Coupling research on functional regionalization and ecological vulnerability in the Jinsiwan Forest Park

金丝湾森林公园位于福建省三明市梅列区陈大镇林业采育场内，面积达151.7 km²，位于26°18′~26°21′N，117°31′~117°37′E，地处福建省中西北部，毗邻瑞云山风景区，是省级森林公园，属于福建省重点生态区位，现有天一山庄、天谷山庄、森林人家3个农庄，1个森林氧吧。金丝湾森林公园海拔为189~698 m，以低山和丘陵为主，属中亚热带季风气候，四季分明，雨水充沛；园内天然林层次分明，植被类型主要以常绿针叶林、常绿阔叶林以及针阔混交林为主，并纳入风景林林种；土壤表现为典型地带性分布规律，成土母质以花岗岩、流纹岩、火山岩为主，土壤类型主要是酸性岩红壤、黄壤、棕黄壤等；森林公园经营以提升生态功能为主，2015年获评省级生态文明教育基地。

基础数据包括福建省三明市梅列区2014年12月13日轨道号为054577939010_01，全色波段分辨率为0.3 m的Worldview-3遥感影像数据；金丝湾森林公园1:1万数字高程模型(DEM)数据、小班数据库和1:1万地形图等。

数据预处理：利用ERDAS 9.2将Worldview-3遥感影像与地形图进行配准，并提取金丝湾森林公园，再对研究区遥感影像进行目视解译，获取水体、道路信息；从DEM数据中提取坡度；所有数据使用统一的Beijing 1954坐标和Transverse Mercator投影，栅格大小为0.3 m × 0.3 m。

功能区划遵循可持续发展、整体性、相似性与差异性和发生学等原则^[9]。金丝湾森林公园位于重点生态区位，同时又是当地重要的水源汇水区，因而承担重要的涵养水源功能；位于福建省沿海区域，靠近内陆，常受台风气候影响，在全球气候变化的影响下，暴雨是影响研究区最大的气象灾害之一，尤其在春夏2季暴雨频发，强降雨持续时间长，容易引起水土流失，当地以红壤为主，需要部分森林发挥水土保持功效；由于森林公园包含风景林，可满足人们娱乐、休憩和观赏等需求，因而初步把研究区划分为水源涵养区、水土保持区和景观游憩功能区。根据《森林资源规划设计调查技术规定》^[10]对研究区功能区进行划分，对未区划的小班建立多功能评价体系^[11]，确定未划定小班的主导功能，实现森林公园功能区的区划。具体公式：$X_i^r = \sum\limits_i^n {X_{ij}^r{W_j}} $。其中：i代表小班编号，j代表森林功能评价指标编号；r代表森林主要功能编号，X_i^r表示小班的功能得分，X_ij表示小班功能评价指标得分。然后利用算式对各小班的评价得分进行标准化：Z_i^r=(X_i^r-X_i^r)/S_i^r。其中：Z_i^r表示标准化后的各小班功能得分，X_i^r表示各小班各项功能得分的平均值，S_i^r为各小班功能评价值的标准差。

指标选择是构成生态脆弱性评价指标体系的关键，生态脆弱性能否反映研究区的真实状况取决于指标体系的建立^[12]。自然因素是造成区域生态环境脆弱的内在因素，包括地形、土壤、植被、气候等多种因素。坡度是导致生态脆弱性的重要因子，坡度越大越容易导致水土流失；植被覆盖度是植被稀疏的体现，可间接反映植被的生长状态，而且其空间分异对区域的水土保持、水源涵养等具有保障作用，从而反映功能区的生态脆弱性。由于研究区域较小，气候因子对研究区的影响整体相似，土壤类型更是以红壤为主，类型单一，对生态脆弱性的影响没有明显差别。另外，人类活动不断地干预并作用于区域生态环境，合理的干预能促进区域生态环境的可持续发展，不合理的人类活动则会导致生态环境脆弱性的发生。森林公园作为游憩的场所，人为活动强度大，尤其是游览道路的周边表现尤为明显。因而，针对研究区的自然条件及人为干扰状况，选取坡度、植被覆盖度和人为干扰因子(距道路的平均距离100 m^[13])3个指标作为研究区生态脆弱性的评价指标(表 1)。

