馬踏泉，劉 睿*，李 政

（1.重慶師范大學 地理與旅游學院，重慶 401331；2.國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心，北京 100101；3.重慶市地理信息和遙感應用中心，重慶 401121）

近年來，國家非常重視對于保護區(qū)內(nèi)部人類活動和生態(tài)狀況的監(jiān)測與反饋，部分學者嘗試選取人類活動指標，監(jiān)測人類活動的構(gòu)成和數(shù)量，但大多從科研角度出發(fā)，也忽視了對生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)健康水平的監(jiān)測，研究結(jié)果對管理決策的支撐作用較小。因此，如何利用現(xiàn)代遙感技術(shù)，克服“碎片化”、“孤島化”等現(xiàn)實困境，定量研究自然保護區(qū)內(nèi)人類干擾和生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀、變化和規(guī)律，做到事前發(fā)現(xiàn)，立即扼殺；事中處理，化解矛盾。并逐步形成常態(tài)化的監(jiān)測預警機制，成為研究熱點。

本研究以服務政府管理決策為目標，基于自然保護區(qū)管控要求設(shè)立人類活動干擾約束性指標，重點監(jiān)測保護區(qū)內(nèi)部人類活動干擾程度大小和變化趨勢；將偏自然的系統(tǒng)內(nèi)部“壓力-活力-組織-彈性”理論與表征“人地相互關(guān)系”的PSR 模型有機結(jié)合，重視自然保護區(qū)內(nèi)部生態(tài)斑塊的“質(zhì)量”“數(shù)量”和“格局”，測度生態(tài)系統(tǒng)健康水平，揭示保護區(qū)內(nèi)部生物流和生物多樣性狀態(tài)[5]。自然保護區(qū)監(jiān)測預警指標體系的構(gòu)建，可以幫助決策者掌握自然保護區(qū)人類活動干擾及其生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)、分布與動態(tài)變化，及時評估和預警生態(tài)風險，是微觀生態(tài)本底與宏觀生態(tài)系統(tǒng)的有機結(jié)合，也是落實自然保護區(qū)管控的關(guān)鍵舉措。

1 監(jiān)測預警指標體系的構(gòu)建

1.1 人類活動監(jiān)測預警指標

1.1.1 人類活動清單編制

本研究依據(jù)《關(guān)于做好自然保護區(qū)范圍及功能優(yōu)化調(diào)整前期有關(guān)工作的函》等自然保護區(qū)管控規(guī)則，參考中華人民共和國生態(tài)環(huán)境標準《自然保護地人類活動遙感監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ 1156-2021），將人類活動類型、定義與《第三次全國國土調(diào)查技術(shù)規(guī)程》（TD/D 1055-2019）充分銜接，形成新的分類和定義。自然保護區(qū)內(nèi)部人類活動危害性優(yōu)先順序為：礦產(chǎn)資源開發(fā)>工業(yè)開發(fā)>旅游開發(fā)>能源開發(fā)>交通開發(fā)>養(yǎng)殖開發(fā)>農(nóng)業(yè)開發(fā)>居民點與其他活動[6]。

1.1.2 人類活動變化監(jiān)測

人類活動變化監(jiān)測是以人類活動清單為依據(jù)，以行業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)和高分辨率遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對覆蓋自然保護區(qū)的區(qū)域進行排查和判讀，對比分析監(jiān)測期前后地物情況，核實人類活動變化圖斑類型，從而揭示監(jiān)測區(qū)域人類活動范圍新增、不變、減少的情況。變化類型中，危害性優(yōu)先順序為：新增>不變>減少。同時采用人類活動數(shù)量變化幅度[2]，評價自然保護區(qū)內(nèi)部人類活動變化強度，具體公式如下：

式中，IHAC 變量為保護區(qū)人類活動變化強度指數(shù)；Ai變量為2020 年保護區(qū)第i個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人類活動數(shù)量；Bi變量為2019 年保護區(qū)第i個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人類活動數(shù)量。依據(jù)該指數(shù)， 保護區(qū)變化強度劃分為明顯（IHAC＞10%）、較明顯（5%＜IHAC ≤10%）、較小（IHAC ≤5%）和無變化（IHAC=0%）4個級別[2]。

