的指导，还是有关网络分析的异质种群理论，以及不同尺度的景观生态学等理论，在功能分区的实际应用中还欠成熟。在已有的方法中，包括种群生存力分析方法^[5-7]、阻力面分析方法^[8,9]等在内的划分方法在可操作性和可实现性方面尚存在一些问题。而现有的功能分区也存在划分上的诸多问题，如核心区过小或者过于分散；缓冲区位置不当，设立的缓冲区在空间上没有位于核心区与实验区之间，无法有效隔离外界对核心区的不利影响；实验区边界模糊致使管理混乱；两区区划，只有核心区和实验区而没有划定缓冲区等，这些问题都对自然保护区功能分区的实际效用和管理造成了一定的影响。
　　地理信息系统集数据收集、处理、分析、显示等功能于一身，已经越来越广泛地应用到了城市区域规划、自然资源管理与评价、地学研究中，由于其在海量数据的分析处理和直观显示上的优越性，在生态学研究上也得到了很多的应用，具体到生物保护方面，刘雪华^[10,11]、欧阳志云^[12]、陈立顶^[13]等均从不同角度描述或探讨了四川卧龙自然保护区大熊猫的生境特点和生境评价，陈立顶等也根据适宜性评价进行了核心斑块、缓冲区和廊道的设计^[14]，唐小平从区域层次对三江源自然保护区的功能分区设计^[15]，以及李文军利用地理信息系统研究丹顶鹤栖息地的分布并建立相关模型来设计功能分区^{[16] [17,18]}等，都显示了地理信息系统与生物保护研究相结合带来的技术和研究方法上的进步。本文拟利用地理信息系统技术，结合自然保护区的生境评价，以老县城大熊猫自然保护区为例，自动实现自然保护区功能分区的划分，并从功能分区的方法和设计程序上做了详细的分析和探讨，为自然保护区功能分区的科学化和自动化提供技术和方法上的支持。

1 研究区域

　　陕西老县城自然保护区地处秦岭中段南坡的湑水河上游，地理位置在东经107°40¢～107°49¢、北纬33°43¢～33°50¢之间（图2），是连接周至国家级自然保护区、佛坪国家级自然保护区、长青国家级自然保护区、太白山国家级自然保护区以及黄柏源拟建自然保护区的重要区域，总面积约126.1km²。保护区整体地形呈“心”形，地势东南高而西北低，最高点鲁班峰海拔2904m，最低处青龙寨海拔1524m，相对高差1380m。老县城自然保护区有人口156人，区内有25只大熊猫。该保护区的建立，使几个岛屿化的大熊猫栖息地连成一片，对秦岭大熊猫的基因交流和种群复壮起着重要的作用。

2 研究方法

　　自然保护区功能分区的主要目标就是通过对影响自然保护区保护对象的因素进行分析，综合自然、生物、人为等因素设计出合理的功能分区，以维持自然保护区的保护功能，因此一个合理的功能分区的设计步骤（图3）应为：
　　（1）根据功能分区要求，识别影响保护目标生境的限制因素和影响因素；
　　（2）选取功能分区的相关指标，量化指标并分级；
　　（3）根据一定的评价准则和程序方法，进行生境评价；
　　（4）利用生境评价结果，根据功能分区的设计准则，设计核心区、缓冲区和实验区，得出最终的功能分区设计方案。

图 2 老县城自然保护区的地理位置
Fig .2 The geographical location of Lao Xiancheng Nature Reserve

