薛亞東,李 佳,李迪強(qiáng),*

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所, 北京 100091

2 生物多樣性保護(hù)國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091

3 中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所, 北京 100091

目前分布于我國西北及中蒙邊境地區(qū)的野生雙峰駝(Camelusferus,以下簡稱野駱駝),是其所在荒漠生態(tài)系統(tǒng)的旗艦物種,也是中亞地區(qū)的重要遷徙物種[1]。中亞地區(qū)遷徙物種的保護(hù)受到了國際上的廣泛關(guān)注,維持這一野生動(dòng)物的遷徙熱點(diǎn)并緩解其面臨的威脅對(duì)于全球生物多樣性保護(hù)具有重要意義[2]。直到19世紀(jì)中期,野駱駝的地理分布區(qū)域還相當(dāng)大,其范圍從青海省蘇干湖地區(qū)經(jīng)阿爾金山、羅布泊地區(qū)、塔克拉瑪干、天山以北卡拉麥里地區(qū),直到中蒙邊境,且分布區(qū)連續(xù)[3]。新中國成立以來,我國西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,尤其是隨著“西部大開發(fā)”政策的實(shí)施,西部地區(qū)開展了大規(guī)模的公路、鐵路等交通路網(wǎng)建設(shè)[4]。不斷完善的基礎(chǔ)設(shè)施,不可避免的給野生動(dòng)物造成了影響。道路對(duì)野生動(dòng)物造成的影響包括棲息地喪失、棲息地連通性下降、棲息地阻隔和孤島化等[5- 6]。

目前,野駱駝種群孤立分布在我國的塔克拉瑪干沙漠東部、羅布泊北部嘎順戈壁、阿爾金山北麓及阿奇克谷地(庫姆塔格沙漠地區(qū))、以及中蒙邊境的外阿爾泰戈壁等地區(qū),種群數(shù)量不足1000[7- 9]。其中,塔克拉瑪干沙漠種群僅50峰左右,野駱駝會(huì)在克里雅河下游至塔里木河南岸間的沙漠里活動(dòng)和遷移[10- 11]；得益于庫姆塔格沙漠地區(qū)保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)的有效保護(hù),近些年的調(diào)查表明,該區(qū)域野駱駝種群數(shù)量穩(wěn)中有升,目前約為550—650峰,部分群體存在阿爾金山北麓與阿奇克谷地間的遷移[12- 14]；中蒙邊境種群目前在中國境內(nèi)已基本消失,該種群主要在蒙古國的大戈壁保護(hù)區(qū)A區(qū)活動(dòng),種群數(shù)量近些年也有增長,約為500峰左右[15],衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)顯示,未有個(gè)體越過邊境活動(dòng)[16]。對(duì)于野駱駝而言,長期的棲息地孤島化可能導(dǎo)致野駱駝種群的近親繁殖,進(jìn)而導(dǎo)致該種群有滅絕的風(fēng)險(xiǎn)。開展野駱駝歷史分布區(qū)土地利用變化及破碎化研究,有助于識(shí)別野駱駝歷史分布區(qū)破碎化的主要驅(qū)動(dòng)因素,定量評(píng)估人類活動(dòng)對(duì)不同野駱駝種群分布區(qū)破碎化的影響程度,通過對(duì)其分布區(qū)景觀格局的評(píng)估,可以為野駱駝棲息地整體連通性的改善,以及促進(jìn)不同野駱駝種群遷徙擴(kuò)散提供科學(xué)的建議。研究還將為避免或緩解線性基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)或路網(wǎng)規(guī)劃對(duì)野駱駝棲息地的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

