青藏高原生態(tài)系統(tǒng)完整性遠(yuǎn)程評(píng)價(jià)與國(guó)家公園群建設(shè)時(shí)序研究

鄧 冉,邵懷勇,黃寶榮,張叢林,周中仁,樊 杰,*

1 成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 成都 610059 2 中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院, 北京 100190 3 北京市農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息與經(jīng)濟(jì)研究所, 北京 100097

生態(tài)系統(tǒng)完整性是指生態(tài)系統(tǒng)在特定地理區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)狀態(tài),在這種狀態(tài)下,生態(tài)系統(tǒng)具備區(qū)域自然生境應(yīng)包含的全部本土生物多樣性和生態(tài)學(xué)過程,其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和過程不受人類威脅和損害,生態(tài)系統(tǒng)處在自然變化范圍之內(nèi)并保持良性循環(huán),且本地物種處在能夠持續(xù)繁衍的種群水平上[1-3]。生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)主要是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及過程完整性的評(píng)價(jià),通過評(píng)價(jià)診斷當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)能否維持平衡、健康的狀態(tài)。評(píng)估結(jié)果能夠?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)管理、生物多樣性保護(hù)和自然保護(hù)地規(guī)劃提供支撐。如,加拿大將生態(tài)系統(tǒng)完整性作為國(guó)家公園遴選的重要依據(jù)?！督?guó)家公園體制總體方案》也指出,我國(guó)建立國(guó)家公園的主要目的是保護(hù)自然生態(tài)系統(tǒng)的原真性、完整性。在未來國(guó)家公園規(guī)劃布局中也應(yīng)將生態(tài)系統(tǒng)完整性作為重要依據(jù)之一。

生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)以生物完整性評(píng)價(jià)(Biologic Integrity Assessment,BIA)為基礎(chǔ),通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法,采用包含生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵生物物種、物理和功能屬性等指標(biāo)來評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)的完整性。目前常用的方法主要有3種：生物完整性指數(shù)評(píng)估框架)評(píng)估框架(Index of Biotic Integrity,IBI)、生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)估框架(Ecosystem Integrity Assessment Framework,EIAF)評(píng)估框架和三級(jí)漸進(jìn)評(píng)估框架(Three Level Approach,TLA)評(píng)估框架[3]。IBI評(píng)估框架是通過選擇對(duì)生態(tài)變化較為敏感的物種群落為指示物種,通過研究該物種的種類豐富度、組成、數(shù)量、營(yíng)養(yǎng)組織、生殖行為、健康狀況等反映生態(tài)系統(tǒng)完整性；EIAF評(píng)估框架通過記錄生物和非生物的退化過程來反應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)是否完整,利用生態(tài)系統(tǒng)完整性指標(biāo)計(jì)分矩陣來反映評(píng)價(jià)結(jié)果,每個(gè)指標(biāo)(如生態(tài)系統(tǒng)景觀、植被、理化性質(zhì)、自然干擾機(jī)制等)通過計(jì)算測(cè)量值和參考值得到[3-5]；TLA三級(jí)評(píng)估框架包括遠(yuǎn)程型評(píng)價(jià)、快速型評(píng)價(jià)和密集型評(píng)價(jià),是美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局根據(jù)其國(guó)家公園和野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)的實(shí)際生態(tài)情況研發(fā),用來評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)其生態(tài)系統(tǒng)完整性的方法,每種評(píng)價(jià)方式可以單獨(dú)進(jìn)行,也可以層層遞進(jìn),組合使用,尤其對(duì)于復(fù)雜的陸地生態(tài)系統(tǒng)[5],目前常用的指標(biāo)主要有土地覆被、景觀格局、初級(jí)凈生產(chǎn)力、道路密度、指標(biāo)物種指數(shù)、地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等生態(tài)指標(biāo)和壓力指標(biāo)。TLA三級(jí)評(píng)估框架中,遠(yuǎn)程型評(píng)價(jià)屬于成本比較低廉且適用于大部分自然生態(tài)系統(tǒng)一種評(píng)價(jià)方式,主要通過地理信息系統(tǒng)和遙感數(shù)據(jù)來獲取生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布信息并評(píng)估大尺度區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)完整性,近年來被廣泛運(yùn)用于流域、國(guó)家公園和野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)。如,美國(guó)魚類和野生動(dòng)物管理局開發(fā)了一套遙感指標(biāo),并將其與濕地指標(biāo)結(jié)合評(píng)估流域自然棲息地生態(tài)系統(tǒng)完整性趨勢(shì),識(shí)別需要優(yōu)先考慮生態(tài)恢復(fù)的潛在區(qū)域[6]。加拿大國(guó)家公園局通過遙感技術(shù),選擇景觀格局、演替衰退和初級(jí)凈生產(chǎn)力三種生態(tài)指標(biāo)監(jiān)測(cè)國(guó)家公園的生態(tài)系統(tǒng)完整性[7]。Fraser 等[8]采用遙感影像數(shù)據(jù),通過分析研究區(qū)內(nèi)土地覆被變化和生態(tài)系統(tǒng)完整性現(xiàn)狀,為加拿大國(guó)家公園建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了科學(xué)依據(jù)。

