九寨溝自然保護區生態安全動態評價及障礙因子

廖雨辰,謝 雨,劉俊雁,3,朱忠福,4,吳 彥,*

1 中國科學院成都生物研究所,成都 610041 2 中國科學院大學,北京 100049 3 西華師范大學,南充 637002 4 九寨溝國家級自然保護區管理局,九寨溝 623402

隨著經濟活動規模不斷擴大,人類社會對自然資源進行著前所未有的開發利用,生活品質得到顯著提升。與此同時,全球氣候變化、生物多樣性喪失、土地荒漠化等一系列環境問題爆發[1]。生態環境的劇烈變化對人類生存和社會發展造成了不同程度的影響,國際社會對安全的關注重點已逐漸轉變[2]。1987年,世界環境與發展委員會在《我們共同的未來》報告中明確指出,安全的定義已超出國家主權和政治軍事威脅范圍,逐漸擴展至自然環境的惡化和社會發展條件的破壞[3]。自然保護區作為維持區域生物多樣性最有效的措施,在涵養水源、維持生態系統平衡等方面發揮重要作用[4]。近年來自然保護區得到快速發展,區域生態安全狀況得到改善,優美的生態環境吸引了眾多游客參觀游覽,促進了當地社會經濟的發展[5]。同時,自然保護區生態環境壓力加劇,部分保護區出現天然林破壞、河流污染和資源退化等問題[6-7]。因此,科學評估自然保護區生態安全狀況,探明保護區生態安全與自然、社會、經濟的關系,反映自然保護區管理與游客活動對區域生態安全的影響,對促進區域社會經濟可持續發展具有重要的理論意義和科學價值[8-9]。

1989年,國際應用系統分析研究所首次從廣義的自然、經濟和社會生態安全和狹義的生態系統完整性和健康程度兩個層面定義生態安全[10]。2000年,國務院發布《全國生態環境保護綱要》指出,生態保護對維護國家生態環境安全的重要作用。近年來更是將生態安全納入總體國家安全觀的一個重要議題。生態安全逐漸受到生態學領域關注,研究熱點從概念與學科體系的構建轉變為生態安全的識別、輔助決策技術方法的完善,以社會經濟可持續發展為前提[9,11],從城市發展[12-13]、農業活動[14-15]、耕種用地[16-17]等角度,分析氣候變化和人口增長對某些特定地區糧食安全、資源變化和生態環境狀況[18],現有研究對自然保護區生態安全評價關注較少[19-21]。此外,各評價體系中指標差異性較大、針對性較強,以城鎮化水平、農業財政收支、人均耕地為側重點的評價體系[22-24],不適用于以旅游活動和自然環境為主的保護區生態安全評價[21,25]。研究指出,導致生態系統劇變的風險因素(如地震、火災、臺風等)是生態系統形成與發展的重要組成部分[26-27],已有研究對自然保護區突發性自然災害的關注不足[7,28-29]。

九寨溝國家級自然保護區內蘊藏有豐富的動植物資源,是我國生物多樣性保護的關鍵地段之一,先后獲得“世界自然遺產”、“人與生物圈保護區”等榮譽[30]。同時,九寨溝地處青藏高原植被區與季風濕潤森林區的過渡帶,對氣候和降水格局的變化敏感,夏秋之際常發生自然災害,屬生態脆弱敏感地區,亟需對該區域生態安全進行研究[6,31]。有學者采用生態足跡法對九寨溝2004年生態安全進行評價,但較少考慮自然環境、管理措施等因素對保護區的影響[32],且僅為一年的靜態數據測評,無法準確反映長時間序列的動態變化。因此,本研究在參考國內外指標體系的基礎上,采用PSR模型和障礙因子法,從壓力、狀態、響應維度構建評價體系,分析近20年來九寨溝自然保護區的生態安全變化趨勢,探明生態安全的主要影響因素,探討地質災害對保護區生態安全的影響,為保護管理工作提供科學指導,為九寨溝保護區可持續發展提供有效對策,為中國自然保護區生態安全評價提供參考案例。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

