基于信息熵量化評價大熊貓國家公園生態系統管理成效

趙志國,欒曉峰,陳君幟,葉 菁,李婧昕,張 超,李苗苗,王賀崐元,楊 立,*

1 國家林業和草原局調查規劃設計院,北京 100714 2 北京林業大學自然保護區學院,北京 100083

生態系統是地球生物賴以生存的基礎,也是人類社會可持續發展的根基[1-2]。生態系統可認為是具有等級結構,且內部具有若干有序對層次結構的相互作用復合體。因此,生態系統雖然具有高度復雜性,但對其中關系、組成問題的探討,可以使用熵理論對系統內部組成與關系進行量化解釋[3-4]。在系統內部,正熵或負熵產生、輸入或輸出的過程伴隨著熵流的形成,熵流可以作為系統變化的度量,描述系統內部不同層次之間的相關關系和系統整體狀態[4-7]。生態系統內部各組分在空間上的耦合連接,也是生態系統物質循環和能量流動在時空尺度上的體現。本質上,生態系統內部特征與信息熵和熵流在系統科學上的相似性,為熵理論在生態系統管理的量化評價上的應用提供基礎[8-12]。近幾年來,基于熵理論量化、開展生態系統評價的研究逐步受到重視,但多局限在土地利用變化、棲息地評價和城市生態系統評價[3,9,13-20],在保護地管理方面鮮有涉及[21-22]。因此,量化生態系統管理績效能為揭示生態服務與自然資源管理、功能分區區劃、自然環境教育開展、生態系統服務功能提升提供理論支持。

保護地是我國生態環境保護的重要載體。經過60余年的發展,我國逐步形成以自然保護區、風景名勝區、地質公園、森林公園、世界自然遺產為代表的多樣化保護地體系[23-24]。2013年11月,《中共中央關于全面深化改革若干重大問題的決定》指出：“堅定不移實施主體功能區制度,建立國土空間開發保護制度,嚴格按照主體功能區定位推動發展,建立國家公園體制。”國家公園建設正式進入國家層面。以國家公園為代表的管理理念創新、管理體制創新,均在進行積極的探索,這是未來保護地一個重要的發展方向[25]。建立國家公園的核心目的是保護自然生態系統的原真性、完整性,因此保證國家公園區域的生態服務功能將是國家公園管理的重中之重。大熊貓國家公園作為首批國家公園試點之一,總面積27134 km2,涉及四川、陜西、甘肅3省,是目前所有國家公園中涉及省份最多、人口最多、保護地類型和數量最多的國家公園。其中,大熊貓國家公園四川省片區內有大熊貓1205只,占整個大熊貓國家公園野生大熊貓種群總數的74.66%,全國野生大熊貓種群數量的64.65%。四川省片區是大熊貓國家公園的重點管理區域。量化評價生態系統管理績效能為未來大熊貓國家公園管理結構優化、升級、政策引導提供理論支持。因此,根據系統科學、熵理論,我們將大熊貓國家公園四川省片區涉及的各個市縣作為子系統,提取生態系統管理評價關鍵因子,結合已有生態數據和經濟指標,評估該區域生態管理,將為權衡自然資源科學保護和合理利用的程度、優化管理目標設定、政策制定和相關工程項目立項提供理論支持。

1 研究方法

1.1 研究區域

大熊貓國家公園總面積27134 km2,涉及四川、陜西、甘肅3個省。其中大熊貓國家公園四川省片區面積20177 km2,占總面積的74.36%,四川省片區內部又分為岷山片區、邛崍山一大相嶺片區。涉及成都市(彭州市、都江堰市、崇州市、大邑縣)、德陽市(綿竹市、什邡市)、綿陽市(安州區、北川縣、平武縣)、廣元市(青川縣)、阿壩州(九寨溝縣(不包含九寨溝風景名勝區)、松潘縣(不包含黃龍風景名勝區)、茂縣、汶川縣)、眉山市(洪雅縣)、雅安市(寶興縣、蘆山縣、天全縣、滎經縣),共7市(州)19縣。

1.2 生態系統熵流與大熊貓國家公園

國家公園管理轄區可認為是一個不斷與外界交流的開放系統,整體處于受人類干擾下,由自然生態系統和社會經濟系統相互影響的復合體。其中自然生態系統為社會經濟活動和區域可持續發展提供必要的資源和生態環境服務,而社會經濟活動又決定區域內人類生存和發展的趨勢,影響對自然生態環境索取物質和能量的強度。同時基于政策引導、法規條例等手段的主動管理和制約,轄區內部各個縣區(或管理片區)可認為是區域生態系統下的子系統,各個子系統間在空間上通過物質、能量和信息相互關聯、制約,又與外界發生聯系,推動整體生態系統的變化發展。因此,該區域符合耗散結構特點,適合運用熵理論解釋變化過程[1,7]。若該區域生態系統得到有效管理,則區域內生態系統趨于穩定,各子系統間資源、能量和信息流通有序,旗艦種得到有效保護,整體系統穩定有序發展,逐步促進結構升級,此過程將抑制系統內熵過快增長；反之,不利因素將加大資源管理難度、旗艦種保育風險,導致系統向無序化發展,生態環境惡化。

