自然保护地人地关系空间耦合分析方法研究——以天目山自然保护区为例

李佳芯

吴承照

陶 聪*

建立自然保护地是可持续发展理念下的一项重要举措，希望为子孙后代留下一定面积的天然“本底”[1]。在中国，自然保护地包括自然保护区、风景名胜区、国家森林公园及国家公园等多种类型[2]3-4。我国大部分自然保护地中存在村落及旅游、生产等人类活动，不可避免地与保护地产生矛盾冲突。如何协调人地关系是自然保护地发展的核心问题，也是困扰研究者和管理者的难题。

国内外普遍采用空间管控的方式协调自然保护地中的人地问题：在国外，国家公园普遍采用划定“敏感区”的做法[3]；在我国，分区管理是自然保护地管理的重要手段[4-5]，例如在自然保护区中划分核心区、缓冲区和试验区，以及在风景名胜区中划分特别保存区和风景恢复区等，从而对生态环境和风景资源进行保护。环境敏感性评价和用地适宜性评价是保护地空间管控分区的常用方法，通过保护分区对保护地中的重要资源和生态脆弱区进行保护，避免受到人类活动的干扰。

自然保护地在明确保护分区后，根据分区属性对人类活动进行不同程度的限制和管控。但由于保护地人地关系的复杂性，分区管理实践中仍然普遍存在保护与利用矛盾冲突的问题[6]，主要表现为：资源保护与利用矛盾[7]、土地利用冲突[8]、社区诉求与发展限制矛盾、旅游开发与生态保护矛盾[9]，以及多方利益冲突[10]等。多数保护地要么过于强调“保护优先”而抑制了保护地内人类社区的发展诉求，要么过度“合理利用”违背了资源与环境保护的初衷。

针对面临的各类问题，不少学者从保护地容量和承载力[11-12]、社区参与[13]、管理体制、利益相关者[14]、生态补偿机制、生态旅游方式[15]等视角展开相关研究，期望通过管理手段协调人类活动与自然环境的关系。此外，也有尝试以经济补偿换取土地利用转变，或通过改善景观破碎化、优化景观格局等空间调控角度对保护地进行优化[16]的相关研究。

总的来看，我国自然保护地的生态环境和资源保护主要通过空间分区的管理方式，对于同一管理分区内一般采用统一的开发约束条件和管理举措，忽视了同一分区内存在的环境异质性和人类活动强度的异质性，管理精细度不足。已有研究主要通过利益平衡、管理机制、容量管理和行为约束等进行人类活动的管控研究，而对于人类活动进行空间量化分析，以及针对人类活动与资源保护在空间上的耦合分析研究则较为缺乏。

本研究试图从空间协调视角通过对自然保护地环境敏感性与人类活动强度的耦合分析来研究人地矛盾关系问题。通过对人类活动的空间分异进行考量，实现人类活动强度空间化表征，并根据人地空间耦合分析，明确人地冲突空间，提升空间管制的精准度。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以天目山国家级自然保护区(以下简称“天目山保护区”)为研究对象。天目山保护区位于浙江省杭州市临安区，总面积4 284hm2[17]36，是一个以保护生物多样性和森林生态系统为重点的野生植物类型国家级自然保护区[17]76。由于历史原因，目前保护区内还散布有鲍家和东关2个行政村的部分自然村[17]181。

1.2 研究方法

物理学中，耦合是指2个或2个以上系统或运动形式通过各种相互联系而彼此影响的现象[18]。当系统之间或系统内部要素之间配合得当时为良性耦合，反之为恶性耦合[19]。自然保护地环境敏感性特征与人类活动强度的耦合分析，就是分析二者在同一地表物理空间的匹配状况，从空间协调角度探讨人与地二者的耦合关系(图1)。环境敏感性分析主要关注自然本体特征，可以反映研究地域对外界干扰的抵抗能力和异质性特征。通过人类活动强度的分析，可以得到人类活动对地域环境的压力状况；通过环境敏感性与人类活动的耦合分析，可以判别自然保护地中人地关系的耦合状态，预判潜在的生态问题，为人地关系的协调提供依据。

