陶蘊(yùn)之,呂一河,李鳳全,胡 健,張 琨,李 婷,任艷姣

(1.浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004;2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085)

?

西南天然林保護(hù)工程區(qū)生態(tài)成效評(píng)估

陶蘊(yùn)之1,呂一河2①,李鳳全1,胡 健2,張 琨2,李 婷2,任艷姣2

(1.浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004;2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085)

隨著大尺度生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)工程的開展和不斷深化,工程有效性評(píng)估逐漸成為備受關(guān)注的熱點(diǎn)問題。開展大尺度生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)的成效評(píng)估對(duì)于相應(yīng)的宏觀決策與管理具有重要科學(xué)意義?；谀昃脖桓采w度、景觀格局指數(shù)和人類威脅因子評(píng)估指標(biāo)體系,對(duì)西南4省市天然林保護(hù)工程區(qū)的生態(tài)保護(hù)成效進(jìn)行定量評(píng)估。結(jié)果表明:研究區(qū)生態(tài)保護(hù)成效總體上明顯改善,地類景觀斑塊分布更加合理規(guī)整,連通性提高,人類干擾強(qiáng)度逐步減小,尤其是4省市交界林區(qū)以及重慶與湖北、四川與陜西、四川與三江源地區(qū)的交界區(qū)域生態(tài)成效顯著提高;而汶川周邊林區(qū)、橫斷山脈部分林區(qū)以及云南文山林區(qū)生態(tài)保護(hù)成效較弱。因此,在天然林保護(hù)工程的進(jìn)一步實(shí)施過程中有必要在分析保護(hù)成效空間分異特征的基礎(chǔ)上采取保護(hù)和恢復(fù)并重的策略,將植被、景觀格局和生境質(zhì)量與人類活動(dòng)的干擾和壓力綜合起來,以促進(jìn)大尺度生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)的可持續(xù)有效管理。

植被覆蓋度;景觀格局指數(shù);人類威脅因子;生態(tài)保護(hù)成效

我國(guó)是世界上生物多樣性最豐富的國(guó)家之一[1],而生態(tài)環(huán)境退化與生物多樣性減少已成為全球面臨的嚴(yán)峻環(huán)境問題,其不但阻礙自然、社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展[2],而且對(duì)人類生存造成威脅。如何保護(hù)生態(tài)環(huán)境與生物物種的多樣性是保護(hù)生態(tài)學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)方向[3]。生態(tài)退化是由于人類對(duì)自然資源過度利用,造成生態(tài)系統(tǒng)破壞、功能衰退,多樣性減少,生產(chǎn)力下降等一系列生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)象[4],包括沙漠化[5]、荒漠化[6]、石質(zhì)化[7]和鹽漬化[8]等多種表現(xiàn)形式。針對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境質(zhì)量威脅,建立各類型生態(tài)保護(hù)區(qū)[9]、實(shí)施生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)工程[10]被認(rèn)為是遏制生態(tài)破壞和保護(hù)生物多樣性的重要途徑。世界各國(guó)都十分重視對(duì)生態(tài)退化的治理[11],如非洲、拉丁美洲[12]等天然林分布廣泛的地區(qū)實(shí)施天然林保護(hù)項(xiàng)目,澳大利亞、新西蘭[13]以及歐洲一些國(guó)家實(shí)施森林分類經(jīng)營(yíng)策略,美國(guó)、加拿大[14]以及日本[15]等通過建立國(guó)家公園來保護(hù)生態(tài)環(huán)境。同時(shí),評(píng)估生態(tài)保護(hù)工程的保護(hù)成效也是了解工程實(shí)施目標(biāo)與進(jìn)度、把握工程質(zhì)量以及分析生態(tài)環(huán)境影響的重要環(huán)節(jié)。

對(duì)于生態(tài)恢復(fù)工程成效評(píng)估工作許多國(guó)家都有研究。國(guó)外學(xué)者多側(cè)重于保護(hù)地評(píng)估以及評(píng)估指標(biāo)的選擇優(yōu)化與應(yīng)用[16-18]。世界自然保護(hù)聯(lián)盟(International Union for Conservation of Nature,IUCN)-世界保護(hù)區(qū)委員會(huì)(World Commission on Protected Areas,WCPA)提出了管理有效性評(píng)估框架[19],該框架主要從保護(hù)對(duì)象與要素以及整個(gè)保護(hù)工程生態(tài)系統(tǒng)2個(gè)方面分析評(píng)估指標(biāo)。世界自然基金會(huì)和大自然保護(hù)協(xié)會(huì)(The Nature Conservancy,TNC)資助的自然保護(hù)區(qū)管理快速評(píng)價(jià)和優(yōu)先性確定方法主要對(duì)保護(hù)區(qū)面積變化、結(jié)構(gòu)多樣性變化、生物多樣性相對(duì)水平和主要景觀等指標(biāo)進(jìn)行了闡述[20]。由于在國(guó)外不容易開展區(qū)域性、大尺度的生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)項(xiàng)目,這方面的評(píng)價(jià)研究比較缺乏。我國(guó)對(duì)保護(hù)工程成效評(píng)估的研究滯后于國(guó)外,側(cè)重點(diǎn)在于對(duì)某類資源[21]、某類影響[22-23]和某類事件[24]的評(píng)估。如不少學(xué)者對(duì)森林、濕地或野生動(dòng)物等保護(hù)工程區(qū)保護(hù)成效進(jìn)行了評(píng)估,大部分評(píng)價(jià)工作以定性評(píng)價(jià)為主,主觀性較強(qiáng)。

