41年羅山自然保護區人地關系的演進與孤立生境的形成

馬 超,王夏冰,劉 暢

1 河南理工大學測繪與國土信息工程學院, 焦作 454000 2 河南理工大學礦山空間信息國家測繪與地理信息局重點實驗室, 焦作 454000

近代寧夏回族自治區是中國有名的少林省區之一,解放初全區森林覆蓋率僅0.5%[1]。1980年森林普查落實,全區森林覆蓋率為2.20%[2]。僅有的天然林分布在六盤山、賀蘭山和羅山的高山之巔[3]。羅山自然保護區這一小片位于寧夏中部干旱地理帶核心區中自然孑遺的天然次生林區,面積只占寧夏回族自治區面積的5‰,卻擁有高等植物資源66科182屬294種7個變種,野生動物資源22目44科114種82個亞種[4- 5],野生動物中兩棲類、爬行類、鳥類和哺乳類分別占寧夏區各類野生動物總種數的28.57%、38.10%、48.81%和41.56%[6- 7]。這些動植物資源維持著干旱地理帶的生物多樣性,是干旱地理帶特有的“干旱耐受性”生物資源基因庫[8],也是北方干旱荒漠帶生態改善的種質資源。現代羅山生態在“吊莊移民”政策驅動下,受到紅寺堡移民區人口激增的猛烈沖擊[9],與“揚黃工程”一起維系著當地二十多萬人和數十萬羊畜的生活用水,成為維持當地區域自然生態系統平衡的唯一的穩定器和調節器[6]。但更重要的是,羅山的脆弱生境對全球變化具有放大作用,為我們提供了一個氣候變化的“指示器”,從保護區物種和植物群落的稀有和珍貴性,研究全球氣候變化角度而言,羅山生態學研究具有全國乃至全球示范意義,具有極高的生態學保護價值[10- 11]。

在大移民政策驅動下,生態政策讓位于民生政策,以往的研究多集中于搶救挖掘珍稀野生動植物資源[7,12- 16],羅山保護區動植物生境的窘迫性并沒有得到應有的關注。文獻調研發現：(1)現有的研究視域狹窄,多以核心區為主要研究目標,將研究區孤立化,主觀上把研究區與周圍生境割裂,往往會造成“只見樹木,不見森林”的片面認識。(2)現有的研究多是現狀描述、羅列堆積生態現狀,缺乏系統性和因果關系論證,客觀上接納了自然保護區建設“一圍了之,萬事大吉”的封閉式管理理念,只注意林地數量,不注重生態質量,更不關心生態格局變化。(3)現有的研究未能立足于生態文明的新高度,認同于將人的生存凌駕于自然之上,不利資源節約、生態友好型社會建設。本文以長時序遙感數據作為支撐,顧及全球變化及人文因素,研究羅山自然保護區生態結構、生態格局的變化,擬揭示其在獨特人文與嚴酷自然因素交互作用下的演替規律,對寧夏自治區及相鄰省份大量童山禿嶺的生態治理有啟示作用,也對國內外其他自然保護區的管理及生態狀況評價有示范意義。

1 研究區與研究數據

1.1 研究區

羅山自然保護區植被的旱化、鹽化和淵源于古地中海區系的孑遺特征已經被古氣候、古地理、古生物研究證明[12-13,17]。由于地理位置的特殊性和生態系統的脆弱性,1980年被確定為國家水源涵養林區,1982年7月1日建立省級羅山自然保護區,2002年升級為國家級自然保護區(編號：寧05)[18]。羅山國家級自然保護區位于同心縣境內,地理坐標為北緯37°11′—37°25′,東經106°04′—106°24′,保護區南北長36 km,東西寬18 km,海拔為1560—2624.5 m,保護區總面積337.10 km2(其中核心區96.45 km2,占總面積的28.61%,緩沖區87.87 km2,占總面積的26.07%,實驗區152.78 km2,占總面積的45.32%)。

羅山地區氣候干旱,年降水量151.4—485.4 mm,年蒸發量2325 mm,年均氣溫7.5℃,無霜期130—150天[4,12]；土壤類型自上而下為山地草甸土、山地棕壤土、山地灰褐土、山地灰鈣土、沼澤土、鹽堿土及白僵土呈零星分布[9]。其主要保護對象是以青海云杉、油松為代表的荒漠區域典型森林生態系統；干旱風沙區水源涵養林及其自然生態綜合體；森林、森林草原、干旱草原、荒漠草原、荒漠集中分布的典型自然景觀；以及珍稀動植物資源及區內的生物多樣性[4]。

