保护区对于保护生物多样性和确保生态系统服务至关重要。合理评估这些区域内生态环境质量的长期变化对于制定有效的保护战略和政策决策尤为重要。本研究通过改进遥感生态指数（RSEI）来分析2000年至 2022 年中国首批国家公园（NPs）生态环境质量的时空变化，从而应对长期生态监测所面临的挑战；利用夜间灯光（NTL）遥感数据研究了这些公园内部及周边人类活动的变化；使用 Sen+MK 趋势分析、气候因子去除分析和地理探测器来探索生态环境质量变化背后的驱动力，并比较不同 NPs 生态保护措施的有效性。结果表明：1）时间增强型 RSEI（tRSEI）有效整合了多个变量的动态变化，为长期生态监测提供了更好的时间可比性；2）从 2000 年到 2022 年，NPs内的生态环境质量明显改善，试点保护项目实施后，改善更为显著；3）这些NPs内生态环境质量的空间差异是由人类活动、气候变异和地形条件等多种因素相互作用造成的，各NPs之间存在显著差异；4）虽然 2000 年至 2022 年期间，NPs内外的NTL水平总体上有所增加，特别是随着试点项目实施后周边地区的加速发展，但NPs内的NTL水平仍然相对较低。有趣的是，在大熊猫保护区和海南热带雨林保护区，tRSEI 与NTL变化之间存在明显的正相关关系，表明NTL的增加并未对这些保护区内的生态环境产生负面影响。本研究为不同保护区的生态保护和管理提供了建议，为中国乃至全球保护区的有效管理提供了启示。
保护区（PAs），包括国家公园（NPs），是全球生物多样性保护的基础，是濒危物种的重要避难所，在维持全球生态平衡方面发挥着关键作用。这些地区对生态系统质量、减轻森林损失、调节区域气候和增强碳汇功能做出了重大贡献，从而在减缓气候变化和可持续发展方面发挥关键作用。在更广泛的保护区背景下，国家公园为平衡人类活动与生态保护提供了一种特别有效的机制。作为保护区的一个重要子集，保护区的特点是其广阔的景观，旨在支持大规模的生态过程，拥有丰富的生物多样性，并保持生态完整性。它们的价值在于保护关键的生态系统，同时为娱乐、教育和科学研究等可持续的人类活动提供机会。因此，了解这些广大地区人类活动与生态质量之间错综复杂的相互作用对于有效管理至关重要。中国于2021年10月12日成立了首批五个国家公园——三江源、大熊猫、东北虎豹、海南热带雨林和武夷山——这凸显了中国对大规模保护的承诺。对这些新生公园的有效管理需要对生态质量和人类活动之间复杂的相互作用有透彻的了解。
以往的研究为评价包括国家公园在内的保护区的生态质量奠定了重要的基础。这些研究共同强调了NPs在生态保护中的关键作用，但对影响生态系统健康和生态质量的因素之间多方面的相互作用的更全面的理解仍然是难以捉摸的。这一差距强调需要先进的方法来评估和监测这些复杂的动态。为了满足这一需求，许多方法被用于监测和评估生态状况和动态，包括基于遥感的生态指数（RSEI）。RSEI综合了4个遥感指标（绿、湿、干、热），有效捕捉了植被覆盖等生态因子和温度、湿度等气候变化对生态环境质量的影响。RSEI的客观性、可扩展性和可比性使其成为广泛应用的重要生态评估工具。然而，RSEI在时间数据可比性和模型计算结果的随机性方面仍然面临挑战。此外，这些方法往往缺乏与人类活动指标的明确结合。
人类活动，特别是在现代化和城市化的背景下，对生态环境质量的形成起着重要的作用，既有积极的影响，也有消极的影响。相反，土地利用变化、资源过度开发和污染等活动导致栖息地丧失、生物多样性下降和生态系统退化，威胁到NPs的生态完整性。此外，公园边界附近的景观退化进一步破坏了它们的生态功能。尽管存在这些挑战，人类活动与保护工作的结合在许多保护区（包括国家保护区）取得了积极成果。例如，再造林和湿地恢复项目改善了空气和水质，扩大了栖息地，增强了碳固存。因此，了解国家公园内人类活动的动态对于这些重要区域的有效保护和生态可持续性至关重要。
