李紀(jì)宏¹，劉雪華^1*，朱建州²，李冬群²
( 1. 清華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，北京100084；2. 陜西老縣城自然保護(hù)區(qū)管理處，陜西 710400 )

　　摘要：自然保護(hù)區(qū)的功能分區(qū)的合理與否是維持自然保護(hù)區(qū)保護(hù)功能和自然保護(hù)區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。目前大部分功能分區(qū)的具體設(shè)計(jì)都比較主觀，缺乏一個(gè)合理的科學(xué)程序。本文以陜西老縣城大熊貓自然保護(hù)區(qū)為例，根據(jù)自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)功能，將影響自然保護(hù)區(qū)生境的因素分為景觀因素和人為干擾因素，提出了自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)設(shè)計(jì)應(yīng)首先進(jìn)行景觀適宜性評(píng)價(jià)和人為干擾度評(píng)價(jià)，探討了景觀適宜性評(píng)價(jià)和人為干擾度評(píng)價(jià)的準(zhǔn)則，研究了利用景觀適宜性評(píng)價(jià)和人為干擾度評(píng)價(jià)并結(jié)合被保護(hù)物種分布密度或痕跡點(diǎn)密度來設(shè)計(jì)核心區(qū)、實(shí)驗(yàn)區(qū)和緩沖區(qū)的技術(shù)方法和程序，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)和空間分析模擬技術(shù)對(duì)自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)的自動(dòng)劃分。研究結(jié)果表明利用生境評(píng)價(jià)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)并結(jié)合被保護(hù)物種的分布密度或痕跡點(diǎn)密度設(shè)計(jì)的方案有利于當(dāng)?shù)匚锓N的保護(hù)和自然保護(hù)區(qū)的管理。
　　關(guān)鍵詞：功能分區(qū); 自然保護(hù)區(qū); 老縣城; 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

　　自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)是自然保護(hù)區(qū)管理計(jì)劃的重要組成部分，也是自然保護(hù)區(qū)建設(shè)的一項(xiàng)必要內(nèi)容。自然保護(hù)區(qū)成立之初就應(yīng)該劃分合理的功能分區(qū)以有效地實(shí)現(xiàn)自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)目標(biāo)，《中華人民共和國自然保護(hù)區(qū)條例》規(guī)定，根據(jù)自然保護(hù)區(qū)的各類自然資源和生態(tài)系統(tǒng)的作用和地位，在自然保護(hù)區(qū)內(nèi)部應(yīng)該采取核心區(qū)、緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)的功能分區(qū)環(huán)套結(jié)構(gòu)（圖1）。核心區(qū)作為最能體現(xiàn)生物保護(hù)價(jià)值的區(qū)域，其大小、面積和邊界的確定是功能分區(qū)的重點(diǎn)；實(shí)驗(yàn)區(qū)是人類活動(dòng)較為劇烈的區(qū)域，是自然保護(hù)區(qū)管理的重心，由于當(dāng)前中國一些自然保護(hù)區(qū)內(nèi)仍保留有人口，因此其合理的區(qū)劃對(duì)自然保護(hù)區(qū)的有效管理和可持續(xù)發(fā)展起著重要的作用；緩沖區(qū)作為核心區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)的一個(gè)過渡地帶，其作用不單單是緩沖人類活動(dòng)對(duì)核心區(qū)的影響，還有作為核心區(qū)物種潛在棲息地和科學(xué)研究基地的功能。

島嶼生物地理學(xué)理論， 異質(zhì)種群理論，景觀

圖1 自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)圖示
Fig .1 The indication map of nature reserve zoning