根據(jù)Schaller和Reading等人的研究[3,17],提取野駱駝1850年的分布范圍作為此次野駱駝歷史分布區(qū)土地利用變化和破碎化分析的范圍(圖1)。通過數(shù)據(jù)矢量,該區(qū)域面積約為825476km2。行政區(qū)域上涉及了我國的新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙古4省,以及外蒙古的戈壁阿爾泰省和巴彥洪格爾省,覆蓋塔克拉瑪干沙漠、庫姆塔格沙漠、羅布泊地區(qū)以及外阿爾泰戈壁等區(qū)域。根據(jù)當(dāng)前野駱駝棲息地分布現(xiàn)狀,結(jié)合道路分布,國道218、蘭新鐵路大致將整個(gè)研究區(qū)域分為3個(gè)片區(qū),分別為西部歷史分布區(qū)(W),主要為塔克拉瑪干沙漠中東部區(qū)域,面積182275km2；中部歷史分布區(qū)(M),主要為庫姆塔格沙漠、羅布泊及周邊戈壁荒漠地區(qū),面積317324km2；東部歷史分布區(qū)(E),主要為蒙古大戈壁保護(hù)區(qū)、中蒙邊境周邊區(qū)域,面積為325876km2。野駱駝現(xiàn)存分布區(qū)矢量數(shù)據(jù)來源于IUCN瀕危物種紅色名錄對(duì)野駱駝的評(píng)估[8],分別為塔克拉瑪干沙漠分布區(qū)(T),庫姆塔格沙漠分布區(qū)(K)和中蒙邊境分布區(qū)(B)。

圖1 野駱駝歷史分布及現(xiàn)存分布區(qū)Fig.1 Historical distribution range and current distribution range of wild camelW：西部歷史分布區(qū)；M：中部歷史分布區(qū)；E：東部歷史分布區(qū)；T：塔克拉瑪干沙漠分布區(qū)；K：庫姆塔格沙漠分布區(qū)；B：中蒙邊境分布區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)來源

為評(píng)估土地利用對(duì)野駱駝分布區(qū)的影響,從中國科學(xué)院地理與資源研究所和中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心的資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)上下載了三期新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙古4省的中國土地利用/土地覆蓋遙感監(jiān)測數(shù)據(jù),分別為1970年代末期(1980年)、2000年和2018年。評(píng)估中利用一級(jí)分類系統(tǒng),一級(jí)分為6類,主要根據(jù)土地資源及其利用屬性,分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地[18- 19]。蒙古國土地利用數(shù)據(jù)未能獲取,但中國境內(nèi)野駱駝歷史分布區(qū)占到了整個(gè)野駱駝歷史分布區(qū)面積的84.5%,具有一定的代表性。

道路數(shù)據(jù)來自O(shè)penStreetMap,下載了最新的中國和蒙古國道路矢量數(shù)據(jù),包括公路和鐵路數(shù)據(jù)。利用研究區(qū)域范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)剪切,獲得研究區(qū)域范圍內(nèi)道路分布數(shù)據(jù),根據(jù)OpenStreetMap數(shù)據(jù)字段及其含義,進(jìn)一步篩選出用于分析的主要公路類型(表1),用于道路密度和道路影響域面積計(jì)算。與國內(nèi)公路等級(jí)進(jìn)行對(duì)照,參考李雙成研究中的各級(jí)道路特征及緩沖帶寬度確定影響域?qū)挾萚20]。鐵路數(shù)據(jù)則參考呼和浩特、蘭州、烏魯木齊三個(gè)鐵路局線站示意圖,確定鐵路名稱?？紤]到鐵路的封閉性,將其影響寬度設(shè)為1000m,與高速公路級(jí)別一致。

表1 OpenStreetMap公路字段、含義、對(duì)應(yīng)的中國公路及影響域?qū)挾萒able 1 Value, meaning, corresponding Chinese road and road-effect zone of OpenStreetMap

1.3 分析方法

對(duì)1980、2000和2018三個(gè)時(shí)期野駱駝歷史分布區(qū)內(nèi)各土地利用類型面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì),利用動(dòng)態(tài)度分析[21- 22],分析其變化情況。

式中：SD為某地的某類型土地的動(dòng)態(tài)變化度；Ai為起始時(shí)間該土地類型的面積；Aj為終結(jié)時(shí)間該類型土地面積。正值表示該類型土地面積在增加,負(fù)值表示該類型土地面積在減少。

