北京市自然保護地生態效益及其影響因素

劉增力,胡理樂,閆伯前,張鵬騫

1 國家林業和草原局林草調查規劃院,北京 100714 2 北京農學院,北京 102206 3 北京麋鹿生態實驗中心,北京 100076 4 北京市科學技術研究院,北京 100089

自然保護地是生態文明的核心載體,生態價值高,生物多樣性豐富,發揮著水源涵養、水土保持和防風固沙等重要的生態效益。我國經過60多年的努力,已建立數量眾多、類型豐富、功能多樣的各級各類自然保護地,在保護生物多樣性、保存自然遺產、改善生態環境質量和維護國家生態安全方面發揮了重要作用。但現階段的自然保護地受到人為干擾的現象普遍存在,管理上仍存在重疊設置、多頭管理、邊界不清、權責不明、保護與發展矛盾突出等問題,嚴重影響了自然保護地生態效益。

2019年我國提出建立以國家公園為主體的自然保護地體系,包括國家公園、自然保護區和自然公園三類。中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《建立以國家公園為主體的自然保護地體系的指導意見》(以下簡稱《意見》),《意見》要求“構建以生態資產和生態系統服務為核心的考核評估指標體系和辦法,加強自然保護地評估考核工作,探索建立第三方評估機制,將評估結果納入相關評價考核體系”,該文件明確提示了自然保護地生態效益是自然保護地重要工作和重點考核內容。

北京現有5類79處自然保護地,總面積3674.10km2,占國土面積22%以上[1],是首都的重要生態屏障和生態涵養區。近年來,北京市主要的生態問題集中體現在人口增長和城市擴張所導致的野生動植物棲息地破壞、水資源短缺以及巨大的碳排放問題,并且由于地理位置導致北京可能會受到風沙天氣的影響,部分區域水土流失問題嚴重[2—3]。北京市自然保護地所主要發揮的水源涵養、水土保持、防風固沙、固碳、保護生物多樣性等重要生態功能對于緩解北京市上述生態問題發揮著極其重要的作用,其中前4類生態功能是與人類生產生活息息相關,常作為生態評估的重要指標[4],因此這些生態功能作為自然保護地生態成效考核指標是非常合適的。

北京市自然保護地受到自然因素和人為因素干擾,而人為干擾因素最為主要，自然干擾因素包括氣候變化、火災和外來物種入侵等，人為干擾因素主要包括農業生產、樹木采伐、城市化、道路修建、工業生產和旅游等[5]。這些因素極大影響了北京市自然保護地的生態效益。

關于生態效益或生態系統服務價值影響因素的研究主要集中在分析宏觀的經濟因素(如GDP)和社會因素(如人口數量)[6—9],且以定性描述為主,對生態效益進行定量分析的研究較少[10—13]。此外,關于北京市自然保護地生態效益影響因素的研究尚缺乏,人為干擾和自然因素的影響的相對貢獻尚不清楚,最主要的影響因素也未明確。對這一問題的定量化探討,將有助于指導自然保護地管理者約速人為干擾，提升北京市自然保護地生態效益。

本文擬通過核算北京市79處自然保護地的5種典型的生態效益,使用單因素方差分析比較不同類型自然保護地生態效益的差異性,并基于冗余分析法探究了2種自然因素(年均氣溫和年降水量)和4種人為因素(人口密度、建設用地比例、耕地比例和道路密度)對生態效益的影響水平。最后提出自然保護地生態效益提升的管理建議。

1 研究區域概況

北京市位于華北平原北端,總面積16410km2。屬于北溫帶半濕潤大陸性季風氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥。北京的西、北、東北面群山環繞,東南面為開闊的平原,西部山地統稱西山,屬太行山脈,北部山地統稱軍都山,屬燕山山脈[14]。地形和氣候的復雜多樣,孕育了北京豐富的動植物資源,北京的西北山地屬于太行山生物多樣性保護優先區域的一部分。

