自然保護地人地關系空間耦合分析方法研究
——以天目山自然保護區為例

李佳芯

吳承照

陶 聰*

建立自然保護地是可持續發展理念下的一項重要舉措，希望為子孫后代留下一定面積的天然“本底”[1]。在中國，自然保護地包括自然保護區、風景名勝區、國家森林公園及國家公園等多種類型[2]3-4。我國大部分自然保護地中存在村落及旅游、生產等人類活動，不可避免地與保護地產生矛盾沖突。如何協調人地關系是自然保護地發展的核心問題，也是困擾研究者和管理者的難題。

國內外普遍采用空間管控的方式協調自然保護地中的人地問題：在國外，國家公園普遍采用劃定“敏感區”的做法[3]；在我國，分區管理是自然保護地管理的重要手段[4-5]，例如在自然保護區中劃分核心區、緩沖區和試驗區，以及在風景名勝區中劃分特別保存區和風景恢復區等，從而對生態環境和風景資源進行保護。環境敏感性評價和用地適宜性評價是保護地空間管控分區的常用方法，通過保護分區對保護地中的重要資源和生態脆弱區進行保護，避免受到人類活動的干擾。

自然保護地在明確保護分區后，根據分區屬性對人類活動進行不同程度的限制和管控。但由于保護地人地關系的復雜性，分區管理實踐中仍然普遍存在保護與利用矛盾沖突的問題[6]，主要表現為：資源保護與利用矛盾[7]、土地利用沖突[8]、社區訴求與發展限制矛盾、旅游開發與生態保護矛盾[9]，以及多方利益沖突[10]等。多數保護地要么過于強調“保護優先”而抑制了保護地內人類社區的發展訴求，要么過度“合理利用”違背了資源與環境保護的初衷。

針對面臨的各類問題，不少學者從保護地容量和承載力[11-12]、社區參與[13]、管理體制、利益相關者[14]、生態補償機制、生態旅游方式[15]等視角展開相關研究，期望通過管理手段協調人類活動與自然環境的關系。此外，也有嘗試以經濟補償換取土地利用轉變，或通過改善景觀破碎化、優化景觀格局等空間調控角度對保護地進行優化[16]的相關研究。

總的來看，我國自然保護地的生態環境和資源保護主要通過空間分區的管理方式，對于同一管理分區內一般采用統一的開發約束條件和管理舉措，忽視了同一分區內存在的環境異質性和人類活動強度的異質性，管理精細度不足。已有研究主要通過利益平衡、管理機制、容量管理和行為約束等進行人類活動的管控研究，而對于人類活動進行空間量化分析，以及針對人類活動與資源保護在空間上的耦合分析研究則較為缺乏。

本研究試圖從空間協調視角通過對自然保護地環境敏感性與人類活動強度的耦合分析來研究人地矛盾關系問題。通過對人類活動的空間分異進行考量，實現人類活動強度空間化表征，并根據人地空間耦合分析，明確人地沖突空間，提升空間管制的精準度。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以天目山國家級自然保護區(以下簡稱“天目山保護區”)為研究對象。天目山保護區位于浙江省杭州市臨安區，總面積4 284hm2[17]36，是一個以保護生物多樣性和森林生態系統為重點的野生植物類型國家級自然保護區[17]76。由于歷史原因，目前保護區內還散布有鮑家和東關2個行政村的部分自然村[17]181。

1.2 研究方法

物理學中，耦合是指2個或2個以上系統或運動形式通過各種相互聯系而彼此影響的現象[18]。當系統之間或系統內部要素之間配合得當時為良性耦合，反之為惡性耦合[19]。自然保護地環境敏感性特征與人類活動強度的耦合分析，就是分析二者在同一地表物理空間的匹配狀況，從空間協調角度探討人與地二者的耦合關系(圖1)。環境敏感性分析主要關注自然本體特征，可以反映研究地域對外界干擾的抵抗能力和異質性特征。通過人類活動強度的分析，可以得到人類活動對地域環境的壓力狀況；通過環境敏感性與人類活動的耦合分析，可以判別自然保護地中人地關系的耦合狀態，預判潛在的生態問題，為人地關系的協調提供依據。

