人类活动对中国国家级自然保护区生态系统的影响

曹 巍,黄 麟,*,肖 桐,吴 丹

1 中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟重点实验室, 北京 100101 2 环境保护部卫星环境应用中心, 北京 100094 3环境保护部南京环境科学研究所, 南京 210042

自然保护地是保护物种及其生境的一种重要途径[1-2],是实现生物多样性保护目标的一个有效指标[3-4],是最有效可行的一种就地保护手段[5]。可持续发展的保护地体系对未来人类福祉起到至关重要的作用。目前,全球建立了自然保护地20多万个,约占地球表面积的15.4%[6]。生物多样性公约要求到2020年通过有效和公平地管理、生态代表和连接良好的保护区体系及有效措施保护全球17%的陆地和10%的海洋[7]。随着保护区面积的不断增加,对保护区的研究变得越来越重要[8]。然而,尽管保护地体系建设取得了相当大的进展,但生物多样性持续下降,故而保护地覆盖面积增加和生物多样性负向发展趋势之间的差异,使得如何提高保护地有效性再次成为焦点[9]。对于保护地的有效性历来存在争议[10-12],有研究通过对比相关指标在保护区内、外的差异以评价保护区的有效性[13-15],特别是亚马逊和刚果等生物多样性丰富的热带雨林地区[16-17],这类指标比如森林减少速率或森林砍伐减少量[1,18]等等。

气候变化和人类活动是影响生物多样性和生态系统服务的重要因素[19-22]。未来气候变化将改变重要物种在纬度和高度上的分布范围[23-24],减小保护区的有效范围[25],增加物种灭绝风险[26-27]。因此,保护区及其有效性受到气候变化和人类活动的双重威胁,然而,威胁的程度是未知的。城市化、森林砍伐、道路建设等减少了保护区的有效规模,导致原生栖息地破碎化和生物多样性下降,严重影响保护区的保护有效性[28-29]。反过来,保护区还对周边区域产生其他影响,比如维持传统生计、保持水热平衡、调节局地气候、防止森林火灾等[16]。研究发现保护区外邻近地带成为人类活动的热点区域,即保护区被孤立从而产生溢出效应[16,29]。针对保护区溢出效应,巴西亚马逊地区在生物多样性热点区域周边留出大量的森林作为“绿色壁垒”[30-31]。

我国目前已建立自然保护区2740多个,总面积约占陆地国土面积的14.8%,保护了我国超过90%的陆地自然生态系统类型,约89%的国家重点保护野生动植物种类,以及大多数重要自然遗迹。自然保护区的数量、发展速度、面积均已经达到国际前列,高于世界平均水平。然而,对于我国建立的可能是一些“纸上公园”的质疑也越来越多[11-12]。采石、工矿建设、能源资源开发、违法无序旅游开发以及其他人工设施建设等已对自然保护区的生态环境造成影响,气候变化背景下,影响保护地功能发挥的驱动因素聚焦到人类活动。已有保护区研究多集中在单个保护区物种监测、生物多样性状况、栖息地变化及对周围区域经济社会的影响等[32- 34],无法了解我国自然保护区网络的宏观状况。范泽孟等[35]、祝萍等[36]、Xu等[4]在大时空尺度开展了我国典型自然保护区土地利用变化、生境状况变化的监测,然而缺少人类活动对自然保护区影响的量化分析。

因此,开展分析人类活动对自然保护区生态系统影响的量化分析,快速、科学评估存在问题,对于自然保护区监管、自然保护区布局及保护重点调整,并有针对性地制定相关政策措施,具有极其重要的作用。因此,本文以国家级自然保护区作为研究对象,基于遥感信息提取、模型与方程估算、时间空间分析等方法获取生态系统质量和关键服务的时空数据集,分析不同类型自然保护区与自然保护区不同区域生态系统近15年的时空变化特征,利用土地覆盖变化量化人类活动并进一步分析人类正面与负面活动对生态系统质量和关键服务的影响。本文拟解决以下两个主要问题：1)2000—2015年国家级自然保护区生态系统质量与服务如何变化？2)人类活动作为主要影响因素,如何从正面和负面影响国家级自然保护区的生态系统？

