人類活動對中國國家級自然保護區生態系統的影響

曹 巍,黃 麟,*,肖 桐,吳 丹

1 中國科學院地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬重點實驗室, 北京 100101 2 環境保護部衛星環境應用中心, 北京 100094 3環境保護部南京環境科學研究所, 南京 210042

自然保護地是保護物種及其生境的一種重要途徑[1-2],是實現生物多樣性保護目標的一個有效指標[3-4],是最有效可行的一種就地保護手段[5]。可持續發展的保護地體系對未來人類福祉起到至關重要的作用。目前,全球建立了自然保護地20多萬個,約占地球表面積的15.4%[6]。生物多樣性公約要求到2020年通過有效和公平地管理、生態代表和連接良好的保護區體系及有效措施保護全球17%的陸地和10%的海洋[7]。隨著保護區面積的不斷增加,對保護區的研究變得越來越重要[8]。然而,盡管保護地體系建設取得了相當大的進展,但生物多樣性持續下降,故而保護地覆蓋面積增加和生物多樣性負向發展趨勢之間的差異,使得如何提高保護地有效性再次成為焦點[9]。對于保護地的有效性歷來存在爭議[10-12],有研究通過對比相關指標在保護區內、外的差異以評價保護區的有效性[13-15],特別是亞馬遜和剛果等生物多樣性豐富的熱帶雨林地區[16-17],這類指標比如森林減少速率或森林砍伐減少量[1,18]等等。

氣候變化和人類活動是影響生物多樣性和生態系統服務的重要因素[19-22]。未來氣候變化將改變重要物種在緯度和高度上的分布范圍[23-24],減小保護區的有效范圍[25],增加物種滅絕風險[26-27]。因此,保護區及其有效性受到氣候變化和人類活動的雙重威脅,然而,威脅的程度是未知的。城市化、森林砍伐、道路建設等減少了保護區的有效規模,導致原生棲息地破碎化和生物多樣性下降,嚴重影響保護區的保護有效性[28-29]。反過來,保護區還對周邊區域產生其他影響,比如維持傳統生計、保持水熱平衡、調節局地氣候、防止森林火災等[16]。研究發現保護區外鄰近地帶成為人類活動的熱點區域,即保護區被孤立從而產生溢出效應[16,29]。針對保護區溢出效應,巴西亞馬遜地區在生物多樣性熱點區域周邊留出大量的森林作為“綠色壁壘”[30-31]。

我國目前已建立自然保護區2740多個,總面積約占陸地國土面積的14.8%,保護了我國超過90%的陸地自然生態系統類型,約89%的國家重點保護野生動植物種類,以及大多數重要自然遺跡。自然保護區的數量、發展速度、面積均已經達到國際前列,高于世界平均水平。然而,對于我國建立的可能是一些“紙上公園”的質疑也越來越多[11-12]。采石、工礦建設、能源資源開發、違法無序旅游開發以及其他人工設施建設等已對自然保護區的生態環境造成影響,氣候變化背景下,影響保護地功能發揮的驅動因素聚焦到人類活動。已有保護區研究多集中在單個保護區物種監測、生物多樣性狀況、棲息地變化及對周圍區域經濟社會的影響等[32- 34],無法了解我國自然保護區網絡的宏觀狀況。范澤孟等[35]、祝萍等[36]、Xu等[4]在大時空尺度開展了我國典型自然保護區土地利用變化、生境狀況變化的監測,然而缺少人類活動對自然保護區影響的量化分析。

因此,開展分析人類活動對自然保護區生態系統影響的量化分析,快速、科學評估存在問題,對于自然保護區監管、自然保護區布局及保護重點調整,并有針對性地制定相關政策措施,具有極其重要的作用。因此,本文以國家級自然保護區作為研究對象,基于遙感信息提取、模型與方程估算、時間空間分析等方法獲取生態系統質量和關鍵服務的時空數據集,分析不同類型自然保護區與自然保護區不同區域生態系統近15年的時空變化特征,利用土地覆蓋變化量化人類活動并進一步分析人類正面與負面活動對生態系統質量和關鍵服務的影響。本文擬解決以下兩個主要問題：1)2000—2015年國家級自然保護區生態系統質量與服務如何變化？2)人類活動作為主要影響因素,如何從正面和負面影響國家級自然保護區的生態系統？