就我國(guó)而言,國(guó)家一直注重對(duì)生態(tài)退化的治理與決策,尤其自1998年以來,開展了大規(guī)模的生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)工作,比如1998年開展的天然林資源保護(hù)工程(簡(jiǎn)稱天保工程)、1999年啟動(dòng)的退耕還林工程以及20世紀(jì)初相繼進(jìn)行的全國(guó)野生動(dòng)植物保護(hù)及自然保護(hù)區(qū)建設(shè)工程、三北防護(hù)林四期工程、京津風(fēng)沙源治理工程和速生豐產(chǎn)用材林基地建設(shè)工程6大林業(yè)工程。其中,天保工程涵蓋長(zhǎng)江上游地區(qū)、黃河上中游地區(qū)、東北和內(nèi)蒙古國(guó)有重點(diǎn)林區(qū)以及海南和新疆,是我國(guó)針對(duì)天然林資源長(zhǎng)期過度消耗問題、遏制生態(tài)退化采取的關(guān)鍵舉措之一。這些大尺度生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)項(xiàng)目的實(shí)施為開展生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)成效的宏觀評(píng)估理論與方法的探索創(chuàng)造了有利條件。

作為天保工程重點(diǎn)地區(qū)的西南4省市(包括四川、云南、貴州和重慶),在確保工程順利實(shí)施、達(dá)成預(yù)期目標(biāo)的過程中具有舉足輕重的地位。西南林區(qū)作為我國(guó)第2大林區(qū),區(qū)內(nèi)的罌粟屬(Anemoclema)、蛇頭薺屬(Dipoma)、珙桐(Davidiainvolucrata)、攀枝花蘇鐵(Cycaspanzhihuaensis)和桫欏(Alsophilaspinulosa)等植物被列入國(guó)務(wù)院《國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)野生植物名錄》[25],此外，還有滇金絲猴(Pygathrixroxellanae)、亞洲象(Elephasmaximus)、綠孔雀(Pavomuticus)和印度野牛(Bosgaurus)等特有珍稀動(dòng)物。特別地,云南地區(qū)又是世界木蘭科植物的分布中心,滇西北與滇東南是我國(guó)種子植物特有屬兩大分布中心[26]?？梢姡髂?省市區(qū)域是國(guó)際生物多樣性的熱點(diǎn)地區(qū)之一,該區(qū)域天然林保護(hù)成效的判定對(duì)進(jìn)一步改善區(qū)域生態(tài)保護(hù)和管理具有重要的科學(xué)意義。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)定在西南4省市的天保工程區(qū)(圖1),以省界為基礎(chǔ),由西向東、由北向南依次包括我國(guó)四川與重慶全境,貴州中北部林區(qū),云南北部、中東部林區(qū)以及西雙版納和文山林區(qū),總面積達(dá)93萬km2,約占我國(guó)國(guó)土面積的1/10。

圖1 西南4省市天保工程區(qū)地理位置

1.2 數(shù)據(jù)及其預(yù)處理

1.2.1 歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)數(shù)據(jù)

選用2000—2014年基于MODIS(中分辨率成像光譜儀,搭載于美國(guó)地球觀測(cè)系統(tǒng)衛(wèi)星)光譜反射率數(shù)據(jù)合成的全國(guó)NDVI數(shù)據(jù),空間分辨率為250 m,時(shí)間分辨率逐旬。數(shù)據(jù)采用Albers等積圓錐投影,以geotiff格式存儲(chǔ),采用統(tǒng)一命名規(guī)則。由于MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)過大氣校正等預(yù)處理,且該數(shù)據(jù)綜合利用時(shí)間、空間和光譜信息,減少了云雪誤判和漏判,填補(bǔ)了缺失數(shù)據(jù),經(jīng)過時(shí)間序列的平滑,保證了時(shí)空覆蓋的完整性。利用ArcGIS 10.2對(duì)所需要的539景NDVI數(shù)據(jù)(2000年1月數(shù)據(jù)缺失)進(jìn)行掩膜提取批處理操作,裁剪出天保工程區(qū)逐旬NDVI數(shù)據(jù),再利用像元二分模型計(jì)算研究區(qū)年均植被覆蓋度。有關(guān)像元二分法提取植被覆蓋度的詳細(xì)流程以及相關(guān)參數(shù)確定法見文獻(xiàn)[27]。

1.2.2 土地利用數(shù)據(jù)

選用1990、2000和2010年空間分辨率為30 m的土地利用數(shù)據(jù)[28],依據(jù)二級(jí)土地分類計(jì)算景觀格局指數(shù)并利用重分類工具提取人工地類,分析天保工程區(qū)人類威脅強(qiáng)度變化。

1.3 研究方法

1.3.1 植被覆蓋度及其變化分析

植被覆蓋度是衡量地表植被狀況的最重要指標(biāo),也是反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化的重要指標(biāo)。有研究表明,植被覆蓋度是評(píng)估土地退化[29]、鹽漬化[30]和沙漠化[31]的有效指數(shù)。因此,使用植被覆蓋度生態(tài)參量作為研究西南4省市天保工程區(qū)生態(tài)成效的主要評(píng)估指標(biāo)。年均植被覆蓋度(fractional vegetation cover,FVC)由年內(nèi)各旬植被覆蓋度數(shù)據(jù)求和取平均值得到,該指標(biāo)能夠反映西南天保工程區(qū)在研究期15 a內(nèi)每年植被覆蓋度的平均狀況。由于水體覆蓋度幾乎為0,同時(shí)為了避免人工地類的影響,在分析植被覆蓋度變化時(shí),將人工地類與水體剔除。人工地類對(duì)天保工程區(qū)保護(hù)成效的影響將在人類威脅因子部分詳細(xì)說明。

