趙志國,欒曉峰,陳君幟,葉 菁,李婧昕,張 超,李苗苗,王賀崐元,楊 立,*
1 國家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院,北京 100714 2 北京林業(yè)大學(xué)自然保護區(qū)學(xué)院,北京 100083
生態(tài)系統(tǒng)是地球生物賴以生存的基礎(chǔ),也是人類社會可持續(xù)發(fā)展的根基[1-2]。生態(tài)系統(tǒng)可認為是具有等級結(jié)構(gòu),且內(nèi)部具有若干有序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)的相互作用復(fù)合體。因此,生態(tài)系統(tǒng)雖然具有高度復(fù)雜性,但對其中關(guān)系、組成問題的探討,可以使用熵理論對系統(tǒng)內(nèi)部組成與關(guān)系進行量化解釋[3-4]。在系統(tǒng)內(nèi)部,正熵或負熵產(chǎn)生、輸入或輸出的過程伴隨著熵流的形成,熵流可以作為系統(tǒng)變化的度量,描述系統(tǒng)內(nèi)部不同層次之間的相關(guān)關(guān)系和系統(tǒng)整體狀態(tài)[4-7]。生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各組分在空間上的耦合連接,也是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動在時空尺度上的體現(xiàn)。本質(zhì)上,生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部特征與信息熵和熵流在系統(tǒng)科學(xué)上的相似性,為熵理論在生態(tài)系統(tǒng)管理的量化評價上的應(yīng)用提供基礎(chǔ)[8-12]。近幾年來,基于熵理論量化、開展生態(tài)系統(tǒng)評價的研究逐步受到重視,但多局限在土地利用變化、棲息地評價和城市生態(tài)系統(tǒng)評價[3,9,13-20],在保護地管理方面鮮有涉及[21-22]。因此,量化生態(tài)系統(tǒng)管理績效能為揭示生態(tài)服務(wù)與自然資源管理、功能分區(qū)區(qū)劃、自然環(huán)境教育開展、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提升提供理論支持。
保護地是我國生態(tài)環(huán)境保護的重要載體。經(jīng)過60余年的發(fā)展,我國逐步形成以自然保護區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、地質(zhì)公園、森林公園、世界自然遺產(chǎn)為代表的多樣化保護地體系[23-24]。2013年11月,《中共中央關(guān)于全面深化改革若干重大問題的決定》指出:“堅定不移實施主體功能區(qū)制度,建立國土空間開發(fā)保護制度,嚴格按照主體功能區(qū)定位推動發(fā)展,建立國家公園體制?!眹夜珗@建設(shè)正式進入國家層面。以國家公園為代表的管理理念創(chuàng)新、管理體制創(chuàng)新,均在進行積極的探索,這是未來保護地一個重要的發(fā)展方向[25]。建立國家公園的核心目的是保護自然生態(tài)系統(tǒng)的原真性、完整性,因此保證國家公園區(qū)域的生態(tài)服務(wù)功能將是國家公園管理的重中之重。大熊貓國家公園作為首批國家公園試點之一,總面積27134 km2,涉及四川、陜西、甘肅3省,是目前所有國家公園中涉及省份最多、人口最多、保護地類型和數(shù)量最多的國家公園。其中,大熊貓國家公園四川省片區(qū)內(nèi)有大熊貓1205只,占整個大熊貓國家公園野生大熊貓種群總數(shù)的74.66%,全國野生大熊貓種群數(shù)量的64.65%。四川省片區(qū)是大熊貓國家公園的重點管理區(qū)域。量化評價生態(tài)系統(tǒng)管理績效能為未來大熊貓國家公園管理結(jié)構(gòu)優(yōu)化、升級、政策引導(dǎo)提供理論支持。因此,根據(jù)系統(tǒng)科學(xué)、熵理論,我們將大熊貓國家公園四川省片區(qū)涉及的各個市縣作為子系統(tǒng),提取生態(tài)系統(tǒng)管理評價關(guān)鍵因子,結(jié)合已有生態(tài)數(shù)據(jù)和經(jīng)濟指標,評估該區(qū)域生態(tài)管理,將為權(quán)衡自然資源科學(xué)保護和合理利用的程度、優(yōu)化管理目標設(shè)定、政策制定和相關(guān)工程項目立項提供理論支持。
