馬踏泉,劉 睿*,李 政
(1.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院,重慶 401331;2.國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心,北京 100101;3.重慶市地理信息和遙感應(yīng)用中心,重慶 401121)
近年來,國家非常重視對于保護(hù)區(qū)內(nèi)部人類活動和生態(tài)狀況的監(jiān)測與反饋,部分學(xué)者嘗試選取人類活動指標(biāo),監(jiān)測人類活動的構(gòu)成和數(shù)量,但大多從科研角度出發(fā),也忽視了對生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)健康水平的監(jiān)測,研究結(jié)果對管理決策的支撐作用較小。因此,如何利用現(xiàn)代遙感技術(shù),克服“碎片化”、“孤島化”等現(xiàn)實(shí)困境,定量研究自然保護(hù)區(qū)內(nèi)人類干擾和生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀、變化和規(guī)律,做到事前發(fā)現(xiàn),立即扼殺;事中處理,化解矛盾。并逐步形成常態(tài)化的監(jiān)測預(yù)警機(jī)制,成為研究熱點(diǎn)。
本研究以服務(wù)政府管理決策為目標(biāo),基于自然保護(hù)區(qū)管控要求設(shè)立人類活動干擾約束性指標(biāo),重點(diǎn)監(jiān)測保護(hù)區(qū)內(nèi)部人類活動干擾程度大小和變化趨勢;將偏自然的系統(tǒng)內(nèi)部“壓力-活力-組織-彈性”理論與表征“人地相互關(guān)系”的PSR 模型有機(jī)結(jié)合,重視自然保護(hù)區(qū)內(nèi)部生態(tài)斑塊的“質(zhì)量”“數(shù)量”和“格局”,測度生態(tài)系統(tǒng)健康水平,揭示保護(hù)區(qū)內(nèi)部生物流和生物多樣性狀態(tài)[5]。自然保護(hù)區(qū)監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)體系的構(gòu)建,可以幫助決策者掌握自然保護(hù)區(qū)人類活動干擾及其生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)、分布與動態(tài)變化,及時評估和預(yù)警生態(tài)風(fēng)險,是微觀生態(tài)本底與宏觀生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合,也是落實(shí)自然保護(hù)區(qū)管控的關(guān)鍵舉措。
1.1.1 人類活動清單編制
本研究依據(jù)《關(guān)于做好自然保護(hù)區(qū)范圍及功能優(yōu)化調(diào)整前期有關(guān)工作的函》等自然保護(hù)區(qū)管控規(guī)則,參考中華人民共和國生態(tài)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)《自然保護(hù)地人類活動遙感監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ 1156-2021),將人類活動類型、定義與《第三次全國國土調(diào)查技術(shù)規(guī)程》(TD/D 1055-2019)充分銜接,形成新的分類和定義。自然保護(hù)區(qū)內(nèi)部人類活動危害性優(yōu)先順序?yàn)椋旱V產(chǎn)資源開發(fā)>工業(yè)開發(fā)>旅游開發(fā)>能源開發(fā)>交通開發(fā)>養(yǎng)殖開發(fā)>農(nóng)業(yè)開發(fā)>居民點(diǎn)與其他活動[6]。
1.1.2 人類活動變化監(jiān)測
人類活動變化監(jiān)測是以人類活動清單為依據(jù),以行業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)和高分辨率遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對覆蓋自然保護(hù)區(qū)的區(qū)域進(jìn)行排查和判讀,對比分析監(jiān)測期前后地物情況,核實(shí)人類活動變化圖斑類型,從而揭示監(jiān)測區(qū)域人類活動范圍新增、不變、減少的情況。變化類型中,危害性優(yōu)先順序?yàn)椋盒略?不變>減少。同時采用人類活動數(shù)量變化幅度[2],評價自然保護(hù)區(qū)內(nèi)部人類活動變化強(qiáng)度,具體公式如下:
式中,IHAC 變量為保護(hù)區(qū)人類活動變化強(qiáng)度指數(shù);Ai變量為2020 年保護(hù)區(qū)第i個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人類活動數(shù)量;Bi變量為2019 年保護(hù)區(qū)第i個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人類活動數(shù)量。依據(jù)該指數(shù), 保護(hù)區(qū)變化強(qiáng)度劃分為明顯(IHAC>10%)、較明顯(5%<IHAC ≤10%)、較小(IHAC ≤5%)和無變化(IHAC=0%)4個級別[2]。