在分析天保工程區(qū)植被覆蓋度整體變化的基礎(chǔ)上,為研究各等級(jí)植被覆蓋度在研究期內(nèi)的變化情況,依據(jù)吳云[32]的方法,將西南天保工程區(qū)年均植被覆蓋度劃分為以下5個(gè)等級(jí):(1)≤20%,低植被覆蓋區(qū)域;(2)>20%～40%,中低植被覆蓋區(qū)域;(3)>40%～60%,中等植被覆蓋區(qū)域;(4)>60%～80%,中高植被覆蓋區(qū)域;(5)>80%,高植被覆蓋區(qū)域。

為了分析西南植被覆蓋度在研究期內(nèi)的變化情況,采用相關(guān)系數(shù)分析方法,在每個(gè)像元的基礎(chǔ)上模擬年均植被覆蓋度的變化趨勢(shì),計(jì)算公式為

(1)

式(1)中,θs為植被覆蓋度序列與時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù),以表征植被長(zhǎng)時(shí)序變換特征與趨勢(shì);n為研究期;Ci為第i年年均植被覆蓋度。對(duì)于相關(guān)系數(shù),選用F檢驗(yàn),年均植被覆蓋度變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 年均植被覆蓋度變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

Table 1 Changes in annual mean vegetation coverage

P值θs變化趨勢(shì)<0.05<0顯著減小>0.05<0不顯著減小00無變化>0.05>0不顯著增大<0.05>0顯著增大

θs為植被覆蓋度序列與時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)。

1.3.2 景觀格局指數(shù)與人類威脅因子研究

景觀格局指數(shù)能夠濃縮景觀格局信息,是反映區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)組成和空間配置方面的定量指標(biāo)。探究研究期內(nèi)西南4省市天保工程區(qū)地類斑塊在數(shù)量、形狀等方面的變化規(guī)律，可以從景觀生態(tài)學(xué)角度分析生態(tài)保護(hù)成效。景觀格局指數(shù)數(shù)量多,不少景觀指數(shù)在斑塊、斑塊類型與景觀層面上有不同的意義與應(yīng)用,有些景觀指數(shù)意義相同或相近,因此為研究區(qū)建立一個(gè)既能夠表征景觀格局變化而又不冗余的指標(biāo)體系非常重要。借鑒SCHINDLER等[33]的研究成果,從斑塊密度、形狀、質(zhì)地和多樣性4個(gè)方面確定景觀格局指標(biāo)。SCHINDLER等以5個(gè)實(shí)例物種為基礎(chǔ),在5個(gè)尺度(20、50、100、200和500 hm2)水平上探究斑塊密度、形狀、邊緣、相似性、質(zhì)地和多樣性方面的52個(gè)景觀層面指標(biāo)在指示物種豐富度方面的顯著性,并利用單變量線性混合模型將這些指標(biāo)推廣到對(duì)所有物種豐富度的指示性研究。選擇對(duì)物種豐富度具有明顯指示作用的景觀指標(biāo)(表2)。

表2 西南天保工程區(qū)景觀指標(biāo)體系的構(gòu)建

Table 2 Composition of the landscape index system for the natural forest protect project areas in Southwest China

指數(shù)名稱指數(shù)類型 不同尺度(hm2)水平上的顯著性2050100200500斑塊密度斑塊密度最大斑塊指數(shù)斑塊密度景觀形狀指數(shù)邊緣與形狀聚集指數(shù)邊緣與形狀蔓延度斑塊質(zhì)地辛普森多樣性多樣性辛普森均勻度多樣性

淺灰色和深灰色單元格分別表示該景觀格局指數(shù)在該尺度下對(duì)物種具有顯著和極顯著指示作用。

為分析人工地類在研究期內(nèi)的變化對(duì)天保工程區(qū)生態(tài)成效的影響,依據(jù)3期30 m空間分辨率的土地利用數(shù)據(jù)提取4類人工地類并統(tǒng)計(jì)其在研究期內(nèi)的變化情況,分析西南天保工程區(qū)人類威脅強(qiáng)度(表3)。

表3 西南天保工程區(qū)人類威脅地類代碼

Table 3 Types of land under human threat in the natural forest protection project areas in Southwest China

人類威脅因子包含地類居住用地居住地交通用地交通用地工礦用地工業(yè)用地、采礦場(chǎng)農(nóng)用地與人工林草水田、耕地、喬木園地、灌木園地、喬木綠地、灌木綠地、草本綠地

2 結(jié)果與分析

2.1 西南天保工程區(qū)植被覆蓋度分布格局

研究期內(nèi)天保工程區(qū)年均植被覆蓋度由2000年的60.70%上升至2014年的61.18%,整體上呈波動(dòng)上升狀態(tài),總體年均植被覆蓋度超過60%,屬較高植被覆蓋區(qū)域(圖2)。

圖2 2000—2014年西南天保工程區(qū)年均植被覆蓋度變化趨勢(shì)

