提 要 以卧龙自然保护区大熊猫保护为实例,提出了自然保护区中景观结构设计的一些基本原则和方法。认为在进行景观要素设计之前,应先进行景观适宜性评价,之后进行核心斑块、缓冲区和廊道的设计。①核心斑块:不仅要考虑斑块的景观适宜性,而且斑块的面积应能维持一定物种数量;②缓冲区:在考虑距离对目标物种影响的同时,还应考虑缓冲区的范围应该覆盖所有的核心斑块;③廊道:需要辨识两种情况,其一是对现存生境廊道的保护,为了避免不同核心斑块被隔离,必须严格保护现存的生境廊道。其二是对潜在生境廊道的建设,在条件允许时,通过植被重建,建立适宜的生境廊道。
关键词 自然保护区;景观结构设计;核心区;缓冲区;廊道;物种保护
中图分类号 S759.9;P901
文献标识码 A
文章编号 1000-3037(2000)02-0164-06
随着人类活动的不断加强和经济活动范围的扩大,全球范围内适宜于生物生存的栖息地在不断减少[1-3]。建立合理的自然保护区成为保护生物多样性和稀有物种的有效手段之一,然而若自然保护区建立的不适当,将可能降低不同自然种群之间的基因交流,其结果是加速了物种的退化和灭绝[1、3、4]。在建立自然保护区时,不仅要考虑碎裂种群的生存能力,而且还要从整体上考虑不同种群及其栖息地在空间上的分布和相互联系,包括结构上和功能上两个方面[5-8]。随着自然栖息地的减少和破碎化,生物多样性保护受到严重威胁[2、8],建立自然保护区、保护濒危物种具有重要意义。一般认为,一个完善的自然保护区包括核心区、缓冲区、实验区和研究区。如何从物种保护角度,研究核心区、缓冲区、实验区以及廊道的设计具有实际意义。景观设计是在一定尺度上对资源的再分配,通过研究景观格局对生态过程的影响,在景观分析、综合评价的基础上,提出景观资源合理利用的方案 [9]]。景观生态建设与景观结构设计在生物多样性保护中具有重要作用[10、11]。
1 自然保护区景观结构设计的基本原则
为了更准确地设计核心保护区、缓冲区和廊道,我们认为,除了了解物种的空间分布外,研究景观的适宜性成为景观设计的基础。在自然保护区功能区设计时应考虑以下基本原则:
1.1 生物保护优先原则
在景观结构设计时,如核心斑块、缓冲区和生境廊道,必须首先考虑目标物种的生态特性和种群最小生存能力,根据生物物种对自然环境的需求进行景观结构设计,不仅要求每一个景观要素必须有利于物种的保护,而且还要求从景观尺度上有利于目标种群的保护。
1.2 微观与宏观相结合的原则
对某一碎裂种群的保护,往往从局部的生存环境考虑,设计适宜的保护区,与此同时,人为地将它与外界隔绝[1、3]。为了从长远角度考虑整个种群的保护,必须从宏观上研究不同碎裂种群之间的相互联系和保护,如建立合理的缓冲区和生境廊道等,在加强不同栖息地之间的联系的同时,促进生物种群之间基因交流,提高物种多样性。
1.3 综合性原则
影响生物生存的景观因子十分复杂,在自然保护区景观结构设计时,不能仅仅考虑某一个或某几个景观因子,不同景观因子的空间组合将直接影响景观对物种的生存。因此在进行景观结构设计时,要考虑所有影响物种生存的景观因子,在景观适宜性评价的基础上,设计合理的核心区、缓冲区和生境廊道。自然保护区景观结构设计的流程可以用图 1 表示。
图 1 自然保护区景观结构设计流程
Fig.1 Flowchart of landscape structure design for nature reserve
2 景观适宜性评价
景观适宜性评价就是根据不同景观因子相对于目标物种的重要性(影响程度),确定不同景观因子对目标物种的权重,在此基础上,评价各种景观因子在空间上组合对物种的景观适宜性。下面我们以卧龙自然保护区大熊猫的保护为例,详细说明景观适宜性评价的方法和过程。
卧龙自然保护区 2000km2 多,约有 140 只大熊猫,目前是我国大熊猫自然保护区中最大的一个。该保护区位于四川省的汶川县,地理位置在
102°52′~103°24′E 和 30°45′~31°20′N 之间,属于四川盆地的西缘山地,整个地势从西向东降低。最高处 6250m,最低处 1150m。该区年均气温 8.5℃,年均降水量约 890mm,无霜期 180~200d 左右。除了食物来源——竹类分布对大熊猫的影响比较突出外,海拔高度和地形坡度也是重要的影响因子[12],此外,人类活动对大熊猫的生存也有显着影响。在此,我们主要选取了食物来源、海拔高度和坡度进行景观适宜性评价。①食物来源。一般认为,竹类的空间分布和丰富程度将直接影响大熊猫的生存。在卧龙自然保护区,大熊猫的主要可食竹类有冷箭竹、拐棍竹、华西箭竹、大箭竹、油竹、白夹竹和水竹等。研究发现,大熊猫最喜欢取食冷箭竹和拐棍竹,其它竹类次之[12]。由此可以根据大熊猫对不同竹类的喜爱程度,进行权重赋值(表 1)。②海拔高度。随着海拔高度的增加,限制了大熊猫的活动范围和觅食能力。通常大熊猫在 1400~3600m 范围内活动,但不同海拔高度范围内出现的频率明显不同,反映出高度变化对大熊猫的影响[12]。由此可以认为,大熊猫出现频率较高的地段是最适合于大熊猫活动和生存的地方,大熊猫出现频率较低的地段景观适宜性较差。根据海拔高度对大熊猫的适宜程度可以进行权重赋值(表 1)。③地形坡度。据野外调查,大熊猫一般喜欢在坡度小于 20°的地方活动和觅食。在卧龙自然保护区,约有 63% 的大熊猫活动在坡度小于 20°以下地区,25% 的大熊猫在坡度