青藏高原是我國(guó)重要生態(tài)安全屏障,保有大量重要的受人類活動(dòng)干擾較小的自然生態(tài)系統(tǒng)和荒野,孕育著豐富的生物多樣性,在維持我國(guó)乃至亞洲生態(tài)安全中發(fā)揮了重要作用。但隨著快速城鎮(zhèn)化、農(nóng)牧業(yè)和旅游業(yè)的快速發(fā)展、以及交通等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),高原生態(tài)系統(tǒng)完整性和生態(tài)安全屏障功能受到一定威脅。同時(shí),氣候變化導(dǎo)致的亞洲水塔失衡[9],也有可能危及青藏高原生態(tài)系統(tǒng)完整性。為了更好地守護(hù)地球第三極,第二次青藏高原科學(xué)考察,提出由6個(gè)旗艦國(guó)家公園為引領(lǐng)、2個(gè)跨國(guó)國(guó)家公園和9個(gè)國(guó)家公園共同構(gòu)成的地球青藏高原國(guó)家公園群草案[10-11]。在此背景下,開展青藏高原生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)估,不僅能為人類活動(dòng)脅迫和氣候變化下青藏高原生態(tài)系統(tǒng)完整性保護(hù)提供科學(xué)支撐,而且能為第三極國(guó)家公園群的規(guī)劃布局和各個(gè)國(guó)家公園建設(shè)時(shí)序的確定提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of the study area

青藏高原位于亞洲中部,是眾多大江大河發(fā)源地,其幅員遼闊(73°18′52″—104°46′59″E,26°00′12″—39°46′50″N),位于我國(guó)境內(nèi)的青藏高原區(qū)域(見圖1, 本文青藏高原空間范圍引自來源于中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=139)),總面積約259.8萬km2,區(qū)域海拔一般在3000—5000 m之間,平均海拔4000 m,地勢(shì)東高西低,邊緣起伏不平,但內(nèi)部起伏較為平緩。青藏高原多為高原氣候,氣溫低、積溫少,氣溫和降水的空間分布極不均勻,植被類型豐富且覆蓋度高,動(dòng)植物資源豐富且具有獨(dú)特性,自然生態(tài)良好。但同時(shí)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)完整性也面臨退化的風(fēng)險(xiǎn),如氣候變化導(dǎo)致冰川融化、雪線上升、亞洲水塔失衡[9,12]；土地退化與土壤侵蝕加劇[13-14],導(dǎo)致生物多樣性降低，水源涵養(yǎng)、水土保持及生物多樣性保護(hù)的功能被削弱；而隨著城市化進(jìn)程加快,部分自然生態(tài)系統(tǒng)逐漸向半自然生態(tài)系統(tǒng)、人工生態(tài)系統(tǒng)過渡,自然生態(tài)空間被壓縮[15]。

1.2 研究方法

青藏高原地域遼闊,通過高強(qiáng)度野外調(diào)查獲取數(shù)據(jù)難度大、歷時(shí)長(zhǎng)、成本高,因此,很難采用對(duì)地面調(diào)查數(shù)據(jù)要求比較高的IBI、EIAF和TLA密集型評(píng)估框架評(píng)估其生態(tài)系統(tǒng)完整性?；诖?本研究借鑒TLA遠(yuǎn)程評(píng)估框架,采用遠(yuǎn)程型評(píng)價(jià)方法,充分利用遙感、地理信息和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),評(píng)估青藏高原生態(tài)系統(tǒng)完整性。

1.2.1生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

現(xiàn)有研究中,各位學(xué)者對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)完整性內(nèi)涵的理解,大致可從以下三個(gè)角度出發(fā)：一是以生態(tài)系統(tǒng)組成要素的完整性為切入點(diǎn),從生態(tài)系統(tǒng)的組分、結(jié)構(gòu)、功能和進(jìn)程完整性等角度研究生態(tài)系統(tǒng)完整性,認(rèn)為在某一特定的地理單元內(nèi),當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)包含所有本地物種及其完整的生態(tài)學(xué)進(jìn)程,結(jié)構(gòu)和功能沒有受到人類活動(dòng)的威脅與破壞,生態(tài)系統(tǒng)能持續(xù)繁衍生息,生境始終保持著最優(yōu)狀態(tài)時(shí),生態(tài)系統(tǒng)具有良好的完整性。二是以生態(tài)系統(tǒng)的系統(tǒng)特性為切入點(diǎn),從生態(tài)系統(tǒng)自然性、抵抗力和恢復(fù)力、可持續(xù)性等方面進(jìn)行研究,其認(rèn)為具有高度完整性的生態(tài)系統(tǒng)能夠抵抗環(huán)境變化和壓力,能在擾動(dòng)后恢復(fù)其原始狀態(tài)或軌跡,并能持續(xù)維持生態(tài)系統(tǒng)及其所有組成部分和生態(tài)過程,繼續(xù)提供其能夠提供的所有物質(zhì)和生態(tài)服務(wù)。三是以景觀生態(tài)學(xué)為切入點(diǎn),從景觀結(jié)構(gòu)和景觀穩(wěn)定性兩方面選取景觀格局指數(shù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)完整性進(jìn)行研究,其根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)與功能相匹配的原理,認(rèn)為景觀結(jié)構(gòu)的變化必定引起功能的變動(dòng),在外界條件干擾下,景觀生態(tài)系統(tǒng)具有一定抵抗與恢復(fù)的功能(即景觀穩(wěn)定性),可以維持和修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)完整性。