在天保一期工程實(shí)施期間(2000—2010年),植被覆蓋度上升并不顯著,除2000年超過60%以外,其余年份均小于60%,且2005年最低,為56.42%。天保二期工程實(shí)施期間植被覆蓋度有較大上升,2013年達(dá)到最大值(63.13%)?？傮w上,該區(qū)保護(hù)成效比較顯著。為研究不同等級(jí)植被覆蓋的變化情況,計(jì)算各類植被覆蓋區(qū)域的面積變化(表4)。可以看出研究區(qū)植被長(zhǎng)勢(shì)較優(yōu)良,中高植被覆蓋區(qū)域占主導(dǎo),且年均面積增長(zhǎng)率也最高,研究期末中高植被覆蓋區(qū)域面積比例達(dá)到55.89%。中等植被覆蓋區(qū)域面積比例減少較顯著,從研究期初的29.36%減少至研究期末的24.21%。高植被覆蓋區(qū)域面積比例增加明顯,尤其在2013年達(dá)到12.14%,但2014年又有所降低。研究期內(nèi)低與中低植被覆蓋區(qū)域面積均有所增加,兩者之和約占工程區(qū)面積的12%。

表4 2000—2014年西南天保工程區(qū)不同等級(jí)植被覆蓋區(qū)域面積比例變化

Table 4 Proportion of vegetation covered area in the natural forest protection project areas in Southwest China relative to grade of protection

年份不同等級(jí)植被覆蓋區(qū)域面積比例/%低中低中等中高高20001.938.2529.3753.407.0520013.8111.8833.5046.804.0120023.5912.9827.4150.795.2320033.5712.2230.0649.434.7220043.7411.3428.0952.434.4020054.4112.7132.2748.153.0020063.4111.9027.8352.094.7720073.6512.7523.1054.486.0220084.2712.7224.5353.954.5320093.3111.7427.1053.684.1720103.1910.5528.4653.684.1220113.2510.6125.5251.309.3220123.5111.2531.1049.564.5820132.598.8122.6553.8112.1420142.879.6524.2155.897.38

低、中低、中等、中高和高植被覆蓋區(qū)域年均面積變化率分別為0.06、0.09、0.34、0.17和0.02。

由圖3可知,研究期末各等級(jí)年均植被覆蓋度大致呈以下格局:(1)各級(jí)植被覆蓋度分布層次分明,四川盆地以及重慶西部一些地區(qū)多為人工用地;(2)重慶貴州林區(qū)植被覆蓋度整體較高,幾乎未見低植被覆蓋區(qū)域;(3)云南林區(qū)植被覆蓋度等級(jí)次之,零星可見一些低植被覆蓋區(qū)域,尤其是云南西部與中部部分林區(qū);(4)四川林區(qū)植被覆蓋分布最復(fù)雜,四川盆地周邊、川南以及東北部林區(qū)植被覆蓋狀況較好,而川中與川西地區(qū)出現(xiàn)大面積低植被覆蓋區(qū)域,主要原因是川西與川西北屬青藏高原區(qū),植被類型多為草地與荒漠草地,植被覆蓋狀況必然較弱。但整體上天保工程區(qū)植被分布以較高植被覆蓋為主。

可以看出,天保工程實(shí)施期間西南林區(qū)植被覆蓋整體上向好的方向發(fā)展,中等植被覆蓋區(qū)域減少,中高和高植被覆蓋度區(qū)域增加明顯,天保工程成效顯著,但是區(qū)域內(nèi)植被覆蓋仍有發(fā)展空間。

圖3 研究期末西南天保工程區(qū)各級(jí)植被覆蓋空間分布

2.2 西南天保工程區(qū)植被覆蓋度變化趨勢(shì)

采用相關(guān)分析模擬天保工程區(qū)年均植被覆蓋度在研究期內(nèi)的變化趨勢(shì),并統(tǒng)計(jì)變化面積及不同變化趨勢(shì)面積占天保工程區(qū)總面積的比例(表5)?？梢钥闯?研究期內(nèi)天保工程區(qū)年均植被覆蓋度提升顯著,大部分范圍內(nèi)植被生長(zhǎng)狀況與生長(zhǎng)質(zhì)量都有較大程度改善。年均植被覆蓋度顯著增大的面積約達(dá)12.6萬km2,占全區(qū)總變化面積的17.90%,同時(shí)天保工程區(qū)內(nèi)有近50%的區(qū)域年均植被覆蓋度處于不顯著增大狀態(tài),天保工程區(qū)研究期內(nèi)年均植被覆蓋度增加的面積比例總計(jì)達(dá)66.92%。

表5 2000—2014年西南天保工程區(qū)年均植被覆蓋度變化面積及其占天保工程區(qū)總面積的比例

Table 5 Proportion of the area with changed annual mean vegetation coverage to the total of the natural forest protection project areas from 2000 to 2014

年均覆蓋度變化面積/km2占天保工程區(qū)總面積的比例/%顯著增大126045.617.90不顯著增大345091.849.02無變化1793.00.26不顯著減小200172.128.51顯著減小30368.44.31

