貴州百面水自然保護區空間溢出效應研究*

劉佳梅 樊涵 張明明

保護區是保護生物多樣性的有效手段，但其建立可能導致周邊環境得到更好的保護或受到更大的破壞，即保護區的“空間溢出效應”[1～2]。該效應產生兩種后果：一是阻塞效應，屬正面效應，即建立保護區使得保護區周邊一定區域內的生物多樣性和生態環境受到比距離保護區更遠的區域更好的保護[3～5]；二是泄漏效應，屬負面效應，指保護區的建立使原本應發生在保護區內的干擾活動轉移到了保護區外，使保護區外的鄰近區受到比距離保護區更遠區域更大的干擾和破壞[2,6～8]。保護區溢出效應的存在在多項研究中得到證實[9～12]，研究自然保護區的空間溢出效應對于保護區內外的整體保護管理具有重要的決策意義。

有研究表明，保護區的溢出效應主要發生在保護區外1～10 km的范圍[13～14]。因此，本文以貴州湄潭百面水省級自然保護區（以下簡稱“百面水自然保護區”）及區外10 km作為研究區域，基于1990年、2000年、2010年、2020年4期土地利用柵格數據，以景觀格局指數為指標進行量化，從而評估該保護區的空間溢出效應。百面水自然保護區屬森林生態系統類型的保護區，區內動植物資源十分豐富，更是很多國家級保護野生動植物的棲息地，對貴州省動植物資源生存繁衍和科學調研具有重要作用，因此研究其溢出效應對自然保護區的科學管理和決策具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

百面水自然保護區（107°18′57.6″～107°32′45.6″E，27°25′48″～27°36′39.6″N）位于貴州省遵義市湄潭縣南部，東與余慶縣相接，西南與甕安縣接壤，地跨湄潭縣高臺、新南、茅坪、石蓮4個鄉鎮，總面積19 173 hm2，海拔450～1 501 m。保護區內豐富的發育良好的喀斯特地貌和洞穴等賦予百面水自然保護區極具特色的“喀斯特生態旅游資源”，區內具有世界代表性的喀斯特地貌——天生橋群，是迄今為止發現的地球上一定區域內最集中的天生橋群；區內的十二道峽谷等獨特景觀，野趣天成。保護區內動植物資源豐富，是天然的物種基因庫，包含了多種國家重點保護的野生動植物等，如國家I級保護植物紅豆杉Taxus wallichianavar.chinensis、南方紅豆杉Taxus wallichianavar.mairei，Ⅰ級保護動物林麝Moschus berezovskii等。

1.2 數據來源與處理

中國年度土地覆蓋數據集（Annual China Land Cover Dateset,CLDC）的空間分辨率為30 m×30 m，該數據是基于Goole Earth Engine（GEE）所有可用的Landsat系列遙感影像，通過人機交互解譯后得到。依據中國的土地利用類型分布，即6 個一級類（農田、森林、草地、水域、建成區和未利用地）和25個二級類，將該數據集分為農田、森林、灌木、草地、水體、冰雪、荒地、不透水面和濕地共9類。將研究區與其疊加裁剪后，得到研究區的土地利用類型有：農田、森林、灌木、草地、水體、不透水面6類[15]。

1.3 景觀格局指數

景觀格局與各個生態過程關系十分密切，景觀格局破碎度與生態系統的恢復能力、抗干擾能力、生態系統穩定性和生物多樣性等緊密相連。景觀破碎化空間格局指標主要包括斑塊大小、斑塊形狀、斑塊密度、格局類型和形狀、斑塊距離等。根據相關研究[12,16]，本研究選取邊緣密度（ED）、最大斑塊指數（LPI）、平均斑塊面積（MPS）、景觀破碎化指數（SPLIT）、聚集度指數（AI）、景觀形狀指數（LSI）等可以表現景觀格局破碎化的指標[17]，分析百面水自然保護區內外景觀格局特征，以評估保護區的空間溢出效應。

1.4 溢出效應評估空間

基于貴州遵義市1990 年、2000年、2010年、2020年4個時段30 m分辨率的土地利用/覆蓋柵格數據，以百面水自然保護區邊界為界，運用ArcGIS 10.6中的多環緩沖區工具，以1 km為距建立等距的10個環狀樣帶，將每個研究區域分別與4 個時期的土地利用/覆蓋柵格數據疊加，再按掩膜提取對應柵格數據，建立自然保護區空間溢出效應評估模型（圖1）。