因此,根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)完整性內(nèi)涵,生態(tài)系統(tǒng)完整性可以從生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程、功能的完整性,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和能抵御外界較小的壓力等幾個(gè)方面理解。而基于這一理解,借鑒加拿大國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)估框架,搭建生態(tài)系統(tǒng)“格局-質(zhì)量-功能-問題-壓力”評(píng)估框架,并根據(jù)青藏高原生態(tài)系統(tǒng)特征,以綜合性、代表性、實(shí)用性、可獲取性和可度量性為原則,篩選指標(biāo),建立青藏高原生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1),并通過專家咨詢法確定指標(biāo)權(quán)重(表2)。

1.2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化

生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)指標(biāo)各異,單位不一,不能直接進(jìn)行比較與計(jì)算,因此,需要將各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。本文采用最大最小值法實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的歸一化。評(píng)價(jià)指標(biāo)分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo),其中,正向指標(biāo)是指對(duì)生態(tài)系統(tǒng)完整性具有積極促進(jìn)作用的,其值越大,生態(tài)系統(tǒng)完整性越高；負(fù)向指標(biāo)則是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)完整性具有消極影響作用的指標(biāo),其值越小,生態(tài)系統(tǒng)完整性越高。因此兩類指標(biāo)的歸一化方式分別為：

正向指標(biāo)歸一化公式

(1)

負(fù)向指標(biāo)歸一化公式

(2)

式中,X′為歸一化后無量綱數(shù)值,X為原始數(shù)值,Xmin為原始數(shù)值最小值,Xmax為原始數(shù)值最大值。

考慮青藏高原面積廣闊,受氣候、海拔等因素影響,區(qū)域之間生態(tài)系統(tǒng)類型存在較大差距,造成評(píng)估指標(biāo)體系中反映生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的指標(biāo)“地上生物量”在不同區(qū)域間不具有可比性,比如森林生態(tài)系統(tǒng)地上生物量普遍高于草地生態(tài)系統(tǒng),不能據(jù)此判斷森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量好于草地生態(tài)系統(tǒng)。為了解決這一問題,研究中將地上生物量指標(biāo)按照青藏高原十三個(gè)生態(tài)區(qū)分別進(jìn)行歸一化,每個(gè)生態(tài)區(qū)內(nèi)植被類型基本一致,每個(gè)柵格單元的生物量歸一化值,是該單元生物量值與所在生態(tài)區(qū)頂級(jí)生態(tài)系統(tǒng)群落生物量的相對(duì)值,能夠反映該柵格單元在所在生態(tài)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量水平,從而實(shí)現(xiàn)不同生態(tài)區(qū)不同類型生態(tài)系統(tǒng)間的質(zhì)量比較。

表1 青藏高原生態(tài)系統(tǒng)完整性遠(yuǎn)程評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 青藏高原生態(tài)系統(tǒng)完整性遙感評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

同時(shí),青藏高原一些生態(tài)系統(tǒng)的完整性如永久冰雪冰川、湖泊、河流不能通過指標(biāo)體系中的地上生物量、植被覆蓋度等指標(biāo)直接衡量,目前這些生態(tài)系統(tǒng)受到人類活動(dòng)干擾較小,在缺乏詳細(xì)的地面調(diào)查數(shù)據(jù)的支撐下,作為替代方案,研究將這些生態(tài)系統(tǒng)的完整性直接賦值為1。

1.2.3生態(tài)系統(tǒng)完整性指數(shù)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

生態(tài)系統(tǒng)完整性指數(shù)是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)結(jié)果的直觀展示,是在對(duì)單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化、分析與評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,考慮其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部與外部環(huán)境之間的相互聯(lián)系與作用,通過將各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)完整性的重要程度、影響程度進(jìn)行量化,并綜合分值的形式表達(dá)出生態(tài)系統(tǒng)完整性狀況。本文將采用綜合指數(shù)法對(duì)青藏高原生態(tài)系統(tǒng)完整性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)完整性指數(shù)。

(3)

式中,EI是指生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)指數(shù),n為指標(biāo)個(gè)數(shù),ωi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值,Ai為第i個(gè)指標(biāo)歸一化值,EI越大,表明生態(tài)系統(tǒng)完整性越好。