1 數據與方法

1.1 研究區概況

我國的國家級自然保護區446個(截至2015年),占全國自然保護區總面積的65.9%。國家級自然保護區劃分為3大類別、9個類型[37],其中,自然生態系統類291個(包括森林生態系統類型205個、草原與草甸生態系統類型4個、荒漠生態系統類型13個、內陸濕地和水域系統類型52個、海洋和海岸生態系統類型17個)、野生生物類135個(包括野生動物類型116個、野生植物類型19個)、自然遺跡類20個(包括地質遺跡類型13個、古生物遺跡類型7個)。本文以446個國家級自然保護區作為主要研究對象(圖1),每個自然保護區劃分為核心區、試驗區、緩沖區,同時設置自然保護區邊界外0—5 km緩沖帶、5—10 km緩沖帶、10—20 km緩沖帶。

圖1 國家級自然保護區空間分布Fig.1 The spatial distribution of national nature reserves

1.2 遙感信息提取

土地覆蓋及變化：研究區2000年和2015年土地覆蓋及變化數據來源于中國科學院土地利用/覆被變化數據庫的全國土地利用本底與動態成分數據及2000—2015年土地利用變化數據。該數據集以陸地衛星TM/ETM+遙感圖像為信息源,結合環境小衛星、中巴資源衛星等影像數據,經過影像配準、精校正和拉伸處理后,利用人工解譯方法獲得土地覆蓋類型及其變化[38]。土地覆蓋類型包括6個一級類型和25個二級類型。同時,利用全國10%縣數比例的野外調查資料開展質量檢查和精度驗證[39],土地覆蓋一級類型的綜合評價精度達94.3%,二級類型達91.2%[38]。本文將二級土地覆蓋類型進一步劃分為林地、草地、耕地、濕地、水庫與坑塘、城鎮和居民點、工礦建設用地、沙地及其他未利用地等類型,以開展人類活動的量化。

植被覆蓋度(Fractional vegetation coverage, FVC)：收集研究區2000—2015年MODIS歸一化植被指數(Normalized difference vegetation index, NDVI)數據,該數據空間分辨率1 km、時間分辨率16 d,經過格式轉換、重投影、拼接、重采樣和S—G濾波處理,采用最大合成法得到連續時間序列的半月NDVI數據。依據像元二分模型,一個像元的NDVI值由綠色植被部分與無植被覆蓋部分共同貢獻的信息組合而成,因此根據如下公式利用NDVI計算半月尺度的植被覆蓋度：

(1)

式中,Fc為植被覆蓋度,NDVIveg是純植被像元的NDVI值,NDVIsoil是完全無植被覆蓋像元的NDVI值,依據1 km柵格百分比土地利用類型數據確定純植被和完全無植被覆蓋的像元。

植被凈初級生產力(Net primary production, NPP)：植被年NPP數據為美國蒙大拿大學發布的MOD17A3數據(https://ipdaac.usgs.gov),空間分辨率為1 km,時間分辨率為1 a。該產品基于MODIS/TERRA衛星遙感數據,通過參考BIOME-BGC模型模擬植被生理過程計算得到植被NPP數據。與美國國家航空航天局(National aeronautics and space administration, NASA)提供的年NPP數據相比,消除了云對植被葉面積指數和光合有效輻射值的影響,提高了數值精度。通過數據格式轉換、投影轉換、空間拼接與裁切、有效值提取得到研究區植被年NPP數據。

教育的中心是以人為本，這同樣適用于鄉鎮中心幼兒園的教育。但目前呈現的趨勢是鄉鎮中心幼兒園教師在教學過程中并不能全面做到以學生為本展開教育工作。究其原因在于鄉鎮中心幼兒園的教育工作開展的每一步都需要嚴格遵循上級部門的指示，這嚴重限制了教師的教學。一旦教師的教學存在與上級部門硬性規定相背離的情況，就會馬上被相應的行政手段所干預，教師的教育熱情就在這過程中逐漸被削弱。同時鄉鎮中心幼兒園缺乏對教師客觀、公平、統一的考量標準，使優秀的教師不被鼓勵和認可，嚴重打擊了教師的工作積極性。