1.2 生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測預警指標

1.2.1 生態(tài)系統(tǒng)健康指標體系的構(gòu)建

自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是自然資源、人類社會活動以及制度約束之間相互影響、緊密聯(lián)系形成的復雜系統(tǒng)[7]。研究將表征“人地相互關(guān)系”的壓力-狀態(tài)-響應（PSR）模型與反映生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部自身環(huán)境狀態(tài)的“活力-組織-彈性”理論相結(jié)合，遵從指標選取的科學性、代表性以及穩(wěn)定性等原則，參照相關(guān)學者的研究成果[5,7]，結(jié)合數(shù)據(jù)的可獲得性，選取9 個因子構(gòu)建自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康水平評價指標體系。其中，“壓力”指標用來描述人類活動對保護區(qū)造成的壓力，說明引起保護區(qū)生態(tài)變化的人類活動范圍與強度?！盃顟B(tài)”指標用來描述保護區(qū)自身面對上述“壓力”所呈現(xiàn)出的狀況，本研究綜合考慮生態(tài)系統(tǒng)自身對環(huán)境變化的適應與自我恢復能力，重視保護區(qū)內(nèi)部生態(tài)斑塊的質(zhì)量、數(shù)量以及格局。其中，“活力”指新陳代謝能力，用NDVI來表征；“組織”指景觀要素的整體穩(wěn)定性及局部之間的互通性，用景觀多樣性指數(shù)、斑塊豐富度、平均斑塊面積和景觀破碎度表征；“彈性”指保護區(qū)在受到外界破壞的情況下自我調(diào)節(jié)、自我恢復的能力，用生態(tài)彈性度表征?！绊憫敝笜耸怯脕砻枋錾鐣⑤浾搶εc人類活動造成的生態(tài)環(huán)境狀況壓力所表現(xiàn)出的狀態(tài)做出的反應，包括政策與措施的實施力度及效果，用自然保護區(qū)核心區(qū)面積來表示[8-10]。

1.2.2 部分指標的計算

以土地利用產(chǎn)品和遙感產(chǎn)品為基礎(chǔ)，利用科學的方法對各指標進行計算，人口密度由收集到的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)面積加權(quán)獲得，狀態(tài)項目層中的景觀多樣性指數(shù)、斑塊豐富度、平均斑塊面積、景觀破碎度由Fragstats4.2軟件平臺計算生成，其他重要指標情況如下：

1）人類干擾強度。人類干擾強度是人類活動對生態(tài)環(huán)境所施加的壓力，指數(shù)越大則人類活動影響強度越大；反之，越小[8]。人類干擾強度指數(shù)（HIS）計算公式如下：

式中，HIS 為人類干擾強度；Sc、Sa、Sr分別為建設(shè)用地、農(nóng)業(yè)用地、道路用地的面積；S為自然保護區(qū)總面積。

2）歸一化植被指數(shù)。歸一化植被指數(shù)即Normalized Difference Vegetation Index，簡 稱NDVI，是 氣候、環(huán)境等多種因素綜合作用的結(jié)果，表征區(qū)域植被生長狀態(tài)，能很好的揭示自然保護區(qū)植被狀態(tài)[7]，其計算公式為：

式中，DNVI 為歸一化植被指數(shù)；R為紅光波段的反射值；NIR 為紅外波段的反射值。

3）生態(tài)彈性度。生態(tài)彈性度指生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的可變化余地大小，是自我維持、自我調(diào)節(jié)及其抵抗各種壓力與擾動的能力大小[9]，其（EEI）指數(shù)計算公式為：

式中，EEI 為生態(tài)彈性度指數(shù)；Si為i類土地利用類型的面積；Fi為i類土地利用的彈性分值，依據(jù)土地利用類型對生態(tài)環(huán)境的作用大小賦值；S為自然保護區(qū)總面積。

1.2.3 指標標準化處理

自然保護區(qū)不同的生態(tài)健康評價指標量綱將會對評價結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，因此在評價之前應該對格網(wǎng)數(shù)據(jù)進行標準化處理[7]。

式中，Xij為標準化后的值；xij為第i個格網(wǎng)第j項指標的值；xjmin、xjmax為區(qū)域內(nèi)第j項指標的最小值、最大值。指標標準化值介于[0,1]之間，其值越大，生態(tài)健康狀況越好；反之，越差。