同時(shí),為了進(jìn)一步分析生態(tài)系統(tǒng)完整性組成的兩大部分生態(tài)系統(tǒng)自身的狀態(tài)和生態(tài)系統(tǒng)壓力情況,分別用景觀分離度指數(shù)、地上生物量、植被覆蓋度、生物多樣性維持功能、土壤侵蝕強(qiáng)度五個(gè)指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)指數(shù)；用人口密度、路網(wǎng)密度、畜牧量、夜間燈光指數(shù)四個(gè)指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)壓力指數(shù)。指數(shù)計(jì)算過程中,將相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重按比例擴(kuò)展,使指數(shù)計(jì)算所用到的所有指標(biāo)的總權(quán)重為1。同時(shí)考慮到表達(dá)習(xí)慣,生態(tài)系統(tǒng)壓力指數(shù)計(jì)算時(shí),各壓力指標(biāo)按正向指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,使生態(tài)系統(tǒng)壓力指數(shù)計(jì)算結(jié)果越大,反映生態(tài)系統(tǒng)所成熟的壓力越大。

為了分析不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)完整性相對(duì)水平,參照國(guó)外國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)等級(jí)[31],結(jié)合各指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)和相互關(guān)系,參考自然斷點(diǎn)法分級(jí)原理,構(gòu)建青藏高原生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表3)。

表3 青藏高原生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 研究數(shù)據(jù)

由于青藏高原幅員遼闊,生態(tài)系統(tǒng)多樣,本文將基于RS和GIS數(shù)據(jù),選取擇1 km×1 km的柵格單元為評(píng)價(jià)單元,評(píng)價(jià)每個(gè)柵格單元的生態(tài)系統(tǒng)完整性狀態(tài),在此基礎(chǔ)上分析青藏高原生態(tài)系統(tǒng)完整性格局。評(píng)估所需數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、生態(tài)數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。

2.1 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)：來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/),包括降水量、氣溫、太陽(yáng)輻射等。

植被區(qū)劃數(shù)據(jù)：來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。

生態(tài)分區(qū)數(shù)據(jù)：來源于中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估與生態(tài)安全數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.ecosystem.csdb.cn/index.jsp)。

中國(guó)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)：來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),包括省市縣三級(jí)數(shù)據(jù)。

土壤數(shù)據(jù)：來源于土壤數(shù)據(jù)來源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心 (http://westdc.westgis.ac.cn/),空間分辨率1∶100萬。

高程數(shù)據(jù)：來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),空間分辨率1 km。

2.2 生態(tài)數(shù)據(jù)

景觀分離度數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)時(shí)間2015年,空間分辨率1 km,使用土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù),通過fragstats 4.2中移動(dòng)窗口法計(jì)算獲取。其中,土地利用數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),空間分辨率1 km。

土壤侵蝕數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)時(shí)間2015年,空間分辨率1 km,根據(jù)RUSLE土壤侵蝕模型,綜合土壤數(shù)據(jù)、多年年均和月均降雨量數(shù)據(jù)、植被覆蓋度數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

生物量數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)時(shí)間2015年,空間分辨率1 km,由中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃(STS計(jì)劃)“全國(guó)生態(tài)環(huán)境變化(2010—2015)調(diào)查評(píng)估”項(xiàng)目提供。

NPP數(shù)據(jù)：空間分辨率1 km,通過朱文泉改進(jìn)的CASA模型[32],與植被類型、降水、氣溫和太陽(yáng)輻射計(jì)算得到。

植被覆蓋度數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)時(shí)間2015年,空間分辨率1 km。提取于歸一化植被指數(shù)(NDVI),通過最大值合成法得到年度NDVI數(shù)據(jù),采用像元二分法得到植被覆蓋度。

生物多樣性維護(hù)能力數(shù)據(jù)：空間分辨率1 km,根據(jù)生態(tài)紅線劃定指南要求,通過年均 NPP、高程、年均降水和年均氣溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算得到。

2.3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)

夜間燈光遙感數(shù)據(jù)：2015年均數(shù)據(jù),空間分辨率0.05°,來源于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(https://www.noaa.gov/),是美國(guó)NPP對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星搭載的VIIRS(Visible infrared Imaging Radiometer)可見光紅外成像輻射儀獲取的數(shù)據(jù),經(jīng)投影轉(zhuǎn)換、重采樣等步驟轉(zhuǎn)化為1 km的柵格數(shù)據(jù)。

畜牧量數(shù)據(jù)：來源于各省(自治區(qū))2015年統(tǒng)計(jì)年鑒和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào),文本數(shù)據(jù),通過與草地分布進(jìn)行空間化處理后得到1 km的柵格數(shù)據(jù)。

人口密度數(shù)據(jù)：2015年度數(shù)據(jù),分辨率1 km,來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/),中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的徐新良制作的中國(guó)人口空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)集。

道路數(shù)據(jù)：2015年末數(shù)據(jù),來源于OSM(openstreetmap)矢量數(shù)據(jù)(https://www.openstreetmap.org/),通過進(jìn)行線密度分析得到路網(wǎng)密度數(shù)據(jù),空間分辨率1 km。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)指數(shù)格局