1 数据与方法

1.1 研究区概况

我国的国家级自然保护区446个(截至2015年),占全国自然保护区总面积的65.9%。国家级自然保护区划分为3大类别、9个类型[37],其中,自然生态系统类291个(包括森林生态系统类型205个、草原与草甸生态系统类型4个、荒漠生态系统类型13个、内陆湿地和水域系统类型52个、海洋和海岸生态系统类型17个)、野生生物类135个(包括野生动物类型116个、野生植物类型19个)、自然遗迹类20个(包括地质遗迹类型13个、古生物遗迹类型7个)。本文以446个国家级自然保护区作为主要研究对象(图1),每个自然保护区划分为核心区、试验区、缓冲区,同时设置自然保护区边界外0—5 km缓冲带、5—10 km缓冲带、10—20 km缓冲带。

图1 国家级自然保护区空间分布Fig.1 The spatial distribution of national nature reserves

1.2 遥感信息提取

土地覆盖及变化：研究区2000年和2015年土地覆盖及变化数据来源于中国科学院土地利用/覆被变化数据库的全国土地利用本底与动态成分数据及2000—2015年土地利用变化数据。该数据集以陆地卫星TM/ETM+遥感图像为信息源,结合环境小卫星、中巴资源卫星等影像数据,经过影像配准、精校正和拉伸处理后,利用人工解译方法获得土地覆盖类型及其变化[38]。土地覆盖类型包括6个一级类型和25个二级类型。同时,利用全国10%县数比例的野外调查资料开展质量检查和精度验证[39],土地覆盖一级类型的综合评价精度达94.3%,二级类型达91.2%[38]。本文将二级土地覆盖类型进一步划分为林地、草地、耕地、湿地、水库与坑塘、城镇和居民点、工矿建设用地、沙地及其他未利用地等类型,以开展人类活动的量化。

植被覆盖度(Fractional vegetation coverage, FVC)：收集研究区2000—2015年MODIS归一化植被指数(Normalized difference vegetation index, NDVI)数据,该数据空间分辨率1 km、时间分辨率16 d,经过格式转换、重投影、拼接、重采样和S—G滤波处理,采用最大合成法得到连续时间序列的半月NDVI数据。依据像元二分模型,一个像元的NDVI值由绿色植被部分与无植被覆盖部分共同贡献的信息组合而成,因此根据如下公式利用NDVI计算半月尺度的植被覆盖度：

(1)

式中,Fc为植被覆盖度,NDVIveg是纯植被像元的NDVI值,NDVIsoil是完全无植被覆盖像元的NDVI值,依据1 km栅格百分比土地利用类型数据确定纯植被和完全无植被覆盖的像元。

植被净初级生产力(Net primary production, NPP)：植被年NPP数据为美国蒙大拿大学发布的MOD17A3数据(https://ipdaac.usgs.gov),空间分辨率为1 km,时间分辨率为1 a。该产品基于MODIS/TERRA卫星遥感数据,通过参考BIOME-BGC模型模拟植被生理过程计算得到植被NPP数据。与美国国家航空航天局(National aeronautics and space administration, NASA)提供的年NPP数据相比,消除了云对植被叶面积指数和光合有效辐射值的影响,提高了数值精度。通过数据格式转换、投影转换、空间拼接与裁切、有效值提取得到研究区植被年NPP数据。

教育的中心是以人为本，这同样适用于乡镇中心幼儿园的教育。但目前呈现的趋势是乡镇中心幼儿园教师在教学过程中并不能全面做到以学生为本展开教育工作。究其原因在于乡镇中心幼儿园的教育工作开展的每一步都需要严格遵循上级部门的指示，这严重限制了教师的教学。一旦教师的教学存在与上级部门硬性规定相背离的情况，就会马上被相应的行政手段所干预，教师的教育热情就在这过程中逐渐被削弱。同时乡镇中心幼儿园缺乏对教师客观、公平、统一的考量标准，使优秀的教师不被鼓励和认可，严重打击了教师的工作积极性。

1.3 模型与方程估算

生态系统水源涵养：通过对比几种水源涵养量估算方法在量级与变化趋势上的差异,本文采用降水贮存量法[40]并改进了各项参数,估算研究区森林、草地和湿地生态系统水源涵养量,表示为：

Q=M×J×R0

(2)

J=J0×K0

(3)

