四川省自然保护区时空分布与影响因素

王成武,崔 彪,*,汪宙峰,谢 亮,陈雅靓

1 西南石油大学地球科学与技术学院,成都 610500 2 西南石油大学土木工程与测绘学院,成都 610500

2020年是全球极端天气的一年,多个地区已经出现了明显的异常气候现象[1—2],气候变化给人类带来了深刻的影响。为了应对全球气候变化,世界各国采用了多种措施予以应对。其中,设立各级各类自然保护区,不仅可以有效保护生物多样性,还对区域生态功能保护与修复具有重要的作用。中国的自然保护区建设经历了从旨在珍稀动植物保护的点状建设阶段到全面生态功能建设的体系化建设阶段,2015年之后形成了以国家公园为主体、自然保护区为基础、各类自然公园为补充的自然保护地体系[3—5]。

四川省位于中国西南内陆腹地,地处长江上游流域,地形地貌复杂,气候复杂多样,自然资源丰富,在国家主体功能中承担着重要的生态功能。从20世纪60年代至今,四川省共建成自然保护地489处,其中国家公园1处、自然保护区166处、地质公园34处、湿地公园55处、森林公园140处,风景名胜区93处(图1)。在四川省自然保护地体系中,自然保护区占比最高(34%),建设历史最早,多年来对四川省的生态保护发挥了重要的作用。目前学者们对于自然保护区或者自然保护地的研究,主要包括特定保护区的某类物种[6—7]或某个生态系统[8—9],自然保护地的生态承载力[10—11]、立法建设[12—13]、优化布局[14—15]等方面。近期也有学者开始从省域尺度研究部分省区自然保护地的空间分布格局[16—18]。为了探索四川省自然保护区的空间分布特征及空间演变的影响机制,本文采用地理空间分析的方法对166处自然保护区展开研究,以期为四川省自然保护区乃至自然保护地体系的建设提供一定的建议。

图1 四川省自然保护地分布图Fig.1 Distribution map of nature reserves in Sichuan Province

1 数据与空间分布研究方法

1.1 数据来源

国家公园数据和自然保护区数据来自四川省生态环境厅、四川省自然资源厅,地质公园数据来自四川省地质学会,风景名胜区、湿地公园数据来自四川省文化和旅游厅,森林公园数据来源于四川省林业和草原局,四川省海拔高程数据、植被区划、水系数据、土壤分布数据来自资源环境与科学研究中心。人口数据、生产总值、自然科学领域投入资金来源于四川省统计年鉴。

1.2 空间分布及相关性研究方法

近年来空间统计学发展迅速,产生了诸如地理探测器、莫兰指数等较多分析方法[19—26]。这些方法有的适于连续分布的地理要素,有的适于离散的地理要素,有的两者均适用。对于点状地理事物,多采用平均最近邻指数法、基尼系数、重心迁移轨迹、核密度分析、标准差椭圆等方法刻画与描述其空间分布状态及演化过程。其中,平均最近邻指数[27]用于研究点状要素的空间分布类型；基尼系数[28]衡量研究点状要素空间分布的均衡程度；核密度分析法[29]用于研究点状要素在一定区域内的分布数量、总体的分布方位、集聚分布的区域；重心迁移轨迹法[30]用于分析点状要素空间分布及其动态演化过程；标准差椭圆方法[31]用于研究基于目标对象的空间区位和空间结构,可从全局的、空间的角度定量解释地理要素空间分布的中心性、展布性、方向性、空间形态等特征,椭圆空间分布范围表示地理要素空间分布的主体区域。本文研究的自然保护区因将其视为点状事物,故可作为离散的空间事物并研究其空间分布与演化特征。同时,文章采用相关系数法用于分析自然保护区空间分布的影响因素。

(1)平均最近邻指数

将四川省各自然保护区平均观测距离R1与四川省各自然保护区平均期望距离R2的比值NN与数字1进行比较，计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中S表示四川省面积,di表示自然保护区i至其最邻近自然保护区的欧式距离,n表示四川省自然保护区总数目,以此用来衡量四川省自然保护区不同时期的积聚程度。

(2)基尼系数

本文应用其研究四川省自然保护区的空间均衡度,表示出不同城市研究对象数量的悬殊程度,其理论计算公式如下：

(4)

式中,Gini代表基尼系数；n为区域的数量；W为累计数量占总数量的比重。Gini的取值在0—1之间,Gini值越大,表明研究对象空间分布的均衡性越小,集中度越高。基尼系数可以表示出不同城市研究对象数量的悬殊程度。

