基于RS和GIS的河南國家級自然保護區人類活動與地貌特征研究

王娟，王志紅，初娜，張建國，李斯，劉碧虹

（有色金屬礦產地質調查中心，北京 100012）

0 引言

自然保護區是人類為保護有代表性的自然生態系統、珍稀瀕危野生動植物、有特殊意義的自然遺跡等保護對象，經各級人民政府依法批準的具有特殊保護價值的自然區域。自然保護區是我國自然保護地體系的基礎，是生物多樣性保護的核心區域，也是世界各國保護棲息地內的生物多樣性最直接、最有效的措施之一，還是生態文明建設、維護區域生態安全的有效措施（張明莎等，2020）。截至2018年，我國已建立各類保護區2750多個，保護了我國超過90%的陸地自然生態系統，約89%的國家重點保護野生動植物種類，以及大多數重要自然遺跡。隨著我國經濟快速發展和人口城鎮化的不斷增長，自然保護區面臨的影響與威脅逐漸增多，礦產資源開采、能源開發建設、道路修建、旅游開發及其他工程建設已對自然保護區的生態環境造成負面影響，快速的人類活動使得保護區內的物種有效棲息地不斷被侵占和蠶食，對保護區內的物種和生態系統造成極大威脅，影響了保護區的健康發展，部分保護區已遭到人類違法活動的破壞（權佳等，2010；曹巍等，2019；劉曉曼等，2020）。

地貌是自然環境最基本的組成要素之一，它是研究地球表層形態、成因、分布的重要基礎，地貌形態在不同空間尺度上，影響著水、熱、光照、植被、地質災害等的分布與發展，同時制約著工農業、水利、交通與城市建設、人口分布等，因此，對地貌的研究十分關鍵（丁賢法，2014；靳川平等，2019）。現有許多學者已開展了地貌與環境、土地利用、地質、災害、氣候等方面的研究（夏正楷，1990；施雅風和李吉均，1999；楊洋和畢如田，2011；方瓊和段中滿，2012；明慶忠，2016）。人類活動是導致土地利用類型發生變化的主要影響因子，也是影響生物多樣性和生態系統服務的重要因素（曹巍等，2019）。人類活動識別的精度與遙感影像的空間分辨率呈正相關，空間分辨率低的遙感數據很難識別細微的人類活動，隨著高分二號衛星的發射，我國的遙感監測技術已進入“亞米級”高分辨率時代，現已有學者利用國產高分辨率遙感影像開展自然保護區人類活動遙感監測研究（宋擁軍等，2020；何柏華等，2020）。

本文在“新增礦山恢復治理遙感調查”、“全國礦山環境恢復治理狀況遙感地質調查與監測”和“全國礦山開發狀況遙感地質調查與監測”等中國地質調查局公益項目提供的國產高分辨率遙感數據及其它資料的基礎上，結合數字高程模型（DEM），在GIS技術平臺上研究河南國家自然保護區人類活動分布格局特征及變化時空特點，分析人類活動與地形地貌相互作用的關系，發現保護區存在問題，為當地自然保護區的建設和發展、監督和管理提供有針對性的建議。

1 研究區概況

河南位于中國中東部、黃河中下游，呈西高東低地勢。截至2016年底，該省共設置國家級自然保護區13個，總面積4578.68 km2，主要分布在太行山、伏牛山、大別山和桐柏山等四大山系，以及黃河、淮河和長江干支流區域，按類型劃為森林生態系統類型7個（高樂山、小秦嶺、寶天曼、雞公山、連康山、伏牛山、河南大別山）、內陸濕地類型3個（河南黃河濕地、新鄉黃河濕地鳥類、丹江濕地）、野生動物類型2個（太行山獼猴、董寨鳥類）和古生物遺跡類型1個（南陽恐龍蛋化石群）。這些自然保護區，有效保護了河南75%的國家一、二級重點保護野生動植物物種和80%的典型生態系統。

2 數據與方法

2.1 數據源

河南國家級自然保護區矢量、國產高分辨率遙感數據均來源于中國地質調查局礦山監測項目，DEM數據來源于地理空間數據云網站（http://www.gscloud.cn）。

保護區矢量包含保護區邊界、名稱、類型、保護對象、始建年份等信息。

遙感數據選取覆蓋13個國家級自然保護區的空間分辨率分別為0.5 m、1 m、2 m的國產高分辨率衛星影像共177景，影像云覆蓋率小于5%，影像質量良好，其中以空間分辨率為2 m的高分一號衛星影像為主，同時補充其它類型的影像（表1），遙感影像統一采用1980西安坐標系、高斯－克呂格投影。