1.2.4 生態(tài)系統(tǒng)健康級別判定標準

依據(jù)自然保護區(qū)生態(tài)健康評價指標體系，對各指標進行標準化后，采用層次分析法和熵值法求取組合權(quán)重，并利用綜合指數(shù)法對自然保護區(qū)各格網(wǎng)的生態(tài)系統(tǒng)健康水平進行測算，依據(jù)自然斷裂點法將其劃分為健康、亞健康和不健康3 個狀態(tài)區(qū)間。其中，健康狀態(tài)指人為干擾強度小于系統(tǒng)自調(diào)控閾值，生態(tài)系統(tǒng)保持動態(tài)平衡；亞健康狀態(tài)指人為干擾強度超過系統(tǒng)自調(diào)控閾值，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能改變，生態(tài)質(zhì)量不斷下降，但可通過人工或自然恢復對其進行改善；不健康狀態(tài)指生態(tài)系統(tǒng)進一步惡化，其自然恢復難度加大，采取人為調(diào)控進行人工恢復，恢復可能性較大。

1.3 綜合監(jiān)測預警指標體系

1.3.1 綜合監(jiān)測預警流程

將人類活動和生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測預警指標有機結(jié)合，構(gòu)建自然保護區(qū)綜合監(jiān)測預警指標體系，用于對自然保護區(qū)內(nèi)部人類活動干擾強度大小和生態(tài)健康水平現(xiàn)狀及變化情況進行監(jiān)測。綜合2 種預警結(jié)果，采用“最低”原則，發(fā)出自然保護區(qū)監(jiān)測綜合預警信號，其中紅色代表重警、黃色代表中警、綠色代表無警。以此達到“剛性”與“彈性”相結(jié)合、靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的多元化、多體系、多維度的綜合監(jiān)測，支撐自然保護區(qū)管控決策。

1.3.2 人類活動監(jiān)測預警

自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測預警以服務政府決策為基本出發(fā)點，依托自然保護區(qū)管控規(guī)則和編制的人類活動清單，將分布在核心區(qū)和一般控制區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀人類活動的數(shù)量多少、類型危害性程度以及變化情況有機結(jié)合，進行定量、定性上的區(qū)分和評判，開展監(jiān)測預警，從而揭示政府處理人類活動危害的緊急性狀態(tài)。警情從小到大分為無警、中警、重警3 個等級，分別用綠色、黃色和紅色顯示。

自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測預警主要依據(jù)監(jiān)測期末的生態(tài)健康狀態(tài)水平和監(jiān)測期間生態(tài)健康趨好、不變和趨差的變化規(guī)律進行警情預報[7]。當期末生態(tài)系統(tǒng)維持健康狀態(tài)，且呈現(xiàn)出趨好或者不變的態(tài)勢，顯示無警；當期末生態(tài)系統(tǒng)健康維持亞健康狀態(tài)，且呈現(xiàn)出趨好或者不變的態(tài)勢，或生態(tài)系統(tǒng)健康維持健康狀態(tài)，呈現(xiàn)趨差態(tài)勢，顯示中警；生態(tài)系統(tǒng)健康維持不健康狀態(tài)，或者維持亞健康狀態(tài)且呈現(xiàn)下降趨勢，顯示重警。自然保護區(qū)生態(tài)健康趨勢計算方法如下：

式中，EHI 為生態(tài)健康指數(shù)；EHIj為監(jiān)測末期生態(tài)健康指數(shù)；EHIi為監(jiān)測初期生態(tài)健康指數(shù)；?EHI 為監(jiān)測期內(nèi)的生態(tài)健康指數(shù)變化量，當?EHI<0 為趨差，?EHI=0 為不變，?EHI>0 為趨好。

2 試點區(qū)域的選擇與方法

2.1 試點區(qū)域的選擇

試點是對自然保護區(qū)監(jiān)測預警指標體系可行性和有效性的檢驗過程。重慶大巴山國家級自然保護區(qū)作為溫帶和亞熱帶分界線，是國家重要的涵養(yǎng)水源生態(tài)功能區(qū)，對其開展試點評估具有重要意義。保護區(qū)東、北兩面接壤陜西省，西連四川省，南接重慶市的巫溪縣、開州區(qū)，屬于四川盆地與秦嶺造山帶的過渡地帶[9-10]，面積為11 2614.58 hm2，其中核心區(qū)、一般控制區(qū)分別占比53.92%、46.08%。