北京共有5類79處自然保護地,其中自然保護區21處、風景名勝區11處、森林公園31處、地質公園6處和濕地公園10處。截至2020年,北京市自然保護地批復總面積5094.57km2,實際覆蓋面積達到3674.10km2[15],其中自然保護區數量占27.1%,自然公園數量占72.9%(表1)。

2 研究方法

2.1 自然保護地生態效益評估

本文綜合考慮北京市特點和數據可獲取性,基于千年生態系統服務評估框架(MA)[16],選取水源涵養、固碳、水土保持、防風固沙、生境質量5項指標評估自然保護地的生態效益。其中,水源涵養是生態系統通過其特有的結構與水相互作用,對降水進行截留、滲透、蓄積,并通過生態系統的蒸散發實現對水流、水循環的調控,能夠緩和地表徑流、補充地下水、減緩河流流量的季節波動、滯洪補枯、保證水質[17]。土壤保持是生態系統通過其結構與過程減少由于水蝕所導致的土壤侵蝕的作用。防風固沙是生態系統通過其結構與過程減少由于風蝕所導致的土壤侵蝕作用。固碳能力是綠色植物通過光合作用吸收大氣中的CO2,轉化為葡萄糖等碳水化合物以有機碳的形式固定在植物體內或者土壤中[18]。

由于保護地生態系統服務總價值受保護地面積影響較大,為剔除面積因素的影響,本研究采用每個保護地的不同生態系統服務單位面積價值作為生態效益指標值。

式中,ECOIij是保護地i的生態效益指標j的指標值(元/hm2)(棲息地質量指數無單位)；ESVijk是保護地i中柵格k的生態系統服務j的價值(元)；TAi是保護地i的總面積(hm2)。

2.2 生態效益影響因素分析

北京市自然保護地影響因素可分為自然因素和人為因素2類。溫度和降水是影響生態系統過程和功能的主要自然因素,故自然影響因素選擇了2020年年均氣溫和年降水量。人類活動對生態系統的影響是十分巨大的,選擇反映生產、生活和交通活動的指標(人口密度、建設用地比例、耕地比例和道路密度)作為生態效益的人為影響因素。

由于北京市各類自然保護地存在較為突出的交叉重疊和管理缺失問題,部分保護地存在事實上的“劃而未建、劃而未管”,本研究選擇了24個有獨立管理機構且盡量避免交叉重疊的自然保護地為研究樣本,使用冗余分析法(RDA)分析6個因素對5個生態效益的影響作用[19]。

2.3 數據來源與處理

2.3.1數據來源

本文所使用的數據包括地理數據、環境數據、植被數據和社會經濟數據。道路數據來源于全國地理信息資源目錄服務系統(http://www.webmap.cn)。數字高程模型(DEM)、氣象站點、人口密度數據來源于資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn)。土地利用類型數據(2020年)來源于中科院空天信息創新研究院(http://data.casearth.cn/)。土壤屬性、植被凈初級生產力(NPP)、歸一化植被指數(NDVI)數據來源于美國航空航天局(NASA, http://www.nasa.gov)。

2.3.2數據處理

通過InVEST模型計算出北京市2020年生境質量指數、水源涵養功能量、防風固沙功能量、水土保持功能量和固碳量,參考過去的研究對水源涵養[20—22]、防風固沙[20, 23]、水土保持[20, 24]和固碳[20, 25—26]的價值進行定量化,計算出4類生態系統服務價值,再基于ArcGIS 10.2 中的局域統計工具,計算出79個自然保護地生境質量指數平均值和4種生態系統服務的單位面積價值,得到5種生態效益結果。