大熊貓國家公園總面積27134 km2,涉及四川、陜西、甘肅3個省。其中大熊貓國家公園四川省片區(qū)面積20177 km2,占總面積的74.36%,四川省片區(qū)內(nèi)部又分為岷山片區(qū)、邛崍山一大相嶺片區(qū)。涉及成都市(彭州市、都江堰市、崇州市、大邑縣)、德陽市(綿竹市、什邡市)、綿陽市(安州區(qū)、北川縣、平武縣)、廣元市(青川縣)、阿壩州(九寨溝縣(不包含九寨溝風(fēng)景名勝區(qū))、松潘縣(不包含黃龍風(fēng)景名勝區(qū))、茂縣、汶川縣)、眉山市(洪雅縣)、雅安市(寶興縣、蘆山縣、天全縣、滎經(jīng)縣),共7市(州)19縣。
國家公園管理轄區(qū)可認為是一個不斷與外界交流的開放系統(tǒng),整體處于受人類干擾下,由自然生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)相互影響的復(fù)合體。其中自然生態(tài)系統(tǒng)為社會經(jīng)濟活動和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供必要的資源和生態(tài)環(huán)境服務(wù),而社會經(jīng)濟活動又決定區(qū)域內(nèi)人類生存和發(fā)展的趨勢,影響對自然生態(tài)環(huán)境索取物質(zhì)和能量的強度。同時基于政策引導(dǎo)、法規(guī)條例等手段的主動管理和制約,轄區(qū)內(nèi)部各個縣區(qū)(或管理片區(qū))可認為是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)下的子系統(tǒng),各個子系統(tǒng)間在空間上通過物質(zhì)、能量和信息相互關(guān)聯(lián)、制約,又與外界發(fā)生聯(lián)系,推動整體生態(tài)系統(tǒng)的變化發(fā)展。因此,該區(qū)域符合耗散結(jié)構(gòu)特點,適合運用熵理論解釋變化過程[1,7]。若該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)得到有效管理,則區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定,各子系統(tǒng)間資源、能量和信息流通有序,旗艦種得到有效保護,整體系統(tǒng)穩(wěn)定有序發(fā)展,逐步促進結(jié)構(gòu)升級,此過程將抑制系統(tǒng)內(nèi)熵過快增長;反之,不利因素將加大資源管理難度、旗艦種保育風(fēng)險,導(dǎo)致系統(tǒng)向無序化發(fā)展,生態(tài)環(huán)境惡化。
根據(jù)熵理論,系統(tǒng)總是自發(fā)向著熵增大的方向演化,是系統(tǒng)內(nèi)部不可逆因素產(chǎn)生的正熵,該熵增過程通常難以觀測和量化。因此,對開放復(fù)合系統(tǒng)的觀測中,前人研究將內(nèi)部正熵流和通過系統(tǒng)與外界能量交換產(chǎn)生的正熵流合并[11,15,17],將生態(tài)系統(tǒng)熵流計算公式定義為:
dS=dSp+dSn
式中,dS為系統(tǒng)總熵流;dSp為系統(tǒng)與外界能量交換產(chǎn)生的負熵流之和;dSn為系統(tǒng)與外界能量交換及系統(tǒng)內(nèi)部熵產(chǎn)生的正熵流之和。當dS>0時,表示生態(tài)系統(tǒng)正處于增熵環(huán)境,消極因素累積增多,生態(tài)系統(tǒng)正在朝著不健康的方向發(fā)展;當dS<0時,表示生態(tài)系統(tǒng)正處于減熵環(huán)境,積極因素累積增多,生態(tài)系統(tǒng)正在朝著健康的方向發(fā)展;當dS=0時,表示生態(tài)系統(tǒng)處于一種相對平衡狀態(tài)。
