近40年野骆驼历史分布区土地利用变化及生境破碎化驱动因素

薛亚东,李 佳,李迪强,*

1 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所, 北京 100091

2 生物多样性保护国家林业和草原局重点实验室, 北京 100091

3 中国林业科学研究院荒漠化研究所, 北京 100091

目前分布于我国西北及中蒙边境地区的野生双峰驼(Camelusferus,以下简称野骆驼),是其所在荒漠生态系统的旗舰物种,也是中亚地区的重要迁徙物种[1]。中亚地区迁徙物种的保护受到了国际上的广泛关注,维持这一野生动物的迁徙热点并缓解其面临的威胁对于全球生物多样性保护具有重要意义[2]。直到19世纪中期,野骆驼的地理分布区域还相当大,其范围从青海省苏干湖地区经阿尔金山、罗布泊地区、塔克拉玛干、天山以北卡拉麦里地区,直到中蒙边境,且分布区连续[3]。新中国成立以来,我国西部地区经济快速发展,尤其是随着“西部大开发”政策的实施,西部地区开展了大规模的公路、铁路等交通路网建设[4]。不断完善的基础设施,不可避免的给野生动物造成了影响。道路对野生动物造成的影响包括栖息地丧失、栖息地连通性下降、栖息地阻隔和孤岛化等[5- 6]。

目前,野骆驼种群孤立分布在我国的塔克拉玛干沙漠东部、罗布泊北部嘎顺戈壁、阿尔金山北麓及阿奇克谷地(库姆塔格沙漠地区)、以及中蒙边境的外阿尔泰戈壁等地区,种群数量不足1000[7- 9]。其中,塔克拉玛干沙漠种群仅50峰左右,野骆驼会在克里雅河下游至塔里木河南岸间的沙漠里活动和迁移[10- 11]；得益于库姆塔格沙漠地区保护区网络的有效保护,近些年的调查表明,该区域野骆驼种群数量稳中有升,目前约为550—650峰,部分群体存在阿尔金山北麓与阿奇克谷地间的迁移[12- 14]；中蒙边境种群目前在中国境内已基本消失,该种群主要在蒙古国的大戈壁保护区A区活动,种群数量近些年也有增长,约为500峰左右[15],卫星跟踪数据显示,未有个体越过边境活动[16]。对于野骆驼而言,长期的栖息地孤岛化可能导致野骆驼种群的近亲繁殖,进而导致该种群有灭绝的风险。开展野骆驼历史分布区土地利用变化及破碎化研究,有助于识别野骆驼历史分布区破碎化的主要驱动因素,定量评估人类活动对不同野骆驼种群分布区破碎化的影响程度,通过对其分布区景观格局的评估,可以为野骆驼栖息地整体连通性的改善,以及促进不同野骆驼种群迁徙扩散提供科学的建议。研究还将为避免或缓解线性基础设施建设或路网规划对野骆驼栖息地的影响提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区域

根据Schaller和Reading等人的研究[3,17],提取野骆驼1850年的分布范围作为此次野骆驼历史分布区土地利用变化和破碎化分析的范围(图1)。通过数据矢量,该区域面积约为825476km2。行政区域上涉及了我国的新疆、青海、甘肃、内蒙古4省,以及外蒙古的戈壁阿尔泰省和巴彦洪格尔省,覆盖塔克拉玛干沙漠、库姆塔格沙漠、罗布泊地区以及外阿尔泰戈壁等区域。根据当前野骆驼栖息地分布现状,结合道路分布,国道218、兰新铁路大致将整个研究区域分为3个片区,分别为西部历史分布区(W),主要为塔克拉玛干沙漠中东部区域,面积182275km2；中部历史分布区(M),主要为库姆塔格沙漠、罗布泊及周边戈壁荒漠地区,面积317324km2；东部历史分布区(E),主要为蒙古大戈壁保护区、中蒙边境周边区域,面积为325876km2。野骆驼现存分布区矢量数据来源于IUCN濒危物种红色名录对野骆驼的评估[8],分别为塔克拉玛干沙漠分布区(T),库姆塔格沙漠分布区(K)和中蒙边境分布区(B)。

图1 野骆驼历史分布及现存分布区Fig.1 Historical distribution range and current distribution range of wild camelW：西部历史分布区；M：中部历史分布区；E：东部历史分布区；T：塔克拉玛干沙漠分布区；K：库姆塔格沙漠分布区；B：中蒙边境分布区

