基于logistic模型的中國自然保護區增長動態分析

邱勝榮

國家林業和草原局調查規劃設計院, 北京 100714

自然保護區是指對有代表性的自然生態系統、珍稀瀕危野生動植物種的天然集中分布區、有特殊意義的自然遺跡等保護對象所在的陸地、陸地水體或者海域,依法劃出一定面積予以特殊保護和管理的區域。根據IUCN自然保護地分類標準,中國自然保護區屬第Ⅰ類自然保護區,即嚴格意義的自然保護區[1]。自1956年建立第一個自然保護區以來,經過60多年的發展實踐,已由最初的森林和野生動物類型逐步發展為涵蓋森林生態、野生生物、自然遺跡三大類,森林、濕地、荒漠、草原、海洋、野生動物、野生植物、地質遺跡和古生物遺跡9種類型的完整體系。截至2017年底,各級各類自然保護區達到2750處,總面積14700.00萬hm2,約占陸地國土面積的14.8%,高于全球平均水平13.40%[2]。自然保護區是中國自然保護地體系的主體,黨的十九大報告提出要建立以國家公園為主體的自然保護地體系,2018年3月中共中央印發的《深化黨和國家機構改革方案》,將相關部門管理的自然保護區、風景名勝區、自然遺產、地質公園等保護地劃轉國家林業和草原局統一規范管理。因此,探索自然保護區的演進過程、發展變化規律以及前景預測,關系到由以自然保護區為主體向以國家公園為主體、自然保護區為基礎、各類自然公園為補充的自然保護地體系轉變的實現,對主管部門充分認識自然保護區演化規律,明晰發展階段特征及未來前景,制定自然保護區保護發展政策、國家公園整合組建以及整合優化自然保護地體系具有重要意義。

目前,專家多從自然保護區數量的變化分析自然保護區發展的階段性特征過程[3- 9],屬于回顧性研究,未見關于自然保護區發展水平、速度與前景預測的報道。鑒此,本研究擬根據自然保護區歷史數據,從面積和數量的動態變化兩方面考慮,運用logistic模型、R語言,采用回歸分析方法,找出演進過程關鍵點,劃分發展階段,探討各發展階段持續時間及速度,同時,從理論上估算面積飽和值,預測未來態勢,結合分析結果為主管部門科學制定差別化的生態保護修復、政策和發展戰略提供參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

1.1.1自然保護區演進logistic模型

Logistic模型是描述一種事物受資源和環境約束,呈現S型增長的發展過程,源于描述生物種群生長增長規律,由于其體現的事物演進過程中考慮了資源環境對事物的阻滯作用,預測方法科學、預測結果誤差小,常用于商業組織、文化傳播、生態學、流行病學、人口學以及空間擴散等眾多研究領域[10- 12]。由于受資源環境、經濟社會發展和國家政策影響和限制,自然保護區發展過程滿足Logistic模型,包括面積和數量兩個方面的發展。

自然保護區增長關于時間變量t的logistic增長模型表達式：

(1)

式中,U表示自然保護區增長值,K為自然保護區增長飽和值,a為回歸參數,b為增長參數。

以自然保護區發展時序面積和數量作因變量,時間作自變量,采用R語言,運用logistic曲線回歸分析方法,估算自然保護區飽和值K,獲取參數a、b,構建面積和數量logistic增長模型,對自然保護區面積演進趨勢進行預測。

1.1.2logistic曲線模型的特征

尋找logistic曲線的拐點和曲率最大點,運用高等數學方法,分別對公式(1)求二階導數和三階導數,且使二階導數和三階導數為零,得：

(2)

(3)

根據logistic增長曲線特征點(t1,t2)[13-14]可以相應地將自然保護區發展過程劃分為3個階段：自然保護區面積和數量基數較小且發展緩慢的階段(1956—t1)、發展速度急劇上升的加速階段(t1—t2)、面積和數量基數較高且發展穩定平緩的階段(t2—至今)。