在空間尺度上,重點考慮旗艦種—大熊貓的保育因子和生態(tài)管理,簡化過程,構(gòu)建指標。由于轄區(qū)內(nèi)各個市縣在生態(tài)環(huán)境特征和社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)上存在差異,適合運用統(tǒng)一指標評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),將各市縣作為各個子系統(tǒng)獨立對待。公園內(nèi)部數(shù)據(jù)要求精度高、獲取困難,現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料難以滿足。為保證評價結(jié)果對公園管理的現(xiàn)實意義,文中市縣數(shù)據(jù)主要為公園范圍內(nèi)的數(shù)據(jù),僅森林覆蓋率、大熊貓食物供給(即竹林面積)為全縣數(shù)據(jù)。
土地利用類型變化是影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能最重要的因素[11,14,22,26]。不同土地利用類型不僅反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,而且與生態(tài)管理難度相關(guān)。本文以面積表示土地覆蓋屬性,面積大小與干擾強度或管理難度相關(guān),如城鎮(zhèn)村及工礦用地面積、耕地面積、集體林面積;或以數(shù)量表示區(qū)域環(huán)境影響強度,如礦點數(shù)量。同時考慮人口和第三產(chǎn)業(yè)對環(huán)境的影響,如人口數(shù)量和年游客數(shù)量。另外,氣候環(huán)境、旗艦種需求和管理難度,并不直接與生態(tài)服務(wù)特性相關(guān),但是氣候因子與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性相關(guān),是維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要保障;旗艦種的保護是降低區(qū)域生物多樣性下降風(fēng)險,也是保障生物多樣性管理績效的重要因子(如棲息地)[27];生態(tài)系統(tǒng)管理與生態(tài)保護領(lǐng)域投入力度、社區(qū)居民保護意識、管理單位保護績效相關(guān),是人類直接或間接干涉生態(tài)環(huán)境來影響生態(tài)環(huán)境服務(wù)的因素(如保護區(qū)數(shù)量)。因此根據(jù)指標特征,我們具體考慮該指標產(chǎn)生的熵流的正負。本文構(gòu)建指標體系相對全面,既考慮生態(tài)環(huán)境因素和社會經(jīng)濟因素,又考慮管理因素,對國家公園未來評價與管理具有參考價值。由此,參考城市生態(tài)系統(tǒng)[9,11,19]、海洋生態(tài)系統(tǒng)[12,17]、保護有效性指標[21-22]研究成果,提取關(guān)鍵因子,建立評價指標。十六個指標中,提供正熵流和負熵流的指標均為八個(表1)。系統(tǒng)中正負熵流的和作為系統(tǒng)生態(tài)管理績效評價值。因此,本文以大熊貓國家公園生態(tài)系統(tǒng)為中心,提取生態(tài)系統(tǒng)評價、生態(tài)管理難度相關(guān)因子,評價區(qū)域生態(tài)管理難度。
森林覆蓋率、大熊貓種群密度、大熊貓棲息地面積、大熊貓潛在棲息地面積、保護區(qū)數(shù)量、大熊貓食物供給、礦業(yè)影響、水利工程影響均來自《四川的大熊貓——四川省第四次大熊貓調(diào)查報告》[28],數(shù)據(jù)時間為2014年;國有土地面積、集體土地面積、城鎮(zhèn)影響、道路面積、耕地面積來自相關(guān)市縣國土局提供的土地利用現(xiàn)狀圖。年降雨量、人口數(shù)量和農(nóng)村居民人均收入來自各市縣2016年統(tǒng)計年鑒,數(shù)據(jù)資料主要來自萬方(http://www.wanfangdata.com.cn/index.html)、中國知網(wǎng)(http://www.cnki.net/)和讀秀數(shù)據(jù)庫(http://www.duxiu.com/)。
