一种陆地自然保护区景观保护价值计算方法

摘要

本发明公开了一种专门用于评估陆地自然保护区景观保护价值的计算方法，特别是能够客观地量化陆地自然保护区景观保护价值，给出陆地自然保护区景观保护价值指数，可以实现相同类型自然保护区的景观保护价值排序，增强自然保护区景观保护价值的可比性。

说明书

技术领域

本发明涉及自然保护领域，特别是涉及森林生态系统、草原与草甸生态系统、荒漠生态系统等类型的陆地自然保护区景观保护价值计算方法。 

背景技术

自然保护区保护价值的大小不仅可以作为建立自然保护区的评判标准，也成为衡量自然保护区是否该优先建设的依据。目前，我国自然保护区保护价值评估是基于国家环保部发布的《国家级自然保护区评审标准》。该评审指标由自然属性、可保护属性和保护管理基础三个部分组成。陆地自然保护区自然属性涉及典型性、脆弱性、多样性、稀有性、自然性5个指标，可保护属性和保护管理基础两部分指标包含科学价值、经济和社会价值、机构设置与人员配备、边界划定和土地权属、基础工作和管理条件等6个指标。该评审标准操作简便，通过专家咨询法对各项指标赋值，评估自然保护区保护价值。 

然而，陆地自然保护区作为动植物重要的生境，无论其大小往往处于强烈影响物种长期生存的景观镶嵌体中，自然保护区的景观组成及其空间格局对于动物种群的动态、植物种子的传播、捕食者与猎物的相互作用、植物群落演替等生态过程产生了重要影响。评估陆地自然保护区保护价值应考虑更大的尺度-景观。而上述评审标准对陆地自然保护区景观的组成和空间格局并未涉及，并且上述评审方法采用专家咨询打分的方式，很大程度上依赖专家的主观判断，缺乏客观性。 目前，还没有办法能够定量地、客观地衡量一个陆地自然保护区景观保护价值大小。 

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种专门用于评估陆地自然保护区景观保护价值的计算方法，特别是能够客观地量化陆地自然保护区景观保护价值，给出陆地自然保护区景观保护价值指数，可以实现相同类型自然保护区的景观保护价值排序，增强自然保护区景观保护价值的可比性。 

为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案，所述方法包括下列步骤： 

（1）步骤1：①景观类型划分。建立自然保护区景观分类体系，共分8个一级类，33个二级类和85个三级类（表1）。根据所评估的陆地自然保护区类型，参照上述分类体系划分具体景观类型。 

②保护性景观和人工干扰性景观类型的确定。根据陆地自然保护区的性质和类型，确定具体的保护性景观和人工干扰性景观类型。保护性景观是指陆地自然保护区主要保护的景观类型，包括自然生态系统和珍稀濒危野生动植物的生境。人工干扰性景观是指对自然生态系统和野生动植物生境造成干扰和破坏的人工景观类型。 

（2）步骤2：制作景观类型空间分布图。利用地理信息系统软件制作自然保护区景观类型空间分布图。 

（3）步骤3：①合并相邻保护性景观斑块。在景观类型空间分布图中取消相邻保护性景观图斑之间的分界线，把相邻保护性景观合 并形成一个斑块。如果相邻保护性景观类型之间存在铁丝网等人工永久性隔离因子，将此类型的相邻保护性景观作为彼此隔离的斑块对待不参与合并。 

②制作保护性景观镶嵌体空间分布图。对于合并后的保护性景观斑块，如果是由于交通运输用地导致彼此不相连，根据表2中的规定对不相连的保护性景观斑块做进一步合并处理。将进一步处理后的保护性景观斑块作为保护性景观镶嵌体并制作保护性景观镶嵌体空间分布图，统计各保护性景观镶嵌体的面积及周长。进一步合并处理，主要是考虑到四级公路、林区公路、农村道路等人工干扰性景观类型对保护性景观不形成实质性的隔离，因此，在空间处理上将不相连的保护性景观斑块合并形成以多部分要素形式存在的斑块。 

（4）步骤4：计算保护性景观总体破碎化程度。采用破碎化指数计量保护性景观总体破碎化程度，基于陆地自然保护区保护性景观镶嵌体空间分布图，计算保护性景观总体破碎化指数（FI）: 