評(píng)估結(jié)果顯示,青藏高原77.13%的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)指數(shù)介于0.4—0.6,18.08%的區(qū)域介于0.6—0.8,3.52%的區(qū)域狀態(tài)指數(shù)介于0.8—1,僅有1.28%的區(qū)域介于0—0.4,總體而言,大部分區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)維持適中的狀態(tài)。從空間上看(圖2),青藏高原東部地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)明顯好于西部地區(qū)。以生態(tài)區(qū)進(jìn)行分析,則祁連山森林與高寒草原生態(tài)區(qū)南部、江河源區(qū)-甘南高寒草甸草原生態(tài)區(qū)、秦巴山地落葉與常綠闊葉林生態(tài)區(qū)、藏東-川西寒溫性針葉林生態(tài)區(qū)、藏東南熱帶雨林季雨林生態(tài)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)整體良好,而藏南山地高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)、藏北高原高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)、帕米爾-昆侖山-阿爾金山高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)、塔里木盆地-東疆荒漠生態(tài)區(qū)、阿里山地溫性干旱荒漠生態(tài)區(qū)、柴達(dá)木盆地荒漠生態(tài)區(qū)整體處于差與適中的狀態(tài)。

疊加高程、土地利用現(xiàn)狀、降水、氣溫等圖層進(jìn)行分析可知,狀態(tài)要素受高程和氣候條件影響較大,從而導(dǎo)致植被覆蓋度出現(xiàn)分異。在海拔較低、氣候條件良好的區(qū)域,其植被覆蓋以林地、高覆被草地為主,且以林地為優(yōu)勢(shì)地類,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng)；此外良好的植被條件為生物提供了較好的棲息繁育生長(zhǎng)環(huán)境,生物多樣性維護(hù)能力較強(qiáng),生物量也較高,生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力穩(wěn)定性強(qiáng)。而隨著海拔的攀升,地形起伏增大、氣候條件趨于復(fù)雜,生物生長(zhǎng)環(huán)境趨于惡劣,植被覆蓋度、生物量逐漸降低,生物多樣性維護(hù)能力減弱。

圖2 青藏高原生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)格局Fig.2 Spatial pattern of ecosystem status index of the Qinghai-Tibet Plateau

3.2 生態(tài)系統(tǒng)壓力指數(shù)格局

評(píng)估結(jié)果顯示,青藏高原97.28%的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)壓力指數(shù)低于0.1,2.27%的區(qū)域壓力指數(shù)介于0.1—0.2,0.43%的區(qū)域壓力指數(shù)介于0.2—0.3,0.03%的區(qū)域壓力指數(shù)高于0.3,整體壓力指數(shù)較低,大部分區(qū)域面臨的人類活動(dòng)帶來的壓力較小。青藏高原壓力指數(shù)格局分布具有較強(qiáng)的空間特點(diǎn)(圖3),整體呈現(xiàn)東高西低、南高北低的格局,壓力較大的區(qū)域呈點(diǎn)狀、團(tuán)塊狀分布,以人口密集的城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點(diǎn)為中心,承受的生態(tài)壓力越大,越往外,所面臨的壓力越小。

根據(jù)各壓力要素的特點(diǎn),行政區(qū)和土地利用類型與壓力要素有著明顯的相關(guān)性,主要分為三類。一是由人口、交通、畜牧業(yè)和城市化進(jìn)程共同導(dǎo)致其壓力較大,如拉薩市和西寧市,人口眾多,城市化進(jìn)程相對(duì)較高,農(nóng)副產(chǎn)品需求量較高,交通發(fā)達(dá),道路密度較高；此外,由于其海拔相對(duì)適中,氣候條件適中,區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件良好,土地利用類型以高、中覆被草地為主,牧草質(zhì)量較好,為作為主要需求產(chǎn)業(yè)之一的畜牧業(yè)提供了良好的條件,而大量的放牧導(dǎo)致區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)壓力較大,綜合社會(huì)發(fā)展、城鎮(zhèn)化進(jìn)程所導(dǎo)致的壓力,區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)壓力整體較大。二是主要由道路密度導(dǎo)致其生態(tài)系統(tǒng)壓力較大,形成了以州府骨干為中心的道路壓力較大的區(qū)域,如位于柴達(dá)木盆地荒漠生態(tài)區(qū),其土地利用主要為荒漠及低覆被草地,放牧條件較差,以海西州格爾木市為例,其區(qū)域內(nèi)人口相對(duì)較多,工業(yè)化相對(duì)發(fā)達(dá)(產(chǎn)鹽),且城鎮(zhèn)化進(jìn)程偏高,道路網(wǎng)密布,目前形成了以融公路、鐵路、航空、管線、電信、電力等基礎(chǔ)設(shè)施為一體的干線交通體系,且被列入了全國(guó)性綜合交通樞紐,便捷的交通設(shè)施卻對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成了較大的壓力；同理,位于青藏高原東南側(cè)的區(qū)域壓力較大的區(qū)域亦是如此。三是主要由放牧導(dǎo)致壓力較大,如藏北高原高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)、阿里山地溫性干旱荒漠生態(tài)區(qū)所面臨的壓力最大,主要為放牧所導(dǎo)致,其主要原因?yàn)閰^(qū)域內(nèi)草地分布較多,但由于海拔較高,氣候條件差,其草地雖然分布廣泛但覆蓋度較低,多為中低覆被草地,且草地質(zhì)量一般,區(qū)域內(nèi)耕地較少,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多以牧業(yè)為主,導(dǎo)致其畜牧量較高,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成了較大的壓力,同理,位于青藏高原西北部的邊緣區(qū)域亦是如此。