使用單因素方差分析以及多重比較(Duncan檢驗)的方法分析北京市5類自然保護地的5種生態效益的差異性,單因素方差分析和多重比較在SPSS 22.0中實現。以24個自然保護地的5個生態效益結果為因變量,以6個影響因素為自變量,進行冗余分析(RDA),探究5個生態效益的主要影響因素,冗余分析基于R 3.6.3編程實現。數據前處理和統計分析圖片的繪制在Excel 2016中實現,冗余分析結果圖基于R 3.6.3的ggplot 2包繪制。

3 結果與分析

3.1 北京市自然保護地生態效益總體評價

北京市自然保護地單位面積生態效益最高的是水源涵養(34347元/hm2),其次是防風固沙(2774元/hm2)和水土保持(1274元/hm2),固碳價值最低(473元/hm2),北京市自然保護地生境質量較高,生境質量指數最大值為1，單位面積生境質量指數的均值高達0.88。

北京市6個地質公園的生境質量指數十分接近,均接近1；濕地公園的生境質量遠低于其它4類保護地,且變化范圍大(0.37—0.74)；森林公園、自然保護區和風景名勝區生境質量均出現了離群低值,如：古桑國家森林公園、北宮國家森林公園、共青濱河市級森林公園、拒馬河市級水生野生動物自然保護區、金牛湖區級自然保護區和云居寺市級風景名勝區(圖1),其它森林公園和自然保護區的生境質量均高于0.98。

水源涵養、防風固沙和水土保持這3個生態效益在自然保護地之間變化幅度均很大。(圖2—5),其中對于水源涵養效益,懷沙河懷九河市級水生野生動物自然保護區和西山國家森林公園在40000元/hm2以上，十渡國家地質公園和馬坊小龍河市級濕地公園在30000元/hm2以下,其余保護地水源涵養價值均在30000—40000元/hm2之間。對于地質公園保護地,硅化木國家地質公園和云蒙山國家地質公園為相對的離群高值點(圖2)。

表1 北京市自然保護地名單

對于防風固沙效益,西山國家森林公園、鷲峰國家森林公園和湯河口市級濕地公園為各自類型保護地的離群高值,而共青濱河市級森林公園、古桑國家森林公園、北宮國家森林公園、龍山市級森林公園和云居寺市級風景名勝區為各自類型保護地的離群低值,濕地公園的防風固沙效益明顯低于其余4類保護地(<1000元/hm2)(圖3)。不同保護地水土保持效益跨度差異明顯,特別是自然保護區和森林公園跨度大,而其余3類保護地跨度相對較小,濕地公園明顯低于其余4類保護地(<500元/hm2)(圖4)。

固碳效益僅存在森林公園的兩個離群高值(西山國家森林公園和鷲峰國家森林公園),各類自然保護地內部的固碳效益相差不大,濕地公園明顯低于其余4類保護地(<300元/hm2)(圖5)。

