近40年野駱駝歷史分布區土地利用變化及生境破碎化驅動因素

薛亞東,李 佳,李迪強,*

1 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所, 北京 100091

2 生物多樣性保護國家林業和草原局重點實驗室, 北京 100091

3 中國林業科學研究院荒漠化研究所, 北京 100091

目前分布于我國西北及中蒙邊境地區的野生雙峰駝(Camelusferus,以下簡稱野駱駝),是其所在荒漠生態系統的旗艦物種,也是中亞地區的重要遷徙物種[1]。中亞地區遷徙物種的保護受到了國際上的廣泛關注,維持這一野生動物的遷徙熱點并緩解其面臨的威脅對于全球生物多樣性保護具有重要意義[2]。直到19世紀中期,野駱駝的地理分布區域還相當大,其范圍從青海省蘇干湖地區經阿爾金山、羅布泊地區、塔克拉瑪干、天山以北卡拉麥里地區,直到中蒙邊境,且分布區連續[3]。新中國成立以來,我國西部地區經濟快速發展,尤其是隨著“西部大開發”政策的實施,西部地區開展了大規模的公路、鐵路等交通路網建設[4]。不斷完善的基礎設施,不可避免的給野生動物造成了影響。道路對野生動物造成的影響包括棲息地喪失、棲息地連通性下降、棲息地阻隔和孤島化等[5- 6]。

目前,野駱駝種群孤立分布在我國的塔克拉瑪干沙漠東部、羅布泊北部嘎順戈壁、阿爾金山北麓及阿奇克谷地(庫姆塔格沙漠地區)、以及中蒙邊境的外阿爾泰戈壁等地區,種群數量不足1000[7- 9]。其中,塔克拉瑪干沙漠種群僅50峰左右,野駱駝會在克里雅河下游至塔里木河南岸間的沙漠里活動和遷移[10- 11]；得益于庫姆塔格沙漠地區保護區網絡的有效保護,近些年的調查表明,該區域野駱駝種群數量穩中有升,目前約為550—650峰,部分群體存在阿爾金山北麓與阿奇克谷地間的遷移[12- 14]；中蒙邊境種群目前在中國境內已基本消失,該種群主要在蒙古國的大戈壁保護區A區活動,種群數量近些年也有增長,約為500峰左右[15],衛星跟蹤數據顯示,未有個體越過邊境活動[16]。對于野駱駝而言,長期的棲息地孤島化可能導致野駱駝種群的近親繁殖,進而導致該種群有滅絕的風險。開展野駱駝歷史分布區土地利用變化及破碎化研究,有助于識別野駱駝歷史分布區破碎化的主要驅動因素,定量評估人類活動對不同野駱駝種群分布區破碎化的影響程度,通過對其分布區景觀格局的評估,可以為野駱駝棲息地整體連通性的改善,以及促進不同野駱駝種群遷徙擴散提供科學的建議。研究還將為避免或緩解線性基礎設施建設或路網規劃對野駱駝棲息地的影響提供科學依據。

1 研究方法

1.1 研究區域

根據Schaller和Reading等人的研究[3,17],提取野駱駝1850年的分布范圍作為此次野駱駝歷史分布區土地利用變化和破碎化分析的范圍(圖1)。通過數據矢量,該區域面積約為825476km2。行政區域上涉及了我國的新疆、青海、甘肅、內蒙古4省,以及外蒙古的戈壁阿爾泰省和巴彥洪格爾省,覆蓋塔克拉瑪干沙漠、庫姆塔格沙漠、羅布泊地區以及外阿爾泰戈壁等區域。根據當前野駱駝棲息地分布現狀,結合道路分布,國道218、蘭新鐵路大致將整個研究區域分為3個片區,分別為西部歷史分布區(W),主要為塔克拉瑪干沙漠中東部區域,面積182275km2；中部歷史分布區(M),主要為庫姆塔格沙漠、羅布泊及周邊戈壁荒漠地區,面積317324km2；東部歷史分布區(E),主要為蒙古大戈壁保護區、中蒙邊境周邊區域,面積為325876km2。野駱駝現存分布區矢量數據來源于IUCN瀕危物種紅色名錄對野駱駝的評估[8],分別為塔克拉瑪干沙漠分布區(T),庫姆塔格沙漠分布區(K)和中蒙邊境分布區(B)。

圖1 野駱駝歷史分布及現存分布區Fig.1 Historical distribution range and current distribution range of wild camelW：西部歷史分布區；M：中部歷史分布區；E：東部歷史分布區；T：塔克拉瑪干沙漠分布區；K：庫姆塔格沙漠分布區；B：中蒙邊境分布區