　　生態(tài)學(xué)理論以及生物圈保護(hù)區(qū)理論等構(gòu)成了自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)的理論基礎(chǔ)。（1）1967年MacArthur 和Wilson創(chuàng)立的島嶼生物地理學(xué)理論曾經(jīng)成為自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)的主要理論依據(jù)，Diamond等（1975）^[1]根據(jù)島嶼生物地理學(xué)的種－面積關(guān)系和“平衡理論”提出的保護(hù)最大物種多樣性的自然保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)原則對(duì)目前功能分區(qū)的研究仍有著非常強(qiáng)的指導(dǎo)意義。（2）同時(shí)期Levins^[2]等提出的異質(zhì)種群理論將功能分區(qū)的設(shè)計(jì)從單個(gè)保護(hù)區(qū)擴(kuò)展到了網(wǎng)絡(luò)的層次，他們認(rèn)為功能分區(qū)不應(yīng)只局限于單個(gè)的保護(hù)區(qū)之內(nèi)，而應(yīng)設(shè)法使之連接幾個(gè)小的保護(hù)區(qū)，構(gòu)建保護(hù)區(qū)之間的廊道，以增加保護(hù)區(qū)的生物多樣性。（3）而將景觀的概念引入生態(tài)學(xué)形成的景觀生態(tài)學(xué)理論則給自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)提供了新的理論方法，按照景觀生態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)，自然保護(hù)區(qū)的最佳形狀為一個(gè)大的核心區(qū)加上彎曲的邊界和狹窄的裂開形延伸，其延伸方向與周圍生態(tài)流方向一致^[3,4]，這與生物圈保護(hù)區(qū)的思想是不謀而合的。（4）將自然保護(hù)區(qū)劃分為若干功能區(qū)域的思想是伴隨著生物圈保護(hù)區(qū)理論的概念而出現(xiàn)的，生物圈保護(hù)區(qū)被賦以網(wǎng)絡(luò)的特征和多功能的特點(diǎn)，并具有保護(hù)、提供研究基地和地區(qū)發(fā)展等多種功能，這些功能與保護(hù)區(qū)的功能分區(qū)相對(duì)應(yīng)，因此若干功能區(qū)域的劃分取決于保護(hù)區(qū)的不同管理目的和要求。
　　目前，功能分區(qū)在理論方法上和實(shí)際應(yīng)用上都還存在一定的問題。對(duì)于功能分區(qū)的相關(guān)理論，無論是島嶼生物地理學(xué)對(duì)功能區(qū)面積大小上的指導(dǎo)，還是有關(guān)網(wǎng)絡(luò)分析的異質(zhì)種群理論，以及不同尺度的景觀生態(tài)學(xué)等理論，在功能分區(qū)的實(shí)際應(yīng)用中還欠成熟。在已有的方法中，包括種群生存力分析方法^[5-7]、阻力面分析方法^[8,9]等在內(nèi)的劃分方法在可操作性和可實(shí)現(xiàn)性方面尚存在一些問題。而現(xiàn)有的功能分區(qū)也存在劃分上的諸多問題，如核心區(qū)過小或者過于分散；緩沖區(qū)位置不當(dāng)，設(shè)立的緩沖區(qū)在空間上沒有位于核心區(qū)與實(shí)驗(yàn)區(qū)之間，無法有效隔離外界對(duì)核心區(qū)的不利影響；實(shí)驗(yàn)區(qū)邊界模糊致使管理混亂；兩區(qū)區(qū)劃，只有核心區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)而沒有劃定緩沖區(qū)等，這些問題都對(duì)自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)的實(shí)際效用和管理造成了一定的影響。
　　地理信息系統(tǒng)集數(shù)據(jù)收集、處理、分析、顯示等功能于一身，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用到了城市區(qū)域規(guī)劃、自然資源管理與評(píng)價(jià)、地學(xué)研究中，由于其在海量數(shù)據(jù)的分析處理和直觀顯示上的優(yōu)越性，在生態(tài)學(xué)研究上也得到了很多的應(yīng)用，具體到生物保護(hù)方面，劉雪華^[10,11]、歐陽志云^[12]、陳立頂^[13]等均從不同角度描述或探討了四川臥龍自然保護(hù)區(qū)大熊貓的生境特點(diǎn)和生境評(píng)價(jià)，陳立頂?shù)纫哺鶕?jù)適宜性評(píng)價(jià)進(jìn)行了核心斑塊、緩沖區(qū)和廊道的設(shè)計(jì)^[14]，唐小平從區(qū)域?qū)哟螌?duì)三江源自然保護(hù)區(qū)的功能分區(qū)設(shè)計(jì)^[15]，以及李文軍利用地理信息系統(tǒng)研究丹頂鶴棲息地的分布并建立相關(guān)模型來設(shè)計(jì)功能分區(qū)^{[16] [17,18]}等，都顯示了地理信息系統(tǒng)與生物保護(hù)研究相結(jié)合帶來的技術(shù)和研究方法上的進(jìn)步。本文擬利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，結(jié)合自然保護(hù)區(qū)的生境評(píng)價(jià)，以老縣城大熊貓自然保護(hù)區(qū)為例，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)的劃分，并從功能分區(qū)的方法和設(shè)計(jì)程序上做了詳細(xì)的分析和探討，為自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)的科學(xué)化和自動(dòng)化提供技術(shù)和方法上的支持。