图1 自然保护地环境敏感性与人类活动耦合分析示意

1.2.1 自然保护地环境敏感性分析方法

自然保护地环境敏感性分析，主要是在自然保护地生态环境调查的基础上，选择合适的环境敏感性评价因子并明确评价标准，分析自然保护地抵抗外来干扰的敏感性分异特征和规律。

1)环境敏感性评价因子选择和评价标准。

确定评价因子和评价标准是环境敏感性分析的关键，天目山保护区作为山地型保护地，高程、坡度和山脊线等因素对保护区敏感性有较大影响；保护区内还有一些珍稀物种的敏感生境，如柳杉林、天目铁木林等[17]104；保护区中水文条件对于生物生存至关重要，因而也是保护区重要的敏感性因素。由于天目山保护区森林覆盖率达98.5%[17]76，也没有明显的水土流失问题，所以没有纳入植被覆盖与土壤特征等敏感性分析常用指标。据此，选取坡度因子、高程因子、山脊线因子、水文因子和敏感生境因子作为天目山保护区敏感性评价指标。坡度对植物生长有较大影响，一般情况下，坡度大于25°时只能生长灌木或小乔木，坡度大于45°时连灌草都难以生长，并容易发生自然灾害[20]；高程的变化直接影响山地型保护地不同高度的气温与湿度，关系到物种的垂直分布，影响生态多样性与脆弱性，高程越高，对外来干扰的抵抗力越弱[21]128-130；山体的山脊线两侧属生态敏感性较高的区域，易受风力、雨水及阳光等影响，也是水土流失最为严重、植被群落最易遭到破坏的区域[22]；水文条件对动植物的生存有重要影响，也是最容易受到人为干扰的因子之一；生境是维持生物正常生存的重要因素，天目山保护区中存在一些重要敏感生境，所以敏感生境也是重要的敏感性因子。

根据天目山保护区的地理环境特征，并借鉴以往相关研究[21]128[22-23]，对5个指标的敏感性评价标准进行设定(表1)。

2)环境敏感性评价方法。

根据自然保护地卫星遥感图、现状地形图和敏感生境分布情况等资料，参照环境敏感性评价标准(表1)，利用GIS软件绘制出保护区单因子环境敏感性评价图，再将单因子敏感性评价图以最大值法作栅格叠加分析，便可得到保护区环境敏感性综合评价结果。高敏感区、中敏感区和低敏感区的敏感度值分别为9、6、3。

表1 自然保护地环境敏感性指标评价标准

1.2.2 自然保护地人类活动强度分析方法

本文所指的人类活动是人类为满足自身需求而对自然环境采取的各种利用和管理行为的总称。人类活动强度就是人类活动对自然环境的扰动程度。自然保护地中人类活动主要包括旅游活动、宗教活动、社区居民的生活生产活动，以及管理机构的管理活动等，少数自然保护地中还可能存在少量的工业活动。从土地覆被看，自然保护地中有林地、草地、裸地、自然水域、园地、耕地、水库水塘、沙地、道路、硬质场地、建设用地和工矿用地等多种土地覆被类型[24]。

人类活动强度可通过土地覆被类型来反映[25]。徐勇等提出了建设用地当量(Construction Land Equivalent，CLE)概念，规定以人类活动对地表作用程度最高的土地覆被类型——建设用地(此“建设用地”不同于城市规划建设中所指的建设用地，主要指地面硬质化用地)作为人类活动强度的基本度量单位(当量)，其他不同土地覆被类型按照对地表作用的强弱换算成建设用地当量系数[25]。该方法主要以“自然覆被改变与否”，以及“地表上下空气、热量、水分和养分等物质能量能否进行正常交换”作为建设用地当量系数的折算依据，当量系数实则反映了该土地覆被类型的人类活动强度。该方法对于人类活动强度具有较明确的客观评判标准，近年来认可度较高。

