海南省國家級海洋自然保護區2016—2020年人類活動影響遙感監測與評價

殷亞秋, 王敬, 楊金中, 朱曉華,王立威, 邢宇, 李天祺, 余洋

(1.自然資源部國土整治中心,北京 100035; 2.自然資源部土地科技創新中心,北京 100035; 3.自然資源部土地工程技術創新中心,北京 100035; 4.自然資源部土地整治重點實驗室,北京 100035; 5.自然資源部土地整治重點實驗室,北京 100035; 6.中國自然資源航空物探遙感中心,北京 100083; 7.中國地質環境監測院,北京 100081; 8.自然資源部礦山生態效應與系統修復重點實驗室,北京 100081)

0 引言

海南省位于中國最南端,是中國最大的“熱帶寶地”,全省陸地(不包括南海島礁)總面積3.39萬km2,海域面積約200萬km2。海南省植物繁多,植被生長快,是熱帶雨林、熱帶季雨林的原生地,陸生和海洋動物種類眾多[1]。海南省內現有國家級自然保護區10個,其中,國家級海洋自然保護區4個,包括東寨港自然保護區、銅鼓嶺自然保護區、三亞珊瑚礁自然保護區和大洲島自然保護區; 均在1980—1990年間設立,為保護沿海紅樹林生態系統、熱帶季雨矮林生態系統、海島海洋生態系統、野生動物、珊瑚礁及底棲生物等發揮了重要作用[2-3]。自然保護區能為人類提供生態系統的天然本底,是各種生態系統及生物物種的天然儲存庫,為生態學研究提供了良好的條件,對維持生態平衡具有重要意義; 國家級的自然保護區則是在國內外有典型意義、在科學上有重大國際影響或者有特殊科學研究價值的自然保護區,是推進生態文明、構建國家生態安全屏障、建設美麗中國的重要載體。加強自然保護區的管理和維護,對促進生態環境保護與發展有著重要意義[4]。

通過對自然保護區進行動態監測,可以掌握自然保護區內各自然資源的變化以及人類活動對保護區的干擾情況。目前,遙感技術以其長時間、大范圍、多時相覆蓋的優勢已成為地表資源監測的重要手段,利用遙感技術可以快速獲取地表資源的面積和分布信息,以及地表覆蓋類型的變化情況和人類活動信息[5-6]。張明莎等[7]以多期Landsat和高分辨率衛星影像為數據源,提取了轎子山自然保護區1992年、2000年和2018年的人為活動信息,利用土地利用類型轉移矩陣和人為活動干擾指數,分析了人為活動時空變化格局?？酌返萚8]基于2018年高分遙感影像數據,提取了山東省省級自然保護區人類土地利用活動信息,探討了人類活動對山東省省級自然保護區的影響。何柏華等[9]利用雷達和光學遙感數據獲取了廣西林業自然保護區及其500 m影響區范圍內的人類活動變化圖斑,建立遙感監測與地面監測相結合的自然保護區生態與資源監測體系。

本文基于2016—2020年海南省國產高空間分辨率遙感,通過數據預處理、分類體系建立、人機交互解譯等,獲得東寨港、銅鼓嶺、三亞珊瑚礁和大洲島4個國家級海洋自然保護區的自然因子和人工因子轉變信息; 以提取的變化信息為基礎,收集自然保護區的背景資料,選擇地形(坡度、坡向、高程)、氣象(降雨量)、用地類型變化(自然因子轉變為居民點、交通設施、旅游設施、養殖場及附屬設施、其他建設用地、農業用地、裸地)等11個評價因子,建立保護區人類活動影響評價指標體系; 采用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)建立保護區人類活動影響評價模型,對4個國家級自然保護區進行分析評價,從而得出結論,旨在為海南省國家級海洋自然保護區的治理和保護提供科學依據。

1 研究區概況

4個國家級海洋自然保護區在海南島上的分布如圖1所示。東寨港國家級自然保護區位于海南省的東北部的?？谑忻捞m區,與文昌市的羅豆農場和?？谑械娜r場、三江鎮、演豐鎮交界,保護區面積3 337.6 hm2,是以保護紅樹林濕地為主的北熱帶邊緣河口港灣和海岸灘涂生態系統及越冬鳥類棲息地的重要自然保護區。保護區海岸線曲折多灣,灘面緩平,微成階梯狀,屬于熱帶海洋性季風氣候,年均降雨量約1 700 mm。截至2017年底,遙感調查數據顯示,保護區有海岸帶資源1 808.42 hm2,占保護區總面積的45.95%; 林地資源1508.54 hm2,占38.33%,其中紅樹林1 362.69 hm2,是我國目前面積最大的沿海灘涂森林; 有地表水資源542.95 hm2,耕地資源33.40 hm2,草地資源22.79 hm2,建設用地7.37 hm2[10]。保護區內北港島上的北港村常住人口700多人,保護區面臨著生態保護與村莊和諧發展的問題。人類活動對保護區的影響主要表現在水產養殖、過度捕撈、生活污水排放造成的污染和破壞等[11-12]。