圖3 生態(tài)系統(tǒng)壓力指數(shù)空間格局Fig.3 Spatial pattern of ecosystem stress index of the Qinghai-Tibet Plateau

3.3 生態(tài)系統(tǒng)完整性指數(shù)格局

從生態(tài)系統(tǒng)完整性等級(jí)看(圖4),青藏高原大部分區(qū)域維持了較好的生態(tài)系統(tǒng)完整性,分別有3.52%、7.51%和70.71%的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)完整性等級(jí)為優(yōu)、良、中,但受人類活動(dòng)脅迫和氣候變化影響,部分區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)完整性受到破壞,分別有18.17%和0.10%的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)完整性等級(jí)為較差和極差。從空間分布格局來看,青藏高原東部區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)完整性明顯高于西部區(qū)域,以生態(tài)分區(qū)為主進(jìn)行劃分,生態(tài)系統(tǒng)完整性相對(duì)較低的區(qū)域主要分布于阿里山地溫性干旱荒漠生態(tài)區(qū)、藏北高原高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)、藏南山地高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)、柴達(dá)木盆地荒漠生態(tài)區(qū),完整性指數(shù)相對(duì)較低的區(qū)域集中連片分布；生態(tài)系統(tǒng)完整性指數(shù)相對(duì)較高的區(qū)域主要分布于江河源區(qū)-甘南高寒草甸草原生態(tài)區(qū)東部、祁連山森林與高寒草原生態(tài)區(qū)中部、藏東南熱帶雨林季雨林生態(tài)區(qū)、川西南-滇中北山地常綠闊葉林生態(tài)區(qū)和藏東-川西寒溫性針葉林生態(tài)區(qū)。

生態(tài)系統(tǒng)完整性等級(jí)為優(yōu)秀的區(qū)域零散分布于青藏高原西部,主要為湖泊、冰川或海拔高、人跡罕至的地方,由于沒有人類干擾,生態(tài)系統(tǒng)維持了其完整性。生態(tài)系統(tǒng)完整性等級(jí)為良好的區(qū)域主要分布于青藏高原東部,如藏南地區(qū)、川西高原、橫斷山脈以及祁連山等區(qū)域。其原因?yàn)椋阂皇菂^(qū)域內(nèi)植被覆蓋類型以林地為主,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能穩(wěn)定,抗干擾能力強(qiáng)；二是區(qū)域內(nèi)地形起伏大,種養(yǎng)殖條件差,城市化程度低,生態(tài)系統(tǒng)受人類干擾較小,維持了較高的生態(tài)系統(tǒng)完整性。

生態(tài)系統(tǒng)完整性中等區(qū)域主要分布于青藏高原中部及東部區(qū)域。從自然因素的角度來看,區(qū)域內(nèi)土地利用類型為針葉林地、中高覆被草地,整體植被覆蓋度高,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且完整,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、恢復(fù)力較強(qiáng)。從人為因素的角度來看,東部地區(qū)面臨相對(duì)較大的人口和人類活動(dòng)壓力,主要表現(xiàn)為道路修建和過度畜牧,對(duì)自然生態(tài)造成了較大的影響,但由于自然條件相對(duì)優(yōu)越,生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力較高,加之近年來的生態(tài)保護(hù)政策引導(dǎo),區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)完整性整體維持了中等水平。對(duì)于西部地區(qū),由于海拔較高,土地利用類型為荒漠草原或者荒漠,區(qū)域內(nèi)存在大面積的無人區(qū)(如可可西里等),自然生態(tài)未受到人類干擾,處于自身擾動(dòng)范圍內(nèi),因此生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)完整性維持較好,如帕米爾-昆侖山-阿爾金山高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)、藏北高原高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)東部等。

生態(tài)系統(tǒng)完整性較差的區(qū)域則主要分布于青藏高原西部地區(qū)以及東部人為活動(dòng)較為密集的區(qū)域；生態(tài)系統(tǒng)完整性極差的區(qū)域則主要呈團(tuán)狀分布于青藏高原的城鎮(zhèn)、州府骨干等人口聚集區(qū),多為人工生態(tài)系統(tǒng)。其原因主要為：一是作為青藏高原少數(shù)的城鎮(zhèn)化水平較高的省會(huì)城市或者州府骨干,其面臨著較大的生態(tài)壓力,城鎮(zhèn)的擴(kuò)張壓縮周邊的自然生態(tài)空間,破壞區(qū)域內(nèi)生態(tài)結(jié)構(gòu)與進(jìn)程；而受限于地理位置和地形條件,城鎮(zhèn)居民的日常生活需求對(duì)自然資源依賴性高,導(dǎo)致資源的過度使用,如耕地、畜牧等,加劇了區(qū)域內(nèi)所面臨的生態(tài)問題和生態(tài)保護(hù)壓力,如藏南高寒草原草甸生態(tài)區(qū)；二是城鎮(zhèn)的特性反映了區(qū)域內(nèi)以人工生態(tài)系統(tǒng)為主,因此城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為單一,人為主導(dǎo)性強(qiáng),自然恢復(fù)力差；三是部分區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度較低,以中低覆被草地、荒漠為主,自然條件較差,但卻存在著較大的人為干擾因素,超出其自身可擾動(dòng)范圍,如阿里山地溫性干旱荒漠生態(tài)區(qū)、藏北高原高寒荒漠草原生態(tài)區(qū)西部等。