1.2 研究數據

研究數據包括：1977—2017年美國陸地資源衛星(Landsat- 2, 3, 5, 7, 8,以下簡稱L2, L3, L5, L7和L8) 的MSS、TM、ETM+、OLI 15—30, 80 m遙感影像(http://www.usgs.gov)；2000—2017年MODIS NDVI數據(http://www.usgs.gov)；數字高程模型數據：90 m水平分辨率,1 m垂直分辨率航天飛機雷達地形測繪使命數字高程模型(SRTM3 DEM, v4.0: ftp://e0mss21u.ecs.nasa.gov/srtm/)；此外還有1999年1∶25 萬居民建設用地、行政區劃等基礎地理信息,1977—2012年的中國氣象科學數據庫中的全國的氣象資料(http://cdc.nmic.cn/home.do)。

結合研究區域的耕作時節、植物生長狀況、氣候、云層覆蓋等情況,從可獲取的數據列表中,篩選出植被長勢最好的夏秋時節的遙感影像,進行耕地、居民建設用地面積以及NDVI等信息提取(見表1)。

表1 研究采用數據及用途分類

*由于月份差異,該期NDVI計算采用了2007-08- 10數據；**MODIS NDVI數據為2000—2017年,均取自8月12或13日

2 研究方法

2.1 流域分析

圖1 羅山自然保護區流域范圍及其地勢 Fig.1 Watershed area and its topography of the Luoshan Nature Reserve

根據2017年遙感影像解譯的核心區(封禁區)面積336.7 km2,與公布的保護區面積大體相當(337.1 km2)。作為生態區域的整體性研究,僅以保護區核心區為目標是不夠的,將視野從封禁區域擴大到流域,探討斑塊間能流、物流的因果關系,是現代生態學的研究趨勢[19]。羅山保護區沖洪積扇是周圍三條河流(紅溝、洪溝和胡家河)的集水區之一,通過坡面漫流和滲透性潛流為這三條河流提供水源涵養。因此,研究采用DEM流域分析的方法,獲得了包含山前沖洪積扇的流域面積為1167 km2的研究區,區內海拔1250—2624.5 m,該方法確定的流域面積是原保護區核心區面積的3.46倍,高差增加了300 m(圖1)。

2.2 NDVI分類提取

受存檔數據的軌道周期及云量影響,成像時間完全相同的(同時相)數據難以獲得,本研究選擇了近似相等的時間間隔(2—3年)、植被長勢最好時段[20](即8—9月份)的多光譜數據。通過多波段影像合成、輻射定標、大氣校正、波段運算,獲得該區域時間跨度為41a(1977—2017年)的NDVI圖像15期(圖2)。

羅山自然保護區由森林、灌叢草原、干旱草原、荒漠草原、荒漠各種類型集中分布,構成了當地典型的生態景觀[21],研究對獲得的NDVI結果進行了5級密度分割,意圖從各級占比上獲得一些宏觀認識。如圖2,通過遙感影像與NDVI圖像交互采樣分析,森林、灌叢草原、干旱草原、荒漠草原、荒漠覆被類型其分別對應于NDVI的[0.8, 1.0],[0.6, 0.8),[0.4, 0.6),[0.2, 0.4),[0.0, 0.2)區間。

圖2 研究區時間序列NDVI密度分割結果Fig.2 Time series NDVI density segmentation mapping

2.3 人類活動要素提取

對1977—2017年Landsat MSS/TM/ETM+/OLI多光譜數據進行彩色合成、假彩色合成、增強和圖像融合,獲得15期中等分辨率(15—30 m, 80 m)影像。在GIS平臺下與流域范圍疊加,通過研判和人機交互式解譯,提取與人類活動高度相關的耕地邊界和依比例的“真形”居民建設用地邊界(圖3)。

圖3 研究區時間序列湖泊、耕地、草場和居民建設用地遙感解譯結果Fig.3 Time series thematic map of lake area, cultivated land, grassland and residential land