表1 生態(tài)系統(tǒng)管理評估體系指標Table 1 The indicators for quantitative evaluation of ecosystem management
續(xù)表
出于人類生存、發(fā)展需求的生態(tài)系統(tǒng)資源供應(yīng)將產(chǎn)生正熵流,為消極指標,如城鎮(zhèn)村及工礦用地,人為影響強烈且對周邊生境造成不利影響;維持自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的因子將產(chǎn)生負熵流,為積極指標,此處因子涉及旗艦種保護的基本環(huán)境因子和有利于國家公園生態(tài)管理的因素,如森林覆蓋率和大熊貓種群密度;系統(tǒng)調(diào)節(jié)因子,此類因子一般同時包括熵增和熵減過程,應(yīng)根據(jù)實際情況,定義熵流的正負;“+”代表正熵流,“-”代表負熵流
對于大熊貓公園管理轄區(qū)的生態(tài)系統(tǒng),系統(tǒng)信息熵計算如下:
(1)構(gòu)建n個區(qū)域(這里特指不同縣轄區(qū))m個指標的初始矩陣An×m;
(2)各指標之間數(shù)量級存在差異,故使用極差標準法對初始矩陣進行歸一化處理:
式中,aij表示初始矩陣中第i縣第j個指標值;aj,max表示大熊貓國家公園管理轄區(qū)內(nèi)第j個指標的最大值;aj,min表示大熊貓國家公園管理轄區(qū)內(nèi)第j個指標的最小值。
(3)第j個指標信息熵(Sj)的計算方法為:
(4)利用熵權(quán)確定指標權(quán)重,計算公式如下:
式中,m為指標數(shù),Sj為指標信息熵。
(5)系統(tǒng)熵流Ef的計算
根據(jù)指標的性質(zhì)將不同來源的熵流歸為正、負兩類,將指標熵值乘以對應(yīng)權(quán)重。在此基礎(chǔ)上,正熵流乘以1,負熵流乘以-1,所有正負熵流相加得到總熵流。
(6)指標熵流變異系數(shù),計算公式如下:
基于上文完整數(shù)據(jù)集,根據(jù)已建立的大熊貓國家公園生態(tài)管理評估體系,對19個縣的生態(tài)系統(tǒng)熵值和熵流進行分析。以上分析均基于Excel 2016、R3.4.2、OriginPro 2016進行。
大熊貓國家公園生態(tài)管理評價體系各縣市指標的熵流計算結(jié)果表明(表2、3),在產(chǎn)生正熵的指標中,水利水電設(shè)施數(shù)量產(chǎn)生總熵流最大,變異系數(shù)最小。水利水電設(shè)施數(shù)量與當?shù)剞r(nóng)業(yè)、工業(yè)發(fā)展相關(guān),也是對河流生態(tài)系統(tǒng)和周邊森林生態(tài)系統(tǒng)影響的重要指標。其次是人口數(shù)量和集體土地面積,具有較小變異系數(shù)。兩者共同反映城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)模、第一產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀。整體來說,大熊貓國家公園正熵流產(chǎn)生主要來自糧食種植、林下栽植等第一產(chǎn)業(yè)。大熊貓國家公園負熵流產(chǎn)生,主要來自旗艦種保護和區(qū)域保護績效。大熊貓種群密度產(chǎn)生總熵流最大,變異系數(shù)較小。大熊貓種群密度反映當?shù)厣迟|(zhì)量、生物多樣性、保護績效等信息,也是大熊貓國家公園的管理重點。其次是保護區(qū)數(shù)量和森林覆蓋率,具有較小變異系數(shù)。兩者共同反映保護績效,是生態(tài)保護政策在實際管理中的體現(xiàn)。
另外,潛在棲息地面積、年游客接待量、城鎮(zhèn)村及工礦用地面積具有較大變異系數(shù),在不同市縣間波動較大,可以采用針對性政策引導(dǎo)開展綜合管理。對生態(tài)管理影響最大的因子分別為大熊貓種群密度、保護區(qū)數(shù)量和森林覆蓋率,可見保證大熊貓國家公園野生熊貓種群、生態(tài)系統(tǒng)原真性,注重原有保護區(qū)管理模式轉(zhuǎn)變,能助于保持生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展。