1.2.1 生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)體系的構(gòu)建
自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是自然資源、人類社會活動以及制度約束之間相互影響、緊密聯(lián)系形成的復(fù)雜系統(tǒng)[7]。研究將表征“人地相互關(guān)系”的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型與反映生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部自身環(huán)境狀態(tài)的“活力-組織-彈性”理論相結(jié)合,遵從指標(biāo)選取的科學(xué)性、代表性以及穩(wěn)定性等原則,參照相關(guān)學(xué)者的研究成果[5,7],結(jié)合數(shù)據(jù)的可獲得性,選取9 個因子構(gòu)建自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康水平評價指標(biāo)體系。其中,“壓力”指標(biāo)用來描述人類活動對保護(hù)區(qū)造成的壓力,說明引起保護(hù)區(qū)生態(tài)變化的人類活動范圍與強(qiáng)度。“狀態(tài)”指標(biāo)用來描述保護(hù)區(qū)自身面對上述“壓力”所呈現(xiàn)出的狀況,本研究綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)自身對環(huán)境變化的適應(yīng)與自我恢復(fù)能力,重視保護(hù)區(qū)內(nèi)部生態(tài)斑塊的質(zhì)量、數(shù)量以及格局。其中,“活力”指新陳代謝能力,用NDVI來表征;“組織”指景觀要素的整體穩(wěn)定性及局部之間的互通性,用景觀多樣性指數(shù)、斑塊豐富度、平均斑塊面積和景觀破碎度表征;“彈性”指保護(hù)區(qū)在受到外界破壞的情況下自我調(diào)節(jié)、自我恢復(fù)的能力,用生態(tài)彈性度表征。“響應(yīng)”指標(biāo)是用來描述社會、輿論對與人類活動造成的生態(tài)環(huán)境狀況壓力所表現(xiàn)出的狀態(tài)做出的反應(yīng),包括政策與措施的實(shí)施力度及效果,用自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)面積來表示[8-10]。
1.2.2 部分指標(biāo)的計(jì)算
以土地利用產(chǎn)品和遙感產(chǎn)品為基礎(chǔ),利用科學(xué)的方法對各指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,人口密度由收集到的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)面積加權(quán)獲得,狀態(tài)項(xiàng)目層中的景觀多樣性指數(shù)、斑塊豐富度、平均斑塊面積、景觀破碎度由Fragstats4.2軟件平臺計(jì)算生成,其他重要指標(biāo)情況如下:
1)人類干擾強(qiáng)度。人類干擾強(qiáng)度是人類活動對生態(tài)環(huán)境所施加的壓力,指數(shù)越大則人類活動影響強(qiáng)度越大;反之,越小[8]。人類干擾強(qiáng)度指數(shù)(HIS)計(jì)算公式如下:
式中,HIS 為人類干擾強(qiáng)度;Sc、Sa、Sr分別為建設(shè)用地、農(nóng)業(yè)用地、道路用地的面積;S為自然保護(hù)區(qū)總面積。
2)歸一化植被指數(shù)。歸一化植被指數(shù)即Normalized Difference Vegetation Index,簡 稱NDVI,是 氣候、環(huán)境等多種因素綜合作用的結(jié)果,表征區(qū)域植被生長狀態(tài),能很好的揭示自然保護(hù)區(qū)植被狀態(tài)[7],其計(jì)算公式為:
式中,DNVI 為歸一化植被指數(shù);R為紅光波段的反射值;NIR 為紅外波段的反射值。
3)生態(tài)彈性度。生態(tài)彈性度指生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的可變化余地大小,是自我維持、自我調(diào)節(jié)及其抵抗各種壓力與擾動的能力大小[9],其(EEI)指數(shù)計(jì)算公式為:
式中,EEI 為生態(tài)彈性度指數(shù);Si為i類土地利用類型的面積;Fi為i類土地利用的彈性分值,依據(jù)土地利用類型對生態(tài)環(huán)境的作用大小賦值;S為自然保護(hù)區(qū)總面積。
1.2.3 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理
自然保護(hù)區(qū)不同的生態(tài)健康評價指標(biāo)量綱將會對評價結(jié)果產(chǎn)生很大的影響,因此在評價之前應(yīng)該對格網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[7]。