圖1 北京市各自然保護地生境質量狀況Fig.1 Habitat quality of protected area in Beijing圖中數字為自然保護地編號,1：松山國家級自然保護區；2：百花山國家級自然保護區；3：云蒙山市級自然保護區；4：喇叭溝門市級自然保護區；5：懷沙河懷九河市級水生野生動物自然保護區；6：蒲洼市級自然保護區；7：朝陽寺市級木化石自然保護區；8：霧靈山市級自然保護區；9：云峰山市級自然保護區；10：野鴨湖市級濕地自然保護區；11：四座樓市級自然保護區；12：漢石橋市級濕地自然保護區；13：拒馬河市級水生野生動物自然保護區；14：石花洞市級自然保護區；15：太安山區級自然保護區；16：水頭區級自然保護區；17：玉渡山區級自然保護區；18：蓮花山區級自然保護區；19：白河堡區級自然保護區；20：大灘區級自然保護區；21：金牛湖區級自然保護區；22：云蒙山國家森林公園；23：十三陵國家森林公園；24：上方山國家森林公園；25：喇叭溝門國家森林公園；26：鷲峰國家森林公園；27：小龍門國家森林公園；28：黃松峪國家森林公園；29：八達嶺國家森林公園；30：北宮國家森林公園；31：大楊山國家森林公園；32：天門山國家森林公園；33：大興古桑國家森林公園；34：西山國家森林公園；35：霞云嶺國家森林公園；36：銀河谷市級森林公園；37：丫髻山市級森林公園；38：五座樓市級森林公園；39：馬欄市級森林公園；40：龍山市級森林公園；41：龍門店市級森林公園；42：靜之湖市級森林公園；43：古北口市級森林公園；44：共青濱河市級森林公園；45：白虎澗市級森林公園；46：雙龍峽東山市級森林公園；47：南石洋大峽谷市級森林公園；48：二帝山市級森林公園；49：蓮花山市級森林公園；50：西峰寺市級森林公園；51：妙峰山市級森林公園；52：崎峰山國家森林公園；53：承德避暑山莊外八廟國家級風景名勝區(古北口司馬臺長城景區)；54：石花洞國家級風景名勝區；55：八達嶺—十三陵國家級風景名勝區；56：慕田峪長城市級風景名勝區；57：云蒙山市級風景名勝區；58：龍慶峽-松山-古崖居市級風景名勝區；59：東靈山-百花山市級風景名勝區；60：云居寺市級風景名勝區；61：潭柘-戒臺寺市級風景名勝區；62：十渡市級風景名勝區；63：金海湖-大峽谷-大溶洞市級風景名勝區；64：平谷黃松峪國家地質公園；65：延慶硅化木國家地質公園；66：云蒙山國家地質公園；67：石花洞國家地質公園；68：十渡國家地質公園；69：圣蓮山市級地質公園；70：野鴨湖國家濕地公園；71：長溝泉水國家濕地公園；72：大興長子營市級濕地公園；73：大興楊各莊市級濕地公園；74：玉淵潭東湖市級濕地公園；75：湯河口市級濕地公園；76：馬坊小龍河市級濕地公園；77：琉璃廟市級濕地公園；78：穆家峪紅門川市級濕地公園；79：雁翅九河市級濕地公園。

圖2 北京市各自然保護地水源涵養價值Fig.2 Benefits of water conservation of protected area in Beijing

圖3 北京市各自然保護地防風固沙價值Fig.3 Benefits of windbreak and sand fixation of protected area in Beijing

圖4 北京市各自然保護地水土保持價值Fig.4 Benefits of soil conservation of protected area in Beijing

圖5 北京市各自然保護地固碳價值Fig.5 Benefits of carbon sequestration of protected area in Beijing

3.2 不同類型自然保護地間生態效益比較

除生境質量外,從其它4個生態效益的總效益來看,自然保護地和森林公園均處于前2位,顯著高于其它3類自然保護地。風景名勝區的生境質量、防風固沙、水土保持和固碳效益相對較高,地質公園的生境質量、防風固沙和水土保持效益相對較高,濕地公園的水源涵養效益相對較高。水源涵養效益則是風景名勝區和地質公園偏低,而自然保護區和森林公園較高,濕地公園居中；固碳效益則是森林公園最高,自然保護區和風景名勝區略低,但差異不顯著,濕地公園最低,與前4類保護地均有顯著差異(圖6)。

同其他類型保護地相比，森林公園的防風固沙(2928元/hm2)、水土保持(1531元/hm2)和固碳效益(544元/hm2)均最高，濕地公園的防風固沙(896元/hm2)、水土保持(213元/hm2)和固碳效益(213元/hm2)均最低除去難以價值化的生境質量效益后,單位面積4類生態總效益的排序為森林公園(40358元/hm2)、自然保護地(40296元/hm2)、地質公園(37042元/hm2)、風景名勝區(36299元/hm2)和濕地公園(34817元/hm2)(圖6)。