本研究借鉴建设用地当量法中当量系数的折算方法来分析自然保护地人类活动强度。建设用地当量法对于当量系数的确定主要依据有无人工隔离①分为2个层级：无人工隔离的覆被当量系数为0～0.2，有人工隔离的覆被当量系数为0.2～1.0[25]。该转换系数设定方法默认没有人工隔离的空间的人类活动强度都很低，人类活动强度的差异主要在于人工隔离空间。然而，这种设定方式运用在自然保护地中并不恰当，因为自然保护地中有人工隔离的空间占比很少，人类活动主要发生在非人工隔离空间。因此，本研究根据自然保护地土地覆被的特点对相关系数进行调整。首先，为了便于GIS中进行栅格计算，将各类土地覆被的人类活动强度值定为0～10分，硬化用地为10分②；由于仅以“表层自然覆被改变与否”“地表上下水分和养分、空气和热量交换情况”③作为特征标志无法精准反映人类活动强度等级的差异④，因此进一步根据人类利用的程度和物质能量阻滞的程度⑤进行细分(表2)，即在覆被未改变、覆被有改变但无人工隔离，以及有人工隔离3种主要地表覆被变化情况下，同时考虑了人类利用强度⑥的影响。不同土地覆被类型的人类活动强度值(CIi)计算公式如下：

表2 自然保护地陆地表层特征标志等级划分和对应特征值

当CIi无人工隔离时，

CIi=max(CS1i,CS2i,CS3i,CS4i,CS5i)

当CIi有人工隔离时，

CIi=4+max(FCS1i,FCS2i,FCS3i)+max(FCS4i,FCS5i,FCS6i)+max(FCS7i,FCS8i,FCS9i)

式中，CS1i、CS2i、CS3i、CS4i、CS5i分别为第i种土地覆被类型无人工隔离时5个细分特征标志的特征值；FCS1i、FCS2i、FSC3i、FSC4i、FCS5i、FSC6i、FSC7i、FCS8i、FSC9i分别为第i种土地覆被类型有人工隔离时9个细分特征标志的特征值；4为无人工隔离情况下的人类活动强度最大值。

由此得到自然保护地各土地覆被类型的人类活动强度值(表3)。自然保护地人类活动强度共有11个强度值：0～3为低活动强度，4～6为中活动强度，7～10为高活动强度。

表3 自然保护地各地表覆被人类活动强度值

1.2.3 自然保护地敏感性特征与人类活动强度耦合分析方法

自然保护地人地关系若要协调，人类活动与保护地的敏感性特征就应处于合理的耦合状态。由于环境敏感性越高，抵御外界干扰的能力越弱，且人类活动强度越高对环境的干扰越大，所以特定地域空间的敏感性和活动强度都较低，二者的耦合状态就较为协调，为正向耦合关系；如果敏感性和活动强度都较高，二者的耦合状态趋向于冲突，则为负向耦合关系；处于二者之间为临界状态(图2)。

图2 自然保护地人地关系耦合规律

对自然保护地敏感性特征与人类活动强度的耦合分析，主要运用GIS软件将人类活动分布图与敏感性特征图作栅格叠加，分析二者的耦合状态。GIS叠加分析后，研究区域内栅格分值范围在3～19分(表4)。“低+低”耦合，即在低敏感区发生低强度人类活动，分值在3～6分(表4中绿色区间)，人地关系为很协调状态；“低+中”耦合，即在低敏感区发生中强度人类活动，或在中敏感区发生低强度人类活动，分值在7～9分(表4中浅绿色区间)，人地关系为较协调状态；“中+中”“低+高”耦合为临界状态，分值在10～12分(表4中黄色区间)；“中+高”耦合为较冲突状态，分值在13～15分(表4中橙色区间)；“高+高”耦合为严重冲突状态，分值在16～19分(表4中红色区间)。为了更精确地描述人地关系的状态，将5个状态内部再分3级，如“严重冲突一级”“严重冲突二级”“严重冲突三级”3个级别，其中一级为最高，三级为最低(表4)。