1.3 模型與方程估算

生態系統水源涵養：通過對比幾種水源涵養量估算方法在量級與變化趨勢上的差異,本文采用降水貯存量法[40]并改進了各項參數,估算研究區森林、草地和濕地生態系統水源涵養量,表示為：

Q=M×J×R0

(2)

J=J0×K0

(3)

式中,Q為與裸地相比較,森林、草地和濕地生態系統涵養水分的增加量(m3)；M為生態系統面積(hm2)；J為產流降水量(mm)；J0為年均降水量(mm)；K0為產流降水量占降水總量的比例；R0為與裸地相比較,生態系統減少徑流的效益系數。通過搜集已發表文獻的實測降雨產流臨界值,以臨近國家氣象臺站實測日降水數據修正同時期的TRMM逐日3 h降水量數據,累積單次降雨量大于降雨產流臨界值的數值得到單點產流降雨量占降雨總量的比例,再與多年平均河川徑流系數建立線性關系,得到區域產流降雨量占降雨總量比例(K值)的空間分布。

生態系統土壤保持：采用修正通用土壤流失方程(Revised universal soil loss equation, RUSLE)估算研究區土壤水蝕模數(A)。土壤保持量為生態系統在極度退化狀況下的土壤流失量與現實狀況下土壤流失量的差值。

A=R×K×L×S×C×P

(4)

K=[2.1×10-4(12-OM)M1.14+3.25(St-2)+2.5(P-3)]/100×0.1317

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中,R是降雨侵蝕力因子,K為土壤可蝕性因子,L是坡長因子,S是坡度因子,C是覆蓋和管理因子,P為水土保持措施因子。R采用基于日降雨量資料的半月降雨侵蝕力模型[41]來估算。K采用Nomo圖法計算,其中,OM為土壤有機質含量百分比(%),M為土壤顆粒級配參數,即(粉粒+極細砂)與粘粒百分比之積,St為土壤結構系數,P為滲透等級,這些土壤屬性數據來源于1∶100萬中國土壤數據庫。L和S的估算基于McCool等[42]和劉寶元等[43-44]的方法,其中,λ為坡長(m),計算L時把生態系統類型邊界、道路、河流、溝塘湖泊等地表要素作為徑流的阻隔因素,改進了傳統算法中通過相鄰柵格間的坡向以及坡度變化率確定坡長終止點的方法,避免了坡長因子的高估。C根據蔡崇法[45]的方法計算確定。

1.4 時空趨勢分析

人類活動時空變化特征分析：根據國家級自然保護區近年監測,我國自然保護區內存在不同程度的人類活動,有的明顯甚至劇烈,主要人類活動表現為農田開墾、居民點修建、采石、工礦建設、能源資源開發、違法無序旅游開發以及其他人工設施建設等。這些人類活動導致土地覆蓋發生變化,因此本文利用土地覆蓋變化分析研究區近15年人類活動時空變化特征。產生負面影響的人類活動表示為耕地、水庫與坑塘、城鎮和居民點、工礦建設用地的增加,而產生正面影響的則表示為林地、草地、濕地的增加。

生態系統質量與服務指標：利用植被覆蓋度和凈初級生產力評價研究區生態系統質量狀況,以水源涵養、土壤保持作為主要的生態系統服務指標。同時,采用最小二乘法分析植被覆蓋度的年際變化趨勢,計算公式為：

(10)

式中,i為2000年到2015年的年序號,某柵格像元的趨勢線是這個像點的值用一元線性回歸模擬出來的一個總的變化趨勢,slo即這條趨勢線的斜率,斜率為正,說明此像元在該時間段的變化趨勢是增加,反之則是減少。