圖4 青藏高原生態(tài)系統(tǒng)完整性分級(jí)空間格局Fig.4 Graded spatial pattern of ecosystem integrity of the Qinghai-Tibet Plateau

3.4 基于生態(tài)系統(tǒng)完整性的青藏高原國(guó)家公園群建設(shè)時(shí)序

在第二次青藏高原科學(xué)考察研究初始階段,樊杰等[10]基于地域功能理論,論證了國(guó)家公園群的基本功能定位,從形成國(guó)家公園群的要求探索國(guó)家公園備選地的遴選條件,通過對(duì)生態(tài)地理區(qū)劃提供的不同生態(tài)系統(tǒng)具有代表性的地域空間進(jìn)行初步評(píng)價(jià),提出了青藏高原國(guó)家公園群草案。目前，共有21個(gè)備選區(qū),以保護(hù)具有代表性的生態(tài)系統(tǒng)、河流源頭、自然地貌、珍稀生物為主,兼顧區(qū)域社會(huì)文化。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示(表4),青藏高原國(guó)家公園群21個(gè)國(guó)家公園潛在建設(shè)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)完整性等級(jí)大多處于中等狀態(tài)(此處的國(guó)家公園群潛在建設(shè)區(qū)域的統(tǒng)計(jì)數(shù)值主要為位于本研究中青藏高原范圍內(nèi)的區(qū)域),其中,獨(dú)龍江三江并流、雅魯藏布大峽谷國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)完整性良好,札達(dá)土林、水上雅丹國(guó)家公園生態(tài)系統(tǒng)完整性較差。

國(guó)家公園建設(shè)的主要目的是保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)完整性與原真性。已建立的國(guó)家公園體制試點(diǎn)區(qū)堅(jiān)持把生態(tài)保護(hù)擺在第一位,實(shí)行了統(tǒng)一管理、整體保護(hù)和系統(tǒng)修復(fù),有效促進(jìn)了斑塊之間的融合,增強(qiáng)了自然生態(tài)系統(tǒng)的完整性與原真性,同時(shí)也保護(hù)了生物多樣性、提升了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。青藏高原生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)結(jié)果,能夠?yàn)榈谌龢O國(guó)家公園群的規(guī)劃布局和各個(gè)國(guó)家公園建設(shè)的優(yōu)先級(jí)別的確定提供支撐。僅從生態(tài)系統(tǒng)完整性角度看,青藏高原可用于建設(shè)國(guó)家公園備選地?cái)?shù)量多、分布廣。從加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)完整性保護(hù)、優(yōu)化生態(tài)安全屏障的角度看,除了目前已建立的三江源、祁連山、大熊貓、香格里拉國(guó)家公園體制試點(diǎn)區(qū)外,可優(yōu)先啟動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)完整性高的雅魯藏布大峽谷、色林錯(cuò)-普若崗日等旗艦國(guó)家公園,以及獨(dú)龍江三江并流、若爾蓋、貢嘎山、稻城亞丁等一般國(guó)家公園建設(shè)(圖5)；待條件成熟后,再逐步啟動(dòng)其他具有景觀、文化價(jià)值的國(guó)家公園建設(shè)。

表4 青藏高原國(guó)家公園潛在建設(shè)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)完整性

圖5 青藏高原生態(tài)系統(tǒng)完整性及其與國(guó)家公園備選區(qū)間的關(guān)系Fig.5 Spatial pattern of ecosystem integrity index of the Qinghai-Tibet Plateau and the relationship with the potential construction areas of national parks

4 討論與結(jié)論

青藏高原作為一個(gè)獨(dú)特的地理單元,具有相對(duì)完整、全球獨(dú)特的自然和人文生態(tài)系統(tǒng),生態(tài)功能顯著,國(guó)家代表性突出。但近年來城鎮(zhèn)化、旅游開發(fā)、路網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),使其生態(tài)系統(tǒng)完整性受到一定威脅。為了解青藏高原生態(tài)系統(tǒng)完整性維持狀況,為后續(xù)的生態(tài)保護(hù)政策制定和自然保護(hù)地體系優(yōu)化提供支撐,本文基于生態(tài)系統(tǒng)完整性內(nèi)涵,構(gòu)建了生態(tài)系統(tǒng)完整性遠(yuǎn)程評(píng)估指標(biāo)體系,對(duì)青藏高原生態(tài)系統(tǒng)完整性進(jìn)行了綜合評(píng)估。

