我国森林生态类型国家级自然保护区景观格局变化趋势

郝孟曦，徐轩，孔祥虹，卢巍，杨磊，李中强

（湖北大学资源环境学院，湖北 武汉430062）

0 引言

根据我国国家级自然保护区类型是以保护对象为主的划分原则，我国国家级自然保护区可分为草原草甸、地质遗迹、古生物遗迹、海洋海岸、荒漠生态、内陆湿地、森林生态、野生动物和野生植物9大类型［1］.森林生态系统类型国家级自然保护区在各类国家级自然保护区中占据主导地位［2］，研究表明在9种保护区类型中，森林生态类型自然保护区数量最多，占我国国家级自然保护区总数的44.478%［3］.

国内外对森林自然保护区的研究主要集中在探讨其演化机制和可持续发展［2］，系统规划建设森林自然保护区和完善保护区法律法规［4］等方面.绝大部分学者对单个森林生态类型自然保护区的景观格局进行详细研究，也有少数学者研究了省市级范围内的自然保护区景观格局［5］以及特定林区的森林景观斑块密度及边缘密度的动态变化［6］.到目前为止，在全国范围内对森林生态类型国家级自然保护区整体景观格局做出分析探讨的研究尚少.本文中选取1988年、1994年、2000年、2002年、2006年、2008年和2011年的斑块密度、边界密度、平均斑块分维数和景观连通性指数来揭示景观格局的空间形状特征，利用景观多样性指数、优势度指数、均匀度指数来反映森林生态国家级自然保护区总体景观格局的时间变化规律，并探讨不同地区所建立的国家级森林自然保护区面积和周长与物种数量之间的关系.定量研究景观空间格局可以帮助了解这些保护区的空间分布与配置特征，为以物种多样性保护为重心的自然保护区建设提供理论依据.

1 研究方法

1.1 数据来源 本研究收集汇总了截至2011年底我国149个森林生态国家级自然保护区的相关信息，包括自然保护区名称、类型、面积、周长、物种数量、建立日期和分布省份等.主要数据来源于《2011年全国自然保护区名录》［7］，《中国国家级自然保护区》［8］，中国环境保护网，中国自然保护区数据库及世界保护区数据库（http：／／www.wdpa.org）.

1.2 所选取景观指数的生态学含义及计算公式 将已建立的149个森林生态类型国家级自然保护区视为整体景观中的斑块组分加以分析研究.获取精准的国家级自然保护区地图，在Arcgis 9.3中配准并跟踪边界，已知面积和比例等相关参数，利用Arcgis软件可以计算出保护区周长；运用Fragstats3.3景观格局分析软件计算斑块密度、边界密度、平均斑块分维数、景观连通性指数、多样性指数、均匀度指数及优势度指数.

景观斑块密度反映景观总体的斑块分化程度或破碎化程度［6］.斑块密度越高，表明一定面积上异质景观要素的斑块数量越多，斑块规模就越小，破碎化程度和景观异质性程度也就越高［9］.边界密度反映异质性斑块之间物质、能量和物种交换的能力及影响程度.边界密度大，说明景观整体复杂，景观的边缘效应显著，开放性强，易于同周围斑块的物质能量流通，景观异质性强［6，9］.

平均斑块分维数是定量描述景观面积大小及其边界线曲折性的指数［10］，取值范围是1到2，值越大，景观形状越复杂.景观连通性指数反映景观斑块间的空间连接程度，是景观破碎化程度的度量指标［10］，值越大，表示景观基质阻碍物种运动的程度越小，物种基因更易交流.

Shannon多样性指数、均匀度指数、优势度指数是反映整体景观水平的指数.Shannon多样性指数越大，表明景观格局越复杂，异质化程度越大；均匀度指数越大，说明整个景观中的斑块分布越均匀；优势度指数与多样性指数恰好相反，该指数数值越大，表明一个或少数几个斑块类型占景观的主导地位.各指数的计算公式详见表1.

表1 景观指数及计算公式

1.3 数据统计 运用SPSS 17.0软件对1956年至2011年底不同年份建立的森林生态类型国家级自然保护区的面积及周长分别进行One-way ANOVA方差分析，对不同地区森林生态类型国家级自然保护区面积和周长与物种总数、植物种数、动物种数及重点保护物种数的关系进行Pearson相关分析.