濕地公園的生境質量顯著低于其它4類保護地,而其它4類保護地之間生境質量并無顯著差異,生境質量最高的自然保護地類型是自然保護區(均值為0.93),從水源涵養的生態效益來看,風景名勝區和地質公園顯著低于其它3類自然保護地。自然保護區水源涵養價值最高(35828元/hm2),風景名勝區最低(32177元/hm2)(圖6)。

圖6 不同類型自然保護地不同類型生態效益比較Fig.6 Comparison of ecological benefits of different types of protected areaNR：自然保護區；FP：森林公園；SH：風景名勝區；GP：地質公園；WP：濕地公園;不同小寫字母表示同種生態效益中不同類型自然保護地差異顯著

3.3 北京市自然保護地生態效益的影響因素

RDA模型整體的決定系數(R2)為0.658,校正后的決定系數(R2)為0.612,P值為0.002(置換檢驗),這說明模型具有較高的可信度。模型將包括自然和人為在內的6個影響因素劃分成4個典范軸(RDA1- 4)和2個非約束軸(PC1- 2),非約束軸對因變量沒有影響,而4個典范軸中,前兩個典范軸RDA1(第一軸)和RDA2(第二軸)的累積貢獻度達到了95.67%,因此RDA1和RDA2能夠反映6個影響因素絕大多數的信息。

基于前兩個典范軸繪制了冗余分析結果圖(圖7),其中人口密度(PD)、建設用地比例(AL)、耕地比例(GL)和道路密度(RD)4個影響因素落在了軸RDA1上(貢獻度為63.59%),這說明RDA1綜合反映了人為干擾因素。年降水量(AP)和年均氣溫(AT)落在軸RDA2上(貢獻度為32.08%),這表明RDA2綜合反映了自然因素。典范軸的解釋度與校正后的決定系數的乘積可以量化影響因素對生態效益的影響水平,依此計算可得人為干擾因素(RDA1)影響水平為38.92%,自然因素(RDA2)影響水平為16.63%。因此,人為干擾因素對生態效益的影響程度高于自然因素。

防風固沙、水土保持、固碳和生境質量均與人為因素呈明顯的負相關關系,說明人為因素是影響防風固沙、水土保持、固碳和生境質量的主要因素。此外,生境質量還與年均氣溫呈正相關,這表明生境質量同時受人為干擾和自然因素影響；水源涵養與自然因素的相關性較強,其中水源涵養與年降水量呈正相關,與年均氣溫呈負相關,但水源涵養與人為因素的相關性不強(圖7)。

不同自然保護地自然地理條件和受到人為干擾程度不同,所發揮的主要生態效益也不同,基于冗余分析結果圖,24個自然保護地可分成3類(圖7)：第一類主要發揮水源涵養功能,包括漢石橋市級濕地自然保護區、懷沙河懷九河市級水生野生動物自然保護區、拒馬河市級水生野生動物自然保護區、野鴨湖市級濕地自然保護區、長溝泉水國家濕地公園、湯河口市級濕地公園和四座樓市級自然保護區,這些自然保護地主要是濕地公園或濕地類自然保護區,在冗余分析圖中這些保護地偏向于RDA1的正方向,且在軸的附近,相比于其他自然保護地,它們受到人為干擾更強,導致除水源涵養之外,其他4類生態效益弱于其他類型的保護地。第二類主要為高質量棲息地,包括八達嶺-十三陵國家級風景名勝區、石花洞風景名勝區、云居寺風景名勝區、北宮國家森林公園、云峰山市級自然保護區和太安山區級自然保護區,這些保護地中主要是風景名勝區和低級別的保護區,受到一定水平人為干擾。其余的自然保護地均屬于第三類自然保護地,以自然保護區和森林公園為主,它們距離4種人為干擾因素最遠,具有人為干擾程度低,森林覆蓋率高的特征,主要發揮防風固沙、水土保持和固碳3個生態效益。