表4 自然保护地人类活动强度与敏感性特征的耦合关系对照

2 分析与结果

2.1 天目山保护区环境敏感性分析

利用天目山保护区2014年遥感卫星图、敏感生境分布图和现状地形图等资料，通过GIS软件绘制出天目山保护区单因子生态敏感性分区图(图3～7)。从坡度因子看，保护区东部和中部坡度较陡，敏感性较高；从高程因子看，保护区西部敏感性较高；从山脊线因子看，保护区西部和北部敏感性较高；从水文因子看，水库、溪流沿岸区域敏感度较高；从敏感生境因子看，保护区西南部和西北部敏感性较高。

图3 坡度敏感性分区图

图4 山脊线敏感性分区图

图5 高程敏感性分区图

图6 水文敏感性分区图

图7 生境敏感性分区图

用GIS软件对各单因子敏感性分区图按照最大值叠加法进行叠加分析，得到天目山保护区环境敏感性综合分区图(图8)。由图可知，天目山保护区中高敏感区面积约为1 778hm2，占总面积的41.5%，主要分布于保护区西南部和西北部，包括珍稀濒危动植物物种所在区域、保护区海拔较高区域，以及西关水库等区域，这些区域的生态环境敏感性很高，应以保护为主，尽量避免人类活动和开发建设；天目山保护区的中敏感区面积约为2 026hm2，占47.3%，主要分布于保护区的中部区域，这些区域生态环境敏感性较高，可以允许适当的人类活动，尽量避免较高强度的人类活动和开发建设；天目山保护区低敏感区面积约为480hm2，占11.2%，主要分布于保护区东南部，该区域生态环境敏感性较低，适合开展较高强度的人类活动和开发建设。

图8 环境敏感性综合分区图

2.2 天目山保护区人类活动强度分析

根据天目山保护区2014年的SPOT5遥感图，基于ENVI和GIS平台，采用人机交互式遥感图像解译方法对保护区内土地覆被进行识别，最终得到2014年天目山保护区土地覆被分布情况。人类活动密度以某活动区域/道路的高峰期人员密度计，并根据表3赋予人类活动强度值，结果如图9所示。保护区中人类活动的空间范围共约967.79hm2，占整个保护区面积的22.59%，其中低强度活动区域(强度值1～3分)约有311.06hm2，占总活动面积的32.14%；中强度活动空间(强度值4～6分)约有593.59hm2，占总活动面积的61.33%；高强度活动空间(强度值7～10分)约有63.14hm2，占总活动面积的6.52%。从图9可以看出，天目山保护区中人类活动呈沿水系、谷地及重要景观点分布的状态。

图9 天目山保护区人类活动分布

2.3 天目山保护区人地关系耦合分析结果

通过GIS软件对天目山保护区敏感性分区与人类活动空间进行栅格叠加分析，结果如图10所示，共有87.86%的空间范围(3 764.11hm2)处于很协调(深绿区域)和较协调(浅绿区域)状态，即人地关系为正向耦合状态；有1.17%(50.08hm2)处于严重冲突(红色区域)状态，2.29%(98.20hm2)处于较冲突(橙色区域)状态，主要沿双清溪、西关溪和东关溪，以及寺庙、柳杉林等水系和景点分布，人地关系呈负向耦合状态，容易引发生态环境问题；还有8.67%(317.60hm2)的空间处于临界状态(黄色区域)。

图10 天目山保护区人地空间耦合分析结果

3 讨论

从人地关系空间耦合分析结果看，由于天目山保护区的山脊线附近及陡坡、高海拔等高敏感区的自然环境条件较差，不利于人类活动，所以人类活动与坡度、山脊线和高程等敏感性特征呈正向耦合状态；但是人类活动多发生在水文因子和生境因子的中、高敏感区内，因此人类活动与水文敏感性和生境敏感性特征呈负向耦合状态(图10)。

