中国陆地自然保护区分布与环境的关系

中国陆地自然保护区分布与环境的关系

生物多样性的丧失已成为世界上最重要的环境问题之一（iucnetal.1991；chapin等人，2000；marguley，2000）。为保护全球的生物多样性,各国都制订了相应的保护政策和计划,其中建立自然保护区是最直接有效的方法,是生物多样性保护的基础(Rodriguesetal.,2004;Naughton-Trevesetal.,2005;Hansen&DeFries,2007)。中国生物多样性非常丰富,但受威胁也很严重(Tangetal.,2006;Xuetal.,2009;Sangetal.,2011;马建章等,2012)。为保护这些丰富的生物多样性,中国付出了巨大努力来建设自然保护区(Xuetal.,2009)。截至2011年底,中国大陆地区共建立2,640个各级自然保护区(含318个国家级陆地自然保护区),其中陆域自然保护区覆盖面积约143.3万km2,占国土面积的14.9%(中华人民共和国环境保护部,2012),这一比例接近甚至超过了世界平均保护区覆盖率(Soutullo,2010)。其中,管理级别最高、发挥作用最大的国家级陆地自然保护区面积约93万km2,占国土面积接近10%,是中国自然保护区的主体。然而,自然保护区的建设不能仅追求数量和面积上的增加,其设置还应充分考虑自然状况、经济发展水平、人口等因素,使之与国家综合国力相适应,以便得到足够的管理和投入(蒋志刚,2005;唐小平,2005;Zhengetal.,2012)。同时,自然保护区的成效不仅仅体现在数量与面积上,更为关键的是要从覆盖率、保护有效性、管理有效性和详细监测程度等方面来评价其空间分布和类型结构是否形成有效的网络,并能得到有效管理(Parrishetal.,2003;Hockings,2003;Rodriguesetal.,2004;Joppa&Pfaff,2009;Tangetal.,2011;Zhengetal.,2012)。全球和区域的大尺度研究表明,物种丰富度与人类活动之间往往具有密切的联系,自然条件优越的区域,生物多样性丰富,但因较适宜人类开发利用,过于频繁的人类活动往往使生物多样性丧失加剧(Araujo,2003;Evansetal.,2007),因此相对于生物多样性贫瘠的地区,这些区域的生物多样性面临着更为严峻的威胁(Hoekstraetal.,2005)。但目前,全球范围的自然保护区通常倾向于设立在人类活动较小的偏远、高海拔地区或者生产力较低的荒漠或草地(Jenkins&Joppa,2009;Joppa&Pfaff,2009;Cantu-Salazar&Gaston,2010)。全球保护区的设置与生物多样性所受到的威胁具有很大的偏差(Hoekstraetal.,2005)。这种设置模式的后果之一是虽然全球保护区的覆盖面积快速增加,但全球保护地体系仍然存在大量的保护空白(Rodriguesetal.,2004;Jenkins&Joppa,2009)。同其他国家一样,中国的自然保护区建设在早期缺乏总体研究,国家级自然保护区的申报也主要是自下而上的申报,虽然每个保护区都有详细的规划,但从宏观分布上看选址缺乏科学系统的规划,导致区域分布不平衡(唐小平,2005;闫颜等,2010;Sangetal.,2011;任慧等,2012)。针对中国自然保护区体系,许多学者从分类系统及合理布局、管理有效性和保护代表性等方面开展了大量的研究,发现中国现有保护区网络尚不完善,在生态系统类型和物种多样性上还有大量的保护空白(陈雅涵等,2009;权佳等,2009;苑虎等,2009;Wuetal.,2011;Wangetal.,2012)。然而对中国自然保护区分布格局的量化分析还很少,特别是缺乏保护区的地理分布与人类活动及自然环境关系的定量研究,缺乏自然保护区分布的区域及自然差异的证据。而传统的只针对个别保护区的分析,很难使管理者从整体上对保护区体系进行宏观调控。因此,利用遥感数据结合地理信息系统方法及有效的空间分析手段对不同人类活动强度及不同自然环境梯度下中国自然保护区的分布特征进行定量研究非常重要。本文通过获取中国现有国家级陆地自然保护区的空间分布信息,利用地理信息系统手段分析了中国国家级自然保护区分布现状及其与人为活动和自然环境的关系,以判断自然保护区的地理分布是否与生物多样性保护需求相一致,以及还存在哪些需要加强保护的地区,以期为将来新建或升级国家级自然保护区指明需要重点关注的区域。