(3)核密度分析

运用核密度分析工具研究1963—2018年四川省自然保护区的集聚分布的区域、数量、方位,用以判断其变化情况。其理论公式如下：

(5)

式中,k()称为核密度函数；(x-X1)表示自然保护区的某一x点至事件X1的距离；l>0,为带宽；t是在带宽范围内的已知要素数目。

(4)重心分布轨迹

计算1963—2018年四川省自然保护区空间分布的重心,研究其重心的迁移轨迹,分析四川省自然保护区的空间演化过程。重心理论公式如下：

(6)

(7)

LXi=111×cosYi×(Xi-Xo)

(8)

LYi=111×(Yi-Yo)

(9)

L=111×arccos[cosYicosYicos(Xi-Xo)+sinYisinYo]

(10)

式中,Xo、Yo表示该年四川省自然保护区分布重心的经纬度坐标；n为该年四川省自然保护区的个数总和；Xi、Yi为第i个自然保护区的经纬度坐标；总偏移距离用L表示,东西向、南北向偏移距离分别为LXi、LYi。

(5)标准差椭圆

标准差椭圆是空间统计方法中能够精确揭示要素空间分布多方面特征的方法。该方法通过以中心、长轴、短轴、方位角为基本参数,定量描述事物的总体空间分布特征。本文采用标准差椭圆算法分析四川省自然保护区的分布方向、疏密程度及动态变化。

(6)相关系数法

相关系数法是研究变量之间相关程度的方法,在生态、医疗等各个领域[32—36]都有广泛的应用。本文运用该方法研究地区GDP、人口、城镇化率、自然科学领域投入资金率等社会因素与自然保护区之间的相关性,从而探究社会因素对自然保护区空间分布的影响。

1.3 自然保护区的空间分布特征演化

(1)空间分布类型变化

使用ArcGIS对四川省自然保护区进行最近邻分析,得到其空间分布类型。当最邻近比率NN<1,则空间分布类型为积聚；当最邻近比率NN=1,则空间分布类型为平均；当最邻近比率NN>1,则空间分布类型为随机。最邻近比率NN与1相差的绝对值愈大,则相对应分布的程度越高。由表1分析可知：四川省自然保护区总体呈现集聚-随机-集聚的变化特征,且前期变化幅度大,后期变化幅度小。

表1 四川省自然保护区空间分布最近邻指数表Table 1 Nearest neighbor index of spatial distribution of nature reserves in Sichuan Province

(2)空间分布均衡度

计算四川省21个地级市的自然保护区数量,按数量大小排序,得出各地市自然保护区数量占总数量的比重和累计比重,代入基尼系数公式中计算,得到四川省自然保护区的基尼系数,按照判定方法对其均衡程度类型判断,结果如表2。从基尼系数计算结果看,历年数值均大于0.5,从均衡程度类型看,主要表现为差距悬殊和差距较大,这表明四川省自然保护区的空间分布在很长时间内呈现较不均衡的特征。

表2 基尼系数结果Table 2 Result of Gini coefficient

根据表2基尼系数的结果可知：四川省自然保护区的空间分布均衡度为极不均衡。从时间上看,其空间分布由差距悬殊向差距较大的类型发展,分布差距在逐渐减小。从基尼系数计算结果看,历年数值均大于0.5,从均衡程度类型看,主要表现为差距悬殊和差距较大,这说明四川省自然保护区的空间分布在很长的时间内呈现较不均衡的特征。

1.4 自然保护区空间分布特征演化

(1)密度变化过程

如图2,通过研究四川省自然保护区核密度图的变化,发现其核密度空间分布呈现出明显的阶段特征。总体分为两个阶段。第一阶段：单核形成与发展阶段(1963—1998年)。该时期自然保护区发展相对缓慢,高、低密度核相继形成。主核位于阿坝高原与川西平原的过渡区域,高密度核由阿坝州若尔盖县、阿坝州九寨沟县发展为甘孜州、乐山—凉州区域、阿坝州北部等多个区域。第二阶段：双核阶段(1998—2018年)。1998年在原有主核的基础上出现了另一个位于阿坝州北部-绵阳交界区域的主核,且双核共存的状态一直持续到2018年。此阶段高密度核数量持续增加,范围继续扩大并逐渐扩展为南至凉山州、西至甘孜州、北至阿坝州、东至巴中市的广大区域。