目前，确定指标权重的方法有许多，常见的有层次分析法、主成分分析法、熵值法、灰色关联法、指标值法、相对系数法等。其中使用最广泛的是层次分析法，它是一种定性分析与定量分析相结合的多准则决策方法，并将一个复杂的多目标决策问题的有关元素分解成目标、决策、准则、方案等层次，将各种复杂因素逐层分析^[15]，考虑到构建生态脆弱性评价及后期构建功能评价体系，本研究使用该法来确定各指标的权重。

采用综合评价法^[16]对金丝湾森林公园进行生态脆弱性评价，并将研究区生态脆弱性划分为5个等级：0≤I_EV≤0.2为Ⅰ级，0.2＜I_EV≤0.4为Ⅱ级，0.4＜I_EV≤0.6为Ⅲ级，0.6＜I_EV≤0.8为Ⅳ级，0.8＜I_EV≤1.0为Ⅴ级。为消除指标量纲不统一的问题，采用标准化数据^[17]。具体评价模型见式(1)。

式(1) 中：I_EV(eco-environment vulnerability index)为第i个评价因子的生态脆弱指数，其值为0~1；x_i为第i个因子指标，a_i为各评价因子的权重，用层次分析法求出。

耦合度是反映系统之间相互作用和相互影响的衡量尺度^[18]，其值为0~1，值越大，说明功能利用与生态脆弱性的关系越强，值越小，说明两者关系越弱，向无序混乱方向发展。因此，本研究用耦合度来定量描述金丝湾重点功能区和生态脆弱性之间耦合特征，从而评价金丝湾功能区划分的合理性。用f(x)和个g(y)分别表示功能利用^[19]与生态脆弱性的评价函数，则耦合度函数为

式(2) 中：c是耦合度；$f\left( x \right) = \sum\limits_{i = 1}^n {{a_i}{x_i}} ;g\left( y \right) = \sum\limits_{i = 1}^n {{b_i}{y_i}} $；a_i与b_j分别表示功能利用与生态脆弱性各指标的权重；x_i与y_i分别是功能和脆弱性的指标值。为辨别各阶段的耦合特征，依据耦合度划分为：0≤c≤0.49表示不耦合，0.50≤c≤0.59表示勉强耦合，0.60≤c≤0.69表示初级耦合，0.70≤c≤0.79表示中级耦合，0.80≤c≤1.00表示高级耦合。

根据《森林资源规划设计调查技术规定》的划分结果，最终确定研究区功能区类型为水源涵养区、水土保持区、水土保持和水源涵养重叠区、景观游憩区，但是通过与小班图层的叠加发现，还剩149个小班未得到合理划分。为实现研究区功能区划的完整性，根据1.3节中的算式对未区划小班进行划分，其中景观游憩区参考张瑞^[20]的研究不再划分，只对水土保持区和水源涵养区进行划分(表 2)。最终整体区划的结果如图 1。由图 1可知：金丝湾森林公园主要划分为水源涵养功能区、水土保持功能区、水土保持和水源涵养重叠功能区、景观游憩功能区。整体呈块状分布的特点，水土保持功能区主要分布在研究区中部，水源涵养功能区主要分布在研究区四周，部分分布在中部，水土保持和水源涵养重叠功能区主要分布在水土保持区和水源涵养区的交界处，景观游憩功能区主要分布在研究区东北、西南和西北处。其中，水土保持功能区主要发挥防止水土流失、维持土壤养分等功能，其面积最大，有844.91 hm²，占总面积的47.63%；水源涵养功能区主要发挥涵养水源、河流补给和水量调节等功能，面积为631.01 hm²，占总面积的35.57%；水土保持和水源涵养重叠功能区既能发挥水土保持功能，又能发挥水源涵养功能，面积为212.00 hm²，占总面积的12.20%；景观游憩功能区主要供人们休闲娱乐，进行科学、文化活动等，其面积仅42.84 hm²，占总面积的2.41%。