由圖4還可知,研究期內(nèi)年均植被覆蓋度顯著增大的區(qū)域廣泛,但分布不均勻。

圖4 2000—2014年西南天保工程區(qū)年均植被覆蓋度顯著變化空間分布

年均值被覆蓋度顯著增大區(qū)域多分布于渝東北林區(qū),重慶南部與貴州北部交界林區(qū),四川東北部以及川南部分林區(qū),滇北與滇中林區(qū),尤其是云南、貴州和四川3省交界林區(qū)植被覆蓋度顯著增大的密度極高。可見,研究期內(nèi)天保工程區(qū)年均植被覆蓋度顯著增大的區(qū)域在2省或3省交界區(qū)域集中分布,形成這種格局的主要原因可能是橫跨多省的林區(qū)在國(guó)家關(guān)注、政府支持以及經(jīng)濟(jì)支援上占有優(yōu)勢(shì)[7],同時(shí)這些林區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)自然狀況也處于更加協(xié)調(diào)的狀態(tài),因此表現(xiàn)出較高的生態(tài)保護(hù)成效。從各省份植被覆蓋變化情況來看,重慶與貴州境內(nèi)均有17%以上的區(qū)域覆蓋度顯著增大;其后是云南省,所占比例為9.7%;四川省一方面林區(qū)面積較大,另一方面植被覆蓋度顯著增大的區(qū)域不如重慶、貴州和云南密集,區(qū)域內(nèi)僅有8.9%的林區(qū)年均植被覆蓋度顯著增大。

同時(shí),研究期內(nèi)天保工程區(qū)年均植被覆蓋度顯著減小的面積僅占天保工程區(qū)總面積的4.31%。空間分布上比顯著增大區(qū)域集中,主要分布在川西南以及云南西北部和中部的部分橫斷山脈林區(qū)、滇南文山地區(qū),汶川周邊地區(qū)是年均覆蓋度顯著減小的區(qū)域,重慶與貴州境內(nèi)林區(qū)植被覆蓋度顯著減小區(qū)域很小。重慶和貴州顯著減小的林區(qū)面積分別只占各自林區(qū)面積的0.90%,四川和云南分別約占各自林區(qū)面積的4.20%和7.13%。

通過對(duì)天保工程區(qū)年均植被覆蓋度變化面積及其比例與空間分布的分析可知,研究期內(nèi)天保工程區(qū)年均植被覆蓋度整體上提升明顯,植被生長(zhǎng)質(zhì)量與整體狀況明顯改善,尤其是各省份交界林區(qū),是年均植被覆蓋度顯著增大區(qū)域,保護(hù)成效比較突出,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性也有所加強(qiáng)。但西南區(qū)域還存在植被覆蓋度顯著減小區(qū)域,范圍不大,但分布集中,在今后的天然林保護(hù)工程實(shí)施中應(yīng)予以重視。

2.3 西南天保工程區(qū)景觀格局指數(shù)變化及人類威脅因子強(qiáng)度分析

利用3期土地利用數(shù)據(jù),運(yùn)用Fragstats 3.3軟件計(jì)算得出7個(gè)景觀層面格局指數(shù)(表6)。

表6 研究期內(nèi)西南天保工程區(qū)景觀格局指數(shù)

Table 6 Landscape index of the natural forest protection project area in Southwest China during the study period

年份斑塊密度/km-2最大斑塊指數(shù)斑塊形狀指數(shù)聚集指數(shù)蔓延度辛普森多樣性辛普森均勻度19902.16442.6628972.04830.508044.27180.83540.870220002.16562.0972968.06780.507744.05360.83520.870020102.16272.7020970.75600.508444.27410.83530.8701

對(duì)景觀格局指數(shù)的分析如下:(1)斑塊密度。斑塊總面積無變化,斑塊數(shù)量與斑塊密度變化相對(duì)應(yīng),天保工程實(shí)施之前斑塊密度穩(wěn)步增加,一期工程結(jié)束后斑塊密度明顯降低。研究期末最大斑塊指數(shù)比研究期初略有上升,但數(shù)值較小,說明天保工程區(qū)內(nèi)部地類斑塊優(yōu)勢(shì)種不明顯,各地類斑塊分布比較均勻。斑塊密度方面的景觀指數(shù)變化說明整個(gè)研究區(qū)內(nèi)斑塊破碎化程度減小,在人工政策干預(yù)下,細(xì)碎斑塊融合成統(tǒng)一規(guī)整的大斑塊,斑塊分布更整齊,斑塊連通性提高,且各類斑塊分布也比較均勻。(2)邊緣與形狀。由于斑塊數(shù)量多,斑塊邊緣形狀較復(fù)雜,景觀形狀指數(shù)均在900以上,但研究期內(nèi)呈下降趨勢(shì),說明斑塊邊緣形狀復(fù)雜性降低,同時(shí)形狀指數(shù)也能表征斑塊分布的離散性,形狀指數(shù)減小,表明斑塊離散性減弱,更多的斑塊開始趨于連續(xù)分布,因而斑塊連通性有所變好。同時(shí),聚集指數(shù)也呈現(xiàn)先減小后增加的發(fā)展趨勢(shì),研究期末聚集指數(shù)高于研究期初,較高的聚集指數(shù)說明地類斑塊形狀趨于規(guī)則,同時(shí)斑塊分布更加緊湊與連續(xù),總體說來地類斑塊分布更加合理。(3)斑塊質(zhì)地。蔓延度指數(shù)可以反映景觀斑塊的團(tuán)聚程度及延展趨勢(shì),一般地,蔓延度高說明景觀中斑塊類型形成了良好的連接性,斑塊分布以大斑塊為主,斑塊之間的分散程度較低;反之,則表明景觀由許多細(xì)碎離散的小斑塊構(gòu)成,同時(shí)斑塊邊緣曲折程度也有所增強(qiáng)。研究期內(nèi)西南天保工程區(qū)蔓延度指數(shù)先減少后增加,說明經(jīng)過一期工程以后,研究區(qū)斑塊破碎化程度有所降低,斑塊間的連通性增強(qiáng)。(4)斑塊多樣性。西南天保工程區(qū)多樣性與均勻度指數(shù)都處在較高水平,尤其是均勻度指數(shù)在0.87以上,且2類指數(shù)變化很小,非常穩(wěn)定,說明該區(qū)地類斑塊豐富多樣,且各地類之間分布均衡,這也與前文所述有關(guān)最大斑塊指數(shù)的變化相對(duì)應(yīng)。