圖1 百面水自然保護區1990—2020年土地利用

1.5 影響因素選取

根據相關研究[9～10,18～19]，結合百面水自然保護區地形地貌等綜合情況，選取年均氣溫、年均降水、植被類型等自然環境因素及人口密度、GDP等社會經濟因素作為影響因素。其中，人口密度來源于Worldpop，分辨率100 m；其余數據來源于中國科學院，氣候因子分辨率為1 km?；诒Ｗo區和各鄰近區的面積，利用Create Random Points工具在保護區內、溢出效應區域、更外圍區域（指未受到保護亦不受到溢出影響的區域）分別創建間隔10 m的3組隨機點，每組隨機點數量為100，以各點位置提取各個因素的值。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化

百面水自然保護區內外的農田面積在1990—2020年均呈增加的趨勢，保護區內外森林面積則趨于下降（圖2），森林的面積占比超過總面積的一半，是整個景觀的優勢類型。森林和農田兩類土地利用轉移量最大，是彼此和其他土地利用轉移的主要來源（圖3）。保護區內外的不透水面面積逐漸增加，尤其在2010—2020年變化量最大。

圖2 1990—2020年土地利用面積變化

圖3 1990—2020年土地利用面積轉移

2.2 景觀格局分析

百面水自然保護區的邊緣密度（ED）先下降、再上升、又下降，總體呈下降趨勢，鄰近區的邊緣密度與保護區變化一致，總體為下降趨勢（圖4-a）。保護區的最大斑塊指數（LPI）總體呈下降趨勢，在1990—2000年、2010—2020年上升，2000—2010 年下降，表明百面水自然保護區在2000—2010年受到了更強的干擾。1 km 鄰近區到10 km 鄰近區的最大斑塊指數變化較復雜，1km、3～4 km、5～6 km、8 km、9～10 km 鄰近區與保護區變化趨勢總體相同，均呈表現為下降，2 km、7 km、10 km鄰近區總體表現為上升（圖4-b）。保護區與鄰近區的平均斑塊面積（MPS）與鄰近區的變化趨勢均逐漸上升（圖4-c）。保護區的景觀形狀指數（LSI）總體呈下降趨勢，在1990—2000年與2010—2020年下降，在2000—2010年上升；保護區外1～10 km 鄰近區整體表現為下降趨勢（圖4-d）。景觀破碎化指數（SPLIT）總體表現均為上升趨勢，但在1990—2000年與2010—2020年呈下降趨勢，在2000—2010年呈上升趨勢，2 km 鄰近區與10 km 鄰近區總體表現與保護區相反，其余鄰近區與保護區變化相同，均為總體上升（圖4-e）。保護區聚合度指數（AI）在2000—2010 年表現為下降，在1990—2000年和2010—2020年上升，總體呈上升趨勢；鄰近區與保護區總體變化相同（圖4-f）。

圖4 保護區與10 km鄰近區1990—2020年景觀格局指數趨勢變化

綜合各景觀格局指數變化情況來看，1990—2020年，百面水自然保護區的邊緣密度、最大斑塊指數、景觀形狀指數總體為下降趨勢，保護區的平均斑塊面積、景觀破碎化指數、聚合度指數總體為上升趨勢，表明保護區受到一定干擾；而1 km鄰近區景觀破碎程度高于保護區，而低于2～10 km鄰近區。

2.3 空間溢出效應評估

在1990—2020年，保護區外1 km鄰近區的景觀邊緣密度、景觀形狀指數、景觀破碎化指數的平均值均大于保護區，而小于2～10 km各鄰近區；該鄰近區的最大斑塊指數、平均斑塊面積、聚合度指數的平均值小于保護區而大于2～10 km鄰近區。將保護區及其各鄰近區的景觀格局指數均值進行顯著性檢驗，結果表明1 km鄰近區的邊緣密度、最大斑塊指數、平均斑塊面積、景觀破碎化指數、聚合度指數與保護區均存在顯著差異，且與2～10 km鄰近區的最大斑塊面積、景觀破碎化指數具有顯著差異（圖5）。因此，百面水自然保護區的建立對周邊1 km鄰近區產生了空間溢出效應，為阻塞效應。