圖1 自然保護地環境敏感性與人類活動耦合分析示意

1.2.1 自然保護地環境敏感性分析方法

自然保護地環境敏感性分析，主要是在自然保護地生態環境調查的基礎上，選擇合適的環境敏感性評價因子并明確評價標準，分析自然保護地抵抗外來干擾的敏感性分異特征和規律。

1)環境敏感性評價因子選擇和評價標準。

確定評價因子和評價標準是環境敏感性分析的關鍵，天目山保護區作為山地型保護地，高程、坡度和山脊線等因素對保護區敏感性有較大影響；保護區內還有一些珍稀物種的敏感生境，如柳杉林、天目鐵木林等[17]104；保護區中水文條件對于生物生存至關重要，因而也是保護區重要的敏感性因素。由于天目山保護區森林覆蓋率達98.5%[17]76，也沒有明顯的水土流失問題，所以沒有納入植被覆蓋與土壤特征等敏感性分析常用指標。據此，選取坡度因子、高程因子、山脊線因子、水文因子和敏感生境因子作為天目山保護區敏感性評價指標。坡度對植物生長有較大影響，一般情況下，坡度大于25°時只能生長灌木或小喬木，坡度大于45°時連灌草都難以生長，并容易發生自然災害[20]；高程的變化直接影響山地型保護地不同高度的氣溫與濕度，關系到物種的垂直分布，影響生態多樣性與脆弱性，高程越高，對外來干擾的抵抗力越弱[21]128-130；山體的山脊線兩側屬生態敏感性較高的區域，易受風力、雨水及陽光等影響，也是水土流失最為嚴重、植被群落最易遭到破壞的區域[22]；水文條件對動植物的生存有重要影響，也是最容易受到人為干擾的因子之一；生境是維持生物正常生存的重要因素，天目山保護區中存在一些重要敏感生境，所以敏感生境也是重要的敏感性因子。

根據天目山保護區的地理環境特征，并借鑒以往相關研究[21]128[22-23]，對5個指標的敏感性評價標準進行設定(表1)。

2)環境敏感性評價方法。

根據自然保護地衛星遙感圖、現狀地形圖和敏感生境分布情況等資料，參照環境敏感性評價標準(表1)，利用GIS軟件繪制出保護區單因子環境敏感性評價圖，再將單因子敏感性評價圖以最大值法作柵格疊加分析，便可得到保護區環境敏感性綜合評價結果。高敏感區、中敏感區和低敏感區的敏感度值分別為9、6、3。

表1 自然保護地環境敏感性指標評價標準

1.2.2 自然保護地人類活動強度分析方法

本文所指的人類活動是人類為滿足自身需求而對自然環境采取的各種利用和管理行為的總稱。人類活動強度就是人類活動對自然環境的擾動程度。自然保護地中人類活動主要包括旅游活動、宗教活動、社區居民的生活生產活動，以及管理機構的管理活動等，少數自然保護地中還可能存在少量的工業活動。從土地覆被看，自然保護地中有林地、草地、裸地、自然水域、園地、耕地、水庫水塘、沙地、道路、硬質場地、建設用地和工礦用地等多種土地覆被類型[24]。

人類活動強度可通過土地覆被類型來反映[25]。徐勇等提出了建設用地當量(Construction Land Equivalent，CLE)概念，規定以人類活動對地表作用程度最高的土地覆被類型——建設用地(此“建設用地”不同于城市規劃建設中所指的建設用地，主要指地面硬質化用地)作為人類活動強度的基本度量單位(當量)，其他不同土地覆被類型按照對地表作用的強弱換算成建設用地當量系數[25]。該方法主要以“自然覆被改變與否”，以及“地表上下空氣、熱量、水分和養分等物質能量能否進行正常交換”作為建設用地當量系數的折算依據，當量系數實則反映了該土地覆被類型的人類活動強度。該方法對于人類活動強度具有較明確的客觀評判標準，近年來認可度較高。