表1 2016—2018年保護區遙感數據信息

DEM數據為ASTER GDEM 30M分辨率數字高程數據，用于提取保護區的海拔、地形起伏度、坡度等地貌信息。

2.2 研究方法

（1）人類活動信息提取

利用2016—2018 年國產高分遙感數據，在ArcGIS10.1平臺上，采用人機相結合的方法提取各年度人類活動及其變化情況，將保護區的人類活動劃分為農業用地、園地、淡水養殖場、水域用地、居民用地、采礦用地、交通運輸用地、其他建設用地和人工恢復治理等9大類。

（2）地形因子提取

地形因子是最基本的地理要素,是有效的研究與表達地貌形態特征所設定的具有一定意義的參數或指標，地形因子分為宏觀和微觀兩類，宏觀因子在區域范圍內表征地貌特征，微觀因子則側重于地面具體點位的特征（張坤等，2020）。本文選擇2個宏觀因子（高程、地形起伏度）和1個微觀因子（坡度）。

我國地形的高程分為 4 級：低海拔（<1000 m）、中海拔（1000～3500 m）、高海拔（3500～5000 m）、極高海拔（>5000 m）。利用ASTER DEM（30 m）數據，在ArcGIS10.1模塊中依據我國地形高程劃分級別，劃分保護區的高程。

我國地形起伏度劃分為平原（<30 m）、臺地（30～75 m）、丘陵（75～200 m）、小起伏山地（200～500 m）、中起伏山地（500～1000 m）、大起伏山地（1000～2500 m）、極大起伏山地（>2500 m）等7種類型。利用ASTER GDEM（30 m）數據，在ArcGIS10.1的空間分析中的塊統計功能中采用鄰域范圍15×15矩形分析窗口計算保護區的起伏度。

依據國際地理學聯合會地貌調查與地貌制圖委員會關于地貌詳圖應用的坡地分類標準，將坡度劃分為平原（0°～2°）、緩斜坡（2°～5°）、斜坡（5°～15°）、陡坡（15°～25°）、急坡（25°～35°）、急陡坡（35°～55°）、垂直坡（55°～90°）等7個等級。利用ASTER GDEM（30 m）數據在ArcGIS10.1的表面分析中計算保護區的坡度。

3 結果與分析

3.1 保護區地貌

3.1.1 保護區地貌概況

河南國家級自然保護區最低海拔65 m，最高海拔2383 m，地表起伏度從0～860 m之間，依據高程、地表起伏度將保護區劃分為9種基本地貌類型（表2）。

表2 保護區各地貌類型面積及比例

保護區有96.66%的面積位于低海拔區域，有3.34%的面積位于中海拔區域，低海拔臺地、丘陵和小起伏山地為主要地貌類型，其次為低海拔平原、中海拔丘陵、小起伏山地等類型，所占比例較低，中海拔臺地、低海拔中起伏山地、中海拔中起伏山地等地貌呈零星分布。

保護區坡度位于0°～76.61°之間，將保護區劃分為平原、緩斜坡、斜坡、陡坡、急坡、急陡坡、垂直坡等7個等級，其中，坡度15°以下的區域面積占總面積的66.93%，55°以上的區域面積僅占總面積的0.05%，保護區坡度主要為陡坡以下的坡度（表3）。

表3 保護區各坡度等級面積所占比例

3.1.2 保護區類型與地貌關系

河南國家級自然保護區劃分為森林生態、內陸濕地、野生動物和古生物遺跡等4種類型，森林生態類型的保護區涵蓋了8種地貌類型，主要為低海拔小起伏山地和丘陵；內陸濕地和古生物遺跡類型的保護區涵蓋了4種地貌類型，主要為低海拔的平原、臺地和丘陵；野生動物類型的保護區涵蓋了9種地貌類型，主要為低海拔的丘陵和小起伏山地（表4）。

表4 保護區各地貌類型面積/km2

保護區坡度級別也呈差異化，如森林生態類型的坡度類型無垂直坡，主要為陡坡、斜坡和急坡；內陸濕地類型的坡度主要為平原，其次為緩斜坡；野生動物類型的坡度類型較全，主要為緩斜坡和陡坡，古生物遺跡類型的坡度無急陡坡以上的類型，主要為斜坡、緩斜坡和平原（表5）。