九寨溝國家級自然保護區地處103°46′—104°03′E、32°54′—33°16′N,如圖1所示,屬高山峽谷區,地勢南高北低,海拔1996—4764 m,年均溫6—14℃,年降水量600—840 mm,是大熊貓(Ailuropodamelanoleuca)、川金絲猴(Rhinopithecusroxellana)、四川紅杉(Larixmastersiana)等多種珍稀物種生息繁衍場所[5, 27]。隨著旅游業迅猛發展,保護區年均游客量超百萬人次,對區域生態系統造成不同程度的影響,表現為生物多樣性降低、土壤營養元素流失等環境問題[6,31,33]。基于此,九寨溝管理局先后推行“溝內游,溝外住”、“限量旅游”、“生態公廁”等措施,以緩解生態環境與旅游活動之間的矛盾,提升保護區生態安全狀況。

圖1 研究區域示意圖

1.2 數據來源

研究期內(2001—2019年)基礎數據均來自《阿壩藏族羌族自治州國民經濟和社會發展統計公報》、《九寨溝縣年鑒》、《阿壩州年鑒》和《四川九寨溝自然保護區綜合科學考察報告》,輔以九寨溝國家級自然保護區管理局提供的各年份生態環境統計報告。

2 研究方法

2.1 評價模型的選擇及指標體系的構成

九寨溝保護區旅游業發展迅速,旅游活動對生態環境和自然資源具不同程度的影響。PSR模型由經濟合作發展組織和聯合國環境規劃署共同提出,能客觀反映人類活動、社會經濟與自然環境的相互制約、相互依存的關系[34]。因此,本研究遵循科學性、客觀性原則,以PSR模型為基本框架構建九寨溝保護區生態安全評價體系(表1)。

表1 生態安全評價指標體系及量化

2.2 指標的篩選及權重的確定

基于文獻調研和歷史數據分析,從社會經濟、自然環境、管理政策等方面預選28項指標組成評價初體系。采用經典的Delphi法[20],對評價指標進行兩輪專家意見征詢。第一輪,刪除、修正代表性較差指標,最終確定含23項指標的九寨溝生態安全評價總體系(表1)。第二輪,打分記錄各項指標重要性值并計算其權重(圖2),其處理方法如下：

圖2 各項評價指標權重值

式中,n為打分專家數,ai為專家對該指標所打的權重,bi為專家對該指標的得分,m為指標數,E為該指標的最終權重。

2.3 評價指標的標準化

各指標間量綱單位不同,需對其進行標準化處理,具體處理方法如下：

設Xi(i=1, 2,…, 23)為第i個評價指標的現狀值,Ni為評價指標的標準值,P(Ci)(Ci為指標編號,i=1, 2,…, 23)為第i個指標的安全指數,其取值范圍為[0,1]。

(1)對于生態安全的正指標,其值越大表示越安全的指標。①當Xi,Ni>0且Xi≥Ni或當Xi,Ni<0且︱Xi︱≤︱Ni︱時,P(Ci)=1；②當Xi,Ni>0且Xi︱Ni︱時,P(Ci)=Ni/Xi；④當Xi<0

(2)對于生態安全的逆指標,其值越大表示越不安全的指標。①當Xi,Ni>0且Xi≤Ni或當Xi,Ni<0且︱Xi︱≥︱Ni︱時,P(Ci)=1；②當Xi,Ni>0且Xi>Ni時,P(Ci)=Ni/Xi；③當Xi,Ni<0且︱Xi︱<︱Ni︱時,P(Ci)=Xi/Ni；④當Xi>0>Ni時,則P(Ci)=0。

2.4 基準來源及標準值的確定

生態安全評價中,評價指標類型繁多、單位各異,無法對其實測值直接進行對比,需依據不同基準確定各項指標的標準值,根據標準來源不同分以下四類：①國家、行業和地方規定值；②背景或本底數據值；③類比數據值；④專家經驗值。