2 结果与分析

2.1 森林生态国家级自然保护区景观斑块特征 根据中国地理区划，本文中把所有森林生态国家级自然保护区归分为6大地区，分别是东北地区、华北地区、华南地区、华中地区、西北地区和西南地区.

截至2011年底，我国共建立森林生态国家级自然保护区共149个，东北地区共15个，华北地区共21个，华南地区共25个，华中地区共43个，西北地区共24个，西南地区共21个.建立森林生态类型国家级自然保护区最多的地区是华中地区，东北地区最少；面积大于1 000km2的森林生态国家级自然保护区在西北地区最多，华北与华南地区都没有；面积在100～500km2的森林生态国家级自然保护区几乎在每个地区的数量都占绝对优势（西北地区除外）.从平均面积上看，西南和西北地区远远大于其他4个地区.从平均周长上看，华北和华南地区较其他地区稍大些（表2）.方差分析表明，1988年、1994年、2000年、2002年、2006年、2008年和2011年这7年建立的森林生态类型国家级自然保护区的面积及周长都不存在显著差异（表3）.

表2 不同地区森林生态国家级自然保护区数量特征

表3 不同年份新建森林生态类型国家级自然保护区面积与周长的方差分析

2.2 森林生态国家级自然保护区的空间异质规律 森林生态国家级自然保护区景观斑块密度从1994年的0.198×10-3个／km2急剧增大到2000年的3.366×10-3个／km2，2002年稍有下降，2006年和2008年又有所回升，直至2011年又下降到1.337×10-3个／km2（图1a）.整体景观的边界密度从1988年至2011年变化不明显，但同斑块密度一样，最大值0.151km／hm2出现在2008年，最小值2.741×10-3km／hm2出现在1994年（图1b）.

景观平均斑块分维数总体上均呈先增后减的趋势，数值在1.085至1.363之间，最终维持在较低水平，景观组分的斑块形状由复杂、不规则变得简单、平整，反映出景观整体形状朝规则、简单方向的变化趋势（图1c）.景观连通性指数的变化规律与斑块密度变化规律一致，反映出在1994年景观斑块间的空间连接程度最小，景观基质阻碍物种运动的程度越大，物种基因不易交流，在2008年这种物种之间的基因交流最易进行（图1d）.

图1 斑块密度（a）、边界密度（b）、平均斑块分维数（c）及景观连通指数（d）的动态变化

2.3 森林生态国家级自然保护区景观格局的时间变化 总体景观的多样性指数呈下降趋势，景观格局逐渐简单化，异质程度逐年缩小，2000年shannon多样性指数为2.061，是7年中数值最大的，该年整体景观格局最为复杂，多样性水平最高.优势度指数变化情况总体上呈先下降后上升的趋势，由1994年的最大值1.684下降到2000年的最小值0.245，组成总体景观的各斑块所占比例差异逐渐缩小，景观异质程度降低，直至2011年优势度指数上升，景观异质程度增大.从均匀度指数的变化情况也可以看出，自2000年以后，整个森林生态国家级自然保护区景观格局由不均匀逐渐变得均匀化（图2）.

图2 多样性指数、均匀度指数、优势度指数的动态变化

2.4 不同地区森林生态国家级自然保护区数量、面积及周长与物种数的关系 相关分析结果表明，在以物种保护为重心的森林生态国家级自然保护区中，其数量与物种总数和重点保护物种数呈显著相关，与植物物种数呈极显著相关.在华北地区，保护区面积与重点保护物种数呈显著正相关，其他地区的森林生态国家级自然保护区面积及周长均与物种数、植物物种数、动物物种数和重点保护物种数均无显著相关性.其中，东北地区和西南地区保护区面积和周长与重点保护物种数在一定程度上呈现负相关，西北地区保护区周长与物种数及植物物种数呈现负相关，华北地区保护区周长与物种数、植物物种数、动物物种数和重点保护物种数均呈负相关，但相关程度都不显著（表4）.

表4 不同地区森林生态类型国家级自然保护区数量、面积及周长与物种数关系

3 讨论

3.1 我国各地区森林生态国家级自然保护区发展趋势 截至2011年底，我国共建立335个国家级自然保护区，其中森林生态类型国家级自然保护区数量和面积分别占总数量和总面积的44.478%、15.245%，数量和规模在其他各类型国家级自然保护区占主导地位［3］.在区域分布方面，大型、特大型森林生态国家级自然保护区绝大多数集中在西部地区，小型、中小型森林生态国家级自然保护区主要分布在华南和华中地区［7］.东部地区森林生态国家级自然保护区的数量和面积远低于全国平均水平［10］.因此，我国现有的森林生态国家级自然保护区空间分布布局也不尽合理，发展不均衡，今后在森林自然保护区建设中应该充分考虑各地区的均衡发展.