式中,Xij為標(biāo)準(zhǔn)化后的值;xij為第i個格網(wǎng)第j項(xiàng)指標(biāo)的值;xjmin、xjmax為區(qū)域內(nèi)第j項(xiàng)指標(biāo)的最小值、最大值。指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值介于[0,1]之間,其值越大,生態(tài)健康狀況越好;反之,越差。
1.2.4 生態(tài)系統(tǒng)健康級別判定標(biāo)準(zhǔn)
依據(jù)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)健康評價指標(biāo)體系,對各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后,采用層次分析法和熵值法求取組合權(quán)重,并利用綜合指數(shù)法對自然保護(hù)區(qū)各格網(wǎng)的生態(tài)系統(tǒng)健康水平進(jìn)行測算,依據(jù)自然斷裂點(diǎn)法將其劃分為健康、亞健康和不健康3 個狀態(tài)區(qū)間。其中,健康狀態(tài)指人為干擾強(qiáng)度小于系統(tǒng)自調(diào)控閾值,生態(tài)系統(tǒng)保持動態(tài)平衡;亞健康狀態(tài)指人為干擾強(qiáng)度超過系統(tǒng)自調(diào)控閾值,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能改變,生態(tài)質(zhì)量不斷下降,但可通過人工或自然恢復(fù)對其進(jìn)行改善;不健康狀態(tài)指生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)一步惡化,其自然恢復(fù)難度加大,采取人為調(diào)控進(jìn)行人工恢復(fù),恢復(fù)可能性較大。
1.3.1 綜合監(jiān)測預(yù)警流程
將人類活動和生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)有機(jī)結(jié)合,構(gòu)建自然保護(hù)區(qū)綜合監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)體系,用于對自然保護(hù)區(qū)內(nèi)部人類活動干擾強(qiáng)度大小和生態(tài)健康水平現(xiàn)狀及變化情況進(jìn)行監(jiān)測。綜合2 種預(yù)警結(jié)果,采用“最低”原則,發(fā)出自然保護(hù)區(qū)監(jiān)測綜合預(yù)警信號,其中紅色代表重警、黃色代表中警、綠色代表無警。以此達(dá)到“剛性”與“彈性”相結(jié)合、靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的多元化、多體系、多維度的綜合監(jiān)測,支撐自然保護(hù)區(qū)管控決策。
1.3.2 人類活動監(jiān)測預(yù)警
自然保護(hù)區(qū)人類活動監(jiān)測預(yù)警以服務(wù)政府決策為基本出發(fā)點(diǎn),依托自然保護(hù)區(qū)管控規(guī)則和編制的人類活動清單,將分布在核心區(qū)和一般控制區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀人類活動的數(shù)量多少、類型危害性程度以及變化情況有機(jī)結(jié)合,進(jìn)行定量、定性上的區(qū)分和評判,開展監(jiān)測預(yù)警,從而揭示政府處理人類活動危害的緊急性狀態(tài)。警情從小到大分為無警、中警、重警3 個等級,分別用綠色、黃色和紅色顯示。
自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測預(yù)警主要依據(jù)監(jiān)測期末的生態(tài)健康狀態(tài)水平和監(jiān)測期間生態(tài)健康趨好、不變和趨差的變化規(guī)律進(jìn)行警情預(yù)報(bào)[7]。當(dāng)期末生態(tài)系統(tǒng)維持健康狀態(tài),且呈現(xiàn)出趨好或者不變的態(tài)勢,顯示無警;當(dāng)期末生態(tài)系統(tǒng)健康維持亞健康狀態(tài),且呈現(xiàn)出趨好或者不變的態(tài)勢,或生態(tài)系統(tǒng)健康維持健康狀態(tài),呈現(xiàn)趨差態(tài)勢,顯示中警;生態(tài)系統(tǒng)健康維持不健康狀態(tài),或者維持亞健康狀態(tài)且呈現(xiàn)下降趨勢,顯示重警。自然保護(hù)區(qū)生態(tài)健康趨勢計(jì)算方法如下:
式中,EHI 為生態(tài)健康指數(shù);EHIj為監(jiān)測末期生態(tài)健康指數(shù);EHIi為監(jiān)測初期生態(tài)健康指數(shù);?EHI 為監(jiān)測期內(nèi)的生態(tài)健康指數(shù)變化量,當(dāng)?EHI<0 為趨差,?EHI=0 為不變,?EHI>0 為趨好。