1.2 數據來源

中國自然保護區面積和數量的年度統計數據(表1)取自于原環境保護部網站公布的歷年《中國環境狀況公報》、原國家林業局歷年《全國林業自然保護區統計年報》。

表1 中國自然保護區歷史面積和數量

2 結果與分析

2.1 自然保護區演進logistic模型和發展趨勢

2.1.1面積和數量logistic模型

由公式(1)可得時間序列自然保護區面積(Us)和數量(Un)演進的logistic模型(圖1)：

圖1 中國1956—2017年自然保護區面積、數量的logistic曲線擬合圖Fig.1 Fitting of logistic curve of area and quantity of nature reserves in China from 1956 to 2017

(4)

(5)

式中,面積飽和值為1.547×108hm2,面積回歸參數為445.92,面積增長參數為0.223；數量回歸參數為349.459,數量增長參數為0.175。

表2 中國自然保護區面積預測/萬hm2

2.1.2發展趨勢預測

通過R計算,面積logistic模型擬合優度R2為0.979,表明模型擬合效果好。依據公式(4),可以預測2018—2050年自然保護區的面積(表2)。分析表2可知2020年、2030年、2040年和2050年面積分別為15405.44萬hm2、15459.50萬hm2、15465.30萬hm2、15465.93萬hm2。2018—2020年,年均增長11.31萬hm2；2020—2030年,年均增長4.20萬hm2；2030—2040年,年均增長0.45萬hm2；2040—2050年,年均增長0.05萬hm2。由此可見,當前處于穩定完善階段,面積的演進速度趨緩,已接近飽和值,但數量仍有小幅度增加,契合logistic增長軌跡。

2.1.3logistic曲線特征點

由公式(2,3),得面積logistic曲線的特征點ts1為1990年,ts2為2002年；數量曲線的特征點tn1為1993年,tn2為2008年。綜合考慮得,自然保護區演進特征關鍵點t1為1990年,t2為2008年。

2.2 自然保護區演進發展階段分析

根據自然保護區演進特征關鍵點,將其過程劃分為3個階段：

2.2.1緩慢起步期(1956—1989年)

自然保護區是在森林大規模采伐、自然資源嚴重破壞、大量獵捕野生動物資源的大背景下起步的。1956年,秉志等科學家在第一屆全國人民代表大會第三會議上提出建立自然保護區的建議。同年10月,原林業部制定了《天然森林禁伐區(自然保護區)劃定草案》《狩獵管理辦法(草案)》,明確自然保護區的劃定對象、辦法和重點地區,同時批建了第一個自然保護區——廣東鼎湖山自然保護區,標志著我國自然保護區事業的啟幕。此后,國務院頒布的《關于積極保護和合理利用野生動物資源的指示》《森林保護條例》《水產資源保護條例》等都對建立自然保護區提出了要求。1966年后,受“文革”影響,自然保護區事業遭受重大破壞,一些自然保護區喪失保護價值。1972年中國政府參加聯合國人類環境大會后,生態環境保護得到重視,特別是國家相繼頒布了《森林法》《環境保護法》《野生動物保護法》等10余項法規,發布了《中國珍稀瀕危保護植物名錄(第一冊)》《國家重點保護野生動物名錄》,頒發了《嚴格保護珍貴稀有野生動物的通令》等文件；先后加入了《保護世界文化和自然遺產國際公約》等生態保護國際公約,與日本和澳大利亞等國家簽訂了鳥類等野生動物保護協議；各有關部門大力推進自然保護區建設,相繼建立了管理機構,自然保護區事業逐漸進入與國際接軌的新階段,形成了以林業部門為主體,地質(國土)、水產(農業)、環保(建設)、科學院等部門配合的格局。截至1989年底,建立各級各類自然保護區573處、面積2706.30萬hm2。