利用道路密度和道路影響域面積兩個(gè)指標(biāo)來定量分析道路對(duì)野駱駝歷史分布區(qū)以及不同種群分布區(qū)的影響[5,23]。道路密度即單位面積內(nèi)的道路長度(km/km2),道路影響域面積按照不同等級(jí)道路影響寬度進(jìn)行緩沖區(qū)分析,并疊加野駱駝棲息地分布,以確定受影響棲息地面積,所有分析均在ArcGIS支持下進(jìn)行。選取景觀指數(shù)對(duì)研究區(qū)的景觀格局進(jìn)行分析,包括:(1)斑塊數(shù)量、平均斑塊大?。河糜诜从车缆非懈詈笱芯繀^(qū)破碎化程度；(2)最小生境面積斑塊數(shù)量、最大斑塊面積、最大斑塊面積占景觀面積比例(即最大斑塊指數(shù))：用于反映野駱駝當(dāng)前分布區(qū)與研究區(qū)的關(guān)系,參考已有的基于衛(wèi)星跟蹤頸圈的野駱駝家域范圍研究[13- 14,16],最小生境斑塊面積定為7300 km2,通過以上指標(biāo)比較野駱駝?wù)w分布區(qū)以及不同種群分布區(qū)的破碎化程度。

2 研究結(jié)果

2.1 土地利用變化

近40年來,研究區(qū)耕地和建設(shè)用地這兩類人類活動(dòng)土地利用類型的面積一直是增加趨勢,兩種土地利用類型的面積占整個(gè)野駱駝歷史分布區(qū)的比例從1980年的0.52%增加到2018年的1.12%,增加了0.6個(gè)百分點(diǎn),但總體占比很??；草地面積的比例從1980年的14.96%減少到2018年的12.85%,減少了2.11個(gè)百分點(diǎn),屬于比較劇烈的變化；未利用地面積比例從1980年83.31%增加到2018年的84.76%,增加了1.45個(gè)百分點(diǎn)(表2)。

表2 野駱駝歷史分布區(qū)范圍內(nèi)1980、2000、2018年各土地利用類型面積及占比Table 2 Land use of wild camel historical distribution range in 1980, 2000, and 2018

近40年來,研究區(qū)的林地和水域面積一直保持比較穩(wěn)定的比例,因此表3僅統(tǒng)計(jì)了耕地、建設(shè)用地、草地和未利用土地的面積變化和動(dòng)態(tài)度。從面積變化趨勢來看,耕地、建設(shè)用地和未利用土地均為持續(xù)增加趨勢,草地面積為持續(xù)減少趨勢。從動(dòng)態(tài)度來看,2000—2018年間,耕地面積的年增長速度是1980—2000年的24倍,建設(shè)用地面積的年增長速度是是1980—2000年的7倍；同時(shí)期,草地面積年減少速度是1980—2000年的18倍；未利用土地年增長速度是1980—2000年的27倍。

表3 野駱駝歷史分布區(qū)范圍1980—2018年土地利用類型面積變化及動(dòng)態(tài)度Table 3 Land use change and dynamic index of wild camel historical distribution range from 1980 to 2018

2.2 道路影響

2.2.1道路密度和道路影響域

野駱駝歷史分布區(qū)范圍內(nèi)道路(含鐵路)長度累計(jì)為33830km。總體上,區(qū)域內(nèi)道路密度為0.0410km/km2。其中,西部分布區(qū)道路密度最低,為0.0190km/km2,東部分布區(qū)道路密度次之,為0.0377km/km2,中部分布區(qū)道路密度最高,為0.0570km/km2?，F(xiàn)存分布區(qū)內(nèi),野駱駝三個(gè)種群棲息地范圍內(nèi)的道路密度均維持在較低水平(表4)。

