中國陸地自然保護區(qū)分布與環(huán)境的關系

中國陸地自然保護區(qū)分布與環(huán)境的關系

生物多樣性的喪失已成為世界上最重要的環(huán)境問題之一（iucnetal.1991；chapin等人，2000；marguley，2000）。為保護全球的生物多樣性,各國都制訂了相應的保護政策和計劃,其中建立自然保護區(qū)是最直接有效的方法,是生物多樣性保護的基礎(Rodriguesetal.,2004;Naughton-Trevesetal.,2005;Hansen&DeFries,2007)。中國生物多樣性非常豐富,但受威脅也很嚴重(Tangetal.,2006;Xuetal.,2009;Sangetal.,2011;馬建章等,2012)。為保護這些豐富的生物多樣性,中國付出了巨大努力來建設自然保護區(qū)(Xuetal.,2009)。截至2011年底,中國大陸地區(qū)共建立2,640個各級自然保護區(qū)(含318個國家級陸地自然保護區(qū)),其中陸域自然保護區(qū)覆蓋面積約143.3萬km2,占國土面積的14.9%(中華人民共和國環(huán)境保護部,2012),這一比例接近甚至超過了世界平均保護區(qū)覆蓋率(Soutullo,2010)。其中,管理級別最高、發(fā)揮作用最大的國家級陸地自然保護區(qū)面積約93萬km2,占國土面積接近10%,是中國自然保護區(qū)的主體。然而,自然保護區(qū)的建設不能僅追求數(shù)量和面積上的增加,其設置還應充分考慮自然狀況、經(jīng)濟發(fā)展水平、人口等因素,使之與國家綜合國力相適應,以便得到足夠的管理和投入(蔣志剛,2005;唐小平,2005;Zhengetal.,2012)。同時,自然保護區(qū)的成效不僅僅體現(xiàn)在數(shù)量與面積上,更為關鍵的是要從覆蓋率、保護有效性、管理有效性和詳細監(jiān)測程度等方面來評價其空間分布和類型結(jié)構(gòu)是否形成有效的網(wǎng)絡,并能得到有效管理(Parrishetal.,2003;Hockings,2003;Rodriguesetal.,2004;Joppa&Pfaff,2009;Tangetal.,2011;Zhengetal.,2012)。全球和區(qū)域的大尺度研究表明,物種豐富度與人類活動之間往往具有密切的聯(lián)系,自然條件優(yōu)越的區(qū)域,生物多樣性豐富,但因較適宜人類開發(fā)利用,過于頻繁的人類活動往往使生物多樣性喪失加劇(Araujo,2003;Evansetal.,2007),因此相對于生物多樣性貧瘠的地區(qū),這些區(qū)域的生物多樣性面臨著更為嚴峻的威脅(Hoekstraetal.,2005)。但目前,全球范圍的自然保護區(qū)通常傾向于設立在人類活動較小的偏遠、高海拔地區(qū)或者生產(chǎn)力較低的荒漠或草地(Jenkins&Joppa,2009;Joppa&Pfaff,2009;Cantu-Salazar&Gaston,2010)。全球保護區(qū)的設置與生物多樣性所受到的威脅具有很大的偏差(Hoekstraetal.,2005)。這種設置模式的后果之一是雖然全球保護區(qū)的覆蓋面積快速增加,但全球保護地體系仍然存在大量的保護空白(Rodriguesetal.,2004;Jenkins&Joppa,2009)。同其他國家一樣,中國的自然保護區(qū)建設在早期缺乏總體研究,國家級自然保護區(qū)的申報也主要是自下而上的申報,雖然每個保護區(qū)都有詳細的規(guī)劃,但從宏觀分布上看選址缺乏科學系統(tǒng)的規(guī)劃,導致區(qū)域分布不平衡(唐小平,2005;閆顏等,2010;Sangetal.,2011;任慧等,2012)。