式中,Q为与裸地相比较,森林、草地和湿地生态系统涵养水分的增加量(m3)；M为生态系统面积(hm2)；J为产流降水量(mm)；J0为年均降水量(mm)；K0为产流降水量占降水总量的比例；R0为与裸地相比较,生态系统减少径流的效益系数。通过搜集已发表文献的实测降雨产流临界值,以临近国家气象台站实测日降水数据修正同时期的TRMM逐日3 h降水量数据,累积单次降雨量大于降雨产流临界值的数值得到单点产流降雨量占降雨总量的比例,再与多年平均河川径流系数建立线性关系,得到区域产流降雨量占降雨总量比例(K值)的空间分布。

生态系统土壤保持：采用修正通用土壤流失方程(Revised universal soil loss equation, RUSLE)估算研究区土壤水蚀模数(A)。土壤保持量为生态系统在极度退化状况下的土壤流失量与现实状况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是降雨侵蚀力因子,K为土壤可蚀性因子,L是坡长因子,S是坡度因子,C是覆盖和管理因子,P为水土保持措施因子。R采用基于日降雨量资料的半月降雨侵蚀力模型[41]来估算。K采用Nomo图法计算,其中,OM为土壤有机质含量百分比(%),M为土壤颗粒级配参数,即(粉粒+极细砂)与粘粒百分比之积,St为土壤结构系数,P为渗透等级,这些土壤属性数据来源于1∶100万中国土壤数据库。L和S的估算基于McCool等[42]和刘宝元等[43-44]的方法,其中,λ为坡长(m),计算L时把生态系统类型边界、道路、河流、沟塘湖泊等地表要素作为径流的阻隔因素,改进了传统算法中通过相邻栅格间的坡向以及坡度变化率确定坡长终止点的方法,避免了坡长因子的高估。C根据蔡崇法[45]的方法计算确定。

1.4 时空趋势分析

人类活动时空变化特征分析：根据国家级自然保护区近年监测,我国自然保护区内存在不同程度的人类活动,有的明显甚至剧烈,主要人类活动表现为农田开垦、居民点修建、采石、工矿建设、能源资源开发、违法无序旅游开发以及其他人工设施建设等。这些人类活动导致土地覆盖发生变化,因此本文利用土地覆盖变化分析研究区近15年人类活动时空变化特征。产生负面影响的人类活动表示为耕地、水库与坑塘、城镇和居民点、工矿建设用地的增加,而产生正面影响的则表示为林地、草地、湿地的增加。

生态系统质量与服务指标：利用植被覆盖度和净初级生产力评价研究区生态系统质量状况,以水源涵养、土壤保持作为主要的生态系统服务指标。同时,采用最小二乘法分析植被覆盖度的年际变化趋势,计算公式为：

(10)

式中,i为2000年到2015年的年序号,某栅格像元的趋势线是这个像点的值用一元线性回归模拟出来的一个总的变化趋势,slo即这条趋势线的斜率,斜率为正,说明此像元在该时间段的变化趋势是增加,反之则是减少。

2 结果与分析

2.1 国家级自然保护区人类活动时空变化特征分析

林地、草地、湿地面积类型转换可以反映出气候变化背景下人类活动的正面影响。2000—2015年,国家级自然保护区范围内(表1),林地面积净减少145.8 km2,其中,新增林地面积392.7 km2,主要来源于退耕还林和未利用地造林,分布在哈纳斯、黄河首曲、大别山、雪宝山、习水中亚热带常绿阔叶林等自然保护区,林地减少538.5 km2,主要分布在太白山、荣成大天鹅、车八岭、辉河、塔里木胡杨等自然保护区；草地净减少1531.5 km2,其中新增草地面积1048.3 km2,主要分布在乌兰坝、哈纳斯、会泽黑颈鹤、敦煌阳光、黄连山、锡林郭勒草原、乌兰特梭梭林等自然保护区,草地减少2579.9 km2,主要分布在秦园、青海湖、阿尔金山、黄河首曲、盐池湾、沙坡头等自然保护区；湿地净增加280.99 km2,其中新增湿地面积1614.8 km2,主要分布在青海湖、宽阔水、阿鲁科尔沁、安徽清凉峰、九宫山、青龙河、赣江源等自然保护区,湿地减少1333.8 km2,主要分布在内伶仃岛—福田、湛江红树林、壶瓶山、盐池湾、三江源等自然保护区(图2)。