图2 四川省自然保护区空间分布核密度图Fig.2 Nuclear density map of spatial distribution of nature reserves in Sichuan Province

(2)重心迁移

参照四川省的几何中心(绵阳市平武县104.433°E,32.234°N),通过ArcGIS计算1963—2018四川省自然保护区的分布重心,结果如表3,发现其具有以下特点：

表3 四川省自然保护区空间分布重心参数表Table 3 Parameters of spatial distribution barycenter of nature reserves in Sichuan Province

①重心迁移轨迹表现为南-北-南的反复迁移过程,但总体为向南迁移。1963—1978年重心由阿坝州黑水县南迁至阿坝州汶川县,1978—1983年重心北迁至阿坝州理县,随后重心南迁,1983—2018年都位于阿坝州汶川县内。

②重心活动范围较小,活动区域稳定,大致分布在阿坝州黑水县、阿坝州汶川县、阿坝州理县附近,且相距最远的两重心距离为135.412 km。

③ 重心坐标值在103.021°E—103.393°E、30.830°N—32.039°N之间,波动幅度与范围较小。在东西方向上无明显变化,重心间最远距离为35.39 km；在南北方向上有轻微波动,重心间最远距离为134.198 km。就总体偏移距离而言,2003年四川省自然保护区分布重心距几何中心最远,达到203.991 km。这说明四川省自然保护区建设重点在阿坝州南部,并有向成都市转移的趋势,体现为逐渐远离四川省几何中心。

(3)标准差椭圆分析

使用ArcGIS软件对四川省自然保护区1963—2018年每隔5年的数据进行标准差椭圆分析,计算结果如表4,ArcGIS所得标准差椭圆图如图3。根据图3和表4相关结果,分析得出如下结论：

表4 标准差椭圆计算结果Table 4 Calculating result of Standard deviation ellipse

①标准差椭圆的方向变化较大,其空间分布由南-北向演变为东北-西南向。1963—1973年标准差椭圆的方向为南-北向,1978年后方向发生明显变化,其方向演变为东北-西南向。其原因是1978年甘孜州新建5处自然保护区,致使1978年的标准差椭圆的方向发生了明显变化。

②标准差椭圆面积总体呈大幅增长,其过程具有“先增大,后减小,再增大”的特点,自然保护区的空间分布特征由集中到分散。1973—1998年期间标准差椭圆的面积先增大,后减小。1998年后其面积再次缓慢增长并趋于稳定,直至2013年,标准差椭圆面积达到最大值。至此,四川省自然保护区的空间格局基本确立,各地区自然保护区发展趋向均衡。

③标准差椭圆长短轴变化强烈,在经历了方向发生变化的同时,长短轴的距离均呈现出“减小-增大-减小-增大”的周期性变化。其中,长轴距离数值最小的为1973年的169.598 km,距离数值最大的为1983年的333.205 km；短轴距离数值最小的为1973年的59.402 km,距离数值最大的为1988年的253.090 km。该过程在一定程度上反映了四川省不同时期生态建设的区域重点。如1963—1973年川西地区是生态建设重点；1973—1983年甘孜地区为生态建设重点；1983—1993年阿坝州、甘孜州依然是生态建设重点区域；1993—2008年川东川南地区成为生态建设重点区域；2008—2018年川南的宜宾和成都两个地区成为生态建设重点。

2 四川省自然保护区空间分布影响因素

根据上文分析,目前四川省自然保护区分布并不均衡,各地市、自治州之间自然保护区数量差异极大。为了探究其空间分布的影响因素,从自然保护区的内在特点和文献研究[35—37]出发,从自然和社会经济两个方面8个指标展开分析。

2.1 自然因素对自然保护区空间分布的影响

自然保护区是以保护珍稀动植物资源、保留自然本底、保护生态系统为主要目的而划分出的区域。这种性质和特点决定了自然因素是其空间分布的主要因素。为了深入分析自然保护区与各自然因素之间的关系,本文选择可能对其产生影响的地形地貌、土壤、植被、水系等因素进行研究(图4)。

图4 不同自然因素条件下自然保护区分布或密度图Fig.4 Distribution or density map of nature reserves under different natural factors

