基于RS和GIS的河南国家级自然保护区人类活动与地貌特征研究

王娟，王志红，初娜，张建国，李斯，刘碧虹

（有色金属矿产地质调查中心，北京 100012）

0 引言

自然保护区是人类为保护有代表性的自然生态系统、珍稀濒危野生动植物、有特殊意义的自然遗迹等保护对象，经各级人民政府依法批准的具有特殊保护价值的自然区域。自然保护区是我国自然保护地体系的基础，是生物多样性保护的核心区域，也是世界各国保护栖息地内的生物多样性最直接、最有效的措施之一，还是生态文明建设、维护区域生态安全的有效措施（张明莎等，2020）。截至2018年，我国已建立各类保护区2750多个，保护了我国超过90%的陆地自然生态系统，约89%的国家重点保护野生动植物种类，以及大多数重要自然遗迹。随着我国经济快速发展和人口城镇化的不断增长，自然保护区面临的影响与威胁逐渐增多，矿产资源开采、能源开发建设、道路修建、旅游开发及其他工程建设已对自然保护区的生态环境造成负面影响，快速的人类活动使得保护区内的物种有效栖息地不断被侵占和蚕食，对保护区内的物种和生态系统造成极大威胁，影响了保护区的健康发展，部分保护区已遭到人类违法活动的破坏（权佳等，2010；曹巍等，2019；刘晓曼等，2020）。

地貌是自然环境最基本的组成要素之一，它是研究地球表层形态、成因、分布的重要基础，地貌形态在不同空间尺度上，影响着水、热、光照、植被、地质灾害等的分布与发展，同时制约着工农业、水利、交通与城市建设、人口分布等，因此，对地貌的研究十分关键（丁贤法，2014；靳川平等，2019）。现有许多学者已开展了地貌与环境、土地利用、地质、灾害、气候等方面的研究（夏正楷，1990；施雅风和李吉均，1999；杨洋和毕如田，2011；方琼和段中满，2012；明庆忠，2016）。人类活动是导致土地利用类型发生变化的主要影响因子，也是影响生物多样性和生态系统服务的重要因素（曹巍等，2019）。人类活动识别的精度与遥感影像的空间分辨率呈正相关，空间分辨率低的遥感数据很难识别细微的人类活动，随着高分二号卫星的发射，我国的遥感监测技术已进入“亚米级”高分辨率时代，现已有学者利用国产高分辨率遥感影像开展自然保护区人类活动遥感监测研究（宋拥军等，2020；何柏华等，2020）。

本文在“新增矿山恢复治理遥感调查”、“全国矿山环境恢复治理状况遥感地质调查与监测”和“全国矿山开发状况遥感地质调查与监测”等中国地质调查局公益项目提供的国产高分辨率遥感数据及其它资料的基础上，结合数字高程模型（DEM），在GIS技术平台上研究河南国家自然保护区人类活动分布格局特征及变化时空特点，分析人类活动与地形地貌相互作用的关系，发现保护区存在问题，为当地自然保护区的建设和发展、监督和管理提供有针对性的建议。

1 研究区概况

河南位于中国中东部、黄河中下游，呈西高东低地势。截至2016年底，该省共设置国家级自然保护区13个，总面积4578.68 km2，主要分布在太行山、伏牛山、大别山和桐柏山等四大山系，以及黄河、淮河和长江干支流区域，按类型划为森林生态系统类型7个（高乐山、小秦岭、宝天曼、鸡公山、连康山、伏牛山、河南大别山）、内陆湿地类型3个（河南黄河湿地、新乡黄河湿地鸟类、丹江湿地）、野生动物类型2个（太行山猕猴、董寨鸟类）和古生物遗迹类型1个（南阳恐龙蛋化石群）。这些自然保护区，有效保护了河南75%的国家一、二级重点保护野生动植物物种和80%的典型生态系统。

2 数据与方法

2.1 数据源

河南国家级自然保护区矢量、国产高分辨率遥感数据均来源于中国地质调查局矿山监测项目，DEM数据来源于地理空间数据云网站（http://www.gscloud.cn）。

保护区矢量包含保护区边界、名称、类型、保护对象、始建年份等信息。

遥感数据选取覆盖13个国家级自然保护区的空间分辨率分别为0.5 m、1 m、2 m的国产高分辨率卫星影像共177景，影像云覆盖率小于5%，影像质量良好，其中以空间分辨率为2 m的高分一号卫星影像为主，同时补充其它类型的影像（表1），遥感影像统一采用1980西安坐标系、高斯－克吕格投影。