$>\mathrm{FI}=1-\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\left(\frac{S_j}{S}\right)$>   ① 

式中： 

FI为保护性景观总体破碎化指数，介于0-1之间，其值越大，保护性景观总体上越趋于破碎，其完整性越差； 

S_j为第j个保护性景观镶嵌体的面积； 

S为保护性景观的总面积； 

n为保护性景观镶嵌体的个数； 

（5）步骤5：计算保护性景观边缘效应强度。采用面积加权分 形维数（FDI）计量保护性景观边缘效应强度，计算如下： 

$>\mathrm{FDI}=\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}(\frac{S_j}{S}·{\mathrm{FDI}}_j)$>   ② 

$>{\mathrm{FDI}}_j=\frac{2\lg \left(0.25P_j\right)}{\lg S_j}$>   ③　 

式中： 

FDI为保护性景观面积加权分形维数，理论值介于1-2之间，FDI值接近1，表明保护性景观总体形状趋于规则、简单；FDI值越大，保护性景观总体形状越复杂，表明边缘效应越强，相应地人类活动通过保护性景观镶嵌体边界对自然保护区保护对象的干扰影响程度就越大； 

FDI_j为第j个保护性景观镶嵌体的分形维数； 

S_j为第j个保护性景观镶嵌体的面积； 

S为保护性景观的总面积； 

P_j为第j个保护性景观镶嵌体的周长； 

n为保护性景观镶嵌体的个数； 

lg是以10为底的对数； 

（6）步骤6：计算保护性景观镶嵌体面积有效性与关键景观类型空间连接程度。 

①对于森林生态系统类型自然保护区，计算保护性景观镶嵌体面积有效性，包括伞护种保护面积有效性和典型植被保护面积有效性。通过面积有效性指数计量面积有效性大小，计算如下： 

$>\mathrm{AEI}=\frac{1}{2}(\mathrm{UEI}+\mathrm{VEI})$>   ④　 

其中： 

$>\mathrm{UEI}=\frac{{\Sigma }_{j=1}^m{S}_{\mathrm{ej}}}{\mathrm{TS}}$>   ⑤　 

$>\mathrm{VEI}=\frac{{\Sigma }_{j=1}^m{S}_{\mathrm{ej}}^{\prime }}{\mathrm{TS}}$>   ⑥　 

式中： 

AEI为保护性景观镶嵌体面积有效性指数，其值介于0-1之间，是伞护种保护面积有效性和典型植被保护面积有效性的综合反映； 

UEI为伞护种保护面积有效性指数，反映对维持伞护种最小种群长期生存发挥有效作用的保护性景观镶嵌体的总面积大小； 

VEI为典型植被保护面积有效性指数，反映对抵抗严重火灾、风灾干扰发挥有效作用的保护性景观镶嵌体的总面积大小； 

S_ej为第j个对维持伞护种最小种群长期生存发挥有效作用的保护性景观镶嵌体的面积，对维持伞护种最小种群长期生存发挥有效作用的保护性景观镶嵌体是指面积大于等于伞护种最小可存活面积的保护性景观镶嵌体； 

S’_ej为第j个对抵抗严重干扰发挥有效作用的保护性景观镶嵌体的面积，对抵抗严重干扰发挥有效作用的保护性景观镶嵌体是指面积大于等于典型植被受严重干扰后的平均一次性毁林面积； 

TS为自然保护区的总面积； 

m为发挥有效作用的保护性景观镶嵌体的个数。 

②对于草原与草甸、荒漠生态系统类型自然保护区，计算关键景观类型空间连接程度。关键景观类型是指自然保护区中水源等作为关 键生境因子的景观类型。采用空间连通性指数（CI）计量关键景观类型的空间连接程度。空间连通性指数（CI）的计算如下： 