按照不同等級(jí)道路影響域?qū)挾冗M(jìn)行緩沖區(qū)分析后,總體上,野駱駝棲息地受道路影響面積為16650km2,占整個(gè)野駱駝歷史分布區(qū)面積的2.02%。其中,西部分布區(qū)受道路影響面積最低,為1152km2,中部分布區(qū)受道路影響面積次之,為6076km2,東部分布區(qū)受道路影響面積最大,為9393km2。由于野駱駝現(xiàn)存分布區(qū)內(nèi)道路長度有限,因此其道路影響域面積與歷史分布區(qū)范圍內(nèi)相比,維持在較低水平(表4)。

2.3 景觀格局

利用道路數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行切割,去除面積1km2的細(xì)小斑塊后,研究區(qū)斑塊數(shù)為914個(gè),研究區(qū)景觀格局見圖2。西部分布區(qū)斑塊數(shù)最少,平均斑塊面積最大,表明其破碎化程度比中部和東部分布區(qū)要低；西部分布區(qū)最大斑塊面積占整個(gè)西部分布區(qū)面積比例為52%,要高于中部和東部分布區(qū)。中部分布區(qū)則保有當(dāng)前所有棲息地斑塊中面積最大的斑塊,達(dá)到104163km2,東部分布區(qū)最大斑塊面積為70147km2,在三個(gè)分布區(qū)中相比,面積最小(表5)。野駱駝的塔克拉瑪干沙漠種群所在的西部分布區(qū)被橫貫塔克拉瑪干沙漠的沙漠公路分割后,存在兩個(gè)大面積斑塊,W1和W2,面積分別為67870km2,94098km2,兩個(gè)斑塊面積占到棲息地面積的89%；庫姆塔格沙漠種群所在的中部分布區(qū)被哈羅公路和哈羅鐵路分割后,也分為兩個(gè)大面積斑塊M1和M2,面積分別為104163km2,94525km2,兩個(gè)斑塊面積占到棲息地面積的63%；中蒙邊境種群所在的東部分布區(qū),最大斑塊E1面積為70147km2。野駱駝的現(xiàn)存分布區(qū),包括塔克拉瑪干沙漠分布區(qū)、庫姆塔格沙漠分布區(qū)以及中蒙邊境分布區(qū)的范圍均基本位于以上大面積斑塊中(圖2)。

表5 野駱駝歷史分布區(qū)景觀破碎化特征Table 5 Fragmentation characteristic of wild camel historical distribution range

圖2 研究區(qū)疊加道路后景觀破碎化格局Fig.2 Landscape fragmentation of study area overlapped with roadsW1：西部分布區(qū)最大面積斑塊；W2：西部分布區(qū)第二大面積斑塊；M1：中部分布區(qū)最大面積斑塊；M2：中部分布區(qū)第二大面積斑塊；E1：東部分布區(qū)最大面積斑塊

3 討論

3.1 土地利用變化影響

研究區(qū)受亞洲中部干旱區(qū)生態(tài)地理格局的影響[24],長期以來,在整個(gè)西北野駱駝的歷史分布區(qū)范圍內(nèi),人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和活動(dòng)規(guī)模受限,土地利用格局變化不大。通過對(duì)近40年來野駱駝棲息地各土地利用類型面積的統(tǒng)計(jì),野駱駝棲息地的未利用土地比例始終保持在80%以上,草地的比例在10%以上,二者總和的比例始終在95%以上。野駱駝棲息地以未利用土地和草地為主體的格局保持不變,尤其是沙地、戈壁為主的未利用土地始終占比很大。進(jìn)入21世紀(jì)后的近20年與20世紀(jì)的最后20年相比,耕地面積和建設(shè)用地的增長速度明顯,這與2000年我國西部大開發(fā)開始的時(shí)間節(jié)點(diǎn)相一致；同時(shí)期,草地面積持續(xù)減少,未利用土地年增長速度明顯,在所有地類中居于首位,表明整個(gè)野駱駝歷史分布區(qū)荒漠化的趨勢沒有得到扭轉(zhuǎn),問題仍然嚴(yán)峻。對(duì)于野駱駝這一荒漠半荒漠環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的物種來說,近40年的土地利用變化對(duì)其種群的繁衍和存續(xù)影響不大。