圖3反映出耕地退出、居民地整合的趨勢,在協調保護區的人地關系方面是有利的變化。即1977—1999年期間,居民點數量穩定但規模較小,可解譯的“真形”居民建設用地較少；與1999年居民建設用地(85處)數量相比,2000—2017年居民建設用地呈聚集趨勢,即數量減少但面積顯著增加,“吊莊移民”政策加速了城市化進程[22]。耕地面積1977—1999年期間增加,2001年之后(由于國家級保護區的設立)有減退趨勢,但其后十幾年隨紅寺堡移民政策的實施,耕地歸一化差值植被指數數值增大,對保護區核心區重新形成了合圍之勢。

3 結果與分析

3.1 人類活動典型要素的變化

耕地、居民建設用地是與人類活動密切相關的遙感圖像人文要素。為了收集41年以來人類活動增強的客觀證據,提取了羅山流域1977—2017年間的耕地、“真形”居民建設用地的數量與面積信息(表2)。

表2 顯示：41年來,耕地面積變動很大,少的時候僅占流域面積的6%(1977年),多的時候占到46%(1992年)。在1977—1999年間持續增長；2000年之后受“退耕還林,退牧還草”政策影響呈下降趨勢,近幾年趨于穩定,但至2017年仍占流域面積的21.0%。“真形”居民建設用地面積由1977年的21.50 km2增長到2017年的66.52 km2,41a居民建設用地面積擴大了3.09倍。

羅山流域耕地面積減小但宗地數增加的現象,反映了當地農業由“靠天吃飯”的粗放的生產方式向精耕細作的灌溉農業生產方式的轉變[23]；居民建設用地的數量減少但面積顯著增加,一定程度上反映了城鎮化的特點。

3.2 NDVI植被生物量的變化

遙感植被指數是最重要的生態環境變化的指示因子之一,與植被的生物總量(GPP)或植被凈第一性生產力(NPP)呈正相關[24-25]。鑒于當地的氣候特點,農作物及牧草收獲均在10月份,研究主要選取8—9月份的遙感數據用于NDVI提取,形成每隔1—3年提取一次的41a NDVI時間序列。

研究分類統計了各級NDVI的像素數,乘以分辨率獲得代表地類的面積(表3)。需要說明的是,耕地面積變化較大,平均占全流域29.0%,而且這一部分植被指數受耕作影響起伏較大,將干擾對羅山生態格局變化的判斷,因此在統計前剔除了每一期的耕地和居民建設用地的面積,只統計了不受人類活動直接影響的區域。

表2 遙感解譯的羅山流域1977—2017人文環境要素

表3 NDVI密度分割百分比統計/%

*該期數據可能受極端天氣影響

圖4 羅山流域生態結構變化趨勢圖Fig.4 Changes of ecological structure in Luoshan basin

圖4是依據表3的數據繪制的羅山流域41a平均NDVI百分比趨勢圖。可以看出,區域生態結構中NDVI低于0.2的荒漠區占比高達53%,介于0.2—0.4的荒漠草原占39%,干旱草原占6%,灌叢草原占2%,對于羅山的殘敗林區,NDVI能達到0.8—1.0的優質森林占比極低,不足1%。研究對照分析了相同年份MODIS NDVI(2001,2004,2006,2008,2010,2013,2015和2017年)8月上半月的結果,所反映的地表覆被變化與Landsat NDVI非常一致[26]。

3.3 氣候要素的變化

通過對研究區周邊中寧、同心2個站點41a(1977—2017年)的氣象信息取均值,獲得以大、小羅山為中心的年均氣溫和年均降水兩個氣候參數及趨勢(圖5)。

圖5 研究區氣溫和降水(1977—2017)變化趨勢Fig.5 The trend of temperature and precipitation in the study area (1977—2017)

(1)1977—2017年研究區年均氣溫總體呈現梯度上升趨勢(圖5)。

41a平均氣溫9.82℃。階段性統計結果表明,1977—1986年、1987—1996年、1997—2006年、2007—2017年的階段平均分別為8.91 ℃、9.52 ℃、10.27 ℃、10.57 ℃,氣溫增長顯著。1996年至今的22年氣溫持續增高,其中19年高于平均值。41a間最低氣溫出現在1984年(8.2 ℃),2017年達到年均氣溫最高值11.91 ℃。2017年7月7日—7月21日,寧夏中北部地區出現了有氣象記錄以來影響范圍最大、強度最強、持續時間最長的高溫天氣過程[27]。41a氣溫增加的傾向率為0.48 ℃/10a,氣溫同樣存在著10—12年的變化周期[28]。

