一种陆地自然保护区孤岛效应的计算方法与流程

本发明涉及自然保护领域，特别是涉及陆地自然保护区孤岛效应的计算方法。应用于自然保护区保护与管理，为自然保护区孤岛效应的量化、自然保护区之间生物廊道建设、保护区群网规划设计提供可利用的工具。

背景技术：

建立自然保护区是保护濒危物种及其生境最有效的手段。近年来，受交通基础设施建设、矿产开发、河流水电水资源开发、土地利用变化等大规模人类活动的影响，自然保护区外围物种生境不断被蚕食，直接割裂了保护区内外物种生境的整体性和连通性，导致物种数量减少、死亡率增加及迁移率下降等一系列问题。人类活动导致自然保护区内外边界异常明显，自然保护区越来越被孤立，呈现出“孤岛效应”。自然保护区孤岛效应直接影响着物种的迁徙、扩散，关系着生物多样性保护成效。更重要的是，保护区孤岛效应决定了在保护区之间建立生物廊道的可能性及其耗费成本，是生物廊道、保护区群网规划设计的研究基础。

目前，我国还没有专门用于度量自然保护区孤岛效应的计算方法。自然保护相关领域应用较多的是景观指数法，用于定量化描述区域内生境斑块数量和位置上的有效性、连续性及完整性，识别重要连接度的区域和组分，如分裂指数、形状指数、斑块邻近度指数、连通性指数、聚合度指数等。当以自然保护区为研究对象时，景观指数多用于计算保护区内部生境斑块的结构组成和空间配置特征，往往不考虑自然保护区外部人为活动因素导致的自然保护区割裂程度，因此无法反映自然保护区“孤岛效应”，同时，由于景观指数也未考虑目标生物物种的扩散、迁移等生态学特性，计算结果往往不能够真实反映生态学意义，出现“失真”现象。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明在景观生态学理论基础上，充分结合了自然保护区目标物种生态学习性，提供了一种专门用于量化自然保护区孤岛效应的计算方法，能够客观、定量地反映陆地自然保护区孤岛效应大小。

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：

步骤1：获取自然保护区外围缓冲带面积和土地类型以及保护区内自然生境斑块面积数据。

步骤2：通过所述数据计算外围缓冲带自然生境面积占比和片段化程度；

步骤3：根据自然保护区目标物种的分布特征及其其生物习性以及外围缓冲带的自然生境类型，采用文献查阅结合专家咨询判断每种土地类型作为目标物种生境的适宜度，采用1-10进行赋值确定目标物种在该种土地类型中迁移单位距离的阻力值；

步骤4：根据迁移阻力值计算目标物种从自然保护区迁移到外围缓冲带生境的耗费成本。所述耗费成本是指目标物种从自然保护区迁移到外围缓冲带生境所经路径阻力值的加和。根据耗费成本计算最小累积成本，生成最小累积成本表面图；

步骤5：计算目标物种在迁移阈值内的生境面积占比，根据目标物种的所述最小累积成本，设定目标物种无法或很难通过的迁移阈值，统计在阈值范围内的生境面积；

步骤6：采用几何平均法,计算自然保护区孤岛效应指数isi。isi值介于0-1之间。isi为0时，表明自然保护区不存在孤岛化现象，isi为1时，表明自然保护区完全被外围人类活动孤立。isi越接近1，孤岛化程度越严重。

进一步地，所述自然保护区孤岛效应指数的计算公式如下，

其中isi为自然保护区孤岛效应指数，hp为外围缓冲带生境的面积占比，fi为外围缓冲带自然生境片段化指数，thp为阈值范围内的生境面积占比。

进一步地，自然保护区孤岛效应大小基于以下假设：①自然保护区外围缓冲带内未受人类活动干扰的自然生境越少，保护区越孤立；②外围缓冲带内自然生境的片段化程度越大，孤岛效应越明显；③目标物种在外围缓冲带内迁移阻力值越大，能够利用的生境越少，孤岛效应越严重。

进一步地，所述最小累积成本的计算方法即ac＝min(ac1，ac2，…aci…acn),其中ac为最小累积成本，aci为第i条路径的累积成本。其中，式中fj为第i条路径中目标物种通过第j种土地类型的单位距离(如1km)的阻力值，wj为目标物种通过第j种土地类型的距离。

具体地，计算所述迁移阈值，即tv＝λ·quartile(acn,3),其中acn为累积成本值数组，λ为专家判定的修订系数。

具体地，计算自然生境在外围缓冲带的面积占比，即其中hp为外围缓冲带自然生境面积占比，si为能作为自然生境第i种土地类型面积，a为自然保护区外围缓冲带的总面积。

进一步地，计算自然生境在外围缓冲带的面积占比，即其中hp为外围缓冲带自然生境面积占比，si为能作为自然生境第i种土地类型面积，a为自然保护区外围缓冲带的总面积。

进一步地，所述片段化公式为

其中fi为自然生境片段化指数，sj为第j个自然生境斑块面积，s为自然保护区外围缓冲带自然生境的总面积。

进一步地，计算阈值范围内生境面积占外围保护带总面积的百分比。即

thp＝sth/a，

其中thp为阈值范围内的生境面积占比，sth为阈值范围内生境面积，a为自然保护区外围缓冲带的总面积。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明实现了陆地自然保护区孤岛效应的定量化判断，通过计算孤岛效应指数，客观地、定量地反映自然保护区孤岛化程度。