3.2 我国森林生态国家级自然保护区的景观格局 斑块的形状多与边缘效应及景观异质程度相关，进而影响物种多样性［11-13］.紧密简单型斑块，异质程度较低，有利于保储能量、养分和生物［14］，而松散复杂型斑块异质程度较高，易于促进斑块与周围环境物质、能量和生物方面的交换［15-16］.就物种保护和生物多样性角度而言，最优景观是几个大型自然植被斑块与众多分散小斑块相连，形成一个有机的整体景观［17］.从整体上看，斑块密度、边界密度、平均斑块分维数和景观连通性指数的变化都反映出我国森林生态国家级自然保护区整体景观形状规则化、简单化，景观异质程度降低，系统开放性变弱，与外界斑块物质能量流通能力逐渐变弱的情况.虽然在一定程度上这种变化有利于保持景观的完整性，然而一旦遭遇强烈的自然干扰或是人为干扰，将不利于生物多样性和生态系统的稳定［18-19］.

景观多样性指数、均匀度指数和优势度指数的变化表明森林生态国家级自然保护区景观格局逐渐稳定化、均匀化，多样性水平下降.因此，要加强对生物多样性丰富地区和重要生态系统的保护，尽量减少由人为干扰引起的景观破碎化［19-20］，对一些特有性、典型性、濒危性的物种必须进一步加大保护力度.3.3 对我国森林生态国家级自然保护区建设的几点建议 从生物多样性角度而言，斑块大小影响物种、能量和养分的分布，决定整个景观的生态功能［17］，建立大型保护区很大程度上优于小型保护区［21］.本研究发现在不同年份新建的森林生态国家级自然保护区的面积及周长并没有显著差异.然而，不同地区自然地理条件有差异，在保护区面积、形状大小方面的设置应该结合本地区的特有自然条件、经济社会条件［22］.例如特大型、大型森林生态国家级自然保护区主要分布于西部地区［8］，这些地区大多人迹罕至，条件艰苦，土地贫瘠，气候恶劣，给科学研究和物种多样性保护带来阻碍.相反地，东北地区土地肥沃，气候湿润，有着大面积针叶林、针阔混交林加之经济条件发达，应该作为森林生态保护区的重点建设地区，但实际情况是我国东部地区森林生态国家级自然保护区数量最少，面积较小，物种多样性低，重要物种的保护措施不完善［23］.

已有研究发现我国不同类型自然保护区的面积、数量及形状特征对于物种保护和繁衍不具备科学依据［24］，在国家级自然保护区及功能区面积设置方面也存在不合理性［10］.本文中研究发现在以物种保护为重心的森林生态国家级自然保护区中，虽然不同地区保护区数量与物种总数和重点保护物种数呈显著相关，但面积及周长均与物种数、重点保护物种数无显著相关性，甚至有些地区保护区面积及周长还与物种数等呈现负相关，如东北地区、西南地区和华北地区（表4）.因此，在自然保护区建设过程中除考虑到数量和面积之外，还应该考虑保护区周长、形状及边缘效应作用等.在此基础上，建立一个综合全面的国家级自然保护区数据库共享平台，给出准确的空间数据信息以便广大专家学者共同研究探讨，促进国家合理规范地建立自然保护区.

此外，今后自然保护区工作的重点也要放在提高管理水平，努力推动保护区事业由数量规模型向质量效益型转变方面.自然保护区的建立都会与相关职能部门法律法规相联系，而这些规章制度一般都会忽视当地居民的经济利益，影响他们的正常活动，努力协调人与保护区的关系也是一项艰巨的工作.

4 结论

我国国土面积辽阔，纬度跨越大，气候变化多样，动植物资源丰富，生物多样性水平较高，但同时也是世界上生物多样性受威胁最为严重的国家之一.自然保护区的建立是为了合理高效地保护基因多样性、物种多样性和生态系统的多样性.以物种保护为前提来设立森林生态类型国家级自然保护区的时候，不仅要考虑到数量、面积、功能区面积比例的设置等问题，还应该对这些保护区的周长、形状特征、景观异质程度、社会经济状况等做出综合评估，从而实现生物多样性的全面保护.

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