$>\mathrm{CI}=\frac{{\Sigma }_{j\ne k}^n{c}_{\mathrm{jk}}}{n(n-1)/2}$>   ⑦　 

CI为关键景观类型连通性指数，计算过程中需根据自然保护区主要保护的野生动物种类的日活动范围，特别是自然保护区中处于食物链顶端的食肉动物等伞护种，设定日扩散距离r作为连通性指数计算的空间尺度。CI介于0-1之间，其值越大，表明关键景观类型在空间尺度r范围内的连通性越强，相应地伞护种在自然保护区中活动扩散的阻力也就越小；CI可借助软件FRAGSTATS计算，FRAGSTATS是由美国麻省大学阿默斯特分校开发的、专门用于分析景观空间格局的计算机程序软件，现行版本为FRAGSTATS v4，软件可通过麻省大学官方网站免费下载使用。 

c_jk为空间尺度r范围内，关键景观类型斑块j和k的连接状态，当c_jk=1，斑块j和k相连接，当c_jk=0，斑块j和k不连接； 

n为关键景观类型的斑块个数； 

（7）步骤7：计算陆地自然保护区景观保护价值指数。 

①森林生态系统类型自然保护区景观保护价值指数,采用几何平均法构建，计算方法如下： 

$>\mathrm{PVI}=\sqrt[3]{(1-\mathrm{FI})·(2-\mathrm{FDI})·\mathrm{AEI}}\times 100$>   ⑧ 

式中： 

PVI为自然保护区景观保护价值指数，是景观水平上，自然保护区对伞护种和典型植被保护价值的综合反映，其值介于0-100之间， 值越大，自然保护区景观保护价值越大； 

FI为保护性景观总体破碎化指数； 

FDI为保护性景观面积加权分形维数； 

AEI为保护性景观镶嵌体面积有效性指数； 

100为转换常数，乘100将PVI的值域范围扩增到0-100之间。 

②草原与草甸、荒漠生态系统类型自然保护区景观保护价值指数，采用几何平均法构建自然保护区景观保护价值指数即PVI的计算公式: 

$>\mathrm{PVI}=\sqrt[3]{\frac{S}{\mathrm{TS}}·\frac{(1-\mathrm{FI})+(2-\mathrm{FDI})}{2}·\mathrm{CI}}\times 100$>   ⑨ 

式中， 

PVI为自然保护区景观保护价值指数，介于0-100之间，其值越大，自然保护区景观保护价值越高； 

S为保护性景观的总面积； 

TS为自然保护区的总面积； 

FI为保护性景观总体破碎化指数; 

FDI为保护性景观面积加权分形维数; 

CI为关键景观类型连通性指数； 

100为转换常数，乘100将PVI的值域范围扩增到0-100之间。有益效果 

（1）根据陆地自然保护区类型，给出了自然保护区景观保护价值指数，客观地、定量地反映自然保护区景观保护价值大小； 

（2）实现了自然保护区景观保护价值的定量化判断，可以对相同类型自然保护区景观保护价值进行排序，增强自然保护区景观保护价值的可比性。 

附图说明

附图1为吉林长白山国家级自然保护区景观类型空间分布图； 

附图2为吉林长白山国家级自然保护区保护性景观镶嵌体空间分布图。 

具体实施方式

以森林生态系统类型自然保护区吉林长白山国家级自然保护区为例，本发明提供了一种自然保护区景观保护价值的评估方法，所述方法包括下列步骤： 

（1）步骤1：①基于自然保护区景观分类体系（表1），结合长白山国家级自然保护区的景观特征，确定长白山国家级自然保护区具体的景观类型：0111天然林、0112人工林、0121天然疏林地、0131天然灌木林、0142人工造林未成林、0211天然草地、0331永久性淡水湖、0511裸土地、0531裸岩石砾地、0631旱地、0711果园、0811商服用地、0823仓储用地、0842风景名胜设施用地、0843公共设施用地、0844其它公共用地、0853其它特殊用地、0862公路用地、0863林区公路、0871沟渠、0872水工建筑用地和0881设施农用地等22种三级景观。 

②根据长白山国家级自然保护区的主要保护对象确定保护性景观和人工干扰性景观类型。其中，保护性景观包括：0111天然林、0112人工林、0121天然疏林地、0131天然灌木林、0142人工造林未 成林地、0211天然草地和0331永久性淡水湖等7种类型。 

（2）步骤2：基于2012年的ZY-02C遥感影像数据结合地面调查数据，解译长白山国家级自然保护区景观类型，利用地理信息系统软件ArcMap制作景观空间分布图（附图1）。 