2.1 影响因素识别和功能分区指标量化
　　综合分析表明，影响老县城自然保护区大熊猫生境质量的因素可以划分为两大类：景观因素和人为干扰因素。景观因素有海拔高度、坡度、可食竹类的分布及丰富度、植被类型、水文、地质地貌类型等方面。人为干扰因素主要有木材与薪柴砍伐、旅游、农业活动、交通、挖药以及当地居民的日常生活活动等。
　　根据陕西省第三次大熊猫调查报告，老县城自然保护区管理计划以及老县城自然保护区的实际的自然、地理、经济情况，在影响因素识别的基础上选择可以量化的适宜功能分区的景观指标和人为干扰指标，对每一个二级指标进行量化并分级（表1、表2）。
　　海拔高度：老县城大熊猫活动的集中区域分布在海拔2200m以上，此区域的自然植被基本上得以保存，为大熊猫等野生动物提供了理想的栖息环境，1800～2200m范围之内是大熊猫良好的栖息地，1800m以下的区域不适合大熊猫的生存，据此对海拔高度进行适宜度分级。
　　坡度：据野外调查，老县城大熊猫一般喜欢在坡度小于20º的地方活动和觅食，而地形坡度大于40º时，不利于大熊猫的取食和活动。
　　竹子种类及分布：可食竹类的分布和丰富程度直接影响着大熊猫的生存，老县城大熊猫的主要可食竹类有秦岭箭竹和华西箭竹，同时还有少量的龙头竹，根据竹种的分布图进行适宜性分级。
　　植被类型：根据陕西省第三次大熊猫调查报告显示，老县城大熊猫的最适宜植被是针叶林和针阔叶混交林，落叶阔叶林也有一定程度的适宜性，灌丛、草坡、农田、人工林等不适宜其生存。
　　居民点：以居民点的密度作为评价指标，居民点密度越大，人为活动对大熊猫的干扰越大，按照密度大小进行干扰程度分级。
　　对于农田、旅游区、道路和薪柴区四个距离指标，以距离的远近作为分级的标准，距离的选择标准采用专家调查法和实地调研相结合的方法，进行人为干扰度评价分级。
　　在上述各指标量化的基础上，为便于GIS分析和空间模拟运算，对每一等级根据适宜度和干扰度赋予相应得分进行单因素评价。

图3 基于GIS的自然保护区功能分区的设计程序
Fig .3 The work flow of nature reserve zoning based on GIS

表1 自然保护区功能分区中的景观指标分级
Table 1 Quantification of landscape indices of nature reserve zoning

评价对象
Evaluation objects 最适宜
Highly suitable 中等适宜
Moderately suitable 一般适宜
Marginally suitable 不适宜
Unsuitable 海拔高度elevation/m 2200～2900 2000～2200 1800～2000 1500～1800 坡度Slope/(º) 0～20 20～30 30～40 >40 竹子种类 Bamboo type 秦岭箭竹 华西箭竹 龙头竹 无竹子地区 植被类型 Vegetation type 针叶林，针阔混交林 落叶阔叶林 灌丛 草坡，农田，人工林 适宜性等级赋值 Score of suitability 3 2 1 0

表2 自然保护区功能分区中的人为干扰指标分级
Table 2 Quantification of human disturbing indices for nature reserve zoning

评价对象
Evaluation objects 严重干扰
Strongly disturbed 中等干扰
Moderately disturbed 一般干扰
Weakly disturbed 无干扰
Not disturbed 居民点密度Residential density/户/km² 2～4 1～2 0～1 0 距农田距离 Distance to farm zone/m 0～100 100～200 200～750 >750 距旅游区距离 Distance to visit zone/m 0～500 500～1000 1000～1500 >1500 距道路距离 Distance to road/m/ 0～50 50～200 200～1000 >1000 距薪柴区距离 Distance to firewood zone/m 0～100 100～200 200～1000 >1000 干扰度等级赋值 Score of disturbance 3 2 1 0

2.2 生境评价
　　生境评价是功能分区的基础工作，也是划定功能分区的一个重要步骤。生境评价内容包括景观适宜性评价和人为干扰度评价。景观适宜性评价选取海拔高度、坡度、竹子种类和植被类型等四个指标，人为干扰度评价选取居民点、农田、旅游区、道路以及薪柴区等五个指标。根据指标的量化结果，对景观适宜性评价和人为干扰度评价的每个指标进行再分类，产生单因子的权重评价图，利用公式1和公式2分别计算景观适宜性指数和人为干扰度指数，根据景观适宜性等级准则（表3）和人为干扰度等级准则（表4）得出评价结果。
　　景观适宜性指数：