1.2 数据来源

为评估土地利用对野骆驼分布区的影响,从中国科学院地理与资源研究所和中国科学院资源环境科学数据中心的资源环境数据云平台上下载了三期新疆、青海、甘肃、内蒙古4省的中国土地利用/土地覆盖遥感监测数据,分别为1970年代末期(1980年)、2000年和2018年。评估中利用一级分类系统,一级分为6类,主要根据土地资源及其利用属性,分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地[18- 19]。蒙古国土地利用数据未能获取,但中国境内野骆驼历史分布区占到了整个野骆驼历史分布区面积的84.5%,具有一定的代表性。

道路数据来自OpenStreetMap,下载了最新的中国和蒙古国道路矢量数据,包括公路和铁路数据。利用研究区域范围进行数据剪切,获得研究区域范围内道路分布数据,根据OpenStreetMap数据字段及其含义,进一步筛选出用于分析的主要公路类型(表1),用于道路密度和道路影响域面积计算。与国内公路等级进行对照,参考李双成研究中的各级道路特征及缓冲带宽度确定影响域宽度[20]。铁路数据则参考呼和浩特、兰州、乌鲁木齐三个铁路局线站示意图,确定铁路名称。考虑到铁路的封闭性,将其影响宽度设为1000m,与高速公路级别一致。

表1 OpenStreetMap公路字段、含义、对应的中国公路及影响域宽度Table 1 Value, meaning, corresponding Chinese road and road-effect zone of OpenStreetMap

1.3 分析方法

对1980、2000和2018三个时期野骆驼历史分布区内各土地利用类型面积进行统计,利用动态度分析[21- 22],分析其变化情况。

式中：SD为某地的某类型土地的动态变化度；Ai为起始时间该土地类型的面积；Aj为终结时间该类型土地面积。正值表示该类型土地面积在增加,负值表示该类型土地面积在减少。

利用道路密度和道路影响域面积两个指标来定量分析道路对野骆驼历史分布区以及不同种群分布区的影响[5,23]。道路密度即单位面积内的道路长度(km/km2),道路影响域面积按照不同等级道路影响宽度进行缓冲区分析,并叠加野骆驼栖息地分布,以确定受影响栖息地面积,所有分析均在ArcGIS支持下进行。选取景观指数对研究区的景观格局进行分析,包括:(1)斑块数量、平均斑块大小：用于反映道路切割后研究区破碎化程度；(2)最小生境面积斑块数量、最大斑块面积、最大斑块面积占景观面积比例(即最大斑块指数)：用于反映野骆驼当前分布区与研究区的关系,参考已有的基于卫星跟踪颈圈的野骆驼家域范围研究[13- 14,16],最小生境斑块面积定为7300 km2,通过以上指标比较野骆驼整体分布区以及不同种群分布区的破碎化程度。

2 研究结果

2.1 土地利用变化

近40年来,研究区耕地和建设用地这两类人类活动土地利用类型的面积一直是增加趋势,两种土地利用类型的面积占整个野骆驼历史分布区的比例从1980年的0.52%增加到2018年的1.12%,增加了0.6个百分点,但总体占比很小；草地面积的比例从1980年的14.96%减少到2018年的12.85%,减少了2.11个百分点,属于比较剧烈的变化；未利用地面积比例从1980年83.31%增加到2018年的84.76%,增加了1.45个百分点(表2)。

表2 野骆驼历史分布区范围内1980、2000、2018年各土地利用类型面积及占比Table 2 Land use of wild camel historical distribution range in 1980, 2000, and 2018

近40年来,研究区的林地和水域面积一直保持比较稳定的比例,因此表3仅统计了耕地、建设用地、草地和未利用土地的面积变化和动态度。从面积变化趋势来看,耕地、建设用地和未利用土地均为持续增加趋势,草地面积为持续减少趋势。从动态度来看,2000—2018年间,耕地面积的年增长速度是1980—2000年的24倍,建设用地面积的年增长速度是是1980—2000年的7倍；同时期,草地面积年减少速度是1980—2000年的18倍；未利用土地年增长速度是1980—2000年的27倍。

表3 野骆驼历史分布区范围1980—2018年土地利用类型面积变化及动态度Table 3 Land use change and dynamic index of wild camel historical distribution range from 1980 to 2018

2.2 道路影响

2.2.1道路密度和道路影响域

野骆驼历史分布区范围内道路(含铁路)长度累计为33830km。总体上,区域内道路密度为0.0410km/km2。其中,西部分布区道路密度最低,为0.0190km/km2,东部分布区道路密度次之,为0.0377km/km2,中部分布区道路密度最高,为0.0570km/km2。现存分布区内,野骆驼三个种群栖息地范围内的道路密度均维持在较低水平(表4)。