尽管对中国自然保护区生态质量的了解有所进展，但现有的研究尚未充分探索人类活动压力与生态质量之间的关系，并没有使用诸如夜间灯光（NTL）等现成的替代数据。虽然NTL数据能有效捕获人类活动强度，但其在生态评估中的应用仍然有限，通常侧重于光污染。在全球范围内，Mu等人（2021）和Zheng等人（2021）等研究表明，保护区存在广泛的光污染，但很少有人将NTL数据与其他生态指标结合起来，以全面了解人类活动对生态系统健康的影响。
本研究探讨了中国首批国家公园生态环境质量的关键科学问题。首先，利用时序增强遥感生态指数（tRSEI）和Sen + MK趋势分析，研究了2000 - 2022年这些公园生态环境质量的时空演变动态。其次，通过气候因子去除分析和地理探测器，探讨了这些变化背后的主要驱动力，特别是人类活动、气候变率和地形条件的影响。最后，对不同保护区的生态保护措施的有效性进行了评估，从而深入了解了促成保护策略成功的因素。通过采用先进的方法解决这些问题，本研究旨在全面了解中国国家公园的生态变化，并为知情管理和可持续发展提供坚实的科学基础。
1.NPs生态环境质量与变化特征
1.1tRSEI与时间变化特征
利用增强的tRSEI敏感性，本研究揭示了试点项目实施后5个NPs中不同的生态轨迹（图2）。三江源国家公园（SNP）、大熊猫国家公园（GPNP）和海南热带雨林公家公园（HTRNP）在试点项目实施后表现出加速改善，SNP的年增长率从0.31%增加到0.43%，GPNP从0.28%上升到0.41%，HTRNP保持积极趋势，尽管年增长率从0.67%略微下降到0.49%。东北虎豹国家公园（NTLNP）表现出更为复杂的格局，从试点前的适度改善（0.45% /年）过渡到试点后的小幅下降（- 0.04% /年），但总体趋势斜率增大。武夷山国家公园（WNP）是一个独特的案例，在试点后，原有的下降趋势放缓（每年从- 0.09%降至- 0.01%）。尽管在5个np中有4个观察到总体的积极趋势，但SNP在整个研究期间始终表现出最低的年平均tRSEI。
1.2tRSEI趋势分析
tRSEI趋势分析结果（图3）表明，在5个国家公园中，大部分地区（约88%）的生态环境质量保持稳定或显著改善，显著恶化地区所占比例最小。其中，HTRNP显著改善的比例最大，改善面积达53.0%，显著退化面积仅为0.8%。NTLNP紧随其后，改善了42.7%，降低了1.4%。在SNP方面，29.5%的地区明显改善，68.1%的地区保持稳定，2.3%的地区恶化，主要集中在中西部地区。GPNP提高35.6%，下降3.7%，主要集中在中部地区。总体而言，5个保护区大部分地区的生态环境质量保持稳定或有明显改善，特别是高trnp和NTLNP的改善比例较高，表明保护区的生态保护措施取得了积极成效。
1.3生态环境质量水平的变化
2000年、试点启动年和2022年的tRSEI分布汇总见图4。生态环境质量的分类是根据tRSEI值根据0.2的区间划分为五类：坏（0.0—0.2）、差（0.2—0.4）、中（0.4—0.6）、好（0.6—0.8）和优（0.8—1.0）。试点后，除WNP外，所有NPs的生态质量均呈现整体改善趋势，其中SNP、GPNP和HTRNP的生态质量改善趋势明显加快。SNP在其东部和东南部地区主要表现出中等至良好的生态质量，但在5个NPs中保持最低的总体平均年tRSEI。WNP呈现出西部地区质量持续较好，东部较贫困地区质量逐步改善的对比格局。国民生产总值质量较高的地区主要集中在北部和东北部，而西南地区相对落后。HTRNP质量以中部和东南部地区最高，靠近边界地区较差。NTLNP除中部地区外，大部分地区品质优良。