2 結果與分析

2.1 國家級自然保護區人類活動時空變化特征分析

林地、草地、濕地面積類型轉換可以反映出氣候變化背景下人類活動的正面影響。2000—2015年,國家級自然保護區范圍內(表1),林地面積凈減少145.8 km2,其中,新增林地面積392.7 km2,主要來源于退耕還林和未利用地造林,分布在哈納斯、黃河首曲、大別山、雪寶山、習水中亞熱帶常綠闊葉林等自然保護區,林地減少538.5 km2,主要分布在太白山、榮成大天鵝、車八嶺、輝河、塔里木胡楊等自然保護區；草地凈減少1531.5 km2,其中新增草地面積1048.3 km2,主要分布在烏蘭壩、哈納斯、會澤黑頸鶴、敦煌陽光、黃連山、錫林郭勒草原、烏蘭特梭梭林等自然保護區,草地減少2579.9 km2,主要分布在秦園、青海湖、阿爾金山、黃河首曲、鹽池灣、沙坡頭等自然保護區；濕地凈增加280.99 km2,其中新增濕地面積1614.8 km2,主要分布在青海湖、寬闊水、阿魯科爾沁、安徽清涼峰、九宮山、青龍河、贛江源等自然保護區,濕地減少1333.8 km2,主要分布在內伶仃島—福田、湛江紅樹林、壺瓶山、鹽池灣、三江源等自然保護區(圖2)。

耕地、水庫/坑塘、城鎮/居民點、工礦建設用地的面積增加反映了人類活動對保護區的負面影響。耕地面積凈增加了894.8 km2,其中,新增耕地面積1319.4 km2,主要來源于草地和濕地開墾,分布在黃河首曲、鹽池灣、習水中亞熱帶常綠闊葉林、榮成大天鵝、太白山等自然保護區,耕地減少424.5 km2,主要分布在哈納斯、丹霞山、南岳衡山、內蒙古賀蘭山、波羅湖、白音敖包等自然保護區；水庫/坑塘面積凈增加了290.4 km2,其中,新增水庫/坑塘368.0 km2,主要來源于濕地開發,分布在鹽池灣、黑茶山、丹霞山、董寨、秦園、松花江三湖、大明山等自然保護區,水庫/坑塘減少77.7 km2,主要分布在八岔島、古牛峰、塔里木胡楊、麻陽河、太子山、天寶巖等自然保護區；城鎮/居民點、工礦建設用地分別凈增加了51.3 km2和169.1km2,其中,新增城鎮/居民點主要分布在內蒙古賀蘭山、南岳衡山、秦園、東寨港、安南壩野駱駝、古牛峰、會澤黑頸鶴、花萼山等自然保護區,新增工礦建設用地主要分布在波羅湖、寧夏羅山、內蒙古賀蘭山、習水中亞熱帶常綠闊葉林、黃河首曲、東寨港、五峰后河等自然保護區(圖2)。

表1 國家級自然保護區土地覆蓋轉移矩陣/km2

圖2 國家級自然保護區人類活動變化空間分布Fig.2 The spatial variation of anthropogenic activities in thenational nature reserves

2.2 不同類型國家級自然保護區人類活動變化特征分析

圖3 不同類型國家級自然保護區人類活動量化統計Fig.3 The statistics of anthropogenic activities in thenational nature reserves

2.3 人類活動對國家級自然保護區生態系統質量的影響分析

2000—2015年,國家級自然保護區的各分區與保護區外的緩沖帶植被覆蓋度主要呈現上升趨勢,特別是20 km緩沖帶,少部分區域表現為植被覆蓋度下降(圖4,表2)。其中,草原與草甸生態系統類型、海洋和海岸生態系統類型、野生動物類型的保護區,其核心區植被覆蓋度上升趨勢高于其他分區；荒漠生態系統類型保護區的緩沖區上升最多,其他類型保護區內的植被覆蓋度趨勢則低于保護區外的緩沖帶。由此說明,人類活動雖然影響土地覆蓋變化,但是對植被覆蓋度的影響不大。

圖4 2000—2015年國家級自然保護區植被覆蓋度與凈初級生產力變化空間分布Fig.4 The spatial distribution of fractional vegetation coverage and net primary production changes in the national nature reserves in 2000—2015