試點(diǎn)是對自然保護(hù)區(qū)監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)體系可行性和有效性的檢驗(yàn)過程。重慶大巴山國家級自然保護(hù)區(qū)作為溫帶和亞熱帶分界線,是國家重要的涵養(yǎng)水源生態(tài)功能區(qū),對其開展試點(diǎn)評估具有重要意義。保護(hù)區(qū)東、北兩面接壤陜西省,西連四川省,南接重慶市的巫溪縣、開州區(qū),屬于四川盆地與秦嶺造山帶的過渡地帶[9-10],面積為11 2614.58 hm2,其中核心區(qū)、一般控制區(qū)分別占比53.92%、46.08%。
研究數(shù)據(jù)主要包括社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)為鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口數(shù)據(jù),來源于統(tǒng)計(jì)年鑒。文本數(shù)據(jù)為官網(wǎng)發(fā)布的自然保護(hù)區(qū)管控規(guī)則、相關(guān)技術(shù)規(guī)范等。空間數(shù)據(jù)中土地利用數(shù)據(jù)來源于行業(yè)部門提供的變更調(diào)查數(shù)據(jù);DEM數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn)提供的數(shù)字高程數(shù)據(jù);NDVI 數(shù)據(jù)源來自于USGS 美國地質(zhì)勘探局(http://glovis.usgs.gov)提供的Modis數(shù)據(jù),通過最大合成法得到;行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于2017年國家基礎(chǔ)信息中心(www.webmap.cn)公布的全國1∶100 萬基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫;自然保護(hù)區(qū)矢量范圍來源于行業(yè)部門收集成果。同時為方便多元數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化與兼容,豐富評價單元屬性維度,細(xì)化評價區(qū)域空間精度,采用格網(wǎng)法進(jìn)行空間索引的建立與矢量數(shù)據(jù)的柵格化,本研究生成2 150個1 km×1 km的格網(wǎng),對保護(hù)區(qū)開展基于格網(wǎng)模型的生態(tài)系統(tǒng)健康評價。
3.1.1 人類活動現(xiàn)狀監(jiān)測
從數(shù)量和構(gòu)成上看,2020 年大巴山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)以林地、草地、水域等類型的生態(tài)用地為主,人類活動整體較少,達(dá)4 528.32 hm2,僅占保護(hù)區(qū)總面積的4.02%,以農(nóng)業(yè)、交通、居民點(diǎn)等生產(chǎn)性活動最為典型。其中,農(nóng)業(yè)開發(fā)是主要的人類活動,由旱地、水田、園地等具體用地類型構(gòu)成,面積達(dá)4 239.93 hm2,占人類活動地類總面積的93.63%;交通開發(fā)活動次之,面積達(dá)173.47 hm2,主要為農(nóng)村道路、公路用地、交通服務(wù)設(shè)施用地以及鐵路用地等現(xiàn)狀設(shè)施;居民點(diǎn)與其他活動面積共106.64 hm2,占比2.36%。
從地理空間分布上看,大巴山人類活動多發(fā)生在一般控制區(qū),核心區(qū)內(nèi)較少。核心區(qū)內(nèi)不存在對生態(tài)環(huán)境危害嚴(yán)重的礦產(chǎn)資源開發(fā)性活動,同時對保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響相對較大的工業(yè)開發(fā)、能源開發(fā)和旅游開發(fā)總面積僅為0.16 hm2。一般控制區(qū)內(nèi)人類活動地類總面積為2 805.22 hm2,呈現(xiàn)出農(nóng)業(yè)開發(fā)>交通開發(fā)>居民點(diǎn)與其他活動>養(yǎng)殖開發(fā)>礦產(chǎn)資源開發(fā)>旅游開發(fā)>能源開發(fā)>工業(yè)開發(fā)的現(xiàn)狀。人類活動集中分布于保護(hù)區(qū)東部,城口縣境內(nèi)的東安鎮(zhèn)、嵐天鄉(xiāng)以及河魚鄉(xiāng)等區(qū)域。
左圓最大的建筑是噴泉,直徑十多米的水池鑲著馬賽克,池子里用水泥鋼筋搭建的假山,因多年不用,成了鳥兒們的樂園。有意的是假山上面雕塑著的那幾只海鷗。有的平靜地飛翔,有的欲飛欲止,最上面的那只折了一個膀的海鷗,看樣子是凱旋歸來?又像是在花樣飛翔?讓人浮想聯(lián)翩……
3.1.2 人類活動變化監(jiān)測