1 研究區(qū)域

　　陜西老縣城自然保護(hù)區(qū)地處秦嶺中段南坡的湑水河上游，地理位置在東經(jīng)107°40¢～107°49¢、北緯33°43¢～33°50¢之間（圖2），是連接周至國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、佛坪國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、長青國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、太白山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)以及黃柏源擬建自然保護(hù)區(qū)的重要區(qū)域，總面積約126.1km²。保護(hù)區(qū)整體地形呈“心”形，地勢(shì)東南高而西北低，最高點(diǎn)魯班峰海拔2904m，最低處青龍寨海拔1524m，相對(duì)高差1380m。老縣城自然保護(hù)區(qū)有人口156人，區(qū)內(nèi)有25只大熊貓。該保護(hù)區(qū)的建立，使幾個(gè)島嶼化的大熊貓棲息地連成一片，對(duì)秦嶺大熊貓的基因交流和種群復(fù)壯起著重要的作用。

2 研究方法

　　自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)的主要目標(biāo)就是通過對(duì)影響自然保護(hù)區(qū)保護(hù)對(duì)象的因素進(jìn)行分析，綜合自然、生物、人為等因素設(shè)計(jì)出合理的功能分區(qū)，以維持自然保護(hù)區(qū)的保護(hù)功能，因此一個(gè)合理的功能分區(qū)的設(shè)計(jì)步驟（圖3）應(yīng)為：
　?。?）根據(jù)功能分區(qū)要求，識(shí)別影響保護(hù)目標(biāo)生境的限制因素和影響因素；
　　（2）選取功能分區(qū)的相關(guān)指標(biāo)，量化指標(biāo)并分級(jí)；
　?。?）根據(jù)一定的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和程序方法，進(jìn)行生境評(píng)價(jià)；
　?。?）利用生境評(píng)價(jià)結(jié)果，根據(jù)功能分區(qū)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)核心區(qū)、緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)，得出最終的功能分區(qū)設(shè)計(jì)方案。

圖 2 老縣城自然保護(hù)區(qū)的地理位置
Fig .2 The geographical location of Lao Xiancheng Nature Reserve

2.1 影響因素識(shí)別和功能分區(qū)指標(biāo)量化
　　綜合分析表明，影響老縣城自然保護(hù)區(qū)大熊貓生境質(zhì)量的因素可以劃分為兩大類：景觀因素和人為干擾因素。景觀因素有海拔高度、坡度、可食竹類的分布及豐富度、植被類型、水文、地質(zhì)地貌類型等方面。人為干擾因素主要有木材與薪柴砍伐、旅游、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、交通、挖藥以及當(dāng)?shù)鼐用竦娜粘Ｉ罨顒?dòng)等。
　　根據(jù)陜西省第三次大熊貓調(diào)查報(bào)告，老縣城自然保護(hù)區(qū)管理計(jì)劃以及老縣城自然保護(hù)區(qū)的實(shí)際的自然、地理、經(jīng)濟(jì)情況，在影響因素識(shí)別的基礎(chǔ)上選擇可以量化的適宜功能分區(qū)的景觀指標(biāo)和人為干擾指標(biāo)，對(duì)每一個(gè)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行量化并分級(jí)（表1、表2）。
　　海拔高度：老縣城大熊貓活動(dòng)的集中區(qū)域分布在海拔2200m以上，此區(qū)域的自然植被基本上得以保存，為大熊貓等野生動(dòng)物提供了理想的棲息環(huán)境，1800～2200m范圍之內(nèi)是大熊貓良好的棲息地，1800m以下的區(qū)域不適合大熊貓的生存，據(jù)此對(duì)海拔高度進(jìn)行適宜度分級(jí)。
　　坡度：據(jù)野外調(diào)查，老縣城大熊貓一般喜歡在坡度小于20º的地方活動(dòng)和覓食，而地形坡度大于40º時(shí)，不利于大熊貓的取食和活動(dòng)。
　　竹子種類及分布：可食竹類的分布和豐富程度直接影響著大熊貓的生存，老縣城大熊貓的主要可食竹類有秦嶺箭竹和華西箭竹，同時(shí)還有少量的龍頭竹，根據(jù)竹種的分布圖進(jìn)行適宜性分級(jí)。
　　植被類型：根據(jù)陜西省第三次大熊貓調(diào)查報(bào)告顯示，老縣城大熊貓的最適宜植被是針葉林和針闊葉混交林，落葉闊葉林也有一定程度的適宜性，灌叢、草坡、農(nóng)田、人工林等不適宜其生存。
　　居民點(diǎn)：以居民點(diǎn)的密度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，居民點(diǎn)密度越大，人為活動(dòng)對(duì)大熊貓的干擾越大，按照密度大小進(jìn)行干擾程度分級(jí)。
　　對(duì)于農(nóng)田、旅游區(qū)、道路和薪柴區(qū)四個(gè)距離指標(biāo)，以距離的遠(yuǎn)近作為分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，距離的選擇標(biāo)準(zhǔn)采用專家調(diào)查法和實(shí)地調(diào)研相結(jié)合的方法，進(jìn)行人為干擾度評(píng)價(jià)分級(jí)。
　　在上述各指標(biāo)量化的基礎(chǔ)上，為便于GIS分析和空間模擬運(yùn)算，對(duì)每一等級(jí)根據(jù)適宜度和干擾度賦予相應(yīng)得分進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)。