圖1 海南島國家級海洋自然保護區分布圖

銅鼓嶺國家級自然保護區位于海南島北部的文昌市龍樓鎮,是包含海域、陸域不同生態系統的綜合型自然保護區,保護區面積3 623.67 hm2。保護對象為熱帶常綠季雨矮林生態系統、野生動物、海蝕地貌、珊瑚礁及其底棲生物。保護區處于海陸交界地帶,位于瓊東北沖積—海相堆積階地平原上,保護區內有海南島東北部的最高峰,海拔約338 m。保護區屬熱帶海洋性季風氣候,年均降雨量約1 700 mm。截至2017年底,遙感調查數據顯示,保護區自然資源類型主要為海岸帶資源和林地資源,其中,海岸帶資源2 842.47 hm2,占保護區總面積的78.44%; 林地資源673.92 hm2,占保護區總面積的18.6%; 還有建設用地25.91 hm2,地表水資源22.98 hm2,耕地資源0.9 hm2,草地資源0.33 hm2[12]。保護區內旅游商業開發有向核心區發展的趨勢,旅游發展對保護的壓力逐漸增大,周邊社區人口多,居民海水養殖活動對保護區海域環境造成威脅[13]。

三亞珊瑚礁國家級自然保護區位于海南省三亞市南部近岸及海島四周海域,沿東向西由亞龍灣片區、鹿回頭半島—榆林角片區和東、西瑁洲片區3部分組成,面積4 617.57 hm2,保護區主要保護對象為造礁珊瑚、非造礁珊瑚、珊瑚礁及其生態系統和生物多樣性。保護區東、西部屬于典型的海島地貌,中部的岬角、海灣較多,為半島陸域地貌,屬于熱帶海洋性季風氣候,年均降雨量1 300 mm。截至2017年底,遙感調查數據顯示,保護區內面積最大的自然資源是海岸帶,為4 617.57 hm2,占保護區總面積的79.11%; 另外,建設用地672.93 hm2,林地資源629.06 hm2,地表水資源10.58 hm2[12]。近年來,鹿回頭半島—榆林角片區旅游地產開發非常興盛,填海行為改變了海岸線,對海陸生態平衡造成了威脅[12]。鹿回頭半島—榆林角、西瑁洲上均有原著居民生活,自然保護區和原著居民之間的矛盾也是發展面臨的問題之一。

大洲島國家級自然保護區位于海南島東部沿海萬寧縣境內,由南嶺、北嶺2個島嶼構成,主要保護對象是金絲燕、海島海洋生態系統、珊瑚礁,面積為1 216 hm2。南嶺地勢較高,海拔289 m,北嶺海拔136 m,地勢較為平坦。保護區屬于熱帶海洋性季風,年均降雨量約2 100 mm,保護區內的自然資源主要為海岸帶資源和林地資源,其中海岸帶787.51 hm2,占保護區總面積的64.76%; 林地資源428.5 hm2,占保護區總面積的35.24%[12]。保護區與萬寧市烏場港隔海相望,島上沒有固定居民,只有漁民臨時搭建的房子,受人類活動擾動較小。

4個國家級自然保護區近幾年的研究主要集中在重點保護動植物、海洋水質、保護區發展和管理等方面,而評價人類活動對保護區的影響研究較少。保護區地表覆蓋類型隨時間的變化一方面源于自然演變,另一方面來自人類干擾,最直接的反映就是人工與自然因子之間的轉變,因此通過遙感技術獲取保護區的變化信息,從地類變化角度來對人類活動影響進行評價,可為保護區監管提供較為客觀的基礎數據。

2 數據源及技術流程

本文使用2016—2021年全國土地變更遙感調查數據,并對空間分辨率低于2.5 m的區域,利用當年獲取的高分一號、高分二號、資源三號等國產衛星數據進行替換和補充。收集了保護區規劃、自然資源調查等資料和地形、氣象等數據。技術流程主要包括遙感影像預處理、建立分類體系和解譯標志、信息提取、野外驗證、人類活動影響評價5個部分,具體流程如圖2所示。