由表1可得,2019—2020年間,人類活動由原來的4 669.72 hm2減少至4 528.31 hm2,共計(jì)減少141.41 hm2,整體狀況趨好。其中,農(nóng)業(yè)開發(fā)減少最多,從4 379.37 hm2減少至4 239.93 hm2,共減少了139.44 hm2,其次是居民點(diǎn)與其他活動,減少達(dá)9.56 hm2,表明有序退出成效明顯。但由于基數(shù)仍然較大,未來還需進(jìn)一步強(qiáng)化生態(tài)搬遷成效。除此之外,部分人類活動呈現(xiàn)出增加的態(tài)勢,例如交通開發(fā)增加了7.9 hm2,新增的主要為未硬化或硬化較少的農(nóng)村道路。從地理空間分布上看,一般控制區(qū)人類活動新增明顯多于核心區(qū),兩者新增的面積分別為56.47 hm2、5.50 hm2。

表1 大巴山自然保護(hù)區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)人類活動變化數(shù)量和幅度情況
3.1.3 人類活動監(jiān)測預(yù)警
大巴山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)人類活動面積達(dá)4 528.31 hm2,其中核心區(qū)為1 723.11 hm2,一般控制區(qū)為2 805.2 hm2,人類活動類型較多,尤其是一般控制區(qū)存在一定量的礦產(chǎn)資源開發(fā)。近1 a,人類活動雖呈減少趨勢,但交通開發(fā)、養(yǎng)殖開發(fā)、特殊開發(fā)、能源開發(fā)等均呈現(xiàn)不同程度的增加,一定程度上對生態(tài)環(huán)境會產(chǎn)生危害。依據(jù)自然保護(hù)區(qū)人類活動監(jiān)測預(yù)警規(guī)則,保護(hù)區(qū)人類活動主要以中警為主,呈現(xiàn)黃色預(yù)警。
由圖1可得,2020年大巴山自然保護(hù)區(qū)生態(tài)健康平均指數(shù)為0.80,維持健康水平,整體狀況良好。其中,核心區(qū)和一般控制區(qū)平均健康指數(shù)分別達(dá)0.80、0.79,人為干擾強(qiáng)度均小于系統(tǒng)自調(diào)控閾值,生態(tài)系統(tǒng)保持一種動態(tài)的平衡。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)部多呈現(xiàn)健康和亞健康狀態(tài),不健康區(qū)域較小,空間分布格局差異明顯。城口縣烏巴山鎮(zhèn)生態(tài)健康平均指數(shù)最高,達(dá)到0.82,巫溪縣紅池壩經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)最低,生態(tài)健康平均指數(shù)僅為0.77,主要原因是人類活動開發(fā)強(qiáng)度的差異。

圖1 大巴山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)公里格網(wǎng)生態(tài)健康水平(審圖號:渝S(2023)079號)
從變化情況來看,2019—2020年間,生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)由原來的0.79上升至0.80,整體狀況趨好。其中,自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)生態(tài)健康指數(shù)不變,一般控制區(qū)從監(jiān)測期初的0.78增長至監(jiān)測期末的0.79。保護(hù)區(qū)內(nèi)大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)ΔEHI>0,生態(tài)系統(tǒng)健康水平進(jìn)一步變好,生態(tài)健康指數(shù)增長變化最為明顯的是天元鄉(xiāng),增長了0.02,而紅池壩經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和土城鎮(zhèn)2 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)在監(jiān)測期間生態(tài)健康水平趨差。
綜上所述,大巴山國家級自然保護(hù)區(qū)現(xiàn)狀生態(tài)系統(tǒng)健康水平整體較高,呈現(xiàn)健康狀態(tài),且在監(jiān)測期內(nèi)呈現(xiàn)趨好的趨勢。因此,生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測預(yù)警等級為無警,呈現(xiàn)警情狀態(tài)為綠色預(yù)警。
本研究以服務(wù)政府管理決策為目標(biāo),將人類活動干擾約束性指標(biāo)和生態(tài)系統(tǒng)健康預(yù)期性指標(biāo)有機(jī)結(jié)合,構(gòu)建自然保護(hù)區(qū)監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)體系,并對大巴山國家級自然保護(hù)區(qū)開展試點(diǎn)。研究結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映自然保護(hù)區(qū)內(nèi)部人類活動和生態(tài)系統(tǒng)健康的現(xiàn)狀規(guī)模、空間分布、變化趨勢、變化強(qiáng)度等基本情況,揭示保護(hù)區(qū)的警情狀態(tài),是剛性與彈性、靜態(tài)和動態(tài)、微觀生態(tài)本底和宏觀生態(tài)系統(tǒng)間的有機(jī)結(jié)合。