圖3 基于GIS的自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)的設(shè)計(jì)程序
Fig .3 The work flow of nature reserve zoning based on GIS

表1 自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)中的景觀指標(biāo)分級(jí)
Table 1 Quantification of landscape indices of nature reserve zoning

評(píng)價(jià)對(duì)象
Evaluation objects 最適宜
Highly suitable 中等適宜
Moderately suitable 一般適宜
Marginally suitable 不適宜
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 竹子種類 Bamboo type 秦嶺箭竹 華西箭竹 龍頭竹 無竹子地區(qū) 植被類型 Vegetation type 針葉林，針闊混交林 落葉闊葉林 灌叢 草坡，農(nóng)田，人工林 適宜性等級(jí)賦值 Score of suitability 3 2 1 0

表2 自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)中的人為干擾指標(biāo)分級(jí)
Table 2 Quantification of human disturbing indices for nature reserve zoning

評(píng)價(jià)對(duì)象
Evaluation objects 嚴(yán)重干擾
Strongly disturbed 中等干擾
Moderately disturbed 一般干擾
Weakly disturbed 無干擾
Not disturbed 居民點(diǎn)密度Residential density/戶/km² 2～4 1～2 0～1 0 距農(nóng)田距離 Distance to farm zone/m 0～100 100～200 200～750 >750 距旅游區(qū)距離 Distance to visit zone/m 0～500 500～1000 1000～1500 >1500 距道路距離 Distance to road/m/ 0～50 50～200 200～1000 >1000 距薪柴區(qū)距離 Distance to firewood zone/m 0～100 100～200 200～1000 >1000 干擾度等級(jí)賦值 Score of disturbance 3 2 1 0

2.2 生境評(píng)價(jià)
　　生境評(píng)價(jià)是功能分區(qū)的基礎(chǔ)工作，也是劃定功能分區(qū)的一個(gè)重要步驟。生境評(píng)價(jià)內(nèi)容包括景觀適宜性評(píng)價(jià)和人為干擾度評(píng)價(jià)。景觀適宜性評(píng)價(jià)選取海拔高度、坡度、竹子種類和植被類型等四個(gè)指標(biāo)，人為干擾度評(píng)價(jià)選取居民點(diǎn)、農(nóng)田、旅游區(qū)、道路以及薪柴區(qū)等五個(gè)指標(biāo)。根據(jù)指標(biāo)的量化結(jié)果，對(duì)景觀適宜性評(píng)價(jià)和人為干擾度評(píng)價(jià)的每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行再分類，產(chǎn)生單因子的權(quán)重評(píng)價(jià)圖，利用公式1和公式2分別計(jì)算景觀適宜性指數(shù)和人為干擾度指數(shù)，根據(jù)景觀適宜性等級(jí)準(zhǔn)則（表3）和人為干擾度等級(jí)準(zhǔn)則（表4）得出評(píng)價(jià)結(jié)果。
　　景觀適宜性指數(shù)：

　　　　　　　　　　　　　　 （1）

　　其中，L表示不同景觀因子對(duì)于大熊貓的景觀適宜性指數(shù)，m為景觀適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)，w_i為不同景觀因子的適宜性等級(jí)賦值。
　　人為干擾度指數(shù)：