1.2 數據來源

為評估土地利用對野駱駝分布區的影響,從中國科學院地理與資源研究所和中國科學院資源環境科學數據中心的資源環境數據云平臺上下載了三期新疆、青海、甘肅、內蒙古4省的中國土地利用/土地覆蓋遙感監測數據,分別為1970年代末期(1980年)、2000年和2018年。評估中利用一級分類系統,一級分為6類,主要根據土地資源及其利用屬性,分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地[18- 19]。蒙古國土地利用數據未能獲取,但中國境內野駱駝歷史分布區占到了整個野駱駝歷史分布區面積的84.5%,具有一定的代表性。

道路數據來自OpenStreetMap,下載了最新的中國和蒙古國道路矢量數據,包括公路和鐵路數據。利用研究區域范圍進行數據剪切,獲得研究區域范圍內道路分布數據,根據OpenStreetMap數據字段及其含義,進一步篩選出用于分析的主要公路類型(表1),用于道路密度和道路影響域面積計算。與國內公路等級進行對照,參考李雙成研究中的各級道路特征及緩沖帶寬度確定影響域寬度[20]。鐵路數據則參考呼和浩特、蘭州、烏魯木齊三個鐵路局線站示意圖,確定鐵路名稱?？紤]到鐵路的封閉性,將其影響寬度設為1000m,與高速公路級別一致。

表1 OpenStreetMap公路字段、含義、對應的中國公路及影響域寬度Table 1 Value, meaning, corresponding Chinese road and road-effect zone of OpenStreetMap

1.3 分析方法

對1980、2000和2018三個時期野駱駝歷史分布區內各土地利用類型面積進行統計,利用動態度分析[21- 22],分析其變化情況。

式中：SD為某地的某類型土地的動態變化度；Ai為起始時間該土地類型的面積；Aj為終結時間該類型土地面積。正值表示該類型土地面積在增加,負值表示該類型土地面積在減少。

利用道路密度和道路影響域面積兩個指標來定量分析道路對野駱駝歷史分布區以及不同種群分布區的影響[5,23]。道路密度即單位面積內的道路長度(km/km2),道路影響域面積按照不同等級道路影響寬度進行緩沖區分析,并疊加野駱駝棲息地分布,以確定受影響棲息地面積,所有分析均在ArcGIS支持下進行。選取景觀指數對研究區的景觀格局進行分析,包括:(1)斑塊數量、平均斑塊大小：用于反映道路切割后研究區破碎化程度；(2)最小生境面積斑塊數量、最大斑塊面積、最大斑塊面積占景觀面積比例(即最大斑塊指數)：用于反映野駱駝當前分布區與研究區的關系,參考已有的基于衛星跟蹤頸圈的野駱駝家域范圍研究[13- 14,16],最小生境斑塊面積定為7300 km2,通過以上指標比較野駱駝整體分布區以及不同種群分布區的破碎化程度。

2 研究結果

2.1 土地利用變化

近40年來,研究區耕地和建設用地這兩類人類活動土地利用類型的面積一直是增加趨勢,兩種土地利用類型的面積占整個野駱駝歷史分布區的比例從1980年的0.52%增加到2018年的1.12%,增加了0.6個百分點,但總體占比很小；草地面積的比例從1980年的14.96%減少到2018年的12.85%,減少了2.11個百分點,屬于比較劇烈的變化；未利用地面積比例從1980年83.31%增加到2018年的84.76%,增加了1.45個百分點(表2)。

表2 野駱駝歷史分布區范圍內1980、2000、2018年各土地利用類型面積及占比Table 2 Land use of wild camel historical distribution range in 1980, 2000, and 2018

近40年來,研究區的林地和水域面積一直保持比較穩定的比例,因此表3僅統計了耕地、建設用地、草地和未利用土地的面積變化和動態度。從面積變化趨勢來看,耕地、建設用地和未利用土地均為持續增加趨勢,草地面積為持續減少趨勢。從動態度來看,2000—2018年間,耕地面積的年增長速度是1980—2000年的24倍,建設用地面積的年增長速度是是1980—2000年的7倍；同時期,草地面積年減少速度是1980—2000年的18倍；未利用土地年增長速度是1980—2000年的27倍。

表3 野駱駝歷史分布區范圍1980—2018年土地利用類型面積變化及動態度Table 3 Land use change and dynamic index of wild camel historical distribution range from 1980 to 2018

2.2 道路影響

2.2.1道路密度和道路影響域

野駱駝歷史分布區范圍內道路(含鐵路)長度累計為33830km?？傮w上,區域內道路密度為0.0410km/km2。其中,西部分布區道路密度最低,為0.0190km/km2,東部分布區道路密度次之,為0.0377km/km2,中部分布區道路密度最高,為0.0570km/km2?，F存分布區內,野駱駝三個種群棲息地范圍內的道路密度均維持在較低水平(表4)。