Figure 1.  istribution function zone in the study area

从研究区生态脆弱性等级分布来看(图 2)，研究区生态脆弱性的空间格局主要呈中心偏低，四周偏高的分布特征，Ⅴ级生态脆弱区主要分布在研究区东部和西部，Ⅳ级生态脆弱区主要分布在研究区东南部，这些区域主要分布在居民区旁边，受人为干扰比较严重；研究区中心和北部零星分布着Ⅰ级生态脆弱区，主要是由于植被盖度高，人为干扰比较少，最终导致生态脆弱性程度低。由表 3可知：研究区生态脆弱性在Ⅰ和Ⅴ级生态脆弱区面积分别为34.43 hm²和6.41 hm²，仅占总面积1.98%和0.37%，在Ⅱ级和Ⅲ级生态脆弱区，面积分别为750.44 hm²和771.11 hm²，占研究区总面积比例分别为43.18%和44.37%。该区域植被以阔叶树和针叶树为主，植被盖度高，但是坡度相对较陡，不易水土保持，生态脆弱等级相对较高；在Ⅳ级生态脆弱区，面积和比例分别为175.51 hm²和10.10%，说明研究区生态脆弱性有向Ⅳ级发展的趋势，但整体生态脆弱性趋于良好。

Figure 2.  Spatial distribution of ecological vulnerability levels in the study area

通过研究区功能区空间分布与生态脆弱性空间分布的叠加统计分析，提取了不同功能区的生态脆弱性特征(表 4)及在生态环境脆弱等级条件下分布特征(图 3)。4个功能区生态脆弱指数值为0.41~0.60，属于Ⅲ级和Ⅳ级，没有出现Ⅴ级生态脆弱性高的功能区，但个别功能区在Ⅴ级脆弱略有分布。景观游憩区生态脆弱性分布特征与其他3个功能区有明显区别，有50.61%的区域为Ⅳ级生态脆弱区，28.71%的区域为Ⅲ级生态脆弱区，有5.98%的区域为Ⅴ级生态脆弱区，主要由于景观游憩区生物多样性较低，靠近道路，人为干扰较为强烈，受旅游影响较大。水土保持区、水土保持和水源涵养重叠区、水源涵养区3个功能区均属于Ⅲ级生态脆弱区，前两者在各级生态脆弱区分布特征基本一致，分别有42.15%和43.12%的区域属于Ⅱ级生态脆弱区，有46.50%和48.60%为Ⅲ级生态脆弱区，无Ⅴ级生态脆弱区。水土保持区、水土保持和水源涵养重叠区植被覆盖度高，其中水土保持区域本身存在水土流失现象，坡度较大，水土保持和水源涵养重叠区虽靠近道路，但不仅具备水土保持的功能，还有水源涵养的性质，因而两者脆弱性分布特征相似。水源涵养功能区有46.70%的区域为Ⅱ级生态脆弱区，40.96%的区域为Ⅲ级生态脆弱区，由于景观游憩区多数位于水源涵养功能区旁，使得水源涵养区受到一定程度人为干扰影响，但因其本身为汇水区，植被覆盖度相对较高，坡度较缓，保证了涵养水源功能，生态脆弱性等级相对其他功能区略低。

Figure 3.  Spatial distribution characteristics of ecological vulnerability of different functional zones

通过研究区生态脆弱性空间分布和功能区分布的叠加统计分析，提取了不同生态环境脆弱性条件下生态功能类型面积和比例(表 5)。在Ⅰ级生态脆弱区主要是水源涵养功能区，面积和比例分别为21.9 hm²和63.61%，该区域植被覆盖度高，地形平缓；Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ级生态脆弱区以水土保持区和水源涵养功能区为主，面积分别为345.55，386.21，82.06 hm²和307.91，269.68，56.97 hm²，比例分别为46.05%，50.08%，46.75%和41.03%，34.97%，32.45%；Ⅴ级生态脆弱区主要以景观游憩功能和水源涵养功能区为主，面积分别为2.56和2.85 hm²，比例分别为38.15%和42.47%，景观游憩功能区是以水域为主，水源涵养功能区是水库和湖泊周围山地自然地形的第1层山脊以内的森林，或周围平地250 m以内的森林和林地，受到人为干扰影响比较大。