　　　　　　　　　　　　　　 （1）

　　其中，L表示不同景观因子对于大熊猫的景观适宜性指数，m为景观适宜性评价指标个数，w_i为不同景观因子的适宜性等级赋值。
　　人为干扰度指数：

　　H=MAX(s_i)　 （i=1,2,……，n） （2）

　　其中，H表示不同人为干扰因子的人为干扰度指数，n为人为干扰度评价的指标个数，_si为不同人为干扰因子的干扰度等级赋值。

表3 自然保护区的景观适宜性等级准则
Table 3 Criteria of classification for landscape suitability of nature reserve

景观适宜性等级
Classes of landscape suitability 最适宜
Highly suitable 中等适宜
Moderately Suitable 一般适宜
Marginally suitable 不适宜
Unsuitable 景观适宜性指数 (L)
Landscape suitability index 12 6～11 1～5 0

表4 自然保护区的人为干扰度等级准则

Table 4 Criteria of classification for human disturbance of nature reserve

人为干扰度等级
Classes of human disturbance 严重干扰
Strongly disturbed 中等干扰
Moderately disturbed 一般干扰
Weakly disturbed 无干扰
Not disturbed 人为干扰度指数 (H)
Human disturbance index 3 2 1 0

2.3 功能分区设计
2.3.1 核心区设计
　　核心区的设计应考虑以下三个原则：（1）核心区的景观适宜性应较好；（2）核心区斑块应有足够大的面积以维持大熊猫的生存和一般活动；（3）考虑保护区内大熊猫痕迹点（包括大熊猫的实体点、尸体点、卧穴点、食迹点和足迹点）的分布密度。设计步骤为：
　　（1）将景观适宜性评价中最适宜和中等适宜的景观单元（L≥6）作为核心区设计斑块；
　　（2）根据大熊猫的痕迹点生成大熊猫的痕迹点密度图，利用逻辑“或”运算叠加核心区设计斑块和大熊猫痕迹点密度H≥4的区域；
　　（3）据相关研究^[19-21]，大熊猫的活动范围综合取值为7km²，因为核心斑块的面积过小无法维持大熊猫的生存和生活，所以设定7km²作为核心斑块的面积阈值去除设计单元中面积小于此数值的斑块；
　　（4）大量的分散的核心斑块不利于核心区的管理，对于被核心斑块包围的空心斑块直接利用GIS功能将其合并到相邻核心斑块中；
　　（5）最后生成老县城自然保护区的核心区。
2.3.2 实验区设计
　　实验区的设计同样遵循以下两个原则：作为容许人为活动比较强烈的区域，实验区应位于存在一定的人为干扰的区域；从物种保护的角度考虑，实验区与核心区之间应该有一个合适的距离。根据这两个原则，其设计步骤为：
　　（1）以人为干扰度评价为依据，将人为干扰度为一般干扰级（H≥1）以上的区域设为实验区设计斑块；
　　（2）根据后面缓冲区的设计结果，自动调整实验区的范围得到其边界。
2.3.3 缓冲区设计
　　在核心区外围需要设置一定宽度的缓冲区以缓冲外界对核心区的影响，缓冲区的设计参考设计好的核心区设计斑块和实验区设计斑块的边界。其设计步骤为：
　　（1）从被保护物种的需求出发，以核心区边界作为缓冲区设计的内边界，假设被保护物种全部位于核心区之内，则其所能到达的最远区域是最为接近实验区的核心区的外边界，因而物种所需要的缓冲带的最小宽度可以定义为大熊猫的活动半径，大熊猫的活动范围为7km²，其活动半径为1500m，因此此处设定围绕核心区的缓冲带的最小宽度为1500m。
　　（2）将核心区与实验区设计斑块之间的区域设为缓冲区设计斑块，凡是宽度小于1500m的缓冲区设计斑块，自动向实验区设计斑块扩充至1500m。而核心区与实验区设计斑块之间距离大于或等于1500m的区域全部设为缓冲区。
　　（3）得到的缓冲区的边界并自动得到最后的功能分区方案。