按照不同等级道路影响域宽度进行缓冲区分析后,总体上,野骆驼栖息地受道路影响面积为16650km2,占整个野骆驼历史分布区面积的2.02%。其中,西部分布区受道路影响面积最低,为1152km2,中部分布区受道路影响面积次之,为6076km2,东部分布区受道路影响面积最大,为9393km2。由于野骆驼现存分布区内道路长度有限,因此其道路影响域面积与历史分布区范围内相比,维持在较低水平(表4)。

2.3 景观格局

利用道路数据对研究区进行切割,去除面积1km2的细小斑块后,研究区斑块数为914个,研究区景观格局见图2。西部分布区斑块数最少,平均斑块面积最大,表明其破碎化程度比中部和东部分布区要低；西部分布区最大斑块面积占整个西部分布区面积比例为52%,要高于中部和东部分布区。中部分布区则保有当前所有栖息地斑块中面积最大的斑块,达到104163km2,东部分布区最大斑块面积为70147km2,在三个分布区中相比,面积最小(表5)。野骆驼的塔克拉玛干沙漠种群所在的西部分布区被横贯塔克拉玛干沙漠的沙漠公路分割后,存在两个大面积斑块,W1和W2,面积分别为67870km2,94098km2,两个斑块面积占到栖息地面积的89%；库姆塔格沙漠种群所在的中部分布区被哈罗公路和哈罗铁路分割后,也分为两个大面积斑块M1和M2,面积分别为104163km2,94525km2,两个斑块面积占到栖息地面积的63%；中蒙边境种群所在的东部分布区,最大斑块E1面积为70147km2。野骆驼的现存分布区,包括塔克拉玛干沙漠分布区、库姆塔格沙漠分布区以及中蒙边境分布区的范围均基本位于以上大面积斑块中(图2)。

表5 野骆驼历史分布区景观破碎化特征Table 5 Fragmentation characteristic of wild camel historical distribution range

图2 研究区叠加道路后景观破碎化格局Fig.2 Landscape fragmentation of study area overlapped with roadsW1：西部分布区最大面积斑块；W2：西部分布区第二大面积斑块；M1：中部分布区最大面积斑块；M2：中部分布区第二大面积斑块；E1：东部分布区最大面积斑块

3 讨论

3.1 土地利用变化影响

研究区受亚洲中部干旱区生态地理格局的影响[24],长期以来,在整个西北野骆驼的历史分布区范围内,人类社会经济发展水平和活动规模受限,土地利用格局变化不大。通过对近40年来野骆驼栖息地各土地利用类型面积的统计,野骆驼栖息地的未利用土地比例始终保持在80%以上,草地的比例在10%以上,二者总和的比例始终在95%以上。野骆驼栖息地以未利用土地和草地为主体的格局保持不变,尤其是沙地、戈壁为主的未利用土地始终占比很大。进入21世纪后的近20年与20世纪的最后20年相比,耕地面积和建设用地的增长速度明显,这与2000年我国西部大开发开始的时间节点相一致；同时期,草地面积持续减少,未利用土地年增长速度明显,在所有地类中居于首位,表明整个野骆驼历史分布区荒漠化的趋势没有得到扭转,问题仍然严峻。对于野骆驼这一荒漠半荒漠环境适应性强的物种来说,近40年的土地利用变化对其种群的繁衍和存续影响不大。

3.2 道路影响及破碎化

社会经济的发展带来了公路和铁路等线性基础设施的跨越式发展,全国公路总里程从新中国成立(1949年)的8.07万km,发展到改革开发初期(1980年)的88.83万km,再到2001年底的169.8万km,截止到2019年末,已达到501.25万km[25- 28],近40年,全国公路里程增长412.42万km。总体而言,研究区内道路密度为0.04km/km2,相比全国0.52km/km2的平均公路密度[28]和0.6km/km2的大型脊椎动物自然种群密度与道路密度关系阈值[29],处于一个较低的水平,但道路及其影响域造成的栖息地分割和阻隔影响了整个野骆驼历史分布区。道路密度会影响动物的栖息地选择[5,30],野骆驼对人类活动极其敏感,不断延伸的道路带来的干扰必然造成野骆驼对道路及周边区域的回避,道路的障碍作用极其明显,表现在当前野骆驼分布范围呈3个孤岛的格局与道路隔离形成的景观格局是一致的。从道路密度和影响域面积占比来看,西部分布区受道路影响最小,原因在于该区域主要为塔克拉玛干沙漠,沙漠为主的地貌以及高大的沙丘导致在该区域道路修筑困难。中部分布区道路密度最大,而东部分布区影响域面积比例最大。通过叠加道路和野骆驼现存分布范围,塔克拉玛干沙漠分布区和库姆塔格沙漠分布区仅被一条道路分割,中蒙边境分布区被国境线分割,三个现存分布区景观格局均维持了较低的破碎度。所有三个当前野骆驼种群分布区道路密度水平和道路影响域面积占比均较所在历史分布区范围道路密度和道路影响域面积低,表明现有野骆驼分布区人为干扰程度要低于整个研究区域。