2.5 生態安全指數的計算

采用線性加權法對九寨溝生態安全進行綜合評分,計算公式為：

式中,P為安全指數,Ei為第i項指標權重,pi為第i項指標安全指數,m為指標數。

2.6 生態安全等級劃分

根據保護區生態安全綜合評價分值高低將生態安全指數劃分為4個級等級,如表2所示,其值越大表示九寨溝自然保護區生態安全度越高。

表2 生態安全指數劃定標準

2.7 障礙度因子分析

由于評價體系準則層和指標間權重不同,無法準確反映各指標對生態安全的影響程度。因此,引入因子貢獻度Eij、指標偏離度Vij和障礙度(mij,Mij)指標,分析影響生態安全的主要障礙因子,其計算公式如下：

式中,Eij為第i年單項指標j的權重,Xij為第i年單項指標j的標準化值,mij第i年單項指標j的障礙度,Mij為第i年準則層指標的障礙度。

3 結果與分析

3.1 九寨溝生態安全指數變化分析

3.1.1壓力指數變化分析

2001—2019年九寨溝生態安全壓力指數如圖3所示,在準則層中,生態安全壓力指數最低且呈波動下降趨勢,變幅為0.1770—0.2650,兩次波谷分別出現在2008年、2017年,年均下降率0.72%,說明保護區所面臨的威脅和壓力逐年增加。究其原因,主要包括如下兩個方面：在社會經濟壓力方面,保護區建立早期,管理建設與社區發展矛盾突出,居民人數增長尚未得到有效控制導致壓力不斷增大。2004年后,社區參與模式不斷發展,保護區居民逐漸加入到保護管理工作中,居民保護意識增強,居民人數年增長率趨于穩定。與此同時,九寨溝旅游業不斷發展,年游客數從119萬(2001年)增加至509萬(2015年),觀光車數量為過去的一倍,使2015年社會環境壓力指數最低,為0.0928。在自然環境壓力中,受汶川地震和九寨溝地震影響,2008年、2017年自然環境壓力指數急劇下降,分別為0.0731、0.0722,較上年下降58.28%、16.90%,地質災害的頻發是制約保護區壓力安全的主要指標。

圖3 2001—2019 年九寨溝國家級自然保護區生態安全壓力指數、狀態指數、響應指數和綜合指數的變化

3.1.2狀態指數變化分析

研究期間,九寨溝生態安全狀態指數呈波浪式交替遞減(圖3),變幅為0.2417—0.3096,年均下降率為0.33%,僅2008年、2017年狀態指數變化略微明顯。其中,社會經濟狀態指數受旅游業市場影響較大,隨著游客量逐年增加,居民通過參股的形式投入到保護區建設、運營和收益分配中,成為保護區旅游發展的最大受益者,居民人均收入不斷提高。另一方面,游客量增加對自然保護區承載能力具較大影響,繼而影響自然環境狀態指數,導致各狀態指數內部變化明顯。同時,地質災害頻發造成保護區森林植被大面積破壞,園區施行暫停開放等政策導致狀態指數個別年份波動異常。

3.1.3響應指數變化分析

九寨溝生態安全響應指數如圖3所示,響應指數總體呈逐年波動上升趨勢,變幅為0.2412—0.3580,年均增長率為2.55%。研究期間,旅游者及政策制定者環境保護意識增加,并依托環境監測站定期開展水文、氣象、旅游監測以及火災、地震、病蟲害日常巡查與防治工作,是保護區響應指數穩步提高的主要原因。在2011—2017年響應指數出現小幅度回落,主要原因為管理部門對生態環境保護重視程度減弱,環境保護投入由2010年的1337萬減少至2011年的391萬元,較上年減少241.94%。此后,隨著災后應急等項目的開展,保護投入增加響應指數呈反彈增長。