天目山保护区中水资源稀缺，社区居民点和旅游度假酒店等大都临水而建，游客和居民用水量很大，尤其旅游高峰期各度假酒店和农家乐使用水管到山上违规取水，导致保护区缺水和水污染问题愈发严重，极易导致植物和耕地退化[2]216-224。对此，天目山管理局通过管控保护区内度假酒店和农家乐数量、在旅游高峰期加强保护区水质和用水监管，以及增设自来水站等针对性措施，使保护区缺水与植物退化问题得到了一定程度的缓解[2]287-301。

天目山保护区内的高敏感生境区也是“大树华盖”、开山老殿等景点的所在地(图10中A处)，这些景点每年吸引大量游客进入，对该区域的植被及生物造成了严重影响，保护区中最主要的生态问题之一“柳杉退化”即发生在该区域[26]。这验证了：人地冲突区域是易爆发生态问题的区域。对此，天目山管理局于2015年在高敏感区外围另建一条上山步道(图10中的新增道路)，以避免人地空间的冲突。新步道建成后，大大缓解了游客对敏感生境的影响，柳杉林也得到了一定程度的恢复[27]。从耦合分析看，原上山碎石步道由于人流量明显减少，部分路段耦合关系由严重冲突二级降为严重冲突三级，或由较冲突二级降为较冲突三级，冲突得到缓和。未来应彻底放弃原步道的使用，让其逐渐恢复自然状态，将耦合关系转变为较协调状态。

通过对天目山保护区的人地关系空间耦合分析发现，人地负向耦合空间确实是人地矛盾突出、易出现生态问题的空间。对此，可以通过对人类活动的调控，缓解对保护区中较高敏感性区域的压力，将人地关系从负向耦合转为正向耦合，切实改善人地关系，有效化解自然保护区的生态环境问题。

4 结语

本研究从空间协调视角出发，提出了基于自然保护地环境敏感性与人类活动强度的人地关系耦合分析方法：通过环境敏感性评价了解保护地中“地”的敏感性特征；借鉴“建设用地当量法”实现对保护地人类活动强度的空间量化；通过二者的空间耦合分析，反映自然保护地人地耦合关系。人地耦合关系分为正向耦合与负向耦合，正向耦合空间人地关系协调，负向耦合空间人地关系冲突，容易引发生态问题。从案例研究看，本研究提出的环境敏感性与人类活动强度耦合分析方法，可以相对精准地确定自然保护地的人地冲突空间，明确冲突程度，为自然保护地精细化管理提供科学依据。从理论价值看，本研究提出的人地关系空间耦合分析方法，是对人地关系理论的补充。本研究对“建设用地当量法”的当量转换系数根据自然保护地的特征进行了修正，并考虑了同一地表覆被(用地类型)不同人类活动强度的区别，更为符合保护地的实际情况，实现了将该方法从以往的宏观运用转向自然保护地的相对微观运用，拓展了该方法的运用范围。

注：文中图片均由作者绘制。

注释：

①这里的“人工隔离”可以理解为在地表人工覆上的沙石、水体、铺装等隔离物，对地表与外界的物质能量交换有一定阻碍。

②建设用地当量法中的完全硬化用地值为1，本研究将其当量系数扩大了10倍。

③从建设用地当量法的实际运用情况看，一般水分和养分、空气和热量都是不分离的[25]，所以本研究将它们合并考虑。

④如建设用地当量法中有人工隔离的各类土地覆被实际对应的系数只有0.6和1.0 2个数值[25]。

⑤例如水泥地面基本可以完全阻滞上下物质能量交换，而碎石铺地/透水混凝土则仅是部分阻滞上下物质能量交换。

⑥人类利用强度依据高峰期活动密度分为3级，即无人类活动、低密度活动和高密度活动。低、高密度活动采用《风景名胜区总体规划标准》(GB/T 50298—2018)中保护地的容量值作为界限，即低于容量的属于低密度活动，高于容量的为高密度活动。