表1 2016—2018年保护区遥感数据信息

DEM数据为ASTER GDEM 30M分辨率数字高程数据，用于提取保护区的海拔、地形起伏度、坡度等地貌信息。

2.2 研究方法

（1）人类活动信息提取

利用2016—2018 年国产高分遥感数据，在ArcGIS10.1平台上，采用人机相结合的方法提取各年度人类活动及其变化情况，将保护区的人类活动划分为农业用地、园地、淡水养殖场、水域用地、居民用地、采矿用地、交通运输用地、其他建设用地和人工恢复治理等9大类。

（2）地形因子提取

地形因子是最基本的地理要素,是有效的研究与表达地貌形态特征所设定的具有一定意义的参数或指标，地形因子分为宏观和微观两类，宏观因子在区域范围内表征地貌特征，微观因子则侧重于地面具体点位的特征（张坤等，2020）。本文选择2个宏观因子（高程、地形起伏度）和1个微观因子（坡度）。

我国地形的高程分为 4 级：低海拔（<1000 m）、中海拔（1000～3500 m）、高海拔（3500～5000 m）、极高海拔（>5000 m）。利用ASTER DEM（30 m）数据，在ArcGIS10.1模块中依据我国地形高程划分级别，划分保护区的高程。

我国地形起伏度划分为平原（<30 m）、台地（30～75 m）、丘陵（75～200 m）、小起伏山地（200～500 m）、中起伏山地（500～1000 m）、大起伏山地（1000～2500 m）、极大起伏山地（>2500 m）等7种类型。利用ASTER GDEM（30 m）数据，在ArcGIS10.1的空间分析中的块统计功能中采用邻域范围15×15矩形分析窗口计算保护区的起伏度。

依据国际地理学联合会地貌调查与地貌制图委员会关于地貌详图应用的坡地分类标准，将坡度划分为平原（0°～2°）、缓斜坡（2°～5°）、斜坡（5°～15°）、陡坡（15°～25°）、急坡（25°～35°）、急陡坡（35°～55°）、垂直坡（55°～90°）等7个等级。利用ASTER GDEM（30 m）数据在ArcGIS10.1的表面分析中计算保护区的坡度。

3 结果与分析

3.1 保护区地貌

3.1.1 保护区地貌概况

河南国家级自然保护区最低海拔65 m，最高海拔2383 m，地表起伏度从0～860 m之间，依据高程、地表起伏度将保护区划分为9种基本地貌类型（表2）。

表2 保护区各地貌类型面积及比例

保护区有96.66%的面积位于低海拔区域，有3.34%的面积位于中海拔区域，低海拔台地、丘陵和小起伏山地为主要地貌类型，其次为低海拔平原、中海拔丘陵、小起伏山地等类型，所占比例较低，中海拔台地、低海拔中起伏山地、中海拔中起伏山地等地貌呈零星分布。

保护区坡度位于0°～76.61°之间，将保护区划分为平原、缓斜坡、斜坡、陡坡、急坡、急陡坡、垂直坡等7个等级，其中，坡度15°以下的区域面积占总面积的66.93%，55°以上的区域面积仅占总面积的0.05%，保护区坡度主要为陡坡以下的坡度（表3）。

表3 保护区各坡度等级面积所占比例

3.1.2 保护区类型与地貌关系

河南国家级自然保护区划分为森林生态、内陆湿地、野生动物和古生物遗迹等4种类型，森林生态类型的保护区涵盖了8种地貌类型，主要为低海拔小起伏山地和丘陵；内陆湿地和古生物遗迹类型的保护区涵盖了4种地貌类型，主要为低海拔的平原、台地和丘陵；野生动物类型的保护区涵盖了9种地貌类型，主要为低海拔的丘陵和小起伏山地（表4）。

表4 保护区各地貌类型面积/km2

保护区坡度级别也呈差异化，如森林生态类型的坡度类型无垂直坡，主要为陡坡、斜坡和急坡；内陆湿地类型的坡度主要为平原，其次为缓斜坡；野生动物类型的坡度类型较全，主要为缓斜坡和陡坡，古生物遗迹类型的坡度无急陡坡以上的类型，主要为斜坡、缓斜坡和平原（表5）。