3.1.4綜合安全指數變化分析

2001—2019年,九寨溝保護區生態安全指數總體呈曲折上升趨勢,如圖3所示,變幅為0.7108—0.8786,年均增長率為0.46%。九寨溝生態安全演變歷程為“安全-臨界安全-安全-臨界安全-安全”。總體而言,生態安全處于“安全”狀態(0.75≤P≤1),僅個別年份(2008年、2017年)受自然災害影響,安全等級降至“臨界安全”水平,表明九寨溝自然保護區生態環境良好,生態系統穩定,具有一定的自我調節和恢復能力,以應對突發性自然災害對區域生態安全的影響。受汶川地震和九寨溝地震影響,2008年生態安全指數為0.7108,達歷史最低,2017年為0.7215,隨著自然環境逐漸好轉,2009年升至0.8471,并于2018年達歷史最高為0.8786,分別較災害發生當年增長19.18%、21.77%。值得注意的是,2018年的激增態勢受人為管控、旅游發展、保護投入及管理防控措施的影響較大,僅為短期不可持續發展下的安全水平,隨著保護區的逐步開放,生態安全指數會呈略微下降的趨勢,但區域可持續發展水平增加,保護區生態安全狀況穩步向好發展,未來需進一步跟蹤調查,探明區域可持續發展對生態安全的影響。

3.2 九寨溝生態安全障礙因子分析

3.2.1準則層障礙因子分析

九寨溝生態安全準則層阻礙度變化如圖4所示,總體上看,響應層是九寨溝生態安全主要影響層,隨著管理體制的完善和保護投入的增加,阻礙度由80.14%(2001年)以年均6.61%的速度逐年下降,至2019年達35.52%,障礙度降至第二。壓力層以年均9.70%的速度,由15.99%逐步增加至45.47%,受地質災害和旅游發展的共同影響,至2019年逐漸成為九寨溝保護區主要影響層。狀態層障礙度總體呈震蕩變化,位居第三,峰值出現在2008年和2017年,分別為24.8%、24.79%,分別較上年增加50.33%、264.73%。

圖4 2001—2019年九寨溝國家級自然保護區生態安全的準則層障礙度/%

3.2.2指標層障礙因子分析

由于指標層因子較多,僅列出障礙度排名前5的指標(累計障礙度超過50%),并統計了主要障礙因子出現頻次,如表3、表4所示。2001—2007年,九寨溝保護區生態安全主要的障礙因子依次是法律完善程度(C22)、污水處理設施完善程度(C20)和地質災害防控措施完善程度(C17)。2008—2019年,保護區管理體制和災害防治措施的不斷完善,地質災害發生次數(C6)、保護區居民數年增長率(C2)、居民人均收入年增長率(C8)和生態環境保護投入占GDP比例(C21)成為主要障礙因子。

表3 2001—2019年九寨溝國家級自然保護區生態安全指標層障礙因子障礙度/%

表4 2001—2019年九寨溝國家級自然保護區生態安全主要障礙因子的出現頻次

2001—2019年,障礙因子出現頻率最高的指標是保護區居民數年增長率(C2),達12.63%,其次是地質災害發生次數(C6)和法律完善程度(C22),分別為10.53%、9.47%。因此,需要提高病蟲害、地質災害的防治技術和應對措施,加大地質災害隱患點的排查力度,完善保護管理措施,開展水體保護研究,實施游客限流政策,以減緩旅游活動對自然資源的影響,提升九寨溝保護區生態安全狀況。

4 討論與結論

4.1 討論

4.1.1地質災害對九寨溝生態安全的影響

研究期內,九寨溝自然保護區先后在2008年、2017年經歷過兩次較大強度地震,生態安全等級驟降至“臨界安全”水平,分別為0.7108、0.7215。研究發現,兩次地震前后生態安全指數的變化原因各不相同。

2001—2007年,九寨溝管理部門對生態環境保護意識不斷增強,保護區率先引入全自動環保型生態廁所,并積極搭建水文、水質和氣象監測站點,推行“溝內游,溝外住”政策,以減少游客食宿對區域生態環境的影響,但旅游開發行為和經營模式較為粗放,尚未形成系統性、數字化的監督管理體系[35]。隨著九寨溝旅游業發展,游客年均增長率達20.05%,2007年游客數超250萬人次,旅游活動對保護區生態環境壓力不斷增加[36],生態安全狀況逐年下降。2008年,受汶川地震影響,保護區地質災害達40余次,是汶川地震前期的20余倍[35-36],突發性自然災害擾動是潛在地震、泥石流發生的重要誘因,并進一步引起湖泊水質沉積物變化[36],導致2008年九寨溝保護區生態安全指數達歷史低值。