表5 保護區各坡度等級面積所占比例/%

3.2 人類活動及其變化與地貌分析

3.2.1 2016年人類活動與地貌

3.2.1.1 2016年人類活動

2016年，河南國家級自然保護區人類活動非常普遍，13個保護區均有不同程度的人類活動，保護區人類活動總數量10645處，面積共1725.34 km2，其面積占保護區總面積的37.72%。在各類型人類活動中農業用地面積最大，數量也最多，分別占人類活動總面積和總數量的 74.11%和69.98%，其次是水域面積，占比分別為17.21%和16.48%，城鎮村莊等居民用地的面積和數量位于人類活動面積和數量的第三位，占比分別為3.35%和11.86%（圖1、表6）。

2016年森林生態、內陸濕地、野生動物和古生物遺跡等類型的保護區人類活動數量和面積分別占人類活動總數量/總面積的9.27%/3.77%、30.62%/51.88%、34.46%/9.41%和25.66%/34.94%。內陸濕地保護區有8種人類活動類型，主要為農業用地和水域，其它人類活動占地面積較小；古生物遺跡和野生動物保護區有7種類型，主要為農業用地；森林生態保護區有5種人類活動類型，主要為農業用地和水域，其次為采礦用地和園地（表6）。

在人類活動用地中農業用地的數量和面積均遠遠超過其它人類活動用地，受歷史遺留等因素的影響，保護區規劃時沒有將農田劃出保護區之外，因此，農業用地普遍分布于各類型保護區內，主要集中分布于古生物遺跡和內陸濕地；水域用地的數量和面積位于人類活動的第二位，占比為16.47%和17.21%，分布也較普遍，主要集中于內陸濕地；居民用地的數量和面積位于人類活動的第三位，分布于4 種類型保護區，主要集于古生物遺跡；園地、采礦用地也分布于4種類型的保護區，主要集中于內陸濕地，其次為森林生態；交通運輸用地和其他建設用地分布于3種類型的保護區，主要集中于內陸濕地；淡水養殖場只分布于內陸濕地（圖1、表6）。

表6 2016年保護區人類活動類型的數量及面積

圖1 2016年保護區各類型人類活動數量（a）及面積（b）百分比圖

3.2.1.2 2016年人類活動與地貌

地貌對人類活動類型的分布具有較強的控制作用，保護區內的各項人類活動主要分布于低海拔臺地和平原，占總面積的85%，其次分布于低海拔丘陵，占比為13.84%，其它地貌類型的人類活動面積很小。農業用地、園地、淡水養殖場、水域用地、居民用地、交通運輸用地和其他建設用地主要分布于低海拔的平原、臺地和丘陵，有極小部分的農業用地和居民用地分布于低海拔小起伏山地、中海拔臺地、丘陵和小起伏山地，人類活動對環境有較強干擾的采礦用地主要分布于低海拔的丘陵、小起伏山地、平原和臺地，還有小部分采礦用地分布于中海拔丘陵和小起伏山地（表7）。

表7 2016年保護區人類活動各地貌類型面積及比例

保護區的人類活動主要集中于斜坡（坡度15°）以下區域，其累計面積百分比為96.54%，其中有50%以上的人類活動主要集中于坡度小于2°的平原，有近26%的人類活動集中于坡度5°以下的緩斜坡區域；斜坡以上區域的人類活動很少，只有很小部分的農業用地、園地、水域和采礦用地分布于坡度大于15°的陡坡、急坡和急陡坡區域，保護區內坡度大于55°以上的垂直坡區域無人類活動（表8）。

表8 2016年保護區人類活動各坡度等級面積所占比例/%

3.2.2 人類活動變化與地貌

3.2.2.1 人類活動時空變化

2016—2017年，河南有12個國家級自然保護區新增了6種類型的人類活動共482處，新增面積共33.83 km2。在新增人類活動類型中，人工恢復治理的數量和面積最多，數量占比47.72%，面積占比81.24%，其中，恢復水域用地的數量和面積較大，占總新增數量和面積的比例45.44%和77.77%，內陸濕地類型的保護區開展了退耕還濕和采礦用地恢復治理（表9）。

表9 2016—2017年保護區新增人類活動面積及數量

2017—2018年，河南有6個國家級自然保護區新增了4種類型的人類活動共80處，新增總面積3.897 km2。在新增人類活動類型中，人工恢復治理的數量和面積最多，數量占比為30%，面積占比84.63%，其中，恢復草地的面積和數量較大，占總新增數量和面積的比例27.50%和74.67%，內陸濕地的部分礦山開展恢復治理工作（表10）。