表5 保护区各坡度等级面积所占比例/%

3.2 人类活动及其变化与地貌分析

3.2.1 2016年人类活动与地貌

3.2.1.1 2016年人类活动

2016年，河南国家级自然保护区人类活动非常普遍，13个保护区均有不同程度的人类活动，保护区人类活动总数量10645处，面积共1725.34 km2，其面积占保护区总面积的37.72%。在各类型人类活动中农业用地面积最大，数量也最多，分别占人类活动总面积和总数量的 74.11%和69.98%，其次是水域面积，占比分别为17.21%和16.48%，城镇村庄等居民用地的面积和数量位于人类活动面积和数量的第三位，占比分别为3.35%和11.86%（图1、表6）。

2016年森林生态、内陆湿地、野生动物和古生物遗迹等类型的保护区人类活动数量和面积分别占人类活动总数量/总面积的9.27%/3.77%、30.62%/51.88%、34.46%/9.41%和25.66%/34.94%。内陆湿地保护区有8种人类活动类型，主要为农业用地和水域，其它人类活动占地面积较小；古生物遗迹和野生动物保护区有7种类型，主要为农业用地；森林生态保护区有5种人类活动类型，主要为农业用地和水域，其次为采矿用地和园地（表6）。

在人类活动用地中农业用地的数量和面积均远远超过其它人类活动用地，受历史遗留等因素的影响，保护区规划时没有将农田划出保护区之外，因此，农业用地普遍分布于各类型保护区内，主要集中分布于古生物遗迹和内陆湿地；水域用地的数量和面积位于人类活动的第二位，占比为16.47%和17.21%，分布也较普遍，主要集中于内陆湿地；居民用地的数量和面积位于人类活动的第三位，分布于4 种类型保护区，主要集于古生物遗迹；园地、采矿用地也分布于4种类型的保护区，主要集中于内陆湿地，其次为森林生态；交通运输用地和其他建设用地分布于3种类型的保护区，主要集中于内陆湿地；淡水养殖场只分布于内陆湿地（图1、表6）。

表6 2016年保护区人类活动类型的数量及面积

图1 2016年保护区各类型人类活动数量（a）及面积（b）百分比图

3.2.1.2 2016年人类活动与地貌

地貌对人类活动类型的分布具有较强的控制作用，保护区内的各项人类活动主要分布于低海拔台地和平原，占总面积的85%，其次分布于低海拔丘陵，占比为13.84%，其它地貌类型的人类活动面积很小。农业用地、园地、淡水养殖场、水域用地、居民用地、交通运输用地和其他建设用地主要分布于低海拔的平原、台地和丘陵，有极小部分的农业用地和居民用地分布于低海拔小起伏山地、中海拔台地、丘陵和小起伏山地，人类活动对环境有较强干扰的采矿用地主要分布于低海拔的丘陵、小起伏山地、平原和台地，还有小部分采矿用地分布于中海拔丘陵和小起伏山地（表7）。

表7 2016年保护区人类活动各地貌类型面积及比例

保护区的人类活动主要集中于斜坡（坡度15°）以下区域，其累计面积百分比为96.54%，其中有50%以上的人类活动主要集中于坡度小于2°的平原，有近26%的人类活动集中于坡度5°以下的缓斜坡区域；斜坡以上区域的人类活动很少，只有很小部分的农业用地、园地、水域和采矿用地分布于坡度大于15°的陡坡、急坡和急陡坡区域，保护区内坡度大于55°以上的垂直坡区域无人类活动（表8）。

表8 2016年保护区人类活动各坡度等级面积所占比例/%

3.2.2 人类活动变化与地貌

3.2.2.1 人类活动时空变化

2016—2017年，河南有12个国家级自然保护区新增了6种类型的人类活动共482处，新增面积共33.83 km2。在新增人类活动类型中，人工恢复治理的数量和面积最多，数量占比47.72%，面积占比81.24%，其中，恢复水域用地的数量和面积较大，占总新增数量和面积的比例45.44%和77.77%，内陆湿地类型的保护区开展了退耕还湿和采矿用地恢复治理（表9）。

表9 2016—2017年保护区新增人类活动面积及数量

2017—2018年，河南有6个国家级自然保护区新增了4种类型的人类活动共80处，新增总面积3.897 km2。在新增人类活动类型中，人工恢复治理的数量和面积最多，数量占比为30%，面积占比84.63%，其中，恢复草地的面积和数量较大，占总新增数量和面积的比例27.50%和74.67%，内陆湿地的部分矿山开展恢复治理工作（表10）。