耕地、水库/坑塘、城镇/居民点、工矿建设用地的面积增加反映了人类活动对保护区的负面影响。耕地面积净增加了894.8 km2,其中,新增耕地面积1319.4 km2,主要来源于草地和湿地开垦,分布在黄河首曲、盐池湾、习水中亚热带常绿阔叶林、荣成大天鹅、太白山等自然保护区,耕地减少424.5 km2,主要分布在哈纳斯、丹霞山、南岳衡山、内蒙古贺兰山、波罗湖、白音敖包等自然保护区；水库/坑塘面积净增加了290.4 km2,其中,新增水库/坑塘368.0 km2,主要来源于湿地开发,分布在盐池湾、黑茶山、丹霞山、董寨、秦园、松花江三湖、大明山等自然保护区,水库/坑塘减少77.7 km2,主要分布在八岔岛、古牛峰、塔里木胡杨、麻阳河、太子山、天宝岩等自然保护区；城镇/居民点、工矿建设用地分别净增加了51.3 km2和169.1km2,其中,新增城镇/居民点主要分布在内蒙古贺兰山、南岳衡山、秦园、东寨港、安南坝野骆驼、古牛峰、会泽黑颈鹤、花萼山等自然保护区,新增工矿建设用地主要分布在波罗湖、宁夏罗山、内蒙古贺兰山、习水中亚热带常绿阔叶林、黄河首曲、东寨港、五峰后河等自然保护区(图2)。

表1 国家级自然保护区土地覆盖转移矩阵/km2

图2 国家级自然保护区人类活动变化空间分布Fig.2 The spatial variation of anthropogenic activities in thenational nature reserves

2.2 不同类型国家级自然保护区人类活动变化特征分析

图3 不同类型国家级自然保护区人类活动量化统计Fig.3 The statistics of anthropogenic activities in thenational nature reserves

2.3 人类活动对国家级自然保护区生态系统质量的影响分析

2000—2015年,国家级自然保护区的各分区与保护区外的缓冲带植被覆盖度主要呈现上升趋势,特别是20 km缓冲带,少部分区域表现为植被覆盖度下降(图4,表2)。其中,草原与草甸生态系统类型、海洋和海岸生态系统类型、野生动物类型的保护区,其核心区植被覆盖度上升趋势高于其他分区；荒漠生态系统类型保护区的缓冲区上升最多,其他类型保护区内的植被覆盖度趋势则低于保护区外的缓冲带。由此说明,人类活动虽然影响土地覆盖变化,但是对植被覆盖度的影响不大。

图4 2000—2015年国家级自然保护区植被覆盖度与净初级生产力变化空间分布Fig.4 The spatial distribution of fractional vegetation coverage and net primary production changes in the national nature reserves in 2000—2015

统计范围Statistical zones核心区Core zone试验区Experimental zone缓冲区Buffer zone5 km缓冲带5 km buffer strip10 km缓冲带10 km buffer strip20 km缓冲带20 km buffer stripFVC/%NPPFVC/%NPPFVC/%NPPFVC/%NPPFVC/%NPPFVC/%NPP森林生态系统类型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 草原与草甸生态系统类型Grassland and meadow ecosystem type0.652.26 0.511.73 0.521.94 0.592.07 0.561.99 0.501.88 荒漠生态系统类型Desert ecosystem type-0.01-0.05 0.010.04 0.060.06 0.030.04 0.040.05 0.050.06 内陆湿地和水域系统类型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 海洋和海岸生态系统类型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 野生动物类型Wild animal type0.060.11 0.060.04 0.020.07 0.050.16 0.050.19 0.060.27 野生植物类型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 地质遗迹类型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 古生物遗迹类型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：植被覆盖度 Fractional vegetation coverage,NPP：净初级生产力 Net primary production

近15年,国家级自然保护区的植被净初级生产力则主要表现为下降趋势,特别是5—10 km缓冲带(图4,表2)。其中,内陆湿地与水域系统类型、海洋和海岸生态系统类型的核心区,森林生态系统类型和地质遗迹类型的试验区,古生物遗迹类型的缓冲区,植被NPP下降趋势最明显。然而,草原与草甸生态系统类型、荒漠生态系统类型和野生动物类型等保护区的NPP则表现为增加趋势。