20~30°地区活动,仅有 12% 的大熊猫活动在坡度 30°以上地区[12]。由此可以认为,20°以下的地区最有利于大熊猫的生存,而 20~30°的地区次之,30~40°的地区再次之。当地形坡度达到 40°以上时,将不再适宜大熊猫生存,由此可以进行权重赋值(表 1)。
表 1 不同景观因子权重赋值(mg/kg)
Table 1 Weight assigned to different landscape factors
分级 高程 (m) 地形坡度 (°) 食物来源 权重赋值 (ui)
Ⅰ级 2000-3000 20 冷箭竹、拐棍竹地区 1.000
Ⅱ级 1150-2000 20-30 华西箭竹、大箭竹、油竹、白夹竹地区 0.667
3000-4000
Ⅲ级 4000-5000 30-40 水竹地区 0.333
Ⅳ级 5000 40 无竹类地区 0.000
在上述权重赋值的基础上,我们利用下式计算景观适宜性指数:
式中,S 表示不同景观单元针对大熊猫的景观适宜性指数,n 取 3,表示食物、海拔高度和地形坡度三大影响因子;ui 表示不同景观因子的权重。通过 GIS,首先将该区 1∶10 万地形图输入计算机中建立 DEM 模型,依据上述分级指标(表 1)派生出地形高度分级图和坡度分级图[13],同时将该区 1∶50 万竹类分布图输入计算机。根据表 1,对上述 3 种景观因子类型图进行再分类,产生大熊猫各因子的权重评价图。利用公式 (1) 计算景观适宜性指数,评价结果见表 2 和图 2。
表 2 卧龙自然保护区大熊猫景观适宜性评价
Table 2 Landscape suitability assessment for Giant Panda in Wolong Nature Reserve
景观适宜性分级 面积统计 (km2) 占总面积的百分比 (%) 适宜性评价 代码
1 90.36 4.47 最适宜 S1
0.5~1 226.42 11.19 适宜 S2
0.3~0.5(含 0.30) 286.09 14.13 中等适宜 S3
0~0.3(0.3、0 除外) 183.93 9.10 勉强适宜 S4
0 1236.51 61.11 不适宜 S5
图 2 卧龙自然保护区大熊猫景观适宜性评价
Fig.2 Landscape suitability assessment for Giant Panda in Wolong Nature Reserve
3 卧龙自然保护区景观结构设计与大熊猫保护
3.1 核心保护区设计
通常,大型斑块比小型斑块内有更多的物种,能提高碎裂种群的存活率,也有利于维持和保护基因的多样性,而小型斑块则不利于斑块内部物种的生存和物种多样性的保护[9、14]。然而对于具体物种而言,即使有较大的保护区,倘若景观适宜性较差,也将不利于物种的保护。卧龙自然保护区就是一个实例,总面积 2000km2 多,但最适宜和适宜大熊猫生存的面积只有 300km2 多,且处于十分破碎状态。在核心斑块设计时,不仅要考虑核心斑块的大小,还需考虑核心区的生态环境质量。因此,核心斑块的设计应满足以下两个主要条件:一是斑块的景观适宜性较好(为适宜级以上);二是每一个斑块应具有足够大的面积可以维持一定数量的物种(至少可以容纳 5 只大熊猫),即满足种群的最低生存能力。
具体的设计方法:在景观适宜性评价图基础上,利用 GIS 圈划出景观适宜地区组成的所有潜在斑块(图 3a),并统计出所有潜在核心斑块的面积。考虑到每只大熊猫一般需要 389~640hm2 的活动领域[12],如果将可以容纳 5 只以上大熊猫的面积作为核心斑块的最小面积(取 400hm2 作为一只大熊猫的最小活动区域),则核心斑块的面积最小应为 2000hm2。通过重新赋值可以得到核心斑块的分布(图 3b)。
图 3 卧龙自然保护区大熊猫潜在核心斑块分析(a 为所有潜在核心斑块,图例括弧中显示了
斑块可以
容纳大熊猫的数量:b 为设计的核心保护区)
Fig.3 Analysis of potential core patchs for Giant Pands conservation in Wolong Nature Reserve