圖7 北京市自然保護地生態效益影響因素冗余分析Fig.7 Redundancy analysis of factors affecting ecological benefits of protected area in BeijingWC：水源涵養；WS：防風固沙；SWC：水土保持；CS：固碳；HQ：生境質量；AP：年降水量；AT：年均氣溫；PD：人口密度；AL：建設用地比例；GL：耕地比例；RD：道路密度；SSNR：松山國家級自然保護區；BHSNR：百花山國家級自然保護區；YYHNR：野鴨湖市級濕地自然保護區；HSQNR：漢石橋市級濕地自然保護區；HSJNR：懷沙河懷九河市級水生野生動物自然保護區；JMHNR：拒馬河市級水生野生動物自然保護區；LBGNR：喇叭溝門市級自然保護區；LHSNR：蓮花山區級自然保護區；PWNR：蒲洼市級自然保護區；SZLNR：四座樓市級自然保護區；TASNR：太安山區級自然保護區；WLSNR：霧靈山市級自然保護區；YFSNR：云峰山市級自然保護區；YMSNR：云蒙山市級自然保護區；BGFP：北宮國家森林公園；SFSFP：上方山國家森林公園；WZLFP：五座樓市級森林公園；HSYGP：黃松峪國家地質公園；GHMGP：硅化木國家地質公園；BDLSH：八達嶺-十三陵國家級風景名勝區；SHDSH：石花洞風景名勝區；YJSSH：云居寺風景名勝區；CGWP：長溝泉水國家濕地公園；THKWP：湯河口市級濕地公園

4 討論與結論

本文核算了北京79處自然保護地的5類生態效益,比較了不同自然保護地類型間生態效益的差異,最后分析了自然因素和人為干擾對北京自然保護地生態效益的影響。研究表明:(1)北京自然保護地生境質量高,生境質量指數均值高達0.88；北京市保護地水源涵養價值最高(34347元/hm2),其次是防風固沙價值(2774元/hm2),再者是水土保持生態價值(1274元/hm2),固碳價值最低,僅為473元/hm2。(2)不同自然保護地類型之間,自然保護區和森林公園在各類生態效益中均處于前2位,而風景名勝區和地質公園在水源涵養功能方面存在劣勢,濕地公園僅在水源涵養功能方面有較好的效益。(3)總體來看,人為因素對生態效益的影響對北京市自然保護地遠高于自然因素,并主要影響防風固沙、水土保持和固碳效益,而生境質量同時受到自然因素和人為因素的影響；自然因素是影響水源涵養的主要因素。(4)基于冗余分析,北京自然保護地可分為3個類群：水源涵養型、高質量棲息地型、其它生態效益型(包括防風固沙、水土保持和固碳)。

對于北京市自然保護地,本研究發現人類活動的影響超過自然因素的影響,這與北京市人口密度大,生態系統承受壓力大的現實相匹配[27]。建設用地、人口密度、耕地和道路密度等4類人為干擾因素對北京市大多數自然保護地生態效益產生了負面影響,因此控制上述人為干擾因素應是北京市自然保護地管理的重點工作。北京市自然保護地的整合優化重點工作之一就是將自然保護地中城鎮和農村建設用地和基本農田調出保護地范圍,這些將直接降低自然保護地內建設用地和耕地比例和人口,有利于提升北京市自然保護地的生態效益。北京市自然保護地整合優先工作完成后，還要開展勘界立標和確權登記工作,明確自然保護地空間范圍和管理者的管轄權限[28—29]。后續管理中應當重點對自然保護地范圍內的人類活動開展常態化監測,核查和整治自然保護地中可能存在的違法情況,防止人類活動破壞自然保護地[30—32],維持和提升自然保護地生態效益。此外,由于濕地公園生境質量偏低,建議在今后的管理工作中加強對濕地公園的管理,自然恢復為主，輔以必要的生境改善措施。水源涵養主要受自然因素影響,建議在保護地的保護成效評估中謹慎使用水源涵養這一項生態效益指標。