2.2.2快速發展期(1990—2008年)

快速發展期是自然保護區發展的關鍵時期。此時,我國法律法規逐步健全, 1994年,國務院頒發了《中華人民共和國自然保護區條例》,首次對自然保護區建設管理作出了法律規定,推動我國自然保護區事業進入有法可依、有章可循的新階段。同時,多次參加國際生態組織召開的國際會議,加入了《人與生物圈保護區網》《生物多樣性公約》《關于特別是作為水禽棲息地的國際重要濕地公約》 “東亞—澳大利亞涉禽遷徙網絡”“東北亞鶴類保護網絡”,與世界自然基金會(WWF)、全球環境基金(GEF)合作開展了自然保護區保護與管理項目。發布了《自然保護區工程項目建設標準(試行)》《自然保護區工程設計規范》等標準和規范,多次印發加強自然保護區管理工作、濕地保護管理等通知,發布實施了《全國生態環境保護綱要》《全國濕地保護工程實施規劃》《全國生物物種資源保護與利用規劃綱要》《關于開展生態補償試點工作的指導意見》《全國生態功能區劃》等多項生態保護規劃、區劃。1998年長江、松花江特大洪災后,相繼實施了天然資源林保護、退耕還林、野生動植物保護及自然保護區建設等重大生態保護修復工程。在一系列法規、政策、規劃、標準規范的引導和保障下,自然保護區呈現快速發展勢頭,數量和面積急速上升,資金投入大幅度增加。截至2008年底,建立各級各類自然保護區2538處,總面積14894萬hm2。

2.2.3穩定完善期(2009—至今)

此階段自然保護區事業經歷了從“速度規模型”向“規范化管理”的轉變。在前期“搶救性保護”方針指導下,自然保護區數量和面積都得到了空前的發展,起到了很好的保護作用。但是也存在范圍和功能分區不科學、不合理的情況,特別是把一些人口密集的村鎮、保護價值較低的耕地及經濟林、經濟價值較高的資源分布地劃入自然保護區,既影響了居民的生產生活,又不利于自然保護區的規范化管理,存在著調整的客觀需求。2009年環境保護部印發了《國家級自然保護區規范化建設和管理導則》,指導和規范自然保護區建設和管理。同時,針對保護與開發矛盾日益突出等問題,國務院出臺了《關于做好自然保護區管理有關問題的通知》《國家級自然保護區調整管理規定》, 2005—2018年有51處國家級自然保護區進行了調整,其中遼寧蛇島老鐵山、寧夏靈武白芨灘、遼寧丹東鴨綠江口濕地、內蒙古西鄂爾多斯和遼寧大連斑海豹等5處國家級自然保護區十年內進行了兩次調整。重新制定了《自然保護區工程項目建設標準(建標195—2018)》《濕地保護工程項目建設標準(建標196—2018)》等。為了鞏固和發展前期保護成果,國家發展改革委、財政部安排專項資金繼續用于自然保護區開展生態保護獎補、生態保護補償等政策,支持國家級自然保護區基礎設施和保護管理能力建設等[8]。2015年,環境保護部等10部門印發《關于進一步加強涉及自然保護區開發建設活動監督管理的通知》,嚴肅查處自然保護區典型違法違規活動,對400多個國家級自然保護區開展人類活動遙感監測與實地核查,對12個自然保護區進行了重點執法檢查,對7個問題較嚴重的國家級自然保護區所在地政府、省級保護區行業主管部門及保護區管理局進行了約談。2017和2018年原環境保護部等7部委聯合進行了綠盾行動。截至2017年底,共建立自然保護區2750處,總面積14700.00萬hm2。