3 结果

3.1 功能分区中的生境评价结果
　　图4所示为老县城自然保护区功能分区的景观适宜性评价图（a）和人为干扰度评价图（b）。在老县城自然保护区，适宜大熊猫生存的景观区域面积为114.1 km²，其中景观最适宜面积为31.9 km²，中等适宜面积为35.5 km²，一般适宜面积为46.7 km²，实际的适宜面积占整个保护区的91.2%，不适宜面积只有11.1 km²。同时，占老县城自然保护区71.8%的区域几乎不存在人为干扰，严重干扰的区域面积为6.3 km²，中等干扰和一般干扰的区域面积共为29.4 km²。综合分析表明，老县城自然保护区的景观适宜性较好，除了居民区、交通线路、农田等人为干扰程度较重的区域外，其他区域的人为干扰较小。

图4 老县城自然保护区景观适宜性评价图（a）和人为干扰度评价图（b）
Fig .4 Landscape suitability (a) and human disturbance (b) evaluations in Lao Xiancheng Nature Reserve

3.2 功能分区方案
3.2.1 功能分区设计过程中的部分重要结果
　　图5显示了功能分区设计过程中的部分结果，其中，图5a为利用景观适宜性评价得到的功能分区的核心区设计斑块，图5b为大熊猫痕迹点的密度。对比图5a和图5b可以看出有一部分密度较高的大熊猫痕迹点没有位于利用景观适宜性评价得到的核心区设计斑块之内。而核心区的设计结果（图5c）基本上反映了景观适宜性和大熊猫痕迹点的相互结合。图5d显示的是实验区的设计斑块，为了便于分析和空间上的直观显示，我们将实验区设计斑块叠加到了缓冲区设计斑块图上（图5e）。图5f为最终的缓冲区。
3.2.2 功能分区设计结果
　　功能分区结果如图5所示。核心区面积为53.9 km²，占整个保护区面积的43.0%；缓冲区面积次之，为40.5km²，占整个保护区面积的32.2%；实验区面积为31.2km²，只占保护区面积的24.8%。

图5老县城自然保护区的功能分区设计过程中的部分重要图
a核心区设计斑块；b大熊猫痕迹点分布密度；c核心区；d实验区设计斑块；e缓冲区设计斑块；f缓冲区
Fig .5 Some important output maps of zoning in Lao Xiancheng Nature Reserve
a Designed cell of core zone; b Density of panda trails; c Core zone; d Designed cell of experimental zone;
e Designed cell of buffer zone; f Buffer zon

4 分析与讨论

4.1 功能分区方案的合理性
　　老县城自然保护区功能分区图（图6）和表5显示：有72.2%的大熊猫痕迹点位于设计的核心区之内；所有居民点都在实验区之内；同时核心区包括了绝大部分适宜性斑块，而实验区也是包括了人为干扰斑块数量的82.3%。因此，核心区基本上涵盖了保护区内适宜大熊猫生存的地区，人为干扰大都能够控制在实验区之内，平均距离超过1500m的缓冲区不仅能够有效地缓冲外界对核心区的影响，区内景观的恢复也有利于其作为大熊猫的潜在栖息地。功能分区的结果直接反映了生物保护和管理目标的各自实现和相互协调。
4.2 方法的合理性和优越性
　　利用生境评价来设计核心区有很多优势：景观适宜性评价能够反映物种在不同景观要素中的适宜性程度的不同，因此直接决定着核心区的设计；而人为干扰度评价则对自然保护区内人为活动的干扰范围和程度有所反映，因而可以用来直接或间接地设计实验区。同时功能分区的设计需要考虑诸多因素，尤其对大熊猫自然保护区来说，对旗舰物种大熊猫的保护显得尤为重要。老县城自然保护区原有的功能分区只考虑了海拔这一因素，无法有效地维持对大熊猫的保护，而新的功能分区考虑了更多的影响因素。由于叠加了大熊猫的痕迹点这一重要的生物因素，在保护生物的这一层面上看，本文给出的功能分区方案更加合理科学且满足实际情况。