表10 2017—2018年保护区新增人类活动面积及数量

2016—2018年，新增人类活动主要集中于内陆湿地型保护区，新增人类活动的面积最大、数量也较多，其次是森林生态型保护区，野生动物型保护区新增人类活动较弱，古生物遗迹保护区在2017—2018年无新增人类活动，内陆湿地类型的保护区人类活动对环境的影响强于其它类型的保护区。

对比2016—2017年和2017—2018年的新增人类活动数量和面积，2016—2017年期间人类活动对自然保护区的影响强于2017—2018年。人类活动对保护区的影响即有正面影响也有负面影响，产生正面影响的人类活动表现为新增林地、草地、水域（湿地）等人工治理，产生负面影响的表现为新增农业用地、采矿用地、居民用地、交通运输用地和其他建设用地等；2016—2017年、2017—2018年人类活动对保护区产生正面影响的面积分别为27.486 km2和3.298 km2，产生负面影响的面积分别为6.345 km2和0.598 km2，这两个时段，人类活动对保护区产生的正面影响的面积是负面影响面积的4倍多，表明河南国家级保护区加强了生态环境恢复治理（图2）。

图2 2016—2018年保护区人类活动变化数量（a）及变化面积（b）统计图

3.2.2.2 人类活动变化与地貌

2016—2017年，各类型人类活动分布于低海拔的地貌类型，面积为33.745 km2，占比99.75%，主要集中于低海拔的平原和台地，丘陵和小起伏山的人类活动主要为采矿用地、交通运输用地和其他建设用地，只有采矿用地分布于中海拔丘陵（表11）。人类活动主要集中分布于坡度小于15°的斜坡以下区域，面积百分比累计为97.52%，是各类型人类活动集中分布区域，如退耕还湿的水域面积百分比累计为77.22%；坡度大于15°以上的陡坡、急坡和急陡坡区域的人类活动面积百分比累计仅为2.48%，人类活动类型主要为采矿用地，其占比为1.09%（表12）。

表11 2016—2018年保护区新增人类活动各地貌面积及比例

2017—2018年，各类型人类活动也分布于低海拔的地貌类型，其面积为3.836 km2，占比为99.81%，主要集中于低海拔的丘陵、台地、小起伏山地和平原，这期间人工恢复治理的草地面积较大，其来源于采矿用地的转化，中海拔台地和丘陵的人类活动类型为采矿用地和其他建设用地（表11）。人类活动相对集中于斜坡区域和陡坡区域，面积百分比累计为63.57%，其次为平原、缓斜坡区域和急坡区域，面积百分比累计为35.17%，急陡坡区域的面积百分比为1.26%，斜坡以下的人类活动面积百分比累计62.27%，人类活动主要类型为人工恢复治理草地，其主要来源于采矿用地恢复治理（表12）。

表12 2016—2018年保护区新增人类活动各坡度等级面积所占比例/%

4 结论

（1）利用数字高程数据可以较准确划分保护区地貌类型和坡度等级，确定保护区地貌类型及坡度分布情况，为深入分析保护区内人类活动与地貌关系提供基础支撑。

（2）利用国产高分辨率遥感影像可以高效、客观、准确判读和提取人类各项活动及其变化的时空格局，准确查清自然保护区人类活动的空间分布状况、类型、强度及其动态变化等特点，为自然保护区日常监管和生态环境保护等提供基础数据和支撑。

（3）确定人类活动主要集中的地貌类型及主要坡度范围，分析不同地貌类型、不同坡度等级的人类活动类型基本分布规律及特征，能发现人类活动存在的问题，如在坡度25°（急陡坡）以上零星分布农业用地，这部分农业用地禁止开垦，退耕还林或还草。

（4）利用遥感技术调查监测保护区的人类活动及其时空变化，可及时评估和发现管理保护中存在的问题，为保护区的决策提供合理化建议和数据支撑。

（5）本项研究还存在一些局限性，如受遥感数据的限制，本项研究时间只有3年，如将研究的时期扩大到10年或15年，更能准确揭示人类活动及其变化规律；没有细分保护区的功能区，他人研究成果表明人类活动对保护区的影响程度是实验区大于缓冲区大于核心区。