總體而言,基于景觀生態(tài)學(xué)原理,1990—2000年天保工程實(shí)施之前,西南林區(qū)缺少人為積極干預(yù),斑塊分布朝著不合理、破碎化和復(fù)雜化方向發(fā)展,天保一期工程結(jié)束以后,天保工程區(qū)地類斑塊分布格局有明顯改善,分布合理,規(guī)整有致,斑塊朝著均衡化、高連通性方向發(fā)展,斑塊破碎化程度有所降低,對(duì)比分析可以看出天保一期工程生態(tài)成效較顯著。

西南4省市天保工程區(qū)4類人類威脅因子面積比例變化見表7。

表7 研究期內(nèi)西南天保工程區(qū)4類人類威脅因子強(qiáng)度變化

Table 7 Change in the four types of human threat factors in the southwest natural protection project areas in Southwest China during the study period

年份不同用地面積占研究區(qū)面積比例/%居住用地交通用地工礦用地農(nóng)用地19900.560.050.0222.9020000.630.060.0222.7920100.970.090.0421.97

由表7可知,研究期內(nèi)居住用地、交通用地和工礦用地面積所占比例很小,3者之和僅為西南天保區(qū)的1.10%。在研究期末,面積所占比例最小的是工礦用地,僅為0.04%,交通用地稍高,為0.09%,居住用地較大,為0.97%。這3類用地在研究期內(nèi)均有小幅增長(zhǎng),主要原因是人口增加,使得對(duì)居住用地需求增加的同時(shí)引起交通用地和工礦用地增加。農(nóng)用地占比最高,占西南天保區(qū)面積的20%以上,研究期末達(dá)到21.97%,但在1990—2010年間,農(nóng)用地面積占比總體呈下降趨勢(shì),說明在工程區(qū)推行退耕還林還草政策顯現(xiàn)出成效,但是農(nóng)用地類多,面積廣。

由表8可知,3類人工綠地面積占比很小,研究期內(nèi)的變化也極小。面積占比最大的農(nóng)用地類是耕地(包括水田與旱地),其中旱地面積最大,研究期末占整個(gè)工程區(qū)面積的13.77%,水田在研究期末占整個(gè)工程區(qū)面積的6.24%。2類耕地面積占比均呈下降趨勢(shì),其中1990—2000年下降幅度較小,2000—2010年實(shí)施天保一期工程期間,加大了退耕還林還草力度,使2類耕地面積減少速度明顯加快。此外,研究期內(nèi)2類園地面積占比有小幅增長(zhǎng),灌木園地從0.80%增至0.91%,喬木園地增幅稍大,從0.43%增至1.02%,且2類園地面積增加也都主要出現(xiàn)在天保一期工程期間。

表8 研究期內(nèi)西南天保工程區(qū)7類農(nóng)用地面積變化比例

Table 8 Variation of the proportion in area of the seven types of agricultural land use in the natural forest protection project areas in Southwest China during the study period

年份不同農(nóng)用地類面積占研究區(qū)面積比例/%喬木園地灌木園地喬木綠地灌木綠地草本綠地水田旱地19900.430.800.020.010.006.6215.0220000.600.810.020.010.006.5514.8120101.020.910.020.010.006.2413.77

3 討論

隨著大規(guī)模、區(qū)域性生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)的不斷深化,以及國(guó)家加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)和生態(tài)文明戰(zhàn)略的逐步推進(jìn),大尺度生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)的成效評(píng)估成為一項(xiàng)政策攸關(guān)的重要科技需求。遙感數(shù)據(jù)和方法的發(fā)展為這種需求的實(shí)現(xiàn)提供了重要手段。Lü等[34]探索了基于年最大植被覆蓋度多年顯著變化趨勢(shì)的全國(guó)典型大尺度生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)工程(天然林保護(hù)工程和三北防護(hù)林工程)有效性評(píng)價(jià)的定量指標(biāo)法,結(jié)果表明全國(guó)總體上天然林保護(hù)工程成效明顯,但具有空間差異性,西南地區(qū)在整個(gè)全國(guó)天然林保護(hù)工程區(qū)的生態(tài)保護(hù)成效最好[34]。筆者采用年均植被覆蓋度進(jìn)行分析,揭示了西南4省市天然林保護(hù)工程區(qū)整體上的良好保護(hù)成效和區(qū)內(nèi)的空間異質(zhì)性,并進(jìn)一步增加具有顯著生物多樣性指示意義的景觀格局指數(shù)和人為土地利用壓力威脅因子的分析,在表征大尺度生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)有效性的定量指標(biāo)方面顯得更全面,表達(dá)的內(nèi)容更豐富。