(2)结合目标物种扩散、迁移等生物特性计算孤岛效应指数，计算结果更具生态学意义，能够真实反映自然保护区孤岛化程度。

(3)实现了同类型或具有相同主要保护对象的自然保护区孤岛效应的定量化排序，增强了自然保护区孤岛化程度的可比性。

附图说明

附图1为自然保护区外围缓冲带示意图；

附图2为示例自然保护区外围缓冲带土地类型分布图；

附图3为目标物种在示例自然保护区外围缓冲带迁移最小累积成本表面图；

附图4为最小累积成本计算示意图；

附图5为目标物种在示例自然保护区外围缓冲带迁移阈值内的生境分布图。

具体实施方式

以黑龙江仙洞山梅花鹿国家级自然保护区为示例，利用本发明提供的方法计算自然保护区孤岛效应大小，所述方法包括下列步骤：

以黑龙江仙洞山梅花鹿国家级自然保护区为示例，利用本发明提供的方法计算自然保护区孤岛效应大小，所述方法包括下列步骤：

步骤1：设置自然保护区外围缓冲带。如图1所示为黑龙江仙洞山梅花鹿国家级自然保护区位于黑龙江省齐齐哈尔拜泉县境内，总面积5076公顷，南北宽6公里，东西长10公里。以自然保护区东西长度10公里的2倍，即设置宽度为20公里的外围缓冲带，总面积为187627公顷,外围缓冲带土地类型划分。如图2所示，参照土地利用现状分类(gb/t21010-2017)，根据仙洞山梅花鹿自然保护区主要保护对象利用生境的特点，对保护区外围缓冲带土地类型进行适当细化，具体划分为：落叶阔叶林、针阔混交林、落叶针叶林、草地、草本湿地、坑塘、旱地、水田、居住地等7种类型。

步骤2：计算外围缓冲带自然生境面积占比。图2为自然保护区外围缓冲带土地类型分布图，外围缓冲带中未受人类活动干扰的土地类型有：落叶阔叶林、针阔混交林、落叶针叶林、草地、草本湿地、坑塘6种类型，可视为自然生境，总面积为18700公顷。自然生境面积占比为计算外围缓冲带自然生境的片段化程度。根据外围缓冲带自然生境分布状况，统计自然生境斑块74个，最小面积0.03公顷，最大面积2778.82公顷。根据生境片段化计算公式：

步骤3：确定目标物种迁移阻力值。仙洞山自然保护区主要保护对象为旗舰种梅花鹿。以梅花鹿作为目标物种，确定保护区外围缓冲带各土地类型相对迁移阻力。梅花鹿是一种典型的林缘动物，栖息地需要的是一种大片草丛、灌草丛以及部分森林等不同植被类型镶嵌分布和部分郁闭度较低的植被环境，采用1-10进行赋值，确定梅花鹿在落叶阔叶林、针阔混交林、针叶林、草地、草本湿地、坑塘、旱地、水田、居住地等9种类型迁移1公里相对阻力值分别为：1、2、3、0、0、2、8、9、10。

步骤4：计算目标物种迁移最小累积成本。附图3所示，利用地理信息系统软件arcmap中的costdistance空间分析工具，计算梅花鹿在保护区外围缓冲带迁移的最小累积成本，生成最小累积成本图，最小累积成本值介于0-156之间。附图4所示计算最小累积成本示意，括号中数字代表物种在该生境斑块中迁移阻力值，物种从生境a迁移至生境b，可选择三种路径：aabcb,agb,adefb,其中路径aabcb所需累积迁移成本为物种分别通过生境斑块a、b、c的阻力之和，即1+3+1＝5；路径agb所需累积迁移成本即为物种通过生境斑块g的阻力值，即6，路径adefb所需累积迁移成本为物种分别通过生境斑块d、e、f的阻力之和，即2+3+5＝10最小累积成本即为物种通过路径aabcb的成本，即ac＝min(acaabcb，acagb，acadefb)min(5,6,10)＝5。

步骤5：计算目标物种在迁移阈值内的生境面积占比。附图5所示，合保护区外围缓冲带梅花鹿的分布数据，结合专家咨询判断，按最小累积成本的计算公式λ·quartile(acn,3)＝93，设定阈值为93，此处λ取值1。统计阈值范围内各类生境的面积：落叶阔叶林7059公顷，落叶针叶林1762公顷，针阔混交林12公顷，草地379公顷，草本湿地7442公顷，坑塘水域846公顷。计算目标物种在迁移阈值内的生境面积占比thp＝sth/a＝17500/187627＝9.33％。

步骤6：计算自然保护区孤岛效应指数。根据孤岛效应指数表明仙洞山梅花鹿国家自然保护区孤岛现象已非常严重。

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。