結(jié)果顯示,青藏高原大部分區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)完整性維持在較好或中等的水平,總體具有非常高的保護(hù)價(jià)值。生態(tài)系統(tǒng)完整性等級(jí)為優(yōu)的區(qū)域零散分布于高原西部,主要為湖泊、冰川或海拔高、人跡罕至的地方；生態(tài)系統(tǒng)完整性較好的區(qū)域主要分布于青藏高原東部,如藏南地區(qū)、川西高原、橫斷山脈以及祁連山等區(qū)域。生態(tài)系統(tǒng)完整性等級(jí)為中等的區(qū)域主要分布于青藏高原中部及東部區(qū)域；生態(tài)系統(tǒng)完整性較差的區(qū)域則主要分布于青藏高原西部地區(qū)以及東部人為活動(dòng)較為密集的區(qū)域；生態(tài)系統(tǒng)完整性極差的區(qū)域則主要呈團(tuán)狀分布于青藏高原的城鎮(zhèn)、州府骨干等人口聚集區(qū)。

研究主要通過結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)面臨的生態(tài)問題和人為壓力,對(duì)青藏高原生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的角度進(jìn)行評(píng)估初步的評(píng)估,根據(jù)所構(gòu)建的指標(biāo)體系,選擇根本影響因素分析其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)完整性的影響,結(jié)果表明青藏高原生態(tài)系統(tǒng)受高程、水熱條件的綜合影響較大,整體表現(xiàn)為海拔越低、水熱條件越好的區(qū)域,生態(tài)系統(tǒng)完整性越高。究其原因主要為：海拔較低,為大多數(shù)陸生生物的生長(zhǎng)提供了最基本的條件,結(jié)合區(qū)域內(nèi)的水熱條件,生物間的適應(yīng)性差異逐漸明顯,逐漸分化為林地、草地、荒漠草原、荒漠等不同的土地覆被類型,為生物的生長(zhǎng)、繁育提供了不同的生存條件。根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)中結(jié)構(gòu)與功能相匹配的結(jié)論[33],生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,其生態(tài)功能越豐富,恢復(fù)力越強(qiáng)。當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)以林地或中高覆被草地為優(yōu)勢(shì)地類時(shí),其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,生物生長(zhǎng)發(fā)育環(huán)境良好,具有較高的恢復(fù)力,生態(tài)系統(tǒng)不易受到自然因素嚴(yán)重破壞；而當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)以荒漠草原、荒漠等為優(yōu)勢(shì)地類時(shí),其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一,生物多樣性降低,恢復(fù)力差,極易受到外界因素干擾,生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱,生態(tài)系統(tǒng)完整性容易被破壞。

青藏高原面積廣闊,地形條件復(fù)雜,存在較多人跡罕至的區(qū)域,為初步評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)完整性情況,本研究采用了遙感、地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方式進(jìn)行了遠(yuǎn)程性評(píng)價(jià),但其中仍存在一定局限性,需要后續(xù)科考中予以解決。一是部分指標(biāo)數(shù)據(jù)處理方法有待進(jìn)一步提升。如生物多樣性是生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)估的核心指標(biāo),但由于缺乏具體的物種及其分布數(shù)據(jù),研究選擇生物多樣性維持功能作為替代指標(biāo),按照《生態(tài)紅線劃定指南》中NPP評(píng)估法進(jìn)行評(píng)估,難免與實(shí)際的生物多樣性分布格局存在差異,對(duì)評(píng)估結(jié)果造成一定影響,因此在進(jìn)一步的研究中,需要對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)。二是生態(tài)系統(tǒng)完整性遠(yuǎn)程評(píng)價(jià)多針對(duì)于陸地自然生態(tài)系統(tǒng),用到地上生物量、植被覆蓋度、NPP等生態(tài)指標(biāo)和參數(shù),但研究區(qū)域有大量的湖泊、河流、永久冰川積雪,這些生態(tài)系統(tǒng)的完整性難以通過上述生態(tài)指標(biāo)評(píng)估,受數(shù)據(jù)制約,缺乏可替代的評(píng)估方法；研究中考慮到青藏高原湖泊、河流、永久冰川積雪受人類干擾較小,基本維持在自然狀態(tài),而且具有極其重要的水源涵養(yǎng)和水文調(diào)蓄功能,因此,評(píng)估中直接將這類生態(tài)系統(tǒng)的完整性賦值為1；但實(shí)際上,在一些人口密集區(qū),這類生態(tài)系統(tǒng)也或多或少受到人類活動(dòng)的干擾,該部分缺乏實(shí)際量化分析。三是研究方法有待進(jìn)一步改進(jìn)。研究通過遙感、地理信息的方式從宏觀的角度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)完整性進(jìn)行初步評(píng)價(jià)；而限于數(shù)據(jù)可獲取性,實(shí)地驗(yàn)證數(shù)據(jù)較為缺乏,未從微觀角度對(duì)小區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)完整性進(jìn)行論證。但隨著第二次青藏科考工作的推進(jìn),一些野外調(diào)查數(shù)據(jù)將日漸完備,后續(xù)研究中,可以借鑒TLA評(píng)估框架中的快速評(píng)估方法,建立遙感指標(biāo)和地面調(diào)查指標(biāo)相結(jié)合的評(píng)估方法,從而得到更貼近實(shí)際的結(jié)果。