2.2 數(shù)據(jù)來源與預處理

研究數(shù)據(jù)主要包括社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)為鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口數(shù)據(jù)，來源于統(tǒng)計年鑒。文本數(shù)據(jù)為官網(wǎng)發(fā)布的自然保護區(qū)管控規(guī)則、相關(guān)技術(shù)規(guī)范等。空間數(shù)據(jù)中土地利用數(shù)據(jù)來源于行業(yè)部門提供的變更調(diào)查數(shù)據(jù)；DEM數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http://www.gscloud.cn）提供的數(shù)字高程數(shù)據(jù)；NDVI 數(shù)據(jù)源來自于USGS 美國地質(zhì)勘探局（http://glovis.usgs.gov）提供的Modis數(shù)據(jù)，通過最大合成法得到；行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于2017年國家基礎(chǔ)信息中心（www.webmap.cn）公布的全國1∶100 萬基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫；自然保護區(qū)矢量范圍來源于行業(yè)部門收集成果。同時為方便多元數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化與兼容，豐富評價單元屬性維度，細化評價區(qū)域空間精度，采用格網(wǎng)法進行空間索引的建立與矢量數(shù)據(jù)的柵格化，本研究生成2 150個1 km×1 km的格網(wǎng)，對保護區(qū)開展基于格網(wǎng)模型的生態(tài)系統(tǒng)健康評價。

3 結(jié)果分析

3.1 人類活動監(jiān)測預警分析

3.1.1 人類活動現(xiàn)狀監(jiān)測

從數(shù)量和構(gòu)成上看，2020 年大巴山自然保護區(qū)內(nèi)以林地、草地、水域等類型的生態(tài)用地為主，人類活動整體較少，達4 528.32 hm2，僅占保護區(qū)總面積的4.02%，以農(nóng)業(yè)、交通、居民點等生產(chǎn)性活動最為典型。其中，農(nóng)業(yè)開發(fā)是主要的人類活動，由旱地、水田、園地等具體用地類型構(gòu)成，面積達4 239.93 hm2，占人類活動地類總面積的93.63%；交通開發(fā)活動次之，面積達173.47 hm2，主要為農(nóng)村道路、公路用地、交通服務設(shè)施用地以及鐵路用地等現(xiàn)狀設(shè)施；居民點與其他活動面積共106.64 hm2，占比2.36%。

從地理空間分布上看，大巴山人類活動多發(fā)生在一般控制區(qū)，核心區(qū)內(nèi)較少。核心區(qū)內(nèi)不存在對生態(tài)環(huán)境危害嚴重的礦產(chǎn)資源開發(fā)性活動，同時對保護區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響相對較大的工業(yè)開發(fā)、能源開發(fā)和旅游開發(fā)總面積僅為0.16 hm2。一般控制區(qū)內(nèi)人類活動地類總面積為2 805.22 hm2，呈現(xiàn)出農(nóng)業(yè)開發(fā)＞交通開發(fā)＞居民點與其他活動>養(yǎng)殖開發(fā)＞礦產(chǎn)資源開發(fā)＞旅游開發(fā)＞能源開發(fā)＞工業(yè)開發(fā)的現(xiàn)狀。人類活動集中分布于保護區(qū)東部，城口縣境內(nèi)的東安鎮(zhèn)、嵐天鄉(xiāng)以及河魚鄉(xiāng)等區(qū)域。

左圓最大的建筑是噴泉，直徑十多米的水池鑲著馬賽克，池子里用水泥鋼筋搭建的假山，因多年不用，成了鳥兒們的樂園。有意的是假山上面雕塑著的那幾只海鷗。有的平靜地飛翔，有的欲飛欲止，最上面的那只折了一個膀的海鷗，看樣子是凱旋歸來？又像是在花樣飛翔？讓人浮想聯(lián)翩……