(a indicates all the potential core patchs; b indicates the promising core patchs)
3.2 缓冲区设计
缓冲区是围绕着核心区来设计的,通常做法是在核心区外设计一定宽度作为缓冲区。考虑到卧龙自然保护区核心区由几个斑块构成,为了更有效地保护大熊猫生存,以单个的核心斑块建立缓冲区已经失去意义,应将几个核心斑块作为一个整体来考虑建立缓冲区,可以保证缓冲区内几个核心斑块上大熊猫自由迁移。缓冲区的设计应满足下列两个条件:一是距离每一个核心斑块的距离不应低于某一特定的值(此处取 3km);二是缓冲区应覆盖所有的核心斑块。
设计方法:首先利用 GIS 计算出以核心斑块为中心的距离指数(图 4a)。可以看出,在所有以核心斑块为中心的等距线中,2km 等距线所覆盖的范围可以将所有核心斑块包含在内,因此在确定缓冲区时,应以该等距线作为基本缓冲区的边界线。为了保证大熊猫不受影响,设计中我们取 3km 等距线作为缓冲区的外边界(图 4b)。
图 4 卧龙自然保护区缓冲区的设计(a 为距核心斑块的距离指数图;
b 为设计的缓冲区)
Fig.4 Buffer design in Wolong Nature Reserve (a indicates various
distance to core area; b shows the buffer area in the study area)
3.3 廊道设计
不同的栖息地之间建立合理的廊道可以促进不同种群之间的基因交换,有利于整个种群的保护,然而廊道位置、宽度的确定具有较大的模糊性。固然,廊道数量越多越好、宽度越大越好,但这样往往会导致大量投入,在经济上存在一定困难。如上分析,虽然缓冲区的设计已经将不同的核心斑块包括在内,但只是限定了人类在这个范围内活动的强度和方式,由于景观适宜性差异,生物种能否在核心斑块之间自由迁移与交换尚存疑问。为了避免割断不同核心斑块之间物种交换的通道,还需辨识不同核心斑块之间存在的生境廊道,进行严格保护。实际中有两种情况需要辨识:一是对现有生境廊道的保护与改善;二是潜在生境廊道的建设。
现有生境廊道的确定:不同核心斑块之间是否存在生境廊道?怎么来确定?图 3b 显示了核心斑块的位置,可以看出核心区是由几个较大的斑块构成,不同斑块之间仍然存在一些狭长的通道,这些通道可以认为是连接不同斑块的生境廊道
(图 5a),应该进行严格保护。
图 5 卧龙自然保护区廊道设计(a 显示了现有的生境廊道;b 显示了所有可能成为潜在
生境廊道的位置;c 为设计的潜在的生境廊道)
Fig.5 Corridor design in Wolong Nature Reserve (a indicates the existing corridors; b shows the location
of all possible corridors; c indicates all the potential corridors in Wolong Nature Reserve)
潜在生境廊道的确定:潜在生境廊道是指空间上的一些通道,由于某种景观因子限制,目前无法成为大熊猫迁移的安全通道,但经过改造可以成为可用的生境廊道。潜在生境廊道应满足以下条件:一是地形条件必须是适宜的,如坡度和高度应为中等适宜以上(级别Ⅱ以上),这是因为地形条件是难以改变的景观因子,为了满足大熊猫的生存,必须具有一定的适宜性;二是食物来源适宜性较低(低适宜或不适宜级别,Ⅲ级以下),经过植被恢复可以将该地区改造为适宜的生境廊道;三是廊道的宽度应为 1 只大熊猫自由活动领域等面积圆的直径,一般 1 只大熊猫的核心活动领域为 389~640hm2[12],若以 400hm2 计,则与之同面积的直径约 2250m。
根据以上条件,利用 GIS 可以得到卧龙自然保护区潜在的廊道分布图
(图 5c)。
4 结语
建立自然保护区的主要目的是防止物种灭绝和生物多样性消失,然而孤立地建立自然保护区恰似一座孤立的岛屿,其周围被人类创造的异质环境所包围,保护区的物种将受到不同程度的隔离[1、2、4]。有时自然保护区的建立不仅未能起到保护物种和生物多样性,反而加速了物种生态习性的退化,不利于生物多样性保护。如何从整体上保护濒危物种和生物多样性,不仅需要设计功能合理的自然保护区,而且需要从更大尺度上考虑不同栖息地之间物种的迁移和交换,如建立适宜生境廊道、缓冲
区 [6、7] 等。本文以卧龙自然保护区为例,提出了自然保护区景观结构设计的一些实用方法,认为在进行景观结构设计之前,应首先进行景观适宜性评价,在此基础上,进行了核心斑块、缓冲区和廊道的设计,具有一定的实用价值
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