圖2 技術路線圖

3 分類體系建立

通過對遙感數據進行輻射校正、幾何糾正、影像融合等預處理,獲得研究區域的真彩色遙感影像。在收集的自然保護區規劃、自然資源本底調查數據等資料的基礎上,結合野外踏勘建立分類體系和解譯標志。為分析人類活動對自然保護區內土地覆蓋的影響,根據4個自然保護區內土地覆蓋類型及其屬性,將獲取的變化圖斑分為人工因子和自然因子2類,建立分類體系(表1)。其中,人工因子包括耕地、園地、房屋、道路、其他建筑物、人工濕地、裸地等; 自然因子包括林地、草地、天然濕地(不包含地表水)、地表水等。

表1 自然保護區地表覆蓋變化分類體系

4 遙感變化信息提取

借助ArcGIS軟件平臺,通過人機交互對比同一區域不同時相的遙感數據,解譯獲取2016—2020年自然保護區內的變化圖斑; 按照建立的分類體系和解譯標志,對變化圖斑進行判識。本文所提取的變化信息主要為人工因子與自然因子之間的轉化,其中大洲島自然保護區為獨立的島嶼。島上土地覆蓋類型以林地為主,保護區在2016—2020年間未發現土地覆蓋變化。

4.1 東寨港國家級自然保護區

東寨港自然保護區在2016—2020年內,受人類活動影響產生的主要變化為房屋、道路等人工建筑侵占林地、草地、天然濕地(不包含地表水)、地表水等自然因子,具體變化統計信息如表2所示。

表2 東寨港自然保護區2016—2020年地表覆蓋變化

從表2可以看出,2016—2017年,變化均為自然因子轉變為人工因子,共計49 931.14 m2。2017—2018年,變化主要為自然因子轉變為人工因子,共計19 114.64 m2,其中林地轉變為建筑物面積最大,占比80%; 人工因子轉變為自然因子面積僅604 m2,均為建筑物轉變為林地。2018—2019年,變化均為自然因子轉變為人工因子,共計1 623.31m2,均為林地轉變為房屋。2019—2020年,變化均為自然因子轉變為人工因子,共計4 804.22 m2,主要為林地轉變為裸地。

從自然因子與人工因子的轉變情況看,2016—2020年間,人類活動對東寨港自然保護區的影響主要為建設活動侵占林地,也有少部分建設占用區域被恢復為了林地,總體來說人類活動對自然保護區擾動較大,但有擾動逐漸減小的趨勢。

4.2 銅鼓嶺國家級自然保護區

銅鼓嶺國家自然保護區在2016—2020年內,受人類活動影響產生的主要變化為房屋、道路等人工建筑物恢復為了林地、草地、地表水等自然因子,具體變化統計信息如表3所示。

表3 銅鼓嶺自然保護區2016到2020年地表覆蓋變化

從表3可以看出,2016—2017年,變化主要為自然因子轉變為人工因子,共計73 561.25 m2,均為林地轉為道路。人工因子轉變為自然因子面積較小,為10 694.25 m2,主要為道路等建筑物轉變為林地和草地。2017—2018年,變化均為自然因子轉變為人工因子,共計9 696.72 m2,主要為林地轉變為建筑物。2018—2019年,變化主要為人工因子轉變為自然因子,共計95 480.98 m2,主要為房屋等建筑物轉變為林地、地表水和天然濕地(不含地表水); 而自然因子轉變為人工因子較少,為1 970.14 m2,主要為林地轉變為建筑物和裸地。2019—2020年,變化主要為自然因子轉變為人工因子,面積共計5 622.56 m2,主要為林地轉變為道路等建筑物; 人工因子轉變為自然因子面積較少,為732.44 m2,均為其他建筑物轉變為林地。

從自然因子與人工因子的轉變情況看,2016—2020年間,人類活動對銅鼓嶺自然保護區的影響主要為建設活動侵占林地,但同時更多建設占用區域恢復為了林地和草地,總體來說保護區內雖然有人類活動擾動,但整體保護較好。