圖1 十六個市縣農(nóng)民收入與生態(tài)系統(tǒng)管理的關(guān)系Fig.1 The relationship between rural residents′ income and entropy flow assessment for sixteen prefectures圖中點的數(shù)字:1.洪雅縣;2.汶川縣;3.茂縣;4.松潘縣;5.九寨溝縣;6.崇州市;7.大邑縣;8.彭州市;9.都江堰市;10.天全縣;11.寶興縣;12.蘆山縣;13.滎經(jīng)縣;14.平武縣;15.安州區(qū);16.北川市;17.綿竹市;18.什邡市;19.青川縣
同一地區(qū)不同指標熵流相加得到該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)熵流值(表2、4)。其中,總熵流值最高為寶興縣,影響最大指標為大熊貓食物供給(影響最大的負熵流指標為大熊貓食物供給,正熵流指標為耕地面積);最低為九寨溝縣,影響最大指標為保護區(qū)數(shù)量(影響最大的負熵流指標為保護區(qū)數(shù)量,正熵流指標為道路面積)。此外,7個市(州)的總熵流值均為負,其中阿壩藏族羌族自治州對大熊貓國家公園總熵流影響最大,雅安市影響最小。
將19個市縣的總熵流相加,得到大熊貓國家公園總熵流為-0.8309,整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能向良性發(fā)展。對整體總熵流影響最大的指標為大熊貓種群密度(4/19,在19個市縣中有5個為影響最大的指標)和保護區(qū)個數(shù)(4/19),其中在負熵流中影響最大的指標為保護區(qū)個數(shù)(5/19)和年降雨量(5/19),正熵流則為水利工程影響(4/19)。
由于大熊貓國家公園主要覆蓋市縣以山區(qū)農(nóng)村人口居多,未來社區(qū)參與、生態(tài)補償?shù)日咧贫☉?yīng)當關(guān)注當?shù)孛裆l(fā)展問題。由此,我們選取農(nóng)村居民人均收入為參考因子,以全國農(nóng)村居民人均收入(12363元,2016年)為基準進行參考,結(jié)果顯示(圖1):在總熵流為正熵的區(qū)域中,僅有5個縣,其中大邑縣、綿竹縣農(nóng)村居民收入高于全國平均,而寶興縣、茂縣和平武縣農(nóng)村居民收入不及全國平均;在總熵流為負熵的區(qū)域中,八個縣農(nóng)村居民收入較低,僅六個縣的生態(tài)管理成效較為理想。
本文貼近國家公園建設(shè)熱點,嘗試采用熵理論對大熊貓國家公園的生態(tài)系統(tǒng)管理開展定量研究。由于當前對生態(tài)系統(tǒng)認識的局限性,尤其對保護地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部功能認識不足,生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)和各組分之間關(guān)系復(fù)雜,僅有少數(shù)指標能具有明確指向性,故本評價體系存在不足。相比前人研究,本研究采用客觀的量化手段評估空間尺度上生態(tài)系統(tǒng)管理績效的差異,降低主觀因素干擾,同時結(jié)合管理熱點和區(qū)域發(fā)展的主要矛盾,對大熊貓國家公園管理提供理論參考。
表2 生態(tài)系統(tǒng)管理評價體系中不同市縣各指標的熵流Table 2 Entropy flow for each indicator among different prefectures on assessment indicator system for ecosystem service function
表3 生態(tài)系統(tǒng)管理指標的熵流Table 3 Entropy flow from ecosystem management for each indicator
表4 不同市縣的生態(tài)系統(tǒng)管理熵流值Table 4 Entropy flow for ecosystem management on each prefectures