Ⅰ级生态脆弱性和4个功能区的耦合度均小于0.40(图 4)；水土保持功能区、水土保持与水源涵养重叠功能区和水源涵养功能区三者与生态脆弱性的耦合度趋势一致，与Ⅱ和Ⅲ级生态脆弱性均属于高级耦合，相对景观游憩功能的发挥，生态环境处于良好状态，表明这3个功能的充分发挥有利于改善生态环境，降低生态脆弱性等级，由于3个功能区在Ⅳ级分布较少，但与Ⅳ级生态脆弱性属于高级耦合关系，说明少量的功能区没有充分发挥作用；景观游憩区与Ⅱ级生态脆弱性处于中级耦合，与Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ级生态脆弱性属于高级耦合，说明景观游憩功能的利用使所在区域的生态环境遭到了破坏，与生态环境现状相吻合。研究区整体耦合程度属于高级水平，表明功能利用与生态脆弱性之间关系紧密，相互作用程度较高，功能区的合理利用有助于减缓生态脆弱性。功能合理划分、充分利用是更好地优化土地利用类型的体现，是降低生态脆弱性的关键。

Figure 4.  Coupling characteristics of ecological vulnerability and functional utilization

为实现森林公园可持续发展，提高不同脆弱性功能分区的生态环境，应着重从以下几个方面进行生态调控：针对生态脆弱性呈Ⅳ级的景观游憩功能区，应以风景休闲为主，提倡以大自然为依托，强调旅游对象的自然性和生态性，发展与生态环境治理密切相关的生态林业旅游，并制定有关森林公园自然资源和生态环境保护细则，加强生态环境知识的普及和宣传工作，增强游客的生态环境保护意识，禁止一切可能破坏景物和自然环境的行为；其余功能分区，包括水土保持和水源涵养功能区，以及两者的重叠区域，生态脆弱性均以Ⅲ级为主，这与前期森林采伐、抚育失调、坡地开荒等有关，应大力栽植根系发达、具有涵养水源功能的树种，采取抚育更新等人工促进生态恢复；有直接汇水作用的林地和重要的水域应为禁止采伐区域，并蓄水保水。不同生态脆弱性功能分区的生态建设应因地制宜进行生态调控与建设。

金丝湾森林公园不仅是生态公益林，而且是福建省三明市重点生态区位，针对生态公益林的多功能需求，进行适应重点生态区位的多功能区划，是促进森林资源有效功能利用的重要基础。本研究以生态公益林本身存在的水土保持和水源涵养功能为主体，结合森林公园具有的游憩价值，探讨了研究区的功能区划，并最终将研究区划分为水源涵养功能区、水土保持功能区、水土保持和水源涵养重叠功能区、景观游憩功能区，其中水源涵养功能区和水土保持功能区的比例较大，景观游憩功能区比例较小，这与金丝湾森林公园的经营类型及自然条件有关。依据相关规定进行区划，存在水土保持和水源涵养重叠区，部分区域采用小班划分，功能区的区划过程有效地避免了功能区重叠和遗漏的不足等问题，实现了研究区对功能区的有效划分，更客观地反映了区域的相似性和差异性。

景观游憩功能区与其他3个功能区生态脆弱性有明显区别，主要属于Ⅴ级生态脆弱区，水源涵养功能区、水土保持功能区、水土保持和水源涵养重叠功能区主要分布在Ⅱ和Ⅲ级生态脆弱区。从研究结果来看，整体准确合理地反映了研究区生态脆弱性特征。因此，研究探讨不同功能区生态脆弱性空间分布特征，揭示森林公园的区位环境内在要素与联系，对发挥水源涵养功能、水土保持功能、水土保持和水源涵养重叠功能、景观游憩功能具有重要的推进作用。通过耦合分析显示，功能利用对生态环境的影响突出，研究区整体主要处于Ⅱ和Ⅲ级生态脆弱区，揭示了功能利用与生态环境之间相互作用和影响的复杂关系。影响生态脆弱性的因素很多，包括自然因素和人为因素。自然因素涉及地貌、水文，还涉及气候因素，特别是全球气候变化会直接导致森林生态系统结构与功能的变化^[21]，进而影响人类生存与发展；人为因素指人类活动干扰，其中人为干扰下的土地利用类型的变化是造成生态脆弱性问题的主要因素。金丝湾森林公园功能划分是否合理取决于今后森林公园各功能区在土地利用的基础上能否充分发挥作用。因此，今后应加强全球气候变化和土地利用功能分区对森林公园生态环境的机理研究，优化土地利用，充分发挥森林公园功能效应，为森林公园的可持续发展提供决策依据。