试点启动后，5个省区生态环境质量中高的地区比例均有所增加（图5）。其中，中高生态质量区和高生态质量区改善最为显著，中高生态质量区从48.9%上升到64.9%，中高生态质量区从11.3%上升到18.1%。
2.基于NTL的人类活动时间变化
时序遥感监测是跟踪NPs内部和周围光污染和人为干扰的有效方法。在这项研究中，我们利用夜间光遥感数据来评估国家公园内外的人类活动动态。
从2000年到2022年，在所有5个NPs中，NTL强度（TSOL）的总和急剧增加（图6），增幅从746% （NTLNP）到26901% （HTRNP）不等。首个NPs缓冲区的TSOL值详见补充资料图s2，图s2显示了不同缓冲区的时间序列数据。虽然缓冲区的TSOL最初增长速度较慢，但随后几年的增长率明显增加。与25 - 75 km缓冲区相比，25 km缓冲区内的TSOL始终较低。此外，NPs内的TSOL值明显低于周边地区，特别是在以后的年份。
在NPs中，GPNP和WNP的TSOL值相对较高，其中WNP的平均NTL强度（MNTL）最高（图s3）。国家公园的建立对TSOL趋势有不同的影响。建立后，WNP的TSOL生长减少，而SNP和HTRNP的TSOL生长显著增加。例如，SNP的TSOL斜率和年平均增长率分别从建立前的0.19%和29.76%增加到建立后的23.74%和41.41%。在NTLNP和GPNP中，TSOL表现出明显的波动，包括下降时期(NTLNP: 2009-2012；GPNP: 2013 - 2016)。尽管存在这些波动，但两个园区在建立后的TSOL增长趋势更为明显，尽管年平均增长率低于建立前。
3.影响生态环境质量的因素
3.1驱动因素
为了进一步探讨NPs内生态环境质量变化的驱动因素，本研究采用地理探测器中的因子检测器和交互检测器来评估影响tRSEI的各因子的解释能力。分析得出以下主要结论：
利用Geodetector进行因子检测分析（图7）发现，土地利用类型、气候因子和海拔是tRSEI变化的最显著解释变量（各时间段大多数指标p < 0.001），突出了它们对生态环境质量空间格局的影响。这些因素的相对重要性在不同的NPs中有所不同（例如，降水和GDP在SNP中影响最大，而土地利用在其他国家中占主导地位）。
交互作用检测分析（Fig.S4）表明，因子之间的二元线性和非线性增强显著。说明各NP内多因素对tRSEI的综合影响强于单一因素的影响，凸显了多因素交互作用对生态环境质量空间分异的影响。
3.2人为引起的tRSEI趋势
在Geodetector结果中，降水是影响SNP不同时期生态环境质量空间异质性最显著的因素（图7）。考虑到SNP对降水的敏感性，进一步对该公园进行分析，包括相关分析和残差分析，以去除气候因素的影响。tRSEI的年际变化与年降水量和气温密切相关（图8），降水量与tRSEI呈强正相关（R2 = 0.531, P < 0.01）（表4）。这与SNP中tRSEI与NDBSI因子呈强负相关（图11）一致，反映了干旱对生态质量的负面影响。
考虑气候因子对tRSEI的滞后效应，降水和温度的R2分别增加到0.688 （p < 0.01）和0.460 （p < 0.05）。纳入这些滞后气候因子的多元线性回归模型准确预测了tRSEI的年际变化（图9(a)），并解释了55.6%的tRSEI变化（R2 = 0.556, F = 12.155, p < 0.001）。
3.3人类活动对生态环境质量变化的影响
为了将人类活动的影响从气候效应中分离出来，使用eq(6)和(8)对tRSEI值进行了调整（图9(b)）。在此基础上，本节探讨了作为人类活动指标的NTL强度的长期变化与NPs及其周边地区的生态环境质量之间的关系。