針對中國自然保護區(qū)體系,許多學者從分類系統(tǒng)及合理布局、管理有效性和保護代表性等方面開展了大量的研究,發(fā)現(xiàn)中國現(xiàn)有保護區(qū)網(wǎng)絡尚不完善,在生態(tài)系統(tǒng)類型和物種多樣性上還有大量的保護空白(陳雅涵等,2009;權(quán)佳等,2009;苑虎等,2009;Wuetal.,2011;Wangetal.,2012)。然而對中國自然保護區(qū)分布格局的量化分析還很少,特別是缺乏保護區(qū)的地理分布與人類活動及自然環(huán)境關系的定量研究,缺乏自然保護區(qū)分布的區(qū)域及自然差異的證據(jù)。而傳統(tǒng)的只針對個別保護區(qū)的分析,很難使管理者從整體上對保護區(qū)體系進行宏觀調(diào)控。因此,利用遙感數(shù)據(jù)結(jié)合地理信息系統(tǒng)方法及有效的空間分析手段對不同人類活動強度及不同自然環(huán)境梯度下中國自然保護區(qū)的分布特征進行定量研究非常重要。本文通過獲取中國現(xiàn)有國家級陸地自然保護區(qū)的空間分布信息,利用地理信息系統(tǒng)手段分析了中國國家級自然保護區(qū)分布現(xiàn)狀及其與人為活動和自然環(huán)境的關系,以判斷自然保護區(qū)的地理分布是否與生物多樣性保護需求相一致,以及還存在哪些需要加強保護的地區(qū),以期為將來新建或升級國家級自然保護區(qū)指明需要重點關注的區(qū)域。1數(shù)據(jù)和方法1.1中國國家級自然保護區(qū)分布格局與自然環(huán)境我們通過分析縣域水平國家級自然保護區(qū)覆蓋面積比例,并比較其沿環(huán)境梯度的變化趨勢來探討中國現(xiàn)有陸地國家級自然保護區(qū)的分布格局及其與人類活動和自然環(huán)境的關系。保護區(qū)信息包括中國國家級自然保護區(qū)的空間分布;自然環(huán)境信息主要包括地形、氣候及植被生產(chǎn)力;人類活動數(shù)據(jù)包括縣域水平人口密度、耕地面積比例和人均GDP。1.1.1國家級自然保護區(qū)的地理分布特征首先收集2,640個保護區(qū)的位置、面積及等級等基本信息(中華人民共和國環(huán)境保護部,2012)。國家級自然保護區(qū)具有明確的邊界和較完善的管理措施,在中國自然保護區(qū)體系中發(fā)揮著重要作用,因此我們主要探討國家級陸地自然保護區(qū)的地理分布特征。我們通過收集國家級陸地自然保護區(qū)(共318個)的綜合考察報告和最新規(guī)劃圖,將保護區(qū)邊界進行數(shù)字化(圖1)。1.1.2人類活動強度的提高本研究采用縣域人口密度、人均GDP以及耕地面積比例作為人類活動強度的指標?？h域人口總數(shù)、人均GDP以及耕地面積來源于《中國區(qū)域經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒2011》(國家統(tǒng)計局,2012)。1.2學習方法1.2.1保護區(qū)面積分析因為人類活動的統(tǒng)計是基于縣域水平,所以我們首先在縣域水平探討國家級自然保護區(qū)的分布規(guī)律及其與人類活動強度的關系。由于國家級自然保護區(qū)面積較大,往往存在跨縣情況,因此需要統(tǒng)計各縣域的保護區(qū)面積。在地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS9.3的支持下,將縣級行政區(qū)劃圖與國家級自然保護區(qū)分布圖進行疊加,獲得每個自然保護區(qū)在不同縣域的面積,加和計算各縣域國家級自然保護區(qū)的總面積及其覆蓋率,并比較不同人口密度、人均GDP以及耕地面積比例下各縣域保護區(qū)覆蓋率。1.2.2m、0–20、0-101先將地形、氣候和植被生產(chǎn)力空間柵格數(shù)據(jù)在等積投影坐標系下將空間分辨率重采樣到1km。將海拔、氣候以及植被生產(chǎn)力按如下間隔劃分區(qū)間。