本研究借鑒建設用地當量法中當量系數的折算方法來分析自然保護地人類活動強度。建設用地當量法對于當量系數的確定主要依據有無人工隔離①分為2個層級：無人工隔離的覆被當量系數為0～0.2，有人工隔離的覆被當量系數為0.2～1.0[25]。該轉換系數設定方法默認沒有人工隔離的空間的人類活動強度都很低，人類活動強度的差異主要在于人工隔離空間。然而，這種設定方式運用在自然保護地中并不恰當，因為自然保護地中有人工隔離的空間占比很少，人類活動主要發生在非人工隔離空間。因此，本研究根據自然保護地土地覆被的特點對相關系數進行調整。首先，為了便于GIS中進行柵格計算，將各類土地覆被的人類活動強度值定為0～10分，硬化用地為10分②；由于僅以“表層自然覆被改變與否”“地表上下水分和養分、空氣和熱量交換情況”③作為特征標志無法精準反映人類活動強度等級的差異④，因此進一步根據人類利用的程度和物質能量阻滯的程度⑤進行細分(表2)，即在覆被未改變、覆被有改變但無人工隔離，以及有人工隔離3種主要地表覆被變化情況下，同時考慮了人類利用強度⑥的影響。不同土地覆被類型的人類活動強度值(CIi)計算公式如下：

表2 自然保護地陸地表層特征標志等級劃分和對應特征值

當CIi無人工隔離時，

CIi=max(CS1i,CS2i,CS3i,CS4i,CS5i)

當CIi有人工隔離時，

CIi=4+max(FCS1i,FCS2i,FCS3i)+max(FCS4i,FCS5i,FCS6i)+max(FCS7i,FCS8i,FCS9i)

式中，CS1i、CS2i、CS3i、CS4i、CS5i分別為第i種土地覆被類型無人工隔離時5個細分特征標志的特征值；FCS1i、FCS2i、FSC3i、FSC4i、FCS5i、FSC6i、FSC7i、FCS8i、FSC9i分別為第i種土地覆被類型有人工隔離時9個細分特征標志的特征值；4為無人工隔離情況下的人類活動強度最大值。

由此得到自然保護地各土地覆被類型的人類活動強度值(表3)。自然保護地人類活動強度共有11個強度值：0～3為低活動強度，4～6為中活動強度，7～10為高活動強度。

表3 自然保護地各地表覆被人類活動強度值

1.2.3 自然保護地敏感性特征與人類活動強度耦合分析方法

自然保護地人地關系若要協調，人類活動與保護地的敏感性特征就應處于合理的耦合狀態。由于環境敏感性越高，抵御外界干擾的能力越弱，且人類活動強度越高對環境的干擾越大，所以特定地域空間的敏感性和活動強度都較低，二者的耦合狀態就較為協調，為正向耦合關系；如果敏感性和活動強度都較高，二者的耦合狀態趨向于沖突，則為負向耦合關系；處于二者之間為臨界狀態(圖2)。

圖2 自然保護地人地關系耦合規律

對自然保護地敏感性特征與人類活動強度的耦合分析，主要運用GIS軟件將人類活動分布圖與敏感性特征圖作柵格疊加，分析二者的耦合狀態。GIS疊加分析后，研究區域內柵格分值范圍在3～19分(表4)。“低+低”耦合，即在低敏感區發生低強度人類活動，分值在3～6分(表4中綠色區間)，人地關系為很協調狀態；“低+中”耦合，即在低敏感區發生中強度人類活動，或在中敏感區發生低強度人類活動，分值在7～9分(表4中淺綠色區間)，人地關系為較協調狀態；“中+中”“低+高”耦合為臨界狀態，分值在10～12分(表4中黃色區間)；“中+高”耦合為較沖突狀態，分值在13～15分(表4中橙色區間)；“高+高”耦合為嚴重沖突狀態，分值在16～19分(表4中紅色區間)。為了更精確地描述人地關系的狀態，將5個狀態內部再分3級，如“嚴重沖突一級”“嚴重沖突二級”“嚴重沖突三級”3個級別，其中一級為最高，三級為最低(表4)。