(1)地势高程影响分析

四川省西高东低、高差悬殊,不同高程所分布的自然保护区数量也不相同。根据“四川省主体功能区划”对高程的分级,将四川省按照高程分为5个等级,包括h<500 m(占比12.12%),500—1000 m(占19.39%),1000—2000 m(16.36%),2000—3000 m(23.64%),3000—4500 m(26.06%),h>4500 m(2.43%)。基于对地形数据的分析可知,自然保护区在不同高程的区域中均有分布,但较倾向于地势平坦、高程适中的阿坝州南部与东部、甘孜州东部、凉山州北部以及成都市、绵阳市等区域(图4)

(2)土壤类型影响分析

四川省地貌复杂,土壤类型多样。按照传统的“土壤发生分类”系统[37],四川省土壤分为8个土纲,包括高山土、水成土、淋溶土、半淋溶土、半水成土、初育土、人为土、铁铝土。25个土类,63个亚类以及137个土属。通过空间叠加分析发现,自然保护区主要集中于淋溶土(25.46%)、半淋溶土(22.43%),部分集中于初育土(15.76%)、人为土(9.09%)、高山土(9.69%)、铁铝土(15.45%),少量分布于半水成土(1.21%)、水成土(1.21%)。其原因可能是以上土壤区更有力形成较好的生态环境,有利于生物生长发育,因此甘孜州、阿坝州、凉山州、广元市、绵阳市较适宜设立自然保护区。

(3)水系河流影响分析

四川省内河流众多,绝大部分属长江水系。水系对自然保护区的分布有重大的影响作用。按水系等级将四川省水系河流分为一级河流与一级以下河流,将5 km作为缓冲距离,进行河流缓冲分析。通过ArcGIS的分析可发现：一级河流5 km以内的保护区数量占比13.86%,一级以下河流5 km以内的保护区数量占比74.09%,所有河流5 km以内的保护区数量占比高达87.95%。由此可见,四川省自然保护区的分布与河流发育有着密切的联系,因此河流富集的甘孜州、阿坝州、凉山州、绵阳市、雅安市、巴中市等设有较多的自然保护区。

(4)植物区划影响分析

植物区划是区域气候、土壤分布等地理要素的综合反映。四川省植被区划分为高寒灌丛草甸地带、高寒草甸地带等6个地带。其中,自然保护区大多集中分布在中亚热带常绿阔叶林北部亚地带(65.45%),部分分布于亚热带山地寒温性针叶林地带(16.36%)、中亚热带常绿阔叶林地带(7.88%)、北亚热带常绿落叶阔叶混交林(7.27%),少量分布于高寒灌丛草甸地带(3.03%)。此种分布格局反映出中亚热带阔叶林区具有气候温和、空气湿润、降雨量充沛的特点,是生态环境优良的区域,有利于动植物生长发育,成为了生态功能较好的区域,也成为自然保护区建设的重点区域。

2.2 社会因素对自然保护区空间分布的影响

尽管自然因素是自然保护区空间分布的决定性因素,但社会经济条件也不可避免地对其产生一定的影响。为此,本文选择了地区GDP、人口、城镇化率、自然科学领域投入资金率等社会经济因子,分析其对自然保护区可能产生的影响,通过SPSS软件分析两者的相关性。相关系数r>0时,两者为正相关,r<0时,为负相关,|r|越接近1,两者相关性越强；显著系数α的值越接近0,显著性水平越高。计算结果如表5。

表5 社会因素与四川省自然保护区空间分布的相关系数表Table 5 Correlation coefficient table between social factors and spatial distribution of nature reserves in Sichuan Province

通过分析发现：(1)地区GDP与自然保护区的关联程度极低,影响程度较弱；(2)地区人口与自然保护区之间低度负相关,这说明人口稀少地区的自然保护区分布多于人口聚集的地区；(3)地区城镇化水平与自然保护区为高度负相关,其原因是城镇化提供非生态功能而自然保护区则提供生态功能。因此,城镇化会对自然保护区的建设产生较大的抑制效应；(4)地区自然科学领域投入资金率与自然保护区的相关类型为中度相关,自然科学领域投入资金率较高的地区其自然保护区分布高于自然科学领域投入资金率较低的地区,这与《中华人民共和国自然保护区条例》对自然保护区所需经费的规定是一致的。

2.3 自然与社会因素的交互作用

自然因素是自然保护区设立的基本条件,对自然保护区的空间分布具有决定性影响；社会因素对自然保护区的空间分布有一定的影响。在二者的交互作用下,自然保护区集中分布于地势适中、气候温和、河流交错、土壤良好、城镇化率低、人口稀少的地区,主要包括阿坝州南部与东部地区。