統計范圍Statistical zones核心區Core zone試驗區Experimental zone緩沖區Buffer zone5 km緩沖帶5 km buffer strip10 km緩沖帶10 km buffer strip20 km緩沖帶20 km buffer stripFVC/%NPPFVC/%NPPFVC/%NPPFVC/%NPPFVC/%NPPFVC/%NPP森林生態系統類型Forest ecosystem type0.09-0.54 0.05-0.99 0.05-0.92 0.08-0.83 0.10-0.76 0.12-0.55 草原與草甸生態系統類型Grassland and meadow ecosystem type0.652.26 0.511.73 0.521.94 0.592.07 0.561.99 0.501.88 荒漠生態系統類型Desert ecosystem type-0.01-0.05 0.010.04 0.060.06 0.030.04 0.040.05 0.050.06 內陸濕地和水域系統類型Inland wetlands and water system type0.10-0.12 0.10-0.07 0.04-0.11 0.10-0.10 0.10-0.11 0.12-0.10 海洋和海岸生態系統類型Marine and coastal ecosystem type0.39-0.71 0.22-0.28 0.34-0.42 0.27-0.02 0.290.04 0.320.04 野生動物類型Wild animal type0.060.11 0.060.04 0.020.07 0.050.16 0.050.19 0.060.27 野生植物類型Wild plant type0.04-0.09 0.06-0.48 0-0.22 0.09-0.38 0.12-0.46 0.13-0.57 地質遺跡類型Geological relics type0.12-1.63 0.14-1.71 0.19-0.75 0.21-0.83 0.26-0.70 0.27-0.67 古生物遺跡類型Paleontological vestiges type0.03-1.65 -0.03-2.88 -0.20-3.98 0.04-2.21 0.07-2.01 0.13-1.52 全部Total0.07-0.10 0.04-0.08 0.05-0.13 0.07-0.15 0.08-0.16 0.10-0.12

FVC：植被覆蓋度 Fractional vegetation coverage,NPP：凈初級生產力 Net primary production

近15年,國家級自然保護區的植被凈初級生產力則主要表現為下降趨勢,特別是5—10 km緩沖帶(圖4,表2)。其中,內陸濕地與水域系統類型、海洋和海岸生態系統類型的核心區,森林生態系統類型和地質遺跡類型的試驗區,古生物遺跡類型的緩沖區,植被NPP下降趨勢最明顯。然而,草原與草甸生態系統類型、荒漠生態系統類型和野生動物類型等保護區的NPP則表現為增加趨勢。

2.4 人類活動對國家級自然保護區生態系統服務的影響分析

2000—2015年,國家級自然保護區核心區與保護區外緩沖帶的平均生態系統水源涵養量呈現微弱增加趨勢,而保護區試驗區和緩沖區呈現減少趨勢(表3)。其中,森林生態系統類型、野生植物類型保護區的生態系統水源涵養量皆增加,草原與草甸生態系統類型、野生動物類型、地質遺跡類型多表現為增加；荒漠生態系統類型、內陸濕地與水域系統類型保護區的生態系統水源涵養量皆減少,海洋和海岸生態系統類型、古生物遺跡類型多表現為減少。

近15年,國家級自然保護區各分區和保護區外緩沖帶的生態系統土壤保持量皆呈現較為明顯的增加趨勢(表3),特別是地質遺跡類型、森林生態系統類型、內陸濕地與水域系統類型保護區。古生物遺跡類型保護區則表現為下降趨勢。

圖5 2000—2015年國家級自然保護區生態系統水源涵養與土壤保持服務變化空間分布Fig.5 The spatial distribution of water conservation and soil conservation changes in the national nature reserves in 2000—2015