表10 2017—2018年保護區新增人類活動面積及數量

2016—2018年，新增人類活動主要集中于內陸濕地型保護區，新增人類活動的面積最大、數量也較多，其次是森林生態型保護區，野生動物型保護區新增人類活動較弱，古生物遺跡保護區在2017—2018年無新增人類活動，內陸濕地類型的保護區人類活動對環境的影響強于其它類型的保護區。

對比2016—2017年和2017—2018年的新增人類活動數量和面積，2016—2017年期間人類活動對自然保護區的影響強于2017—2018年。人類活動對保護區的影響即有正面影響也有負面影響，產生正面影響的人類活動表現為新增林地、草地、水域（濕地）等人工治理，產生負面影響的表現為新增農業用地、采礦用地、居民用地、交通運輸用地和其他建設用地等；2016—2017年、2017—2018年人類活動對保護區產生正面影響的面積分別為27.486 km2和3.298 km2，產生負面影響的面積分別為6.345 km2和0.598 km2，這兩個時段，人類活動對保護區產生的正面影響的面積是負面影響面積的4倍多，表明河南國家級保護區加強了生態環境恢復治理（圖2）。

圖2 2016—2018年保護區人類活動變化數量（a）及變化面積（b）統計圖

3.2.2.2 人類活動變化與地貌

2016—2017年，各類型人類活動分布于低海拔的地貌類型，面積為33.745 km2，占比99.75%，主要集中于低海拔的平原和臺地，丘陵和小起伏山的人類活動主要為采礦用地、交通運輸用地和其他建設用地，只有采礦用地分布于中海拔丘陵（表11）。人類活動主要集中分布于坡度小于15°的斜坡以下區域，面積百分比累計為97.52%，是各類型人類活動集中分布區域，如退耕還濕的水域面積百分比累計為77.22%；坡度大于15°以上的陡坡、急坡和急陡坡區域的人類活動面積百分比累計僅為2.48%，人類活動類型主要為采礦用地，其占比為1.09%（表12）。

表11 2016—2018年保護區新增人類活動各地貌面積及比例

2017—2018年，各類型人類活動也分布于低海拔的地貌類型，其面積為3.836 km2，占比為99.81%，主要集中于低海拔的丘陵、臺地、小起伏山地和平原，這期間人工恢復治理的草地面積較大，其來源于采礦用地的轉化，中海拔臺地和丘陵的人類活動類型為采礦用地和其他建設用地（表11）。人類活動相對集中于斜坡區域和陡坡區域，面積百分比累計為63.57%，其次為平原、緩斜坡區域和急坡區域，面積百分比累計為35.17%，急陡坡區域的面積百分比為1.26%，斜坡以下的人類活動面積百分比累計62.27%，人類活動主要類型為人工恢復治理草地，其主要來源于采礦用地恢復治理（表12）。

表12 2016—2018年保護區新增人類活動各坡度等級面積所占比例/%

4 結論

（1）利用數字高程數據可以較準確劃分保護區地貌類型和坡度等級，確定保護區地貌類型及坡度分布情況，為深入分析保護區內人類活動與地貌關系提供基礎支撐。

（2）利用國產高分辨率遙感影像可以高效、客觀、準確判讀和提取人類各項活動及其變化的時空格局，準確查清自然保護區人類活動的空間分布狀況、類型、強度及其動態變化等特點，為自然保護區日常監管和生態環境保護等提供基礎數據和支撐。

（3）確定人類活動主要集中的地貌類型及主要坡度范圍，分析不同地貌類型、不同坡度等級的人類活動類型基本分布規律及特征，能發現人類活動存在的問題，如在坡度25°（急陡坡）以上零星分布農業用地，這部分農業用地禁止開墾，退耕還林或還草。

（4）利用遙感技術調查監測保護區的人類活動及其時空變化，可及時評估和發現管理保護中存在的問題，為保護區的決策提供合理化建議和數據支撐。

（5）本項研究還存在一些局限性，如受遙感數據的限制，本項研究時間只有3年，如將研究的時期擴大到10年或15年，更能準確揭示人類活動及其變化規律；沒有細分保護區的功能區，他人研究成果表明人類活動對保護區的影響程度是實驗區大于緩沖區大于核心區。