海拔:<100m,100–200m,200–2,000m之間每隔200m一段,2,000–3,500m之間每隔500m一段,>3,500m為一段,共15段;年均溫:<0℃,0–20℃之間每隔2℃一段,>20℃為一段,共12段;降水:0–1,000mm之間每隔100mm一段,>1,000mm為一段,共11段;EVI按<0,0–0.4之間每隔0.05一段,>0.4,共10段;NPP按<100gC·m–2·yr–1,100–400gC·m–2·yr–1之間每隔50gC·m–2·yr–1劃分一段,400–600gC·m–2·yr–1之間每隔100gC·m–2·yr–1劃分一段,>600gC·m–2·yr–1為一段,共10段。在地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS9.3的支持下,先統(tǒng)計各段的國土面積,進而將國家級自然保護區(qū)圖層分別與以上地形、氣候和植被生產(chǎn)力數(shù)據(jù)圖層進行疊加,統(tǒng)計各海拔、年均溫、年降水、EVI和NPP分段區(qū)間保護區(qū)的面積,并計算國家級自然保護區(qū)占該段國土總面積的比例,分析其在各區(qū)間內(nèi)的分布特征。2結(jié)果2.1國家級保護區(qū)覆蓋率各縣國家級自然保護區(qū)覆蓋情況并不均衡,在近2,400個縣級行政單元中,有2,150個(占總數(shù)的91%)的覆蓋率小于10%,且其中的1,726個(占總數(shù)的73%)無國家級自然保護區(qū),150個(占總數(shù)的6%)覆蓋率低于1%;僅有55個(2%)的覆蓋率高于30%。各縣域國家級自然保護區(qū)覆蓋率的分布見圖2,從中可知:青藏高原保護區(qū)覆蓋率最高,大部分縣域高于30%;其次為青藏高原邊緣及內(nèi)蒙古高原的一些縣域,覆蓋率高于10%;而東部沿海地區(qū)保護區(qū)覆蓋率較低,大部分縣域不到1%(圖2)。各縣國家級自然保護區(qū)覆蓋率與人口密度(R=–0.30,P<0.01)及耕地面積比例(R=–0.29,P<0.01)均顯著負相關,而與人均GDP的關系不顯著(R=0.01,P>0.05)。隨著人口密度的增加,保護區(qū)覆蓋率減小。人口密度<10人/km2的縣域中,平均保護區(qū)覆蓋率為11%,而人口密度>50人/km2的縣域,平均保護區(qū)覆蓋率約為3%(圖3a)。人均GDP<2,000元的縣域,其平均保護區(qū)覆蓋率也高于其他縣域(圖3c)。2.2國家級保護區(qū)面積及覆蓋率隨年降水、np-保護區(qū)覆蓋面積和比例在不同自然環(huán)境差異較大。圖4顯示了國家級自然保護區(qū)面積及覆蓋率沿海拔的變化規(guī)律。由圖4可知,低海拔保護區(qū)的面積較小,而高海拔保護區(qū)分布較廣:海拔<3,500m時,每個海拔段保護區(qū)總面積均小于3.5萬km2;海拔>3,500m時,保護區(qū)面積達到69.7萬km2(圖4a)。各海拔段保護區(qū)覆蓋率隨海拔升高而增加:海拔<1,000m時覆蓋率<5%,海拔1,200–3,000m間覆蓋率約為6%,海拔3,000–3,500m間覆蓋率約為12%;而海拔>3,500m時,覆蓋率高達32%(圖4b)。圖5顯示了國家級自然保護區(qū)面積及覆蓋率沿年均溫的變化趨勢。由圖5可知,保護區(qū)在低溫段分布較廣,而在高溫區(qū)間分布面積較小,保護區(qū)面積及覆蓋率均隨年均溫的升高而減小:年均溫<0℃時,保護區(qū)面積高達68.0萬km2(占該溫度段國土總面積的30%);在12℃以上時,各溫度段保護區(qū)總面積均少于1.2萬km2(均小于2%)。圖6顯示了國家級自然保護區(qū)面積及覆蓋率隨年降水的變化趨勢。由圖6可知,保護區(qū)在低降水段分布較廣,在高降水段面積較小,面積和覆蓋率均隨降水增加先升高后減少:年降水<100mm時,保護區(qū)面積高達18.4萬km2(占該降水段國土總面積的>12%),年降水100–200mm時保護區(qū)面積增加到29.2萬km2(29%);隨后,隨年降水增加保護區(qū)面積和覆蓋率減小,在年降水>500mm的各降水段,保護區(qū)面積均小于5萬km2(均<7%)。