　　H=MAX(s_i)　 （i=1,2,……，n） （2）

　　其中，H表示不同人為干擾因子的人為干擾度指數(shù)，n為人為干擾度評(píng)價(jià)的指標(biāo)個(gè)數(shù)，_si為不同人為干擾因子的干擾度等級(jí)賦值。

表3 自然保護(hù)區(qū)的景觀適宜性等級(jí)準(zhǔn)則
Table 3 Criteria of classification for landscape suitability of nature reserve

景觀適宜性等級(jí)
Classes of landscape suitability 最適宜
Highly suitable 中等適宜
Moderately Suitable 一般適宜
Marginally suitable 不適宜
Unsuitable 景觀適宜性指數(shù) (L)
Landscape suitability index 12 6～11 1～5 0

表4 自然保護(hù)區(qū)的人為干擾度等級(jí)準(zhǔn)則

Table 4 Criteria of classification for human disturbance of nature reserve

人為干擾度等級(jí)
Classes of human disturbance 嚴(yán)重干擾
Strongly disturbed 中等干擾
Moderately disturbed 一般干擾
Weakly disturbed 無干擾
Not disturbed 人為干擾度指數(shù) (H)
Human disturbance index 3 2 1 0

2.3 功能分區(qū)設(shè)計(jì)
2.3.1 核心區(qū)設(shè)計(jì)
　　核心區(qū)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下三個(gè)原則：（1）核心區(qū)的景觀適宜性應(yīng)較好；（2）核心區(qū)斑塊應(yīng)有足夠大的面積以維持大熊貓的生存和一般活動(dòng)；（3）考慮保護(hù)區(qū)內(nèi)大熊貓痕跡點(diǎn)（包括大熊貓的實(shí)體點(diǎn)、尸體點(diǎn)、臥穴點(diǎn)、食跡點(diǎn)和足跡點(diǎn)）的分布密度。設(shè)計(jì)步驟為：
　　（1）將景觀適宜性評(píng)價(jià)中最適宜和中等適宜的景觀單元（L≥6）作為核心區(qū)設(shè)計(jì)斑塊；
　?。?）根據(jù)大熊貓的痕跡點(diǎn)生成大熊貓的痕跡點(diǎn)密度圖，利用邏輯“或”運(yùn)算疊加核心區(qū)設(shè)計(jì)斑塊和大熊貓痕跡點(diǎn)密度H≥4的區(qū)域；
　　（3）據(jù)相關(guān)研究^[19-21]，大熊貓的活動(dòng)范圍綜合取值為7km²，因?yàn)楹诵陌邏K的面積過小無法維持大熊貓的生存和生活，所以設(shè)定7km²作為核心斑塊的面積閾值去除設(shè)計(jì)單元中面積小于此數(shù)值的斑塊；
　?。?）大量的分散的核心斑塊不利于核心區(qū)的管理，對(duì)于被核心斑塊包圍的空心斑塊直接利用GIS功能將其合并到相鄰核心斑塊中；
　　（5）最后生成老縣城自然保護(hù)區(qū)的核心區(qū)。
2.3.2 實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)
　　實(shí)驗(yàn)區(qū)的設(shè)計(jì)同樣遵循以下兩個(gè)原則：作為容許人為活動(dòng)比較強(qiáng)烈的區(qū)域，實(shí)驗(yàn)區(qū)應(yīng)位于存在一定的人為干擾的區(qū)域；從物種保護(hù)的角度考慮，實(shí)驗(yàn)區(qū)與核心區(qū)之間應(yīng)該有一個(gè)合適的距離。根據(jù)這兩個(gè)原則，其設(shè)計(jì)步驟為：
　　（1）以人為干擾度評(píng)價(jià)為依據(jù)，將人為干擾度為一般干擾級(jí)（H≥1）以上的區(qū)域設(shè)為實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)斑塊；
　?。?）根據(jù)后面緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)結(jié)果，自動(dòng)調(diào)整實(shí)驗(yàn)區(qū)的范圍得到其邊界。
2.3.3 緩沖區(qū)設(shè)計(jì)
　　在核心區(qū)外圍需要設(shè)置一定寬度的緩沖區(qū)以緩沖外界對(duì)核心區(qū)的影響，緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)參考設(shè)計(jì)好的核心區(qū)設(shè)計(jì)斑塊和實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)斑塊的邊界。其設(shè)計(jì)步驟為：
　?。?）從被保護(hù)物種的需求出發(fā)，以核心區(qū)邊界作為緩沖區(qū)設(shè)計(jì)的內(nèi)邊界，假設(shè)被保護(hù)物種全部位于核心區(qū)之內(nèi)，則其所能到達(dá)的最遠(yuǎn)區(qū)域是最為接近實(shí)驗(yàn)區(qū)的核心區(qū)的外邊界，因而物種所需要的緩沖帶的最小寬度可以定義為大熊貓的活動(dòng)半徑，大熊貓的活動(dòng)范圍為7km²，其活動(dòng)半徑為1500m，因此此處設(shè)定圍繞核心區(qū)的緩沖帶的最小寬度為1500m。
　?。?）將核心區(qū)與實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)斑塊之間的區(qū)域設(shè)為緩沖區(qū)設(shè)計(jì)斑塊，凡是寬度小于1500m的緩沖區(qū)設(shè)計(jì)斑塊，自動(dòng)向?qū)嶒?yàn)區(qū)設(shè)計(jì)斑塊擴(kuò)充至1500m。而核心區(qū)與實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)斑塊之間距離大于或等于1500m的區(qū)域全部設(shè)為緩沖區(qū)。
　?。?）得到的緩沖區(qū)的邊界并自動(dòng)得到最后的功能分區(qū)方案。