總體來看,西南4省市天保工程區(qū)年均植被覆蓋度顯著增加,生態(tài)保護(hù)成效改善明顯;地類斑塊分布更加合理、均衡、規(guī)整,斑塊連通性增強(qiáng),破碎化程度降低,因而景觀生境質(zhì)量不斷提升,有利于物種多樣性的維持和提高[31];林區(qū)范圍內(nèi)居住、交通與工礦用地面積占比很小,對(duì)西南林區(qū)生態(tài)格局總體影響雖然不大,但處于增加趨勢(shì),因此,人為土地開發(fā)和占用的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)必須得到高度關(guān)注。耕地面積占比較高,但在退耕還林和天然林保護(hù)政策影響下,其面積占比減小,所以提高農(nóng)業(yè)效益和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的非農(nóng)轉(zhuǎn)移應(yīng)該作為未來進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)的重要配套措施。

筆者研究也表明對(duì)于不同區(qū)域工程的生態(tài)保護(hù)成效也存在空間差異性。西南4省市交界林區(qū),以及重慶東北部林區(qū)(與湖北張家界神農(nóng)架、堵河源自然保護(hù)區(qū)交界)、四川東北部林區(qū)(與陜西天保區(qū)以及米倉(cāng)山等自然保護(hù)區(qū)交界)和四川西北部林區(qū)(與三江源自然保護(hù)區(qū)交界)是生態(tài)保護(hù)成效較高的集中區(qū);汶川周邊林區(qū)、橫斷山脈部分林區(qū)以及云南文山林區(qū)的生態(tài)保護(hù)成效相對(duì)偏弱,同時(shí)也是年均植被覆蓋度顯著減小的集中分布區(qū)。四川汶川及其周邊地區(qū)由于受2008年強(qiáng)震的影響,林區(qū)遭到嚴(yán)重破壞,在地震發(fā)生7 a之后,周邊林區(qū)植被恢復(fù)情況仍不容樂觀。因此,在未來天然林保護(hù)工程的實(shí)施過程中可以依據(jù)既往生態(tài)保護(hù)成效的空間異質(zhì)性特征,采取差別化管理措施。在成效高的地區(qū)進(jìn)一步加強(qiáng)保護(hù),甚至可以考慮劃設(shè)生態(tài)紅線或建立自然保護(hù)區(qū),提高保護(hù)級(jí)別;在成效不好和生態(tài)退化地區(qū)重點(diǎn)加強(qiáng)人類活動(dòng)壓力的舒解,培育替代生計(jì)和增加非農(nóng)就業(yè),開展以自然恢復(fù)為主的保護(hù)活動(dòng)和生態(tài)恢復(fù)工程。

[1] 蔣明康.中國(guó)自然保護(hù)區(qū)保護(hù)成效評(píng)估研究概述[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2015,31(6):789-790.

[2] 張明亮,焦士興.我國(guó)生態(tài)環(huán)境退化的問題分析及對(duì)策[J].國(guó)土與自然資源研究,2003(3):32-34.

[3] 李作洲,黃宏文,唐登奎,等.湖北后河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)生物多樣性及其保護(hù)對(duì)策:II.生物多樣性保護(hù)現(xiàn)狀、威脅及其對(duì)策[J].武漢植物學(xué)研究,2006,24(3):253-260.

[4] 劉國(guó)華,傅伯杰,陳利頂,等.中國(guó)生態(tài)退化的主要類型、特征及分布[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2000,20(1):13-19.

[5] 吳正.風(fēng)沙地貌學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1987:35-43.

[6] 殷賀,李正國(guó),王仰麟,等.基于時(shí)間序列植被特征的內(nèi)蒙古荒漠化評(píng)價(jià)[J].地理學(xué)報(bào),2011,66(5):653-661.

[7] 郭柯,劉長(zhǎng)成,董鳴.我國(guó)西南喀斯特植物生態(tài)適應(yīng)性與石漠化治理[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2011,35(10):991-999.

[8] 章家恩,徐琪.生態(tài)退化研究的基本內(nèi)容與框架[J].水土保持通報(bào),1997,17(6):46-53.

[9] 蔣高明.退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與管理:兼論自然保護(hù)區(qū)在其中發(fā)揮的作用[J].植物學(xué)通報(bào),2003,20(3):373-382.

[10]胡聃,奚增均.生態(tài)恢復(fù)工程系統(tǒng)集成原理的一些理論分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2002,22(6):866-877.

[11]張軍馳.西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境治理政策研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2012.

[12]陳蓬.國(guó)外天然林保護(hù)概況及我國(guó)天然林保護(hù)的進(jìn)展與對(duì)策[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2004,3(2):50-54.[13]國(guó)家林業(yè)局天然林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)保護(hù)考察團(tuán).澳大利亞、新西蘭天然林保護(hù)管理對(duì)我國(guó)的啟示[J].綠色中國(guó),2005(10):57-59.

[14]王維正.森林公園和公有林管理培訓(xùn)赴加拿大培訓(xùn)考察報(bào)告[C]∥曲桂林.林業(yè)國(guó)際交流報(bào)告選編1997—1998.北京:中國(guó)林業(yè)出版社,2000:296-305.

[15]章俊華,白林.日本自然公園的發(fā)展與概況[J].中國(guó)園林,2002,18(5):87-90.

[16]ERVIN J.Protected Area Assessments in Perspective[J].BioScience,2003,53(9):819-822.

[17]KREMEN C,CAMERON A,MOILANEN A,etal.Aligning Conservation Priorities Across Taxa in Madagascar With High-Resolution Planning Tools[J].Science,2008,320(5873):222-226.

[18]CHAPE S,HARRISON J,SPALDING M,etal.Measuring the Extent and Effectiveness of Protected Areas as an Indicator for Meeting Global Biodiversity Targets[J].Philosophical Transactions of the Royal Society of London B:Biological Sciences,2005,360(1454):443-455.