(2)1977—2017年研究區年均降水總體呈現波動下降趨勢(圖5)。

降水波動幅度較大,41a平均降水231.8 mm。有4期較為明顯的相對低值,出現在1980年(132.7 mm)、1982年(105.2 mm)、1987年(156.3 mm)和2005年(98.9 mm)；有6期相對高值,分別是1978年(342.6 mm)、1985年(406.6 mm)、1990年(338.0 mm)、2007年(300.5 mm)、2014年(347.5 mm)和2017年(325.4 mm),連澇連旱年份增多。這與以往分析結果相吻合[29-30]。階段性統計結果表明,1977—1986年、1987—1996年、1997—2006年、2007—2017年的階段均值分別是246.9 mm、241.1 mm、210.8 mm、228.7 mm。41a降水下降速率為-7.1 mm/10a。

氣候的變化受多方面因素的影響,不是單純的線性變化過程,IPCC5將其中最主要的影響因素歸因于人類活動[31]。在現今全球變暖的總趨勢下,羅山保護區對氣候變化極為敏感,其溫度增加的傾向率超過了大空間尺度統計的升溫速率：如全球的升溫速率為0.12 ℃/10a(1951—2012年)[32],全國年均溫度上升速率為0.22 ℃/10a(1956—2006年)[33],陜甘寧地區年均氣溫傾向率為0.336 ℃/10a(1960—2010年)[34]。

4 討論與結論

4.1 討論

4.1.1超載的移民

1983年始,寧夏開啟了“吊莊移民(1983—2001年)”、“易地生態移民(2001—2007年)”、“縣內生態移民(2007—2011年)”等扶貧移民工程[35],三期工程完工后,預期中部干旱帶和南部山區近70萬人將遷入新址[36]。35年來,大規模的人口遷移為“遷出地”的生態、經濟、社會做出了重大貢獻,但大規模、短時期、集中安置也不可避免地對“遷入地”的生態環境產生巨大沖擊。

坐落于保護區北部沖洪積扇上的紅寺堡區,移民實施前的1996年2月,當地人口僅為0.67萬人[36]；1999年開發建設并接收移民；此后,據文獻記載,2002,2010,2013,2014,2015和2017年紅寺堡區人口數量分別為6.0[37]、15.9983[38]、17.939[39]、18.96[40]、21.7[41]和23.0萬人[42]。近20a(1998—2017年)人口增長了34.3倍。上述數據尚不包括保護區東側的同為移民“遷入地”的韋州鎮和紅城水鎮。

向干旱區超載移民最嚴重的后果就是水危機,羅山地表徑流為零,沖洪積扇松散層的潛水位下降迅速、水質變差[41,43-45],由于含水層的毛管作用,導致過渡區嚴重的干旱化,進而影響核心區的水土涵養,接入的鹽-環-定揚黃灌溉工程又導致了大面積的鹽堿發生[46-47],羅山生態安全評價一再亮起紅燈[48-49]。

4.1.2NDVI 反映的林線進退

為了反映羅山保護區林冠部分的時空變化趨勢,研究以大羅山林管站為原點(北緯37°18′17.25",東經106°16′54.88")設置了NDVI剖面(1987—2017年),根據剖面數據繪制了時序暈渲圖(圖6),可見W-E剖面林冠部分(328—487像素段)NDVI數值變化劇烈,1987—2001年剖面上基帶植被為荒漠草原；2001—2015年基帶植被為荒漠。荒漠(NDVI<0.2)面積進一步擴張,荒漠草原(0.2≤NDVI<0.4)面積階段性縮小(圖6中白色粗虛線),灌叢草原、干旱草原占比極小(圖6中白色細虛線),森林NDVI值在2000—2010年間持續低迷,2013—2015年局部雖有階段性向好,但沒有形成穩定的趨勢。

根據N-S剖面數據繪制的時序暈渲圖(圖6)顯示,1987—2001年剖面上基帶植被為荒漠草原；2001—2017年基帶植被為荒漠。紅寺堡方向耕地增加明顯,中間地帶荒漠化擴張顯著,荒漠草原的邊界后退了大約200像素(約6 km,圖6中白色粗虛線),林冠部分(613—1004像素段)NDVI同樣波動劇烈,雖在2013—2015年間有階段性向好,但依據2017年的NDVI值判斷,林況依然不穩定。南部小羅山方向,2010年后灌叢草原趨勢向好。