表4 自然保護地人類活動強度與敏感性特征的耦合關系對照

2 分析與結果

2.1 天目山保護區環境敏感性分析

利用天目山保護區2014年遙感衛星圖、敏感生境分布圖和現狀地形圖等資料，通過GIS軟件繪制出天目山保護區單因子生態敏感性分區圖(圖3～7)。從坡度因子看，保護區東部和中部坡度較陡，敏感性較高；從高程因子看，保護區西部敏感性較高；從山脊線因子看，保護區西部和北部敏感性較高；從水文因子看，水庫、溪流沿岸區域敏感度較高；從敏感生境因子看，保護區西南部和西北部敏感性較高。

圖3 坡度敏感性分區圖

圖4 山脊線敏感性分區圖

圖5 高程敏感性分區圖

圖6 水文敏感性分區圖

圖7 生境敏感性分區圖

用GIS軟件對各單因子敏感性分區圖按照最大值疊加法進行疊加分析，得到天目山保護區環境敏感性綜合分區圖(圖8)。由圖可知，天目山保護區中高敏感區面積約為1 778hm2，占總面積的41.5%，主要分布于保護區西南部和西北部，包括珍稀瀕危動植物物種所在區域、保護區海拔較高區域，以及西關水庫等區域，這些區域的生態環境敏感性很高，應以保護為主，盡量避免人類活動和開發建設；天目山保護區的中敏感區面積約為2 026hm2，占47.3%，主要分布于保護區的中部區域，這些區域生態環境敏感性較高，可以允許適當的人類活動，盡量避免較高強度的人類活動和開發建設；天目山保護區低敏感區面積約為480hm2，占11.2%，主要分布于保護區東南部，該區域生態環境敏感性較低，適合開展較高強度的人類活動和開發建設。

圖8 環境敏感性綜合分區圖

2.2 天目山保護區人類活動強度分析

根據天目山保護區2014年的SPOT5遙感圖，基于ENVI和GIS平臺，采用人機交互式遙感圖像解譯方法對保護區內土地覆被進行識別，最終得到2014年天目山保護區土地覆被分布情況。人類活動密度以某活動區域/道路的高峰期人員密度計，并根據表3賦予人類活動強度值，結果如圖9所示。保護區中人類活動的空間范圍共約967.79hm2，占整個保護區面積的22.59%，其中低強度活動區域(強度值1～3分)約有311.06hm2，占總活動面積的32.14%；中強度活動空間(強度值4～6分)約有593.59hm2，占總活動面積的61.33%；高強度活動空間(強度值7～10分)約有63.14hm2，占總活動面積的6.52%。從圖9可以看出，天目山保護區中人類活動呈沿水系、谷地及重要景觀點分布的狀態。

圖9 天目山保護區人類活動分布

2.3 天目山保護區人地關系耦合分析結果

通過GIS軟件對天目山保護區敏感性分區與人類活動空間進行柵格疊加分析，結果如圖10所示，共有87.86%的空間范圍(3 764.11hm2)處于很協調(深綠區域)和較協調(淺綠區域)狀態，即人地關系為正向耦合狀態；有1.17%(50.08hm2)處于嚴重沖突(紅色區域)狀態，2.29%(98.20hm2)處于較沖突(橙色區域)狀態，主要沿雙清溪、西關溪和東關溪，以及寺廟、柳杉林等水系和景點分布，人地關系呈負向耦合狀態，容易引發生態環境問題；還有8.67%(317.60hm2)的空間處于臨界狀態(黃色區域)。

圖10 天目山保護區人地空間耦合分析結果

3 討論

從人地關系空間耦合分析結果看，由于天目山保護區的山脊線附近及陡坡、高海拔等高敏感區的自然環境條件較差，不利于人類活動，所以人類活動與坡度、山脊線和高程等敏感性特征呈正向耦合狀態；但是人類活動多發生在水文因子和生境因子的中、高敏感區內，因此人類活動與水文敏感性和生境敏感性特征呈負向耦合狀態(圖10)。