2009—2016年,九寨溝保護區積極開展旅游承載力評估工作,科學核算單日游客最大容量,布設生物多樣性野外巡護樣點和生態系統監測大樣地,實行常規化科研與監測活動,先后推行各項管理規范與方法,堅持開展地質災害群監測和應急監測工作,生態安全得到穩步提升。2017年,九寨溝保護區發生里氏7.0級地震,保護區植被大面積破壞、保護區暫停開放、居民收入驟減,由于經歷了汶川地震后,保護區應對突然性自然災害的能力增強,生態安全等級雖有所下降,尚未對保護區生態安全構成威脅性影響。研究表明,隨著災后重建項目有效推進,綜合性監測平臺建設完善,保護區生態環境逐漸恢復,2018年生態安全指數達到歷史最高值0.8786,較地震發生當年增長21.77%,說明保護區具有一定的自我調節和恢復能力,通過科學有效管理與防治預警體系,九寨溝保護區可較好應對自然災害對其生態安全的影響,也從側面反映了該評價體系的精確性和敏感性。

4.1.2研究方法的可行性和局限性

PSR模型是目前評估生態安全變化的最為廣泛的方法之一,本研究以保護區可持續發展為視角,結合Delphi-PSR法和障礙因子分析法,從自然、社會和經濟角度選取23項指標,構建九寨溝自然保護區生態安全評價體系,對2001—2019年生態安全狀況進行時間序列的動態評價,識別九寨溝生態安全的主要限制因素。

九寨溝生態安全指數總體呈曲折上升趨勢,保護區整體處于“安全”狀態。章錦河等[32]研究認為,2004年九寨溝處于生態安全狀態,保護區旅游發展對自身生態安全影響較小。本文研究結果與前人的研究結果相似,說明該評價體系可較好的反映不同年份生態安全狀況及其動態變化,為九寨溝保護管理規劃提供科學方向,為我國自然保護區生態安全評價提供參考案例。然而,評價體系涉及因素較為復雜,現有歷史數據、資料受可獲得性限制,本文未能從不同功能區劃的角度分析保護區內生態安全狀況,未來仍需研究者結合衛星遙感數據和空間分析技術,構建更為全面的九寨溝保護區生態安全評價體系,從空間格局角度反映九寨溝保護區生態安全動態變化。

4.2 結論

2001—2019年,九寨溝保護區生態安全指數由0.7933升至0.8623,呈曲折上升趨勢,其中壓力和狀態安全指數呈波動下降趨勢,響應指數呈逐年波動上升趨勢。安全等級演變歷程為“安全-臨界安全-安全-臨界安全-安全”,總體而言,保護區處于“安全”狀態,僅個別年份受地質災害影響,安全等級降至“臨界安全”水平。隨著自然環境逐漸好轉、旅游壓力緩減,災害后一年保護區達“安全”水平,較上年分別提升19.18%、21.77%,說明保護區具有一定的自我調節和恢復能力,以應對自然災害對區域生態安全的影響。

通過障礙因子診斷可知,2001—2019年,九寨溝保護區生態安全障礙主要來自響應層,主要障礙指標為保護區居民數年增長率(C2),達12.63%,其次為地質災害發生次數(C6)和法律完善程度(C22),分別為10.53%、9.47%。隨研究時間不同,障礙因子在數量、類型及障礙度大小上均有一定變化。2001—2007年保護區主要障礙因子依次是法律完善程度(C22)、污水處理設施完善程度(C20)和地質災害防控措施完善程度(C17)。隨著災害防治措施和管理體制的不斷優化完善,2008—2019年,地質災害發生次數(C6)、保護區居民數年增長率(C2)、居民人均收入年增長率(C8)和生態環境保護投入占GDP比例(C21)成為保護區的主要障礙因子。因此,需進一步提升災害防治技術和保護管理應對措施、優化社區共管制度,探索自然保護與社區居民和諧可持續發展的科學路徑,以穩步提升九寨溝保護區生態安全水平。