4.3 三亞珊瑚礁國家級自然保護區

三亞珊瑚礁自然保護區在2016—2020年內,受人類活動影響產生的主要變化為房屋、道路等人工建筑侵占林地、地表水等自然因子,具體變化統計信息如表4所示。

表4 三亞珊瑚礁自然保護區2016—2020年地表覆蓋變化

從表4可以看出,2016—2017年,變化主要為自然因子轉變為人工因子,共計343 997.14 m2,主要為林地轉變為建筑物; 而人工因子轉變為自然因子面積較小,為9 756.16 m2,主要為人工濕地轉變為地表水。2017—2018年,變化主要為自然因子轉變為人工因子,共計83 844.36 m2,主要為林地轉變為建筑物; 而人工因子轉變為自然因子面積較小,共計42 896.94 m2,主要為建筑物轉變為草地。2018—2019年,變化主要為自然因子轉變為人工因子,共計52 057.39 m2,主要為林地轉變為建筑物和裸地; 而人工因子轉變為自然因子面積較小,為36 340.90 m2,主要為裸地轉變為林地。2019—2020年,變化均為自然因子轉變為人工因子,共計42 612.82 m2,主要為林地、草地轉變為了房屋、道路等建筑物和裸地。

從自然因子與人工因子的轉變情況看,2016—2020年間,人類活動對三亞珊瑚礁自然保護區的影響主要為建設活動侵占林地、草地和濕地,雖然也有部分建設占用區域被恢復為了植被和地表水,但總體來說人類活動擾動強烈,但有逐年減少的趨勢。

5 人類活動影響評價

5.1 人類活動影響評價體系建立

本文以人類活動對自然保護區內地表覆蓋變化的影響為主,兼顧保護區的地形、氣候等背景條件?；谶b感解譯獲取的2016—2020年間自然因子轉變為人工因子的變化信息,以及收集的自然保護區坡度、坡向、高程、降雨量等數據,采用層次分析法建立評價指標體系[14-16],分別對東寨港、銅鼓嶺、三亞珊瑚礁3個國家級自然保護區的人類活動影響進行評價分析,將結果劃分為嚴重影響區域、中度影響區域、輕度影響區域和無影響區域4類。

人類活動對自然保護區的影響程度主要與人類活動特征和自然保護區生態敏感性等因素有關[17-18]。不同特征的人類活動直接導致了地表覆蓋類型由自然因子轉變為不同的人工因子,因而可利用轉變為的人工因子類型進行區分。而生態敏感性則反映了區域生態環境水平與生態系統的恢復能力,受區域內地形、氣候、地表覆蓋等各種因素影響,生態敏感性較強則易受人類活動影響,而敏感性較弱則不易受人類活動影響。綜合各方面因素,本文選取11個評價因子建立評價指標體系(表5),主要包括地形因素(坡度、坡向和高程)、氣候因素(降雨量)、用地類型(人類活動造成的自然因子轉變為人工因子的7種類型)。通過建立層次結構模型、構造判斷矩陣、層次單排序及其一致性檢驗、層次總排序及其一致性檢驗,確定各個因子的權重[19-20]。按照上述4個等級對評價因子進行分級,由于3個國家級自然保護區地形條件各有不同,根據實際情況對坡度、高程因子建立不同分級標準; 其他因子由于具有較好一致性,采用統一的分級標準。

表5 人類活動影響評價指標體系

按照人類活動造成的地表覆蓋變化對周圍環境的影響程度不同,將遙感解譯獲取的2016—2020年間自然因子轉變為人工因子的變化信息分為居民點、交通設施、旅游設施、養殖場及附屬設施、農業設施、其他建設用地和裸地7大類別。采用ALOS衛星PALSAR合成孔徑雷達傳感器獲取分辨率為12.5 m的DEM數據產品,獲取保護區的坡度、坡向、高程信息。采用100 m×100 m的正方形網格作為評價單元,對東寨港、銅鼓嶺和三亞珊瑚礁國家級自然保護區進行分格處理,每個單元格內信息具有一致性。

5.2 結果分析

東寨港、銅鼓嶺和三亞珊瑚礁自然保護區人類活動影響評價如圖3—5所示。從評價結果來看,在2016—2020年間,東寨港自然保護區內人類活動的嚴重影響區、中度影響區和輕度影響區分別占保護區總面積的0.05%,0.23%和0.8%。其中,人類活動嚴重影響區主要位于保護區北部的北港島,島嶼北部分布有成片居民點,人類活動影響主要為村莊新建房屋、道路造成林地的損毀。此外,還有部分村莊周邊新建房屋侵占林地零星分布于保護區邊緣區域,均為村莊內房屋和道路擴張造成的林地損毀(圖3)。