5个NPs的tRSEI与TSOL的相关分析结果（表4）表明，3个NPs （GPNP、HTRNP、SNP）的生态环境质量变化与NTL强度变化呈显著正相关。其中，海南热带雨林NP （HTRNP）与大熊猫NP （GPNP）呈显著正相关（R2 = 0.517） （R2 = 0.321）。由于SNP受降水、温度等气候因子的影响较大，为了消除气候变化带来的不确定性，揭示SNP中生态环境质量与人类活动之间的关系，我们将TSOL与气候调整后的tRSEI进行相关性分析（图9 (b)）。气候调整后的tRSEI与TSOL呈显著正相关（R2 = 0.510, p < 0.05），揭示了控制气候影响后生态质量与人类活动之间的关系。相比之下，WNP患者的tRSEI与TSOL呈微负相关（R2 = -0.051），但这种相关性无统计学意义。
这些结果表明，尽管从2000年到2022年，HTRNP、GPNP和SNP的NTL强度呈增加趋势（图6），但这些NPs内人类活动的增加并未导致环境退化。相反，这些NPs内的整体生态环境质量呈上升趋势（图2和图9 (b)）。这表明自然保护区的划定有效地保护和提高了这些地区的生态质量。虽然保护区内的人类活动有所增加，但并未造成生态环境的严重退化。
tRSEI与NTL的相关分析表明，HTRNP、GPNP中的tRSEI与NTL呈显著正相关，SNP中气候调节的tRSEI与NTL呈显著正相关。将这些结果与tRSEI变化趋势分析相结合，可以看出，从2000年到2022年，在TSOL持续增加的情况下，大部分区域的生态质量保持稳定或有明显改善，只有极少数区域出现明显下降（图3）。这表明自然保护区的设立有效地保护和提高了这些区域的生态质量。虽然保护区内的人类活动有所增加，但并未造成生态环境的严重退化。随着各项生态保护工程的管理和实施，生态环境质量总体呈上升趋势。
本研究引入了一种时间增强的RSEI (tRSEI)，结合夜间灯光数据、气候数据和社会经济因素，分析了中国首批生态质量的时空格局和驱动因素。主要结论如下：
1)与原始RSEI相比，tRSEI具有更强的时间稳定性，表明2000 - 2022年初始NPs内的生态质量显著改善。
2)国家公园的建立有效地限制了公园边界内人类活动的加剧，公园内的NTL始终低于周边地区。
3)人类活动并不一定导致生态质量下降。通过控制气候变化的影响，可以更准确地评估人类活动对生态质量的影响，从而更清楚地了解其直接影响。适当的管理可以减轻人类活动的负面影响。
4)生态质量受到自然和人为因素的双重影响，不同公园的主导因素和影响机制各不相同。这些因素有不同程度的影响取决于公园，突出需要有针对性的管理策略。
研究结果为国内外保护区生态环境保护和可持续发展提供了科学依据，为制定更精准的保护策略提供了参考。未来的研究应侧重于针对不同类型的NPs开发精细化的RSEI评价体系，并涉及多源数据，以全面评估人与环境的相互作用。
初审：梁笑嫣
审核：徐彩瑶
排版编辑：王永成
文献推荐人：王永成
参考文献：Chunhui Wen, Tengfei Long, Guojin He, Weili Jiao, Wei Jiang, Temporally enhanced RSEI and nighttime lights reveal long-term ecological changes and effective protection in China’s inaugural national parks, Ecological Indicators, Volume 170, 2025, 112981, ISSN 1470-160X.
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