根據熵理論,系統總是自發向著熵增大的方向演化,是系統內部不可逆因素產生的正熵,該熵增過程通常難以觀測和量化。因此,對開放復合系統的觀測中,前人研究將內部正熵流和通過系統與外界能量交換產生的正熵流合并[11,15,17],將生態系統熵流計算公式定義為：

dS=dSp+dSn

式中,dS為系統總熵流；dSp為系統與外界能量交換產生的負熵流之和；dSn為系統與外界能量交換及系統內部熵產生的正熵流之和。當dS>0時,表示生態系統正處于增熵環境,消極因素累積增多,生態系統正在朝著不健康的方向發展；當dS<0時,表示生態系統正處于減熵環境,積極因素累積增多,生態系統正在朝著健康的方向發展；當dS=0時,表示生態系統處于一種相對平衡狀態。

1.3 評價指標構建與數據搜集

在空間尺度上,重點考慮旗艦種—大熊貓的保育因子和生態管理,簡化過程,構建指標。由于轄區內各個市縣在生態環境特征和社會經濟結構上存在差異,適合運用統一指標評價生態系統服務,將各市縣作為各個子系統獨立對待。公園內部數據要求精度高、獲取困難,現有數據資料難以滿足。為保證評價結果對公園管理的現實意義,文中市縣數據主要為公園范圍內的數據,僅森林覆蓋率、大熊貓食物供給(即竹林面積)為全縣數據。

土地利用類型變化是影響生態系統服務功能最重要的因素[11,14,22,26]。不同土地利用類型不僅反映生態系統服務功能,而且與生態管理難度相關。本文以面積表示土地覆蓋屬性,面積大小與干擾強度或管理難度相關,如城鎮村及工礦用地面積、耕地面積、集體林面積；或以數量表示區域環境影響強度,如礦點數量。同時考慮人口和第三產業對環境的影響,如人口數量和年游客數量。另外,氣候環境、旗艦種需求和管理難度,并不直接與生態服務特性相關,但是氣候因子與生態系統穩定性相關,是維持生態系統穩定的重要保障；旗艦種的保護是降低區域生物多樣性下降風險,也是保障生物多樣性管理績效的重要因子(如棲息地)[27]；生態系統管理與生態保護領域投入力度、社區居民保護意識、管理單位保護績效相關,是人類直接或間接干涉生態環境來影響生態環境服務的因素(如保護區數量)。因此根據指標特征,我們具體考慮該指標產生的熵流的正負。本文構建指標體系相對全面,既考慮生態環境因素和社會經濟因素,又考慮管理因素,對國家公園未來評價與管理具有參考價值。由此,參考城市生態系統[9,11,19]、海洋生態系統[12,17]、保護有效性指標[21-22]研究成果,提取關鍵因子,建立評價指標。十六個指標中,提供正熵流和負熵流的指標均為八個(表1)。系統中正負熵流的和作為系統生態管理績效評價值。因此,本文以大熊貓國家公園生態系統為中心,提取生態系統評價、生態管理難度相關因子,評價區域生態管理難度。

森林覆蓋率、大熊貓種群密度、大熊貓棲息地面積、大熊貓潛在棲息地面積、保護區數量、大熊貓食物供給、礦業影響、水利工程影響均來自《四川的大熊貓——四川省第四次大熊貓調查報告》[28],數據時間為2014年；國有土地面積、集體土地面積、城鎮影響、道路面積、耕地面積來自相關市縣國土局提供的土地利用現狀圖。年降雨量、人口數量和農村居民人均收入來自各市縣2016年統計年鑒,數據資料主要來自萬方(http://www.wanfangdata.com.cn/index.html)、中國知網(http://www.cnki.net/)和讀秀數據庫(http://www.duxiu.com/)。

表1 生態系統管理評估體系指標Table 1 The indicators for quantitative evaluation of ecosystem management

