国家公园及周边地区人为扰动强度的时空变化与驱动因素——以三江源国家公园为例

周 侃, 张 健,3, 虞 虎,*, 钱者东

1 中国科学院地理科学与资源研究所区域可持续发展分析与模拟重点实验室, 北京 100101 2 中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100049 3 南京信息工程大学地理科学学院, 南京 210044 4 生态环境部南京环境科学研究所, 南京 210042

随着全球人口和经济快速增长,城镇化、工业化、农牧业现代化等人类活动方式对自然环境和生态系统的扰动急剧增加[1—3]。科学评价人类生产生活活动的扰动过程,调控人类活动作用的方向和速率,对实现社会经济与自然环境可持续发展具有重要价值[4—5]。尤其是在自然景观最独特、自然遗产最精华、生物多样性最富集的国家公园及周边地区,其自然生态系统具有生态敏感性高、受损后不可逆的突出特点,在维护国家生态安全屏障中居首要地位[6—8]。科学评价国家公园及周边地区人为扰动强度,刻画人类活动对国家公园生态环境的影响及空间效应,是提升国家公园内人类活动空间监管准度的基本前提,对保障国家公园可持续发展和永续利用、牢筑国家生态安全屏障功能具有全局性意义。

由于生态环境问题日趋凸显,人类活动对全球性自然过程的扰动和影响已成为国内外研究关注的焦点,气候研究计划(WCRP)[9]、地圈生物计划(IGBP)[10—11]、人文因素计划(IHDP)[12]等都将人为扰动作为重要因素纳入到研究计划中。人为扰动强度综合反映一定地域内人类生产生活活动对自然地表的利用、改造和开发程度[13—15],已有大量研究对人为扰动强度进行定量评估,运用指标体系评价法[16—19]、土地利用程度综合指数法[20—22]、净初级生产力法[23—25]、全球干扰指数法[26—27]、土地类型变化法[28—30]、人类足迹指数法[31—37]等,从全球、洲际、国家、区域等多尺度进行了评价与空间可视化。围绕人为扰动已经导致的生态环境问题,既有研究针对问题区域开展了人为扰动强度评价与调控途径的实证研究,涵盖了城市化地区[38—39]、生态地区[40—42]、干旱地区[43—44]、高原山地区[45—47]以及国家公园[48—50]等地域类型。尤其值得关注的是,以精准保护与管理目标为靶点,国外对国家公园等生态地区或保护地人为扰动的研究正逐步转向对交通与栖息地连通性、游憩活动对野生动物食物链与行为链等方面的直接与间接生态影响[51—54]。

综上研究表明,从土地利用与覆被变化入手研究人为扰动强度,既能客观揭示人类活动的扰动过程与演化特征,也能反映其对生态系统的扰动程度并识别强扰动区域,为深入研究失范扰动及一般扰动生态影响与精准管理提供科学依据。然而,相关研究以静态、短时间序列研究为主,诸多评价还基于行政区划单元,难以全面反映较长时间尺度下人为扰动强度的变化,评价单元的空间精细度也有待提升,尤其是在三江源国家公园及周边这类特殊的生态地区,更应精准评估生产生活(游憩)活动的长期影响效应。因此,本文采用1980—2018年5期土地利用现状、社会经济统计、交通路网等多源数据,结合三江源自然地理与人类活动特征改进人为扰动强度指数测算模型,定量评估国家公园及周边地区的人为扰动强度,诊断影响一般扰动及失范扰动过程的驱动力与主要因素,解析国家公园内人为扰动监管存在问题,为精准实施国家公园监管、规范各类利用行为提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

三江源国家公园及周边地区位于青藏高原腹地,是长江、黄河、澜沧江-湄公河的发源地,是中国江河重要的水源涵养区、补给区以及亚洲的重要水源区[48—49]。本文研究区包括青海省果洛和玉树藏族自治州全境以及格尔木市代管的唐古拉山镇,区域总面积32.697×104km2,其范围及在青藏高原的位置如图1所示。其中,三江源国家公园由长江源、黄河源、澜沧江源3个园区组成,公园总面积12.31×104km2,地形以山原和高山峡谷地貌为主,平均海拔4500 m以上,主要山脉有昆仑山主脉及其支脉可可西里山、巴颜喀拉山、唐古拉山等。三江源国家公园是青藏高原国家公园群中的旗舰国家公园,是中国首个国家公园体制试点,涉及治多、曲麻莱、玛多、杂多4县以及可可西里自然保护区管辖区域,共12个乡镇、53个行政村[50,55]。