3.1.2 人類活動變化監(jiān)測

由表1可得，2019—2020年間，人類活動由原來的4 669.72 hm2減少至4 528.31 hm2，共計減少141.41 hm2，整體狀況趨好。其中，農(nóng)業(yè)開發(fā)減少最多，從4 379.37 hm2減少至4 239.93 hm2，共減少了139.44 hm2，其次是居民點與其他活動，減少達9.56 hm2，表明有序退出成效明顯。但由于基數(shù)仍然較大，未來還需進一步強化生態(tài)搬遷成效。除此之外，部分人類活動呈現(xiàn)出增加的態(tài)勢，例如交通開發(fā)增加了7.9 hm2，新增的主要為未硬化或硬化較少的農(nóng)村道路。從地理空間分布上看，一般控制區(qū)人類活動新增明顯多于核心區(qū)，兩者新增的面積分別為56.47 hm2、5.50 hm2。

表1 大巴山自然保護區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)人類活動變化數(shù)量和幅度情況

3.1.3 人類活動監(jiān)測預警

大巴山自然保護區(qū)內(nèi)人類活動面積達4 528.31 hm2，其中核心區(qū)為1 723.11 hm2，一般控制區(qū)為2 805.2 hm2，人類活動類型較多，尤其是一般控制區(qū)存在一定量的礦產(chǎn)資源開發(fā)。近1 a，人類活動雖呈減少趨勢，但交通開發(fā)、養(yǎng)殖開發(fā)、特殊開發(fā)、能源開發(fā)等均呈現(xiàn)不同程度的增加，一定程度上對生態(tài)環(huán)境會產(chǎn)生危害。依據(jù)自然保護區(qū)人類活動監(jiān)測預警規(guī)則，保護區(qū)人類活動主要以中警為主，呈現(xiàn)黃色預警。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測預警分析

由圖1可得，2020年大巴山自然保護區(qū)生態(tài)健康平均指數(shù)為0.80，維持健康水平，整體狀況良好。其中，核心區(qū)和一般控制區(qū)平均健康指數(shù)分別達0.80、0.79，人為干擾強度均小于系統(tǒng)自調(diào)控閾值，生態(tài)系統(tǒng)保持一種動態(tài)的平衡。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)部多呈現(xiàn)健康和亞健康狀態(tài)，不健康區(qū)域較小，空間分布格局差異明顯。城口縣烏巴山鎮(zhèn)生態(tài)健康平均指數(shù)最高，達到0.82，巫溪縣紅池壩經(jīng)濟開發(fā)區(qū)最低，生態(tài)健康平均指數(shù)僅為0.77，主要原因是人類活動開發(fā)強度的差異。

圖1 大巴山自然保護區(qū)內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)公里格網(wǎng)生態(tài)健康水平（審圖號：渝S(2023)079號）

從變化情況來看，2019—2020年間，生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)由原來的0.79上升至0.80，整體狀況趨好。其中，自然保護區(qū)核心區(qū)生態(tài)健康指數(shù)不變，一般控制區(qū)從監(jiān)測期初的0.78增長至監(jiān)測期末的0.79。保護區(qū)內(nèi)大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)ΔEHI＞0，生態(tài)系統(tǒng)健康水平進一步變好，生態(tài)健康指數(shù)增長變化最為明顯的是天元鄉(xiāng)，增長了0.02，而紅池壩經(jīng)濟開發(fā)區(qū)和土城鎮(zhèn)2 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)在監(jiān)測期間生態(tài)健康水平趨差。

綜上所述，大巴山國家級自然保護區(qū)現(xiàn)狀生態(tài)系統(tǒng)健康水平整體較高，呈現(xiàn)健康狀態(tài)，且在監(jiān)測期內(nèi)呈現(xiàn)趨好的趨勢。因此，生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測預警等級為無警，呈現(xiàn)警情狀態(tài)為綠色預警。

4 結(jié) 語

本研究以服務政府管理決策為目標，將人類活動干擾約束性指標和生態(tài)系統(tǒng)健康預期性指標有機結(jié)合，構(gòu)建自然保護區(qū)監(jiān)測預警指標體系，并對大巴山國家級自然保護區(qū)開展試點。研究結(jié)果能夠準確反映自然保護區(qū)內(nèi)部人類活動和生態(tài)系統(tǒng)健康的現(xiàn)狀規(guī)模、空間分布、變化趨勢、變化強度等基本情況，揭示保護區(qū)的警情狀態(tài)，是剛性與彈性、靜態(tài)和動態(tài)、微觀生態(tài)本底和宏觀生態(tài)系統(tǒng)間的有機結(jié)合。