3 結(jié)果

3.1 功能分區(qū)中的生境評(píng)價(jià)結(jié)果
　　圖4所示為老縣城自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)的景觀適宜性評(píng)價(jià)圖（a）和人為干擾度評(píng)價(jià)圖（b）。在老縣城自然保護(hù)區(qū)，適宜大熊貓生存的景觀區(qū)域面積為114.1 km²，其中景觀最適宜面積為31.9 km²，中等適宜面積為35.5 km²，一般適宜面積為46.7 km²，實(shí)際的適宜面積占整個(gè)保護(hù)區(qū)的91.2%，不適宜面積只有11.1 km²。同時(shí)，占老縣城自然保護(hù)區(qū)71.8%的區(qū)域幾乎不存在人為干擾，嚴(yán)重干擾的區(qū)域面積為6.3 km²，中等干擾和一般干擾的區(qū)域面積共為29.4 km²。綜合分析表明，老縣城自然保護(hù)區(qū)的景觀適宜性較好，除了居民區(qū)、交通線路、農(nóng)田等人為干擾程度較重的區(qū)域外，其他區(qū)域的人為干擾較小。

圖4 老縣城自然保護(hù)區(qū)景觀適宜性評(píng)價(jià)圖（a）和人為干擾度評(píng)價(jià)圖（b）
Fig .4 Landscape suitability (a) and human disturbance (b) evaluations in Lao Xiancheng Nature Reserve

3.2 功能分區(qū)方案
3.2.1 功能分區(qū)設(shè)計(jì)過程中的部分重要結(jié)果
　　圖5顯示了功能分區(qū)設(shè)計(jì)過程中的部分結(jié)果，其中，圖5a為利用景觀適宜性評(píng)價(jià)得到的功能分區(qū)的核心區(qū)設(shè)計(jì)斑塊，圖5b為大熊貓痕跡點(diǎn)的密度。對(duì)比圖5a和圖5b可以看出有一部分密度較高的大熊貓痕跡點(diǎn)沒有位于利用景觀適宜性評(píng)價(jià)得到的核心區(qū)設(shè)計(jì)斑塊之內(nèi)。而核心區(qū)的設(shè)計(jì)結(jié)果（圖5c）基本上反映了景觀適宜性和大熊貓痕跡點(diǎn)的相互結(jié)合。圖5d顯示的是實(shí)驗(yàn)區(qū)的設(shè)計(jì)斑塊，為了便于分析和空間上的直觀顯示，我們將實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)斑塊疊加到了緩沖區(qū)設(shè)計(jì)斑塊圖上（圖5e）。圖5f為最終的緩沖區(qū)。
3.2.2 功能分區(qū)設(shè)計(jì)結(jié)果
　　功能分區(qū)結(jié)果如圖5所示。核心區(qū)面積為53.9 km²，占整個(gè)保護(hù)區(qū)面積的43.0%；緩沖區(qū)面積次之，為40.5km²，占整個(gè)保護(hù)區(qū)面積的32.2%；實(shí)驗(yàn)區(qū)面積為31.2km²，只占保護(hù)區(qū)面積的24.8%。