图1 研究区范围及位置

1.2 数据来源

本研究采用的数据包括土地利用、交通路网、地形高程、冰川和湖泊水体、自然保护区和行政区划数据等。其中1980年、1990年、2000年、2010年、2018年5期土地利用现状数据来自资源环境数据云平台网站(http://www.resdc.cn/default.aspx)；交通路网数据来自美国国家航空航天局地球观测系统数据与信息中心网站(https://sedac.ciesin.columbia.edu/)以及兴趣点采集数据；地形高程、冰川和湖泊水体数据来自国家青藏高原科学数据中心(http://data.tpdc.ac.cn)；自然保护区范围由相关管理部门提供的图件基础上矢量化获取,行政区划数据来自国家基础地理信息中心。此外,在2018年,采用面向对象分类和目视解译方法、同省级与市级主管部门访谈、实地勘查相结合的方式,对三江源国家公园及周边地区的城乡居民点、道路与水电设施开发、旅游设施、工矿用地等资料进行补充调查,构建人为扰动行为调查台账数据库。

1.3 人为扰动强度指数测算模型

人为扰动强度源于Jalas提出的“hemerochoren”的概念[56—57],通过生态干扰度刻画人类活动对植被的影响程度,而后发展为人为扰动强度定量评估人类活动的影响程度。其原理为对人类不同生产生活方式进行干扰度指数赋值运算,人为扰动强度阈值范围通常为0—1。不难看出,各类土地利用类型和强度产生的人为扰动呈现显著的空间累积性,并直接反映到区域生态系统的结构和组成上,基于地表覆盖分类的生态环境人为扰动强度评价,可有效刻画人为活动对生态环境造成扰动的频率、范围和影响程度,从而综合评估人为扰动的累积性结果和空间分布[58—61]。本文依据三江源地区自然生态系统特征,结合已有的研究成果经验,以土地利用与覆盖类型空间数据为基础,考虑到人类活动的边际衰减效应综合评价人为扰动强度。计算公式如下：

(1)

表1 人为扰动强度本底值及距离衰减率

2 结果与分析

2.1 时空变化分析

1980年以来,人为扰动强度变化及分布如图2和图3所示。三江源国家公园人为扰动强度基本稳定,1980年国家公园内人为扰动强度为0.101,至2018年,人为扰动强度提升至0.104,1980—2018年间提升了3.237%。进一步对比显示,国家公园内的人为扰动强度明显低于园外区域,1980—2018年园内人为扰动强度长期保持在园外的0.760—0.767倍。其中,2000—2010年是三江源地区人为扰动的快速增长期,人为扰动强度增加了2.83%,期间国家公园内人为扰动强度增幅为3.42%,相对园外增长显著加快；而到2010—2018年,三江源地区人为扰动趋于平稳,期间国家公园内的人为扰动强度增幅(0.11%)也小于园外(0.14%),反映了2010年以来,随着生态文明建设和生态环境保护进入了新阶段,三江源地区全面实施三江源生态保护和建设工程,尤其是国家公园体制试点以及历次中央生态环境保护督察、自然保护地“绿盾”监督专项行动等系列举措,三江源生态保护措施和监管执法尺度更趋严格,各类破坏自然资源和生态环境的违法违规行为受到严厉打击和惩处,对三江源国家公园及周边地区人为扰动过程的遏制作用明显。

图2 1980—2018年三江源国家公园及周边地区人为扰动强度变化

图3 1980—2018年三江源国家公园及周边地区人为扰动强度分布

从国家公园内各园区来看(表2),长江源园区的人为扰动强度显著低于澜沧江源和黄河源园区。1980年,长江源、澜沧江源和黄河源3个园区的人为扰动强度依次为0.089、0.136、0.132,至2018年依次变为0.092、0.138、0.139。1980年以来的变化过程还显示,长江源、澜沧江源和黄河源园区的人为扰动强度增幅依次为2.938%、1.728%、5.327%,表明长江源和澜沧江园区位于昆仑山-巴颜喀拉山脉与唐古拉山脉之间,深处高原高寒山地气候区腹地,平均海拔高、空气含氧量低,相对恶劣的人类生存条件极大地限制了人为扰动强度增长。各阶段人为扰动强度的变化表明,1980年以来三江源地区人为扰动增强区的格局以“线状”和“点状”分布为主,其中,2000—2010年间是人为扰动强度范围扩张最突出的时期,三江源园区内人为扰动强度沿交通线、河谷地带呈“线状”增长显著,黄河源园区内增长较为明显。