圖3 東寨港自然保護區人類活動影響評價

銅鼓嶺自然保護區內人類活動的嚴重影響區、中度影響區和輕度影響區分別占保護區總面積的0.11%,0.38%和0.74%。其中,人類活動影響嚴重的地方主要位于海南的最東角——保護區東部的石頭公園,人類活動影響主要為景區內新修旅游設施造成了林地損毀。保護區北部銅鼓嶺景區內分布有中度和輕度影響區,人類活動影響主要為景區內新建交通和旅游設施造成林地損毀。保護區西部邊緣地帶的淇水灣沿岸分布有輕度影響區,主要為沿岸房地產開發對林地造成的擾動(圖4)。

圖4 銅鼓嶺自然保護區人類活動影響評價

三亞珊瑚礁自然保護區內人類活動的嚴重影響區、中度影響區、輕度影響區分別占保護區總面積的0.14%,0.48%和2%。自然保護區內東部亞龍灣片區均為無影響區(圖中不再顯示),西部的西瑁洲片區分布有部分輕度影響區,人類活動影響主要為島北部居民區內建設造成的林地損毀,中部的鹿回頭半島—榆林角片區人類活動影響劇烈,主要為鹿回頭半島內旺盛的旅游地產開發導致的林地損毀,嚴重影響區集中分布于建設開發區域的周邊(圖5)。

圖5 三亞珊瑚礁自然保護區人類活動影響評價

6 結論

本文以海南省東寨港、銅鼓嶺、三亞珊瑚礁、大洲島國家級海洋自然保護區為研究對象,采用遙感技術獲取了保護區2016—2020年間人工與自然因子轉變信息,選擇地形、氣候、用地類型變化有關的11個評價因子建立人類活動影響評價體系進行分析評價,并對今后開展進一步工作進行展望,對海南省國家級海洋自然保護區治理和保護提出建議。

1)東寨港自然保護區。2016—2020年間,受人類活動影響建設活動侵占了大量林地、部分草地、少量濕地等自然因子,也有少部分建設占用被恢復為了林地,總體來說人類活動對自然保護區擾動較大,但有逐漸減少的趨勢。綜合2016—2017年地表覆蓋變化數據,人類活動的嚴重影響區、中度影響區、輕度影響區分別占保護區總面積的0.05%,0.23%和0.8%,嚴重影響區主要位于保護區北部的北港島,主要為村莊新建房屋、道路造成林地的損毀。此外,還有部分村莊周邊新建房屋侵占林地零星分布于保護區邊緣區域,均為村莊內房屋和道路擴張造成的林地損毀。

2)銅鼓嶺自然保護區。2016—2020年間,人類活動對銅鼓嶺自然保護區的影響主要為建設活動侵占林地,但同時更多建設占用被恢復為了林地和草地,總體來說保護區內雖然有人類活動擾動,但整體保護較好。綜合2016—2017年地表覆蓋變化數據,人類活動的嚴重影響區、中度影響區、輕度影響區分別占保護區總面積的0.11%,0.38%和0.74%,嚴重影響區主要位于石頭公園景區內,中度影響區位于北部銅鼓嶺景區內,影響主要為景區旅游、交通設施建設造成林地損毀,部分輕度影響區位于西部淇水灣沿岸,主要為房地產開發造成林地損毀。

3)三亞珊瑚礁自然保護區。2016—2020年間,人類活動對三亞珊瑚礁自然保護區的影響主要為建設活動侵占大量林地、草地和濕地,也有部分建設占用區域被恢復為了林草和地表水,總體來說人類活動擾動強烈,但有逐年減少的趨勢。綜合2016—2017年地表覆蓋變化數據,人類活動的嚴重影響區、中度影響區、輕度影響區分別占保護區總面積的0.14%,0.48%和2%,中部的鹿回頭半島—榆林角片區人類活動影響劇烈,主要為鹿回頭半島內旺盛的旅游地產開發導致的林地損毀,部分輕度影響區位于西瑁洲片區,主要為島嶼北部居民區內建設造成的林地損毀。

4)大洲島自然保護區。2016—2020年間,未發現有地表覆蓋變化?；谌祟惢顒佑绊懺u價結果,下一步將重點開展受損和退化的生態系統保護和修復方法研究。建議海南省相關部門加強對自然保護區的治理和保護,一是加大對保護區內原住居民的生態補償力度,加強教育和宣傳; 二是加強對保護區的監督管理,完善相關制度體系,加大對違法行為的查處力度; 三是著力發展高質量生態旅游業,并帶動其他生態產業全面發展,實現綠水青山轉變為金山銀山; 四是加大對退化生態系統的保護和修復,尊重自然生態系統的整體性、完整性及其內在規律,采用基于自然的解決方案對受損和退化生態系統進行整體保護、系統修復和綜合治理,提高生態系統的多樣性、穩定性和持續性,促進人與自然和諧共生。