按照不同等級道路影響域寬度進行緩沖區分析后,總體上,野駱駝棲息地受道路影響面積為16650km2,占整個野駱駝歷史分布區面積的2.02%。其中,西部分布區受道路影響面積最低,為1152km2,中部分布區受道路影響面積次之,為6076km2,東部分布區受道路影響面積最大,為9393km2。由于野駱駝現存分布區內道路長度有限,因此其道路影響域面積與歷史分布區范圍內相比,維持在較低水平(表4)。

2.3 景觀格局

利用道路數據對研究區進行切割,去除面積1km2的細小斑塊后,研究區斑塊數為914個,研究區景觀格局見圖2。西部分布區斑塊數最少,平均斑塊面積最大,表明其破碎化程度比中部和東部分布區要低；西部分布區最大斑塊面積占整個西部分布區面積比例為52%,要高于中部和東部分布區。中部分布區則保有當前所有棲息地斑塊中面積最大的斑塊,達到104163km2,東部分布區最大斑塊面積為70147km2,在三個分布區中相比,面積最小(表5)。野駱駝的塔克拉瑪干沙漠種群所在的西部分布區被橫貫塔克拉瑪干沙漠的沙漠公路分割后,存在兩個大面積斑塊,W1和W2,面積分別為67870km2,94098km2,兩個斑塊面積占到棲息地面積的89%；庫姆塔格沙漠種群所在的中部分布區被哈羅公路和哈羅鐵路分割后,也分為兩個大面積斑塊M1和M2,面積分別為104163km2,94525km2,兩個斑塊面積占到棲息地面積的63%；中蒙邊境種群所在的東部分布區,最大斑塊E1面積為70147km2。野駱駝的現存分布區,包括塔克拉瑪干沙漠分布區、庫姆塔格沙漠分布區以及中蒙邊境分布區的范圍均基本位于以上大面積斑塊中(圖2)。

表5 野駱駝歷史分布區景觀破碎化特征Table 5 Fragmentation characteristic of wild camel historical distribution range

圖2 研究區疊加道路后景觀破碎化格局Fig.2 Landscape fragmentation of study area overlapped with roadsW1：西部分布區最大面積斑塊；W2：西部分布區第二大面積斑塊；M1：中部分布區最大面積斑塊；M2：中部分布區第二大面積斑塊；E1：東部分布區最大面積斑塊

3 討論

3.1 土地利用變化影響

研究區受亞洲中部干旱區生態地理格局的影響[24],長期以來,在整個西北野駱駝的歷史分布區范圍內,人類社會經濟發展水平和活動規模受限,土地利用格局變化不大。通過對近40年來野駱駝棲息地各土地利用類型面積的統計,野駱駝棲息地的未利用土地比例始終保持在80%以上,草地的比例在10%以上,二者總和的比例始終在95%以上。野駱駝棲息地以未利用土地和草地為主體的格局保持不變,尤其是沙地、戈壁為主的未利用土地始終占比很大。進入21世紀后的近20年與20世紀的最后20年相比,耕地面積和建設用地的增長速度明顯,這與2000年我國西部大開發開始的時間節點相一致；同時期,草地面積持續減少,未利用土地年增長速度明顯,在所有地類中居于首位,表明整個野駱駝歷史分布區荒漠化的趨勢沒有得到扭轉,問題仍然嚴峻。對于野駱駝這一荒漠半荒漠環境適應性強的物種來說,近40年的土地利用變化對其種群的繁衍和存續影響不大。

3.2 道路影響及破碎化

社會經濟的發展帶來了公路和鐵路等線性基礎設施的跨越式發展,全國公路總里程從新中國成立(1949年)的8.07萬km,發展到改革開發初期(1980年)的88.83萬km,再到2001年底的169.8萬km,截止到2019年末,已達到501.25萬km[25- 28],近40年,全國公路里程增長412.42萬km?？傮w而言,研究區內道路密度為0.04km/km2,相比全國0.52km/km2的平均公路密度[28]和0.6km/km2的大型脊椎動物自然種群密度與道路密度關系閾值[29],處于一個較低的水平,但道路及其影響域造成的棲息地分割和阻隔影響了整個野駱駝歷史分布區。道路密度會影響動物的棲息地選擇[5,30],野駱駝對人類活動極其敏感,不斷延伸的道路帶來的干擾必然造成野駱駝對道路及周邊區域的回避,道路的障礙作用極其明顯,表現在當前野駱駝分布范圍呈3個孤島的格局與道路隔離形成的景觀格局是一致的。從道路密度和影響域面積占比來看,西部分布區受道路影響最小,原因在于該區域主要為塔克拉瑪干沙漠,沙漠為主的地貌以及高大的沙丘導致在該區域道路修筑困難。中部分布區道路密度最大,而東部分布區影響域面積比例最大。通過疊加道路和野駱駝現存分布范圍,塔克拉瑪干沙漠分布區和庫姆塔格沙漠分布區僅被一條道路分割,中蒙邊境分布區被國境線分割,三個現存分布區景觀格局均維持了較低的破碎度。所有三個當前野駱駝種群分布區道路密度水平和道路影響域面積占比均較所在歷史分布區范圍道路密度和道路影響域面積低,表明現有野駱駝分布區人為干擾程度要低于整個研究區域。