3 結論與討論

本文基于logistic模型,對中國自然保護區的面積進行飽和值估算和未來發展的預測,同時對logistic曲線特征點進行了探索,得出如下結論：

(1)中國自然保護區面積飽和值為15470.00萬hm2。

(2)根據面積和數量logistic曲線特征點,將自然保護區演進歷程劃分為3個階段,即1956—1989年緩慢起步期、1990—2008年快速發展期和2009—至今年穩定完善期。緩慢起步期時發展速度很低,加速度很小,面積年均增長82.01萬hm2,數量年均增建17處,且自然保護區類型較單一。快速發展期用時約18年,期間發展加速度逐漸增大,面積和數量大幅增加,面積年均增長605.24萬hm2,數量年均增建107處,自然保護區類型比較齊全,其中2001年面積和數量增長速度達到最大,為859.69萬hm2、324處。穩定完善期發展水平漸近飽和值,發展速度越來越小,面積年均增長4.71萬hm2和數量年均增建30處,增長速度明顯放緩。

(3)2020年、2030年、2040年和2050年自然保護區面積分別為15405.44、15459.50、15465.30、15465.93萬hm2。目前已進入穩定完善階段,面積的演進速度趨緩,已接近飽和值,數量仍有小幅度增加。

(4)從面積和數量的模型來看,在開始階段,數量發展快于面積的發展。隨著法律法規政策出臺和保護意識的增強,面積的增長快于數量的增加,急劇上升,靠近飽和值,但是數量繼續在小幅度增加,符合中國現階段自然保護區發展狀況,即新建自然保護區面積較小,調整范圍和功能區劃的自然保護區逐漸增多,使得面積趨于穩定。

(5)自然保護區自建立以來,一方面一直處于多頭管理狀態,導致管理混亂、協調困難、推托扯皮、合作低效；另一方面,在一些自然生態價值較高的區域,與不同部門管理的多種類型自然保護地相鄰并存或交叉重疊,造成多種法律法規和規章制度在同一地塊交叉執行,保護對象模糊混亂,管理目標差異較大,導致區域破碎化嚴重。鑒此,《深化黨和國家機構改革方案》提出,將所有自然保護地進行統一管理。目前自然保護區作為自然保護地的主體,應在習近平新時代生態文明思想的引領下,自然保護事業受到空前重視的大好環境下[15],以建立以國家公園為主體的自然保護地體系為契機,以提升自然保護區質量效益為核心,積極營造制度創新、管理創新、技術創新的環境和保障支撐體系,理順管理體制,加大資金投入,在建設進程中,既要重視基礎設施建設,也要注意監測體系構建,更要關注監測成果科普化、保護化的轉變,促進保護、監測、教育、管理等全面發展,提升自然保護區綜合發展水平和實力,增強發展活力和內在動力,提高自然保護區質量和效益,走保護與利用平衡協調發展之路,步入良性循環,筑好我國自然保護地體系的基礎。

研究表明,中國自然保護區的演進發展和平衡符合logistic模型,正處于由速度規模型向高質量規范化管理推進,①應將全國森林、草原、濕地、荒漠調查監測確定的生物多樣性富聚、典型生態系統分布區域,全國野生動植物調查確定的野生動物重要棲息地、野生植物關鍵生境和重要生態廊道等生態功能極為重要、生態系統非常脆弱、生物多樣性保護空缺的自然生態空間劃定為自然保護區。②調整優化自然保護區管控邊界,將區內無保護價值的建制城鎮或人口密集區域、工業園區等調出。③以每個自然保護區為獨立自然資源資產登記單元,劃清土地、森林、草原、河湖、濕地、海洋等各類自然資源資產所有權邊界,明晰自然資源資產所有權人。④明確中央和地方事權和支出,創新地方政績考核機制,加強對生態治理監管力度和效率[16]。自然保護區的發展是一個動態復雜的過程,本文從理論上對其演化規律進行了探討,今后筆者將對影響其發展的自然資源、社會經濟、國家政策等因素進行更深入的研究。

致謝：感謝中國科學院動物研究所李欣海副研究員對模型計算給予幫助。