在近年來陜甘寧區域植被普遍向好的形勢下[34,50],綜合對大羅山NDVI剖面林況的認識,大羅山植被沒有明顯改善,研究尚不能支持“因保護區的設置,森林生態發生明顯改善”的提法[51]。

4.1.3破碎化的景觀格局

生境破碎化是在人類活動或自然干擾下,連續分布的自然生境被其他非適宜生境分隔成許多面積較小生境斑塊(島嶼)的過程[52]。基于遙感自然要素的分割和人文要素的解譯,以及羅山自然保護區2004年架設的圍欄,研究區由內向外可劃分為自然保護區、緩沖區和人類活動影響區(圖7)。

最外側的人類活動影響區主要包括耕地、居民建設用地和道路用地。參照動植物的敏感范圍[53-55],研究將居民建設用地、耕地外推0.5 km劃為影響范圍,將公路、鐵路外推1.0 km劃為影響范圍；然后將居民建設用地、耕地、道路用地及影響范圍合并,形成人類活動影響區(圖8)。人類活動區及影響范圍557 km2,占流域面積47.7%,已大規模侵占羅山周圍的沖洪積扇區域,對自然保護區形成分割、包圍之勢。

介于自然保護區與人類活動影響區之間的區域是一個過渡區,地表覆被類型為荒漠及荒漠化草原。它不屬于保護區范疇,只是由于自然條件限制尚不具備開發價值,事實上形成了“人-地緩沖區”(圖8)。緩沖區受人類放牧、采樵、采藥等活動直接作用及超采地下水的間接作用(毛管作用),土壤干燥,土質貧瘠,地表風蝕活動劇烈。從NDVI[0,0.4]占比看,沙漠化趨勢非常明顯(如2006, 2008, 2010和2015年)。

生境喪失和破碎是生態系統退化、生物多樣性降低、生物同質化的主要原因[56-57]。狹小的羅山自然保護區,外受耕地、居民建設用地、保護區圍欄的侵占包圍,內受區內道路的切割,景觀格局更加孤立化、破碎化,實有面積僅277.70 km2,如果考慮動植物的敏感范圍,沒有緩沖區保護的生境面積將進一步損失(圖8)。羅山保護區生境愈加窘迫,而且幾乎沒有與區外相互交流的生態廊道,由孤立生境最終走向生態隔絕。

圖8 羅山流域的三種景觀結構Fig.8 Three-level landscape structure of Luoshan basin

4.2 結論

與生產力低下的所有生態系統一樣,荒漠區孑遺生境對干擾非常敏感,荒漠化加劇與擴張的原因是多方面的,是天氣的長期變化、人口過多、土地利用變化以及管控不當的共同結果。本研究獲得如下事實性結論：

(1)在全球變化背景下,羅山流域41a溫度增加的傾向率為0.48 ℃/10a,降水下降速率為-7.1 mm/10a,極端天氣事件頻發,暖干化趨勢明顯。

(2)流域人口嚴重超載,僅以文獻[58]提供的信息計算,羅山流域人口密度就已達到340人/km2,是聯合國干旱區臨界指標(7人/km2)的49倍。41年來羅山流域耕作方式發生了根本性變化,由傳統的分散式經營的旱作農業,轉變為集約化開發的灌溉農業,土地資源利用程度加深,水資源嚴重短缺,城鎮化進程加劇,人-地關系日趨緊張,生態安全風險加大。

⑶無論均值、和值和最大值,直觀反映羅山流域植被生長狀況的歸一化差值植被指數(NDVI)均沒有明顯改善趨勢；階段性NDVI均值表明,近五年NDVI均值低于0.2的荒漠區占比仍高達33%,介于0.2—0.4的荒漠草原占比為48%,能達到0.8—1.0的優質森林占比不足1%,且長期未有改善跡象；NDVI剖面分析進一步證實,羅山林況羸弱,亟待拯救。

羅山自然保護區地處北方干旱荒漠帶嚴酷生境,如今,外受日益緊張的人-地關系壓力和生態隔絕威脅,內受日益嚴重的病蟲害、物種退化及生境隔絕的影響,其未來生態走向堪憂。