（3）步骤3：①利用ArcMap软件，在景观类型空间分布图中取消相邻保护性景观图斑之间的分界线，把相邻保护性景观合并形成一个斑块。 

②对由林区公路造成不相连的保护性景观斑块做进一步合并处理，生成以多部分要素形式存在的斑块。将进一步处理后的保护性景观斑块作为保护性景观镶嵌体并制作自然保护区保护性景观镶嵌体空间分布图（附图2），统计各保护性景观镶嵌体面积及周长（表3）。 

（4）步骤4：根据公式①计算保护性景观总体破碎化指数： $>\mathrm{FI}=1-\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\left(\frac{S_j}{S}\right)=0.66;$>

（5）步骤5：根据公式③，计算保护性景观镶嵌体各斑块的分形维数，再由公式②计算保护性景观面积加权分形维数： 

$>\mathrm{FDI}=\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}(\frac{S_j}{S}·{\mathrm{FDI}}_j)=1.06$>

（6）步骤6： 

①选取顶级食肉动物东北虎作为长白山国家级自然保护区的伞护种。1只雄虎、3-4只雌虎是一个基本繁殖单元，即东北虎最小种群。参考雌虎领域范围488±166km²和雄虎领域范围1205±431km²，维持3只雌虎生存的最小面积为966-1962km²，1只雄虎的领域覆盖此 面积。因此，东北虎的最小可存活面积至少为966km²。长白山国家级自然保护区中完整的保护性景观镶嵌体的最大面积仅为931.75km²，根据公式⑤，计算伞护种保护面积有效性指数： $>\mathrm{UEI}=\frac{{\Sigma }_{j=1}^m{S}_{\mathrm{ej}}}{\mathrm{TS}}=\frac{0}{196465.00}=0.$>

②红松针阔混交林和云冷杉针叶林为长白山国家级自然保护区的典型植被类型，风灾是植被的主要干扰方式，根据以往严重风灾的平均一次性毁林面积，确定1万hm²为能够抵抗风灾而发挥有效作用的保护性景观镶嵌体面积。根据公式⑥，计算典型植被保护面积有效性指数： 

$>\mathrm{VEI}=\frac{{\Sigma }_{j=1}^m{S}_{\mathrm{ej}}^{\prime }}{\mathrm{TS}}=\frac{93175.08+61954.70+18421.80+17395.00}{196465.00}=0.97;$>

③计算保护性景观镶嵌体面积有效性指数，根据公式④， $>\mathrm{AEI}=\frac{1}{2}(\mathrm{UEI}+\mathrm{VEI})=\frac{1}{2}(0+0.97)=0.49;$>

（7）步骤7：根据公式⑧计算自然保护区景观保护价值指数： 

$>\mathrm{PVI}=\sqrt[3]{(1-0.66)·(2-1.06)·0.49}\times 100=53.90.$>计算结果表明：由于完整的保护性景观镶嵌体的面积不能满足东北虎最小可存活面积的要求，即东北虎保护面积有效性为0，长白山国家级自然保护区不具备保护伞护种东北虎的景观价值。自然保护区景观保护价值指数仅反映对典型植被的保护价值。 

表1自然保护区景观类型编码和名称 

表1自然保护区景观类型编码和名称（续） 

表1自然保护区景观类型编码和名称（续） 

表2.　不同类型人工干扰性景观的隔离度及对不相连保护性景观斑块的处理方式　 

注：表中公路用地的分级参照公路工程技术标准（ＪＴＧ 　Ｂ01－2003）。 

表3.吉林长白山国家级自然保护区保护性景观镶嵌体面积及周长 

斑块 面积/hm²周长/km 1 93175.08　 217.83　 2 61954.70　 208.81　 3 18421.80　 81.66　 4 17395.00　 77.29　 5 986.21　 19.19　 6 974.86　 26.53　 7 783.14　 11.94　 8 418.24　 10.25　 9 179.39　 6.15　 10 65.20　 18.36　 11 61.12　 13.05　 12 44.55　 9.32　 13 39.71　 5.93　 14 15.92　 3.04　 15 12.92　 1.70　 16 12.77　 2.88　 17 6.91　 2.29　 18 4.90　 0.99　 19 4.43　 2.84　 20 3.33　 0.77　 21 2.92　 1.18　 22 2.37　 0.95　 23 1.25　 1.35　 24 0.31　 0.40　 25 0.23　 0.37　 26 0.03　 0.07　 汇总 194567.30　 725.16　

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。