從整體景觀格局來看,斑塊數量和平均斑塊面積兩個指標表明西部分布區破碎化程度比中部和東部分布區要低,最大斑塊面積指數表明該區域具備較大野駱駝種群的生存條件,但目前的塔克拉瑪干沙漠野駱駝種群調查結果認為該區域種群僅有50峰左右。19世紀中葉前后,野駱駝在和田河以東的塔克拉瑪干沙漠中分布面積較大[31]。1980年代以來,野駱駝分布區所在的塔克拉瑪干沙漠東部地區開始大規模的油氣開采。蘭新等人1991—1992年的科考發現,石油勘探和開采地點附近也有野駱駝活動痕跡,證明了克里雅河下游地區野駱駝分布仍然存在[32]。1995到1996年,Hare等在塔克拉瑪干進行的科考估計該地區大概有50—80峰野駱駝[10]。但近些年這些地區受放牧、石油開采等影響,野駱駝的分布必定會受到人為干擾的影響,這可能是塔克拉瑪干沙漠野駱駝種群減少的主要原因。同時,也需要繼續通過大量的野外調查來對該區域野駱駝種群進行核實。中部分布區盡管破碎化較為嚴重,尤其是哈羅鐵路和哈羅公路的阻隔[33],但占到中部棲息地面積63%的兩個大面積斑塊的存在,使得該區域的野駱駝種群狀況較為理想,該區域野駱駝種群數量較為穩定,最少在400峰以上。

西部分布區和中部分布區受道路阻隔影響較小,兩個棲息地間野駱駝種群的交流僅需跨越單條線性障礙,且兩個區域間野駱駝現存分布斑塊直接相連,即西部棲息地的W1和W2斑塊與中部棲息地的M1和M2斑塊。這四個斑塊屬于所在棲息地的主體,且受道路影響較小,從單個斑塊來講,基本屬于無路區,這對于保持野駱駝棲息地景觀的連通和維持,尤其是較大數量的野駱駝種群的大型適宜生境非常重要[5],這與野駱駝現存分布區范圍也是一致的。未來通過實施科學的棲息地連通和廊道建設規劃,將極有可能實現兩個孤立種群的交流連通。同時,在未來的道路規劃建設和布局中,要考慮道路規劃和建設對野駱駝最小生境面積的影響,在現有景觀格局的基礎上,避免形成新的分割。并且要避免單純只考慮孤立的種群分布和所在棲息地,要將影響評估尺度放大到本研究區的尺度上,即在整個野駱駝的棲息地的角度考慮道路的阻隔作用。

中部和東部分布區受地理上河西走廊和陸上絲綢之路的分割[34],該區域是蘭新鐵路、京新高速等多條鐵路和公路進入新疆的必經之路,目前已形成密布的路網,對于中部和東部分布區野駱駝來說,連通幾乎不可實現。東部分布區中,蒙古一側斑塊數量為114個,而中國一側斑塊數量達到349個,占到了整個東部分布區的四分之三。該區域,中國一側的棲息地破碎化程度遠高于蒙古一側,這也是作者近些年的調查,很難在中國邊境一側調查到野駱駝的原因。目前唯一的一塊大面積生境E1,即位于蒙古國的大戈壁保護區A區,未來蒙古一側的野駱駝即使能跨越邊境遷移到中國一側,結合當前的破碎化格局,中國一側邊境地區也已不具備適宜野駱駝定居的最小生境面積?；谠搮^域的景觀格局現狀,不認為在該區域野駱駝能回歸中國甚至連通中部分布區。建議將更多的保護資源和努力投入到西部和中部分布區種群的維持和連通。

通過對近40年野駱駝歷史分布區土地利用和道路的定量分析,土地利用變化并不足以導致野駱駝現存的分布格局,影響野駱駝棲息地喪失和破碎化的主要驅動因素是道路,以道路為主的線性基礎設施造成了野駱駝棲息地的隔離,并形成了野駱駝的現存分布格局。維持野駱駝現存分布范圍內的無路區格局對野駱駝種群的維持至關重要,結合野駱駝當前的分布和道路格局,則可為野駱駝種群未來的交流和連通提供景觀層面的規劃方向。