[19]RODRIGUES A S L,ANDELMAN S J,BAKARR M I,etal.Effectiveness of the Global Protected Area Network in Representing Species Diversity[J].Nature,2004,428(6983):640-643.

[20]HOCKINGS M.Systems for Assessing the Effectiveness of Management in Protected Areas[J].BioScience,2003,53(9):823-832.

[21]WADE A A,THEOBALD D M,LAITURI M J.A Multi-Scale Assessment of Local and Contextual Threats to Existing and Potential U.S.Protected Areas[J].Landscape and Urban Planning,2011,101(3):215-227.

[22]劉文蘭,孫學(xué)剛,滿自紅,等.甘肅連城國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)景觀資源定量評(píng)價(jià)[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,44(4):92-98,113.

[23]宋曉龍,李曉文,白軍紅,等.黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2009,29(9):4836-4846.

[24]王昆,白帆,黃利亞.長(zhǎng)白山自然保護(hù)區(qū)保護(hù)效果評(píng)價(jià)[J].林業(yè)科學(xué),2010,46(1):1-8.

[25]周彬.西南林區(qū)天然林資源動(dòng)態(tài)及恢復(fù)對(duì)策研究[D].北京:中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院,2011.

[26]云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與地植物學(xué)研究所,云南省環(huán)境保護(hù)局.云南省生態(tài)功能區(qū)劃研究報(bào)告[R].昆明:[出版者不詳],2004.

[27]穆少杰,李建龍,陳奕兆,等.2001—2010年內(nèi)蒙古植被覆蓋度時(shí)空變化特征[J].地理學(xué)報(bào),2012,67(9):1255-1268.

[28]吳炳方,苑全治,顏長(zhǎng)珍,等.21世紀(jì)前十年的中國(guó)土地覆蓋變化[J].第四紀(jì)研究,2014,34(4):723-731.

[29]DYMOND J R,STEPHENS P R,NEWSOME P F,etal.Percentage Vegetation Cover of a Degrading Rangeland From SPOT[J].International Journal of Remote Sensing,1992,13(11):1999-2007.

[30]潘曉玲.干旱區(qū)綠洲生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的初步研究[J].第四紀(jì)研究,2001,21(4):345-351.

[31]張?jiān)葡?李曉兵,陳云浩.草地植被蓋度的多尺度遙感與實(shí)地測(cè)量方法綜述[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2003,18(1):85-93.

[32]吳云.基于RS和GIS的植被覆蓋度估算及動(dòng)態(tài)變化分析[D].沈陽(yáng):遼寧工程技術(shù)大學(xué),2009.

[33]SCHINDLER S,VON WEHRDEN H,POIRAZIDIS K,etal.Multiscale Performance of Landscape Metrics as Indicators of Species Richness of Plants,Insects and Vertebrates[J].Ecological Indicators,2013,31:41-48.

[34]Lü Yi-he,ZHANG Li-wei,FENG Xiao-ming,etal.Recent Ecological Transitions in China:Greening,Browning,and Influential Factors[J].Scientific Reports,2015,5:8732.DOI:10.1038/srep08732.

(責(zé)任編輯： 李祥敏)

Assessment of Ecological Effect of the Natural Forest Protection Project in Southwest China.

TAO Yun-zhi1， Lü Yi-he2， LI Feng-quan1， HU Jian2， ZHANG Kun2， LI Ting2， REN Yan-jiao2

(1.College of Geography and Environmental Science, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China;2.State Key Laboratory of Urban and Reginal Ecology, Research Center for Eco-Environment Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China)

With the development and continuous deepening of large-scale ecological protection and restoration projects, project effectiveness has become a hot issue arousing more and more attention. Assessment of the effectiveness of the large-scale ecological protection and restoration projects is of great scientific significance to correspondent macroscopic policy decision-making and management. The assessment of the effectiveness of the natural forest protection projects was conducted in four provinces, Southwest China, based on annual mean vegetation coverage, landscape index and the human threat factor assessment index system. Results show that the four projects, as a whole, are improving remarkably in effectiveness, with landscape patches distributed more reasonably and regularly to have better connectivity and less human disturbance. Especially the forest regions in the bordering areas between the four provinces or cities, like those between Chongqing and Hubei, between Sichuan and Shanxi, between Sichuan and Sanjiangyuan, have witnessed remarkable improvement in ecological effect. In the same time, the forest regions around Wenchuan, some in the Hengduanshan Mountains and the Wenshan forest region in Yunnan are not so lucky. Therefore in further implementation of the natural forest protection projects, it is necessary to adopt the strategy, designed on the basis of the feature of spatial variability of protection effectiveness, of emphasizing both protection and restoration simultaneously, so as to integrate the factors, such as vegetation, landscape pattern, habitat quality and disturbance and pressure of human activities, in promoting sustainable effective management of large-scale protection and restoration.

vegetation coverage;landscape index;human threat factor;ecological protection effectiveness

2016-02-29

中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(STS)計(jì)劃(KFJ-EW-STS-020-02-03)

X826；X171.4

A

1673-4831(2016)05-0716-08

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.05.005

陶蘊(yùn)之(1990—),男,安徽淮南人,碩士,主要研究方向?yàn)樽匀槐Ｗo(hù)區(qū)管理。E-mail: 13511047624@163.com

① 通信作者E-mail: lyh@rcees.ac.cn