圖5老縣城自然保護(hù)區(qū)的功能分區(qū)設(shè)計(jì)過程中的部分重要圖
a核心區(qū)設(shè)計(jì)斑塊；b大熊貓痕跡點(diǎn)分布密度；c核心區(qū)；d實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)斑塊；e緩沖區(qū)設(shè)計(jì)斑塊；f緩沖區(qū)
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 分析與討論

4.1 功能分區(qū)方案的合理性
　　老縣城自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)圖（圖6）和表5顯示：有72.2%的大熊貓痕跡點(diǎn)位于設(shè)計(jì)的核心區(qū)之內(nèi)；所有居民點(diǎn)都在實(shí)驗(yàn)區(qū)之內(nèi)；同時(shí)核心區(qū)包括了絕大部分適宜性斑塊，而實(shí)驗(yàn)區(qū)也是包括了人為干擾斑塊數(shù)量的82.3%。因此，核心區(qū)基本上涵蓋了保護(hù)區(qū)內(nèi)適宜大熊貓生存的地區(qū)，人為干擾大都能夠控制在實(shí)驗(yàn)區(qū)之內(nèi)，平均距離超過1500m的緩沖區(qū)不僅能夠有效地緩沖外界對(duì)核心區(qū)的影響，區(qū)內(nèi)景觀的恢復(fù)也有利于其作為大熊貓的潛在棲息地。功能分區(qū)的結(jié)果直接反映了生物保護(hù)和管理目標(biāo)的各自實(shí)現(xiàn)和相互協(xié)調(diào)。
4.2 方法的合理性和優(yōu)越性
　　利用生境評(píng)價(jià)來設(shè)計(jì)核心區(qū)有很多優(yōu)勢(shì)：景觀適宜性評(píng)價(jià)能夠反映物種在不同景觀要素中的適宜性程度的不同，因此直接決定著核心區(qū)的設(shè)計(jì)；而人為干擾度評(píng)價(jià)則對(duì)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)人為活動(dòng)的干擾范圍和程度有所反映，因而可以用來直接或間接地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)區(qū)。同時(shí)功能分區(qū)的設(shè)計(jì)需要考慮諸多因素，尤其對(duì)大熊貓自然保護(hù)區(qū)來說，對(duì)旗艦物種大熊貓的保護(hù)顯得尤為重要。老縣城自然保護(hù)區(qū)原有的功能分區(qū)只考慮了海拔這一因素，無法有效地維持對(duì)大熊貓的保護(hù)，而新的功能分區(qū)考慮了更多的影響因素。由于疊加了大熊貓的痕跡點(diǎn)這一重要的生物因素，在保護(hù)生物的這一層面上看，本文給出的功能分區(qū)方案更加合理科學(xué)且滿足實(shí)際情況。

圖6老縣城自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)圖
Fig .6 The zoning map of Lao Xiancheng Nature Reserve

表5 老縣城自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)中的相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果
Table 5 The statistical results of Lao Xiancheng Nature Reserve zoning

功能區(qū)Functional zones 核心區(qū)Core zone 緩沖區(qū)Buffer zone 實(shí)驗(yàn)區(qū)Experimental zone 大熊貓痕跡點(diǎn)
Panda trails 數(shù)量numbers/個(gè)
比例Percentage/% 114
72.2 25
15.8 19
12.0 居民點(diǎn)
Settlements 數(shù)量Numbers/個(gè)
比例Percentage/% 0
0 0
0 59
100 適宜性斑塊
Suitable patches 數(shù)量numbers/個(gè)
比例Percentage/% 44749
82.3 9031
16.6 582
1.1 人為干擾斑塊
Disturbed patches 數(shù)量numbers/個(gè)
比例Percentage/% 105
0.2 7019
17.8 32500
82.0