3.2 道路影響及破碎化

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來了公路和鐵路等線性基礎(chǔ)設(shè)施的跨越式發(fā)展,全國公路總里程從新中國成立(1949年)的8.07萬km,發(fā)展到改革開發(fā)初期(1980年)的88.83萬km,再到2001年底的169.8萬km,截止到2019年末,已達(dá)到501.25萬km[25- 28],近40年,全國公路里程增長412.42萬km?？傮w而言,研究區(qū)內(nèi)道路密度為0.04km/km2,相比全國0.52km/km2的平均公路密度[28]和0.6km/km2的大型脊椎動(dòng)物自然種群密度與道路密度關(guān)系閾值[29],處于一個(gè)較低的水平,但道路及其影響域造成的棲息地分割和阻隔影響了整個(gè)野駱駝歷史分布區(qū)。道路密度會(huì)影響動(dòng)物的棲息地選擇[5,30],野駱駝對(duì)人類活動(dòng)極其敏感,不斷延伸的道路帶來的干擾必然造成野駱駝對(duì)道路及周邊區(qū)域的回避,道路的障礙作用極其明顯,表現(xiàn)在當(dāng)前野駱駝分布范圍呈3個(gè)孤島的格局與道路隔離形成的景觀格局是一致的。從道路密度和影響域面積占比來看,西部分布區(qū)受道路影響最小,原因在于該區(qū)域主要為塔克拉瑪干沙漠,沙漠為主的地貌以及高大的沙丘導(dǎo)致在該區(qū)域道路修筑困難。中部分布區(qū)道路密度最大,而東部分布區(qū)影響域面積比例最大。通過疊加道路和野駱駝現(xiàn)存分布范圍,塔克拉瑪干沙漠分布區(qū)和庫姆塔格沙漠分布區(qū)僅被一條道路分割,中蒙邊境分布區(qū)被國境線分割,三個(gè)現(xiàn)存分布區(qū)景觀格局均維持了較低的破碎度。所有三個(gè)當(dāng)前野駱駝種群分布區(qū)道路密度水平和道路影響域面積占比均較所在歷史分布區(qū)范圍道路密度和道路影響域面積低,表明現(xiàn)有野駱駝分布區(qū)人為干擾程度要低于整個(gè)研究區(qū)域。

從整體景觀格局來看,斑塊數(shù)量和平均斑塊面積兩個(gè)指標(biāo)表明西部分布區(qū)破碎化程度比中部和東部分布區(qū)要低,最大斑塊面積指數(shù)表明該區(qū)域具備較大野駱駝種群的生存條件,但目前的塔克拉瑪干沙漠野駱駝種群調(diào)查結(jié)果認(rèn)為該區(qū)域種群僅有50峰左右。19世紀(jì)中葉前后,野駱駝在和田河以東的塔克拉瑪干沙漠中分布面積較大[31]。1980年代以來,野駱駝分布區(qū)所在的塔克拉瑪干沙漠東部地區(qū)開始大規(guī)模的油氣開采。蘭新等人1991—1992年的科考發(fā)現(xiàn),石油勘探和開采地點(diǎn)附近也有野駱駝活動(dòng)痕跡,證明了克里雅河下游地區(qū)野駱駝分布仍然存在[32]。1995到1996年,Hare等在塔克拉瑪干進(jìn)行的科考估計(jì)該地區(qū)大概有50—80峰野駱駝[10]。但近些年這些地區(qū)受放牧、石油開采等影響,野駱駝的分布必定會(huì)受到人為干擾的影響,這可能是塔克拉瑪干沙漠野駱駝種群減少的主要原因。同時(shí),也需要繼續(xù)通過大量的野外調(diào)查來對(duì)該區(qū)域野駱駝種群進(jìn)行核實(shí)。中部分布區(qū)盡管破碎化較為嚴(yán)重,尤其是哈羅鐵路和哈羅公路的阻隔[33],但占到中部棲息地面積63%的兩個(gè)大面積斑塊的存在,使得該區(qū)域的野駱駝種群狀況較為理想,該區(qū)域野駱駝種群數(shù)量較為穩(wěn)定,最少在400峰以上。