从整体景观格局来看,斑块数量和平均斑块面积两个指标表明西部分布区破碎化程度比中部和东部分布区要低,最大斑块面积指数表明该区域具备较大野骆驼种群的生存条件,但目前的塔克拉玛干沙漠野骆驼种群调查结果认为该区域种群仅有50峰左右。19世纪中叶前后,野骆驼在和田河以东的塔克拉玛干沙漠中分布面积较大[31]。1980年代以来,野骆驼分布区所在的塔克拉玛干沙漠东部地区开始大规模的油气开采。兰新等人1991—1992年的科考发现,石油勘探和开采地点附近也有野骆驼活动痕迹,证明了克里雅河下游地区野骆驼分布仍然存在[32]。1995到1996年,Hare等在塔克拉玛干进行的科考估计该地区大概有50—80峰野骆驼[10]。但近些年这些地区受放牧、石油开采等影响,野骆驼的分布必定会受到人为干扰的影响,这可能是塔克拉玛干沙漠野骆驼种群减少的主要原因。同时,也需要继续通过大量的野外调查来对该区域野骆驼种群进行核实。中部分布区尽管破碎化较为严重,尤其是哈罗铁路和哈罗公路的阻隔[33],但占到中部栖息地面积63%的两个大面积斑块的存在,使得该区域的野骆驼种群状况较为理想,该区域野骆驼种群数量较为稳定,最少在400峰以上。

西部分布区和中部分布区受道路阻隔影响较小,两个栖息地间野骆驼种群的交流仅需跨越单条线性障碍,且两个区域间野骆驼现存分布斑块直接相连,即西部栖息地的W1和W2斑块与中部栖息地的M1和M2斑块。这四个斑块属于所在栖息地的主体,且受道路影响较小,从单个斑块来讲,基本属于无路区,这对于保持野骆驼栖息地景观的连通和维持,尤其是较大数量的野骆驼种群的大型适宜生境非常重要[5],这与野骆驼现存分布区范围也是一致的。未来通过实施科学的栖息地连通和廊道建设规划,将极有可能实现两个孤立种群的交流连通。同时,在未来的道路规划建设和布局中,要考虑道路规划和建设对野骆驼最小生境面积的影响,在现有景观格局的基础上,避免形成新的分割。并且要避免单纯只考虑孤立的种群分布和所在栖息地,要将影响评估尺度放大到本研究区的尺度上,即在整个野骆驼的栖息地的角度考虑道路的阻隔作用。

中部和东部分布区受地理上河西走廊和陆上丝绸之路的分割[34],该区域是兰新铁路、京新高速等多条铁路和公路进入新疆的必经之路,目前已形成密布的路网,对于中部和东部分布区野骆驼来说,连通几乎不可实现。东部分布区中,蒙古一侧斑块数量为114个,而中国一侧斑块数量达到349个,占到了整个东部分布区的四分之三。该区域,中国一侧的栖息地破碎化程度远高于蒙古一侧,这也是作者近些年的调查,很难在中国边境一侧调查到野骆驼的原因。目前唯一的一块大面积生境E1,即位于蒙古国的大戈壁保护区A区,未来蒙古一侧的野骆驼即使能跨越边境迁移到中国一侧,结合当前的破碎化格局,中国一侧边境地区也已不具备适宜野骆驼定居的最小生境面积。基于该区域的景观格局现状,不认为在该区域野骆驼能回归中国甚至连通中部分布区。建议将更多的保护资源和努力投入到西部和中部分布区种群的维持和连通。

通过对近40年野骆驼历史分布区土地利用和道路的定量分析,土地利用变化并不足以导致野骆驼现存的分布格局,影响野骆驼栖息地丧失和破碎化的主要驱动因素是道路,以道路为主的线性基础设施造成了野骆驼栖息地的隔离,并形成了野骆驼的现存分布格局。维持野骆驼现存分布范围内的无路区格局对野骆驼种群的维持至关重要,结合野骆驼当前的分布和道路格局,则可为野骆驼种群未来的交流和连通提供景观层面的规划方向。