1数据和方法1.1中国国家级自然保护区分布格局与自然环境我们通过分析县域水平国家级自然保护区覆盖面积比例,并比较其沿环境梯度的变化趋势来探讨中国现有陆地国家级自然保护区的分布格局及其与人类活动和自然环境的关系。保护区信息包括中国国家级自然保护区的空间分布;自然环境信息主要包括地形、气候及植被生产力;人类活动数据包括县域水平人口密度、耕地面积比例和人均GDP。1.1.1国家级自然保护区的地理分布特征首先收集2,640个保护区的位置、面积及等级等基本信息(中华人民共和国环境保护部,2012)。国家级自然保护区具有明确的边界和较完善的管理措施,在中国自然保护区体系中发挥着重要作用,因此我们主要探讨国家级陆地自然保护区的地理分布特征。我们通过收集国家级陆地自然保护区(共318个)的综合考察报告和最新规划图,将保护区边界进行数字化(图1)。1.1.2人类活动强度的提高本研究采用县域人口密度、人均GDP以及耕地面积比例作为人类活动强度的指标。县域人口总数、人均GDP以及耕地面积来源于《中国区域经济统计年鉴2011》(国家统计局,2012)。1.2学习方法1.2.1保护区面积分析因为人类活动的统计是基于县域水平,所以我们首先在县域水平探讨国家级自然保护区的分布规律及其与人类活动强度的关系。由于国家级自然保护区面积较大,往往存在跨县情况,因此需要统计各县域的保护区面积。在地理信息系统软件ArcGIS9.3的支持下,将县级行政区划图与国家级自然保护区分布图进行叠加,获得每个自然保护区在不同县域的面积,加和计算各县域国家级自然保护区的总面积及其覆盖率,并比较不同人口密度、人均GDP以及耕地面积比例下各县域保护区覆盖率。1.2.2m、0–20、0-101先将地形、气候和植被生产力空间栅格数据在等积投影坐标系下将空间分辨率重采样到1km。将海拔、气候以及植被生产力按如下间隔划分区间。海拔:<100m,100–200m,200–2,000m之间每隔200m一段,2,000–3,500m之间每隔500m一段,>3,500m为一段,共15段;年均温:<0℃,0–20℃之间每隔2℃一段,>20℃为一段,共12段;降水:0–1,000mm之间每隔100mm一段,>1,000mm为一段,共11段;EVI按<0,0–0.4之间每隔0.05一段,>0.4,共10段;NPP按<100gC·m–2·yr–1,100–400gC·m–2·yr–1之间每隔50gC·m–2·yr–1划分一段,400–600gC·m–2·yr–1之间每隔100gC·m–2·yr–1划分一段,>600gC·m–2·yr–1为一段,共10段。在地理信息系统软件ArcGIS9.3的支持下,先统计各段的国土面积,进而将国家级自然保护区图层分别与以上地形、气候和植被生产力数据图层进行叠加,统计各海拔、年均温、年降水、EVI和NPP分段区间保护区的面积,并计算国家级自然保护区占该段国土总面积的比例,分析其在各区间内的分布特征。2结果2.1国家级保护区覆盖率各县国家级自然保护区覆盖情况并不均衡,在近2,400个县级行政单元中,有2,150个(占总数的91%)的覆盖率小于10%,且其中的1,726个(占总数的73%)无国家级自然保护区,150个(占总数的6%)覆盖率低于1%;仅有55个(2%)的覆盖率高于30%。各县域国家级自然保护区覆盖率的分布见图2,从中可知:青藏高原保护区覆盖率最高,大部分县域高于30%;其次为青藏高原边缘及内蒙古高原的一些县域,覆盖率高于10%;而东部沿海地区保护区覆盖率较低,大部分县域不到1%(图2)。各县国家级自然保护区覆盖率与人口密度(R=–0.30,P<0.01)及耕地面积比例(R=–0.29,P<0.01)均显著负相关,而与人均GDP的关系不显著(R=0.01,P>0.05)。随着人口密度的增加,保护区覆盖率减小。人口密度<10人/km2的县域中,平均保护区覆盖率为11%,而人口密度>50人/km2的县域,平均保护区覆盖率约为3%(图3a)。人均GDP<2,000元的县域,其平均保护区覆盖率也高于其他县域(图3c)。2.2国家级保护区面积及覆盖率随年降水、np-保护区覆盖面积和比例在不同自然环境差异较大。图4显示了国家级自然保护区面积及覆盖率沿海拔的变化规律。由图4可知,低海拔保护区的面积较小,而高海拔保护区分布较广:海拔<3,500m时,每个海拔段保护区总面积均小于3.5万km2;海拔>3,500m时,保护区面积达到69.7万km2(图4a)。