圖5 空間溢出效應顯著性檢驗

2.4 影響因素分析

對保護區、溢出效應影響區域（1 km 鄰近區）以及不受保護也不存在明顯溢出效應影響的外圍區域（2～10 km鄰近區）提取各數據進行非參數檢驗，結果表明百面水自然保護區內外的年均氣溫、年均降水、植被類型、人口密度、GDP 和到最近居民點距離均有差別（表1）。兩兩比較后得出，保護區與溢出效應影響區域除植被類型不存在差別外，其余均表現出不同程度的差別；保護區與外圍區域在氣候、人口密度和到最近居民點距離存在極顯著差異（P≤0.001）；溢出效應影響區域與外圍區域在年均氣溫、人口密度和植被類型上存在差別。綜上，百面水保護區空間溢出效應主要受社會經濟和氣候的影響。

表1 百面水自然保護區、溢出效應影響區域、外圍區域各因素差異檢驗

3 結論與討論

在1990—2020年的30年里，百面水自然保護區與10 km鄰近區的土地利用變化情況均表現為森林和農田的變化占主導地位，其余土地利用有少量轉移變化。保護區的邊緣密度、最大斑塊指數、景觀形狀指數總體表現為下降趨勢，保護區的平均斑塊面積、景觀破碎化指數、聚合度指數總體表現為上升趨勢；保護區內外景觀破碎化程度從低到高依次為保護區、1 km鄰近區、2～10 km鄰近區。百面水自然保護區產生了正面影響的溢出效應，影響距離為保護區外1 km，且主要受到氣候和社會經濟因子影響。

保護區內的土地利用限制可能對非目標、鄰近地區產生非預期的溢出效應。在泄漏的情況下，原本會在保護區中發生的土地利用變化被轉移到原本不會發生變化的無保護區中。在阻塞的情況下，由于保護區的積極溢出效應，未受保護的環境所經歷的土地利用變化比其他情況要少。然而目前對于全球保護區網絡中已經發生的溢出的規模、普遍性和可預測性還知之甚少[20]。

本文選取景觀格局指數分析百面水保護區內外的景觀格局變化特征，得出百面水保護區自2014年晉升為省級自然保護區后，其景觀格局得到更好發展。這意味著保護區的級別越高，保護區內的管理條件越嚴格，區內的保護成效或會越好。景觀格局指數變化趨勢顯示，百面水自然保護區外1 km區域的景觀破碎化比2～10 km區域的低，表明保護區的建立對其周邊景觀破碎化趨勢有一定程度的緩解效果。從國內的國家級自然保護區的溢出效應來看，作用距離一般不小于3 km，而本文得出百面水自然保護區產生的溢出效應作用距離約1 km，猜測可能與保護區的自身屬性特征——建立時間和晉升級別的時間等有關。Diego Herrera等[5]對巴西亞馬遜聯邦和州機構保護區的溢出效應進行研究，表明不同管理級別的機構對保護區的溢出效應具有很大的影響差異，并表明對于一個國家、地區和時期，保護區的溢出效應因保護區的位置、類型和管理執行的不同而有很大的差異。Shen Yu等[10]對青藏高原的森林自然保護區的研究結果也表明，保護區的年齡對保護區的溢出效果有一定影響。

因此，本文對于自然保護區的管理和保護提出如下建議：

1）加強對保護區內外土地利用變化的監測。土地利用/覆蓋的變化是全球環境變化的主要原因之一，確定正在發生土地變化的持續趨勢的區域可為土地和資源管理提供有用的信息[21]，以便指導土地系統的可持續發展規劃和管理。

2）注重保護區內外生態環境和生物多樣性的連通性。越來越多的案例表明，保護區的建立并不能隔絕區內外生物多樣性，而是應該在進行保護區內保護工作的同時，關注保護區外物種棲息和生存繁衍的整體格局，避免保護區“孤島化”。

3）加強自然保護區的管理工作，減少人為活動干擾，創建保護區良好生態景觀格局。相關研究表明，管理機構應是溢出效應形成機制的一部分[1]。因此，保護區管理機構應根據實際情況增設專門管理機構和人員，以提高保護區的管理有效性。

注：圖片均為作者自繪