2.4 人类活动对国家级自然保护区生态系统服务的影响分析

2000—2015年,国家级自然保护区核心区与保护区外缓冲带的平均生态系统水源涵养量呈现微弱增加趋势,而保护区试验区和缓冲区呈现减少趋势(表3)。其中,森林生态系统类型、野生植物类型保护区的生态系统水源涵养量皆增加,草原与草甸生态系统类型、野生动物类型、地质遗迹类型多表现为增加；荒漠生态系统类型、内陆湿地与水域系统类型保护区的生态系统水源涵养量皆减少,海洋和海岸生态系统类型、古生物遗迹类型多表现为减少。

近15年,国家级自然保护区各分区和保护区外缓冲带的生态系统土壤保持量皆呈现较为明显的增加趋势(表3),特别是地质遗迹类型、森林生态系统类型、内陆湿地与水域系统类型保护区。古生物遗迹类型保护区则表现为下降趋势。

图5 2000—2015年国家级自然保护区生态系统水源涵养与土壤保持服务变化空间分布Fig.5 The spatial distribution of water conservation and soil conservation changes in the national nature reserves in 2000—2015

区域核心服务森林生态系统类型草原与草甸生态系统类型荒漠生态系统类型内陆湿地和水域系统类型海洋和海岸生态系统类型野生动物类型野生植物类型地质遗迹类型古生物遗迹类型全部核心区水源涵养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 试验区水源涵养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 缓冲区水源涵养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缓冲带水源涵养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缓冲带水源涵养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缓冲带水源涵养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 讨论与结论

本文分析了不同类型国家级自然保护区以及自然保护区不同区域2000—2015年生态系统质量和关键服务的时空变化特征,量化了人类活动并分析了这些人类活动对生态系统的正向和负向作用。得到主要结论如下：

(1)国家级自然保护区明显的土地覆盖变化表明存在不同程度的人类活动,总体表现为保护区外比保护区内剧烈,说明自然保护区对生态系统具有明显保护作用。湿地面积净增加281 km2,林地、草地面积净减少145.8 km2和1531.5 km2,反映了湿地保护、退田还湖等措施的积极作用,然而退耕还林、退牧还草局限于部分保护区。农田开垦、居民点修建、工矿建设、能源资源开发等人类活动对保护区生态系统产生负面影响,草地和湿地开垦导致耕地面积净增加894.8 km2,湿地开发从而新增水库坑塘面积290.4 km2,侵占草地为主的城镇居民点与工矿建设用地扩张达到51.3 km2和169.1 km2。

(2)森林生态系统类型国家级自然保护区内的土地覆盖变化远远低于保护区外,退耕还林等具有正面作用而同时其工矿建设等也有所增强。草原与草甸生态系统类型核心区与缓冲区人类活动极少,然而实验区和缓冲带耕地面积增加、草地面积减少,说明草原与草甸生态系统有待加强保护力度。荒漠生态系统类型的草地、沙地及其他未利用地的面积大幅减少,而耕地、水库坑塘、城镇居民点和工矿建设用地的面积皆增加,说明人类活动对生态系统的负面作用较大。内陆湿地和水域系统类型的湿地、林地和草地面积皆减少,说明该类型保护区有待加强保护力度。海洋和海岸生态系统类型的围海造地影响较大。野生动物类型的人类活动以农田开垦为主,需要遏制。野生植物类型、地质遗迹类型和古生物遗迹类型保护成效较好。

(3)国家级自然保护区的植被覆盖度主要呈现上升趋势,特别是草原与草甸生态系统类型、海洋和海岸生态系统类型、野生动物类型的保护区；植被NPP主要表现为下降趋势,然而草原与草甸生态系统类型、荒漠生态系统类型和野生动物类型等保护区的NPP则表现为增加趋势；保护区核心区与缓冲带的平均生态系统水源涵养量呈现微弱增加趋势,而试验区和缓冲区呈现减少趋势；生态系统土壤保持皆呈现较为明显的增加趋势。

(4)气候变化是自然保护区植被覆盖度微弱上升、净初级生产力下降、生态系统水源涵养量微弱增加、土壤保持量明显增加的主要原因,人类活动仅在局部对生态系统产生影响。

虽然我国自然保护区的数量与面积、发展速度均已经达到国际前列,但是现行管理体制以及相关法规制度的缺失,使得人类活动对保护区的干扰不断,制约了保护区成效的发挥。因此,为了推动我国自然保护区体系的完善和保护作用的发挥,需要统一保护区体系及其标准,完善自然保护区相关的法律制度,积极开展保护区的基础科学研究。