图6老县城自然保护区功能分区图
Fig .6 The zoning map of Lao Xiancheng Nature Reserve

表5 老县城自然保护区功能分区中的相关统计结果
Table 5 The statistical results of Lao Xiancheng Nature Reserve zoning

功能区Functional zones 核心区Core zone 缓冲区Buffer zone 实验区Experimental zone 大熊猫痕迹点
Panda trails 数量numbers/个
比例Percentage/% 114
72.2 25
15.8 19
12.0 居民点
Settlements 数量Numbers/个
比例Percentage/% 0
0 0
0 59
100 适宜性斑块
Suitable patches 数量numbers/个
比例Percentage/% 44749
82.3 9031
16.6 582
1.1 人为干扰斑块
Disturbed patches 数量numbers/个
比例Percentage/% 105
0.2 7019
17.8 32500
82.0

4.3 功能分区的自动实现
　　本着生物保护和管理发展并重的原则，本文功能分区的设计是以核心区、实验区和缓冲区的顺序来划分的，优先设计核心区和实验区有利于自然保护区保护功能和管理工作的协调。目前很多自然保护区功能分区都是自内而外进行设计，即在核心区和缓冲区设计的基础上，根据保护区的边界确定实验区的边界^[14-18]，这种方法回避了实验区设计方法的研究，不能够合理而有效地界定自然保护区的实验区。因此，本文在吸收前人成果的基础上，从数据的可获取性和指标的可操作性出发，优先设计核心区和实验区，利用景观适宜性评价和被保护物种的分布密度设计核心区，以人为干扰度评价为依据设计实验区，并着重从生物因素的角度考虑缓冲区的设计，对整个功能分区的设计进行了一些探索，利用GIS的空间分析模拟技术实现了自然保护区的功能分区的自动划分。
4.4 所解决的问题
　　前文提到的目前功能分区实际划分中存在的问题在本研究中得到了很好的解决。首先，利用景观适宜性评价和被保护物种的分布密度并结合GIS技术设计的核心区避免了核心区过小或者过于分散给核心区内物种的保护带来的威胁。其次，从生物保护的因素考虑设置缓冲区，使得缓冲区的设置较为科学化而非随意设置，能够真正起到缓冲的作用。同时，本文实验区的设计是在对保护区内人为干扰因素综合分析的基础上并结合GIS技术自动划分边界的，因此实验区边界模糊的弊病也不再出现。整个程序和实现过程以及最终结果都能很好地解决目前功能分区所存在的一些问题，并能为功能分区的科学划分提供实际应用的参考价值。
4.5 存在的问题
　　本研究在进行功能分区指标量化时，对每个指标是按等权重考虑的，没有考虑各指标间的权重差异，其差异性对于功能分区的结果可能会有一定的影响，更深入的研究需要考虑指标权重的差异来进一步分析各指标。另外，缓冲区设计时主要是从生物保护的角度利用大熊猫的移动半径来确定其适当的宽度，方法和程序都值得进一步探讨。

5 结论

　　设计功能分区需要充分考虑相关的可以量化分析的指标。生境评价结果能为功能分区的自动划分提供基础；景观适宜性评价可以作为核心区设计的一个步骤，其结果能够有力地支持核心区斑块的选择；人为干扰度评价作为实验区的设计方法，其合理性在很大程度上取决于人为干扰大小的程度和自然保护区的实际情况。最终给出的功能分区是一个以物种保护为主的综合生境评价的设计方案，从很大程度上反映了生境评价的结果和生物保护的因素。地理信息系统在数据的收集分析以及功能分区的实际模拟设计中发挥着很大的作用。

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资助项目：国家自然科学基金重点基金资助项目（30230080），清华大学骨干人才支持基金，美国孟菲斯动物园和中国野生动植物保护协会资助项目。
作者简介：李纪宏（1979～），男，汉，山东临沂人，硕士研究生，研究方向为GIS应用和自然保护区管理。
*通讯作者：E-mail: [email protected]