表2 1980—2018年三江源国家公园内人为扰动强度变化

为进一步分析不同扰动程度转化过程,按照无扰动(DHDi=0.00)、微弱扰动(0.00

图4 三江源国家公园及周边地区各阶段人为扰动强度变化桑基图

2.2 驱动因素诊断

2.2.1国家公园及周边地区一般人为扰动的驱动因素

(1)以交通设施为主的基础设施建设。在以公路为主体、网络化区域交通运输体系建设的背景下,三江源地区东部的玛沁、甘德、达日、久治和班玛5县组团、以及南部的称多、玉树、杂多和囊谦4县组团,组团内各县城间的道路基础设施联通对人为扰动强度提升作用十分突出。据统计数据显示,三江源地区公路里程由2000年的7668 km增加至2010年的33265 km,10年间增长达4.34倍。与此同时,中心城市(镇)间的区域性国道、省道穿越及青藏铁路过境,一定程度上增大了三江源国家公园内人为扰动强度。尤其是在长江源、黄河源园区以及周边自然保护区内,新建或改扩建交通线路线程长、涉及区域广,造成人为扰动强度明显提升(图5),不仅加大国家公园景观破碎度,还为开展自驾、探险、研学等游憩活动提供了道路条件,但因游客环境意识薄弱,对沿途抛洒废弃物的收集难度大、频次低,沿线生态环境的人为扰动具有空间分散性,易导致野生动植物栖息地质量降低的风险,对维持国家公园内生态系统结构和功能稳定带来潜在威胁。

图5 三江源国家公园及周边地区自然保护区内道路分布

(2)人口城镇化及原住民传统生产生活活动。三江源国家公园及周边地区的常住人口从1980年的73.53万人增加至2018年的136.71万人,1980—2018年增幅达85.92%,高于青海省同期增幅(55.74%)。人口快速增长使城镇建设用地、农牧民居住用地对附近区域人为扰动强度提升作用明显,并产生人类活动强扰动区的扩散效应。在长江源园区及周边河谷地带的曲麻莱县、黄河源园区内玛多县、澜沧江源园区内杂多县内均出现由城镇扩张、开发附近未利用地产生的人为扰动强度增加,致使三江源园区及周边地区扰动强度低值区的面积萎缩。同时,三江源国家公园及周边地区原住民规模偏大、居民点分布偏散,区内涉及179个乡镇居民点、3673个村庄和游牧民定居点,106.64万农牧人口呈现小集聚、大分散格局。其中,国家公园内12个乡镇、53个行政村内尚有原住民22167户、87154人,原住民经济结构高度依赖传统畜牧业,收入水平与社会发育程度偏低(表3),无论对原住民传统生计活动监管,还是对规范参与游憩服务活动的监管都有较大难度。

表3 2018年三江源国家公园内人口与社会经济状况

(3)软硬件支撑体系薄弱背景下的游憩利用活动。一方面,国家公园及周边地区游憩利用除了缺乏成熟规范的法律法规、特许经营清单和保护程序外,尚未建立生态旅游产品谱系及分类评价标准,管理运营仍然缺少游憩承载力调控、游憩机会图谱、访客预约与影响管理、游径管理等技术工具,难以确保“点状”游憩利用扰动的强度与规模能够控制在有限空间、合理容量内。另一方面,随着自驾出游、科普研学、户外露营、徒步远足等大众旅游方式兴起,国家公园本就薄弱的游憩服务设施和环境基础设施配置欠账问题更加凸显。实地调查发现,三江源地区垃圾处理尚未实现转运全覆盖,原住民部分饮用水仍以自然水源为主,直接排放现象仍然存在,既有污染处置设施较难消化旺季旅游产生的末端产物,造成游憩人为扰动的影响具有累积性。