圖7顯示了國家級自然保護區(qū)面積及覆蓋率隨植被指數(shù)值(MODIS-EVI)的變化趨勢。保護區(qū)在低EVI區(qū)間分布廣泛,在高EVI段面積較小,隨EVI增加,保護區(qū)面積先增加后減少,而保護區(qū)覆蓋率則持續(xù)減小:在EVI<0時,保護區(qū)面積為4.8萬km2(占該植被指數(shù)段國土總面積的30%),EVI在0–0.05及0.05–0.1之間時,保護區(qū)面積分別增加到20.1萬km2和37.3萬km2,覆蓋率則分別減少到15%和23%;而EVI>0.3時,各區(qū)段保護區(qū)面積小于3萬km2,覆蓋率則均小于3%。圖8顯示了國家級自然保護區(qū)面積及覆蓋率隨植被凈初級生產(chǎn)力(MODIS-NPP)的變化趨勢。保護區(qū)在低NPP區(qū)間分布廣泛,在高NPP段面積較小,隨NPP增加,保護區(qū)面積及其覆蓋率先減少后增加:在NPP<100gC·m–2·yr–1時,保護區(qū)面積為67.3萬km2(占該NPP段國土總面積的21%),在NPP為100–150gC·m–2·yr–1時,保護區(qū)面積減少到4.4萬km2,覆蓋率也減小到8%;而NPP為200–600gC·m–2·yr–1時,各區(qū)段保護區(qū)面積小于3萬km2,覆蓋率均小于5%;覆蓋率僅在NPP為500–600gC·m–2·yr–1段最低(約為3%);在NPP>600gC·m–2·yr–1時,保護區(qū)面積約增加到9.2萬km2,覆蓋率也增加到6%左右。3中國沿海地區(qū)生物多樣性保護現(xiàn)狀本文首次量化分析了中國國家級自然保護區(qū)的分布格局及其與人類活動強度和自然條件的關系。結(jié)果表明,盡管中國國家級自然保護區(qū)面積及其覆蓋比例很高,但分布極不均衡。全國仍有1,726個縣完全無國家級自然保護區(qū)覆蓋,有150個縣保護區(qū)覆蓋比例低于1%,覆蓋比例大于30%的縣僅有55個。各縣國家級自然保護區(qū)面積比例大小與人為活動強度呈現(xiàn)出負相關。西部人為活動較弱的地區(qū)保護區(qū)覆蓋比例較高,而東部發(fā)達地區(qū)覆蓋比例則過低。同全球其他地區(qū)一樣,中國管理級別較高的國家級陸地自然保護區(qū)傾向于設立在海拔較高、溫度較低、降水較少、植被生產(chǎn)力較低的區(qū)域(Joppa&Pfaff,2009)。這一結(jié)果進一步表明自然條件相對較差,較難為人類開發(fā)利用及受人為干擾相對較低的區(qū)域更容易被劃分為自然保護區(qū)(Joppa&Pfaff,2009;Cantu-Salazar&Gaston,2010)。這些地區(qū)生存著一些分布范圍廣且亟待保護的珍稀物種,而對人類經(jīng)濟活動的吸引力又相對較小,保留了較為自然的狀態(tài),再加上保護區(qū)設立時易于獲取所需的土地,使自然保護投入得到充分的利用,并增加了中國自然保護區(qū)的覆蓋率,覆蓋面積快速達到甚至超過10%的目標(Xuetal.,2009)。然而,這些地區(qū)土地利用變化的壓力較小,生態(tài)破壞風險不大,設立自然保護區(qū)并不如在自然條件優(yōu)越的地區(qū)那么緊迫(Joppa&Pfaff,2009,2011;Wuetal.,2011)。與此相反,自然保護區(qū)在低海拔、溫暖、濕潤以及植被生產(chǎn)力較高的東部和南部區(qū)域覆蓋率相對較低。這些區(qū)域較適宜人為開發(fā)利用,保護區(qū)建設常因土地利潤價值高而面臨較大經(jīng)濟阻力(Joppa&Pfaff,2009)。然而人類活動是生物多樣性所受到的最大威脅,在中國東、南部地區(qū)人類活動劇烈、生態(tài)受威脅程度嚴峻,更需要加強保護區(qū)建設(Hoekstraetal.,2005;Sangetal.,2011;Wuetal.,2011)。中國東南部地區(qū)同時也是物種豐富度、珍稀瀕危物種以及特有物種分布的熱點地區(qū)