續表

出于人類生存、發展需求的生態系統資源供應將產生正熵流,為消極指標,如城鎮村及工礦用地,人為影響強烈且對周邊生境造成不利影響;維持自然生態系統穩定的因子將產生負熵流,為積極指標,此處因子涉及旗艦種保護的基本環境因子和有利于國家公園生態管理的因素,如森林覆蓋率和大熊貓種群密度;系統調節因子,此類因子一般同時包括熵增和熵減過程,應根據實際情況,定義熵流的正負;“+”代表正熵流,“-”代表負熵流

1.4 信息熵、熵流計算

對于大熊貓公園管理轄區的生態系統,系統信息熵計算如下：

(1)構建n個區域(這里特指不同縣轄區)m個指標的初始矩陣An×m；

(2)各指標之間數量級存在差異,故使用極差標準法對初始矩陣進行歸一化處理：

式中,aij表示初始矩陣中第i縣第j個指標值；aj,max表示大熊貓國家公園管理轄區內第j個指標的最大值；aj,min表示大熊貓國家公園管理轄區內第j個指標的最小值。

(3)第j個指標信息熵(Sj)的計算方法為：

(4)利用熵權確定指標權重,計算公式如下：

式中,m為指標數,Sj為指標信息熵。

(5)系統熵流Ef的計算

根據指標的性質將不同來源的熵流歸為正、負兩類,將指標熵值乘以對應權重。在此基礎上,正熵流乘以1,負熵流乘以-1,所有正負熵流相加得到總熵流。

(6)指標熵流變異系數,計算公式如下：

1.5 數據處理

基于上文完整數據集,根據已建立的大熊貓國家公園生態管理評估體系,對19個縣的生態系統熵值和熵流進行分析。以上分析均基于Excel 2016、R3.4.2、OriginPro 2016進行。

2 結果

2.1 指標熵流

大熊貓國家公園生態管理評價體系各縣市指標的熵流計算結果表明(表2、3),在產生正熵的指標中,水利水電設施數量產生總熵流最大,變異系數最小。水利水電設施數量與當地農業、工業發展相關,也是對河流生態系統和周邊森林生態系統影響的重要指標。其次是人口數量和集體土地面積,具有較小變異系數。兩者共同反映城鎮發展規模、第一產業的現狀。整體來說,大熊貓國家公園正熵流產生主要來自糧食種植、林下栽植等第一產業。大熊貓國家公園負熵流產生,主要來自旗艦種保護和區域保護績效。大熊貓種群密度產生總熵流最大,變異系數較小。大熊貓種群密度反映當地生境質量、生物多樣性、保護績效等信息,也是大熊貓國家公園的管理重點。其次是保護區數量和森林覆蓋率,具有較小變異系數。兩者共同反映保護績效,是生態保護政策在實際管理中的體現。

另外,潛在棲息地面積、年游客接待量、城鎮村及工礦用地面積具有較大變異系數,在不同市縣間波動較大,可以采用針對性政策引導開展綜合管理。對生態管理影響最大的因子分別為大熊貓種群密度、保護區數量和森林覆蓋率,可見保證大熊貓國家公園野生熊貓種群、生態系統原真性,注重原有保護區管理模式轉變,能助于保持生態系統健康發展。

圖1 十六個市縣農民收入與生態系統管理的關系Fig.1 The relationship between rural residents′ income and entropy flow assessment for sixteen prefectures圖中點的數字：1.洪雅縣；2.汶川縣；3.茂縣；4.松潘縣；5.九寨溝縣；6.崇州市；7.大邑縣；8.彭州市；9.都江堰市；10.天全縣；11.寶興縣；12.蘆山縣；13.滎經縣；14.平武縣；15.安州區；16.北川市；17.綿竹市；18.什邡市；19.青川縣

2.2 不同市縣的熵流

同一地區不同指標熵流相加得到該地區生態系統熵流值(表2、4)。其中,總熵流值最高為寶興縣,影響最大指標為大熊貓食物供給(影響最大的負熵流指標為大熊貓食物供給,正熵流指標為耕地面積)；最低為九寨溝縣,影響最大指標為保護區數量(影響最大的負熵流指標為保護區數量,正熵流指標為道路面積)。此外,7個市(州)的總熵流值均為負,其中阿壩藏族羌族自治州對大熊貓國家公園總熵流影響最大,雅安市影響最小。

將19個市縣的總熵流相加,得到大熊貓國家公園總熵流為-0.8309,整體生態系統服務功能向良性發展。對整體總熵流影響最大的指標為大熊貓種群密度(4/19,在19個市縣中有5個為影響最大的指標)和保護區個數(4/19),其中在負熵流中影響最大的指標為保護區個數(5/19)和年降雨量(5/19),正熵流則為水利工程影響(4/19)。