區域核心服務森林生態系統類型草原與草甸生態系統類型荒漠生態系統類型內陸濕地和水域系統類型海洋和海岸生態系統類型野生動物類型野生植物類型地質遺跡類型古生物遺跡類型全部核心區水源涵養0.03 0.04 -0.01 -0.02 0.11 0.02 0.0030.08 0.03 0.002土壤保持0.58 0.25 0.08 0.41 0.03 0.31 0.0010.24 -0.04 0.33 試驗區水源涵養0.02 0.09 -0.01 -0.02 0.18 -0.03 0.03 0.06 -0.13 -0.01 土壤保持0.50 0.32 0.05 0.36 0.06 0.04 -0.02 1.17 -0.52 0.14 緩沖區水源涵養0.02 -0.09 -0.02 -0.12 -0.86 0.02 0 -0.12 -0.08 -0.02 土壤保持0.44 0.29 -0.05 0.15 0.06 0.23 -0.07 1.18 -0.36 0.13 5 km緩沖帶水源涵養0.03 0.03 -0.01 -0.03 -0.60 0.01 0.0020.03 -0.07 0.004土壤保持0.54 0.33 0.02 0.33 0.15 0.32 0.11 0.70 -0.34 0.27 10 km緩沖帶水源涵養0.03 0.04 -0.01 -0.03 -0.40 0.01 0.0020.05 -0.07 0.002土壤保持0.57 0.40 0.02 0.32 0.13 0.42 0.20 0.90 -0.34 0.33 20 km緩沖帶水源涵養0.03 0.04 -0.01 -0.02 -0.16 0.02 -0.05 0.03 -0.08 0.01 土壤保持0.62 0.50 0.03 0.30 0.17 0.52 0.30 0.98 -0.34 0.39

3 討論與結論

本文分析了不同類型國家級自然保護區以及自然保護區不同區域2000—2015年生態系統質量和關鍵服務的時空變化特征,量化了人類活動并分析了這些人類活動對生態系統的正向和負向作用。得到主要結論如下：

(1)國家級自然保護區明顯的土地覆蓋變化表明存在不同程度的人類活動,總體表現為保護區外比保護區內劇烈,說明自然保護區對生態系統具有明顯保護作用。濕地面積凈增加281 km2,林地、草地面積凈減少145.8 km2和1531.5 km2,反映了濕地保護、退田還湖等措施的積極作用,然而退耕還林、退牧還草局限于部分保護區。農田開墾、居民點修建、工礦建設、能源資源開發等人類活動對保護區生態系統產生負面影響,草地和濕地開墾導致耕地面積凈增加894.8 km2,濕地開發從而新增水庫坑塘面積290.4 km2,侵占草地為主的城鎮居民點與工礦建設用地擴張達到51.3 km2和169.1 km2。

(2)森林生態系統類型國家級自然保護區內的土地覆蓋變化遠遠低于保護區外,退耕還林等具有正面作用而同時其工礦建設等也有所增強。草原與草甸生態系統類型核心區與緩沖區人類活動極少,然而實驗區和緩沖帶耕地面積增加、草地面積減少,說明草原與草甸生態系統有待加強保護力度。荒漠生態系統類型的草地、沙地及其他未利用地的面積大幅減少,而耕地、水庫坑塘、城鎮居民點和工礦建設用地的面積皆增加,說明人類活動對生態系統的負面作用較大。內陸濕地和水域系統類型的濕地、林地和草地面積皆減少,說明該類型保護區有待加強保護力度。海洋和海岸生態系統類型的圍海造地影響較大。野生動物類型的人類活動以農田開墾為主,需要遏制。野生植物類型、地質遺跡類型和古生物遺跡類型保護成效較好。

(3)國家級自然保護區的植被覆蓋度主要呈現上升趨勢,特別是草原與草甸生態系統類型、海洋和海岸生態系統類型、野生動物類型的保護區；植被NPP主要表現為下降趨勢,然而草原與草甸生態系統類型、荒漠生態系統類型和野生動物類型等保護區的NPP則表現為增加趨勢；保護區核心區與緩沖帶的平均生態系統水源涵養量呈現微弱增加趨勢,而試驗區和緩沖區呈現減少趨勢；生態系統土壤保持皆呈現較為明顯的增加趨勢。

(4)氣候變化是自然保護區植被覆蓋度微弱上升、凈初級生產力下降、生態系統水源涵養量微弱增加、土壤保持量明顯增加的主要原因,人類活動僅在局部對生態系統產生影響。

雖然我國自然保護區的數量與面積、發展速度均已經達到國際前列,但是現行管理體制以及相關法規制度的缺失,使得人類活動對保護區的干擾不斷,制約了保護區成效的發揮。因此,為了推動我國自然保護區體系的完善和保護作用的發揮,需要統一保護區體系及其標準,完善自然保護區相關的法律制度,積極開展保護區的基礎科學研究。