4.3 功能分區(qū)的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)
　　本著生物保護(hù)和管理發(fā)展并重的原則，本文功能分區(qū)的設(shè)計(jì)是以核心區(qū)、實(shí)驗(yàn)區(qū)和緩沖區(qū)的順序來劃分的，優(yōu)先設(shè)計(jì)核心區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)有利于自然保護(hù)區(qū)保護(hù)功能和管理工作的協(xié)調(diào)。目前很多自然保護(hù)區(qū)功能分區(qū)都是自內(nèi)而外進(jìn)行設(shè)計(jì)，即在核心區(qū)和緩沖區(qū)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)保護(hù)區(qū)的邊界確定實(shí)驗(yàn)區(qū)的邊界^[14-18]，這種方法回避了實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)方法的研究，不能夠合理而有效地界定自然保護(hù)區(qū)的實(shí)驗(yàn)區(qū)。因此，本文在吸收前人成果的基礎(chǔ)上，從數(shù)據(jù)的可獲取性和指標(biāo)的可操作性出發(fā)，優(yōu)先設(shè)計(jì)核心區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)，利用景觀適宜性評(píng)價(jià)和被保護(hù)物種的分布密度設(shè)計(jì)核心區(qū)，以人為干擾度評(píng)價(jià)為依據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)區(qū)，并著重從生物因素的角度考慮緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)功能分區(qū)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些探索，利用GIS的空間分析模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自然保護(hù)區(qū)的功能分區(qū)的自動(dòng)劃分。
4.4 所解決的問題
　　前文提到的目前功能分區(qū)實(shí)際劃分中存在的問題在本研究中得到了很好的解決。首先，利用景觀適宜性評(píng)價(jià)和被保護(hù)物種的分布密度并結(jié)合GIS技術(shù)設(shè)計(jì)的核心區(qū)避免了核心區(qū)過小或者過于分散給核心區(qū)內(nèi)物種的保護(hù)帶來的威脅。其次，從生物保護(hù)的因素考慮設(shè)置緩沖區(qū)，使得緩沖區(qū)的設(shè)置較為科學(xué)化而非隨意設(shè)置，能夠真正起到緩沖的作用。同時(shí)，本文實(shí)驗(yàn)區(qū)的設(shè)計(jì)是在對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)人為干擾因素綜合分析的基礎(chǔ)上并結(jié)合GIS技術(shù)自動(dòng)劃分邊界的，因此實(shí)驗(yàn)區(qū)邊界模糊的弊病也不再出現(xiàn)。整個(gè)程序和實(shí)現(xiàn)過程以及最終結(jié)果都能很好地解決目前功能分區(qū)所存在的一些問題，并能為功能分區(qū)的科學(xué)劃分提供實(shí)際應(yīng)用的參考價(jià)值。
4.5 存在的問題
　　本研究在進(jìn)行功能分區(qū)指標(biāo)量化時(shí)，對(duì)每個(gè)指標(biāo)是按等權(quán)重考慮的，沒有考慮各指標(biāo)間的權(quán)重差異，其差異性對(duì)于功能分區(qū)的結(jié)果可能會(huì)有一定的影響，更深入的研究需要考慮指標(biāo)權(quán)重的差異來進(jìn)一步分析各指標(biāo)。另外，緩沖區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)主要是從生物保護(hù)的角度利用大熊貓的移動(dòng)半徑來確定其適當(dāng)?shù)膶挾?，方法和程序都值得進(jìn)一步探討。

5 結(jié)論

　　設(shè)計(jì)功能分區(qū)需要充分考慮相關(guān)的可以量化分析的指標(biāo)。生境評(píng)價(jià)結(jié)果能為功能分區(qū)的自動(dòng)劃分提供基礎(chǔ)；景觀適宜性評(píng)價(jià)可以作為核心區(qū)設(shè)計(jì)的一個(gè)步驟，其結(jié)果能夠有力地支持核心區(qū)斑塊的選擇；人為干擾度評(píng)價(jià)作為實(shí)驗(yàn)區(qū)的設(shè)計(jì)方法，其合理性在很大程度上取決于人為干擾大小的程度和自然保護(hù)區(qū)的實(shí)際情況。最終給出的功能分區(qū)是一個(gè)以物種保護(hù)為主的綜合生境評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)方案，從很大程度上反映了生境評(píng)價(jià)的結(jié)果和生物保護(hù)的因素。地理信息系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的收集分析以及功能分區(qū)的實(shí)際模擬設(shè)計(jì)中發(fā)揮著很大的作用。

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資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（30230080），清華大學(xué)骨干人才支持基金，美國孟菲斯動(dòng)物園和中國野生動(dòng)植物保護(hù)協(xié)會(huì)資助項(xiàng)目。
作者簡介：李紀(jì)宏（1979～），男，漢，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向?yàn)镚IS應(yīng)用和自然保護(hù)區(qū)管理。
*通訊作者：E-mail: xuehua-hjx@tsinghua.edu.cn