2.3 區域生態系統管理與社會經濟的關系

由于大熊貓國家公園主要覆蓋市縣以山區農村人口居多,未來社區參與、生態補償等政策制定應當關注當地民生發展問題。由此,我們選取農村居民人均收入為參考因子,以全國農村居民人均收入(12363元,2016年)為基準進行參考,結果顯示(圖1)：在總熵流為正熵的區域中,僅有5個縣,其中大邑縣、綿竹縣農村居民收入高于全國平均,而寶興縣、茂縣和平武縣農村居民收入不及全國平均；在總熵流為負熵的區域中,八個縣農村居民收入較低,僅六個縣的生態管理成效較為理想。

3 討論

本文貼近國家公園建設熱點,嘗試采用熵理論對大熊貓國家公園的生態系統管理開展定量研究。由于當前對生態系統認識的局限性,尤其對保護地生態系統內部功能認識不足,生態系統內部子系統和各組分之間關系復雜,僅有少數指標能具有明確指向性,故本評價體系存在不足。相比前人研究,本研究采用客觀的量化手段評估空間尺度上生態系統管理績效的差異,降低主觀因素干擾,同時結合管理熱點和區域發展的主要矛盾,對大熊貓國家公園管理提供理論參考。

表2 生態系統管理評價體系中不同市縣各指標的熵流Table 2 Entropy flow for each indicator among different prefectures on assessment indicator system for ecosystem service function

表3 生態系統管理指標的熵流Table 3 Entropy flow from ecosystem management for each indicator

表4 不同市縣的生態系統管理熵流值Table 4 Entropy flow for ecosystem management on each prefectures

本文采用數據主要來自統計年鑒和第三方開源數據庫,結合現有大熊貓國家公園邊界對數據進行提取、篩選和校對,精度較高,但是計算結果仍難以進行空間展示,管理者無法直觀獲取空間上管理重點。未來可通過3S技術,以空間數據為客觀數據來源,結合社會經濟數據庫構建,空間區域的生態系統服務監測網絡,為提升保護績效提供有力支持。另外,生態系統是一個非平衡的動態系統,未來研究應當延長時間尺度,構建長時間尺度數據集,并基于時間序列等分析手段,揭示生態系統管理績效的時間變化區域,進一步形成大熊貓國家公園生態系統時空監測網絡,為我國未來國家公園科學管理提供有力支持。

根據本文結果,研究認為未來大熊貓國家公園管理應當著重以下幾點：

(1)不同區域管理應當根據區域特點差異化對待,如寶興縣未來重點關注竹林撫育和耕地管理,九寨溝縣則注重原有保護地的管理和加強道路周邊的環保措施。此外也有相同管理要求,例如注重原有保護區管理轉型,提高保護績效；關注森林撫育和水利水電措施監管,保證區域水循環的生態服務功能等等。

(2)區域生態系統管理應當與地方社會經濟建設和諧發展。對生態環境一般、經濟效益好的大邑縣、綿竹縣,傾向于加大生態保護投入力度,與國家公園生態保護理念不符的相關產業需關停或遷移；對于生態環境和經濟收入都偏低的寶興縣、茂縣和平武縣,則應當在保證生態保護力度不變的同時,重點考慮當地社區發展,鼓勵當地居民為公園內自然觀光、科研、教育、生態旅游等活動提供后勤保障類服務,提高社區居民收入水平。對于發展落后卻保護成效較好的市縣(圖1中總熵流為負熵的區域),可考慮通過政策傾斜,促進社區參與、社區共管、生態保護補償機制的建立,實現人與自然和諧發展。同時,可以考慮將處于第二象限的6個縣打造為管理示范區,作為大熊貓國家公園在試點期間的宣傳和示范窗口,對示范區域的管理經驗進行推廣,為未來有效管理提供基礎。

(3)后續研究可以將本研究方法進行簡化和推廣,不僅可以應用于大熊貓國家公園生態管理成效的績效評估,為后續生態管理方案提供理論指導,也可以嘗試在其他國家公園或者保護地開展評價。

4 結論

大熊貓國家公園生態系統總熵流值為-0.8309,系統整體健康。但不同區域間總熵流存在差異,寶興縣總熵流最高,達到0.0880；九寨溝縣最低,為-0.1826。不同指標間總熵流也存在較大差異,正熵流主要受第一產業影響；負熵流的產生主要來自旗艦種保護和區域保護績效。綜合野生大熊貓種群、農村居民收入與總熵流評價結果,我們認為試點期內大熊貓國家公園管理可以考慮選取示范點,提煉管理經驗；在生態管理熱點區域,如平武縣、寶興縣,優先推廣。同時針對不同區域考慮社區發展與生態保護的統籌兼顧。