2.2.2国家公园内失范人为扰动的驱动因素

除了一般扰动行为外,对违背国家公园等各类保护地内功能定位、未取得行政许可、以及取得行政许可但未开展生态治理或有效管护的各类人为扰动行为,进一步界定为失范人为扰动,并按行为目的将失范扰动归因为生产、生活、交通以及游憩与宗教活动4类驱动因素。由表4可知,道路及沿线配套设施、原住民生活设施和水电设施建设是国家公园内失范扰动的主要驱动因素,三者占失范人为扰动总件数的比重依次为30.263%、28.947%和11.842%。此外,对违反《自然保护区条例》等规定、未取得自然保护区主管部门行政许可的违法扰动行为筛查还发现,失范人为扰动中违法件数达49件,占总件数的64.474%,其中道路及沿线配套设施、旅游设施、能源与输电设施建设活动的违法比重均为100%,原住民生活设施、水电设施和工矿用地的违法比重都在五成以上。

表4 三江源地区保护地失范人为扰动驱动因素的归因统计

对失范人为扰动最多的道路及沿线配套设施建设因素进一步分析发现,部分施工单位在建设施工时违反保护地缓冲区、实验区甚至核心区的保护法规与条例(图6),而对建设施工后遗留的沿线料场、临时场地等未进行环境治理和植被恢复。如黄河源园区内,2013年开工建设的道路横跨扎陵湖-鄂陵湖、星星海等保护地的缓冲区和实验区,其中8个标段10个项目单位均位于自然保护区范围。另外,实地调查时还发现,除上述遥感影像易监测、可直接反映在土地利用覆被变化的失范人为扰动外,游客自驾游过程中随意行车、冬虫夏草等野生植物被大量非法采挖等失范行为开始日趋凸显,已经在局部造成了天然草地破坏、土地固化,并阻隔野生动物迁徙。可见,亟待压实运营与管理的多方主体责任,强化源头管控在规划选址、用地预审、环评各环节的法律约束,弥补游憩设施建设、访客行为的过程监管短板,从而使苗头性、倾向性过度开发问题得到及时制止。

图6 三江源地区保护地失范人为扰动涉及的功能区分布

3 结论与启示

3.1 结论

本文以三江源国家公园为例,运用改进的人为扰动强度指数测算模型,定量评估了1980—2018年间国家公园及周边地区的人为扰动强度,在此基础上,讨论了国家公园及周边地区人为扰动的驱动因素及监管问题。研究结果显示：三江源国家公园内人为扰动强度基本稳定,1980—2018年间仅提升了3.237%,2018年,长江源、澜沧江源和黄河源3园区的人为扰动强度依次为0.092、0.138、0.139；2000—2010年间人为扰动增长较为显著,而2010—2018年人为扰动趋于平稳,园内扰动强度增幅(0.11%)也小于园外(0.14%),反映了2010年以来进入生态文明建设新阶段,更严格的生态保护措施和监管对人为扰动过程的明显遏制；国家公园及周边地区一般人为扰动的驱动因素包括以交通设施为主的基础设施建设、人口城镇化及原住民传统生产生活活动、软硬件支撑体系薄弱情景下的游憩利用活动；而国家公园内失范扰动主要归因于生产生活、交通以及游憩与宗教等驱动因素,其中道路及沿线配套设施、原住民生活设施和水电设施建设是主因。

在向后工业化、消费型社会转型和国内旅游“内循环”明显增强的宏观背景下,加之后疫情时代公众对更优质生态旅游产品、绿色健康方式的庞大需求,国家公园因其高品位的游憩产品契合公众旅游消费升级的需要,但其极低的环境容量也将面临游客激增和人为扰动加剧的严峻考验。未来研究有待深化的方面包括：在本文国家公园内人为扰动强度评价与强扰动区识别基础上,以受人为扰动较强烈的黄河源园区、道路及沿线区域为重点对象,从食物链、行为链与行为干扰、声音气味与震动等方面进一步揭示人为扰动对生态系统的微观影响；三江源国家公园试点对人为扰动过程的抑制作用仍需进一步观察,应基于2015年以来历年的高精度土地利用覆盖数据,解析国家公园内“点状”和“线状”为主的人为扰动空间效应,并预测国家公园各类功能分区、关键节点、重要游径的人为扰动趋势和动态变化；运用大数据手段探索游客体验与资源保护技术、游憩机会图谱、传感器游客行为记录等国家公园内人为扰动的管理与监测技术。此外,针对土地利用覆盖变化未能揭示的自驾游碾压草场、非法采挖野生植物、草原围栏过度建设等微观尺度的失范人为扰动行为,还应进一步提升研究精度以揭示其人为扰动强度及生态环境效应。