本文采用數(shù)據(jù)主要來自統(tǒng)計年鑒和第三方開源數(shù)據(jù)庫,結(jié)合現(xiàn)有大熊貓國家公園邊界對數(shù)據(jù)進行提取、篩選和校對,精度較高,但是計算結(jié)果仍難以進行空間展示,管理者無法直觀獲取空間上管理重點。未來可通過3S技術(shù),以空間數(shù)據(jù)為客觀數(shù)據(jù)來源,結(jié)合社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫構(gòu)建,空間區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),為提升保護績效提供有力支持。另外,生態(tài)系統(tǒng)是一個非平衡的動態(tài)系統(tǒng),未來研究應(yīng)當延長時間尺度,構(gòu)建長時間尺度數(shù)據(jù)集,并基于時間序列等分析手段,揭示生態(tài)系統(tǒng)管理績效的時間變化區(qū)域,進一步形成大熊貓國家公園生態(tài)系統(tǒng)時空監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),為我國未來國家公園科學(xué)管理提供有力支持。
根據(jù)本文結(jié)果,研究認為未來大熊貓國家公園管理應(yīng)當著重以下幾點:
(1)不同區(qū)域管理應(yīng)當根據(jù)區(qū)域特點差異化對待,如寶興縣未來重點關(guān)注竹林撫育和耕地管理,九寨溝縣則注重原有保護地的管理和加強道路周邊的環(huán)保措施。此外也有相同管理要求,例如注重原有保護區(qū)管理轉(zhuǎn)型,提高保護績效;關(guān)注森林撫育和水利水電措施監(jiān)管,保證區(qū)域水循環(huán)的生態(tài)服務(wù)功能等等。
(2)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理應(yīng)當與地方社會經(jīng)濟建設(shè)和諧發(fā)展。對生態(tài)環(huán)境一般、經(jīng)濟效益好的大邑縣、綿竹縣,傾向于加大生態(tài)保護投入力度,與國家公園生態(tài)保護理念不符的相關(guān)產(chǎn)業(yè)需關(guān)停或遷移;對于生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟收入都偏低的寶興縣、茂縣和平武縣,則應(yīng)當在保證生態(tài)保護力度不變的同時,重點考慮當?shù)厣鐓^(qū)發(fā)展,鼓勵當?shù)鼐用駷楣珗@內(nèi)自然觀光、科研、教育、生態(tài)旅游等活動提供后勤保障類服務(wù),提高社區(qū)居民收入水平。對于發(fā)展落后卻保護成效較好的市縣(圖1中總熵流為負熵的區(qū)域),可考慮通過政策傾斜,促進社區(qū)參與、社區(qū)共管、生態(tài)保護補償機制的建立,實現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展。同時,可以考慮將處于第二象限的6個縣打造為管理示范區(qū),作為大熊貓國家公園在試點期間的宣傳和示范窗口,對示范區(qū)域的管理經(jīng)驗進行推廣,為未來有效管理提供基礎(chǔ)。
(3)后續(xù)研究可以將本研究方法進行簡化和推廣,不僅可以應(yīng)用于大熊貓國家公園生態(tài)管理成效的績效評估,為后續(xù)生態(tài)管理方案提供理論指導(dǎo),也可以嘗試在其他國家公園或者保護地開展評價。
大熊貓國家公園生態(tài)系統(tǒng)總熵流值為-0.8309,系統(tǒng)整體健康。但不同區(qū)域間總熵流存在差異,寶興縣總熵流最高,達到0.0880;九寨溝縣最低,為-0.1826。不同指標間總熵流也存在較大差異,正熵流主要受第一產(chǎn)業(yè)影響;負熵流的產(chǎn)生主要來自旗艦種保護和區(qū)域保護績效。綜合野生大熊貓種群、農(nóng)村居民收入與總熵流評價結(jié)果,我們認為試點期內(nèi)大熊貓國家公園管理可以考慮選取示范點,提煉管理經(jīng)驗;在生態(tài)管理熱點區(qū)域,如平武縣、寶興縣,優(yōu)先推廣。同時針對不同區(qū)域考慮社區(qū)發(fā)展與生態(tài)保護的統(tǒng)籌兼顧。