天目山保護區中水資源稀缺，社區居民點和旅游度假酒店等大都臨水而建，游客和居民用水量很大，尤其旅游高峰期各度假酒店和農家樂使用水管到山上違規取水，導致保護區缺水和水污染問題愈發嚴重，極易導致植物和耕地退化[2]216-224。對此，天目山管理局通過管控保護區內度假酒店和農家樂數量、在旅游高峰期加強保護區水質和用水監管，以及增設自來水站等針對性措施，使保護區缺水與植物退化問題得到了一定程度的緩解[2]287-301。

天目山保護區內的高敏感生境區也是“大樹華蓋”、開山老殿等景點的所在地(圖10中A處)，這些景點每年吸引大量游客進入，對該區域的植被及生物造成了嚴重影響，保護區中最主要的生態問題之一“柳杉退化”即發生在該區域[26]。這驗證了：人地沖突區域是易爆發生態問題的區域。對此，天目山管理局于2015年在高敏感區外圍另建一條上山步道(圖10中的新增道路)，以避免人地空間的沖突。新步道建成后，大大緩解了游客對敏感生境的影響，柳杉林也得到了一定程度的恢復[27]。從耦合分析看，原上山碎石步道由于人流量明顯減少，部分路段耦合關系由嚴重沖突二級降為嚴重沖突三級，或由較沖突二級降為較沖突三級，沖突得到緩和。未來應徹底放棄原步道的使用，讓其逐漸恢復自然狀態，將耦合關系轉變為較協調狀態。

通過對天目山保護區的人地關系空間耦合分析發現，人地負向耦合空間確實是人地矛盾突出、易出現生態問題的空間。對此，可以通過對人類活動的調控，緩解對保護區中較高敏感性區域的壓力，將人地關系從負向耦合轉為正向耦合，切實改善人地關系，有效化解自然保護區的生態環境問題。

4 結語

本研究從空間協調視角出發，提出了基于自然保護地環境敏感性與人類活動強度的人地關系耦合分析方法：通過環境敏感性評價了解保護地中“地”的敏感性特征；借鑒“建設用地當量法”實現對保護地人類活動強度的空間量化；通過二者的空間耦合分析，反映自然保護地人地耦合關系。人地耦合關系分為正向耦合與負向耦合，正向耦合空間人地關系協調，負向耦合空間人地關系沖突，容易引發生態問題。從案例研究看，本研究提出的環境敏感性與人類活動強度耦合分析方法，可以相對精準地確定自然保護地的人地沖突空間，明確沖突程度，為自然保護地精細化管理提供科學依據。從理論價值看，本研究提出的人地關系空間耦合分析方法，是對人地關系理論的補充。本研究對“建設用地當量法”的當量轉換系數根據自然保護地的特征進行了修正，并考慮了同一地表覆被(用地類型)不同人類活動強度的區別，更為符合保護地的實際情況，實現了將該方法從以往的宏觀運用轉向自然保護地的相對微觀運用，拓展了該方法的運用范圍。

注：文中圖片均由作者繪制。

注釋：

①這里的“人工隔離”可以理解為在地表人工覆上的沙石、水體、鋪裝等隔離物，對地表與外界的物質能量交換有一定阻礙。

②建設用地當量法中的完全硬化用地值為1，本研究將其當量系數擴大了10倍。

③從建設用地當量法的實際運用情況看，一般水分和養分、空氣和熱量都是不分離的[25]，所以本研究將它們合并考慮。

④如建設用地當量法中有人工隔離的各類土地覆被實際對應的系數只有0.6和1.0 2個數值[25]。

⑤例如水泥地面基本可以完全阻滯上下物質能量交換，而碎石鋪地/透水混凝土則僅是部分阻滯上下物質能量交換。

⑥人類利用強度依據高峰期活動密度分為3級，即無人類活動、低密度活動和高密度活動。低、高密度活動采用《風景名勝區總體規劃標準》(GB/T 50298—2018)中保護地的容量值作為界限，即低于容量的屬于低密度活動，高于容量的為高密度活動。