西部分布區(qū)和中部分布區(qū)受道路阻隔影響較小,兩個(gè)棲息地間野駱駝種群的交流僅需跨越單條線性障礙,且兩個(gè)區(qū)域間野駱駝現(xiàn)存分布斑塊直接相連,即西部棲息地的W1和W2斑塊與中部棲息地的M1和M2斑塊。這四個(gè)斑塊屬于所在棲息地的主體,且受道路影響較小,從單個(gè)斑塊來講,基本屬于無路區(qū),這對(duì)于保持野駱駝棲息地景觀的連通和維持,尤其是較大數(shù)量的野駱駝種群的大型適宜生境非常重要[5],這與野駱駝現(xiàn)存分布區(qū)范圍也是一致的。未來通過實(shí)施科學(xué)的棲息地連通和廊道建設(shè)規(guī)劃,將極有可能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)孤立種群的交流連通。同時(shí),在未來的道路規(guī)劃建設(shè)和布局中,要考慮道路規(guī)劃和建設(shè)對(duì)野駱駝最小生境面積的影響,在現(xiàn)有景觀格局的基礎(chǔ)上,避免形成新的分割。并且要避免單純只考慮孤立的種群分布和所在棲息地,要將影響評(píng)估尺度放大到本研究區(qū)的尺度上,即在整個(gè)野駱駝的棲息地的角度考慮道路的阻隔作用。

中部和東部分布區(qū)受地理上河西走廊和陸上絲綢之路的分割[34],該區(qū)域是蘭新鐵路、京新高速等多條鐵路和公路進(jìn)入新疆的必經(jīng)之路,目前已形成密布的路網(wǎng),對(duì)于中部和東部分布區(qū)野駱駝來說,連通幾乎不可實(shí)現(xiàn)。東部分布區(qū)中,蒙古一側(cè)斑塊數(shù)量為114個(gè),而中國一側(cè)斑塊數(shù)量達(dá)到349個(gè),占到了整個(gè)東部分布區(qū)的四分之三。該區(qū)域,中國一側(cè)的棲息地破碎化程度遠(yuǎn)高于蒙古一側(cè),這也是作者近些年的調(diào)查,很難在中國邊境一側(cè)調(diào)查到野駱駝的原因。目前唯一的一塊大面積生境E1,即位于蒙古國的大戈壁保護(hù)區(qū)A區(qū),未來蒙古一側(cè)的野駱駝即使能跨越邊境遷移到中國一側(cè),結(jié)合當(dāng)前的破碎化格局,中國一側(cè)邊境地區(qū)也已不具備適宜野駱駝定居的最小生境面積。基于該區(qū)域的景觀格局現(xiàn)狀,不認(rèn)為在該區(qū)域野駱駝能回歸中國甚至連通中部分布區(qū)。建議將更多的保護(hù)資源和努力投入到西部和中部分布區(qū)種群的維持和連通。

通過對(duì)近40年野駱駝歷史分布區(qū)土地利用和道路的定量分析,土地利用變化并不足以導(dǎo)致野駱駝現(xiàn)存的分布格局,影響野駱駝棲息地喪失和破碎化的主要驅(qū)動(dòng)因素是道路,以道路為主的線性基礎(chǔ)設(shè)施造成了野駱駝棲息地的隔離,并形成了野駱駝的現(xiàn)存分布格局。維持野駱駝現(xiàn)存分布范圍內(nèi)的無路區(qū)格局對(duì)野駱駝種群的維持至關(guān)重要,結(jié)合野駱駝當(dāng)前的分布和道路格局,則可為野駱駝種群未來的交流和連通提供景觀層面的規(guī)劃方向。