3.2 政策启示

在保护国家公园生态系统完整性和原真性的前提下,采用局部有限利用、适度特许经营的策略进行严格精准监管,不仅关系到保护原住居民权益、提升全社会更优质游憩服务,更关系到国家生态安全屏障建设全局。因此,应针对三江源国家公园及周边地区人为扰动驱动因素及其监管问题,从空间用途管制、规划运营机制、绿色设施营造和监测预警体系着手,构建零扰动前提下的国家公园生态保护与利用互动关系(图7)。

图7 零扰动前提下的国家公园生态保护与利用互动关系

(1)实施精细化用途分类分区管制。细化国家公园功能分类及分区管控,综合考虑生态敏感性、生态系统服务价值和游憩胁迫风险,在国家公园一般控制区内增设游憩利用的动态和弹性分区,包括原住居民生活区、入口综合服务区、科教游憩区、交通运输与游径区以及特殊利用区等；制定国家公园游憩利用技术标准,包括生态旅游特许范围、解说标识引导规范、游憩项目运营导则、游憩空间设计导则等,针对游径通行条件、访客游憩行为、离径范围等设计分级阈值,精准识别游憩利用的关键地段和用途管控类型；推行“点状供地”模式营建游憩空间,通过租赁、划拨、托管等方式,布设永久性游憩建设用地或季节性流动式构筑物。

(2)激活并规范市场化经营管理机制。建立国家公园收入与支出“两条线”台账制度,推动公园收支资金共管账户、PPP融资、公益捐赠等模式落地实施,形成中央、地方、公园、社区及第三方机构共同参与的多层级监理网络,从源头主动抑制过度开发冲动；根据公园特质量身定制国家公园特许经营体系,鼓励通过租赁、置换、赎买、合作等方式开展公园与社区合作,落实对特许经营开发项目的规划设计、施工建设、运营管理实行全过程责任制；构建国家公园游憩管理人才体系,建立生态管护员向生态旅游综合岗位的继续教育模式,推动关键管理人才的全国轮岗制,逐步形成专业化的国家公园运营、管理和评估人才队伍；创建国家公园年度体检制度,及时评估公园建设的生态环境和社会经济影响与效益,精准规范国家公园运营。

(3)营造净零排放绿色基础设施。制定绿色设施提升方案,科学评估访客游憩活动潜在胁迫风险,按照旅游人口峰值实施废弃物处理设施的提标改造,更新配套公共绿色交通工具,完善污水处理设施及配套管网,充分提升服务能力并应对旺季压力；分步实施污染源头减量,推行建筑设计、材料选取、施工建设时低碳减量,引导旅游消费中减少一次性用品使用,注重对物品的循环再利用,切实降低旅游固废排放量；实施设施建设与运营的全流程监管,明确不同分区建设运营环节的监管范围和力度,重点监测胁迫程度、潜在风险及影响范围；鼓励绿色设施的关键技术攻关,重点突破生态系统脆弱、高寒缺氧等极端环境下游憩污染物处置、绿色低碳建筑、节能环保材料等关键技术。

(4)健全游憩行为监管软硬件体系。搭建“绿游”监测预警与管理决策平台,通过物联网感知技术、视频录制技术、图像识别技术等完善国家公园数据采集技术,开发智能导览、游憩服务、风险预警、应急响应等模块,实现覆盖访问前、访问中、访问后的“一站式”集成游憩管理,综合提升公园管理效率；建立科普科研公益服务方案,基于数据挖掘、数据关联与智能推荐系统,以多种渠道实现国家公园价值展示和分享,超前部署国家公园生态系统健康与监测、生物多样性库存、入侵物种监测或移除、原住社区原真性监测与维系等领域专项研究；建立国家公园容量监测预警体系,在强化瞬时在园访客量管控的基础上,精确识别游憩空间内访客超载、临界超载、非超载状态并预报预警,增强人为扰动的实时监测和动态预警能力,以智能化技术协同提升运营管理效率、生态保护精细水平和游憩服务质量。