各海拔段保护区覆盖率随海拔升高而增加:海拔<1,000m时覆盖率<5%,海拔1,200–3,000m间覆盖率约为6%,海拔3,000–3,500m间覆盖率约为12%;而海拔>3,500m时,覆盖率高达32%(图4b)。图5显示了国家级自然保护区面积及覆盖率沿年均温的变化趋势。由图5可知,保护区在低温段分布较广,而在高温区间分布面积较小,保护区面积及覆盖率均随年均温的升高而减小:年均温<0℃时,保护区面积高达68.0万km2(占该温度段国土总面积的30%);在12℃以上时,各温度段保护区总面积均少于1.2万km2(均小于2%)。图6显示了国家级自然保护区面积及覆盖率随年降水的变化趋势。由图6可知,保护区在低降水段分布较广,在高降水段面积较小,面积和覆盖率均随降水增加先升高后减少:年降水<100mm时,保护区面积高达18.4万km2(占该降水段国土总面积的>12%),年降水100–200mm时保护区面积增加到29.2万km2(29%);随后,随年降水增加保护区面积和覆盖率减小,在年降水>500mm的各降水段,保护区面积均小于5万km2(均<7%)。图7显示了国家级自然保护区面积及覆盖率随植被指数值(MODIS-EVI)的变化趋势。保护区在低EVI区间分布广泛,在高EVI段面积较小,随EVI增加,保护区面积先增加后减少,而保护区覆盖率则持续减小:在EVI<0时,保护区面积为4.8万km2(占该植被指数段国土总面积的30%),EVI在0–0.05及0.05–0.1之间时,保护区面积分别增加到20.1万km2和37.3万km2,覆盖率则分别减少到15%和23%;而EVI>0.3时,各区段保护区面积小于3万km2,覆盖率则均小于3%。图8显示了国家级自然保护区面积及覆盖率随植被净初级生产力(MODIS-NPP)的变化趋势。保护区在低NPP区间分布广泛,在高NPP段面积较小,随NPP增加,保护区面积及其覆盖率先减少后增加:在NPP<100gC·m–2·yr–1时,保护区面积为67.3万km2(占该NPP段国土总面积的21%),在NPP为100–150gC·m–2·yr–1时,保护区面积减少到4.4万km2,覆盖率也减小到8%;而NPP为200–600gC·m–2·yr–1时,各区段保护区面积小于3万km2,覆盖率均小于5%;覆盖率仅在NPP为500–600gC·m–2·yr–1段最低(约为3%);在NPP>600gC·m–2·yr–1时,保护区面积约增加到9.2万km2,覆盖率也增加到6%左右。3中国沿海地区生物多样性保护现状本文首次量化分析了中国国家级自然保护区的分布格局及其与人类活动强度和自然条件的关系。结果表明,尽管中国国家级自然保护区面积及其覆盖比例很高,但分布极不均衡。全国仍有1,726个县完全无国家级自然保护区覆盖,有150个县保护区覆盖比例低于1%,覆盖比例大于30%的县仅有55个。各县国家级自然保护区面积比例大小与人为活动强度呈现出负相关。西部人为活动较弱的地区保护区覆盖比例较高,而东部发达地区覆盖比例则过低。同全球其他地区一样,中国管理级别较高的国家级陆地自然保护区倾向于设立在海拔较高、温度较低、降水较少、植被生产力较低的区域(Joppa&Pfaff,2009)。这一结果进一步表明自然条件相对较差,较难为人类开发利用及受人为干扰相对较低的区域更容易被划分为自然保护区(Joppa&Pfaff,2009;Cantu-Salazar&Gaston,2010)。这些地区生存着一些分布范围广且亟待保护的珍稀物种,而对人类经济活动的吸引力又相对较小,保留了较为自然的状态,再加上保护区设立时易于获取所需的土地,使自然保护投入得到充分的利用,并增加了中国自然保护区的覆盖率,覆盖面积快速达到甚至超过10%的目标(Xuetal.,2009)。然而,这些地区土地利用变化的压力较小,生态破坏风险不大,设立自然保护区并不如在自然条件优越的地区那么紧迫(Joppa&Pfaff,2009,2011;Wuetal.,2011)。与此相反,自然保护区在低海拔、温暖、湿润以及植被生产力较高的东部和南部区域覆盖率相对较低。这些区域较适宜人为开发利用,保护区建设常因土地利润价值高而面临较大经济阻力(Joppa&Pfaff,2009)。然而人类活动是生物多样性所受到的最大威胁,在中国东、南部地区人类活动剧烈、生态受威胁程度严峻,更需要加强保护区建设(Hoekstraetal.,2005;Sangetal.,2011;Wuetal.,2011)。中国东南部地区同时也是物种丰富度、珍稀濒危物种以及特有物种分布的热点地区