3 结论与建议

本文采用平均最近邻指数、基尼系数、重心分布轨迹、标准差椭圆研究了四川省自然保护区1963—2018年间的时空分布特征,并采用空间叠置和相关系数分析法试图从自然和社会两个角度揭示影响四川省自然保护区时空变化的因素,研究得出以下主要结论：

①从时间上看,1963—2018年间四川省自然保护区空间分布的总体特征以集聚为主,呈现集聚-随机-集聚的变化特征,且前期变化幅度大,后期变化幅度小,但集聚程度逐渐减弱。由于自然保护区建设有一个过程,这种空间变化反映了该时期四川省生物保护的演变过程。四川省生物保护初期以大熊猫、扭角羚、绿尾虹雉、金丝猴等珍稀动物为主,在阿坝州、甘孜州、绵阳市等区域建立了系列野生动物类的大型自然保护区。后期开始了全面的生物多样性保护,初步完成了以秦巴生物多样性、川滇森林及生物多样性、若尔盖草原湿地、大小凉山水土生态功能区等为主体的生态安全格局建设。从图2可以看出,四川省自然保护区的发展明显分为两个阶段,1963—1998年的单核形成与发展阶段和1998—2018年双核阶段。

②从空间上看,四川省自然保护区的分布较不均衡,其分布主要集中在成都平原向川西高原的过渡区域,即阿坝州的东部和南部地区。从基尼系数计算结果可知：其历年数值均大于0.5,说明四川省自然保护区的空间分布在很长时间内呈现出较不均衡的特征。从四川省自然保护区分布重心看,50多年来其重心由阿坝州黑水县南移至阿坝州汶川县,重心活动区域相对稳定。从标准差椭圆的计算结果看,长短半轴和面积均变化强烈,总体呈现出大幅度的增长,空间分布由南-北向演变为东北-西南向。这说明四川省自然保护区设立的区域不断增加,范围在不断扩大,由最初的阿坝州、绵阳市等地区扩散至全省各市。这种空间分布不均衡在一定程度上反映出四川省生态保护的空间重点在阿坝州的东部和南部地区。这是否意味着在川西北、川东北和川南部分地区的生态功能建设尚需要进一步加强？

③从影响因素看,四川省自然保护区的空间分布受到自然因素和社会因素的双重影响。其中,自然保护区的设立与发展主要受到自然因素的影响,包括水系河流、植被区划、地势高程、土壤类型。这种影响应该是由自然保护区的性质和特点决定的。社会因素中的城镇化率对自然保护区空间分布有一定的抑制作用,其原因是城镇化与自然保护区追求的目标具有较大的相向性；自然科学领域投入资金率对自然保护区的发展有一定的促进作用,其原因是自然保护区的发展建设需要经费投入,自然保护区多的地方相应的自然科学领域投入资金率会增高。但是,自然科学领域投入资金率较高的地区未必自然保护区分布较多。

通过以上研究发现,四川省自然保护区50多年的发展取得了巨大的成就,其发展经历了濒危动植物保护,生物多样性保护,生态功能全面建设等几个阶段。这在一定程度上反映了我国生态文明建设理论和实践的不断完善。但由于存在保护与发展的矛盾,四川省的自然保护区建设仍然存在“点”上的保护问题和“面”上的布局问题。因此,本文对未来四川省自然保护区和生态功能建设提出如下建议：

(1)基于四川省自然保护区集聚程度不断减弱和空间分布仍不均衡的状况,从国家公园、自然保护区和自然公园的特点出发,优化四川省自然保护地体系布局。在四川省主体功能区划的框架下,分析全省的国家公园、自然保护区和自然公园的分布状况及相互转化条件,优化其空间布局,最大限度地发挥自然保护地的生态功能。如可在自然保护区分布较少的川西北、川东北和川南部分地区设立更多的自然公园,以加强其生态功能建设。

(2)在四川省生态文明建设初有成效的前提下,开展对自然保护区发展模式的探讨。在不断加大生态补偿力度的同时,尝试在自然保护区的实验区乃至外围区域实施乡村旅游、生态旅游发展模式。在加强生态文明建设的同时,实现自然保护区对周边区域发展的带动作用,促进乡村振兴,促进民族地区振兴,实现生态、经济和社会效益的统一。

此外,本研究尚存在一定的不足,如自然因素和社会因素对自然保护区分布的影响研究缺乏深层探究,以每5年为时间单元可能会损失了部分自然保护区变化剧烈的年限,降低对自然保护区时空分布研究的准确度。